一种镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟设备及方法

摘要

一种镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟设备及方法，属于镀锌生产线合金镀层退火技术领域。设备包括空压系统、空气压力调节器、冷却器、热电偶、试样、驱动装置、红外加热炉、电磁感应炉、双色红外测温仪、驱动电机。方法是采用热电偶测温与双色红外测温仪相结合的测温和控温方式，同时对处于电磁感应炉内的试样进行温度测量和控制，避免了电磁场对温度测量精度的影响。优点在于，通过控制电磁感应加热炉、红外加热炉、冷却器、驱动设备等系统的工艺参数与生产线工艺相一致，从而精确地模拟镀锌生产线合金化的Zn-Fe扩散过程，准确判定不同合金化工艺参数对于η、ζ、δ、Γ1等镀层组织的影响，控制灵活、实验结果精确，从而降低了生产调试成本。

说明书

技术领域

本发明属于镀锌生产线合金镀层退火(不同金属元素合金化扩散)技术领域，特别是提供了一种镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟设备及方法。

背景技术

合金化热镀锌钢板是当前热镀锌钢板研究中最活跃的领域之一。与普通的热镀锌钢板相比，它具有更好的耐腐蚀性、耐热性、涂着性、焊接性和成形性。热镀锌钢板合金化生产工艺为：经过表面处理后的钢板进入锌锅进行镀锌，镀锌后的钢板经过气刀控制锌层厚度。此时，镀锌钢板的表面温度约为420℃，到锌锅上面的合金化炉之前，温度将会降到约370℃，在合金化炉内将会在1-2s内快速升温到合金化温度，一般为520℃-550℃。然后，经过保温炉进行扩散退火处理，通过Fe和Zn的相互扩散，使锌层转变成Fe-Zn合金层，生成η、ζ、δ(包括δ_1k和δ_1p)、Γ₁等镀层组织。由于镀层由多种金属间化合物组成，锌铁合金相的生长机理复杂，钢带入炉温度、合金化时间、起始合金化温度、保温时间、冷却速度、镀层厚度、钢带表面组织遗传、表面缺陷等方面对于镀层的耐腐蚀性、涂装性、焊接性等性能关系复杂。

国际研究者对于镀锌生产线合金化工艺的研究主要采用两种工艺方法：1)采用大型生产线和中试生产线的方法，直接进行合金化镀层的在线生产与研究。这种方式耗资巨大，参与人员众多，工艺参数调整复杂，只能作为已经成熟产品的调试工作，并不适合进行合金化工艺研究；2)采用实验室设备进行模拟研究的方法。实验室的合金化研究装置一般为单台电阻式加热炉，电阻加热方式存在升温速度缓慢、整体维修复杂、温度调节滞后等问题。由于大工业生产线的合金化加热速度一般在100℃/s以上，对于碳棒电阻加热方式无法达到。另外，电阻式加热炉只能单纯地设定一个合金化保温温度和保温时间，无法模拟钢带入炉温度、起始合金化温度、冷却速度等关键参数，存在诸多不确定因素和数据误差，难以实现对于现场工艺的有效模拟研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟设备及方法，实现了模拟机各个控制参数和控制方式与镀锌生产线合金化工艺参数一一对应，设备结构简单，实用性强，准确性高，试样温度精度在2℃范围内。控制试样均热区在100mm×100mm范围，同时试验过程清洁无任何声、光、电的污染，可实现在实验室条件下对于镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟研究。

本发明的设备包括空压系统、空气压力调节器、冷却器、热电偶、试样、驱动装置、红外加热炉、电磁感应炉、双色红外测温仪、驱动电机。实验装置成线性排列，中间为红外加热炉，其前面为冷却器，冷却器连接空气压力调节器和空压系统，红外加热炉后面为电磁感应炉，电磁感应炉内部镶嵌双色红外测温仪，焊接热电偶的试样在驱动装置和驱动电机的带动下，在红外加热炉、冷却器和电磁感应炉内部往复运动。

本发明的方法是，采用热电偶测温与双色红外测温仪相结合的测温和控温方式，同时对处于电磁感应炉内的试样进行温度测量和控制，避免了电磁场对温度测量精度的影响；工艺步骤如下：

a、将试样(5)安装于驱动装置(6)的夹具之中，将热电偶(4)(视工艺要求的不同，可自由选取铂铹合金、镍铬镍硅等测温热电偶)点焊于试样(5)(上下表面各一组)，接通信号电路；式样宽度为200mm、长度为200mm，保证边部垂直度±2mm、边部平行度±1mm；

b、按照镀锌生产线的合金化工艺要求或者按照合金镀层退火工艺的研究要求，调整中频电磁感应炉(8)的输出功率(1％-100％)和输出时间(1s-30s)，调整红外加热炉(7)输出功率(1％-100％)和输出时间；

c、驱动装置(6)驱动试样(5)按照镀锌生产线的合金化工艺要求，以一定速度(1m/min-100m/min)在不同设备内运行；

d、镀层在完成合金化工艺后，生成不同比例的扩散相，例如，视合金化参数不同，生成η、ζ-FeZn₁₃、δ-FeZn₇、Γ-Fe₃Zn₁₀等合金相。

本发明采用电磁感应加热方式进行合金化镀层加热，采用红外加热方式进行镀层保温，选用了热电偶和红外测温相结合的温度控制模式，实现了对于镀层试样合金化工艺的精确实验室模拟，防止了电磁场对于测温和控温的精度影响，克服了传统方法对于模拟合金化工艺的技术限制。本发明具有：1)可以根据科研人员的需要，任意调整钢带入炉温度、合金化时间、起始合金化温度、保温时间、冷却速度、镀层厚度、钢带表面组织遗传、表面缺陷等各个工艺参数；2)由于采用热电偶和双色红外测温相结合的方式，避免了中频电磁场对于试样温度测量的扰动，从而更加有效地控制合金化输出功率和合金化温度，确保了实验室合金化工艺模拟的准确性、实用性和可操作性。3)可精确模拟镀锌生产线合金化工艺，找出最佳合金化工艺参数，指导大规模镀锌生产。

本发明的优点在于，通过控制电磁感应加热炉、红外加热炉、冷却器、驱动设备等系统的工艺参数与生产线工艺相一致，从而精确地模拟镀锌生产线合金化的Zn-Fe扩散过程，准确判定不同合金化工艺参数对于η、ζ、δ、Γ₁等镀层组织的影响，控制灵活、实验结果精确，从而降低了生产调试成本。

附图说明

图1为合金化试样照片(190mm×210mm)，工艺参数：480℃、8s。

图2为合金化试样照片(190mm×210mm)，工艺参数：520℃、8s。

图3为合金化试样照片(190mm×210mm)，工艺参数：560℃、8s。

图4为合金化镀层表面照片，工艺参数：480℃、8s。

图5为合金化镀层表面照片，工艺参数：520℃、8s。

图6为合金化镀层表面照片，工艺参数：560℃、8s。

图7为合金化镀层晶粒形貌，工艺参数：480℃、8s。

图8为合金化镀层晶粒形貌，工艺参数：520℃、8s。

图9为合金化镀层晶粒形貌，工艺参数：560℃、8s。

图10为合金化镀层X射线衍射图谱，工艺参数：480℃、8s。

图11为合金化镀层X射线衍射图谱，工艺参数：520℃、8s。

图12为合金化镀层X射线衍射图谱，工艺参数：560℃、8s。

图13为合金化钢板试样单向杯突后的DX53照片，工艺参数：480℃、6s。

图14为合金化钢板试样单向杯突后的DX53照片，工艺参数：520℃、6s。

图15为合金化钢板试样单向杯突后的DX53照片，工艺参数：560℃、6s

图16为合金化钢板试样单向杯突后的DX54照片，工艺参数：480℃、6s。

图17为合金化钢板试样单向杯突后的DX54照片，工艺参数：520℃、6s。

图18为合金化钢板试样单向杯突后的DX54照片，工艺参数：560℃、6s。

图19为合金化钢板试样单向杯突后的DX56照片，工艺参数：480℃、6s。

图20为合金化钢板试样单向杯突后的DX56照片，工艺参数：520℃、6s。

图21为合金化钢板试样单向杯突后的DX56照片，工艺参数：560℃、6s。

图22为不同合金化程度的热镀锌板表面红锈外观形貌的变化，工艺参数：纯锌镀层、腐蚀120h。

图23为不同合金化程度的热镀锌板表面红锈外观形貌的变化，工艺参数：合金化镀层、480℃、腐蚀120h。

图24为不同合金化程度的热镀锌板表面红锈外观形貌的变化，工艺参数：合金化镀层、520℃、腐蚀120h。

图25为不同合金化程度的热镀锌板表面红锈外观形貌的变化，工艺参数：合金化镀层、560℃、腐蚀96h。

图26为不同合金化程度的热镀锌板表面红锈外观形貌的变化，工艺参数：合金化镀层，560℃、腐蚀120h。

图27为不同合金化程度的热镀锌板表面红锈外观形貌的变化，工艺参数：合金化镀层、560℃、腐蚀144h。

图28为镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟方法所采用的模拟设备示意图。其中，空压系统1、空气压力调节器2、冷却器3、热电偶4、试样5、驱动装置6、红外加热炉7、电磁感应炉8、双色红外测温仪9、驱动电机10。

具体实施方式

实施例1，采用本发明的镀锌生产线合金化工艺实验室模拟工艺和装置，进行合金化工艺参数与η、ζ-FeZn₁₃、δ-FeZn₇、Γ-Fe₃Zn₁₀等镀层相结构的关系研究。

选取了实验材料为国内某钢铁企业生产的烘烤硬化镀锌内钢板，基板厚0.8mm，合金化工艺试验室模拟参数包括：钢带入炉温度375℃、合金化时间2s、起始合金化温度360℃、合金化终止温度分别为480℃、520℃、560℃，保温温度510℃、保温时间6s、冷却速度12±2℃/s、镀层厚度12μ、钢带表面组织遗传状态良好、表面缺陷暂无。

合金化钢板表面状态随着镀层中平均铁含量的增加(见表1)，镀层表面颜色加深。同时，随合金化程度的增加，工艺参数的变化而变化，钢板表面颜色逐渐加深，由亮白、亮灰向浅灰、深灰方向发生变化，见图1-图3。研究表明，镀层表面状态是随着镀层的组织变化而变化的，镀层表面仍以纯锌相为主，个别地方出现灰白色的亮点。随着和金化程度的增加，灰白色亮点越来越多，但仍有相当区域的深灰色基体，见图2，整个镀层表面充满了亮灰色点空隙处还存在有少许深灰色的基体。当合金化温度增加到560℃的时候，深灰色的基体已经完全占据整个镀层表面。

由图4-图12可知，对于工艺参数为480℃和8s，镀层表面仍以纯锌相为主，存在大量的具有规律性分布的柱状ζ相晶粒，其尺寸为2-4μm。ζ晶粒在镀层表面η相中生长出来。同时，X射线衍射图谱显示，镀层主要由η相和ζ相组成，不存在δ。所以，合金化温度在480℃时，合金镀层的合金化反应进行的并不完全。对于工艺参数为520℃和8s，清晰的晶粒结构，整个镀层表面充满了柱状以及块状的晶粒，各晶粒的空隙处还存在有少许深灰色的基体。镀层中的δ相(能谱分析表明，此处Fe含量为8.03/wt％)从镀层表面的ζ相(能谱分析表明，此处Fe含量为2.41/wt％)中生长出来，其尺寸约为4μm，同时，X射线衍射图谱显示，镀层主要由η相、ζ相和δ相组成。所以，合金化温度在520℃时，Zn-Fe合金镀层的合金化反应进行相对完全。对于工艺参数为560℃和8s，镀层中的δ相分成两种类型，一种是致密晶粒，尺寸为1-2μm，另一种为块状晶粒，尺寸约为10μm，两者能谱分析可知，铁含量均约为8.5/wt％。镀层主要由δ相和Γ相组成，表面成相为δ_1p相和δ_1k相。所以，合金化温度在560℃时，合金镀层的发生过度的合金化反应。

采用一种镀锌生产线合金化工艺的实验室模拟方法和相应设备在设定的合金化温度和合金化时间的条件下进行了镀层合金化处理，其合金相变化顺序依次为η→η+ζ→η+ζ+δ1p+δ1k→δ1k+Γ1。这与我国各大钢铁企业现场取样的检测结果是一致的。

实施例2，采用本发明的镀锌生产线合金化工艺实验室模拟工艺和装置，进行合金化镀层抗粉化性能研究。

镀层抗粉化性能和镀层附着力性能研究是合金化镀层研发的重要方向之一。选取了实验材料为国内某钢铁企业生产的DX53、DX54和DX56系列的镀锌钢板，基板厚0.6mm，合金化工艺试验室模拟参数包括：钢带入炉温度375℃、合金化时间2s、起始合金化温度360℃、合金化终止温度分别为480℃、520℃、560℃，保温温度510℃、保温时间6s、冷却速度10±2℃/s、镀层厚度10μ、钢带表面组织遗传状态良好、表面缺陷暂无。

检测镀层抗粉化性能和镀层附着力性能主要采用双向杯突试验法，试验是用端部为球形的冲头，将夹紧的试样压入压模内，直到达到所需杯突的数值。因此，将合金化的镀层钢板按照国家标准GB4156-84《金属杯突实验方法》进行单向杯突试验，正向杯突数值为8.9mm。

图13-图21为试样进行单向杯突后的照片。由图可知，不同合金化参数和不同基板条件下的试样，双向杯突前后的试样照片存在一定差异。合金化时间和合金化温度的变化是造成这种差异的重要原因。DX53、DX54和DX56系列的合金化钢板表面状态均随着合金化温度的增加而变化，镀层表面颜色加深。钢板表面颜色逐渐加深，由亮白、亮灰向浅灰、深灰方向发生变化。同时，从镀层表面颜色分析，DX53、DX54和DX56在同一合金化温度的条件下，表面状态是类似的。

杯突试验结果见表1。由表可知，对于DX53、DX54和DX56的合金化镀层均具有类似的性能，即随着合金化温度的增加，镀层的抗粉化性能降低。并且，对于同一合金化参数，DX53抗粉化性能要差于DX54，DX54要差于DX56。这与国内外文献和生产经验是一致的。同时，对比合金化参数为520℃、6s的情况下，采用实验设备制造的试样的粉化量与国内、国外的大型生产中所取的合金化镀层钢板的粉化量，是类似的。而且，采用本发明的模拟工艺和相应设备，与国内外外企业生产的DX54合金化镀层的抗粉化性能均是比较类似，完全可以满足实验室研究的需要。

表1  应用合金化工艺模拟的实验设备进行合金化板镀层抗粉化实验结果

实施例3，采用本发明的镀锌生产线合金化工艺实验室模拟工艺和装置，进行合金化镀层耐腐蚀性能研究

选取了实验材料为国内某钢铁企业生产的DX56系列的镀锌钢板，基板厚0.6mm，合金化工艺试验室模拟参数包括：钢带入炉温度375℃、合金化时间2s、起始合金化温度360℃、合金化终止温度分别为480℃、520℃、560℃，保温温度520℃、保温时间6s、冷却速度8±2℃/s、镀层厚度12μ、钢带表面组织遗传状态良好、表面缺陷暂无。

为了观察不同合金化程度的镀层钢板耐蚀性能，对各工艺参数下的合金化板进行了中性盐雾试验，结果如图22-图27所示。图22为纯锌镀层腐蚀120h后的红锈外观形貌，可以看出其上生成的红锈面积大、颜色深。图23、图24分别为480℃和520℃下保温6s的合金化热镀锌板，在腐蚀120h后表面也出现了红锈。然而与图22相比，其上的红锈密度大、面积小而且颜色浅。图25为560℃下保温6s的合金化热镀锌板，在腐蚀96h后表面出现了两种颜色深浅不同的红锈，再进一步延长腐蚀时间，发现颜色深的红锈面积扩大，且密度也在增加，如图26、图27所示。以上结论均与国内外相关研究相吻合。

图28是本发明的设备示意图，下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明的示意图如图28所示。

实验装置成线性排列，中间为红外加热炉7，其前面为冷却器3，冷却器连接空气压力调节器2和空压系统1，红外加热炉7后面为电磁感应炉8，电磁感应炉8内部镶嵌双色红外测温仪9，焊接热电偶4的试样5在驱动装置6和驱动电机10的带动下，在红外加热炉7、冷却器3和电磁感应炉8内部往复运动。