高強度低合金鍍鋅板的開發*

欒彩霞

(濟南鋼鐵股份有限公司)

高強度低合金鍍鋅板的開發*

欒彩霞

(濟南鋼鐵股份有限公司)

闡述了利用美鋼聯法熱浸鍍鋅工藝生產高強度低合金熱鍍鋅板的合金設計思想以及熱軋、冷軋工藝、熱鍍鋅工藝對產品性能的影響，為更高強度結構鍍鋅板的開發提供了參考。

熱鍍鋅 美鋼聯法 高強度低合金板 產品性能

0 前言

近年來，隨著能源(如煤炭、電力和石油等)和鐵礦石價格的不斷攀升，鋼材的價格也隨之有了大幅度的上升。因此，出于經濟方面的考慮，要求用高強度的鋼材取代普通低碳鋼。高強度熱鍍鋅鋼板也在這一趨勢下得到了快速的發展，其所占的市場份額正在逐年上升［1］。

開發高強度熱鍍鋅鋼板，要解決兩個矛盾。首先是為提高基板強度向鋼中添加必要合金元素與合金元素對鋼板可鍍性之間的矛盾，第二是高強度鋼板需要特殊的熱處理與熱鍍鋅之間的矛盾。解決這兩個問題，涉及到熱鍍鋅生產線必要的設備和適合熱鍍鋅的基板成分工藝設計［2］。

1 技術指標及化學成分設計

1.1 技術指標

高強度低合金鍍鋅板的主要技術指標見表1。

表1 高強度低合金鍍鋅板的主要技術指標

1.2 化學成分設計

1)C。鋼基中的碳含量對熱鍍鋅有顯著影響。碳含量愈高，鐵－鋅反應愈劇烈，鋼板的鐵損量越大，Fe－Zn合金層變厚，從而導致合金層變脆，塑性下降，使鍍鋅層粘附性變差，加工變形時容易脫落。同時，C是低碳鋼中最經濟的強化元素，含量過高能降低鋼的塑性和沖擊韌性，惡化冷成型性能和焊接性能，所以在保證強度的前提下，有逐漸下降的趨勢。

2)Si。鋼中存在的硅可使鐵在鋅液中的溶解速度加快，是促進鐵鋅反應最劇烈的一種元素。隨著鋼中硅含量的增加，鋼在鋅液中的鐵損值(代表反應速率)也增加。鋼中硅含量影響鐵鋅金屬間化合物層厚度。鋼中含硅量較高時，會使鍍層中鐵鋅金屬間化合物層中的ξ相迅速生長，并將ξ相推向鍍層表面，致使表面粗糙無光，形成粘附性差的灰暗鍍層。因此，鋼中硅的影響還表現在影響鍍層的結構、外觀和性能。熱鍍鋅基板一般要求硅含量≤0.05%。

3)Mn。對鋼的強韌性有一定的影響，含量偏低，強度將下降，過高，則影響鋼板的冷沖壓和焊接性能，較高的Mn含量也會加劇磷的偏析，因此在保證強度前提下，Mn含量控制在合適的范圍內。

4)P。鋼中的磷對熱鍍鋅有明顯的影響，微量的磷能促進ξ相的異常生長，使ξ相晶粒粗大并同時抑制δ相生長。當磷在基體表面或生長的鋅合金層中偏析，會造成ξ相的迸發形成。當磷含量在0.15%左右時，由于ξ和δ相的生長速度較快，使η相層變薄，在η相較薄的鍍層表面會出現無光澤的斑點。磷還影響熱鍍鋅層鐵鋅反應速率，其作用相當于硅的0.5倍，因此應盡可能降低磷在鋼中的含量。

5)S。硫在鋼中易形成MnS夾雜物與偏析，降低鋼的塑性、冷成型性和沖擊韌性，因此應盡可能降低硫在鋼中的含量。

6)Al。熱鍍鋅原板一般采用低碳鋁鎮靜鋼。鋼中鋁與氮化合生成氮化鋁，通過適宜的軋制、退火工藝可控制氮化鋁的固溶和析出，使帶鋼形成〈111〉織構和餅形晶粒，提高鋼帶的成型性能和抗時效性，并作為補充脫氧劑加入鋼中，改善鋼質。

綜合考慮各元素對性能及鍍鋅的影響，并參照標準，確定高強度低合金熱鍍鋅基板的化學成分。實踐證明，當鍍鋅板要求的屈服強度在350 MPa以下，成型性要求不是很高的條件下，不需要添加Nb、V、Ti等元素，僅通過調整碳和錳元素的加入量，嚴格控制硅含量及軋制(特別是冷軋)和連續退火工藝，可以生產出合格的高強度鍍鋅板。

2 生產工藝

2.1 工藝流程

高強度低合金鍍鋅板的生產工程流程為:轉爐冶煉→LF→ASP連鑄熱軋→連續酸洗→可逆式雙機架冷軋→美鋼聯法連續熱浸鍍鋅。

2.2 煉鋼工藝

煉鋼的基本任務是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調整成分。采用LF爐外精煉既降低成本，又能夠保證高強度低合金熱鍍鋅鋼板冶煉指標的控制水平。采取的措施包括:KR預處理，保證鐵水S≤0.010%，扒渣干凈;轉爐采用擋渣操作，嚴格控制下渣量，渣層厚度≤50 mm;進LF爐后視渣況補加螢石或石灰化渣，脫硫過程中要嚴格控制［N］的增加;連鑄過程中全程保護澆鑄，控制拉速和鋼水過熱度，中包使用低碳低硅覆蓋劑，使用低碳保護渣。隨機抽取冶煉的100爐，化學成分均達到了設計要求，實踐證明，上述措施的實施使各元素含量的控制能夠很好滿足成分設計的要求。

2.3 熱軋工藝

熱軋過程的各項工藝參數對熱軋卷板的最終質量將產生決定性的影響。其中加熱溫度是最重要的工藝參數，加熱溫度決定了軋制的開軋溫度，也影響終軋溫度，合理的加熱制度應能滿足軋機產量需要，溫度均勻，不產生各種加熱缺陷，燃耗低。終軋溫度和卷取溫度是熱軋帶鋼控制軋制和控制冷卻的主要參數，決定了熱軋卷的最終產品性能。因此高強度熱鍍鋅鋼帶熱軋工藝原則是:采用必要的控制軋制與控制冷卻工藝，得到均勻的細小的晶粒度、均勻彌散的第二相，同時要求較高的表面質量與板形，為得到高質量的冷軋板做好準備。

2.4 冷軋工藝

冷軋板的性能對鍍鋅板的最終性能是決定性的，而在冷軋工藝中對鍍鋅板影響最大的就是冷軋壓縮比，冷軋壓縮比過小，板材微觀組織中的鐵素體變形量不夠，造成最終鍍鋅產品強度偏低;冷軋壓縮比過大，易造成鍍鋅產品硬度過高，屈強比過高，對鍍鋅板的伸長率不利。生產實踐表明，冷軋壓縮比選擇在60%～80%是比較合理的。熱鍍鋅對原板質量其他要求還有:冷軋原板要有符合標準的粗糙度以及符合規定的寬度和厚度公差，粗糙度過大影響鍍鋅過程中鋅花的形成，同時大的表面粗糙度也可能造成原板表面殘油過多，影響鍍層的附著力;冷軋原板表面應當清潔(板面的清潔度主要取決于冷軋機組的軋制乳化液的污染程度，特別是乳化液中的雜油含量)，以保證鋅花的尺寸均勻及良好的鍍層附著力;冷軋原板要有良好的板形，保證帶鋼在熱鍍鋅機組中正常運行。

2.5 鍍鋅工藝

鍍鋅工藝的主要控制點是退火和熱浸鍍。

2.5.1 退火工藝制度

帶鋼的再結晶退火過程對帶鋼的力學性能有著重要的影響［3］，是帶鋼熱鍍鋅生產的關鍵工藝環節之一。熱鍍鋅原板經過退火要達到兩個目的:第一，帶鋼在退火爐內要加熱到再結晶溫度以上并保溫、均熱，最后冷卻到入鋅鍋溫度。第二，要使帶鋼具有一個清潔的無氧化物存在的活性表面，并且使帶鋼密封地進入鋅鍋中進行熱鍍鋅。濟鋼鍍鋅線立式還原退火爐工藝流程及結構如圖1所示。

圖1 還原退火爐工藝流程圖

冷軋鋼帶經過入口密封室進入加熱與均熱合一的爐膛，在上下爐輥之間迂回15個道次，完成鋼帶的再結晶退火工藝。同時在高純氮氫混合保護氣體的作用下，鋼帶表面被還原成海綿狀的純鐵層。鋼帶接著進入快冷爐，在兩個道次的運行中，經過噴射冷卻，冷卻到進鋅鍋前要求的460℃～480℃的溫度。鋼帶從快冷爐出來，進入均衡爐是鋼帶溫度均勻化，再經過熱張輥、爐鼻子，在密閉的狀態下進入鋅鍋，完成熱浸鍍工藝。

2.5.2 熱浸鍍工藝制度

熱浸鍍主要是控制鋅鍋內鋅液成分、鋅液溫度和浸鍍時間［4］。鋅液成分中鋁含量控制在0.18%～0.21%，鐵含量控制在0.03%以下，鉛的含量因鋅花結構的不同而不同。熱鍍鋅生產中鋅液溫度的高低，會直接影響鍍件的鍍層質量［5］。溫度過低，會降低鍍層的結合強度和鋅液的流動性，使鋅層發生堆積加厚不均勻，甚至有使鋅液凝固的危險;溫度過高時，會加速鋅液的氧化速度和Zn－Fe合金的溶解速度，合金層增厚，脆性增加，鋅渣增多，鋅層厚度減薄，鍍層表面發黃、發黑。熱鍍鋅時鋅液溫度一般控制在460±5℃。在浸鍍過程中，合金層的厚度與浸鍍時間呈拋物線規律變化。鋅液溫度固定，延長浸鍍時間，會引起Zn－Fe合金層的增厚，對于鍍層的韌性有著很壞的影響。縮短浸鍍時間，必然引起鍍層減薄，可能不能滿足一些特殊使用要求，浸鍍時間過短，還有可能引起漏鍍。因此，浸鍍時間必須掌握得當，以60 s～200 s的浸鍍時間為合適。熱鍍鋅鍍層形成過程如圖2所示。

圖2 熱鍍鋅鍍層形成過程

3 產品的實物質量

3.1 鋅層組織

鋼鐵熱鍍鋅是固態金屬與液態金屬的反應和擴散，是鋼基表面層化學成分與組織結果發生變化的過程。熱浸鍍鋅后，由鋼基表面向外依次為Г相、δ相、ξ相和表面自由鋅層η相，熱浸鍍純鋅鍍層組織如圖3所示。

圖3 熱浸鍍純鋅鍍層組織

3.2 力學性能分析

濟鋼高強度低合金熱鍍鋅鋼帶目前已經生產3萬余噸，濟鋼高強度鍍鋅板的實物性能統計數據見表2。

表2 濟鋼高強度鍍鋅板的實物性能

將表2中數據與表1中的要求對比，可以看出，濟鋼生產的各強度級別鍍鋅板均能滿足性能要求，并且有較多的富余量，說明按照本文所述的元素成分設計、軋制工藝、連續退火工藝、熱浸鍍工藝，完全能夠生產出合格的產品。

3.3 鋅層附著性及鋅層重量分析

對每卷熱鍍鋅鋼帶的鋅層附著強度進行了檢驗，彎曲試驗表明鋅層附著力均達到0T，達到歐標要求。對鍍層重量進行了檢驗，在目標值0～+5 g/m2范圍內的占統計百分數的90.7%，在目標值+6～+9 g/m2范圍內的占統計百分數的7.6%，既保證了合格率，又避免了成本的提高。

4 使用效果

高強度低合金熱鍍鋅鋼帶目前已經大批量生產，產品出口比利時、印度、西班牙等國家，綜合實物性能達到用戶要求及標準要求，產品經使用后深受用戶的歡迎，每月都有用戶訂貨且數量較大。目前的產品生產規格已經擴展到:厚度0.2 mm～1.2 mm，寬度 800 mm～1250 mm，鋅層重量 60～275 g/m2，滿足不同用戶的要求。

5 結論

1)所制定的高強度低合金熱鍍鋅板的化學成分、工藝規程合理正確，其力學性能均達到設計要求，滿足用戶需求。

2)該產品的成功開發 為更高強度鍍鋅板的開發提供了參考，為濟鋼冷軋產品的結構調整提供了技術依據。

［1］陳東.我國熱鍍鋅的現狀、技術進展和發展動向.中國腐蝕與防護協會.第四屆全國腐蝕大會論文集，2004:27－39.

［2］A.Pichler，S.Traint.etc.High strength hot－ dip galvanized steel grades:a critical comparison of alloy design，line configuration and properties.Iron And Steel Make，Vol30，2003，No.6.

［3］王丹民，李華德，周建龍.熱軋帶鋼力學性能預測模型及其應用［J］.北京科技大學學報，2006，28(7):687 －690.

［4］朱立.鋼材熱鍍鋅［M］.北京:化學工業出版社，2006:23－30.

［5］黃家平.熱浸鍍鋅溫度控制的研究［J］.長春大學學報，1999，9(1):16－19.

DEVELOPMENT OF HIGH STRENGTH LOW ALLOY HOT DIP GALVANIZING STEEL

Luan Caixia
(Jinan Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

The alloy design ideas of the high strength low alloy hot dip galvanizing steel produced by UEC process as well as the effects of the hot rolling and cold rolling and hot－dip galvanizing process to the properties of the steel are discussed in this paper，which provide references for the development of the higher strength structure hot dip galvanizing steel.KEY WORDS hot dip galvanizing UEC high strength low alloy sheet product property

*聯系人:欒彩霞，碩士，工程師，山東.濟南(250101)，濟南鋼鐵股份有限公司科技質量部;

2011—11—7