热镀锌影响因素综述

热镀锌影响因素综述郭太雄瞿祖贵摘要论述了热镀锌原板化学成分、带钢表面状态、锌液成分、锌液温度和带钢入锌锅温度对热镀锌钢板镀层性能及表面状态的影响。关键词热镀锌；镀层性能；表面状态；影响因素分类号TG33522THESUMMARIZATIONOFTHEINFLUENCEFACTORSONHOTDIPGALVANIZATIONGUOTAIXIONG（IRONPERFORMANCESOFZINCCOATSURFACECONDITIONINFLUENCEFACTORS1前言生产热镀锌钢板的难点在于获得优良的镀层性能，即良好的镀层粘附性，优良的镀层加工成型性，美观而又能满足不同用户需求的表面特性。热镀锌钢板镀层金相结构一般由FEAL层、FEZN合金层、纯锌层组成，其各自的结构、厚度及表面形态等决定了镀层性能。因而影响热镀锌的因素可归结为影响镀层结构的因素，主要影响因素有钢基化学成分、带钢表面形态、锌液成分、锌液温度及带钢入锌锅温度等。2钢基化学成分对热镀锌的影响21碳的影响钢基中的碳含量对热镀锌有显著影响。碳含量愈高，铁锌反应愈剧烈，FEZN合金层变厚，使镀锌层粘附性变差。因此，热镀锌原板一般选用含碳量为005015的低碳钢板。AKIHIKO等人的研究表明1，FEZN合金层结构可分为3类暴突结构（相），细晶结构（1相）和柱状结构（应为相）。并认为钢中的固溶碳可抑制暴突结构的形成，使镀层的抗粉化性能得到改善。此外，碳还影响镀锌层的表面质量。对于含碳量高的镀锌原板，若退火温度太高，碳会在钢板表面富集，形成渗碳体，从而提高钢板表面张力，降低锌液对钢表面的浸润能力，使锌液不能在钢板表面均匀流动，在热镀锌时，形成锌瘤缺陷。22硅的影响实践表明2，当钢中硅含量超过004时，高温下镀锌板表面形成的氧化膜在还原炉中很难被充分还原，热镀锌后，板面生成很厚的灰白色镀层，其粘附性能较差。因此，热镀锌原板一般要求硅含量003。提高还原温度，延长还原时间，提高保护气体中的氢气含量，或提高带钢入锌锅温度，可抑制硅的表面富集作用，使钢板表面SIO2得到充分还原，可使镀层的粘附性得到改善，从而在热镀锌线上可生产出含硅量较高（05）的一般冲压用高强度钢板（390490MPA）。23铝的影响热镀锌原板一般采用低碳铝镇静钢。钢中铝与氮化合生成氮化铝，通过适宜的轧制、退火工艺可控制氮化铝的固溶和析出，使带钢形成有利于深冲的强的111织构和饼形晶粒，提高钢带的冲压成型性能和抗时效性。铝的存在（02AL）其在晶界的偏聚，降低了界面的反应活性，可抑制暴突结构的形成3。但在连续退火时，AL也易在带钢表面富集，形成氧化物质点，降低钢板对锌液的浸润性。因而，一般将铝镇静钢中的ALS含量控制在约002左右。24铜的影响钢中含铜可显著提高热镀锌板的耐腐蚀性。但在加热时，由于铁易氧化，铜不易氧化，且铜在奥氏体中的溶解度有限，当带钢温度下降时，铜便析出，积存于奥氏体晶界。所以在热轧过程中，随着氧化铁皮的不断剥落，钢表面会形成铜的富集区。因为铜和钢的延伸率不同，所以在轧制过程中钢表面会出现网状裂纹。酸洗后该缺陷更明显，冷轧后亦不易消除，镀锌之后即在板面形成和轧制方向一致的类似原板划伤或条状结疤的条痕缺陷。试验证明2，此网纹缺陷在含铜量超过03时最易出现，所以热镀锌原板的铜含量一般要求不高于015。25其它元素的影响为了生产高强度热镀锌钢板及IF钢热镀锌板，常向钢中加入适量的P、NB、TI等元素。NB、TI是强碳化物形成元素，可减少固溶碳含量，从而减小了对镀层暴突结构生成的抑制作用。当钢中磷含量达015时，相变薄，相和1相生长很快，在相变薄甚至无相的地方，镀层出现无光泽的斑点，使镀层的粘附性变坏2。磷易在晶界偏析，降低晶界反应活性，从而抑制暴突结构的形成。ABIKO等人认为，磷在晶界的偏析量随钢中碳含量的减小而增加，因而在含NB或TI的IF钢中添加适量的P，可有效地抑制暴突结构的生成46。3带钢表面状态对热镀锌的影响31带钢表面粗糙度的影响随着钢板表面粗糙度的增加，镀层厚度增加。因为如果钢板的表面粗糙度大，钢表面生成的FEZN合金层为海绵状组织，比光滑的FEZN合金层表面能从锌锅中带出更多的锌液，由此生成更厚的纯锌层。同时，由于粗糙表面的棱角部位突出，相最易在棱角上形成，所以表面愈粗糙，其镀层相愈发达，从而FEZN合金层愈厚。对热轧酸洗板镀锌而言，钢板表面的平均粗糙度是影响热镀锌的主要因素之一。文献7研究表明，若钢板的平均表面粗糙度小，则镀层厚度均匀，镀层的外观及附着性均佳。相反，如果钢板的平均表面粗糙度大，则镀层厚度分布不均匀，存在微小的薄镀层部位，此类镀锌板的外观和镀层附着性均差。32带钢表面清洁度的影响影响带钢表面清洁度的主要因素是带钢表面残留的轧制乳化液。实验表明，随着轧制乳化液中油脂含量的提高，残留在带钢表面的油脂在预热炉中越不易被除尽，干扰热镀锌时正常FEZN合金层的形成，从而恶化了镀层的粘附性能2。若带钢表面残留有铁粉及未被还原的氧化物质点等杂质，在热镀锌时，锌晶体有可能在此类杂质处形核、长大，形成锌粒缺陷。文献8表明，冷轧钢带表面密实性的任何破坏都可能导致凸起条带或光亮颗粒的产生。4锌液成分对热镀锌的影响41铝的影响由于铝对铁的亲合力强，锌液中铝优先在钢基表面形成很致密的，薄且韧的FEAL金属间化合物（FE2AL5、FEAL3），并牢固地附在钢基表面，起粘附镀层的媒介作用；同时可抑制FEZN合金层的生长（特别是抑制脆性的相的生长），从而改善镀层韧性。当锌液中铝含量低于05时，随着铝含量的增加，锌液的粘度增大，流动性降低，纯锌层增厚。同时，铝还与锌液中的氧化铁、氧化锌等杂质结合，并能上浮到锌液表面易于去除，可提高镀层纯度使镀层韧性增强，加工成型性提高。但是，加入过多的铝使铁在锌液中的溶解度降低，以致生成更多的锌渣，且铝本身也极易氧化生成AL2O3浮渣，影响镀锌带钢表面质量。同时，铝含量过高，镀锌产品耐CUSO4侵蚀能力降低。所以，在带钢连续热镀锌中，铝含量一般控制为012015。目前已开发了ZNAL系列热镀锌板，与普通镀锌板相比，具有相同的镀层粘附性，但由于锌的牺牲保护作用及铝的非动态作用，镀层的耐蚀性却是普通镀锌层的几倍。42铅的影响铅可使镀层表面获得大锌花。由于铅的熔点低，所形成的PBZN固溶体可降低锌液熔点，延长锌液凝固时间，从而延长晶粒长大时间，促进大锌花的形成。随着铅含量的改变，镀锌表面的锌花尺寸呈指数曲线变化9。当含铅量为025（常规）时，可获得大锌花镀锌板，锌花平均尺寸95MM；当锌液中铅含量大于025时，随着铅含量的增大，锌花尺寸无明显变化。虽然锌花很美观，但镀锌板在进一步涂层时，它会导致涂层表面凹凸不平，加之锌结晶方位的差别，有损涂层板的外观性。因此生产涂层钢板时，应将锌花控制在较小的范围内。文献9表明，无铅镀锌板的钝化效果良好，镀层耐腐蚀寿命高。这是因为铅在晶界的偏析会导致晶界腐蚀，使镀层老化。此外，如含铅镀锌板长期放置在仓库中或高温潮湿的地方，镀层会变黑，产生黑斑缺陷。43铁的影响锌液中的铁含量一般控制在小于003。若含铁量增加，铁与锌结合生成以FEZN7为主要成分的底渣，并与锌液中的铝发生反应，生成以FE2AL5为主要成分的浮渣。这些渣一旦附着在带钢表面，会形成锌粒缺陷，影响镀锌板的表面质量。同时，由于铁与铝结合，减少了锌液中有效铝含量，从而使镀层粘附性变坏。此外，铁的存在可增加锌液的粘度和表面张力，从而降低锌液对钢板的浸润能力，使镀锌时间延长。44其它元素的影响为了提高镀层耐腐蚀性，可向锌液中加入适量的铜或镁。试验证明，加入0810的铜，镀层的耐腐蚀性获显著改善。但铜含量过高，锌液的熔点升高，要求镀锌工作温度高。在高的镀锌温度下，铜可促使FEZN合金层急剧增厚，使镀层韧性和粘附性同时变坏。如果锌液中添加00240084的镁，可使热镀锌板的耐腐蚀性提高1215倍。但锌液中添加镁，会使锌液对钢板的浸润性下降，同时加镁过量会使镀层表面变成乳白色，使镀层脆化，粘附性下降。SB、BI能促进大锌花的形成，提高镀层致密性，抑制晶界腐蚀。为实现环保，已出现了用锑、铋代替铅生产大锌花镀锌板的趋势。但随着锌液中SB或BI含量的增加，FEZN合金层增厚，镀层性能恶化（铅对FEZN合金层的形成无明显影响，不会影响镀层的附着力），因而一般SB、BI的加入量需小于03。锌液中加入适量的锡可使镀层表面呈现银白色金属光泽，使锌花变得光亮。同时，锡对锌花尺寸并无明显影响10。添加020的锡，其晶粒直径仅为12MM，锡对镀层粘附性的影响，还需进一步探索。但锡易产生晶界腐蚀，使镀层耐蚀性能下降，因而锌液中锡含量一定要严格控制。热镀锌所用锌锭含镉量一般为0001007。镉含量01时可使锌花增大，但其含量05时，会使FEZN合金层增厚，降低镀层的韧性。锌液中加入稀土主要是抑制镀层的晶界腐蚀，同时改善锌液对钢板的浸润性。5温度对热镀锌的影响51锌液温度的影响锌液温度升高会促使FEZN合金层增厚及FE2AL5浮渣的生成。锌液温度在480以下时，带钢的铁损按抛物线规律变化，随着温度升高，铁损增加不大。当锌液温度超过480时，铁损则按直线规律随锌液温度升高急剧增加，FEZN合金层也急剧增厚，严重影响镀层的粘附性。所以锌液温度应根据带钢的厚度稳定控制在450470的某个温度值。52带钢入锌锅温度的影响除锌液中的铝含量外，带钢入锌锅温度是决定热镀锌板镀层粘附性的又一决定性因素。试验证实11，随着带钢入锌锅温度的升高，由于FEAL自由焓大于FEZN自由焓，所以镀层中的铝含量明显高于锌液中的铝含量，FEAL金属间化合物优先形成，并富集在钢板表面，直到低于扩散和反应需要的温度。同时，也有FEZN化合物形成，其扩散能力比FEAL化合物大，FEZN合金层厚度增加，镀层中吸收的铝含量增加，则镀层粘附性得以改善。如果带钢入锌锅温度太高，会延长FEAL、FEZN及其相互间扩散反应的时间，超过了阻碍FEZN合金层形成的极限值，ZN或FEZN化合物扩散进入含铝的中间层，使得正常的中间粘附层形成之后又遭破坏，从而使镀层的粘附性及韧性恶化。同时，过高的带钢入锌锅温度还易引起锌粒缺陷，影响镀锌板的表面质量。由于带钢的厚度不同，则带钢带入反应区的热量也不同，所以应根据带钢的厚度来确定不同的带钢入锌锅温度。根据热镀锌新理论，热镀锌时在反应界面大量供热，可以加速作为粘附媒介质的FE2AL5中间层的形成，可获得良好的镀层粘附性，所以带钢入锌锅温度应高于锌液温度1525。6结束语热镀锌生产工艺流程长，工序多，且带钢浸入锌锅及出锌锅后的镀层的形成、冷却凝固过程异常复杂，因而影响热镀锌的因素很多，且各影响因素对热镀锌镀层性能的影响并不是孤立的，而是相互交织，相互作用的。要获得性能优良的镀锌板，各个环节均需严格控制，精心操作。厚度规格不同的带钢镀锌，其差别在于温度的不同，所以应根据带钢厚度选择适宜的控制温度。作者简介郭太雄（1972），男（汉族），四川攀枝花人，工程师。作者单位郭太雄（攀枝花钢铁公司钢铁研究院，四川攀枝花617000）瞿祖贵（攀钢冷轧厂）超薄镀层的控制1是看气刀是双侧进气的还是多点进气的如果是多点进气的话就好一点，吹出来上锌量会均匀的多。2气刀刀唇内壁的光洁度也很重要，一般做镀锌的都忽略了这一点，我现在一般每两个月就会修一次。3气刀缝的间隙中间0815两边最大开到18，再大了也不好。（也许适合两点进气）4气刀体内的压力一般给到00501MPA。5线速度一般来讲慢点儿的话锌层薄，但生产薄板有极限，太慢不是没锌花就是板面发麻。6基板的光洁度。7必须保证锌锅温度，因为一般1000MM以上的镀锌线气刀距锌液面的距离会远一些，而薄板在出锌锅时它的核心热经不了气刀压缩空气的降温而使锌液在通过气刀以前变的粘稠。8锌液的成份，（含铝量）另外要控制锌液的黏度把AL的含量控制在023以下，铁含量控制在003以下估计可以降低厚度。9轧制的板型要控制好，大部分板厚03505MM，90米/分钟，主要控制气刀与板的间隙，越近越好，没划伤为止气刀压力50千帕，锌液溅起较重；锌液成分，铝含量高一点，流动性好。10增加气刀边部加热,应该可以去除白边,不过速度不能太慢,023的速度控制在110米,018的那速度要120米了主要的是控制板形,只要板出锅不晃动,那么镀层是可以控制在30克至60范围之内的11边部挡板实际使用时，03以下的板边部很容易被刮坏。12要看是哪一种气刀，国产科勒气刀比较难，进口方登/日立/VAI/杜马就很好调，当然要较高的压力。13气刀中间开口065，边部15，速度90以下。14气刀调整角度负角大一些，气体压力要高。15进气管道加装热交换器，气体温度达到290度，能做到3040克。16考虑控制锌锅里的问题，加强减薄镀层。17考虑控制退火炉温度。18沉没辊及稳定辊表面加工要光滑。19争取采用闭环全自动控制，根据镀层测厚仪的数据随时自动调整连续热镀锌质量缺陷及对策1】附着氧化物形态镀锌层易于剥落（大片或小块状）剥片下底材表面有氧化现象，呈黑色、蓝色或黑蓝混合，一般上未发生剥落之前镀层会先形成针孔状且镀层表面形态亦会有点怪异（锌花呈立体状突出、表面特别明亮等）；另类状况，产线因故造成短暂停机时，如非氧化炉气氛控制不良致钢材表面生成可剥落性氧化锈皮，当此部份经过锌池被气刀吹落而形成裸露黑点，被吹落锈皮除浮出锌池表面外，亦有部份可能会悬浮于锌浴内，此往往需较长时间方能将其全部带出。成因可分为炉区与非炉区因素炉区因素空气/瓦斯燃烧比及流量控制不正确导致炉内气氛之CO、O2含量不恰当炉温太低或与板温搭配不当、板温太低露点太高，即含水量H2O太高板温突变致炉温变化过大，此与底材厚度、粗糙度、表面状态等有关非炉区因素清洗不良水洗段水质不佳对策A预防炉区有漏气现象B预防炉区各冷却水系统有泄漏现象C谨慎及适当控制非氧化炉气氛CO35；炉温1200D适当控制碱洗条件游离碱、碱比值、碱洗温度E水质不佳时加开旁通软、纯水手动阀FH2与钢板反应不佳时，可提高板温以促进还原速率或降速以增加反应时间2】表面积碳形态镀层易于剥落，表面附有黑色粉状，底材有时也会有蓝化现象，黑色粉物有可能为氧化物，亦有可能为炭C粉，所以需先做实验或以经验来观察判断（多数出现于头尾端处）。成因炉区气氛控制不当（CO太高）对策A适当控制炉区气氛CO233】锌渣过多形态一种为块状（氧化剥落片之渣）；另一种为颗粒状（金属间化合物）其可分为两种顶浮渣及底渣。这些渣物会造成钢板表面粗糙（分布于钢板全面或两侧边缘），严重的话收卷后易形成翘边。成因锌池温度变化过大，尤其是在沉放大锌锭时浸入过快易造成其周围温度变化AL含量过高，若AL含量过低易生成底渣，故AL含量应控制于018022为佳停机缺陷或其它因素造成的氧化物剥片底材表面缺陷易造成锌渣附着对策A尽量维持锌池温度稳定。（因在高温时FE,AL易多量溶入，但低温时易析出而产生锌渣）B添加大锌锭时，应缓慢浸入锌浴C锌浴表面浮渣不可太常捞除，只需将其拨到旁边，每隔一段时间（如1小时）再行捞除D添加小锌锭时不可集中一处投入，应均匀分布投入E尽量将氧化锈皮从锌池捞除以防止沉入底部或悬浮于锌浴中F适当调整气刀及其压力、角度4】镀层锌花之大小变化形态镀层表面可看到大小花纹，有时突出有时平坦，有时很亮，有时灰暗（模糊）成因与钢板温度之高低有关底材材质不良SI,P含量太高参考对策A）与锌池含PB量有关原板表面有微量杂物存在锌池AL过低致镀层合金层太厚及表面无发亮氧化铝（AL2O3）存在SB控制不当注添加锑SB能增加表面镀层之明亮度对策A购买原料时应留意SI、P含量SI00412及030应避免使用，以防合金层过厚而SI25P035产生灰暗表面镀层B锌池PB最好控制在009013。若009锌花不易生成；020易产生黑变及白锈C适当提高锌池温度以增加凝固时间促进锌花成长D钢板表面杂物应在进入炉区处理干净E提高AL含量（018024）F控制SB004，大于005易产生毛毛虫状之穗状锌花6】夹层形态不易用肉眼辨识（唯有严重夹屑，才可从表面看到条状板面突出）多数高双面突起成因板材原有缺陷来自于铸钢阶段对策A购买原料时多加留意7】亮度不均形态板面反光度不一。成因A与板材表面粗糙度有关B锌花大小不一之影响C含AL量不足（因AL2O3会使表面光亮）8】两面亮度差异。型态两边板面反光度不一成因同上9】线/块状锌渣痕形态板面可看到由小颗粒组成的线状或以小块状分布于板面之现象。成因底材之刮痕使锌渣易集中附着于该处板面粗糙度不一使锌渣易附着于表面粗糙处某局部气刀缝阻塞使锌渣无法被吹除对策A适调整气刀高度、压力与钢带间距离B发现时，即刻在线清理气刀10】火山口、黑点、凹点形态肉眼观看为黑点，用放大镜观察则可看到火山口成因此为镀层易剥落的现象，有可能为氧化或积碳对策同附着氧化物1】气泡形态钢板两面都有突出状况与夹层形态类似成因钢板内部夹层气体经高温膨涨而使板面突起对策同夹层12】亮点形态钢板表面有点状亮点，局部或全面分布成因设备辊轮附着异物颗粒，经磨擦刮伤锌层表面对策设法找出来源辊轮将其上附着物清除13】镀层变异形态表面锌花呈不均匀之块状区域，亮度不均，有时如星光闪亮。若用放大镜观察有时可发现针孔状表面，锌花呈立体状突出。成因此现象在停机再启动时之镀层最为明显。原因尚未完全清楚只知镀锌层与原板间有层阻隔物存在（如氧化物、积碳等）这种现象镀层多数会剥落。与原板底材有关，有些可能在热轧成形时温度控制不当使碳析出表面、严重轧入锈皮等。钢板厚度不均或温度分布不均亦可能造成锌花大小不一。对策A适当控制炉区温度、气氛、露点、板温等（钢板厚度与线速度应相匹配）B原料缺陷应向原料厂商反映解决。14】铬酸皮膜污染形态钢板表面或钢卷两侧有严重黄色附着物存在。成因铬酸浓度太高挤水辊表面受损无法将过量铬酸缩除对策A控制铬酸浓度于管制标准内B更换挤水辊；钢带两侧加装吹气装置将其边缘吹除干净15】未涂铬酸皮膜形态钢带表面较正常品色泽淡（目视）成因喷嘴阻塞工作槽液位过低致帮浦未启动对策至现场检查喷管并清理16】白锈形态钢板表面可看到白色粉状物成因为腐蚀现象所产生氧化锌化合物，大气中之SO3、NACL对其影响最大，运输过程及储存场所之水气亦容易造成对策A运输过程及储存应特别留意，或做适当包覆B涂完铬酸后须将其完全干燥不可残留水份17】热皱折形态板面局部或整个宽度方向有凹凸不平、薄化及拉长现象成因板温过高线速度过慢原板厚度变异过大对策A炉温不可有太大突变B更换原料时厚度不可差异太多