钢板热镀锌生产中镀液表面浮渣分析

李碧琳+金东升

摘 要：通过化学成分分析、电解处理等實验方法及对工况下浮渣的形貌、能谱和XRD分析，确定浮渣主要形貌为条絮状，主要物质是Zn单质，含有少量Fe-Al化合物和微量氧化物。镀液浮渣主要是由于热浸镀工艺中气体抹拭造成的。气刀处冷速过快一方面导致镀液表面形成的ZnO迅速冷却，形成氧化物薄膜包裹Zn渣上浮，一方面使分布在条絮状浮渣上的氧化物晶粒度变小、接触面积变大，带动Zn渣上浮。

关键词：热镀锌；锌渣；氧化锌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.003

钢板热镀锌过程中，锌锅表面产生大量浮渣。造成合金浪费，成本增加，影响热浸镀层表面质量。浮渣在钢带穿过锌液时直接粘附于钢带表面，形成锌渣缺陷[1]，在热镀锌液由GA向GI的转换过程中由于底渣不断转变为浮渣而加剧，导致在转换期间无法生产高质量的热镀锌产品[2]。锌液中的锌渣在沉没辊和稳定辊上累积，当钢带通过辊子时被压到带钢表面，形成点状压痕。

1 锌渣的形成原因

锌渣在锌液中的状态有三种：底渣、自由渣、浮渣[3]。带钢表面残留一定的铁粉粒子被带入锌液中，铁原子与锌液中的锌铝合金发生2FeZn7+5Al→Fe2Al5+14Zn（上浮）、Fe+7Zn→FeZn7（下沉）、2Zn+O2→2ZnO（气刀处）等一系列的化学反应，形成锌渣[4]。锌液中的有效铝含量在0.135%以上，锌渣质点在发生布朗运动的同时也会与铝发生碰撞反应，铝会置换锌渣中的部分锌，形成铁铝的化合物与锌混合形成浮渣[5]。所以理论浮渣应该是密度较小的锌铁铝合金。但实际存在大量本不该上浮的Zn渣。

2 试验方法及步骤

2.1 试验条件

试样采用在生产中形成的浮渣原渣。电离实验时用到浓硫酸、Zncl2、Nacl和H2O配制成电离液，用薄铝片做阴极，钢条做阳极。碘乙醇法中用到结晶碘、无水乙醇。

主要设备包括SG：2-6-10外热管式井式烧结炉、抛光机、SR-SB型电离机、Philips X-RC型X射线衍射仪（XRD）、Philips XL30扫描电子显微镜（SEM）。

2.2 试验方法

（1）浮渣及镀液化学成分分析。

（2）浮渣差热分析。

（3）电解实验：作为电解实验的预处理实验，先对浮渣原渣进行提Zn烧结。利用井式烧结炉对浮渣原渣进行烧结，将温度分别调至420℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃进行烧结，倒出的合金锭进行电解实验。用铝箔做阴极，Nacl：25g、Zncl：4g、H2SO4：4g、水溶液：250ml配成溶液作为电解质，电解提Zn烧结剩余的浮渣。电解后过滤溶液中的滤渣及阴极产物，利用X射线衍射仪分析试样中的物相。

（4）碘乙醇法检测：利用Zn在配置的碘乙醇溶液中溶解而ZnO不被溶解的原理。将结晶碘和无水乙醇按一定比例配置成溶液在恒温水浴加热一段时间后，向其中加入浮渣，看其是否被溶解，用来测定浮渣中是否存在少量ZnO[6]。

（5）性能检测：利用X射线衍射仪分析试样中的物相，利用扫描电子显微镜观察样品的表面形貌与成分分布。

3 试验结果与分析

3.1 化学成分分析

如表1及表2所示，浮渣的主要物质是Zn，与镀液的化学成分及所占比重基本相似。

3.2 浮渣组织形貌观察

如图1所示，浮渣形貌都以条絮状为主，局部呈颗粒状。条絮状浮渣形貌是由于气刀离镀液较远，气流缓慢形成的，而颗粒状突起的浮渣形貌是由于气刀离镀液较近，冷速过快形成的。在钢板镀锌的工艺流程中，气刀处的冷速过快一方面导致钢板热镀锌过程中的液面产生气流，气流将距离气刀远的锌液中Zn被氧化后迅速冷却凝固。由于气刀气流推力作用，将浮渣推向左右两边并产生新的浮渣。这样周而复始就在Zn渣表面形成一层薄薄的氧化膜，形成条絮状浮渣，而Zn渣就是由氧化膜包裹带动上浮。气刀处的冷速过快在另一方面使浮渣上的氧化物晶粒度变小、接触面积变大，带动Zn渣上浮。因为只是在Zn渣表面形成的氧化薄膜，所以在在浮渣的SEM及XRD的性能检测中反应的ZnO的含量很少。

为了测定不同形貌下的组织成分，对工况下的浮渣进行能谱实验分析。

图2是对应的能谱图，表3是该个图的化学成分表。由此2图可以看出虽然不同位置的浮渣的形貌存在差异，但是主要成分还都是Zn。O所占比重比除Zn外的其他金属所占比重多或者相等。取浮渣不同位置处不同形貌的能谱观察，存在微量Fe、Al等金属元素。

为进一步确定浮渣的成分对浮渣进行XRD检测，检测结果如图3所示，说明浮渣的主要成分为Zn单质。

3.3 差热分析

如图4所示，在420℃时浮渣熔化，在760℃时是浮渣分解或者浮渣中其他物质的熔点，对浮渣XRD检测得知浮渣中其他化合物是极其微量的，因此推测760℃为浮渣的分解温度。由DTA曲线可以得知浮渣的熔点为420℃，略高于Zn单质（419℃），说明浮渣的主要成分为Zn单质，还存在熔点要高于Zn单质的少量化合物或合金，可能就是造成Zn渣上浮的ZnO或Fe-Al合金。

3.4 电解处理

浮渣中存在大量的Zn单质，提Zn烧结的提Zn率也不高。为了更好的观察浮渣中除Zn以外的元素组成，所以要对提Zn烧结后的浮渣进行电解处理，通过过滤、脱水等手段除掉一些单质元素后对剩余物进一步XRD检测分析。

检测结果如图5所示，电解产物主要为PbSO4，其中的SO42-离子可能是由电解液带入产生，在浮渣中Pb的含量很高，但Pb的密度比镀液密度大，它并不能造成浮渣大量上浮。另外由图5所示，浮渣中存在一定量的Al2O3，这些氧化物有可能是造成浮渣上浮的原因，但总体来说，在浮渣中Al和Fe所占的比重极其微小，不能带动大量Zn渣上浮。endprint

3.5 碘乙醇法检测

为了确定浮渣中是否存在少量ZnO，选取碘乙醇法检测[6]。将浮渣、结晶碘和无水乙醇按一定比例配置成溶液在恒温水浴加热一段时间后，发现大部分浮渣溶解，证明浮渣的组织成分大部分为Zn，但仍然存在少量黑色粉末状不溶物。为确定黑色不溶物得化学成分，取黑色粉末进行XRD检测分析。结果如图6所示，证明黑色不溶物为Fe-Al化合物和ZnO，它们都可以造成Zn渣上浮。

4 结论

对工矿下浮渣产物进行化学成分分析确定其成分，观察浮渣微观形貌、分析其元素分布及相组成，探讨其形成原因，得出如下结论：

（1）浮渣的化学成分与镀液相似，其熔点与Zn相似。

（2）浮渣形貌各异。浮渣概貌为条絮状，在更高倍数下观察的条絮状的浮渣表面有的较为光滑，有的条絮状浮渣上却存在颗粒状的突起，还有硬币状组织存在。但组织成分还是以Zn单质为主，也含有少量O。

（3）钢板热镀锌工艺流程中气刀处的冷速过快，易于形成氧化膜或造成氧化物晶粒度变小带动Zn渣上浮。

参考文献：

[1]N.BandyopadhyayT，G Jha，A.K.Singly et al.，Corrosion behaviour of galvannealed steel sheet[J].Surface&Coatings Technology，2006（200）：4312-4319.

[2]D.Santos，H.Raminhos，M.R.Costa，et al.，Performance of finish coated galvanized steel sheets for automotive bodies[J]. Progress in Organic Coatings，2008（62）：265-273.

[3]李林，高毅.鍍锌板表面锌渣缺陷的控制[J].上海金属，2007，29（05）：87-90.

[4]George Vourlias， Nikolaos Pistofids，George Stergioudis ，et al.A negative effect of the insoluble particles of dross on the quality of the galvanized coatings[J].Solid State Sciences，2005，7（04）：465-474.

[5]许秀飞.钢带热镀锌技术问答[M].北京：化学工业出版社，2007：8-20.

[6]孙鸿.氧化锌主含量测定方法的改进[J].化学工业与工程技术，2005，26（01）：54-55.State Sciences，2005，7（04）：465-474.

作者简介：李碧琳（1988-），女，蒙古族，专业课教师。endprint