熱鍍鋅鍍層白條缺陷研究及控制

金永清，尹紅國，寸海紅，蔣英箴，吳林倬

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司板材廠，四川 攀枝花 617000）

熱鍍鋅產品具有良好的耐蝕性，廣泛應用于建筑、家電、汽車等行業。隨著家電向綠色化、裝飾化、定制化的轉型升級，以及生產過程的智能化和連續化，家電行業對鍍鋅板表面質量的要求也越來越高。尤其在高端家電面板使用時，對表面質量的要求達到了汽車O5板的級別，單面不能有任何影響使用的表面缺陷［1］。因此，不斷提升鍍鋅產品的表面質量，已成為家電用鍍鋅板提升市場競爭力的關鍵。

攀鋼2#、3#鍍鋅機組分別于2004年和2005年建成投產，產品主要定位于家電制造領域。自投產以來，鍍層白條缺陷一直是最主要的表面類缺陷。如圖1所示，研究前白條缺陷降組率和改判率高達14.45%和2.9%，遠高于正常水平。為提高產品質量，保障合同兌現和生產順行，攀鋼對鍍層白條缺陷進行了研究和攻關。

圖1 白條缺陷降組與改判情況Fig.1 Reduction and judgment revision of white bar defects

1 缺陷分析

鍍層白條缺陷出現在鋅鍋段，形貌如圖2，外觀為縱向白色長條狀，上表面較多，下表面略少，在帶鋼橫向位置無明顯規律。缺陷寬1～3 cm，長短不等，短的缺陷有10 cm，長的缺陷有6～7 m，嚴重時有手感。

圖2 白條缺陷宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of white bar defects

白條缺陷宏觀及微觀形貌見圖3。采用JSM-5600LV掃描電鏡及INCA能譜儀對缺陷進行微觀形貌特征分析見圖3（b）。從圖3可以看出，白條缺陷部位宏觀上看表面極為粗糙，通過電鏡放大后，缺陷部位存在凸起和凹坑，表面平整度較差。

圖3 白條缺陷形貌特征Fig.3 Morphological characteristics of white bar defects

表1 鍍層白條缺陷微區成分Tab.1 Composition of micro areas with white stripe defects in the coating wt.%

為查找鍍層白條缺陷產生原因，停機將鋅鍋中爐鼻子窺視孔打開檢查，發現爐鼻子內鋅液面及內壁存在較多的白色粉末狀物質，如圖4（a），鋅灰撈出后呈淺灰色，如圖4（b）。

圖4 爐鼻子內白色粉末狀物質Fig.4 White powdery substance inside the furnace nose

采用S8 TIGER X射線熒光光譜儀對鋅灰進行半定量分析，結果如表2所示。鋅灰主要含元素Zn和O，其中Zn占比約70%，O占比20%。采用化學法和ONH836氧氮氫分析儀進行定量分析，白色粉末物質主要由ZnO和純Zn組成，和鍍層白條缺陷的成分相近。通過成分和形貌可以判斷，鍍層白條缺陷應為爐鼻子內產生的鋅灰黏附到帶鋼表面所造成。

表2 白色粉末物質成分分析Tab.2 Analysis results of white powder substance

2 缺陷產生機理及影響因素

2.1 產生機理

熱鍍鋅時，鋅液面不斷有鋅蒸氣產生，如圖5所示，這些鋅蒸氣或回到鋅液面，或在爐鼻子內壁冷凝成鋅粉并逐漸氧化形成鋅灰。在爐鼻子正常的密閉條件下，只有不到10%的鋅蒸氣能夠冷凝下來，其他分子將可能再返回到蒸發表面［2］。同時，鋅液表面在此條件下會形成薄的氧化膜，保護鋅液不被過度氧化。由此，鋅蒸氣的揮發、冷凝和溶解形成了一個較穩定的平衡狀態，鋅灰較少，不會產生鍍層白條缺陷。若爐鼻子出現泄漏，鋅蒸氣會與氧分子反應生成ZnO。由于ZnO的熔點遠高于純鋅，不會回溶于鋅液，導致平衡狀態被打破，從而產生大量鋅灰。而漂浮在鋅液面上的鋅灰極易黏附于帶鋼表面，形成“白條”缺陷。

圖5 爐鼻子內鋅灰及氧化膜示意圖Fig.5 Schematic diagram of zinc ash and oxide film inside the furnace nose

2.2 影響因素

2.2.1 爐鼻子密封性

爐鼻子密封不良是鍍層白條產生的最主要因素。盡管爐內為正壓系統，但仍會發生外界氧氣的對流滲透，主要有兩個原因［3］：一是爐鼻子內外存在著極大的氧氣濃度差，這是氧氣能夠滲入爐內的主要動力；二是漏點通常彎曲粗糙，導致保護氣體從內向外流出阻力大，流速慢，造就了氧氣滲入爐內的條件。如前所述，爐鼻子內一旦滲入氧氣，就會打破鋅蒸氣平衡，產生大量鋅灰和鍍層白條缺陷。

2.2.2 爐鼻子露點

高溫下，保護氣體中的水分會與鋅液面發生反應，如式（1）［4］，在鋅液面上形成一層薄而致密的ZnO膜以抑制鋅蒸氣的揮發［5-8］。在一定范圍內隨著露點升高，越有利于氧化膜的形成，減少鋅灰和鍍層白條缺陷。反之，露點越低越不利于氧化膜的形成，會增加白條缺陷。但爐鼻子露點也不宜過高，否則帶鋼會被水分子氧化而形成露鋼缺陷，同時也不利于白條缺陷控制。

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2.2.3 鋅液溫度和帶鋼入鋅鍋溫度

鋅液溫度是直接影響鋅液蒸發速率的參數。單位面積的鋅液蒸發速率ω，按lgω=-2120/T+0.45核算［9］，蒸發速率隨著溫度的升高而迅速提升，產生鋅灰和鍍層白條缺陷。同時，實踐又表明，當鋅液溫度超過480 ℃后，鐵損呈拋物線式急劇增加，在帶鋼表面生成脆性合金層惡化鍍層加工性能［10］，并加劇造渣反應產生鋅渣缺陷，無法滿足質量需求。

帶鋼入鋅鍋溫度可直接引起爐鼻子及三角區內鋅液溫度的變化，提高帶鋼入鋅鍋溫度會提高鋅液溫度，從而導致鋅液蒸發速度加快，產生大量鋅灰導致形成鍍層白條缺陷。因此，帶鋼入鋅鍋溫度不宜過高，通?？刂朴?40～480 ℃。

2.2.4 排鋅灰效果

對于熱鍍鋅而言，鋅灰的產生是必然的。因此，防止鋅灰黏附帶鋼是消除鍍層白條缺陷的重要手段。目前通常采用爐鼻子排渣法實現上述目的，其原理是利用機械泵抽走爐鼻子內邊部鋅液，產生液位差。鋅灰通過液位差溢流到收集槽，從而保證了帶鋼周圍鋅液面潔凈。若排渣泵轉速過小，液位差消失，不利于鋅灰向邊部溢流。但轉速過大又會導致液面下鋅液流動變快，液面上鋅灰溢流緩慢的問題。此外，收集槽和鋅灰的距離也會影響排渣效果。

3 缺陷控制措施及效果

3.1 爐鼻子密封升級

爐鼻子冶漏的關鍵在于法蘭連接處的密封。采用整體耐熱密封橡膠圈；在法蘭工作面上開槽增加法蘭與橡膠的接觸面積和密封性；爐鼻子接觸鋅液后多次緊固螺栓；采用微氫報警儀檢測爐鼻子漏點并封堵。

通過上述措施，爐鼻子周圍H2濃度由150×10-6下降到20×10-6內，冶漏效果良好，鍍層白條缺陷下降幅度達70%以上，缺陷嚴重度也有明顯改善。

3.2 爐鼻子露點優化

爐鼻子露點由HNX保護氣體的濕度和流量控制。由前所述，隨著爐鼻子內露點升高，有利于形成薄而致密的氧化膜并減少鋅灰和鍍層白條缺陷。但爐鼻子露點過高后會形成露鋼缺陷。因此，爐鼻子露點必須嚴格控制。經過反復測試，露點維持在-20 ℃～-10 ℃時，爐鼻子內壁鋅灰和鍍層白條缺陷明顯改善，鍍層附著力和表面質量正常。

3.3 鋅液溫度和帶鋼入鋅鍋溫度

降低鋅液溫度有利于降低鍍層白條缺陷，但也會降低鐵的溶解度產生鋅渣缺陷，而鋅液溫度超過480 ℃會導致鋅渣變多和合金層變厚變脆等問題，因此將鋅液溫度控制于460 ℃，為杜絕溫度波動的造渣反應，其溫度精度控制為±2 ℃之內

帶鋼入鋅鍋溫度除了會影響鍍層白條缺陷，還會對帶鋼表面質量造成較大影響，是熱鍍鋅關鍵工藝之一。由于不同帶鋼厚度的核心熱不同，因此帶鋼入鋅鍋溫度需根據不同厚度帶鋼和鍍層質量進行優化，優化后入鋅鍋溫度與帶鋼厚度關系如表3。

表3 優化后的帶鋼入鋅鍋溫度與厚度的關系Tab.3 The relationship between optimized temperature entering the zinc pot and thickness of the steel strip

3.4 優化排鋅灰效果

為提高爐鼻子排灰效果，根據情況定期降低爐鼻子，縮短鋅灰和溢流板距離，有效帶走帶鋼周圍鋅灰；同時采用定轉速定液位差的方法，保證內外液位精確控制，防止液面下排鋅和鋅灰溢流效果差的問題。此外還定期進行高轉速控制，將槽內收集的鋅灰和鋅渣有效排出爐鼻子。通過上述措施，爐鼻子排鋅灰效果和鋅液面潔凈度有明顯改善，大幅減少減輕了鍍層白條缺陷。

3.5 改進效果

通過一系列針對性的關鍵工藝優化和裝備升級，鍍層白條缺陷治理效果明顯。結果如圖6。

圖6 改進前后白條缺陷對比情況Fig.6 Comparison of white bar defect before and after improvement

由圖6可知，白條缺陷存在率由16.18%下降到0.22%，降級改判率由2.9%下降到0.08%，缺陷嚴重度由有手感或明顯可見變為無手感和極輕微色差，產品表面達到高端家電用鋼的質量需求。

4 結 論

（1）熱鍍鋅產品鍍層白條缺陷是爐鼻子內鋅灰黏附到帶鋼表面所形成的條狀色差缺陷，其組成是ZnO和Zn的混合物。

（2）鍍層白條缺陷影響因素有爐鼻子密封性、露點、帶鋼入鋅鍋溫度和鋅鍋溫度、爐鼻子排灰效果，其中爐鼻子密封是白條缺陷大量出現的關鍵因素。

（3）通過對爐鼻子設備及工藝的升級和優化，形成了一套熱鍍鋅鍍層白條缺陷的有效解決方案，成效明顯。