热镀锌带钢表面锌渣缺陷形成分析及改进措施

2019-04-04王保勇鲍成人宁媛媛鲁洋泽

冶金与材料 2019年1期

王保勇，鲍成人，宁媛媛，鲁洋泽

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063000）

热镀锌生产过程中，带钢经过清洗后，在退火炉内完成退火后以一定的温度经过炉鼻子进入锌锅，经过沉没辊、纠正辊、稳定辊后出锌锅，在气刀处达到合适的锌层重量，后经冷却工序完成镀锌过程。在镀锌过程时，由于铁不断熔入锌液、锌锅成份和温度的不均热以及气刀喷吹造成的氧化，锌渣的产生是不可避免的。热镀锌带钢表面的锌渣缺陷成为热镀锌产品的主要质量缺陷之一，它严重地影响了热镀锌产品的外观质量。为了解决这一问题，文章研究了锌渣的产生机理、影响因素和运动形式，并提出了控制带钢表面锌渣缺陷的相应措施。

1 锌渣的形成及分类

锌渣是镀锌生产过程中熔入锌液内的铁与锌、铝等元素发生二元或三元反应生成的金属化合物或氧化物，这些金属化合物或氧化物分为两大类：①氧化锌-氧化铝型，②锌-铁及铁-铝化合物型。其中氧化物型锌渣主要为暴露在空气中的锌液面与空气中的氧发生氧化反应生成，金属化合物型锌渣为锌液中的铁、铝、锌反应生成。

氧化物型锌渣主要位于锌液表面，生成后能够阻止锌液与空气的进一步接触而减少锌液的氧化，除炉鼻子内外，氧化型锌渣可通过定时的捞扒渣操作进行清理，对带钢表面质量影响相对较小；金属化合物型锌渣产生于锌液中，分为铁铝化合物型和铁锌化合物型2种，其中铁铝化合物型主要悬浮在锌液中，生产过程中会随锌液流动或辊子转动粘附到带钢表面，形成锌渣缺陷，该类锌渣对镀锌产品表面质量影响较大。铁锌化合物型主要位于锌锅底部，在GI锌锅中的生成量很少，对带钢表面质量的影响不大。氧化型锌渣的生成主要受锌液面气体流动的影响，形成过程相对简单。金属化合物型锌渣的形成过程则相对复杂，具体产生过程如下：①带钢进入锌锅后其表面铁原子熔入锌液之中；②由于加锌锭等因素影响，锌液中的温度和铝含量都是不均匀的，存在一定的起伏。锌渣便会在铁的浓度较高处，锌液温度较低处首先形成；③初期形成的锌渣质点很小，也很不稳定，可能随锌液温度的升高或铁浓度的下降而重新熔入锌液中；④有相当一部分初期形成的颗粒较小的锌渣质点通过在锌液之中发生布朗运动是的相互碰撞，或通过后续的铁锌反应，体积迅速长大，当其直径超过一定的临界尺寸时，便成为永久的固体颗粒，不再熔入锌液之中，形成锌液中的锌渣。

2 锌渣生成的影响因素分析

2.1 化合物型锌渣影响因素分析

化合物型锌渣主要为Fe2Al5和 FeZn7，因此锌液中的铁含量是生成这两种锌渣的关键因素。此外，任何造成锌液中铁含量超过其在相应温度下熔解度的因素，都会导致此类锌渣的生成。

（1）铁元素的来源

锌锅中的铁元素主要有三种来源：带钢表面残铁，带钢表面铁的熔解，锌锭中的杂质铁。

在现代化生产中，酸轧和镀锌清洗段流程日趋完善，带钢表面的残铁很少，残留铁粉量约5mg/m2，这部分几乎全部熔入锌液中。如果轧硬卷在空气中放置时间过长，导致带钢局部氧化铁皮较厚，或者上道工序带有氧化铁皮、翘皮或夹杂等缺陷，经过清洗后残留量将大大增加。

正常工艺控制下，带钢在退火炉内发生还原反应。如果带钢运行速度快，退火温度低或保护气体中氢含量低都可能使反应进行不完全，保护气体的露点太高（即水分太多）时，甚至会促使反应逆向进行，带钢反而会被氧化，也会导致多余的铁被带入锌锅。

带钢表面铁的熔解是锌锅中铁元素的主要来源，该熔解过程受锌液温度、带钢入锌锅温度，单位时间内过钢面积，带钢表面状态的影响。铁在锌锅中的熔解主要发生在带钢刚入锌锅时，过高的带钢温度会使锌液温度升高造成铁损量增大，使锌渣量增加。带钢表面粗糙度越大，相对表面积越大，Fe-Zn反应越剧烈，铁损越多。

（2）锌液温度的影响

热镀锌生产过程中，锌液实际上是一个锌-铝-铁组成的三元体系，该体系中铁、铝元素熔解于锌液中，锌液温度波动，铁的溶解度就发生变化，铁在不同温度下的熔解曲线如图1所示。

图1 铁在锌液中溶解度随锌液温度的变化

图1可见，铁在锌液中的熔解度随温度的升高而升高。因此，任何造成锌液温度发生变化的因素，都会导致锌渣的产生，如带钢入锅温度、锌锭熔化等。

（3）铝含量的影响

锌液中铝含量在0.2%以下时，铁的溶解量随铝含量的增高而降低，当铝含量超过0.2%时，铁的溶解量随铝含量的增加而迅速上升，锌渣颗粒的数量和尺寸会提高。

带钢不断将锌液带走形成镀层，在这个过程中镀层中的铝含量要远远高于锌液中的铝含量，也就是说镀层会超比例的从锌液中获取铝。带钢锌层越厚，带走的铝含量比例越少，消耗的有效铝就越少。因此，最好是锌锭加入铝的速率=锌液中铝消耗的速率。

2.2 氧化物型锌渣影响因素分析

氧化物型锌渣主要为氧化锌和氧化铝，锌锅表面锌液的氧化是关键原因，任何造成锌液氧化的因素，都会导致此类锌渣的生成。

氧化物型锌渣的生成主要受锌液面气体流动的影响，该气体流动主要受气刀压力的影响，统计表面，气刀压力越大，锌锅表面锌渣量越大。

对于生产过程中氧化物型锌渣的生成量，还有一个非常重要的因素是生产过程中气刀喷吹介质，研究表明，气刀使用氮气时，能够明显减少锌液表面氧化物型锌渣的生成。

3 热镀锌带钢表面锌渣缺陷的形成过程

热镀锌生产过程中，带钢表面锌渣缺陷的来源主要有两种，一是直接来自于基板自身，二是来自于锌锅中的锌渣。

基板自身导致的锌渣主要是由于基本本身带有夹杂、氧化铁皮、翘皮、杂物、划痕或炉区氧化点等，如图2所示，带钢进入锌锅后与铝发生反应，最终形成锌渣缺陷。

图2 基板缺陷和典型锌渣缺陷

锌锅中的锌渣粘附到带钢表面主要通过三种途径：一是锌液面的波动，二是锌液的流动，三是锅辊辊系的粘附。

正常生产过程中，随着带钢的运动和锅辊辊系的转动，锌锅内部锌液的流动如图3所示，锌锅内的锌渣随着锌液的流动而流向带钢和锅辊辊系表面，并在其表面聚集。聚集在带钢表面的锌渣经过锅辊辊系的作用形成镀层中的渣核，渣核长大形成锌渣缺陷。

图3 锌锅内锌液流动示意图

带钢在锌锅中经过锅辊辊系时，锅辊辊面积累的锌渣在张力的作用下，被压入镀层转移到带钢表面，形成渣点缺陷。当规格过渡，带钢由窄料过渡到宽料时，往往在宽板边部超过原窄板宽度范围内粘渣较多，这种缺陷在边部尤为明显，如图4所示。

图4 窄料向宽料过渡形成的锌渣点状缺陷

锌锅液面在气刀气流的作用下，炉鼻子内液面在保护气氛的作用下，锌液表面会出现一层很薄的脆性浮膜，在外力作用下极易破碎成小块，随液面的波动和锌液的流动而卷入锌液中，这些小块并不能在锌液中立即熔化或浮出，而是随锌液流动，当粘附在带钢上被带出锌液，气刀气流不能将其吹掉时，在带钢镀层表面就会留一块很浅的痕迹，如图5所示。

图5 带钢表面典型锌渣缺陷

4 热镀锌带钢表面锌渣缺陷改善措施

针对上述带钢表面锌渣缺陷的成因分析，要防止带钢表面出现锌渣缺陷，就必须对锌渣生成的影响因素及运动过程的各个环节采取改善措施。

4.1 生产计划安排

生产时应遵循由宽到窄逐渐过渡安排生产。当从窄料切换至宽料时应争取尽快切换至最宽的料，再逐渐由宽到窄生产，如此不断循环，防止锌锅沉没辊、稳定辊上结渣，在同一宽度（非极限宽度）的带钢生产时，连续生产量控制在500t以内为佳。否则应插入小批量稍宽的料以清除沉没辊、稳定辊上的结渣，规格过渡的样式如图6所示。规格过渡时应尽量平缓，避免由于规格过渡时参数调整导致的带钢抖动、温度波动等问题。

图6 热镀锌机组规格过渡样式示意图

4.2 锌液中铝含量的控制

正常生产过程中，带钢不断的将锌液带走形成镀层，在这个过程中镀层中的铝含量要远远高于锌液中的铝含量，也就是说镀层会超比例的从锌液中获取铝。镀锌过程会产生锌渣，锌渣中的铝含量通常也高于锌液。因此，锌液中的铝含量一直处于波动之中。为了稳定控制锌锅内的铝含量，需要在锌锅内安装在线铝含量探头，时时监控锌锅内的铝含量。

同时，根据镀层厚度以及锌液成分，添加不同种类的锌锭，保证锌锅内成份、温度控制的稳定性，从而实现热镀锌机组精确、稳定、狭小范围内管理控制锌锅有效铝含量。

4.3 锌液温度控制

锌锅温度最好控制在460±5℃，而且不宜产生太大波动。带钢入锌锅温度最好与锌液温度相同，都为460℃。长时间锌液超温生产，带钢的铁损增加，锌渣的产生是不可避免。另外，锌液温度越高，锌的氧化反应越快，锌越容易氧化，锌渣越多。

4.4 铁元素控制技术

提高原料质量，减少夹杂、翘皮等缺陷；优化清洗参数，采用研磨刷辊，提高清洗质量；合理控制炉膛内的露点、氮氢保护气含量，避免带钢表面氧化，减少因氧化物与锌液中铝反应产生的锌渣量。在允许的范围内，适当提高保护气中氢气的含量，即氢气的分压增大，相对应的氧气分压、水蒸气分压减少，有利于对氧化铁皮的还原和弱还原性气氛的保持。