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热镀锌沉没辊系统长寿化研究

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【摘要】:
文中针对镀锌沉没辊系统表面的耐蚀性和耐磨性、不同材料制备的沉没辊轴套的耐蚀性和耐磨性以及涂层后处理对涂层抗锌蚀性能的影响进行了研究。结果表明制备涂层的辊系具有更加优良性能; 采用陶瓷制备的沉没辊轴套比高铬、整体 Stellite 合金的要好, 比传统的 316L 轴套具有更好的耐腐蚀耐磨损性能封孔后处理涂层的沉没辊系统耐腐蚀性能比处理前提高了很多。
    从 1931年世界上第一条带钢连续镀锌生产线的建成, 热镀锌工艺得到了不断的发展, 形成了如森吉米尔法、美钢联法等多种工艺形式, 特别是其核心设备的新技术在镀锌生产线的运用, 使热镀锌的质量及热镀锌生产能力有了极大提高, 已成为广泛应用的金属防锈方法之一。目前, 热镀锌板已广泛应用于汽车和家电行业, 国际市场上需求持续增长。包钢应市场需求, 于 2003 年通过国际招标, 技术引进, 新建了冷轧、镀锌生产线。镀锌线于 2005年12 月进入试生产阶段。
  带钢热镀锌线影响产品质量的核心设备主要是退火炉、锌锅、气刀、沉没辊及稳定辊。本文针对关键设备锌锅沉没辊系统进行长寿化研究。由于锌液对部件的腐蚀以及生产过程中部件的磨损, 锌锅中会产生腐蚀形成的产物( Fe- Zn 系金属间化合物) ,降低了各部件的使用寿命, 同时也影响产品的质量;这种定期和不定期的停产维修会造成非常严重经济损失。沉没辊系统的维修是非常重要的, 有效改善沉没辊及前后稳定辊表面的耐锌腐蚀和抗磨损能力, 是确保镀锌板表面质量的一个非常重要的条件。因此沉没辊、稳定辊必须具备耐热、耐锌液腐蚀、抗粘锌、耐腐蚀磨损与耐金属间磨损等性能要求。如何修复并延长其在线的使用寿命, 有效改善其在锌液中的耐腐蚀性能, 提高带钢表面质量, 有效提高镀锌线的生产效率, 降低因辊面质量或频繁换辊造成的板带及原材料等生产成本浪费。
 

1. 沉没辊的工作环境

 
  图1 中, 热镀锌的温度一般在450~ 480e 之间,液态锌在该温度下几乎对所有金属都有强烈腐蚀性。一般碳钢和铸铁工件置于熔融锌液中很快发生均匀腐蚀。液锌对铁的腐蚀是铁与锌扩散反应生成多孔、疏松的低熔点合金, 即锌渣, 并悬浮于液锌中, 其具体腐蚀机制完全遵从 Fe- Zn 相图。连续热镀锌生产时, 钢带通过浸在锌液( 温度为 450~480 e , 含铝 0. 12 % ~ 0. 25 %) 中的沉没辊而改变方向, 即由进入锌锅浸锌变为出锌锅、镀锌层凝固冷却。随钢带的运动而转动的沉没辊通过两侧的轴套支撑在固定架上, 轴套起滑动轴承的作用 [1] 。沉没辊等部件沉浸于熔融锌液中, 受到活性很强的锌液的腐蚀和渗透, 使辊面产生点蚀、蚀坑而变得粗, 因此其工作寿命一般都较短。

1. 1 沉没辊的研究

 
  镀锌板表面质量及生产效率在很大程度上取决于沉没辊的表面质量和耐磨性。目前, 沉没辊均用SUS 316L 钢制造, 其材质软、耐磨性差, 沉没辊在受到锌液的腐蚀同时, 在带钢张力的作用下, 受到较大的摩擦力作用, 所以很容易出现辊子轴颈滑动部分磨损破坏。
  对沉没辊的使用条件和受力条件分析见图 2,带钢以速度 V 通过沉没辊由斜线进入锌锅, 再从垂直方向由锌锅内向上出来, 并带动沉没辊以一定速度转动; 辊子通过辊架支撑, 并通过滑动轴承连接。
   沉没辊受到重力 G, 锌液浮力 F, 支架反力N 和动摩擦转矩 M, 带钢的张力 T 和静摩擦力F 0 的综合作用, 并同时带动沉没辊转动; 沉没辊的破坏主要是由于支架反力N 和动摩擦转矩M 对滑动表面的损伤和锌液的腐蚀作用。令带钢入口角为 A, 支架反力与垂直纵线夹角为 B, 从辊子的受力平衡可知: 
     T @ cosA+ T + F = G + N @ cosB (1)
     T @ sinA= F 0 + N @ sinB (2)
     F 0 @ R = M (3)
 若已知条件: 带钢张力 T = 678~ 7 536 kg; 沉没辊重量G = 3 100 kg, 带钢入口角约20b, 不锈钢材料密度约 7. 85 g/ cm 3 , 锌材料密度约 7. 3 g/ cm 3 , 带钢和辊子表面的静摩擦系数 L= 0. 015。由由此可知,锌液对沉没辊的浮力为: F = 2 764 kg。从图 2 中可以知道, 水平方向的受力情况属于比较轻微的类型,各个力的分量都不大, 所以可以只重点考虑纵向垂直方向的受力情况: 由(1) 式可得:
     T = 678 kg 时, N @ cosB= 979 kg
     T = 7 536 kg 时, N @ cosB= 14 283 kg
由此可知, 纵向方向的压力为 979~ 14 283 kg,如果考虑生产的主要品种是 0. 8 ~ 2. 0 mm 厚,
900~ 1 500 mm 宽的范围, 那么 T = 1 280 ~7 000 kg, 由(1) 式可得:
     T = 1 280 kg 时, N @ cosB= 2 147 kg
     T = 7 000 kg 时, N @ cosB= 13 244 kg
纵向力的变化范围是 2 147~ 13 244 kg; 支反力合力方向是与纵向呈小角度的斜线方向; 由于角度变化范围不大, 所以辊子在工作过程中的磨损主要集中在很小的区域内, 导致滑动轴承在很短的时间内遭到磨损破坏。

 

1. 2 沉没辊存在的问题

 
      由Fe- Zn 相图可知, Fe 和 Zn 是互溶的, 当铁与锌液接触后表面的铁原子就会扩散至锌液中, 宏观表现为表面的铁被锌液溶解。同样, 锌原子也可以扩散至铁的表面, 形成多孔、疏松的低熔点合金,即 FeZn 7 ( 俗称锌渣) , 并漂移到锌液中。沉没辊的腐蚀, 主要是因为锌液作用于其表面的微观缺陷而致,材料的韧性对耐蚀寿命有重要的影响。锌液在缺陷处、成分不均匀处产生选择性优先腐蚀, 韧性材料发生孔蚀, 脆性材料同时发生裂纹腐蚀, 溶解腐蚀。因此, 均化材料表面、减少缺陷、增加材料的韧性, 都会大大提高材料的耐锌蚀寿命。
    从实际使用情况来看, 沉没辊的使用主要存在以下几个问题:
(1) 因受锌液侵蚀在辊面形成的腐蚀点或金属化合物以及粘附在辊面的锌渣( 杂质及浮渣) 都会破
坏辊面的平洁度, 从而影响镀锌板的表面质量;
(2) 带钢在锌液附着的同时, 也受锌液浸蚀, 形成大量 Fe- Zn 化合物熔入锌液, 影响锌液的纯净
度, 间接影响镀锌质量;
(3) 沉没辊辊面、轴套在锌液中高速转动, 受锌液浸蚀而加速磨损。
    由于这些原因, 沉没辊装置的使用寿命一般很短, 约 7~ 11 天。沉没辊的频繁更换或维修, 不仅降低了成品率、作业率, 而且劳动强度高, 给生产和操作带来诸多不便。以每 7 天换辊一次, 去掉检修日和换辊所用时间, 工作天数以 280天为计, 一个生产线每年要换辊 40 次, 严重制约了镀锌成材率的提高。
    如何提高沉没辊抗熔融锌腐蚀的性能, 是熔融镀锌生产线中的一项技术难题。如果能提高沉没辊的寿命就能节约成本, 提高生产效率。为此, 就沉没辊使用技术开展了大量的研究工作, 不断改善表面质量, 提高使用寿命。

 

2. 目前国内外的解决办法

 
    沉没辊基体材料主要是不锈钢, 辊面的防腐蚀及延长寿命技术的发展主要是在表面改性技术方面拓展。

 

2. 1 各种表面改性技术的对比

   
    表面改性技术是在不改变基体材料的前提下,运用现代技术改变材料表面的成分、结构和性能的处理技术。目前所采用的耐熔锌材料表面改性的方法主要包括下述几种:
(1) 渗镀法。通过热扩散渗硼的方法, 工艺成熟, 且由于硼原子为小原子容易渗入, 耐熔锌腐蚀效
果好。但是, 利用渗镀的方法所获得的渗层都很薄,难于长期抵抗锌液的浸蚀, 其耐蚀寿命都很有限, 不能彻底解决锌液的腐蚀问题。
( 2) 热喷焊。热喷焊方法可以解决热喷涂层与基体结合力差, 涂层易剥落的缺陷。因为耐熔锌腐
蚀性能好的材料一般焊接性能较差、脆性大, 难以喷焊成均匀平滑的涂层, 即使是形成喷焊层也会在冷却过程中产生裂纹而丧失耐蚀性能。因此此种方法应用几乎没有。
( 3) 热喷涂 。热喷涂技术主要以等离子喷涂( 大气等离子喷涂 APS、低压等离子喷涂 LPPS、真
空等离子喷涂VPS) 、爆炸喷涂( Denotation Spraying) 、火焰喷涂( Flame Spraying) 为主; 热喷涂是利用某种热源将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态, 同时借助于焰流或高速气流将其雾化,并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面, 沉积成具有某种功能的涂层。目前用于耐熔锌腐蚀涂层的材料主要有: WC/Co、3 %~ 9 % B + Mo、Cr + W + Mo 。由于这些材料构成的喷涂层本身具有较好的耐融锌腐蚀性能, 因此用在无温差变化的静态工况条件下收到了较好的效果。热喷涂方法也有其不足之处, 如涂层与基体间具有不同的膨胀系数, 使得结合力差, 易脱落。
   因此目前各镀锌线均使用热喷涂技术处理沉没辊表面。为降低涂层与基体间不同的膨胀系数差值, 日本已开始选择新的沉没辊基材, 采用马氏体不锈钢( DCH- 23) 制作辊体, 既耐腐蚀又与喷涂面层材料的热膨胀系数比较匹配。涂层采用双涂层系统, 底层采用硬度较高的带材堆焊, 以大幅度提高面层涂层的抗挤压凹坑能力及耐剥蚀性; 面层采用超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层, 具有优异的耐融锌腐蚀的能力和极好的耐磨性。这种新型的沉没辊, 其使用寿命可比原用的沉没辊提高 2~ 8 倍。

 

2. 1. 1 涂层金相分析

 
( 1) 粘结层金相分析。将热喷涂涂层金相试样至于光学显微镜及扫描电镜下进行观察, 见图 3。
 
  经观察发现: 粘结层非常致密, 与基体界面处没有明显的裂隙, 而且在界面处没有吹砂造成的界面孔隙, 通过对粘结层放大的照片观察可以发现, 粘结层中的孔隙均非常细小, 且分布均匀, 主要位于变形颗粒之间的搭接处, 孔隙之间没有连通, 并且没有观察到裂纹的存在。
   面层金相分析。通过观察面层的金相和扫描电镜照片后可以发现, 在面层与粘结层界面处以及面层内部结构都会造成质量影响: 面层内部孔隙均非常细小, 且在涂层内部均匀分布, 孔隙之间未发生连通( 见图 4) , 主要存在于变形颗粒之间的搭接处; 位于变形颗粒之间或穿过破碎颗粒的内部, 在大的孔隙周围有大量的微裂纹, 有些大的孔隙之间连接有大裂纹, 而有的裂纹已经延伸至面层与粘结层的界面处。大量的裂纹存在, 对涂层的耐磨性和耐锌蚀性能有很大的影响, 容易加速涂层的失效。

2. 2 锌蚀试验

 
    将锌液腐蚀试样清理干净后, 使用电子天平进行称重, 与锌蚀试验前的质量进行比较计算, 以锌蚀试验中质量的损失量比较耐蚀性, 计算结果见表 1。由结果可以得出, 采用超音速火焰喷涂制备涂层的试样失重最少, 而没有涂层的试样失重最多, 由此可见在同样工况环境下, 涂层可以提高沉没辊的耐锌蚀能力, 采用超音速火焰涂层的沉没辊具有更好的耐锌蚀性能。
 
 
         表 1 质量损失测量结果 g
 
       序号  316L  等离子涂层  超音速火焰涂层
         1   1710      710           510
         2   2110      910           310
         3   2310      1110          210    
        平均  20. 3    910           3. 3

 

2. 3 涂层耐磨性能比较

   
       圆柱状Al 2 O 3 试样经往复运动作用下, 涂层表面均留下了一条线状的磨损痕迹。316L 的磨痕最为明显, 等离子涂层次之, 超音速火焰涂层的磨痕最不明显。从磨损痕迹的测量结果见表 2, 涂层可以很好的保护基体材料, 在磨损环境下延长沉没辊的使用寿命。
 
          表 2 磨损测量(磨痕宽度) 结果 mm
 
        序号  316L  等离子涂层  超音速火焰涂层
         1    8.4     4. 6        3. 9
         2    5.7     5. 1        3. 1
         3    6.0     3. 3        2. 7
       平均   6.7     4. 3        3. 2

 

2. 4 涂层粉末材料的选择

   
      作为热喷涂制备涂层的原材料, 粉末的选取对涂层制备工艺过程以及涂层的性能有很大的影响。
  在制备试样过程中, 粉末的选取遵循以下原则:
( 1) 根据热膨胀系数选取粉末, 使其尽可能与基体热膨胀系数相近, 以免在涂层制备过程中以及使用过程中, 因热膨胀系数差别过大而产生较大的收缩应力, 导致涂层开裂甚至脱落。
( 2) 粘结层所用金属粉末应具有良好的抗氧化能力, 这样可以增强层间结合强度, 提高涂层的使用寿命。
( 3) 所选用各种粉末粒径分布要求均匀, 且大小适用于喷涂工艺。
( 4) 粉末球化成形要好, 以保证在喷涂过粉末输送稳定、流动性好, 且在等离子焰流中熔化较好。
    试验中所选用的金属粉末为 Stellite 公司生产的 Stellite6 合金粉末, 与原设计相符, 粉末形貌照片见图5( a) 。该粉末用于制备沉没辊表面涂层的粘结层。由日本公司生产的 MoB 粉末作为制备表面涂层面层的材料, 粉末形貌照片见图 5( b) 。为了严格的控制粉末粒径分布, 所有的粉末均经过标准筛的筛选。
  由扫描照片可以看出 2 种粉末粒度分布均匀,状态良好, 适用于热喷涂工艺。
 
 

3. 长寿命滑动轴承副的材料优化选配

   
       轴套在镀锌过程中同样承受强烈的锌液腐蚀和磨损, 因此本文在研究镀锌沉没辊的同时也关注与其配合的轴套耐磨性能与耐锌液腐蚀性能的研究。轴套的寿命主要取决于其材料的性能是否能长时间处于液锌环境中而不发生失效。为了得到合适的轴套材料, 本文分别用 316L 钢和陶瓷材料制备了轴套性能测试试样, 分别对其进行耐蚀性和耐磨性的测试。

 

3. 1 轴套耐磨性能测试方法

   
     试验装置见图 6, 试样呈 120b放置, 与锥体构成摩擦副。试样加工成 30 mm @ 15mm @ 10 mm 小块。锥体锥角为 30b, 采用热作模具钢 H11 制作, 经淬火、回火后硬度为HV676。锌块取自现场锌锅中, 铝含量为 0. 15 % 。锌块与摩擦副一起加热至 460~480 e , 使摩擦副浸入锌液中, 开动电机使锥体旋转进行磨损试验, 载荷为 196 N。试样前端会磨出 30b斜面, 锥体也会磨损。为减少锌液的氧化, 在其上铺盖一层石墨。试验过程中, 观察并记录锥体的下降深度, 显然此值反映了摩擦副整体的磨损量。试验结束后倾倒出锌液, 取出样品。测量锥体下降的深度以表征轴套材料的耐磨性能, 结果见表 3。
 
         表 3 摩擦副锥体下降深度测量结果 mm
 
       序 号   锥体在316L轴套试样下降深度  锥体在陶瓷轴套试样下降深度
          1                2610                    1. 4
          2                25. 5                   0. 7
          3                27. 1                   1. 1
         平均              26. 2                   1. 1 
 

3. 2 不同材料轴套耐磨性能比较

   
    轴套与轴之间的摩擦是不可避免的, 也是造成轴和轴套失效的主要原因之一。因此在开发新型轴套的时候, 沉没辊轴套在其特殊工况环境下的耐磨性是研究的重点。本文关注的是 316L 轴套和陶瓷轴套在锌液中的耐磨性能, 更接近于实际工况的考核, 即在锌液腐蚀环境下, 轴套材料的耐磨性能。就材料特性而言, 陶瓷材料的硬度要高于 316L, 加之耐腐蚀性能远优于 316L, 其腐蚀环境下的耐磨性能远优于 316L, 见图 7( a) ( b) 所示。

3. 3 不同材料轴套耐锌蚀性能比较

   
     将普通 316L 轴套和陶瓷轴套浸入熔融锌液, 进行生产实验, 均使用 7 天后将试样取出。对两种轴套试样的金相试样进行观察, 发现316L 轴套已经发生了严重的腐蚀, 在试样中存在有大量的金属间化合物; 在陶瓷轴套试样中, 试样表面产生了一定的纵向裂纹, 但是裂纹长度较短, 在裂纹中存在有少量的残留锌, 其外形保持较好, 腐蚀程度较轻。在对锌蚀试验后的试样进行称重后发现, 陶瓷轴套试样的质量变化远小于 316L 轴套试样, 也证明陶瓷轴套的耐腐蚀性能远强于 316L 材料的轴套。

 

4. 后处理工艺对涂层耐蚀性能的影响

   
     尽管涂层工艺在一定程度上提高了沉没辊的耐锌蚀性能, 延长了沉没辊的使用寿命, 但仍然不能满足实际生产对于沉没辊的要求。主要是由于涂层体系中存在有大量的孔隙与微裂纹, 这对于涂层的使用和寿命都是非常不利的, 进而影响到沉没辊的使用寿命。由于组织缺陷的存在, 为强腐蚀性的锌液提供了通道, 使之与沉没辊接触的面积增大, 并且通过缺陷很容易与基体材料直接接触进行腐蚀。为了提高涂层的使用寿命, 减少锌液渗入涂层内部的机会, 必须涂层进行后处理, 即涂层的封孔处理。
    实验使用超音速火焰喷涂制备的沉没辊涂层,一组进行封孔处理, 而另一组未进行封孔处理。将两种试样进行锌蚀试验后, 观察其金相见图 8( a)( b) 。
 
  对二者金相进行观测后发现, 进行封孔处理的涂层试样的腐蚀程度低于未进行封孔处理的试样,进行封孔处理的试样内部只有很少的残留锌, 孔隙中没有腐蚀后的产物。
 
   通过对这 7 块钢板试样的测试与分析得出以下结论:
(1) 表面裂纹大部分集中在钢板宽度方向的两个1/ 4区域内, 裂纹宏观表现形式为 2 种, 一种是裂纹在钢板表面沿纵向呈平行束分布; 另一种是裂纹在钢板表面呈交叉的网状分布。
(2) 裂纹的长度一般在 0. 5~ 210 m 范围内波动, 宽度均小于 1 mm, 深度为 0. 1~ 110 mm。
(3) 采用能谱仪对表面裂纹沟内进行测定发现,无论是纵向裂纹还是横向裂纹, 其沟内均含有由Na、Mg、Al、Si、Cl、K、Ca 等元素组成的复合夹杂物相, 而在裂纹的内部未发现该复合夹杂物相, 其夹杂物是由氧化铁组成。
(4) 结合炼钢连铸工艺分析认为, 该种表面缺陷产生于连铸结晶器内, 在随后二冷区的强冷和加热
炉的加热过程中, 裂纹被进一步的扩展。

 

5. 结束语

 
( 1) 超音速火焰喷涂制备的涂层孔隙率低于等离子及其它方式制备的涂层; 超音速火焰喷涂制备
的涂层抗锌蚀性能和耐磨性能均高于等离子制备的涂层, 但是二者耐蚀性和耐磨性均高于无涂层的
316L 材料; 喷涂层可有效延长沉没辊的使用寿命。
( 2) 陶瓷轴套的耐锌蚀性能和耐磨性能远远高于 316L 材料的轴套, 可有效延长沉没辊在锌液中的使用时间。
( 3) 喷涂后的封孔处理可以大大提高沉没辊涂层的抗锌蚀能力。