熱鍍鋅鍍層白條缺陷研究及控制

金永清，尹紅國，寸海紅，蔣英箴，吳林倬

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司板材廠，四川 攀枝花 617000）

熱鍍鋅產(chǎn)品具有良好的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于建筑、家電、汽車等行業(yè)。隨著家電向綠色化、裝飾化、定制化的轉(zhuǎn)型升級，以及生產(chǎn)過程的智能化和連續(xù)化，家電行業(yè)對鍍鋅板表面質(zhì)量的要求也越來越高。尤其在高端家電面板使用時，對表面質(zhì)量的要求達到了汽車O5板的級別，單面不能有任何影響使用的表面缺陷［1］。因此，不斷提升鍍鋅產(chǎn)品的表面質(zhì)量，已成為家電用鍍鋅板提升市場競爭力的關(guān)鍵。

攀鋼2#、3#鍍鋅機組分別于2004年和2005年建成投產(chǎn)，產(chǎn)品主要定位于家電制造領(lǐng)域。自投產(chǎn)以來，鍍層白條缺陷一直是最主要的表面類缺陷。如圖1所示，研究前白條缺陷降組率和改判率高達14.45%和2.9%，遠高于正常水平。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障合同兌現(xiàn)和生產(chǎn)順行，攀鋼對鍍層白條缺陷進行了研究和攻關(guān)。

圖1 白條缺陷降組與改判情況Fig.1 Reduction and judgment revision of white bar defects

1 缺陷分析

鍍層白條缺陷出現(xiàn)在鋅鍋段，形貌如圖2，外觀為縱向白色長條狀，上表面較多，下表面略少，在帶鋼橫向位置無明顯規(guī)律。缺陷寬1～3 cm，長短不等，短的缺陷有10 cm，長的缺陷有6～7 m，嚴重時有手感。

圖2 白條缺陷宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of white bar defects

白條缺陷宏觀及微觀形貌見圖3。采用JSM-5600LV掃描電鏡及INCA能譜儀對缺陷進行微觀形貌特征分析見圖3（b）。從圖3可以看出，白條缺陷部位宏觀上看表面極為粗糙，通過電鏡放大后，缺陷部位存在凸起和凹坑，表面平整度較差。

圖3 白條缺陷形貌特征Fig.3 Morphological characteristics of white bar defects

表1 鍍層白條缺陷微區(qū)成分Tab.1 Composition of micro areas with white stripe defects in the coating wt.%

為查找鍍層白條缺陷產(chǎn)生原因，停機將鋅鍋中爐鼻子窺視孔打開檢查，發(fā)現(xiàn)爐鼻子內(nèi)鋅液面及內(nèi)壁存在較多的白色粉末狀物質(zhì)，如圖4（a），鋅灰撈出后呈淺灰色，如圖4（b）。

圖4 爐鼻子內(nèi)白色粉末狀物質(zhì)Fig.4 White powdery substance inside the furnace nose

采用S8 TIGER X射線熒光光譜儀對鋅灰進行半定量分析，結(jié)果如表2所示。鋅灰主要含元素Zn和O，其中Zn占比約70%，O占比20%。采用化學(xué)法和ONH836氧氮氫分析儀進行定量分析，白色粉末物質(zhì)主要由ZnO和純Zn組成，和鍍層白條缺陷的成分相近。通過成分和形貌可以判斷，鍍層白條缺陷應(yīng)為爐鼻子內(nèi)產(chǎn)生的鋅灰黏附到帶鋼表面所造成。

表2 白色粉末物質(zhì)成分分析Tab.2 Analysis results of white powder substance

2 缺陷產(chǎn)生機理及影響因素

2.1 產(chǎn)生機理

熱鍍鋅時，鋅液面不斷有鋅蒸氣產(chǎn)生，如圖5所示，這些鋅蒸氣或回到鋅液面，或在爐鼻子內(nèi)壁冷凝成鋅粉并逐漸氧化形成鋅灰。在爐鼻子正常的密閉條件下，只有不到10%的鋅蒸氣能夠冷凝下來，其他分子將可能再返回到蒸發(fā)表面［2］。同時，鋅液表面在此條件下會形成薄的氧化膜，保護鋅液不被過度氧化。由此，鋅蒸氣的揮發(fā)、冷凝和溶解形成了一個較穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，鋅灰較少，不會產(chǎn)生鍍層白條缺陷。若爐鼻子出現(xiàn)泄漏，鋅蒸氣會與氧分子反應(yīng)生成ZnO。由于ZnO的熔點遠高于純鋅，不會回溶于鋅液，導(dǎo)致平衡狀態(tài)被打破，從而產(chǎn)生大量鋅灰。而漂浮在鋅液面上的鋅灰極易黏附于帶鋼表面，形成“白條”缺陷。

圖5 爐鼻子內(nèi)鋅灰及氧化膜示意圖Fig.5 Schematic diagram of zinc ash and oxide film inside the furnace nose

2.2 影響因素

2.2.1 爐鼻子密封性

爐鼻子密封不良是鍍層白條產(chǎn)生的最主要因素。盡管爐內(nèi)為正壓系統(tǒng)，但仍會發(fā)生外界氧氣的對流滲透，主要有兩個原因［3］：一是爐鼻子內(nèi)外存在著極大的氧氣濃度差，這是氧氣能夠滲入爐內(nèi)的主要動力；二是漏點通常彎曲粗糙，導(dǎo)致保護氣體從內(nèi)向外流出阻力大，流速慢，造就了氧氣滲入爐內(nèi)的條件。如前所述，爐鼻子內(nèi)一旦滲入氧氣，就會打破鋅蒸氣平衡，產(chǎn)生大量鋅灰和鍍層白條缺陷。

2.2.2 爐鼻子露點

高溫下，保護氣體中的水分會與鋅液面發(fā)生反應(yīng)，如式（1）［4］，在鋅液面上形成一層薄而致密的ZnO膜以抑制鋅蒸氣的揮發(fā)［5-8］。在一定范圍內(nèi)隨著露點升高，越有利于氧化膜的形成，減少鋅灰和鍍層白條缺陷。反之，露點越低越不利于氧化膜的形成，會增加白條缺陷。但爐鼻子露點也不宜過高，否則帶鋼會被水分子氧化而形成露鋼缺陷，同時也不利于白條缺陷控制。

在我國科技不斷進步的過程中，我國林業(yè)的發(fā)展也逐漸向著科技化和現(xiàn)代化的方向轉(zhuǎn)變。無土栽培作為我國農(nóng)業(yè)和林業(yè)中發(fā)展較為成熟的技術(shù)，在育苗方面起到了非常大的作用。無土栽培可以通過利用其它資源代替土壤，從而達成林木快速生長的目的，同時由于植物根系并不是栽種在土壤中，而是以營養(yǎng)液代替。因此在進行移栽的過程中可以更好的保證林木種苗的成活率，為我國造林工程提供了極大的便利。

2.2.3 鋅液溫度和帶鋼入鋅鍋溫度

鋅液溫度是直接影響鋅液蒸發(fā)速率的參數(shù)。單位面積的鋅液蒸發(fā)速率ω，按lgω=-2120/T+0.45核算［9］，蒸發(fā)速率隨著溫度的升高而迅速提升，產(chǎn)生鋅灰和鍍層白條缺陷。同時，實踐又表明，當鋅液溫度超過480 ℃后，鐵損呈拋物線式急劇增加，在帶鋼表面生成脆性合金層惡化鍍層加工性能［10］，并加劇造渣反應(yīng)產(chǎn)生鋅渣缺陷，無法滿足質(zhì)量需求。

帶鋼入鋅鍋溫度可直接引起爐鼻子及三角區(qū)內(nèi)鋅液溫度的變化，提高帶鋼入鋅鍋溫度會提高鋅液溫度，從而導(dǎo)致鋅液蒸發(fā)速度加快，產(chǎn)生大量鋅灰導(dǎo)致形成鍍層白條缺陷。因此，帶鋼入鋅鍋溫度不宜過高，通常控制于440～480 ℃。

2.2.4 排鋅灰效果

對于熱鍍鋅而言，鋅灰的產(chǎn)生是必然的。因此，防止鋅灰黏附帶鋼是消除鍍層白條缺陷的重要手段。目前通常采用爐鼻子排渣法實現(xiàn)上述目的，其原理是利用機械泵抽走爐鼻子內(nèi)邊部鋅液，產(chǎn)生液位差。鋅灰通過液位差溢流到收集槽，從而保證了帶鋼周圍鋅液面潔凈。若排渣泵轉(zhuǎn)速過小，液位差消失，不利于鋅灰向邊部溢流。但轉(zhuǎn)速過大又會導(dǎo)致液面下鋅液流動變快，液面上鋅灰溢流緩慢的問題。此外，收集槽和鋅灰的距離也會影響排渣效果。

3 缺陷控制措施及效果

3.1 爐鼻子密封升級

爐鼻子冶漏的關(guān)鍵在于法蘭連接處的密封。采用整體耐熱密封橡膠圈；在法蘭工作面上開槽增加法蘭與橡膠的接觸面積和密封性；爐鼻子接觸鋅液后多次緊固螺栓；采用微氫報警儀檢測爐鼻子漏點并封堵。

通過上述措施，爐鼻子周圍H2濃度由150×10-6下降到20×10-6內(nèi)，冶漏效果良好，鍍層白條缺陷下降幅度達70%以上，缺陷嚴重度也有明顯改善。

3.2 爐鼻子露點優(yōu)化

爐鼻子露點由HNX保護氣體的濕度和流量控制。由前所述，隨著爐鼻子內(nèi)露點升高，有利于形成薄而致密的氧化膜并減少鋅灰和鍍層白條缺陷。但爐鼻子露點過高后會形成露鋼缺陷。因此，爐鼻子露點必須嚴格控制。經(jīng)過反復(fù)測試，露點維持在-20 ℃～-10 ℃時，爐鼻子內(nèi)壁鋅灰和鍍層白條缺陷明顯改善，鍍層附著力和表面質(zhì)量正常。

3.3 鋅液溫度和帶鋼入鋅鍋溫度

降低鋅液溫度有利于降低鍍層白條缺陷，但也會降低鐵的溶解度產(chǎn)生鋅渣缺陷，而鋅液溫度超過480 ℃會導(dǎo)致鋅渣變多和合金層變厚變脆等問題，因此將鋅液溫度控制于460 ℃，為杜絕溫度波動的造渣反應(yīng)，其溫度精度控制為±2 ℃之內(nèi)

帶鋼入鋅鍋溫度除了會影響鍍層白條缺陷，還會對帶鋼表面質(zhì)量造成較大影響，是熱鍍鋅關(guān)鍵工藝之一。由于不同帶鋼厚度的核心熱不同，因此帶鋼入鋅鍋溫度需根據(jù)不同厚度帶鋼和鍍層質(zhì)量進行優(yōu)化，優(yōu)化后入鋅鍋溫度與帶鋼厚度關(guān)系如表3。

表3 優(yōu)化后的帶鋼入鋅鍋溫度與厚度的關(guān)系Tab.3 The relationship between optimized temperature entering the zinc pot and thickness of the steel strip

3.4 優(yōu)化排鋅灰效果

為提高爐鼻子排灰效果，根據(jù)情況定期降低爐鼻子，縮短鋅灰和溢流板距離，有效帶走帶鋼周圍鋅灰；同時采用定轉(zhuǎn)速定液位差的方法，保證內(nèi)外液位精確控制，防止液面下排鋅和鋅灰溢流效果差的問題。此外還定期進行高轉(zhuǎn)速控制，將槽內(nèi)收集的鋅灰和鋅渣有效排出爐鼻子。通過上述措施，爐鼻子排鋅灰效果和鋅液面潔凈度有明顯改善，大幅減少減輕了鍍層白條缺陷。

3.5 改進效果

通過一系列針對性的關(guān)鍵工藝優(yōu)化和裝備升級，鍍層白條缺陷治理效果明顯。結(jié)果如圖6。

圖6 改進前后白條缺陷對比情況Fig.6 Comparison of white bar defect before and after improvement

由圖6可知，白條缺陷存在率由16.18%下降到0.22%，降級改判率由2.9%下降到0.08%，缺陷嚴重度由有手感或明顯可見變?yōu)闊o手感和極輕微色差，產(chǎn)品表面達到高端家電用鋼的質(zhì)量需求。

4 結(jié) 論

（1）熱鍍鋅產(chǎn)品鍍層白條缺陷是爐鼻子內(nèi)鋅灰黏附到帶鋼表面所形成的條狀色差缺陷，其組成是ZnO和Zn的混合物。

（2）鍍層白條缺陷影響因素有爐鼻子密封性、露點、帶鋼入鋅鍋溫度和鋅鍋溫度、爐鼻子排灰效果，其中爐鼻子密封是白條缺陷大量出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

（3）通過對爐鼻子設(shè)備及工藝的升級和優(yōu)化，形成了一套熱鍍鋅鍍層白條缺陷的有效解決方案，成效明顯。