熱鍍鋅生產工藝工程中鋅渣的成型過程及控制分析

劉潤博

（河鋼集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056000）

鍍鋅材料按照不同工藝生產技術，可分為電鍍鋅和熱鍍鋅兩種，熱鍍鋅生產工藝主要采用帶鋼防蝕法進行，具有成本低廉、普及率高的優勢。同時，熱鍍鋅材料在實際應用中具有良好的防腐蝕性、易成型性、易涂裝性以及美觀性，因此在建筑行業、汽車生產行業等領域被廣泛使用。隨著人均生活水平的提高，汽車逐漸普遍化，熱鍍鋅材料在汽車生產領域當中的需求量不斷增加，同時對熱鍍鋅材料的制備技術要求與附加值也逐漸提高[1]。雖然在工藝生產過程中，熱鍍鋅的質量得到了明顯上升，但生產出完全沒有瑕疵的鍍鋅材料仍然是當前該領域研究人員需要重點解決的問題。而決定鍍鋅材料表面質量的好壞，在一定程度上取決于生產工藝過程中的鋅渣。一方面，帶鋼材料通過鋅液的過程中，其表面會附著大量鋅渣，造成鍍鋅材料上產生點狀壓痕。另一方面，由于鋅渣在穩定輥結構和沉沒輥結構上不進行及時的處理，會造成鋅渣的不斷累積，因此在使用帶鋼材料時經過輥子時，也會造成鍍鋅受到鋅渣的擠壓，表面出現條狀的壓痕[2]。這些缺陷和壓痕會嚴重影響鍍鋅材料的美觀性，甚至還會造成生產設備的使用壽命縮短，影響工藝生產企業的工作效率。基于此，本文開展對熱鍍鋅生產工藝工程中鋅渣的成型過程及控制分析的研究。

1 熱鍍鋅生產工藝工程中鋅渣的成型過程

鋅渣是在熱鍍鋅生產工藝過程中，在含有鐵元素、鋅元素或氯元素的溶液中，通過高溫條件的作用，產生的鐵—鋅系、鐵—鋁系或鐵—鋅—鋁系金屬間化合物。在鋅鍋中的鐵元素，大部分來源于鐵質鋅鍋的侵蝕以及帶鋼鋼基的溶解。在熱鍍鋅工藝生產條件下，鋅液中的鐵元素通常是處于飽和的狀態，在加入鋅錠材料時，會吸收大量的熱量，從而將材料中大部分的鋁元素帶入到鋅鍋當中[3]。從而造成鋅液中的鐵元素與鋁元素快速降低，在鋅液中將無法避免析出大量的鐵—鋁和鐵—鋅金屬化合物的晶粒。因此，鋅液內不可避免地會產生大量鋅渣。由于在熱鍍鋅生產工藝中，會存在不同的鋅液體系，因此鋅液在形成鋅渣的種類以及成型的過程也存在較大的區別。本文根據成型的鋅渣結構，大致將其劃分為懸浮鋅渣、面渣和底渣。表1為三種鋅渣類型的各參數對比表。

表1 三種鋅渣類型的各參數對比表

由表1中的各信息可以看出，懸浮鋅渣與其它兩種類型鋅渣相比，體積最小，密度比面渣小，比底渣大，屬于懸浮在鋅液當中生成的鋅渣顆粒。圖1為懸浮鋅渣被帶鋼材料帶出鋅鍋的概率與懸浮鋅渣的尺寸對應關系圖。

圖1 懸浮鋅渣帶出鋅鍋的概率與尺寸對應關系圖

由圖1可以看出，懸浮鋅渣的尺寸與懸浮鋅渣被帶出的幾率具有一定比例關系，懸浮鋅渣顆粒越大，則被帶鋼材料帶出鋅鍋的幾率越小。

面渣的基本結構是Fe2Al5，其密度與鋅液相比略小。因此，面渣在熱鍍鋅生產工藝工程中，更易于吸附在鋅液的表面，新元素也能夠溶解在該二元化合物當中。因此，面渣實質上的成分應為Fe2Al5Znx屬于三元金屬間化合物[4]。面渣的形狀通常情況下是具有圓滑棱角的顆粒狀多邊形結構，圖2為面渣的基本結構示意圖。

圖2 面渣的基本結構示意圖

底渣通常會在熱鍍鋅生產過程中溶解在鋅液當中，并利用鋅液中的鋅元素與鐵元素相互作用，最終形成鋅—鐵化合物，部分底渣中還會含有少量的鋁元素。在實際熱鍍鋅生產工藝中，當熱浸鍍鋅液從合金化逐漸向純鋅液轉變的過程中，存在于鋅液底部的底渣成分會與后加入到鋅液中的鋁元素發生反應，從而進一步生成上述面渣。

2 鍍鋅生產過程鋅渣成渣機理

無論采取何種措施進行產品的熱鍍鋅，通過各種各樣的反應、氧化以及腐蝕，鋅鍋中的液態鋅中會少量進入一定數量的鐵元素，這一元素與鋅作用后會產生鋅渣。如果向鋅鍋中添加Al，這兩種物質也會產生反應，并產出比重為4.2g/m2的Fe2Al5，由于這一物質的比重鋅液低，因此，會浮在液體上部。在對這種情況進行計算后，鍍鋅過程中液態Zn中的Fe成分里，鋼板溶解造成的損失約為百分之七十點五，鋅鍋的腐蝕約百分之二點二。鐵進入鋅液后，一般有83.7%形成底渣，6.1%形成了浮渣，10%附著于鍍層上。

3 控制分析

為合理控制在熱鍍鋅生產工藝工程中，鋅渣的成型，本文采用同時提高鋅液溫度以及帶鋼材料入鍋溫度的方法控制熱鍍鋅過程中鋅渣的生成量。為了保證熱鍍鋅生成工藝的各項性能，在進行帶鋼材料入鍋操作時，應當控制其溫度不超過460℃，由于鋅液的溫度在達到425℃時整個鋅鍋與帶鋼材料的周圍會生成少量的鋅渣。因此，在選擇帶鋼材料的入鍋溫度時應當從460℃逐漸降低到455℃，同時鋅液的溫度應當從425℃逐漸降低到420℃。表2為不同鋅液溫度下鋅鍋內生成的鋅渣含量。

表2 不同鋅液溫度下鋅鍋內生成的鋅渣含量（單位：kg）

根據表2可以看出，當鋅液溫度保持不變，隨著帶鋼材料進入到鋅鍋中的溫度不斷增加時，整個鋅鍋中鋅渣的生成量將會大幅度降低。當帶鋼材料進入到鋅鍋的溫度保持不變，隨著鋅液溫度的不斷增加，整個鋅鍋中鋅渣的生成量也將會大幅度降低。因此，通過控制鋅液溫度和帶鋼材料進入到鋅鍋中的溫度可以有效控制熱鍍鋅生產過程中產生的鋅渣生成量。在明確生產工藝的溫度范圍后，在實際生產過程中，還應當對溫度的升高速度進行控制[5]。在鋅液與鋅錠熔化升溫的過程中，應保證勻速的升高，使鋅液溫度控制在爆燒之前。同時，鋅元素的加熱方式是依靠傳導實現的，不可進行直接對流。因此在加入前還需要對鋅液進行輕微的攪拌，從而使熱量均勻分布在鋅液中。

除此之外，控制鋅渣的生成量還可通過對熱鍍鋅生產工藝的優化實現，提高帶鋼材料表面的質量，并減少影響鋅消耗的鐵元素，從而減少其它雜質的生成，控制不合格產品的發生，進一步降低熱鍍鋅的生產成本。在實際熱鍍鋅生產工藝中，還會有部分聚集在一起的鋅渣殘留在鋅鍋底部，對鋅鍋的鍍層質量以及使用壽命造成影響，因此必須及時將鋅鍋底部的鋅渣清除。通常情況下，可采用特制漏勺清除，沿鋅鍋鍋底依次掏取[6]。在套取過程中應盡可能保證不出現明顯的晃動情況，從而造成底渣移動，并與鋅液混合造成無法掏取的問題。若已經造成二者混合，則應當將鋅液的濃度控制在規定范圍內的最高值，使鋅液與鋅渣分離。并在掏取結束后，立刻降低鋅液溫度，從而避免鋅渣的生成量增加，保證生產工藝質量。

4 鋅渣的有效控制

由于常規的鍍鋅鐵鍋在生產過程中會與鋅液發生反應，不僅會造成鋅鍋的腐蝕，降低鋅鍋的使用壽命，并且會大大的提高鋅渣的生產量，而陶瓷材質的鍋與液態的鋅不能產生化學反應，也不會受到液態鋅的任何影響，而且可以長時間不用檢查更換，這種材質的鍋一般可以用11年～14年左右。并且由于鋅與材料不反應，故不會產生鋅渣。采用這種材料的鋅鍋，改善了常規的鐵材質鍋的腐蝕危害，在降低鍍鋅渣的生成情況下，起到很大的作用。

5 結語

本文為提高熱鍍鋅生產工藝的質量，開展對熱鍍鋅生產工藝工程中鋅渣的成型過程以及控制分析的研究。通過本文研究可以有效避免更多鋅渣的生成，從而控制生產工藝質量。但本文研究仍然存在某些方面的不足，例如本文主要目的是為了減少鋅渣的而生成，但并未對鋅渣的運動軌跡進行研究。在實際生產工藝中鋅渣的運動軌跡可能會對其吸附位置產生影響。因此，在后續的研究中還將對這一部分的內容進行更加深入、詳細的研究。