極薄規格熱鍍鋅帶鋼鋅流紋控制技術

盧 杰， 張曉峰， 蘇寶滄， 寧媛媛

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063200)

0 前 言

熱鍍鋅是一種較為常用的帶鋼防腐技術，熱鍍鋅帶鋼具有較好的耐腐蝕性，產品美觀，比較受市場歡迎。 薄規格熱鍍鋅帶鋼因其成本低，需求量不斷上升，尤其是在家電、電子工業、包裝等領域應用極其廣泛。薄規格產品的應用場合對帶鋼的表面質量要求比較高，鋅流紋缺陷作為薄帶鋼常見的缺陷一般是不允許出現的。 目前，國內鋼廠0.35 mm 以下的熱鍍鋅產品出貨量較少，可借鑒的生產經驗不多。

鋅流紋缺陷是熱鍍鋅生產線一種重要缺陷，各鍍鋅生產線及機構多有研究。 孟曉濤等[1]分析了鋅流紋缺陷的影響因素，針對爐區溫度的控制、鋅液成分的調整和帶鋼入鍋溫度的設定值等給出了優化措施；高強等[2]分析了熱鍍鋅工藝控制參數對鋅流紋缺陷的影響，并給出了對應的解決方法；李科學等[3]通過對產生鋅流紋缺陷的因素進行統計分析，確認了氣刀控制參數及鋅液中鋁含量等主要影響因素；張海尉[4]分析了鋅液鋁含量對鍍鋅工藝的影響，并給出了有效鋁精準的測量方法；楊譯[5]研究了0.4～0.5 mm 規格的薄帶鋼鋅流紋缺陷的控制措施，指出消除鋅流紋的原則是增大薄帶鋼出鋅鍋后所含的熱量。 上述文獻分析了一般熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷的產生機理和主要影響因素，并給出了優化措施，其中帶鋼規格最薄為0.4 mm，但目前對更薄帶鋼熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷的研究較少。

本工作以0.35 mm 以下極薄規格熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷為研究對象，分析了鍍鋅生產工藝中對鋅流紋缺陷影響較大的因素，通過優化相關工藝方案，較好地控制了極薄規格熱鍍鋅帶鋼鋅流紋缺陷的產生，滿足了生產要求。

1 極薄規格鋅流紋缺陷描述

極薄規格帶鋼由于在進入鋅鍋之前自身所攜帶熱量少，加之氣刀氣流對帶鋼的冷卻作用，加速了鋅液的凝固速率，造成極薄規格帶鋼鋅流紋缺陷明顯，鋅流紋缺陷如圖1 所示。 由于極薄規格鍍鋅板主要是彩涂后用于高端家電產品，而鋅流紋缺陷在彩涂后無法被覆蓋從而影響美觀，因此需要對極薄規格鋅流紋缺陷進行進一步攻關。

圖1 鋅流紋缺陷Fig.1 Zinc flow defect

2 影響鋅流紋缺陷產生的主要因素

帶鋼鍍鋅出鋅鍋后，以帶鋼為核心到鋅液表面的溫度依次降低，氣刀吹出的高壓空氣在帶鋼表面產生一個向下的空氣流，將多余的鋅液吹落，當鋅液溫度接近凝固點時，在重力及氣刀的作用力下會產生鋅流紋缺陷。 鍍鋅生產工藝中，對鋅流紋缺陷影響較大的因素包括:鋅液溫度，鋅液鋁含量，帶鋼入鍋溫度及氣刀工藝參數等因素。 下面分別分析各影響因素的影響機理。

2.1 鋅液溫度的影響

鋅的熔點是419.5 ℃，實際熱鍍鋅鋅鍋中鋅液溫度一般設定在450～470 ℃之間。 帶鋼出鋅鍋后，附著在帶鋼上的鋅液開始降溫，并逐漸凝固到帶鋼表面。 剛出鋅鍋時，帶鋼上鋅呈現液體流動狀態，溫度越高，流動性越好，所需要的凝固時間也更長[6]。 根據實踐經驗，鋅液溫度越高，帶鋼表面的鍍層越平滑，鋅流紋缺陷越少。 隨著鋅液溫度升高，鋅液表面的蒸發和氧化也在不斷加劇，鋅渣缺陷就會增加，實際生產工藝會在兩者之間取一個平衡。

2.2 鋅液鋁含量的影響

鋅液中鋁含量對鋅液的黏度影響較大。 鋅液中添加一定量的鋁元素，會增加鋅液的流動性和浸潤性，鋅液流動性增強，可在一定程度上減少鋅流紋缺陷的發生。 由于鋁的化學性能比鋅更活潑，大量鋁元素的存在會加大鋁鐵的反應烈度，產生含鋁相、鋅鐵化合物相，加速鋅液的消耗，并產生大量的鋅渣。 所以，鋅液中鋁的含量控制在一個較低的水平對鍍鋅是有益的。

2.3 帶鋼入鍋溫度的影響

薄帶鋼由于自身熱量較少，在出鋅鍋后降溫較快，使附著在帶鋼上的鋅液在氣刀壓縮空氣的冷卻下很快變得黏稠。 由于不同厚度帶鋼在入鋅鍋時所帶的熱量不同，對于厚帶鋼來說，攜帶熱量較多，而對于極薄帶鋼來說，由于其所攜帶的熱量較少以及氣刀噴吹的氣流對帶鋼也有冷卻作用，因此薄帶鋼的鋅層在經過氣刀之前就會凝固產生鋅流紋缺陷，因此對于厚度不同的帶鋼應該采用不同的入鍋溫度。

2.4 氣刀工藝參數控制的影響

氣刀工藝參數控制對鋅流紋缺陷的產生有重要影響，主要氣刀工藝參數包括:氣刀噴出的空氣流的壓力、氣刀噴嘴與帶鋼的距離及氣刀噴嘴距鋅鍋中鋅液面的高度[7]。 在生產時從氣刀參數控制來減少鋅流紋缺陷，利用盡可能小的風量增加氣刀與帶鋼的距離來控制鋅流紋缺陷的產生。

3 極薄規格帶鋼鋅流紋缺陷控制措施優化

3.1 入鍋溫度以及鋅液溫度優化

帶鋼的入鍋溫度決定了帶鋼本身所攜帶的熱量，同時也間接決定了鋅流紋缺陷的狀態，而帶鋼的入鍋溫度用何值最為合理，一般認為在生產過程中當感應器功率在較小值時，鋅鍋的最佳控制狀態是熱量散發與吸收的熱量平衡。 以鋅鍋的熱平衡為理論計算依據，根據帶鋼規格計算帶鋼的入鍋溫度。

3.1.1 離線狀態感應鋅鍋熱支出

(1)鋅液表面的熱量散失對流散熱量計算[8]如式(1):

式中，Q1為鋅液散熱量，kJ/h；F1為表面積，m2；T1為鋅液溫度，℃；T2為環境溫度，℃；Ap 為鋅液散熱系數，kJ/(m2·h·℃)。

(2)鋅鍋中鋅液輻射散熱量計算[9]如式(2):

式中，Q2為鋅液輻射熱量，kJ/h；ξ12為鋅液面的黑度系數；φ1-2為鋅液吸熱系數；C0為輻射系數，kJ/(m2·h·℃)。

同理可以計算出鋅鍋4 個側面以及鋅鍋的底面散失的熱量，可得鋅鍋在離線狀態時，總的熱量支出的計算如式(3):

3.1.2 鋅鍋感應器功率計算

鋅鍋處于離線狀態時，熱源只有感應器，要使鋅鍋溫度達到455 ℃保持恒定，則感應器提供的熱量需要彌補鋅鍋散失的熱量[10]，如式(4):

當鋅鍋在離線狀態時鋅液溫度保持某一溫度時，通過式(4)計算可知鋅鍋的加熱功率，在此基礎上，計算鋅鍋在線時的熱支出。

3.1.3 鋅鍋在線時熱支出

鋅鍋處于在線狀態時，持續給鋅鍋添加鋅錠，維持鋅鍋液位的平衡，此時需要考慮熔化鋅錠所需的熱量，即:

式 中，Q7為 熔 鋅 熱 量， kJ/h；CZ為 鋅 的 熱 容 量，kJ/(kg·℃)；G為鋅需求量，kg；T5為鋅錠實際溫度，℃；L為熔化熱系數，kJ/kg。

計算單位時間內生產所需鋅錠的質量，根據速度控制規定，得到生產不同規格帶鋼每小時加入的鋅錠量，將生產不同規格的帶鋼每小時消耗的鋅錠質量代入上式，即可得到生產不同規格的帶鋼每小時鋅錠熔化所吸收的熱量Q7。

3.1.4 帶鋼入鍋溫度的計算

帶鋼帶入鋅鍋的熱量計算如式(7):

2.來自國內的競爭。黑龍江省是我國冰雪產業的龍頭，哈爾濱國際冰雪節是世界四大冰雪節之一，哈爾濱冰雪大世界、太陽島雪博會、亞布力滑雪場和雪鄉都是中國知名冰雪旅游品牌。哈爾濱市已經成為國際冰雪旅游服務的核心，也是我國冬季冰雪旅行目的地首選城市。[7]此外，主打冰雪休閑的大慶和齊齊哈爾、主打民俗文化的佳木斯、主打森林旅游的伊春也都在快速發展。黑龍江省近六年的春節黃金周累計接待國內外游客超過8000萬人，是吉林省游客數量的2倍。

式中，Q入為帶鋼熱量，kJ/h；W為機組單位時間生產帶鋼量，kg/h；CF為帶鋼的比熱系數，kJ/(kg·℃)；T6為帶鋼鍍鋅前的溫度，℃。

要達到鋅鍋的熱量平衡，則需:

又因式(4)，

根據產線速度與規格關系計算出機組單位時間生產帶鋼量(W)，機組單位時間生產帶鋼量如圖2 所示，將實際數值代入式(11)，得出所需規格帶鋼進入鋅鍋前所需的溫度值，入鍋溫度和帶鋼規格的關系如圖3所示。 以單一寬度750 mm 帶鋼為例，其入鍋溫度與規格的關系表現為一條曲線，即入鍋溫度和帶鋼厚度關系曲線。 從入鍋溫度和帶鋼厚度的關系曲線可以很方便地查到入鍋溫度設定值。 入鍋溫度和帶鋼厚度的關系(寬度:750 mm)如圖4 所示。

圖2 機組單位時間生產帶鋼量Fig.2 Unit time production of strip steel(W)

圖3 入鍋溫度和帶鋼規格的關系Fig.3 Relationship between the temperature of entering the boiler and the thickness of strip steel

圖4 入鍋溫度和帶鋼厚度的關系(寬度:750 mm)Fig.4 Relationship between the temperature of entering the pot and the thickness of the strip steel (width: 750 mm)

根據理論計算的帶鋼入鍋溫度并結合現場實際生產情況，對帶鋼的入鍋溫度以及鋅液溫度進行優化，根據入鍋溫度和帶鋼規格的關系，確定不同規格帶鋼的入鍋溫度。

3.2 鋅液鋁含量精準控制

從理論上講，鋅鍋形成底渣的條件是鋅液中鋁元素的含量低于0.135%(質量分數)，而形成浮渣的條件是鋁元素的含量高于0.135%；鋅液鋁元素的含量超過0.230%，鋅渣析出速度明顯加快，在實際控制中，由于檢測值存在波動，為避免出現底渣，根據經驗最好把鋁含量控制在0.180%～0.220%之間，可將設定值取中間值0.200%，這樣能最大限度減少控制超限情況。 較小的控制范圍，對鋁含量的精準檢測要求極高。 為提高鋁含量的檢測精度，需要增加在線鋁含量分析儀。

本工作以氧化鋯測量鋅液鋁含量傳感器為在線測量系統，其測量原理是鋁濃差電池原理[11]，鋁濃差電池原理圖如圖5 所示。 圖5 中ET 指電極，英文electrode的簡稱。 利用氧化鋯傳感器可準確地連續監控鋅鍋的溫度和有效鋁含量。

圖5 鋁濃差電池原理圖Fig.5 Schematic diagram of aluminum concentration difference battery

能斯特(Nernst)方程:

由能斯特方程得出其濃差電勢差:

F鋁鹽表示傳感器中鋁的含量，可在說明書中查得，電壓傳感器測量濃差電池輸出電勢差E，通過式(13)就可以計算出鋅液中鋁的含量F鋅液。

在鋅鍋中安裝在線鋁含量傳感器，實時檢測鋅液鋁含量，通過添加高鋁錠和純鋅錠的方式，調節鋅液中鋁的含量，該方法測量數據準確，有效地解決了有效鋁的鋁含量控制難的問題，取得了很好地應用效果。 鋁含量監測曲線如圖6 所示，從圖中可以看到，監測值基本運行在上下限之間。

圖6 鋁含量監測曲線Fig.6 Aluminum content monitoring curve

3.3 氣刀工藝控制的優化

氣刀的主要工藝參數[12]為氣刀距離、氣刀壓力、氣刀高度，根據流體學理論，在同樣的鍍層下，氣刀的距離越近，所需的氣刀壓力越??；同時氣刀的冷卻作用也越小。 為了驗證不同氣刀參數對鋅流紋缺陷的影響，進行了以下對比實驗:

選用3 卷0.35 mm 規格的實驗卷，進行對比實驗，設計了不同氣刀距離、壓力及高度的對比實驗，鍍層Z80、產線速度控制在120 m/min、氣刀采用氮氣、帶鋼入鍋溫度控制在480 ℃，分別采用以下氣刀參數生產，然后再出口觀察對應參數下的表面鋅流紋缺陷狀態。氣刀工藝實驗對比如表1 所示。

表1 氣刀工藝實驗對比Table 1 Comparison of air knife process experime

通過以上實驗，當氣刀與帶鋼距離是8 mm、氣刀壓力時440×10-3bar、氣刀距鋅鍋頁面高度是400 mm時鋅流紋缺陷最輕。 因此確定了生產極薄規格帶鋼時采用小距離、小壓力的思路。

3.4 氣刀噴吹介質的優化

某鍍鋅線氣刀是杜馬氣刀，同時具備吹空氣和氮氣的能力[13]，為了分析不同噴吹介質對鋅流紋缺陷的影響，對不同噴吹介質下的帶鋼進行對比實驗，氣刀噴吹介質對比實驗卷明細如表2 所示。 成品取樣后觀察其宏觀形貌可以看出，空氣氣刀樣品外觀有鋅流紋，無觸感，小鋅花；N2氣刀樣品外觀均勻，無鋅花。

表2 氣刀噴吹介質對比實驗卷明細Table 2 Details of comparison test Coil of air knife injection medium

對實驗卷分別取樣進行電鏡分析，如圖7 所示。觀察樣品表面可以看出，空氣氣刀樣品表面有大量皸裂紋狀枝晶，鋅層表面枝晶狀特征顯著，鋅流紋明顯可見。 氮氣氣刀樣品鋅層上枝晶較少，晶界較淺，鋅流紋較輕微。

圖7 氣刀樣品電子三維掃描對比圖Fig.7 Comparison of electronic 3D scanning of air knife samples

從上述分析對比中可以看出2 個樣品的主要差別在鋅層的晶粒度以及枝晶的狀況。 由于鋅層在液態和高溫的時間相對較短[13]，氮氣氣刀樣品的鋅層晶界明顯比空氣氣刀樣品淺，鋅流紋缺陷表現要比空氣氣刀輕微。 因此確定生產極薄規格帶鋼時氣刀的噴吹介質使用氮氣效果更好。

3.5 極薄規格帶鋼鋅流紋缺陷控制方案

(1)帶鋼入鍋溫度控制 根據入鍋溫度和帶鋼規格的關系，確定不同規格帶鋼的入鍋溫度，帶鋼入鍋溫度控制誤差范圍±5 ℃。

(2)鋅鍋工藝控制 執行鋁含量控制要求:目標0.180%～0.220%，盡可能穩定在0.200%。

(3)氣刀工藝控制 氣刀距離控制范圍在工況滿足的情況下，盡量使用小距離；生產0.35 mm 以下帶鋼必須使用氮氣；氣刀壓力控制范圍450×10-3bar 以下，根據鍍層厚度、產線速度、氣刀距離進行調整；氣刀高度設定在400 mm；氣刀擋板控制范圍≤4 mm，保證擋板與帶鋼在同一平面，生產前提前檢查擋板是否粘渣，及時清理擋板。

根據以上措施，極薄規格(厚度≤0.35 mm)鋅流紋缺陷較之前得到大幅度改善。

4 總 結

本工作在總結鋅流紋缺陷一般規律的基礎上，通過理論計算、實驗調整及設備改造，優化了極薄規格帶鋼鍍鋅工藝方案，滿足了0.35 mm 以下極薄規格熱鍍鋅帶鋼的生產要求。 通過計算鋅鍋熱平衡，從理論上計算帶鋼入鍋溫度值，通過實驗測試，給出參考值；通過增加鋁分析儀，保證了鋅液鋁含量的精準控制；通過氣刀工藝參數實驗，找到最優控制值。

通過以上措施的實施，滿足了產線極薄規格帶鋼鍍鋅要求，有效控制了鋅流紋缺陷的發生。