镀锌线锌锅辊系自动刮刀结构改进优化

镀锌线锌锅辊系自动刮刀结构改进优化
马维杰①　刘海军　贺磊兴
（酒钢宏兴钢铁股份公司碳钢薄板厂　甘肃嘉峪关７３５１００）
摘　要　酒钢镀铝锌开发过程中，板面锌渣和锌花不均缺陷严重制约产品质量提升。

通过在锌锅辊系上增加自动刮刀替代岗位人员手动刮渣后，一定程度上减轻了人工刮渣作业强度，但是也不能保证辊面去渣后的平整性，带钢表面锌花不均现象仍较严重。

另外，刮刀故障率较高，严重影响了刮刀的正常使用。

经过对自动刮刀结构进行了优化改进，改善板面质量，延长刮刀使用寿命。

关键词　镀锌线　热镀铝锌　自动刮刀　改进
中图法分类号　ＴＧ１５５．４ 文献标识码　Ｂ
Ｄｏｉ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－１２６９ ２０２２ Ｚ２ ０２５
１　前言
镀铝锌硅产品表面锌花不均及锌渣缺陷是镀锌界公认的难题，镀铝锌硅板档次越高该缺陷影响就越大。

在现有的热镀锌生产线上，锌锅沉没辊是镀锌工艺段中与带钢直接接触的重要辊子，由于锌锅的锌液成分复杂，温度很高，导致锌锅沉没辊工况条件极为恶劣，尤其是因铁元素的代入而产生的大量锌渣。

这些锌渣黏附在锌锅内的沉没辊上就会在带钢上产生锌渣、锌花不均等严重质量缺陷，降低产品的合格率。

近年来由于产品升级，汽车板、电器柜板及高档家电板的大量市场需求对产品表面质量提出了越来越高的要求，这一问题更为凸显。

传统的辊面去渣采用手动刮刀，工人劳动强度大，再加上人为因素，去渣效果不佳，后宝钢设计开发丝杠驱动的和导轨定位的自动刮刀，酒钢镀锌线引进后，用在热镀铝锌硅产品上，也不能保证辊面去渣后的平整性，带钢板面锌花不均现象仍较严重，另外刮刀在锌液温度６００℃的上方高温及充满锌粉杂质的恶劣环境下，刮刀晃动达到５ｍｍ左右，且丝杠螺母润滑不良，结构磨损很快，寿命非常低。

并且随着机械设备磨损的加剧，沉没辊刮刀行走装置也频繁出现卡阻现象，甚至丝杠变形损坏的情况也时有发生，严重影响了刮刀的正常使用，刮刀使用寿命仅有３－５天，被迫停机更换刮刀，同时产生大量废次品。

直接导致酒钢镀锌板产品质量较差，市场上始终处于“二流”，利润较低，为扭转不利局面，酒钢决定立足现场，自己研究开发新型自动刮刀，改善板面质量，延长刮刀使用寿命。

２　技术原理
（１）热镀铝锌硅板表面锌花不均原理
热镀锌钢板的耐大气腐蚀性能，远远超过了普通钢板，但工业的发展对它提出了许多新的要求。

例如：要求
具有更高的耐大气腐蚀的能力；在较高的温度下具有耐氧化的能力；更好地涂装性能；乃至在面临锌资源枯竭的情况下，如何降低锌资源的消耗等一系列问题。

为此在热镀锌钢板的基础上开发出了热镀铝锌硅合金钢板，该产品表面有致密的钻石小锌花，锌花产生机理是不同方向的光反射到三角形晶体上，形成锌花。

主要的树枝形晶体位于锌花的中心。

在带钢的宽度方向和长度方向，锌花的大小是同类型的。

带钢经连续热镀锌线的５５％Ａｌ－Ｚｎ热浸镀后，产生０ ２～５ｍｍ范围的锌花，锌花的大小与数量由晶核的位置及生长速度决定。

用ＳＥＭ－ＥＤＳ和ＸＲＤ研究了镀层的合金层组织结构、化学成分及相组成。

结果表明，小锌花和正常锌花的锌花形貌、组织结构及化学成分基本一致。

两者的不同点在于：铝锌硅镀层在凝固过程中形核点越多，形成的锌花也越细小。

制约热镀铝锌硅产品生产的主要原因就是板面锌花不均（图２）、粘渣（图３）等缺陷，该缺陷基本均由锌锅辊系粘渣，带钢经过辊系后破坏锌花成形晶核，导致锌花不均，严重时锌渣直接黏附在板面。

（２）锌渣产生机理［１］
Ａ１－Ｚｎ－Ｓｉ溶液较高的温度和含铝量，使得Ｆｅ和Ａｌ的反应非常激烈，造成大量的Ｆｅ溶入溶液，形成大量的渣子，其主要成分是Ｆｅ
２
Ａ１
５
和ＦｅＡｌ
３。

它们与镀锌有根本性不同的是，渣子与溶液的密度之间的差别。

有的铁锌化合
物渣子（如ＦｅＺｎ
１２
）比锌液的密度大，沉于锅底成为底渣，
有的铁锌化合物渣子（如ＦｅＺｎ
７
）与锌液的密度相似，悬浮
于锌液中，是浮游渣，有的渣子（如Ｆｅ
２
Ａ１
５
、ＺｎＯ）比锌液的
ＴｏｔａｌＮｏ．２７９
Ｅｘｔｒａｅｄｉｔｉｏｎ２０２２ 冶　金　设　备
ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
总第２７９期
　２０２２年增刊（２）
①作者简介：马维杰，１９８３年１２月生，高级工程师，电话：０９３７－６７１４４０４，１３８３０７９０５７８，邮箱：ｍａｗｅｉｊｉｅ＠ｊｉｕｇａｎｇ．ｃｏｍ
密度轻，浮于锌渣表面，是表渣。

而铁铝化合物渣子的密度均比溶液大，
大多沉积于锅底或落在锅内的机件上。

图１　
锌花正常板
图２　
锌花严重不均
图３　粘渣缺陷
铁铝化合物渣形成之后往往都是作下沉运动，浮游的时间较少，因而相互之间碰撞结合长大成渣粒的机会比镀锌少多了，渣粒较细，一般不会落到带钢上形成渣粒缺陷。

铁铝化合物渣子最大的危害是落在沉没辊和稳定辊上，形成积瘤，使带钢产生压印，严重时，拉矫机也无法矫平，影响最终的产品质量。

从辊子上结瘤的形态看，镀铝锌形成的结瘤一般是片状的结块，而不是镀锌时的点状或团状，没有尖角，在带钢上产生的压印也是圆角的，不像镀锌板上的尖凹坑，相对而言拉矫时也容易消除一些。

辊子上已有结瘤时，可以用耐热材料做的渣铲刮除，其难度比镀锌稍容易些。

热浸镀锌的基本原理是热扩散过程，即钢板浸入镀液之后，铁向外扩散产生溶解，而镀层金属向里扩散形成合金层。

所以铁的溶解形成金属间化合物是必然的规律，生成的合金渣分散于镀液中，当其沉降力大于浮力时，便下沉形成底渣。

当渣块下沉中遇到沉没辊时，便会集结辊面，通过带钢挤压，越来越密实，最终形成很厚一层结渣。

ＦｅＺｎ７＋５Ａｌ→Ｆｅ２Ａ１５＋１４Ｚｎ２Ｆｅ＋５Ａｌ→Ｆｅ２Ａ１５
反应不断地以Ｆｅ２Ａｌ５的状态上浮而进入浮渣
［２］。

（３）清除辊面粘渣机理、解决热镀铝锌硅板表面锌花不均的机理
沉没辊滚动效应对粘渣的影响，图４显示了渣粒子在锌锅辊表面的运动轨迹，在结果中可以看出，当渣颗粒移动的较远时，它们可以被驱逐出带钢与沉没辊的接触处，从而防止渣被带出。

为了尽量减少带钢带渣，需要锌锅刮刀及时清理辊面粘渣，以防止辊面粘渣复制在带钢表面。

使用刮刀清除表面粘渣，刮刀与辊面贴合精度越高、刮刀运行越平稳，清渣效果就越好，板面质量也就越高。

３　自动刮刀改进技术方案及优化措施
（１）锌锅辊系自动刮刀改造
通过现场不断改进和试验，将原有锌锅沉没辊针状刮刀和宽幅刮刀设计及改造为一套锌锅辊系自动刮刀，专用于镀铝锌硅锌锅辊系的辊面除渣。

在不改变现有稳定辊结构的基础上，原有沉没辊、稳定辊刮刀及刮刀安装机构均需拆除。

新设计安装的刮刀总成底座固定在沉没辊、稳定辊主梁上方，安装刮刀片的刮刀臂在气缸的压力推动下自动紧贴旋转着的沉没辊、稳定辊，同时在传动装置－丝杆驱动下沿转动辊面轴向往复运动。

增加刮刀后可以有效清除辊面粘渣，防止辊面粘渣复制在带钢表面。

通常其他厂家锌锅辊系刮刀采用布置在辊梁上方（图５），存在刮刀杆长，刚性差，刮刀杆由于力臂较大，易变形，使用过程中不能保证刮刀与辊面很好贴合，刮渣能力越来越差。

酒钢新设计采用梁下布置（图６），优点是刮刀贴近辊系，刮刀杆短，刚性较好，刮刀使用前后期均不变形，刮刀
２０２２年增刊（２）
总第２７９期 冶　金　设　备
与辊面贴合较好，
刮渣能力明显提升。

图４　
渣粒子在锌锅辊表面的运动轨迹
图５　
梁上式刮刀
图６　
自动刮刀离线装配照片
图７　梁下式自动刮刀三维设计图
（２）刮刀行走机构结构改造
结合现场实际使用效果，不断对该自动刮刀进行设计变更及改造。

原设计锌锅辊系刮刀的缺点－晃动，导致刮刀与辊面跳动，刮渣能力弱，辊面清渣不干净，有渣棱。

通过对刮刀行走机构进行分析，导致刮刀运行过程中晃动的主要原因是刮刀行走机构缺少有效的支撑，机构受到刮刀投入时的反作用力全部集中在丝杠上，导致丝杠容易发生变形失效。

新设计刮刀，采用在现有刮刀行走机构上增加了８个支撑辊轮和４个导向辊轮（
图８），改设计使得整个框架在行走过程中稳定性和导向性更好。

所有的支撑辊轮和导向辊轮与机架配合处都安装有偏心套装置，可以在线调节辊轮与轨道的压力，补偿机械磨损产生的间隙，提高了辊轮的使用寿命，实现水平和垂直方向的精确定位，确保丝杠只承受轴向力，同时采用重型线性导轨。

也提高了行走机构精度。

马维杰等：镀锌线锌锅辊系自动刮刀结构改进优化２０２２年增刊（２）
（３）
刮刀丝杠及直线导轨冷却润滑系统改造
图８　
刮刀行走机构支撑轮
图９　刮刀行走机构支撑轮设计图
由于刮刀行走机构位于锌锅上方约４８０ｍｍ，锌锅温度６
００℃，丝杠和直线导轨工作环境温度在４００℃以上，且有大量锌灰落在丝杠及导轨上方。

刮刀原设计没有冷却及在线润滑系统，导致自动刮刀在使用过程中故障率居高不下，同时给锌锅辊系维护人员增加了许多工作量，每次下线后都要进行更换或清洗。

因此，在刮刀行走机构上增加油气润滑冷却管路及甘油润滑管路，改善丝杠和直线导轨工况，有效降低了丝杠螺母的磨损，延长使用寿命。

铜螺母与框架配合前后侧面处留有２ｍｍ间隙的设计，有效防止铜螺母因受不平衡径向力而导致丝杠变形引起的卡阻。

刮刀使用寿命从之前的４
５天提升到了６－７天，直线导轨和丝杠寿命由４ ５天分别提升到了１５天和３０天，大幅度降低了辊系维护人员劳动强度，杜绝了刮刀在使用过程中发生故障影响生产的情况。

（
４）刮刀刀刃结构优化刮刀投用前期使用三段式刮刀片，刀刃为直角，为了进一步提高刮渣效果，采取了如下几个方面措施：一是将刀刃由直角改为４
５°角，提高刮渣效果，二是将原来三段式刮刀片中间一段取消，变为两段式，提高边部刮渣能力；三是增大气缸及刮刀导杆尺寸，提高刮刀压下力及刀杆强度。

４　结论
通过优化改进，主要实现了以下效果：
（１）通过将刮刀行走机构由沉没辊梁上安装变为梁下式安装，缩短了刮刀杆行程，提高了刮刀杆刚度。

（２）通过在刮刀行走机构增加支撑轮和导向轮，使得整个框架在行走过程中稳定性和导向性更好，刮刀定位精度由之前的３－
５ｍｍ提升到０ ０５ｍｍ以下，刮刀的工作精度大幅提升，大幅度提升了刮刀刮渣效果和带钢表面质量。

（
３）通过在刮刀丝杠及直线导轨上加空气冷却及油气润滑系统，彻底解决了高温环境下刮刀行走机构的易损坏、寿命短的问题，辊役周期提升由３－４天提升至７－８天。

（４）通过优化刮刀刃口角度、变更刮刀刀刃尺寸、增大刮刀气缸尺寸等手段，提高刮刀刮渣能力，保证带钢表面质量。

通过技术改进后的刮刀装置，现均在酒钢镀锌线镀铝锌硅生产中稳定应用，在应用期间对存在的问题已改进，反复优化，生产指标均达到设定目标值。

参考文献
［１］许秀飞．高档钢板生产工艺与控制［Ｍ］．北京：化学工
业出版社，２０１８：１９５－２０５．
［２］李九龄．带钢连续热镀锌［Ｍ］．北京：冶金工业出版
社，２０１９：３００－３０３．
２０２２年增刊（２）
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