国外钢板热镀锌技术发展

国外钢板热镀锌技术发展
工艺流程图 
1.5.1 引言 
　　发达国家钢板带的热镀锌技术近10余年来主要针对汽车用热镀锌板取得了一系列技术进步，其中包括钢基体的化学成分，钢板表面的轧制质量，热镀锌镀层厚度的均匀性，合金化*相结构及工艺控制等一系列技术问题。经过10余年的研究，上述的技术问题及完成此项技术要求的工艺装备已基本得到解决而开始大量用于汽车上。由于合金化镀锌板成本和质量的优越性，日本汽车界决定到2005年汽车用板全部用合金化镀锌板，取代现有的电镀锌合金板。新近投产的热镀锌或改造旧的热镀锌机组的生产能力和产品质量都有进一步提高，例如美日新建的Protec生产线可生产宽度达1900mm，厚度在0.4～2.3mm的热镀锌钢板，机组速度zui高可达185m/min，合金化速度达136m/min，年生产能力达60万吨。本文仅就国外钢板热镀锌技术和装备近十余年的进展作一概述。 
　　1.5.2 钢带热镀锌生产工艺的技术进步 
　　近十余年，由于汽车和家电行业大量使用镀锌板，对镀锌板质量提出了更高的要求。上世纪60年代以前钢带连续热镀锌方法有改良森吉米尔法、美钢联法、塞拉斯法、莎伦法、惠林法等。由于当时的镀锌产品主要用于建筑和容器制造业，对产品的质量和性能要求不高，各种方法均能满足要求。自上世纪80年代起汽车工业和家电行业广泛采用镀锌钢板后，上述方法无法满足要求。美钢联法虽以其产品的优异质量而受到用户的欢迎，但该法要提高产量，必须延长机组退火炉长度，从而增大投资。美钢联法经过改进，用立式退火炉取代卧式退火炉，不仅缩短了炉长，加快了机组速度，而且进一步提高了镀层的附着性和表面质量，使产品成本大大降低。因此，上世纪90年代后新建的热镀锌线大部分采用美钢联法。 
　　美钢联法镀锌生产线的主要特点是：(1)采用电解脱脂，在机组入口段设电解脱脂装置，可将钢带表面油污*除掉(包括凹坑内的油脂)；(2)还原退火炉由全辐射管加热钢带，因此钢带还原不受煤气热值波动、压力波动及加热控制系统失灵的影响，消除了改良森吉米尔法的一系列弊端，使镀锌层质量得到根本的改善。 
　　1.5.3 IF钢合金化镀锌板 
　　采用的沸腾钢和镇静钢难以生产适合汽车冲压成型要求苛刻的镀锌板。为此上世纪70年代出现了IF钢(无间隙原子钢)，它具有*的冲压成型性，经热镀锌并合金化后更具有良好的耐蚀性、焊接性和涂装性，从而适应于汽车的内、外面板。其中影响其使用性能zui大的是冲压成型时镀层的附着性和焊接性。 
　　1.5.3.1 镀层的附着性 
　　IF钢合金化镀锌板在冲压成型时zui易出现镀层的剥落，其剥落的形式有两种：镀层呈颗粒状剥落称为粉化和呈片状剥落称为剥离。此外，由于镀层表面与冲压模之间的摩擦系数不适合而发生钢板的折皱和撕裂等缺陷。镀层微观结构的大量研究表明，冲压成型时出现的上述缺陷均与镀层的Fe含量及相结构的组成和分布有密切。 
　　1.5.3.1.1 钢基体化学成分的影响 
　　在IF钢中有Ti IF钢和Ti+Nb IF钢两种。它们的合金化镀锌层有两种，附着性有一定差别。一般说，Ti+Nb IF钢镀层的抗粉化性优于Ti IF钢。 
　　在IF钢中添加P可以阻碍脆性大的Γ相的形成，而有利于较软的Γ1相的形成。在TiIF钢中添加Si可改善钢镀层界面强度而有利于其镀层的抗剥离性。 
　　1.5.3.1.2 合金化镀锌层相结构及铁含量的影响 
　　国外的研究表明，镀层的剥离多发生在Γ相层内的水平裂纹。镀层微观结构的大量研究表明，合金化镀锌板在冲压成型时出现的上述缺陷与镀层中铁含量及相结构组成和分布有密切。 
　　镀层的粉化采用V—弯曲试验法和粉化杯试验法评价。试验表明，Ti IF钢合金化镀锌层的粉化失重随镀层的铁含量提高而增大。铁含量与镀层相结构组成的分析表明，Ti IF钢镀层的粉化开始于铁含量为3g/㎡(5% Fe)，当铁含量较高时，粉化量急剧增大。铁含量小于3g/㎡时，镀层主要由ξ和η相构成，而δ和Γ相很少。5g/㎡以上时主要由δ和Γ相构成，镀层表面可能存在少量ξ相。这表明5g/㎡的铁含量是临界成分 
　　镀层的剥离通常用剪切试验法评价。研究表明，Ti IF钢镀层的铁含量小于3g/㎡时，附着层破裂，而大于4g/㎡时则在Γ相/钢基的界面上剥离。 
　　此外，在冲压成型时，镀层与模具间的摩擦系数必须匹配，否则易发生折皱甚至裂纹。试验表明，摩擦系数与镀层的铁含量有关。Ti IF钢合金化镀锌板的铁含量在4～6g/㎡时，摩擦系数相当于冷轧钢板，其镀层的相结构主要为δ1和ξ相。ξ相的比例较大时易于粘附模具，摩擦系数过高，使镀层呈片状剥落。因此从成型性考虑，合金化镀层的*相组成应以δ1相为主，含有少量ξ相。 
　　1.5.3.2 合金化镀锌板的焊接性 
　　一部汽车约有3000～4000个焊点。点焊是由于在钢板界面上电阻发热而产生高温，使钢板熔合。通常认为，获得焊接直径4t(t为钢板厚度)的zui小电流和产生zui小喷溅电流之间的电流差值为焊接性范围，此范围的值为0.6KA。合金镀锌板的焊接性范围较窄，并与镀层的铁含量有关。试验表明，焊接电流随镀层中铁含量增大而减小。对于汽车生产的自动化生产线，要求镀层具有高熔点、高表面电阻和硬度以及均匀的镀层厚度。显然，铁含量高的镀层具备上述要求。故从焊接性上考虑，镀层相结构应以铁含量较高的δ1相为宜。 
　　综上所述，为取得加工性和焊接性均好的IF钢合金化镀锌板，镀层的*铁含量为：4～5g/㎡(9%～10%Fe)，zui大不宜超过5.5g/㎡(11%Fe)。*相结构为以δ1相为主并含有极少量ξ相以及极薄的不可避免的Γ相层。采用含P的Ti IF钢热镀锌并合金化处理所得的镀层可*避免形成Γ相层。采用含P的Ti If钢热镀锌并合金化处理所得的镀层可*避免形成Γ相，而取代之较软的Γ1相。 
　　1.5.4 新的高耐蚀锌基镀层的开发 
　　锌基合金的高耐蚀性镀层除上世纪70～80年代研究并以商品化的Galfan、Galvalu-me镀层外,近十余年又相继开发出更高耐蚀的 
锌合金镀层和特殊性能的镀层。例如Zn-0.5%Mg、Zn-6%Al-3%Mg等镀层。 
　　新日铁开发的Zn-0.5%Mg镀层钢板比传统镀锌板具有更高的耐蚀性，且成本和生产工艺均无大的变化。研究表明，在镀液中添加Mg可提高锌层的耐蚀性。在纯锌或Zn0.2%Al中加入0.5%Mg时，镀层的SST试验的腐蚀率下降到zui低的水平，在相同镀层重量下，其耐蚀性为普通热镀锌层的1.5～2倍；大气加速腐蚀试验表明，其耐蚀性达到普通镀锌板的3倍；复合循环腐蚀试验(CCT)表明，Zn-0.5%Mg镀层的腐蚀失重仅为普通镀锌板的1/5；在Hirohara试验场的大气中暴晒21个月时，Zn-5%Mg镀层的腐蚀率仅为4.5g/㎡/a，而普通镀锌板高达15g/㎡/a；在Aihi Oil Refineries海洋大气6个月的暴晒试验表明，Zn-5%Mg镀层钢板镀层失重为36.4g/㎡，而普通镀锌板为137.8g/㎡。 
另外，由于Zn-0.5%Mg镀层的硬度(HV达100)比普通镀锌层(HV等于65)大而使其具有较高的抗划伤性。 
对腐蚀产物的物相分析表明，此种镀层的高耐蚀原因在于其腐蚀产物为致密的ZnCl2•4Zn(OH)2层，而普通镀锌层的腐蚀产物为疏松的ZnO。 
　　1.5.4.2 Zn-6%Al-3%Mg镀层 
　　由日新制钢公司开发的Zn-6%Al-3%Mg镀层是当今锌基镀层中具有zui高耐蚀性的新型镀层。在Zn-6%Al的共晶组织中添加不同Mg含量，对其镀层的CCT表明，含镁达3%时镀层的耐蚀性大幅度提高，而且镀层产生红锈的循环次数随Mg含量的提高而增加，当试样的腐蚀失重达60g/㎡时，新镀层与传统镀锌层的CCT循环次数分别为：Zn-0.2%Al 10次，Zn-6%Al-3%Mg达180次(镀层重量为90±5g/㎡)内。可见此新镀层比普通镀锌层的耐蚀性高近18倍之多。 
　　含Mg镀层的腐蚀产物具有良好的抑制阴极反应的效果，电化学研究表明，普通镀锌板(GI)在腐蚀试验初期腐蚀电流不断增大，而Zn-5%Al-0.1%Mg(GF)的腐蚀电流一直处于低水平。Zn-6%Al-3%Mg镀层在SST试验500h及在CCT试验20个循环后仍能维持极低的腐蚀电流。Zn-6%Al-3%Mg镀层可抑制碱式碳酸锌和ZnO的形成，其腐蚀产物以碱式氯化锌为主，此物能*存在而抑制其腐蚀速率。 
　　1.5.5 热镀锌装备的进步 
　　为生产汽车与家电高性能合金化镀锌板，必须有完善的装备和能达到要求的控制系统。为此，近10余年在钢带连续热浸镀装备上也作了大量的改进与发展。 
　　1.5.5.1 高温退火炉 
　　为提高炉子的加热强度，采用了立式高温退火炉(炉温由过去的800～820℃提高到850℃)，以提高钢带的线速度及改善退火质量。这种立式高温退火炉由加热段、均热段、冷却段和保温段构成。可以用95%N2与5%H2的保护气体还原，将钢带从室温加热到退火温度全部采用煤气加热的辐射管。辐射管用厚3mm Incone1601板加工并焊接成U形和W形的管子，它有很低的热惯性，可在变换产品种类时缩短热传导时间，提高热效率。 
　　冷却段是一个快速冷却室，用高速的气刀向钢带两侧喷吹HN气体，在冷却室内，对称排列气体的入口和出口管道，用扫描高温计监控钢带宽度方向上的气体分布，以确保钢带温度均匀以及操作的稳定性，钢带冷却速率可达30～200℃/s(视钢带厚度、线速度及热循环状况而自动调节，以达到钢带力学性能所需的冷却速度)。 
　　此外，在均热段顶部安装了隔热板，以保护炉辊的温度不致过高；在各炉辊表面均涂有耐磨陶瓷层；在各段安设了可测量钢带发射的单色温度计，以掌握各段钢带的温度，并设有TV摄像机观察其运行状况。当变换生产线的操作条件时，为避免钢带发生翘曲和折皱，炉内设置了全新的张力控制模式，入锌锅前钢带张力由一个设在炉内的热的辊式张紧装置调整，可改善镀层的均匀性。炉鼻设计成可伸缩式的并在其底部设有观察孔及照明灯，以清扫其中的锌灰及观察锌液面。 
　　1.5.5.2 镀锅内的沉没辊 
　　镀锌板表面质量及生产效率在很大程度上取决于沉没辊的表面质量和其耐磨性。80年代以前均用SUS316钢制造，其耐磨性差，后来降低其中Ni含量，使其耐磨性提高2倍。开发的喷涂WCCo合金镀层使沉没辊寿命大大延长，其表面光洁度可适用于生产汽车用合金化镀锌板，但由于喷涂层有小孔隙易产生镀层颗粒间的边界腐蚀，为此开发一种封孔剂，使沉没辊使用寿命提高50倍以上。 
　　1.5.5.3 气刀 
　　对锌层的擦拭采用新型气刀，它被设计成与锅的距离、与钢带的距离及角度均可调节的整体框架式的结构，容易定位与自动跟踪钢带，其刀唇间隙能自动控制使镀锌层更加均匀，避免了边部过厚的现象。 
　　1.5.5.4 合金化炉及合金化度控制 
　　镀锌钢带的合金化处理通过合金化炉完成。合金化炉已由过去用煤气加热改为中频感应加热，其加热速度快且易调节温度。然而，中频感应加热仍有一些不足，目前开始采用高频感应加热，并取得温度均匀、钢带振动小、感应圈短和热效率高等一系列好处。 
　　为控制合金化后镀层的相结构，在其加热段与保温段之间设镀层发射率测定仪，使钢带的合金化层保证在δ1相稳定形成的温度区域之内。在保温段和喷雾段之间设高精度的测温计及发射率测定仪；在钢带冷却后的部位设合金化层相结构传感器，以测定镀层的Fe含量及Γ、δ1及ξ相各层的厚度。另外，在出锅后进入合金化炉前及相结构传感器后均设镀层厚度(重量)测定仪。 
　　1.5.6 热浸镀锌层的发展趋势 
　　1.5.6.1 汽车用高强度钢板的热镀锌 
　　随着合金化镀锌板(GA)的大量应用于汽车，汽车界又提出减轻车体重量和提高抗撞击性及安全性的要求。为此，需要开发更适用于此目的的高强度超深冲级合金化镀锌板。现将目前开发出的能满足上述要求的高强度(σb＞340MPa）钢板的种类和性能分述于下。 
　　1.5.6.1.1 固溶强化型钢板 
　　作为汽车面板的要求是低的屈服强度σ(＞340MPa）和高的塑性应变γ值。在IF钢中加P、Mn、Si等固溶强化元素，由于此钢无固溶C和N存在，基本上是非时效性钢板。但无固溶C存在时易引起二次加工脆化，故可加入微量B以防止。以P为主要强化元素时，σb可达340～370MPa，而以Mn、P为主加入时，其σb可达390～440MPa。 
　　1.5.6.1.2 烘烤硬化型(BH钢)及热处理强化型钢板 
　　利用应变时效而强化的方法，在超低C钢中，使残余的微量(5×10-6)的固溶C，在冲压成形时产生位错，而在以后进行涂装烘烤(170℃，20min)时会析出Fe-C化合物而将位错固定，从而使其强度提高。 
　　1.5.6.1.3 组织强化型高强度钢板 
　　通过改变钢的微观组织可在大范围内提高其强度(440～1470MPa)，目前开发出三种高强度级别的钢板。其代表性钢有双相(DP)钢板和贝氏体钢板。此钢的屈服强度低，加工硬化指数高，成形性好。 
　　此外，TRIP钢(变态诱发超塑性钢)及超高强度钢板等均有望用于汽车。目前这些钢板的热镀锌及合金化处理，除DP钢板有少量热镀锌的研究以外，其它高强度钢板尚未开展研究。这些钢板的热镀锌和合金化处理技术上会有一定难度，需要我们去探索。 
　　1.5.6.2 电磁移动场磁流体封闭式镀锌锅 
　　利用电磁移动场创造的磁流体动力学封闭(MHD)而设计的垂直型锌锅可取消原始锌锅中的部件，而取得高速、无锌渣、节能、提高锌层表面质量等好处。 
　　本法的工作原理是：液态Zn(或Al、Zn-Al)合金从锅底流出后进入MHD通道达一定深度时(此深度取决于金属液比重、液面高度、电流大小等因素)，由于交流感应器产生的外部电磁移动场在锌液中产生感应电流，此电流与外部电磁场的相互作用而产生电磁力，它作用于金属流体使之向上移动。因而使锌液不能从锅底的开口处流出。当钢带从其底部通道进入锌锅时锌液在通道处始终处于一定位置，而锌锅内不需设任何钢结构件。 
　　1.5.6.3 热轧钢板热镀锌 
　　现代的热镀锌生产线上可以生产以热轧板为基板的热镀锌钢板，用在对表面质量和冲压要求不高的地方，近年来，由于薄板坯连铸技术和热轧技术的进步，热轧板的zui小厚度可以达到1.0mm以下，这一技术的进步促进了热轧热镀锌钢板的快速发展。其生产线工艺及设备改进，以适应热轧带较厚的特点，并出现了在线酸洗，感应加热等热轧板热镀锌生产技术。采用热轧板经过酸洗后，可以不涂油直接进入热镀锌线进行热镀锌，少了冷轧工序，而且由于热轧板的组织机构为等轴晶粒，因此无需再结晶退火，只需在还原退火炉中的氢气还原气氛中加热到550℃左右，降低了能量的消耗，这样就大大降低了热镀锌钢带的生产成本。提高了市场竞争力。 
　　1.5.7 小结 
　　本文概括了近十几年，国外有关钢带连热镀锌的技术和装备进展，工艺上美钢联法成为主流，镀锌钢板以开发适于汽车用IF合金化镀锌板为主要研究内容，重点介绍了新的高耐蚀锌基镀层的开发，此外还介绍了钢带连续热镀锌工艺中一些装备上的进展。zui后对热浸镀锌发展趋势、未来技术与发展进行了展望。