内蒙古科技大学
题 目：连续热镀锌工艺的现状及发展
学生姓名：
学 号：
专 业：材料成型机控制工程
班 级：
指导老师：
本科生课程论文
连续热镀锌工艺的现状及发展
摘要
本文主要是介绍了带钢连续热镀锌工艺及其改进，包括热镀锌工艺流程、以及热镀锌的核心设备及改进设备和连续热镀锌退火设备的技术进步，发展了热镀锌保护气体的技术和常用的几种热镀锌钢板生产技术以及锌金属制品概况及技术，讨论了新型热镀锌材料的开发，指出了国内外发展状况及差距，介绍连续热镀锌产品发展趋势，以及对连续热镀锌产品。
关键词: 连续热镀锌; 工艺技术; 合金化; 高强钢
Current process and technology investigation situation in the field
strip continuous hot-dip galvanization
Abstract This paper mainly introduces the hot dip galvanizing process and its improvement, technological progress includes hot dip galvanizing process, as well as the core equipment of hot dip galvanizing and improved equipment and continuous hot dip galvanizing annealing equipment, development of hot dip galvanizing
protective gas technology and several commonly used galvanized steel production technology and of zinc metal products and technology, discussion the development of new hot dip galvanized material, and points out the development status and the gap between China and abroad, the development trend of continuous hot dip galvanized products, as well as to the continuous hot dip galvanized products.
of steel
前言
热镀纯锌( GI, galvanized) 产品及其合金化( GA, galvannealed) 产品具有优良的耐蚀性能, 成本也相对较低, 而且随着热镀锌技术的进步, 其产品表面质量几乎可以与电镀锌产品相媲美, 因而在汽车上得到了广泛地应用。目前,
日系轿车基本上全部采用GA 板做外板, 欧美国家的汽车制造业也在不断地提高热镀锌钢板的使用量. 汽车板, 特别是汽车外板在需求量不断增加的同时, 对热镀锌产品的表面质量和成型性等方面也提出了越来越高的要求. 连续热镀锌与落后的单张镀锌相比, 具有技术成熟, 工艺稳定, 生产成本低, 镀层性能优, 使用寿命长等优点。因此, 被广泛用于建筑业、家用电器业、机电工业、汽车制造业等领域［１］。
１．带钢连续热镀锌工艺及其改进
1．1热镀锌工艺
目前, 带钢连续热镀锌工艺主要有森吉米尔法、改良森吉米尔法和美钢联法3种[2]。
1) 森吉米尔( Send) 该法工艺简单、产量高。其退火炉主要包括氧化炉、还原炉两部分。由于带钢在氧化炉中由煤气火焰直接加热, 所以影响带钢表面质量。
2) 改良森吉米尔法(M.S.) 该法的主要特点是把森吉米尔法中的氧化炉和还原炉, 由一个截面积较小的过道连接起来, 使得预热炉、还原炉和冷却段在整个退火炉内构成一个有机整体。但在生产中采用这种方法常常会出现锌层附着性差的问题。
3) 美钢联法(U.S.S.) 该法的特点是采用电解脱脂处理, 退火阶段只由还原炉和冷却部分组成, 加热部分全部采用辐射加热, 并且在退火炉前设置清洗段。因此, 20世纪90年代后新建的热镀锌线大部分采用美钢联法。该法后经改进, 引入了立式退火炉, 从而缩短了炉长, 加快了机组速度, 提高质量, 降低成本。
1．2热镀锌工艺流程
冷轧带钢热镀锌的典型生产工艺流程为: 上料→ 开卷→ 夹送、矫直→焊接→表面预清洗→入口活套→退火→热浸镀锌→合金化→冷却→中间活套→光整→拉伸弯曲矫直→后处理→检查卷取[2]
1．3核心设备
1．3．1 连续退火炉
该炉炉壳一般采用陶瓷纤维外包不锈钢板, 炉底采用耐火砖、隔热砖, 炉辊采用单独传动, 变频调速。通常, 退火炉由预热段、加热段、冷却段和锌锅入口段组成, 在前三段通入氢气和氮气的混合气体, 使带钢在此还原气氛中加热至再结晶温度以上, 并保温、均热、冷却, 使带钢密封地进入锌锅中进行热镀锌。
主要有两个目的: 一是使带钢实现再结晶退火来消除轧制应力, 恢复晶粒组织, 提高带钢塑性; 二是使钢具有一个清洁的无氧化物的活性表面, 使其具有很高的镀层附着能力[2]。
1. 开卷2. 矫直3. 剪切4. 焊接5. 预热段6. 加热段7. 冷却段8. 锌锅
9. 锌层退火炉10. 气刀11. 平整12. 拉伸矫直13. 化学处理14. 卷取
图1.1 连续热镀锌机组生产工艺流程
1．3．2 气刀
气刀位于锌锅上方, 是控制锌层厚度和均匀性的关键设备。目前, 各镀锌机组上使用的气刀有: 德马克气刀、科勒气刀和方登气刀。其中，方登气刀最为优秀, 整个欧洲几乎全部使用该气刀, 我国宝钢2号热镀锌机组也采用这种气刀。气刀被设计成与镀锅的距离、与钢带的距离及角度均可调节的整体框架式的结构, 使其容易定位并自动跟踪钢带。新型气刀的刀唇间隙能自动控制, 使镀锌层更加均匀, 避免了边部镀层过厚的现象[2]。
1．3．3 锌锅
锌锅设备主要包括沉没辊、稳定辊及其附属设备。有两种稳定辊的配置方式, 一种是单个稳定辊; 一种是两个稳定辊。现在一般采用单个稳定辊。锌锅又称锌熔化炉, 主要有电加热的铁制锅和感应加热的陶瓷锅。对于钢带连续热镀锌生产
线, 目前已由感应加热陶瓷锅逐步取代铁锅, 延长了锌锅使用寿命, 降低了由锌锅进入锌液中的铁含量。本钢、宝钢、武钢现用锌锅均采用的是感应加热式。这种加热系统可使锌液在磁场作用下, 按照一定方向运动[3]。
1．3．4 镀锅内的沉没辊
镀锌板表面质量及生产效率在很大程度上取决于沉没辊的表面质量和耐磨性。80年代以前, 沉没辊均用SU S316钢制造, 其耐磨性差, 后来降低其镍含量, 使其耐磨性提高了2倍。最近借助在沉没辊表面喷涂WC-Co 合金镀层使其寿命大大延长, 其辊身表面光滑可用于生产汽车用合金化镀锌板。由于喷涂层有小孔隙易产生颗粒间的边界腐蚀而开发了一种封孔剂, 使沉没辊的使用寿命提高50 倍以上。为高质量、高效率地生产汽车用合金化镀锌板创造了条件[4]。
2．连续热镀锌退火设备的技术进步
2．1 带钢连续热镀锌机组
连续热镀锌机组工艺段包括镀前处理( 脱脂和热处理) 、热镀锌、矫正和钝化4个主要工序。传统的连续热镀锌机组采用快速加热炉脱脂退火的方法, 退火炉加热最高温度达980, 退火后的带钢在450~ 470℃温度下进入锌槽, 以保持锌液温度不变。控制镀层厚度使用气刀法, 即在锌槽出口采用可控的喷嘴沿一定角度向带钢喷吹压缩空气( 采用高纯氮气更佳) ,以除去多余的锌液, 调节带钢表面的熔锌厚度。为使原板表面形成一层锌铁合金, 使它具有良好的延伸性, 镀锌后的钢板应通过镀层退火炉再加热, 加热温度约550[5]。
2．2 连续热镀锌的退火工艺
热镀锌机组产品按镀层区分有普通镀锌板,G1板( 小锌花板),GA 板( 锌层退火板) ,锌铝合金镀层板( 如Calfan, Al 约占5 %),铝锌合金镀层板( 如Galvalume,Al 约占55 % ), 镀铝板等, 这些产品的区别主要在于镀层的区别, 退火工艺没有很大的影响, 决定产品退火工艺的是产品的冲压级别, 如FH 、CQ 、DQ 、DDQ 、EDDQ 等[5]。
2．3 热镀锌退火炉
按照形状, 退火炉分为卧式炉、立式炉、L 型炉等; 按照工艺方法, 退火炉又可分为改良森吉米尔法和美钢联法。目前新建的机组大多采用大型立式退火炉
取代卧式炉, 它和卧式炉相比具有提高炉辊使用寿命、带钢板形美、表面质量好、有利于实现高速作业等优点。宝钢的大型连续热镀锌生产线即为立式退火炉[5]。
2．4 锌层退火炉
锌层退火的目的是使带钢表面锌层含有8%～10 %的锌- 铁加厚合金层。一般在锌锅的上方配备锌层合金化装置锌层退火炉。退火温度400～500℃ ,在退火炉内有加热带、保温带、冷却带为使带钢镀锌中的铁元素合金化, 必须将带钢加热到500～600℃, 适当保温一段时间, 以获得较好的合金化效果。锌层退火炉加热段将镀锌后带钢加热至保温温度, 加热方式通常有两种, 即燃气直接加热和感应加热[6]。
3. 新型热镀锌材料的开发
3．1 IF 钢合金化镀锌板
热镀锌钢板主要用于建筑、汽车、家电及其他行业。用镇静钢和沸腾钢很难生产能满足汽车工业要求的镀锌板, 为此,70年代出现了IF 钢( 无间隙原子钢) 。用镇静钢和沸腾钢很难生产能满足汽车工业要求的镀锌板, 为此,70年代出现了IF 钢( 无间隙原子钢) 。该钢冲压成形性极好, 经热镀锌并合金化后具有较好的抗腐蚀性、焊接性和涂装性, 从而适用于汽车内、外面板。影响其使用性能的主要因素是冲压成形时镀层的附着性和焊接性。本节重点介绍有关IF 钢合金化镀锌板镀层附着性及焊接性的关键技术发展情况[7]。
3．2 向无铅无锌花热镀锌发展
传统热镀锌板, 表面具有一朵朵锌花。生成这种锌花的必要条件是锌液中加入一定量的铅, 其范围( 质量分数) 是0. 05 %～0. 22 % 均可。随着工业发展, 热镀锌板的使用领域不断扩大, 对其质量要求也愈来愈高。在实践中人们逐步认识到, 锌花对使用有害无益, 故无锌花的无铅热镀锌[7]。
3．3烘烤硬化钢( BH )
烘烤硬化钢属于热处理强化型钢板, 它是利用应变时效强化的方法, 使超低碳钢中质量分数为0.0005%的微量残余固溶碳, 在冲压成形时发生位错, 并在以后的涂漆烘烤加工时, 在170的温度下经过20min 的烘烤加工, 利用析出来的间隙碳原子将位错固定, 从而提高了钢板的强度[7]。
3．4热镀锌工艺向全辐射法和NOF 法并行发展
20 世纪60年代,NOF 法垄断带钢热镀锌界20年近30年来随着热镀锌板的使用领域向汽车、家电制造业开拓, 对热镀锌板的装饰性及深冲加工性能提出了更高的要求, 又使全辐射美钢联法获得了空前的发展近来随着薄板坯连铸连轧工艺( CSP) 技术进步, 热轧板厚度最薄可轧到0.8 mm,这就为热轧板部分取代冷轧板提供了先决条件[7]。
4．热镀锌保护气体的技术发展
4．1 热镀锌的保护气体
热镀锌的保护气体通常, 在高纯氮中输入少量氢会改善气体的保护效果。当炉子的漏气率不太大时, 渗入炉内的氧即与氢反应; 适当的氢水比可防止出现氧化反应。在热处理过程中, 氢与氧可在任何温度下反应生成水。在此条件下, 由于氧已耗尽, 炉内又不存在碳氢化合物, 因此, 只有水是唯一的氧化剂[8]。
4．2 热镀锌保护气系统
保护气系统主要由氨分解装置、变压吸附制氮装置和配气系统所组成。十多年来, 我们批量生产了数十套带钢连续热镀锌生产线的保护气系统, 图4.2为该系统的原理图。采用该系统可大大减少了设备投资和生产成本[8]。
图4.2 热镀锌生产线的保护气系统的原理图
5．常用的几种热镀锌钢板生产技术
5．1 单面热镀锌钢板生产技术
对于汽车内侧的一面, 由于内热外冷出现结露, 使内表面比外表面处于更苛刻的腐蚀环境中, 这就要求内表面比外表面有更强的耐腐蚀性能; 而外表面要有良好的涂层保护, 需要更好的涂装性能。为适应这种要求, 人们开发了单面热镀锌钢板。单面热镀锌钢板的生产方法主要有: 阻止剂法和单面接触浸镀法[9]。
5．2 蒸发热镀锌技术
在通常情况下, 利用热镀锌工艺很难得到镀锌量在80g/m2 以下的产品; 使用电镀方法也很难以较快生产速度获得镀锌量为30g/m2以上的产品。为此开发了真空蒸发镀锌工艺。使用该工艺的关键是镀锌层的附着力。使用还原气体保护法加热退火时, 可以保证带钢表面达到工艺要求; 板温在150℃～250℃之间, 蒸发镀锌时的压力在1-0.01kPa 之间可以获得较理想的镀层[9]。
5．3 辊涂法生产热镀锌板
该法将熔融的锌利用专门的涂装设备, 在一定的条件下涂覆于带钢表面, 并用类似涂料涂装的方法控制涂装表面( 单面、双面) 和涂装的厚度。日本曾开展过这方面的工作, 在N2H222%保护气氛下, 将温度为460 ℃, 含铝为0.15%的锌液, 涂覆于带钢表面, 获得成功[9]。
6 ．锌金属制品概况及技术进展
近十年来，制品行业镀锌技术主要进展是：Galfan 合金镀、厚度层钢丝、锌锅内加热技术[10]。
Galfan 合金镀层在20世纪80年代Galfan 合金面世，一方面由于其热镀温度低，镀后钢丝仍有良好的力学性能；另一方面镀层有优异的耐蚀性，不论是盐雾和湿热实验，在相同镀层厚度下， Galfan合金镀层耐蚀性为纯锌镀层的24倍，因此 Galfan合金镀层是镀锌钢丝及其制品最理想的替代产品。在日本 Galfan镀层钢丝产量占镀层钢丝总量的1/3，已基本取代镀锌钢丝。目前在德国、美国、日本、加拿大、印度等国均建立了 Galfan 合金镀层钢丝生产线。例如输配电建设中，在工业大气中镀锌铁塔的寿命可达30到50年，钢芯铝绞线中铝导线的设计
寿命为30到40年，而镀锌钢丝及架空地线的寿命仅为10到15年，因此，镀锌钢丝的耐蚀性严重影响到输配电建设，如采用 Galfan镀层钢丝，则其寿命可与镀锌铁塔和电缆相匹配，大大减少了维护、大修和建设费用[10]。
7．国内外发展状况及差距
目前, 国际上大型宽带钢连续热镀锌线有500余条, 其生产能力在1～2亿吨。新近投产的热镀锌或改造旧的热镀锌机组的生产能力和产品质量都有进一步提高, 例如美日新建的Protect 生产线可生产宽度达1900mm, 厚度在0. 4～2. 3mm 的热镀锌钢板, 机组速度最高可达185m/min, 合金化速度达136m /m in, 年生产能力达60万吨。我国几条主要热镀锌生产线几乎均是从国外引进, 其生产线状况。国外在热镀锌方面起步较早, 热镀锌板已经普遍应用于汽车工业, 用作汽车外板, 而国内起步较晚。随着汽车、家电、轻工等行业的快速发展, 薄钢板消费逐年增加, 国内生产的增长跟不上消费需求的增长, 尤其是冷轧薄板、镀锌板、不锈钢薄板[10]。
7．1国内热镀锌退火炉近年来取得的技术进展
从21 世纪初开始，我国钢带连续热镀锌进入高速发展期。但是，我国大中型钢铁企业连续热镀生产线设备大都从国外引进，机组产量高、质量好、产品定位高，市场主要面向汽车、高档电器、高档建材。民营企业热镀锌机组几乎全部是国内设计和制造，投资低、成本低、单产低，主要面向建材市场。根据国内热镀锌生产线的技术发展和市场需求，开拓和发展了一批具有鲜明技术特色的热镀锌退火炉, 其中包括连续镀锌和退火两用炉、蓄热式燃烧系统退火炉以及卧式折叠炉[10]。
7．1．1 连续镀锌和退火两用炉
连续镀锌和连退两用炉是中钢研科技集团根据多年在连续热镀锌和连续退火领域的开发经验抓住市场机遇，于2003年底首先在国内开发设计出了镀锌退火两用机组， 并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程。常规钢板连续热镀锌和连续退火生产线由于两者热处理制度的不同，炉子段有较大区别。图7.1、7.2分别为连续热镀锌和连续退火典型的热处理曲线。两者的主要区别在于：连续热镀锌，钢板在快冷段被冷却到460～480℃后进入锌锅内进行热浸镀锌，带钢出锌锅温度为460℃左右， 镀后带钢在大气中由风冷系统冷却到200℃以下
进入水淬槽， 经水淬冷却到40℃以下。为完成这些工艺过程，镀锌生产线、设置有锌锅、镀层控制设备、镀后冷却塔和水淬等设备；并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程[11]。
图7.1 连续热浸镀锌典型热处理曲线图
7.1 continuous hot dip galvanizing typical heat treatment curves
图7.2 连续退火典型热处理曲线图
7.2 continuous annealing heat treatment curves
7．2 蓄热式辐射管燃烧系统退火炉
蓄热式加热系统已经广泛应用于冶金、化工工业体系，但中钢研科技集团与国内相关蓄热式燃烧器企业合作将蓄热式辐射管燃烧系统成功应用于热镀锌生产线立式连续退火炉，走在了世界前列。蓄热式燃烧系统辐射管退火炉主要结. 该系统一根辐射管配置两个烧嘴。两个烧嘴交替燃烧，A 烧嘴工作时， 助燃空气先经 A 烧嘴的蓄热体加热，然后再与燃料混合燃烧；燃烧后的烟气加热辐射管后经过 B 烧嘴的蓄热体由烟道排出。并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程。常规钢板连续热镀锌和连续退火生产线由于两者热处理制度的不同，炉子段有较大区别[11].
8．未来展望
现在镀锌工艺是一个较为成熟的工艺, 镀锌产品已在各个领域得到应用。但由于不断的竞争和新的质量要求( 如轻型产品) 在逐渐上升 , 要求在技术上不断突破和发展。我们可以从一些方面看出研究的课题[11]:
( 1) 降低成本。是一个主要课题, 它由很多具体的环节组成, 成本应包括生产周期中的全部费用, 需要考虑包括生产成本、废品成本、副产品成本、三废治理成本、用户加工费、寿命、耐腐蚀性和可回收性等。热轧镀锌在降低成本方面有很多优势, 因此将是一个发展方向。
( 2) 高强钢。高强钢必须在镀锌工艺方面有所发展, 以便在竞争激烈的市场中占有一定份额。高强钢具有经济适用、价格稳定、具有较好的硬度、成型性好、可回收再利用等优点。缺点是易腐蚀、比重大。热镀锌HSLA 钢在一定程度上克服了这两个缺点, 它耐腐蚀, 其强度/ 重量比较高, 比一些有色金属有优势。
( 3) 表面质量。有些观点认为, 钢板的成型性不够, 还有些观点认为, 与一些替代产品相比, 钢板表面质量有待提高。因此, 研究解决镀锌板表面质量问题( 包括加工后产生的表面质量问题) 是一个主要课题。
研究以上课题时, 必须注意以下因素:
( 1) 应避免系统太繁杂, 因为这会给控制、运行和维护带来麻烦。
( 2) 应不断利用新的自动控制手段改进生产过程, 达到理想的效果。
( 3) 投资时必须考虑到新工艺的技术经济风险。
After half a year’s production, a summary of CP technicalupdating options that have been implemented and the cost savingis shown in Table 5. As can be seen from the table, the environmental benefits and the cost savings are remarkable[12]。
9．结语
近年来，而且随着热镀锌技术的进步, 带钢连续热镀锌工艺及其改进也有很大的进步，其产品表面质量几乎可以与电镀锌产品相媲美, 因而在汽车上得到了广泛地应用, 国内外连续热镀锌退火炉工艺有较大发展，随着我国冶金技术和装备制造水平的不断进步，由国内自主研发设计的一些创新型有特色的退火炉技术装备不断取得进步，有力促进了行业技术进步和国民经济发展。并开发出能生产高质量镀锌板的工艺和装备, 对汽车用镀锌钢板性能要求也进一步提高, 因此出现了以研究开发IF 钢、BH 钢等几种适用于汽车的高强度合金化镀锌钢板的热潮。尽管我国热镀锌工业有了很大进展, 但与国外相比仍存在着较大的差距。
参考文献
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（2）:38～39.
[2] 徐秀清, 王顺兴. 连续热镀锌工艺进展与展望[J].表面技术, 2007,36(1):
71～73.
[3] 凌全伟, 刘建秋. 热镀锌技术的现状及发展[J].鞍钢技术,2004,3(2): 11.
[4] 张启富, 刘邦津, 仲海峰. 热镀锌技术的最新进展[J].钢铁, 2002,14(4): 70.
[5]吴光治, 带钢连续热镀锌与退火炉的技术进步[J].工业炉，2006,28（2）：
20～21.
[6]宋稚琼，赵凯. 带钢连续热镀锌工艺技术的现状[J].特殊钢,2004,48
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[7]李九岭, 李守华, 张雨泉. 带钢连续热镀锌的发展趋势.[J]武钢技术, 2010 ,32
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[8]吴光治, 陈志远. 带钢热镀锌及其保护气体的技术发展[J]四川冶金, 2010 ,
6(5):26～27.
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[10]陈 冬, 金向雷. 中国热镀锌技术及发展动向[J].工业炉,2004,1(1):8.
[11]仲海峰，张启富，王永亮，刘茹，郝晓东. 国内外钢带连续热镀锌退火炉
与合金化炉的技术发展[J].工业炉, 2011,33(5):22～23.
[12] Gang Kong ,Rob White. Toward cleaner production of hot dip galvanizing
process [J].Journal of Cleaner Production, 2010, 8(18): 1098
内蒙古科技大学
题 目：连续热镀锌工艺的现状及发展
学生姓名：
学 号：
专 业：材料成型机控制工程
班 级：
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本科生课程论文
连续热镀锌工艺的现状及发展
摘要
本文主要是介绍了带钢连续热镀锌工艺及其改进，包括热镀锌工艺流程、以及热镀锌的核心设备及改进设备和连续热镀锌退火设备的技术进步，发展了热镀锌保护气体的技术和常用的几种热镀锌钢板生产技术以及锌金属制品概况及技术，讨论了新型热镀锌材料的开发，指出了国内外发展状况及差距，介绍连续热镀锌产品发展趋势，以及对连续热镀锌产品。
关键词: 连续热镀锌; 工艺技术; 合金化; 高强钢
Current process and technology investigation situation in the field
strip continuous hot-dip galvanization
Abstract This paper mainly introduces the hot dip galvanizing process and its improvement, technological progress includes hot dip galvanizing process, as well as the core equipment of hot dip galvanizing and improved equipment and continuous hot dip galvanizing annealing equipment, development of hot dip galvanizing
protective gas technology and several commonly used galvanized steel production technology and of zinc metal products and technology, discussion the development of new hot dip galvanized material, and points out the development status and the gap between China and abroad, the development trend of continuous hot dip galvanized products, as well as to the continuous hot dip galvanized products.
of steel
前言
热镀纯锌( GI, galvanized) 产品及其合金化( GA, galvannealed) 产品具有优良的耐蚀性能, 成本也相对较低, 而且随着热镀锌技术的进步, 其产品表面质量几乎可以与电镀锌产品相媲美, 因而在汽车上得到了广泛地应用。目前,
日系轿车基本上全部采用GA 板做外板, 欧美国家的汽车制造业也在不断地提高热镀锌钢板的使用量. 汽车板, 特别是汽车外板在需求量不断增加的同时, 对热镀锌产品的表面质量和成型性等方面也提出了越来越高的要求. 连续热镀锌与落后的单张镀锌相比, 具有技术成熟, 工艺稳定, 生产成本低, 镀层性能优, 使用寿命长等优点。因此, 被广泛用于建筑业、家用电器业、机电工业、汽车制造业等领域［１］。
１．带钢连续热镀锌工艺及其改进
1．1热镀锌工艺
目前, 带钢连续热镀锌工艺主要有森吉米尔法、改良森吉米尔法和美钢联法3种[2]。
1) 森吉米尔( Send) 该法工艺简单、产量高。其退火炉主要包括氧化炉、还原炉两部分。由于带钢在氧化炉中由煤气火焰直接加热, 所以影响带钢表面质量。
2) 改良森吉米尔法(M.S.) 该法的主要特点是把森吉米尔法中的氧化炉和还原炉, 由一个截面积较小的过道连接起来, 使得预热炉、还原炉和冷却段在整个退火炉内构成一个有机整体。但在生产中采用这种方法常常会出现锌层附着性差的问题。
3) 美钢联法(U.S.S.) 该法的特点是采用电解脱脂处理, 退火阶段只由还原炉和冷却部分组成, 加热部分全部采用辐射加热, 并且在退火炉前设置清洗段。因此, 20世纪90年代后新建的热镀锌线大部分采用美钢联法。该法后经改进, 引入了立式退火炉, 从而缩短了炉长, 加快了机组速度, 提高质量, 降低成本。
1．2热镀锌工艺流程
冷轧带钢热镀锌的典型生产工艺流程为: 上料→ 开卷→ 夹送、矫直→焊接→表面预清洗→入口活套→退火→热浸镀锌→合金化→冷却→中间活套→光整→拉伸弯曲矫直→后处理→检查卷取[2]
1．3核心设备
1．3．1 连续退火炉
该炉炉壳一般采用陶瓷纤维外包不锈钢板, 炉底采用耐火砖、隔热砖, 炉辊采用单独传动, 变频调速。通常, 退火炉由预热段、加热段、冷却段和锌锅入口段组成, 在前三段通入氢气和氮气的混合气体, 使带钢在此还原气氛中加热至再结晶温度以上, 并保温、均热、冷却, 使带钢密封地进入锌锅中进行热镀锌。
主要有两个目的: 一是使带钢实现再结晶退火来消除轧制应力, 恢复晶粒组织, 提高带钢塑性; 二是使钢具有一个清洁的无氧化物的活性表面, 使其具有很高的镀层附着能力[2]。
1. 开卷2. 矫直3. 剪切4. 焊接5. 预热段6. 加热段7. 冷却段8. 锌锅
9. 锌层退火炉10. 气刀11. 平整12. 拉伸矫直13. 化学处理14. 卷取
图1.1 连续热镀锌机组生产工艺流程
1．3．2 气刀
气刀位于锌锅上方, 是控制锌层厚度和均匀性的关键设备。目前, 各镀锌机组上使用的气刀有: 德马克气刀、科勒气刀和方登气刀。其中，方登气刀最为优秀, 整个欧洲几乎全部使用该气刀, 我国宝钢2号热镀锌机组也采用这种气刀。气刀被设计成与镀锅的距离、与钢带的距离及角度均可调节的整体框架式的结构, 使其容易定位并自动跟踪钢带。新型气刀的刀唇间隙能自动控制, 使镀锌层更加均匀, 避免了边部镀层过厚的现象[2]。
1．3．3 锌锅
锌锅设备主要包括沉没辊、稳定辊及其附属设备。有两种稳定辊的配置方式, 一种是单个稳定辊; 一种是两个稳定辊。现在一般采用单个稳定辊。锌锅又称锌熔化炉, 主要有电加热的铁制锅和感应加热的陶瓷锅。对于钢带连续热镀锌生产
线, 目前已由感应加热陶瓷锅逐步取代铁锅, 延长了锌锅使用寿命, 降低了由锌锅进入锌液中的铁含量。本钢、宝钢、武钢现用锌锅均采用的是感应加热式。这种加热系统可使锌液在磁场作用下, 按照一定方向运动[3]。
1．3．4 镀锅内的沉没辊
镀锌板表面质量及生产效率在很大程度上取决于沉没辊的表面质量和耐磨性。80年代以前, 沉没辊均用SU S316钢制造, 其耐磨性差, 后来降低其镍含量, 使其耐磨性提高了2倍。最近借助在沉没辊表面喷涂WC-Co 合金镀层使其寿命大大延长, 其辊身表面光滑可用于生产汽车用合金化镀锌板。由于喷涂层有小孔隙易产生颗粒间的边界腐蚀而开发了一种封孔剂, 使沉没辊的使用寿命提高50 倍以上。为高质量、高效率地生产汽车用合金化镀锌板创造了条件[4]。
2．连续热镀锌退火设备的技术进步
2．1 带钢连续热镀锌机组
连续热镀锌机组工艺段包括镀前处理( 脱脂和热处理) 、热镀锌、矫正和钝化4个主要工序。传统的连续热镀锌机组采用快速加热炉脱脂退火的方法, 退火炉加热最高温度达980, 退火后的带钢在450~ 470℃温度下进入锌槽, 以保持锌液温度不变。控制镀层厚度使用气刀法, 即在锌槽出口采用可控的喷嘴沿一定角度向带钢喷吹压缩空气( 采用高纯氮气更佳) ,以除去多余的锌液, 调节带钢表面的熔锌厚度。为使原板表面形成一层锌铁合金, 使它具有良好的延伸性, 镀锌后的钢板应通过镀层退火炉再加热, 加热温度约550[5]。
2．2 连续热镀锌的退火工艺
热镀锌机组产品按镀层区分有普通镀锌板,G1板( 小锌花板),GA 板( 锌层退火板) ,锌铝合金镀层板( 如Calfan, Al 约占5 %),铝锌合金镀层板( 如Galvalume,Al 约占55 % ), 镀铝板等, 这些产品的区别主要在于镀层的区别, 退火工艺没有很大的影响, 决定产品退火工艺的是产品的冲压级别, 如FH 、CQ 、DQ 、DDQ 、EDDQ 等[5]。
2．3 热镀锌退火炉
按照形状, 退火炉分为卧式炉、立式炉、L 型炉等; 按照工艺方法, 退火炉又可分为改良森吉米尔法和美钢联法。目前新建的机组大多采用大型立式退火炉
取代卧式炉, 它和卧式炉相比具有提高炉辊使用寿命、带钢板形美、表面质量好、有利于实现高速作业等优点。宝钢的大型连续热镀锌生产线即为立式退火炉[5]。
2．4 锌层退火炉
锌层退火的目的是使带钢表面锌层含有8%～10 %的锌- 铁加厚合金层。一般在锌锅的上方配备锌层合金化装置锌层退火炉。退火温度400～500℃ ,在退火炉内有加热带、保温带、冷却带为使带钢镀锌中的铁元素合金化, 必须将带钢加热到500～600℃, 适当保温一段时间, 以获得较好的合金化效果。锌层退火炉加热段将镀锌后带钢加热至保温温度, 加热方式通常有两种, 即燃气直接加热和感应加热[6]。
3. 新型热镀锌材料的开发
3．1 IF 钢合金化镀锌板
热镀锌钢板主要用于建筑、汽车、家电及其他行业。用镇静钢和沸腾钢很难生产能满足汽车工业要求的镀锌板, 为此,70年代出现了IF 钢( 无间隙原子钢) 。用镇静钢和沸腾钢很难生产能满足汽车工业要求的镀锌板, 为此,70年代出现了IF 钢( 无间隙原子钢) 。该钢冲压成形性极好, 经热镀锌并合金化后具有较好的抗腐蚀性、焊接性和涂装性, 从而适用于汽车内、外面板。影响其使用性能的主要因素是冲压成形时镀层的附着性和焊接性。本节重点介绍有关IF 钢合金化镀锌板镀层附着性及焊接性的关键技术发展情况[7]。
3．2 向无铅无锌花热镀锌发展
传统热镀锌板, 表面具有一朵朵锌花。生成这种锌花的必要条件是锌液中加入一定量的铅, 其范围( 质量分数) 是0. 05 %～0. 22 % 均可。随着工业发展, 热镀锌板的使用领域不断扩大, 对其质量要求也愈来愈高。在实践中人们逐步认识到, 锌花对使用有害无益, 故无锌花的无铅热镀锌[7]。
3．3烘烤硬化钢( BH )
烘烤硬化钢属于热处理强化型钢板, 它是利用应变时效强化的方法, 使超低碳钢中质量分数为0.0005%的微量残余固溶碳, 在冲压成形时发生位错, 并在以后的涂漆烘烤加工时, 在170的温度下经过20min 的烘烤加工, 利用析出来的间隙碳原子将位错固定, 从而提高了钢板的强度[7]。
3．4热镀锌工艺向全辐射法和NOF 法并行发展
20 世纪60年代,NOF 法垄断带钢热镀锌界20年近30年来随着热镀锌板的使用领域向汽车、家电制造业开拓, 对热镀锌板的装饰性及深冲加工性能提出了更高的要求, 又使全辐射美钢联法获得了空前的发展近来随着薄板坯连铸连轧工艺( CSP) 技术进步, 热轧板厚度最薄可轧到0.8 mm,这就为热轧板部分取代冷轧板提供了先决条件[7]。
4．热镀锌保护气体的技术发展
4．1 热镀锌的保护气体
热镀锌的保护气体通常, 在高纯氮中输入少量氢会改善气体的保护效果。当炉子的漏气率不太大时, 渗入炉内的氧即与氢反应; 适当的氢水比可防止出现氧化反应。在热处理过程中, 氢与氧可在任何温度下反应生成水。在此条件下, 由于氧已耗尽, 炉内又不存在碳氢化合物, 因此, 只有水是唯一的氧化剂[8]。
4．2 热镀锌保护气系统
保护气系统主要由氨分解装置、变压吸附制氮装置和配气系统所组成。十多年来, 我们批量生产了数十套带钢连续热镀锌生产线的保护气系统, 图4.2为该系统的原理图。采用该系统可大大减少了设备投资和生产成本[8]。
图4.2 热镀锌生产线的保护气系统的原理图
5．常用的几种热镀锌钢板生产技术
5．1 单面热镀锌钢板生产技术
对于汽车内侧的一面, 由于内热外冷出现结露, 使内表面比外表面处于更苛刻的腐蚀环境中, 这就要求内表面比外表面有更强的耐腐蚀性能; 而外表面要有良好的涂层保护, 需要更好的涂装性能。为适应这种要求, 人们开发了单面热镀锌钢板。单面热镀锌钢板的生产方法主要有: 阻止剂法和单面接触浸镀法[9]。
5．2 蒸发热镀锌技术
在通常情况下, 利用热镀锌工艺很难得到镀锌量在80g/m2 以下的产品; 使用电镀方法也很难以较快生产速度获得镀锌量为30g/m2以上的产品。为此开发了真空蒸发镀锌工艺。使用该工艺的关键是镀锌层的附着力。使用还原气体保护法加热退火时, 可以保证带钢表面达到工艺要求; 板温在150℃～250℃之间, 蒸发镀锌时的压力在1-0.01kPa 之间可以获得较理想的镀层[9]。
5．3 辊涂法生产热镀锌板
该法将熔融的锌利用专门的涂装设备, 在一定的条件下涂覆于带钢表面, 并用类似涂料涂装的方法控制涂装表面( 单面、双面) 和涂装的厚度。日本曾开展过这方面的工作, 在N2H222%保护气氛下, 将温度为460 ℃, 含铝为0.15%的锌液, 涂覆于带钢表面, 获得成功[9]。
6 ．锌金属制品概况及技术进展
近十年来，制品行业镀锌技术主要进展是：Galfan 合金镀、厚度层钢丝、锌锅内加热技术[10]。
Galfan 合金镀层在20世纪80年代Galfan 合金面世，一方面由于其热镀温度低，镀后钢丝仍有良好的力学性能；另一方面镀层有优异的耐蚀性，不论是盐雾和湿热实验，在相同镀层厚度下， Galfan合金镀层耐蚀性为纯锌镀层的24倍，因此 Galfan合金镀层是镀锌钢丝及其制品最理想的替代产品。在日本 Galfan镀层钢丝产量占镀层钢丝总量的1/3，已基本取代镀锌钢丝。目前在德国、美国、日本、加拿大、印度等国均建立了 Galfan 合金镀层钢丝生产线。例如输配电建设中，在工业大气中镀锌铁塔的寿命可达30到50年，钢芯铝绞线中铝导线的设计
寿命为30到40年，而镀锌钢丝及架空地线的寿命仅为10到15年，因此，镀锌钢丝的耐蚀性严重影响到输配电建设，如采用 Galfan镀层钢丝，则其寿命可与镀锌铁塔和电缆相匹配，大大减少了维护、大修和建设费用[10]。
7．国内外发展状况及差距
目前, 国际上大型宽带钢连续热镀锌线有500余条, 其生产能力在1～2亿吨。新近投产的热镀锌或改造旧的热镀锌机组的生产能力和产品质量都有进一步提高, 例如美日新建的Protect 生产线可生产宽度达1900mm, 厚度在0. 4～2. 3mm 的热镀锌钢板, 机组速度最高可达185m/min, 合金化速度达136m /m in, 年生产能力达60万吨。我国几条主要热镀锌生产线几乎均是从国外引进, 其生产线状况。国外在热镀锌方面起步较早, 热镀锌板已经普遍应用于汽车工业, 用作汽车外板, 而国内起步较晚。随着汽车、家电、轻工等行业的快速发展, 薄钢板消费逐年增加, 国内生产的增长跟不上消费需求的增长, 尤其是冷轧薄板、镀锌板、不锈钢薄板[10]。
7．1国内热镀锌退火炉近年来取得的技术进展
从21 世纪初开始，我国钢带连续热镀锌进入高速发展期。但是，我国大中型钢铁企业连续热镀生产线设备大都从国外引进，机组产量高、质量好、产品定位高，市场主要面向汽车、高档电器、高档建材。民营企业热镀锌机组几乎全部是国内设计和制造，投资低、成本低、单产低，主要面向建材市场。根据国内热镀锌生产线的技术发展和市场需求，开拓和发展了一批具有鲜明技术特色的热镀锌退火炉, 其中包括连续镀锌和退火两用炉、蓄热式燃烧系统退火炉以及卧式折叠炉[10]。
7．1．1 连续镀锌和退火两用炉
连续镀锌和连退两用炉是中钢研科技集团根据多年在连续热镀锌和连续退火领域的开发经验抓住市场机遇，于2003年底首先在国内开发设计出了镀锌退火两用机组， 并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程。常规钢板连续热镀锌和连续退火生产线由于两者热处理制度的不同，炉子段有较大区别。图7.1、7.2分别为连续热镀锌和连续退火典型的热处理曲线。两者的主要区别在于：连续热镀锌，钢板在快冷段被冷却到460～480℃后进入锌锅内进行热浸镀锌，带钢出锌锅温度为460℃左右， 镀后带钢在大气中由风冷系统冷却到200℃以下
进入水淬槽， 经水淬冷却到40℃以下。为完成这些工艺过程，镀锌生产线、设置有锌锅、镀层控制设备、镀后冷却塔和水淬等设备；并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程[11]。
图7.1 连续热浸镀锌典型热处理曲线图
7.1 continuous hot dip galvanizing typical heat treatment curves
图7.2 连续退火典型热处理曲线图
7.2 continuous annealing heat treatment curves
7．2 蓄热式辐射管燃烧系统退火炉
蓄热式加热系统已经广泛应用于冶金、化工工业体系，但中钢研科技集团与国内相关蓄热式燃烧器企业合作将蓄热式辐射管燃烧系统成功应用于热镀锌生产线立式连续退火炉，走在了世界前列。蓄热式燃烧系统辐射管退火炉主要结. 该系统一根辐射管配置两个烧嘴。两个烧嘴交替燃烧，A 烧嘴工作时， 助燃空气先经 A 烧嘴的蓄热体加热，然后再与燃料混合燃烧；燃烧后的烟气加热辐射管后经过 B 烧嘴的蓄热体由烟道排出。并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程。常规钢板连续热镀锌和连续退火生产线由于两者热处理制度的不同，炉子段有较大区别[11].
8．未来展望
现在镀锌工艺是一个较为成熟的工艺, 镀锌产品已在各个领域得到应用。但由于不断的竞争和新的质量要求( 如轻型产品) 在逐渐上升 , 要求在技术上不断突破和发展。我们可以从一些方面看出研究的课题[11]:
( 1) 降低成本。是一个主要课题, 它由很多具体的环节组成, 成本应包括生产周期中的全部费用, 需要考虑包括生产成本、废品成本、副产品成本、三废治理成本、用户加工费、寿命、耐腐蚀性和可回收性等。热轧镀锌在降低成本方面有很多优势, 因此将是一个发展方向。
( 2) 高强钢。高强钢必须在镀锌工艺方面有所发展, 以便在竞争激烈的市场中占有一定份额。高强钢具有经济适用、价格稳定、具有较好的硬度、成型性好、可回收再利用等优点。缺点是易腐蚀、比重大。热镀锌HSLA 钢在一定程度上克服了这两个缺点, 它耐腐蚀, 其强度/ 重量比较高, 比一些有色金属有优势。
( 3) 表面质量。有些观点认为, 钢板的成型性不够, 还有些观点认为, 与一些替代产品相比, 钢板表面质量有待提高。因此, 研究解决镀锌板表面质量问题( 包括加工后产生的表面质量问题) 是一个主要课题。
研究以上课题时, 必须注意以下因素:
( 1) 应避免系统太繁杂, 因为这会给控制、运行和维护带来麻烦。
( 2) 应不断利用新的自动控制手段改进生产过程, 达到理想的效果。
( 3) 投资时必须考虑到新工艺的技术经济风险。
After half a year’s production, a summary of CP technicalupdating options that have been implemented and the cost savingis shown in Table 5. As can be seen from the table, the environmental benefits and the cost savings are remarkable[12]。
9．结语
近年来，而且随着热镀锌技术的进步, 带钢连续热镀锌工艺及其改进也有很大的进步，其产品表面质量几乎可以与电镀锌产品相媲美, 因而在汽车上得到了广泛地应用, 国内外连续热镀锌退火炉工艺有较大发展，随着我国冶金技术和装备制造水平的不断进步，由国内自主研发设计的一些创新型有特色的退火炉技术装备不断取得进步，有力促进了行业技术进步和国民经济发展。并开发出能生产高质量镀锌板的工艺和装备, 对汽车用镀锌钢板性能要求也进一步提高, 因此出现了以研究开发IF 钢、BH 钢等几种适用于汽车的高强度合金化镀锌钢板的热潮。尽管我国热镀锌工业有了很大进展, 但与国外相比仍存在着较大的差距。
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