熱鍍鋅鍍層鋁含量分析

供稿|孫玨璐, 林傳華/SUN Jue-lu, LIN Chuan-hua

前 言

鋁是熱浸鍍鋅中非常關鍵的金屬元素，鋅鍋中鋁含量決定了鍍層的結構以及鋅鍋鋅浴行為。許多人都在研究鍍層中的鋁含量，Dubois把鍍層中的鋁歸類為3種形式。第1種是當有效鋁大于0.136%時，鍍鋅板中間層是鋁富集層，一般認為是溶解有10%～20%鋅的Fe2Al5Znx；第2種是所謂的純鍍層中的溶解鋁，溶解鋁(g/m2)取決于鋅層厚度；第3種是鍍層表面的鋁氧化絲，俄歇電子能譜分析可檢測出其厚度為5 nm[1]。

L. Chen等人采用熱鍍鋅模擬裝置研究了GI、GA鋼板中間抑制層形成的動力學。研究結果表明，2 s內已完成了中間抑制層的孕育和形核。在0.20%有效鋁含量下，首先是FeAl3的形核以及隨后轉變?yōu)镕e2Al5Znx的擴散。而在0.13%有效鋁含量下，其中間層演變過程是一個Fe-Al相與Fe-Zn相互競爭的過程。影響中間層主要是鍍鋅時間、鋅鍋溫度以及鋅液有效鋁含量[2]。

實際工業(yè)化大生產(chǎn)中，鋅鍋溫度以及鋅液有效鋁含量都是有目標值控制，或者說，都可以通過自動或人工經(jīng)驗使得其某個目標值上下波動。而唯有鍍鋅時間，是無法實現(xiàn)目標值上下波動的控制。鍍鋅時間主要取決于鍍鋅生產(chǎn)線的運行速度。Tong等多人[2-4]研究結果指出，鍍層從鋅液中吸收(Uptake)鋁可以分為兩個階段。在初始階段是一個急劇增加的過程，即完成Fe2Al5抑制層的連續(xù)形核。這個時間非常短，僅持續(xù)約0.1 s。隨后是一個較長時間的Fe2Al5抑制層擴散長大的過程。工業(yè)生產(chǎn)線帶鋼浸鍍長度約4 m，常規(guī)鍍鋅時間均大于2 s，遠遠大于抑制層完成連續(xù)形核所需要的時間，即其處于抑制層擴散長大階段。也有研究指出，成品后純鍍層的鋁含量總是低于鋅液中鋁含量，這是由于純鍍層中的鋁在出鋅鍋后繼續(xù)擴散進行Fe-Al合金層的生成即后擴散[1-2]。本文目的在于分析鍍層消耗的鋁量，而后的擴散是在鍍層間內部擴散，不影響分析結果，可不考慮。

本文以大生產(chǎn)下的GI、GA鋼板為研究對象，分析了鍍層中的鋁含量，尋找機組速度與鍍層鋁含量之間的關系。本文目的是尋找鍍層消耗鋁的規(guī)律，為優(yōu)化鋅錠添加制度、穩(wěn)定控制鋅液成分做準備。

樣品與檢測方法

樣品取自工業(yè)大生產(chǎn)的鋼板，GI樣板14塊，GA樣板24塊。相關生產(chǎn)工藝信息詳細見表1。

表1 樣品的生產(chǎn)工藝參數(shù)

鍍層鋁含量和鍍層重量使用輝光放電光譜儀(GDS-750A)測量。GDS檢測成本低，可快速定量分析，滿足常規(guī)精度下的檢測需求。

結果與討論

GI板

如前言中所述，鍍層中總鋁量T(質量分數(shù))主要包括兩部分：一部分是Fe2Al5抑制層中的鋁，用i(g/m2)表示；另一部分是純鍍層中的鋁，用c(g/m2)表示。在純鍍層中，鋁含量與鋅層厚度τ(g/m2)成正比關系[3]。純鍍層的鋁含量處理為鋅液中的有效鋁含量b(質量分數(shù))，理由上述已提過了。那么，c=b·τ。因此，抑制層鋁含量i(g/m2)與鍍層中總鋁量T(質量分數(shù))之間有以下的關系：i=(T-b)·τ。圖1是典型的鍍鋅層截面圖。

圖1 鍍鋅層截面

圖2是GI板抑制層鋁含量i(g/m2)與鍍鋅時間之間的關系。鍍鋅時間越長或速度越慢，抑制層越厚，鋁含量越高。這個結果與L. Chen等人[3][5]實驗室研究結果是一致的。本文考慮現(xiàn)場使用方便以及速度范圍窄，回歸按線性處理其趨勢。鍍鋅時間約2.25 s(浸鍍長度4 m，速度約107 m/min)，樣本受鋅液有效鋁含量以及鍍鋅溫度偏離目標值影響，實際值與線性回歸預測值偏差大。

圖2 GI板抑制層鋁含量(g/m2)與鍍鋅時間的關系

這說明，在大生產(chǎn)中，生產(chǎn)線運行速度將影響抑制層的厚度，影響著帶鋼從鋅液中帶走的鋁量。在實際工業(yè)生產(chǎn)中鋅錠的添加要考慮到這一點。例如，鋅層厚度50 g/m2的某規(guī)格帶鋼一般情況下生產(chǎn)速度為100 m/min，若生產(chǎn)速度降至80 m/min，抑制層鋁含量將增加0.0295 g/m2，影響鋁含量約為0.06%。假設原先添加的是含鋁量0.50%的鋅錠，因為速度下降抑制層厚度增加，消耗更多的鋁，僅因為抑制層厚度變厚這個影響因素，需要的鋁含量增加至0.56%。

GA板

圖3是GA板抑制層鋁含量i(g/m2)與鍍鋅時間之間的關系。鍍鋅時間越長或速度越慢，抑制層越厚，鋁含量越高。這個結果與L. Chen等人[3][5]實驗室研究結果是一致的。當然在合金化后本抑制層也不將存在，這里所指的抑制層僅是指浸鍍時產(chǎn)生的，用來測算鍍層鋁從鋅液中吸收的鋁含量，估算鋅液鋁消耗。本文考慮了現(xiàn)場使用方便以及速度范圍窄，回歸按線性處理其趨勢。值得說明一點，我們在大生產(chǎn)運用這個線性回歸的規(guī)律進行鋅錠添加試驗，可以滿足實際生產(chǎn)的需要，這將在后續(xù)另一個鋅錠添加模型報道進一步闡述。

圖3 GA板抑制層鋁含量(g/m2)與鍍鋅時間的關系

因此，在大生產(chǎn)中，生產(chǎn)線運行速度將影響抑制層的厚度，影響著帶鋼從鋅液中帶走的鋁量，在實際的鋅錠添加時要考慮到這一點。

對比GI與GA板的抑制層鋁含量或者說抑制層厚度，還可以發(fā)現(xiàn)GI板的抑制層厚度要明顯大于GA板，這正是鋅液鋁成分對抑制層形核長大的動力學作用的結果。GI板熱浸鍍時，F(xiàn)e-Al抑制中間層快速形核和生長，有效阻礙了Fe-Zn之間的反應。當鋅液有效鋁不斷提高直至0.20%，由于鐵的充分供給，抑制層厚度不斷增加[7][10]。GA板熱浸鍍時，F(xiàn)e-Al抑制中間層的形核和生長，幾乎同時伴伴隨著抑制層的破裂，F(xiàn)e-Zn化合物開始形核與長大。

結 論

本文以大生產(chǎn)下的GI、GA鋼板為研究對象，分析了鍍層中的鋁含量，尋找機組速度與鍍層鋁含量之間的關系，得出以下結論。

(1) 純鋅GI板，在有效鋁含量為0.18%～0.20%的情況下，鍍鋅時間越長或速度越慢，抑制層越厚，鍍層中鋁含量越高。實際生產(chǎn)中，為了維持鋅鍋鋅液鋁含量穩(wěn)定，鋅錠的添加要考慮速度因素。

(2)合金化GA板，在有效鋁含量為0.125%～0.135%的情況下，鍍鋅時間越長或速度越慢，抑制層越厚，鍍層中鋁含量越高。實際生產(chǎn)中，為了維持鋅鍋鋅液鋁含量穩(wěn)定，鋅錠的添加要考慮速度因素。

(3) 純鋅GI板抑制層厚度比GA板要大，這是因為鋅液有效鋁的動力學作用。

致謝：本文得到寶鋼技術中心金鑫焱、劉昕的大力支持和幫助，在此致以衷心的感謝！

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