通過對(duì)
鍍鋁鋅機(jī)組熱鍍工藝的研究，說明了目前影響熱鍍工藝的關(guān)鍵因素有鋅鍋的類型和尺寸規(guī)格、鋅鍋感應(yīng)器類型、鋅鍋實(shí)際使用的功率大小、鋅鍋溫度波動(dòng)大小、鋅鍋內(nèi)沉沒輥系的布置、是否使用沉沒輥系刮刀、溫度制度是否合理、撈渣制度是否合理等方面，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選擇，慎重決定各項(xiàng)關(guān)鍵工藝和設(shè)備條件，采用合理的熱鍍工藝生產(chǎn)出高質(zhì)量的鍍鋁鋅產(chǎn)品。
鍍鋁鋅機(jī)組布局圖
美國伯利恒鋼鐵公司對(duì)鋁含量在1%～70%以內(nèi)的鋅鋁合金在不同的腐蝕環(huán)境下進(jìn)行了大量試驗(yàn)。結(jié)果表明，含4%～0%Al的鋅鋁合金鍍層相比純鋅鍍層而言具有更優(yōu)的耐蝕性；但鋁含量處在15%-25%時(shí)，鋅鋁合金鍍層的耐蝕性能反而下降；進(jìn)一步增大鋅鋁合金鍍層中的鋁含量，其耐蝕性能又逐步增大，當(dāng)鋁含量達(dá)70%以上時(shí)與純鋁鍍層接近。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，伯利恒鋼鐵公司1966年獲取了55%Al-Zn熱浸鍍鋼技術(shù)的多國專利權(quán)，并于1972年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，并確定其商業(yè)名稱為Galvalume。Galvalume確定的成分為55%Al-43.4%Zn-1.6%Si，鋅鋁合金中雖然加入一定量的硅在很大程度上抑制了鋼基與鋁之間的反應(yīng)。
由于鋅鍋中的鋁含量高，在生產(chǎn)中鋼基與鋅鋁熔池中的鋁發(fā)生反應(yīng)仍較為劇烈，同時(shí)也將腐蝕熱浸鍍鋅鋁鍋及沉沒輥等鋼鐵構(gòu)件，Galvalume生產(chǎn)中非常嚴(yán)重的問題是鋁鋅鍋中極易出現(xiàn)底渣，同時(shí)產(chǎn)生的鋁鋅硅渣的密度和熔融鋁鋅硅熔池相差不大，在生產(chǎn)中細(xì)微的鋁鋅硅渣將在帶鋼的攪動(dòng)下懸浮于鋅鋁熔池中，這個(gè)將影響帶鋼鍍層質(zhì)量，加劇沉沒輥系的結(jié)渣。
熱鍍鋁鋅工藝研究進(jìn)展
2.1鍍鋁鋅鋅鍋內(nèi)鋁鋅硅渣產(chǎn)生的必然性
鋅渣問題是連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線上一直以來普遍存在的一個(gè)問題。根據(jù)組成不同，鋅池中的鋅渣可分為氧化物類型（鋅、鋁的氧化物）和金屬間化合物類型（鐵鋅、鐵鋁金屬間化合物）兩大類。而根據(jù)其密度大小不同，又可分為浮渣和底渣，密度較小的將浮在鋅池表面形成浮渣，而密度較大的將沉入鋅池底部形成底渣。一般說來，鋅池的表面主要是氧化物組成的浮渣，但密度較小的金屬間化合物也可能形成浮渣。而底渣主要是一些含鐵的金屬間化合物，此外少量雜質(zhì)也可能形成底渣。
熱浸鍍過程中，鋼基和熔池之間將發(fā)生復(fù)雜而激烈的反應(yīng)，Galvalume鋁鋅熔池中一般加入1.6%的硅，以抑制鋼基體與Galvalume鋅鋁熔池之間的劇烈反應(yīng)。鋼基被溶入Galvalume鋁鋅熔池，熔池中鐵基本處于飽和狀態(tài)，當(dāng)硅加入Galvalume鋁鋅熔池以后，Galvalume鋁鋅熔池事實(shí)上變成了Fe-Al-Zn-Si四元體系，而Galvalume鋁鋅熔池主要的反應(yīng)發(fā)生在Fe-Al-Si三元體系中。從Fe-Al-Si三元相圖體系中可以看出，當(dāng)Galvalume鋁鋅熔池加入硅以后，三元化合物τ5、τ6相等存在于富鋁角區(qū)域，當(dāng)Galvalume鋅鋁熔池硅含量達(dá)到一定量時(shí)，τ5相與液相的平衡取代了原本FeAl3相與液相的平衡。正是由于鍍層中鐵鋁相轉(zhuǎn)換為τ5相存在，一定程度上抑制了Fe-Al之間的劇烈反應(yīng)。但工業(yè)生產(chǎn)中Galvalume鋁鋅鍍層金屬間化合物層上形成的τ5相不致密、不連續(xù)，容易從鍍層金屬間化合物層上脫落，成為Galvalume鋁鋅熔池中鋅鋁渣的來源之一。同時(shí)由于τ5相的不致密，鍍層中存在液相通道使得Galvalume鋁鋅液直接侵蝕鋼基體，鋼基體大量溶解導(dǎo)致Galvalume鋁鋅液中鐵含量急劇增加，促使了大量鋁鋅硅渣（主要為τ5相）的形成。
綜上所述，在工業(yè)生產(chǎn)熱鍍鋁鋅硅過程中，鐵與Galvalume鋁鋅熔池反應(yīng)生成鋁鋅硅渣的化學(xué)反應(yīng)過程是不可逆轉(zhuǎn)的，其反應(yīng)產(chǎn)物僅有一部分進(jìn)入鍍層，還有很大一部分進(jìn)入鋅鍋中，形成渣相。工業(yè)生產(chǎn)條件下帶鋼表面必然含有鐵粉，這些鐵粉與鋁鋅熔池反應(yīng)形成的鋁鋅硅渣會(huì)直接進(jìn)入鋅鍋，成為鋅鍋內(nèi)鋅渣的一部分。
2.2鋅鍋流動(dòng)場(chǎng)對(duì)底渣的影響
通過物理模型模擬和數(shù)值模擬方法可直觀地研究鋅鍋中熔體及鋅渣的運(yùn)動(dòng),從而有助于認(rèn)識(shí)鋅鍋內(nèi)質(zhì)量、動(dòng)量和能量的傳遞行為。目前這方面的研究成果較多,特別是用于傳統(tǒng)GI、GA生產(chǎn)線鋅鍋的研究，因?yàn)殇\鍋形狀的不同，鋅鍋流動(dòng)場(chǎng)會(huì)有較大差異。應(yīng)用于鍍鋁鋅生產(chǎn)的鋅鍋可以分為方鍋和圓鍋，方鍋又可根據(jù)感應(yīng)器類型的不同分為傳統(tǒng)方鍋和噴流式方鍋。
2.2.1有芯方鍋
BlueScope鋼廠對(duì)Galvalume鋁鋅鋅鍋進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬鍋中流體和溫度分布，比較有底渣（MCL4）和無底渣（MCL1）的鋅鍋中液體的流動(dòng)，并研究了兩個(gè)鍋（MCL4和MCL1）中鋅渣顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，高功率條件下，不同的鋅鍋設(shè)計(jì)，流速大于50mm/s的區(qū)域占比會(huì)有明顯差異；在運(yùn)行的帶鋼附近、轉(zhuǎn)動(dòng)的沉沒輥和穩(wěn)定輥表面以及感應(yīng)器的入出口處是高速流動(dòng)區(qū)域。
BlueScope的模擬結(jié)果表明，方鍋的形狀、感應(yīng)器類型、高低功率等因素對(duì)鋅鍋流動(dòng)場(chǎng)有非常重要的影響，鋅鍋溫度分布均勻，攪拌作用強(qiáng)烈；從感應(yīng)器流出的液體更直接地沖擊帶鋼等條件對(duì)鋅渣是否會(huì)沉入鍋底有明顯作用。
2.2.2無芯圓鍋
通過水模擬和數(shù)值模擬，結(jié)果表明圓鍋的流動(dòng)場(chǎng)與方鍋存在明顯差異。圓鍋內(nèi)鋅液的流動(dòng)受到圓形外壁的限制，存在著許多漩渦。流體運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓从阡搸У倪\(yùn)動(dòng)，因此，靠近鋼帶的流體運(yùn)動(dòng)最劇烈，靠近鍋壁的流體運(yùn)動(dòng)最滯后，而各層流體之間的運(yùn)動(dòng)又會(huì)互相影響，產(chǎn)生漩渦。鋅液在電磁力的作用下，改變了原有的流動(dòng)形態(tài)，鋅鍋內(nèi)中心的電磁力較大，對(duì)鋅鍋內(nèi)流動(dòng)的攪拌呈現(xiàn)四個(gè)循環(huán)區(qū)的攪拌特征，由于向心的電磁力增強(qiáng)了溫度分布的均勻性。
圓鍋的流動(dòng)場(chǎng)非?；钴S，造成渣相處于不停的移動(dòng)中，只有達(dá)到一定尺寸的懸浮渣才會(huì)沉積到鍋底，對(duì)鍍鋁鋅鋅渣的控制產(chǎn)生了較大影響，特別是低速生產(chǎn)時(shí)對(duì)生產(chǎn)影響更大。
2.3鋅鍋溫度對(duì)鋅渣的影響
在鋅鍋中溫度的微小波動(dòng)，可能是產(chǎn)生底渣的原因之一，鋅液中鐵的析出和熔解存在不對(duì)稱現(xiàn)象，這種不對(duì)稱現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于鐵進(jìn)入飽和的熔液而產(chǎn)生的。在任何溫度下，飽和熔液都有一個(gè)平衡狀態(tài)，帶鋼表面的鐵屑或氧化鐵皮不可能溶解于飽和熔液中，但可與55%Al-Zn合金熔液之間發(fā)生激烈的合金化反應(yīng)，形成穩(wěn)定的中間合金層。例如，按照均衡的原理，在鋅鍋溫度600℃時(shí)，鐵的溶解度為0.463%。如果鋅鍋中的鐵含量為0.5%，這就意味著，有0.037?的懸浮顆粒飄浮在熔液中，如果熔液的溫度增加到608℃，鐵的溶解度增加到0.5%，當(dāng)熔液的溫度再降低為591℃，鐵會(huì)從熔液中析出，鐵的溶解度減少為0.426%，這時(shí)熔液中鐵的懸浮顆粒量成倍增加到0.074%。這就是伴隨溫度的波動(dòng)，鐵的析出和溶解的不對(duì)稱現(xiàn)象而導(dǎo)致的鋅渣生成的原因。
鋅鍋內(nèi)熔液的溫度在5℃的范圍內(nèi)波動(dòng)是經(jīng)?？梢姷?。如果80噸鋅鍋的溫度在600℃時(shí)，每6h溫度降低5℃，這樣將析出17.2kg的鐵或54kg的中間合金。當(dāng)溫度升高時(shí)，這些鐵不能重新溶解到熔液中，那么隨著溫度在這個(gè)范圍內(nèi)的反復(fù)波動(dòng)，將產(chǎn)生大量的鋅渣。
2.4沉沒輥系結(jié)渣的必然性
目前，鍍鋁鋅沉沒輥系使用的材質(zhì)以316L不銹鋼為主，根據(jù)試驗(yàn)研究表明，316L不銹鋼在鋁鋅液中浸泡到一定時(shí)間后，表面會(huì)逐漸和鋁鋅液反應(yīng)形成渣層，富集到一定程度后將難以去除。試驗(yàn)表明：
1）20min后，樣品和鋅液之間會(huì)形成均勻的富Si相保護(hù)層；
2）40min后，富Si相保護(hù)層開始有裂紋，同時(shí)有渣粒形成；
3）60min后，樣品富Si相保護(hù)層外形成均勻的鋅渣層。
鍍鋁鋅熱鍍工藝的選擇
3.1鋅鍋類型
如果鋅鍋選擇為方鍋，則需要選擇噴射流式感應(yīng)器，熱鍍工藝的選擇上充分考慮鋅鍋功率對(duì)鋅鍋流場(chǎng)的影響，方鍋尺寸的選擇上也需仔細(xì)研究，慎重決定。另一個(gè)影響方鍋選型的關(guān)鍵因素是感應(yīng)器壽命，鍍鋁鋅用的方鍋壽命大部分不超過3年，對(duì)工藝、生產(chǎn)和維護(hù)的要求極高。
如果鋅鍋選擇為圓鍋，則需要關(guān)注電氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)故障，防止跳電和漏水問題。一般來說，圓鍋的壽命明顯大于方鍋，當(dāng)然對(duì)工藝和設(shè)備維護(hù)也有極高的要求。
3.2溫度制度
使用方鍋的鍍鋁鋅機(jī)組通常只能選擇低入鋅鍋溫度的工藝制度，為了保證鋅鍋溫度的均勻性，不能采用低鋅液溫度的工藝。使用圓鍋的鍍鋁鋅機(jī)組在溫度制度上的選擇則較為靈活，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量的要求可以采用不同的工藝制度。
3.3撈渣
無論是方鍋還是圓鍋，都要防止底渣的積塊問題，因此日常要用特殊的撈渣工具進(jìn)行撈渣，每次撈渣后要跟蹤記錄撈渣量，統(tǒng)計(jì)防止因?yàn)槟承┕に嚨淖兓斐啥唐趦?nèi)產(chǎn)生了大量鋅渣而不知道，耽擱處置時(shí)間。一旦產(chǎn)生了塊狀底渣，必須及時(shí)進(jìn)行底渣的清除。底渣清除是一項(xiàng)非常艱難的工作，尤其是堅(jiān)硬的底渣，需要采用一系列清渣技術(shù)，如：鉆孔、氮?dú)馇懈睢㈦婄P、氧槍和加鋅等方法。
3.4沉沒輥系結(jié)渣的處理
針對(duì)沉沒輥系的結(jié)渣，通過增設(shè)鋅鍋沉沒輥刮輥裝置，對(duì)沉沒輥和穩(wěn)定輥上的結(jié)渣進(jìn)行清理，保證輥面良好的工作狀態(tài)。另外可以采用特殊的噴涂材料，防止沉沒輥系的結(jié)渣。
結(jié)語
通過對(duì)鍍鋁鋅機(jī)組熱鍍工藝的研究，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，鋅鍋的類型和尺寸規(guī)格、鋅鍋感應(yīng)器類型、鋅鍋實(shí)際使用的功率大小、鋅鍋溫度波動(dòng)大小、鋅鍋內(nèi)沉沒輥系的布置、是否使用沉沒輥系刮刀、溫度制度是否合理、撈渣制度是否合理等因素共同組成熱鍍工藝的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)鍍鋁鋅產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量有至關(guān)重要的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選擇，慎重決定各項(xiàng)關(guān)鍵工藝和設(shè)備條件。
