鋼板熱鍍鋅生產中鍍液表面浮渣分析

李碧琳+金東升

摘 要：通過化學成分分析、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，主要物質是Zn單質，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，鋅鍋表面產生大量浮渣。造成合金浪費，成本增加，影響熱浸鍍層表面質量。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的轉換過程中由于底渣不斷轉變為浮渣而加劇，導致在轉換期間無法生產高質量的熱鍍鋅產品[2]。鋅液中的鋅渣在沉沒輥和穩定輥上累積，當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）等一系列的化學反應，形成鋅渣[4]。鋅液中的有效鋁含量在0.135%以上，鋅渣質點在發生布朗運動的同時也會與鋁發生碰撞反應，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。碘乙醇法中用到結晶碘、無水乙醇。

主要設備包括SG：2-6-10外熱管式井式燒結爐、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）浮渣及鍍液化學成分分析。

（2）浮渣差熱分析。

（3）電解實驗：作為電解實驗的預處理實驗，先對浮渣原渣進行提Zn燒結。利用井式燒結爐對浮渣原渣進行燒結，將溫度分別調至420℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃進行燒結，倒出的合金錠進行電解實驗。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，電解提Zn燒結剩余的浮渣。電解后過濾溶液中的濾渣及陰極產物，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 試驗結果與分析

3.1 化學成分分析

如表1及表2所示，浮渣的主要物質是Zn，與鍍液的化學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，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致鋼板熱鍍鋅過程中的液面產生氣流，氣流將距離氣刀遠的鋅液中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生新的浮渣。這樣周而復始就在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，對工況下的浮渣進行能譜實驗分析。

圖2是對應的能譜圖，表3是該個圖的化學成分表。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。

為進一步確定浮渣的成分對浮渣進行XRD檢測，檢測結果如圖3所示，說明浮渣的主要成分為Zn單質。

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（419℃），說明浮渣的主要成分為Zn單質，還存在熔點要高于Zn單質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，提Zn燒結的提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燒結后的浮渣進行電解處理，通過過濾、脫水等手段除掉一些單質元素后對剩余物進一步XRD檢測分析。

檢測結果如圖5所示，電解產物主要為PbSO4，其中的SO42-離子可能是由電解液帶入產生，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，發現大部分浮渣溶解，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成分，取黑色粉末進行XRD檢測分析。結果如圖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 結論

對工礦下浮渣產物進行化學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，得出如下結論：

（1）浮渣的化學成分與鍍液相似，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：

[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.鋼帶熱鍍鋅技術問答[M].北京：化學工業出版社，2007：8-20.

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

作者簡介：李碧琳（1988-），女，蒙古族，專業課教師。endprint