鋼板熱鍍鋅生產(chǎn)中鍍液表面浮渣分析

李碧琳+金東升

摘 要：通過化學(xué)成分分析、電解處理等實驗方法及對工況下浮渣的形貌、能譜和XRD分析，確定浮渣主要形貌為條絮狀，主要物質(zhì)是Zn單質(zhì)，含有少量Fe-Al化合物和微量氧化物。鍍液浮渣主要是由于熱浸鍍工藝中氣體抹拭造成的。氣刀處冷速過快一方面導(dǎo)致鍍液表面形成的ZnO迅速冷卻，形成氧化物薄膜包裹Zn渣上浮，一方面使分布在條絮狀浮渣上的氧化物晶粒度變小、接觸面積變大，帶動Zn渣上浮。

關(guān)鍵詞：熱鍍鋅；鋅渣；氧化鋅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.003

鋼板熱鍍鋅過程中，鋅鍋表面產(chǎn)生大量浮渣。造成合金浪費，成本增加，影響熱浸鍍層表面質(zhì)量。浮渣在鋼帶穿過鋅液時直接粘附于鋼帶表面，形成鋅渣缺陷[1]，在熱鍍鋅液由GA向GI的轉(zhuǎn)換過程中由于底渣不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楦≡觿?，?dǎo)致在轉(zhuǎn)換期間無法生產(chǎn)高質(zhì)量的熱鍍鋅產(chǎn)品[2]。鋅液中的鋅渣在沉沒輥和穩(wěn)定輥上累積，當(dāng)鋼帶通過輥子時被壓到帶鋼表面，形成點狀壓痕。

1 鋅渣的形成原因

鋅渣在鋅液中的狀態(tài)有三種：底渣、自由渣、浮渣[3]。帶鋼表面殘留一定的鐵粉粒子被帶入鋅液中，鐵原子與鋅液中的鋅鋁合金發(fā)生2FeZn7+5Al→Fe2Al5+14Zn（上浮）、Fe+7Zn→FeZn7（下沉）、2Zn+O2→2ZnO（氣刀處）等一系列的化學(xué)反應(yīng)，形成鋅渣[4]。鋅液中的有效鋁含量在0.135%以上，鋅渣質(zhì)點在發(fā)生布朗運動的同時也會與鋁發(fā)生碰撞反應(yīng)，鋁會置換鋅渣中的部分鋅，形成鐵鋁的化合物與鋅混合形成浮渣[5]。所以理論浮渣應(yīng)該是密度較小的鋅鐵鋁合金。但實際存在大量本不該上浮的Zn渣。

2 試驗方法及步驟

2.1 試驗條件

試樣采用在生產(chǎn)中形成的浮渣原渣。電離實驗時用到濃硫酸、Zncl2、Nacl和H2O配制成電離液，用薄鋁片做陰極，鋼條做陽極。碘乙醇法中用到結(jié)晶碘、無水乙醇。

主要設(shè)備包括SG：2-6-10外熱管式井式燒結(jié)爐、拋光機、SR-SB型電離機、Philips X-RC型X射線衍射儀（XRD）、Philips XL30掃描電子顯微鏡（SEM）。

2.2 試驗方法

（1）浮渣及鍍液化學(xué)成分分析。

（2）浮渣差熱分析。

（3）電解實驗：作為電解實驗的預(yù)處理實驗，先對浮渣原渣進(jìn)行提Zn燒結(jié)。利用井式燒結(jié)爐對浮渣原渣進(jìn)行燒結(jié)，將溫度分別調(diào)至420℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃進(jìn)行燒結(jié)，倒出的合金錠進(jìn)行電解實驗。用鋁箔做陰極，Nacl：25g、Zncl：4g、H2SO4：4g、水溶液：250ml配成溶液作為電解質(zhì)，電解提Zn燒結(jié)剩余的浮渣。電解后過濾溶液中的濾渣及陰極產(chǎn)物，利用X射線衍射儀分析試樣中的物相。

（4）碘乙醇法檢測：利用Zn在配置的碘乙醇溶液中溶解而ZnO不被溶解的原理。將結(jié)晶碘和無水乙醇按一定比例配置成溶液在恒溫水浴加熱一段時間后，向其中加入浮渣，看其是否被溶解，用來測定浮渣中是否存在少量ZnO[6]。

（5）性能檢測：利用X射線衍射儀分析試樣中的物相，利用掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面形貌與成分分布。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分分析

如表1及表2所示，浮渣的主要物質(zhì)是Zn，與鍍液的化學(xué)成分及所占比重基本相似。

3.2 浮渣組織形貌觀察

如圖1所示，浮渣形貌都以條絮狀為主，局部呈顆粒狀。條絮狀浮渣形貌是由于氣刀離鍍液較遠(yuǎn)，氣流緩慢形成的，而顆粒狀突起的浮渣形貌是由于氣刀離鍍液較近，冷速過快形成的。在鋼板鍍鋅的工藝流程中，氣刀處的冷速過快一方面導(dǎo)致鋼板熱鍍鋅過程中的液面產(chǎn)生氣流，氣流將距離氣刀遠(yuǎn)的鋅液中Zn被氧化后迅速冷卻凝固。由于氣刀氣流推力作用，將浮渣推向左右兩邊并產(chǎn)生新的浮渣。這樣周而復(fù)始就在Zn渣表面形成一層薄薄的氧化膜，形成條絮狀浮渣，而Zn渣就是由氧化膜包裹帶動上浮。氣刀處的冷速過快在另一方面使浮渣上的氧化物晶粒度變小、接觸面積變大，帶動Zn渣上浮。因為只是在Zn渣表面形成的氧化薄膜，所以在在浮渣的SEM及XRD的性能檢測中反應(yīng)的ZnO的含量很少。

為了測定不同形貌下的組織成分，對工況下的浮渣進(jìn)行能譜實驗分析。

圖2是對應(yīng)的能譜圖，表3是該個圖的化學(xué)成分表。由此2圖可以看出雖然不同位置的浮渣的形貌存在差異，但是主要成分還都是Zn。O所占比重比除Zn外的其他金屬所占比重多或者相等。取浮渣不同位置處不同形貌的能譜觀察，存在微量Fe、Al等金屬元素。

為進(jìn)一步確定浮渣的成分對浮渣進(jìn)行XRD檢測，檢測結(jié)果如圖3所示，說明浮渣的主要成分為Zn單質(zhì)。

3.3 差熱分析

如圖4所示，在420℃時浮渣熔化，在760℃時是浮渣分解或者浮渣中其他物質(zhì)的熔點，對浮渣XRD檢測得知浮渣中其他化合物是極其微量的，因此推測760℃為浮渣的分解溫度。由DTA曲線可以得知浮渣的熔點為420℃，略高于Zn單質(zhì)（419℃），說明浮渣的主要成分為Zn單質(zhì)，還存在熔點要高于Zn單質(zhì)的少量化合物或合金，可能就是造成Zn渣上浮的ZnO或Fe-Al合金。

3.4 電解處理

浮渣中存在大量的Zn單質(zhì)，提Zn燒結(jié)的提Zn率也不高。為了更好的觀察浮渣中除Zn以外的元素組成，所以要對提Zn燒結(jié)后的浮渣進(jìn)行電解處理，通過過濾、脫水等手段除掉一些單質(zhì)元素后對剩余物進(jìn)一步XRD檢測分析。

檢測結(jié)果如圖5所示，電解產(chǎn)物主要為PbSO4，其中的SO42-離子可能是由電解液帶入產(chǎn)生，在浮渣中Pb的含量很高，但Pb的密度比鍍液密度大，它并不能造成浮渣大量上浮。另外由圖5所示，浮渣中存在一定量的Al2O3，這些氧化物有可能是造成浮渣上浮的原因，但總體來說，在浮渣中Al和Fe所占的比重極其微小，不能帶動大量Zn渣上浮。endprint

3.5 碘乙醇法檢測

為了確定浮渣中是否存在少量ZnO，選取碘乙醇法檢測[6]。將浮渣、結(jié)晶碘和無水乙醇按一定比例配置成溶液在恒溫水浴加熱一段時間后，發(fā)現(xiàn)大部分浮渣溶解，證明浮渣的組織成分大部分為Zn，但仍然存在少量黑色粉末狀不溶物。為確定黑色不溶物得化學(xué)成分，取黑色粉末進(jìn)行XRD檢測分析。結(jié)果如圖6所示，證明黑色不溶物為Fe-Al化合物和ZnO，它們都可以造成Zn渣上浮。

4 結(jié)論

對工礦下浮渣產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析確定其成分，觀察浮渣微觀形貌、分析其元素分布及相組成，探討其形成原因，得出如下結(jié)論：

（1）浮渣的化學(xué)成分與鍍液相似，其熔點與Zn相似。

（2）浮渣形貌各異。浮渣概貌為條絮狀，在更高倍數(shù)下觀察的條絮狀的浮渣表面有的較為光滑，有的條絮狀浮渣上卻存在顆粒狀的突起，還有硬幣狀組織存在。但組織成分還是以Zn單質(zhì)為主，也含有少量O。

（3）鋼板熱鍍鋅工藝流程中氣刀處的冷速過快，易于形成氧化膜或造成氧化物晶粒度變小帶動Zn渣上浮。

參考文獻(xiàn)：

[1]N.BandyopadhyayT，G Jha，A.K.Singly et al.，Corrosion behaviour of galvannealed steel sheet[J].Surface&Coatings Technology，2006（200）：4312-4319.

[2]D.Santos，H.Raminhos，M.R.Costa，et al.，Performance of finish coated galvanized steel sheets for automotive bodies[J]. Progress in Organic Coatings，2008（62）：265-273.

[3]李林，高毅.鍍鋅板表面鋅渣缺陷的控制[J].上海金屬，2007，29（05）：87-90.

[4]George Vourlias， Nikolaos Pistofids，George Stergioudis ，et al.A negative effect of the insoluble particles of dross on the quality of the galvanized coatings[J].Solid State Sciences，2005，7（04）：465-474.

[5]許秀飛.鋼帶熱鍍鋅技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：8-20.

[6]孫鴻.氧化鋅主含量測定方法的改進(jìn)[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2005，26（01）：54-55.State Sciences，2005，7（04）：465-474.

作者簡介：李碧琳（1988-），女，蒙古族，專業(yè)課教師。endprint