高等级环保钝化热镀锌极薄料的开发

魏应磊，胡建旺，毛鸣汐，李小强，钟荣飞

（1.武汉钢铁有限公司制造管理部，湖北 武汉 430082；2.武汉钢铁有限公司冷轧厂，湖北 武汉 430082）

近年来，国内轧钢技术装备水平不断提高，促使热镀锌板卷生产的技术门槛降低，产能得到极大提升，随之而来的是普通规格（0.4mm ～2.0mm 厚度）的热镀锌产品同质化竞争加大，利润率降低。加之目前国内主流的六价铬钝化产品生产环境污染大，已经不符合环境友好型工业产品的定位，为提高差异化竞争能力，开发极限规格高等级环保钝化热镀锌板成为趋势。本文主要研究冷轧热镀锌极薄规格环保钝化的开发。

1 现状

0.4 mm 以下极限薄规格热镀锌板的生产难度大风险高，容易造成机组断带，特别对于目前国内主流的全氢立式退火炉而言，因带钢在炉内为立式运行，通过S 辊提供张力控制跑偏及，稍有不慎就可能造成炉内断带进而导致带钢在炉内堆积无法拉出的巨大影响。同时，极薄料的表面质量及膜厚控制也是困扰产品质量提升的关键因素。

2 关键控制工艺研究

2.1 炉内断带

热镀锌机组退火炉的主要目的是将轧制以后晶格扭曲、晶粒破碎的轧硬态带钢，经过退火后使其晶粒形状、均匀度得到改善（图1），从而改善其机械性能，获得良好的机械加工性能。但是极限薄规格热镀锌板因为带钢薄，在带钢温升迅速（加热段）或带钢温降快（快冷段）的情况下，容易产生热瓢曲及冷瓢曲，加之张力的影响导致带钢跑偏甚至断带。（武钢全氢退火炉流程：2#张紧辊→立式全辐射退火炉预热段→加热段→均热段→喷气冷却段→均衡段→3#热张紧辊→炉鼻子）。

为了确保机组不发生炉内断带，需要做到以下几个方面：在生产前确保机组设备状态的稳定，避免机组停机或大幅度降速。确保轧硬卷板型质量符合要求，杜绝边裂、孔洞等缺陷，同时减少带钢浪形。根据板带的厚度和焊接情况，及时调整焊接时的搭接量和焊接电流等工艺参数。焊接后，应做好焊缝的质量检查，当焊轮达到使用次数或焊缝质量情况不好时，要及时更换焊轮[1]。若机组长时停机需要降低炉温，并定时拉动炉内带钢。

图1 退火曲线

2.2 表面质量控制

钢带的热镀锌层在锌锅中完成，因此，锌锅的操作工艺对所得镀锌产品的质量产生直接的影响。一般说，钢带的前处理（还原与退火过程）主要对钢带自身的性能（力学性能及镀锌性）产生影响，而锌锅决定其镀锌层的质量和性能。这两部分共同决定镀锌钢带的最终性能[2]。热浸镀锌钢板相较于普通冷轧板具有好的防腐蚀性，提供了额外的防腐蚀性能使其在机械工程领域的应用愈来愈广泛，但是额外增加的镀锌层也带来了比普通退火板更多的表面缺陷，其主要表现在热浸镀锌引起的锌灰、锌渣等，此类缺陷极大地影响了热镀锌产品的外观质量及冲压后的表面形貌。

图2 锌灰缺陷

（1）锌灰。热镀锌工艺中的关键工艺路径就是经热碱清洗、漂洗、烘干后的带钢进入退火炉进行再结晶退火，然后以适宜热浸镀锌的温度（480℃以下）出退火炉，经退火炉与锌锅间的炉鼻子进入熔融液态锌，然后带钢通过沉浸在锌锅内的转向辊后出锌锅，并由位于锌锅上方的高压气刀（介质有空气、氮气两种方式）吹扫掉多余的锌来控制所需的锌层重量。锌灰在锌锅区域产生。锌蒸汽由炉鼻子内部运动的带钢及保护气氛注入所产生的气流带离锌液表面，弥漫在炉鼻子中甚至更远进入退火炉内，当锌蒸汽向四处扩散运动时，遇到炉鼻子的内壁会一定程度聚集在内壁上，就形成了锌灰[3]。通过工艺段操作室监控炉鼻子两侧的摄像头显示炉鼻子与锌液面的连接处上漂浮着许多灰白色锌氧化物。锌灰附着在镀层表面，严重影响热镀锌板的外观及使用性能（图2）。

（2）锌渣。在热浸镀锌的生产过程中锌渣缺陷按其形态可以分为底渣、悬浮渣和浮渣三种。落在锌锅底部的称底渣，底渣主要成分包括晶体结构为六面体晶型的δ（FeZn7）相颗粒以及锌液构成。一部分质量较轻的锌渣漂浮在锌液表面的锌渣称为浮渣。浮渣主要成分为Fe2Al5氧化物及锌液构成，有时也会夹带少量FeZn7颗粒。悬浮渣和面渣在热浸镀锌时易粘附到带钢上，形成锌渣类缺陷。镀锌板表面锌渣缺陷主要是悬浮在锌液中的悬浮渣产生的。

图3 锌锅内成分示意图

（3）锌灰、锌渣的控制措施。由于锌灰与锌渣缺陷产生的影响因素主要集中在锌锅区域，故针对控制这两个缺陷的产生的根本措施也是在锌锅区域。①首先要严格控制炉鼻子区域露点的温度，该范围目前比较有效的是≤－10℃。②其次控制锌锅自身锌液温度以及带钢入锌锅板温，减少锌蒸气的挥发。温度控制范围为（457±2）℃。③然后是严格控制锌锅的锌液成分，锌液中铝含量控制为（0.24±0.02）%。④通过在炉鼻子内增加中间包溢流装置及抽锌泵将锌灰抽离炉鼻子内液面。⑤稳定机组速度，避免频繁加减速造成锌锅扰动加剧。

2.3 后处理质量控制

（1）钝化机理。环保钝化的原理是通过辊涂机（图4）辊压涂覆的方式在带钢表面涂上钝化剂，然后通过烘干后在钢板表面形成一层致密的不含铬的有机保护膜，起到锌板表面与空气隔离的作用，目前无铬钝化处理剂主要有硅酸盐、钼酸盐等，武钢选用的无铬钝化剂为有机硅烷钝化剂，其中添加的化合物使锌板具有防腐蚀和自我修复的能力，其最终产品的防腐及其它性能与带钢表面膜厚和钝化膜与镀锌板锌层的结合力强相关。

辊涂机的涂敷辊、提料辊速度、辊间压力、带钢的包角、机组速度、烘干温度等工艺对膜厚及其均匀性有着直接的关系，只有合理的辊涂工艺参数才能得到膜厚均匀，表面结合力强的热镀锌环保钝化产品。

图4 辊涂机示意图

环保钝化钝化产品的的耐腐蚀性能主要与钝化膜直接相关，如图5。

图5 耐蚀性与膜厚关系图

从上图中可看出：钝化膜厚控制在在0.6g/m2以上，可以保证足够的耐蚀性。但膜厚并不是越厚越好，膜层增厚，膜层烘干温度就要提高，膜层中有机分子铰链固化时间就会延长，膜层的致密性就会降低，会产生膜层中水分不能有效挥发易产生吸潮粉化，导致涂装性变差，层间电阻变大。在保证钢板耐蚀性、表面电阻达到指定要求的情况下，膜层通常控制在0.6g/m2～1.0g/m2之间。

（2）辊涂控制技术。在生产0.4mm 以下极薄料时，需要控制涂覆辊的位置在很深的位置，才能获得较为优异的膜厚水平。

钝化膜重的控制范围0.6g/m2～1.2g/m2（目标值0.8g/m2）。生产过程中要实时监控带钢膜重测试值、烘干炉炉温及带钢冷却温度，确保成品钢卷的膜重、带钢烘干温度、带钢收卷温度达到目标值，以保证成品卷运输仓储期间的防锈性能。当膜重偏离目标值时，要及时调整辊涂工艺参数；当膜重达不到控制范围值时，要停止生产环保钝化合同，切换其它合同料生产。辊涂工艺参数见表1。

表1 辊涂工艺参数

烘干炉：确保带钢烘干炉板温控制范围达到80℃～110℃。烘干炉工艺参数见表2。

表2 辊涂工艺参数

3 结语

经过大量实验室研究及生产现场工艺试验，成功开发出满足家电外板需求的0.35mm 极薄料环保钝化热浸镀锌产品；解决了影响0.35mm 环保钝化产品的工艺技术控制难题及批量工业化大生产的问题；同时，通过合理的热镀锌工艺控制，使镀锌板表面质量得到有效提高，其应用场景优于传统六价铬钝化镀锌钢板，广泛应用于家电、IT 以及电子电器制造等行业，并出口与东南亚及日韩等国家。