作者：郑晓蒙
本文重点介绍无铅锌锅连续热镀锌带钢表面锌花成因研究的主要内容。
研究表明，锌液成分中如果含有一定量的铅、锑、锡和镉等元素则会显著降低锌液的熔
点，使镀锌板表面形成锌花。因此，生产无锌花镀锌板的连续热镀锌线一般采取控制锌液中上述元素的含量来保证其成品表面的锌花尺寸（下称无铅锌液），同时，镀锌后续处理过程中使用光整工序破碎镀锌板表面锌花，达到成品镀锌板表面无锌花的效果。实际生产过程中，采用这种无铅锌液生产出的镀锌板表面锌花尺寸也存在明显的差异，同时，对于汽车、家电行业广泛使用的无间隙原子钢（IF钢），由于其屈服强度受光整断后伸长率影响非常明显，为保证较低的屈服强度，一般生产时使用的光整断后伸长率非常低(0. 6% -0.8%)，导致光整轧制力非常低，如光整机使用直径为600 mm的工作辊时，在0. 6%断后伸长率下，光整轧制力为150 -180 t。这种情况下，光整工序对镀锌板表面锌花的破碎效果差，造成镀锌板表面存在明显的小锌花问题，严重时锌花尺寸大于1 mm，对后续使用造成一定影响。因此，非常有必要对无铅锌锅连续热镀锌线生产的镀锌板表面锌花尺寸的影响因素进行研究，并寻找相关控制措施来降低该问题的影响。
1 锌花形成过程
带钢连续热镀锌过程中，带钢经过退火后以一定的温度(450 - 470℃)和速度进入熔融的
锌液（温度为450 - 470℃）中，带钢表面的铁首先与锌液中的铝反应，很快在带钢表面形成一种合金层，一般认为该合金层为铁、铝和锌的化合物，成分为Fe2AL5Znx。该中间层形成后隔绝了带钢表面与锌液，阻止其发生反应。之后，带钢出锌锅，同时附带了大量的锌液。为控制镀锌层厚度，连续热镀锌线使用气刀向带钢表面喷吹压缩空气或氮气将多余的锌液吹刮掉。此后带钢经冷却、水淬完成热镀锌工序。
在该镀锌过程中，锌液凝固形成枝状结晶，即为镀锌板表面的锌花。在任何凝固过程中，过冷度都是形核的必要条件，镀锌过程中锌液的凝固也不例外。带钢进入锌锅以后，其温度迅速与锌液达到平衡，并在表面与锌液中的铝反应形成一层合金层。带钢出锌锅经过气刀喷吹以后，其内部热量向表层液态的锌层传导，直至局部过冷，在带钢与液锌层的界面上优先形成晶核，一旦形核，这些晶核在很小的过冷度下就可以长大为枝晶。同时阻止热量由带钢向镀层表面传递，但热量可以通过其他未形成枝晶的锌液层向外界传导，并在传热部分形成局部过冷区，新的形核在此区产生并成长为新的枝晶。一次枝晶长大到一定程度之后，生长出二次枝晶，最后枝晶与枝晶相连接，布满整个带钢与锌液层的界面。此后，枝晶向厚度方向生长，直至生长到镀层表面，此时，镀层表面开始凝固，锌花开始形成。当所有镀层表面被枝晶占据后，镀锌板表面锌花的形貌便形成了。此后的冷却工序不再影响镀锌板表面锌花的形貌。
2镀锌板表面锌花形貌的影响因素
从锌花的形成过程中分析，所有可能影响钢板表面锌液层凝固和锌枝晶生长的因素都可能影响镀锌板表面锌花形貌，如过冷度、锌液温度、带钢进入锌液温度、镀层厚度、带钢厚度和基板粗糙度等。
2.1 过冷度
过冷度是镀锌层形核凝固的必要条件，主要受冷却速度影响，进而影响了形核率，而形核率，与平衡凝固温度T之间有如下关系：
由图1可见，在临界温度峰值以上的温度凝固时，液体凝固的形核率随凝固温度的降低而增大。冷却速度越大则凝固温度越低，也就是说形核率随冷却速度的增加而增加。形核率的增加导致晶核数量增加，进而导致镀锌板表面锌花数量的增加，在同样的面积中，最终生成的锌花越多，每个锌花所占的面积也就越小，即镀锌板表面锌花的尺寸越小。
在带钢连续热镀锌过程中，钢板出锌锅的冷却过程有气刀喷吹锌液层的冷却、移动冷却段的冷却、上行冷却段的冷却和周围环境的冷却。大部分情况下，钢板到达上行冷却段时表面锌液层已经完成凝固，因此，上行冷却段的冷却不会影响到镀锌板表面锌花的形貌。
在连续热镀锌线生产过程中，通过控制气刀喷吹压力控制镀锌层厚度，在生产特定速度和镀层厚度的情况下，虽然可以通过改变气刀与带钢间距离来改变气刀喷吹压力，但改变气刀到带钢距离会造成镀锌钢板表面质量变差，因此，通常情况下不能通过改变气刀喷吹压力来增大气刀喷吹的冷却速度。
移动冷却段一般是用来弥补上行冷却段冷却能力的不足，主要使用在生产较厚的镀锌板时（如厚度为2.0 mm时），投入该冷却段能够提高镀后冷却能力，但是对于某些设计生产较薄规格的镀锌板的生产线，一般没有移动冷却段。因此，通过使用移动冷却段提高镀后冷却能力对一些镀锌线不具有操作性。
正常条件下，连续热镀锌生产线锌锅上方区域的温度约为40℃，越靠近锌锅温度越高，由于受锌锅的影响，该区域环境温度较难控制。因此，控制环境温度提高镀后冷却能力也不具有操作性。
2.2锌液温度
正常条件下，生产无锌花镀锌板的连续热镀锌线使用锌液温度为450 - 470℃，锌液中铅、锑和锡含量极低，锌液凝固温度为419℃。钢板出锌锅时其表面锌液层温度与锌液温度相当，要完成凝固过程，钢板表面的锌液层温度必须降低到419℃以下。在钢板出锌锅后冷却能力相对固定的情况下，降低出锌锅时钢板表面锌液层的温度，缩小锌液层与其凝固点的温差也可以增大过冷度和形核率。因此，适当降低锌液温度能够减小镀锌板表面锌花的尺寸。不同锌液温度对镀锌板表面锌花影响的试验情况如下：
1)试验方法。在其他生产工艺相同的条件下，分别控制锌液温度在463，452℃进行连续热镀锌生产，完成后选取一定长度的镀锌板试样，统计该长度内镀锌板表面的锌花数量，计算出该镀锌板表面锌花的平均尺寸。
2)试验结果。不同锌液温度的镀锌板表面锌花见图2。
经计算，锌液温度为452，463℃的锌花分别为1.1，0.7 mm，即同等工艺条件下，降低锌液温度11℃后，生产得到的镀锌板表面锌花的尺寸减小了0.4 mm。
2.3带钢进入锌液温度
正常条件下，带钢进入锌液后温度迅速与锌液温度平衡，但连续热镀锌过程中带钢在锌液内的时间极短，只有几秒钟时间，如果带钢进入锌液温度过高，在极短时间内其温度是必无法与锌液完全平衡，这将导致带钢出锌锅后钢板与锌液层之间的热传导时间延长，从而增加了先形核枝晶的生长时间，导致先形核枝晶在钢板与锌液层间的界面上占据了较大的空间，减少了锌晶体形核的数量，从而增大了镀锌板表面锌花的尺寸。
2.4镀层厚度
锌层厚度增大会导致气刀喷吹压力降低，降低气刀对出锌锅钢板的冷却效果，降低钢板出锌锅后的冷却速度，即降低了过冷度，使形核率降低，导致单位面积钢板上锌晶体数量减少，锌花变大。同时，镀层厚度增大还会延长带钢表面锌液层的凝固时间，增加锌晶体形成后的生长时间，造成锌花变大。
2.5带钢厚度
较厚的带钢会储存更多的热量，延长带钢出锌锅后钢板与锌液层之间的热传导时间，加大钢板与锌液层之间界面处形成过冷的难度，从而增加了先形核枝晶的生长时间，导致先形核枝晶在钢板与锌液层间的界面上占据了较大的空间，减少了锌晶体形核的数量，从而增大了镀锌板表面锌花的尺寸。
2.6基板粗糙度
基板粗糙度会影响镀锌基板与锌液层间枝晶的生长速度，较大的粗糙度会阻碍基板与锌液层间界面上首先生成的枝晶的扩展，为尚未形核区域锌液层的形核过程创造机会，进而增加锌液层的形核数量。相同生产工艺下基板粗糙度对镀锌板表面锌花的影响试验情况如下：
1)试验方法。选取不同粗糙度的基板在相同生产工艺下进行连续热镀锌生产，完成后取镀锌板试样选取一定长度，数出镀锌板表面该长度范围内的锌花数量，最后计算得出该镀锌板表面锌花的平均尺寸。
2)试验结果。相同生产工艺下不同粗糙度的镀锌板表面锌花见图3。
由图3可见，当粗糙度平均值为0. 796μm时，锌花较大，锌花平均直径为1.2 mm；当粗糙度平均值为1. 15μm时，锌花较小，平均直径为0.5 mm。
3结 语
影响无铅锌锅连续热镀锌生产镀锌板表面锌花尺寸的主要因素有冷却速度、锌液温度、带钢入锌液温度、镀层厚度、带钢厚度和基板粗糙度。实际生产过程中通过降低锌液温度、降低带钢人锌液温度和提高基板粗糙度能够有效控制镀锌板表面锌花的尺寸。
评述：阐述了连续热镀锌过程中带钢表面锌花的形成机理，分析了无铅锌锅连续热镀锌带钢表面锌花的影响因素，通过试验研究了锌液温度和基板粗糙度等因素对连续热镀锌钢板表面锌花尺寸的影响，提出了实际生产过程中控制无铅锌锅连续热镀锌带钢表面锌花尺寸的措施。连续热镀锌产品以其优良的耐腐蚀性、较低的生产成本、良好的外观质量广泛应用于家电行业和汽车行业。由于家电行业和汽车行业使用的镀锌板绝大部分需要涂装，而带锌花镀锌板由于锌花表面凹凸不平会严重影响到涂装后的表面质量。因此，为保证外观质量，家电行业和汽车行业一般要求使用无锌花镀锌板。
