镀铝锌薄板高速生产时锌锅辊停转分析与改进

李 刚,徐 勇

(上海梅山钢铁股份有限公司冷轧厂,江苏 南京 210039)

热镀铝锌钢板是一种在冷轧基板表面镀铝锌合金镀层的钢板,其基板上的合金镀层由大约55%的铝、43.5%的锌和1.5%的硅在600 ℃左右高温下固化而成。镀铝锌板相较于普通热镀锌板因其具有更优良的耐腐蚀性及表面美丽的锌花,广泛应用于家电行业,厚度≤0.3 mm的薄规格镀铝锌板主要用于冰箱、空调、洗衣机等家用电器的背板、底板制作。2019年该机组由热镀锌机组改造为镀铝锌机组,专攻镀铝锌薄规格家电板生产,月需求量达到8 000 t。但在薄板生产机组速度达到120 m/min时发生锌锅校正辊或稳定辊停转的问题,造成划伤、辊印、色差等缺陷,无法稳定生产。薄板的低速生产也造成小时产量过低,生产成本上升,急需改进,实现镀铝锌薄板的高速稳定生产。

1 锌锅辊系设备概述

锌锅辊系由沉没辊、稳定辊、校正辊组成,3根辊子两端轴颈分别安装轴承,轴承由轴套和轴瓦两部分组成,并由2根辊臂连接至辊架上,由此组成了带钢在锌锅中的运行通道,完成带钢在锌锅中的转向,并保持带钢在经过气刀时的稳定性,防止带钢的振动而导致锌层厚度不均、表面色差等缺陷。锌锅辊系示意见图1。锌锅辊系3根辊子均为被动辊,完全依靠带钢与辊面间的摩擦力进行驱动。与热镀锌相比,镀铝锌板生产存在锌锅温度高、铝锌液腐蚀性强、铝锌合金渣相多等恶劣的工艺条件。要保证锌锅辊子转动灵活,不发生停转,对锌锅辊系的辊体、辊臂、轴承的耐热、耐磨和耐腐蚀性能都提出了更高的要求。一旦发生辊子停转,将导致生产中断、被迫停机换辊、合同无法交付等一系列问题。

图1 锌锅辊系示意图

2 镀铝锌薄板高速生产锌锅辊停转分析

2.1 锌锅辊子受力分析

锌锅辊子在铝锌液中高速转动的基本条件是辊子受到的驱动力大于阻力,当阻力大于驱动力时,即发生辊子停转。

由图2可知,驱动力的来源是带钢与辊子间的摩擦力,依据摩擦力的计算公式:摩擦力=摩擦因数×接触压力,影响锌锅辊子转动驱动力大小的因素有带钢规格、张力、包角、辊面粗糙度。驱动力的接触压力由张力和包角决定,而带钢规格决定了接触面积大小,辊面粗糙度大小决定了摩擦因数的大小。因此,增加驱动力可以选择增加张力、包角或辊面粗糙度。

图2 锌锅辊子受力分析

锌锅辊子转动所受到的阻力主要是轴承的摩擦阻力,同样依据摩擦力的计算公式分析,影响阻力大小的因素有轴承的摩擦因数、轴承半径、轴承的接触压力。轴承摩擦阻力的接触压力,由辊子在锌锅中实际重力(重力-浮力)以及出入口张力的合力决定,力矩平衡的表达式为:(入口张力-出口张力)×辊子半径=轴承摩擦因数×接触压力×轴承半径[1]。因此减小轴承摩擦阻力可以选择减小轴承摩擦因数、减小轴承半径和减小辊子重。刮刀阻力和锌液对辊子的摩擦阻力也是锌锅辊子转动的阻力来源,因此辊子高速转动时或刮刀压力增大时容易出现停转。

2.2 锌渣对锌锅辊子转动的影响

镀铝锌锌锅温度高(600 ℃)、镀液铝含量高(55%Al),导致Fe在镀液中的溶解量大,锌锅内锌渣多,且Fe在铝锌液中的饱和溶解度远高于在纯锌液中的饱和溶解度,Fe在55%Al-Zn-Si溶液中的溶解度见表1[2]。当锌锅温度出现波动时,镀液中一定比例的Fe会随温度的降低而析出生成锌渣,且这个过程是不可逆的,生成的锌渣不会再随温度的上升而溶解。

表1 Fe在55%Al-Zn-Si溶液中的溶解度

锌渣按照其成分质量的不同,可分为面渣、悬浮渣和底渣,由于面渣密度小于锌液的密度,存在于锌液表面,主要为ZnO和Al2O3;悬浮渣密度和锌液密度差不多,悬浮在锌液中,主要为Fe2Al5合金及 FeAl3Si合金,这部分渣很容易结在锌锅辊系表面;底渣密度比锌液密度大,沉在锌锅底部,主要为FeZn7[3]。悬浮渣悬浮在锌液中,随锌液流动进入轴套、轴瓦的间隙中,造成辊子转动的摩擦阻力增加。

镀铝锌薄板为家电用途,有2～3级小锌花的要求,为了控制锌花大小,采取在预熔锅中添加含Ti元素的铝锌硅合金锭的方式获得小锌花,但含Ti元素的铝锌硅合金锭一般都伴生V元素。有研究表明,随着V元素含量的增加,锌渣呈长大、增多的趋势[4],这就导致了锌渣的进一步恶化。图3为锌锅辊子生产前和生产7天后的照片,从图中可以看出,经过7天的生产锌锅辊轴承已被锌渣完全结住,辊面及辊臂上也结了厚厚的一层锌渣。含Ti元素铝锌硅合金锭的大量添加,造成了严重结渣导致锌锅辊子停转。

图3 锌锅辊子生产前和生产7天后对比

2.3 校正辊插入深度对锌锅辊子转动的影响

锌锅辊系的3根辊子中,只有校正辊的位置是可以前后移动的。校正辊可以通过位置的前后调整来改变带钢与辊子的包角,以及带钢与辊面的接触长度,从而影响辊子转动的驱动力或阻力。表2对国内4条镀铝锌机组在校正辊插入深度15 mm时,带钢与辊子的包角和接触长度进行了模拟计算,得出以下结论:①稳定辊前伸时,稳定辊包角增大,同时校正辊包角也增大;②稳定辊与校正辊铅锤方向上的距离减小,稳定辊包角增大;③稳定辊、校正辊辊径增大包角增大,沉没辊辊径增加校正辊包角增加。不同机组的锌锅辊系设计的3根辊位置不同,校正辊、稳定辊可以同时转动的插入深度范围不同,需要试验摸索适合本机组校正辊的插入深度,以达到增加辊子转动驱动力的目的。

表2 校正辊插入深度对包角及接触长度的影响

2.4 轴承磨损对锌锅辊子转动的影响

锌锅辊子轴承由轴套和轴瓦两部分组成,由于镀铝锌生产锌锅温度高、锌渣多、铝锌液腐蚀性强的特点,锌锅辊子轴承需要选用耐腐蚀、高温下抗磨损的材质,轴承的耐腐蚀磨损是锌锅辊子能否灵活转动的重要条件。一旦轴承出现异常磨损,磨损量增大导致轴套与轴瓦间隙增大,轴套会在轴瓦内上下窜动从而引起振动,将导致锌层不均匀、表面色差缺陷、轴承损坏卡阻等问题。本机组选用的是高耐磨硬质合金钢轴承,辊子服役10天时,轴承磨损量为2～3 mm。

新辊轴承“磨合期”,新的辊系进入锌锅后,刚开始生产必然会发生启动振动,这是由于新辊进入锌锅后不能马上开机生产,需要等待退火炉吹扫升温,在这段静置的时间内轴承结渣,且开机后轴套与轴瓦之间是金属与金属间的硬摩擦,阻力大,此时不适合生产薄规格镀铝锌板。轴套和轴瓦设计间隙为6～8 mm,新辊开机生产后需要一定长的时间,在轴套与轴瓦的两个移动面之间形成一层液膜,起到润滑的效果,此时摩擦因数显著下降[5],辊子旋转进入最佳状态。轴承磨合示意见图4。

图4 轴承磨合示意图

2.5 刮刀锌锅辊子转动的影响

刮刀的作用是清除辊面上的结渣,以免结渣累积造成辊印、色差、锌渣等表面缺陷。但对于辊子的旋转来说,刮刀的存在类似于辊子的“刹车片”,刮刀的压力越大,制动力越强,辊子越容易不转,特别是薄板生产时带钢对辊子的驱动力不足,刮刀压力增加到0.2 MPa连续清辊时,出现了辊子停转。因此,薄板生产时刮刀压力越小越好,但刮刀压力低于0.05 MPa根本起不到清除辊面结渣的作用。因此需要选择合适的刮刀压力和刮刀投用方式,将刮刀对锌锅辊子转动的影响降至最低。

3 镀铝锌薄板高速生产锌锅辊停转改进

通过上述分析,从增加带钢与辊子间的驱动力和减小辊子转动阻力两个方面着手,改进镀铝锌薄板高速生产时锅辊停转问题。

3.1 增加辊子转动驱动力

(1)提高辊面粗糙度,增加带钢与辊子的驱动力。初始设计选择了Ra3.2的辊面粗糙度,虽然增加了驱动力,但高的粗糙度也造成了辊面结渣速度加快,清理辊面结渣需要大压力投入刮刀,反而造成辊子停转。因此对于镀铝锌薄板生产来说辊面粗糙度并不是越大越好,Ra为1.6～2.0为宜。

(2)根据表2的分析,增加校正辊辊径可增加校正辊和稳定辊的包角,增加驱动力,因此,将校正辊半径由100 mm调整为115 mm。

3.2 减小辊子转动阻力

(1)使用闭合空心辊,闭合空心辊是在辊子制造时使辊体内形成负压状态,空心辊体在锌液中的浮力增加,根据图2的受力分析,浮力增加后辊子轴承受力点将转移到上半圆区域,摩擦阻力减小;辊体内形成密闭空间,去除了辊体内部锌液的摩擦阻力,还可以防止辊体内部结渣而导致的辊体中心偏移,减小辊子出现跳动概率,改善轴承的异常磨损导致的辊子停转。但闭合空心辊的使用需考虑其安全性的问题,要求在加工和修复的过程中不接触任何液体,且每次修复后对辊体进行探伤。

(2)使用陶瓷轴承,减小轴承摩擦因数,减小辊子转动阻力。陶瓷轴承在热镀锌机组有大量的成功应用的经验,但在镀铝锌机组应用并不广泛。本机组先后进行了四次陶瓷轴承试验,陶瓷轴承可以改善薄板生产锌锅辊子转动,但相较于金属轴承其使用成本较高。

(3)减小稳定辊、校正辊轴颈。小的轴颈可以减小轴承转动的摩擦阻力接触面,同时可以降低薄板带动辊子所需的转动力矩[6]。但轴颈缩减需要考虑缩颈后的刚度问题,避免轴颈变形、断裂。

(4)调试最佳校正辊插入深度和刮刀压力,薄板生产刮刀不宜连续投入,刮刀采用间断投入的方式,使用压力范围在0.05～0.1 MPa之间,既改善了辊子转动,也达到了控制辊面结渣的目的。

(5)新辊开机生产后,48 h内不生产薄规格镀铝锌板,以0.5～0.6 mm的常规规格为主,使轴承充分磨合。

(6)控制锌渣,停止添加含Ti锌锭,通过其他途径实现小锌花。

4 结论

本文通过对校正辊、稳定辊在锌锅中的受力进行分析,并对锌锅辊结渣、校正辊插入深度、轴承磨损、辊系刮刀等影响锌锅辊转动的其他因素进行分析,明确了解决镀铝锌薄板高速生产时锌锅辊停转问题的改进方向,最终通过提高辊面粗糙度、增加校正辊辊径、使用闭合空心辊、减小辊子轴颈、调试最佳校正辊插入深度和刮刀压力实现了镀铝锌薄板的高速生产。极限规格带钢0.252 mm×802 mm,机组速度由120 m/min提升至135～140 m/min,满足了外部用户对镀铝锌薄板订货量的需求,内部大幅提升了机组的产能,降低了生产成本。