X射線熒光光譜無鉻鈍化膜測厚法在鍍鋅機組中的應用

焦政華 馮茜彥 范志永 王振宇 邢 巍

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

冷軋1 550 mm連續熱鍍鋅機組，是安鋼冷軋工程中的一條重要生產線，年處理量為35 萬t，產品以高級家電板、建筑板為主[2]，而鍍鋅產品鈍化層膜厚是鍍鋅產品耐腐蝕性檢測的重要指標。傳統的鈍化層工藝一般采用三價鉻為骨架六價鉻涂鍍的方法[3-4]，但鉻元素具有毒性且不易處理，危害人體健康及環境，因此探索采用無鉻鈍化取代有鉻鈍化的檢測方法變得尤為重要。

目前，無鉻鈍化膜涂層無國家級標準物質，可參考的檢測手段有限，檢測周期較長，對產品的性能及工藝穩定性評價均有較大影響。筆者通過無鉻鈍化膜在現代化鍍鋅機組生產過程中的應用，對無鉻鈍化層膜厚采用何種檢測方法進行了探索，以確保能夠在高效化生產節奏下及時調整生產工藝的需求。

1 設備概況

1.1 鍍鋅機組涂鍍設備

目的：防止鍍鋅板生白銹。

方法：將鍍鋅鋼帶兩面涂上無鉻鈍化液，用遠紅外加熱爐將鈍化液中的水分蒸發烘干，最后采用風冷將鋼帶冷卻。

原理：無鉻鈍化液是在保持低粘度較高固含量的前提下兼具良好的流平性，保證了固化后涂膜的致密、連續、均勻、耐腐蝕性好。鈍化過程是金屬和介質發生化學反應，生成了一層極薄的保護膜，這層薄膜是氧化劑和基金屬的化合物。它能夠抑制陽極反應，從而保護鋅層。

冷軋鍍鋅機組生產工藝要求：在1 m2的鍍鋅板上，鍍鋅板理想膜厚的質量范圍是0.9～1.1 g。

1.2 制樣設備

1.2.1 剪板機

采用江蘇全重QC12Y-6 mm×2 500 mm型液壓擺式剪板機，主要由機架、上下刀架、壓料裝置、前后擋料、電氣系統、液壓系統組成。

1.2.2 圓片沖床

采用北京泰格瑞祥圓片沖床（型號TGDC-RT），主要由機身、液壓站、電氣系統、模具（Φ45 mm）組成。

1.3 實驗儀器

瑞士賽默飛（ARL Perform）X 波長色散熒光光譜儀，該光譜儀主要由超尖銳端窗Rh靶X射線光管、高壓發生器、測角儀掃描、自動進樣系統幾部分構成。其中，自動進樣系統采用電動控制，外部樣品交換器40位，機械手自動抓取送樣，內部雙位進樣系統具有預抽真空室和分析測量室，并且分析位固定，實現樣品的連續分析，并保證被分析樣品位始終如一。

2 實驗方法

2.1 鍍鋅板標準值的建立

對鍍鋅機組的立式輥涂機進行參數校準，校準后根據建立標準曲線所需膜厚的梯度需求，在基板上由低到高涂鍍無鉻鈍化液。

取S=100 mm×100 mm鍍鋅基板，第一步，用180 ℃烘箱烘烤5 min，取出后置于干燥器中2 min，冷卻至室溫后稱至恒重，使誤差值≤1 mg，此為m1；第二步，取恒重后的6塊基板，在涂鍍機上將無鉻鈍化液均勻涂鍍到鍍鋅基板上下表面，烘干后置于托盤中，重復第一步操作，此為m2。

表1 無鉻鈍化膜膜厚實測值

2.2 標準樣品制備

將定值后的鍍鋅標準板用沖床沖剪為Φ45 mm的圓片樣，用于X射線熒光光譜儀的標準曲線的繪制。

2.3 實驗條件

無鉻鈍化膜厚檢測最佳實驗條件見表2。

表2 X射線熒光光譜儀實驗參數

2.4 標準曲線的繪制

（1）登陸Oxsas 軟件系統，在!MANAGER!賬號下進入操作設置目錄，在目錄列表中進入方法。在方法設置單元里，選擇元素周期表中Si為主量元素，Si符號變為紅色后點擊保存。在結果顯示處編輯顯示名稱格式，與鍍鋅基板無鉻鈍化層膜厚單位一致設為g/m2，在組分一欄將準值器選為0.15，設計數時間為20 s，KV為50，mA為50。將PBF準值器設為無并保存（由于硅的強度較低，故不需要用濾光片）。在操作設置里選擇校準-MVR，在校準標樣處點擊新的基體編輯檢測無鉻鈍化膜厚的曲線名稱（由于在鍍鋅板上涂鍍無鉻鈍化劑，且以檢測Si元素為主，故將此標準曲線取名為Zn-Si），在Zn-Si方法下添加標樣組，將表1中的數據由低到高錄入表格中，單位選（g/m2），點擊保存（如圖1所示）。

圖1 無鉻鈍化膜標準值錄入

（2）創建已錄（Zn-Si）方法的批處理，檢查自動進樣系統樣品交換器各指定位置編號是否有誤，如果無誤，則開始檢測。檢測結束后在Zn-Si方法下打開曲線，設好相應條件進行線性回歸計算，計算R2為0.999，滿足線性要求，標準曲線建立完成（如圖2所示）。

圖2 標準曲線的繪制

2.5 X射線熒光儀穩定性確認

為驗證檢測儀器的穩定性，按照實驗選定的方法和條件對6塊鍍鋅標準板進行15次重復性測定，結果見表3。

表3 準確度實驗結果

從表3可以看出，檢測結果與無鉻鈍化膜標準板稱重法測定值相吻合，熒光儀檢測法無顯著性差異。

4 X射線熒光光譜無鉻鈍化膜測厚法的實際應用

4.1 工藝處理

耐指紋系統主要用于將鋼帶兩面涂上鈍化液，并用遠紅外加熱爐將鈍化液中的水分蒸發烘干，最后采用風冷將鋼帶冷卻。

4.2 鍍鋅樣品板制備

用剪板機剪切180 mm×1 250 mm的樣品坯，剪切掉邊部約50 mm，用圓片沖床沖分別從樣品坯的上下表面、邊中邊部位沖剪6塊Φ45 mm圓片狀樣品。

4.3 樣品檢測流程

在Oxsas 測試系統中創建“檢測樣品批處理”，在方法列表中選擇已創建的Zn-Si檢測方法，錄入被測樣品名稱（如卷號），選擇自動進樣系統位置編號，使樣品名稱與進樣位置一一對應，并檢查樣盒是否傾斜以防止自動機械手抓取失敗，影響檢測效率，檢查無誤后點擊開始測量，讀取檢測數據，按照修約規則進行修約，經審核后報出結果。

4.4 樣品檢測能力

在鍍鋅機組的實際應用中，按照要求進行取樣檢測，每個檢驗批次為6塊樣品，檢測時間為12 min，一個班次480 min，可做40個批次，目前冷軋實驗室共有兩臺X射線熒光光譜儀，可滿足一個班次約80個批次的檢測量。每一卷鋼帶約7 t，一個班次可達到約560 t的檢驗量，全年檢驗量約61.32 萬t，滿足鍍鋅機組滿負荷生產狀態下的檢驗需求。

4.5 準確度

為驗證檢測結果的準確度，選取3塊鈍化劑廠家提供的樣品，按照實驗選定的方法和條件對鍍鋅樣品板進行10次重復性測定，結果見表4。

表4 準確度實驗結果

4.6 精密度

為驗證檢測結果的精密度，選取某一鍍鋅生產樣品板，按照實驗選定的方法和條件對其進行10次重復性測定，結果見表5。

表5 精密度實驗結果

5 結論

（1）從標準曲線的建立到試驗樣品的制備，再到利用X射線熒光光譜出具鍍鋅板鈍化層膜厚的檢測結果，確定了建立標準曲線的最佳實驗條件，為X射線熒光光譜無鉻鈍化膜測厚法在鍍鋅機組中的應用進行了探索。

（2）在檢測準確度和精密度均得到保證的前提下，采用X射線熒光光譜測定無鉻鈍化膜膜厚的方法，極大滿足了鍍鋅機組高效化生產對膜厚的檢測需求。該方法具有不損壞被測樣品、制樣簡便、操作簡單、快速分析、結果準確等特點。

（3）X射線熒光光譜檢測無鉻鈍化膜的方法在鍍鋅機組中成功應用，不僅提升了高效化生產時的檢測效率，而且通過對鍍鋅板上下表面、邊中 邊的全方位檢測，可以更加精準的指導生產過程中的鍍膜工藝參數調整，減少不合格品產出，滿足了現代化鍍鋅機組在高效化生產下對鈍化膜厚的檢測需求。