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带钢连续热镀锌工艺技术的发展现状

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-05-03  来源:中国电镀网  浏览次数:807   关注:加关注
核心提示:热镀纯锌(GI,galvanized)产品及其合金化(GA,galvannealed)产品具有优良的耐蚀
热镀纯锌(GI,galvanized)产品及其合金化(GA,galvannealed)产品具有优良的耐蚀性能,成本也相对较低,而且随着热镀锌技术的进步,其产品表面质量几乎可以与电镀锌产品相媲美,因而在汽车上得到了广泛地应用。目前,日系轿车基本上全部采用GA板做外板,欧美国家的汽车制造业也在不断地提高热镀锌钢板的使用量。汽车板,特别是汽车外板在需求量不断增加的同时,对热镀锌产品的表面质量和成型性等方面也提出了越来越高的要求,正是这种市场要求的不断提高大大地促进了带钢连续热镀锌工艺技术的进步。
带钢连续热镀锌工艺及其改进

1 热镀锌工艺

带钢连续热镀锌工艺有森吉米尔法、改良森吉米尔法和美钢联法3种。森吉米尔法和改良森吉米尔法工艺简单,产品成本低,但由于采用火焰直接加热,虽然能烧掉钢板表面的轧制油,但影响带钢表面质量,也不利于生产薄规格产品。美钢联法在退火炉前设置清洗段,采用电解脱脂,可将钢带表面油污完全除掉,另外,该工艺采用全辐射管还原炉加热带钢,因而镀锌层的表面质量较好。该工艺虽然相对复杂,热效率低,但它可以生产表面质量更好、厚度更薄的热镀锌钢板,而且可以降低炉内的H2含量,提高安全性,因而新建的热镀锌机组大部分采用美钢联法。

现代冷轧钢带连续热镀锌的典型工艺流程为:上料→开卷→夹送、矫直→焊接→清洗→入口活套→退火→镀锌→(合金化)→冷却→中间活套→平整→拉矫→后处理→出口活套→检查卷取。使用中间活套可以使平整机更换工作辊时机组工艺段能够正常运行,这样机组速度快,不仅能提高产量,而且工艺段恒定的机组速度有利于控制镀层厚度的均匀性。另外,生产表面粗糙度要求严格的镀锌产品时,需要经常更换平整机工作辊,也有必要使用中间活套。

近年来,热轧钢带连续热镀锌发展迅猛,日本已有多条热轧钢带连续热镀锌生产线,我国邯钢也建成一条类似生产线。热轧钢带连续热镀锌的典型工艺流程为:热轧酸洗来料→焊接→清洗→入口活套→退火→镀锌→平整→拉矫→钝化→出口活套→卷取。可以看出,针对热轧基板的特点和热轧带钢镀锌产品的用途,这种工艺在冷轧带钢热镀锌工艺基础上作了简化,这不仅节约了投资,而且大大降低了运营成本。其发展趋势是朝短流程、低能耗、高效益方向发展,另外在线酸洗也是1个发展的方向。德国StahlwerkeBremen厂在其热轧酸洗板热镀锌线上分别在热轧带钢焊接后和镀锌带钢平整后各设1个拉伸矫直系统,在焊机后设拉伸矫直系统是为了疏松氧化铁皮,提高酸洗效率;平整后的拉伸矫直系统能进一步改善最终产品的平坦度,而且通过调整拉矫延伸率可以在一定范围内调整热镀锌板的力学性能。

为了解决热轧带钢连续热镀锌过程中因原板中含Si而导致的漏镀点多、镀层附着性差和表面光滑度欠佳等问题,韩国浦项钢铁公司开发了一种称为无酸洗热轧钢带连续热镀锌的工艺,即热轧钢带不经过酸洗直接进入还原炉,并将还原炉温度提高到650~750℃,保温时间增长至120~400s,保护气体氢气含量提高至10%以上。在此条件下,热轧钢带由于氧化铁皮的膨胀而产生裂纹和孔隙,氢气可通过这些裂纹和孔隙进入,使氧化皮变成由纯Fe和FeO构成的多孔质层,在热浸镀锌时,这种多孔质层可促进锌和铝的扩散而形成质地较软的Fe-Al-Zn合金层,从而提高镀层的附着性,并消除漏镀点。

2 清洗工艺

清洗通常包括碱液刷洗和电解脱脂,它可清除冷轧钢板表面上的铁屑和油污等杂质,对生产高表面质量和镀层结合力要求高的镀锌产品至关重要。某厂新建热镀锌机组清洗段包括碱液浸洗、碱液刷洗、电解清洗、热水刷洗、热水漂洗、清洗挤干和清洗干燥,可以把带钢表面的残油和残碳总量控制在20mg/m2(单面)以下,达到热镀锌汽车外板对清洗质量的要求,另外采用带SiO2磨粒刷辊,清洗时对带钢表面进行研磨,可提高GA产品镀层的附着力。也有人提出将来清洗段的发展方向应该是开发利用其它领域广泛使用的超声波清洗或高压清洗。为了进一步保证带钢表面清洁,韩国浦项钢铁公司4号热镀锌机组采用了双清洗系统,除了正常的入口活套前预清洗以外,钢带出入口活套后,再进行电解清洗。清洗段通常布置在入口活套前,也可以放在入口活套后,以实现恒速清洗。

3 退火工艺

带钢连续热镀锌采用在线连续退火。退火工艺是双相钢等高强钢热镀锌产品生产的关键,对Mn、Si等元素在钢板表面的富集有很大影响,进而会影响到高强钢的可镀性及其表面质量。镀锌钢板的退火过程通常包括预热、加热、均热和冷却过程。利用加热废气预热带钢不仅能够节约燃料,而且可以避免因带钢升温速度太快而引起带钢变形,对薄规格产品的板形非常有利。一些机组的冷却过程采用先缓冷后快冷的分段冷却方式,既可以避免冷却速度过快造成板形不良,又可以满足双相钢等高强钢的冷却速度要求。有些厂家在冷却段之后还设置了均衡段,目的是在镀锌与冷却段之间提供一个缓冲区域,从而使带钢具有更佳的板形和更均匀的温度进入锌锅镀锌,提高镀锌质量。
另外,退火炉炉辊辊型设计、炉内退火气氛和露点控制、炉内张力控制和退火炉炉辊表面喷涂也是热镀锌退火工艺研究的重点,薄带钢的板形和高强钢的通板稳定性也需要深入研究。

4 合金化工艺

合金化是指把热浸镀得到的纯锌镀层立即在450~550℃下进行镀层扩散退火,获得铁含量在7%~15%之间的锌铁合金镀层的过程。影响合金化的因素主要有锌液有效铝含量、锌锅温度、带钢入锌锅温度、合金化温度、带钢速度、基板化学成分及镀层厚度等。高品质合金化产品的镀层往往希望钢板和镀层之间不含齿状Г相(F3Zn10),镀层表面不含大量柱状ζ相(FeZn13)。这需要选择合适的合金化镀层退火工艺,对加热速率、均热时间和冷却速率进行严格控制。

我国合金化技术相对较弱,镀层在冲压时易出现粉化或剥落缺陷,迫切需要对合金化技术进行系统地研究,尤其是对镀层的相结构及其影响进行研究。

5 平整工艺

为消除带钢的屈服平台,获得良好的带钢平直度和合适的带钢表面粗糙度,要对热镀锌板进行平整。平整工艺参数主要包括轧制力、弯辊力、平整入口张力和平整出口张力。在改善板形和提高带钢表面质量方面四辊平整机明显优于二辊平整机。目前,日本已开发出工作辊可换成不同辊径的四辊平整机,可更好地控制不同规格和钢种热镀锌产品的板形和表面粗糙度。

镀锌板表面粗糙度控制是高品质镀锌产品生产的关键技术之一,目前主要是对平整辊辊面毛化方式及其参数和平整工艺参数等进行研究,另外平整机工作辊辊径大小以及辊面粗糙度等也对产品表面粗糙度有影响。其中,在辊面毛化方面,喷丸毛化和电火花毛化应用最广,激光毛化由于周期长、成本高,很少用,而镀铬毛化和电子束毛化近年来研究较多,发展较快,但还未普及。另外,平整辊粘锌问题一直是困扰高表面质量镀锌产品生产的难题,需要对平整机设备进行必要的改进,也可在平整脱盐水中添加清洗剂。

6 后处理工艺

后处理包括钝化、预磷化和涂油。通过钝化处理,可以改善镀锌层的表面结构和光泽,提高镀锌层的耐蚀性能及使用寿命,并能改善涂层与基体金属的结合力。目前钝化处理主要采用铬酸盐钝化。在钝化液中添加一些活化剂,如氟化物、磷酸或硫酸等,使得钝化后得到较厚的铬酸盐膜。当钝化液中有氟化物时可降低钢带表面张力,加速成膜反应,并能增加化学抛光作用,使钝化膜细致光亮。对建筑用热镀锌钢板,日本NKK公司开发了具有极佳耐蚀性和耐黑锈性的特殊铬酸盐钝化涂层。多年来,学者们对无毒或低毒的无机缓蚀剂作为钝化剂进行了大量的研究。钼酸盐是其中的一种,其毒性低于铬酸盐,但钝化后的耐蚀性只与低Cr钝化相当。在无毒的水溶性丙烯酸树脂(简称AC)中加入少量的钼酸盐、磷酸盐(简称M)得到一种钝化液(简称ACM),代替有毒的铬酸盐进行钝化处理,结果表明,热浸镀锌层采用该无毒钝化液进行钝化,可以推迟镀锌层出现白锈的时间,其抗蚀性已接近铬酸盐钝化水平。尽管文献报道了各种不同的无铬钝化工艺,但目前还没有一种无铬钝化工艺能够完全代替铬酸盐钝化工艺。有的无铬钝化工艺在某些方面已经与铬酸盐钝化法相当,但其市场前景、应用范围及用户环保效果还需进一步研究。但无铬钝化取代铬酸盐钝化已是大势所趋。

目前,具有预磷化处理能力的热镀锌机组较少。而家电外板采用经过磷化处理的热镀锌钢板代替传统的电镀锌钢板既可以延长产品寿命,又降低材料成本,因此可以预见,机组在线预磷化还是非常具有发展潜力的。我国在线预磷化热镀锌产品处理技术尚需深入研究。另外,为提高热镀锌产品冲压零件的成型性能,除对防锈油,包括固态、半固态防锈油进行研究外,热镀锌产品无机润滑膜和有机润滑膜也是研究热点之一。

锌锅技术

1 锌渣研究

锌渣是铁锌铝的金属间化合物,粘附到镀层表面就形成锌渣缺陷,它是热镀锌产品的主要缺陷之一。

锌锅中锌渣分为面渣、底渣和悬浮渣,可通过锌锅铝含量、铁含量控制,锌锅温度稳定控制以及锌锅温度场、浓度场的稳定控制来减少锌渣缺陷。同时生产高表面质量纯锌和合金化热镀锌产品的新建热镀锌机组通常采用双锌锅系统,分别生产纯锌产品和合金化热镀锌产品,以减少采用单个锌锅系统在进行产品切换时产生的大量锌渣缺陷,提高产品表面质量,同时也有利于锌锅温度和铝含量的稳定控制。我国在锌渣的生成量控制方面较为薄弱,应对锌渣的生成机理及其控制进行深入研究。

2 锌锅流场的研究

锌锅内锌液的流动规律会直接影响锌渣、锌灰嵌入镀层的行为,从而影响最终产品的表面质量。一般采用实体或数值模拟方法来模拟锌锅内锌液的流动,实体模拟主要是用水进行模拟。SJLee等利用带有感应加热器、刮刀和折流板的1:5透明水模拟器模拟锌锅流场,研究了锌液的流动特性和沉没辊对流场的影响。但水模拟只能观察到模拟器内水流动的二维流场,有其不足之处,而采用数值模拟的方法,可得到任何截面的速度场,有助于理解不同区域的锌液流动。国内应加强对锌锅流场的研究,改进锌锅的加热方式和锌锭的加入位置。

3 锌液成分及其对镀层的影响

锌液成分对镀层的影响主要指铝含量和铁含量的影响,其直接影响镀层的附着力和锌渣的生成量,需精确控制。热镀纯锌时,在锌液中加入0.005%~0.020%的Al,可显著提高热镀锌层的光亮性,减少锌液表面氧化。而当锌液中加入超过0.15%的Al时,可抑制Fe-Zn合金相的形成并获得厚度适宜、粘附性良好的镀层。在带钢连续热镀锌时,锌锅中铝含量通常控制在0.10%~0.20%。生产合金化热镀锌产品时可以适当降低铝含量,以减少镀锌和合金化时间,提高机组速度,降低成本。但锌锅铝含量的稳定控制一直是生产中的难点,需对锌锅内有效铝含量的在线检测及控制、锌锅物流平衡进行深入的研究。

4 锌锅设备研究

锌锅设备主要包括沉没辊、稳定辊及其附属设备。现有的先进热镀锌生产线多采用熔沟式陶瓷锌锅,内置1个沉没辊和2个稳定辊(或称矫正辊)。为了保证带钢稳定运行和提高镀锌产品表面质量,有必要对沉没辊辊面流锌槽的形状和间距等进行研究。另外,沉没辊及其轴承寿命短一直是热镀锌生产的难题,应从沉没辊辊面喷涂和封孔剂等方面进行研究。针对沉没辊和稳定辊辊印缺陷,锌锅刮刀技术也发展得较为成熟。另外,无芯锌锅和预熔锌锅也已发展得较为成熟。

无沉没辊锌锅也是目前研究的热点。根据电磁移动场形成磁流体动力学封闭(MHD)的原理而设计出垂直型锌锅,可使钢带直接从锌锅内的锌液中穿过,不会造成磨损,锌锅内也无任何易腐蚀部件,而且可以实现高速镀锌,节约能源。但要实现商业应用,还需要对封流稳定和走带稳定等问题进行深入研究。

高强钢热镀锌技术

高强钢的可镀性一直是研究的重点。高强钢往往含有较多的Si、Mn等元素,这些元素易在基板表面富集,使得热镀锌时出现多种表面缺陷。日本通过化学成分的调整,特别是Mo元素的添加,实现了双相钢合金化热镀锌的商业生产。低Si含量双相钢已在传统热镀锌生产线上进行商业生产,例如:DP600:0.07%~0.10%C,1.0%~1.8%Mn,0.4%Si,0.6%~1.2%(Cr+Mo),<0.01%S,<0.06%P,0.02%~0.06%Al,<0.03%(Ti+Nb),其屈服强度和抗拉强度分别达到了320MPa和630MPa,总延伸率为26%,n值为0.18。高Si含量的高强钢依然是目前研究的主要方向之一,这需要对退火炉炉内气氛和炉内露点控制进行研究,对基板进行预处理也可解决Si等元素的表面富集问题。在合金化热镀锌双相钢的基础上,日本川崎钢铁公司开发了点焊性良好的590~980MPa级低碳当量型合金化热镀锌钢板。最近日本JFE钢铁公司又成功开发出了更高强度级别合金化热镀锌双相钢。

TRIP钢(即相变诱发塑性钢)具有优良的成型性、强度和耐冲击性,是汽车减重、节能的理想用钢。但传统的高Si含量TRIP钢不适合在现有的热镀锌生产线上生产,这同样是由于Si的富集易导致镀层出现漏镀缺陷。虽然通过控制退火炉内的露点能够改变带钢表面化学成分,从而改善镀层质量,但是并不能完全消除漏镀区域。另外,其等温转变温度由于受到锌锅温度的限制而太高,从而无法得到足量的残余奥氏体。研究发现用Al替代Si所得到的TRIP钢可以和传统CMnSi型TRIP钢性能相当,而且它适合于现有的热镀工艺,具有很好的可镀性。但由于Al元素的添加,给炼钢和热轧工艺带来了许多问题,如何解决这些问题是TRIP钢热镀锌研究的重点之一。XVandenEynde等人提出了将含Si型TRIP钢先预加热形成均匀的氧化层,然后进行自还原的新工艺,在实验室研究中发现这种工艺生产的热镀锌TRIP钢具有很好的可镀性。

镀层耐蚀性和表面质量研究

耐蚀性能好是热镀锌产品的最大优点,但人们对热镀锌产品的耐蚀性能要求越来越高。目前提高热镀锌镀层耐蚀性能的常用方法有:(1)增加镀层厚度。(2)合金化,以获得锌铁合金镀层,这种镀层的耐蚀性明显比纯锌镀层强,7μm厚的合金化镀层相当于10μm厚的纯锌镀层。(3)改善锌液成分,除了20世纪70~80年代开发并已商业化的Zn-5%Al合金镀层(Galfan)外,人们还开发出了耐蚀性高的锌合金镀层和特殊性能的镀锌层,如55%Al-43.5%Zn-1.5%Si合金镀层(Galvalume)、Zn-6%Al-3%Mg合金镀层、Zn-Ni合金镀层和锌镁合金镀层等。通过改善锌液配方,已开发出耐蚀性比传统镀层高18倍的高耐蚀镀层,并已投入工业化生产。(4)采用两步热镀法,第1次镀纯锌,第2次镀Zn-6Al-0.5Mg-0.1Si合金,可进一步提高耐蚀性。其中合金化,也叫镀层扩散退火处理,发展较早。经过合金化处理的镀层,不仅耐蚀性能增加,而且焊接性能和涂装性能也得到了很大的提高,因而大量应用于汽车、家电等领域。而Galvalume产品近年发展很快,其镀层耐蚀性能更高,表面美观,主要应用于建筑方面。另外,对锌液成分的改善,及对稀土等微量元素的添加所产生的影响依然是目前研究的一个重要方向。

钢板表面质量应包含表面缺陷状态、清洁度及表面形貌3个部分,是衡量板带质量水平的重要方面,它的优劣直接影响到汽车外板的涂装质量和鲜映性。近年来,热镀锌汽车外板对钢板表面质量的要求不断提高,同时对镀层的涂装性和涂装后的鲜映性等也提出了更高的要求,从而对热镀产品表面粗糙度的要求也越来越苛刻。镀层表面质量除与镀层表面各种缺陷相关外,也与气刀及其喷吹的介质密切相关。在气刀技术方面,我国基本上全靠引进,目前应在气刀刀口形状、喷吹介质对表面质量的影响和镀层边部增厚问题的解决以及克服带钢振动的影响等方面进行研究,形成自己的技术。


近年来,带钢连续热镀锌工艺技术取得了很大的进步,特别是锌锅技术、合金化技术、平整技术和在线测量及控制技术发展得较快,但同时也有许多地方有待进一步深入研究。我国带钢连续热镀锌技术整体上还比较落后,需要加强研究,特别要重点研究合金化工艺、锌渣控制、高强钢的可镀性和镀层表面质量的提高,从而逐步提高国内热镀锌板的市场竞争力。
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关键词: 发展现状 热镀锌
 
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