熱浸鍍鋅板表面鋅渣缺陷成因及控制技術研究

楊宏偉，劉春雨，周 研，池永清

（1.河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北唐山 063000；2.河鋼集團唐鋼高強汽車板有限公司，河北唐山 063000）

0 引言

隨著科技水平的進步、工業(yè)技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼鐵產業(yè)正在由生產建筑類粗鋼向高端精鋼市場轉型，熱鍍鋅板就是其中的典型代表。熱鍍鋅板以經濟、耐腐蝕、優(yōu)秀的延展性和平整的表面質量而被廣泛應用在生產、生活中的各個領域，特別是家電和汽車板等領域[1]。由于熱鍍鋅技術越來越完善，客戶對熱鍍鋅板質量的要求也在日益提高，尤其是對其表面質量要求越來越高，而鋅渣缺陷是影響熱鍍鋅板表面光潔度的主要缺陷之一，因此如何減少和避免鋅渣缺陷已成為熱鍍鋅板生產企業(yè)的重點研究課題。經考察發(fā)現(xiàn)，唐鋼熱鍍鋅生產線在生產鍍層厚275g/m2的鍍鋅板時，每天產生約1.5t鋅渣，生產鍍層厚80g/m2的鍍鋅板時，每天產生約3t鋅渣，鋅錠利用率低，且表面鋅渣缺陷嚴重。

鋅渣缺陷是熱鍍鋅板常見缺陷之一，由于鋅渣的產生是不可避免的，故需要從如何控制鋅渣產生量以及如何避免鋅渣黏附在鋼板表面兩個方向進行研究。本文結合生產實際，對鋅渣產生機理、種類，以及熱鍍鋅板表面鋅渣缺陷產生的原因進行了分析，并就如何控制鋅渣產生量、減少熱鍍鋅板鋅渣缺陷提出了相應的工藝改進措施。

1 鋅渣的種類

將熔融的鋅鍋中的主要物質進行成分分析，其成分組成及對應密度見表1。由表1可以大致做出判斷：Fe2Al5、Al2O3、ZnO為浮渣，F(xiàn)eZn7為懸浮渣，F(xiàn)e5Zn21、FeZn13為底渣。鋅渣在鋅鍋中的位置分布及鋅液的流動方向見圖1。

表1 鋅鍋中的主要物質成分組成及對應密度

圖1 鋅渣在鋅鍋中的位置分布及鋅液的流動方向

2 鋅渣的產生機理

2.1 懸浮渣

帶鋼通過爐箅子進入鋅鍋中，由于帶鋼表面會有殘留的Fe元素，三輥六臂和爐箅子也會析出Fe離子，造成鋅鍋內局部Fe濃度升高，又由于鋅鍋中整體溫度和局部溫度存在差異，Al元素和Fe元素分布不均勻，所以優(yōu)先會在Fe元素濃度高的區(qū)域和溫度低的區(qū)域形成鋅渣質點FeZn7。鋅渣質點很小且密度與鋅液相近，會隨著鋅液的流動而做布朗運動，此為懸浮渣。

2.2 底渣

初期形成的鋅渣質點FeZn7很不穩(wěn)定，一部分會隨外部環(huán)境的變化重新分解融入鋅液。另一部分FeZn7會隨著布朗運動的碰撞而長大，當體積達到臨界點時將不會再融入鋅液，而是沉入鍋底形成了永久的底渣，此為第一類底渣。還有一部分FeZn7會繼續(xù)進行鋅鐵反應而使體積長大至臨界點，形成永久的底渣。通過金相顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，底渣中FeZn7、FeZn13主要是由δ1相和ζ相組成，δ1相是由FeZn7為基礎的中間相組成，其Fe含量占比為7～11.5%，ζ相中FeZn13含量較高，其Fe含量占比為6～6.2%[2]，又根據Fe-Zn二元合金相圖可知，理論上隨著Fe濃度的逐漸升高，F(xiàn)eZn13相優(yōu)先形成，此為第二類底渣。FeZn13相要求鐵濃度范圍窄、鋅液溫度低，所以不容易大范圍生成。隨著鐵濃度升高并逐漸飽和，以FeZn7為主要生成相的鋅渣都會沉入鍋底形成底渣。

2.3 浮渣

鋅鍋不是全封閉的，上面的鋅液會與空氣中的O2接觸，再加上氣刀的吹掃促進了鋅液表面的流動，更加劇了Zn元素與O2的反應，生成ZnO，此為第一類浮渣。由于鋅液中Al元素的密度低而聚集于鋅液上方，所以鋅液表面也會出現(xiàn)Al元素與O2發(fā)生反應，生成Al2O3，此為第二類浮渣。隨著Al元素融入量的增加，溶液中有效Al元素含量的升高，又由于Al元素的化學性質活潑，其與Fe元素的親和力較Zn元素與Fe元素要強，當有效Al元素含量達到0.135%以上時，鍋底也會發(fā)生置換反應，其化學方程式如式（1）、（2）所示，新生成的Fe2Al5為浮渣，此為第三類浮渣。

3 熱鍍鋅板鋅渣缺陷原因分析及控制

3.1 鋅鍋溫度影響及控制

根據經典熱鍍鋅理論可知，普通熱鍍鋅產品的最佳鍍鋅溫度為455～465℃之間，溫度升高會加速Fe元素損失，導致Fe元素濃度升高，加速鐵鋅間合金生成，會使得底渣增多。由鐵重量損失與鋅液溫度關系曲線（見圖2）可知[3]，當溫度超過480℃時，鐵重量損失量呈拋物線式急劇上升，溫度到約500℃時達到最大，此時底渣單位時間的產生量也最多。所以要嚴格控制鋅鍋溫度，盡量不要超過465℃，一定不要超過480℃。

圖2 鐵重量損失與鋅液溫度關系曲線

實際生產時將鋅液溫度控制在460±2℃，這樣從理論上可以保證鋅渣產生量最少。鋅渣產生量減少，黏附在板面的幾率就降低，進而能有效降低板面鋅渣缺陷。

3.2 帶鋼表面清潔度影響及控制

鋅液中的Fe元素濃度多少是生成鋅渣的關鍵因素。熱鍍鋅原料經過熱軋、酸洗、冷軋后，表面會殘留大量的鐵粉、軋制油、灰塵等雜質，這些都會對鋅鍋造成污染，增加鋅渣的產生量，所以要提高熱鍍鋅機組清洗段對帶鋼的清洗效果。熱鍍鋅機組清洗段配制了刷洗、堿洗、電解洗、漂洗等清洗手段。

為了保證清洗效果穩(wěn)定，唐鋼熱鍍鋅生產線工藝規(guī)定了清洗段熱水溫度為60～90℃，堿液電導率為35～70ms/cm，確保帶鋼經過清洗段后表面Fe元素殘留量不大于10mg/m2（單面），油殘留量不大于10mg/m2（單面），殘留物總量小于20mg/m2（單面）。若發(fā)現(xiàn)清洗效果不佳時，可適當提高熱水溫度和堿液電導率，但這會減損設備壽命和增加生產成本，所以不建議長時間超出規(guī)定范圍使用。

清潔的帶鋼表面會使得鋅層粘附性更佳。應盡可能少地將雜質帶入鋅鍋，進而降低鋅渣的產生量，降低帶鋼表面鋅渣缺陷的幾率。

3.3 化學成分影響及控制

鋼帶的鋼質不同，對鋅渣的影響也不同。C元素含量較高的鋼會使得Fe-Zn反應劇烈，造成帶鋼的鐵損量增加，產生的鋅渣增多。另外，劇烈的Fe-Zn反應必然會使得鐵鋅合金層增厚，若遇Al元素含量相對低時，那么生成的Fe2Al5中間層就薄，使得鐵鋅合金層的附著性降低，容易引起漏鍍和爆鋅。根據理論指導和實踐研究，熱鍍鋅原料的化學成分一般有如下要求：C元素含量在0.05～0.15%，Si元素含量在0.07%以內，Al元素含量約為0.02%，Mn元素含量在0.25～0.40%，Cu元素含量小于0.15%，P元素含量小于0.025%，S元素含量低于0.03%[4]。

可見，如果化學成分控制穩(wěn)定，可以從源頭上降低鋅渣的產生量，進而降低熱鍍鋅板鋅渣缺陷生產幾率，這對提升熱鍍鋅板表面質量至關重要。

3.4 Al元素含量影響及控制

有效Al元素含量的高低對鋅渣的產生和生成種類有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)[5]，當鋅液中的Al元素含量＜0.1%時，F(xiàn)e-Zn反應劇烈，鍍層幾乎為純鋅層，隨著Fe元素濃度的增加，鋅渣生成相為FeZn13。當Al元素含量達到0.1～0.135%時，由于Al元素含量提高，相對Zn元素含量就降低，因帶鋼的運動不斷有Fe元素析出到鋅鍋中，鋅鍋中Fe元素含量整體上會維持平衡狀態(tài)，但因Zn元素含量的降低，所以Fe元素含量是相對提高的，根據Fe-Zn二元合金相圖分析，結合生產實際，此時鋅渣生成相主要是FeZn7。當Al元素含量≥0.135%時，一部分Al元素會與底渣發(fā)生化學方程式（1）、（2）的反應，生成相為浮渣，從而起到消除底渣的效果；另一部分Al元素會在鋼的表面與鐵基體直接發(fā)生反應，生成Fe2Al5，此相在鋼基與鐵鋅合金之間，稱為中間層，又稱為抑制層。Fe2Al5層有兩個作用：一是抑制鋼板繼續(xù)向鋅液中析出Fe元素，保證鋅液中Fe元素濃度平衡；二是其與鋼基板的粘附性要好于鐵鋅合金層，同時與鐵鋅合金層粘附性也很好，這就確保了鍍層的附著性好，產品質量穩(wěn)定。

Al元素含量也不是越高越好。研究表明，當Al元素含量過高時，會增加Fe元素在鋅液中的溶解度，促進鋅渣的析出[6]，F(xiàn)e元素在鋅液中的溶解量隨Al含量的變化曲線見圖3。同時由于Al元素的密度低、化學性質活潑，極易聚集于鋅液表面與O2發(fā)生反應，生成的Al2O3也是浮渣的一種，造成鋅渣增多。故需將鋅液中的有效Al含量嚴格控制在0.2%以下。

圖3 Fe元素在鋅液中的溶解量隨Al含量的變化曲線

實際生產中，由于鋅錠添加位置固定，不能保證Al元素及時有效地擴散到整個鋅鍋中，致使帶鋼周圍的Al元素不能及時得到補充，所以需添加Al元素含量略高于0.2%的鋅錠來保證鋅液中的有效Al元素含量。同時要盡量避免添加高鋁或純鋅鋅錠，這些只作為調整錠來使用，這就要求在生產過程中實時關注鋅液中Al元素含量的變化，及時做出調整，降低鋅液中Al元素含量的波動，減少鋅渣的產生量。目前唐鋼熱鍍鋅生產線將有效Al元素含量控制在0.22±0.02%之間，并在鋅鍋中安裝有Al元素含量在線檢測裝置，且每4h取兩塊鋅錠送化驗室檢測，如果化驗結果差距較大，需要重新取樣檢測。針對檢測結果，可選擇Al元素含量為0.35%、0.65%、0.85%的鋅錠加入鋅鍋，保證鋅鍋中的有效Al元素含量穩(wěn)定，進而保證鋅渣理論上產生量最少，降低板面鋅渣缺陷產生幾率。

3.5 爐內氣氛影響及控制

熱鍍鋅生產線退火爐采用輻射管加熱鋼帶，應對無氧化段的爐內氣氛進行合理控制，調整好爐內N2、H保護氣體含量，控制好O2含量，避免帶鋼表面氧化。帶鋼表面生成的氧化物可與鋅液中的Al元素反應生成鋅渣，增加鋅渣量[7]?？傊?，爐內氣氛控制得當，會使鋼板表面還原性更好，從而使帶鋼表面鋅液黏附性更好，降低熱鍍鋅板鋅渣缺陷。

3.6 加錠、拔渣、撈渣控制

正常生產過程中，由于鋅液的消耗，需要加錠補充。加錠速度過快、頻率過高都會引起鋅渣增多。主要是因為加錠速度快必然導致液位波動劇烈，這會增加鋅液與空氣的接觸，使得鋅液中氧化物升高；還會使鋅液局部溫度驟降，導致反應劇烈、鋅渣析出增多；另外還會引起局部Al含量陡然升高，使得鐵損量加劇、析出鋅渣增多。所以，加錠一定要緩慢、持續(xù)、不間斷地進行；另外加錠前鋅錠要在液面上方烤10min，充分預熱鋅錠；應采用鋅錠自動添加裝置，減少液位波動，盡可能減少鋅渣產生。

在保證熱鍍鋅質量的前提下，撈渣頻率盡量低，撈渣量盡量少，因為撈渣會引起液面波動，造成鋅渣增多。另外撈渣時要控液15s，減少鋅液浪費。

熱鍍鋅生產線生產中規(guī)定每隔1.5h拔渣一次。要求拔渣動作要輕、緩、揉，液面波動劇烈會使得板面出現(xiàn)鋅花紋，也就是不均勻的鍍層，歸類為鋅渣缺陷。如果拔渣太快、太猛，會直接造成板面粘渣，進而鋅渣會黏附于氣刀刀唇，造成大塊板面的鋅渣缺陷，嚴重時會造成斷帶、停產等嚴重后果。

3.7 氣刀影響及控制

唐鋼熱鍍鋅生產線采用方登氣刀，其特點是操作簡單，控制精確，適用范圍廣。生產中，氣刀高度、風壓、與板面的距離等都是影響板面鋅渣缺陷的重要因素。氣刀高度應根據帶鋼厚度、鍍層厚度和生產線速度隨時調整，因為提升氣刀高度會在一定程度上減少液面吹拂，減少鋅渣的產生。但氣刀過高會使板面邊部結渣，過低又會使鋅液飛濺到板面及氣刀刀唇上，所以，合理使用氣刀高度可使鋅渣產生量減少，進而使得熱鍍鋅板鋅渣缺陷幾率降低。不同規(guī)格帶鋼和鍍層厚度下的氣刀高度使用數(shù)據如表2所示。

表2 不同規(guī)格及鍍層厚度下的氣刀高度使用數(shù)據

實際生產中，還應注意氣刀角度的調整，避免由于兩片氣刀角度不對造成板面邊部結渣。氣刀角度應根據生產實際做出調整，唐鋼熱鍍鋅生產線氣刀采用負角度錯開使用，可以適用大部分規(guī)格板面。

通過上述控制措施的實施：唐鋼熱鍍鋅生產線在生產鍍層厚275g/m2的熱鍍鋅板時，每天鋅渣產生量由約1.5t降到約1t，減少約30%；生產鍍層厚80g/m2的熱鍍鋅板時，每天鋅渣產生量由約3t降到約2.5t，減少約15%；熱鍍鋅板鋅渣缺陷顯著降低?？梢?，通過控制鋅渣在鋅鍋里的產生量及存留量，不但可以減少熱鍍鋅板鋅渣缺陷、提升產品合格率，還可有效降低生產成本、提高鋅錠利用率。

4 結語

鋅渣的產生是鍍鋅生產時不可避免的，但熱鍍鋅板鋅渣缺陷是可以通過調整、控制來消除的。實踐表明，通過一系列控制措施的實施，可以減輕和抑制鋅渣的產生量，進而減輕和消除熱鍍鋅板鋅渣缺陷。

（1）合理控制帶鋼及鋅液溫度，使鋅液溫度控制在460±2℃范圍內；嚴格控制鋅液中的有效Al元素含量，使其含量控制在0.22±0.02%之間。

（2）對來料成分進行控制，保證鋼成分的純凈；提高熱鍍鋅生產線清洗段清洗效果，保證進入退火爐前殘留物合格；控制好退火爐內氣氛，防止帶鋼氧化。

（3）規(guī)范加錠、撈渣、拔渣操作，防止鋅液波動；合理控制氣刀高度，減少液面吹拂。