對(duì)軟熔導(dǎo)電輥的失效原因進(jìn)行初步分析，認(rèn)為主要是粘錫和磨損所造成的綜合失效;提出了改善導(dǎo)電輥粗糙度形態(tài)、提高耐磨性和變更帶出槽工藝、改善軟熔導(dǎo)電輥工況、減少粘錫等解決對(duì)策。

摘要：1420mm冷軋單元鍍錫機(jī)組軟熔導(dǎo)電輥的使用壽命短，一定程度上制約了機(jī)組的正常生產(chǎn)，搶修頻繁。對(duì)軟熔導(dǎo)電輥的失效原因進(jìn)行初步分析，認(rèn)為主要是粘錫和磨損所造成的綜合失效;提出了改善導(dǎo)電輥粗糙度形態(tài)、提高耐磨性和變更帶出槽工藝、改善軟熔導(dǎo)電輥工況、減少粘錫等解決對(duì)策。

1軟熔導(dǎo)電輥工況介紹

1420mm冷軋單元鍍錫機(jī)組采用電阻軟熔工藝，為鍍錫成品提供光亮表面和合適的合金層量。電阻軟熔是在1#、2#導(dǎo)電輥之間通以最大電壓310V，最大電流18733A的交流電，將帶鋼加熱，在232℃左右使表面錫層熔化，改變錫層結(jié)晶形態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制中，是以機(jī)組速度決定輸出電壓，達(dá)到控制表面錫層含量的目的。

軟熔導(dǎo)電輥的結(jié)構(gòu)為鐵芯輥上鍍Cu再鍍硬Cr。鍍Cu層厚度一般控制在1.0mm左右，提供優(yōu)良的導(dǎo)電性能;鍍硬cr層厚度在0.07mm以上，硬度約950Hv，提供良好的耐磨性。新輥粗糙度Ra控制在5.0μm左右，通過導(dǎo)電碳刷經(jīng)輥軸端集電環(huán)(鍍Cu層≥1.5mm)而通電。

圖1為軟熔段的設(shè)備布置。其中淬水槽使用純水，溫度控制為80～90℃，在淬水槽人口，帶鋼達(dá)到軟熔段最高溫度約270℃。

2軟熔導(dǎo)電輥失效特征

2.1導(dǎo)電輥粗糙度降低

軟熔導(dǎo)電輥的失效，最直接的表現(xiàn)為導(dǎo)電輥粗糙度下降。從上機(jī)運(yùn)行和檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，以粗糙度為界，可將導(dǎo)電輥的工作歷程分為三個(gè)階段：粗糙度急劇下降區(qū)、平臺(tái)區(qū)和失效區(qū)，如表1和圖2所示。在急劇下降區(qū)，粗糙度下降迅速，平臺(tái)區(qū)相對(duì)平穩(wěn)。同時(shí)，導(dǎo)電輥中間部分磨損較為嚴(yán)重。

圖1為    軟熔段工藝流程圖

由于工況差異，處于濕態(tài)的2#軟熔導(dǎo)電輥比干燥狀態(tài)的1#軟熔導(dǎo)電輥更易失效，更換周期僅1～2個(gè)月。

2.2對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生影響

從現(xiàn)場(chǎng)觀察，在粗糙度急劇下降區(qū)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量無可觀測(cè)的影響;在平臺(tái)區(qū)，影響頻度較低，偶爾會(huì)產(chǎn)生“小白點(diǎn)”缺路，可通過導(dǎo)電輥研磨等作業(yè)調(diào)整加以消除;在失效區(qū)，則不可避免地產(chǎn)生無法消除的“小白點(diǎn)缺路。

對(duì)“小白點(diǎn)”缺陷的實(shí)驗(yàn)室電鏡形貌觀察及能譜分析儀(EDS)分析結(jié)果來看，“小白點(diǎn)”實(shí)際上就是燒點(diǎn)，或者確切的說是“準(zhǔn)燒點(diǎn)”，是一種已將錫層燒損而傷及或未完全傷及合金層的致命缺陷，直接影響了鍍錫板的耐蝕性能、涂層性能。表2是兩種典型“小白點(diǎn)”缺陷的分析。

所以，可以認(rèn)為“小白點(diǎn)”是一種因?qū)щ娸伌植诙冉档?，在大電流下，?dǎo)電輥、鋼板粘附或溶液帶入的微小異物，導(dǎo)致導(dǎo)電輥與帶鋼之間水膜局部擊穿后產(chǎn)生的鍍錫層表面的點(diǎn)狀燒蝕的致命缺陷。

3導(dǎo)電輥失效探討

3.1導(dǎo)電輥鉻層磨損失效

正常生產(chǎn)運(yùn)行中，帶鋼包覆在導(dǎo)電輥的外周圍，整體沒有相對(duì)滑動(dòng)，通過兩者之間的接觸傳遞電流。進(jìn)人1#軟熔導(dǎo)電輥的帶鋼是干燥狀態(tài)。2#導(dǎo)電輥的帶鋼經(jīng)淬水處理后表面帶有水處于濕態(tài)。帶鋼的運(yùn)行速度是由3#張力輥決定，全線輔助馬達(dá)參與速度微調(diào)保證運(yùn)行同步。理論上導(dǎo)電輥驅(qū)動(dòng)的線速度與帶鋼運(yùn)行速度是同步的，但實(shí)際上帶鋼運(yùn)行速度與導(dǎo)電輥線速度存在速度差△V，保持帶鋼與導(dǎo)電輥同步運(yùn)行的關(guān)鍵是兩者之間的靜摩擦力，足夠的靜摩擦力是保證導(dǎo)電輥與帶鋼同步運(yùn)行的必要條件。

帶鋼通過導(dǎo)電輥時(shí)，在導(dǎo)電輥包角范圍內(nèi)發(fā)生微小的彈性變形，兩者之間的滾動(dòng)摩擦逐步使導(dǎo)電輥的表面磨損。隨著使用時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)逐漸減小，μ0→μw→μ1。μ0是原始粗糙度時(shí)的靜摩擦系數(shù)，μw是正常工作時(shí)摩擦系數(shù)，μ1為臨界摩擦系數(shù)。導(dǎo)電輥的三個(gè)工作歷程可以理解為：μ0→μw是粗糙度劇烈降低區(qū)，是粗糙度高峰值的磨損期;μw→μ1是平臺(tái)期，持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短或者說導(dǎo)電輥的耐磨性是決定軟熔導(dǎo)電輥壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵因素;而達(dá)到μ1則導(dǎo)電輥與帶鋼開始發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)電輥開始失效。

帶鋼表面的鍍錫層是很軟的金屬，當(dāng)摩擦系數(shù)為μw以上時(shí)，帶鋼與導(dǎo)電輥沒有相對(duì)滑動(dòng)，帶鋼表面的鍍錫層不會(huì)破壞;當(dāng)摩擦系數(shù)降到μ1臨摩擦系數(shù)時(shí)，導(dǎo)電輥與帶鋼開始發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，帶鋼表面鍍錫層破壞。錫層的破壞或脫落叉加劇了導(dǎo)電輥面的破壞，脫落的錫及雜質(zhì)粘附在導(dǎo)電輥的輥面上，造成打火放電，形成點(diǎn)塊狀“小白點(diǎn)”缺陷。

由于帶鋼表面與輥面的磨損沿輥身長(zhǎng)度方向是不均勻的，從現(xiàn)場(chǎng)下機(jī)的輥面狀態(tài)看沿軸面形成一段段的光亮節(jié)，顏色深淺不一，“節(jié)”與“節(jié)”之間的深度差使帶鋼與導(dǎo)電輥之間存在間隙，加劇了“燒蝕”的發(fā)生。2#軟熔導(dǎo)電輥由于帶鋼處于濕態(tài)，降低了摩擦系數(shù)，從磨損失效的角度來看，更易失效，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是一致的。

3.2粘錫失效

從下機(jī)導(dǎo)電輥的表面上看，有分布在整個(gè)表面上的黃褐色的附著物，用金相砂皮將粘附物擦下，采用X一射線光電子能譜儀(XPS)分析，發(fā)現(xiàn)1#2#軟熔導(dǎo)電輥粘附物的主要成分均為Sn，C，O，A1，Si。其中，2#軟熔導(dǎo)電輥的Sn為四價(jià)，1#軟熔導(dǎo)電輥的Sn為二價(jià)，而Al可以認(rèn)為是砂皮表面的組分;采用能量一分散型X射線分光儀(EDAX)進(jìn)行了分析，按質(zhì)量百分率表示的各種元素含有量如表3所示。

可以認(rèn)為：Cr的存在是由于取樣所得，Cr層含量變化無規(guī)則，是由于砂皮打磨程度的不同;Cu的存在是由于集電環(huán)磨損飛散所致，中央未檢出可以證明這一點(diǎn)。因此，Sn，F(xiàn)e，S，Ca是粘附物的主要成份,Sn含量高達(dá)94%以上，粘錫是主要原因。由此可以得出結(jié)論：導(dǎo)電輥的粘錫是導(dǎo)電輥失效的原因之一。

從圖3的模型可以看出，異物粘附導(dǎo)致了導(dǎo)電輥表面粗糙度的降低，最終導(dǎo)致了失效。這同樣是個(gè)隨著粘附物逐漸增多的粗糙度持續(xù)降低的過程。在30倍放大鏡下可以觀察到鉻層與粘錫的明顯的色澤差異。

對(duì)淬水槽沉淀物、帶出槽沉淀物分析來看，淬水槽沉淀物主要成分為Sn2+，C，O;帶出槽沉淀物為sn2+，C，O，N?？梢哉J(rèn)為導(dǎo)電輥的粘附物來源自淬水槽和帶出槽。帶出槽集中影響l#軟熔導(dǎo)電輥;淬水槽集中影響2#軟熔導(dǎo)電輥。帶出槽Sn的來源為電鍍段溶液的帶出;淬水槽的Sn的來源主要是鍍錫板的錫層和帶出槽的雜質(zhì)。

因Sn4+的沉淀性，導(dǎo)致導(dǎo)電輥的失效加劇，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際表明:2#軟熔導(dǎo)電輥更易失效，可能基于這個(gè)緣由。

3.3導(dǎo)電輥綜合失效

鍍錫機(jī)組軟熔導(dǎo)電輥的失效，可以認(rèn)為是磨損失效和粘錫失效綜合作用的結(jié)果。初期主要是磨損失效，同時(shí)也是錫牯附的開始，表現(xiàn)為粗糙度急劇下降區(qū);中期是磨損、粘錫的綜合交錯(cuò)作用期，表現(xiàn)為平臺(tái)區(qū)，由于硬鉻層的耐磨性能，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，磨損失效影響幾乎不體現(xiàn);在后期，由于粘錫的持續(xù)作用，粗糙度波谷填滿時(shí)，即到達(dá)失效區(qū)，這時(shí)可采用拋光器研磨、砂紙打磨的方法，去除粘錫，維持相對(duì)粗糙度，繼續(xù)生產(chǎn);在末期，粘錫超過波峰時(shí)，由于在線拋光器的研磨去除，粘錫失效影響停止，但鉻層持續(xù)磨損;當(dāng)磨擦系數(shù)達(dá)到μ1時(shí)，這是導(dǎo)電輥真正失效的開始，現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)調(diào)整如砂紙研磨也無法消除，導(dǎo)電輥必須更換。

4.失效對(duì)策

從軟熔導(dǎo)電輥失效分析可知，解決失效的根本對(duì)策在于導(dǎo)電輥耐磨性的提高和粘錫的防止。

4.1導(dǎo)電輥對(duì)策

4.1.1改進(jìn)粗糙度形態(tài)提高耐磨性

改善輥面狀態(tài)，以圓滑狀微凸體粗糙度代替原有的山峰狀微凸體粗糙度，增加輥表面和帶鋼的接觸面積，減緩磨損速度，如圖4所示。

相同的粗糙度值(Ra)可以有不同的表面狀態(tài)。圓滑狀粗糙度表面接觸面積要大于山峰狀粗糙度表面的接觸面積。在實(shí)際的粗糙表面上，微凸體的高度分布是隨機(jī)的，在不同的微凸體上產(chǎn)生的變形是極不均勻的。兩摩擦界面發(fā)生表面接觸，實(shí)際上是部分微凸體發(fā)生塑性變形，部分發(fā)生彈性變形，部分不接觸不發(fā)生變形。導(dǎo)電輥與帶鋼之間的滾動(dòng)摩擦導(dǎo)致部分微凸體變形甚至脆斷。從微觀形狀分析，圖4一(2)中圓滑狀表面微凸體的抗變形能力要強(qiáng)于圖4一(1)山峰狀表面微凸體，耐磨性圖4一(2)型要強(qiáng)于圖4一(1)型。

4.1.2提高硬度改善表面鍍層的綜合性能指標(biāo)

提高導(dǎo)電輥表面鍍鉻層的硬度(Hv1000以上)可以提高耐磨性，提高導(dǎo)電輥壽命。

從微觀分析，導(dǎo)電輥失效是輥面鍍層微凸體變形、脆斷、粗糙度下降的結(jié)果。提高硬度的同時(shí)，改善微凸體的強(qiáng)度、韌性綜合指標(biāo)，才能提高耐磨性。表面鍍層晶粒細(xì)小、均勻、微凸體形態(tài)分布合理、整體導(dǎo)電輥粗糙度的提高，可以提高導(dǎo)電輥壽命。

4.2改善工藝條件減少粘錫

4.2.1帶出槽工藝的變更

從粘錫失效分析可以看出，帶出槽內(nèi)Sn2+和EN、ENSA添加劑的鰲合是導(dǎo)電輥的粘結(jié)物的來源之一，因此減少EN、ENSA是減少粘錫的重要手段。原機(jī)組工藝帶出槽添加EN、ENSA作為消除木紋缺陷對(duì)策之一，但帶來了加速導(dǎo)電輥失效的負(fù)面影響。更改帶出槽工藝，停止添加EN、ENSA，帶出工藝僅作為助熔回收工藝目的，即只控制Sn2+和PSA的含量。

帶出槽sn2+的來源為電鍍段的鍍液帶出，減少帶出槽的sn含量對(duì)改變粘錫有現(xiàn)實(shí)意義。更改機(jī)組原工藝的帶出循環(huán)工藝.即1#帶出槽不循環(huán)，并不斷添加冷凝水稀釋減少Sn2+，溢流回蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)回收;2#帶出槽僅按助熔工藝控制，循環(huán)保持成分穩(wěn)定。

4.2.2導(dǎo)電輥吹掃和淬水槽出口沖洗

減少粘附物在1#導(dǎo)電輥的滯留，增設(shè)壓縮空氣連續(xù)吹掃1#軟熔導(dǎo)電輥輥面，壓力控制在30N/cm2以上。

為減少帶出槽內(nèi)水垢或沉淀物粘附對(duì)2#軟熔導(dǎo)電輥的影響，在進(jìn)入2#軟熔導(dǎo)電輥處增加新鮮純水連續(xù)沖洗，清潔帶鋼表面，防止粘錫發(fā)生。沖洗壓力控制在30N/cm2。

4.2.3帶鋼表面錫須的防冶

帶鋼邊部電鍍時(shí)因邊緣電流集中，產(chǎn)生大量邊部錫須，造成了帶出槽和淬水槽錫須增多，是粘錫的來源之一，最終影響導(dǎo)電輥的壽命。因此，電鍍段邊緣罩(EdgeMask)的+5mm(帶鋼邊部的進(jìn)入量)投入、邊部刮邊器的投入使用等，可有效減少錫須發(fā)生量。另外，加強(qiáng)壓輥輥面及壓力、擠干輥擠干效果的管理，保證帶鋼表面清潔，防止異物進(jìn)入軟熔段，也是有實(shí)際效果的。

4.3降低軟熔導(dǎo)電輥的大電流

“小白點(diǎn)”缺陷的發(fā)生，是一種燒蝕”，電流是必要條件，大電流的存在導(dǎo)致了對(duì)軟熔導(dǎo)電輥的高要求。采用感應(yīng)軟熔，減少軟熔工藝對(duì)軟熔導(dǎo)電輥的依賴，大大降低軟熔導(dǎo)電輥的電流，也是延緩軟熔導(dǎo)電輥失效的措施。

5結(jié)論

鍍錫機(jī)組軟熔導(dǎo)電輥的失效是磨損失效、粘錫失效綜合作用的結(jié)果。提高導(dǎo)電輥表面粗糙度形態(tài)、增加接觸面積，提高耐磨性，形成高硬度鍍鉻層，減少磨損失效是目前最緊迫的對(duì)策。粘錫的防止，是直接有效易行的方法，大大提高了現(xiàn)有導(dǎo)電輥的使用壽命，“小白點(diǎn)”缺陷不再是困擾鍍錫質(zhì)量的主要因素。