熱鍍鋅帶鋼表面點(diǎn)狀缺陷的分析和改進(jìn)

馬 千，魯 斐，楊喜恩，紀(jì)銀環(huán)，嚴(yán)光闊，戴媛靜,2*

（1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津300300；2.天津清潤(rùn)博潤(rùn)滑科技有限公司，天津300300；3.天津軋一冷軋薄板有限公司，天津300270）

0 引言

目前，熱浸鍍鋅鋼板憑借其優(yōu)良的耐蝕性、加工性和涂裝性，被廣泛地應(yīng)用在家電、汽車以及建筑行業(yè)[1-2]。點(diǎn)狀缺陷是熱浸鍍鋅帶鋼的一種表面細(xì)微缺陷，帶有點(diǎn)狀缺陷的鍍鋅板難以滿足客戶對(duì)表面質(zhì)量的要求，也會(huì)對(duì)后續(xù)的涂裝產(chǎn)生不良影響。因此，研究點(diǎn)狀缺陷的產(chǎn)生原因并提出預(yù)防措施，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義[3-5]。國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家的技術(shù)人員對(duì)熱浸鍍鋅板面的缺陷進(jìn)行了較為深入的研究。馬鞍山鋼鐵公司的崔磊等[6]發(fā)現(xiàn)，去除表面鋅層后，亮點(diǎn)缺陷對(duì)應(yīng)的基板處存在凸起，分析認(rèn)為是由于基板局部凸起造成鋅層分布不均勻、經(jīng)過(guò)光整后鍍鋅層表面形成亮點(diǎn)缺陷。河北鋼鐵的宋志超和本鋼浦項(xiàng)的劉萬(wàn)中等[7]認(rèn)為，鋅鍋中富集大量含有碳、硅、鎂等元素雜質(zhì)，雜質(zhì)最終附著在帶鋼表面，形成了表面的點(diǎn)狀缺陷。張啟富和楊興亮等[8] 分析了熱鍍鋅板面的麻點(diǎn)缺陷，認(rèn)為麻點(diǎn)主要是板面粘附的氧化鐵顆粒。

本文對(duì)熱浸鍍鋅板表面的點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行了表面顯微觀察和元素分析，推導(dǎo)出缺陷形成機(jī)理并提出控制措施，以期達(dá)到優(yōu)化熱浸鍍鋅鋼板表面質(zhì)量的效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

在鍍鋅機(jī)組出口觀察板面，并取存在點(diǎn)狀缺陷的樣板。該樣板經(jīng)過(guò)鍍鋅、光整等前道工序。對(duì)取樣板缺陷進(jìn)行宏觀形貌觀察；切取帶有點(diǎn)狀缺陷的局部區(qū)域樣板，利用3D激光顯微鏡觀測(cè)點(diǎn)狀缺陷的三維形貌；使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)點(diǎn)狀缺陷的微觀形貌，使用EDS進(jìn)行缺陷內(nèi)外元素分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 點(diǎn)狀缺陷分類

通過(guò)對(duì)缺陷樣板進(jìn)行目視觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)熱浸鍍鋅板存在的點(diǎn)狀缺陷主要分為：亮點(diǎn)和麻點(diǎn)。亮點(diǎn)缺陷如圖 1（a）所示，缺陷尺寸約 0．5～2 mm，呈點(diǎn)狀零星分布，缺陷內(nèi)部光亮；麻點(diǎn)缺陷如圖1（b）所示，尺寸約0．5 mm左右，內(nèi)部呈現(xiàn)暗褐色。

圖1 熱鍍鋅板面的點(diǎn)狀缺陷

2.2 亮點(diǎn)缺陷分析

圖2為帶鋼表面兩處亮點(diǎn)缺陷的三維顯微形貌圖，可以看出：亮點(diǎn)尺寸在0．5～2 mm，呈圓形或橢圓形，外緣一側(cè)較為平齊，另一側(cè)與板面存在平緩的過(guò)渡區(qū)域。由圖2（a）和圖2（b）高度分布圖可知：亮點(diǎn)為帶鋼表面凹點(diǎn)，凹點(diǎn)中心高度基本一致。結(jié)合板面軋制痕跡發(fā)現(xiàn)：亮點(diǎn)缺陷平齊的一端均垂直于帶鋼長(zhǎng)度方向。

圖2 熱鍍鋅板面亮點(diǎn)缺陷的顯微形貌（10×）

利用掃描電子顯微鏡和EDS對(duì)亮點(diǎn)缺陷的微觀形貌和元素進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3和表1所示。EDS結(jié)果表明：亮點(diǎn)凹陷區(qū)主要元素為Fe和Zn，另有少量的Al；邊緣平緩區(qū)域的元素組成與基板組成一致，為Zn和少量的Al。

圖3 亮點(diǎn)缺陷的SEM形貌（100×）

表1 亮點(diǎn)缺陷元素成分分析 /wt%

根據(jù)工藝過(guò)程，熱浸鍍鋅帶鋼板面由內(nèi)到外相層為：鋼基板—Fe2Al5粘附層—Fe-Zn合金相層（Fe3Zn10，F(xiàn)e5Zn21，F(xiàn)eZn10和 FeZn13等）—純 Zn 層—外表氧化層[9]。EDS結(jié)果顯示：亮點(diǎn)缺陷凹陷區(qū)域Fe元素含量明顯高于正常板面，F(xiàn)e和Zn的重量百分比接近1：2，較Fe-Zn合金相層鋅含量明顯偏低；亮點(diǎn)邊緣平緩區(qū)域與正常板面成分一致，符合熱鍍鋅正常板面的成分特點(diǎn)。合理推測(cè)為：由于亮點(diǎn)凹陷區(qū)域鋅層異常減薄，基板、Fe-Zn合金相層和Fe2Al5粘附層共同作用導(dǎo)致形成FeZn2層。

熱浸鍍鋅帶鋼是通過(guò)調(diào)節(jié)位于鋅鍋上部氣刀的風(fēng)壓、高度以及氣刀間的距離實(shí)現(xiàn)熱浸鍍鋅鋅層的控制。氣刀噴出的高壓氣體將帶鋼表層多余的鋅液除去，同時(shí)也會(huì)使得鋅鍋表層的鋅渣或其他雜質(zhì)產(chǎn)生飛濺，濺起的鋅渣或雜質(zhì)粘附在帶鋼表面，部分在經(jīng)過(guò)氣刀前自動(dòng)脫落，或被氣刀噴吹的氣體吹落。但經(jīng)過(guò)氣刀后帶鋼表面鋅液溫度降低、粘度增大，流動(dòng)性降低，不能實(shí)現(xiàn)完全流平，會(huì)在帶鋼表面形成凹點(diǎn)。凹點(diǎn)經(jīng)過(guò)后工序的塔頂輥、張力輥或光整輥后，一側(cè)被壓成線狀的臺(tái)階，另一側(cè)界線被壓平緩，符合亮點(diǎn)缺陷的形貌特點(diǎn)。

另外，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，帶鋼焊縫附近區(qū)域出現(xiàn)亮點(diǎn)缺陷的概率較大。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為：焊縫經(jīng)過(guò)氣刀時(shí)氣刀兩側(cè)擋板打開(kāi)，帶鋼兩側(cè)氣刀造成的紊流更為嚴(yán)重，鋅渣飛濺的程度更高，因此亮點(diǎn)缺陷出現(xiàn)的概率增加。

2.3 麻點(diǎn)缺陷分析

圖4為帶鋼表面兩處麻點(diǎn)的三維顯微形貌。從圖中可以看出，麻點(diǎn)尺寸在0．5 mm左右，近似呈圓形或橢圓形，缺陷中心部位顏色為黑褐色，邊緣顏色稍淺。由圖4（b）和圖4（d）高度分布圖可知，麻點(diǎn)缺陷區(qū)域與正常板面無(wú)明顯的高度差異。

圖4 熱鍍鋅板面的麻點(diǎn)缺陷顯微形貌（20×）

利用掃描電子顯微鏡和EDS對(duì)麻點(diǎn)缺陷的微觀形貌和元素組成進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5和表2所示。

圖5 麻點(diǎn)缺陷的SEM形貌（100×）

表2 元素成分分析 /wt%

對(duì)比麻點(diǎn)缺陷不同區(qū)域的元素組成可知：缺陷內(nèi)部（譜圖1、譜圖2）與正常板面（譜圖3）的元素組成相近，主要元素均為Zn，而Fe和Al元素含量較低，說(shuō)明麻點(diǎn)缺陷和正常表面均為正常鋅層。結(jié)合麻點(diǎn)缺陷形貌特點(diǎn)（缺陷無(wú)明顯凹陷特征），筆者認(rèn)為：麻點(diǎn)缺陷應(yīng)為正常鍍鋅板面之間或板面與粒狀異物接觸時(shí)造成的輕微硌傷。一般帶鋼鍍鋅后表面經(jīng)常存在高點(diǎn)，卷曲后在層間卷取張力作用下，高點(diǎn)會(huì)對(duì)板面造成輕微的點(diǎn)狀硌傷；另外，鍍鋅板面與塔頂輥、光整輥或張力輥等接觸時(shí)，接觸界面可能存在硬質(zhì)雜質(zhì)，這些硬質(zhì)雜質(zhì)在帶鋼與輥面間壓力和摩擦力作用下，對(duì)板面造成輕微硌傷，進(jìn)而形成麻點(diǎn)缺陷。

3 控制措施及手段

針對(duì)熱鍍鋅板面點(diǎn)狀缺陷產(chǎn)生的原因，應(yīng)從以下幾方面加強(qiáng)對(duì)此類缺陷的預(yù)防和管理：

3.1 加強(qiáng)鋅鍋中鋁含量的控制優(yōu)化

鋅液中鋁含量的調(diào)控通過(guò)控制含鋁合金錠的添加量來(lái)實(shí)現(xiàn)，鋅液中鋁含量的異常會(huì)導(dǎo)致浮渣增多，進(jìn)而影響帶鋼的表面質(zhì)量。

3.2 合理調(diào)控氣刀工藝

氣刀的高度、距離以及氣壓等參數(shù)都會(huì)對(duì)帶鋼表面鋅層質(zhì)量產(chǎn)生影響。采取合理的氣刀噴吹工藝，保證帶鋼鋅層良好的質(zhì)量，減少鋅鍋表面鋅渣的飛濺。

3.3 保持機(jī)組光整輥、張力輥的清潔

機(jī)組中的光整輥、張力輥等輥面的清潔度對(duì)帶鋼表面質(zhì)量尤為重要，輥面存在的雜質(zhì)會(huì)對(duì)帶鋼表面造成硌傷，形成麻點(diǎn)等缺陷，因此需定期對(duì)張力輥的表面進(jìn)行清潔維護(hù)，同時(shí)保證光整輥良好的工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

熱浸鍍鋅板表面亮點(diǎn)缺陷為表面鋅層凹坑，凹坑一側(cè)存在垂直于帶鋼長(zhǎng)度方向的臺(tái)階，另外一側(cè)與正常表面平緩連接。亮點(diǎn)形成原因?yàn)椋轰\鍋表面鋅渣飛濺粘附在帶鋼表面，后被氣刀吹落，形成的凹坑經(jīng)過(guò)塔頂輥、光整輥或張力輥的碾壓形成亮點(diǎn)缺陷。

鍍鋅板面的麻點(diǎn)缺陷與正常板面元素組成高度相近，缺陷內(nèi)部平坦。麻點(diǎn)形成原因?yàn)椋喊迕驿\層的異常高點(diǎn)、板面或輥面粘附的硬質(zhì)粒狀雜質(zhì)等造成板面的輕微硌傷。

在實(shí)際生產(chǎn)中加強(qiáng)對(duì)鋅液成分、氣刀噴吹工藝以及產(chǎn)線設(shè)備清潔度的管理和維護(hù)，預(yù)期能夠明顯降低熱浸鍍鋅帶鋼板面的點(diǎn)狀缺陷。