' 浦项制钢建一条宽钢带物理气相沉积中试线_新闻中心_天津钢管集团股份有限公司
您当前的位置:天津钢管集团股份有限公司 > 新闻中心 > 浦项制钢建一条宽钢带物理气相沉积中试线

浦项制钢建一条宽钢带物理气相沉积中试线


目前市场上有几类涂层钢产品,其中以镀锌和镀锡为主,它们主要用作汽车面板和零件的底板、家电、建筑、罐体和罐盖。

镀锌钢板主要采用热浸镀锌或电镀锌方式生产。由热浸镀锌工艺生产的镀锌钢或合金化退火镀锌钢,由于工艺路线简单,并具有相对较高的生产率,因而成本相当低,但受到该工艺相当高的镀层重量的影响,特别是当Zn价格高时,镀层重量减少。电镀锌钢板尽管具有优异的表面质量和薄镀层,但由于高能耗、低生产率和昂贵的废水处理,其竞争性不如热浸镀锌工艺。镀锌的另一威胁是锌的供应不稳定,这从不断上涨的锌的价格和消耗量可窥一斑。

就在钢铁工业正在努力降低涂层钢生产成本的同时,主要应用领域的客户却越来越迫切要求低价格、高性能以及环境友好的产品。他们已经要求钢铁企业开发出所谓的下一代通过环保型工艺高效率地生产出来智能性涂层产品,这类产品具有更高的质量、同时镀层厚度薄。

在过去几年间,全球经济萧条打击了通过创新工艺开发新的涂层产品的这一长期计划,尽管如此,一些钢铁企业仍然一直对未来涂层钢的开发活动保持积极的投资热情。

本文介绍浦项制钢近年来利用连续PVD中试线开发智能性涂层产品的研究开发活动,同时介绍韩国政府资助的一个计划,该计划旨在激励和支撑开发主要工业领域用基板的长期研究项目。

1开发状态

1.1 POSCO开发活动历时

在20世纪90年代早期,欧洲和亚洲一些国家存在几个在钢带上进行PVD涂层的非常积极的研发项目。韩国的科学与技术研究院(RIST)代表POSCO公司承担了一项长期的国家项目,利用大气对真空型PVD中试线研究钢带的多种镀层。即使这些结果没有被商业化,但是实现连续PVD涂层的设备和一些有前景的镀层的可行性这一目标得以实现。

尽管亚洲国家的研究活动在20世纪90年代后期中止,但一些欧洲项目真的继续进行中试规模的生产,目标主要定位在耐腐蚀性高的汽车用钢。

从2005年开始,POSCO和CORUS(现为塔塔钢铁欧洲公司)通力合作,通过电磁-悬浮PVD技术开发Zn-Mg涂层。近年来,做出了继续进行研发投入的决定,以确保在未来5年完成涂层技术的商业化阶段开发、产品开发和产品评估,研发活动由韩国贸易、工业和能源部(MOTIE)和2010年设立的世界优质材料(WPM)计划资助。

WPM计划旨在全球领先的10种优质材料的开发和商业化生产,该计划受到总额1万亿韩元(8.6亿美元)的政府基金的资助,完成日期2018年。该计划基于突破性、商业领导、开放型创新的指导原则。该计划的管理采用公司制,由10个企业部门分管10种材料,每一部门的项目经理被充分授权对项目进度安排和研发活动进行全权管理。

在申请WPM计划的420家候选单位中,POSCO在2010年获得一项WPM项目“生态兼容性智能涂层钢板材料及其制造技术的开发”,目标是利用商业化全宽度辊对辊涂技术,通过生态兼容的高速EML-PVD涂层技术,实现耐腐蚀性高的Zn-Mg薄膜涂层材料的开发。

通过WPM资助和公司配套研发投入,从2012年开始POSCO建设一条宽的PVD中试线,开始启动商业化阶段的开发活动。

1.2 Zn-Mg镀层

Zn-Mg合金已被认为是保护钢材防止腐蚀的非常有效的涂层。

已经有几种涂装方法通过PVD工艺涂装Zn-Mg涂层,如热蒸发和真空喷镀,但由于在商业化应用时出现的蒸汽压力差和动态沉积速率等物理限制而得不到广泛应用。

作为PVD法Zn-Mg涂层的替代品,涂层中Mg含量少于3%的热浸Zn-Al-Mg涂层被开发出来,同时在已有的电镀Zn层上,通过后续热处理过程,进行PVD 法Mg沉积,产生Zn-Mg合金化层。不过,一直希望生产处更高Mn含量的薄的、最优Zn-Mg层的涂层,同时从单一的蒸发源沉积,这将降低工艺复杂性和工艺成本。

1.3可用的钢带涂层PVD技术

如图1和表1所示,已将几种PVD技术用在铝带、铜带和钢带的连续涂层设备上,尽管这些技术主要基于电子束和真空喷镀技术,它们所需的涂层厚度和涂镀速率低,并成功地应用在实现光反射、吸热或可靠性能的高附加值涂层的生产上。

 

图1 用于钢带涂层的涂装技术分类

表1 典型PVD技术的涂装特征比较

项目
 EB-PVD
 喷射PVD
 EML-PVD
 
技术
 电子束照射到坩埚内的金属→蒸汽产生→蒸汽移动到钢带上
 金属在坩埚内加热→蒸汽产生→蒸汽通过喷嘴喷射到钢带上
 液滴悬浮&熔化→蒸汽通过喷嘴喷射到钢带上
 
涂层材料
 金属、陶瓷
 蒸汽压力高的金属(Zn,Mg)
 金属
 
涂装速度
 ~10mpm
 ~100mpm
 ~200mpm
 
优点
 理论上可以涂装所有材料,精确涂层控制
 高速涂装,设备简单、蒸汽收得率高
 极高的涂装速度、蒸汽收得率高、能效高,可能进行合金涂层
 
缺点
 涂装速度低、蒸汽收得率低、能效低
 仅限于低熔点金属

难进行合金涂层
 仅限于金属涂层
 

 

然而,这些技术并不适合于钢带的防腐涂层,其中由动态沉积速率决定的生产率是商业化应用的一个基本前提条件。例如,热浸镀工艺的动态沉积速率超过1000μm/min,而电镀速率约为400μm/min。

对要用于耐蚀钢生产的PVD工艺,动态沉积速率应超过450μm/min,才能提供耐蚀性能相当或更高的薄涂层。如果将动态沉积速率简单地换算成蒸发速率,则后者约在3-4kg/min,这不可能通过电子束发或真空喷镀过程实现。在涂镀蒸汽压力非常高的Zn和Mg时,喷射蒸发技术可用于Zn或Mg的高速沉积。而当喷射蒸发技术用于Zn-Mg合金涂层时,在没有其他技术的协助下,如沉积前的蒸汽混合设备,则不能从一个单一蒸发源同时地产生合金蒸汽。

大约在10年前出现的EML-PVD技术是满足该要求的唯一方案,它是一种蒸发技术,利用感应线圈,通过高频电源产生感应电流,在将金属液滴悬浮在线圈内的同时加热液滴。

由液滴产生的蒸汽通过一个蒸汽配送箱将蒸汽均匀地送往在蒸汽上面移动的钢带上。蒸发的金属可由液体金属补充,从穿过感应线圈底部的一个真空室外部供料。

2 POSCO建设的工艺设施

2.1 PVD模拟设备

作为检验EML-PVD工艺可行性的第一步,2005年POSCO建立一个内嵌的PVD模拟设备,它由分布在两端的两个试样盒、四个入口降压室、等离子侵蚀、PVD涂镀和出口降压室组成。试样尺寸为300mm×300mm,并且仅试样下表面被涂镀。侵蚀基板的等离子源是反溅蚀机,由5kW直流电源供电。

在涂装室内,可以放置由电子束、溅蚀、喷射和EML蒸发产生的蒸发源。

2.2 300mm宽PVD中试线

在证实了高速沉积EML-PVD可行性之后,在2007年建设了一条大气对大气型PVD中试线,它采用真空锁闭系统,在不破坏真空的情况下钢带连续通过、进出真空室。

该中试线从入口侧钢带处理开始、由一个开卷机和一套焊机组成,后面为一个入口降压室,它将钢带连续地导入真空室。入口侧有6个降压室、出口侧有7个降压室。钢带在进入真空室后,由6个反磁控溅蚀机产生的氩气等离子对钢带进行清洗和活化。

在等离子预处理后有两个独立的涂镀室,一个为EV-PVD室,一个为EML-PVD室。在EB室内有两个200kW的电子束枪,它们具备蒸发和钢带预加热的双重功能。

在EML室内部安装了一台EML蒸发源,由300kW高频电源供电。钢带经过出口降压室脱离真空,随后经过出口侧钢带处理,包括一台剪切机和一个张力卷筒。中试线的主要技术参数为:最大速度200m/min,钢带宽度300mm、最大规格2mm厚。

利用这条中试线也可实现和CGL与EGL等现有涂层线相竞争的高生产率工艺的开发。

2.3全宽度PVD中试线

作为开发阶段的最终目标,在2012年3月建起了全宽度PVD中试线。如表2所示,全宽度中试线可加工最大1550mm宽钢带,最高速度为140m/min。可生产用于质量评估和质量认定的样品,样品种类能够满足汽车、家电和建筑用总需求的80%以上。

表2  带钢处理基本参数

钢带尺寸
 厚度
 0.4-1.5mm
 
宽度
 900-1550mm
 
最大运行速度
 140mpm
 
最大卷重
 25 t
 

 

这条中试线的特点之一是连接到现有的生产线上,从而降低钢带处理的入口和出口段建设成本。在浦项光阳钢厂有一条多涂层生产线(MCL),它具备重卷和涂树脂功能。真空区布置在MCL的右手侧。

如图2所示,在安装真空段前,MCL能够按重卷(RCL)模式和MCL模式工运行,但是在安装真空段后它可以按照PVD和PVD+MCL这另外两种模式运行。从而使这条线具备了包括无Cr钝化和树脂涂镀的多种后处理功能。

 

图2 与现有多涂层生产线相连的全宽度PVD布置示意图

 

真空区有三个基本段,分别负责真空锁闭、等离子预处理和EML-PVD涂镀。

真空锁闭段位于真空区的出入口端,分别有6个和7个降压室组成。图3给出了真空锁闭系统的效果。在入口和出口真空锁闭室,无论生产线速度如何,可以获得几乎相同的真空度。

 

图3 不同速度下真空锁闭系统的真空压力解耦效果

等离子预处理是获得良好的涂层附着性的最根本工序。预处理工艺采用各种表面侵蚀技术,如反磁控溅蚀、辉光放电侵蚀和离子束侵蚀等。反磁控溅蚀技术的侵蚀速率高,而辉光放电 侵蚀也已经用在许多领域。不过,在处理的表面上直接放电的表面侵蚀方法,其侵蚀效果与处理目标有关。

另一方面,离子束处理利用高能粒子侵蚀表面,处理各种材料时生产效率稳定。这种技术实现工业应用,如侵蚀、沉积和表面活化过程等。闭合漂移型离子枪的基本原理如图4所示。

 

图4 闭合漂移型离子枪中等离子生成基本原理

闭合漂移离子源容易产生线性离子束,这是由于E×B漂移电子均匀地产生线性等离子。

在电磁场内,电子被俘获在闭环中。Ar可以被E×B漂移电子有效地离子化,被离子化的离子通过阳极和阴极之间的强电场加速。平均离子能为几千电子伏特。

线性离子源具有优异的扩展性,最长2m。目前,利用线性离子源进行各种表面处理,包括侵蚀、活化、清洗、沉积等等。

真空区的最后一段为EML-PVD涂装,有三个涂装室,每个涂装室可以布置两个涂料源进行双侧涂装。

真空泵系统由4种真空泵组成,包括旋转泵、机械增压泵、油扩散泵和涡轮分子泵。在真空锁闭段仅旋转泵和增压泵用于蒸发,而等离子段采用旋转泵、增压泵和涡轮分子泵,在涂装段采用旋转泵、增压泵和油扩散泵。在完成全部安装后,对真空段进行了运行所有泵系统的测试,真空水平达到低于5×10-5毫巴。

3结论

POSCO成功地建设并启动了一条全宽度PVD中试线。从PVD模拟设备研究得出的基本结果,为宽度窄的PVD中试线运行提供参考,验证了它们可以应用到钢带涂装上,最终在宽的中试线上将证明其商业化生产的可行性。

各种PVD技术用于开发和生产满足客户面向未来需求的新型涂层产品。


上一篇文章:宽厚板成材率影响因素分析及提升措施
下一篇文章:不锈钢冷轧污泥环保无害化处理
天津钢管公司 天津钢管集团   天津大无缝钢管厂
版权信息 
天津钢管制造有限公司 电话:022-84926265  手机:18322518972 网站地图
Copyright (c) 2000-2010 022g.cn,Tianjin PIPE(GROUP) CORPORATION ALL right reserved
本网站由天津钢管集团股份有限公司版权所有