關于鋅花的探索
作者：鄭曉蒙
本文重點介紹無鉛鋅鍋連續(xù)熱鍍鋅帶鋼表面鋅花成因研究的主要內容。
研究表明，鋅液成分中如果含有一定量的鉛、銻、錫和鎘等元素則會顯著降低鋅液的熔
點，使鍍鋅板表面形成鋅花。因此，生產無鋅花鍍鋅板的連續(xù)熱鍍鋅線一般采取控制鋅液中上述元素的含量來保證其成品表面的鋅花尺寸（下稱無鉛鋅液），同時，鍍鋅后續(xù)處理過程中使用光整工序破碎鍍鋅板表面鋅花，達到成品鍍鋅板表面無鋅花的效果。實際生產過程中，采用這種無鉛鋅液生產出的鍍鋅板表面鋅花尺寸也存在明顯的差異，同時，對于汽車、家電行業(yè)廣泛使用的無間隙原子鋼（IF鋼），由于其屈服強度受光整斷后伸長率影響非常明顯，為保證較低的屈服強度，一般生產時使用的光整斷后伸長率非常低(0. 6% -0.8%)，導致光整軋制力非常低，如光整機使用直徑為600 mm的工作輥時，在0. 6%斷后伸長率下，光整軋制力為150 -180 t。這種情況下，光整工序對鍍鋅板表面鋅花的破碎效果差，造成鍍鋅板表面存在明顯的小鋅花問題，嚴重時鋅花尺寸大于1 mm，對后續(xù)使用造成一定影響。因此，非常有必要對無鉛鋅鍋連續(xù)熱鍍鋅線生產的鍍鋅板表面鋅花尺寸的影響因素進行研究，并尋找相關控制措施來降低該問題的影響。
1 鋅花形成過程
帶鋼連續(xù)熱鍍鋅過程中，帶鋼經過退火后以一定的溫度(450 - 470℃)和速度進入熔融的
鋅液（溫度為450 - 470℃）中，帶鋼表面的鐵首先與鋅液中的鋁反應，很快在帶鋼表面形成一種合金層，一般認為該合金層為鐵、鋁和鋅的化合物，成分為Fe2AL5Znx。該中間層形成后隔絕了帶鋼表面與鋅液，阻止其發(fā)生反應。之后，帶鋼出鋅鍋，同時附帶了大量的鋅液。為控制鍍鋅層厚度，連續(xù)熱鍍鋅線使用氣刀向帶鋼表面噴吹壓縮空氣或氮氣將多余的鋅液吹刮掉。此后帶鋼經冷卻、水淬完成熱鍍鋅工序。
在該鍍鋅過程中，鋅液凝固形成枝狀結晶，即為鍍鋅板表面的鋅花。在任何凝固過程中，過冷度都是形核的必要條件，鍍鋅過程中鋅液的凝固也不例外。帶鋼進入鋅鍋以后，其溫度迅速與鋅液達到平衡，并在表面與鋅液中的鋁反應形成一層合金層。帶鋼出鋅鍋經過氣刀噴吹以后，其內部熱量向表層液態(tài)的鋅層傳導，直至局部過冷，在帶鋼與液鋅層的界面上優(yōu)先形成晶核，一旦形核，這些晶核在很小的過冷度下就可以長大為枝晶。同時阻止熱量由帶鋼向鍍層表面?zhèn)鬟f，但熱量可以通過其他未形成枝晶的鋅液層向外界傳導，并在傳熱部分形成局部過冷區(qū)，新的形核在此區(qū)產生并成長為新的枝晶。一次枝晶長大到一定程度之后，生長出二次枝晶，最后枝晶與枝晶相連接，布滿整個帶鋼與鋅液層的界面。此后，枝晶向厚度方向生長，直至生長到鍍層表面，此時，鍍層表面開始凝固，鋅花開始形成。當所有鍍層表面被枝晶占據(jù)后，鍍鋅板表面鋅花的形貌便形成了。此后的冷卻工序不再影響鍍鋅板表面鋅花的形貌。
2鍍鋅板表面鋅花形貌的影響因素
從鋅花的形成過程中分析，所有可能影響鋼板表面鋅液層凝固和鋅枝晶生長的因素都可能影響鍍鋅板表面鋅花形貌，如過冷度、鋅液溫度、帶鋼進入鋅液溫度、鍍層厚度、帶鋼厚度和基板粗糙度等。
2.1 過冷度
過冷度是鍍鋅層形核凝固的必要條件，主要受冷卻速度影響，進而影響了形核率，而形核率，與平衡凝固溫度T之間有如下關系：
由圖1可見，在臨界溫度峰值以上的溫度凝固時，液體凝固的形核率隨凝固溫度的降低而增大。冷卻速度越大則凝固溫度越低，也就是說形核率隨冷卻速度的增加而增加。形核率的增加導致晶核數(shù)量增加，進而導致鍍鋅板表面鋅花數(shù)量的增加，在同樣的面積中，最終生成的鋅花越多，每個鋅花所占的面積也就越小，即鍍鋅板表面鋅花的尺寸越小。
在帶鋼連續(xù)熱鍍鋅過程中，鋼板出鋅鍋的冷卻過程有氣刀噴吹鋅液層的冷卻、移動冷卻段的冷卻、上行冷卻段的冷卻和周圍環(huán)境的冷卻。大部分情況下，鋼板到達上行冷卻段時表面鋅液層已經完成凝固，因此，上行冷卻段的冷卻不會影響到鍍鋅板表面鋅花的形貌。
在連續(xù)熱鍍鋅線生產過程中，通過控制氣刀噴吹壓力控制鍍鋅層厚度，在生產特定速度和鍍層厚度的情況下，雖然可以通過改變氣刀與帶鋼間距離來改變氣刀噴吹壓力，但改變氣刀到帶鋼距離會造成鍍鋅鋼板表面質量變差，因此，通常情況下不能通過改變氣刀噴吹壓力來增大氣刀噴吹的冷卻速度。
移動冷卻段一般是用來彌補上行冷卻段冷卻能力的不足，主要使用在生產較厚的鍍鋅板時（如厚度為2.0 mm時），投入該冷卻段能夠提高鍍后冷卻能力，但是對于某些設計生產較薄規(guī)格的鍍鋅板的生產線，一般沒有移動冷卻段。因此，通過使用移動冷卻段提高鍍后冷卻能力對一些鍍鋅線不具有操作性。
正常條件下，連續(xù)熱鍍鋅生產線鋅鍋上方區(qū)域的溫度約為40℃，越靠近鋅鍋溫度越高，由于受鋅鍋的影響，該區(qū)域環(huán)境溫度較難控制。因此，控制環(huán)境溫度提高鍍后冷卻能力也不具有操作性。
2.2鋅液溫度
正常條件下，生產無鋅花鍍鋅板的連續(xù)熱鍍鋅線使用鋅液溫度為450 - 470℃，鋅液中鉛、銻和錫含量極低，鋅液凝固溫度為419℃。鋼板出鋅鍋時其表面鋅液層溫度與鋅液溫度相當，要完成凝固過程，鋼板表面的鋅液層溫度必須降低到419℃以下。在鋼板出鋅鍋后冷卻能力相對固定的情況下，降低出鋅鍋時鋼板表面鋅液層的溫度，縮小鋅液層與其凝固點的溫差也可以增大過冷度和形核率。因此，適當降低鋅液溫度能夠減小鍍鋅板表面鋅花的尺寸。不同鋅液溫度對鍍鋅板表面鋅花影響的試驗情況如下：
1)試驗方法。在其他生產工藝相同的條件下，分別控制鋅液溫度在463，452℃進行連續(xù)熱鍍鋅生產，完成后選取一定長度的鍍鋅板試樣，統(tǒng)計該長度內鍍鋅板表面的鋅花數(shù)量，計算出該鍍鋅板表面鋅花的平均尺寸。
2)試驗結果。不同鋅液溫度的鍍鋅板表面鋅花見圖2。
經計算，鋅液溫度為452，463℃的鋅花分別為1.1，0.7 mm，即同等工藝條件下，降低鋅液溫度11℃后，生產得到的鍍鋅板表面鋅花的尺寸減小了0.4 mm。
2.3帶鋼進入鋅液溫度
正常條件下，帶鋼進入鋅液后溫度迅速與鋅液溫度平衡，但連續(xù)熱鍍鋅過程中帶鋼在鋅液內的時間極短，只有幾秒鐘時間，如果帶鋼進入鋅液溫度過高，在極短時間內其溫度是必無法與鋅液完全平衡，這將導致帶鋼出鋅鍋后鋼板與鋅液層之間的熱傳導時間延長，從而增加了先形核枝晶的生長時間，導致先形核枝晶在鋼板與鋅液層間的界面上占據(jù)了較大的空間，減少了鋅晶體形核的數(shù)量，從而增大了鍍鋅板表面鋅花的尺寸。
2.4鍍層厚度
鋅層厚度增大會導致氣刀噴吹壓力降低，降低氣刀對出鋅鍋鋼板的冷卻效果，降低鋼板出鋅鍋后的冷卻速度，即降低了過冷度，使形核率降低，導致單位面積鋼板上鋅晶體數(shù)量減少，鋅花變大。同時，鍍層厚度增大還會延長帶鋼表面鋅液層的凝固時間，增加鋅晶體形成后的生長時間，造成鋅花變大。
2.5帶鋼厚度
較厚的帶鋼會儲存更多的熱量，延長帶鋼出鋅鍋后鋼板與鋅液層之間的熱傳導時間，加大鋼板與鋅液層之間界面處形成過冷的難度，從而增加了先形核枝晶的生長時間，導致先形核枝晶在鋼板與鋅液層間的界面上占據(jù)了較大的空間，減少了鋅晶體形核的數(shù)量，從而增大了鍍鋅板表面鋅花的尺寸。
2.6基板粗糙度
基板粗糙度會影響鍍鋅基板與鋅液層間枝晶的生長速度，較大的粗糙度會阻礙基板與鋅液層間界面上首先生成的枝晶的擴展，為尚未形核區(qū)域鋅液層的形核過程創(chuàng)造機會，進而增加鋅液層的形核數(shù)量。相同生產工藝下基板粗糙度對鍍鋅板表面鋅花的影響試驗情況如下：
1)試驗方法。選取不同粗糙度的基板在相同生產工藝下進行連續(xù)熱鍍鋅生產，完成后取鍍鋅板試樣選取一定長度，數(shù)出鍍鋅板表面該長度范圍內的鋅花數(shù)量，最后計算得出該鍍鋅板表面鋅花的平均尺寸。
2)試驗結果。相同生產工藝下不同粗糙度的鍍鋅板表面鋅花見圖3。
由圖3可見，當粗糙度平均值為0. 796μm時，鋅花較大，鋅花平均直徑為1.2 mm；當粗糙度平均值為1. 15μm時，鋅花較小，平均直徑為0.5 mm。
3結 語
影響無鉛鋅鍋連續(xù)熱鍍鋅生產鍍鋅板表面鋅花尺寸的主要因素有冷卻速度、鋅液溫度、帶鋼入鋅液溫度、鍍層厚度、帶鋼厚度和基板粗糙度。實際生產過程中通過降低鋅液溫度、降低帶鋼人鋅液溫度和提高基板粗糙度能夠有效控制鍍鋅板表面鋅花的尺寸。
評述：闡述了連續(xù)熱鍍鋅過程中帶鋼表面鋅花的形成機理，分析了無鉛鋅鍋連續(xù)熱鍍鋅帶鋼表面鋅花的影響因素，通過試驗研究了鋅液溫度和基板粗糙度等因素對連續(xù)熱鍍鋅鋼板表面鋅花尺寸的影響，提出了實際生產過程中控制無鉛鋅鍋連續(xù)熱鍍鋅帶鋼表面鋅花尺寸的措施。連續(xù)熱鍍鋅產品以其優(yōu)良的耐腐蝕性、較低的生產成本、良好的外觀質量廣泛應用于家電行業(yè)和汽車行業(yè)。由于家電行業(yè)和汽車行業(yè)使用的鍍鋅板絕大部分需要涂裝，而帶鋅花鍍鋅板由于鋅花表面凹凸不平會嚴重影響到涂裝后的表面質量。因此，為保證外觀質量，家電行業(yè)和汽車行業(yè)一般要求使用無鋅花鍍鋅板。
