鍍錫K板板面燒蝕缺陷形成機理研究

李兵虎，魏軍勝，劉常升

(1.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，沈陽 110004;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

鍍錫K板板面燒蝕缺陷形成機理研究

李兵虎1，2，魏軍勝2，劉常升1

(1.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，沈陽 110004;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

寶鋼在生產(chǎn)K板過程中，在高錫層面易產(chǎn)生針尖狀燒蝕缺陷.本文通過掃描電鏡和光學(xué)輪廓儀觀察了其微觀形貌，應(yīng)用能譜儀分析了燒蝕內(nèi)部成分，并分析了缺陷的產(chǎn)生原因.結(jié)果表明，燒蝕呈火山口形貌，大小為0.2～0.6 mm.其產(chǎn)生是由于帶鋼與軟熔接地輥輥面接觸不良引發(fā)局部大電流電弧放電，導(dǎo)致帶鋼局部溫度急劇升高，引起板面錫層熔化而形成的.提出了預(yù)防該缺陷的措施:保持軟熔接地輥輥面及淬水槽溶液清潔，并在軟熔接地輥前增加熱風(fēng)噴吹裝置.將上述措施應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，避免了鍍錫K板板面燒蝕缺陷的產(chǎn)生.

鍍錫K板;燒蝕;接地輥;電弧放電

鍍錫板是指兩面鍍有純錫的冷軋低碳鋼薄板，它將鋼的強度和成形性與錫的耐蝕性、錫焊性結(jié)合在一種材料之中.K板是鍍錫板的一種，指鍍層厚度為8.4 g/m2以上的鍍錫板.其具有高耐蝕性，主要用于酸性水果食品素面罐頭的包裝［1～4］.鍍錫K板制罐后素鐵直接與內(nèi)容物接觸，錫層在有機酸和無氧條件下，對鐵基體起到了陽極保護作用［5～8］.若在鍍錫K板錫層中存在表面缺陷或者破損點，鐵基體將優(yōu)先腐蝕，容易發(fā)生漏罐風(fēng)險，漏罐是制罐企業(yè)重大的質(zhì)量問題.

國內(nèi)外學(xué)者針對鍍錫板的表面缺陷進行了多方面研究.柳長福等［9］對鍍錫板的黃斑缺陷進行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)鍍錫板的表面黃色斑點為錫的氧化物，且與生產(chǎn)過程中輥子對鍍錫板的擦傷有關(guān).孫悅慶等［10］對鍍錫板表面產(chǎn)生的小白點進行了掃描電鏡和能譜分析，發(fā)現(xiàn)帶鋼表面的氧化物、油污以及黏附的橡膠是產(chǎn)生小白點缺陷的原因.曹美霞等［11］對鍍錫板色差條紋成因展開研究分析，發(fā)現(xiàn)色差條紋缺陷與軋機S4、S5軋輥輥面狀況有關(guān).Lenarthova等［12］對鍍錫板制罐過程燒傷、異物壓入、材料破壞等缺陷利用光學(xué)顯微鏡、SEM和EDX等進行了分析，并試圖在制造過程中尋找缺陷產(chǎn)生的原因.雖然針對鍍錫板的諸多表面缺陷的研究已見諸報道，但對鍍錫K板表面針尖狀燒蝕缺陷的研究未見相關(guān)報道.寶鋼季思凱［13］曾對鍍錫板表面燒蝕形貌及其顯微組織進行了觀察，并分析了燒蝕成分，發(fā)現(xiàn)該缺陷是由鍍錫原板中的鋁、鈣和鈉等元素的氧化物夾雜引起的.然而在實際生產(chǎn)過程中，引起燒蝕缺陷的原因復(fù)雜多樣，應(yīng)對產(chǎn)生的缺陷進行全面分析，并針對不同原因采取相應(yīng)措施減少缺陷的發(fā)生.這對提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率具有重要意義.

本文針對寶鋼某鍍錫線在生產(chǎn)鍍層厚度為11.2 g/m2的K板時，在高錫層面產(chǎn)生的針尖狀燒蝕缺陷進行了研究.通過掃描電鏡(SEM)和光學(xué)輪廓儀觀察了其微觀形貌，應(yīng)用能譜儀(EDS)分析了燒蝕內(nèi)部成分，并對產(chǎn)生原因進行了分析，闡述了燒蝕缺陷的產(chǎn)生機理.最后提出了預(yù)防燒蝕缺陷的措施.

1 實驗方法

采用ZEISS EVO MA25掃描電子顯微鏡及能譜儀對鍍錫成品進行表面形貌觀察和成分定性分析，采用WY KONT9100光學(xué)輪廓儀進行燒蝕三維形貌觀察.

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描電鏡觀察

針對寶鋼某鍍錫線在生產(chǎn)11.2 g/m2K板過程中，高錫層面產(chǎn)生的針尖狀燒蝕缺陷，應(yīng)用掃描電子顯微鏡對缺陷處(圖1(a)、(b)、(c))和正常處的形貌(圖1(d))進行了觀察，不同放大倍數(shù)下微觀形貌如圖1所示.從圖1可以看出，燒蝕彌散分布在板面，密度在5～20個/m2，直徑大約在0.2～0.6 mm;與正常板面相比，燒蝕處錫層已遭受到嚴(yán)重破壞.

圖1 不同放大倍數(shù)下缺陷與正常處的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of defects and the normal area at different magnifications

2.2 三維形貌觀察

應(yīng)用光學(xué)輪廓儀對缺陷形貌進行了觀察，缺陷點三維形貌如圖2所示.從圖中看出，燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)出火山噴發(fā)后的形貌，缺陷處高度高于正常板面，表面錫層有了明顯的噴濺.

2.3 成分分析

應(yīng)用能譜儀對燒蝕缺陷的成分進行定性分析.圖3為缺陷板面中心局域((a)、(b)、(c))和正常板面((d))對應(yīng)的成分譜圖，表1為各點成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%).與正常板面相比，燒蝕中心區(qū)域(a)、(b)缺陷錫層破損非常嚴(yán)重，其含量遠遠低于正常板面含量，而(c)缺陷錫層破損情況相對較輕.但缺陷處都出現(xiàn)了一定量的Cr、Fe和較高的O.

圖2 燒蝕缺陷處的三維形貌圖Fig.2 Three－dimensional topography of ablation area

圖3 燒蝕缺陷處和正常板面成分譜圖Fig.3 Componential spectrum of ablative area and the normal area on tin－plate

表1 各點成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Table.1 The composition mass fraction of different points %

2.4 缺陷發(fā)生機理分析

與正常鍍錫板表面成分相比，燒蝕部位錫含量減少、氧含量較高，同時出現(xiàn)了一定的漏鐵和鉻元素，表明鍍錫板表面發(fā)生了材料的噴濺和氧化.

通常，材料噴濺和氧化的產(chǎn)生機理為:在兩個帶電部件接觸和脫開瞬間，由于物件表面是由微觀不平的微凸體構(gòu)成的，在部件脫開過程中，在兩部件間必然存在微凸體相接觸的瞬間，它們將承受部件間電能所產(chǎn)生的熱量，由于微凸體的接觸面積極小，其所承受的電能極高，產(chǎn)生的熱量足以將接觸點的金屬熔化，并隨部件的繼續(xù)分離而形成高溫金屬液橋，直至距離增大而將液橋拉斷.液橋拉斷瞬間，部件間距離很小，因而部件間電場很強，在這種高熱和強電場的作用下，部件表面的自由電子從負(fù)極表面逸出奔向正極，形成定向電子流;電子作定向流動時，又撞擊環(huán)境中各中性氣體分子，使之游離或激發(fā)產(chǎn)生正、負(fù)離子和電子，在電場作用下，電子還將撞擊其他中性分子，引起連鎖反應(yīng)，在部件間產(chǎn)生大量的帶電粒子作定向流動，形成熾熱的電子流—電?。?4，15］.電弧可在幾個μs的時間內(nèi)達到4 000～50 000 K的高溫［16］，在此高溫作用下，接觸表面的材料將發(fā)生蒸發(fā)、熔化、轉(zhuǎn)移和氧化，造成材料腐蝕和損失.空氣中發(fā)生電弧磨損時材料的損失主要包括材料蒸發(fā)逃逸、金屬液滴飛濺、材料的氧化等［17］.

鍍錫板表面針尖狀燒蝕缺陷的形貌和成分測試分析表明:帶鋼在生產(chǎn)中和其他與板面接觸的帶電部件(接地輥或?qū)щ娸?之間由于接觸不良，發(fā)生了電弧放電，使得帶鋼表面產(chǎn)生了電弧燒蝕.

從鍍錫板生產(chǎn)流程(圖4)看出，燒蝕缺陷產(chǎn)生在鍍錫機組電鍍段以后，且缺陷發(fā)生在下表面高鍍錫量面，應(yīng)為與帶鋼下表面接觸的帶電導(dǎo)電輥或接地輥(主要作用是將軟熔過程帶鋼上的殘余電流接入大地，避免對后續(xù)工藝產(chǎn)生影響).機組軟熔導(dǎo)電輥安裝有自動拋光裝置，輥面狀態(tài)良好，而軟熔后接地輥位于淬水槽后，無拋光裝置.由于淬水槽后沒有設(shè)置擠干和烘干設(shè)備，帶鋼運行中將淬水槽的溶液帶到接地輥表面，而淬水槽中的溶液中存在電鍍段帶入的錫泥和水垢等，其干燥后在接地輥輥面產(chǎn)生結(jié)垢，帶鋼在生產(chǎn)過程和輥面經(jīng)過連續(xù)的機械摩擦，導(dǎo)致結(jié)垢發(fā)生剝落.在生產(chǎn)K板時，由于軟熔電流大(最大18 000 A，正常情況下約5 000 A)，殘余電流達到120 A，帶鋼與發(fā)生剝落的輥面接觸，由于帶鋼和輥面存在接觸不良，瞬間在微小區(qū)域內(nèi)發(fā)生高電流電弧放電，損壞了錫層甚至于鐵基體，產(chǎn)生了燒蝕狀燒蝕缺陷，使錫層發(fā)生了氧化、噴濺和轉(zhuǎn)移.從缺陷處成分來看，存在部分Cr元素，說明接地輥(為鍍鉻輥)輥面鉻發(fā)生了轉(zhuǎn)移.

3 燒蝕缺陷的識別及技術(shù)對策

3.1 燒蝕缺陷的識別

對于K板燒蝕缺陷，由于在板面呈零星分布，且比較小，在正常高速生產(chǎn)時(200 m/min)，在質(zhì)量臺用肉眼很難發(fā)現(xiàn).必須在機組生產(chǎn)后在檢查臺上用卷筒紙仔細擦拭板面，將板面浮灰擦掉，露出錫結(jié)晶層后再進行仔細檢查.燒蝕點一般零星分布于整個板面，呈針尖狀，在顯微鏡下觀察缺陷處邊部有凸起.

圖4 鍍錫生產(chǎn)工藝流程圖Fig.4 Flow chart of tin plating process

3.2 燒蝕缺陷的技術(shù)對策

由于該缺陷發(fā)生在K板高鍍錫量面上，鑒于前述分析，考慮解決對策主要從清潔淬水槽溶液、減少淬水槽溶液帶入接地輥以及保持接地輥良好均勻?qū)щ娙矫嬷?

(1)定期(1次/天)對淬水槽溶液進行更換，保持淬水槽溶液的清潔;

(2)在淬水槽出口和接地輥之間增加熱風(fēng)噴吹裝置，風(fēng)溫控制在90℃以上，減少溶液帶入接地輥;

(3)每次生產(chǎn)K板前停機清理軟熔后接地輥，以保持接地輥輥面均勻、良好的導(dǎo)電性能.

寶鋼鍍錫線通過采取上述措施后，從2011年到2013年，生產(chǎn)6萬余t K板，再未見到K板高鍍錫量面燒蝕缺陷發(fā)生.

4 結(jié)論

(1)燒蝕區(qū)域錫層已經(jīng)被破壞，缺陷呈火山口狀;燒蝕部位錫含量降低，鉻和氧的含量較高，出現(xiàn)了露鐵現(xiàn)象.

(2)燒蝕缺陷主要由于帶鋼與淬水槽后接地輥接觸時，由于接地輥處殘余電流大、輥面結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致帶鋼與輥面之間發(fā)生了電弧腐蝕.

(3)通過定期更換淬水槽溶液、接地輥前增加熱風(fēng)噴吹裝置、K板生產(chǎn)前清理接地輥，可以預(yù)防燒蝕缺陷的發(fā)生.

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Study on formation mechanism of ablation defect for the K－plate

Li Binghu1，2，Wei Junsheng2，Liu Changsheng1

(1.Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials，Ministry of Education，Shenyang 110004，China; 2.Baoshan Iron＆Steel Co.，Ltd.，Shanghai 200941，China)

Morphology of the ablation defect looked like needle point for k－plate produced by Baosteel was observed with SEM and optical profiler.Component of the ablation defect was analysed through energy spectrometer，cause of producing the ablation defect was researched.The results showed that the ablation looks like a cauldron of 0.2～0.6 mm.The reason forming the defect is that the poor contact between the strip and the ground roller of reflow causes a local arc strike.So that temperature of the strip rises sharply in site and then tin in the plate melts，which causes the ablation at last.Some measures to prevent from the ablation were proposed，such as，keep clean for the ground roller and water in the quench tank，and add a hot air injecting equipment in front of the ground roller of reflow.Ablation on the surface of the K－plate was avoided completely by using the methods mentioned above in the tin－plating process.

K－plate;ablation;ground roller;arc strike

TQ 153.13

A

1671-6620(2014)02-0103-05

2013-05-01.

李兵虎 (1977—)，男，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:libinghu@baosteel.com.