镀锡带钢表面淬水斑形成机理及治理措施.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413（2 0 2 3)0 5-0 154-0 3镀锡带钢表面水斑形成机理及治理措施周雪荣（宝山钢铁股份有限公司冷轧厂，上海2 0 190 0）摘要：针对镀锡机组带钢经过软熔淬水后带钢表面形成淬水斑质量缺陷问题，结合镀锡机组软熔工艺段设备的结构与特点，对带钢表面淬水缺陷进行检测，确定了淬水斑存在两种典型缺陷。在此基础上，根据克拉贝龙方程与沸腾传热理论，对带钢进入淬水槽的状态进行分析。分析结果表明，气泡在熔融锡层破裂产生的冲击力导致锡层分布不均匀或者杂质附着是淬水斑缺陷形成的主要机理。根据淬水斑形成机理，通过增设淬水槽喷嘴设备，稳定了带钢与水槽的温差，有效降低了带钢表面淬水斑缺陷的改判率，提高了镀锡板的市场竞争力。关键词：镀锡带钢表面；淬水斑；机理；治理中图分类号：TQ153.1+3文献标识码：A0引言随着我国生产力水平的不断提高，国民对生活质量的要求越来越高，尤其是食品安全问题1。近年来，镀锡板作为食品包装的重要材料，被广泛应用于奶粉罐、罐头、饮料等食品包装行业。此外，随着化学、生物技术的不断发展，金属包装行业受到新材料的巨大冲击2 。同时，镀锡产品表面质量不仅影响下游产品加工涂覆，同时也会影响食品存放周期。因此，提高镀锡板表面质量一直是电镀行业重点研究方向。通过相关文献检索可知，目前国内学者开启了从热轧到镀锡工艺优化的全流程技术攻关。张晓等3 通过优化粗轧立辊孔型、控制加热炉空燃比、优化在炉时间、实施板道异物压人控制技术等系列措施，解决了镀锡板表面白点问题；万一群等4分析了甲基磺酸（MSA)体系镀锡液中Fe2+质量浓度对镀锡层耐蚀性的影响;毕玉梅5对镀锡板生产过程中存在的黑灰、锡灰、淬水斑等表面缺陷产生原因进行了分析，并提出了改进措施。而对淬水斑形成机理与治理措施的研究很少。因此，如何在现有软熔工艺与设备的基础上，结合淬水斑形成机理，从根源提出有效的治理方案成为现场攻关的难点，本文即在此背景下展开研究。1镀锡机组淬水段工艺简介镀锡板在电镀槽中经过镀锡之后，为进一步增强锡层在基板的附着力以及降低镀锡板表面的针孔缺陷，需要对表面锡层进行加热，在基板与锡层表面形成合金层，即软熔。常见的软熔方式包括电阻软熔、感应软熔以及组合软熔，目前国内某镀锡机组采用的是组合软熔，带钢表面软熔温度为2 6 5左右。为防止锡收稿日期：2 0 2 3-0 1-10；修订日期：2 0 2 3-0 6-16作者简介：周雪荣（196 8-），男，上海人，工程师，大专，主要从事电镀工艺方面的工作。层在空气中氧化，同时获得光亮致密的锡层，需放人淬水槽进行降温。镀锡机组淬水工艺段如图1所示。压辊导电辊2组合软熔沉没辊图1镀锡机组淬水工艺段2镀锡表面质量分析镀锡板在经过软熔之后进行淬水的过程中，表面会形成“雪花”状的淬水斑，经过对淬水斑迹进行分析可知其包括两种形态：一种是带钢表面含有Sn、O、Fe、Si、C,通过对不同元素含量进行推测，带钢表面的物质极有可能是SnO与C,其中C是碳钢中不可避免的成分，因此该情况下淬水斑的形成是由于锡层厚度不均匀、粗糙度不均匀、凹凸点不一致引起光的散射，进而导致带钢表面出现不同程度“淬水斑”；另一种是带钢表面“淬水斑”处含有Fe、O、Sn、Ca、Si、A l 的成分，其中SnO是锡在高温下氧化导致,Fe是基体材料，而Ca、Si、A l 初步判断是淬水槽中的杂质离子附着到带钢压辊导电辊12023年第5期表面形成的。镀锡板淬水斑典型缺陷如图2 所示。表1和表2 分别为两种淬水斑迹化学成分检测结果。(a)斑迹1图2 镀锡板淬水斑两种形态表1第一种淬水斑迹化学成分检测（质量分数）检测点Fe14.1323.7532.42表2 第二种水斑迹化学成分检测（质量分数）检测点Fe10.721.0530.74结合淬水斑缺陷处的元素成分检测与表面形貌观测可知：淬水斑的形成一方面是由于“异物”附着在带钢锡层表面，导致带钢出现“淬水斑”缺陷；另一方面，是由于带钢表面锡层在带钢表面局部的厚度分布极不均匀导致的。3淬水斑形成机理分析基板在镀锡之后表面的锡层分布均匀，而带钢表面锡层在经过淬水之后出现局部厚度分布不均，极有可能是带钢镀锡板在淬水过程中锡层受到设备“刮擦力”导致，该力如果是淬水槽内异物刮伤，则会呈现出一定的规律性，而根据现场跟踪，镀锡板表面的“淬水斑”呈现出无规律性。镀锡板淬水过程中，由于镀锡板表面温度与淬水槽之间温度差较大导致带钢表面在与淬水槽水面接触的瞬间产生过度热。镀锡板淬水过程气泡受力如图3所示。P图3镀锡板淬水过程气泡受力根据图3，结合蒸气泡的力平衡，可知维持气泡所需压力差如式（1)所示：元R(p-pt)=2元R.其中：R为气泡半径，mm;pi为气泡外压,Pa;p为气泡内压，Pa；为气液界面表面张力，N/m。根据克拉贝龙方程，在镀锡板水过程中，带钢与周雪荣：镀锡带钢表面水斑形成机理及治理措施(b)斑迹2%90之间。经过软熔之后，带钢表面锡层温度与淬水Sn068.8123.7261.8331.5440.8440.84Sn00.4155.362.7851.74.9268.6气泡内外压力差PvR:155水接触区域气泡需满足RRmin时才能存在，否则气泡会发生破裂。气泡最小半径Rmin（m m）由下式确定：Rmin=(2)qp(tu-t.).其中：为气泡表面张力，N/m；T 为气泡内外温差，；q为汽化潜热，J/kg；p 为蒸汽密度，kg/m；t为镀锡板温度，；t，为对应压力下的饱和温度，。根据淬水段工艺，经过组合软熔之后带钢表面锡层温度达到了2 6 5左右，淬水槽的温度在水蒸气（10 0）与新鲜水（2 0）作用下，维持在8 0 SiC2.441.91.761.121.733.33%产生极不稳定，气泡附着在带钢表面，有形成蒸汽膜的SiCa26.9301.328.1323.80表面张力2T槽的温差达到了17 518 5。沸腾换热系数与温差关系如图4所示。根据沸腾传热理论，当带钢与淬水槽温差在2 8 2 0 0 范围内时，带钢处于过渡沸腾区，但是此时带钢表面气泡的A1趋势，蒸汽排出困难，导致热流密度降低，蒸汽密度降9.35低。由式(2)可知，蒸汽密度降低气泡发生破裂，对带0.821.88(1)钢表面熔融的锡层产生冲击力，导致锡层出现水斑，此时，如果淬水槽中杂质较少，则形成的淬水斑如图5(b)所示；杂质较多则形成的淬水斑如图5（c)所示。当带钢与淬水槽温差处于2 0 0 及以上范围内，带钢表面与淬水槽水面处于膜态沸腾区，此时，带钢表面会形成蒸汽膜区，蒸汽快速挥发，带走大量热，对镀锡板进行快速降温，如图5（d)所示。14X10-512X10-51010-5(.8X10-5E6X10-54X10-52X10-5佰然对流/起始沸腾点01图4沸腾换热系数与温差关系根据上述镀锡板淬水过程中钢板在一定温度下锡层在各种沸腾状态下的表面状态，钢板在过渡沸腾状态下最易形成淬水斑，由于淬水槽中杂质含量不同，极易形成两种淬水斑。4淬水斑治理措施根据水斑形成机理，通过加速带钢进入水槽处的流场，可以维持带钢进入淬水槽的温度差，避免产生大量气泡冲击。因此，结合国内某镀锡机组淬水槽结构（如图6 所示），对喷嘴结构与位置参数进行设计，详细数据如表3所示，此时可以通过调节溢流口螺栓改变溢流口和用挡板来调节溢流口水面，实现不同规格带钢淬水时间的调整。在淬水槽内喷嘴的作用下，带钢进入淬水槽附近的流场流速加快，带钢与淬水槽热交换界面处于相对稳定的温差，通过对比生产周期内由于淬水斑缺陷导致高等级用镀锡板改判为低等级用镀锡板吨量的比例（即改判率),该方式有效降低了周期内淬水斑的缺陷核态沸腾、过渡沸腾膜态沸腾DNB10温差/1001000156改判率，如表4所示。机械工程与自动化2023年第5期脱盐水O脱盐水淬水槽杂质水膜O脱盐水萍水槽杂质水膜水膜O（a）淬水工艺简图bC水面术条上喷嘴沉没辊图6 汽淬水槽结构示意图喷嘴间隙喷嘴与带钢间隙6 和c项目(mm)参数40.2表4技术优化前、后淬水斑缺陷改判率内容带钢生产重量（t/周）优化前3846优化后3945参考文献：1李亚男.食品包装材料安全问题探究J.绿色包装，2 0 2 2(9):36-39.2刘连喜，刘建兵.中国金属包装产业及包装材料的发展现Formation Mechanism and Treatment Measures of Quenching WaterAbstract:In view of the quality defect of quenched water spot formed on strip steel surface after soft melt quenching of tin platingunit,combined with the equipment structure and characteristics of the soft melting section of the tin plating unit,the surfacequenched water defect of strip steel was detected,and two typical defects of quenched water spot were determined.On this basis,according to Clapeyron equation and boiling heat transfer theory,the state of strip steel entering the quenched water tank is analyzed.The results show that the non-uniform distribution of tin layer or the adhesion of impurities caused by the impact force caused by therupture of bubbles in the molten tin layer is the main mechanism for the formation of quenched water spot defects.According to theformation mechanism of quenched water spot,the temperature difference between strip steel and quenched water tank is stabilized byadding the nozzle equipment of quenched water tank,which effectively reduces the correction rate of quenched water spot defects onstrip surface and improves the market competitiveness of tin plate.Keywords:tinned strip steel surface;quenching water spot;mechanism;treatment（b）无杂质淬水斑形成示意图图5带钢淬水过渡沸腾状态5结论（1）镀锡机组经过电镀之后，基板表面锡层的孔隙率与厚度均匀性较差，需进行软熔，同时为避免锡层氧化，经过淬水槽进行降温，但也导致镀锡带钢表面形成淬水斑迹缺陷。（2）根据克拉贝龙方程以及沸腾传热理论，结合软熔与淬水工艺，对镀锡板熔融锡层与淬水槽传热过溢流口用挡板滋流口调下喷嘴整用螺栓表3水槽设备参数喷嘴至水面距离上喷嘴口至水面距离d(mm)(mm)1002302淬水斑缺陷改判量（t/周）改判率（%）68.81.7940.81.03Spots on Surface of Tinned Strip SteelZHoU Xue-rong(Cold Rolling Plant,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)（c）杂质淬水斑形成示意图程中沸腾对锡层冲击状态进行分析，并对淬水斑形成过程进行了推理与分析。（3）通过在淬水槽内增设喷嘴，加速了带钢进人淬水槽处水的循环速率，使得带钢进入淬水槽的温度尽量维持在定值，避免产生大量气泡冲击熔融状态锡层产生淬水斑。下喷嘴口至水面距离e(mm)(mm)11021352状及趋势J.河北冶金，2 0 15（7）：7 6-7 9.3张晓，张诚.高端镀锡基板表面质量的优化控制措施J.冶金与材料，2 0 2 2，42(2)：18 7-18 8.4万一群，沈鹏杰，吉学军，等.甲基磺酸体系镀锡液中Fe2+含量对镀锡层性能的影响J.电镀与涂饰，2 0 19，38(23):1266-1268.5毕玉梅.食品级镀锡板表面缺陷产生原因及改进措施J.武钢技术，2 0 15,53（4)：33-35,39.（d）膜态沸腾传热示意图泵的压力设定(Pa)2X1055X105