沉沒輥

沉沒輥及其存在的問題

目前世界各鋼鐵企業(yè)運(yùn)行的帶鋼熱浸鍍機(jī)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(jī)構(gòu)。

圖1 鋅鍋沉沒輥機(jī)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(qiáng)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(yùn)動速度高達(dá)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(qiáng)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(jī)制

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

2.1 與鋅互溶材料的腐蝕機(jī)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(jī)制是溶解腐蝕、反應(yīng)擴(kuò)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(jī)制同時存在。

2.2 與鋅不互溶材料的腐蝕機(jī)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(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)腐蝕機(jī)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(jìn)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(jì)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。***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(jìn)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(yùn)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(kuò)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(kuò)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(hù)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(jī)構(gòu)相應(yīng)提出取消沉沒輥機(jī)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(dá)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(jìn)一步改進(jìn)。

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(jī)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。