熱鍍鋅生產(chǎn)工藝工程中鋅渣的成型過程及控制分析

劉潤(rùn)博

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056000）

鍍鋅材料按照不同工藝生產(chǎn)技術(shù)，可分為電鍍鋅和熱鍍鋅兩種，熱鍍鋅生產(chǎn)工藝主要采用帶鋼防蝕法進(jìn)行，具有成本低廉、普及率高的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，熱鍍鋅材料在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的防腐蝕性、易成型性、易涂裝性以及美觀性，因此在建筑行業(yè)、汽車生產(chǎn)行業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用。隨著人均生活水平的提高，汽車逐漸普遍化，熱鍍鋅材料在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中的需求量不斷增加，同時(shí)對(duì)熱鍍鋅材料的制備技術(shù)要求與附加值也逐漸提高[1]。雖然在工藝生產(chǎn)過程中，熱鍍鋅的質(zhì)量得到了明顯上升，但生產(chǎn)出完全沒有瑕疵的鍍鋅材料仍然是當(dāng)前該領(lǐng)域研究人員需要重點(diǎn)解決的問題。而決定鍍鋅材料表面質(zhì)量的好壞，在一定程度上取決于生產(chǎn)工藝過程中的鋅渣。一方面，帶鋼材料通過鋅液的過程中，其表面會(huì)附著大量鋅渣，造成鍍鋅材料上產(chǎn)生點(diǎn)狀壓痕。另一方面，由于鋅渣在穩(wěn)定輥結(jié)構(gòu)和沉沒輥結(jié)構(gòu)上不進(jìn)行及時(shí)的處理，會(huì)造成鋅渣的不斷累積，因此在使用帶鋼材料時(shí)經(jīng)過輥?zhàn)訒r(shí)，也會(huì)造成鍍鋅受到鋅渣的擠壓，表面出現(xiàn)條狀的壓痕[2]。這些缺陷和壓痕會(huì)嚴(yán)重影響鍍鋅材料的美觀性，甚至還會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命縮短，影響工藝生產(chǎn)企業(yè)的工作效率?；诖?，本文開展對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)工藝工程中鋅渣的成型過程及控制分析的研究。

1 熱鍍鋅生產(chǎn)工藝工程中鋅渣的成型過程

鋅渣是在熱鍍鋅生產(chǎn)工藝過程中，在含有鐵元素、鋅元素或氯元素的溶液中，通過高溫條件的作用，產(chǎn)生的鐵—鋅系、鐵—鋁系或鐵—鋅—鋁系金屬間化合物。在鋅鍋中的鐵元素，大部分來源于鐵質(zhì)鋅鍋的侵蝕以及帶鋼鋼基的溶解。在熱鍍鋅工藝生產(chǎn)條件下，鋅液中的鐵元素通常是處于飽和的狀態(tài)，在加入鋅錠材料時(shí)，會(huì)吸收大量的熱量，從而將材料中大部分的鋁元素帶入到鋅鍋當(dāng)中[3]。從而造成鋅液中的鐵元素與鋁元素快速降低，在鋅液中將無法避免析出大量的鐵—鋁和鐵—鋅金屬化合物的晶粒。因此，鋅液內(nèi)不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量鋅渣。由于在熱鍍鋅生產(chǎn)工藝中，會(huì)存在不同的鋅液體系，因此鋅液在形成鋅渣的種類以及成型的過程也存在較大的區(qū)別。本文根據(jù)成型的鋅渣結(jié)構(gòu)，大致將其劃分為懸浮鋅渣、面渣和底渣。表1為三種鋅渣類型的各參數(shù)對(duì)比表。

表1 三種鋅渣類型的各參數(shù)對(duì)比表

由表1中的各信息可以看出，懸浮鋅渣與其它兩種類型鋅渣相比，體積最小，密度比面渣小，比底渣大，屬于懸浮在鋅液當(dāng)中生成的鋅渣顆粒。圖1為懸浮鋅渣被帶鋼材料帶出鋅鍋的概率與懸浮鋅渣的尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

圖1 懸浮鋅渣帶出鋅鍋的概率與尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

由圖1可以看出，懸浮鋅渣的尺寸與懸浮鋅渣被帶出的幾率具有一定比例關(guān)系，懸浮鋅渣顆粒越大，則被帶鋼材料帶出鋅鍋的幾率越小。

面渣的基本結(jié)構(gòu)是Fe2Al5，其密度與鋅液相比略小。因此，面渣在熱鍍鋅生產(chǎn)工藝工程中，更易于吸附在鋅液的表面，新元素也能夠溶解在該二元化合物當(dāng)中。因此，面渣實(shí)質(zhì)上的成分應(yīng)為Fe2Al5Znx屬于三元金屬間化合物[4]。面渣的形狀通常情況下是具有圓滑棱角的顆粒狀多邊形結(jié)構(gòu)，圖2為面渣的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 面渣的基本結(jié)構(gòu)示意圖

底渣通常會(huì)在熱鍍鋅生產(chǎn)過程中溶解在鋅液當(dāng)中，并利用鋅液中的鋅元素與鐵元素相互作用，最終形成鋅—鐵化合物，部分底渣中還會(huì)含有少量的鋁元素。在實(shí)際熱鍍鋅生產(chǎn)工藝中，當(dāng)熱浸鍍鋅液從合金化逐漸向純鋅液轉(zhuǎn)變的過程中，存在于鋅液底部的底渣成分會(huì)與后加入到鋅液中的鋁元素發(fā)生反應(yīng)，從而進(jìn)一步生成上述面渣。

2 鍍鋅生產(chǎn)過程鋅渣成渣機(jī)理

無論采取何種措施進(jìn)行產(chǎn)品的熱鍍鋅，通過各種各樣的反應(yīng)、氧化以及腐蝕，鋅鍋中的液態(tài)鋅中會(huì)少量進(jìn)入一定數(shù)量的鐵元素，這一元素與鋅作用后會(huì)產(chǎn)生鋅渣。如果向鋅鍋中添加Al，這兩種物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，并產(chǎn)出比重為4.2g/m2的Fe2Al5，由于這一物質(zhì)的比重鋅液低，因此，會(huì)浮在液體上部。在對(duì)這種情況進(jìn)行計(jì)算后，鍍鋅過程中液態(tài)Zn中的Fe成分里，鋼板溶解造成的損失約為百分之七十點(diǎn)五，鋅鍋的腐蝕約百分之二點(diǎn)二。鐵進(jìn)入鋅液后，一般有83.7%形成底渣，6.1%形成了浮渣，10%附著于鍍層上。

3 控制分析

為合理控制在熱鍍鋅生產(chǎn)工藝工程中，鋅渣的成型，本文采用同時(shí)提高鋅液溫度以及帶鋼材料入鍋溫度的方法控制熱鍍鋅過程中鋅渣的生成量。為了保證熱鍍鋅生成工藝的各項(xiàng)性能，在進(jìn)行帶鋼材料入鍋操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制其溫度不超過460℃，由于鋅液的溫度在達(dá)到425℃時(shí)整個(gè)鋅鍋與帶鋼材料的周圍會(huì)生成少量的鋅渣。因此，在選擇帶鋼材料的入鍋溫度時(shí)應(yīng)當(dāng)從460℃逐漸降低到455℃，同時(shí)鋅液的溫度應(yīng)當(dāng)從425℃逐漸降低到420℃。表2為不同鋅液溫度下鋅鍋內(nèi)生成的鋅渣含量。

表2 不同鋅液溫度下鋅鍋內(nèi)生成的鋅渣含量（單位：kg）

根據(jù)表2可以看出，當(dāng)鋅液溫度保持不變，隨著帶鋼材料進(jìn)入到鋅鍋中的溫度不斷增加時(shí)，整個(gè)鋅鍋中鋅渣的生成量將會(huì)大幅度降低。當(dāng)帶鋼材料進(jìn)入到鋅鍋的溫度保持不變，隨著鋅液溫度的不斷增加，整個(gè)鋅鍋中鋅渣的生成量也將會(huì)大幅度降低。因此，通過控制鋅液溫度和帶鋼材料進(jìn)入到鋅鍋中的溫度可以有效控制熱鍍鋅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鋅渣生成量。在明確生產(chǎn)工藝的溫度范圍后，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，還應(yīng)當(dāng)對(duì)溫度的升高速度進(jìn)行控制[5]。在鋅液與鋅錠熔化升溫的過程中，應(yīng)保證勻速的升高，使鋅液溫度控制在爆燒之前。同時(shí)，鋅元素的加熱方式是依靠傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，不可進(jìn)行直接對(duì)流。因此在加入前還需要對(duì)鋅液進(jìn)行輕微的攪拌，從而使熱量均勻分布在鋅液中。

除此之外，控制鋅渣的生成量還可通過對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)工藝的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，提高帶鋼材料表面的質(zhì)量，并減少影響鋅消耗的鐵元素，從而減少其它雜質(zhì)的生成，控制不合格產(chǎn)品的發(fā)生，進(jìn)一步降低熱鍍鋅的生產(chǎn)成本。在實(shí)際熱鍍鋅生產(chǎn)工藝中，還會(huì)有部分聚集在一起的鋅渣殘留在鋅鍋底部，對(duì)鋅鍋的鍍層質(zhì)量以及使用壽命造成影響，因此必須及時(shí)將鋅鍋底部的鋅渣清除。通常情況下，可采用特制漏勺清除，沿鋅鍋鍋底依次掏取[6]。在套取過程中應(yīng)盡可能保證不出現(xiàn)明顯的晃動(dòng)情況，從而造成底渣移動(dòng)，并與鋅液混合造成無法掏取的問題。若已經(jīng)造成二者混合，則應(yīng)當(dāng)將鋅液的濃度控制在規(guī)定范圍內(nèi)的最高值，使鋅液與鋅渣分離。并在掏取結(jié)束后，立刻降低鋅液溫度，從而避免鋅渣的生成量增加，保證生產(chǎn)工藝質(zhì)量。

4 鋅渣的有效控制

由于常規(guī)的鍍鋅鐵鍋在生產(chǎn)過程中會(huì)與鋅液發(fā)生反應(yīng)，不僅會(huì)造成鋅鍋的腐蝕，降低鋅鍋的使用壽命，并且會(huì)大大的提高鋅渣的生產(chǎn)量，而陶瓷材質(zhì)的鍋與液態(tài)的鋅不能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)受到液態(tài)鋅的任何影響，而且可以長(zhǎng)時(shí)間不用檢查更換，這種材質(zhì)的鍋一般可以用11年～14年左右。并且由于鋅與材料不反應(yīng)，故不會(huì)產(chǎn)生鋅渣。采用這種材料的鋅鍋，改善了常規(guī)的鐵材質(zhì)鍋的腐蝕危害，在降低鍍鋅渣的生成情況下，起到很大的作用。

5 結(jié)語

本文為提高熱鍍鋅生產(chǎn)工藝的質(zhì)量，開展對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)工藝工程中鋅渣的成型過程以及控制分析的研究。通過本文研究可以有效避免更多鋅渣的生成，從而控制生產(chǎn)工藝質(zhì)量。但本文研究仍然存在某些方面的不足，例如本文主要目的是為了減少鋅渣的而生成，但并未對(duì)鋅渣的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究。在實(shí)際生產(chǎn)工藝中鋅渣的運(yùn)動(dòng)軌跡可能會(huì)對(duì)其吸附位置產(chǎn)生影響。因此，在后續(xù)的研究中還將對(duì)這一部分的內(nèi)容進(jìn)行更加深入、詳細(xì)的研究。