带钢连续热镀锌及其退火炉的技术进步

・综述・带钢连续热镀锌及其退火炉的技术进步
南京摄炉(集团)有限公司　(南京　210034) 吴光治
摘　要　概述了带钢连续热镀锌的技术发展及其退火炉的技术进步,介绍了连续热镀锌的工艺流程和退火炉类型,指出退火炉是该生产线的核心,应当合理选择退火炉的炉型。

关键词　带钢　热镀锌　退火炉　炉型选择
1　热镀锌技术的发展
锌是一种蓝白色的金属,熔点为419.4℃,密度
为7.14g/cm3。

锌具有中等的延展性。

室温下,锌在
干燥的空气中不起变化。

在潮湿空气(含O2、H2O、
C O2等腐蚀介质)的腐蚀环境中,锌表面会生成一层
致密的耐腐蚀的碳酸锌薄膜,它能保护锌内部不再
受到腐蚀,从而延长材料使用寿命。

由于锌有这种
优良的特性,故可将锌镀在钢板表面上以防止腐蚀,
这种钢板称为镀锌板。

镀锌已成为钢铁材料防腐的
一种有效方法,当然,镀层和钢基体要有良好的结合
力,以满足加工成形的需要。

带钢镀锌有电镀锌和热镀锌两种方法。

用电镀
锌方法生产的带钢,镀层较薄,工艺复杂。

而热镀锌
工艺比较简单,镀层较厚,便于实现现代化大规模生
产。

热镀锌又分为单张镀锌和连续镀锌。

落后的单
张钢板熔剂法热镀锌机组,采用叠轧热轧薄板,经退
火后进入镀锌车间,通过酸洗去除表面氧化皮,涂溶
剂后经烘干送入锌锅进行热镀锌。

这种方法因产量
低、成本高、质量差、环境污染严重、经济效益低下,
已处于被淘汰的境地。

取而代之的是质优、高产、低
耗、经济效益显著的现代化大型连续热镀锌生产线,
它具有生产成本低,方法易行,有阳极保护作用(即
当镀层完整时,起隔绝作用,如果镀层发生不太大的
破坏时,由于电化学作用,镀层自身被腐蚀,从而保
护了钢材不受腐蚀)。

热镀锌带钢镀层厚而牢固,外
观漂亮。

有光泽,因而倍受青睐,应用越来越广泛。

热镀锌板生产方法是由热镀锡生产方法发展而
来的,大致可归纳为下列几种:
热镀锌-线外退火:单张钢板热镀锌法
线内退火:森吉米尔法,改良森吉米尔法
,
美国钢铁联合公司(简称美钢联)法等
所谓线外退火,是指原料(热、冷轧薄板)在进入热镀锌作业之前,首先进行再结晶退火;线内退火,是指在热镀锌生产线上,钢板先进行再结晶退火,接着热镀锌。

森吉米尔法,又称氧化-还原法。

它是线内退火最有代表性的方法,它把退火工艺和热镀锌工艺联合起来。

冷轧后的带钢被直接送到热镀锌机组,带钢在连续退火过程中先将油烧去,并在带钢表面形成薄薄的一层氧化膜,再经过退火炉的还原段,使表面的氧化膜还原成纯铁体,因而在进入锌锅时镀层与铁基得以牢固结合。

160多年来,热镀锌技术取得了长足进步。

在热镀锌漫长的发展过程中,早期的生产效率很低,单张钢板的热镀锌占据了主要地位,直到1931年波兰人森吉米尔把退火工序和热镀锌工序连成一整体,发明了举世闻名的森吉米尔法,才真正开辟了带钢连续热镀锌生产的新纪元。

森吉米尔法由于生产效率高、无污染而得到发展。

在上世纪的60年代中期,为进一步提高机组速度而发展成为改良的森吉米尔法,并获得迅速发展。

改良的森吉米尔法的主要特点是把森吉米尔法中各自独立的预热炉、还原炉由一个小截面通道连接起来,这样就把预热炉、还原炉和冷却段连成一个有机的整体,成为连续热镀锌退火炉。

近十年来,热镀锌在工艺技术和装备上都取得了较大发展,尤其是汽车热镀锌板和更好的耐腐蚀性镀层的配方有了新的突破。

由于成本和质量上的优越性,日本汽车行业已决定今后汽车用板材全部用合金化热镀锌板取代现有的电镀锌合金板。

为此,许多厂家相继建立了现代化大型带钢连续热镀锌生产线,并对早期建设的生产线进行技术改造。

例如,美国和日本新建的protec生产线可以生产宽度为1900mm,厚度为0.4～2.3mm的镀锌板,机组速度可达185m/min,合金化速度可达136m/min,年生
第26卷第5期2005年10月
国外金属热处理
G UOW AI J I NSH U RECH U LI
V ol.26,N o.5
Oct,2005
产能力达60万吨以上。

带钢的热镀锌从窄带钢起步,逐步走向宽带钢,其真正发展是近30年来伴随着热轧、冷轧宽带钢的飞速发展而进入大规模发展的。

然而,我国上世纪末宽带钢的生产能力为146万吨,仅占我国粗钢产量的1.4%,而发达国家为15%左右。

热镀锌带钢在我国市场上十分畅销,1995年以来,每年都要从国外进口大约100万吨热镀锌带钢(板)。

20年来,我国相继建成了一批年产10万吨以上的热镀锌带钢生产线,部分产品开始出口,但热镀锌带钢的品种、数量和质量上还不能满足我国经济发展的需求。

为此,一方面要对原有的热镀锌生产线进行技术改造,另一方面需建设新的连续式热镀锌生产线。

带钢连续热镀锌技术的进步主要表现在采用美钢联法取代原有的森吉米尔法,并引入立式退火炉,使机组产量和热镀锌带钢的产品的质量得到改善和提高。

上世纪80年代末,汽车及家电工业广泛采用镀锌板,这些行业对镀锌板的要求很高,改良的森吉米尔法已无法满足要求,而美钢联法则以其产品质量好而受到欢迎,但该法要提高产量,必须延长机组退火炉的长度,从而增加了占地面积和投资。

当引入立式退火炉取代卧式炉后,不仅缩短了炉长,提高了机组速度,而且进一步改善了镀层的附着性和表面质量,实现了优质、高产、节能和降耗的目的,大大降低了产品的成本。

90年代后新建的热镀锌生产线大都采用美钢联法。

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包括镀前处理(脱脂和热处理)、热镀锌、矫正和钝化四个主要工序。

带钢连续镀锌生产工艺流程如图1所示。

传统的连续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。

控制镀层厚度采用“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,加热温度约为550℃。

为提高镀锌钢板的防腐性能,带钢冷却后,应在铬酸或磷酸液中进行钝化处理。

热镀锌机组的端部设备与一般带钢连续作业线类似。

尾部设备除一般的卷取、横剪和垛板设备外,常设有平整机和拉伸矫正机,以提高带钢的机械性能和改善板形。

2.2　连续热镀锌的退火工艺[3]
热镀锌机组产品按镀层区分有普通镀锌板,G1板(小锌花板),G A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G al2 valume,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、C Q、DQ、DDQ、E DDQ等,各种级别产品的典型退火曲线见图2。

在热镀锌机组连续退火工艺中由于受带钢入锌锅温度的影响,不能实现连续退火工艺中的过时效过程。

这是因为带钢入锌锅必须保证约450℃的温度,而发生过时效的最佳温度约350℃,高于这个温度过时效效果会显著降低。

因此,在现代热镀锌机组中通常FH、C Q及部分深冲性能要求不高的DQ产品用低碳铝镇静钢生产,而部分深冲性能要求高的DQ产品及DDQ、E DDQ产品用IF钢生产。

IF钢生产全称为无间隙原子钢,是一种添加特殊合金元素如钛、铌等的超低碳钢,含碳量在0.002%左右。

用IF 钢生产的产品没有时效性,可以不进行过时效处理,甚至可以不需要均热处理,加热后直接冷却进入锌锅镀锌。

IF钢和低碳钢在生产成本上没有很大区别,
・
2
・国外金属热处理第26卷
其退火工艺却比低碳钢简单,并且适合热镀锌机组的特殊要求,现在使用IF 钢作原料的比率越来越大。

但是,各生产厂家的热镀锌机组的连续退火工艺有所差别,这是因为所用的原料成分差别很大,产品的内控标准也不同。

原料成分及处理后产品性能指标值直接影响连续退火工艺。

2.3　连续热镀锌退火炉及锌层退火炉的设备组成
[3]
热镀锌机组连续退火炉通常由加热段、均热段、冷却段组成,锌层退火炉通常也由加热段、保温段、冷却段组成,见图3。

连续退火炉前端有时设置预热段,将带钢预热至150～200℃,可以节约燃料10%左右。

对于对表面质量有严格要求的连续热镀锌机组,预热段须采取用燃烧废气通过换热器来加热保护气体,然后由此保护气体预热带钢的方式。

不能用燃烧气体直接预热带钢,燃烧废气与带钢表面直接接触会破坏表面质量。

由于必须采取复杂的预热方式预热段设备成本增加,而通常加热段燃烧废气都要经过余热锅炉或热水器产生蒸汽或热水供机组其它段使用,因此是否设置预热段需对投资和节能效果进行综合比较而确定之。

加热段将不同品种的带钢加热至其规定的退火温度,使且辐射管间接加热以保持带钢表面清洁。

炉内充满保护气体,由于全辐射加热,带钢表面不发生氧化,保护气体中氢气含量很低,约5%。

为了保证辐射管发生破裂时,燃烧气体不漏入炉内而引起带钢氧化,辐射管内应保持负压操作。

辐射管交错布置在带钢两侧,保证带钢均匀加热。

通常,带钢升温无特殊要求,如果前面没有预热段,带钢直接进入炉内进行加热,开始进入炉内时带钢升温速度不能太快,以免引起带钢变形,在辐射管布置及分段控制时应予考虑。

均热段将带钢保持在规定退火温度一段时间,通常约20s 。

如果采用IF 钢作原料,均热段作用就不明显了。

采用电阻加热时通常有一通道将加热段和均热段分开。

采用辐射管加热时通常加热段和均热段为一体,在中间设置隔墙。

加热段和均热段一样通入N 2+H 2保护气体。

冷却段将带钢从均热温度冷却至镀锌温度,从
退火工艺方面看,在带钢连续热镀锌退火工艺中对带钢的冷却速度无特殊要求,仅是将带钢冷却至入锌锅温度。

在冷却段之后还可设置均衡段,目的是使带钢具有更佳的板形,达到更均匀的温度进入锌锅镀锌,提高镀锌质量。

从锌层退火工艺上看,加热时间越短对合金化过程越有利。

燃气直接加热受设备本身结构的限制,加热时间不可能很短,同时火焰直接喷吹带钢表面,对镀层表面质量不利。

目前现代热镀锌机组基本上不采用燃气直接加热方式。

感应加热方式可以在1秒甚至更短时间完成加热过程,不仅对锌层退
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3・第5期吴光治:带钢连续热镀锌及其退火炉的技术进步
火工艺有利,同时也可降低整体设备乃至车间厂房的高度,而且感应加热控制方便,反应快速。

加热时间取决于感应加热工艺。

感应加热频率对合金化过程的影响,各个厂家看法不一。

目前比较普遍的观点是频率越高,越有利于锌与铁之间的扩散,也就是越有利于合金化过程。

近两年投产或将要投产的现代热镀锌机组的感应加热器频率都在100kH z以上。

感应加热功率由机组G A产品最大小时产量及镀层量决定,感应加热效率与板厚有关。

2.4　热镀锌退火炉
接照形状,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炉辊使用寿命长、带钢板形规整、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为立式退火炉。

2.4.1　卧式退火炉
在卧式炉内,带钢和炉底辊之间的接触最少,造成炉底辊表面和带钢速度不同,从而缩短炉底辊寿命,影响带钢质量。

为此,在工艺段入口采用能力控制装置,在出口采用张紧装置,并对张力控制进行自动调节,从而保证卧式炉内加热区和冷却区的各段张力基本相同。

卧式退火炉共分三段:预热段、加热段、冷却段。

预热段为无氧化加热,用煤气对带钢表面进行加热,使油蒸发。

还可以用加速加热来提高带钢的预热温度。

在加热过程中,所有杂质的蒸发和燃烧不会造成钢板表面氧化,带钢表面的轧制油污不是通过燃烧去除,而是靠弱还原性气氛高温挥发去除,保持了原板的光洁表面。

冷却段用电加热调整出炉温度。

带钢经退火后可消除冷却引起的加工硬化,使带钢有良好的可塑性,同时也可提高带钢的深冲性能,该性能对汽车用的热镀锌板是非常有利的。

2.4.2　立式退火炉
为了提高炉子的加热强度,采用了立式高温退火炉。

为提高带钢的线速度,炉温从以往的800～820℃提高到850℃,并改善了退火质量。

这种立式退火炉由加热段、均热段、保温段和冷却段组成,可以用含5%H2的氮氢保护气体还原,采用煤气加热的辐射管将带钢从室温加热到退火温度。

设置保温段可对带钢进行时效处理。

冷却段是一个快速冷却室,用高速的气刀向带钢两侧喷吹氨分解气体,其冷却速度可达30～200℃/s。

2.5　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。

在锌锅的上方配备锌层合金化装置———锌层退火炉。

退火温度为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℃,保温一段适当的时间,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。

锌层退火炉保温段是将镀锌带钢加热后保温一段时间,生成锌铁合金层。

2.6　合金化炉
镀锌带钢的合金化处理是通过合金化炉完成的。

合金化炉已由过去的煤气加热改为中频感应加热,其加热速度快而且温度容易调节。

采用高频加热更佳,它具有温度均匀,带钢振动小,感应圈短和热效率高等优点。

通常合金化炉分为三个部分,即感应加热段、电阻保温段及喷雾冷却段。

2.7　退火炉炉型选择
退火炉是带钢连续热镀锌生产线的核心,在很大程度上影响着生产线的生产率、基体金属的特性、镀层质量和维修费用等,因此,退火炉的选型至关重要。

选择带钢连续热镀锌退火炉炉型可考虑如下的因素:
1)产品的规格和品种:从处理带钢的规格考虑,卧式炉的适用性和灵活性较立式炉强。

2)机组的年处理量:一般说来,机组的年处理量≤20～25万吨,可选择用卧式炉;年处理量≥20～25万吨,可选用立式炉。

3)带钢热处理要求和在炉长度:退火周期的长短、机组工艺速度的高低直接影响带钢的在炉长度,有些品种需要较长的均热时间或较长的过时效时间,这些炉段的长度就较长。

当带钢在炉长度大于100m时,一般选用卧式炉。

当带钢在炉长度大于150m而小于200m时,一般选立式炉。

当带钢在炉长度大于200m时,一般选用立式炉。

此外,还应考虑对带钢表面的要求,对于以建筑　(下转第14页)
是Al13Fe4枝晶,但更为细化,这表明结晶过程中冷速更大。

区间的星状枝晶组织与“f”区的有明显的不同,此时α2Al作为初生相结晶,而非CuAl2相(见图3a)),这也证实了重熔时铝在近界面处的稀释作用。

涂覆层的硬度没有因为组织的改变而出现明显的变化,这表明了所有的金属间化合物相,如I相、Al13Fe4和CuAl2都以类似的方式对复合涂覆层硬度的分布产生影响。

4　结论
采用激光工艺,通过先混合粉末再重熔的方法,制备了以铝为基底含准晶和类似相的复合涂覆层。

重熔层的梯度组织的转变主要归因于制备过程中的成分变化和结晶过程。

涂覆层的不同组织对其硬度的影响相对较小。

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(上接第4页)
、家电业为主的带钢,连续热镀锌机组可采用卧式炉;汽车用热镀锌板(包括内板和外板)一般应采用立式炉。

4)操作和维护性能等。

连续热镀锌退火炉的选择,应从它所处理产品的品种、规格、年处理量、热处理制度、表面质量要求、炉子的操作、维护、消耗、对厂房的要求等方面进行综合考虑。

3　结束语
现在世界上已投入运行的带钢连续热镀锌生产线正向着高速(超过200m/min)、高产(超过40万吨/y)、处理宽(超过2100m)、带钢厚(超过6mm)的现代大型带钢连续式热镀锌生产线发展。

在产品上,主要是朝着汽车用镀锌板、无铝热镀锌板的方向开拓。

热镀锌板的市场将不断扩大,前景将更为广阔。

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