摘要：1420mm冷轧单元镀锡机组软熔导电辊的使用寿命短，一定程度上制约了机组的正常生产，抢修频繁。对软熔导电辊的失效原因进行初步分析，认为主要是粘锡和磨损所造成的综合失效;提出了改善导电辊粗糙度形态、提高耐磨性和变更带出槽工艺、改善软熔导电辊工况、减少粘锡等解决对策。 1 软熔导电辊工况介绍 1420mm冷轧单元镀锡机组采用电阻软熔工艺，为镀锡成品提供光亮表面和合适的合金层量。电阻软熔是在1#、2#导电辊之间通以最大电压310V，最大电流18733A的交流电，将带钢加热，在232℃左右使表面锡层熔化，改变锡层结晶形态。现场实际控制中，是以机组速度决定输出电压，达到控制表面锡层含量的目的。 软熔导电辊的结构为铁芯辊上镀Cu再镀硬Cr。镀Cu层厚度一般控制在1.0mm左右，提供优良的导电性能;镀硬cr层厚度在0.07mm以上，硬度约950Hv，提供良好的耐磨性。新辊粗糙度Ra控制在5.0μm左右，通过导电碳刷经辊轴端集电环(镀Cu层≥1.5mm)而通电。 图1为软熔段的设备布置。其中淬水槽使用纯水，温度控制为80～90℃，在淬水槽人口，带钢达到软熔段最高温度约270℃。 2 软熔导电辊失效特征 2.1导电辊粗糙度降低 软熔导电辊的失效，最直接的表现为导电辊粗糙度下降。从上机运行和检测数据来看，以粗糙度为界，可将导电辊的工作历程分为三个阶段：粗糙度急剧下降区、平台区和失效区，如表1和图2所示。在急剧下降区，粗糙度下降迅速，平台区相对平稳。同时，导电辊中间部分磨损较为严重。
由于工况差异，处于湿态的2#软熔导电辊比干燥状态的1#软熔导电辊更易失效，更换周期仅1～2个月。 2.2对质量产生影响 从现场观察，在粗糙度急剧下降区，对产品质量无可观测的影响;在平台区，影响频度较低，偶尔会产生“小白点”缺路，可通过导电辊研磨等作业调整加以消除;在失效区，则不可避免地产生无法消除的“小白点缺路。 对“小白点”缺陷的实验室电镜形貌观察及能谱分析仪(EDS)分析结果来看，“小白点”实际上就是烧点，或者确切的说是“准烧点”，是一种已将锡层烧损而伤及或未完全伤及合金层的致命缺陷，直接影响了镀锡板的耐蚀性能、涂层性能。表2是两种典型“小白点”缺陷的分析。
所以，可以认为“小白点”是一种因导电辊粗糙度降低，在大电流下，导电辊、钢板粘附或溶液带入的微小异物，导致导电辊与带钢之间水膜局部击穿后产生的镀锡层表面的点状烧蚀的致命缺陷。 3 导电辊失效探讨 3.1导电辊铬层磨损失效 正常生产运行中，带钢包覆在导电辊的外周围，整体没有相对滑动，通过两者之间的接触传递电流。进人1#软熔导电辊的带钢是干燥状态。2#导电辊的带钢经淬水处理后表面带有水处于湿态。带钢的运行速度是由3#张力辊决定，全线辅助马达参与速度微调保证运行同步。理论上导电辊驱动的线速度与带钢运行速度是同步的，但实际上带钢运行速度与导电辊线速度存在速度差△V，保持带钢与导电辊同步运行的关键是两者之间的静摩擦力，足够的静摩擦力是保证导电辊与带钢同步运行的必要条件。 带钢通过导电辊时，在导电辊包角范围内发生微小的弹性变形，两者之间的滚动摩擦逐步使导电辊的表面磨损。随着使用时间的增加，摩擦系数逐渐减小，μ0→μw→μ1。μ0是原始粗糙度时的静摩擦系数，μw是正常工作时摩擦系数，μ1为临界摩擦系数。导电辊的三个工作历程可以理解为：μ0→μw是粗糙度剧烈降低区，是粗糙度高峰值的磨损期;μw→μ1是平台期，持续的时间长短或者说导电辊的耐磨性是决定软熔导电辊寿命长短的关键因素;而达到μ1则导电辊与带钢开始发生相对滑动，导电辊开始失效。 带钢表面的镀锡层是很软的金属，当摩擦系数为μw以上时，带钢与导电辊没有相对滑动，带钢表面的镀锡层不会破坏;当摩擦系数降到μ1临摩擦系数时，导电辊与带钢开始发生相对滑动，带钢表面镀锡层破坏。锡层的破坏或脱落叉加剧了导电辊面的破坏，脱落的锡及杂质粘附在导电辊的辊面上，造成打火放电，形成点块状“小白点”缺陷。 由于带钢表面与辊面的磨损沿辊身长度方向是不均匀的，从现场下机的辊面状态看沿轴面形成一段段的光亮节，颜色深浅不一，“节”与“节”之间的深度差使带钢与导电辊之间存在间隙，加剧了“烧蚀”的发生。2#软熔导电辊由于带钢处于湿态，降低了摩擦系数，从磨损失效的角度来看，更易失效，这与现场实际是一致的。 3.2粘锡失效 从下机导电辊的表面上看，有分布在整个表面上的黄褐色的附着物，用金相砂皮将粘附物擦下，采用X一射线光电子能谱仪(XPS)分析，发现1#2#软熔导电辊粘附物的主要成分均为Sn，C，O，A1，Si。其中，2#软熔导电辊的Sn为四价，1#软熔导电辊的Sn为二价，而Al可以认为是砂皮表面的组分;采用能量一分散型X射线分光仪(EDAX)进行了分析，按质量百分率表示的各种元素含有量如表3所示。
可以认为：Cr的存在是由于取样所得，Cr层含量变化无规则，是由于砂皮打磨程度的不同;Cu的存在是由于集电环磨损飞散所致，中央未检出可以证明这一点。因此，Sn，Fe，S，Ca是粘附物的主要成份,Sn含量高达94%以上，粘锡是主要原因。由此可以得出结论：导电辊的粘锡是导电辊失效的原因之一。 从图3的模型可以看出，异物粘附导致了导电辊表面粗糙度的降低，最终导致了失效。这同样是个随着粘附物逐渐增多的粗糙度持续降低的过程。在30倍放大镜下可以观察到铬层与粘锡的明显的色泽差异。
对淬水槽沉淀物、带出槽沉淀物分析来看，淬水槽沉淀物主要成分为Sn2+，C，O;带出槽沉淀物为sn2+，C，O，N。可以认为导电辊的粘附物来源自淬水槽和带出槽。带出槽集中影响l#软熔导电辊;淬水槽集中影响2#软熔导电辊。带出槽Sn的来源为电镀段溶液的带出;淬水槽的Sn的来源主要是镀锡板的锡层和带出槽的杂质。 因Sn4+的沉淀性，导致导电辊的失效加剧，现场实际表明:2#软熔导电辊更易失效，可能基于这个缘由。 3.3导电辊综合失效 镀锡机组软熔导电辊的失效，可以认为是磨损失效和粘锡失效综合作用的结果。初期主要是磨损失效，同时也是锡牯附的开始，表现为粗糙度急剧下降区;中期是磨损、粘锡的综合交错作用期，表现为平台区，由于硬铬层的耐磨性能，时间相对较长，磨损失效影响几乎不体现;在后期，由于粘锡的持续作用，粗糙度波谷填满时，即到达失效区，这时可采用抛光器研磨、砂纸打磨的方法，去除粘锡，维持相对粗糙度，继续生产;在末期，粘锡超过波峰时，由于在线抛光器的研磨去除，粘锡失效影响停止，但铬层持续磨损;当磨擦系数达到μ1时，这是导电辊真正失效的开始，现场的作业调整如砂纸研磨也无法消除，导电辊必须更换。 4.失效对策 从软熔导电辊失效分析可知，解决失效的根本对策在于导电辊耐磨性的提高和粘锡的防止。 4.1导电辊对策 4.1.1改进粗糙度形态提高耐磨性 改善辊面状态，以圆滑状微凸体粗糙度代替原有的山峰状微凸体粗糙度，增加辊表面和带钢的接触面积，减缓磨损速度，如图4所示。
相同的粗糙度值(Ra)可以有不同的表面状态。圆滑状粗糙度表面接触面积要大于山峰状粗糙度表面的接触面积。在实际的粗糙表面上，微凸体的高度分布是随机的，在不同的微凸体上产生的变形是极不均匀的。两摩擦界面发生表面接触，实际上是部分微凸体发生塑性变形，部分发生弹性变形，部分不接触不发生变形。导电辊与带钢之间的滚动摩擦导致部分微凸体变形甚至脆断。从微观形状分析，图4一(2)中圆滑状表面微凸体的抗变形能力要强于图4一(1)山峰状表面微凸体，耐磨性图4一(2)型要强于图4一(1)型。 4.1.2提高硬度改善表面镀层的综合性能指标 提高导电辊表面镀铬层的硬度(Hv1000以上)可以提高耐磨性，提高导电辊寿命。 从微观分析，导电辊失效是辊面镀层微凸体变形、脆断、粗糙度下降的结果。提高硬度的同时，改善微凸体的强度、韧性综合指标，才能提高耐磨性。表面镀层晶粒细小、均匀、微凸体形态分布合理、整体导电辊粗糙度的提高，可以提高导电辊寿命。 4.2改善工艺条件减少粘锡 4.2.1带出槽工艺的变更 从粘锡失效分析可以看出，带出槽内Sn2+和EN、ENSA添加剂的鳌合是导电辊的粘结物的来源之一，因此减少EN、ENSA是减少粘锡的重要手段。原机组工艺带出槽添加EN、ENSA作为消除木纹缺陷对策之一，但带来了加速导电辊失效的负面影响。更改带出槽工艺，停止添加EN、ENSA，带出工艺仅作为助熔回收工艺目的，即只控制Sn2+和PSA的含量。 带出槽sn2+的来源为电镀段的镀液带出，减少带出槽的sn含量对改变粘锡有现实意义。更改机组原工艺的带出循环工艺.即1#带出槽不循环，并不断添加冷凝水稀释减少Sn2+，溢流回蒸发系统蒸发回收;2#带出槽仅按助熔工艺控制，循环保持成分稳定。 4.2.2导电辊吹扫和淬水槽出口冲洗 减少粘附物在1#导电辊的滞留，增设压缩空气连续吹扫1#软熔导电辊辊面，压力控制在30N/cm2以上。 为减少带出槽内水垢或沉淀物粘附对2#软熔导电辊的影响，在进入2#软熔导电辊处增加新鲜纯水连续冲洗，清洁带钢表面，防止粘锡发生。冲洗压力控制在30N/cm2。 4.2.3带钢表面锡须的防冶 带钢边部电镀时因边缘电流集中，产生大量边部锡须，造成了带出槽和淬水槽锡须增多，是粘锡的来源之一，最终影响导电辊的寿命。因此，电镀段边缘罩(EdgeMask)的+5mm(带钢边部的进入量)投入、边部刮边器的投入使用等，可有效减少锡须发生量。另外，加强压辊辊面及压力、挤干辊挤干效果的管理，保证带钢表面清洁，防止异物进入软熔段，也是有实际效果的。 4.3 降低软熔导电辊的大电流 “小白点”缺陷的发生，是一种烧蚀”，电流是必要条件，大电流的存在导致了对软熔导电辊的高要求。采用感应软熔，减少软熔工艺对软熔导电辊的依赖，大大降低软熔导电辊的电流，也是延缓软熔导电辊失效的措施。 5 结论 镀锡机组软熔导电辊的失效是磨损失效、粘锡失效综合作用的结果。提高导电辊表面粗糙度形态、增加接触面积，提高耐磨性，形成高硬度镀铬层，减少磨损失效是目前最紧迫的对策。粘锡的防止，是直接有效易行的方法，大大提高了现有导电辊的使用寿命，“小白点”缺陷不再是困扰镀锡质量的主要因素。 |
