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熱鍍鋅沉沒輥系統長壽化研究

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【摘要】:
文中針對鍍鋅沉沒輥系統表面的耐蝕性和耐磨性、不同材料制備的沉沒輥軸套的耐蝕性和耐磨性以及塗層後處理對塗層抗鋅蝕性能的影響進行了研究。結果表明制備塗層的輥系具有更加優良性能; 采用陶瓷制備的沉沒輥軸套比高鉻、整體 Stellite 合金的要好, 比傳統的 316L 軸套具有更好的耐腐蝕耐磨損性能封孔後處理塗層的沉沒輥系統耐腐蝕性能比處理前提高了很多。
    從 1931年世界上第一條帶鋼連續鍍鋅生産線的建成, 熱鍍鋅工藝得到了不斷的發展, 形成了如森吉米爾法、美鋼聯法等多種工藝形式, 特别是其核心設備的新技術在鍍鋅生産線的運用, 使熱鍍鋅的質量及熱鍍鋅生産能力有了極大提高, 已成為廣泛應用的金屬防鏽方法之一。目前, 熱鍍鋅闆已廣泛應用于汽車和家電行業, 國際市場上需求持續增長。包鋼應市場需求, 于 2003 年通過國際招标, 技術引進, 新建了冷軋、鍍鋅生産線。鍍鋅線于 2005年12 月進入試生産階段。
  帶鋼熱鍍鋅線影響産品質量的核心設備主要是退火爐、鋅鍋、氣刀、沉沒輥及穩定輥。本文針對關鍵設備鋅鍋沉沒輥系統進行長壽化研究。由于鋅液對部件的腐蝕以及生産過程中部件的磨損, 鋅鍋中會産生腐蝕形成的産物( Fe- Zn 系金屬間化合物) ,降低了各部件的使用壽命, 同時也影響産品的質量;這種定期和不定期的停産維修會造成非常嚴重經濟損失。沉沒輥系統的維修是非常重要的, 有效改善沉沒輥及前後穩定輥表面的耐鋅腐蝕和抗磨損能力, 是确保鍍鋅闆表面質量的一個非常重要的條件。因此沉沒輥、穩定輥必須具備耐熱、耐鋅液腐蝕、抗粘鋅、耐腐蝕磨損與耐金屬間磨損等性能要求。如何修複并延長其在線的使用壽命, 有效改善其在鋅液中的耐腐蝕性能, 提高帶鋼表面質量, 有效提高鍍鋅線的生産效率, 降低因輥面質量或頻繁換輥造成的闆帶及原材料等生産成本浪費。
 

1. 沉沒輥的工作環境

 
  圖1 中, 熱鍍鋅的溫度一般在450~ 480e 之間,液态鋅在該溫度下幾乎對所有金屬都有強烈腐蝕性。一般碳鋼和鑄鐵工件置于熔融鋅液中很快發生均勻腐蝕。液鋅對鐵的腐蝕是鐵與鋅擴散反應生成多孔、疏松的低熔點合金, 即鋅渣, 并懸浮于液鋅中, 其具體腐蝕機制完全遵從 Fe- Zn 相圖。連續熱鍍鋅生産時, 鋼帶通過浸在鋅液( 溫度為 450~480 e , 含鋁 0. 12 % ~ 0. 25 %) 中的沉沒輥而改變方向, 即由進入鋅鍋浸鋅變為出鋅鍋、鍍鋅層凝固冷卻。随鋼帶的運動而轉動的沉沒輥通過兩側的軸套支撐在固定架上, 軸套起滑動軸承的作用 [1] 。沉沒輥等部件沉浸于熔融鋅液中, 受到活性很強的鋅液的腐蝕和滲透, 使輥面産生點蝕、蝕坑而變得粗, 因此其工作壽命一般都較短。

1. 1 沉沒輥的研究

 
  鍍鋅闆表面質量及生産效率在很大程度上取決于沉沒輥的表面質量和耐磨性。目前, 沉沒輥均用SUS 316L 鋼制造, 其材質軟、耐磨性差, 沉沒輥在受到鋅液的腐蝕同時, 在帶鋼張力的作用下, 受到較大的摩擦力作用, 所以很容易出現輥子軸頸滑動部分磨損破壞。
  對沉沒輥的使用條件和受力條件分析見圖 2,帶鋼以速度 V 通過沉沒輥由斜線進入鋅鍋, 再從垂直方向由鋅鍋内向上出來, 并帶動沉沒輥以一定速度轉動; 輥子通過輥架支撐, 并通過滑動軸承連接。
   沉沒輥受到重力 G, 鋅液浮力 F, 支架反力N 和動摩擦轉矩 M, 帶鋼的張力 T 和靜摩擦力F 0 的綜合作用, 并同時帶動沉沒輥轉動; 沉沒輥的破壞主要是由于支架反力N 和動摩擦轉矩M 對滑動表面的損傷和鋅液的腐蝕作用。令帶鋼入口角為 A, 支架反力與垂直縱線夾角為 B, 從輥子的受力平衡可知: 
     T @ cosA+ T + F = G + N @ cosB (1)
     T @ sinA= F 0 + N @ sinB (2)
     F 0 @ R = M (3)
 若已知條件: 帶鋼張力 T = 678~ 7 536 kg; 沉沒輥重量G = 3 100 kg, 帶鋼入口角約20b, 不鏽鋼材料密度約 7. 85 g/ cm 3 , 鋅材料密度約 7. 3 g/ cm 3 , 帶鋼和輥子表面的靜摩擦系數 L= 0. 015。由由此可知,鋅液對沉沒輥的浮力為: F = 2 764 kg。從圖 2 中可以知道, 水平方向的受力情況屬于比較輕微的類型,各個力的分量都不大, 所以可以隻重點考慮縱向垂直方向的受力情況: 由(1) 式可得:
     T = 678 kg 時, N @ cosB= 979 kg
     T = 7 536 kg 時, N @ cosB= 14 283 kg
由此可知, 縱向方向的壓力為 979~ 14 283 kg,如果考慮生産的主要品種是 0. 8 ~ 2. 0 mm 厚,
900~ 1 500 mm 寬的範圍, 那麼 T = 1 280 ~7 000 kg, 由(1) 式可得:
     T = 1 280 kg 時, N @ cosB= 2 147 kg
     T = 7 000 kg 時, N @ cosB= 13 244 kg
縱向力的變化範圍是 2 147~ 13 244 kg; 支反力合力方向是與縱向呈小角度的斜線方向; 由于角度變化範圍不大, 所以輥子在工作過程中的磨損主要集中在很小的區域内, 導緻滑動軸承在很短的時間内遭到磨損破壞。

 

1. 2 沉沒輥存在的問題

 
      由Fe- Zn 相圖可知, Fe 和 Zn 是互溶的, 當鐵與鋅液接觸後表面的鐵原子就會擴散至鋅液中, 宏觀表現為表面的鐵被鋅液溶解。同樣, 鋅原子也可以擴散至鐵的表面, 形成多孔、疏松的低熔點合金,即 FeZn 7 ( 俗稱鋅渣) , 并漂移到鋅液中。沉沒輥的腐蝕, 主要是因為鋅液作用于其表面的微觀缺陷而緻,材料的韌性對耐蝕壽命有重要的影響。鋅液在缺陷處、成分不均勻處産生選擇性優先腐蝕, 韌性材料發生孔蝕, 脆性材料同時發生裂紋腐蝕, 溶解腐蝕。因此, 均化材料表面、減少缺陷、增加材料的韌性, 都會大大提高材料的耐鋅蝕壽命。
    從實際使用情況來看, 沉沒輥的使用主要存在以下幾個問題:
(1) 因受鋅液侵蝕在輥面形成的腐蝕點或金屬化合物以及粘附在輥面的鋅渣( 雜質及浮渣) 都會破
壞輥面的平潔度, 從而影響鍍鋅闆的表面質量;
(2) 帶鋼在鋅液附着的同時, 也受鋅液浸蝕, 形成大量 Fe- Zn 化合物熔入鋅液, 影響鋅液的純淨
度, 間接影響鍍鋅質量;
(3) 沉沒輥輥面、軸套在鋅液中高速轉動, 受鋅液浸蝕而加速磨損。
    由于這些原因, 沉沒輥裝置的使用壽命一般很短, 約 7~ 11 天。沉沒輥的頻繁更換或維修, 不僅降低了成品率、作業率, 而且勞動強度高, 給生産和操作帶來諸多不便。以每 7 天換輥一次, 去掉檢修日和換輥所用時間, 工作天數以 280天為計, 一個生産線每年要換輥 40 次, 嚴重制約了鍍鋅成材率的提高。
    如何提高沉沒輥抗熔融鋅腐蝕的性能, 是熔融鍍鋅生産線中的一項技術難題。如果能提高沉沒輥的壽命就能節約成本, 提高生産效率。為此, 就沉沒輥使用技術開展了大量的研究工作, 不斷改善表面質量, 提高使用壽命。

 

2. 目前國内外的解決辦法

 
    沉沒輥基體材料主要是不鏽鋼, 輥面的防腐蝕及延長壽命技術的發展主要是在表面改性技術方面拓展。

 

2. 1 各種表面改性技術的對比

   
    表面改性技術是在不改變基體材料的前提下,運用現代技術改變材料表面的成分、結構和性能的處理技術。目前所采用的耐熔鋅材料表面改性的方法主要包括下述幾種:
(1) 滲鍍法。通過熱擴散滲硼的方法, 工藝成熟, 且由于硼原子為小原子容易滲入, 耐熔鋅腐蝕效
果好。但是, 利用滲鍍的方法所獲得的滲層都很薄,難于長期抵抗鋅液的浸蝕, 其耐蝕壽命都很有限, 不能徹底解決鋅液的腐蝕問題。
( 2) 熱噴焊。熱噴焊方法可以解決熱噴塗層與基體結合力差, 塗層易剝落的缺陷。因為耐熔鋅腐
蝕性能好的材料一般焊接性能較差、脆性大, 難以噴焊成均勻平滑的塗層, 即使是形成噴焊層也會在冷卻過程中産生裂紋而喪失耐蝕性能。因此此種方法應用幾乎沒有。
( 3) 熱噴塗 。熱噴塗技術主要以等離子噴塗( 大氣等離子噴塗 APS、低壓等離子噴塗 LPPS、真
空等離子噴塗VPS) 、爆炸噴塗( Denotation Spraying) 、火焰噴塗( Flame Spraying) 為主; 熱噴塗是利用某種熱源将噴塗材料加熱到熔融或半熔融狀态, 同時借助于焰流或高速氣流将其霧化,并推動這些霧化後的粒子噴射到基體表面, 沉積成具有某種功能的塗層。目前用于耐熔鋅腐蝕塗層的材料主要有: WC/Co、3 %~ 9 % B + Mo、Cr + W + Mo 。由于這些材料構成的噴塗層本身具有較好的耐融鋅腐蝕性能, 因此用在無溫差變化的靜态工況條件下收到了較好的效果。熱噴塗方法也有其不足之處, 如塗層與基體間具有不同的膨脹系數, 使得結合力差, 易脫落。
   因此目前各鍍鋅線均使用熱噴塗技術處理沉沒輥表面。為降低塗層與基體間不同的膨脹系數差值, 日本已開始選擇新的沉沒輥基材, 采用馬氏體不鏽鋼( DCH- 23) 制作輥體, 既耐腐蝕又與噴塗面層材料的熱膨脹系數比較匹配。塗層采用雙塗層系統, 底層采用硬度較高的帶材堆焊, 以大幅度提高面層塗層的抗擠壓凹坑能力及耐剝蝕性; 面層采用超音速火焰噴塗金屬陶瓷塗層, 具有優異的耐融鋅腐蝕的能力和極好的耐磨性。這種新型的沉沒輥, 其使用壽命可比原用的沉沒輥提高 2~ 8 倍。

 

2. 1. 1 塗層金相分析

 
( 1) 粘結層金相分析。将熱噴塗塗層金相試樣至于光學顯微鏡及掃描電鏡下進行觀察, 見圖 3。
 
  經觀察發現: 粘結層非常緻密, 與基體界面處沒有明顯的裂隙, 而且在界面處沒有吹砂造成的界面孔隙, 通過對粘結層放大的照片觀察可以發現, 粘結層中的孔隙均非常細小, 且分布均勻, 主要位于變形顆粒之間的搭接處, 孔隙之間沒有連通, 并且沒有觀察到裂紋的存在。
   面層金相分析。通過觀察面層的金相和掃描電鏡照片後可以發現, 在面層與粘結層界面處以及面層内部結構都會造成質量影響: 面層内部孔隙均非常細小, 且在塗層内部均勻分布, 孔隙之間未發生連通( 見圖 4) , 主要存在于變形顆粒之間的搭接處; 位于變形顆粒之間或穿過破碎顆粒的内部, 在大的孔隙周圍有大量的微裂紋, 有些大的孔隙之間連接有大裂紋, 而有的裂紋已經延伸至面層與粘結層的界面處。大量的裂紋存在, 對塗層的耐磨性和耐鋅蝕性能有很大的影響, 容易加速塗層的失效。

2. 2 鋅蝕試驗

 
    将鋅液腐蝕試樣清理幹淨後, 使用電子天平進行稱重, 與鋅蝕試驗前的質量進行比較計算, 以鋅蝕試驗中質量的損失量比較耐蝕性, 計算結果見表 1。由結果可以得出, 采用超音速火焰噴塗制備塗層的試樣失重最少, 而沒有塗層的試樣失重最多, 由此可見在同樣工況環境下, 塗層可以提高沉沒輥的耐鋅蝕能力, 采用超音速火焰塗層的沉沒輥具有更好的耐鋅蝕性能。
 
 
         表 1 質量損失測量結果 g
 
       序号  316L  等離子塗層  超音速火焰塗層
         1   1710      710           510
         2   2110      910           310
         3   2310      1110          210    
        平均  20. 3    910           3. 3

 

2. 3 塗層耐磨性能比較

   
       圓柱狀Al 2 O 3 試樣經往複運動作用下, 塗層表面均留下了一條線狀的磨損痕迹。316L 的磨痕最為明顯, 等離子塗層次之, 超音速火焰塗層的磨痕最不明顯。從磨損痕迹的測量結果見表 2, 塗層可以很好的保護基體材料, 在磨損環境下延長沉沒輥的使用壽命。
 
          表 2 磨損測量(磨痕寬度) 結果 mm
 
        序号  316L  等離子塗層  超音速火焰塗層
         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 塗層粉末材料的選擇

   
      作為熱噴塗制備塗層的原材料, 粉末的選取對塗層制備工藝過程以及塗層的性能有很大的影響。
  在制備試樣過程中, 粉末的選取遵循以下原則:
( 1) 根據熱膨脹系數選取粉末, 使其盡可能與基體熱膨脹系數相近, 以免在塗層制備過程中以及使用過程中, 因熱膨脹系數差别過大而産生較大的收縮應力, 導緻塗層開裂甚至脫落。
( 2) 粘結層所用金屬粉末應具有良好的抗氧化能力, 這樣可以增強層間結合強度, 提高塗層的使用壽命。
( 3) 所選用各種粉末粒徑分布要求均勻, 且大小适用于噴塗工藝。
( 4) 粉末球化成形要好, 以保證在噴塗過粉末輸送穩定、流動性好, 且在等離子焰流中熔化較好。
    試驗中所選用的金屬粉末為 Stellite 公司生産的 Stellite6 合金粉末, 與原設計相符, 粉末形貌照片見圖5( a) 。該粉末用于制備沉沒輥表面塗層的粘結層。由日本公司生産的 MoB 粉末作為制備表面塗層面層的材料, 粉末形貌照片見圖 5( b) 。為了嚴格的控制粉末粒徑分布, 所有的粉末均經過标準篩的篩選。
  由掃描照片可以看出 2 種粉末粒度分布均勻,狀态良好, 适用于熱噴塗工藝。
 
 

3. 長壽命滑動軸承副的材料優化選配

   
       軸套在鍍鋅過程中同樣承受強烈的鋅液腐蝕和磨損, 因此本文在研究鍍鋅沉沒輥的同時也關注與其配合的軸套耐磨性能與耐鋅液腐蝕性能的研究。軸套的壽命主要取決于其材料的性能是否能長時間處于液鋅環境中而不發生失效。為了得到合适的軸套材料, 本文分别用 316L 鋼和陶瓷材料制備了軸套性能測試試樣, 分别對其進行耐蝕性和耐磨性的測試。

 

3. 1 軸套耐磨性能測試方法

   
     試驗裝置見圖 6, 試樣呈 120b放置, 與錐體構成摩擦副。試樣加工成 30 mm @ 15mm @ 10 mm 小塊。錐體錐角為 30b, 采用熱作模具鋼 H11 制作, 經淬火、回火後硬度為HV676。鋅塊取自現場鋅鍋中, 鋁含量為 0. 15 % 。鋅塊與摩擦副一起加熱至 460~480 e , 使摩擦副浸入鋅液中, 開動電機使錐體旋轉進行磨損試驗, 載荷為 196 N。試樣前端會磨出 30b斜面, 錐體也會磨損。為減少鋅液的氧化, 在其上鋪蓋一層石墨。試驗過程中, 觀察并記錄錐體的下降深度, 顯然此值反映了摩擦副整體的磨損量。試驗結束後傾倒出鋅液, 取出樣品。測量錐體下降的深度以表征軸套材料的耐磨性能, 結果見表 3。
 
         表 3 摩擦副錐體下降深度測量結果 mm
 
       序 号   錐體在316L軸套試樣下降深度  錐體在陶瓷軸套試樣下降深度
          1                2610                    1. 4
          2                25. 5                   0. 7
          3                27. 1                   1. 1
         平均              26. 2                   1. 1 
 

3. 2 不同材料軸套耐磨性能比較

   
    軸套與軸之間的摩擦是不可避免的, 也是造成軸和軸套失效的主要原因之一。因此在開發新型軸套的時候, 沉沒輥軸套在其特殊工況環境下的耐磨性是研究的重點。本文關注的是 316L 軸套和陶瓷軸套在鋅液中的耐磨性能, 更接近于實際工況的考核, 即在鋅液腐蝕環境下, 軸套材料的耐磨性能。就材料特性而言, 陶瓷材料的硬度要高于 316L, 加之耐腐蝕性能遠優于 316L, 其腐蝕環境下的耐磨性能遠優于 316L, 見圖 7( a) ( b) 所示。

3. 3 不同材料軸套耐鋅蝕性能比較

   
     将普通 316L 軸套和陶瓷軸套浸入熔融鋅液, 進行生産實驗, 均使用 7 天後将試樣取出。對兩種軸套試樣的金相試樣進行觀察, 發現316L 軸套已經發生了嚴重的腐蝕, 在試樣中存在有大量的金屬間化合物; 在陶瓷軸套試樣中, 試樣表面産生了一定的縱向裂紋, 但是裂紋長度較短, 在裂紋中存在有少量的殘留鋅, 其外形保持較好, 腐蝕程度較輕。在對鋅蝕試驗後的試樣進行稱重後發現, 陶瓷軸套試樣的質量變化遠小于 316L 軸套試樣, 也證明陶瓷軸套的耐腐蝕性能遠強于 316L 材料的軸套。

 

4. 後處理工藝對塗層耐蝕性能的影響

   
     盡管塗層工藝在一定程度上提高了沉沒輥的耐鋅蝕性能, 延長了沉沒輥的使用壽命, 但仍然不能滿足實際生産對于沉沒輥的要求。主要是由于塗層體系中存在有大量的孔隙與微裂紋, 這對于塗層的使用和壽命都是非常不利的, 進而影響到沉沒輥的使用壽命。由于組織缺陷的存在, 為強腐蝕性的鋅液提供了通道, 使之與沉沒輥接觸的面積增大, 并且通過缺陷很容易與基體材料直接接觸進行腐蝕。為了提高塗層的使用壽命, 減少鋅液滲入塗層内部的機會, 必須塗層進行後處理, 即塗層的封孔處理。
    實驗使用超音速火焰噴塗制備的沉沒輥塗層,一組進行封孔處理, 而另一組未進行封孔處理。将兩種試樣進行鋅蝕試驗後, 觀察其金相見圖 8( a)( b) 。
 
  對二者金相進行觀測後發現, 進行封孔處理的塗層試樣的腐蝕程度低于未進行封孔處理的試樣,進行封孔處理的試樣内部隻有很少的殘留鋅, 孔隙中沒有腐蝕後的産物。
 
   通過對這 7 塊鋼闆試樣的測試與分析得出以下結論:
(1) 表面裂紋大部分集中在鋼闆寬度方向的兩個1/ 4區域内, 裂紋宏觀表現形式為 2 種, 一種是裂紋在鋼闆表面沿縱向呈平行束分布; 另一種是裂紋在鋼闆表面呈交叉的網狀分布。
(2) 裂紋的長度一般在 0. 5~ 210 m 範圍内波動, 寬度均小于 1 mm, 深度為 0. 1~ 110 mm。
(3) 采用能譜儀對表面裂紋溝内進行測定發現,無論是縱向裂紋還是橫向裂紋, 其溝内均含有由Na、Mg、Al、Si、Cl、K、Ca 等元素組成的複合夾雜物相, 而在裂紋的内部未發現該複合夾雜物相, 其夾雜物是由氧化鐵組成。
(4) 結合煉鋼連鑄工藝分析認為, 該種表面缺陷産生于連鑄結晶器内, 在随後二冷區的強冷和加熱
爐的加熱過程中, 裂紋被進一步的擴展。

 

5. 結束語

 
( 1) 超音速火焰噴塗制備的塗層孔隙率低于等離子及其它方式制備的塗層; 超音速火焰噴塗制備
的塗層抗鋅蝕性能和耐磨性能均高于等離子制備的塗層, 但是二者耐蝕性和耐磨性均高于無塗層的
316L 材料; 噴塗層可有效延長沉沒輥的使用壽命。
( 2) 陶瓷軸套的耐鋅蝕性能和耐磨性能遠遠高于 316L 材料的軸套, 可有效延長沉沒輥在鋅液中的使用時間。
( 3) 噴塗後的封孔處理可以大大提高沉沒輥塗層的抗鋅蝕能力。
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