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影响连续热镀锌镀层粘附性有哪些因素

发布日期:2018-06-01 作者: 点击:

1  前  言
  钢板具有较高的强度和优良的机械加工性,因而获得了广泛应用。但其最大的缺点是极易锈蚀,往往造成巨大的损失。
  为了防止钢板锈蚀,人们使用镀锌板。镀锌层具有良好的耐腐蚀性能,一方面是由于镀层作为阻挡层,隔离了基体与周围的腐蚀环境;另一方面,镀锌层可作为牺牲阳极,对机体产生电化学防护作用,所以,镀锌板能抗锈蚀主要是因为覆盖在钢板表面的锌层可以在腐蚀环境中形成耐蚀层,使钢板本身免受腐蚀,延长其使用寿命。如果钢板和镀层结合不牢,锌层脱落,裸露的钢板失去镀层的保护,即失去了镀锌板的使用价值。所以,镀层粘附性是影响镀锌产品质量的关键问题,也是导致锌层出现裂纹、脱落的直接原因。
  本文作者仅对影响热镀锌镀层粘附性的因素作一简单的探讨,以期达到能对热镀锌行业的同行借鉴的目的。
  2  锌层脱落的机理
  热镀锌层的结构及形成见图1。
3  影响锌层附着性的因素
  影响热镀锌锌层附着性的因素很多,仅从工艺角度就可以看出其复杂性。原料方面的影响因素为原料的化学成分,原料的表面粗糙度、原料表面清洁度等;退火过程中的影响因素为NOF(无氧化工艺)段的气体成分、温度、压力、带钢停留时间等;镀锌过程中的影响因素为带钢人锌锅温度、锌液化学成分、锌液温度等。
  3.1  基板对锌层附着性的影响
  (1)基板化学成分
  钢基板的化学成分对锌层附着性的影响:热镀锌板一般采用低碳铝镇静钢作为基板,其钢基w(Si较高,实践证明钢基w(Si)高会引起Fe—Zn,合金层ζ相剧烈增厚,形成灰白色镀层,使镀锌层粘附性变坏。另外c的影响机理在于钢基参与剧烈反应,导致Fe—zn合金层增厚,恶化锌层附着性能。
  (2)表面粗糙度
  根据啮合原理增大圆板表面粗糙度能提高锌层附着力,但实际上,由于原板的粗糙不平,也为轧制油、润滑脂及铁粉的残留创造了有利条件,不利于改善锌层附着力,甚至有恶化的倾向。
  (3)表面缺陷的影响
  带钢表面缺陷主要为热镀锌基板划伤。划伤部位w(Al)较低,生成的Fe—Al合金较少,抑制Fe-zn合金生成的能力较差,使得铁锌合金层迅速生长,降低锌层的附着力。
  另外,原板表面的库存周期等其它因素对锌层附着力也有较大的影响。
  (4)带钢表面清洁度对热镀锌钢板锌层附着性的影响
  用于镀锌的原料通常采用经酸洗、冷轧后的带钢。带钢表面残留物主要为油脂(轧制油、润滑油、液压油等)和微小的固体颗粒(铁粉、灰尘等)。
  改良森吉米尔法退火炉可大部分消除带钢表面残油脂类和氧化物,但对残留的固体颗粒几乎无清洁作用。当原料表面清洁度低于退火炉清洁能力时,带钢表面将有剩余的残留物存在。这部分残留物总量超过镀锌的允许值时,就会出现锌花变小、锌花均匀性差、镀层出现裂纹、甚至锌层脱落等问题。
  原料带钢表面残留的固体颗粒一部分会枯到退火炉炉辊上,另一部分落人炉内,粘到炉辊上的固体颗粒积累后造成炉辊结瘤。结瘤的炉辊使带钢下表面产生压印,较轻的压印经后部工序的矫直处理对产品质量影响不大;而压印较重时,带钢表面会被划伤,降低锌层附着力。
3.2  无氧化工艺对连续热镀锌钢板锌层附着性的影响
  NOF(无氧化加热段)是影响锌层附着性能的关键环节。锌层的脱落可以通过调整NOF的空燃比得以解决。NOF空燃比一般控制在0.85—1.05,其调节应遵循以下3点。
  (1)实践证明带钢—旦被重度氧化,很难在后面的还原段还原。NOF呈微氧化气氛,NOF较短,当机组速度快时,带钢还没来得及氧化便进入还原段;当生产厚规格的带钢时,机组速度慢,带钢在NOF停留的时间延长,增大了带钢表面被重度氧化的可能性。因此,空燃比的调节应兼顾考虑机组速度。
  (2)新炉和大修后的退火炉,其空燃比也要作适当的调整,这主要考虑炉内耐火材料和浇注料水分对炉内气氛的影响。
  (3)燃气(焦炉煤气)组分发生变化时,空燃比也要作相应的调整。焦炉煤气、空气实现混合燃烧,是以焦炉煤气供给的体积数为控制依据的,即给定燃烧比例,空气供给量根据焦炉煤气体积数与燃烧比例的乘积变化而变化。焦炉煤气燃烧反应方程式为(假设为完全燃烧):
  2H2(2下角标)+O2(下角标)=2H2O(2下角标)O  CH4+2O2(下角标):CO2(下角标)十2H2(2下角标)O
  2CO+O2(下角标):2CO2(下角标)  C2H4+3O2;2CO2(下角标)+2H2(2下角标)O
  根据以上反应方程式可以看出,焦炉煤气各组分氧需求量是不同的。而焦炉煤气的组分并非一成不变,尤其在充入H2(2下角标)尾气时将大幅度波动。当组分发生变化时,若不对空燃比作相应调整,必然破坏正常的炉内气氛——当带钢表面氧化程度超过还原带的还原能力时,将影响到锌层附着力。
  带钢热镀锌时,要求进入锌液的带钢具有海绵状纯铁的表面,只有在带钢表面充分还原成纯铁的情况下,才有可能在镀锌时带钢与锌液中的Al反应形成粘附力较好的Fe2Al5(2 5下角标)中间层,而这一还原过程只有靠调节退火的工艺参数、控制炉子的生产状态来完成。
  带钢在炉内的表面还原,依靠炉内气氛与钢板表面的氧化铁发生氧化还原反应,还原成纯铁。在炉内几种主要的气体中:CO、H2(2下角标)属于还原性气氛,CO2(下角标)、H2(2下角标)0属于氧化性气氛,它们与带钢表面的氧化铁发生氧化—还原反应:
  FeO+H2(2下角标)=Fe+H2(2下角标)O  FeO十CO=Fe十CO2
  上述反应均为可逆反应,但反应平衡时,炉内气氛达到平衡成分,此时带钢在炉内既不氧化也不还原。若使带钢在炉内实现还原加热,要求炉内气氛呈还原性,并发生还原反应,其条件为炉内气氛的实际分压值大于炉内气氛达到平衡时的分压值。
  3.3  锌液成分对热镀锌钢板锌层附着性的影响
  在带钢连续热镀锌过程中,一方面,由于Fe—Al反应的自由焓大于Fe—Zn反应的自由焓。所以,在同等条件下,进入含A1锌液中的带钢可以大量吸取锌液中的Al,并优先同Al反应形成Fe—Al化合物;另一方面,由于锌的熔点比铝的熔点更接近锌液温度,因此,在450℃的锌液中,锌的扩散能力大,使钢板和锌液也有形成Fe—Zn化合物的倾向。实践表明,一旦钢板表面未形成Fe2Al5(2 5下角标)中间粘附层而首先形成Fe—Zn化合物,生产的镀锌板已无镀层粘附性可言,所以,在现代化热镀锌生产中,锌液中的铝含量正逐步提高,以利于中间层的优先形成。
  然而,Fe2Al5(2 5下角标)中间层的形成也只是保证镀层粘附性的必要条件,其充分条件是;只有当锌在FeAl5(5下角标)中间层的溶解不饱和而形成贫锌固溶体时,此中间层才起到粘附作用,并能有效阻止铁、锌原子的进一步扩散。如果锌在Fe2Al5(2 5下角标)中间层过饱和而形成富锌固溶体,则不仅使中间层中有效铝的相对含量下降,而且大量分布的锌固溶体破坏了中间层的均质性,使其阻止Fe、Zn)原子扩散的能力和粘附镀层的能力下降,镀层的附着性能也随之降低。
  由此可知,保证镀层粘附性的充分必要条件是:带钢进入锌液之后,在带钢表面首先形成含铝多、含锌少的Fe2Al5(2 5下角标)中间粘附层,才可能粘附镀层和阻止Fe—Zn扩散反应,从而达到提高镀层粘附性的作用。
  生产热镀锌钢板时,锌液中的铝具有的两个作用对产品质量具有重大影响。(1)当带钢进入含铝锌液时,带钢表面形成一层含有FeAl5(5下角标)固体相的过渡层。这一薄薄合金层有利于提高粘附性,也有利于促进与锌液的浸润性,以使锌层和带钢具有良好的结合力。(2)铝的第二个作用就是形成锌铁反应阻挡层,以保证产品表面具有金属光泽并提高成形性。对于热镀锌来说,不希望发生锌铁合金反应。锌液中的铝含量应保证带钢在锌液中不发生铁锌反应。文献[9]认为A1添加量在0.12%—0.2%时,镀层的综合性能最好,因为w(Al)大于0.12%时,Fe2Al5(2 5下角标)将取代FeZn,可改善附着力性能。
  3.4  镀锌过程对热镀锌钢板锌层附着性的影响
  镀层粘附性的好坏决定于Fe2Al5(2 5下角标)中间粘附层形成的状况,而粘附层的形成以正确的镀锌操作过程为条件,其影响因素包括:锌液温度、带钢人锌锅时的温度、带钢浸锌时间(即带钢工艺速度)和镀后及时冷却情况。(1)温度的影响
  锌液温度升高会促使铁、锌原子扩散速度加大,并增大铁在锌液中的溶解度,使带钢的铁损失增加,从而使锌液中铁的绝对含量升高,并导致锌液中铝的有效含量减少,使镀层形成困难或粘附性变坏,实践表明,锌液温度低于480℃时,铁损失随锌液温度升高直线增加。同时镀层中的Fe—Zn合金层急剧增厚,严重影响镀层粘附性,所以,锌液温度一般控制在475℃以下。
  镀锌时在反应界面大量供热可加速中间层FeAl5(5下角标)的形成,可以获得良好的镀层粘附性,所以,带钢入锌锅温度应高于锌液温度20-30℃,为Fe-Al反应提供充足的热力学条件。
  锌锅中存在Al是生成Fe2Al5(2 5下角标)的物质基础。生产实践表明,当w(Al)<0.15%时,不利于提高锌层的附着性能,尤其是当机组波动时,很可能整卷甚至整批的锌层脱落,另外,锌液中还含有Sn、Sb等元素,它们对锌层附着性能也有一定的影响,比如1%的Sn可以抵消O.05%的Al所起的作用,从而降低锌锅中有效w(Al)。
  (2)镀锌时间的影响
  镀锌时间应理解为带钢进入锌液到离开液面后,镀层冷却至Fe、zn原子不能进行较长距离扩散为止。
  镀锌时,当中间层形成以后,为防止镀层中Fe—Zn的进一步扩散反应,保证Fe2Al5(2 5下角标)中间层的贫锌和均质性,应尽快冷却镀层,使Fe、zn原子尽快失去扩散能力。在这一点上,气刀的喷吹刮锌实质上也是起到了快速冷却镀层的双重作用。
  对于带钢的镀锌时间,可分解为两个时间过程:1)带钢与锌液中的铝和锌化合反应,形成Fe2Al5(2 5下角标)中间层和Fe—Zn合金层的过程;2)锌液中带钢区域的Al向带钢附近区域扩散的过程。按照这一概念分析,如带钢速度慢,即浸锌时间长,则带钢表面优先形成的Fe2Al5(2 5下角标)中间层阻止不住Fe-Zn的进一步扩散,从而导致中间层失效,如镀锌时间过短,则带钢附近的Al被消耗掉后,锌液中远离带钢区域的Al来不及扩散均匀化,造成带钢附近贫Al,不能保证形成Fe2Al5(2 5下角标)中间粘附层的有效Al浓度,失去了形成粘附层的充分条件。
  带钢从入锌锅到出锌锅的距离基本可以认为是一个常数,当生产厚规格料时,机组运行速度低,镀锌时间延长,增大了Zn、Fe扩散的机会,导致Fe—Zn合金层增厚,增大了锌层脱落的可能。
  镀锌过程对镀层粘附性的影响是多方面的,应将多个因素综合考虑,如提高带钢入锌锅温度、延长浸锌时间或增加锌液中的w(Al),均会促使中间层的形成。但温度过高、浸锌时间过长会是中间层形成之后,Fe—Zn继续向FeAl5(5下角标)中间层反应扩散,使之失效,失去粘附作用。
  (3)高跨段冷却能力的影响
  厚规格带钢的核心热大,出锌锅后Fe、Zn扩散仍继续进行,直到带钢温度低于300℃时才降到相当微弱的程度;另一方面Zn在40℃以上时塑性较差,容易在光整、拉矫过程中产生锌层裂纹。因此厚规格带钢应适当降低入锌锅温度,同时打开垂直冷却段风机和水平冷却风机进行强化冷却,提高水淬槽液位和增加循环水流量,抑制Fe-Zn合金层生长和保证后续工序的工艺要求。
  (4)生产操作对锌层附着力的影响。保证炉内充H2(2下角标)的时间和数量;机组速度变化时,要及时调整带钢入锌锅温度;保证退火炉各段的温度。
  4  结  论
  综上所述,影响热镀锌锌层的粘附力的因素很多,以上也只是对部分影响因素进行了探讨。在实际生产中,我们应不断积累经验,找到影响热镀锌附着力的因素,来提高连续热镀锌镀层的附着力,从而大大提高热镀锌产品的抗腐蚀能力。为此,依据上文所述我们应该从以下几点进行改进:
  (1)改善原料冷轧板的表面状态,提高带钢的表面清洁度;
  (2)要提高炉内的表面还原程度及炉内气氛的控制;
  (3)要提高对锌液成分(特别是锌液中铝含量)的控制;
  (4)要加强对热镀锌工艺参数的优化调整;
  (5)加强监督检查,提高工人操作水平。

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