熱鍍鋅帶鋼表面鋅渣缺陷形成分析及改進(jìn)措施

王保勇，鮑成人，寧媛媛，魯洋澤

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，帶鋼經(jīng)過清洗后，在退火爐內(nèi)完成退火后以一定的溫度經(jīng)過爐鼻子進(jìn)入鋅鍋，經(jīng)過沉沒輥、糾正輥、穩(wěn)定輥后出鋅鍋，在氣刀處達(dá)到合適的鋅層重量，后經(jīng)冷卻工序完成鍍鋅過程。在鍍鋅過程時，由于鐵不斷熔入鋅液、鋅鍋成份和溫度的不均熱以及氣刀噴吹造成的氧化，鋅渣的產(chǎn)生是不可避免的。熱鍍鋅帶鋼表面的鋅渣缺陷成為熱鍍鋅產(chǎn)品的主要質(zhì)量缺陷之一，它嚴(yán)重地影響了熱鍍鋅產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。為了解決這一問題，文章研究了鋅渣的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素和運動形式，并提出了控制帶鋼表面鋅渣缺陷的相應(yīng)措施。

1 鋅渣的形成及分類

鋅渣是鍍鋅生產(chǎn)過程中熔入鋅液內(nèi)的鐵與鋅、鋁等元素發(fā)生二元或三元反應(yīng)生成的金屬化合物或氧化物，這些金屬化合物或氧化物分為兩大類：①氧化鋅-氧化鋁型，②鋅-鐵及鐵-鋁化合物型。其中氧化物型鋅渣主要為暴露在空氣中的鋅液面與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成，金屬化合物型鋅渣為鋅液中的鐵、鋁、鋅反應(yīng)生成。

氧化物型鋅渣主要位于鋅液表面，生成后能夠阻止鋅液與空氣的進(jìn)一步接觸而減少鋅液的氧化，除爐鼻子內(nèi)外，氧化型鋅渣可通過定時的撈扒渣操作進(jìn)行清理，對帶鋼表面質(zhì)量影響相對較??；金屬化合物型鋅渣產(chǎn)生于鋅液中，分為鐵鋁化合物型和鐵鋅化合物型2種，其中鐵鋁化合物型主要懸浮在鋅液中，生產(chǎn)過程中會隨鋅液流動或輥子轉(zhuǎn)動粘附到帶鋼表面，形成鋅渣缺陷，該類鋅渣對鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量影響較大。鐵鋅化合物型主要位于鋅鍋底部，在GI鋅鍋中的生成量很少，對帶鋼表面質(zhì)量的影響不大。氧化型鋅渣的生成主要受鋅液面氣體流動的影響，形成過程相對簡單。金屬化合物型鋅渣的形成過程則相對復(fù)雜，具體產(chǎn)生過程如下：①帶鋼進(jìn)入鋅鍋后其表面鐵原子熔入鋅液之中；②由于加鋅錠等因素影響，鋅液中的溫度和鋁含量都是不均勻的，存在一定的起伏。鋅渣便會在鐵的濃度較高處，鋅液溫度較低處首先形成；③初期形成的鋅渣質(zhì)點很小，也很不穩(wěn)定，可能隨鋅液溫度的升高或鐵濃度的下降而重新熔入鋅液中；④有相當(dāng)一部分初期形成的顆粒較小的鋅渣質(zhì)點通過在鋅液之中發(fā)生布朗運動是的相互碰撞，或通過后續(xù)的鐵鋅反應(yīng)，體積迅速長大，當(dāng)其直徑超過一定的臨界尺寸時，便成為永久的固體顆粒，不再熔入鋅液之中，形成鋅液中的鋅渣。

2 鋅渣生成的影響因素分析

2.1 化合物型鋅渣影響因素分析

化合物型鋅渣主要為Fe2Al5和 FeZn7，因此鋅液中的鐵含量是生成這兩種鋅渣的關(guān)鍵因素。此外，任何造成鋅液中鐵含量超過其在相應(yīng)溫度下熔解度的因素，都會導(dǎo)致此類鋅渣的生成。

（1）鐵元素的來源

鋅鍋中的鐵元素主要有三種來源：帶鋼表面殘鐵，帶鋼表面鐵的熔解，鋅錠中的雜質(zhì)鐵。

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，酸軋和鍍鋅清洗段流程日趨完善，帶鋼表面的殘鐵很少，殘留鐵粉量約5mg/m2，這部分幾乎全部熔入鋅液中。如果軋硬卷在空氣中放置時間過長，導(dǎo)致帶鋼局部氧化鐵皮較厚，或者上道工序帶有氧化鐵皮、翹皮或夾雜等缺陷，經(jīng)過清洗后殘留量將大大增加。

正常工藝控制下，帶鋼在退火爐內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)。如果帶鋼運行速度快，退火溫度低或保護(hù)氣體中氫含量低都可能使反應(yīng)進(jìn)行不完全，保護(hù)氣體的露點太高（即水分太多）時，甚至?xí)偈狗磻?yīng)逆向進(jìn)行，帶鋼反而會被氧化，也會導(dǎo)致多余的鐵被帶入鋅鍋。

帶鋼表面鐵的熔解是鋅鍋中鐵元素的主要來源，該熔解過程受鋅液溫度、帶鋼入鋅鍋溫度，單位時間內(nèi)過鋼面積，帶鋼表面狀態(tài)的影響。鐵在鋅鍋中的熔解主要發(fā)生在帶鋼剛?cè)脘\鍋時，過高的帶鋼溫度會使鋅液溫度升高造成鐵損量增大，使鋅渣量增加。帶鋼表面粗糙度越大，相對表面積越大，F(xiàn)e-Zn反應(yīng)越劇烈，鐵損越多。

（2）鋅液溫度的影響

熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，鋅液實際上是一個鋅-鋁-鐵組成的三元體系，該體系中鐵、鋁元素熔解于鋅液中，鋅液溫度波動，鐵的溶解度就發(fā)生變化，鐵在不同溫度下的熔解曲線如圖1所示。

圖1 鐵在鋅液中溶解度隨鋅液溫度的變化

圖1可見，鐵在鋅液中的熔解度隨溫度的升高而升高。因此，任何造成鋅液溫度發(fā)生變化的因素，都會導(dǎo)致鋅渣的產(chǎn)生，如帶鋼入鍋溫度、鋅錠熔化等。

（3）鋁含量的影響

鋅液中鋁含量在0.2%以下時，鐵的溶解量隨鋁含量的增高而降低，當(dāng)鋁含量超過0.2%時，鐵的溶解量隨鋁含量的增加而迅速上升，鋅渣顆粒的數(shù)量和尺寸會提高。

帶鋼不斷將鋅液帶走形成鍍層，在這個過程中鍍層中的鋁含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋅液中的鋁含量，也就是說鍍層會超比例的從鋅液中獲取鋁。帶鋼鋅層越厚，帶走的鋁含量比例越少，消耗的有效鋁就越少。因此，最好是鋅錠加入鋁的速率=鋅液中鋁消耗的速率。

2.2 氧化物型鋅渣影響因素分析

氧化物型鋅渣主要為氧化鋅和氧化鋁，鋅鍋表面鋅液的氧化是關(guān)鍵原因，任何造成鋅液氧化的因素，都會導(dǎo)致此類鋅渣的生成。

氧化物型鋅渣的生成主要受鋅液面氣體流動的影響，該氣體流動主要受氣刀壓力的影響，統(tǒng)計表面，氣刀壓力越大，鋅鍋表面鋅渣量越大。

對于生產(chǎn)過程中氧化物型鋅渣的生成量，還有一個非常重要的因素是生產(chǎn)過程中氣刀噴吹介質(zhì)，研究表明，氣刀使用氮氣時，能夠明顯減少鋅液表面氧化物型鋅渣的生成。

3 熱鍍鋅帶鋼表面鋅渣缺陷的形成過程

熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，帶鋼表面鋅渣缺陷的來源主要有兩種，一是直接來自于基板自身，二是來自于鋅鍋中的鋅渣。

基板自身導(dǎo)致的鋅渣主要是由于基本本身帶有夾雜、氧化鐵皮、翹皮、雜物、劃痕或爐區(qū)氧化點等，如圖2所示，帶鋼進(jìn)入鋅鍋后與鋁發(fā)生反應(yīng)，最終形成鋅渣缺陷。

圖2 基板缺陷和典型鋅渣缺陷

鋅鍋中的鋅渣粘附到帶鋼表面主要通過三種途徑：一是鋅液面的波動，二是鋅液的流動，三是鍋輥輥系的粘附。

正常生產(chǎn)過程中，隨著帶鋼的運動和鍋輥輥系的轉(zhuǎn)動，鋅鍋內(nèi)部鋅液的流動如圖3所示，鋅鍋內(nèi)的鋅渣隨著鋅液的流動而流向帶鋼和鍋輥輥系表面，并在其表面聚集。聚集在帶鋼表面的鋅渣經(jīng)過鍋輥輥系的作用形成鍍層中的渣核，渣核長大形成鋅渣缺陷。

圖3 鋅鍋內(nèi)鋅液流動示意圖

帶鋼在鋅鍋中經(jīng)過鍋輥輥系時，鍋輥輥面積累的鋅渣在張力的作用下，被壓入鍍層轉(zhuǎn)移到帶鋼表面，形成渣點缺陷。當(dāng)規(guī)格過渡，帶鋼由窄料過渡到寬料時，往往在寬板邊部超過原窄板寬度范圍內(nèi)粘渣較多，這種缺陷在邊部尤為明顯，如圖4所示。

圖4 窄料向?qū)捔线^渡形成的鋅渣點狀缺陷

鋅鍋液面在氣刀氣流的作用下，爐鼻子內(nèi)液面在保護(hù)氣氛的作用下，鋅液表面會出現(xiàn)一層很薄的脆性浮膜，在外力作用下極易破碎成小塊，隨液面的波動和鋅液的流動而卷入鋅液中，這些小塊并不能在鋅液中立即熔化或浮出，而是隨鋅液流動，當(dāng)粘附在帶鋼上被帶出鋅液，氣刀氣流不能將其吹掉時，在帶鋼鍍層表面就會留一塊很淺的痕跡，如圖5所示。

圖5 帶鋼表面典型鋅渣缺陷

4 熱鍍鋅帶鋼表面鋅渣缺陷改善措施

針對上述帶鋼表面鋅渣缺陷的成因分析，要防止帶鋼表面出現(xiàn)鋅渣缺陷，就必須對鋅渣生成的影響因素及運動過程的各個環(huán)節(jié)采取改善措施。

4.1 生產(chǎn)計劃安排

生產(chǎn)時應(yīng)遵循由寬到窄逐漸過渡安排生產(chǎn)。當(dāng)從窄料切換至寬料時應(yīng)爭取盡快切換至最寬的料，再逐漸由寬到窄生產(chǎn)，如此不斷循環(huán)，防止鋅鍋沉沒輥、穩(wěn)定輥上結(jié)渣，在同一寬度（非極限寬度）的帶鋼生產(chǎn)時，連續(xù)生產(chǎn)量控制在500t以內(nèi)為佳。否則應(yīng)插入小批量稍寬的料以清除沉沒輥、穩(wěn)定輥上的結(jié)渣，規(guī)格過渡的樣式如圖6所示。規(guī)格過渡時應(yīng)盡量平緩，避免由于規(guī)格過渡時參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致的帶鋼抖動、溫度波動等問題。

圖6 熱鍍鋅機(jī)組規(guī)格過渡樣式示意圖

4.2 鋅液中鋁含量的控制

正常生產(chǎn)過程中，帶鋼不斷的將鋅液帶走形成鍍層，在這個過程中鍍層中的鋁含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋅液中的鋁含量，也就是說鍍層會超比例的從鋅液中獲取鋁。鍍鋅過程會產(chǎn)生鋅渣，鋅渣中的鋁含量通常也高于鋅液。因此，鋅液中的鋁含量一直處于波動之中。為了穩(wěn)定控制鋅鍋內(nèi)的鋁含量，需要在鋅鍋內(nèi)安裝在線鋁含量探頭，時時監(jiān)控鋅鍋內(nèi)的鋁含量。

同時，根據(jù)鍍層厚度以及鋅液成分，添加不同種類的鋅錠，保證鋅鍋內(nèi)成份、溫度控制的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)熱鍍鋅機(jī)組精確、穩(wěn)定、狹小范圍內(nèi)管理控制鋅鍋有效鋁含量。

4.3 鋅液溫度控制

鋅鍋溫度最好控制在460±5℃，而且不宜產(chǎn)生太大波動。帶鋼入鋅鍋溫度最好與鋅液溫度相同，都為460℃。長時間鋅液超溫生產(chǎn)，帶鋼的鐵損增加，鋅渣的產(chǎn)生是不可避免。另外，鋅液溫度越高，鋅的氧化反應(yīng)越快，鋅越容易氧化，鋅渣越多。

4.4 鐵元素控制技術(shù)

提高原料質(zhì)量，減少夾雜、翹皮等缺陷；優(yōu)化清洗參數(shù)，采用研磨刷輥，提高清洗質(zhì)量；合理控制爐膛內(nèi)的露點、氮氫保護(hù)氣含量，避免帶鋼表面氧化，減少因氧化物與鋅液中鋁反應(yīng)產(chǎn)生的鋅渣量。在允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)提高保護(hù)氣中氫氣的含量，即氫氣的分壓增大，相對應(yīng)的氧氣分壓、水蒸氣分壓減少，有利于對氧化鐵皮的還原和弱還原性氣氛的保持。

4.5 及時撈渣

熱鍍鋅的浮渣產(chǎn)生比較頻繁，若要減少鋅渣缺陷，必須要保證及時的撈渣。加大撈渣頻率，改善撈渣工具，減少撈渣時導(dǎo)致的浮渣卷入鋅液。

4.6 氣刀參數(shù)

氣刀對鋅液氧化極為嚴(yán)重，采用氮氣吹掃可以使鋅渣大量減少。氣刀壓力越大，鋅鍋表面鋅渣量越大。在滿足鋅層厚度和表面質(zhì)量的前提下，氣刀壓力越小越好。

4.7 張力調(diào)節(jié)

通過適當(dāng)調(diào)節(jié)沉沒輥到冷卻塔塔頂輥段的帶鋼張力，保證帶鋼穩(wěn)定的情況下，采用小張力控制，以達(dá)到減少帶鋼和鋅鍋輥系間的作用力。

4.8 鋅鍋液位

采用閉環(huán)控制自動加鋅系統(tǒng)，根據(jù)液面位置，調(diào)節(jié)鋅錠添加速率，以保持鋅液液位恒定。

4.9 沉沒輥輥面

碳化鎢是一種金屬陶瓷，具有良好的耐磨性能和耐鋅液腐蝕性能，在沉沒輥輥面噴涂碳化鎢并涂刷一層耐高溫封孔劑，能防止鋅液腐蝕輥面，減少輥面粘鋅，可大大減少由鍋輥導(dǎo)致的鋅渣缺陷。同時在沉沒輥上安裝刮刀，有效解決了沉沒輥粘鋅問題。

4.10 爐鼻子結(jié)構(gòu)改造

爐鼻子是連續(xù)退火爐和鋅鍋的關(guān)鍵部分，對產(chǎn)品表面質(zhì)量起著至關(guān)重要作用。在爐鼻上安裝穩(wěn)定輥，可提高爐鼻子內(nèi)帶鋼的穩(wěn)定性；爐鼻子結(jié)構(gòu)改成溢流槽結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)爐鼻子內(nèi)鋅渣的時時清理，減少帶鋼表面鋅渣缺陷。

5 結(jié)語

通過對鋅渣的產(chǎn)生機(jī)理、影響 因素和運動形式分析，采取控制鐵元素帶入量，穩(wěn)定鋅鍋溫度、鋅液成份和機(jī)組速度，優(yōu)化排產(chǎn)規(guī)則，完善沉沒輥加工工藝和爐鼻子結(jié)構(gòu)形式等措施，減少了鋅渣產(chǎn)生量，減小了鋅渣往帶鋼表面運動趨勢，使帶鋼表面鋅渣缺陷大大減少。