热镀锌锌渣形成因素分析及工艺优化

热镀锌锌渣形成因素分析及工艺优化

【摘要】本文通过对热镀锌锌渣生成原因的分析，合理优化唐钢镀锌工艺，有效的减少锌渣的生成量，节约原材料的消耗，降低生产成本，改善产品质量，提高经济效益。

【关键词】热镀锌锌渣工艺优化

1.前言

带钢连续热镀锌生产过程中产生的锌渣主要包括浮渣和底渣，据统计，每吨锌锭会产生3%～10%的锌渣，不但降低了锌的利用率，而且产生的锌渣也会由于黏附在镀层表面而影响镀锌层的质量，降低产品的合格率，增加企业的生产成本。唐钢在镀锌生产初期，锌渣的产生率约为20%，严重超出平均水平。在此情况下，研究热镀锌锌锅中锌渣的生长机制、形成原因，降低其生成量，提高锌的利用率，对降低唐钢热镀锌生产成本，提高镀层表面质量是非常必要的。

2.研究主要内容

2.1 锌渣的形成原因

2.1.1 锌渣形成的机理分析

锌渣是一种锌铁相合金，主要成分是Zn、Fe。锌渣的形成可视为是铁在锌液中的溶解或者说是熔融锌对铁的腐蚀作用，铁与锌扩散反应形成多孔、疏松的低熔点合金飘移到液锌中，逐渐使金属铁“溶解”于

Fe-状态图（如图1所示）。

锌液的过程。腐蚀机制完全遵循Zn

液态金属锌对固态金属铁等元素产生的腐蚀主要是固态金属材料在锌液中的溶解度起决定性作用，但也不排除在锌液中存在着类似水介质的电化学腐蚀作用。液态金属锌的腐蚀主要是物理溶解，当液态金属锌和固态金属铁相遇时，在界面处产生热力学不平衡而导致腐蚀的发生。因此，在锌液中液态金属锌对固态金属铁的腐蚀机制一般存在溶解机制、化学反应机制以及反应扩散机制。

Fe-合金相图

图1 Zn

带钢表面固态金属元素的溶解是与带钢表面金属合金元素在液态锌中的溶解度、溶解速度以及溶质原子的扩散速度有关；并受液态锌中的锌及添加元素铝及其他杂质元素的影响，并且带钢表面的固态金属元素的溶解速度一般随温度的升高而增大。特别是带钢在清洗段漂洗不完全时会带入锌锅中少量的非金属杂质，如氧、碳、氯等，当锌液中的非金属元素杂质达到一定浓度时，则在固态金属表面生成氧化物、碳化物、氯化物等。因为生成的这些化合物在液态金属锌的冲蚀作用下容易被剥离，也会使加速带钢表面固态金属元素的溶解。

带钢在锌液中的溶解速度主要受温度、时间和运动状态的影响。

(1) 锌液温度的影响

随着温度的升高铁在锌液中的溶解度先增加后减小（如图2所示）。主要是影响铁在锌液中的扩散系数，还会改变溶解机制。当带钢经历了由锌液温度较高区域向锌液温度较低区域移动的过程，都会导致锌

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液中锌渣产生量的增加。

T, K 溶解度，%

图2 锌液对铁的腐蚀溶解度曲线

(2) 带钢运动速度的影响

主要表现在表面形成的黏附力不强的化合物、带钢附近的铁在锌液中的溶解梯度及带钢附近锌液的流动速度的影响，当带钢的运动速度增加后，会导致黏附力不强的化合物优先脱落形成锌渣，也会导致铁在锌液中的溶剂量增大；但是随着带钢速度的增加带钢在锌液中的停留时间减少，会减少铁的溶解。

(3) 锌液流动速度的影响

当溶解机制是熔化或界面原子的扩散控制的溶解机制时，由于传热或传质是过程的限制环节，锌液的对流对溶解速度的影响很大，增大锌液的对流将使铁在锌液中的溶解速度加快。而热浸镀锌过程中，由于带钢连续不断的运行，必然会造成锌液的不断流动，使对流加剧，这必然会增加铁的溶解量。

(4) 固态金属铁表面状态的影响

如果铁表面存在其他高熔点的物质时，将阻碍铁与锌液之间的传热和传质，对铁溶解的开始时间有很大的影响。但是当铁表面存在一层海绵状的氧化铁或单质铁时，由于与锌液的接触面积增大，使铁的溶解速度大大增加。

(5) 锌液中铝含量的影响

从图3中可以看出，含铝量对铁元素在锌液中的溶解量有一临界点，当铝含量小于0.20%时，随着铝含量的增加，铁在锌液中的溶解量逐渐减小，有利于减少锌液中铁元素溶解量，从而可减少锌渣形成量。因而在带钢连续热镀锌生产过程中需要将锌液中的铝含量控制在0.20%一下有利于减少锌液中锌渣的产生量。 锌液中的铝含量铁在锌液中的溶解量

图3 锌液中的铝含量与铁元素在锌液中的溶解量的关系

2.1.2 锌渣的生长机制

锌渣是由于发生①的化学反应而形成的：

1313FeZn Fe Zn =+↓·············①

由①式可得：1.0kg 的铁将消耗掉15.1kg 的锌。并且因捞锌渣时还会带出部分锌液，所以实际消耗的

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锌要比上述计算得到的多得多。据检测，每当有1.0kg 的铁被锌液浸蚀溶解形成锌渣时，就要耗用大约25kg 的金属锌。

锌渣是多孔、疏松的低熔点合金，锌渣颗粒的数量和形态与铝含量、锌液温度的波动等因素有关。随着锌液温度的降低和铝含量的增加，锌渣颗粒的数量和尺寸会增加。锌渣的生长机制是根据固溶扩散的Ostwald 理论而定的：生长驱动力来自界面能、自由能的不断降低，通过溶质在溶剂中的扩散，使锌渣中的小颗粒趋向溶解，大颗粒相应长大。（图4为锌渣的金相照片，图5为纯锌的金相照片）。锌渣各相生长速度按从大到小的顺序排列依次是：Γ、ξ、25Fe Al η-、1δ。

图4 锌渣的金相照片 图5 纯锌的金相照片 2.2 锌渣的危害

不管何种原因形成锌渣，只要锌液中有锌渣存在就会加速锌液对铁的浸蚀熔解。随着锌液中的含铁量将逐渐增加，当锌液中的含铁量超过0.05%时，锌液的粘度就增加，使锌液的流动性、润湿性、导热性变差。另外，锌渣粘附在钢板形成产品缺陷（如图6、7所示）。锌渣不仅降低锌镀层美观度，还易使带钢在加工和运输过程中由于摩擦、震动等不可避免的原因产生黑斑、麻疹状缺陷等问题（见图8、9）而导致镀层腐蚀。因此锌渣缺陷的存在对产品的后序加工工序和带钢的存储以及运输有着极大的负面影响，是镀锌生产必须解决的问题。

图6 锌渣缺陷照片 图7 锌渣缺陷照片

图8 锌渣脱落形成麻疹缺陷 图9 锌渣脱落 2.3 降低锌渣产生量的优化措施

针对唐钢热镀锌渣产生量较大的现状结合上述分析的热镀锌渣的形成原因、生长机制、铁的主要来源