分享：熱鍍鋅帶鋼鋅渣缺陷產生機理及控制措施
隨著鋼鐵行業的快速發展和日趨激烈的市場環境，汽車、家電企業對鍍鋅板表面質量的要求越來越高[1]。在鍍鋅板生產過程中，鋅渣缺陷的產生是不可避免的，如何有效地控制鋅渣缺陷，成為國內外學者廣泛研究的課題。
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 °C且帶鋼入鍋溫度479 °C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化學成分，在采用高鋁控制工藝、設備優化和調節露點控制等方法后，熱鍍鋅板的表面質量得到明顯提高。王艷強等[4]通過對排渣爐鼻子結構及加鋅控制系統的研究，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生機理，列出了相應的影響因素，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行了介紹。希望對鍍鋅板鋅渣缺陷控制相關的生產質量管理工作有一定的借鑒意義。
1. 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、鍋輥轉動、感應加熱、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]。鋼帶運動帶動后側遠離鋼帶的流體向鋼帶運動（線），后側區域鋼帶附近的流體隨著鋼帶向前側區域運動（線），前側區域鋼帶附近流體沿著鋼帶上升（線）。前側區域遠離鋼帶的一部分流體向下運動至鋅鍋底部（線），再從前側區域運動至后側區域（線），后側區域鋅鍋底部流體向上運動（線）；前側區域遠離鋼帶的另一部分流體向鋅鍋側壁運動（線、），再通過側壁運動由前側區域運動至后側區域（線、），最后后側區域側壁流體向鋼帶運動（線、）。前側區域沿鋼帶運動的流體運動至前穩定輥與鋼帶結合處時，一部分流體上升并向前運動（線），另一部分向下運動（線）或斜向下運動（線、）沖擊底渣。此外，中間區域的流體流向鋼帶兩側（線、），再向后側區域流動（線、），最后在后側區域向鋼帶運動（線、）。鋼帶不包圍部分的沉沒輥轉動形成的沖擊流、以及前穩定輥與鋼帶結合處形成的向下沖擊流，，
沖擊底渣形成5個深坑。
在帶鋼表面的鋅渣經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。
2. 鋅渣形成的影響因素
2.1 清洗段的清洗效果
熱鍍鋅原料采用經酸洗、冷軋后的帶鋼，帶鋼表明有殘留的油脂和微小的鐵粉顆粒。帶鋼經清洗段堿液預清洗、電解清洗、熱水漂洗、烘干后進入爐區退火，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，會導致鐵粉顆粒有殘留，進入爐區后在爐輥表面形成鐵粉結瘤，如圖3所示，逐漸累積隨著帶鋼進入鋅鍋形成鋅渣缺陷。
純鋅的熔點是419.5 °C，由于鋅液的黏度較高，必須適當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，又會導致帶鋼表面鐵鋅反應激烈，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，指鋼材的質量損失，圖4為鋅液溫度與鐵損量的關系[10]。當鋅液溫度超過470 °C時，鐵損量會急劇增加。
為了減小鋅液溫度波動，需要對鋅鍋內的熱平衡進行控制[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：感應加熱器的熱量和帶鋼帶入鋅鍋的熱量。
Al比Fe活潑，鋼帶進入鋅液后Al首先與Fe反應形成一層致密的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，Fe2Al5中間層可以使鋼基與鍍層緊密結合在一起。
Al在渣相反應中可以使初步形成的底渣轉化為浮渣浮到鋅鍋的表面，以利去除，反應方程式如下[12]：2FeZn7+5Al=Fe2Al5+14Zn；但是當鋁含量過高時，又會影響鍍鋅的涂裝性和焊接性。如圖5[13]所示，鋅液中Al質量分數在0.2%以下時，Fe的溶解度隨Al含量的增高而降低，當Al質量分數超過0.2%時，Fe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，鋅渣的數量也會增多。
嚴格加強原料的質量檢查，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。
嚴格控制清洗后帶鋼表面質量，保證帶鋼進入爐區前表面無臟污和油脂等雜質，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，清洗質量良好；15%~30%為二級，清洗質量合格；35%~50%為三級，清洗質量欠佳，需檢查調整；≥50%為四級，清洗質量嚴重不合格，需檢查調整并通知班長及工程師。
停機檢修期間，鋅鍋鋅液內添加高鋁成分（Al質量分數0.8%）鋅錠提升鋅鍋鋅液內Al質量分數到0.3%。向鋅鍋內注入N2，對鋅液進行機械攪拌，促進Al與Fe的置換反應，將底渣和自由渣轉化為浮渣撈出。
保證鋅鍋鋅液的熱平衡：嚴格控制帶鋼入鍋溫度、鋅鍋溫度，保證鋅鍋感應器在一定范圍內波動（100~150 kW）。根據不同的產品規格（寬度、厚度）調整帶鋼入鍋溫度，使鋅液溫度在455±3 °C范圍內。
爐鼻子內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。爐鼻子排渣系統包括：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]。爐鼻子內的鋅渣先通過溢流方式收集在溢流槽內，再通過鋅灰泵排入鋅鍋，鋅鍋內的鋅渣被人工或者撈渣機器人定期撈走。
合理設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熱到400 °C以上，可以防止鍋輥進入鋅鍋時導致的鋅液溫度下降。
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，在實際生產過程中，從以下幾點進行改進：
（1）嚴格控制原料表面質量和清洗后帶鋼表面質量，確保帶鋼退火前的表面清潔度。
（2）根據不同的產品規格（寬度、厚度）調整帶鋼入鍋溫度，使鋅液溫度在455±3 °C范圍內。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，鍋輥預熱等。
參考文獻
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[14]齊春雨,馮超凡,李振. 一種新型排渣爐鼻子技術. 金屬世界,2020(3):77doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2020.03.020
文章來源——金屬世界
2.2 鋅鍋鋅液溫度
2.3 鋅液中Al含量
3. 鋅渣的控制措施
3.1 清洗段清洗質量嚴格把關
3.2 檢修期間鋅鍋造渣撈渣
3.3 工藝參數控制——保證熱平衡
3.4 爐鼻子改造——增加排渣系統
3.5 鍋輥輥系管理
4. 結束語
浙公網安備 33042402000106號
