热镀锌镀层白条缺陷研究及控制

2024-04-12金永清尹红国寸海红蒋英箴吴林倬

电镀与精饰 2024年4期

金永清，尹红国，寸海红，蒋英箴，吴林倬

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司板材厂，四川攀枝花 617000）

热镀锌产品具有良好的耐蚀性，广泛应用于建筑、家电、汽车等行业。随着家电向绿色化、装饰化、定制化的转型升级，以及生产过程的智能化和连续化，家电行业对镀锌板表面质量的要求也越来越高。尤其在高端家电面板使用时，对表面质量的要求达到了汽车O5板的级别，单面不能有任何影响使用的表面缺陷［1］。因此，不断提升镀锌产品的表面质量，已成为家电用镀锌板提升市场竞争力的关键。

攀钢2#、3#镀锌机组分别于2004年和2005年建成投产，产品主要定位于家电制造领域。自投产以来，镀层白条缺陷一直是最主要的表面类缺陷。如图1所示，研究前白条缺陷降组率和改判率高达14.45%和2.9%，远高于正常水平。为提高产品质量，保障合同兑现和生产顺行，攀钢对镀层白条缺陷进行了研究和攻关。

图1 白条缺陷降组与改判情况Fig.1 Reduction and judgment revision of white bar defects

1 缺陷分析

镀层白条缺陷出现在锌锅段，形貌如图2，外观为纵向白色长条状，上表面较多，下表面略少，在带钢横向位置无明显规律。缺陷宽1～3 cm，长短不等，短的缺陷有10 cm，长的缺陷有6～7 m，严重时有手感。

图2 白条缺陷宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of white bar defects

白条缺陷宏观及微观形貌见图3。采用JSM-5600LV扫描电镜及INCA能谱仪对缺陷进行微观形貌特征分析见图3（b）。从图3可以看出，白条缺陷部位宏观上看表面极为粗糙，通过电镜放大后，缺陷部位存在凸起和凹坑，表面平整度较差。

图3 白条缺陷形貌特征Fig.3 Morphological characteristics of white bar defects

表1 镀层白条缺陷微区成分Tab.1 Composition of micro areas with white stripe defects in the coating wt.%

为查找镀层白条缺陷产生原因，停机将锌锅中炉鼻子窥视孔打开检查，发现炉鼻子内锌液面及内壁存在较多的白色粉末状物质，如图4（a），锌灰捞出后呈浅灰色，如图4（b）。

图4 炉鼻子内白色粉末状物质Fig.4 White powdery substance inside the furnace nose

采用S8 TIGER X射线荧光光谱仪对锌灰进行半定量分析，结果如表2所示。锌灰主要含元素Zn和O，其中Zn占比约70%，O占比20%。采用化学法和ONH836氧氮氢分析仪进行定量分析，白色粉末物质主要由ZnO和纯Zn组成，和镀层白条缺陷的成分相近。通过成分和形貌可以判断，镀层白条缺陷应为炉鼻子内产生的锌灰黏附到带钢表面所造成。

表2 白色粉末物质成分分析Tab.2 Analysis results of white powder substance

2 缺陷产生机理及影响因素

2.1 产生机理

热镀锌时，锌液面不断有锌蒸气产生，如图5所示，这些锌蒸气或回到锌液面，或在炉鼻子内壁冷凝成锌粉并逐渐氧化形成锌灰。在炉鼻子正常的密闭条件下，只有不到10%的锌蒸气能够冷凝下来，其他分子将可能再返回到蒸发表面［2］。同时，锌液表面在此条件下会形成薄的氧化膜，保护锌液不被过度氧化。由此，锌蒸气的挥发、冷凝和溶解形成了一个较稳定的平衡状态，锌灰较少，不会产生镀层白条缺陷。若炉鼻子出现泄漏，锌蒸气会与氧分子反应生成ZnO。由于ZnO的熔点远高于纯锌，不会回溶于锌液，导致平衡状态被打破，从而产生大量锌灰。而漂浮在锌液面上的锌灰极易黏附于带钢表面，形成“白条”缺陷。

图5 炉鼻子内锌灰及氧化膜示意图Fig.5 Schematic diagram of zinc ash and oxide film inside the furnace nose

2.2 影响因素

2.2.1 炉鼻子密封性

炉鼻子密封不良是镀层白条产生的最主要因素。尽管炉内为正压系统，但仍会发生外界氧气的对流渗透，主要有两个原因［3］：一是炉鼻子内外存在着极大的氧气浓度差，这是氧气能够渗入炉内的主要动力；二是漏点通常弯曲粗糙，导致保护气体从内向外流出阻力大，流速慢，造就了氧气渗入炉内的条件。如前所述，炉鼻子内一旦渗入氧气，就会打破锌蒸气平衡，产生大量锌灰和镀层白条缺陷。

2.2.2 炉鼻子露点

高温下，保护气体中的水分会与锌液面发生反应，如式（1）［4］，在锌液面上形成一层薄而致密的ZnO膜以抑制锌蒸气的挥发［5-8］。在一定范围内随着露点升高，越有利于氧化膜的形成，减少锌灰和镀层白条缺陷。反之，露点越低越不利于氧化膜的形成，会增加白条缺陷。但炉鼻子露点也不宜过高，否则带钢会被水分子氧化而形成露钢缺陷，同时也不利于白条缺陷控制。

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2.2.3 锌液温度和带钢入锌锅温度

锌液温度是直接影响锌液蒸发速率的参数。单位面积的锌液蒸发速率ω，按lgω=-2120/T+0.45核算［9］，蒸发速率随着温度的升高而迅速提升，产生锌灰和镀层白条缺陷。同时，实践又表明，当锌液温度超过480 ℃后，铁损呈抛物线式急剧增加，在带钢表面生成脆性合金层恶化镀层加工性能［10］，并加剧造渣反应产生锌渣缺陷，无法满足质量需求。

带钢入锌锅温度可直接引起炉鼻子及三角区内锌液温度的变化，提高带钢入锌锅温度会提高锌液温度，从而导致锌液蒸发速度加快，产生大量锌灰导致形成镀层白条缺陷。因此，带钢入锌锅温度不宜过高，通常控制于440～480 ℃。

2.2.4 排锌灰效果

对于热镀锌而言，锌灰的产生是必然的。因此，防止锌灰黏附带钢是消除镀层白条缺陷的重要手段。目前通常采用炉鼻子排渣法实现上述目的，其原理是利用机械泵抽走炉鼻子内边部锌液，产生液位差。锌灰通过液位差溢流到收集槽，从而保证了带钢周围锌液面洁净。若排渣泵转速过小，液位差消失，不利于锌灰向边部溢流。但转速过大又会导致液面下锌液流动变快，液面上锌灰溢流缓慢的问题。此外，收集槽和锌灰的距离也会影响排渣效果。

3 缺陷控制措施及效果

3.1 炉鼻子密封升级

炉鼻子冶漏的关键在于法兰连接处的密封。采用整体耐热密封橡胶圈；在法兰工作面上开槽增加法兰与橡胶的接触面积和密封性；炉鼻子接触锌液后多次紧固螺栓；采用微氢报警仪检测炉鼻子漏点并封堵。

通过上述措施，炉鼻子周围H2浓度由150×10-6下降到20×10-6内，冶漏效果良好，镀层白条缺陷下降幅度达70%以上，缺陷严重度也有明显改善。

3.2 炉鼻子露点优化

炉鼻子露点由HNX保护气体的湿度和流量控制。由前所述，随着炉鼻子内露点升高，有利于形成薄而致密的氧化膜并减少锌灰和镀层白条缺陷。但炉鼻子露点过高后会形成露钢缺陷。因此，炉鼻子露点必须严格控制。经过反复测试，露点维持在-20 ℃～-10 ℃时，炉鼻子内壁锌灰和镀层白条缺陷明显改善，镀层附着力和表面质量正常。

3.3 锌液温度和带钢入锌锅温度

降低锌液温度有利于降低镀层白条缺陷，但也会降低铁的溶解度产生锌渣缺陷，而锌液温度超过480 ℃会导致锌渣变多和合金层变厚变脆等问题，因此将锌液温度控制于460 ℃，为杜绝温度波动的造渣反应，其温度精度控制为±2 ℃之内

带钢入锌锅温度除了会影响镀层白条缺陷，还会对带钢表面质量造成较大影响，是热镀锌关键工艺之一。由于不同带钢厚度的核心热不同，因此带钢入锌锅温度需根据不同厚度带钢和镀层质量进行优化，优化后入锌锅温度与带钢厚度关系如表3。

表3 优化后的带钢入锌锅温度与厚度的关系Tab.3 The relationship between optimized temperature entering the zinc pot and thickness of the steel strip

3.4 优化排锌灰效果

为提高炉鼻子排灰效果，根据情况定期降低炉鼻子，缩短锌灰和溢流板距离，有效带走带钢周围锌灰；同时采用定转速定液位差的方法，保证内外液位精确控制，防止液面下排锌和锌灰溢流效果差的问题。此外还定期进行高转速控制，将槽内收集的锌灰和锌渣有效排出炉鼻子。通过上述措施，炉鼻子排锌灰效果和锌液面洁净度有明显改善，大幅减少减轻了镀层白条缺陷。