2.1鋁鋅硅渣的來源

鋼帶進(jìn)入鋁鋅硅熔體內(nèi)后，即發(fā)生激烈的界面擴(kuò)散反應(yīng),。一方面熔體內(nèi)液態(tài)的鋁會(huì)擴(kuò)散到鋼帶的固態(tài)鐵原子的晶格內(nèi),，即鋁的擴(kuò)散反應(yīng)；另一方面鋼帶的固態(tài)鐵原子會(huì)擴(kuò)散到熔體內(nèi)液態(tài)的鋁鋅硅中,，即鐵的溶解反應(yīng),。由于鋁的原子直徑為0.275nm大于鐵的原子直徑0.254nm^[1]，所以鋁的擴(kuò)散反應(yīng)速度相對(duì)較慢,，而鐵的溶解反應(yīng)就顯得非常激烈,，以至于在生產(chǎn)線停機(jī)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)鋼帶浸泡在鍋內(nèi)時(shí)間稍長,，鋼帶就會(huì)被腐蝕,，先出現(xiàn)孔洞,，最后完全消失了，即完全溶解到鋁鋅硅熔體內(nèi)了,。

2.2底渣的主要組成

上述界面反應(yīng)是關(guān)系到鐵、鋁,、鋅,、硅四種原子之間的復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，這四種原子的直徑由小到大排列為：鐵0.254nm,、硅0.268 nm、鋁0.275nm,、鋅0.283nm^[1],。可見硅原子和鐵原子的直徑最為接近,，形成鐵硅固溶體的能量最低,，最容易發(fā)生鐵硅之間的相互擴(kuò)散，其次是鋁和鐵,，而鋅原子和鐵原子之間的原子直徑已經(jīng)超出了臨界范圍的15%,所以在鍍鋁鋅硅時(shí)形成鐵鋅之間的化合物難最大,。經(jīng)過大量的研究分析，鋁鋅硅渣主要成分是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的τ₅相,，以及FeAl₃相和Fe₂Al₅相,。其中τ₅相的結(jié)構(gòu)式為Al₂₀Fe₅Si₂·α-AlFeSi^[2],。還有一點(diǎn)需要注意的是，鋁鋅硅熔體內(nèi)的鋁,、鋅,、硅原子本來都是自由運(yùn)動(dòng)的，但由于表面張力的原因,，固態(tài)的鋁鋅硅渣顆粒與液態(tài)的鋁鋅硅熔體之間的張力較大,，會(huì)發(fā)生物理吸附作用，將一部分鋁,、鋅和硅原子吸附到鋁鋅渣的周圍,，形成比較有序的排列，成為成分復(fù)雜的鋁鋅硅渣顆粒,。所以,，我們看到的每一顆鋁鋅硅渣，只是中間核心部分是鐵鋁硅金屬化合物,，而外圍絕大部分是鋁鋅鍋內(nèi)相同的熔體成分,。

資料^[2]介紹取自寶鋼的一塊鋁鋅渣的掃瞄式電子顯微鏡圖（a）和能譜分析圖(b)如圖1。圖（a）有棱角呈塊狀的就是鋁鐵硅金屬化合物,，其周圍是鋁鋅硅熔體冷卻后生成的三種組織,，白色圓形的是鋁鋅硅熔體中先冷卻生成的高硅相，邊緣呈園角形樹枝狀的是鋁鋅硅熔體中先冷卻生成的α-高鋁相,，余下的深黑色的是最后冷卻發(fā)生共晶反應(yīng)生成的α-高鋁相和β-高鋅相的機(jī)械混合物,。

圖1  寶鋼樣品的SEM圖以及箭頭所指位置的EDS圖譜

表1熔體,、底渣和化合物成分對(duì)比（wt.%）

2.3鋁鋅硅渣的主要形式

熱浸鍍鋁鋅硅熔體的比重約為3.327g/cm³,，只是熱浸鍍鋅熔體比重約為6.6 g/cm³的一半。鋁鋅渣中含有比重較高的鐵,，其比重肯定比鋁鋅硅熔體大一些,，在鋁鋅硅熔體內(nèi)可以下沉到底部，成為底渣,。不過,，不是所有的鋁鋅硅渣都有條件沉到底部的，因?yàn)楦鶕?jù)物理學(xué)原理,，固體顆粒下沉的速度與其直徑的平方成正比,，所以直徑小的渣粒是很難下沉的，這就是說鋁鋅硅熔體中肯定會(huì)有懸浮在熔體內(nèi)的浮游渣,。無論是原生的還是析出的鋁鋅硅渣,，初期的顆粒都是很小的，呈懸浮狀態(tài),，但隨著小顆粒鋁鋅硅渣數(shù)量的增多,，它們?cè)谌垠w內(nèi)會(huì)相互碰撞、相互吸引而變成大的顆粒,，同時(shí)熔體內(nèi)過飽和的鐵也會(huì)不斷析出到鋁鋅硅渣顆粒上,，使小顆粒變成大顆粒，從而下沉到底部,，成為底渣,。根據(jù)鐵的數(shù)量，可以算出,，表1中鋁鋅硅熔體內(nèi)所含的浮游的鋁鐵硅金屬化合物數(shù)量為0.65%,，鋁鋅硅底渣中所含的鋁鐵硅金屬化合物數(shù)量為7.72%。

2.4 浮游渣的形態(tài)

為了分析鋁鋅硅熔體中浮游渣的形態(tài),，資料^[3]對(duì)鋁鋅硅鍋內(nèi)的熔體進(jìn)行取樣，冷卻后制作成金相試樣,，開展了金相分析和成分分析,。試驗(yàn)分別進(jìn)行了生產(chǎn)狀態(tài)下和停產(chǎn)靜置后的兩種情況進(jìn)行了比對(duì)。

（1）在生產(chǎn)狀態(tài)下鋁鋅硅熔體中浮游渣的形態(tài)

圖2 生產(chǎn)狀態(tài)中間層熔體SEM照片

（2）在靜置狀態(tài)下鋁鋅硅熔體中浮游渣的形態(tài)

圖3 靜置狀態(tài)中間層熔體SEM照片

這個(gè)試驗(yàn)說明鋁鋅硅熔體在鍋內(nèi)的流速快,，有利于浮游渣的產(chǎn)生，不利于底渣的產(chǎn)生,，鋁鐵硅渣顆粒小而多,；反之，流速慢時(shí),，有利于底渣的產(chǎn)生,，大量鋁鐵硅金屬化合物會(huì)沉到鍋底，成為底渣,。生產(chǎn)實(shí)際也證明了這一點(diǎn),，寶鋼、梅鋼采用的無芯感應(yīng)熔鍋,，對(duì)熔體的攪動(dòng)作用大,，所以比其它生產(chǎn)線浮渣多，底渣少一些,。生產(chǎn)薄板的時(shí)候,，生產(chǎn)線速度快，輥?zhàn)訉?duì)熔體的攪拌作用大,，粘到鋼帶上的渣粒多而?。幌喾?，生產(chǎn)厚板時(shí),，粘到鋼帶上的渣粒大而少。

2.5浮游渣的危害

（1）鋁鐵硅金屬化合物浮游渣多,，會(huì)落到鋼帶上,，進(jìn)入鍍層內(nèi)，形成顆粒狀粘渣,；

（2）鋁鐵硅金屬化合物浮游渣會(huì)鉆進(jìn)輥?zhàn)虞S承內(nèi),，增加軸套和軸瓦的磨損，或影響輥?zhàn)诱＿\(yùn)行,；

（3）鋁鐵硅金屬化合物浮游渣會(huì)落到輥?zhàn)颖砻?，并不斷吸收熔體內(nèi)的鐵，結(jié)晶長大,，使輥?zhàn)颖砻嬲成虾窈褚粚釉?，造成產(chǎn)品的壓印缺陷；或在輥?zhàn)觾?nèi)部結(jié)渣,，造成輥?zhàn)硬黄胶舛\(yùn)行不良,；

（4）鋁鐵硅金屬化合物浮渣會(huì)進(jìn)入感應(yīng)體熔溝內(nèi),，在熔溝的壁上沉積，造成熔溝面積減小,，感應(yīng)電流增加，溫度升高,，熱膨脹增加,，而造成開裂滲漏，縮短感應(yīng)體的壽命,。

2.6底渣的形態(tài)

如果拿一根長棍子垂直伸進(jìn)鍋內(nèi),，探一探底渣的狀態(tài)的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)底渣像河里的淤泥一樣,，由上到下硬度逐漸增加,。上部好像是泥漿，能夠攪動(dòng),；中間就比較結(jié)實(shí),，但能夠戳動(dòng)；底部很硬,、很板結(jié),，比較難以戳動(dòng)。正如前所述,，固態(tài)的鐵鋁硅金屬化合物顆粒將一部分熔體原子吸附到其周圍,，一并下沉到鍋底，不再漂浮在熔體內(nèi),，從而開始靜置,。一方面，使它們有足夠的時(shí)間相互靠近,、碰撞而長大,；另一方面，隨著顆粒的增加重量也會(huì)增加,，會(huì)給周圍原來吸附的部分熔體造成擠壓,，使其從底渣中滲出，從鍋底重新回到熔體內(nèi),，而底渣中的鐵鋁硅金屬化合物顆粒的比例越來越多,，熔體比例越來越少。這樣就使得底渣由上到下越來越硬,。特別是在熔鍋的四角,，流速很低也是比較難以清理的地方，會(huì)使底渣與鍋體的耐火磚粘在一起,，很難去除,。資料^[4]對(duì)澳大利亞博思格公司鍋底部的底渣進(jìn)行了分析，如圖4，可見其中主要是有棱角的,、塊狀的鋁鐵硅金屬化合物,，而周圍的熔體很少。分析鋁鐵硅金屬化合物的平均直徑達(dá)116.8μm,，最大的達(dá)到2399.0μm,，比浮游渣的直徑高出十倍、上百倍,。

圖4 鋁鋅硅鍋底渣SEM照片

3.1 含硅量與溫度對(duì)鋁鋅硅熔體中鐵溶解度的影響

硅是為了抑制鋼帶與熔體之間的反應(yīng)加入的重要合金元素,。資料^[5]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了含硅量分別為1.0%、1.3%,、1.6%,、2.0%、2.5%,、3.0%的55%Al-Zn熔體,，在溫度分別為570℃、580℃,、590℃,、600℃、610℃,、615℃,、620℃時(shí)鐵的溶解度，如表2,?？赡苁且?yàn)闇y(cè)量精度和方法不同的原因，表中的數(shù)據(jù)與其它資料介紹的有一些偏差,，但變化的趨勢(shì)應(yīng)該是相同的,。

表2 不同含硅量下鋁鋅硅熔體中鐵的溶解度（%）

（1）含硅量對(duì)鋁鋅硅熔體中鐵溶解度的影響規(guī)律

（2）熔體溫度對(duì)鋁鋅硅熔體中鐵溶解度的影響規(guī)律

圖6 含硅量為1.6%時(shí)鐵的溶解度隨溫度變化的曲線

3.2 含硅量對(duì)底渣形態(tài)的影響

圖7 硅含量為2.0%時(shí)鋁鋅硅渣的SEM照片

圖8 硅含量為3.0%時(shí)鋁鋅硅渣的SEM照片

4.1防止鍋底結(jié)渣的措施

 （1）在熔鍋設(shè)計(jì)時(shí)就要采用合理的結(jié)構(gòu)，在熔鍋的四周各安排一個(gè)感應(yīng)體,，功率為350~500KW×4,，并適當(dāng)降低其高度，盡量接近鍋底,。這樣可以消除前后兩側(cè)流動(dòng)的死角,，加強(qiáng)熔體的攪動(dòng)，使鍋內(nèi)的流場更加合理,，防止因?yàn)榫植苛魉偬投斐傻自某练e,、板結(jié)。

 （2）在熔鍋設(shè)計(jì)時(shí)就要將四角砌成R400mm~600mm圓弧過度,，四壁與鍋底的交角也用耐火泥做成圓角,，因?yàn)檫@些地方撈渣比較麻煩，這樣就可以防止底渣在此集聚,、板結(jié),，與耐火泥粘接在一起，結(jié)硬后難以去除,。

  (3) 在每次停機(jī)撈渣時(shí),，在撈去鍋底部分底渣后，一定要用不銹鋼管,，通氣瓶裝高壓氬氣,，將熔鍋四角的底渣往鍋中間吹，一直到能用棍子探到四角的鍋底為止,。

 (4) 在每次停機(jī)撈渣時(shí),，要反復(fù)進(jìn)行：撈渣—吹攪—靜置—撈渣的流程,，最大限度地將底渣撈干凈，一次性將本周期內(nèi)產(chǎn)生的底渣除盡,。否則如有老底渣未撈干凈,，就會(huì)在鍋底沉積、板結(jié),，以后再撈的話難度會(huì)加大許多,，就會(huì)造成越積越多的現(xiàn)象，給清理帶來更大的麻煩,。

（5）在每次停機(jī)撈渣時(shí),，還必須采用要用不銹鋼管通氣瓶裝高壓氬氣，吹感應(yīng)體熔溝,，防止感應(yīng)體熔溝結(jié)渣,，造成泄漏事故。

4.2 處理鍋底結(jié)渣的方法

參考文獻(xiàn)

[1]許秀飛,，鋼帶連續(xù)熱鍍鋅技術(shù)問答〔M〕北京：化工出版社，2007

[2]歐陽明輝,，55%Al-Zn池中底渣體系的相平衡研究湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 2008

[3]劉富春等,，熱浸鍍Galvalume熔池中鋁鋅渣的形態(tài)及分布[J] 云南冶金 2012,12

[4] Willis DJ. Developments in hot dipped metallic coated steel processing[J]. Materials Forum, 2005, 29

[5]彭浩平，熱浸鍍鋅鋁的界面反應(yīng)及熔池的熱力學(xué)研究湘潭大學(xué)博士學(xué)位論文 2012

作者簡介

許秀飛

許秀飛,，教授級(jí)高級(jí)工程師,、九三學(xué)社社員、重慶市涪陵區(qū)四屆政協(xié)常委,，獲得全國鋼鐵工業(yè)勞動(dòng)模范,、重慶市有突出貢獻(xiàn)的中青年專家、重慶市工業(yè)先進(jìn)個(gè)人等榮譽(yù)稱號(hào),，享受國務(wù)院特殊津貼,，現(xiàn)任中冶賽迪高級(jí)咨詢師，建有重慶市組織部授牌的專家工作室,。出版了多本專業(yè)著作,，主導(dǎo)起草國家標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng),。主持完成的多項(xiàng)成果，分獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng),、二等獎(jiǎng)3項(xiàng),、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

作者簡介

張雨泉

張雨泉,，原武鋼冷軋總廠廠長,，寶武鄂鋼強(qiáng)盛有限責(zé)任公司總經(jīng)理，教授級(jí)高工,，寶鋼冷軋技術(shù)委員會(huì)常務(wù)委員,，中國冶金金屬網(wǎng)首席專家，中國金屬學(xué)會(huì)軋鋼分會(huì)（冷軋協(xié)會(huì)）副主任,。了解冷軋工藝,、掌握冷軋技術(shù)、更好的為我國冷軋,、工藝,、質(zhì)量、設(shè)備的發(fā)展貢獻(xiàn)力量,。