電鍍鋅磷化產(chǎn)品工藝與質(zhì)量穩(wěn)定控制

供稿|孫晨航，曹洋

作者單位：本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀

本鋼電鍍鋅生產(chǎn)線在磷化生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備功能欠缺和生產(chǎn)技術(shù)支撐缺失，電鍍鋅機(jī)組只能生產(chǎn)對(duì)質(zhì)量要求較低的磷化建材和耐指紋家電產(chǎn)品，磷化汽車板生產(chǎn)較少且生產(chǎn)工藝等方面一直處于初步摸索階段，無法形成常態(tài)化生產(chǎn)。本文通過磷化生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和設(shè)備的改造，磷化產(chǎn)品的合格率由60%提高到95%，顏色由黑暗提升至淺灰光亮，磷化的表面質(zhì)量均勻無磷化條痕、斑跡等缺陷，磷化膜厚穩(wěn)定在1.6 g/m2，滿足了電鍍鋅汽車板的供貨要求。

電鍍鋅汽車板主要應(yīng)用在奔馳、寶馬、奧迪等高檔汽車外板，本鋼電鍍鋅機(jī)組自2018年一直致力于生產(chǎn)高檔汽車產(chǎn)品，但電鍍鋅磷化汽車板產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段，質(zhì)量還不穩(wěn)定，不論從工藝開發(fā)還是設(shè)備穩(wěn)定等方面仍制約著電鍍鋅磷化汽車板的生產(chǎn)。

由于設(shè)備功能欠缺和生產(chǎn)技術(shù)支撐缺失，電鍍鋅機(jī)組只能生產(chǎn)對(duì)質(zhì)量要求較低的磷化建材和耐指紋家電產(chǎn)品，磷化汽車板生產(chǎn)較少，生產(chǎn)工藝等方面一直處于初步摸索階段，無法形成常態(tài)化生產(chǎn)，本鋼電鍍鋅擁有國內(nèi)除寶武集團(tuán)外惟一一條18個(gè)鍍槽的大型機(jī)組，是具備生產(chǎn)高檔汽車板資格的產(chǎn)線，提高本鋼電鍍鋅磷化汽車板的生產(chǎn)能力可促進(jìn)本鋼優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品占領(lǐng)電鍍鋅市場。

影響磷化產(chǎn)品質(zhì)量的原因

電鍍鋅產(chǎn)線在磷化生產(chǎn)過程中存在顏色深淺不一、膜厚波動(dòng)范圍大、無法持續(xù)性生產(chǎn)等問題，并且存在磷化斑跡、白條等缺陷，嚴(yán)重制約了電鍍鋅磷化產(chǎn)品的合格率和客戶滿意度。機(jī)組通過磷化工藝范圍、磷化持續(xù)性控制、磷化質(zhì)量提升等三方面進(jìn)行優(yōu)化，改善磷化產(chǎn)品的質(zhì)量。

磷化工藝優(yōu)化

磷化液總酸濃度控制

磷化生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，電鍍鋅每批次生產(chǎn)的產(chǎn)品顏色深淺不一，雖然顏色一般并不作為汽車板客戶的要求，但是出于對(duì)產(chǎn)品表面均勻美觀度的考慮，鋼鐵企業(yè)需要追求預(yù)磷化板顏色的相對(duì)穩(wěn)定。通過分析，影響磷化產(chǎn)品顏色問題的主要因素是磷化液的總酸濃度控制。

總酸是反映磷化液濃度的一項(xiàng)指標(biāo)?？刂瓶偹岬囊饬x在于使磷化液中成膜離子濃度保持在必要的范圍內(nèi)。總酸濃度的提高可以加快磷化反應(yīng)的進(jìn)行，但是過高時(shí)，雖然可以生成外觀較好的磷化膜，但品粒粗大，附著力較差；而品粒粗大對(duì)于預(yù)磷化板耐蝕性是不利的。通過設(shè)計(jì)不同總酸濃度產(chǎn)出的樣板顏色實(shí)驗(yàn)，與標(biāo)樣顏色對(duì)比，確定出最優(yōu)總酸控制范圍(表1)。

表1 總酸濃度對(duì)樣板的影響

從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)總酸控制在25～35 g/L時(shí)，板面質(zhì)量和顏色均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平。圖1為總酸濃度由20～40 g/L的樣板對(duì)比圖。

圖1 不同總酸濃度下的樣板對(duì)比圖

實(shí)際生產(chǎn)中磷化液總酸濃度只能通過電導(dǎo)率來控制，通過電導(dǎo)率與總酸濃度對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)，得出電導(dǎo)率控制在35～45 mS/cm范圍，磷化液的總酸濃度能夠控制在25～35 g/L。為保證電導(dǎo)率能夠真實(shí)反映總酸的控制范圍，電鍍鋅做以下日?？刂埔螅?/p>

①電鍍鋅每月定修時(shí)，對(duì)磷化電導(dǎo)率計(jì)進(jìn)行標(biāo)定；②生產(chǎn)磷化時(shí)，每4 h取樣對(duì)磷化液的總酸進(jìn)行化驗(yàn)，來驗(yàn)證電導(dǎo)率計(jì)反饋的準(zhǔn)確性。

磷化液游離酸控制

游離酸反映磷化液中游離H+的含量?？刂朴坞x酸的意義在于控制磷化液中磷酸二氫鹽的離解度，把成膜離子濃度控制在一個(gè)必要的范圍內(nèi)。

游離酸過高會(huì)抑制Zn3(PO4)2的水解，導(dǎo)致成膜緩慢，結(jié)晶粗大并疏松；游離酸度過低，鋅層溶解較為困難，導(dǎo)致成膜緩慢或難以成膜，Zn3(PO4)2沉渣增多。

磷化產(chǎn)品的膜厚取決于磷化液中游離酸的控制范圍，標(biāo)準(zhǔn)范圍在1～2 g/m2。通過對(duì)寶鋼樣板膜厚的檢驗(yàn)，膜厚范圍在1.4～2.0 g/m2。通過不同游離酸下膜厚的實(shí)驗(yàn)，確定出最優(yōu)的磷化游離酸控制范圍(見表2)。

表2 不同游離酸對(duì)膜厚的影響

從表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)游離酸控制在2.5～3.5 g/L時(shí)，膜厚控制在1.4～1.9 g/m2范圍內(nèi)，并滿足72 h鹽霧無白銹。圖2為游離酸濃度在2.5 g/L和3.5 g/L下的72 h鹽霧樣板。

圖2 72 h鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a) 2.5 g/L；(b) 3.5 g/L

磷化產(chǎn)品穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)化

磷化濃度穩(wěn)定控制的實(shí)現(xiàn)

磷化生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)磷化顏色不均的情況，嚴(yán)重影響磷化生產(chǎn)的質(zhì)量，經(jīng)過電鏡分析發(fā)現(xiàn)，這是由于磷化生產(chǎn)過程中磷化液的總酸和游離酸濃度波動(dòng)較大造成的。

為了實(shí)現(xiàn)磷化濃度的穩(wěn)定控制，就需要實(shí)現(xiàn)磷化液的定頻和定量補(bǔ)充問題。針對(duì)此問題電鍍鋅機(jī)組添加了預(yù)混罐和自動(dòng)加料系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，并且通過通鋼面積與加液速度的實(shí)驗(yàn)，摸索出了穩(wěn)定的控制方法。

生產(chǎn)磷化產(chǎn)品時(shí)將磷化2#預(yù)混罐改成自動(dòng)控制，加液量改為6 L，通鋼面積設(shè)定為1000 m2。剛開始生產(chǎn)時(shí)磷化電導(dǎo)率會(huì)降低到40～45 mS/cm，如果低于40 mS/cm，需加入適量磷化開缸劑，使電導(dǎo)率達(dá)到40 mS/cm以上，要求每2 h化驗(yàn)一次磷化液和活化液，磷化液濃度總酸控制在25～35 g/L，游離酸控制在2.5～3.5 g/L，活化劑pH控制在9～11，如果總酸，游離酸都偏低，則適當(dāng)補(bǔ)充開缸劑；如果都偏高，則排放適量液位，再補(bǔ)水稀釋到原液位，重新化驗(yàn)；如果總酸偏高，游離酸正常或偏低，則排放2%液位，再補(bǔ)水稀釋到原液位，適當(dāng)降低通鋼面積；如果游離酸偏高，總酸正?；蚱停瑒t排放2%液位，再補(bǔ)水稀釋到原液位，補(bǔ)充少量開缸劑并適當(dāng)增加通鋼面積。

生產(chǎn)過程中如電導(dǎo)率增加或降低過快，可以通過調(diào)節(jié)通鋼面積解決。

電鍍鋅肖像鍍的應(yīng)用

掌握肖像鍍技術(shù)，可以在線確認(rèn)陽極板表面氧化銥鍍膜的損傷程度。鍍槽陽極板是電鍍鋅機(jī)組最重要的部件之一，陽極板由金屬鈦板表面上涂覆一層金屬氧化物氧化銥構(gòu)成。一般立式鍍槽的陽極與帶鋼陰極距離很小，在7 mm左右(縮短距離，可減少溶液電阻能耗，提高電流效率)，在電鍍鋅生產(chǎn)過程中由于帶鋼板形不良、邊浪、中浪等原因，會(huì)造成帶鋼表面與陽極板表面擦傷、放電燒傷，導(dǎo)致陽極板表面氧化銥?zāi)p壞。同時(shí)，隨著電鍍鋅生產(chǎn)時(shí)間增長，氧化銥?zāi)ひ泊嬖谡５南模藻冧\槽陽極板需要定期進(jìn)行修復(fù)。由于陽極板表面氧化銥涂膜質(zhì)量關(guān)系到電鍍鋅機(jī)組鍍鋅電流效率、鍍層均勻性，在每次定修之前的電鍍鋅生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，要求通過肖像鍍技術(shù)來確認(rèn)陽極板的損壞情況，根據(jù)每個(gè)鍍槽的肖像鍍的完好程度，確定定修時(shí)是否對(duì)某個(gè)鍍槽進(jìn)行拆卸，離線更換陽極板。

之前因不掌握電鍍鋅肖像鍍技術(shù)，必須拆解鍍槽陽極箱才能確認(rèn)陽極板表面氧化銥涂膜的損壞程度。這樣工作量大，又不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)陽極板表面是否損傷程度，不利于電鍍鋅較重生產(chǎn)和鍍層質(zhì)量控制。電鍍技術(shù)與生產(chǎn)操作人員，通過學(xué)習(xí)、研究、實(shí)驗(yàn)，掌握了電鍍鋅肖像鍍作業(yè)，自主設(shè)計(jì)編寫運(yùn)行程序，經(jīng)過多次操練和生產(chǎn)實(shí)踐，目前電鍍鋅機(jī)組已熟練運(yùn)用肖像鍍技術(shù)，為電鍍鋅機(jī)組長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

磷化生產(chǎn)后清理方式的優(yōu)化

磷化生產(chǎn)結(jié)束后，需要對(duì)磷化管路進(jìn)行清理，否則生產(chǎn)其他產(chǎn)品時(shí)，磷化液會(huì)從噴梁滴落，導(dǎo)致磷化斑缺陷的產(chǎn)生。攻關(guān)前，機(jī)組需要停機(jī)，人工對(duì)噴梁管路進(jìn)行清理，時(shí)間較長，大約需要8 h；攻關(guān)期間，機(jī)組根據(jù)清理要求和效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后采取了增加磷化噴梁的冷凝水清洗管路，在磷化生產(chǎn)結(jié)束后，不再需要停機(jī)，只需要1～2卷拉輥料，即可將磷化噴梁清洗干凈，顯著的降低了停機(jī)時(shí)間及過渡成本。

磷化質(zhì)量提升的優(yōu)化

磷化斑跡缺陷的消除

磷化生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)磷化斑跡缺陷，嚴(yán)重影響磷化產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過跟蹤查找，發(fā)現(xiàn)斑跡是由于活化槽和磷化槽的銜接處串液導(dǎo)致。為了解決串液問題，機(jī)組在活化槽和磷化槽之間增加擋板，并在下部增加隔離槽避免污染，消除了磷化斑跡缺陷。

磷化白條缺陷的消除

初期磷化生產(chǎn)時(shí)，磷化液剛噴灑投入時(shí)，帶鋼表面會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)無規(guī)律白條，這是由于活化與磷化擠干輥剛投入時(shí)擠干效果不良，第一段磷化液噴灑壓力過大，導(dǎo)致磷化液和活化液在擠干輥處酸堿中和，出現(xiàn)白條。針對(duì)此問題，機(jī)組一方面每月定修對(duì)此處擠干輥進(jìn)行拉線標(biāo)高；另一方面將磷化一段的噴梁噴嘴型號(hào)縮小。通過這兩方面控制，消除了白條缺陷。

磷化板面細(xì)膩度的優(yōu)化

溫度是成膜的關(guān)鍵因素。不同的配方有不同的溫度要求。溫度高時(shí)，磷酸二氫鹽的離解度大，成膜離子濃度相應(yīng)高些。

磷化溫度控制在55 ℃左右，過高或過低都會(huì)導(dǎo)致磷化膜組織粗糙，導(dǎo)致表面呈現(xiàn)鱗片狀。

為解決保溫問題，機(jī)組自主在磷化循環(huán)罐和熱水罐的罐體外表添加了一層防寒材料，來減緩由于氣溫低導(dǎo)致熱量流失快的問題，并對(duì)蒸汽循環(huán)管路進(jìn)行改造，縮短其加熱時(shí)間。

結(jié)束語

通過磷化生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和設(shè)備的改造，磷化產(chǎn)品的合格率由60%提高到95%。顏色由黑暗提升至淺灰光亮，表面質(zhì)量均勻無磷化條痕、斑跡等缺陷，膜厚穩(wěn)定在1.6 g/m2左右，完全滿足汽車板供貨要求，為本鋼電鍍鋅生產(chǎn)線生產(chǎn)磷化汽車板打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。