連續熱鍍鋅鋼板具有優良的耐腐蝕性、焊接性、成形性和涂裝性等,在汽車、家電、建筑等行業中應用廣泛。當連續熱鍍鋅鋼板用作汽車外板時,對其表面質量要求較高,不允許出現夾雜、劃傷、鋅渣等缺陷。當連續熱鍍鋅鋼板用作家電板時,如裸用的計算機機箱、洗碗機等,對其色差類缺陷要求較高。熱浸鍍是一個復雜的過程,容易產生鋅渣、鋅灰、鋅花不均、鋅層腐蝕等缺陷。筆者采用一系列理化檢驗方法對兩類熱鍍鋅生產過程中出現的點劃傷缺陷進行分析,查明了缺陷產生的原因,并提出相應的解決措施,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

兩類點劃傷缺陷的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：第一類點劃傷缺陷的形貌為上表面無規律出現,缺陷的長度約為20~40 mm,寬度約為0.3 mm,細線中陸續出現數個點狀缺陷；第二類點劃傷缺陷的形貌為上表面間斷出現的牛毛狀點狀缺陷,缺陷的長度約為2 mm,寬度約為0.5 mm,尾部存在黑點特征,主要分布于帶鋼寬度的1/4和3/4位置,偶爾出現在帶鋼中部。 

圖  1  兩類點劃傷缺陷的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

兩類缺陷對應材料的化學成分分析結果如表1所示。 

1.3   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

1.3.1   第一類點劃傷缺陷

第一類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌如圖2所示。由圖2可知：缺陷處平整程度較輕,說明該處的鍍層較薄,導致鍍層未被有效平整；缺陷內部鋅層結晶形成的褶皺形貌清晰可見,較平的區域內發現數個尺寸約為20 μm的漏鍍點,且沿劃傷長度方向分布；漏鍍點內部發現大量絲狀物。 

圖  2  第一類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌

使用能譜儀對絲狀物進行分析,分析位置如圖2c)所示,分析結果如表2所示,可見絲狀物含有較高含量的O、Al、Fe等元素,符合漏鍍的特征。 

將鍍層表面進行部分溶鋅處理,處理后鍍層表面的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知；經過少量溶鋅后,正常區域處的鋅層仍然保留較多,但缺陷處的鋅層基本已被溶解完畢,即缺陷處的鍍層偏薄,表面漏鍍處下方可見大量的白色顆粒狀物質,其形貌與抑制層有所不同；抑制層是帶鋼入鋅鍋后首先形成的相,在鋅浴中加入約0.2%（質量分數,下同）的Al,Al和Fe的親和力高于Zn和Fe,帶鋼會優先與Al反應形成一層數百納米厚度的Fe2Al5相,稱為抑制層,其目的是提高鍍層結合力；缺陷周圍正常處抑制層的顆粒較稀疏,顆粒的形態呈現橢圓形,顆粒與顆粒之間的界限明顯,而缺陷處發現灘狀顆粒物較密集,呈長條形；在抑制層部分位置發現典型的ζ相,這是鋅鐵之間發生擴散后形成的相,說明該處的抑制層無法抑制鋅鐵的擴散；合金化熱鍍鋅外板中的典型表面相結構與缺陷中發現的類似,說明該缺陷中形成了鋅鐵合金相。 

圖  3  部分溶鋅處理后鍍層表面的SEM形貌

在垂直于缺陷處進行切割,制備截面金相試樣,試樣的SEM形貌如圖4所示,在鍍層和基板的界面處發現典型的ζ相,說明該缺陷與鋅鐵合金相的形成有關。 

圖  4  缺陷處橫截面SEM形貌

使用能譜儀對白色顆粒狀物質和ζ相進行分析,分析位置如圖3c),3e）所示,分析結果如表3所示,發現白色顆粒狀物質和ζ相含有較高含量的Al、Zn元素,而抑制層中含有較高的Al元素,基本不含有Zn元素。 

1.3.2   第二類點劃傷缺陷

第二類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：缺陷處的鍍層明顯偏薄,且局部存在漏鍍,漏鍍的邊緣發現大量異物,沒有發現上述鋅鐵合金相的特征,該缺陷可能與鍍鋅前板面存在異物有關。 

圖  5  第二類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌

使用能譜儀對異物處進行分析,分析位置如圖5c)所示,分析結果如表4所示,可見異物主要含有O、Cr等元素。 

將表面鍍層完全溶解去除,基板表面的SEM形貌和面掃描結果如圖6所示。由圖6可知：缺陷處基板表面存在明顯的異物壓入特征,壓入物主要含有O、Cr等元素,且Cr元素的含量較高；異物下方的毛化印被破壞,說明異物壓入發生在軋機之后,該缺陷出現在鍍鋅入口到鋅鍋段。 

圖  6  基板表面的SEM形貌及面掃描結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,第一類點劃傷缺陷處有明顯的鋅鐵合金相,其形成原因與鋅灰有關。連續熱鍍鋅鋅鍋結構如圖7所示,在連續熱鍍鋅鋅鍋區域,爐鼻子是連接退火爐與鋅鍋的通道,爐鼻子內部的溫度和濕度分別約為460 ℃,150 Pa,在這種工況環境下,爐鼻子鋅液面處會發生蒸發現象,鋅蒸汽彌漫在爐鼻子內部,遇冷發生凝結,形成鋅灰,伴隨著帶鋼運行、設備振動等,鋅灰逐步掉落到帶鋼表面,形成鋅灰缺陷。 

圖  7  連續熱鍍鋅鋅鍋結構示意

帶鋼表面存在鋅灰,在高溫的作用下,會迅速發生鋅鐵之間的擴散反應,在表面生成FeZn7等鋅鐵合金相,與合金化熱鍍鋅中,鋅鐵之間的擴散機制相似,這一過程發生在帶鋼進入鋅液面之前。在帶鋼進入鋅液后,鋅鍋中因加入了約0.2%（質量分數）的Al,導致鋅鍋中的Al與Fe更容易結合,首先在基板表面形成Fe2Al5和FeAl3抑制層；缺陷處因存在鋅鐵合金相和部分未反應的氧化鋅,導致表面未能形成抑制層。在氣刀的作用下,出鋅鍋后表面未凝固的鋅液和內部的鋅灰沿帶鋼長度逐漸向下移動,在移動的過程中,形成條狀劃傷缺陷,且部分鋅液發生凝固,形成點狀缺陷,最終形成多條點坑狀劃傷缺陷,其形成機制如圖8所示。升高爐鼻子露點溫度,使鋅蒸氣在鋅液面發生氧化反應,在液面形成一層薄氧化膜,抑制鋅蒸氣的繼續蒸發,可有效防止爐鼻子內產生凝固態鋅[1-2]。但露點控制不當會使部分水蒸汽凝固在帶鋼表面,形成漏鍍缺陷。因此,在生產實踐中需選擇合適的露點。 

圖  8  點劃傷缺陷形成機制示意

對第二類點劃傷缺陷發生時進行跟蹤,在退火入口段未發現類似的缺陷,清洗后出現該類缺陷,說明該缺陷極有可能產生于清洗階段。經過冷軋軋制后,帶鋼表面存在軋制油、鐵粉等臟污,因此在進入連續退火爐之前,要對表面進行清洗。目前,用于連退機組預清洗工藝的方法主要有：化學清洗法、物理清洗法、電解清洗法、組合清洗法等[3],該機組采用化學清洗和電解清洗的組合方式,其中電解清洗是將帶鋼作為陰極或陽極,在帶鋼表面析出氫氣或氧氣,將附著于帶鋼表面的油膜破壞。機組的電解清洗槽包含了沉沒輥、轉向輥、電解槽、電極板等設備,其中帶鋼兩側存在電極板。在對清洗段檢查的過程中,發現電解槽陽極板的固定塊缺失,導致陽極板松動[見圖9a）]。陽極板的筋條與帶鋼有接觸磨損,磨損異物造成帶鋼的一側出現點坑狀劃傷,將電解槽陽極板的固定塊重新安裝加固,防止電極板松動[見圖9b）]。 

圖  9  松動及加固后的電極板外觀

3.   結論及建議

第一類點劃傷缺陷的產生與爐鼻子處的鋅灰有關,鋅灰黏附在帶鋼表面,造成表面局部漏鍍以及鋅層的附著性變差,出鋅鍋后,在氣刀的吹掃作用下,局部向下流動,在鋅灰移動的過程中,表面形成點劃傷缺陷。通過合理控制爐鼻子處的露點,可以避免產生該類缺陷。 

第二類點劃傷缺陷與電解清洗段電極板固定塊松動有關,帶鋼在高速經過電極板時,與松動的陽極板筋條發生碰撞,造成表面劃傷。通過對電極板進行固定,可以避免產生該類缺陷。 

文章來源——材料與測試網