鋼板連續(xù)熱浸鍍鋁生產(chǎn)工藝技術(shù)

董 林

（河北鋼鐵集團(tuán)唐山鋼鐵股份有限公司，河北 唐山 063000）

1 鋼板連續(xù)熱鍍鋁生產(chǎn)工藝過(guò)程簡(jiǎn)介

從生產(chǎn)工藝的角度來(lái)看，鋼板的連續(xù)熱浸鍍鋅與常規(guī)的連續(xù)熱浸鍍鋅基本相同。但是，由于鋁硅合金和鋅的物理和化學(xué)性質(zhì)與常規(guī)鍍鋅相比有很大差異，鋼板的連續(xù)熱浸氧化鋁面臨以下問(wèn)題。

首先，鋁硅合金的熔點(diǎn)約設(shè)定為600℃,為了保證使鋁硅鍍鋅涂層在進(jìn)行熱鍍和浸鍍層的過(guò)程中均勻且溫度可控,鍍液必須具有恒定的流動(dòng)性，通常將溫度調(diào)節(jié)至約680℃，鋼板的溫度高，進(jìn)入鍋中的鋼板的相應(yīng)溫度和鍍覆后的鋼板的溫度也會(huì)變高。

其次，Al-Si 合金的電鍍性能差主要是受鋁的以下性能影響：

（1）鋁是非常活躍的元素，熔融的熱鋁液體易于氧化。即使在一個(gè)充滿大量氫氣和含有氮?dú)獾囊环N受熱性保護(hù)液體氣氛中,鋁液也可能會(huì)與保護(hù)氣氛分子中的中的O2和H20 反應(yīng),從而在少量鋁液中水解形成漂浮的鋁氫氧化物。在表面上,當(dāng)連接鋼帶快速進(jìn)入連接鋁口時(shí),這些粉狀懸浮物或者顆粒物就會(huì)迅速粘附在連接鋼帶的鋁口表面,從而防止電鍍液與鋼基體發(fā)生反應(yīng)，使該部位無(wú)法進(jìn)行鋁電鍍。上面提到的因素是導(dǎo)致鋁鋼表面缺陷和針孔外露鍍層缺陷的主要原因。另外，鋁合金電鍍液的溫度高，流動(dòng)性差，并且在涂層表面上容易形成流線，使得不可能獲得高質(zhì)量的表面質(zhì)量的涂層[1]。

（2）高溫鋁具有很高的腐蝕性，并且對(duì)浸入其中的鋼板，長(zhǎng)期使用熔融鋁的爐鼻下部對(duì)角線末端以及凹陷的系列具有高度腐蝕性。鋁熔液不僅可以延長(zhǎng)下沉表面等的壽命，而且可以在更短的周期內(nèi)增加鋁液中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鐵是電鍍液中的有害元素，是通過(guò)與鋁反應(yīng)形成的，鋁消耗增加會(huì)影響涂層表面質(zhì)量。

從以上分析可以看出，控制連續(xù)熔融鋁生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵是還原退火、熱浸鍍、鍍層控制和鍍后冷卻。

2 鋼板連續(xù)熱浸鍍鋁的關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.1 還原退火爐氣氛控制

還原退火爐是鋼板連續(xù)熔鋁生產(chǎn)線的核心設(shè)備。一種方法是通過(guò)同時(shí)完成鍍層鋼板的高溫再結(jié)晶和高溫退熱淬火工作來(lái)同時(shí)確保必要的鋼板機(jī)械導(dǎo)熱性能,另一種方法是通過(guò)去除并及時(shí)撤除留在鋼板鍍層表面的大量氧化保護(hù)膜,爐內(nèi)還含有大量高純度的氧化保護(hù)膜和氣體,在高度高溫下,鋼板鍍層表面的大量氧化物被加熱還原后成為大量純水,例如活性炭和海綿,在隨后的高溫?zé)峤冧X處理工藝中,表面上的純鐵層被氧化鋁液體所滲透。如果氧化物或其他污染物殘留在鋼板表面上，熔融鋁將無(wú)法接觸純鐵層，從而阻礙鋁和鐵的反應(yīng)和擴(kuò)散，并且無(wú)法進(jìn)行鍍鋁，從而導(dǎo)致鍍層滲漏不良。

將熱軋鋼板在熔化還原后的退火爐中加水進(jìn)行加熱再結(jié)晶后經(jīng)退火和鋼板表面熔化還原,然后通過(guò)熱水的浸鍍直接從該退火爐中直接注入已經(jīng)熔化的鋁。浮在鼻子的熔融鋁表面上的氧化物是涂層針孔泄漏的主要原因。

鋼板表面上的還原反應(yīng)和鋁表面上的氧化反應(yīng)都與爐子的氣氛有關(guān)。爐中的氣氛不僅在上述氧化還原反應(yīng)中起決定性作用，而且還影響浸鍍過(guò)程。研究表明，爐內(nèi)氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)對(duì)潤(rùn)濕性有顯著影響。

根據(jù)以上兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果分析,在鋼板鋁液加熱還原爐和鋁液退火爐的充分加熱中在氣氛中和溫度控制中,鋼板鋁液熔體表面上的大量水和金屬氧化物被完全充分加熱還原,鋁液的量比鋼板熔體表面積和水的氧化物盡可能地小,并且氣氛對(duì)合金表面的影響較小。還有也應(yīng)特別考慮硅酸鋁液在不銹鋼板墻體表面上的潤(rùn)濕性[2]。因此,有必要分別正確控制兩個(gè)退火爐的加熱氣氛和爐的退火前端。還原劑是退火爐中所有充滿退火保護(hù)劑的氣體,控制退火氣氛和爐中的溫度氫氣露點(diǎn)體積密度分?jǐn)?shù)、氧氣露點(diǎn)體積密度分?jǐn)?shù)和氧氣露點(diǎn)數(shù)量是一個(gè)關(guān)鍵。

2.2 退火爐內(nèi)氣氛控制

退火爐子的氣氛氣體中的氧和氫氣露點(diǎn)體積質(zhì)量分?jǐn)?shù),氧氣中的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫氣露點(diǎn)主要還是受制于諸如直接進(jìn)入退火爐子的氣體保護(hù)罩內(nèi)氣體的含氧質(zhì)量和空氣流量,爐子本身的氣密性以及不銹鋼的受熱狀態(tài)等一些因素的直接影響。

2.2.1 氧氣體積分?jǐn)?shù)和露點(diǎn)控制

控制熔爐的氧氣體積分?jǐn)?shù)和露點(diǎn)是確保完全減少鋼板表面的關(guān)鍵，特別是對(duì)于高強(qiáng)度鋼板而言。由于該組合物包含諸如錳和硅的合金元素，因此合金元素對(duì)氧具有很強(qiáng)的親和力和較低的平衡氧分壓。即使不是具有高大的體積和低分?jǐn)?shù)的有機(jī)氫氣,氧氣或其他水氣和在氣氛環(huán)境中的大量有機(jī)純凈水也可能會(huì)直接導(dǎo)致這些有機(jī)合金金屬元素的大量氧化。

2.2.2 爐鼻子內(nèi)氣氛控制技術(shù)

一方面，爐頭的氣氛控制應(yīng)確保先前還原的鋼板的表面在此不會(huì)再次被氧化，并且鋁液表面上的表面氧化物不會(huì)盡可能多地產(chǎn)生。另一方面，應(yīng)盡可能減少氫氣在大氣中的體積分?jǐn)?shù)，以減少氫氣對(duì)熔融鋁表面張力的影響。換句話說(shuō)，爐鼻子大氣的露點(diǎn)、氧氣體積分?jǐn)?shù)和氫氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)盡可能低?；谏鲜隹紤]，在生產(chǎn)鍍鋁鋼板時(shí)，應(yīng)將高純氮?dú)庾⑷霠t鼻子。

2.3 鍍鍋管理技術(shù)

2.3.1 鍍鋁液成分控制

1.硅的影響。向鋁液中添加硅的主要作用是抑制鐵鋁反應(yīng)。將硅添加到鋁液中，然后將鋼板浸入鋁液中時(shí)，首先會(huì)形成Fe-Si 固溶體，從而防止了鋁擴(kuò)散到鐵基體中，從而減少了鋁的擴(kuò)散。

2.鐵的影響。鐵是熔融鋁的雜質(zhì)元素，在熱浸鍍過(guò)程中，水中的鋼板和銀系統(tǒng)會(huì)受到熔融鋁的腐蝕，并持續(xù)溶解在熔融鋁中。因此，在生產(chǎn)階段之后，鋁液中的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到飽和。

2.3.2 鍍鍋溫度控制

鋁合金熔液的受熱溫度變化對(duì)金屬涂層的結(jié)構(gòu)質(zhì)量強(qiáng)度影響更大。溫度過(guò)快升高會(huì)直接加速鐵和鋁向金屬基材的受熱擴(kuò)散,從而容易形成較厚的優(yōu)質(zhì)合金脫鋁層,溫度降得越高,鐵在合金熔融和脫鋁過(guò)程中的耐熱飽和度及溶解的程度越高,下沉的優(yōu)質(zhì)鋼板和上層鋼板的耐熱腐蝕也可能會(huì)越強(qiáng)。因此，鍍敷容器的溫度應(yīng)確保熔融鋁具有足夠的流動(dòng)性和最低的溫度，可以有效地控制涂層的厚度，并且在浸入Al-Si 合金時(shí)，最佳的熱浸鍍敷溫度約為680°C。

鍍液溫度的穩(wěn)定性對(duì)于鍍鋁非常重要。先前的分析知道，電鍍?nèi)萜髦械蔫F質(zhì)量分?jǐn)?shù)在生產(chǎn)期后達(dá)到飽和，并且鐵在熔融鋁中的飽和溶解度高度依賴于溫度。在生產(chǎn)過(guò)程中，溫度會(huì)升高。當(dāng)熔融鋁中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，鐵的溶解度降低，因此當(dāng)溫度下降時(shí)，熔融鋁中過(guò)量的鐵會(huì)形成大量鐵。鋁合金顆粒：即使隨后的電鍍鍋溫度升高，F(xiàn)e-Al 合金也不會(huì)再次溶解，從而增加了鋁渣的形成。另外,取決于溫度值的變化,可以在短暫的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)形成大量的Fe-Al 型的合金塑料顆粒,并且這些合金顆粒不會(huì)附著在不銹鋼板的表面上,并且經(jīng)過(guò)涂層后的表面也會(huì)變得粗糙。因此，鋁鍋的溫度波動(dòng)范圍越小越好。

2.3.3 鍍鍋中鋁渣形成及控制

從前面的這些論述我們可知,鋁渣處理是由于氧化鐵在溶解鋁液中固體質(zhì)量中的分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過(guò)了其固體飽和度的溶解度分?jǐn)?shù)，從而被分析出位于鐵鋁中間的銅合金中的顆粒液體,然后沉入鐵鋁鍋底之中，從而形成新的鋁渣。鋁渣其主要化學(xué)成分為Fe-Al。底渣的質(zhì)量形成主要是因?yàn)殍F在鋁液鋁渣中的鋁和鐵在其質(zhì)量帶入分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過(guò)了其中的飽和度及溶解度,因此有效減少溶液鐵的質(zhì)量帶入和滲出維持鐵在鋁液中的飽和度及溶解度的穩(wěn)定對(duì)于有效減少溶液鋁渣的質(zhì)量形成至關(guān)重要。

2.4 鍍層控制技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外用于帶鋼的連續(xù)熱浸鍍鋅設(shè)備一般采用吹氣法來(lái)控制涂層厚度。它使用噴射流原理，并在整個(gè)帶鋼寬度上使用噴嘴，將氣流連續(xù)噴涂到涂層表面上，以刮除帶鋼表面上多余的鍍液。與傳統(tǒng)的鍍鋅相比，鋁硅合金鍍液具有高溫，低密度和相對(duì)較低的流動(dòng)性。

根據(jù)相關(guān)研究，鋁硅合金涂層最好使用預(yù)熱的熱風(fēng)作為氣刀的噴涂介質(zhì)，空氣的預(yù)熱溫度應(yīng)在250～300℃或更高。當(dāng)使用室溫空氣介質(zhì)時(shí)，需要兩種方法來(lái)改善涂層的表面流型。一種是控制帶鋼的最小速度，并適當(dāng)提高鍋中帶鋼的溫度。增加天然鋁帶的數(shù)量和脫皮的數(shù)量。其次，調(diào)整氣刀噴嘴的形狀，減小氣刀與鋁液表面之間的距離，以增加注射壓力，減少注射空氣流量，以室溫風(fēng)速減少鋼板的冷卻，并增加平流時(shí)間。

2.5 鍍后冷卻控制技術(shù)

鍍層鋼板從鋁鍋中出來(lái)后開始冷卻階段，鍍覆后的冷卻系統(tǒng)的作用是將鍍層鋼板冷卻至室溫。在該過(guò)程中，附著在鋼板表面的液態(tài)涂料金屬凝固并成為最終涂層。電鍍后的冷卻過(guò)程對(duì)涂層表面的晶體結(jié)構(gòu)有很大影響，并且由于鋁液體中存在鐵，因此電鍍液在縮合和結(jié)晶過(guò)程中會(huì)形成樹枝狀結(jié)構(gòu)。鍍覆后，冷卻速度緩慢，分支晶體生長(zhǎng)，并且在表面上形成了涂覆的晶體花。

3 結(jié)語(yǔ)

由于鍍鋁溶液的高熔點(diǎn)，較差的鍍層性能，對(duì)鋼板和擴(kuò)散零件的強(qiáng)烈腐蝕，對(duì)鋼板進(jìn)行連續(xù)的熱浸鋁處理面臨著連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)的許多挑戰(zhàn)。鋼板連續(xù)熔融鋁生產(chǎn)工藝技術(shù)的核心是浸鍍、涂層控制和鍍后冷卻等多個(gè)加工點(diǎn)的技術(shù)控制。