極薄規(guī)格熱鍍鋅帶鋼鋅流紋控制技術(shù)

盧 杰， 張曉峰， 蘇寶滄， 寧媛媛

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063200)

0 前 言

熱鍍鋅是一種較為常用的帶鋼防腐技術(shù)，熱鍍鋅帶鋼具有較好的耐腐蝕性，產(chǎn)品美觀，比較受市場歡迎。 薄規(guī)格熱鍍鋅帶鋼因其成本低，需求量不斷上升，尤其是在家電、電子工業(yè)、包裝等領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛。薄規(guī)格產(chǎn)品的應(yīng)用場合對帶鋼的表面質(zhì)量要求比較高，鋅流紋缺陷作為薄帶鋼常見的缺陷一般是不允許出現(xiàn)的。 目前，國內(nèi)鋼廠0.35 mm 以下的熱鍍鋅產(chǎn)品出貨量較少，可借鑒的生產(chǎn)經(jīng)驗不多。

鋅流紋缺陷是熱鍍鋅生產(chǎn)線一種重要缺陷，各鍍鋅生產(chǎn)線及機構(gòu)多有研究。 孟曉濤等[1]分析了鋅流紋缺陷的影響因素，針對爐區(qū)溫度的控制、鋅液成分的調(diào)整和帶鋼入鍋溫度的設(shè)定值等給出了優(yōu)化措施；高強等[2]分析了熱鍍鋅工藝控制參數(shù)對鋅流紋缺陷的影響，并給出了對應(yīng)的解決方法；李科學(xué)等[3]通過對產(chǎn)生鋅流紋缺陷的因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，確認(rèn)了氣刀控制參數(shù)及鋅液中鋁含量等主要影響因素；張海尉[4]分析了鋅液鋁含量對鍍鋅工藝的影響，并給出了有效鋁精準(zhǔn)的測量方法；楊譯[5]研究了0.4～0.5 mm 規(guī)格的薄帶鋼鋅流紋缺陷的控制措施，指出消除鋅流紋的原則是增大薄帶鋼出鋅鍋后所含的熱量。 上述文獻(xiàn)分析了一般熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷的產(chǎn)生機理和主要影響因素，并給出了優(yōu)化措施，其中帶鋼規(guī)格最薄為0.4 mm，但目前對更薄帶鋼熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷的研究較少。

本工作以0.35 mm 以下極薄規(guī)格熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷為研究對象，分析了鍍鋅生產(chǎn)工藝中對鋅流紋缺陷影響較大的因素，通過優(yōu)化相關(guān)工藝方案，較好地控制了極薄規(guī)格熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷的產(chǎn)生，滿足了生產(chǎn)要求。

1 極薄規(guī)格鋅流紋缺陷描述

極薄規(guī)格帶鋼由于在進(jìn)入鋅鍋之前自身所攜帶熱量少，加之氣刀氣流對帶鋼的冷卻作用，加速了鋅液的凝固速率，造成極薄規(guī)格帶鋼鋅流紋缺陷明顯，鋅流紋缺陷如圖1 所示。 由于極薄規(guī)格鍍鋅板主要是彩涂后用于高端家電產(chǎn)品，而鋅流紋缺陷在彩涂后無法被覆蓋從而影響美觀，因此需要對極薄規(guī)格鋅流紋缺陷進(jìn)行進(jìn)一步攻關(guān)。

圖1 鋅流紋缺陷Fig.1 Zinc flow defect

2 影響鋅流紋缺陷產(chǎn)生的主要因素

帶鋼鍍鋅出鋅鍋后，以帶鋼為核心到鋅液表面的溫度依次降低，氣刀吹出的高壓空氣在帶鋼表面產(chǎn)生一個向下的空氣流，將多余的鋅液吹落，當(dāng)鋅液溫度接近凝固點時，在重力及氣刀的作用力下會產(chǎn)生鋅流紋缺陷。 鍍鋅生產(chǎn)工藝中，對鋅流紋缺陷影響較大的因素包括:鋅液溫度，鋅液鋁含量，帶鋼入鍋溫度及氣刀工藝參數(shù)等因素。 下面分別分析各影響因素的影響機理。

2.1 鋅液溫度的影響

鋅的熔點是419.5 ℃，實際熱鍍鋅鋅鍋中鋅液溫度一般設(shè)定在450～470 ℃之間。 帶鋼出鋅鍋后，附著在帶鋼上的鋅液開始降溫，并逐漸凝固到帶鋼表面。 剛出鋅鍋時，帶鋼上鋅呈現(xiàn)液體流動狀態(tài)，溫度越高，流動性越好，所需要的凝固時間也更長[6]。 根據(jù)實踐經(jīng)驗，鋅液溫度越高，帶鋼表面的鍍層越平滑，鋅流紋缺陷越少。 隨著鋅液溫度升高，鋅液表面的蒸發(fā)和氧化也在不斷加劇，鋅渣缺陷就會增加，實際生產(chǎn)工藝會在兩者之間取一個平衡。

2.2 鋅液鋁含量的影響

鋅液中鋁含量對鋅液的黏度影響較大。 鋅液中添加一定量的鋁元素，會增加鋅液的流動性和浸潤性，鋅液流動性增強，可在一定程度上減少鋅流紋缺陷的發(fā)生。 由于鋁的化學(xué)性能比鋅更活潑，大量鋁元素的存在會加大鋁鐵的反應(yīng)烈度，產(chǎn)生含鋁相、鋅鐵化合物相，加速鋅液的消耗，并產(chǎn)生大量的鋅渣。 所以，鋅液中鋁的含量控制在一個較低的水平對鍍鋅是有益的。

2.3 帶鋼入鍋溫度的影響

薄帶鋼由于自身熱量較少，在出鋅鍋后降溫較快，使附著在帶鋼上的鋅液在氣刀壓縮空氣的冷卻下很快變得黏稠。 由于不同厚度帶鋼在入鋅鍋時所帶的熱量不同，對于厚帶鋼來說，攜帶熱量較多，而對于極薄帶鋼來說，由于其所攜帶的熱量較少以及氣刀噴吹的氣流對帶鋼也有冷卻作用，因此薄帶鋼的鋅層在經(jīng)過氣刀之前就會凝固產(chǎn)生鋅流紋缺陷，因此對于厚度不同的帶鋼應(yīng)該采用不同的入鍋溫度。

2.4 氣刀工藝參數(shù)控制的影響

氣刀工藝參數(shù)控制對鋅流紋缺陷的產(chǎn)生有重要影響，主要氣刀工藝參數(shù)包括:氣刀噴出的空氣流的壓力、氣刀噴嘴與帶鋼的距離及氣刀噴嘴距鋅鍋中鋅液面的高度[7]。 在生產(chǎn)時從氣刀參數(shù)控制來減少鋅流紋缺陷，利用盡可能小的風(fēng)量增加氣刀與帶鋼的距離來控制鋅流紋缺陷的產(chǎn)生。

3 極薄規(guī)格帶鋼鋅流紋缺陷控制措施優(yōu)化

3.1 入鍋溫度以及鋅液溫度優(yōu)化

帶鋼的入鍋溫度決定了帶鋼本身所攜帶的熱量，同時也間接決定了鋅流紋缺陷的狀態(tài)，而帶鋼的入鍋溫度用何值最為合理，一般認(rèn)為在生產(chǎn)過程中當(dāng)感應(yīng)器功率在較小值時，鋅鍋的最佳控制狀態(tài)是熱量散發(fā)與吸收的熱量平衡。 以鋅鍋的熱平衡為理論計算依據(jù)，根據(jù)帶鋼規(guī)格計算帶鋼的入鍋溫度。

3.1.1 離線狀態(tài)感應(yīng)鋅鍋熱支出

(1)鋅液表面的熱量散失對流散熱量計算[8]如式(1):

式中，Q1為鋅液散熱量，kJ/h；F1為表面積，m2；T1為鋅液溫度，℃；T2為環(huán)境溫度，℃；Ap 為鋅液散熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。

(2)鋅鍋中鋅液輻射散熱量計算[9]如式(2):

式中，Q2為鋅液輻射熱量，kJ/h；ξ12為鋅液面的黑度系數(shù)；φ1-2為鋅液吸熱系數(shù)；C0為輻射系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。

同理可以計算出鋅鍋4 個側(cè)面以及鋅鍋的底面散失的熱量，可得鋅鍋在離線狀態(tài)時，總的熱量支出的計算如式(3):

3.1.2 鋅鍋感應(yīng)器功率計算

鋅鍋處于離線狀態(tài)時，熱源只有感應(yīng)器，要使鋅鍋溫度達(dá)到455 ℃保持恒定，則感應(yīng)器提供的熱量需要彌補鋅鍋散失的熱量[10]，如式(4):

當(dāng)鋅鍋在離線狀態(tài)時鋅液溫度保持某一溫度時，通過式(4)計算可知鋅鍋的加熱功率，在此基礎(chǔ)上，計算鋅鍋在線時的熱支出。

3.1.3 鋅鍋在線時熱支出

鋅鍋處于在線狀態(tài)時，持續(xù)給鋅鍋添加鋅錠，維持鋅鍋液位的平衡，此時需要考慮熔化鋅錠所需的熱量，即:

式 中，Q7為 熔 鋅 熱 量， kJ/h；CZ為 鋅 的 熱 容 量，kJ/(kg·℃)；G為鋅需求量，kg；T5為鋅錠實際溫度，℃；L為熔化熱系數(shù)，kJ/kg。

計算單位時間內(nèi)生產(chǎn)所需鋅錠的質(zhì)量，根據(jù)速度控制規(guī)定，得到生產(chǎn)不同規(guī)格帶鋼每小時加入的鋅錠量，將生產(chǎn)不同規(guī)格的帶鋼每小時消耗的鋅錠質(zhì)量代入上式，即可得到生產(chǎn)不同規(guī)格的帶鋼每小時鋅錠熔化所吸收的熱量Q7。

3.1.4 帶鋼入鍋溫度的計算

帶鋼帶入鋅鍋的熱量計算如式(7):

2.來自國內(nèi)的競爭。黑龍江省是我國冰雪產(chǎn)業(yè)的龍頭，哈爾濱國際冰雪節(jié)是世界四大冰雪節(jié)之一，哈爾濱冰雪大世界、太陽島雪博會、亞布力滑雪場和雪鄉(xiāng)都是中國知名冰雪旅游品牌。哈爾濱市已經(jīng)成為國際冰雪旅游服務(wù)的核心，也是我國冬季冰雪旅行目的地首選城市。[7]此外，主打冰雪休閑的大慶和齊齊哈爾、主打民俗文化的佳木斯、主打森林旅游的伊春也都在快速發(fā)展。黑龍江省近六年的春節(jié)黃金周累計接待國內(nèi)外游客超過8000萬人，是吉林省游客數(shù)量的2倍。

式中，Q入為帶鋼熱量，kJ/h；W為機組單位時間生產(chǎn)帶鋼量，kg/h；CF為帶鋼的比熱系數(shù)，kJ/(kg·℃)；T6為帶鋼鍍鋅前的溫度，℃。

要達(dá)到鋅鍋的熱量平衡，則需:

又因式(4)，

根據(jù)產(chǎn)線速度與規(guī)格關(guān)系計算出機組單位時間生產(chǎn)帶鋼量(W)，機組單位時間生產(chǎn)帶鋼量如圖2 所示，將實際數(shù)值代入式(11)，得出所需規(guī)格帶鋼進(jìn)入鋅鍋前所需的溫度值，入鍋溫度和帶鋼規(guī)格的關(guān)系如圖3所示。 以單一寬度750 mm 帶鋼為例，其入鍋溫度與規(guī)格的關(guān)系表現(xiàn)為一條曲線，即入鍋溫度和帶鋼厚度關(guān)系曲線。 從入鍋溫度和帶鋼厚度的關(guān)系曲線可以很方便地查到入鍋溫度設(shè)定值。 入鍋溫度和帶鋼厚度的關(guān)系(寬度:750 mm)如圖4 所示。

圖2 機組單位時間生產(chǎn)帶鋼量Fig.2 Unit time production of strip steel(W)

圖3 入鍋溫度和帶鋼規(guī)格的關(guān)系Fig.3 Relationship between the temperature of entering the boiler and the thickness of strip steel

圖4 入鍋溫度和帶鋼厚度的關(guān)系(寬度:750 mm)Fig.4 Relationship between the temperature of entering the pot and the thickness of the strip steel (width: 750 mm)

根據(jù)理論計算的帶鋼入鍋溫度并結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，對帶鋼的入鍋溫度以及鋅液溫度進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)入鍋溫度和帶鋼規(guī)格的關(guān)系，確定不同規(guī)格帶鋼的入鍋溫度。

3.2 鋅液鋁含量精準(zhǔn)控制

從理論上講，鋅鍋形成底渣的條件是鋅液中鋁元素的含量低于0.135%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，而形成浮渣的條件是鋁元素的含量高于0.135%；鋅液鋁元素的含量超過0.230%，鋅渣析出速度明顯加快，在實際控制中，由于檢測值存在波動，為避免出現(xiàn)底渣，根據(jù)經(jīng)驗最好把鋁含量控制在0.180%～0.220%之間，可將設(shè)定值取中間值0.200%，這樣能最大限度減少控制超限情況。 較小的控制范圍，對鋁含量的精準(zhǔn)檢測要求極高。 為提高鋁含量的檢測精度，需要增加在線鋁含量分析儀。

本工作以氧化鋯測量鋅液鋁含量傳感器為在線測量系統(tǒng)，其測量原理是鋁濃差電池原理[11]，鋁濃差電池原理圖如圖5 所示。 圖5 中ET 指電極，英文electrode的簡稱。 利用氧化鋯傳感器可準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)控鋅鍋的溫度和有效鋁含量。

圖5 鋁濃差電池原理圖Fig.5 Schematic diagram of aluminum concentration difference battery

能斯特(Nernst)方程:

由能斯特方程得出其濃差電勢差:

F鋁鹽表示傳感器中鋁的含量，可在說明書中查得，電壓傳感器測量濃差電池輸出電勢差E，通過式(13)就可以計算出鋅液中鋁的含量F鋅液。

在鋅鍋中安裝在線鋁含量傳感器，實時檢測鋅液鋁含量，通過添加高鋁錠和純鋅錠的方式，調(diào)節(jié)鋅液中鋁的含量，該方法測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有效地解決了有效鋁的鋁含量控制難的問題，取得了很好地應(yīng)用效果。 鋁含量監(jiān)測曲線如圖6 所示，從圖中可以看到，監(jiān)測值基本運行在上下限之間。

圖6 鋁含量監(jiān)測曲線Fig.6 Aluminum content monitoring curve

3.3 氣刀工藝控制的優(yōu)化

氣刀的主要工藝參數(shù)[12]為氣刀距離、氣刀壓力、氣刀高度，根據(jù)流體學(xué)理論，在同樣的鍍層下，氣刀的距離越近，所需的氣刀壓力越小；同時氣刀的冷卻作用也越小。 為了驗證不同氣刀參數(shù)對鋅流紋缺陷的影響，進(jìn)行了以下對比實驗:

選用3 卷0.35 mm 規(guī)格的實驗卷，進(jìn)行對比實驗，設(shè)計了不同氣刀距離、壓力及高度的對比實驗，鍍層Z80、產(chǎn)線速度控制在120 m/min、氣刀采用氮氣、帶鋼入鍋溫度控制在480 ℃，分別采用以下氣刀參數(shù)生產(chǎn)，然后再出口觀察對應(yīng)參數(shù)下的表面鋅流紋缺陷狀態(tài)。氣刀工藝實驗對比如表1 所示。

表1 氣刀工藝實驗對比Table 1 Comparison of air knife process experime

通過以上實驗，當(dāng)氣刀與帶鋼距離是8 mm、氣刀壓力時440×10-3bar、氣刀距鋅鍋頁面高度是400 mm時鋅流紋缺陷最輕。 因此確定了生產(chǎn)極薄規(guī)格帶鋼時采用小距離、小壓力的思路。

3.4 氣刀噴吹介質(zhì)的優(yōu)化

某鍍鋅線氣刀是杜馬氣刀，同時具備吹空氣和氮氣的能力[13]，為了分析不同噴吹介質(zhì)對鋅流紋缺陷的影響，對不同噴吹介質(zhì)下的帶鋼進(jìn)行對比實驗，氣刀噴吹介質(zhì)對比實驗卷明細(xì)如表2 所示。 成品取樣后觀察其宏觀形貌可以看出，空氣氣刀樣品外觀有鋅流紋，無觸感，小鋅花；N2氣刀樣品外觀均勻，無鋅花。

表2 氣刀噴吹介質(zhì)對比實驗卷明細(xì)Table 2 Details of comparison test Coil of air knife injection medium

對實驗卷分別取樣進(jìn)行電鏡分析，如圖7 所示。觀察樣品表面可以看出，空氣氣刀樣品表面有大量皸裂紋狀枝晶，鋅層表面枝晶狀特征顯著，鋅流紋明顯可見。 氮氣氣刀樣品鋅層上枝晶較少，晶界較淺，鋅流紋較輕微。

圖7 氣刀樣品電子三維掃描對比圖Fig.7 Comparison of electronic 3D scanning of air knife samples

從上述分析對比中可以看出2 個樣品的主要差別在鋅層的晶粒度以及枝晶的狀況。 由于鋅層在液態(tài)和高溫的時間相對較短[13]，氮氣氣刀樣品的鋅層晶界明顯比空氣氣刀樣品淺，鋅流紋缺陷表現(xiàn)要比空氣氣刀輕微。 因此確定生產(chǎn)極薄規(guī)格帶鋼時氣刀的噴吹介質(zhì)使用氮氣效果更好。

3.5 極薄規(guī)格帶鋼鋅流紋缺陷控制方案

(1)帶鋼入鍋溫度控制 根據(jù)入鍋溫度和帶鋼規(guī)格的關(guān)系，確定不同規(guī)格帶鋼的入鍋溫度，帶鋼入鍋溫度控制誤差范圍±5 ℃。

(2)鋅鍋工藝控制 執(zhí)行鋁含量控制要求:目標(biāo)0.180%～0.220%，盡可能穩(wěn)定在0.200%。

(3)氣刀工藝控制 氣刀距離控制范圍在工況滿足的情況下，盡量使用小距離；生產(chǎn)0.35 mm 以下帶鋼必須使用氮氣；氣刀壓力控制范圍450×10-3bar 以下，根據(jù)鍍層厚度、產(chǎn)線速度、氣刀距離進(jìn)行調(diào)整；氣刀高度設(shè)定在400 mm；氣刀擋板控制范圍≤4 mm，保證擋板與帶鋼在同一平面，生產(chǎn)前提前檢查擋板是否粘渣，及時清理擋板。

根據(jù)以上措施，極薄規(guī)格(厚度≤0.35 mm)鋅流紋缺陷較之前得到大幅度改善。

4 總 結(jié)

本工作在總結(jié)鋅流紋缺陷一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過理論計算、實驗調(diào)整及設(shè)備改造，優(yōu)化了極薄規(guī)格帶鋼鍍鋅工藝方案，滿足了0.35 mm 以下極薄規(guī)格熱鍍鋅帶鋼的生產(chǎn)要求。 通過計算鋅鍋熱平衡，從理論上計算帶鋼入鍋溫度值，通過實驗測試，給出參考值；通過增加鋁分析儀，保證了鋅液鋁含量的精準(zhǔn)控制；通過氣刀工藝參數(shù)實驗，找到最優(yōu)控制值。

通過以上措施的實施，滿足了產(chǎn)線極薄規(guī)格帶鋼鍍鋅要求，有效控制了鋅流紋缺陷的發(fā)生。