熱鍍鋅線鋅鍋內(nèi)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(guān) 735100)

1 技術(shù)原理

鋅鍋內(nèi)板面劃傷及橫紋缺陷產(chǎn)生機理分析：

1.1 鋅鍋內(nèi)板面劃傷及橫紋缺陷外觀圖(圖1，圖2)

1.2 鋅鍋內(nèi)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(nèi)無Ca、Si等雜質(zhì),可以確定線缺陷非前工序鋼板夾雜等造成,而是在鋅鍋內(nèi)產(chǎn)生,如圖3。

1.3 鋅鍋內(nèi)板面劃傷及橫紋缺陷成因分析

鋅鍋內(nèi)板面劃傷及橫紋基本均為鋅鍋輥系抖動和堵轉(zhuǎn)造成的,由于鋅鍋輥系轉(zhuǎn)動不良導(dǎo)致鍋輥與帶鋼表面產(chǎn)生相對滑動摩擦,板面被劃傷,出鋅鍋后表現(xiàn)為縱向條紋。鋅鍋輥系轉(zhuǎn)動不良主要有軸套、軸瓦的滑動面破壞,輥子轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)原理及特點

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)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(wěn)定輥、后穩(wěn)定輥及驅(qū)動系統(tǒng)組成。沉沒輥和穩(wěn)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(dǎo)向氣刀涂層設(shè)備,穩(wěn)定輥由兩個馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)動,且放置在鋅鍋表面為了防止帶鋼的振動和和調(diào)整帶鋼的彎曲度使涂層盡可能均衡,整個驅(qū)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(wěn)定輥通過軸襯輥架上,水平位置由馬達驅(qū)動絲桿機構(gòu)調(diào)整。

2.2 鋅鍋輥系的特點

其輥系布置特點如下：(1)后穩(wěn)定輥位置較前穩(wěn)定輥低,防止鋅渣粘附在輥子上產(chǎn)生輥印,或者直接粘附在帶鋼上形成鋅粒缺陷。(2)穩(wěn)定輥為驅(qū)動輥,降低軸承磨損后發(fā)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(yè)效率,極大提高帶鋼表面質(zhì)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(zhì)類似不銹鋼316 L,在腐蝕實驗中,表現(xiàn)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(chǎn)物,隨著時間延長,腐蝕坑加深和腐蝕產(chǎn)物增多,這會嚴重影響鍍鋅板的表面質(zhì)量。

對于軸套及襯套,其材質(zhì)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(xiàn)為沿裂紋的腐蝕,裂紋是在熱噴涂過程中留下的殘余熱應(yīng)力和316不銹鋼/W C-C o涂層的熱擴散系數(shù)不匹配造成的。鋁的擴散能力比鋅強,在產(chǎn)生裂紋的初期,盡管鋅鍋中的鋁含量很低,鋁將優(yōu)先擴散到裂紋中。涂層厚度損失值與時間大致成線性關(guān)系,方程可表示為：

圖3 鋅鍋內(nèi)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(jié)構(gòu)圖

式中k=2.45(μm/day)

另外,由于涂層表面微觀缺陷和內(nèi)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(yīng)力與熱應(yīng)力而使裂紋擴展。由微觀裂紋發(fā)展成宏觀裂紋,然后剝落,最終發(fā)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(zhì)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(tài)的Al與固態(tài)的Fe之間的擴散和化合作用很強烈,輥面的腐蝕和結(jié)渣遠遠高于GI/GF鋅鍋。

對于軸套及襯套,其材質(zhì)特殊不銹鋼母體上焊接特殊的合金,由于材質(zhì)屬于新日鐵的K n o w-H o w技術(shù),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(gòu)成。在腐蝕初期,此Laves相的腐蝕產(chǎn)物在鈷基超合金基體上聚集,隨著鋅液與此相化學(xué)反應(yīng)的進行,腐蝕層變厚,腐蝕產(chǎn)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(fā)生反應(yīng),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L(fēng)aves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(xié)調(diào)材料的力學(xué)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(xiàn)有的資料分析,沉沒輥的表面腐蝕和結(jié)渣將會成為制約穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)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(chǎn)的狀態(tài)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(zhuǎn)動的襯套對軸套的摩擦力f 2。沉沒輥結(jié)構(gòu)見圖5。

鋅鍋的參數(shù)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(guī)格0.848×1530,張力系數(shù)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(shè)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(wěn)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(shè)計變更

根據(jù)彈性流體動壓潤滑理論,考慮粘壓效應(yīng)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(wěn)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(guān)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(shù)方案及措施

5.1 開瓦口,減少摩擦阻力

通過對比實驗,對現(xiàn)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(zhuǎn)抱死的問題。

5.2 采用新型耐腐蝕涂層

軸套、軸瓦原設(shè)計7-8天后,出現(xiàn)異常磨損,通過與噴涂廠家聯(lián)合開發(fā),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(xiàn)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(yōu)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(zhuǎn)動慣量。薄規(guī)格家電板生產(chǎn)中,帶鋼出鋅鍋后,易出現(xiàn)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(shù)后,效果非常明顯,對于厚度0.6 m m薄規(guī)格生產(chǎn)瓶頸得以突破。輥子尺寸設(shè)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(guī)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(fā)生沉沒輥打滑現(xiàn)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(wěn)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(fā)噴涂粉末及封孔技術(shù),噴涂前使用專用火焰槍,對輥面進行預(yù)熱,確保輥面在60度以上。并使用白剛玉石英砂(規(guī)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(jié)合力。每道噴涂前,使用已刻有標(biāo)準(zhǔn)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(xù)噴涂的質(zhì)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(jié)前必須靜置30分鐘后,才能進爐子燒結(jié),避免涂層在鋅鍋內(nèi)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(wěn)定輥表面粗糙度提升0.6um,在實際生產(chǎn)中,提升輥子轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性。

5.6 改進生產(chǎn)工藝

(1)采用厚規(guī)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(zhì)量的影響,降低起機降級品量。(2)對在線張力參數(shù)優(yōu)化,穩(wěn)定輥咬合量、沉沒輥位置參數(shù)進行調(diào)整。

5.7 設(shè)計及制作離線組合式鋅鍋輥系裝配、找正和精調(diào)裝置[2]

設(shè)計制作鋅鍋輥系裝配、找正和精調(diào)裝置一套,實現(xiàn)輥系離線裝配精度檢測、調(diào)整,該平臺模擬在線輥系生產(chǎn)位置,可以實現(xiàn)輥系離線裝配精確調(diào)整、測量,水平精度較傳統(tǒng)可提升2-3倍,同時實現(xiàn)輥系平行度精調(diào),縮短輥系裝配時間,提高了板面質(zhì)量。

6 實施效果

6.1 消除鋅鍋內(nèi)板面劃傷及橫紋缺陷

以2015年2月10日家電板生產(chǎn)為例：上午9：20規(guī)格0.49×1250 mm因沉沒輥打滑出現(xiàn)沉沒輥短線裝劃傷、橫紋,采取降速處理;下午17：30規(guī)格0.67×1250mm出現(xiàn)沉沒輥短線裝劃傷、橫紋,降速處理;但隨后沉沒輥打滑連續(xù)出現(xiàn),生產(chǎn)再次降速,勉強維持。通過技術(shù)攻關(guān),現(xiàn)已穩(wěn)定實現(xiàn)薄厚規(guī)格正常工藝速度的生產(chǎn),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(chǎn)周期

(1)熱鍍純鋅GI產(chǎn)品的鋅鍋輥系使用周期由6天提高到14-16天,生產(chǎn)周期可確保15天(見表1)。(2)通過合作開發(fā)噴涂粉末及封孔技術(shù),在輥體耐腐蝕性能方面取得顯著進步,沉沒輥及穩(wěn)定輥輥面可以使用兩個周期,約30天。(3)大幅降低生產(chǎn)成本。鋅鍋輥系使用壽命延長,使得G I生產(chǎn)周期達到15天以上,設(shè)備維護費用降低70%以上,避免頻繁啟停機所產(chǎn)生的大量廢品及降級品,隨之能耗指標(biāo)顯著提升,生產(chǎn)成本總體大幅降低。(4)形成一整套鋅鍋輥系裝配檢查作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程。通過將設(shè)備定型、裝配檢查的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、操作和維護規(guī)范化,形成一整套標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和作業(yè)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(xù)熱鍍鋅(第三版)[M].北京：冶金工業(yè)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(diào)裝置(發(fā)明專利)[P].甘肅：甘肅省知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心,2013.