鋁合金鑄軋卷腐蝕產生的原因及其控制措施

張能發(fā) 梁魯清 田振宏

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

0 前言

青海某鋁電公司位于青藏高原地區(qū)，多年來一直用電解鋁液生產鋁及鋁合金鑄軋卷。其產品主要為1、3、8系鋁合金鑄軋卷，大部分銷往國內南方地區(qū)，產品質量深受用戶好評。然而，由于南北氣候差異較大，近年來生產的鑄軋卷發(fā)往下游用戶使用時出現較多的板面腐蝕缺陷。鑄軋卷表面腐蝕影響冷軋產品的成型性能，因此，用戶不再使用，按報廢處理，并要求賠償，給企業(yè)造成較大的經濟損失，同時也影響到公司的形象。經統(tǒng)計，2016年鑄軋卷腐蝕產生的質量異議943 t，占總質量異議的81%，直接經濟損失144萬元；2017年鑄軋卷腐蝕產生的質量異議1 126 t，占總質量異議的79.8%，直接經濟損失172萬元。為減少經濟損失，有效地控制鑄軋卷腐蝕質量異議量，重點對鑄軋卷的生產、冷卻、包裝、運輸等影響環(huán)節(jié)進行分析，并采取相應的控制措施，取得了明顯的成效。

1 鋁鑄軋卷腐蝕產生機理

金屬腐蝕是金屬與周圍介質發(fā)生化學或電化反應而引起的金屬表面破壞或變質的現象。鋁是一種比較活潑的金屬，在潮濕的空氣里，鋁合金鑄軋卷表面以及端面層與層之間縫隙滲入和吸附一層薄薄的水膜，這層水膜里含有少量的氫離子與氫氧根離子，還溶解了氧氣，形成電解質溶液。在電解質溶液的作用下，鋁和微量的碳發(fā)生電化學反應。當水膜厚度小于1 μm時，腐蝕速度最快、腐蝕程度最大，其機理為大氣中的氧氣發(fā)生陰極還原反應式(1)，鋁表面則發(fā)生陽極反應式(2)：

O2+2H2O+4e→4[0H]-

(1)

Al-3e→Al3+

(2)

當鋁鑄軋卷表面和縫隙內氧氣耗盡時，氧的還原反應終止，而金屬鋁仍繼續(xù)溶解，腐蝕進一步加深，當鋁基體鈍化后，腐蝕才逐步減弱[1]。

1.1 鑄軋卷常溫下的腐蝕

鋁鑄軋卷在常溫下的腐蝕是一個電化學反應腐蝕過程，主要是金屬鋁與大氣中的氧和水的常規(guī)反應。正常冷卻后的鑄軋卷在常溫下由于南北地域不同，所產生的腐蝕程度也不一樣。南方濕度大、氧氣足，相對北方對鋁卷的腐蝕就大些。

1.2 鑄軋卷非常溫下的腐蝕

非常溫下的鋁鑄軋卷腐蝕通常是指生產出的高溫鑄軋卷在南北不同地域因環(huán)境(主要是大氣溫度、相對濕度)引起的“發(fā)汗”腐蝕現象，即溫差產生的冷凝水對鋁金屬的腐蝕。冷凝水的產生原因與鑄軋卷表面溫度、大氣溫度和相對濕度等因素相關，冷凝現象是由露點來決定的。露點是指空氣中的水蒸汽在某一特定溫度及相對濕度條件下析出水蒸汽并凝結成水珠的溫度，它隨著溫度和相對濕度的變化而變化。當溫度降至露點以下時，空氣中的水蒸汽就會析出，因此，鑄軋卷的溫度若低于露點，與其接觸的空氣冷卻產生冷凝，冷凝水通過表面滲入卷層，形成氧化腐蝕[2]。

2 鋁鑄軋卷腐蝕產生的影響因素

2.1 熱噴涂方式對鑄軋卷腐蝕的影響

在鑄軋生產過程中，為了防止高溫金屬鋁與輥面粘連而影響鑄軋卷表面質量，常常使用乙炔與天然氣按一定比例混合進行燃燒，將燃燒產生的煙黑噴涂于鑄軋輥表面，在其表面上產生一定厚度的碳黑，從而起到潤滑防粘作用。高明華[1]的研究表明，鑄軋卷表面腐蝕(圖1)出現在有碳黑沉積的地方，且碳黑沉積越多的部位腐蝕現象越嚴重，這是由于沉積在板坯上的碳黑具有毛細管凝聚作用，在該處容易結露，而且易導致氧的濃差電池腐蝕，同時由于碳黑是活性物質，它溶入水膜或濕氣膜中，能提高液膜的電導率，所以加速腐蝕。在實際鑄軋生產中，鑄軋機兩輥上下同步異向旋轉，熱噴涂左右往復運行，如果噴涂運行速度調節(jié)不當，特別是在噴涂器往復運行至鑄軋板兩端邊部時會有暫時停滯，造成鑄軋板兩側噴涂過量沉積較厚，導致大多數腐蝕出現在鑄軋板卷的兩側，如圖2所示。

圖1 鑄軋卷的表面腐蝕

圖2 鑄軋板兩側表面腐蝕

2.2 冷卻時間對鑄軋卷腐蝕的影響

鑄軋生產公司往往每批次有200～300 t的鑄軋卷合同任務，在同一條生產線上生產，批量完成后全部發(fā)運至用戶，用戶反饋有部分鑄軋卷拆開包裝有冷凝水，鑄軋卷出現腐蝕，經統(tǒng)計分析，產生腐蝕的鑄軋卷均為最后生產的。每批次生產需要10～12天完成，前面生產的鑄軋卷有7～8天時間冷卻，冷卻時間長；而最后生產的鑄軋卷只有2～3天時間冷卻，冷卻時間短，卷芯部溫度高。鑄軋卷從生產線上卸下，吊放在成品托架上，表面溫度在120 ℃左右，冷卻時向大氣散熱，有些鑄軋卷放置在窗門周圍通風良好，散熱快冷卻溫度平衡；卷重體積大，剛卸熱卷內部儲熱溫度高，與周圍環(huán)境(特別在冬季)形成較大的溫差，卷芯、表面溫度冷卻與周圍氣氛不能達到平衡。當鑄軋卷芯溫度太高時進行包裝，殘留的熱空氣留在包裝卷內發(fā)生冷凝，就會在鑄軋卷面產生大量的冷凝水，從而形成水腐蝕斑。

從以上分析看出，鑄軋卷冷卻時間是否滿足包裝的條件十分重要，也是影響鑄軋卷產生腐蝕缺陷的因素之一。而影響鑄軋卷冷卻時間的因素與季節(jié)、氣候條件、鑄軋卷重量、規(guī)格大小及冷卻方式等方面有關。因此，要在有限的時間內使鑄軋卷滿足包裝條件，防止卷內出現冷凝水產生腐蝕缺陷，需要充分考慮影響鑄軋卷冷卻的因素。

2.3 包裝方式對鑄軋卷腐蝕的影響

公司以往采用裸卷和精裝兩種包裝方式，裸卷用于本地區(qū)短途運輸，如圖3所示；精包裝則用于長途運輸發(fā)貨，如圖4所示。裸卷由于運輸距離短，以汽車運輸為主，為控制包裝成本，鑄軋卷未進行包裝，若遇雨天，可用篷布對鑄軋卷進行覆蓋，使其免于雨淋，因此鑄軋卷未出現腐蝕。而對鑄軋卷進行精包裝時，在鑄軋卷卷內放置6袋干燥劑，套一層彩條布，放置在包裝機上帶張力纏繞3層塑料薄膜。由于精包裝時鑄軋卷為全密封，青藏高原環(huán)境溫度低，涼卷精裝時不會出現冷凝水；而南方溫度高，采用精包裝時，卷里、外不通氣，溫差不平衡，打開包裝卷內存有大量凝結水，干燥劑已被水泡，故出現批量性腐蝕卷。

綜上所述，鑄軋卷包裝方式單一，方法簡單，使用包裝機纏繞塑料全密封精裝不能避免或減少出現腐蝕，而且包裝成本高，包裝效率低，運輸過程中塑料薄膜破損，容易導致雨水滲入，產生水腐蝕，也是影響鑄軋卷腐蝕量增加的原因之一。因此，應根據包裝成本、運輸距離及氣候條件選擇合適的包裝方式。

圖3 裸卷

圖4 精包裝鑄軋卷

2.4 運輸方式對鑄軋卷腐蝕的影響

從鑄軋卷生產單位到冷軋用戶單位，需要交通工具進行運輸。運輸方式較多，但普遍以汽車運輸和火車運輸兩種方式為主。短途采用汽運方式，長途采用火車(皮、集裝箱)裝運，為控制運輸成本，公司多以火車運輸。短途汽運具有“短、平、快”特點，運輸時間短，能直接到用戶廠里，運輸過程中避免交通事故，使用篷布覆蓋牢固，能杜絕天氣變化不利因素導致卷里滲水、冷卻不當的腐蝕。但是，長途汽運路途遙遠，路途顛簸會使鑄軋卷層與層之間有松動，有摩擦，有空隙易產生板面缺陷甚至出現腐蝕?；疖囘\輸相對成本低，但是要求貨物包裝、裝配嚴格，不能直接進廠，需要多次配貨吊運，不利于卷包裝的密封牢固，容易破損滲水，途經地域多存在不確定的氣候條件變化。外包裝在運輸途中出現破損，極易使鑄軋卷產生腐蝕。用集裝箱發(fā)運鑄軋卷包裝方式，雖然能解決集裝箱運輸過程中的雨淋產生的腐蝕，但卷表面有塑料紙不透氣，在運輸至南方地區(qū)時由于地域環(huán)境溫差使產生的冷凝水汽無法及時揮發(fā)，造成鑄軋卷腐蝕較嚴重。因此，選擇合適的運輸方式對控制鑄軋卷腐蝕很有必要。

3 控制鑄軋卷產生表面腐蝕缺陷的措施

3.1 改進鑄軋卷熱噴涂方式

為了克服用乙炔和天然氣燃燒產生的碳黑較多且易在輥面聚集的問題，將燃燒介質改為液化氣和天然氣進行燃燒熱噴涂，同時對熱噴槍頭進行了改進，并對噴槍運行速度進行了適當調整，使輥面碳黑均勻，從而有效減少了輥面碳黑的附著，在確保不發(fā)生粘板的情況下，提高了板面的亮潔度。

3.2 控制鑄軋卷冷卻溫度和時間

1)在鑄軋機偏導輥處加裝1臺鼓風機，用于吹掃鑄軋板面上的異物和進行二次風冷，不僅可以有效防止異物卷入鑄軋卷中，同時可加快鑄軋卷冷卻。

2)西寧地區(qū)氣溫比南方低10～15 ℃，在鑄軋卷的溫度不破壞包裝材料且便于包裝時，比環(huán)境溫度高10 ℃包裝，嚴禁熱卷包裝。鑄軋卷冷卻、存放不得超過20天，否則存在腐蝕風險。不同的季度和卷重，冷卻時間也不同。不同情況下的鑄軋卷冷卻時間見表1。

表1 不同情況下的鑄軋卷冷卻時間

3)保持鑄軋卷存放區(qū)溫度恒定，分散放置，避免鑄軋卷堆積，必要時，對存放區(qū)死角使用軸流風機強制對流。

3.3 優(yōu)化鑄軋卷包裝方式

1)由于短途汽運采用裸卷方式未出現腐蝕卷，繼續(xù)延用并增加發(fā)運量。

2)改進精包裝方式，由原來彩條布加塑料薄膜纏繞全密封，改為牛皮紙加彩條布加厚普通塑料半密封，鑄軋卷中部敞開，留有預留口，充分利用鑄軋卷中心部位，使卷內與外界空氣保持暢通，避免卷里外溫差過大而產生冷凝水附著在卷上，如圖5和圖6所示。

3)包裝用的塑料布由降解環(huán)保型改為普通塑料，增加塑料的強度，提高耐磨性。

4)加強鑄軋卷內防潮，增加干燥劑的數量，由原來的6袋/卷改為8袋/卷。

圖5 精裝第二層包裝

圖6 半密封包裝

3.4 優(yōu)化運輸過程

原運輸方式不變，通過優(yōu)化汽車運輸和火車運輸時鑄軋卷的包裝材料和方式，減少或避免運輸過程中的包裝破損進水以及包裝密封過嚴而出現的冷凝水導致腐蝕。針對長途汽運顛簸，可在鑄軋卷木托架與卷面接觸的部位加裝5 mm厚的黑膠皮，有效減緩運輸途中鑄軋卷層與層之間的松動和摩擦對鑄軋卷腐蝕現象的影響。

3.5 其他方面

1)與用戶協(xié)商，鑄軋卷到廠3天內完成鑄軋卷開坯。

2)對物流公司進行約束，貨物轉運每個環(huán)節(jié)要求檢查鑄軋卷包裝是否完好，有無水跡，包裝破壞、防水不到位產生腐蝕卷要求賠償。

4 結束語

通過改進生產熱噴涂介質、規(guī)范冷卻溫度、優(yōu)化包裝方式等措施，鋁鑄軋卷腐蝕量得到了有效的控制，較往年下降51%。但是，由于鋁鑄軋卷腐蝕成因與生產、包裝、貯存、運輸有關，涉及多家單位，目前尚沒有更好的辦法完全杜絕鑄軋卷腐蝕的產生。因此，只有在不斷地改良包裝方式、精準冷卻時間、縮短運輸距離和改進鋁加工工序等方面進行技術攻關，才能更有效地保護好鋁鑄軋卷不再腐蝕。