張偉浩 李 金 陳一鳴 蘇衍戰(zhàn) 周詩正

(1.武漢鋼鐵有限公司 湖北 武漢：430080；2.武鋼有限技術(shù)中心 湖北 武漢：430080)

熱鍍鋅帶鋼因其優(yōu)異的耐蝕、加工成型、焊裝、涂裝性能，廣泛應(yīng)用于汽車、家電等高表面質(zhì)量需求場景，對其表面質(zhì)量提出了越來越高的要求[1]。熱鍍鋅鋼板缺陷種類多，來源多，表面質(zhì)量主要受基板狀態(tài)、鋅鍋工藝、鍍后處理工藝等影響[2-3]。某熱鍍鋅機組生產(chǎn)IF鋼(Interstitial Free Steel，無間隙原子鋼)過程中出現(xiàn)間斷性白斑缺陷，表面間斷性出現(xiàn)片狀白色斑跡，該缺陷不同于文獻報道中常見的乳化液斑、表面黏膠、欠酸洗等造成的白斑[4]。本文針對熱鍍鋅IF鋼表面白斑缺陷進行系統(tǒng)的微觀分析，結(jié)合現(xiàn)場排查處理情況，明確該缺陷控制手段，有效消除了IF鋼鋅層表面白斑缺陷。

1 白斑缺陷分析

熱鍍鋅機組生產(chǎn)IF鋼時，上表面間斷出現(xiàn)白色斑跡，發(fā)生無規(guī)律，有缺陷鋼卷間斷20-100米左右出現(xiàn)一次。白斑缺陷打磨后不可見，沖壓無異常凸起等變化。白斑缺陷宏觀形貌如圖1所示。對缺陷區(qū)域及正常區(qū)域鍍層進行粗糙度檢測(型號：SJ210,檢測方法：GBT2523-2008)、灰度(BYK桔皮儀)檢測、掃描電鏡(SEM, Scanning Electron Microscope，型號：FEIQUANTA400)觀察表面形貌及脫鋅后基板表面形貌、能譜分析(EDS, Energy Dispersive Spectrum，EDAX)、輝光放電光譜 (GDS, Glow Discharge Spectrum，型號：Profiler HR )分析，對比白斑缺陷區(qū)域與正常區(qū)域區(qū)別。

圖1 白斑缺陷宏觀形貌

1.1 粗糙度及灰度值測量

分別對白斑缺陷部位和正常部位進行粗糙度及灰度值測量，鋅層表面缺陷部位與正常部位粗糙度及灰度值對比數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)對比顯示，白斑位置與正常位置粗糙度相差不大，白斑位置灰度更大，表現(xiàn)出明顯色差。

表1 粗糙度Ra(λ2.5)及灰度值

1.2 表面微觀形貌及成分分析

白斑缺陷部位和正常部位表面微觀分析結(jié)果如圖2～圖5所示。光學(xué)顯微鏡下發(fā)現(xiàn)正常位置鍍層表面鋅粒枝晶較多(見圖2箭頭處)，缺陷位置鋅粒枝晶較少(見圖3)。SEM觀察結(jié)果(見圖4，圖5)與光學(xué)顯微鏡下結(jié)果一致，因此鍍層表面狀態(tài)不同，反光性存在差異，宏觀表現(xiàn)為白斑。

圖2 光學(xué)顯微鏡下正常部位觀形貌圖

圖3 光學(xué)顯微鏡下缺陷部位形貌

圖4 SEM下正常部位形貌

圖5 SEM下缺陷部位形貌

白斑部位及正常部位EDS能譜對比如表2所示，表面成分均為純鋅，未見其它異常成分。

表2 缺陷部位和正常部位鍍層表面EDS能譜檢測結(jié)果

使用15%濃度稀鹽酸，浸入鍍鋅板至不冒泡為止，腐蝕掉鋼板表面鋅層，拿出用蒸餾水沖洗，再用酒精沖洗，熱風(fēng)吹干，觀察白斑區(qū)域與正常區(qū)域基板形貌，沒有明顯差異，基板形貌對比如圖6所示。

1.3 鍍層GDS分析

缺陷部位與正常部位鍍層GDS結(jié)果如圖7、圖8所示，正常部位鋅層阻擋層鋁含量約1.05%，缺陷部位鋅層阻擋層鋁含量約0.75%。

圖7 正常部位鍍層GDS數(shù)據(jù)

圖8 缺陷部位鍍層GDS數(shù)據(jù)

缺陷部位與正常部位鍍層Al含量對比如圖9所示，可見鍍層至基板界面處阻擋層Al分布有明顯差異，正常位置阻擋層Al含量1.05%，高于缺陷部位阻擋層鋁含量0.75%。

圖9 正常位置與缺陷位置鍍層Al含量對比

1.4 白斑缺陷形成原因分析

根據(jù)微觀檢測分析，鍍層白斑區(qū)域粗糙度與正常區(qū)域相當(dāng)，白斑區(qū)域灰度值更大；白斑缺陷區(qū)域與正常區(qū)域鋅層表面均為純鋅，無其它異常成分，褪鋅后基板未觀察到區(qū)別；白斑缺陷區(qū)域鋅層表面枝晶相對正常區(qū)域明顯減少；GDS結(jié)果顯示，缺陷部位阻擋層Al含量較低，阻擋層較薄，而阻擋層的形成與進入鋅液中的帶鋼表面狀態(tài)相關(guān)，只有在帶鋼表面無殘留且充分還原成海綿狀純鐵的情況下才會形成良好一致的阻擋層。鍍層白斑區(qū)域與正常區(qū)域阻擋層不一致，導(dǎo)致了Fe、Zn間擴散不一致，進而影響了鋅層晶粒狀態(tài)不一致。Shirin Kaboli, Joseph R. Mcdermid等研究也表明，基板表面狀態(tài)影響鋅層界面形核活化能，影響鋅層晶粒尺寸，隨基板粗糙度增加、鍍層冷卻速度加快，鋅層晶粒尺寸減小，鋅層結(jié)晶織構(gòu)更隨機，鋅層表面枝晶減少[5]。鍍層白斑缺陷位置表面枝晶較少，阻擋層鋁含量偏低。據(jù)相關(guān)研究分析，判斷該缺陷成因為基板表面受外部因素影響，缺陷處表面狀態(tài)與正常位置表面狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致熱鍍過程中鋅層界面形核活化能出現(xiàn)差異，導(dǎo)致缺陷區(qū)域鋅層結(jié)晶狀態(tài)改變，進而影響鍍層表面枝晶的形成，表面灰度出現(xiàn)差異，宏觀表現(xiàn)為白斑缺陷。

2 白斑缺陷控制措施

2.1 現(xiàn)場排查

根據(jù)實驗室分析，判斷白斑缺陷可能為基板表面狀態(tài)變化或冷卻不均造成，對機組爐內(nèi)板溫計及攝像頭水冷套、氮氣加濕系統(tǒng)、氣刀區(qū)域等現(xiàn)場可能影響因素進行排查，排查機組相關(guān)工藝調(diào)整與白斑缺陷相關(guān)性，如表3所示。表3顯示，僅關(guān)閉爐內(nèi)板溫計冷卻水對該缺陷有正向影響，判斷爐內(nèi)板溫計水冷套冷卻水與該缺陷強相關(guān)。

根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn)，引起缺陷部位基板表面狀態(tài)發(fā)生改變的外部因素為爐內(nèi)板溫計水冷套漏水。高溫狀態(tài)下水蒸汽氧化基板表面，表面氧化區(qū)域在爐內(nèi)經(jīng)還原氣氛還原后，表面狀態(tài)較正常區(qū)域發(fā)生變化，改變表面鍍層形核活化能，進而影響鍍后鋅層結(jié)晶狀態(tài)，枝晶減少，形成白斑缺陷。

表3 現(xiàn)場因素排查情況

2.2 爐內(nèi)漏水分析

機組中修開爐排查爐內(nèi)漏水點，發(fā)現(xiàn)P2/P3/P5水冷套端部焊縫區(qū)域均有局部漏水點，拆解水冷套發(fā)現(xiàn)內(nèi)部堵滿白色粉末，如圖10所示，漏水點均在水冷套下方焊縫區(qū)域。

圖10 P2/P3/P5水冷套漏水點及水冷套拆解內(nèi)部粉末

表4 水冷套內(nèi)部白色粉末成分

水冷套拆解內(nèi)部白色粉末堵塞，取白色粉末檢測，能譜分析白色粉末中Ca、Mg等水中礦物質(zhì)成分較高，水冷套循環(huán)水為普通循環(huán)水，未使用脫鹽水，且長期在高溫環(huán)境下循環(huán)，根據(jù)使用環(huán)境及成分，判斷板溫計水冷套內(nèi)部堵塞白色粉末為水垢。

2.3 白斑缺陷控制

板溫計水冷套為不銹鋼材質(zhì)，水冷套內(nèi)部堵塞白色粉末為水垢，退火爐升降溫過程中水冷套本體與水垢熱膨脹系數(shù)不匹配，造成水冷套端部焊縫區(qū)域受力過大，產(chǎn)生微裂紋，高溫狀態(tài)下，水蒸氣通過焊縫微裂紋泄漏，噴至帶鋼表面，形成白斑缺陷。

根據(jù)機組排查結(jié)果及微觀分析結(jié)論，明確了白斑缺陷控制方法：

(1)缺陷發(fā)生后，關(guān)閉爐內(nèi)板溫計、攝像頭冷卻水；

(2)檢修更換機組退火爐內(nèi)板溫計水冷套；

(3)明確板溫計水冷套周期維護，每半年機組大定修使用弱酸清洗板溫計內(nèi)部水垢，防止堵塞；清洗后進行壓力檢測，確保水冷套密封性能。

3 結(jié)論

該熱鍍鋅白斑缺陷為機組退火爐板溫計水冷套漏水造成，高溫狀態(tài)下水蒸氣泄漏導(dǎo)致基板表面氧化，還原后缺陷區(qū)域表面狀態(tài)發(fā)生改變，改變鍍層形核活化能，缺陷區(qū)域鋅層結(jié)晶狀態(tài)變化，鋅層結(jié)晶織構(gòu)更隨機，導(dǎo)致鍍層表面枝晶減少，灰度變化，宏觀表現(xiàn)為白斑缺陷。

通過關(guān)閉退火爐內(nèi)板溫計、攝像頭冷卻水的臨時措施，檢修排查更換泄漏水冷套可消除該白斑缺陷；板溫計水冷套內(nèi)部周期性清洗、檢漏作為常態(tài)工作，可防止該類白斑缺陷發(fā)生。按照上述措施，該熱鍍鋅白斑缺陷得到有效控制，提升了機組鍍鋅帶鋼表面質(zhì)量。