連鑄帶鋼和鋅法熱鍍鋅工藝的進(jìn)步

連鑄帶鋼和鋅法熱鍍鋅工藝的進(jìn)步

1帶鋼-暴力4年400-1.自《連續(xù)熱帶針》出版以來(lái)，氧化鋅產(chǎn)品和紡織工藝有了很大進(jìn)步，尤其是在設(shè)備制造、技術(shù)應(yīng)用和工藝控制方面。最早的鍍鋅工藝是在熱軋板或冷軋板進(jìn)入熱鍍鋅線之前,先在罩式退火爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火,然后經(jīng)過(guò)酸洗、涂熔劑,最后進(jìn)入鋅槽鍍鋅。其缺點(diǎn)是產(chǎn)量低、質(zhì)量差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、無(wú)鍍層厚度控制、鋅層粘附性不好。但當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)對(duì)鍍鋅板的質(zhì)量沒(méi)有過(guò)高要求,鍍鋅板只作為屋面板使用,技術(shù)上關(guān)注的主要是如何提高產(chǎn)量。熔劑法鍍鋅(線外退火)為了減少浸鋅時(shí)間和降低鋅液對(duì)鋅鍋的侵蝕以及容易撈取鋅渣,往往在鋅鍋的下部充有大量的鉛液。鋼板進(jìn)入鋅鍋時(shí),首先接觸熔融熔劑,然后進(jìn)入鉛層,只在鋅鍋出口處,鋼板才在短時(shí)間內(nèi)和鋅液接觸,所以稱作鉛—鋅法熱鍍鋅。熔劑法鍍鋅不能向鋅液中加鋁,因?yàn)殇X很容易和熔劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),較不活潑的金屬鋅從其化合物中被活潑金屬鋁所代替,生成AlCl3,而AlCl3即使在123℃的低溫下也能沸騰,因此很快從熔劑中蒸發(fā)出來(lái)被消耗掉。同時(shí)AlCl3也可能和氨作用生成AlCl3·NH3,而AlCl3·NH3在400℃就沸騰了。因?yàn)槿蹌┓徨冧\只能在無(wú)鋁的情況下鍍鋅,所以鍍層的合金層很厚且粘附性很差。另外,生成的鋅渣都積存在鋅液和鉛液的界面處而不能沉積鍋底(因?yàn)殇\渣的比重大于鋅液而小于鉛液),這樣鋼板因穿過(guò)渣層而污染了表面,所以此鍍鋅方法已基本被淘汰。波蘭人森吉米爾首先成功地把退火工藝和熱鍍鋅工藝聯(lián)合起來(lái),并于1931年在波蘭建成了第一條帶鋼連續(xù)熱鍍鋅作業(yè)線,這種鍍鋅方法被稱為森吉米爾法鍍鋅。該工藝是將帶鋼在氧化性氣氛內(nèi)加熱到400℃,燒掉帶鋼上的軋制油,然后在帶有還原性保護(hù)氣的輻射管加熱段繼續(xù)加熱。保護(hù)氣通常由分解氨生成,含75%H2、25%N2,很容易爆炸。但在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下很難通過(guò)其它途凌全偉,高級(jí)工程師,1989年畢業(yè)于上海交通大學(xué)熱能工程專業(yè),現(xiàn)工作于鞍鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院工業(yè)爐室(114021)。徑得到N2。帶鋼表面經(jīng)過(guò)還原后進(jìn)入鐵鋅鍋中鍍鋅,鍍鋅后的鋼板還要經(jīng)過(guò)平整和鈍化處理。當(dāng)時(shí)還沒(méi)使用高溫計(jì),自動(dòng)控制更無(wú)從談起,人們用擠壓輥控制鍍鋅層厚度,沒(méi)有無(wú)鉛鋅錠,不考慮環(huán)保要求。一般生產(chǎn)線的產(chǎn)量在10~15t/h之間,產(chǎn)品只用于建筑行業(yè)。值得注意的是這種工藝適用于生產(chǎn)高強(qiáng)鋼。進(jìn)入20世紀(jì)50年代末期,明火加熱段的燃燒技術(shù)有了新的發(fā)展,SteinHeurtey公司研制了火焰垂直于帶鋼的燃燒技術(shù),Selas公司研制了火焰平行于帶鋼的燃燒技術(shù),這使得帶鋼的加熱速度大大提高。爐內(nèi)形成還原性氣氛,明火段與帶保護(hù)氣的輻射管段被一個(gè)喉部連接起來(lái),在明火加熱段的出口帶鋼可以加熱到600~700℃,增加了噴冷段,以便快速冷卻帶鋼,最大線速度達(dá)120~130m/min,產(chǎn)量達(dá)25~35t/h。這種工藝是從森吉米爾法鍍鋅工藝改良而來(lái),因此叫改良森吉米爾法鍍鋅工藝。這時(shí)控制儀表已開(kāi)始應(yīng)用,DDQ產(chǎn)品還沒(méi)有出現(xiàn),鐵鋅鍋中的底渣成為當(dāng)時(shí)的主要問(wèn)題。這個(gè)階段出現(xiàn)了鋅花產(chǎn)品,將磷酸鹽溶液或蒸汽和水的混合體噴向從鋅鍋中出來(lái)尚未凝固的鋅層,形成美麗的鋅花板面。20世紀(jì)70年代初的另一個(gè)發(fā)展是氣刀的出現(xiàn),它采用蒸汽,后來(lái)發(fā)展成壓縮空氣控制鍍鋅層厚度,由于擠壓輥維修周期很短,3~4天就要拆卸一次,邊部控制困難,而且?guī)т撍俣瓤鞎r(shí)會(huì)造成噴濺。氣刀的出現(xiàn)使鍍鋅線的速度提高到160~170m/min,接近了現(xiàn)在的水平。在同一時(shí)期,光整機(jī)也加進(jìn)了鍍鋅線中,產(chǎn)品的質(zhì)量得到很大提高。鍍鋅線最重要的發(fā)展就是陶瓷鋅鍋的使用,它解決了鍋體嚴(yán)重腐蝕的問(wèn)題,同時(shí)使鋅液中Al含量增加到0.2%。后來(lái)發(fā)展的Galvalume和Aluminized產(chǎn)品,Al含量達(dá)到55%和100%,鋅渣開(kāi)始浮在鋅液上,可以隨時(shí)清理,鍍鋅產(chǎn)品的附著性有了很大提高。20世紀(jì)70年代末80年代初,大量使用防凍鹽清理冰雪路面,使得汽車(chē)的腐蝕加快。人們開(kāi)始使用鍍鋅板這種防腐性很好的材料制造汽車(chē),使鍍鋅板進(jìn)入了一個(gè)新的市場(chǎng)。它要求更薄的鋼板和更薄的鍍鋅層。由于焊接的要求,出現(xiàn)了DDQ產(chǎn)品,還出現(xiàn)了電鍍鋅產(chǎn)品。電鍍鋅產(chǎn)品更適合汽車(chē)制造的要求,這時(shí)真空脫氣和連鑄技術(shù)還沒(méi)普及。汽車(chē)市場(chǎng)的出現(xiàn)使鍍鋅產(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在的水平,鍍鋅線配備有清洗段、帶冷卻段的退火爐、合金化處理、單鍋或兩鍋系統(tǒng)、氣刀、光整機(jī)、化學(xué)處理段及最終檢查設(shè)備。2現(xiàn)有幾種單用間距設(shè)備2.1清洗段的設(shè)置生產(chǎn)頂級(jí)產(chǎn)品的鍍鋅線均設(shè)置化學(xué)清洗段。對(duì)于配置全輻射管加熱連續(xù)退火爐的鍍鋅線,必須設(shè)置化學(xué)清洗段,例如鞍鋼2#熱鍍鋅線。對(duì)于配置帶無(wú)氧化加熱段的連續(xù)退火爐,因?yàn)槊骰鸲慰汕宄堉朴?所以不設(shè)化學(xué)清洗段,例如鞍鋼1#、3#號(hào)熱鍍鋅線。化學(xué)清洗段由以下部分組成:噴淋預(yù)清洗、第一刷洗段、電解清洗段、第二刷洗段、最終漂洗段。清洗段有兩種布置方式,第一種布置在入口活套前;第二種布置在入口活套與連續(xù)退火爐之間。第二種方式投資少,且工藝過(guò)程更加穩(wěn)定,但無(wú)法抽取鋼板樣品、檢查清洗效果并加以調(diào)整和控制。有一些生產(chǎn)線還配置有酸洗段,以便去除鋼板表面的氧化物。設(shè)置清洗段有以下缺點(diǎn):(1)除鹽水消耗很大(4~8m3/h),而且有害廢液必須進(jìn)行處理。由于環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán),將來(lái)處理有害廢液的成本會(huì)越來(lái)越高。(2)由于刷子和擠干輥的消耗很快,所以運(yùn)行成本很高。近年來(lái)為減少運(yùn)行成本,研制開(kāi)發(fā)了耐磨刷子和紡織擠干輥。(3)無(wú)法在線檢測(cè)清洗效果,因而無(wú)法優(yōu)化控制,以達(dá)到低耗、優(yōu)質(zhì)。將來(lái)清洗段的發(fā)展方向應(yīng)該是開(kāi)發(fā)利用其它領(lǐng)域廣泛使用的超聲波清洗或高壓清洗。2.2連續(xù)火力發(fā)生器2.2.1爐內(nèi)帶鋼的生長(zhǎng)目前,加熱爐有兩種加熱方式,一種是無(wú)氧化加熱段(明火段)和輻射管加熱段相結(jié)合;另一種是全輻射管加熱。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn),將來(lái)會(huì)同時(shí)存在。鞍鋼從市場(chǎng)等方面考慮,在1#、3#線中采用了帶明火段的連續(xù)退火爐,在2#線上采用了全輻射管加熱的連續(xù)退火爐。全輻射管加熱爐將清洗和加熱功能分開(kāi),可以避免無(wú)氧化段在事故狀態(tài)時(shí)薄帶鋼易被燒斷的危險(xiǎn)。但它必須設(shè)置清洗段,增加了輻射管數(shù)量,投資成本、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用都大大增加,爐內(nèi)帶鋼的運(yùn)行長(zhǎng)度加長(zhǎng),爐輥和糾偏系統(tǒng)出故障的機(jī)率增加,所以配置這種爐子要進(jìn)行充分論證。帶無(wú)氧化加熱段的連續(xù)退火爐有如下特點(diǎn):(1)火焰直接與帶鋼接觸,可以將軋制油燒掉,省去清洗段,節(jié)省投資和運(yùn)行成本,爐內(nèi)成分的控制對(duì)帶鋼表面的氧化有直接影響。(2)爐內(nèi)溫度很高(1310℃)時(shí),耐火磚降溫不快,事故時(shí)容易燒斷薄的帶鋼。現(xiàn)在有人使用耐高溫纖維砌筑無(wú)氧化爐,出事故時(shí),可以加快降溫速度,減少斷帶的幾率。(3)由于爐溫很高,帶鋼的加熱速度很快,爐長(zhǎng)得以大大縮短,相應(yīng)的爐輥減少,傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化,減少了維護(hù)費(fèi)用。上述兩種加熱方式在爐溫超過(guò)600~700℃后,都要通過(guò)輻射管加熱達(dá)到最終溫度。以現(xiàn)有的技術(shù)條件,用輻射管加熱最高可達(dá)到950℃,帶鋼溫度超過(guò)830~850℃后,由于爐溫與帶鋼的溫差越來(lái)越小,再向上升高爐溫會(huì)非常緩慢,爐長(zhǎng)要增加很多,相應(yīng)的會(huì)使?fàn)t子傳動(dòng)設(shè)備復(fù)雜化。加熱段將來(lái)會(huì)在以下幾方面得到發(fā)展:(1)適應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求,控制CO2和NOX的排放。(2)隨著市場(chǎng)對(duì)鍍鋅板性能要求的不斷提高,基板內(nèi)合金元素成分和含量會(huì)不斷變化,加熱工藝會(huì)不斷發(fā)展,有的帶鋼品種以現(xiàn)在的加熱工藝,即使還原段的H2含量提高到50%,也無(wú)法防止帶鋼表面氧化,而帶鋼表面的氧化會(huì)嚴(yán)重影響鋅的附著性。(3)退火溫度在帶鋼品種變化時(shí)非常難以控制。數(shù)學(xué)模型的不斷完善,會(huì)使這一情況得到改善。2.2.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化一般冷卻段的冷卻速度為100~150W/(m2·℃)。IF鋼沒(méi)研制出來(lái)前,常采用將冷卻速度提高到200W/(m2·℃)的方式增強(qiáng)低碳鋼中碳的析出,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,采用快速噴冷器等加強(qiáng)冷卻的措施。人們還試驗(yàn)將帶鋼快速冷卻到過(guò)時(shí)效溫度鍍鋅,但鋅的附著性無(wú)法達(dá)到要求。當(dāng)雙向鋼和TRIP鋼出現(xiàn)后,快冷速度回到了原來(lái)的要求,一般控制在200W/(m2·℃)以下,因?yàn)槌^(guò)這個(gè)值,帶鋼的振動(dòng)和劃傷問(wèn)題很難得到解決。冷卻段的新工藝和新設(shè)備還會(huì)不斷出現(xiàn),但冷卻速度太高,會(huì)使運(yùn)行費(fèi)用相應(yīng)提高,另外冷卻工藝還受到鍍鋅溫度及合金化處理等方面的限制。2.3事故處理和顯著性處理陶瓷鋅鍋就是現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)鋅鍋。它有兩種加熱方式,一種是方形鍋,帶感應(yīng)器及熔溝;另一種是圓形鍋,也叫無(wú)芯鋅鍋,感應(yīng)線圈繞在鍋的耐火材料外。方形鍋的缺點(diǎn)是熔溝容易堵、損壞和漏鋅,另外開(kāi)始熔鋅和事故處理時(shí)比較麻煩。無(wú)芯鋅鍋供熱能力強(qiáng),因此常用于要求供熱量大的Galvalume產(chǎn)品,與預(yù)熔鍋同時(shí)使用。這種鍋的缺點(diǎn)是電磁力在整個(gè)鋅鍋內(nèi)作用,鋅鍋底部一直在流動(dòng),因此底渣無(wú)法沉積,對(duì)鍍鋅板的質(zhì)量有影響。鋅鍋在以下幾方面還有待進(jìn)一步研究:(1)鋅鍋中鋅液流動(dòng)的測(cè)量與控制問(wèn)題。下溜槽的角度、鋅鍋的尺寸和形狀、鋅錠放入?yún)^(qū)域、感應(yīng)器的位置等都需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化。(2)減少鋅渣產(chǎn)生量、改善鋅液頂部浮渣的特性、減少沉沒(méi)輥上的粘附物、鋅花及其大小的控制等。最新研究表明,在鋅液中加入一定量的Mg,會(huì)顯著提高鍍鋅板在海洋環(huán)境下的抗腐蝕性。2.4輥?zhàn)颖砻驿\渣的復(fù)合鍍鋅板鋅鍋設(shè)備主要包括沉沒(méi)輥、穩(wěn)定輥及其附屬設(shè)備。有兩種穩(wěn)定輥的配置方式,一種是單個(gè)穩(wěn)定輥;一種是兩個(gè)穩(wěn)定輥?，F(xiàn)在一般采用單個(gè)穩(wěn)定輥。對(duì)于鋅鍋設(shè)備,目前最主要的任務(wù)是減少維修費(fèi)用,提高鍍鋅板上鋅的均勻性及鍍鋅板的表面質(zhì)量。輥?zhàn)颖砻嫱垮兒辖饘涌梢源蟠鬁p緩輥?zhàn)颖砻驿\渣的粘附,但費(fèi)用很高,需要作技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的比較。軸承的磨損一直是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。在生產(chǎn)薄帶(0.3mm以下)時(shí),常常發(fā)生沉沒(méi)輥停止運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,穩(wěn)定輥發(fā)生這種現(xiàn)象的可能性更大,現(xiàn)在正在研究用陶瓷輥軸承代替現(xiàn)有軸承,以減少摩擦力。鍍層的均勻性受穩(wěn)定輥穩(wěn)定性的影響最大,鍍鋅層的厚度與氣刀噴口和帶鋼之間的距離有關(guān),而氣刀噴口和帶鋼之間的距離與支撐架的穩(wěn)定性、沉沒(méi)輥轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性及沉沒(méi)輥的水平度有關(guān)。2.5氣刀的調(diào)整氣刀是調(diào)整鍍鋅層重量的設(shè)備,它可以在帶鋼速度50~200m/min的條件下工作,控制鍍鋅層重量為30~300g/m2(單面)。在設(shè)計(jì)上采取了各種辦法提高鍍鋅層的均勻性,防止帶鋼高速運(yùn)行時(shí)液體鋅噴濺。氣刀與帶鋼間的距離一般是固定的,但也有將氣刀與帶鋼間的距離設(shè)計(jì)成可調(diào)整的,這樣當(dāng)帶鋼不平,有瓢曲時(shí),可以通過(guò)氣刀的調(diào)整提高鍍鋅層的均勻性。當(dāng)帶鋼在低速下運(yùn)行或鍍厚的鍍層時(shí),可以通過(guò)調(diào)整氣刀縫提高鍍鋅層的均勻性。氣刀控制的難點(diǎn)在于當(dāng)出現(xiàn)鍍鋅缺陷時(shí)如何控制,例如出現(xiàn)鋅浪、氣刀條痕、厚邊以及在變品種時(shí)出現(xiàn)帶鋼瓢曲面使鍍層不均等問(wèn)題。(1)錫波溫度高,鋅液粘度降低,鋅液就會(huì)順著冷卻風(fēng)噴吹的方向在鍍鋅板表面形成水波一樣的浪紋。(2)氣刀連接由于氣刀的縫隙發(fā)生了局部堵塞,而在帶鋼相應(yīng)位置上產(chǎn)生的凸起帶痕。(3)重、難點(diǎn)氣刀問(wèn)題熱鍍鋅帶鋼邊沿的鋅層比中部的鋅層厚,可分為高速厚邊和低速厚邊,高速厚邊主要是由于氣刀的角度調(diào)整不佳,造成對(duì)吹,形成擾流而產(chǎn)生的;低速厚邊是由于某種原因,噴嘴兩端的氣流向外散失一部分,減小了邊部氣流的沖量,造成邊部刮鋅量比中部少,形成厚邊缺陷。變品種時(shí),由于在線速度變化,直接影響鍍層的均勻性。當(dāng)焊縫通過(guò)氣刀后,氣刀必須馬上調(diào)整噴出氣流的壓力及氣刀與帶鋼間的距離,但鍍層測(cè)厚系統(tǒng)一般要滯后1~2min,造成質(zhì)量缺陷。好的控制系統(tǒng)可以根據(jù)在線產(chǎn)品情況及數(shù)學(xué)模型,補(bǔ)償、修正測(cè)厚儀滯后帶來(lái)的缺陷。還可以使用最新的距氣刀僅1m的液鋅測(cè)量裝置,這是將來(lái)發(fā)展的方向。氣刀的工作與生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品性能要求及帶鋼的表面質(zhì)量等很多因素有關(guān)。其發(fā)展方向是通過(guò)精確控制氣刀與帶鋼間的距離,保證鍍層重量和表面質(zhì)量,努力解決因越來(lái)越高的帶鋼速度所帶來(lái)的鋅噴濺現(xiàn)象。2.6單回路感應(yīng)線圈以感應(yīng)加熱代替煤氣加熱后,合金化過(guò)程得到了有效控制。最初的10kHz、6500kW的感應(yīng)線圈被100kHz、1.5MW的1m長(zhǎng)單回路感應(yīng)線圈代替,這樣可以保證薄帶鋼的加熱和在不增加冷卻塔高度的前提下增加均熱時(shí)間,最新發(fā)展的框架結(jié)構(gòu)還解決了接點(diǎn)磨損的問(wèn)題。鍍層中Fe-Zn相的控制一直是重點(diǎn)研究的課題,可以采用X射線測(cè)量、發(fā)射率測(cè)量、在線光學(xué)方法測(cè)量等,這些方法有些還不成熟,還在進(jìn)一步發(fā)展中。2.7冷卻、控制帶鋼制度以前不作為重點(diǎn)研究對(duì)象的冷卻塔和頂輥,現(xiàn)在也越來(lái)越受到重視。因?yàn)閹т摐囟冗^(guò)高會(huì)引起頂輥壓痕,這種質(zhì)量缺陷對(duì)于汽車(chē)外板來(lái)說(shuō)是不能接受的。另外,隨著產(chǎn)量的提高,如何防止帶鋼在高速運(yùn)行下抖動(dòng),也成了必須研究的問(wèn)題。一些生產(chǎn)線使用水霧冷卻的方式增加冷卻能力和速度,但水的控制比較困難,可靠性差,另外,工藝對(duì)冷卻器的冷卻能力也有限制。對(duì)于GI產(chǎn)品來(lái)說(shuō),抖動(dòng)問(wèn)題更要解決。采用無(wú)接觸穩(wěn)定設(shè)備或優(yōu)化冷卻段,可以避免帶鋼的抖動(dòng)。自從鍍鋅產(chǎn)品用于汽車(chē)板后,頂輥有了很大變化,現(xiàn)在常采用水冷加表面鍍層的頂輥。2.8光處理器設(shè)計(jì)光整是改善鍍鋅板表面質(zhì)量的關(guān)鍵工序,它不僅具備傳統(tǒng)的冶金工藝功能(對(duì)于IF鋼,沒(méi)有這種功能),而且具有能在鍍鋅板上壓出所要求的粗糙度的功能。現(xiàn)在的光整機(jī)與軋機(jī)越來(lái)越相近,在光整機(jī)與張力矯直機(jī)之間設(shè)有張力輥,這個(gè)張力輥有時(shí)安裝在出口,但最好還是安裝在光整機(jī)與張力矯直機(jī)之間,因?yàn)檫@樣可以保證光整機(jī)在恒速下工作?？焖贀Q輥設(shè)備可以在90s內(nèi)換完輥,從而完成鍍鋅板表面粗糙度的變換。工作輥直徑從400mm增長(zhǎng)到600mm,提高了設(shè)備能力。對(duì)于較軟的鋼,可得到相當(dāng)好的延展性能和機(jī)械性能。為滿足用戶對(duì)表面亮度越來(lái)越高的要求,新的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)正在應(yīng)用,EDT、EBT等都得到了廣泛使用。現(xiàn)在使用濕光整輥防止輥上粘鋅。對(duì)于合金化產(chǎn)品用純水,對(duì)于鍍鋅產(chǎn)品用帶1%~2%溶劑的水。但溶劑的使用帶來(lái)了環(huán)保問(wèn)題,它使全線的廢液排放量增加,像刷子和高壓噴嘴這樣的輥?zhàn)忧謇碓O(shè)備不是很有效,新的符合環(huán)保要求的輥?zhàn)忧謇碓O(shè)備和溶劑還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。隨著熱軋鍍鋅技術(shù)的不斷發(fā)展,厚度的變化和邊部缺陷問(wèn)題比冷軋鍍鋅更嚴(yán)重,現(xiàn)有的光整機(jī)能否用熱軋鍍鋅板生產(chǎn)出符合彩涂要求的原板,是一個(gè)值得研究的課題。3鍍層鋼的發(fā)展方向現(xiàn)在鍍鋅工藝是一個(gè)成熟的工藝,鍍鋅產(chǎn)品已在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。但由于不斷的競(jìng)爭(zhēng)和新的質(zhì)量要求(如輕型產(chǎn)品),要求在技術(shù)上不斷突破和發(fā)展。以下幾項(xiàng)是今后值得研究的課題:(1)降低成本。這是一個(gè)主要課題,它