熱鍍鋅線鋅鍋內板面劃傷及橫紋缺陷研究與分析

馬維杰 劉海軍

(酒鋼宏興鋼鐵股份有限公司碳鋼薄板廠,甘肅嘉峪關 735100)

1 技術原理

鋅鍋內板面劃傷及橫紋缺陷產生機理分析：

1.1 鋅鍋內板面劃傷及橫紋缺陷外觀圖(圖1，圖2)

1.2 鋅鍋內板面劃傷及橫紋金相分析

鍍鋅板板面有一道線缺陷,缺陷內無Ca、Si等雜質,可以確定線缺陷非前工序鋼板夾雜等造成,而是在鋅鍋內產生,如圖3。

1.3 鋅鍋內板面劃傷及橫紋缺陷成因分析

鋅鍋內板面劃傷及橫紋基本均為鋅鍋輥系抖動和堵轉造成的,由于鋅鍋輥系轉動不良導致鍋輥與帶鋼表面產生相對滑動摩擦,板面被劃傷,出鋅鍋后表現為縱向條紋。鋅鍋輥系轉動不良主要有軸套、軸瓦的滑動面破壞,輥子轉動慣量過大等原因,其原理見后面分析。

2 鍍鋅線鋅鍋輥系的結構原理及特點

2.1 設備結構原理

圖1 表面酸腐蝕(左)放大(鍍層表面白色線條腐蝕后露出基板表面凹坑)

圖2 未腐蝕(右)圖的放(鍍層表面白色線條)

鍍鋅線鋅鍋輥系由沉沒輥、前穩定輥、后穩定輥及驅動系統組成。沉沒輥和穩定輥都是浸沒在鋅鍋中,沉沒輥將從退火爐出來的帶鋼垂直導向氣刀涂層設備,穩定輥由兩個馬達驅動轉動,且放置在鋅鍋表面為了防止帶鋼的振動和和調整帶鋼的彎曲度使涂層盡可能均衡,整個驅動單元通過馬達和千斤頂上下動作,以防方便鋅鍋的更換。沉沒輥和穩定輥通過軸襯輥架上,水平位置由馬達驅動絲桿機構調整。

2.2 鋅鍋輥系的特點

其輥系布置特點如下：(1)后穩定輥位置較前穩定輥低,防止鋅渣粘附在輥子上產生輥印,或者直接粘附在帶鋼上形成鋅粒缺陷。(2)穩定輥為驅動輥,降低軸承磨損后發生的輥子抱死或打滑,造成輥面滑傷。(3)沉沒輥配備自動刮刀,輥面粘鋅清除變得非常容易,提高作業效率,極大提高帶鋼表面質量。

3 鍍鋅線鋅鍋輥系軸套、軸瓦的腐蝕機理

3.1 GI/GF鋅鍋輥系軸套、軸瓦腐蝕機理

輥系材質類似不銹鋼316 L,在腐蝕實驗中,表現為溶解腐蝕。腐蝕層分為靠近基體的F e2A l5層和遠離基體的FeAl3。316L在熔融的鋅液中的腐蝕速度約為1.2×10-5g／c m2·h r。雖然不銹鋼在熔融的鋅液中的腐蝕速度比較低,但是在很早期就形成腐蝕坑和腐蝕產物,隨著時間延長,腐蝕坑加深和腐蝕產物增多,這會嚴重影響鍍鋅板的表面質量。

對于軸套及襯套,其材質為316不銹鋼表面噴涂碳化鎢涂層。316不銹鋼/W C-C o涂層在鋅液中的腐蝕表現為沿裂紋的腐蝕,裂紋是在熱噴涂過程中留下的殘余熱應力和316不銹鋼/W C-C o涂層的熱擴散系數不匹配造成的。鋁的擴散能力比鋅強,在產生裂紋的初期,盡管鋅鍋中的鋁含量很低,鋁將優先擴散到裂紋中。涂層厚度損失值與時間大致成線性關系,方程可表示為：

圖3 鋅鍋內板面劃傷及橫紋金相分析

圖4 沉沒輥受力圖

圖5 沉沒輥結構圖

式中k=2.45(μm/day)

另外,由于涂層表面微觀缺陷和內部空洞、疏松甚至裂紋。涂層缺陷處能量高,更容易被溶解;鋅液的表面張力很小,滲透能力很強,微小的缺陷、孔洞、裂紋都有可能使鋅液滲入。加之由鋅液的靜壓力引起的拉應力與熱應力而使裂紋擴展。由微觀裂紋發展成宏觀裂紋,然后剝落,最終發展成沿裂紋的貫穿腐蝕。因此,改善工藝、增加涂層的致密度,可延長涂層的使用壽命。

3.2 GL鋅鍋輥系軸套、軸瓦腐蝕機理

輥系材質類似不銹鋼316L,由于55%Al-43.5%Zn-1.6%Si熔液工作溫度較高(610度),加之鋁含量高,由于Al的原子半徑與Fe相似,Al的活動能力強,液態的Al與固態的Fe之間的擴散和化合作用很強烈,輥面的腐蝕和結渣遠遠高于GI/GF鋅鍋。

對于軸套及襯套,其材質特殊不銹鋼母體上焊接特殊的合金,由于材質屬于新日鐵的K n o w-H o w技術,推測耐磨合金塊為鈷基超合金,因為日本對鈷基合金研究很深,其耐鋅液腐蝕和磨損非常好。鈷基超合金的原始組織由Laves相、富鈷的固溶體和這兩相的共晶組織組成,Laves相主要由CoMoSi和Co3Mo2Si兩種化合物構成。在腐蝕初期,此Laves相的腐蝕產物在鈷基超合金基體上聚集,隨著鋅液與此相化學反應的進行,腐蝕層變厚,腐蝕產物聚集呈塊狀向鋅液中漂移。Laves相比富鈷的固溶體相腐蝕速率相比稍低,這是由于比較耐鋅腐蝕的Mo、Cr、Si的存在,并且腐蝕形成化合物使Laves相較難于與鋅液發生反應,即增強了此相的耐腐蝕性能。所以固溶體相對較容易被腐蝕,而化合物Laves相比較耐腐蝕。但是鈷基超合金的韌性是由富鈷的固溶體相來提供的,因此固溶體對協調材料的力學性能是必須的。

圖6 沉沒輥滑動軸承受力圖

圖7 軸瓦瓦口修磨前

圖8 軸瓦瓦口修磨后

從現有的資料分析,沉沒輥的表面腐蝕和結渣將會成為制約穩定生產的關鍵。

4 鍍鋅線鋅鍋輥系軸套、軸瓦的滑動摩擦計算

4.1 沉沒輥的受力分析

在正常的生產的狀態下,沉沒輥受帶鋼的正壓力,帶鋼與沉沒輥之間的摩擦力,與軸承座之間力,輥系的重力和鋅液的浮力,如圖4所示。

沉沒輥受帶鋼前張力T 1、后張力T 2,帶鋼與輥面摩擦力f1,G是沉沒輥的重力,F是沉沒輥在鋅液中所受的浮力,沉沒輥兩軸端襯套對軸套的正壓力P,以及在正壓力作用下轉動的襯套對軸套的摩擦力f 2。沉沒輥結構見圖5。

鋅鍋的參數如下：

沉沒輥輥徑φ800mm(新輥),軸套外徑φ145mm;T1,T2為2594Kg忽略摩擦力f1(帶鋼規格0.848×1530,張力系數2.0Kg/mm2);G為2296Kg;F為1979Kg(鋅液密度取6.81Kg/L);帶鋼之間的夾角取32.8°;

4.2 軸套和襯套間的潤滑膜受力和膜厚計算

鋅是重金屬,其鋅液的流動性不好,粘稠度較大,對于沉沒輥而言,在帶鋼與沉沒輥的高速運動中,在帶鋼與沉沒輥之間容易形成一層鋅液薄膜,起到一定的潤滑作用,降低帶鋼與沉沒輥之間的傳動摩擦力,增大帶鋼與輥面之間的相對滑動。因此,通常沉沒輥的輥面設計一定溝槽,要保證鋅液有良好的流動性和增大傳動摩擦力的效果。對于軸套和襯套,則希望在軸套和襯套之間能建立穩定的、具有一定厚度的潤滑鋅膜,該潤滑膜對提高軸套和襯套使用壽命非常重要。潤滑膜的受力見圖6。

表1 鋅鍋輥系壽命記錄表

圖9 沉沒輥尺寸設計變更

根據彈性流體動壓潤滑理論,考慮粘壓效應的雷諾方程可以看出,普通形式滑動襯套與軸套之間基本很難建立起穩定的鋅液膜,考慮到計算值偏大,膜厚約為60～70nm。另外,由于目前關于高溫狀況下鋅液的動力粘度值的參考資料很少,也影響計算值。

5 技術方案及措施

5.1 開瓦口,減少摩擦阻力

通過對比實驗,對現有軸瓦進行瓦口修磨(見圖7、圖8),提高鋅液自潤滑能力,軸套、軸瓦使用壽命30%以上,且杜絕了輥子堵轉抱死的問題。

5.2 采用新型耐腐蝕涂層

軸套、軸瓦原設計7-8天后,出現異常磨損,通過與噴涂廠家聯合開發,使用新型W C-C o陶瓷粉末,超音速噴涂,將涂層增厚至3mm以上,現軸套、軸瓦可使用到17天以上,效果非常好。

5.3 鋅鍋沉沒輥輥徑優化

挑選一根已使用到最小輥徑 ? 765mm的報廢噴涂沉沒輥,到加工到直徑 ? 760mm(輥壁剩余厚度27.5-30mm,考慮腐蝕后壁厚大于25 m m),通過減少輥徑降低轉動慣量。薄規格家電板生產中,帶鋼出鋅鍋后,易出現表面擦劃傷、色差缺陷,分析原因為鋅鍋沉沒輥打滑所致,增加鋅鍋段張力和降低工藝段速度,效果有限,采用此項技術后,效果非常明顯,對于厚度0.6 m m薄規格生產瓶頸得以突破。輥子尺寸設計變更見圖9。

G I鋅鍋沉沒輥小輥徑防打滑實施：

(1)2014年7月-10月份在2#線針對0.6-0.35mm薄規格帶鋼組織試驗,共上線使用5套次小輥徑沉沒輥,在試驗過程中工藝段保持正常速度和張力,均未發生沉沒輥打滑現象,效果十分顯著。(2)由于該小輥徑輥采用超下限報廢輥,一是解決打滑問題,二是增加輥子使用壽命降低成本。

5.4 鋅鍋沉沒輥及穩定輥表面噴涂

將原非噴涂光輥改為表面W C-C o涂層, 通過合作開發噴涂粉末及封孔技術,噴涂前使用專用火焰槍,對輥面進行預熱,確保輥面在60度以上。并使用白剛玉石英砂(規格25目)對輥面進行噴砂,對輥面進行活化處理,以提高噴涂層的結合力。每道噴涂前,使用已刻有標準溝槽刃口的美工刀片,對溝槽進行刮削,去除輥面殘留石英砂和大顆粒噴粉,大大提高后續噴涂的質量。輥面封閉,涂敷量必須嚴格控制,涂抹前和涂抹后的殘余量必須使用量杯進行計量,以控制涂抹量。涂敷共三次,前兩次均使用D 1#封閉液,后一次使用D 3#封閉液。固化燒結前必須靜置30分鐘后,才能進爐子燒結,避免涂層在鋅鍋內使用過程中的脫落問題。噴涂層使用壽命嚴格控制在兩個周期,防止涂層脫落造成板面缺陷。

5.5 鋅鍋沉沒輥粗糙度變更

將鋅鍋沉沒輥噴涂后的表面粗糙度Ra增加2um,穩定輥表面粗糙度提升0.6um,在實際生產中,提升輥子轉動平穩性。

5.6 改進生產工藝

(1)采用厚規格、寬斷面作為起機原料卷,起機后逐漸提速,對鋅鍋輥系進行磨合,減少對板面質量的影響,降低起機降級品量。(2)對在線張力參數優化,穩定輥咬合量、沉沒輥位置參數進行調整。

5.7 設計及制作離線組合式鋅鍋輥系裝配、找正和精調裝置[2]

設計制作鋅鍋輥系裝配、找正和精調裝置一套,實現輥系離線裝配精度檢測、調整,該平臺模擬在線輥系生產位置,可以實現輥系離線裝配精確調整、測量,水平精度較傳統可提升2-3倍,同時實現輥系平行度精調,縮短輥系裝配時間,提高了板面質量。

6 實施效果

6.1 消除鋅鍋內板面劃傷及橫紋缺陷

以2015年2月10日家電板生產為例：上午9：20規格0.49×1250 mm因沉沒輥打滑出現沉沒輥短線裝劃傷、橫紋,采取降速處理;下午17：30規格0.67×1250mm出現沉沒輥短線裝劃傷、橫紋,降速處理;但隨后沉沒輥打滑連續出現,生產再次降速,勉強維持。通過技術攻關,現已穩定實現薄厚規格正常工藝速度的生產,已消除板面劃傷及橫紋缺陷。

6.2 延長鋅鍋輥系使用壽命及生產周期

(1)熱鍍純鋅GI產品的鋅鍋輥系使用周期由6天提高到14-16天,生產周期可確保15天(見表1)。(2)通過合作開發噴涂粉末及封孔技術,在輥體耐腐蝕性能方面取得顯著進步,沉沒輥及穩定輥輥面可以使用兩個周期,約30天。(3)大幅降低生產成本。鋅鍋輥系使用壽命延長,使得G I生產周期達到15天以上,設備維護費用降低70%以上,避免頻繁啟停機所產生的大量廢品及降級品,隨之能耗指標顯著提升,生產成本總體大幅降低。(4)形成一整套鋅鍋輥系裝配檢查作業標準及規程。通過將設備定型、裝配檢查的參數標準化、操作和維護規范化,形成一整套標準、規程和作業文件,最終形成受控的鋅鍋輥系維護、裝配和使用體系。

[1] 李九齡.帶鋼連續熱鍍鋅(第三版)[M].北京：冶金工業出版社,2010.

[2] 楊子秀,劉海軍,馬維杰.熱鍍鋅線用鋅鍋輥系裝配、找正和精調裝置(發明專利)[P].甘肅：甘肅省知識產權事務中心,2013.