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表2镀层厚度要求
锌层代号
(g/m2)
三点双面试验平均值
单点双面试验最低值
60
51
80
68
100
85
120
102
150
128
表面质量
热镀铝锌产品的表面要求如下。
1)FC表面质量要求:
Ø
带钢上表面从不同角度观察其整体外观无明显缺陷导致的色差。
不允许存在:
侧光可见的锌流纹;
沉没辊瘤印、顶辊辊印、镀层横纹、气刀亮点、气刀条痕、擦划伤、钝化斑、锌起伏、露钢(含端部)、条锌、折印、凸包、块状锌粒锌疤等;
影响卷取质量的边厚。
允许存在:
无明显同板锌花不均;
两边部10mm范围内连续钝化不良;
偶发轻微、无手感的用户可接受的其它缺陷。
2)FB表面质量要求:
不允许存在如下缺陷:
锌起伏、钝化斑、划伤、凸包和影响卷取质量的边厚。
轻微锌花不均;
轻微反光(侧光)可见的锌流纹;
2米长度范围内大小不超过20度范围内大,且数量不超过2处无明显手感周期性瘤印;
2米范围内轻微手感、数量不超过2处且宽度不大于20mm的条(块)状锌花不均;
两边部20mm范围内连续钝化不良;
轻微无手感拉矫纹;
无手感辊印和压印,且数量不超过2处;
轻微镀层横纹、气刀亮点、擦划伤、折印、气刀条痕、端部点状露钢、顶辊辊印、锌粒、锌疤。
技术难点
表面质量控制
宝钢铝锌产品主要用于电控柜行业,直接裸用于产品外表面,对产品表面质量要求极高。
宝钢铝锌产品常见的且难以解决的质量缺陷主要有锌流纹、气刀亮点、边厚和瘤印等缺陷。
锌花大小及均匀性控制
铝锌产品锌花的大小和均匀性受带钢表面形貌、入锌锅温度、锌锅工艺和镀后冷却工艺等的影响,影响因素多,锌花变化受工艺变化敏感,极难控制。
镀层均匀性控制
镀层厚度的控制受机组速度和气刀工艺控制,机组速度和气流的波动等均会导致镀层厚度发生变化,因此控制气刀的开口度和保证气流的稳定性极为重要。
镀层成型性
铝锌层较脆,加工过程中极易导致镀层开裂,且铝锌层较同重量的镀锌层较厚,更易产生开裂。
3关键设备技术研究
为满足生产铝锌产品的设备功能需求,对退火炉、锌锅和镀后冷却设备进行改造。
3.1退火炉
炉鼻子加热装置
铝锌产品和镀锌产品对退火炉功能需求主要差异在于出口段(带钢入锌锅)温度的不同,带钢的入锌锅温度主要依据镀液的温度设计,铝锌产品镀液温度(600℃)远高于镀锌产品的镀液温度(460℃)。
原有退火炉出口段没有任何加热装置,薄带钢经过冷却段后到达出口段的温度远低于锌锅镀液温度,为实现工艺要求的带钢入锌锅温度,在退火炉炉鼻子上增设电加热器及控制区域温度的热电偶,以保证高的入锅温度要求(工艺要求为590火炉出)。
新增加湿器
加湿器的主要作用是控制退火炉出口段露点,防止麻点缺陷产生。
由于铝锌镀液温度(600℃)较高,生产中有大量的锌蒸汽通过炉鼻子进入到退火炉,锌蒸汽与带钢接触粘附于带钢表面,经过锌锅后,在产品表面形成麻点缺陷。
为防止该缺陷的产生,增加加湿器,其原理为:
让进入退火炉出口段的一小部分氮气经过加湿器,使氮气的水含量增加(露点升高),然后进入退火炉出口段,使得退火炉出口段的水含量增加。
锌蒸汽进入退火炉出口段时遇到水蒸汽则冷凝,冷凝后的锌蒸汽停止前进停留在退火炉出口段,防止进入退火炉粘附于带钢表面形成麻点缺陷。
通过加湿器的氮气流量越大,则退火炉出口段的露点升高越多,露点太高时则影响炉内气氛的还原性,影响镀层的附着力,容易产生露钢缺陷,因此必须合理控制进入加湿器氮气的流量,当出口段露点控制在-40~-50℃时为最佳,如表3所示,当露点不在以上范围时产品均有缺陷产生。
表3露点控制及产品缺陷
露点
样本数
麻点缺陷数
露钢缺陷数
缺陷比例
-35℃
25
6
24%
-45℃
40
0%
-55℃
30
9
30%
锌锅
随着锌锅成分及工作温度的变化(55%Al-43.5%Zn-1.5%Si,锌液温度:
℃),镀铝锌锌锅利用现有的镀锌锌锅进行改造。
镀铝锌锌锅新增供电负荷由热风烘干用变压器2000kVA富余能力,和原锌锅变压器1600kVA保证,改造后的主锌锅功率为2证,改造后的主锌锅功率为=1900kW。
由于镀铝锌锌锅和镀锌锌锅使用的温度相差较大且耐腐蚀性要求也较高,原有的耐火材料完全不能适应,拆除原有的耐火材料,重新砌筑新的耐火材料。
在原锅体的前后两侧各增加一个对接法兰,用于安装新增的2套加热器。
镀铝锌锌锅结构特点:
①底部为圆弧形,垂直炉壁,感应器上倾30器角布置;
②喉部距底部高度大;
③本锅新增二台500kW,利旧二台450kW共1900kW功率的大功率喷流型可拆式感应体,感应体对称布置于陶瓷锅的四个侧面。
本锅机械部分主要由锅体、感应体组成。
锅体含炉壳和炉衬,炉壳为钢板制成的筋板在外的箱形焊接体,是配有筋板和角撑板的刚性结构件。
炉衬面层为高铝砖砌筑的耐火层,内层为轻质砖和石棉板(或无石棉硅钙板)组成的绝热层并兼作炉体各部分胀缩的补偿装置。
感应体是陶瓷锅的核心部件,风冷大功率喷流型感应体结构先进,喷流型熔沟使熔沟内的锌液和炉内的锌液能实现充分的热交换,为适应铝锌镀液的需要,对原有喷流型感应体进行了改进,使其喷流性能更好。
3.3预熔锅
将铝锌锭直接加入锌锅,会引起镀液的温度和成份的波动,由于铝锌产品表面质量对锌锅温度非常敏感,轻微的镀液温度变化会造成锌花大小的变化,同时温度的变化还会导致锌渣量增加,进而导致沉没辊的使用效果和其它锌花不均等缺陷的产生,成分的波动也会引起镀层质量的变化,影响产品质量。
新增预熔锅,利用预熔锅先将铝锌锭熔化,预熔锅温度按640℃控制,则通过溜槽流入锌锅镀液的温度与锌锅温度基本一致,防止了锌锅内镀液温度和成份的波动。
主要设备参数如下:
容量:
6吨。
功率:
700KW。
熔锌速度:
。
3.4镀后冷却设备
铝锌产品出锌锅后温度较镀锌产品高,要求冷却速度快,原有的冷却能力已不足。
新增出锌锅上行移动风箱:
①满足生产铝锌产品带钢出锅后快速冷却段的需要;
②通过控制冷却风量的大小控制产品锌花的大小。
移动风箱:
高度8100mm。
喷管:
23对,刀唇。
风机:
型号4-7312D,流量68956m3/h,全压3780Pa。
该移动风箱的主要优点在于采用刀唇喷射气流,改善了采用孔状形式喷射气流的缺陷(主要缺陷为带钢边部自下而上冷却过程中与带钢中部冷却不均,主要表现为产品锌花大小不一致),采用刀唇喷射气流冷却带钢,则带钢在冷却过程中边部和中部的冷却速率一致,有利于锌花的均匀性控制。
4关键工艺技术研究
铝锌产品的质量主要在力学性能、镀层质量和表面质量。
力学性能在铝锌工序主要通过退火工艺控制;
镀层质量主要通过原板表面清洁度、退火炉气氛、带钢入锌锅温度、锌锅工艺和镀后冷却工艺控制;
表面质量主要通过带钢入锌锅温度、锌锅工艺和镀后冷却工艺控制。
4.1脱脂清洗工艺
清洗的作用是去除带钢表面的残余物,为带钢进入锌锅提供洁净的表面。
清洗不净易造成镀层附着力不好或漏镀缺陷,从而导致不合格产品产生。
4#镀锌线采用美钢联法生产工艺,对带钢表面清洁度要求十分苛刻,因此,采取合理的清洗工艺,提高带钢表面清洁度是生产合格热镀铝锌合金产品的第一步。
热镀铝锌专用生产线采用先进的“化学清洗+机械刷洗+电解脱脂”相结合的清洗技术。
其清洗效率主要影响因素和工艺控制手段为清洗液浓度、清洗温度、电解电流等。
清洗液浓度
提高清洗液浓度,有利于带钢表面清洗,但浓度高过一定范围后,清洗能力提高有限,不但造成清洗剂的浪费,还会对水洗带来负担,并污染循环罐内软水。
电解清洗浓度低会使电流密度值下降,影响清洗效果。
不同的浓度对清洗效果的影响如表4所示(其它工艺不变)。
表4清洗液浓度对清洗效果的影响
浓度(FA/Pt.)
50
70
90
清洗效果
△△
△△△
△△△△
注:
“△”数量越多,代表清洗效果越好。
如表4所示,当浓度达到70Pt时,清洗效果良好,再增加浓度后,清洗效果变化不明显,且当浓度达到80Pt以上后,槽内泡沫严重,导致液体冒漏严重。
电解电流
电解槽电流越大,则电流密度越大,有利于清除带钢表面微观孔隙中的油污。
根据4#热镀铝锌机组清洗额定电流12000A的设计水平,在4000~9000进行试验,结果如表5所示(其它工艺不变)。
表5清洗液浓度对清洗效果的影响
电解电流(A)
4000
5000
6000
7000
8000
9000
如上表所示,将电解清洗电流值达到为6000A时清洗效果良好,再增加电解电流清洗效果变化不明显。
清洗温度
清洗温度升高,有利于充分发挥清洗剂中各种添加剂的作用,降低带钢表面油污和皂化物粘度,提高清洗效率。
但过高的温度易造成清洗液中表面活性剂浮起及活性下降,和清洗剂供应商进行技术交流,将清洗各段温度控制为70~80清左右时清洗液的活性最好,清洗效果最好。
4刷辊压力
刷辊压力控制是根据其压下量和压下电机电流值综合控制,刷辊压力适当增加,有利于清除带钢表面油脂,但刷辊磨损较大。
根据生产实际情况,刷辊压下量确定为13~16mm,电流值在空转基础上加3~5A,可达到较好效果。
循环罐放散制度
为了保证清洗液的洁净度,对101和301循环罐的液体进行定期的排放和补充,在生产期间,每24小时排放101和301循环罐中液体的10%。
原料带钢表面清洁度
通过对轧机来料表面清洁度状况进行测量,进行以上清洗工艺设计,并在生产中不断进行工艺参数的优化,大大提高了清洗效率。
由表6可见,在原板表面残余物较多的情况下,清洗后的带钢表面残余物小于20mg/m2,满足热镀铝锌合金产品的生产要求。
表6清洗前后残余物对比
编号
清洗前(mg/m2)
清洗后(mg/m2)
总量
残铁
残油
1
274
2
3
4
5
4.2连续退火工艺
退火的作用为:
一是对带钢表面进行还原处理,使其以海绵状活性表面进入锌锅,提高镀层附着力;
二是对带钢进行再结晶退火处理,使带钢力学性能达到相关要求。
上述功能是通过控制退火炉炉内气氛和带钢温度来实现的。
带温控制
根据冷硬卷再结晶退火温度和材质(低碳铝镇静钢),带钢的退火温度按690~730℃控制,PHF段温度为保证带钢经过预热到加热段的整个过程中受热均匀,且烧掉经过清洗后残留在带钢表面的微量的轧制油等,PHF段温度按≥温度按℃控制。
在ES段带温设计中,带钢入锅温度控制较镀液温度低5~10温,其主要目的是:
①减少锌锅内底渣;
②减小合金层厚度,提高镀层性能;
③降低锌蒸汽流动性,防止产生漏镀和麻点缺陷。
综上所述,退火炉的带过温度按表7进行控制。
表7带温控制表
区域
PHF
RTF
ES
温度(℃)
≥230
690-730
590±
气氛控制
热镀铝锌合金产品生产中对基板表面状态要求十分苛刻,因此退火炉气氛控制十分关键。
退火炉气氛控制的目的是完全去除带钢表面氧化物,为带钢热镀时获得附着力良好的镀层奠定基础。
4#热镀锌机组采用美钢联法生产工艺,燃烧气体在辐射管内,与带钢接触的为N2、H2混合保护气体。
炉内气氛控制因素主要考虑以下因素:
1)保护气体质量
保护气体质量的好坏直接影响退火炉气氛,为确保退火炉内良好的还原气氛,对保护气体(N2、H2混合气体)相关指标提出要求,见表8。
表8保护气体重要指标
纯度(%)
氧含量(ppm)
<5
2)保护气体氢气含量
炉内保护气体作用有二,其一是保护带钢不被氧化,其二是对带钢表面的氧化层进行还原。
保护气体是逆着带钢运行方向由后向前流动。
由于采用美钢联法立式退火工艺,炉内没有氧化介质,加之带钢在立式退火炉内运行时间较长,因此,炉内仅需用含5%H2的保护气体就能满足带钢表面还原。
在炉鼻处的出口段,为减缓锌蒸汽流动性,需对露点进行适当提高,并将此处氢气浓度适当提高以免带钢氧化,在向其它段逆行过程中使用纯氮将其稀释至5%,保证退火炉安全。
机组退火炉保护气体有两个混合站,其中一混合站向退火炉各段注入5%的氢气,向退火炉PHF、RTF、SF、JCS输送保护气体;
二混合站H2浓度最高可达30%,在热镀铝锌合金产品生产时提供高浓度保护气体至ES段。
3)露点控制
露点是反应退火炉内水蒸汽含量的指标。
露点高时炉内还原气氛下降,影响带钢表面还原能力,恶化镀层附着力。
根据热镀铝锌合金产品生产实际,退火炉各段露点指标如表9。
表9退火炉露点
炉段
JCS
露点值(℃)
<-35
<-40
-40~-50℃
4.3热浸镀
工艺设计
热浸镀工艺主要包括锌锅内镀液成份及镀液温度,其工艺设计主要考虑成份温度、镀液流动性、浸润性、锌蒸汽因素、底渣控制、铁损、镀后合金层厚度、镀层性能、镀后表面质量等,综合考虑上述因素,设计了表10的锌锅工艺。
表10锌锅工艺参数表
控制工艺
成份(%)
温度(℃)
Al
Si
Zn
指标
53~56
~
余量
600±
工艺控制
1)Al、Si成份控制
生产期间某一时间段的锌锅Al、Si含量见图1、图2。
由此可见,镀液中铝含量在控制目标范围,且较为稳定;
硅含量虽有一定的波动,但均控制在目标范围。
图1锌锅铝含量走势图
图2锌锅硅含量走势图
综合图1和图2,在热镀铝锌合金产品生产期间,锌液成份控制水平达到设计工艺范围,满足生产需求。
在以后各轮的生产中,Al、Si的成分控制越来越稳定。
2)锌液成份均匀性控制
在正常生产过程中,不加锌锭的情况下,对锌锅内带钢出口处(标号A)及锌锅角部(标号B)分别取表面样(深度30cm)和锌液内部样(深度150cm),对试样镀液成份进行分析,分析结果见表11。
表11镀液均匀性对比
取样位置
铝含量(%)
铁含量(%)
硅含量(%)
A上
A下
B上
B下
从表11看,在正常生产情况下,锌锅内的成份较为均匀,没有出现镀液分层。
这对于产品质量控制十分有利;
也证明了锌锅取样具有较强的代表性。
4.气刀工艺控制
气刀不但对镀层重量、均匀性进行控制,作为锌锅后的第一道工序,其对带钢表面质量有着至关重要的作用。
气刀是通过气刀喷吹高压气体到带钢上,刮去多余锌液来控制镀层厚度的。
实际证明,气刀参数不佳会导致边厚、气刀条痕、锌起伏、横纹和亮点等缺陷产生。
4#热镀锌线气刀的角度不能在线控制,因此,生产中气刀主要控制参数(见表12)为气刀距离、高度和气刀压力(取决于镀层重量及气刀间隙)。
表12气刀参数控制表
气刀距离
20mm~30mm
气刀高度
150~350mm
根据气刀冲量公式[1],镀层厚度和气刀压力、气刀间隙有关。
I=Pb2
式中:
I中喷吹气体冲量;
P吹喷吹气体压力;
b吹气刀缝隙量(开口度)。
通常情况下,气刀间隙越大,气刀的刮锌能力越强,能够更好的控制镀层的厚度。
但气刀唇隙增大后导致喷吹气体流量增大,压力降低,使气体的冷却能力增强,不利于刮锌。
带钢出锌锅后,由于边部较中部热量散失快,边部更容易冷却,因此铝锌产品生产中极易出现边厚缺陷,为防止此缺陷的产生,又能很好的控制镀层的厚度,为找出最合适的气刀唇隙,课题组研究了不同间隙的气刀刮锌能力,针对产品镀层的厚度不同,对厚镀层(电控柜)产品和薄镀层(彩涂基板)产品制定了不同的气刀间隙参数,如表13所示。
表13气刀间隙参数控制
刀唇位置
(操作侧)
(中部)
7
8
(传动侧)
电控柜
彩涂基板
按以上参数控制后,带钢出锌锅后的镀层厚度均匀。
4.4镀后冷却控制
热镀铝锌合金镀层镀层后快速冷却对镀层的抗腐蚀性影响很大。
快速冷却不仅可以细化富铝的枝晶组织(见图3[2]),而且减少枝晶间富锌的晶粒的体积分数(见图4[2])。
这两者均提高了铝锌合金抗局部穿透腐蚀的能力。
图3冷却速度对铝锌钢板枝晶间距(DAS)的影响
图4冷却速度对枝晶间富锌的晶粒的影响
此外,镀锌冷却速度对铝锌合金产品表面质量有较大的影响。
冷却速度快时,铝锌产品具有表面锌花细小,平整度好,锌花均匀,观赏性强等优点。
但过快的冷却速度使带钢表面锌花过于细小,且对其它表面缺陷掩盖性较差,影响观赏性和表面质量。
基于以上因素,热镀铝锌产品的镀后冷却速度控制在10~30铝锌s之间,带钢在高跨第一转向辊前温度控制在330℃以下。
冷却速度关系到冷却风机的风量,而风量过大则会导致带钢的抖动,带钢的抖动会导致产品表面出现横纹缺陷,严重时导致擦划伤,因此满足冷却需求的同时要防止产品出现横纹缺陷,经过大量生产试验,优化2#、3#和4#冷却风机风量配比,修改控制程序,将三台风机冷却风量从下而上(2#-3#-4#)依次减小的模式优化为从下而上(2#-3#-4#)依次增加的模式,正常生产期间,2#风机风量按20%控制,3#风机风量按40%~50%控制,4#分机风量按60%~70%控制。
生产0*1250mm规格产品时工艺如图5所示(机组运行速度为72m/min)。
图52#、3#、4#冷却风机风量
调整高跨温度,始终确定三台冷却风机的风量在以上范围内,同时又保证了高跨冷却温度。
4.5拉矫工艺
拉矫是控制产品板形的主要手端,拉矫压下量不够或过大时往往导致带钢出拉矫机后呈凸形或凹形,影响产品的最终板形,在质检台人工用直尺测量带钢横向平直度,较重时带钢边部和中部的高度差为3mm左右,而此时开卷确认,50%以上的带过存在浪形。
经过多次的调整,拉矫工艺参数按表14控制时,测量带钢边部和中部的高度差为以内,此时开卷确认带钢浪形情况基本为零。
表14拉矫工艺参数
带钢规格(mm)
1单元压下量
2单元压下量
3单元压下量
延伸率(%)
0.4*1000
10
0.5*1000
12
0.6*1000
14
0.8*1000
16
1.0*1000
1.2*1000
18
1.4*1250
20
1.9*1250
23
2.1*1250
19
17
2.3*1250
2.4*1250
5专题研究
热浸镀工艺
镀液成份
通过专题研究分析和试验证明,镀液中55%的铝,43%的锌可使铝锌镀层具有最好的综合性能[3],热镀铝锌生产中锌液中的硅元素有利于抑制镀液元素和铁基之间的扩散和化合作用,防止脆性化合物层过度的生长,提高镀层附着性和延展性。
为保证产品好的表面质量和优良的镀层性能,课题组将镀液成份按表15控制。
表15热镀铝锌镀液成份
锌液成份
Al(%)
Zn(%)
Si(%)
比例
镀液温度、带钢入锌锅温度
热镀铝锌时锌锅温度过高会加速铁-铝反应,影响镀层性能,带钢入锌锅温度降低,可减少锌蒸汽,提高产品质量和镀层性能。
基于上述分析,将热镀铝锌锌锅温度和带钢入锌锅温度按表16控制。
表16镀液及带钢入锌锅温度
镀液温度(℃)
带钢入锅温度(℃)
600锅温
590锅温
预熔锅工艺
将铝锌锭直接加入锌锅,镀液的温度和成份波动较大,加快了沉没辊结瘤。
因此,铝锌锭必须通过预熔锅系统加入,利用预熔锅先将铝锌锭熔化,将温度和成份调至适当
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