锌铝镁产品表面缺陷分析与控制_魏升辉.pdf

2 m图 1锌流纹形貌锌铝镁产品表面缺陷分析与控制魏升辉1，梅淑文1，高小尧2，王海龙1（1.河钢唐钢技术中心，河北唐山063000；2.河钢唐钢热轧事业部，河北唐山063000）摘要：针对河钢唐钢冷轧厂 ZM275 以上的厚镀层锌铝镁产品表面出现的锌流纹和边部斜纹缺陷进行 SEM 和EDS 分析，并结合锌铝镁镀层中液态镀层凝固过程分析，最终确定锌流纹缺陷是由于镀液不均导致，发生在边部50200 mm 的边部斜纹是由于液态镀层氧化膜流动形成。生产实践结果表明，通过优化气刀参数、提升锌锅温度、控制镀后冷却速度和带钢速度可以有效改善厚镀层锌铝镁产品表面的锌流纹和边部斜纹缺陷。关键词：锌铝镁；锌流纹；边部斜纹；厚镀层中图分类号：TG142.7文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0135-040引言镀锌铝镁钢板因其优异的耐蚀性、切口自修复能力以及加工性能引起了高腐蚀环境材料应用行业的高度重视，如光伏行业、畜牧行业、道路护栏、汽车零部件行业等1-3。镀锌铝镁生产工艺逐渐成熟，但高耐蚀环境下使用的镀层一般为 ZM275 以上的厚镀层，主要因锌铝镁镀层比镀锌层更敏感，极易出现锌流纹、边部斜纹缺陷4，此类缺陷不仅影响表面美观，还会严重影响客户加工使用。国内学者研究表明，镀锌铝镁工艺中的生产线速度、气刀喷吹气流压力、气刀刀唇与钢带距离、刀唇角度、刀唇间隙、镀层厚度、镀液成分等参数因素与锌铝镁镀层质量有关4-7。通过对河钢唐钢冷轧厂生产的厚镀层锌铝镁产品表面锌流纹和边部斜纹产生的机理进行分析研究，确认了产生表面缺陷的原因，并采取相应的控制措施，使锌流纹和边部斜纹缺陷问题大大改善。1表面锌流纹锌流纹是镀层钢板的主要表面缺陷之一，厚镀层钢带表面会形成类似于波纹的缺陷，如图 1 所示。镀锌产品形成的锌流纹较轻，可以通过光整机来消除，但锌铝镁产品形成的锌流纹较为严重，经光整后依然会有手感存在，严重影响表面感观和客户使用。1.1锌流纹形成机理无论是镀锌产品和锌铝镁产品，锌流纹产生的原因主要是镀液不均。导致镀液不均的主要原因是带钢出锌锅后到达气刀前镀层处于液态，多余的锌液在重力作用下从上往下流动，黏在带钢表面的液态锌随着与锌液面距离的增大而减少。阻碍锌液流动的空气会降低镀层的温度，在镀层到达气刀位置后与气刀喷出的空气混合，使带钢上的液态锌减少，同时对其进行冷却，过量的锌在气流的作用下堆积形成波纹。经过混合空气冷却，带钢表面温度降至镀液凝固点以下凝固，形成“锌流纹”。其形成机理如图 2 所示8。1.2锌铝镁锌流纹电镜分析对锌铝镁锌流纹区域进行 SEM 和 EDS 分析，其结果如图 3 和图 4 所示。从图 3 正常部位镀层组织可以看出，镀层组织均为典型的低铝锌铝镁组织2，即由块状初生锌相，富锌相和 MgZn2组成的二元共晶相以及 Zn/MgZn2/Al 三元共晶相组成。从图 4 可以看出，有锌流纹部位无典型组织形貌，同时在电镜下呈现高低不平的成像。为探究是否是元素分布不均而导致的锌铝镁产品表面色差或者严重的有手感的锌流纹缺陷，对锌流纹区域进行了面扫描分析，结果如下页图 5 所示，从面扫结果上看，C、O、Mg、Al、Si、Zn 元素分布均匀。收稿日期：2022-11-26第一作者简介：魏升辉（1989），女，毕业于北京科技大学，硕士研究生，工程师，主要从事新产品研发及新产品体系文件的贯通工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.051图 2锌流纹形成机理示意图图 4锌流纹部位镀层组织图 3正常部位镀层组织2 m生产实践山西冶金E-mail:第 46 卷对锌流纹处和正常位置进行 EDS 点扫描分析，结果如图 6、图 7 和表 1 所示，结果显示锌流纹处有较高的 w（O），高达 14.85%，而正常位置 w（O）仅为4.89%。这也就解释了锌铝镁产品相较于镀锌产品锌流纹严重的原因：镀层经过气刀的作用，形成了液态镀层，对于其他产品液态镀层氧化问题影响不太大，锌铝镁镀层中的镁非常活跃，会产生严重氧化，镀层表面会被镁的氧化层覆盖，降低了流动性，与底层的流动性发生差异，冷却凝固以后便在镀层表面产生流纹缺陷。1.3锌流纹产生的原因分析通过对锌流纹形成机理的分析，以及对比锌流纹处和正常位置的 SEM 和 EDS 分析，可以初步确定厚镀层锌铝镁产品的锌流纹与液态镀层的凝固过程有直接关系。在生产过程中，气刀的角度、距离、压力以及刀唇的开口度直接影响镀层的冷却速度，气刀距离关系到镀层凝固线的位置4。带钢速度会影响锌铝镁镀层在空气中的氧化时间，带钢速度慢导致镀液流动性变差。镀液温度会影响镀液流动性，镀液温度低会导致镀液流动性下降。因此，气刀参数设置不合理、带钢速度慢和镀液温度低，都与镀层的冷却速度及镀层凝固线的位置密切相关，从而导致锌流纹的形成。1.4锌流纹改善方案及效果针对产生锌流纹的原因制定了以下解决方案。1.4.1优化气刀参数根据镀锌产品生产的广义公式：Cw=kLsDp.式中：Cw为镀锌量，g/m2；Ls为生产速度，m/min；D 为气刀间距，mm；p 为气体压力，mbar；k、为相关系数。根据生产实际，推算出 k0.75，0.8，0.72，0.013。在此基础上对气刀角度、压力和距离等参数进行调整，主要是减小气刀压力、增大气刀角度和减小气刀距离，调整的具体数值如表 2 所示。1.4.2提高带钢速度带钢运行的最大速度是由炉子的加热能力决定的。在炉子加热能力允许的前提下，提高带钢的运行速度可以缩短带钢出锌锅后进入气刀的时间，保持带钢上的液态锌铝镁量，经过气刀的喷吹冷却，能保证镀层均匀一致，故应提高带钢速度。工艺调整后厚镀层带钢速度如表 3 所示。1.4.3升高锌锅温度升高镀液温度，能增加带钢本身的热能，同时也加快了带钢出锌液后进入气刀前其表面锌液的流动，减少锌流纹的形成，因此将锌锅锌液温度从 420 2 调整为 425 2。1.5解决效果通过对系列工艺参数的优化，275 g/m2及以上镀图 5锌流纹处面扫结果表 1正常位置与锌流纹位置 EDS 对比图 7锌流纹 EDS 分析元素正常位置锌流纹位置质量分数/%原子分数/%质量分数/%原子分数/%C（K）24.4356.6039.2163.94O（K）4.898.5014.8518.18Mg（K）2.512.871.661.34Al（K）2.702.783.092.24Si（K）2.442.424.913.43Zn（L）63.0326.8336.2810.87图 6正常位置 EDS 分析表 2气刀参数调整气刀工艺参数调整前调整后气刀压力/kPa1310.5气刀角度/（）正面-0.4-0.1反面1.0-0.2气刀距离/mm正面1612反面42表 3带钢速度调整工艺调整前调整后带钢速度/（m min-1）65707075C Ka1_2O Ka1Mg Ka1_2Al Ka1Si Ka1Zn Ka11362023 年第 5 期100 m图 12边部斜纹处表 4边部斜纹位置 EDS 分析结果图 8边部斜纹层产品的锌流纹缺陷率由 1.56%降低到 0.5%以下，未出现因锌流纹产生的质量抱怨和质量异议。2边部斜纹边部斜纹多发生于厚规格和厚镀层产品，特征是在边部 50200 mm 范围内易出现发亮的色差，边部发亮最严重，从边部向中心逐渐减轻，直至消失。且发亮的部分有从边部向中心延伸、向下倾斜的、相互平行的粗线条，还有与粗线条基本垂直的密布的细线条，形成网格状的花纹，集中出现在厚镀层锌铝镁产品表面上。其形貌如图 8 所示。2.1电镜分析为探究边部斜纹产生的机理，对边部斜纹处位置进行电镜和 EDS 分析。电镜下边部斜纹在 36和 2 000的形貌如图9、图 10 所示，其呈现出 45角左右的斜线型条纹，且凹凸不平。对边部斜纹凹凸位置进行 EDS 分析，结果如图11、图 12 和表 4 所示，结果表明，正常位置相较于边部斜纹位置未发现有 C、O 元素的存在，同时 Mg 含量低。因此分析产生边部斜纹的主要原因为液态镀层表面氧化造成的。当带钢离开气刀以后，就暴露在空气中，表面的镀层会发生氧化。与铝的氧化物不同，镀层中有了镁以后，表面铝和镁共同氧化的氧化膜厚度更厚，且黏度大幅度增加。由于厚规格或厚镀层带钢冷却速度很慢，同时厚规格边部镀层超厚更严重，液态镀层凝固时间很长，加上表面氧化膜的厚度厚，与内部液态镀层的黏度差大，在上升的过程中就会发生相互之间的错位滑落，出现向下流动的现象。在这个过程中，在带钢边缘厚度 12 倍的区域，由于边缘效应的作用，散热很快，会优先凝固，氧化膜也会凝固，就使得边缘的氧化膜被固定住。边部的氧化膜固定后，向中部方向的氧化膜会往下流动，结果就形成了往中部方向的倾斜，这种现象也会造成氧化膜本身在水平方向和垂直方向的层与层之间的应力，当应力超过一定极限时，就会形成氧化膜的裂纹，最终产生了由水平向下倾斜、相互平行的横向裂纹和与其基本垂直的纵向裂纹构成的网格状花纹，且这一区域表面粗糙度增加，对光线的反射作用更加强烈，看起来特别亮。2.2工艺改进2.2.1增大气刀开口度边部超厚是产生边部斜纹的主要原因，镀层越厚，表层凝固至内部液态的状态时间越长，越容易产生边部斜纹，为了控制边厚，生产厚镀层时，需增大气刀刀唇的边部开口度，提高边部气流量，提高气刀边部的刮锌能力，从而减小镀层边厚。2.2.2降低锌锅温度及提高镀后冷却速度降低锌锅温度和提高镀后冷却速度，缩短液态镀层氧化时间，使整个镀层尽快均匀凝固，有利于减轻边部斜纹。由于锌锅温度太低又容易产生锌流纹，所以将锌锅温度控制为 425 的基础上，对镀后冷却进行试验调整，提高风机的风量，工艺改进情况如表5 所示。2.3改进效果改进措施实施以来，消除了 275 g/m2镀层的边部斜纹，350 g/m2及以上锌铝镁镀层产品的边部斜纹从30 mm 宽度降低到 10 mm 以内，未出现因边部斜纹而产生的质量抱怨和质量异议。图 10边部斜纹（2 000）图 9边部斜纹（36）图 11正常位置表 5厚规格镀后冷却工艺调整元素正常位置边部斜纹位置质量分数/%原子分数/%质量分数/%原子分数/%C（K）33.6665.50O（K）5.788.45Mg（K）2.506.183.213.09Al（K）2.475.512.181.89Si（K）0.771.652.872.39Zn（L）94.2686.6752.2918.69工艺调整前调整后镀后冷却风机开度/%48、44、48、0、45、9048、55、57、0、43、802 m魏升辉，梅淑文，高小尧：锌铝镁产品表面缺陷分析与控制137山西冶金E-mail:第 46 卷3结论1）厚镀层锌流纹缺陷主要是镀液温度和气刀参数不合理使得表层冷却凝固流动性变差造成的，该缺陷通过调整镀液温度、气刀高度、气刀和钢板距离而消除。边部斜纹产生的主要原因是边厚和镀后冷却速度慢，通过调整气刀开口度和镀后冷却制度来减轻缺陷宽度。2）通过工艺优化，厚镀层锌铝镁产品表面质量稳步提高，合格率从 96.7%提高到 99.04%，结合用户项目场地环境评估和试验数据，为用户提供相适应的镀层重量，促进了高腐蚀环境下镀锌铝镁产品的应用。参考文献1张树亮.热基锌铝镁镀层材料在光伏支架领域的应用J.金属世界，2021（6）：32-34.2谢英秀，金鑫焱，王利.热浸镀锌铝镁镀层开发及应用进展J.钢铁研究学报，2017，29（3）：167-174.3肖学文，杨柏松.钢板锌铝镁涂镀层的新发展J.工业加热，2021，50（6）：51-52.4杨宏伟，刘春雨，周研，等.气刀工艺参数对锌铝镁镀层厚度和表面缺陷的影响J.河北冶金，2022（10）：25-28.5董世文，骆永伟，王向飞，等.锌铝镁镀层板的形貌分析J.材料保护，2020，53（12）：146-151.6邱婉凌，秦汉成，杨志强.锌铝镁镀层钢板的镀层质量以及镀层中铝镁铁的测定J.冶金分析，2019，39（12）：45-49.7张鹏，张杰，梁爱国，等.冷却速度对锌铝镁镀层组织及耐蚀性能的影响J.河北冶金，2022（1）：30-33.8高强，王溪钢.热镀锌钢板锌流纹缺陷成因分析与消除方法J.轧钢，2008，25（4）：52-54.（编辑：武倩倩）Analysis and Control of Surface Defects in Zinc Aluminum Magnesium ProductsWei Shenghui1,Mei Shuwen1,Gao Xiaoyao2,Wang Hailong1（1.Technology Center,HBIS Group Tangshan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000;2.Hot Rolling Business Unit,HBIS Group Tangshan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000）Abstract:SEM and EDS analysis were conducted on the zinc flow lines and edge twill defects on the surface of thick coated zinc aluminummagnesium products above ZM275.Combined with the solidification process analysis of the liquid coating in the zinc aluminum magnesiumcoating,it was finally determined that the zinc flow line defect was caused by uneven plating solution,and the edge twill defects of50200 mm on the edge were formed due to the flow of the oxide film in the liquid coating.The production practice results show thatoptimizing the parameters of the air knife,the temperature of the zinc pot,the cooling rate after plating,and the speed of the strip steel caneffectively control the zinc flow lines and edge twill defects on the surface of thick coated zinc aluminum magnesium products.Key words:zinc aluminum magnesium;zinc flow pattern;edge twill;thick coating而倾斜综放工作面则是不均衡分布和无规则变化的。因此可以判断出倾斜综放工作面的开采容易造成顶板的偏应力集中，低水平位置的回采巷道矿压显现会更加剧烈，需要加强支护和管理。2）研究发现，顶煤采出率随着俯采角的增大而逐步减小，因此在现场生产中，应当对大倾角综放开采放煤工艺进行针对性优化。同时在两轮或三轮顺序放煤方式条件下，顶煤的采出率高，减少顶板矸石的混入。根据模拟结果确定了一刀一放、两轮顺序放煤方式。3）在掌握了西坡矿倾斜综放工作面矿压显现规律后，针对现场提出了管控措施，对特殊地质条件下工作面设备防倒防滑进行了管控和研究。参考文献1李国华，任艳芳，徐天发，等.厚松散层浅埋煤层工作面矿压显现规律研究J.煤炭工程，2013（1）：3.2王大川.浅埋煤层综采工作面矿压规律实测研究J.煤炭与化工，2014，37（2）：3.（编辑：赵婧）Research on the Behavior Law of Coal Pillar Pressure in Fully Mechanized Caving Face ofShallow Buried Coal SeamYang Wenhao（Shanxi Xishan Mining Management Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030053）Abstract:In view of the tectonics uplift in the middle of the 5106 working face in Xipo Mine,which leads to the existence of differentdegrees of dip angles in the strike and dip direction of the working face,the working face is prone to cause the partial stress concentration ofthe roof during mining,and the problem that the ground pressure of the mining roadway at the low level will be more severe,the coal cavingtechnology of high dip fully mechanized caving mining will be targeted optimized to improve the recovery rate of top coal.Key words:fully mechanized top coal caving face;large inclination angle;surrounding rock pressure（上接第 130 页）138