用缺陷分析的方法優(yōu)化鋅鋁鎂生產(chǎn)機(jī)組配置

楊柏松，謝揚(yáng)勛，丁 洋

（重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 渝北 401122）

鍍鋅機(jī)組經(jīng)過近200年的發(fā)展，設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，針對鍍鋅的各種缺陷的產(chǎn)生和應(yīng)對之策也相對完善，但鋅鋁鎂鋼板作為當(dāng)前最新一代鋅基鍍層產(chǎn)品， 其出色的斷口保護(hù)功能是鍍鋅產(chǎn)品不具有的，鋁鎂鋼板的合金鍍層是由鋅（Zn）、鋁（Al）、鎂（Mg）高溫固化形成，其顯微結(jié)構(gòu)由Zn、Al和Zn2Mg的致密三元共晶組織構(gòu)成，從而使鋼板表面形成一層致密的、有效防止腐蝕因子穿透的屏障，使其具有良好的抗腐蝕性能， 是當(dāng)前耐蝕性最好的鍍層板帶，使其具有廣闊的市場前景， 是熱鍍鋅產(chǎn)品的發(fā)展方向。 通常在較惡劣的環(huán)境下使用，如光伏支架、太陽能模組支架、大型變電站、配電箱、開關(guān)柜、電氣柜、電纜橋架、蒸發(fā)式冷凝器（塔）、中央空調(diào)通風(fēng)管道及建筑領(lǐng)域等。

鋅鋁鎂機(jī)組是在鍍鋅機(jī)組的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的， 因此鍍鋅缺陷的應(yīng)對之策對鋅鋁鎂機(jī)組也仍然行之有效， 但鍍層中的新元素鎂所帶來的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣異常突出， 需要重點(diǎn)針對分析并提出合理的應(yīng)對之道。

根據(jù)表1，鋅鋁鎂同鍍鋅相比，其表面硬度最高提高了3倍，從55 HV提高到165 HV，結(jié)合出色的斷口保護(hù)功能，具有了出色的防剮蹭、防撞擊功能和耐高溫性，但任何事物都有其兩面性，硬度的提高反過來帶來了加工缺陷，如脫鋅、微裂紋等，同時(shí)板面較之鍍鋅相比，板面黑化、黑點(diǎn)、厚鍍層鋅流紋、光整缺陷及邊部脫鋅等現(xiàn)象發(fā)生的幾率都有所增大，成為限制鋅鋁鎂機(jī)組發(fā)展的難點(diǎn)，因此有必要從產(chǎn)生缺陷的原因入手，來分析優(yōu)化鋅鋁鎂生產(chǎn)機(jī)組的設(shè)計(jì)，并對現(xiàn)有鍍鋅機(jī)組改造為鋅鋁鎂機(jī)組提供可行方案。

表1 各種金屬鍍層的表面硬度

1 對比傳統(tǒng)鍍鋅機(jī)組的缺陷優(yōu)化鋅鋁鎂機(jī)組的設(shè)計(jì)

圖1為傳統(tǒng)鍍鋅機(jī)組的功能和設(shè)備布置圖，大致分為前處理單元、 核心涂鍍工藝段及后處理單元三部分。前處理單元包括開卷機(jī)、焊機(jī)、活套、清洗段和退火爐，其核心設(shè)備為焊機(jī)、清洗段及退火爐，其作用是使帶鋼具有連續(xù)生產(chǎn)、 清潔帶鋼表面以改善帶鋼對鋅的粘附性、使得帶鋼具有可加工性；核心涂鍍工藝段包括氣刀、鋅鍋及冷卻塔設(shè)備，使得帶鋼獲得表面質(zhì)量優(yōu)異的鍍層和完善的鍍鋅合金層和附著力； 而后處理單元主要包括光整拉矯以及表面涂層處理及分卷卷曲等設(shè)備， 根據(jù)需要改善板形并獲得一定的表面粗糙度，根據(jù)特殊需要增加鍍層等功能。因此根據(jù)產(chǎn)線的設(shè)備和原材料的特點(diǎn)分析產(chǎn)生缺陷的原因并針對鋅鋁鎂機(jī)組的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 傳統(tǒng)鍍鋅機(jī)組的功能與設(shè)備布置圖

2 針對前處理單元的帶鋼缺陷及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 漏鍍

漏鍍即鋼板表面沒有鍍上鋁鋅鍍層， 直接露出鋼基。 漏鍍的表現(xiàn)形式往往與形成漏鍍的原因有一定聯(lián)系，包括側(cè)緣漏鍍、板面針孔狀漏鍍、板面塊狀漏鍍、板面條狀漏鍍及鋅渣痕漏鍍等。

（1）側(cè)緣漏鍍

對比鍍鋅和鋅鋁鎂產(chǎn)品側(cè)緣漏鍍更為突出，帶鋼側(cè)緣未鍍上鍍液，露出鋼基，卷取后鋼卷側(cè)面呈黑色。

造成原因：鋼卷放置時(shí)間長，側(cè)緣被氧化生銹，在退火爐內(nèi)還原不好導(dǎo)致鍍不上鍍液， 也和鍍液的浸潤性惡化有關(guān)系， 一般用打磨機(jī)打磨原料側(cè)緣可減少或消除，問題是不知道什么時(shí)間發(fā)生，與原材料的原始狀態(tài)有關(guān)系， 目前在無法判定來料清潔度的前提下，鋅鋁鎂機(jī)組增加均衡段，增加邊部加熱和增加邊部氫氣量是一種有效的解決辦法。

（2）鋅渣痕漏鍍

帶鋼板面附有異物（條狀、片狀），鍍后脫落造成漏鍍，多出現(xiàn)在下表面，呈不規(guī)律的線條狀居多。

造成原因：原因較多，包括爐內(nèi)熱張緊輥和鋅鍋沉沒輥的結(jié)渣都會造成影響，因此提高帶鋼清潔度是十分必要的， 同時(shí)減少熱張緊輥和沉沒輥的表面結(jié)渣，穩(wěn)定輥?zhàn)颖砻娴拇植诙龋瑴p少打滑現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）針孔狀漏鍍

一般為整個(gè)板面或大部分板面， 位置特點(diǎn)不明顯，有時(shí)可能為板面一定區(qū)域。這一缺陷鋅鋁鎂產(chǎn)品和鍍鋅產(chǎn)品是一致的。

造成原因：爐內(nèi)整體氣氛不合要求，氧含量或露點(diǎn)偏高、氫氣比例不合要求等，爐溫或板溫偏低，造成板面清潔及還原效果較差。

（4）條狀漏鍍漏鍍在板面縱向成線條狀，以連續(xù)性較為多見。造成原因：爐區(qū)漏氣，氣流噴吹在運(yùn)行中的帶鋼上，形成線條狀氧化，這一缺陷在爐區(qū)冷卻段容易發(fā)生；帶鋼在出鋅池前板面被劃傷（如前處理輥輪、爐底輥、熱張力輥、沉輥等），而劃傷處又粘上了污染物（如油泥、爐灰、鋅灰等），造成鍍不上鍍液，因此針對鋅鋁鎂機(jī)組冷卻段的設(shè)計(jì)尤為重要， 同時(shí)爐區(qū)爐輥的表面增加涂層減少污染物的粘接是十分必要的。

（5）塊狀漏鍍

板面塊狀或不規(guī)則條狀的漏鍍，為大部分板面，不規(guī)則分布。

造成原因：爐內(nèi)局部氣氛不合要求：爐區(qū)漏氣、漏水或開機(jī)前吹掃不干凈； 爐區(qū)NOF段造成板面氧化；進(jìn)爐前的板存在銹蝕或是板面有水、油等其它污染物；若冷卻段快冷風(fēng)機(jī)處有較多鋅灰或銹皮，尤其是冷卻段換熱器滲水，會大概率造成條狀漏鍍，滲水嚴(yán)重時(shí)造成塊狀漏鍍； 同時(shí)快冷風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)階段也容易造成上述兩種漏鍍。

2.2 脫鋅

由于鋅層粘附性能不好， 在進(jìn)行機(jī)械咬合或球沖試驗(yàn)時(shí)， 帶鋼表面出現(xiàn)的鋅層與鋼基分離的現(xiàn)象稱鋅層脫落。 在生產(chǎn)線上也可以直接看到鋅層局部呈塊狀與鋼基分離、鋅層掉落的現(xiàn)象，尤其是邊部脫鋅在高鋁鋅鋁鎂的產(chǎn)品發(fā)生的幾率較大。

產(chǎn)生原因：軋機(jī)乳化液太臟，帶鋼表面殘留物偏高、鋼卷保存時(shí)間過長，邊部氧化較重、退火爐爐氣氛呈現(xiàn)氧化氣氛、 板溫過低和爐子密封性能不好等原因，針對鋅鋁鎂機(jī)組邊部脫鋅，對退火爐爐況和清洗段的要求肯定高于鍍鋅機(jī)組，因此有必要對爐子的密封性進(jìn)行不間斷檢測，但傳統(tǒng)的打壓試驗(yàn)不足以發(fā)現(xiàn)輕微漏點(diǎn)，而采用氨氣結(jié)合硫磺棒的方法又存在相當(dāng)高的危險(xiǎn)性， 因此推薦采用氦氣打壓結(jié)合氦檢儀（如圖2所示）的方法，是方便快捷的解決之道。

圖2 氦檢儀實(shí)物圖

2.3 前處理單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）提高清洗段的清洗能力，針對建材有花鍍鋅，清洗段在有無氧化爐（NOF）的設(shè)計(jì)前提下，是可以不考慮電解清洗段的，但針對鋅鋁鎂機(jī)組則是必不可少的，因?yàn)殒V鋁元素的加入導(dǎo)致鍍液流動(dòng)性和浸潤性變差，需要更清潔的表面，同時(shí)還需要減少鐵離子對鋅鍋的污染，也就是說鋅鋁鎂機(jī)組的清洗段需要增加電解清洗和足夠的立式磁過濾器來消除鐵元素的影響。但對于已經(jīng)存在的鍍鋅機(jī)組在不改變清洗段長度的前提下來改造增加電解清洗段本身就是個(gè)難題，本設(shè)計(jì)是通過優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該功能的。

（2）提高退火爐的密封性能解決爐區(qū)漏氣隱患，受鍍液流動(dòng)性和浸潤性的影響， 鋅鋁鎂涂鍍機(jī)組肯定需要更清潔的表面進(jìn)入鋅鍋， 需要基本消除爐內(nèi)氣氛不合要求的現(xiàn)象， 氣氛中氫氣含量會大幅度提高，對爐區(qū)密封性、安全性都提出了較高的要求，主要泄漏源來自爐區(qū)冷卻段的風(fēng)機(jī)和換熱器， 因此考慮到鋅鋁鎂機(jī)組氫氣含量相對較高的特點(diǎn)在冷卻段針對性地采用Plug-in的風(fēng)機(jī)和噴管設(shè)計(jì)。

根據(jù)圖3所示循環(huán)風(fēng)機(jī)采用Plug-in循環(huán)風(fēng)機(jī)甚至罩式爐風(fēng)機(jī)可以徹底解決風(fēng)機(jī)漏氣的問題；同時(shí)采用抽屜式換熱器，滿足換熱器內(nèi)部管材沒有焊點(diǎn)的要求。在解決換熱器內(nèi)部無焊點(diǎn)和循環(huán)風(fēng)機(jī)漏氣的問題后，冷卻段的缺陷和隱患基本得到消除。

圖3 Plug-in循環(huán)風(fēng)機(jī)和噴管冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖

（3）消除鋅灰對冷卻段的影響，同傳統(tǒng)鍍鋅機(jī)組相比，鋅灰、鐵銹還原的銹粉對循環(huán)風(fēng)機(jī)的影響還沒有得到徹底解決， 因此消除鋅灰對冷卻段和冷卻段板面的影響就是鋅鋁鎂機(jī)組亟待解決的另一問題。

如圖4和圖5所示， 增加BGH隔板和保護(hù)氣體配置方式，可以基本消除鋅灰對漏鍍的影響。

圖4 BGH隔板對鋅灰的作用示意圖

圖5 鋅鋁鎂機(jī)組保護(hù)氣體配置示意圖

3 針對涂鍍工藝段的帶鋼缺陷分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

研究表明，當(dāng)鎂含量超過0.5%時(shí)，鋅鋁鎂合金鍍層的耐蝕性能提高了3倍以上，但同傳統(tǒng)鍍鋅相比，該工藝段在鍍鋅基礎(chǔ)上新增的缺陷包括時(shí)效黑點(diǎn)、板面黑斑等，因厚鍍層產(chǎn)生的缺陷包括不均勻、流紋、裂紋等。

3.1 傳統(tǒng)鍍鋅機(jī)組鋅鍋區(qū)產(chǎn)生鋅渣的特點(diǎn)

鋅鋁鎂涂鍍涂層段與鍍鋅相比， 鋅鋁鎂鍍液容重差別很大，傳統(tǒng)鍍鋅鋅鍋內(nèi)容重為6 900 kg/m3。 有必要回顧鋅渣產(chǎn)生的幾個(gè)步驟：留在帶鋼表面的鐵原子溶入鍍液之中，鋅鍋鋅液中的溫度和濃度都是很不均勻的，存在一定的溫度起伏和濃度起伏。 鋅渣便會在鐵的濃度較高處或鋅液溫度較低處首先形成，初期反應(yīng)生成的是FeZn7，有相當(dāng)一部分初期形成的顆粒較小的鋅渣質(zhì)點(diǎn)通過在鋅液之中發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)，便成為永久的固體顆粒，不再溶人鋅液之中，這就是鋅液中的底渣。

鋅液中鐵的濃度超過其飽和度時(shí)， 就析出形成金屬化合物。鋅液處于一種鐵溶解、鋅渣析出的動(dòng)態(tài)平衡過程，鐵溶解和鋅渣析出都是不可逆的[1]。

鋅液中的鐵析出后，首先與鋅發(fā)生反應(yīng)，形成鋅鐵金屬化合物，其反應(yīng)式為：Fe+7Zn→FeZn7，比重為7.25 g/cm3，渣的比重大于鍍液的比重。

若鋅液中的有效鋁含量達(dá)到0.135%以上， 鋅渣質(zhì)點(diǎn)在發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)也會與鋁原子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生反應(yīng)，鋁原子置換掉底渣中的部分鋅，形成含鋁的鐵鋁化合物和鋅混在一起的浮渣， 反應(yīng)式為：2FeZn7+5Al→Fe2Al5+14Zn，F(xiàn)e2Al5比重為4.2 g/cm3，渣的比重小于鍍液的比重。

因此針對傳統(tǒng)鍍鋅機(jī)組， 鋅渣在鋅液浮力和自重的作用下有三種運(yùn)動(dòng)趨勢：密度較鋅液大的Fe2Zn7會在鋅液中下沉成為鋅鍋底部的底渣， 密度較小的Fe2Al5則在鋅液中上浮成為鋅液表面的浮渣，也有部分鋅渣懸浮在鋅液中，繼續(xù)進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)。

鋅渣顆粒質(zhì)點(diǎn)的尺寸與鋅渣上浮或下沉的速度關(guān)系很大，尺寸大的上浮或下沉速度較快，而尺寸較小的上浮或下沉的速度較慢， 這就給顆粒尺寸較小的鋅渣顆粒提供了進(jìn)一步碰撞長大的機(jī)會。據(jù)測量，頂渣的大小一般為40～150 μm， 底渣的大小一般為80～400 μm， 而顆粒大小為15～40 μm的鋅渣一般都懸浮于鋅液之中。

對傳統(tǒng)鍍鋅鋅鍋區(qū)的要求就是穩(wěn)定鋅鍋中鋅液溫度、穩(wěn)定鋅鍋中鋅液成分、穩(wěn)定帶鋼、提高鍍鋅板表面質(zhì)量。

3.2 鋅鋁鎂機(jī)組鋅鍋區(qū)和傳統(tǒng)鍍鋅產(chǎn)生鋅渣的對比

鋅鋁鎂鋅鍋內(nèi)容重為3 600～6 500 kg/m3（配方不同容重不同）。因此不同于鍍鋅，高鋁鋅鋁鎂產(chǎn)生的渣比重大于鍍液容重，產(chǎn)生底渣較多；中鋁鋅鋁鎂的渣容重和鍍液的容重接近，顆粒度也合適的話，造成的渣就會形成底渣、懸浮渣，因此必須介紹渣的生成。

除此之外，鎂元素的加入，首先是比重相當(dāng)輕，只有1.71 t/m3，更容易造成上浮，分布不均勻，鎂極易氧化，在鋅鍋中容易氧化形成MgO，使得鋅鍋中的浮渣增多，粘結(jié)在表面，形成缺陷。

同時(shí)鎂元素分布不均， 在隨后的鍍后冷卻和水淬槽形成二次氧化，并在隨后的10～15 d內(nèi)在潮濕環(huán)境形成氧化點(diǎn)的二次發(fā)育， 也就是在涂鍍過程中沒有發(fā)現(xiàn)但隨著時(shí)間推移而成長的表面黑點(diǎn)。

這一缺陷是鍍鋅機(jī)組所沒有的，需要結(jié)合鋅鍋和鋅鋁鎂鍍后冷卻器來共同消除或減少該缺陷的產(chǎn)生。

未來涂鍍工藝段繼續(xù)發(fā)展為鍍鋁硅的產(chǎn)品時(shí)，鍍液的容重將低于3 t/m3，帶來的沉沒輥、穩(wěn)定輥表面打滑等現(xiàn)象將越來越嚴(yán)重， 需要對輥面封閉和粗糙度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.3 鋅鋁鎂機(jī)組鋅鍋區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）鋅鍋深度加深、由無芯鋅鍋取代有芯鋅鍋、增加預(yù)熔鍋、增加溜槽加熱系統(tǒng)等；鋅鍋死角采用氮?dú)馔ㄈ爰訌?qiáng)攪拌。

（2）針對鋅鋁鎂鋅鍋內(nèi)部的成分控制尤其是鎂成分的分布是需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的。

（3）針對環(huán)境鋅鋁鎂更需要做ZAM275-370的厚板厚鍍層產(chǎn)品，不同于鍍鋅機(jī)組，更希望在厚板、高強(qiáng)鋼的前提下做厚鍍層，因此很容易造成厚邊、鋅流紋等缺陷， 因此在氣刀的均勻性控制方面提到前所未有的高度，只能通過提高風(fēng)量、通過起到內(nèi)部均壓網(wǎng)的設(shè)計(jì)來達(dá)到優(yōu)化氣刀性能的作用， 必須做到刀唇封閉，刀唇到帶鋼的距離為10 mm。

3.4 鋅鋁鎂機(jī)組鋅鍍后上行冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鍍后上行冷卻器：不同于鍍鋅有帶鋼離開氣刀后有足夠的靜置流平段， 接觸到空氣冷卻器時(shí)已經(jīng)完成了凝固， 鋅鋁鎂機(jī)組鍍后冷卻器仍有需要解決的問題， 包括防止極少黑點(diǎn)缺陷、 防止和減少斑塊缺陷、不能產(chǎn)生冷卻紋路、不能產(chǎn)生彎折裂紋及不能造成冷卻不均勻而造成色差等。 鋅鋁鎂冷卻器設(shè)計(jì)不當(dāng)將會造成如表2所列的各種缺陷。

表2 鋅鋁鎂冷卻器設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的缺陷

上述的冷凝過程、生成Zn2Mg的過程及冷卻到安全溫度以下的過程都是單獨(dú)控制的， 并且根據(jù)板厚和氣刀位置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)， 最終在滿足最高冷卻速度的前提下形成鋅鋁鎂鍍后上行冷卻器。

因此針對鋅鋁鎂鍍層冷卻過程的要求， 涵蓋了凝固過程、生成Zn2Mg的過程、冷卻到安全溫度以下的過程以及到塔頂輥?zhàn)畹蜏囟纫蟮倪^程。 因此該冷卻器至少分為凝固段、快冷段、最終冷卻段3段，如圖6所示（僅展示了入口的兩段）[2]。

圖6 鋅鋁鎂鍍后冷卻裝置實(shí)物圖

鍍后上行冷卻器的使用目的是和鋅鍋一起完成減少氧化及板面黑點(diǎn)、控制鋅鋁鎂鍍層厚度的作用；同時(shí)結(jié)合氣刀一起完成提高冷卻速度、生成Zn2Mg及Zn、Al三元合金、穩(wěn)定帶鋼運(yùn)行及精確控制帶鋼溫度的作用。

3.5 鋅鋁鎂機(jī)組涂鍍工藝段的優(yōu)化要點(diǎn)

針對鋅鋁鎂機(jī)組， 在該工藝段需要消除的新增缺陷包括時(shí)效黑點(diǎn)、板面黑斑、因厚鍍層產(chǎn)生的不均勻、流紋、裂紋等缺陷，因此鋅鍋、氣刀、鍍后冷卻器的配合是必不可少的。

加深鋅鍋深度、 采用無芯感應(yīng)鋅鍋+預(yù)熔鍋、氣刀增加均壓網(wǎng)、 采用多段式升降冷卻器是減少鋅鋁鎂涂鍍?nèi)毕莸淖钣行侄巍?/p>

4 針對后處理單元的帶鋼缺陷分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

同鍍鋅相比， 鋅鋁鎂機(jī)組的表面硬度提高了3倍，達(dá)到165 HV，同時(shí)針對SD450D的高強(qiáng)鋼基材也對光整機(jī)提出了較高的要求， 傳統(tǒng)的拉矯光整缺陷如滑移線、光整花紋、光整輥印等針對鋅鋁鎂產(chǎn)品更加突出，因此光整機(jī)工作輥輥徑的設(shè)計(jì)更加重要。

一般的，采用直徑為600 mm以上的工作輥以及表面毛化是十分必要的。

鋅鋁鎂產(chǎn)品正在朝著專業(yè)化以及提高專用性的方向發(fā)展， 薄規(guī)格采用高鋁鋅鋁鎂結(jié)合氟碳涂層初步形成以基材保護(hù)涂層的產(chǎn)品， 對高鋁鋅鋁鎂的鍍層厚度要求為180 g/m2（雙面）；而對低鋁鋅鋁鎂仍以家電板屬性為重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)表面質(zhì)量，對低鋁鋅鋁鎂的鍍層厚度要求為275 g/m2（雙面）。

5 結(jié)論

（1）鋅鋁鎂機(jī)組前處理單元必須裝備電解清洗和足夠的磁過濾器，以減少帶鋼帶入鋅鍋的鐵粉。

（2）退火爐增加均衡段、邊部加熱和增加邊部氫氣量是帶鋼鋅鋁鎂鍍層邊部脫鋅的一種有效手段。

（3）采用氦檢儀定期對爐子進(jìn)行泄漏檢測是一種安全有效的手段。

（4）采用Plug-in風(fēng)機(jī)和外置換熱器并提高爐區(qū)冷卻器的密封性優(yōu)化了鋅鋁鎂涂鍍機(jī)組的爐區(qū)性能。

（5）鋅鍋加深、采用無芯感應(yīng)鋅鍋、采用預(yù)熔鍋、氣刀增加均壓網(wǎng)、 采用多段式升降冷卻器是減少鋅鋁鎂涂鍍?nèi)毕莸淖钣行侄巍?/p>

（6）增大光整機(jī)工作輥輥徑并且毛化是減少鋅鋁鎂涂鍍光整缺陷的最有效手段。