楊宏偉，劉春雨，周 研，池永清

（1.河鋼集團(tuán)唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北唐山 063000；2.河鋼集團(tuán)唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板有限公司，河北唐山 063000）

0 引言

隨著科技水平的進(jìn)步、工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼鐵產(chǎn)業(yè)正在由生產(chǎn)建筑類(lèi)粗鋼向高端精鋼市場(chǎng)轉(zhuǎn)型，熱鍍鋅板就是其中的典型代表。熱鍍鋅板以經(jīng)濟(jì)、耐腐蝕、優(yōu)秀的延展性和平整的表面質(zhì)量而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中的各個(gè)領(lǐng)域，特別是家電和汽車(chē)板等領(lǐng)域[1]。由于熱鍍鋅技術(shù)越來(lái)越完善，客戶(hù)對(duì)熱鍍鋅板質(zhì)量的要求也在日益提高，尤其是對(duì)其表面質(zhì)量要求越來(lái)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(chǎn)企業(yè)的重點(diǎn)研究課題。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，唐鋼熱鍍鋅生產(chǎn)線在生產(chǎn)鍍層厚275g/m2的鍍鋅板時(shí)，每天產(chǎn)生約1.5t鋅渣，生產(chǎn)鍍層厚80g/m2的鍍鋅板時(shí)，每天產(chǎn)生約3t鋅渣，鋅錠利用率低，且表面鋅渣缺陷嚴(yán)重。

鋅渣缺陷是熱鍍鋅板常見(jiàn)缺陷之一，由于鋅渣的產(chǎn)生是不可避免的，故需要從如何控制鋅渣產(chǎn)生量以及如何避免鋅渣黏附在鋼板表面兩個(gè)方向進(jìn)行研究。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)鋅渣產(chǎn)生機(jī)理、種類(lèi)，以及熱鍍鋅板表面鋅渣缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并就如何控制鋅渣產(chǎn)生量、減少熱鍍鋅板鋅渣缺陷提出了相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施。

1 鋅渣的種類(lèi)

將熔融的鋅鍋中的主要物質(zhì)進(jìn)行成分分析，其成分組成及對(duì)應(yīng)密度見(jiàn)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(dòng)方向見(jiàn)圖1。

表1 鋅鍋中的主要物質(zhì)成分組成及對(duì)應(yīng)密度

圖1 鋅渣在鋅鍋中的位置分布及鋅液的流動(dòng)方向

2 鋅渣的產(chǎn)生機(jī)理

2.1 懸浮渣

帶鋼通過(guò)爐箅子進(jìn)入鋅鍋中，由于帶鋼表面會(huì)有殘留的Fe元素，三輥六臂和爐箅子也會(huì)析出Fe離子，造成鋅鍋內(nèi)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?xún)?yōu)先會(huì)在Fe元素濃度高的區(qū)域和溫度低的區(qū)域形成鋅渣質(zhì)點(diǎn)FeZn7。鋅渣質(zhì)點(diǎn)很小且密度與鋅液相近，會(huì)隨著鋅液的流動(dòng)而做布朗運(yùn)動(dòng)，此為懸浮渣。

2.2 底渣

初期形成的鋅渣質(zhì)點(diǎn)FeZn7很不穩(wěn)定，一部分會(huì)隨外部環(huán)境的變化重新分解融入鋅液。另一部分FeZn7會(huì)隨著布朗運(yùn)動(dòng)的碰撞而長(zhǎng)大，當(dāng)體積達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)將不會(huì)再融入鋅液，而是沉入鍋底形成了永久的底渣，此為第一類(lèi)底渣。還有一部分FeZn7會(huì)繼續(xù)進(jìn)行鋅鐵反應(yīng)而使體積長(zhǎng)大至臨界點(diǎn)，形成永久的底渣。通過(guò)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(chǔ)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(jù)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(lèi)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(huì)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(huì)與空氣中的O2接觸，再加上氣刀的吹掃促進(jìn)了鋅液表面的流動(dòng)，更加劇了Zn元素與O2的反應(yīng)，生成ZnO，此為第一類(lèi)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(huì)出現(xiàn)Al元素與O2發(fā)生反應(yīng)，生成Al2O3，此為第二類(lèi)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(xué)性質(zhì)活潑，其與Fe元素的親和力較Zn元素與Fe元素要強(qiáng)，當(dāng)有效Al元素含量達(dá)到0.135%以上時(shí)，鍋底也會(huì)發(fā)生置換反應(yīng)，其化學(xué)方程式如式（1）、（2）所示，新生成的Fe2Al5為浮渣，此為第三類(lèi)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(jù)經(jīng)典熱鍍鋅理論可知，普通熱鍍鋅產(chǎn)品的最佳鍍鋅溫度為455～465℃之間，溫度升高會(huì)加速Fe元素?fù)p失，導(dǎo)致Fe元素濃度升高，加速鐵鋅間合金生成，會(huì)使得底渣增多。由鐵重量損失與鋅液溫度關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）可知[3]，當(dāng)溫度超過(guò)480℃時(shí)，鐵重量損失量呈拋物線式急劇上升，溫度到約500℃時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)底渣單位時(shí)間的產(chǎn)生量也最多。所以要嚴(yán)格控制鋅鍋溫度，盡量不要超過(guò)465℃，一定不要超過(guò)480℃。

圖2 鐵重量損失與鋅液溫度關(guān)系曲線

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)將鋅液溫度控制在460±2℃，這樣從理論上可以保證鋅渣產(chǎn)生量最少。鋅渣產(chǎn)生量減少，黏附在板面的幾率就降低，進(jìn)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(guān)鍵因素。熱鍍鋅原料經(jīng)過(guò)熱軋、酸洗、冷軋后，表面會(huì)殘留大量的鐵粉、軋制油、灰塵等雜質(zhì)，這些都會(huì)對(duì)鋅鍋造成污染，增加鋅渣的產(chǎn)生量，所以要提高熱鍍鋅機(jī)組清洗段對(duì)帶鋼的清洗效果。熱鍍鋅機(jī)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(chǎn)線工藝規(guī)定了清洗段熱水溫度為60～90℃，堿液電導(dǎo)率為35～70ms/cm，確保帶鋼經(jīng)過(guò)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(shí)，可適當(dāng)提高熱水溫度和堿液電導(dǎo)率，但這會(huì)減損設(shè)備壽命和增加生產(chǎn)成本，所以不建議長(zhǎng)時(shí)間超出規(guī)定范圍使用。

清潔的帶鋼表面會(huì)使得鋅層粘附性更佳。應(yīng)盡可能少地將雜質(zhì)帶入鋅鍋，進(jìn)而降低鋅渣的產(chǎn)生量，降低帶鋼表面鋅渣缺陷的幾率。

3.3 化學(xué)成分影響及控制

鋼帶的鋼質(zhì)不同，對(duì)鋅渣的影響也不同。C元素含量較高的鋼會(huì)使得Fe-Zn反應(yīng)劇烈，造成帶鋼的鐵損量增加，產(chǎn)生的鋅渣增多。另外，劇烈的Fe-Zn反應(yīng)必然會(huì)使得鐵鋅合金層增厚，若遇Al元素含量相對(duì)低時(shí)，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(jù)理論指導(dǎo)和實(shí)踐研究，熱鍍鋅原料的化學(xué)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?xún)?nèi)，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(jiàn)，如果化學(xué)成分控制穩(wěn)定，可以從源頭上降低鋅渣的產(chǎn)生量，進(jìn)而降低熱鍍鋅板鋅渣缺陷生產(chǎn)幾率，這對(duì)提升熱鍍鋅板表面質(zhì)量至關(guān)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(duì)鋅渣的產(chǎn)生和生成種類(lèi)有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)[5]，當(dāng)鋅液中的Al元素含量＜0.1%時(shí)，F(xiàn)e-Zn反應(yīng)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(dāng)Al元素含量達(dá)到0.1～0.135%時(shí)，由于Al元素含量提高，相對(duì)Zn元素含量就降低，因帶鋼的運(yùn)動(dòng)不斷有Fe元素析出到鋅鍋中，鋅鍋中Fe元素含量整體上會(huì)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(duì)提高的，根據(jù)Fe-Zn二元合金相圖分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，此時(shí)鋅渣生成相主要是FeZn7。當(dāng)Al元素含量≥0.135%時(shí)，一部分Al元素會(huì)與底渣發(fā)生化學(xué)方程式（1）、（2）的反應(yīng)，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(huì)在鋼的表面與鐵基體直接發(fā)生反應(yīng)，生成Fe2Al5，此相在鋼基與鐵鋅合金之間，稱(chēng)為中間層，又稱(chēng)為抑制層。Fe2Al5層有兩個(gè)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(shí)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

Al元素含量也不是越高越好。研究表明，當(dāng)Al元素含量過(guò)高時(shí)，會(huì)增加Fe元素在鋅液中的溶解度，促進(jìn)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(jiàn)圖3。同時(shí)由于Al元素的密度低、化學(xué)性質(zhì)活潑，極易聚集于鋅液表面與O2發(fā)生反應(yīng)，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(yán)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(shí)際生產(chǎn)中，由于鋅錠添加位置固定，不能保證Al元素及時(shí)有效地?cái)U(kuò)散到整個(gè)鋅鍋中，致使帶鋼周?chē)腁l元素不能及時(shí)得到補(bǔ)充，所以需添加Al元素含量略高于0.2%的鋅錠來(lái)保證鋅液中的有效Al元素含量。同時(shí)要盡量避免添加高鋁或純鋅鋅錠，這些只作為調(diào)整錠來(lái)使用，這就要求在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)關(guān)注鋅液中Al元素含量的變化，及時(shí)做出調(diào)整，降低鋅液中Al元素含量的波動(dòng)，減少鋅渣的產(chǎn)生量。目前唐鋼熱鍍鋅生產(chǎn)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(cè)裝置，且每4h取兩塊鋅錠送化驗(yàn)室檢測(cè)，如果化驗(yàn)結(jié)果差距較大，需要重新取樣檢測(cè)。針對(duì)檢測(cè)結(jié)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(jìn)而保證鋅渣理論上產(chǎn)生量最少，降低板面鋅渣缺陷產(chǎn)生幾率。

3.5 爐內(nèi)氣氛影響及控制

熱鍍鋅生產(chǎn)線退火爐采用輻射管加熱鋼帶，應(yīng)對(duì)無(wú)氧化段的爐內(nèi)氣氛進(jìn)行合理控制，調(diào)整好爐內(nèi)N2、H保護(hù)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(yīng)生成鋅渣，增加鋅渣量[7]?？傊?，爐內(nèi)氣氛控制得當(dāng)，會(huì)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(chǎn)過(guò)程中，由于鋅液的消耗，需要加錠補(bǔ)充。加錠速度過(guò)快、頻率過(guò)高都會(huì)引起鋅渣增多。主要是因?yàn)榧渝V速度快必然導(dǎo)致液位波動(dòng)劇烈，這會(huì)增加鋅液與空氣的接觸，使得鋅液中氧化物升高；還會(huì)使鋅液局部溫度驟降，導(dǎo)致反應(yīng)劇烈、鋅渣析出增多；另外還會(huì)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(jìn)行；另外加錠前鋅錠要在液面上方烤10min，充分預(yù)熱鋅錠；應(yīng)采用鋅錠自動(dòng)添加裝置，減少液位波動(dòng)，盡可能減少鋅渣產(chǎn)生。

在保證熱鍍鋅質(zhì)量的前提下，撈渣頻率盡量低，撈渣量盡量少，因?yàn)閾圃鼤?huì)引起液面波動(dòng)，造成鋅渣增多。另外撈渣時(shí)要控液15s，減少鋅液浪費(fèi)。

熱鍍鋅生產(chǎn)線生產(chǎn)中規(guī)定每隔1.5h拔渣一次。要求拔渣動(dòng)作要輕、緩、揉，液面波動(dòng)劇烈會(huì)使得板面出現(xiàn)鋅花紋，也就是不均勻的鍍層，歸類(lèi)為鋅渣缺陷。如果拔渣太快、太猛，會(huì)直接造成板面粘渣，進(jìn)而鋅渣會(huì)黏附于氣刀刀唇，造成大塊板面的鋅渣缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷帶、停產(chǎn)等嚴(yán)重后果。

3.7 氣刀影響及控制

唐鋼熱鍍鋅生產(chǎn)線采用方登氣刀，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，控制精確，適用范圍廣。生產(chǎn)中，氣刀高度、風(fēng)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(yīng)根據(jù)帶鋼厚度、鍍層厚度和生產(chǎn)線速度隨時(shí)調(diào)整，因?yàn)樘嵘龤獾陡叨葧?huì)在一定程度上減少液面吹拂，減少鋅渣的產(chǎn)生。但氣刀過(guò)高會(huì)使板面邊部結(jié)渣，過(guò)低又會(huì)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(chǎn)生量減少，進(jìn)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(jù)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(jù)

實(shí)際生產(chǎn)中，還應(yīng)注意氣刀角度的調(diào)整，避免由于兩片氣刀角度不對(duì)造成板面邊部結(jié)渣。氣刀角度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際做出調(diào)整，唐鋼熱鍍鋅生產(chǎn)線氣刀采用負(fù)角度錯(cuò)開(kāi)使用，可以適用大部分規(guī)格板面。

通過(guò)上述控制措施的實(shí)施：唐鋼熱鍍鋅生產(chǎn)線在生產(chǎn)鍍層厚275g/m2的熱鍍鋅板時(shí)，每天鋅渣產(chǎn)生量由約1.5t降到約1t，減少約30%；生產(chǎn)鍍層厚80g/m2的熱鍍鋅板時(shí)，每天鋅渣產(chǎn)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?jiàn)，通過(guò)控制鋅渣在鋅鍋里的產(chǎn)生量及存留量，不但可以減少熱鍍鋅板鋅渣缺陷、提升產(chǎn)品合格率，還可有效降低生產(chǎn)成本、提高鋅錠利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

鋅渣的產(chǎn)生是鍍鋅生產(chǎn)時(shí)不可避免的，但熱鍍鋅板鋅渣缺陷是可以通過(guò)調(diào)整、控制來(lái)消除的。實(shí)踐表明，通過(guò)一系列控制措施的實(shí)施，可以減輕和抑制鋅渣的產(chǎn)生量，進(jìn)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(nèi)；嚴(yán)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(duì)來(lái)料成分進(jìn)行控制，保證鋼成分的純凈；提高熱鍍鋅生產(chǎn)線清洗段清洗效果，保證進(jìn)入退火爐前殘留物合格；控制好退火爐內(nèi)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(dòng)；合理控制氣刀高度，減少液面吹拂。