鋅鍋底吹氮氣促進鋅渣上浮工藝實踐

王 崇， 趙長亮， 王保勇， 張曉峰

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

隨著社會經濟的迅猛發展，鋼鐵制造技術和產品日新月異，鍍鋅產品作為重要的鋼材防腐產品，以優異的耐腐蝕性能和光潔漂亮的表面，被廣泛應用于建筑、家電和農業等領域。但是鍍鋅生產技術含量高，難度大，工藝參數控制復雜，影響產品質量的因素眾多，尤其是鋅鍋中的鋅渣。鋅液中過多的鋅渣可使帶鋼表面產生鋅疤、鋅粒等表面缺陷，大量鋅渣的產生造成生產用鋅量的急劇增加，影響生產成本，因此鋅鍋中鋅渣的產生不僅造成產品質量問題，而且還直接導致生產成本的增加[1-3]。

1 熱鍍鋅生產工藝流程

原料的準備與檢查—入口段(開卷、焊接)—帶鋼的清洗工藝（化學清洗+電解清洗+物理清洗組合清洗工藝）—連續退火（預熱段、加熱/均熱段、冷卻段）—熱鍍鋅工藝（鋅鍋—沉沒輥—調整輥—氣刀—預冷段/合金化-第一冷卻段—第二冷卻段—水淬槽）—光整拉矯（光整—拉矯）—化學后處理（鈍化—磷化）—出口段（切邊—帶鋼檢查—涂油—卷取），見圖1。

圖1 熱鍍鋅生產工藝流程

2 鋅鍋關鍵工藝控制

鋅鍋工藝主要包括鋅液溫度、帶鋼入鋅鍋溫度、鋅液中Al 含量這三部分。這三部分即相互影響又相互制約，科學合理的控制這三部分參數才能獲得較好的鍍層性能[4-5]。

2.1 鋅液溫度

在鋅鍋中鋅液溫度通常作為一個常數進行控制，一般要維持在455～460 ℃之間。如果溫度超過470 ℃，則帶鋼的鐵損量將呈拋物線關系倍增，當達到500 ℃左右時鐵損量達最大值，見圖2。

圖2 鋅液溫度與鐵損的關系圖

鐵損量的增大將造成鋅渣的大量生成，造成鋅液的污染，鋅渣粘在帶鋼表面就造成了表面鋅粒缺陷，因此鋅液溫度的上限不允許超過470 ℃。同時鋅液溫度越低其流動性能越差，黏度越大。綜合確定鋅液溫度確定在460 ℃左右較為合理。

2.2 帶鋼入鋅鍋溫度

在生產實踐中得到證明，帶鋼入鋅鍋溫度和鋅液溫度的溫差愈大，對提高鍍鋅層粘附性就愈有利，高的帶鋼入鋅鍋溫度有利于Fe2Al5中間粘附相層的形成。但鐵在鋅鍋中的熔解主要發生在帶鋼剛入鋅鍋，還沒有形成Fe2Al5阻止層的時候，過高的帶溫會使入帶鋼周圍的鋅液溫度升高，造成阻止層沒有形成就會造成鐵損增大。

一般情況而言，鋅液中Al 含量較低時，應采用較高一些的帶鋼入鋅鍋溫度，當w（Al）達到0.16%以上時，帶鋼入鋅鍋溫度可以等于鋅液溫度。

帶鋼入鋅鍋溫度的確定還要考慮節約能源的問題，利用帶鋼帶入的溫度使鋅鍋感應器處于低功率狀態工作，可以省很多能源。

2.3 鋅液中Al 含量

鋅液中的Al 含量對Fe2AL5粘附層的形成起著決定性作用，熱鍍鋅工藝中均要求鋅液中含有一定量的Al。鋅液中w（Al）為0.18%～0.21%。

鋁含量過高（在0.5%以下時）隨著鋁含量的增加鋅液的流動性降低，造成鍍層過厚，給生產薄鍍層帶來困難。w（Al）低于0.1%時，容易形成底渣，若獲得好的鍍層性能需提高帶鋼入鋅鍋溫度，造成鋅液超溫。所以，要適當控制鋁含量，使之既能保證粘附層的充分形成，又避免不必要的浪費。

3 鋅渣的形成及分類

鋅渣是鍍鋅生產過程中熔入鋅液內的鐵與鋅、鋁等元素發生二元或三元反應生成的金屬化合物或氧化物，這些金屬化合物或氧化物分為兩大類：氧化鋅-氧化鋁型；鐵—鋁及鐵—鋅化合物型。其中氧化物型鋅渣主要為暴露在空氣中的鋅液面與空氣中的氧發生氧化反應生成，金屬化合物型鋅渣為鋅液中的鐵、鋁、鋅反應生成。熱鍍鋅帶鋼表面的鋅渣缺陷成為熱鍍鋅產品的主要質量缺陷之一，它嚴重地影響了熱鍍鋅產品的外觀質量[6-7]。

3.1 氧化鋅—氧化鋁型鋅渣

氧化物型鋅渣主要位于鋅液表面，生成后能夠阻止鋅液與空氣的進一步接觸而減少鋅液的氧化，除爐鼻子內外，氧化型鋅渣可通過定時的撈扒渣操作進行清理，對帶鋼表面質量影響相對較小。

氧化型鋅渣的生成主要受鋅液面氣體流動的影響，形成過程相對簡單。

3.2 鐵—鋁及鐵—鋅化合物型鋅渣

金屬化合物型鋅渣產生于鋅液中，分為鐵鋁化合物型和鐵鋅化合物型兩種，其中鐵鋁化合物型主要懸浮在鋅液中，生產過程中會隨鋅液流動或輥子轉動粘附到帶鋼表面，形成鋅渣缺陷，該類鋅渣對鍍鋅產品表面質量影響較大。鐵鋅化合物型主要位于鋅鍋底部，在GI 鋅鍋中的生成量很少，對帶鋼表面質量的影響不大。

4 鋅渣生成的影響因素及現行的撈渣方法

4.1 氧化物型鋅渣影響因素分析

氧化物型鋅渣主要為氧化鋅和氧化鋁，氧化物型鋅渣的生成主要受鋅液面氣體流動的影響，該氣體流動主要受氣刀壓力的影響，氣刀壓力越大，鋅鍋表面鋅渣量越大。生產過程中氧化物型鋅渣的生成量，還與生產過程中氣刀噴吹介質有關，研究表明，氣刀使用氮氣時，能夠明顯減少鋅液表面氧化物型鋅渣的生成。

4.2 化合物型鋅渣影響因素分析

化合物型鋅渣主要為Fe2Al5和FeZn7，因此鋅液中的鐵含量是生成這兩種鋅渣的關鍵因素。此外，任何造成鋅液中鐵含量超過其在相應溫度下熔解度的因素，都會導致此類鋅渣的生成。主要受鐵元素來源的多少、鋅液溫度及鋁含量的影響。

4.3 清除氧化物型鋅渣的方法

生產過程中需要重點清除的氧化物型鋅渣的操作部位為：鋅鍋出口側、鋅鍋驅動側、鋅鍋操作側、爐鼻子前面、爐鼻子后面，具體操作要求如下：

1）鋅渣結塊后，輕輕將扒渣工具放在結塊鋅渣上面，扒渣工具深入鋅鍋液面深度不能超過5 mm。

2）鋅渣距帶鋼距離必須大于30 cm，否則及時進行扒渣。

4）鋅鍋操作側的鋅渣扒操作時，一定盡量將沉沒輥輥臂與穩定輥輥臂之間的浮渣扒干凈。

5）爐鼻子前面鋅渣撈渣過程中產生的鋅渣缺陷主要發生在此區域，此處工作要輕、勤。每半小時觀察一次此處的鋅渣量，發現有結塊、打轉的鋅渣及時扒走。

6）為降低鋅耗和產渣率，從鋅鍋向廢渣斗內倒運鋅渣的過程中，每勺控渣5 s 以上，以盡量減少鋅渣中含有的鋅液。

4.4 清除化合物型鋅渣的方法

目前清除化合物型鋅渣的方法主要有三種。工具撈渣方法，吹氣除渣方法，高鋁在線除渣方法。無論采用什么方法都是被動的，需要損失時間、質量、產量和鋅。

4.4.1 工具撈渣方法

采用工具進行撈渣的方法，在目前通常生產GF、GA 產品采用。這種方法專門的撈渣工具，當GA鍋到備用位置時，用鋅鍋天車吊起撈渣工具進行撈底渣作業。

北冰洋海冰主要有新冰、一年冰和陳冰。歷史氣象數據顯示，北極海冰厚度總體趨勢不斷變薄，東北航線現以一年冰為主。[9]

4.4.2 吹氣除渣方法

該方法是通過向鋅液中吹N2氣進行除渣，采用吹N2法除渣需要較長的停機時間，約10 d 左右，通常利用年修時進行，時間短會對產品質量產生極大影響。

4.4.3 在線高鋁除渣

通過改變帶鋼入鋅鍋溫度來改變鋅液溫度。該方法對操作要求嚴格，同時控制不好會造成大量的鋅粒缺陷。

1）要求機組生產穩定，鋅液鋁含量控制在0.20%～0.22%范圍。

2）鋅液溫度設定在460 ℃，通過改變帶鋼入鋅鍋溫度來提高鋅液溫度，從460 ℃—470 ℃—460 ℃—470 ℃反復，要求根據帶鋼的品種規格來確定周期。

5 鋅鍋底吹氮氣促進鋅渣上浮試驗

為了解決化合物型鋅渣的問題，減少鋅渣缺陷的產生，組織開展采用鋼包底吹透氣磚及中間包用氣幕擋墻在鋅液中吹氮氣來促進化合物型鋅渣上浮試驗，具體開展情況如下：

5.1 第1 次試驗情況

鋼包底吹透氣磚工作的基本原理：氬氣通過透氣磚磚芯的氣體通道進入鋼水中，以氣泡的形式分散于鋼水并上浮，使鋼水在鋼包內循環流動，鋼水中的合金、溶劑等快速融化，促進鋼液成分和溫度的均勻以及鋼液中夾雜物的上浮，去除了鋼液中的非金屬夾雜物和有害氣體，達到了凈化鋼水的目的[8-10]。其工作原理，見圖3。

圖3 透氣磚工作原理示意圖

5.1.1 鋼包底吹磚磚芯及安裝的準備

為了降低鋼包底吹磚的浮力，將底吹磚磚芯外部澆注的剛玉質耐火材料清除，僅保留磚芯，利用底吹磚磚芯下部的彌散塊通氣進行鋅液的攪拌，將底吹磚磚芯放在焊接的吊籠內，底部放三個沉沒輥陶瓷軸承做配重，在上部焊接橫桿進行定位，對底吹磚磚芯在吊籠內的位置進行優化，見圖4。

圖4 鋼包底吹磚磚芯及安裝的準備(第1 次試驗)

5.1.2 底吹攪拌試驗情況

利用加鋅電葫蘆將安裝好磚芯的吊籠吊運至工作位（鋅鍋的東南側），從鋅鍋上方，緩慢進入到鋅鍋中，在底吹磚磚芯未完全進入到鋅液時由于鋅液的浮力作用不能繼續下沉，手握橫桿將吊籠焊接固定在鋅鍋四周的護欄上。

通過底吹磚磚芯在鋅液中通入氮氣，壓力控制在0.4～0.5 MPa，緩慢打開手閥，鋅鍋表面氣泡情況逐步開大，實現正常的通氣，隨著氣泡的增大吊籠晃動加劇，具體情況如圖5。

圖5 底吹磚磚芯放入鋅鍋及通氣量情況(第1 次試驗)

為了使底吹磚磚芯盡可能的進入到鋅液內部，將吊籠吊出在上方增加3 個配重，重新放入到鋅鍋中中，仍然不能確保底吹磚磚芯完全進入到鋅液中，具體情況如圖6。

圖6 增加配重后底吹磚磚芯放入鋅鍋情況

試驗完畢后，關閉手閥，緩慢利用電葫蘆將吊籠吊起放到指定位置。

5.1.3 小結

本次試驗雖然能夠在鋅液中進行通氣，但是底吹磚磚芯未能完全進入到鋅液中，需要重新對吊籠的結構、底吹磚磚芯及配重的安裝位置進行設計，確保底吹磚磚芯能夠完全進入到鋅液中。

5.2 第2 次試驗情況

為了解決在前期試驗采取鋼包底吹透氣磚磚芯透氣原件進行氣體攪拌時透氣原件不能夠完全進入到鋅液中問題，確保攪拌的效果，組織使用中間包氣幕擋墻透氣原件進行鋅液的攪拌試驗。

中間包氣幕擋墻技術是20 世紀末發展起來的一項去除鋼液中非金屬夾雜物的新技術。其原理是利用與鋼液流動方向垂直的條形氣幕擋墻置于中間包底某一最佳位置，通過吹入氬氣，氬氣透過氣幕擋墻上浮形成一道微氣泡氣幕屏障。因此，形象地稱為“氣幕擋墻”。其可以起到改變中間包流場，延長中間包內鋼水的停留時間，均化鋼水溫度，促進雜質上浮從而達到凈化鋼水的目的，如圖7。

圖7 機壓彌散型鎂質氣幕擋墻

5.2.1 氣幕擋墻透氣原件的準備

1）考慮到氣幕擋墻的長度較長，在往鋅液放入的過程中需要的配重較多，將氣幕擋墻切開，取前端300 mm 的距離。

2）氣幕擋墻切開前末端為密封結構，切開后端面為圓形通道，吹氣過程中氣體會全部從通道中流出，不能產生彌散的氣泡，通過尺寸合適的大螺絲將圓形通道封堵，再用火泥進行密封，保證密封性。

5.2.2 氣幕擋墻透氣原件安裝的準備

根據氣幕擋墻的形狀制作專用吊籠，將氣幕擋墻固定在吊籠中，確保在吹氣過程的穩定性，在吊籠的上部增加配重，配重不浸入到鋅液中，確保氣幕擋墻能夠完全進入到鋅液中并保證一定的深度。

5.2.3 氣幕擋墻透氣原件底吹攪拌試驗情況

利用加鋅電葫蘆將安裝好氣幕擋墻透氣原件的吊籠吊運至工作位（鋅鍋的東南側），從鋅鍋上方，緩慢進入到鋅鍋中，在配重的作用下透氣原件完全進入到鋅液中，進入深度1 m 左右。

通過氣幕擋墻透氣原件在鋅液中通入氮氣，氮氣壓力控制在0.4～0.5 MPa，緩慢打開手閥，鋅鍋表面氣泡逐步增大，可以實現穩定的通氣對鋅液進行攪拌。

試驗完畢后，關閉手閥，緩慢利用電葫蘆將吊籠吊起放到指定位置，檢查透氣原件的情況，發現氣幕擋墻產生裂紋且裂紋逐步增大后裂開。

氣幕擋墻在鋅液中吹氣過程中未發生氣泡急劇的變化，且氣泡比較穩定，說明氣幕擋墻在鋅液中未發生斷裂，氣幕擋墻從鋅液中取出后由于急冷急熱產生裂紋，氣幕擋墻的材質為鎂質耐材（w（MgO）≥95%），抗熱振性能不好，急冷急熱容易產生裂紋。

5.2.4 小結

1）目前中間包使用的氣幕擋墻使用壽命達10 h以上，可以保持與中間包的壽命同步，中間包使用完成后都進行更換，若在鋅液中使用應該避免將氣幕擋墻提出鋅液面，使用過程中摸索使用壽命，可以根據氣泡的變化情況進行更換。

2）針對底吹磚磚芯重新對吊籠的結構及配重的安裝位置進行設計，確保底吹磚磚芯能夠完全進入到鋅液中，進一步跟蹤使用效果。

5.3 第3 次試驗情況

為了解決第一階段底吹磚磚芯不能能完全進入到鋅液中的問題，重新對吊籠的結構及配重的安裝位置進行設計，增加配重的數量，具體情況如圖8。

圖8 鋼包底吹磚磚芯及安裝的準備(第3 次試驗)

5.3.1 吊籠的結構及配重的安裝情況

優化后底吹磚磚芯可以進入到鋅液的深度達到1.2 m 以上，配重仍然采用沉沒輥陶瓷軸承，配重的數量增加至最多可以放置6 個，確保可以克服底吹磚磚芯在鋅液中的浮力。

5.3.2 底吹攪拌試驗情況

利用加鋅電葫蘆將安裝底吹磚磚芯的吊籠吊運至工作位（鋅鍋的東南側），從鋅鍋上方，緩慢進入到鋅鍋中，通過調整吊點的位置在5 個配重的作用下透氣原件完全進入到鋅液中，進入深度1.2～1.3 m。通過底吹磚磚芯在鋅液中通入氮氣，氮氣壓力控制在0.4～0.5 MPa，緩慢打開手閥，鋅鍋表面氣泡情況逐步開大，可以實現穩定的通氣對鋅液進行攪拌。

試驗完畢后，關閉手閥，緩慢利用電葫蘆將吊籠吊起放到指定位置，檢查底吹磚磚芯情況正常，試驗結束。

5.3.3 小結

1）本次試驗底吹磚磚芯可以完全進入到鋅液中，通過調整最大進入深度1.4～1.5 m，通過調整氮氣量的大小控制底吹磚磚芯的透氣量的大小，達到了此次試驗的目的。

2）通過對底吹攪拌前后附近區域的鋅液進行取樣、化驗，底吹攪拌后鋅液內Fe 含量明顯降低，具體情況如下頁表1。

表1 底吹攪拌前后鋅液內w(Fe)情況 %

6 結論

1）通過開展3 次試驗，試驗了2 種透氣原件，經過對吊籠和配重的改進，可以實現穩定的在鋅液中進行通氣攪拌，對鋅液中的鋅渣上浮起到促進作用。

2）根據取樣、化驗的結果，通過底吹攪拌的辦法可提高鋅液的純凈度，能起到促進鋅鍋內金屬化合物型鋅渣上浮的作用。