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(guān)鍵的金屬元素，鋅鍋中鋁含量決定了鍍層的結(jié)構(gòu)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(dāng)有效鋁大于0.136%時(shí)，鍍鋅板中間層是鋁富集層，一般認(rèn)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(cè)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(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明，2 s內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)镕e2Al5Znx的擴(kuò)散。而在0.13%有效鋁含量下，其中間層演變過(guò)程是一個(gè)Fe-Al相與Fe-Zn相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。影響中間層主要是鍍鋅時(shí)間、鋅鍋溫度以及鋅液有效鋁含量[2]。

實(shí)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(biāo)值控制，或者說(shuō)，都可以通過(guò)自動(dòng)或人工經(jīng)驗(yàn)使得其某個(gè)目標(biāo)值上下波動(dòng)。而唯有鍍鋅時(shí)間，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值上下波動(dòng)的控制。鍍鋅時(shí)間主要取決于鍍鋅生產(chǎn)線的運(yùn)行速度。Tong等多人[2-4]研究結(jié)果指出，鍍層從鋅液中吸收(Uptake)鋁可以分為兩個(gè)階段。在初始階段是一個(gè)急劇增加的過(guò)程，即完成Fe2Al5抑制層的連續(xù)形核。這個(gè)時(shí)間非常短，僅持續(xù)約0.1 s。隨后是一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的Fe2Al5抑制層擴(kuò)散長(zhǎng)大的過(guò)程。工業(yè)生產(chǎn)線帶鋼浸鍍長(zhǎng)度約4 m，常規(guī)鍍鋅時(shí)間均大于2 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抑制層完成連續(xù)形核所需要的時(shí)間，即其處于抑制層擴(kuò)散長(zhǎng)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(kuò)散進(jìn)行Fe-Al合金層的生成即后擴(kuò)散[1-2]。本文目的在于分析鍍層消耗的鋁量，而后的擴(kuò)散是在鍍層間內(nèi)部擴(kuò)散，不影響分析結(jié)果，可不考慮。

本文以大生產(chǎn)下的GI、GA鋼板為研究對(duì)象，分析了鍍層中的鋁含量，尋找機(jī)組速度與鍍層鋁含量之間的關(guān)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(zhǔn)備。

樣品與檢測(cè)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(guān)生產(chǎn)工藝信息詳細(xì)見(jiàn)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(cè)量。GDS檢測(cè)成本低，可快速定量分析，滿足常規(guī)精度下的檢測(cè)需求。

結(jié)果與討論

GI板

如前言中所述，鍍層中總鋁量T(質(zhì)量分?jǐn)?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(guān)系[3]。純鍍層的鋁含量處理為鋅液中的有效鋁含量b(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，理由上述已提過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù))之間有以下的關(guān)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(shí)間之間的關(guān)系。鍍鋅時(shí)間越長(zhǎng)或速度越慢，抑制層越厚，鋁含量越高。這個(gè)結(jié)果與L. Chen等人[3][5]實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果是一致的。本文考慮現(xiàn)場(chǎng)使用方便以及速度范圍窄，回歸按線性處理其趨勢(shì)。鍍鋅時(shí)間約2.25 s(浸鍍長(zhǎng)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(biāo)值影響，實(shí)際值與線性回歸預(yù)測(cè)值偏差大。

圖2 GI板抑制層鋁含量(g/m2)與鍍鋅時(shí)間的關(guān)系

這說(shuō)明，在大生產(chǎn)中，生產(chǎn)線運(yùn)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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中鋅錠的添加要考慮到這一點(diǎn)。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(shè)原先添加的是含鋁量0.50%的鋅錠，因?yàn)樗俣认陆狄种茖雍穸仍黾?，消耗更多的鋁，僅因?yàn)橐种茖雍穸茸兒襁@個(gè)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(shí)間之間的關(guān)系。鍍鋅時(shí)間越長(zhǎng)或速度越慢，抑制層越厚，鋁含量越高。這個(gè)結(jié)果與L. Chen等人[3][5]實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果是一致的。當(dāng)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(shí)產(chǎn)生的，用來(lái)測(cè)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(chǎng)使用方便以及速度范圍窄，回歸按線性處理其趨勢(shì)。值得說(shuō)明一點(diǎn)，我們?cè)诖笊a(chǎn)運(yùn)用這個(gè)線性回歸的規(guī)律進(jìn)行鋅錠添加試驗(yàn)，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，這將在后續(xù)另一個(gè)鋅錠添加模型報(bào)道進(jìn)一步闡述。

圖3 GA板抑制層鋁含量(g/m2)與鍍鋅時(shí)間的關(guān)系

因此，在大生產(chǎn)中，生產(chǎn)線運(yùn)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(shí)際的鋅錠添加時(shí)要考慮到這一點(diǎn)。

對(duì)比GI與GA板的抑制層鋁含量或者說(shuō)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(duì)抑制層形核長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)作用的結(jié)果。GI板熱浸鍍時(shí)，F(xiàn)e-Al抑制中間層快速形核和生長(zhǎng)，有效阻礙了Fe-Zn之間的反應(yīng)。當(dāng)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(shí)，F(xiàn)e-Al抑制中間層的形核和生長(zhǎng)，幾乎同時(shí)伴伴隨著抑制層的破裂，F(xiàn)e-Zn化合物開(kāi)始形核與長(zhǎng)大。

結(jié) 論

本文以大生產(chǎn)下的GI、GA鋼板為研究對(duì)象，分析了鍍層中的鋁含量，尋找機(jī)組速度與鍍層鋁含量之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

(1) 純鋅GI板，在有效鋁含量為0.18%～0.20%的情況下，鍍鋅時(shí)間越長(zhǎng)或速度越慢，抑制層越厚，鍍層中鋁含量越高。實(shí)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(shí)間越長(zhǎng)或速度越慢，抑制層越厚，鍍層中鋁含量越高。實(shí)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?yàn)殇\液有效鋁的動(dòng)力學(xué)作用。

致謝：本文得到寶鋼技術(shù)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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