國外鋼板熱鍍鋅技術(shù)發(fā)展

國外鋼板熱鍍鋅技術(shù)發(fā)展
工藝流程圖 
1.5.1 引言 
　　發(fā)達(dá)國家鋼板帶的熱鍍鋅技術(shù)近10余年來主要針對汽車用熱鍍鋅板取得了一系列技術(shù)進(jìn)步，其中包括鋼基體的化學(xué)成分，鋼板表面的軋制質(zhì)量，熱鍍鋅鍍層厚度的均勻性，合金化*相結(jié)構(gòu)及工藝控制等一系列技術(shù)問題。經(jīng)過10余年的研究，上述的技術(shù)問題及完成此項(xiàng)技術(shù)要求的工藝裝備已基本得到解決而開始大量用于汽車上。由于合金化鍍鋅板成本和質(zhì)量的*性，日本汽車界決定到2005年汽車用板全部用合金化鍍鋅板，取代現(xiàn)有的電鍍鋅合金板。新近投產(chǎn)的熱鍍鋅或改造舊的熱鍍鋅機(jī)組的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量都有進(jìn)一步提高，例如美日新建的Protec生產(chǎn)線可生產(chǎn)寬度達(dá)1900mm，厚度在0.4～2.3mm的熱鍍鋅鋼板，機(jī)組速度zui高可達(dá)185m/min，合金化速度達(dá)136m/min，年生產(chǎn)能力達(dá)60萬噸。本文僅就國外鋼板熱鍍鋅技術(shù)和裝備近十余年的進(jìn)展作一概述。 
　　1.5.2 鋼帶熱鍍鋅生產(chǎn)工藝的技術(shù)進(jìn)步 
　　近十余年，由于汽車和家電行業(yè)大量使用鍍鋅板，對鍍鋅板質(zhì)量提出了更高的要求。上世紀(jì)60年代以前鋼帶連續(xù)熱鍍鋅方法有改良森吉米爾法、美鋼聯(lián)法、塞拉斯法、莎倫法、惠林法等。由于當(dāng)時的鍍鋅產(chǎn)品主要用于建筑和容器制造業(yè)，對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能要求不高，各種方法均能滿足要求。自上世紀(jì)80年代起汽車工業(yè)和家電行業(yè)廣泛采用鍍鋅鋼板后，上述方法無法滿足要求。美鋼聯(lián)法雖以其產(chǎn)品的優(yōu)異質(zhì)量而受到用戶的歡迎，但該法要提高產(chǎn)量，必須延長機(jī)組退火爐長度，從而增大投資。美鋼聯(lián)法經(jīng)過改進(jìn)，用立式退火爐取代臥式退火爐，不僅縮短了爐長，加快了機(jī)組速度，而且進(jìn)一步提高了鍍層的附著性和表面質(zhì)量，使產(chǎn)品成本大大降低。因此，上世紀(jì)90年代后新建的熱鍍鋅線大部分采用美鋼聯(lián)法。 
　　美鋼聯(lián)法鍍鋅生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是：(1)采用電解脫脂，在機(jī)組入口段設(shè)電解脫脂裝置，可將鋼帶表面油污*除掉(包括凹坑內(nèi)的油脂)；(2)還原退火爐由全輻射管加熱鋼帶，因此鋼帶還原不受煤氣熱值波動、壓力波動及加熱控制系統(tǒng)失靈的影響，消除了改良森吉米爾法的一系列弊端，使鍍鋅層質(zhì)量得到根本的改善。 
　　1.5.3 IF鋼合金化鍍鋅板 
　　采用的沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼難以生產(chǎn)適合汽車沖壓成型要求苛刻的鍍鋅板。為此上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了IF鋼(無間隙原子鋼)，它具有*的沖壓成型性，經(jīng)熱鍍鋅并合金化后更具有良好的耐蝕性、焊接性和涂裝性，從而適應(yīng)于汽車的內(nèi)、外面板。其中影響其使用性能zui大的是沖壓成型時鍍層的附著性和焊接性。 
　　1.5.3.1 鍍層的附著性 
　　IF鋼合金化鍍鋅板在沖壓成型時zui易出現(xiàn)鍍層的剝落，其剝落的形式有兩種：鍍層呈顆粒狀剝落稱為粉化和呈片狀剝落稱為剝離。此外，由于鍍層表面與沖壓模之間的摩擦系數(shù)不適合而發(fā)生鋼板的折皺和撕裂等缺陷。鍍層微觀結(jié)構(gòu)的大量研究表明，沖壓成型時出現(xiàn)的上述缺陷均與鍍層的Fe含量及相結(jié)構(gòu)的組成和分布有密切。 
　　1.5.3.1.1 鋼基體化學(xué)成分的影響 
　　在IF鋼中有Ti IF鋼和Ti+Nb IF鋼兩種。它們的合金化鍍鋅層有兩種，附著性有一定差別。一般說，Ti+Nb IF鋼鍍層的抗粉化性優(yōu)于Ti IF鋼。 
　　在IF鋼中添加P可以阻礙脆性大的Γ相的形成，而有利于較軟的Γ1相的形成。在TiIF鋼中添加Si可改善鋼鍍層界面強(qiáng)度而有利于其鍍層的抗剝離性。 
　　1.5.3.1.2 合金化鍍鋅層相結(jié)構(gòu)及鐵含量的影響 
　　國外的研究表明，鍍層的剝離多發(fā)生在Γ相層內(nèi)的水平裂紋。鍍層微觀結(jié)構(gòu)的大量研究表明，合金化鍍鋅板在沖壓成型時出現(xiàn)的上述缺陷與鍍層中鐵含量及相結(jié)構(gòu)組成和分布有密切。 
　　鍍層的粉化采用V—彎曲試驗(yàn)法和粉化杯試驗(yàn)法評價。試驗(yàn)表明，Ti IF鋼合金化鍍鋅層的粉化失重隨鍍層的鐵含量提高而增大。鐵含量與鍍層相結(jié)構(gòu)組成的分析表明，Ti IF鋼鍍層的粉化開始于鐵含量為3g/㎡(5% Fe)，當(dāng)鐵含量較高時，粉化量急劇增大。鐵含量小于3g/㎡時，鍍層主要由ξ和η相構(gòu)成，而δ和Γ相很少。5g/㎡以上時主要由δ和Γ相構(gòu)成，鍍層表面可能存在少量ξ相。這表明5g/㎡的鐵含量是臨界成分 
　　鍍層的剝離通常用剪切試驗(yàn)法評價。研究表明，Ti IF鋼鍍層的鐵含量小于3g/㎡時，附著層破裂，而大于4g/㎡時則在Γ相/鋼基的界面上剝離。 
　　此外，在沖壓成型時，鍍層與模具間的摩擦系數(shù)必須匹配，否則易發(fā)生折皺甚至裂紋。試驗(yàn)表明，摩擦系數(shù)與鍍層的鐵含量有關(guān)。Ti IF鋼合金化鍍鋅板的鐵含量在4～6g/㎡時，摩擦系數(shù)相當(dāng)于冷軋鋼板，其鍍層的相結(jié)構(gòu)主要為δ1和ξ相。ξ相的比例較大時易于粘附模具，摩擦系數(shù)過高，使鍍層呈片狀剝落。因此從成型性考慮，合金化鍍層的*相組成應(yīng)以δ1相為主，含有少量ξ相。 
　　1.5.3.2 合金化鍍鋅板的焊接性 
　　一部汽車約有3000～4000個焊點(diǎn)。點(diǎn)焊是由于在鋼板界面上電阻發(fā)熱而產(chǎn)生高溫，使鋼板熔合。通常認(rèn)為，獲得焊接直徑4t(t為鋼板厚度)的zui小電流和產(chǎn)生zui小噴濺電流之間的電流差值為焊接性范圍，此范圍的值為0.6KA。合金鍍鋅板的焊接性范圍較窄，并與鍍層的鐵含量有關(guān)。試驗(yàn)表明，焊接電流隨鍍層中鐵含量增大而減小。對于汽車生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)線，要求鍍層具有高熔點(diǎn)、高表面電阻和硬度以及均勻的鍍層厚度。顯然，鐵含量高的鍍層具備上述要求。故從焊接性上考慮，鍍層相結(jié)構(gòu)應(yīng)以鐵含量較高的δ1相為宜。 
　　綜上所述，為取得加工性和焊接性均好的IF鋼合金化鍍鋅板，鍍層的*鐵含量為：4～5g/㎡(9%～10%Fe)，zui大不宜超過5.5g/㎡(11%Fe)。*相結(jié)構(gòu)為以δ1相為主并含有極少量ξ相以及極薄的不可避免的Γ相層。采用含P的Ti IF鋼熱鍍鋅并合金化處理所得的鍍層可*避免形成Γ相層。采用含P的Ti If鋼熱鍍鋅并合金化處理所得的鍍層可*避免形成Γ相，而取代之較軟的Γ1相。 
　　1.5.4 新的高耐蝕鋅基鍍層的開發(fā) 
　　鋅基合金的高耐蝕性鍍層除上世紀(jì)70～80年代研究并以商品化的Galfan、Galvalu-me鍍層外,近十余年又相繼開發(fā)出更高耐蝕的 
鋅合金鍍層和特殊性能的鍍層。例如Zn-0.5%Mg、Zn-6%Al-3%Mg等鍍層。 
　　新日鐵開發(fā)的Zn-0.5%Mg鍍層鋼板比傳統(tǒng)鍍鋅板具有更高的耐蝕性，且成本和生產(chǎn)工藝均無大的變化。研究表明，在鍍液中添加Mg可提高鋅層的耐蝕性。在純鋅或Zn0.2%Al中加入0.5%Mg時，鍍層的SST試驗(yàn)的腐蝕率下降到zui低的水平，在相同鍍層重量下，其耐蝕性為普通熱鍍鋅層的1.5～2倍；大氣加速腐蝕試驗(yàn)表明，其耐蝕性達(dá)到普通鍍鋅板的3倍；復(fù)合循環(huán)腐蝕試驗(yàn)(CCT)表明，Zn-0.5%Mg鍍層的腐蝕失重僅為普通鍍鋅板的1/5；在Hirohara試驗(yàn)場的大氣中暴曬21個月時，Zn-5%Mg鍍層的腐蝕率僅為4.5g/㎡/a，而普通鍍鋅板高達(dá)15g/㎡/a；在Aihi Oil Refineries海洋大氣6個月的暴曬試驗(yàn)表明，Zn-5%Mg鍍層鋼板鍍層失重為36.4g/㎡，而普通鍍鋅板為137.8g/㎡。 
另外，由于Zn-0.5%Mg鍍層的硬度(HV達(dá)100)比普通鍍鋅層(HV等于65)大而使其具有較高的抗劃傷性。 
對腐蝕產(chǎn)物的物相分析表明，此種鍍層的高耐蝕原因在于其腐蝕產(chǎn)物為致密的ZnCl2•4Zn(OH)2層，而普通鍍鋅層的腐蝕產(chǎn)物為疏松的ZnO。 
　　1.5.4.2 Zn-6%Al-3%Mg鍍層 
　　由日新制鋼公司開發(fā)的Zn-6%Al-3%Mg鍍層是當(dāng)今鋅基鍍層中具有zui高耐蝕性的新型鍍層。在Zn-6%Al的共晶組織中添加不同Mg含量，對其鍍層的CCT表明，含鎂達(dá)3%時鍍層的耐蝕性大幅度提高，而且鍍層產(chǎn)生紅銹的循環(huán)次數(shù)隨Mg含量的提高而增加，當(dāng)試樣的腐蝕失重達(dá)60g/㎡時，新鍍層與傳統(tǒng)鍍鋅層的CCT循環(huán)次數(shù)分別為：Zn-0.2%Al 10次，Zn-6%Al-3%Mg達(dá)180次(鍍層重量為90±5g/㎡)內(nèi)?？梢姶诵洛儗颖绕胀ㄥ冧\層的耐蝕性高近18倍之多。 
　　含Mg鍍層的腐蝕產(chǎn)物具有良好的抑制陰極反應(yīng)的效果，電化學(xué)研究表明，普通鍍鋅板(GI)在腐蝕試驗(yàn)初期腐蝕電流不斷增大，而Zn-5%Al-0.1%Mg(GF)的腐蝕電流一直處于低水平。Zn-6%Al-3%Mg鍍層在SST試驗(yàn)500h及在CCT試驗(yàn)20個循環(huán)后仍能維持極低的腐蝕電流。Zn-6%Al-3%Mg鍍層可抑制堿式碳酸鋅和ZnO的形成，其腐蝕產(chǎn)物以堿式氯化鋅為主，此物能*存在而抑制其腐蝕速率。 
　　1.5.5 熱鍍鋅裝備的進(jìn)步 
　　為生產(chǎn)汽車與家電高性能合金化鍍鋅板，必須有*的裝備和能達(dá)到要求的控制系統(tǒng)。為此，近10余年在鋼帶連續(xù)熱浸鍍裝備上也作了大量的改進(jìn)與發(fā)展。 
　　1.5.5.1 高溫退火爐 
　　為提高爐子的加熱強(qiáng)度，采用了立式高溫退火爐(爐溫由過去的800～820℃提高到850℃)，以提高鋼帶的線速度及改善退火質(zhì)量。這種立式高溫退火爐由加熱段、均熱段、冷卻段和保溫段構(gòu)成?？梢杂?5%N2與5%H2的保護(hù)氣體還原，將鋼帶從室溫加熱到退火溫度全部采用煤氣加熱的輻射管。輻射管用厚3mm Incone1601板加工并焊接成U形和W形的管子，它有很低的熱慣性，可在變換產(chǎn)品種類時縮短熱傳導(dǎo)時間，提高熱效率。 
　　冷卻段是一個快速冷卻室，用高速的氣刀向鋼帶兩側(cè)噴吹HN氣體，在冷卻室內(nèi)，對稱排列氣體的入口和出口管道，用掃描高溫計監(jiān)控鋼帶寬度方向上的氣體分布，以確保鋼帶溫度均勻以及操作的穩(wěn)定性，鋼帶冷卻速率可達(dá)30～200℃/s(視鋼帶厚度、線速度及熱循環(huán)狀況而自動調(diào)節(jié)，以達(dá)到鋼帶力學(xué)性能所需的冷卻速度)。 
　　此外，在均熱段頂部安裝了隔熱板，以保護(hù)爐輥的溫度不致過高；在各爐輥表面均涂有耐磨陶瓷層；在各段安設(shè)了可測量鋼帶發(fā)射的單色溫度計，以掌握各段鋼帶的溫度，并設(shè)有TV攝像機(jī)觀察其運(yùn)行狀況。當(dāng)變換生產(chǎn)線的操作條件時，為避免鋼帶發(fā)生翹曲和折皺，爐內(nèi)設(shè)置了全新的張力控制模式，入鋅鍋前鋼帶張力由一個設(shè)在爐內(nèi)的熱的輥式張緊裝置調(diào)整，可改善鍍層的均勻性。爐鼻設(shè)計成可伸縮式的并在其底部設(shè)有觀察孔及照明燈，以清掃其中的鋅灰及觀察鋅液面。 
　　1.5.5.2 鍍鍋內(nèi)的沉沒輥 
　　鍍鋅板表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率在很大程度上取決于沉沒輥的表面質(zhì)量和其耐磨性。80年代以前均用SUS316鋼制造，其耐磨性差，后來降低其中Ni含量，使其耐磨性提高2倍。開發(fā)的噴涂WCCo合金鍍層使沉沒輥壽命大大延長，其表面光潔度可適用于生產(chǎn)汽車用合金化鍍鋅板，但由于噴涂層有小孔隙易產(chǎn)生鍍層顆粒間的邊界腐蝕，為此開發(fā)一種封孔劑，使沉沒輥使用壽命提高50倍以上。 
　　1.5.5.3 氣刀 
　　對鋅層的擦拭采用新型氣刀，它被設(shè)計成與鍋的距離、與鋼帶的距離及角度均可調(diào)節(jié)的整體框架式的結(jié)構(gòu)，容易定位與自動跟蹤鋼帶，其刀唇間隙能自動控制使鍍鋅層更加均勻，避免了邊部過厚的現(xiàn)象。 
　　1.5.5.4 合金化爐及合金化度控制 
　　鍍鋅鋼帶的合金化處理通過合金化爐完成。合金化爐已由過去用煤氣加熱改為中頻感應(yīng)加熱，其加熱速度快且易調(diào)節(jié)溫度。然而，中頻感應(yīng)加熱仍有一些不足，目前開始采用高頻感應(yīng)加熱，并取得溫度均勻、鋼帶振動小、感應(yīng)圈短和熱效率高等一系列好處。 
　　為控制合金化后鍍層的相結(jié)構(gòu)，在其加熱段與保溫段之間設(shè)鍍層發(fā)射率測定儀，使鋼帶的合金化層保證在δ1相穩(wěn)定形成的溫度區(qū)域之內(nèi)。在保溫段和噴霧段之間設(shè)高精度的測溫計及發(fā)射率測定儀；在鋼帶冷卻后的部位設(shè)合金化層相結(jié)構(gòu)傳感器，以測定鍍層的Fe含量及Γ、δ1及ξ相各層的厚度。另外，在出鍋后進(jìn)入合金化爐前及相結(jié)構(gòu)傳感器后均設(shè)鍍層厚度(重量)測定儀。 
　　1.5.6 熱浸鍍鋅層的發(fā)展趨勢 
　　1.5.6.1 汽車用高強(qiáng)度鋼板的熱鍍鋅 
　　隨著合金化鍍鋅板(GA)的大量應(yīng)用于汽車，汽車界又提出減輕車體重量和提高抗撞擊性及安全性的要求。為此，需要開發(fā)更適用于此目的的高強(qiáng)度超深沖級合金化鍍鋅板?，F(xiàn)將目前開發(fā)出的能滿足上述要求的高強(qiáng)度(σb＞340MPa）鋼板的種類和性能分述于下。 
　　1.5.6.1.1 固溶強(qiáng)化型鋼板 
　　作為汽車面板的要求是低的屈服強(qiáng)度σ(＞340MPa）和高的塑性應(yīng)變γ值。在IF鋼中加P、Mn、Si等固溶強(qiáng)化元素，由于此鋼無固溶C和N存在，基本上是非時效性鋼板。但無固溶C存在時易引起二次加工脆化，故可加入微量B以防止。以P為主要強(qiáng)化元素時，σb可達(dá)340～370MPa，而以Mn、P為主加入時，其σb可達(dá)390～440MPa。 
　　1.5.6.1.2 烘烤硬化型(BH鋼)及熱處理強(qiáng)化型鋼板 
　　利用應(yīng)變時效而強(qiáng)化的方法，在超低C鋼中，使殘余的微量(5×10-6)的固溶C，在沖壓成形時產(chǎn)生位錯，而在以后進(jìn)行涂裝烘烤(170℃，20min)時會析出Fe-C化合物而將位錯固定，從而使其強(qiáng)度提高。 
　　1.5.6.1.3 組織強(qiáng)化型高強(qiáng)度鋼板 
　　通過改變鋼的微觀組織可在大范圍內(nèi)提高其強(qiáng)度(440～1470MPa)，目前開發(fā)出三種高強(qiáng)度級別的鋼板。其代表性鋼有雙相(DP)鋼板和貝氏體鋼板。此鋼的屈服強(qiáng)度低，加工硬化指數(shù)高，成形性好。 
　　此外，TRIP鋼(變態(tài)誘發(fā)超塑性鋼)及超高強(qiáng)度鋼板等均有望用于汽車。目前這些鋼板的熱鍍鋅及合金化處理，除DP鋼板有少量熱鍍鋅的研究以外，其它高強(qiáng)度鋼板尚未開展研究。這些鋼板的熱鍍鋅和合金化處理技術(shù)上會有一定難度，需要我們?nèi)ヌ剿鳌?nbsp;
　　1.5.6.2 電磁移動場磁流體封閉式鍍鋅鍋 
　　利用電磁移動場創(chuàng)造的磁流體動力學(xué)封閉(MHD)而設(shè)計的垂直型鋅鍋可取消原始鋅鍋中的部件，而取得高速、無鋅渣、節(jié)能、提高鋅層表面質(zhì)量等好處。 
　　本法的工作原理是：液態(tài)Zn(或Al、Zn-Al)合金從鍋底流出后進(jìn)入MHD通道達(dá)一定深度時(此深度取決于金屬液比重、液面高度、電流大小等因素)，由于交流感應(yīng)器產(chǎn)生的外部電磁移動場在鋅液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流與外部電磁場的相互作用而產(chǎn)生電磁力，它作用于金屬流體使之向上移動。因而使鋅液不能從鍋底的開口處流出。當(dāng)鋼帶從其底部通道進(jìn)入鋅鍋時鋅液在通道處始終處于一定位置，而鋅鍋內(nèi)不需設(shè)任何鋼結(jié)構(gòu)件。 
　　1.5.6.3 熱軋鋼板熱鍍鋅 
　　現(xiàn)代的熱鍍鋅生產(chǎn)線上可以生產(chǎn)以熱軋板為基板的熱鍍鋅鋼板，用在對表面質(zhì)量和沖壓要求不高的地方，近年來，由于薄板坯連鑄技術(shù)和熱軋技術(shù)的進(jìn)步，熱軋板的zui小厚度可以達(dá)到1.0mm以下，這一技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了熱軋熱鍍鋅鋼板的快速發(fā)展。其生產(chǎn)線工藝及設(shè)備改進(jìn)，以適應(yīng)熱軋帶較厚的特點(diǎn)，并出現(xiàn)了在線酸洗，感應(yīng)加熱等熱軋板熱鍍鋅生產(chǎn)技術(shù)。采用熱軋板經(jīng)過酸洗后，可以不涂油直接進(jìn)入熱鍍鋅線進(jìn)行熱鍍鋅，少了冷軋工序，而且由于熱軋板的組織機(jī)構(gòu)為等軸晶粒，因此無需再結(jié)晶退火，只需在還原退火爐中的氫氣還原氣氛中加熱到550℃左右，降低了能量的消耗，這樣就大大降低了熱鍍鋅鋼帶的生產(chǎn)成本。提高了市場競爭力。 
　　1.5.7 小結(jié) 
　　本文概括了近十幾年，國外有關(guān)鋼帶連熱鍍鋅的技術(shù)和裝備進(jìn)展，工藝上美鋼聯(lián)法成為主流，鍍鋅鋼板以開發(fā)適于汽車用IF合金化鍍鋅板為主要研究內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了新的高耐蝕鋅基鍍層的開發(fā)，此外還介紹了鋼帶連續(xù)熱鍍鋅工藝中一些裝備上的進(jìn)展。zui后對熱浸鍍鋅發(fā)展趨勢、未來技術(shù)與發(fā)展進(jìn)行了展望。