楊柏松，謝揚勛，丁 洋

（重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術有限公司，重慶 渝北 401122）

鍍鋅機組經過近200年的發(fā)展，設計已經非常成熟，針對鍍鋅的各種缺陷的產生和應對之策也相對完善，但鋅鋁鎂鋼板作為當前最新一代鋅基鍍層產品， 其出色的斷口保護功能是鍍鋅產品不具有的，鋁鎂鋼板的合金鍍層是由鋅（Zn）、鋁（Al）、鎂（Mg）高溫固化形成，其顯微結構由Zn、Al和Zn2Mg的致密三元共晶組織構成，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、開關柜、電氣柜、電纜橋架、蒸發(fā)式冷凝器（塔）、中央空調通風管道及建筑領域等。

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

根據表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，結合出色的斷口保護功能，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，同時板面較之鍍鋅相比，板面黑化、黑點、厚鍍層鋅流紋、光整缺陷及邊部脫鋅等現象發(fā)生的幾率都有所增大，成為限制鋅鋁鎂機組發(fā)展的難點，因此有必要從產生缺陷的原因入手，來分析優(yōu)化鋅鋁鎂生產機組的設計，并對現有鍍鋅機組改造為鋅鋁鎂機組提供可行方案。

表1 各種金屬鍍層的表面硬度

1 對比傳統(tǒng)鍍鋅機組的缺陷優(yōu)化鋅鋁鎂機組的設計

圖1為傳統(tǒng)鍍鋅機組的功能和設備布置圖，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、焊機、活套、清洗段和退火爐，其核心設備為焊機、清洗段及退火爐，其作用是使帶鋼具有連續(xù)生產、 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、鋅鍋及冷卻塔設備，使得帶鋼獲得表面質量優(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備， 根據需要改善板形并獲得一定的表面粗糙度，根據特殊需要增加鍍層等功能。因此根據產線的設備和原材料的特點分析產生缺陷的原因并針對鋅鋁鎂機組的特點進行優(yōu)化設計。

圖1 傳統(tǒng)鍍鋅機組的功能與設備布置圖

2 針對前處理單元的帶鋼缺陷及優(yōu)化設計

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。 漏鍍的表現形式往往與形成漏鍍的原因有一定聯系，包括側緣漏鍍、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）側緣漏鍍

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

造成原因：鋼卷放置時間長，側緣被氧化生銹，在退火爐內還原不好導致鍍不上鍍液， 也和鍍液的浸潤性惡化有關系， 一般用打磨機打磨原料側緣可減少或消除，問題是不知道什么時間發(fā)生，與原材料的原始狀態(tài)有關系， 目前在無法判定來料清潔度的前提下，鋅鋁鎂機組增加均衡段，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，包括爐內熱張緊輥和鋅鍋沉沒輥的結渣都會造成影響，因此提高帶鋼清潔度是十分必要的， 同時減少熱張緊輥和沉沒輥的表面結渣，穩(wěn)定輥子表面的粗糙度，減少打滑現象的產生。

（3）針孔狀漏鍍

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

造成原因：爐內整體氣氛不合要求，氧含量或露點偏高、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，因此針對鋅鋁鎂機組冷卻段的設計尤為重要， 同時爐區(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：爐內局部氣氛不合要求：爐區(qū)漏氣、漏水或開機前吹掃不干凈； 爐區(qū)NOF段造成板面氧化；進爐前的板存在銹蝕或是板面有水、油等其它污染物；若冷卻段快冷風機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，滲水嚴重時造成塊狀漏鍍； 同時快冷風機在啟動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， 在進行機械咬合或球沖試驗時， 帶鋼表面出現的鋅層與鋼基分離的現象稱鋅層脫落。 在生產線上也可以直接看到鋅層局部呈塊狀與鋼基分離、鋅層掉落的現象，尤其是邊部脫鋅在高鋁鋅鋁鎂的產品發(fā)生的幾率較大。

產生原因：軋機乳化液太臟，帶鋼表面殘留物偏高、鋼卷保存時間過長，邊部氧化較重、退火爐爐氣氛呈現氧化氣氛、 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組，因此有必要對爐子的密封性進行不間斷檢測，但傳統(tǒng)的打壓試驗不足以發(fā)現輕微漏點，而采用氨氣結合硫磺棒的方法又存在相當高的危險性， 因此推薦采用氦氣打壓結合氦檢儀（如圖2所示）的方法，是方便快捷的解決之道。

圖2 氦檢儀實物圖

2.3 前處理單元的優(yōu)化設計

（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）的設計前提下，是可以不考慮電解清洗段的，但針對鋅鋁鎂機組則是必不可少的，因為鎂鋁元素的加入導致鍍液流動性和浸潤性變差，需要更清潔的表面，同時還需要減少鐵離子對鋅鍋的污染，也就是說鋅鋁鎂機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。但對于已經存在的鍍鋅機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難題，本設計是通過優(yōu)化現有設計實現該功能的。

（2）提高退火爐的密封性能解決爐區(qū)漏氣隱患，受鍍液流動性和浸潤性的影響， 鋅鋁鎂涂鍍機組肯定需要更清潔的表面進入鋅鍋， 需要基本消除爐內氣氛不合要求的現象， 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)冷卻段的風機和換熱器， 因此考慮到鋅鋁鎂機組氫氣含量相對較高的特點在冷卻段針對性地采用Plug-in的風機和噴管設計。

根據圖3所示循環(huán)風機采用Plug-in循環(huán)風機甚至罩式爐風機可以徹底解決風機漏氣的問題；同時采用抽屜式換熱器，滿足換熱器內部管材沒有焊點的要求。在解決換熱器內部無焊點和循環(huán)風機漏氣的問題后，冷卻段的缺陷和隱患基本得到消除。

圖3 Plug-in循環(huán)風機和噴管冷卻器結構示意圖

（3）消除鋅灰對冷卻段的影響，同傳統(tǒng)鍍鋅機組相比，鋅灰、鐵銹還原的銹粉對循環(huán)風機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 鋅鋁鎂機組保護氣體配置示意圖

3 針對涂鍍工藝段的帶鋼缺陷分析及優(yōu)化設計

研究表明，當鎂含量超過0.5%時，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上新增的缺陷包括時效黑點、板面黑斑等，因厚鍍層產生的缺陷包括不均勻、流紋、裂紋等。

3.1 傳統(tǒng)鍍鋅機組鋅鍋區(qū)產生鋅渣的特點

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)鍍鋅鋅鍋內容重為6 900 kg/m3。 有必要回顧鋅渣產生的幾個步驟：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，初期反應生成的是FeZn7，有相當一部分初期形成的顆粒較小的鋅渣質點通過在鋅液之中發(fā)生布朗運動時的相互碰撞，或通過后續(xù)的鐵鋅反應，體積迅速長大，當其直徑超過一定的臨界尺寸時，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， 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，形成鋅鐵金屬化合物，其反應式為：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到0.135%以上， 鋅渣質點在發(fā)生布朗運動時也會與鋁原子發(fā)生碰撞而產生反應，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， 反應式為：2FeZn7+5Al→Fe2Al5+14Zn，Fe2Al5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)鍍鋅機組， 鋅渣在鋅液浮力和自重的作用下有三種運動趨勢：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)進行著化學反應。

鋅渣顆粒質點的尺寸與鋅渣上浮或下沉的速度關系很大，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一步碰撞長大的機會。據測量，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、提高鍍鋅板表面質量。

3.2 鋅鋁鎂機組鋅鍋區(qū)和傳統(tǒng)鍍鋅產生鋅渣的對比

鋅鋁鎂鋅鍋內容重為3 600～6 500 kg/m3（配方不同容重不同）。因此不同于鍍鋅，高鋁鋅鋁鎂產生的渣比重大于鍍液容重，產生底渣較多；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，粘結在表面，形成缺陷。

同時鎂元素分布不均， 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內在潮濕環(huán)境形成氧化點的二次發(fā)育， 也就是在涂鍍過程中沒有發(fā)現但隨著時間推移而成長的表面黑點。

這一缺陷是鍍鋅機組所沒有的，需要結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生。

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

3.3 鋅鋁鎂機組鋅鍋區(qū)的優(yōu)化設計

（1）鋅鍋深度加深、由無芯鋅鍋取代有芯鋅鍋、增加預熔鍋、增加溜槽加熱系統(tǒng)等；鋅鍋死角采用氮氣通入加強攪拌。

（2）針對鋅鋁鎂鋅鍋內部的成分控制尤其是鎂成分的分布是需要進行實時監(jiān)控的。

（3）針對環(huán)境鋅鋁鎂更需要做ZAM275-370的厚板厚鍍層產品，不同于鍍鋅機組，更希望在厚板、高強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，只能通過提高風量、通過起到內部均壓網的設計來達到優(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 鋅鋁鎂機組鋅鍍后上行冷卻器的優(yōu)化設計

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已經完成了凝固， 鋅鋁鎂機組鍍后冷卻器仍有需要解決的問題， 包括防止極少黑點缺陷、 防止和減少斑塊缺陷、不能產生冷卻紋路、不能產生彎折裂紋及不能造成冷卻不均勻而造成色差等。 鋅鋁鎂冷卻器設計不當將會造成如表2所列的各種缺陷。

表2 鋅鋁鎂冷卻器設計不當造成的缺陷

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控制的， 并且根據板厚和氣刀位置進行上下調節(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最低溫度要求的過程。 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、控制鋅鋁鎂鍍層厚度的作用；同時結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)定帶鋼運行及精確控制帶鋼溫度的作用。

3.5 鋅鋁鎂機組涂鍍工藝段的優(yōu)化要點

針對鋅鋁鎂機組， 在該工藝段需要消除的新增缺陷包括時效黑點、板面黑斑、因厚鍍層產生的不均勻、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、 采用無芯感應鋅鍋+預熔鍋、氣刀增加均壓網、 采用多段式升降冷卻器是減少鋅鋁鎂涂鍍缺陷的最有效手段。

4 針對后處理單元的帶鋼缺陷分析及優(yōu)化設計

同鍍鋅相比， 鋅鋁鎂機組的表面硬度提高了3倍，達到165 HV，同時針對SD450D的高強鋼基材也對光整機提出了較高的要求， 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品更加突出，因此光整機工作輥輥徑的設計更加重要。

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合氟碳涂層初步形成以基材保護涂層的產品， 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，強調表面質量，對低鋁鋅鋁鎂的鍍層厚度要求為275 g/m2（雙面）。

5 結論

（1）鋅鋁鎂機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行泄漏檢測是一種安全有效的手段。

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

（5）鋅鍋加深、采用無芯感應鋅鍋、采用預熔鍋、氣刀增加均壓網、 采用多段式升降冷卻器是減少鋅鋁鎂涂鍍缺陷的最有效手段。

（6）增大光整機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。