电镀锡机组软熔导电辊粗糙度异常的分析及控制

范光杰

（宝钢股份公司冷轧厂，上海 200941）

电镀锡机组软熔导电辊粗糙度异常的分析及控制

范光杰

（宝钢股份公司冷轧厂，上海 200941）

某电镀锡机组2#软熔导电辊(位于淬水槽之后)在使用过程中粗糙度异常下降，寿命较短，在一定程度上制约了机组的正常生产。采用扫描电镜和能谱对因此而产生的镀锌板缺陷进行了微观形貌及元素成分的分析，比较了1#(位于淬水槽前)、2#导电辊的粗糙度变化，以及下机后2#导电辊在清洗前后的粗糙度。认为粘锡是造成粗糙度下降的根本原因，磨损所造成的粗糙度下降可以忽略不计。提出了控制2#软熔导电辊粗糙度下降的措施，如提高2#软熔导电辊的压辊压力，降低淬水槽中Sn2+的浓度，降低淬水槽温度，防止带钢边部产生锡须等。

镀锡；软熔；导电辊；粗糙度；粘锡；磨损

1 前言

某电镀锡机组设计软熔工艺采用电阻软熔 + 感应软熔，为镀锡成品提供光亮表面及合适的合金层量，软熔段工艺流程如图1所示。

图1 电镀锡线上软熔段的工艺流程图Figure 1 Process flow chart of reflow section in electrolytic tinning line

电阻软熔是在1#、2#软熔导电辊之间通以一定的交流电流，将带钢加热，于232 °C左右使表面锡层熔化，改变锡层结晶形态，形成锡合金层，以提高镀锡板的耐蚀性。软熔导电辊为铁芯上镀铜再镀铬的结构，镀铜层提供优良的导电性能，镀铬层提供良好的硬磨性，新辊镀铬层的粗糙度控制在Ra≈ 5.0 μm。

软熔导电辊处于电镀锡机组的软熔段，其中淬水槽使用水作为冷却介质，温度控制在50 ～ 95 °C。在淬水槽入口，带钢达到软熔段最高温度(250 ～ 280 °C)，带钢进入淬水槽后被冷却到100 °C以下。

在使用的过程中，2#软熔导电辊的粗糙度很快就降低到Ra≈ 1.0 μm，造成镀锡板表面极易产生烧蚀缺陷。

2 2#软熔导电辊粗糙度的变化规律及其对质量的影响

2. 1 2#软熔导电辊粗糙度的变化规律

从上机运行和检测数据来看，2#软熔导电辊传动侧、中间部分及操作侧的粗糙度下降规律基本一致，其粗糙度下降历程分为3个阶段──粗糙度急剧下降区(3 d内)、平台区(3 ～ 6 d)和失效区(6 d之后)，如图2所示。另外，导电辊中间部分磨损较为严重。

图2 2#软熔导电辊粗糙度随运行时间的变化Figure 2 Variation of roughness of No.2 reflow conductive roller with running time

2. 2 2#软熔导电辊粗糙度下降对质量的影响

据现场观察，在粗糙度急剧下降区，产品质量无可观测的影响；在平台区，对产品质量影响较小，偶而会产生小白点等缺陷，可通过导电辊研磨等作业调整加以消除；在失效区，不可避免地产生无法消除的小白点等缺陷，小白点缺陷的宏观与微观形貌如图 3所示。

图3 小白点缺陷的宏观与微观形貌Figure 3 Macroscopic and microscopic morphologies of the defect of tiny white spot

通过对小白点缺陷的电镜形貌观察及能谱分析，确认这是一种已将锡层烧损而伤及或未完全伤及合金层的致命缺陷，直接影响了镀锡板的耐蚀性能和涂覆性能。

表1是2种典型小白点缺陷的分析结果。

表1 小白点缺陷的分析结果Table 1 Results of analysis on tiny white spot defect

根据以上分析结果，可以认为“小白点”是一种因导电辊粗糙度降低，导电辊、钢板粘附或溶液带入的微小异物在大电流下使导电辊与带钢之间水膜局部击穿后产生的镀锡层表面的点状烧蚀，其对镀锡板的耐蚀性将产生不可估量的负面影响。

3 2#软熔导电辊粗糙度下降的机理探讨

3. 1 磨损失效机理探讨

从正常生产运行情况来看，带钢包覆在导电辊的外围，整体没有相对滑动，通过两者之间的接触来传递电流。理论上，导电辊驱动的线速度与带钢运行速度是同步的，但实际上两者存在差异才能保证张力和摩擦力。在微观条件下，带钢与软熔导电辊之间存在相对滑动，这可能引起软熔导电辊与带钢之间的相互磨损，从而造成粗糙度异常下降。

而从现场软熔导电辊的布置来看，1#软熔导电辊在淬水槽之前，其工作环境处于干态，基本没有溶液的干扰，而2#软熔导电辊处于淬水槽之后，并且距离很近，带钢经过淬水槽后，部分溶液被带到2#软熔导电辊之上，溶液对导电辊的磨损起润滑作用。若是软熔导电辊因磨损而失效，则1#软熔导电辊应比2#软熔导电辊更容易失效。因此做了1#、2#软熔导电辊的磨损失效试验，以对比其粗糙度下降规律。试验时间共持续11 d，每天的粗糙度变化规律如图4所示。

图4 1#、2#软熔导电辊粗糙度随运行时间的变化Figure 4 Variation of roughness of No.1 and No.2 reflow conductive rollers with running time

从图 4可以看出，随着时间的推移，1#软熔导电辊粗糙度下降非常缓慢，基本维持Ra＞4.5 μm，对产品质量基本没有影响；而2#软熔导电辊的粗糙度则急剧下降，到第10天左右时已出现“小白点”缺陷，对生产产生了比较严重的负面影响。

从该对比试验可以看出，软熔导电辊与带钢之间相对滑动所引起的磨损，并不是2#软熔导电辊粗糙度下降的根本原因，软熔导电辊与带钢之间的同步运行对整个系统而言是可以接受的。

3. 2 粘锡失效机理探讨

从下机的2#软熔导电辊的表面形貌来看，表面粘附一层薄薄的锡，通过清洗将表面锡层去除之后，2#软熔导电辊基本恢复了原来形貌，粗糙度Ra也提高到4.5 μm以上，这与1#软熔导电辊的磨损规律是一致的。2#软熔导电辊清洗前与清洗后的粗糙度变化情况如图5所示。

图5 下机后2#软熔导电辊清洗前后粗糙度的变化Figure 5 Variation of roughness of used No.2 reflow conductive roller before and after cleaning

而从2#软熔导电辊微观形貌来看，失效后的2#软熔导电辊的铬层内部有大量锡的存在。当铬层没有粘锡时，铬层凹坑处是空白的，其粗糙度是正常的；而当铬层凹坑处粘锡时，凹坑处将被锡部分填满，表现出粗糙度下降。

当粗糙度下降到一定程度(如Ra＜1.0 μm)时，2#软熔导电辊的铬层将与镀锡板表面发生微观放电，引起烧蚀，即“小白点”缺陷。软熔导电辊铬层表面粘锡的微观形貌示意图如图6所示。

图6 2#软熔导电辊粘锡微观形貌Figure 6 Microscopic morphology of tin sticking on No.2 reflow conductive roller

可见，2#软熔导电辊表面粘锡是造成其粗糙度下降的根本原因。

4 2#软熔导电辊粗糙度下降的控制对策

4. 1 提高2#软熔导电辊的压辊压力

1#、2#软熔导电辊之间最大的差异是工况的不同。1#软熔导电辊工况处于干态，没有溶液的干扰，而2#软熔导电辊处于湿态，大量的溶液经带钢被带到2#软熔导电辊之上，因此，将2#软熔导电辊压辊的压力由4 MPa提高到6 MPa，提高挤干效果，可以减少溶液带出。

4. 2 降低淬水槽中Sn2+浓度

从理论上讲，淬水槽中应是纯水，不应该有 Sn2+的存在，但由于带钢的运行，电镀溶液不可避免地由工艺段被带到淬水槽，使淬水槽中 Sn2+的质量浓度高达0.5 g/L以上。Sn2+浓度高，2#软熔导电辊粘锡的概率就大。通过增大工艺段挤干辊压力、采用压缩空气吹扫等方式，将淬水槽中的 Sn2+质量浓度降至 0.1 g/L以下，以减少淬水槽中的锡在2#软熔导电辊上富集。

4. 3 降低淬水槽的温度

由于软熔过程中带钢的温度达到近300 °C，因此淬水槽中的水温经常高达95 °C以上，这不利于锡层的冷却，温度较高的锡层更容易粘附到2#软熔导电辊上。因此，通过添加纯水、减少蒸汽加热量等措施，控制淬水槽温度在80 °C以下，以利于锡层与带钢的冷却，从而减少2#软熔导电辊粘锡。

4. 4 带钢边部锡须的防治

带钢边部在电镀时因边缘电流集中，产生大量锡须，造成淬水槽锡须增多，也是粘锡的来源之一，最终影响2#软熔导电辊的粗糙度。因此，增加电镀段边缘罩投入量，从而控制镀锡板边部增厚，有效减少锡须发生量，也是有效措施之一。

5 结论

粘锡失效是某镀锡机组2#软熔导电辊粗糙度下降的主要原因，而磨损引起的粗糙度下降可以忽略不计。通过提高 2#软熔导电辊的压辊压力，降低淬水槽中Sn2+的浓度及水温，防止带钢边部产生锡须等措施，可以有效防止2#软熔导电辊粗糙度的过快下降，其寿命也提高了一倍以上，而由此产生的“小白点”缺陷降低了 50%以上，2#软熔导电辊粗糙度下降过快不再是影响某镀锡机组产能、质量的主要因素。

[ 编辑：温靖邦 ]

Analysis and control of abnormal roughness of reflow conductive roller in electrolytic tinning line //

FAN Guang-jie

The No.2 reflow conductive roller located after quench tank in an electrolytic tinning line (ETL) has a short service life due to the abnormal decrease of its surface roughness, which restricts the normal production to a certain extent. The microscopic morphology and elemental composition of the defect resulted from the roughness decrease on tinned sheet were analyzed by scanning electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy. The roughness variation of No.1 (located before quench tank) and No.2 conductive rollers and that of the used No.2 conductive roller before and after cleaning were compared. It is considered that tin sticking is the main reason leading to the abnormal roughness decrease, and the effect of abrasion is negligible. Some measures for controlling the roughness decrease of No.2 reflow conductive roller were presented, such as increasing its rolling pressure, decreasing the Sn2+content and solution temperature in quench tank, and preventing the formation of tin whiskers at the edges of steel strips.

tinning; reflow; conductive roller; roughness; tin sticking; abrasion

TQ153.13

A

1004 – 227X (2012) 06 – 0039 – 03

Author’s address:Cold Rolling Plant of Baoshan Iron amp; Steel Co., Ltd., Shanghai 200941, China

2012–03–16

2012–03–27

范光杰（1976–），男，山东人，大学本科，工程师，主要研究方向为电镀与轧钢。

作者联系方式：(E-mail) fanguangjie@baosteel.com，(Tel) 021–26646253。