热镀锌线锌锅内板面划伤及横纹缺陷研究与分析

马维杰 刘海军

(酒钢宏兴钢铁股份有限公司碳钢薄板厂,甘肃嘉峪关 735100)

1 技术原理

锌锅内板面划伤及横纹缺陷产生机理分析：

1.1 锌锅内板面划伤及横纹缺陷外观图(图1，图2)

1.2 锌锅内板面划伤及横纹金相分析

镀锌板板面有一道线缺陷,缺陷内无Ca、Si等杂质,可以确定线缺陷非前工序钢板夹杂等造成,而是在锌锅内产生,如图3。

1.3 锌锅内板面划伤及横纹缺陷成因分析

锌锅内板面划伤及横纹基本均为锌锅辊系抖动和堵转造成的,由于锌锅辊系转动不良导致锅辊与带钢表面产生相对滑动摩擦,板面被划伤,出锌锅后表现为纵向条纹。锌锅辊系转动不良主要有轴套、轴瓦的滑动面破坏,辊子转动惯量过大等原因,其原理见后面分析。

2 镀锌线锌锅辊系的结构原理及特点

2.1 设备结构原理

图1 表面酸腐蚀(左)放大(镀层表面白色线条腐蚀后露出基板表面凹坑)

图2 未腐蚀(右)图的放(镀层表面白色线条)

镀锌线锌锅辊系由沉没辊、前稳定辊、后稳定辊及驱动系统组成。沉没辊和稳定辊都是浸没在锌锅中,沉没辊将从退火炉出来的带钢垂直导向气刀涂层设备,稳定辊由两个马达驱动转动,且放置在锌锅表面为了防止带钢的振动和和调整带钢的弯曲度使涂层尽可能均衡,整个驱动单元通过马达和千斤顶上下动作,以防方便锌锅的更换。沉没辊和稳定辊通过轴衬辊架上,水平位置由马达驱动丝杆机构调整。

2.2 锌锅辊系的特点

其辊系布置特点如下：(1)后稳定辊位置较前稳定辊低,防止锌渣粘附在辊子上产生辊印,或者直接粘附在带钢上形成锌粒缺陷。(2)稳定辊为驱动辊,降低轴承磨损后发生的辊子抱死或打滑,造成辊面滑伤。(3)沉没辊配备自动刮刀,辊面粘锌清除变得非常容易,提高作业效率,极大提高带钢表面质量。

3 镀锌线锌锅辊系轴套、轴瓦的腐蚀机理

3.1 GI/GF锌锅辊系轴套、轴瓦腐蚀机理

辊系材质类似不锈钢316 L,在腐蚀实验中,表现为溶解腐蚀。腐蚀层分为靠近基体的F e2A l5层和远离基体的FeAl3。316L在熔融的锌液中的腐蚀速度约为1.2×10-5g／c m2·h r。虽然不锈钢在熔融的锌液中的腐蚀速度比较低,但是在很早期就形成腐蚀坑和腐蚀产物,随着时间延长,腐蚀坑加深和腐蚀产物增多,这会严重影响镀锌板的表面质量。

对于轴套及衬套,其材质为316不锈钢表面喷涂碳化钨涂层。316不锈钢/W C-C o涂层在锌液中的腐蚀表现为沿裂纹的腐蚀,裂纹是在热喷涂过程中留下的残余热应力和316不锈钢/W C-C o涂层的热扩散系数不匹配造成的。铝的扩散能力比锌强,在产生裂纹的初期,尽管锌锅中的铝含量很低,铝将优先扩散到裂纹中。涂层厚度损失值与时间大致成线性关系,方程可表示为：

图3 锌锅内板面划伤及横纹金相分析

图4 沉没辊受力图

图5 沉没辊结构图

式中k=2.45(μm/day)

另外,由于涂层表面微观缺陷和内部空洞、疏松甚至裂纹。涂层缺陷处能量高,更容易被溶解;锌液的表面张力很小,渗透能力很强,微小的缺陷、孔洞、裂纹都有可能使锌液渗入。加之由锌液的静压力引起的拉应力与热应力而使裂纹扩展。由微观裂纹发展成宏观裂纹,然后剥落,最终发展成沿裂纹的贯穿腐蚀。因此,改善工艺、增加涂层的致密度,可延长涂层的使用寿命。

3.2 GL锌锅辊系轴套、轴瓦腐蚀机理

辊系材质类似不锈钢316L,由于55%Al-43.5%Zn-1.6%Si熔液工作温度较高(610度),加之铝含量高,由于Al的原子半径与Fe相似,Al的活动能力强,液态的Al与固态的Fe之间的扩散和化合作用很强烈,辊面的腐蚀和结渣远远高于GI/GF锌锅。

对于轴套及衬套,其材质特殊不锈钢母体上焊接特殊的合金,由于材质属于新日铁的K n o w-H o w技术,推测耐磨合金块为钴基超合金,因为日本对钴基合金研究很深,其耐锌液腐蚀和磨损非常好。钴基超合金的原始组织由Laves相、富钴的固溶体和这两相的共晶组织组成,Laves相主要由CoMoSi和Co3Mo2Si两种化合物构成。在腐蚀初期,此Laves相的腐蚀产物在钴基超合金基体上聚集,随着锌液与此相化学反应的进行,腐蚀层变厚,腐蚀产物聚集呈块状向锌液中漂移。Laves相比富钴的固溶体相腐蚀速率相比稍低,这是由于比较耐锌腐蚀的Mo、Cr、Si的存在,并且腐蚀形成化合物使Laves相较难于与锌液发生反应,即增强了此相的耐腐蚀性能。所以固溶体相对较容易被腐蚀,而化合物Laves相比较耐腐蚀。但是钴基超合金的韧性是由富钴的固溶体相来提供的,因此固溶体对协调材料的力学性能是必须的。

图6 沉没辊滑动轴承受力图

图7 轴瓦瓦口修磨前

图8 轴瓦瓦口修磨后

从现有的资料分析,沉没辊的表面腐蚀和结渣将会成为制约稳定生产的关键。

4 镀锌线锌锅辊系轴套、轴瓦的滑动摩擦计算

4.1 沉没辊的受力分析

在正常的生产的状态下,沉没辊受带钢的正压力,带钢与沉没辊之间的摩擦力,与轴承座之间力,辊系的重力和锌液的浮力,如图4所示。

沉没辊受带钢前张力T 1、后张力T 2,带钢与辊面摩擦力f1,G是沉没辊的重力,F是沉没辊在锌液中所受的浮力,沉没辊两轴端衬套对轴套的正压力P,以及在正压力作用下转动的衬套对轴套的摩擦力f 2。沉没辊结构见图5。

锌锅的参数如下：

沉没辊辊径φ800mm(新辊),轴套外径φ145mm;T1,T2为2594Kg忽略摩擦力f1(带钢规格0.848×1530,张力系数2.0Kg/mm2);G为2296Kg;F为1979Kg(锌液密度取6.81Kg/L);带钢之间的夹角取32.8°;

4.2 轴套和衬套间的润滑膜受力和膜厚计算

锌是重金属,其锌液的流动性不好,粘稠度较大,对于沉没辊而言,在带钢与沉没辊的高速运动中,在带钢与沉没辊之间容易形成一层锌液薄膜,起到一定的润滑作用,降低带钢与沉没辊之间的传动摩擦力,增大带钢与辊面之间的相对滑动。因此,通常沉没辊的辊面设计一定沟槽,要保证锌液有良好的流动性和增大传动摩擦力的效果。对于轴套和衬套,则希望在轴套和衬套之间能建立稳定的、具有一定厚度的润滑锌膜,该润滑膜对提高轴套和衬套使用寿命非常重要。润滑膜的受力见图6。

表1 锌锅辊系寿命记录表

图9 沉没辊尺寸设计变更

根据弹性流体动压润滑理论,考虑粘压效应的雷诺方程可以看出,普通形式滑动衬套与轴套之间基本很难建立起稳定的锌液膜,考虑到计算值偏大,膜厚约为60～70nm。另外,由于目前关于高温状况下锌液的动力粘度值的参考资料很少,也影响计算值。

5 技术方案及措施

5.1 开瓦口,减少摩擦阻力

通过对比实验,对现有轴瓦进行瓦口修磨(见图7、图8),提高锌液自润滑能力,轴套、轴瓦使用寿命30%以上,且杜绝了辊子堵转抱死的问题。

5.2 采用新型耐腐蚀涂层

轴套、轴瓦原设计7-8天后,出现异常磨损,通过与喷涂厂家联合开发,使用新型W C-C o陶瓷粉末,超音速喷涂,将涂层增厚至3mm以上,现轴套、轴瓦可使用到17天以上,效果非常好。

5.3 锌锅沉没辊辊径优化

挑选一根已使用到最小辊径 Ø 765mm的报废喷涂沉没辊,到加工到直径 Ø 760mm(辊壁剩余厚度27.5-30mm,考虑腐蚀后壁厚大于25 m m),通过减少辊径降低转动惯量。薄规格家电板生产中,带钢出锌锅后,易出现表面擦划伤、色差缺陷,分析原因为锌锅沉没辊打滑所致,增加锌锅段张力和降低工艺段速度,效果有限,采用此项技术后,效果非常明显,对于厚度0.6 m m薄规格生产瓶颈得以突破。辊子尺寸设计变更见图9。

G I锌锅沉没辊小辊径防打滑实施：

(1)2014年7月-10月份在2#线针对0.6-0.35mm薄规格带钢组织试验,共上线使用5套次小辊径沉没辊,在试验过程中工艺段保持正常速度和张力,均未发生沉没辊打滑现象,效果十分显著。(2)由于该小辊径辊采用超下限报废辊,一是解决打滑问题,二是增加辊子使用寿命降低成本。

5.4 锌锅沉没辊及稳定辊表面喷涂

将原非喷涂光辊改为表面W C-C o涂层, 通过合作开发喷涂粉末及封孔技术,喷涂前使用专用火焰枪,对辊面进行预热,确保辊面在60度以上。并使用白刚玉石英砂(规格25目)对辊面进行喷砂,对辊面进行活化处理,以提高喷涂层的结合力。每道喷涂前,使用已刻有标准沟槽刃口的美工刀片,对沟槽进行刮削,去除辊面残留石英砂和大颗粒喷粉,大大提高后续喷涂的质量。辊面封闭,涂敷量必须严格控制,涂抹前和涂抹后的残余量必须使用量杯进行计量,以控制涂抹量。涂敷共三次,前两次均使用D 1#封闭液,后一次使用D 3#封闭液。固化烧结前必须静置30分钟后,才能进炉子烧结,避免涂层在锌锅内使用过程中的脱落问题。喷涂层使用寿命严格控制在两个周期,防止涂层脱落造成板面缺陷。

5.5 锌锅沉没辊粗糙度变更

将锌锅沉没辊喷涂后的表面粗糙度Ra增加2um,稳定辊表面粗糙度提升0.6um,在实际生产中,提升辊子转动平稳性。

5.6 改进生产工艺

(1)采用厚规格、宽断面作为起机原料卷,起机后逐渐提速,对锌锅辊系进行磨合,减少对板面质量的影响,降低起机降级品量。(2)对在线张力参数优化,稳定辊咬合量、沉没辊位置参数进行调整。

5.7 设计及制作离线组合式锌锅辊系装配、找正和精调装置[2]

设计制作锌锅辊系装配、找正和精调装置一套,实现辊系离线装配精度检测、调整,该平台模拟在线辊系生产位置,可以实现辊系离线装配精确调整、测量,水平精度较传统可提升2-3倍,同时实现辊系平行度精调,缩短辊系装配时间,提高了板面质量。

6 实施效果

6.1 消除锌锅内板面划伤及横纹缺陷

以2015年2月10日家电板生产为例：上午9：20规格0.49×1250 mm因沉没辊打滑出现沉没辊短线装划伤、横纹,采取降速处理;下午17：30规格0.67×1250mm出现沉没辊短线装划伤、横纹,降速处理;但随后沉没辊打滑连续出现,生产再次降速,勉强维持。通过技术攻关,现已稳定实现薄厚规格正常工艺速度的生产,已消除板面划伤及横纹缺陷。

6.2 延长锌锅辊系使用寿命及生产周期

(1)热镀纯锌GI产品的锌锅辊系使用周期由6天提高到14-16天,生产周期可确保15天(见表1)。(2)通过合作开发喷涂粉末及封孔技术,在辊体耐腐蚀性能方面取得显著进步,沉没辊及稳定辊辊面可以使用两个周期,约30天。(3)大幅降低生产成本。锌锅辊系使用寿命延长,使得G I生产周期达到15天以上,设备维护费用降低70%以上,避免频繁启停机所产生的大量废品及降级品,随之能耗指标显著提升,生产成本总体大幅降低。(4)形成一整套锌锅辊系装配检查作业标准及规程。通过将设备定型、装配检查的参数标准化、操作和维护规范化,形成一整套标准、规程和作业文件,最终形成受控的锌锅辊系维护、装配和使用体系。

[1] 李九龄.带钢连续热镀锌(第三版)[M].北京：冶金工业出版社,2010.

[2] 杨子秀,刘海军,马维杰.热镀锌线用锌锅辊系装配、找正和精调装置(发明专利)[P].甘肃：甘肃省知识产权事务中心,2013.