熱鍍鋅板表面白色線狀缺陷的分析與控制

宋乙峰，朱陽林，王平，岳重祥，李化龍

（1.江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625；2.江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司總工辦，江蘇 張家港 215625）

熱鍍鋅板具有優(yōu)良的耐蝕性和裝飾性，被廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、建筑、家電、汽車等領(lǐng)域。近年來，研究者們對(duì)鋅層表面缺陷(如漏鍍、點(diǎn)狀和線狀缺陷、色差等)開展了大量研究，揭示了許多缺陷的形成原因，并給出了預(yù)防措施[1-4]。然而，由于熱鍍鋅板生產(chǎn)流程長(zhǎng)、各產(chǎn)線的工藝和設(shè)備差異較大，表面缺陷仍難以避免，這就需要鋼廠對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種缺陷進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分類總結(jié)，不斷補(bǔ)充和完善控制措施，提高熱鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量控制水平。

本文針對(duì)某鋼廠熱鍍鋅板的白色線狀缺陷，根據(jù)宏觀特征對(duì)缺陷進(jìn)行分類，采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分析了缺陷部位鋅層的微觀形貌和元素組成，探討了缺陷的形成原因，提出了相應(yīng)的控制措施。

1 熱鍍鋅工藝和性能表征方法

試驗(yàn)材料為某冷軋廠生產(chǎn)的熱鍍鋅板 DX51D+Z，基板的化學(xué)成分為：C 0.010%～0.025%，Mn 0.20%～0.30%，Si≤0.03%，P≤0.02%，S≤0.012，Al 0.01%～0.05%，F(xiàn)e余量。

熱鍍鋅生產(chǎn)的工藝流程為：開卷→脫脂清洗→連續(xù)退火→鍍鋅→平整→拉矯→鈍化→烘干→冷卻→卷取。

在熱鍍鋅機(jī)組出口的表面檢查室觀察表面缺陷情況，取帶有白色線狀缺陷的熱鍍鋅鋼板，采用含3.5 g/L六次甲基四胺和500 mL/L濃鹽酸的溶液進(jìn)行脫鋅處理，觀察脫鋅前后缺陷的宏觀形貌。在鍍鋅板缺陷試樣及脫鋅處理后的試樣上截取20 mm × 20 mm的小塊試樣，用丙酮擦拭干凈并超聲波清洗后采用蔡司Axio Imager Z1m光學(xué)顯微鏡和蔡司EVO18掃描電鏡觀察鋅層的表面形貌，采用牛津X-MAX能譜儀分析試樣表面微區(qū)的化學(xué)成分。

2 白線缺陷的特征

2.1 宏觀特征

如圖1所示，熱鍍鋅板表面的白線缺陷可分為3類，缺陷的長(zhǎng)度方向均與帶鋼軋制方向一致，其宏觀特征如下。

(1) I類缺陷：集中出現(xiàn)在某個(gè)批次，呈筆直的細(xì)線狀，邊界較模糊，發(fā)白不明顯，正視觀察不可見，需側(cè)視觀察。缺陷寬度約2 mm，長(zhǎng)度一般小于200 mm，脫鋅后基板有黑色的線狀缺陷。

(2) II類缺陷：呈片區(qū)隨機(jī)分布，上表面的發(fā)生率高于下表面，通常為斷續(xù)的條紋狀，邊界較模糊，發(fā)白不明顯，正視也不可見，需側(cè)視。缺陷寬度1～10 mm，長(zhǎng)度50～200 mm，脫鋅后基板有發(fā)亮的線狀缺陷。

(3) III類缺陷：集中出現(xiàn)在上表面操作側(cè)的100～500 mm范圍內(nèi)，在同一鋼卷的頭、中、尾均有出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)整卷鋼帶(質(zhì)量約20 t)出現(xiàn)上百條，大部分呈筆直的粗線狀，少數(shù)偏離軋制方向而呈彎曲狀，邊界清晰，發(fā)白明顯，正視可見。缺陷寬度5～10 mm，長(zhǎng)度一般大于200 mm，單條缺陷兩頭細(xì)中間粗，部分缺陷的頭尾區(qū)域可見一個(gè)或多個(gè)黑色顆粒物，脫鋅后基板無明顯缺陷。

圖1 3種類型白線缺陷的宏觀形貌Figure 1 Appearance of three types of white line defects

2.2 表面鋅層特征

由于經(jīng)過平整處理獲得了一定的粗糙度，因此鋅層表面在微觀上呈現(xiàn)凹凸?fàn)?見圖 2)。缺陷部位的鋅層晶粒細(xì)小，單個(gè)凸起處可見數(shù)個(gè)完整的鋅晶粒，晶粒尺寸為20～80 μm，晶界明顯。正常部位的鋅晶粒則較大，沒有在單個(gè)凸起處發(fā)現(xiàn)完整的鋅晶粒，說明晶粒的尺寸大于單個(gè)凸起的尺寸，通過測(cè)量不連續(xù)的晶界而得到的晶粒尺寸為150～300 μm。

2.3 缺陷部位基體的微觀形貌和成分

由圖3可以看出，I類缺陷區(qū)域存在一條表面附有大量異物顆粒的帶狀區(qū)域，寬度約0.8 mm。在高倍下觀察發(fā)現(xiàn)，帶狀區(qū)域內(nèi)嵌入基體的異物近似于球狀，顆粒尺寸為1～10 μm。能譜分析結(jié)果(見表1)表明，異物顆粒的主要成分為Al和O，F(xiàn)e為基體元素。由此可推斷，I類缺陷可能是基體表面Al2O3夾雜所致。

由圖4可以看出，缺陷表面存在大量縱向的犁溝狀劃痕，單條劃痕寬度為1～10 μm，長(zhǎng)短不一，密集的細(xì)微劃痕集中形成發(fā)亮的帶狀區(qū)域，缺陷區(qū)域的寬度為500～2 000 μm。能譜分析中未發(fā)現(xiàn)劃痕區(qū)域存在異物成分，說明II類缺陷可能是鋼板表面密集的細(xì)微劃痕所致。

圖2 缺陷部位與正常部位的表面鋅層形貌Figure 2 Morphologies of zinc coatings on the surfaces of normal and abnormal areas

圖3 I類缺陷脫鋅后的SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM images of Type-I defect area after removal of zinc coating

表1 I類缺陷位置的能譜分析結(jié)果Table 1 Result of energy-dispersive spectroscopic analysis for the Type-I defect area

圖4 II類缺陷脫鋅后的SEM照片F(xiàn)igure 4 SEM images of Type-II defect after removal of zinc coating

從圖5可知，III類缺陷的鋅層表面存在異物顆粒，對(duì)其進(jìn)行面掃描分析可知，表面異物顆粒的主要成分為Zn、Fe、O，可推測(cè)其主要由鋅灰ZnO和鋅渣(FeZn7)組成。脫鋅處理后，鋅灰、鋅渣被酸液腐蝕除去，因此在III類缺陷脫鋅后的基板表面未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。

圖5 III類缺陷表面顆粒物的背散射電子像和元素面分布圖Figure 5 Backscattered electron image and element mapping of particles at the surface of Type-III defect

3 缺陷形成的原因分析

根據(jù)肉眼可見的鋅花(即鋅晶粒)尺寸，可將熱鍍鋅板分為大鋅花(大于3 mm)、小鋅花(1～2 mm)和無鋅花(小于1 mm)[5]。鋅晶粒尺寸不同會(huì)造成鍍層對(duì)光反射的差異，使鍍鋅板呈現(xiàn)不同的外觀。目前大部分熱鍍鋅產(chǎn)線生產(chǎn)的都是無鋅花產(chǎn)品，鋅晶粒尺寸一般為0.1～0.6 mm。由2.2節(jié)的分析結(jié)果可以看出，缺陷部位的鋅晶粒尺寸都小于正常區(qū)域，可見局部鋅晶粒尺寸差異是造成宏觀上白色線狀缺陷的直接原因。

根據(jù)金屬凝固理論，過冷度增大、變質(zhì)處理和振動(dòng)促進(jìn)形核都能起到細(xì)化晶粒的作用[6]。對(duì)于熱鍍鋅板，影響凝固結(jié)晶的因素包括基板表面狀態(tài)、鋅鍋溫度、冷卻速率等，在實(shí)際生產(chǎn)中，基板表面狀態(tài)最容易出現(xiàn)異常。結(jié)合前述分析結(jié)果，得出3類缺陷的形成原因如下。

I類缺陷：鋼中夾雜物主要來源于煉鋼工序，本研究中鋼的冶煉是采用鋁脫氧，冶煉合金化、脫氧、精煉等工藝異常都容易導(dǎo)致Al2O3夾雜物聚集并殘留于鑄坯[7]，在后續(xù)軋制過程中，聚集在淺表層的Al2O3夾雜物沿軋向分散，形成了鍍鋅基板表面的氧化鋁夾雜帶，其中的 Al2O3顆?？沙洚?dāng)異質(zhì)形核點(diǎn)，加快鋅液凝固，在夾雜帶區(qū)域形成了鋅晶粒細(xì)小的鍍鋅層，于是造成了白線缺陷。

II類缺陷：基板劃痕主要來源于冷軋過程中軋輥對(duì)鋼板的損傷。有研究表明，帶鋼局部表面潤滑不良容易導(dǎo)致軋輥與帶鋼潤滑狀態(tài)由邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楦赡Σ?，造成粘著磨損[8]，形成犁溝狀劃痕(見圖4)。與正常區(qū)域相比，基板表面細(xì)微劃痕區(qū)域粗糙，鋅液凝固結(jié)晶的表面能減小，過冷度增大，造成該區(qū)域鋅晶粒細(xì)小，形成了白線缺陷。

III類缺陷：帶鋼表面的鋅灰和鋅渣主要來源于爐鼻子內(nèi)壁堆積的鋅灰和溢流槽中未排除干凈的鋅渣。鋅灰和鋅渣顆粒作為異質(zhì)形核點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致鋅晶粒細(xì)小，帶鋼出鋅鍋后經(jīng)過氣刀吹掃，部分鋅灰和鋅渣顆粒隨鋅液流動(dòng)，這種拖曳作用也會(huì)促進(jìn)形核，造成晶粒細(xì)小，形成了白線缺陷，同時(shí)導(dǎo)致了缺陷呈兩頭細(xì)、中間粗和彎曲的特征。

4 缺陷控制措施

3類白線缺陷分別來源于煉鋼、冷軋和鍍鋅工序。為減少白線缺陷的發(fā)生，需要分別采取以下控制措施。

(1) 煉鋼工序：優(yōu)化精煉工藝，提高鋼水的潔凈度，通過降低終點(diǎn)氧含量至 0.05%以下，延長(zhǎng)循環(huán)處理時(shí)間至10 min以上，減小鋼液中Al2O3的夾雜數(shù)量和尺寸。

(2) 冷軋工序：通過提高乳化液濃度，優(yōu)化噴嘴的噴射角度，及時(shí)更換堵塞了的噴嘴，保證軋制過程潤滑良好，避免表面細(xì)微劃痕的產(chǎn)生。

(3) 鍍鋅工序：首先要嚴(yán)格控制鋅灰和鋅渣的產(chǎn)生，主要措施包括控制鋅鍋鋁含量在0.18%～0.22%范圍內(nèi)，適當(dāng)提高爐鼻子加濕露點(diǎn)，抑制鋅蒸發(fā)[9]；其次，及時(shí)清除鋅灰和鋅渣，主要措施包括及時(shí)清理爐鼻子，制定標(biāo)準(zhǔn)化拔渣和撈渣操作規(guī)范[10]，控制爐鼻子內(nèi)外的鋅液位差以保證鋅渣從溢流槽內(nèi)排出。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，采取上述控制措施后，II類缺陷完全消除，I、III類缺陷發(fā)生率明顯降低，因白條缺陷造成的產(chǎn)品不合格率由2.3%降低至0.5%以下。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)缺陷宏觀形貌特征將熱鍍鋅板表面的白色線狀缺陷分為I、II、III類，這3種缺陷表面鋅層的晶粒尺寸都明顯小于正常試樣，局部鋅晶粒尺寸差異造成了視覺上的白線缺陷。

(2) I類缺陷來源于基板氧化鋁夾雜，II類缺陷來源于鍍前鋼板表面密集的細(xì)微劃痕，III類缺陷來源于帶鋼表面粘附的鋅灰和鋅渣。

(3) 針對(duì) 3類缺陷的控制措施有：優(yōu)化精煉工藝，提高鋼水的潔凈度；提高乳化液濃度，優(yōu)化噴嘴角度，清理堵塞的噴嘴，從而改善軋制潤滑狀態(tài)；控制鋅灰和鋅渣的產(chǎn)生并及時(shí)清除。