熱鍍鋅鋅花控制工藝的優(yōu)化

尤增輝

（邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 河北 邯鄲 056000）

近些年來，鍍鋅板已在越來越多的行業(yè)中普遍使用，人們對(duì)鍍鋅板表面的鋅花狀態(tài)和機(jī)械性能要求也越來越嚴(yán)格。為了更好滿足客戶對(duì)鋅花大小多樣化的需求，應(yīng)采用合理的鋅花控制工藝來獲得客戶所要求的鋅花大小。為了開拓市場(chǎng)，邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司（全文簡(jiǎn)稱我廠）生產(chǎn)的鍍鋅產(chǎn)品出口到歐美等許多國(guó)家，客戶往往要求對(duì)小且均勻的鋅花。目前生產(chǎn)小鋅花的工藝采用較多的是無鉛或者低鉛法、噴水霧法和噴鋅粉法。噴水霧法和噴鋅粉法需要增加專用設(shè)備，因此在我廠不添加新設(shè)備的前提下，只能對(duì)無鉛或者低鉛生產(chǎn)小鋅花工藝進(jìn)行摸索，以此控制鋅花的大小和均勻性，從而達(dá)到客戶對(duì)鋅花的質(zhì)量要求。

1 影響鋅花大小和均勻性的因素分析

1.1 鋅花形成的基礎(chǔ)理論

鋅花通常指熱鍍鋅板通過鋅液后，隨著鋅層冷卻凝固后形成的晶粒形貌。鋅花的樣貌結(jié)構(gòu)、外形大小取決于一系列要素。通過分析鋅花形成的過程得知，能夠影響鋅花最終尺寸的因素，就是能夠影響鋅花形核和生長(zhǎng)的因素，而這些因素中最主要的就是形核率和生長(zhǎng)方式。影響形核率的因素包括板帶表面狀態(tài)和過冷度，影響生長(zhǎng)方式因素是合金元素的含量，最主要是w（Sb）。因此影響鋅花大小的主要因素為：板帶表面狀態(tài)（粗糙度和清潔度）、板帶冷卻速度、鋅液中w（Sb）。

具體到熱鍍鋅生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)中，凡是影響以上3 個(gè)因素的工藝條件都可能影響鋅花的大小和均勻性。對(duì)此，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中對(duì)各種可能影響工藝的因素進(jìn)行了跟蹤研究。

1.2 影響鋅花大小相關(guān)因素分析

1.2.1 板面狀態(tài)因素

原料板面粗糙度：鍍層形成晶核的過程依附于鋼帶表面的凸點(diǎn)，這是鋼帶表面粗糙度影響鋅花大小的原因。板帶表面越粗糙，越易形成晶核，晶粒越細(xì)小，如果板帶橫向粗糙度不同，形成的鋅花也不同。軋機(jī)F5（毛化工作輥）換輥后前期軋制的板帶與后期軋制的板帶在相同工藝條件下生產(chǎn)的鍍鋅產(chǎn)品表面鋅花大小會(huì)有所不同，換輥后前期軋制的板帶表面粗糙度高，形成的鋅花應(yīng)該小，換輥后后期軋制的板帶表面粗糙度小，形成的鋅花應(yīng)該大。

鍍前板帶表面清潔程度：在生產(chǎn)線上，如果板帶清洗效果不好，鋼帶表面殘留雜質(zhì)，如鐵粉、油污殘留物、堿漬等，依附于這些顆粒形成的晶核往往是不理想的，也會(huì)導(dǎo)致鋅花不均勻或者鍍鋅效果不良。

1.2.2 冷卻速度因素

鋅花尺寸的對(duì)數(shù)與冷卻速度成反比關(guān)系（見圖1），即冷卻速度越大，鋅花尺寸越小。當(dāng)冷卻速度小于6 K/s 時(shí)，鋅花直徑d大于5 mm，當(dāng)冷卻速度達(dá)到15 K/s 以上時(shí)，鋅花直徑降到2 mm 以下。冷卻速度通過影響過冷度來影響形核率。

圖1 鋅花尺寸與冷卻速度關(guān)系圖

形核率與溫度的關(guān)系如下頁圖2 所示，Tm為鋅的平衡凝固溫度。從圖2 可以看出，在臨界溫度峰值處以上的溫度凝固時(shí)，形核率隨凝固溫度的降低而增大。冷卻速度越大，則凝固溫度越低，也就是說，形核率隨冷卻速度的增加而增加，形核率增加導(dǎo)致晶核數(shù)量增加，而凝固后的每個(gè)鋅花都是由一個(gè)晶核成長(zhǎng)而形成，在同樣的面積中，晶核的數(shù)量越多，則最終形成的鋅花數(shù)量越多，每個(gè)鋅花所占的面積也就越小。同時(shí)，冷卻速度的大小又決定了結(jié)晶成長(zhǎng)時(shí)間的不同，鋅花生成需要一定的時(shí)間。冷卻速度慢，鍍鋅板表面鋅液冷卻的時(shí)間長(zhǎng)，留著結(jié)晶生成的時(shí)間就長(zhǎng)，鋅花尺寸就大些；冷卻速度快，鍍鋅板表面鋅液冷卻時(shí)間短，留給結(jié)晶生長(zhǎng)的時(shí)間就短，鋅花尺寸就小些。具體影響冷卻速度的因素分析如下：

圖2 形核率與溫度的關(guān)系圖

1）生產(chǎn)線速度：生產(chǎn)線速度越大，冷卻速度越大，鋅花尺寸越小。但是生產(chǎn)線速度受實(shí)際情況制約，不宜作為控制鋅花大小的條件。

2）氣刀高度H、壓力p、距板帶之間的距離h：氣刀吹向鋼板，主要控制鋅層厚度，同時(shí)起著加速板帶表面鋅液冷卻速度的作用。H越大，冷卻速率越小，鋅花越大；h越大，冷卻速率越小，鋅花越大；p越大，冷卻速度越大，鋅花越小。對(duì)于生產(chǎn)線來說，氣刀參數(shù)與鋅層重量的穩(wěn)定控制密切相關(guān)，因此不宜作為生產(chǎn)中調(diào)節(jié)鋅花大小的條件。

3）板帶規(guī)格：理論來說，同樣的條件下板帶厚度越大，因冷卻慢形成的鋅花越大。板帶較厚（大于1.0 mm）時(shí)，板帶入鋅鍋溫度較高，冷卻速度小，過冷度小，實(shí)際結(jié)晶溫度較高，晶粒有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，從而生長(zhǎng)成尺寸比較大的鋅花；當(dāng)板帶比較薄（小于0.7 mm）時(shí)，板帶入鋅鍋溫度較低，因氣刀的急劇冷卻，出氣刀后，已經(jīng)完成結(jié)晶，其冷凝線在出氣刀后清晰可見，鋅液實(shí)際結(jié)晶溫度較低，故鋅花比較小。因此，對(duì)于薄規(guī)格板帶，采用提高板帶入鋅鍋溫度（P4 溫度）；對(duì)于厚規(guī)格板帶，采用降低板帶到塔頂輥的溫度（P5 溫度），從而獲得所要求的鋅花尺寸。

4）鋅層厚度：鋅層質(zhì)量越大，鋅層越厚，冷卻越慢，同時(shí)另一方面氣刀的壓力較小，冷卻速度越小，形成的鋅花尺寸越大。

5）鍍后冷卻：在我廠冷基鍍鋅線生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，薄規(guī)格的板帶工藝速度較大，并且其本身在出鋅鍋后降溫較快，一般在到達(dá)鍍后冷卻風(fēng)箱前就已經(jīng)凝固形成了鋅花，而厚規(guī)格板帶由于降溫慢，生產(chǎn)速度低，一般在進(jìn)入鍍后冷卻風(fēng)箱前尚未凝固，因此鋅花生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，鋅花大，因此對(duì)于厚規(guī)格的板帶，可將加大鍍后冷卻能力作為減小鋅花尺寸的手段。

1.2.3 鋅液成分因素

鋅液成分主要是Sb，Sb 在鋅液中的主要作用是阻礙晶核的形成，只有少量的晶胚長(zhǎng)成晶核，從而使晶粒長(zhǎng)大，形成較大的鋅花。據(jù)查，Sb 的加入不會(huì)像加入Pb 那樣引起鍍層的晶間腐蝕。但是，其會(huì)引起純鋅層的脆性，降低韌性；另外Sb 還會(huì)使合金層增厚，增加鐵在鋅液中的損耗，增加鋅耗，使鍍層灰暗。一般鋅液中，將w（Sb）控制在0.01%～0.02%時(shí)，其不良影響并不明顯，當(dāng)w（Sb）達(dá)到0.05%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不良影響。我廠技術(shù)工藝規(guī)程規(guī)定w（Sb）范圍為0.03%～0.14%，如果要研究其具體含量與鋅花大小的關(guān)系則需進(jìn)行生產(chǎn)線跟蹤試驗(yàn)。

2 鋅花大小分類

2.1 鋅花尺寸初步分類

一般來講，鋅花大小可以分為大鋅花（普通鋅花）、小鋅花、無鋅花，從尺寸上講區(qū)分鋅花種類并沒有非常確切的界限，一般憑肉眼判斷不出清晰的鋅花則認(rèn)為是無鋅花，鋅花較小且均勻稱為小鋅花，鋅花明顯較大則稱為大鋅花。經(jīng)查閱書籍資料，一般認(rèn)為鍍鋅產(chǎn)品的鋅花大小：鋅花直徑≥7 mm，稱為大鋅花；鋅花直徑＞3 mm，稱為普通鋅花；鋅花直徑≤3 mm，稱為小鋅花；鋅花直徑≤1 mm，稱為無鋅花。

2.2 鋅花細(xì)化分類

評(píng)定鋅花尺寸大小的方法主要有對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖譜法、劃線法（一條確定直線長(zhǎng)度除以線上鋅花數(shù)量所得均值）、面積法（一定規(guī)則面積除以該面積上鋅花數(shù)量所得均值）。對(duì)我廠生產(chǎn)的有鋅花產(chǎn)品（除帶頭尾外）的鋅花大小采用面積法進(jìn)行初步的細(xì)化分類。

2.2.1 鋅花總體分類

將鋅花大小分為5 個(gè)等級(jí)，從小到大依次為：小Ⅰ、?、?、中等、大Ⅰ、大Ⅱ。其名稱特意與行業(yè)公認(rèn)的名稱相區(qū)別，歸屬關(guān)系為：小Ⅰ、?、?、中等屬于普通鋅花，大Ⅰ、大Ⅱ?qū)儆诖箐\花。

2.2.2 鋅花具體分類

由于鋅花直徑不易測(cè)量，經(jīng)反復(fù)研究，認(rèn)為可以通過數(shù)一定面積上鋅花的個(gè)數(shù)來確定鋅花等級(jí)。經(jīng)過研究和試驗(yàn)，使用直徑為19 mm（1 號(hào)：1 角錢硬幣尺寸）和直徑25 mm（2 號(hào)：1 元硬幣尺寸）的圓孔卡量鍍鋅板表面，數(shù)其中包含的鋅花個(gè)數(shù)，并與實(shí)物標(biāo)樣做比較，確定鋅花大小的等級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)樣如下：

1）?、裉?hào)鋅花：不是小鋅花；單個(gè)鋅花長(zhǎng)軸長(zhǎng)度小于5 mm；此類鋅花占比在70%以上（見下頁圖3）；

圖3 小Ⅰ號(hào)鋅花

2）?、蛱?hào)鋅花：比?、裉?hào)鋅花大；單個(gè)鋅花長(zhǎng)軸長(zhǎng)度小于7 mm，此類鋅花占70%以上（見下頁圖4）；

圖4 ?、蛱?hào)鋅花

3）中等鋅花：比小Ⅱ號(hào)鋅花大；單個(gè)鋅花短軸長(zhǎng)大于5 mm，此類鋅花占70%以上（見圖5）；

圖5 中等鋅花

4）大Ⅰ號(hào)鋅花：比中等鋅花大；單個(gè)鋅花短軸長(zhǎng)大于7 mm，此類鋅花占50%以上（見圖6）；

圖6 大Ⅰ號(hào)鋅花

5）大Ⅱ號(hào)鋅花：比大Ⅰ號(hào)鋅花大；單個(gè)鋅花短軸長(zhǎng)大于10 mm，此類鋅花占50%以上。

3 跟蹤試驗(yàn)

根據(jù)以上分析，并根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際情況，得出通過調(diào)控原料粗糙度、保證板帶清洗效果以及控制鋅液成分對(duì)鋅花大小進(jìn)行控制具有客觀的可行性，因此對(duì)原料板面粗糙度、板帶清潔度和鋅液中w（Sb）這3 個(gè)因素對(duì)鋅花大小的影響進(jìn)行了研究試驗(yàn)。

3.1 原料板面粗糙度研究試驗(yàn)

不同鍍鋅批號(hào)原料板面粗糙度研究試驗(yàn)的結(jié)果如表1 和圖7 所示。

表1 不同鍍鋅批號(hào)原料板面鋅花情況

從圖7 看出，換輥前后鋅花大小沒有明顯變化。試驗(yàn)證明，原料板面粗糙度對(duì)鋅花的大小影響沒有明顯的規(guī)律。

圖7 不同鍍鋅批號(hào)原料板面鋅花情況

3.2 板帶清洗工藝優(yōu)化

板帶的清洗效果越好，板帶表面黏附顆粒越少，形成的鋅花越均勻，鋅層的黏附性越好，對(duì)于美鋼聯(lián)法鍍鋅工藝來說，板帶鍍鋅前經(jīng)過脫脂電解清洗和還原氣氛的退火爐后，正常情況下板帶表面已經(jīng)非常干凈，而且板帶鍍前表面清潔度在生產(chǎn)線上無法測(cè)量，因此我們采取了優(yōu)化清洗工藝并做好日常監(jiān)督管理工作的措施，以保證清洗效果。

我們對(duì)清洗工藝進(jìn)行了長(zhǎng)期摸索和實(shí)驗(yàn)，最終確定了優(yōu)化的清洗工藝參數(shù)：

1）對(duì)堿液的使用濃度進(jìn)行調(diào)整，把堿洗和電解清洗堿液的質(zhì)量濃度從10 g/L 提高到20 g/L，提高了皂化反應(yīng)的效果。

2）為了能夠保證電化學(xué)的脫脂效果，把電解的電流從刷輥工作電流的25%提高到50%以上，以提高在電化學(xué)反應(yīng)中初生態(tài)的氫和氧的還原和氧化能力。

3）把堿液的使用溫度從80 ℃調(diào)整為75 ℃，以延長(zhǎng)刷輥的使用壽命，防止脫落的刷毛堵塞泵，從而達(dá)到最佳的使用效果；為了使堿刷洗更加徹底或者保證最終漂洗洗后的板帶能夠清洗干凈，定期對(duì)清洗段的噴嘴進(jìn)行檢查和清理，發(fā)現(xiàn)噴嘴堵塞時(shí)，及時(shí)進(jìn)行清理，以保證噴嘴的通暢，提高清洗效果；每月定期對(duì)在線儲(chǔ)存罐的堿液進(jìn)行排放和更新，保證堿液的清潔性；保證清洗段的磁性分離器和超濾系統(tǒng)始終投入運(yùn)行。

3.3 薄規(guī)格和厚規(guī)格的工藝調(diào)整

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大于1.0 mm 的厚規(guī)格板帶和小于0.7 mm 的薄規(guī)格板帶進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖8 所示。

表2 不同規(guī)格板帶試驗(yàn)結(jié)果

圖8 薄規(guī)格和厚規(guī)格板帶鋅花情況

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采取如下措施保證小鋅花：薄規(guī)格板帶將生產(chǎn)速度保持在100 m/min 以上，噴冷風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量根據(jù)板帶入鋅鍋實(shí)際溫度來控制，板帶入鋅鍋溫度比鋅液高10 ℃左右；厚規(guī)格厚度大于1.0 mm 的板帶，P5 點(diǎn)溫度設(shè)定值為230 ℃，使板帶快速冷卻。正常情況下設(shè)定為280 ℃。這樣就保證了薄規(guī)格和厚規(guī)格板帶的鋅花的大小和均勻性。

3.4 鋅液中w（Sb）的研究試驗(yàn)

具體到我廠的鍍鋅生產(chǎn)線，為研究w（Sb）對(duì)鋅花大小的影響，在生產(chǎn)中進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如表3 和圖8 所示。

表3 不同w（Sb）板帶試驗(yàn)結(jié)果

圖9 鋅液中不同w（Sb）的鋅花情況

從試驗(yàn)可以看出，w（Sb）對(duì)鋅花的大小影響明顯。鋅液成分從鋅錠成分和鋅鍋在線控制兩方面進(jìn)行。以前我廠使用的鋅錠為w（Al）=0.55%的鋅合金錠，鋅鍋鋅液中的w（Sb）是通過在鋅鍋四周加入w（Sb）=10%的高w（Sb）銻錠來進(jìn)行調(diào)整的，加入時(shí)容易產(chǎn)生Sb 偏析，擴(kuò)散到整個(gè)鋅液中需要很長(zhǎng)時(shí)間，很難掌控鋅液中的實(shí)際w（Sb），由此造成了鋅花大小不均。通過摸索把Sb 直接融入大的鋅合金錠中，從鋅鍋感應(yīng)器部位加入，通過感應(yīng)器加快Sb 的擴(kuò)散，使鋅鍋中鋅液保持均勻。通過把鋅合金錠中的w（Sb）從初期的0.07%降為0.02%±0.01%，使鋅液中的w（Sb）控制在0.035%以下，不用再單獨(dú)添加w（Sb）=10%的高w（Sb）錠，從而保證鋅花的大小和均勻性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，w（Sb）對(duì)鋅花大小的影響占主導(dǎo)作用。通過調(diào)整鋅錠成分來控制鋅液中的w（Sb），并通過優(yōu)化清洗工藝來適當(dāng)調(diào)整薄厚規(guī)格板帶的入鍋溫度和鍍后冷卻溫度，這樣可以有效控制鋅花的大小。措施實(shí)施后，鍍鋅產(chǎn)品的鋅花狀態(tài)滿足了出口合同的要求。

5 結(jié)論

該廠鍍鋅線為控制盡可能小且均勻的鋅花，最終采用如下措施：將鋅液中w（Sb）控制在0.035%以下；保證鍍鋅生產(chǎn)線清洗效果；適當(dāng)調(diào)整薄厚規(guī)格的入鍋溫度和鍍后冷卻溫度。