镀锡带钢表面淬水斑形成机理及治理措施.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、: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
9、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
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