薄型熱鍍鋅鋼板鍍層厚度均勻性的工藝控制

商存亮

（安鋼集團冷軋有限責任公司）

0 前言

熱鍍鋅鋼板中的鋅層厚度與其均勻性是影響產(chǎn)品質(zhì)量最重要的技術(shù)指標，既會影響鋼板的防腐蝕性能，又是影響后續(xù)零部件加工性能的決定性因素，特別是汽車高強雙相鋼、超低碳鋼等高端品種對鋅層厚度均勻性的要求更高[1]。安鋼集團冷軋有限責任公司1550鍍鋅板生產(chǎn)工藝采用熱鍍鋅吹氣法控制帶鋼厚度，對于厚度小于0.5 mm（基板厚度）的帶鋼，生產(chǎn)中存在著張力控制難度大、生產(chǎn)節(jié)奏加快、生產(chǎn)穩(wěn)定性差、鋅層附著性差等諸多問題，這些問題會使鍍鋅產(chǎn)品出現(xiàn)漏鍍、邊部增厚等厚度控制不均勻的現(xiàn)象。因此，薄帶鋼對原料、生產(chǎn)工藝均有著較高的要求，筆者針對薄板連續(xù)熱鍍鋅工藝中鋅層厚度和均勻性的有效控制，分析了影響鍍層的相關(guān)因素，提出了用于實際生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化的解決方案。

1 1550熱鍍鋅相關(guān)工藝流程、成品質(zhì)量要求

1550熱鍍鋅的主要工藝流程為：開卷→焊接→清洗段→退火→涂鍍→平整→拉矯→輥涂→涂油→卷取→打捆→稱重入庫。在整個工藝流程中，主要影響鍍鋅厚度均勻性的兩個流程是退火和涂鍍。1550熱鍍鋅生產(chǎn)線的退火工藝采用連續(xù)退火，涂鍍采用的是氣吹法。

薄板帶鋼原料是指經(jīng)安鋼1550酸軋機組處理后的基板厚度≤0.5 mm的冷硬板，要求是無銹蝕、無毛刺、無邊裂、無邊浪的合格產(chǎn)品。生產(chǎn)成品中鋅層厚度用鋅層重量（g/m2）表示，鋅層厚度的合格標準：鋅層實際厚度≥計劃厚度，且一般不超過計劃厚度的120%。厚度均勻性采用取樣板面。鋅層厚度精度要求：平均厚度按照正公差控制（鋅層）；局部（單點）鋅層重量與訂單要求偏差為ΔH（g/m2）,0≤ΔH≤3（單面鋅層厚度≤60 g/m2），0≤ΔH≤5（單面鋅層厚度＞60 g/m2）。

2 影響鍍層均勻性的因素分析

影響鍍層均勻性的因素主要來自兩方面。一方面，冷硬卷基板板形是影響鍍層的首要因素，直接影響鋅層厚度沿寬度方向上的分布狀態(tài)。因此，對原料板形的要求如下：波浪度≤3%，邊浪≤5 mm，中間浪≤10 mm，兩邊浪差≤3 mm，穩(wěn)態(tài)平直度≤10 IU，加減速或出口低速時的平直度≤18 IU，保證值長度≥95%全長。另一方面則是工藝控制因素，如帶鋼入鋅鍋溫度、鋅液成分、鋅液溫度、氣刀工藝參數(shù)等，下面將對這些影響參數(shù)進行詳細描述。

2.1 入鋅鍋溫度

入鋅鍋溫度是指帶鋼在完成退火工藝后爐鼻子處帶鋼基體的溫度。帶鋼所帶熱量會對鋅液進行間接加熱，造成鋅鍋溫度的擾動。溫度過高會使鋅鍋中鋅液產(chǎn)渣率偏高，也會使帶鋼表面的鋅液下流趨勢增大，從而使鋅流紋出現(xiàn)的概率增大，鋅層不易控制。溫度過低會造成鋅液流動性差，使鋅液在帶鋼表面過早凝固，不利于后續(xù)吹氣控制鋅層厚度。一般而言，薄帶鋼入鋅鍋時攜帶的熱量較少，冷卻速度快，而厚帶鋼入鋅鍋時攜帶的熱量較多，冷卻速度慢。因此，針對此特性，對薄帶鋼和厚帶鋼入鋅鍋的溫度嚴格進行差異化控制，薄帶鋼入鋅鍋的溫度一般以高于鋅液溫度30～40 ℃為宜。工藝控制原則為帶鋼變薄，入鋅鍋溫度提高，鋅液溫度波動小，以盡量減少感應(yīng)器高功率啟動頻率為目標。

2.2 鋅液成分及溫度

2.2.1 鋁含量的影響

鋅液中的Al元素主要是通過加入不同型號的鋅錠來調(diào)節(jié)的。Al元素是鍍鋅板中影響鋅層附著性的關(guān)鍵元素[2]。鋅液中的Al原子與帶鋼表面的Fe原子優(yōu)先反應(yīng)形成Fe-Al金屬間化合物（如圖1 所示），如果這種金屬間化合物形成的抑制層連續(xù)而完整，則鍍層均勻性好，厚度易控。一般要求鋅液中的Al含量為0.22% ± 0.01%，因薄帶鋼消耗Al含量的速度較快，Al含量過高，會使合金液的熔點提高，流動性變差。Al含量過低會影響Al-Fe過渡層的形成，使鋅層附著性變差，造成漏鍍。經(jīng)過多次摸索，調(diào)整鋅液中的Al含量，使其既能保證薄帶鋼鋅層的附著性，又能保證鋅液流動性和帶鋼鍍后鋅層的均勻性，最終得出將鋅液中的Al含量控制在0.24%～0.26%最佳。

圖1 鋅層斷面掃描電鏡圖

2.2.2 Fe的影響

鋅液中的Fe主要是帶鋼浸入鋅鍋后累積下來的。Fe在鋅液中的溶解度為0.03%，此時與鋅液中相對過量的Al結(jié)合，形成鋁鐵浮渣。鋅液中鋁鐵浮渣的形成影響了鋅液中的有效Al含量，同時降低了鋅液的流動性，結(jié)塊后惡化帶鋼浸入條件，易使帶鋼出現(xiàn)漏鍍、劃傷等表面缺陷。為減少Fe所帶來的負面影響，在生產(chǎn)薄帶鋼的過程中，鋅液中的Fe含量控制在0.01%以下最優(yōu)，但需要注意監(jiān)控鋅液中的Al含量，并且及時撈取鋅液中的廢渣。

2.3 氣刀工藝參數(shù)設(shè)置

熱鍍鋅過程中，常見的鋅層表面質(zhì)量問題不僅會造成鋅液的浪費，也會對后續(xù)的生產(chǎn)工序造成嚴重的影響，如鋅層不均勻會造成后續(xù)平整工藝中因延伸率不同而出現(xiàn)浪邊、平整度不良等缺陷。目前，氣體射流擦拭法是鋼帶連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)中鍍層厚度控制的主要方法[2]。氣刀是涂鍍工藝的關(guān)鍵設(shè)備，也是保證鋅層均勻性的核心。氣刀射流拭鋅過程[3]如圖2所示。

圖2 氣刀射流拭鋅過程

2.3.1 噴吹壓力

噴吹壓力直接影響帶鋼的鋅層厚度。在實際生產(chǎn)中，調(diào)整噴吹壓力是調(diào)整涂鍍厚度的最簡便的方法。隨著噴吹壓力的增大，鍍層厚度急劇減薄。在其他條件不變的前提下，噴吹壓力往往需要依據(jù)生產(chǎn)中的帶鋼速度進行調(diào)節(jié)，帶鋼速度增快，則噴吹壓力需要隨之增大。

2.3.2 氣刀刀唇間隙

氣刀刀唇間隙作為鍍鋅過程中的一項重要的工藝參數(shù)，直接影響氣流對鋅液的吹掃能力[4]。1550熱鍍鋅生產(chǎn)線采用間隙固定的刀唇，一般來說，刀唇間隙控制在0.85～1.2 mm，根據(jù)現(xiàn)場跟蹤，在氣刀刀唇間隙小于0.85 mm 時，氣流從氣刀刀唇出來后，到帶鋼表面過程中會有嚴重的衰減，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，在生產(chǎn)薄帶鋼過程中，計劃鋅層厚度≤80 g/m2，氣刀刀唇間隙0.9 mm最優(yōu)；當計劃鋅層厚度增大時，刀唇間隙應(yīng)相應(yīng)的增加。

2.3.3 氣刀高度

氣刀高度是指氣刀到鋅鍋液面的距離，高度參數(shù)一般為180～400 mm。此參數(shù)不直接影響鋅層厚度，但在帶鋼出鋅鍋后，會對鋅液膜流動性造成間接影響。若氣刀位置過高，帶鋼表面鋅液膜冷卻后會造成粘度增大，噴吹阻力增加，鍍層易變厚；若氣刀高度過低，則流動性較好的表面鋅膜會在噴吹時發(fā)生噴濺，堵塞氣刀。在不同的計劃參數(shù)下，氣刀高度應(yīng)隨噴吹壓力、鋅液物性等條件適當調(diào)節(jié)。一般而言，在生產(chǎn)薄帶鋼時，如果計劃鋅層厚度單面＜60 g/m2，則氣刀高度≤300 mm，隨著計劃厚度的增大，高度可適當增加，但不宜超過400 mm。

2.3.4 氣刀與帶鋼的距離

氣刀與帶鋼的距離會直接影響鋅液在板帶上的受力情況。若距離過小，鋅液膜易發(fā)生噴濺；距離過大，則板帶上的氣壓過低，鋅層厚度增加且不宜控制。特別是對薄帶鋼板帶而言，受力過大，易發(fā)生板顫現(xiàn)象，不利于帶鋼的運行控制，進而造成鋅層厚度的不均勻。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量減小氣刀與帶鋼的距離，在較小的噴吹壓力下涂鍍。

2.3.5 氣刀角度

氣刀角度指氣刀噴嘴與帶鋼垂直方向所形成的夾角。噴角向下傾斜形成負向夾角，這主要是為了增大氣刀的拭鋅能力并減少鋅液噴濺。氣刀傾角過大，不利于鍍層厚度減薄；角度過小，則易發(fā)生氣刀堵刀的現(xiàn)象。特別是在生產(chǎn)薄帶鋼過程中，因帶鋼板形、氣刀角度調(diào)整不合適等原因，很容易造成氣刀堵刀，經(jīng)過多次摸索試驗，氣刀角度一般在-3°～-1°左右為宜。通常帶鋼兩側(cè)的氣刀角度一般相差1°～2°，這樣可有效防止兩側(cè)氣流直接對撞，產(chǎn)生帶鋼鍍層邊部增厚或結(jié)瘤的缺陷，防止氣刀堵刀現(xiàn)象的發(fā)生。

氣刀調(diào)節(jié)往往需要多參數(shù)共同調(diào)節(jié)，氣刀優(yōu)化工藝參數(shù)見表1。

表1 氣刀優(yōu)化工藝參數(shù)

2.4 鋅鍋三輥六臂安裝精度控制

三輥六臂安裝后，水平度至少應(yīng)保證在0.1 mm/m，輥面應(yīng)與模擬過鋼線相切。軸承座與輥臂裝配面加裝耐高溫的柔性墊片，減輕生產(chǎn)中輥系的振動，從而保證涂鍍的均勻性。

3 鋅層均勻性控制效果

安鋼 1550冷軋熱鍍鋅機組 2019 年10 ～12月生產(chǎn)期間，薄帶鋼生產(chǎn)中鋅層厚度的合格率僅為79.5%～86.4%，鋅層厚度偏差通過對相關(guān)控制條件進行優(yōu)化，在2020年1～3月生產(chǎn)中，薄帶鋼鋅層厚度的合格率為90.1%～93.4%，鋅層厚度偏差2σ為4 g/m2，鋅層厚度均勻性明顯提高。

4 結(jié)論

鋅層厚度及其均勻性是熱鍍鋅產(chǎn)品的主要質(zhì)量指標，其影響因素主要包括原料基板板形與拭鋅工藝控制。在實際生產(chǎn)中，一方面需要調(diào)節(jié)鋅液的成分與溫度；另一方面，需要考慮氣刀各項參數(shù)的影響，根據(jù)薄帶鋼的具體情況進行綜合調(diào)整。工藝優(yōu)化后，鋅層厚度的合格率提高至93.4%，厚度偏差2σ降低了約3 g/m2。通過嚴格控制多種影響因素，厚度控制的能力明顯提高。