連續熱鍍鋁鋅硅鋅鍋工藝參數的控制

曹博蕊,趙 楠

(梅山鋼鐵公司技術中心,江蘇南京210039)

連續熱鍍鋁鋅硅鋅鍋工藝參數的控制

曹博蕊,趙 楠

(梅山鋼鐵公司技術中心,江蘇南京210039)

隨著科技進步,建筑及家電行業也在快速發展,隨之對鋼板耐腐蝕性、涂裝性、加工成形性、環保性等要求越來越高,國內市場也會越來越多的使用鋁鋅硅鍍層鋼板。而鋅鍋工藝參數控制對熱鍍鋁鋅硅產品質量的影響至關重要,因此對鋅液溫度、鋅鍋功率、帶鋼入鋅鍋溫度等方面進行闡述。

熱鍍鋁鋅硅;鋅鍋工藝;控制

1 引言

高鋁鋅合金鍍層產品是美國伯利恒鋼鐵公司于20世紀70年代開發的高耐蝕性鍍層產品,它綜合了鋁的優異耐蝕性與鋅的陰極腐蝕保護性,具有優良的耐大氣腐蝕能力,其耐蝕性是同樣鍍層厚度的熱鍍鋅鋼板的2～6倍[1]。此外,鍍鋁鋅鍍層還表現出良好的涂裝性、加工成形性和優良的熱反射性能。正是由于其良好的綜合性能,鍍鋁鋅產品的發展非常迅速,并廣泛應用于建筑、汽車、農業、家用電器等行業。但熱鍍鋁鋅較熱鍍純鋅而言,技術含量高、生產難度大,尤其是高的鋅鍋溫度和鋅液中高的Al含量將導致鋅液腐蝕性增強,鋅鍋區域的設備必須經受更加嚴苛的考驗。Willis[2]認為55%Al-Zn池對鋅鍋的工藝參數很敏感,一些鋅鍋中的熔體流動情況促進了底渣的生成,鋅鍋中溫度的波動也促進了底渣的形成。要生產出高品質的熱鍍鋁鋅產品并不容易,因為影響產品表面質量的因素很多,而對鋅鍋參數的控制是連續熱浸鍍鋁鋅硅生產的關鍵環節之一。因此,對鋅鍋工藝參數控制的研究很有必要。

2 生產中存在的問題

梅鋼熱鍍鋁鋅硅生產線投產初期,需要開發新品種全硬鋼,由于其在退火爐內的退火溫度較低,經過不完全退火(其退火溫度較其它產品約低200℃)后還要經過冷卻段、熱張緊輥段和爐鼻子段才進入鋅鍋進行熱浸鍍。在全硬鋼生產時,帶鋼表面會產生鋅疤、鋅點突起缺陷,嚴重時鋅點突起約10～20個/100米,產品缺陷嚴重導致降級,甚至無法正常組織生產,如圖1、圖2。

圖1 鋅點突起缺陷宏觀照片

3 原因分析

3.1 鋅點突起缺陷分析

對生產中存在的鋅點突起缺陷進行掃描電鏡及能譜分析,截面電鏡形貌如圖3、圖4,能譜分析結果如圖5。從截面電鏡形貌照片可以看出,缺陷處鍍層異常增厚,鍍層與基板之間包裹有顆粒狀異物,對顆粒狀異物進行能譜分析,所含元素主要為Al、Fe、Si、Zn,其中鐵鋁含量較高,可判斷為鋁鐵系的金屬間化合物。

圖2 鋅疤缺陷宏觀照片

3.2 鋅疤缺陷分析

對生產中的鋅疤狀缺陷進行電鏡觀察及能譜分析,電鏡形貌如圖6、圖7,能譜結果如圖8。從電鏡形貌看出缺陷處表面有顆粒狀異物壓入,對異物進行能譜分析得知所含元素主要為Al、Fe、Si、Zn,其中Fe、Al含量較高,可判斷為鐵鋁系金屬間化合物,與鋅點突起的檢測結果基本一致。

圖3 鋅點凸起截面電鏡形貌

3.3 結論

從以上檢測結果可知,帶鋼表面缺陷均為鋅渣類缺陷的不同形貌特征。這是因為進入鋅鍋的帶鋼溫度(約530℃)與鋅液溫度(約600℃)溫差較大,溫度較低的帶鋼在熱鍍過程中帶走大量的熱量,導致鋅液溫度急劇下降(有時會降至590℃甚至更低),而鋅液溫度的大幅降低會導致鋅液中鐵的溶解度降低,多余的鐵就會以鋅渣的形式析出,懸浮在鋅液中或沉入鋅鍋底部。為了控制鋅渣大量生成,必須保證鋅液溫度基本恒定,則工藝控制時勢必會加大鋅鍋加熱功率,然而當鋅鍋加熱功率達到一定值時,鋅液攪拌劇烈會帶動鋅鍋內的底渣上浮,形成鋅渣類缺陷粘附在帶鋼表面,造成產品降級或報廢。

圖4 鋅點凸起截面電鏡形貌

圖5 鋅點凸起截面異物能譜

圖6 鋅疤缺陷處電鏡形貌

圖7 鋅疤缺陷處電鏡形貌

圖8 疤狀缺陷處能譜

4 采取的工藝控制措施

4.1 鋅液溫度控制

實踐表明,鋅液溫度變化時,鐵在溶液中的溶解度變化較大,從表1中可以看出,鋅液溫度為600℃時,鐵的溶解度為0.463%, 591℃時為0.426%,若鋅液溫度從600℃降低到591℃,則會有0.043%的Fe-Al化合物形成了渣子。如果鋅液溫度升高到608℃, Fe的溶解度則達到0.5%,在600℃時已形成的渣子是不會再溶解的,而帶鋼表面的Fe原子則會大量溶入,必須濃度升高到0.5%時才能達到平衡。當鋅液溫度再回到600℃時,則Fe的平衡濃度又降到0.463%,又會有0.037%的Fe以渣子的形式析出。如果再繼續降溫到591℃,則鐵的溶解度繼續下降,又有Fe以渣子的形式析出。這樣反復循環就造成了大量的鋅渣,過多的鋅渣容易粘在帶鋼表面或沉積在輥子表面,產生鋅渣缺陷。鋅鍋溫度哪怕是極小的波動,也會造成鋅渣的大量產生,因此必須保證鋅液溫度的穩定性,最好控制在±3℃或更小范圍,可以有效減少鋅渣的產生。

鋅液溫度控制的目標值可根據不同的產線特點及產品情況適當調整,一般控制在590℃～610℃之間。最關鍵的參數是鋅鍋內不同區域鋅液溫度的均勻性控制,不同位置的溫差過大容易導致鋅渣在局部區域聚集。

表1 Fe在55%Al-Zn-Si溶液中的溶解度[3]

4.2 鋅鍋功率控制

梅鋼熱鍍鋁鋅機組的鋅鍋采用的是帶預熔鍋的無芯鋅鍋,其最大特點之一是鋅鍋內的金屬液受電磁攪拌作用產生激烈的流動,運動的程度可以用金屬熔液的拱起高度來表示。在鋅鍋內,只有渦流流過的金屬熔液才能受到磁場的作用力而加速流動,所以,只有在渦流集膚深度區域的熔液才會在交變磁場的作用下加速流動。鋅鍋設計采用了兩組線圈,纏繞方向相反,因此,鋅鋁合金熔液的上半部分和下半部分攪拌運動方向相反,使得鋅鍋內的攪拌更加充分,合金熔液的成分更加均勻。

對于一定鋅鍋容量來說,鋅鍋的輸入功率越大,頻率越低,電動效應越顯著。在實際生產中鋅鍋功率是調節鋅液溫度的最直接最快速的手段,如果鋅液溫度偏離控制目標值,鋅鍋功率會根據溫度偏差情況自動調整,有時功率會達到1 200k W以上,此時鋅液攪拌非常劇烈,鋅鍋底渣會被攪起,部分黏在帶鋼表面造成質量缺陷。因此,實際生產中鋅鍋功率控制必須要有限幅,一般控制在1 200k W以下,保證鋅鍋功率平穩。

4.3 帶鋼入鋅鍋溫度控制

帶鋼的入鍋溫度必須控制在比鋅鍋溫度略低一些。如果帶鋼入鋅鍋溫度過高,容易引起帶鋼表面的鐵與鋅液中的鋁劇烈反應生成較厚的合金層,影響鍍層的粘附性及韌性,嚴重的在加工過程中會導致脫鋅;同時帶鋼入鋅鍋溫度過高會加速鐵在鋅液中的溶解,過飽和的鐵會析出形成鋅渣。當然,帶鋼入鋅鍋溫度也不宜過低,過低會使帶鋼附近的鋅液發生冷卻,鋅液溫度下降黏度增高,對帶鋼的浸潤性下降,不利于合金層的形成;同時,入鋅鍋溫度過低會導致鋅液溫度快速下降,為補充熱量一般會提高鋅鍋功率,這將直接導致鋅液攪動加劇,底渣大量翻起并粘到帶鋼表面。

將帶鋼入鋅鍋溫度控制在鋅液溫度以下“一定范圍”,使帶鋼與鋅液保持適當的溫度差,有利于合金層的形成,提高鍍鋅層的附著力;同時保證鋅鍋溫度及功率的小范圍波動,避免底渣卷起造成產品質量缺陷。因此,實際生產中一般將帶鋼入鍋溫度控制在鋅鍋溫度以下20℃左右,不同規格的帶鋼入鋅鍋溫度可適當調整。

4.4 其他因素控制

除以上工藝參數控制外,鋅鍋區域帶鋼運行速度也會影響產品表面質量。帶鋼速度影響鋅液的流動場,也影響鋅渣在鋅鍋內的運動方向,帶鋼速度過快會攪動底渣大量翻起,粘附在帶鋼表面。同時,帶鋼速度決定退火時間和浸鍍時間,而兩者對鋅層的附著性有重要影響。例如,帶鋼速度過快,則退火時間縮短,就可能引起帶鋼溫度和表面氧化物還原程度不足,造成漏鍍;同樣,浸鍍時間過短也會引起鋅層附著力下降。然而,帶鋼速度過慢,延長了浸鋅時間會使合金層異常增厚,也會導致附著性下降。因此,改變帶鋼速度時,其他工藝參數也應進行相應的調整,才能獲得好的產品質量,同時還必須考慮降低帶鋼速度會降低小時產量的問題。

5 鋅鍋參數的控制效果

自從對鋅鍋工藝參數進行控制,尤其是以控制鋅液溫度的波動為核心,保持鋅鍋的熱平衡狀態以來,帶鋼表面的鋅點突起及鋅疤類缺陷大幅減少,撈渣量也有所降低,同時也對產品的鍍層粘附性起了積極的作用。鋅鍋工藝參數控制的舉措不僅改善了產品表面質量,同時也降低了生產成本,效果顯著。

6 結語

在連續熱鍍鋁鋅硅機組生產時,鋅鍋工藝參數控制要遵循一個原則,即在連續熱鍍過程中保持鋅鍋的熱平衡,保證鋅鍋小功率運行且在一定范圍之內。通過調整帶鋼入鋅鍋溫度、帶鋼運行速度、鋅液面高度等,保證鋅液溫度波動在±3℃之間或更小

[1] 劉益民.寶鋼冷軋3號熱鍍鋅機組采用的高鋁鋅合金熱浸鍍生產技術簡介[J].寶鋼技術, 2004(增刊):12-16,19.

[2] Willis DJ.Fluid Flow Modeling in a 55%Al-Zn pot[C].Margaret A.Baker.Galvatech'04. Chicago:AIST.2004:905-916.

[3] 許秀飛.鋼帶熱鍍鋅技術問答[M].北京:化學工業出版社,2007:299-300.

Control of Zinc Pot Process Parameters on 55%Al-Zn-Si Hot Dip ping Line

CAO Bo-rui,ZHAO Nan
(The Technology Center of Meishan Iron&Steel Co.,Nanjing 210039,Jiangsu,China)

With the advancement of science and technology,architecture and household appliance indusuty have a rapid development.The use of 55%Al-Zn-Si hot-dip galvanized sheet is expanding dramatically in domestic market due to the higher demand of corrosion resistance,coating adaptability,formability and environmentally friendly.Zinc pot process parameters are very important to the surface quality of the products.The article focus on the bath temperature,the power of zinc pot and the temperature of the strip enterring the pot.

Al-Zn-Si hot-dip galvanizing;zinc pot process;control

TG174

:A

1001-5108(2015)05-0041-05

曹博蕊,碩士研究生,工程師,主要從事熱涂鍍相關的工藝研究。