温度及铝含量对热浸镀熔池中的锌渣的影响研究

1、 序号： 常 州 大 学毕业设计（论文）前期材料（2014届）学 生 崔益春 学 号 10430108 学 院 材料科学与工程 专业班级 金材101 题 目 温度及铝含量对热浸镀熔池中锌渣的影响研究 类 别 毕业设计 毕业论文 校内指导教师 涂浩 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务 材 料 目 录序号名 称数量备注1毕业设计（论文）任务书12文献综述（设计类）或开题报告（论文类）3外文翻译（封面、译文、原文）二一四年三月 学号：10430108常 州 大 学毕业设计（论文）开题报告（2014届）题 目 温度及铝含量对热浸镀熔池中的锌渣的影响研究 学 生 崔益春 学 院 材料科学与

2、工程 专 业 班 级 金材101 校内指导教师 涂浩 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务 二一四年三月题目：温度及铝含量对热浸镀熔池中的锌渣的影响研究一、前言1绪论随着科技的进步材料的发展也是日新月异，同时伴随着国民经济的快速发展和人们生活水平的迅速提高，锌被越来越多的应用到人们生活中的各个方面，消耗量也是与日俱增，随着锌资源的不断减少，需求继续增长的形势下，单纯的从锌矿中提炼的锌已经难以满足人们的需求。对现有锌资源的合理利用和再生处理方法的研究日益受到重视。热镀锌是目前世界上钢铁材料保护中最基本、应用最广泛、最有效的防腐方法。该法是把钢铁材料及基体放入熔融的锌液中，从而在金属表

3、面镀覆上一层薄薄的锌，以达到提高材料抗腐蚀能力的目的1。在此过程中会因为铁与锌的冶金反应生成锌渣，导致锌液的流动性变差，使镀层变厚，降低锌的利用率，影响锌层的质量。其中因形成锌渣而损耗掉的锌约占锌耗重量的12%15%，使镀锌成本大大增加2。在生产和使用过程中又会形成许多锌的废料从而造成浪费，如果不加以回收和利用，既是一种资源的浪费，也会污染环境。因此，研究热镀锌中温度及铝含量对热浸镀熔池中的锌渣的影响，对合理而有效地回收、利用锌渣废料 “变废为宝”，“化害为利”具有重要的意义，同时可推动社会科学持续的发展。汽车业的快速发展为钢铁工业的发展提供了契机和新的需求，汽车用热锌钢板成为我国各主要钢铁企

4、业新产品开发的主要方向，也是钢铁企业研发能力的要体现。汽车用钢板主要包括结构件用钢板和覆盖件用钢板两种类型，其中覆盖件用钢板的使用量大，种类多，对板材的性能要求也相对较高，同时也具有较高的产品附加因此，这类覆盖件钢板的需求量持续增长。例如，宝钢已经把汽车板尤以发展高强度钢板及其热镀锌产品为主要方向。在国外，由于成本和质量的优越性，日本汽车行业从 2005年起汽车用板全部以合金化镀锌板取代现有的电镀锌合金板。2. 锌渣的形成及生长机制锌渣是锌液中溶解的 Fe 与熔融 Zn 或与锌液中添加的 Al 之间在高温下形成的 Fe-Zn系、Fe-Al 系或 Fe-Al-Zn 系金属间化合物。锌液中 Fe

5、的来源主要是带钢钢基的溶解和铁质锌锅的浸蚀。研究表明，在连续生产的热镀锌过程中，锌液一般处于铁饱和状态，锌浴内会不可避免地析出 Fe-Zn 或 Fe-Al 金属间化合物的晶粒3-6。对于不同的锌液体系，锌液中的锌渣类型和产生原因各不相同。面渣面渣的主要结构为 Fe2Al5，该物质的密度约为 4.2 g/cm3，比锌液轻（锌液的密度为6.6 g/cm3），因此容易上浮至锌液表面7。Zn 在该二元化合物中有一定的溶解度，因此面渣的实际结构应该是 Fe2Al5Znx的三元金属间化合物。Zn 在 Fe2Al5中的溶解度随温度及其他工艺条件改变而发生小范围变化。有研究表明面渣中 Zn 含量为15-25w

6、t%。面渣形状多为棱角较圆滑的颗粒状多边形，大小一般为 40-100m8。底渣对于含Al量较低的GA镀液，从金相组织分析来看，底渣主要是由溶解在锌液中的Fe与Zn发生反应的 Fe-Zn 二元金属间化合物，以相（FeZn13）和相（FeZn7）为主，溶有少量的Al，测定的底渣成分一般为：Fe: 6-9 wt，Al: 2-4 wt，Zn: 87-91 wt。形状为棱角分明的多边形、长条状或由多个小颗粒聚集而成的锌渣颗粒簇，底渣大小一般为 80-400 m8，密度略大于锌液（相密度为 7.25 g/cm3），如果锌浴没有搅动会缓慢下沉。实际上，在连续热镀锌生产中，当热镀锌液类型由GA向GI转变时，锌

7、液底部的底渣会和加入的Al 反应生成面渣，正确把握锌渣转换规律对控制GA和GI镀锌板的镀层结构是十分必要的，在这方面的实验及理论研究也得到了广泛关注。悬浮渣除了面渣和底渣外，锌浴中还悬浮有一定量的锌渣颗粒，大小一般为 10-40m，密度介于底渣和面渣之间，悬浮于锌液中而形成悬浮渣8, 9。3. 影响锌渣形成的两个因素(a)铝对成渣的影响对于含 Al 量较低的GA和GI热镀锌液，随着 Al 在锌液中溶解度的增大，形成的锌渣也相应发生变化。A. Teruaki 在关于锌渣形成机制的研究中发现，Al 的溶解度从 0 增加到 0.14 wt% 时，锌浴中的锌渣相按 、1、1、 的顺序依次出现，最终形成

8、 -Fe2Al5相10。对低 Al 含量（通常小于 0.3wt %）热镀锌液中的锌渣研究时也发现，当 Al 含量小于 0.12 wt% 时，则易形成 相（FeZn7）；Al 含量大于 0.14 wt% 时，锌液中易形成 Fe2Al5Znx面渣；Al 含量处于二者之间时，两种相结构的锌渣均存在11。当锌液中的 Fe 为 0.08 wt，Al 为 0.12wt时生成的锌渣为灰色，棱角分明，结构为 FeZn7；当 Fe 为 0.04wt，Al 为 0.18 wt生成的面渣颜色则为灰黑色，形状为球形，结构为 Fe2Al5Znx。当 Al 含量进一步增加，镀锌中锌渣相的结构为 FeAl3-xZnx；55

9、%Al-Zn 镀液中的锌渣相则以 FeAl3为主，锌渣相里溶有少量的 Zn12。(b)浸镀温度的影响 锌浴温度直接影响 Fe-Zn 之间的反应速度和铁损，而锌浴中的 Fe 含量直接决定锌渣量的多少。随镀锌液温度的升高，反应速度加快，铁损也随之增大。锌浴温度对各种锌渣相的生长速率变化的影响也比较明显10。如图 1 所示，在相同的镀锌温度下，四种锌渣相的生长速率：11。当温度从 430变化至 480附近时，1相和 相生长速率增长较快， 相次之，而 1相生长速率基本保持不变。图 1 1, , 1, and -Fe2Al5锌渣相的生长速率常数随锌浴温度的变化104. 热镀锌渣的危害不管何种原因形成锌渣

10、，只要锌液中有锌渣存在，它就会加速锌液对铁的浸蚀熔解。热镀锌生产中加入的工业纯锌含铁量一般小于0.02%，随着时间的延长锌液中的含铁量将逐渐增加，当锌液中的含铁量超过0.05%时，锌液的粘度就增加，使锌液的流动性、润湿性、导热性变差。镀锌层厚度不均匀， 容易产生局部缺锌或在被镀工件表面形成锌瘤,影响产品质量。当锌渣沉入锌锅底部时，它将把大量的热量隔绝掉，致使锌液升温困难,燃料消耗增大。镀锌温度升高，从而使锌渣的产量迅速增加,降低锌锅的使用寿命。导致镀锌成本上升和生产的极大损失。5. 防止锌渣缺陷产生的措施考虑到锌渣的自身物理性质以及其在热镀锌液中的冶金行为，目前防止锌渣缺陷产生的措施主要集中在

11、镀锌工艺控制和设备改造上，具体的锌渣防止措施有：（1） 严格控制锌浴中铝的含量：锌液中的 Al 是影响锌渣生成的重要因素，因此控制铝的含量对于控制锌渣的形成至关重要。特别是在镀锌锅由 GA 热镀液转换为 GI 镀液时，因镀液中 Al 浓度增高导致锌渣类型发生转换，在转换期间，应严格控制镀液中 Al的含量。目前已开发出在线测量的定铝探头（传感器）和相应的熔池成分控制系统可以严格地测定熔池中的铝和对应的铁含量，可有效减少锌渣对镀锌板表面质量的影响。（2） 控制锌浴温度和浸镀时间等工艺参数：锌浴温度直接影响 Fe-Zn 之间的反应速度和铁损，而锌浴中的 Fe 含量直接决定渣量的多少。（3） 采用感应

12、加热或内加热陶瓷锌锅代替铁质锌锅，沉没辊表面喷涂耐锌液腐蚀的 WC-Co 涂层，或采用内部不需设置任何钢结构件的电磁移动场磁流体封闭式锌锅。（4） 在欧美一些镀锌企业，利用探入锌锅中的自动捞渣装置捞取炉鼻子附近和V 形区的锌渣。从国内外的研究现状来看，目前的锌渣缺陷防止措施主要都是通过“防”的办法来阻止 Fe-Zn 反应，以抑制锌渣的形成，而在生产中一旦锌渣形成以后，只能用人工或机械捞取的方法加以去除，并且在捞渣过程中还不可避免夹带出大量的锌，造成锌这一紧缺资源的浪费。显然，如能针对这一问题开发一种新的相应的锌液净化技术，寻找到一种更有效的、可持续发展的锌渣去除工艺，将“除”与“防”相结合，将

13、从根本上解决锌渣这一影响热镀锌板表面质量的国际性难题。6. 锌渣的回收工艺锌渣中含有大量的杂质元素,尤其是铁的含量较高，其它还有铝、锡、铅、镉、铜、镍等。目前锌渣的回收工艺主要包括以下几种：1)电解法该法是将锌渣制成可溶性阳极材料后直接电解精炼，以获得高纯度的阴极锌。其首先要制备电解精炼所用的阳极板。若用含铁高达57%的锌渣直接熔铸成电解精炼用阳极板,会因铁含量过高，使铁在阳极板电化学氧化的几率大大增加，同时增大了铁离子在阴极电沉积析出的可能性,导致阴极锌铁量增加、纯度下降。若含铁量过高，还会影响锌的正常溶解，导致阳极极化增大，其次，要选择恰当的电解液。一般电解精炼制取纯锌有四种电解质溶液：

14、ZnSO4-H2SO4电解质溶液、ZnCl2-HCl电解质溶液、ZnCl2-NaOH电解质溶液、ZnCl2-NaCl-HCl电解质溶液13。2)蒸发凝聚法蒸发凝聚法是利用金属之间在一定温度下的蒸汽压差别，使锌渣中蒸汽压差别加大的金属元素在常压下优先挥发分离出来。因为锌的蒸汽压较大，将锌渣加热到锌的沸点以上后，使其中的锌以蒸汽的形式挥发出来通入冷凝器中快速冷却，锌蒸汽会以细小颗粒的形式冷凝下来形成锌粉。真空蒸馏法是利用锌渣中不同金属在纯金属状态下蒸汽压的差别，在真空状态下使锌以蒸汽的形态挥发后冷凝回收，而其它杂质不挥发或少量挥发富集在残留物中，达到分离回收锌的目的14。该法与蒸发凝聚法相比可以降

15、低反应温度，但设备的一次性投入较大;每次加料以后都要抽真空，很难实现自动化生产,效率不高。3)化学法将锌渣用浓酸溶解至pH值514左右，冷却过滤后锌和铁、铝、铅等杂质元素都转化为其自身的盐溶液。采用黄钾铁矾法使溶液中9095%的铁以黄钾铁矾的形式沉淀出来。再向溶液中加入锌粉或锌屑除去正电性金属离子，同时在过滤后向溶液中加入过量的过氧化氢，保持pH值为45，以便进一步除去杂质铁。用制得的锌盐溶液经蒸发、烘干后可制备各种锌盐15。4)维尔兹法在化学处理法制备的锌盐溶液中加入浓度为5mol/L的氨水，温度控制在2535e，pH值保持为619711，使锌盐溶液中的锌离子生成白色的氢氧化锌沉淀,经过滤、

16、漂洗、烘干后焙烧可得到高纯度的氧化锌。再配以50%以上的还原剂(焦粉和碎煤，在锌挥发窑内高温条件下还原制备高纯度锌。资源短缺是人类面临的严重问题,锌原生矿资源同其它许多自然资源一样，在地球上的储量是有限的，不可能无限地供人们开采使用。锌渣的回收与利用可以扩大锌资源的使用寿命。同时,锌的回收可以降低生产能耗。资料显示,在从锌原生矿生产锌的总费用中,能源费占了20%,若采用锌渣废料生产金属锌其能耗比用原生锌矿生产锌金属的能耗降低约60%72%。同时，若用原生锌矿精炼锌，由于矿物原料品位低、成份复杂，因而工艺流程长，生产技术复杂,生产中产生的“三废”多。而锌渣中锌的含量高达85%以上，原料品位较高，

17、工艺流程较短，因而用锌渣直接生产金属锌可以减少对环境的污染，增加社会效益。三废的产生量也少些。2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题1 研究目标：通过研究不同温度及铝含量对热浸镀熔池中的锌渣的影响，发现低铝条件下的锌渣种类与数量，并与Galvalume镀层生产中产生的锌渣对比，为彻底解决锌铝熔池底渣问题，开发拥有自主知识产权的热浸镀产品打下基础。2 研究内容：通过实验，研究不同温度及铝含量对热浸镀熔池中的锌渣的影响研究。3 拟解决的关键问题：热浸镀熔池中的底渣问题。二、研究方案的确定1. 试验材料：纯铁、锌、铝、Al-Si中间合金等2. 实验仪器：扫描电镜、金相显微镜，预磨机、抛光机、线切割

18、机等3. 合金熔炼4. 实验工艺：不同铝含量：22.3wt.%Al、30wt.%Al、55wt.%Al不同温度：22.3wt.%Al -480、500、520。620 30wt.%Al-530、550、570、620 55wt.%Al-6205. SEM/EDS、X-rays分析三、作者已进行的准备及资料搜集情况目前已经收集并阅读了9篇中文文献、1篇英文文献，且已翻译了一篇英文文献。对本课题研究的目的意义有了充分了解，对热浸镀锌过程中锌渣的形成和控制有了一定的了解，能独立操作相关实验仪器，对实验有了初步的认识，并已作好实验前的相关准备工作，且基本的实验技能也已掌握。 四、阶段性工作计划与预期研

19、究成果第七学期第19周：介绍毕业论文工作要求，调研并下达任务书；第八学期第1-2周：调研，查阅文献，整理资料；第八学期第3-4周：外文翻译，整理，撰写开题报告；第八学期第5-15周：实验工作、毕业实习；第八学期第16-17周：整理与分析实验数据，撰写毕业论文初稿；第八学期第17周：撰写论文，准备答辩；第八学期第18周：毕业答辩。五、主要参考文献1 顾国成,刘邦津.热浸镀M.北京:化学工业出版社,1988.2 马 春.热镀锌渣电解精炼制取纯锌J.上海有色冶金,2002, 23 (2): 7984.3 A R Marder. The metallurgy of zinc-coated steel,

20、 Progress in Mater. Sci., 2000,45:191-2714 Y. Morimoto, E. Mcdevitt, M. Meshii, ISIJ Int. 37 (1997) 9065 T. Kato, K. Nunome, K. Kaneko, H. Saka, Acta Mater. 48 (2000) 22576 E. Mcdevitt, Y. Morimoto, M. Meshii, ISIJ Int. 37 (1997) (1997) 7767 朱立. 热镀锌钢板生产概述 第七讲 镀锌设备及相关技术J. 鞍钢技术，1999(10)：58-628 张红，姚凤元，

21、纪红玲，等. 宝钢 1550CGL 锌锅运行状态的测试与分析J. 宝技术，2004，（4）：7-119 Toussaint P, Segers L, Winand R, et al. Intermetallic particles in continuous hot dipgalvanizing baths at aluminum concentrations between 0.1 and 4.5 wt-%J. Ironmaking and Steelmaking, 1995, 22(6): 498-50110 Teruaki Arioka, Masahiko Hori, Tamotsu Toki, Atsuhisa Yakawa, MasahiroMorikawa.Growth mechanism of dross particles in mo