熱鍍鋅帶鋼鋅渣缺陷產(chǎn)生機理及控制措施

供稿|宋青松，馬孟寧，馬幸江，侯耿杰，段曉溪

內(nèi)容導(dǎo)讀 結(jié)合國內(nèi)某冷軋鍍鋅現(xiàn)場實際情況，對熱鍍鋅機組帶鋼表面鋅渣產(chǎn)生的機理進(jìn)行了分析，重點探討了鋅渣缺陷產(chǎn)生的主要影響因素，包括帶鋼表面清潔度、鋅鍋鋅液溫度、鋅鍋鋅液成分。介紹了生產(chǎn)現(xiàn)場采用的有效控制措施：嚴(yán)格控制原料表面質(zhì)量和清洗后帶鋼表面質(zhì)量；根據(jù)不同的產(chǎn)品規(guī)格（寬度、厚度）調(diào)整帶鋼入鍋溫度，保證鋅鍋鋅液的熱平衡；增加爐鼻子排渣系統(tǒng)；制定鍋輥輥系管理要求等。研究結(jié)果對鍍鋅板鋅渣缺陷控制相關(guān)的生產(chǎn)質(zhì)量管理工作有一定的借鑒意義。

隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展和日趨激烈的市場環(huán)境，汽車、家電企業(yè)對鍍鋅板表面質(zhì)量的要求越來越高[1]。在鍍鋅板生產(chǎn)過程中，鋅渣缺陷的產(chǎn)生是不可避免的，如何有效地控制鋅渣缺陷，成為國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的課題。

郭芳芳[2]對模擬的鋅液流場、溫度場、A1 和Fe 濃度場進(jìn)行分析，得出帶鋼入鍋溫度和鋅液溫度對鋅渣生成量的影響很大，鋅液溫度467 ℃ 且?guī)т撊脲仠囟?79 ℃ 時，對減少整個鋅鍋和帶鋼附近鋅渣生成量最為有利。陳剛等[3]采用掃描電子顯微鏡和能譜儀研究了熱鍍鋅板中5 種隱形鋅渣缺陷的微觀形貌和微區(qū)化學(xué)成分，在采用高鋁控制工藝、設(shè)備優(yōu)化和調(diào)節(jié)露點控制等方法后，熱鍍鋅板的表面質(zhì)量得到明顯提高。王艷強等[4]通過對排渣爐鼻子結(jié)構(gòu)及加鋅控制系統(tǒng)的研究，分析了液位波動的原因及原有液位控制策略的不足，提出了一種保持鋅鍋液位穩(wěn)定的控制方法，該方法減小了鋅鍋液位波動和帶鋼表面粘渣及擦劃傷缺陷。

本文描述了鋅渣的產(chǎn)生機理，列出了相應(yīng)的影響因素，并將某鋼廠熱鍍鋅機組對于帶鋼表面鋅渣缺陷的控制措施進(jìn)行了介紹。希望對鍍鋅板鋅渣缺陷控制相關(guān)的生產(chǎn)質(zhì)量管理工作有一定的借鑒意義。

鋅渣的形成機理

鋅渣的主要成分是鐵鋅金屬化合物[5]。鋅渣形成的根本原因是：帶鋼進(jìn)入鋅鍋的過程中，表面的鐵溶于鋅液。鋅鍋中的鋅液，由于帶鋼運動、鍋輥轉(zhuǎn)動、感應(yīng)加熱、熔鋅錠等因素，溫度、成分分布并不均勻。鋅渣便在Fe 濃度較高、鋅液溫度較低的地方形成[6]。

隨著鋅液中Al 含量變化，鋅渣形成的種類也有不同，分為浮渣、底渣、自由渣3 類[7]。最常見的底渣為FeZn7，密度大于鋅液，底渣在鋅液沒有攪動時會緩慢下沉。浮渣主要為Fe2A15，其密度約為4.2 g/cm3，小于鋅液密度，浮在鋅液表面。自由渣主要是Fe、Al、Zn 形成的三元金屬化合物，密度介于浮渣與底渣之間，懸浮于鋅液之間。

沉沒輥在帶鋼的作用力下，在鋅液中快速攪動，整個流場內(nèi)的鋅渣隨著鋅液的流動而流向帶鋼和沉沒輥、糾正輥表面，如圖1 所示[8]。鋼帶運動帶動后側(cè)遠(yuǎn)離鋼帶的流體向鋼帶運動（線a1），后側(cè)區(qū)域鋼帶附近的流體隨著鋼帶向前側(cè)區(qū)域運動（線a2），前側(cè)區(qū)域鋼帶附近流體沿著鋼帶上升（線a3）。前側(cè)區(qū)域遠(yuǎn)離鋼帶的一部分流體向下運動至鋅鍋底部（線b1），再從前側(cè)區(qū)域運動至后側(cè)區(qū)域（線b2），后側(cè)區(qū)域鋅鍋底部流體向上運動（線b3）；前側(cè)區(qū)域遠(yuǎn)離鋼帶的另一部分流體向鋅鍋側(cè)壁運動（線c1、），再通過側(cè)壁運動由前側(cè)區(qū)域運動至后側(cè)區(qū)域（線c2、），最后后側(cè)區(qū)域側(cè)壁流體向鋼帶運動（線c3、）。前側(cè)區(qū)域沿鋼帶運動的流體運動至前穩(wěn)定輥與鋼帶結(jié)合處時，一部分流體上升并向前運動（線q1），另一部分向下運動（線q2）或斜向下運動（線qb2、）沖擊底渣。此外，中間區(qū)域的流體流向鋼帶兩側(cè)（線d1、），再向后側(cè)區(qū)域流動（線d2、），最后在后側(cè)區(qū)域向鋼帶運動（線d3、）。鋼帶不包圍部分的沉沒輥轉(zhuǎn)動形成的沖擊流mb、以及前穩(wěn)定輥與鋼帶結(jié)合處形成的向下沖擊流q2，qb2，沖擊底渣形成5 個深坑。

圖1 鋅鍋模擬流場[8]

在帶鋼表面的鋅渣經(jīng)過鍋輥輥系的作用形成鍍層中的渣核，渣核長大形成鍍鋅板表面的鋅渣缺陷。如圖2 所示，圖2（a）譜圖5 位置為鋅渣缺陷在掃描電子顯微鏡下的微觀形貌，圖2（b）為該鋅渣缺陷的能譜圖。

圖2 鋅渣缺陷：(a)微觀形貌；(b)能譜圖

鋅渣形成的影響因素

清洗段的清洗效果

熱鍍鋅原料采用經(jīng)酸洗、冷軋后的帶鋼，帶鋼表明有殘留的油脂和微小的鐵粉顆粒。帶鋼經(jīng)清洗段堿液預(yù)清洗、電解清洗、熱水漂洗、烘干后進(jìn)入爐區(qū)退火，可最大程度的去除帶鋼表面的油脂和鐵粉粒[9]。如果清洗效果不好，會導(dǎo)致鐵粉顆粒有殘留，進(jìn)入爐區(qū)后在爐輥表面形成鐵粉結(jié)瘤，如圖3所示，逐漸累積隨著帶鋼進(jìn)入鋅鍋形成鋅渣缺陷。

圖3 爐輥表面鐵粉粒（黑色點狀異物）

鋅鍋鋅液溫度

純鋅的熔點是419.5 ℃，由于鋅液的黏度較高，必須適當(dāng)提高溫度降低鋅液的黏度才能使鋅液在鋼帶均勻的附著，也才能使鋅渣順利上浮。但是如果鋅液溫度過高，又會導(dǎo)致帶鋼表面鐵鋅反應(yīng)激烈，使鐵的溶解量增加，鋅渣增多。在鍍鋅過程中有一個重要的概念——鐵損，指鋼材的質(zhì)量損失，圖4 為鋅液溫度與鐵損量的關(guān)系[10]。當(dāng)鋅液溫度超過470 ℃ 時，鐵損量會急劇增加。

為了減小鋅液溫度波動，需要對鋅鍋內(nèi)的熱平衡進(jìn)行控制[11]。鋅鍋的熱消耗主要有：鋅鍋四周散熱、融化鋅錠、帶鋼鍍鋅。鋅鍋的熱收入項主要有：感應(yīng)加熱器的熱量和帶鋼帶入鋅鍋的熱量。

鋅液中Al 含量

Al 比Fe 活潑，鋼帶進(jìn)入鋅液后Al 首先與Fe 反應(yīng)形成一層致密的Fe2Al5薄膜，抑制Fe 的擴散，從而使鋅鐵化合物層的形成和增厚受到阻礙，提高鍍層的附著力，F(xiàn)e2Al5中間層可以使鋼基與鍍層緊密結(jié)合在一起。

Al 在渣相反應(yīng)中可以使初步形成的底渣轉(zhuǎn)化為浮渣浮到鋅鍋的表面，以利去除，反應(yīng)方程式如下[12]：2FeZn7+5Al=Fe2Al5+14Zn；但是當(dāng)鋁含量過高時，又會影響鍍鋅的涂裝性和焊接性。如圖5[13]所示，鋅液中Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%以下時，F(xiàn)e 的溶解度隨Al 含量的增高而降低，當(dāng)Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.2%時，F(xiàn)e 的溶解度隨Al 含量的增加而迅速上升，隨著鐵溶解量的增加，鋅渣的數(shù)量也會增多。

圖5 鋅液中的鋁含量和鐵在鋅液中的溶解量的關(guān)系

鋅渣的控制措施

清洗段清洗質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)

嚴(yán)格加強原料的質(zhì)量檢查，每12 h 一次，取酸洗、冷軋后的帶鋼檢測帶鋼表面殘油殘鐵，要求殘油小于200 mg/m2，殘鐵小于50 mg/m2。

嚴(yán)格控制清洗后帶鋼表面質(zhì)量，保證帶鋼進(jìn)入爐區(qū)前表面無臟污和油脂等雜質(zhì)，清洗后帶鋼用濾紙擦拭，濾紙灰度值與灰度尺對比：≤10%為一級，清洗質(zhì)量良好；15%～30%為二級，清洗質(zhì)量合格；35%～50%為三級，清洗質(zhì)量欠佳，需檢查調(diào)整；≥50%為四級，清洗質(zhì)量嚴(yán)重不合格，需檢查調(diào)整并通知班長及工程師。

檢修期間鋅鍋造渣撈渣

停機檢修期間，鋅鍋鋅液內(nèi)添加高鋁成分（Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%）鋅錠提升鋅鍋鋅液內(nèi)Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.3%。向鋅鍋內(nèi)注入N2，對鋅液進(jìn)行機械攪拌，促進(jìn)Al 與Fe 的置換反應(yīng)，將底渣和自由渣轉(zhuǎn)化為浮渣撈出。

工藝參數(shù)控制——保證熱平衡

保證鋅鍋鋅液的熱平衡：嚴(yán)格控制帶鋼入鍋溫度、鋅鍋溫度，保證鋅鍋感應(yīng)器在一定范圍內(nèi)波動（100～150 kW）。根據(jù)不同的產(chǎn)品規(guī)格（寬度、厚度）調(diào)整帶鋼入鍋溫度，使鋅液溫度在455±3 ℃ 范圍內(nèi)。

爐鼻子改造——增加排渣系統(tǒng)

爐鼻子內(nèi)的鋅渣無法通過扒渣撈渣的方式排出，因此給爐鼻子增加了排渣系統(tǒng)。爐鼻子排渣系統(tǒng)包括：收集鋅渣的溢流槽和鋅灰泵。溢流槽頂部開口，底部封閉。鋅灰泵吸入口與溢流槽底部相貫通，排出口浸沒在鋅鍋液位以下[14]。爐鼻子內(nèi)的鋅渣先通過溢流方式收集在溢流槽內(nèi)，再通過鋅灰泵排入鋅鍋，鋅鍋內(nèi)的鋅渣被人工或者撈渣機器人定期撈走。

鍋輥輥系管理

合理設(shè)計沉沒輥上的排渣槽，以順利將輥面與鋼帶包住的鋅液和鋅渣排出，不致在輥面產(chǎn)生粘渣。鋅鍋輥系的表面噴涂一層陶瓷涂層，可有效地減少輥面粘渣。同時鍋輥入鍋之前需要提前預(yù)熱到400 ℃ 以上，可以防止鍋輥進(jìn)入鋅鍋時導(dǎo)致的鋅液溫度下降。

結(jié)束語

影響熱鍍鋅鋅渣缺陷形成的因素主要有：帶鋼表面清潔度、鋅鍋鋅液溫度、鋅鍋鋅液成分等，在實際生產(chǎn)過程中，從以下幾點進(jìn)行改進(jìn)：

（1）嚴(yán)格控制原料表面質(zhì)量和清洗后帶鋼表面質(zhì)量，確保帶鋼退火前的表面清潔度。

（2）根據(jù)不同的產(chǎn)品規(guī)格（寬度、厚度）調(diào)整帶鋼入鍋溫度，使鋅液溫度在455±3 ℃ 范圍內(nèi)。保證鋅鍋鋅液的熱平衡。

（3）給爐鼻子增加溢流槽與鋅灰泵。有效地排出爐鼻子內(nèi)的鋅灰鋅渣。

（4）制定鍋輥輥系管理要求，包括沉沒輥排渣槽，鍋輥表面噴涂陶瓷涂層，鍋輥預(yù)熱等。