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影響連續熱鍍鋅鍍層粘附性有哪些因素
來源: | 作者:bq1168 | 發布時間: 2014-09-19 | 2433 次瀏覽 | 分享到:
1  前  言
  鋼板具有較高的強度和優良的機械加工性,因而獲得了廣泛應用。但其最大的缺點是極易鏽蝕,往往造成巨大的損失。
  為了防止鋼板鏽蝕,人們使用鍍鋅板。鍍鋅層具有良好的耐腐蝕性能,一方麵是由於鍍層作為阻擋層,隔離了基體與周圍的腐蝕環境;另一方麵,鍍鋅層可作為犧牲陽極,對機體產生電化學防護作用,所以,鍍鋅板能抗鏽蝕主要是因為覆蓋在鋼板表麵的鋅層可以在腐蝕環境中形成耐蝕層,使鋼板本身免受腐蝕,延長其使用壽命。如果鋼板和鍍層結合不牢,鋅層脫落,裸露的鋼板失去鍍層的保護,即失去了鍍鋅板的使用價值。所以,鍍層粘附性是影響鍍鋅產品質量的關鍵問題,也是導致鋅層出現裂紋、脫落的直接原因。
  本文作者僅對影響熱鍍鋅鍍層粘附性的因素作一簡單的探討,以期達到能對熱鍍鋅行業的同行借鑒的目的。
  2  鋅層脫落的機理
  熱鍍鋅層的結構及形成見圖1。
3  影響鋅層附著性的因素
  影響熱鍍鋅鋅層附著性的因素很多,僅從工藝角度就可以看出其複雜性。原料方麵的影響因素為原料的化學成分,原料的表麵粗糙度、原料表麵清潔度等;退火過程中的影響因素為NOF(無氧化工藝)段的氣體成分、溫度、壓力、帶鋼停留時間等;鍍鋅過程中的影響因素為帶鋼人鋅鍋溫度、鋅液化學成分、鋅液溫度等。
  3.1  基板對鋅層附著性的影響
  (1)基板化學成分
  鋼基板的化學成分對鋅層附著性的影響:熱鍍鋅板一般采用低碳鋁鎮靜鋼作為基板,其鋼基w(Si較高,實踐證明鋼基w(Si)高會引起Fe—Zn,合金層ζ相劇烈增厚,形成灰白色鍍層,使鍍鋅層粘附性變壞。另外c的影響機理在於鋼基參與劇烈反應,導致Fe—zn合金層增厚,惡化鋅層附著性能。
  (2)表麵粗糙度
  根據齧合原理增大圓板表麵粗糙度能提高鋅層附著力,但實際上,由於原板的粗糙不平,也為軋製油、潤滑脂及鐵粉的殘留創造了有利條件,不利於改善鋅層附著力,甚至有惡化的傾向。
  (3)表麵缺陷的影響
  帶鋼表麵缺陷主要為熱鍍鋅基板劃傷。劃傷部位w(Al)較低,生成的Fe—Al合金較少,抑製Fe-zn合金生成的能力較差,使得鐵鋅合金層迅速生長,降低鋅層的附著力。
  另外,原板表麵的庫存周期等其它因素對鋅層附著力也有較大的影響。
  (4)帶鋼表麵清潔度對熱鍍鋅鋼板鋅層附著性的影響
  用於鍍鋅的原料通常采用經酸洗、冷軋後的帶鋼。帶鋼表麵殘留物主要為油脂(軋製油、潤滑油、液壓油等)和微小的固體顆粒(鐵粉、灰塵等)。
  改良森吉米爾法退火爐可大部分消除帶鋼表麵殘油脂類和氧化物,但對殘留的固體顆粒幾乎無清潔作用。當原料表麵清潔度低於退火爐清潔能力時,帶鋼表麵將有剩餘的殘留物存在。這部分殘留物總量超過鍍鋅的允許值時,就會出現鋅花變小、鋅花均勻性差、鍍層出現裂紋、甚至鋅層脫落等問題。
  原料帶鋼表麵殘留的固體顆粒一部分會枯到退火爐爐輥上,另一部分落人爐內,粘到爐輥上的固體顆粒積累後造成爐輥結瘤。結瘤的爐輥使帶鋼下表麵產生壓印,較輕的壓印經後部工序的矯直處理對產品質量影響不大;而壓印較重時,帶鋼表麵會被劃傷,降低鋅層附著力。
3.2  無氧化工藝對連續熱鍍鋅鋼板鋅層附著性的影響
  NOF(無氧化加熱段)是影響鋅層附著性能的關鍵環節。鋅層的脫落可以通過調整NOF的空燃比得以解決。NOF空燃比一般控製在0.85—1.05,其調節應遵循以下3點。
  (1)實踐證明帶鋼—旦被重度氧化,很難在後麵的還原段還原。NOF呈微氧化氣氛,NOF較短,當機組速度快時,帶鋼還沒來得及氧化便進入還原段;當生產厚規格的帶鋼時,機組速度慢,帶鋼在NOF停留的時間延長,增大了帶鋼表麵被重度氧化的可能性。因此,空燃比的調節應兼顧考慮機組速度。
  (2)新爐和大修後的退火爐,其空燃比也要作適當的調整,這主要考慮爐內耐火材料和澆注料水分對爐內氣氛的影響。
  (3)燃氣(焦爐煤氣)組分發生變化時,空燃比也要作相應的調整。焦爐煤氣、空氣實現混合燃燒,是以焦爐煤氣供給的體積數為控製依據的,即給定燃燒比例,空氣供給量根據焦爐煤氣體積數與燃燒比例的乘積變化而變化。焦爐煤氣燃燒反應方程式為(假設為完全燃燒):
  2H2(2下角標)+O2(下角標)=2H2O(2下角標)O  CH4+2O2(下角標):CO2(下角標)十2H2(2下角標)O
  2CO+O2(下角標):2CO2(下角標)  C2H4+3O2;2CO2(下角標)+2H2(2下角標)O
  根據以上反應方程式可以看出,焦爐煤氣各組分氧需求量是不同的。而焦爐煤氣的組分並非一成不變,尤其在充入H2(2下角標)尾氣時將大幅度波動。當組分發生變化時,若不對空燃比作相應調整,必然破壞正常的爐內氣氛——當帶鋼表麵氧化程度超過還原帶的還原能力時,將影響到鋅層附著力。
  帶鋼熱鍍鋅時,要求進入鋅液的帶鋼具有海綿狀純鐵的表麵,隻有在帶鋼表麵充分還原成純鐵的情況下,才有可能在鍍鋅時帶鋼與鋅液中的Al反應形成粘附力較好的Fe2Al5(2 5下角標)中間層,而這一還原過程隻有靠調節退火的工藝參數、控製爐子的生產狀態來完成。
  帶鋼在爐內的表麵還原,依靠爐內氣氛與鋼板表麵的氧化鐵發生氧化還原反應,還原成純鐵。在爐內幾種主要的氣體中:CO、H2(2下角標)屬於還原性氣氛,CO2(下角標)、H2(2下角標)0屬於氧化性氣氛,它們與帶鋼表麵的氧化鐵發生氧化—還原反應:
  FeO+H2(2下角標)=Fe+H2(2下角標)O  FeO十CO=Fe十CO2
  上述反應均為可逆反應,但反應平衡時,爐內氣氛達到平衡成分,此時帶鋼在爐內既不氧化也不還原。若使帶鋼在爐內實現還原加熱,要求爐內氣氛呈還原性,並發生還原反應,其條件為爐內氣氛的實際分壓值大於爐內氣氛達到平衡時的分壓值。
  3.3  鋅液成分對熱鍍鋅鋼板鋅層附著性的影響
  在帶鋼連續熱鍍鋅過程中,一方麵,由於Fe—Al反應的自由焓大於Fe—Zn反應的自由焓。所以,在同等條件下,進入含A1鋅液中的帶鋼可以大量吸取鋅液中的Al,並優先同Al反應形成Fe—Al化合物;另一方麵,由於鋅的熔點比鋁的熔點更接近鋅液溫度,因此,在450℃的鋅液中,鋅的擴散能力大,使鋼板和鋅液也有形成Fe—Zn化合物的傾向。實踐表明,一旦鋼板表麵未形成Fe2Al5(2 5下角標)中間粘附層而首先形成Fe—Zn化合物,生產的鍍鋅板已無鍍層粘附性可言,所以,在現代化熱鍍鋅生產中,鋅液中的鋁含量正逐步提高,以利於中間層的優先形成。
  然而,Fe2Al5(2 5下角標)中間層的形成也隻是保證鍍層粘附性的必要條件,其充分條件是;隻有當鋅在FeAl5(5下角標)中間層的溶解不飽和而形成貧鋅固溶體時,此中間層才起到粘附作用,並能有效阻止鐵、鋅原子的進一步擴散。如果鋅在Fe2Al5(2 5下角標)中間層過飽和而形成富鋅固溶體,則不僅使中間層中有效鋁的相對含量下降,而且大量分布的鋅固溶體破壞了中間層的均質性,使其阻止Fe、Zn)原子擴散的能力和粘附鍍層的能力下降,鍍層的附著性能也隨之降低。
  由此可知,保證鍍層粘附性的充分必要條件是:帶鋼進入鋅液之後,在帶鋼表麵首先形成含鋁多、含鋅少的Fe2Al5(2 5下角標)中間粘附層,才可能粘附鍍層和阻止Fe—Zn擴散反應,從而達到提高鍍層粘附性的作用。
  生產熱鍍鋅鋼板時,鋅液中的鋁具有的兩個作用對產品質量具有重大影響。(1)當帶鋼進入含鋁鋅液時,帶鋼表麵形成一層含有FeAl5(5下角標)固體相的過渡層。這一薄薄合金層有利於提高粘附性,也有利於促進與鋅液的浸潤性,以使鋅層和帶鋼具有良好的結合力。(2)鋁的第二個作用就是形成鋅鐵反應阻擋層,以保證產品表麵具有金屬光澤並提高成形性。對於熱鍍鋅來說,不希望發生鋅鐵合金反應。鋅液中的鋁含量應保證帶鋼在鋅液中不發生鐵鋅反應。文獻[9]認為A1添加量在0.12%—0.2%時,鍍層的綜合性能最好,因為w(Al)大於0.12%時,Fe2Al5(2 5下角標)將取代FeZn,可改善附著力性能。
  3.4  鍍鋅過程對熱鍍鋅鋼板鋅層附著性的影響
  鍍層粘附性的好壞決定於Fe2Al5(2 5下角標)中間粘附層形成的狀況,而粘附層的形成以正確的鍍鋅操作過程為條件,其影響因素包括:鋅液溫度、帶鋼人鋅鍋時的溫度、帶鋼浸鋅時間(即帶鋼工藝速度)和鍍後及時冷卻情況。(1)溫度的影響
  鋅液溫度升高會促使鐵、鋅原子擴散速度加大,並增大鐵在鋅液中的溶解度,使帶鋼的鐵損失增加,從而使鋅液中鐵的絕對含量升高,並導致鋅液中鋁的有效含量減少,使鍍層形成困難或粘附性變壞,實踐表明,鋅液溫度低於480℃時,鐵損失隨鋅液溫度升高直線增加。同時鍍層中的Fe—Zn合金層急劇增厚,嚴重影響鍍層粘附性,所以,鋅液溫度一般控製在475℃以下。
  鍍鋅時在反應界麵大量供熱可加速中間層FeAl5(5下角標)的形成,可以獲得良好的鍍層粘附性,所以,帶鋼入鋅鍋溫度應高於鋅液溫度20-30℃,為Fe-Al反應提供充足的熱力學條件。
  鋅鍋中存在Al是生成Fe2Al5(2 5下角標)的物質基礎。生產實踐表明,當w(Al)<0.15%時,不利於提高鋅層的附著性能,尤其是當機組波動時,很可能整卷甚至整批的鋅層脫落,另外,鋅液中還含有Sn、Sb等元素,它們對鋅層附著性能也有一定的影響,比如1%的Sn可以抵消O.05%的Al所起的作用,從而降低鋅鍋中有效w(Al)。
  (2)鍍鋅時間的影響
  鍍鋅時間應理解為帶鋼進入鋅液到離開液麵後,鍍層冷卻至Fe、zn原子不能進行較長距離擴散為止。
  鍍鋅時,當中間層形成以後,為防止鍍層中Fe—Zn的進一步擴散反應,保證Fe2Al5(2 5下角標)中間層的貧鋅和均質性,應盡快冷卻鍍層,使Fe、zn原子盡快失去擴散能力。在這一點上,氣刀的噴吹刮鋅實質上也是起到了快速冷卻鍍層的雙重作用。
  對於帶鋼的鍍鋅時間,可分解為兩個時間過程:1)帶鋼與鋅液中的鋁和鋅化合反應,形成Fe2Al5(2 5下角標)中間層和Fe—Zn合金層的過程;2)鋅液中帶鋼區域的Al向帶鋼附近區域擴散的過程。按照這一概念分析,如帶鋼速度慢,即浸鋅時間長,則帶鋼表麵優先形成的Fe2Al5(2 5下角標)中間層阻止不住Fe-Zn的進一步擴散,從而導致中間層失效,如鍍鋅時間過短,則帶鋼附近的Al被消耗掉後,鋅液中遠離帶鋼區域的Al來不及擴散均勻化,造成帶鋼附近貧Al,不能保證形成Fe2Al5(2 5下角標)中間粘附層的有效Al濃度,失去了形成粘附層的充分條件。
  帶鋼從入鋅鍋到出鋅鍋的距離基本可以認為是一個常數,當生產厚規格料時,機組運行速度低,鍍鋅時間延長,增大了Zn、Fe擴散的機會,導致Fe—Zn合金層增厚,增大了鋅層脫落的可能。
  鍍鋅過程對鍍層粘附性的影響是多方麵的,應將多個因素綜合考慮,如提高帶鋼入鋅鍋溫度、延長浸鋅時間或增加鋅液中的w(Al),均會促使中間層的形成。但溫度過高、浸鋅時間過長會是中間層形成之後,Fe—Zn繼續向FeAl5(5下角標)中間層反應擴散,使之失效,失去粘附作用。
  (3)高跨段冷卻能力的影響
  厚規格帶鋼的核心熱大,出鋅鍋後Fe、Zn擴散仍繼續進行,直到帶鋼溫度低於300℃時才降到相當微弱的程度;另一方麵Zn在40℃以上時塑性較差,容易在光整、拉矯過程中產生鋅層裂紋。因此厚規格帶鋼應適當降低入鋅鍋溫度,同時打開垂直冷卻段風機和水平冷卻風機進行強化冷卻,提高水淬槽液位和增加循環水流量,抑製Fe-Zn合金層生長和保證後續工序的工藝要求。
  (4)生產操作對鋅層附著力的影響。保證爐內充H2(2下角標)的時間和數量;機組速度變化時,要及時調整帶鋼入鋅鍋溫度;保證退火爐各段的溫度。
  4  結  論
  綜上所述,影響熱鍍鋅鋅層的粘附力的因素很多,以上也隻是對部分影響因素進行了探討。在實際生產中,ag亚游官网應不斷積累經驗,找到影響熱鍍鋅附著力的因素,來提高連續熱鍍鋅鍍層的附著力,從而大大提高熱鍍鋅產品的抗腐蝕能力。為此,依據上文所述ag亚游官网應該從以下幾點進行改進:
  (1)改善原料冷軋板的表麵狀態,提高帶鋼的表麵清潔度;
  (2)要提高爐內的表麵還原程度及爐內氣氛的控製;
  (3)要提高對鋅液成分(特別是鋅液中鋁含量)的控製;
  (4)要加強對熱鍍鋅工藝參數的優化調整;
  (5)加強監督檢查,提高工人操作水平。