沉沒輥及其存在的問題

目前世界各鋼鐵企業(yè)運行的帶鋼熱浸鍍機組大都采用沉沒

輥裝置,它主要由設(shè)置在鋅液中的沉沒輥、穩(wěn)定輥及氣刀等組成,圖1所示為鋅鍋沉沒輥機構(gòu)。

圖1 鋅鍋沉沒輥機構(gòu)

熔融鍍鋅生產(chǎn)線中的沉沒輥等部件沉浸于450~480℃的熔融鋅液中,受到活性很強的鋅液的腐蝕和滲透,使輥面產(chǎn)生點蝕、蝕坑而變得粗糙,同時鋼帶由輥面帶動的運動速度高達35~40m/s,因此其工作壽命一般都較短。沉沒輥的頻繁更換或維修,不僅降低了作業(yè)率,而且勞動強度高,給生產(chǎn)和操作帶來諸多不便,同時大大增加了鋅的消耗。而且,鍍鋅板表面質(zhì)量在很大程度上取決于沉沒輥的表面質(zhì)量和耐磨蝕性。

2 熔鋅腐蝕機制

熔鋅對金屬的腐蝕機制可分為:與鋅互溶材料的腐蝕機制和與鋅不互溶材料的腐蝕機制。

2.1 與鋅互溶材料的腐蝕機制

所謂互溶,是指這種材料能與鋅形成固溶體,在相圖上有互溶區(qū)。這種材料與鋅液潤濕,腐蝕的失效形式為均勻的熔蝕。鋼和幾乎所有的純金屬都屬于這種材料。這類材料的腐蝕失效形式為均勻腐蝕,腐蝕機制是溶解腐蝕、反應(yīng)擴散腐蝕、化學(xué)反應(yīng)腐蝕、選擇性溶解和鋅液中雜質(zhì)的不利影響等幾種機制同時存在。

2.2 與鋅不互溶材料的腐蝕機制

與鋅不互溶的材料在相圖上無固溶區(qū),不形成固溶體,與鋅液不潤濕。腐蝕的***終失效形式為局部的孔洞(稱孔蝕)或裂紋(稱裂紋腐蝕)。大多數(shù)金屬間化合物屬于這類材料。與鋅不溶材料的腐蝕、反應(yīng)擴散和化學(xué)反應(yīng)腐蝕機制基本不存在,只有微溶解。腐蝕主要是因為鋅液作用于材料表面的微觀缺陷而致,材料的韌性對耐蝕壽命有重要影響。鋅液在缺陷處、成分不均勻處(例如B的低濃度區(qū))產(chǎn)生選擇性優(yōu)先腐蝕和韌性材料

發(fā)生孔蝕和脆性材料發(fā)生裂紋腐蝕。因此,均化材料表面、減少缺陷、增加材料的韌性,都會大大延長材料的耐鋅蝕壽命。

3 沉沒輥表面改性的進展

沉沒輥基體材料主要是不銹鋼,由于表面磨損快,生產(chǎn)效率低,不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)。輥面的防腐蝕及延長壽命技術(shù)的發(fā)展大致有以下方面。

3.1 改善輥子基體的合金成分

20世紀80年代以前,沉沒輥一般無防腐蝕措施,因而輥面很快磨蝕,很難生產(chǎn)大量高質(zhì)量的鍍鋅鋼板。至80年代初,當(dāng)合金化鍍鋅板開始用作汽車面板時,才開始對輥子進行研制。開始是將SUS316鋼種的Ni含量降低,從而使輥的耐磨蝕率提高了2倍。

3.2 表面改性

表面改性技術(shù)是在不改變基體材料的前提下,運用現(xiàn)代技術(shù)改變材料表面的成分、結(jié)構(gòu)和性能的處理技術(shù)。目前所采用的耐熔鋅材料表面改性的方法主要包括下述幾種。

(1)滲鍍法 通過熱擴善的方法,將所需原子滲入到基體金屬表面,滲入元素固溶在基體金屬里或經(jīng)反應(yīng)擴散形成新的化合物層而具有不同于基體金屬的全新性能。對于不同性能的需要通過選擇滲入元素的種類來實現(xiàn)。用于耐熔鋅腐蝕的滲鍍層主要采用在低碳鋼表面上滲硼、先滲硼后滲鉬的順序滲以及在鉻鋼表面的滲鈦。滲硼層中的FeB、順序滲中的MoB2、滲鈦層中的Fe2Ti都與鋅液不互溶、不潤濕、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),具有良好的耐融鋅腐蝕性能。對熔鋅腐蝕的保護就是依靠這些新形成的相來實現(xiàn)的。在上述工藝中,滲硼工藝發(fā)展較成熟,且由于硼原子為小原子容易滲入,耐熔鋅腐蝕效果好。但是,利用滲鍍的方法所獲得的滲層都很薄,難于長期抵抗鋅液的浸蝕,其耐蝕壽命都很有限,不能徹底解決鋅液的腐蝕問題。

(2)熱噴焊 熱噴焊方法可以解決熱噴涂層與基體結(jié)合力差,涂層易剝落的缺陷。熱噴焊主要需要解決噴焊所需用的材料問題,因為耐熔鋅腐蝕性能好的材料一般焊接性能較差、脆性大,難以噴焊成均勻平滑的涂層,即使是形成噴焊層也會在冷卻過程中產(chǎn)生裂紋而喪失耐蝕性能。目前還沒有解決噴焊材料問題,因此此種方法應(yīng)用幾乎沒有。

(3)無沉沒輥技術(shù) 近年來,國內(nèi)外研發(fā)機構(gòu)相應(yīng)提出取消沉沒輥機構(gòu),開發(fā)以非接觸方式將帶鋼引入鋅鍋的裝置,即無沉沒輥熱浸鍍鋅技術(shù)。目前主要有浮子技術(shù)和電磁封流技術(shù)。浮子技術(shù)是1984年日本三菱重工首先在廣島研究所的試驗線上進行帶鋼懸浮傳送裝置(簡稱浮子)的實驗研究,其基本原理如圖2所示,即利用1對縫狀噴嘴,將噴出來的流體以某一角度噴射到帶鋼上,流體遇到帶鋼后改變方向,使其動量發(fā)生變化,在浮子和帶鋼之間的空間產(chǎn)生動壓。該動壓足夠大時帶鋼即被托起,形成非接觸傳送。浮子技術(shù)雖然解決了帶鋼與輥子的接觸引起的表面質(zhì)量問題,但是,由于浮子結(jié)構(gòu)本身設(shè)置在鋅液中,仍然存在液態(tài)鋅腐蝕等問題。

圖2 浮子基本形狀

電磁封流技術(shù)按磁場發(fā)生方式可分為交流磁場封流技術(shù)和直流磁場封流技術(shù)。其原理如圖3所示,即利用電磁力與鍍鋅槽內(nèi)鋅液的靜壓力形成動平衡,阻止鋅液流出。電磁封流技術(shù)也存在封流穩(wěn)定性和因磁極吸引力引起的走帶穩(wěn)定性的問題。因此,實現(xiàn)該技術(shù)還需要在設(shè)備完善和工藝改進上不斷努力。

圖3 高頻交流、直流磁場封流原理

 (4)熱噴涂 熱噴涂技術(shù)是表面工程學(xué)的一個重要組成部分,它為解決現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的設(shè)備表面強化問題提供了有效的

手段。熱噴涂是利用某種熱源將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),同時借助于焰流或高速氣流將其霧化,并推動這些霧化后的粒子噴射到基體表面,沉積成具有某種功能的涂層。用于熔鋅腐蝕涂層的熱噴涂技術(shù),其性能的好壞主要取決于噴涂材料的種類和噴涂工藝方法。噴涂方法和噴涂料制造工藝不同,涂層的壽命也不盡相同,多達40~60天,少僅10~15天。此外,沉沒輥的使用壽命還與所生產(chǎn)的鋼板種類及鋅液的成分有關(guān)。為獲得涂層所需的性能,研究者們將更大的精力投入到了噴涂用材料的選擇研究上。目前用于耐熔鋅腐蝕涂層的材料主要有:WC/Co、3%~9%B+Mo、Cr+W+Mo。由于這些材料構(gòu)成的噴涂層本身具有較好的耐融鋅腐蝕性能,因此用在無溫差變化的靜態(tài)工況條件下收到了較好的效果。熱噴涂方法也有其不足之處,如涂層與基體間結(jié)合力差,易脫落;不同材料具有不同的膨脹系數(shù)等。需要作進一步改進。

目前,新的沉沒輥采用馬氏體不銹鋼制作輥體,既耐腐蝕又與噴涂面層材料的熱膨脹系數(shù)比較匹配。涂層采用雙層涂層系統(tǒng),底層采用硬度較高的帶材堆焊,以大幅度提高面層涂層的抗擠壓凹坑能力及耐剝蝕性;面層采用超音速火焰噴涂金屬陶瓷涂層,具有優(yōu)異的耐融鋅腐蝕的能力和極好的耐磨性。這種新型的沉沒輥,其使用壽命可比原用的沉沒輥提高2~8倍。其他的工藝還有無機涂料方法等,但都未能很好解決熔融鋅腐蝕的問題。

3.3 改善鍍層孔隙的封閉方法

由于熱噴涂涂層含有微小的孔隙,對鍍鋅層的光滑性仍有一定影響,且易引起顆粒間的邊界腐蝕,目前開發(fā)的幾種封孔劑能使其使用壽命大大延長,為生產(chǎn)高質(zhì)量的汽車用合金化鍍鋅板創(chuàng)造了***的良好條件。