热镀锌到热镀锌机组工艺流程及设备选型
熊俊伟
中冶南方工程技术有限公司
介绍了镀铝锌产品生产工艺的特点，分析了镀锌机组和镀铝锌机组生产工艺的差异，给出了现有GI生产线改造为GL生产线的工艺和设备改造方案。同时对主要设备的选型和参数的确定进行了说明，为今后类似机组的改造提供参考。
1 前言
国内某企业2#热镀锌生产线建于2005年，年产量35万吨。由国外公司设计、成套供货。产品定位于高附加值的高端建筑装饰板和家电板。由于市场和企业产品结构调整，原热镀锌机组需要搬迁改造，对原机组存在的一些问题必须进行升级改造。改造后的装置能够生产热镀锌（GI）和热镀锌（GL）产品。中冶南方工程技术有限公司负责该项目的整体工艺及设备改造。目前，机组GI产品已投产半年多，机组各项指标均达到设计指标。
2 原单位概况
原单位生产的品种有：CQ、DQ、DDQ、EDDQ、FH、S250G、S350G、HSS。产品最大强度590MPa，原材料为冷轧低碳钢；该机组生产的带材厚度为0.2~2.0mm，宽度为700~1 550mm；机组进出口速度240m/min，工艺段速度180m/min。 GI涂层厚度60~450g/m2（双面），钝化涂层厚度16~24mg/m2（双面），油涂层重量0.2~2.0g/m2（单面） ）。
原机组生产工艺流程为：卷取→开卷→切断→焊接→进口活套→清理工段→立式退火炉→锌锅→风刀→镀后冷却→精加工→矫直→钝化→冷却→出口活套→检验→静电涂油→出口分切（取样）→卷取→称重捆扎。
原机组为双开单线圈机组，采用美国钢联法[1]生产工艺。清洗工段设有碱喷洗、碱刷洗、电解清洗（电极板预留）、水刷洗、热水漂洗、热风烘干。退火炉采用立式退火炉，每小时产量90t/h。工艺段配备2座300t GI锌锅及配套风刀设备。吹扫风刀的吹扫介质为空气。该机组配备四辊湿式矫直机[2]和二弯一矫直干式拉矫机，最大伸长率为2%。后处理塔配置立式钝化镀膜机，预留镀膜机位置，PMT温度80℃。
原装置主要用于生产GI建筑板和少量家电板，2013年前后停产。在本项目搬迁改造前，该装置实际上已停产2年，部分设备已停产。运行和维护状况不佳。
3 改造方案及设备选型
本项目为异地搬迁改造，需要最大限度利用原有设备，机组布局及厂房不能改变。这给设备选型带来很大限制，增加了设计难度。原始单位配置用于 GI 生产。 GL和GI的单元配置仅在过程部分有所不同。经核查确认，原机组进出料设备可完全重复使用，原机组张力、电机功率满足要求；清理工段、退火炉、锌锅、风刀、冷却塔、钝化塔等设备需要改造。新增或翻新。
3.1 清洗部分
GL生产时，由于铝锌硅合金液表面张力高，对钢带表面润湿性差，不仅钢带表面杂质较多，会形成漏镀斑、斑点，而且另外当有细小的杂质时，也常常会形成漏镀点。为保证带材表面清洁度，经过清理段后带材表面残留油、铁量小于10 mg/m2[3]。
电解清洗槽中添加四对极板。为了保证电解清洗时间为1秒，每块极板的长度为0.75m；为了保证最大电流密度为12A/dm2，电解整流器的容量确定为30V、6000A，电解槽的改造如图1所示，同时配置3组链杆磁力碱洗循环系统、电解清洗循环系统、水刷循环系统均设有过滤器，处理能力均为60m3/h。
3.2 退火炉
GI和GL带材的进入温度不同，因此需要调整原始退火曲线。根据产品大纲，制定了新的退火工艺，见表1。退火炉各段的设计和选型均根据退火曲线进行设计。由于是FH产品，其退火温度比铝锌锅低很多。同时，为了保证入锅薄带钢温度的均匀性，在退火炉快冷段出口处新增一套感应加热设备，对带钢进行快速加热。高频感应加热设备由美国AJAX公司设计。设备高度4m，加热功率1600kW，冷却方式为水冷。
GL产品带材入锅温度应控制在570~590℃左右。为了满足这一要求，退火炉一般在冷却段后增加平衡段和炉鼻保温，以保证进入锌锅的带钢温度均匀。同时，为了抑制锌蒸气的产生，需要向炉鼻内通入露点～-25℃的加湿保护气体。退火炉喷淋冷却段增设电感应加热，热张力辊室增设三个电辐射管加热元件，保证带钢进入锌锅时温度均匀。
同时钢结构热镀锌工艺流程，为了适应GL生产，对炉鼻进行了重新设计。新的炉鼻腔设计具有更小的端部尺寸和双层挡板。炉头设有内保温和3套电加热装置。还配备炉头加湿系统，防止锌尘进入炉内。
原有炉壳无法回收，需要全部更换。原耐火材料又重又薄，炉壳温度过高，需要重新设计耐火材料。炉膛燃烧控制由原来的比例控制改为ON/OFF控制方式[4]，增加了BCU和火焰检测，增加了一套校正装置，重复使用了辐射管和燃烧器。为了节省更多的能源，新增了过热水回收系统，充分利用烟气余热来加热清洗段介质并干燥带钢。
3.3 锌锅
GL锅中的Zn、Al两种金属很容易造成局部成分不均匀。锌液中的Fe、Zn、Al很容易反应生成化合物FeZn7，成为炉渣并堆积在锅底[5]。因此，GL生产一般配置预熔锅，以保证锌液成分和温度均匀。
锌锅有方锅和圆锅两种形式，即有芯锌锅和无芯锌锅。圆锅加热均匀性好，但加热效率较低。方锅的加热效率可达80%~90%，而圆锅的加热效率仅为50%。考虑到运行成本和业主的要求，最终选择了方盆。重复使用原来的GI锌锅外壳，重复使用电控系统，提升、横移系统全部重复使用，并新增耐火材料和传感器。 GL 锅采用了原始 GI 锅的底座和横移系统。
GI锌锅容量为300t，配备两个500kW传感器，因为GI锌液具有更好的流动性。 GL铝锌锅容量为70t，配备4台450kW感应器。由于GL流动性差，易产生锌渣，因此必须受热均匀。从产品质量的角度来看，GI锌锅越大越好。由于GI锌锭直接加入锅中，锌锅越大，操作空间越大，温度波动越小。对于GL锅，由于有预熔锅，只需要考虑炉鼻和风刀空间。如果空间太大，温度就会不均匀，不利于节能。锌锅内室尺寸由风刀厂家根据带钢参数提出，然后根据炉头尺寸和操作空间确定。由于GL锅底部渣量较多，沉没辊底部与锌锅底部的距离必须至少为900毫米。 GL锅的设计内部尺寸为：长3 450mm×宽3 350mm×高2 300mm。预熔锅内部尺寸为：长2 743mm×宽1 524mm×高1 782mm。改造后锌锅区平面布置如图2所示。
GI锌锅和GL铝锌锅的传感器数量不同，耐火材料成分也不同。 GL铝锌锅的耐火材料铝含量高，耐高温。另外，两者在测温热电偶的选择上也有所不同。 GI锌锅热电偶可使用316L保护套，其寿命约为1a。 GL铝锌锅热电偶保护套由石墨制成，非常脆弱。
3.4 气刀及三辊六臂
生产GL和GI产品时，风刀本体的选择没有区别，只是生产GL产品时锅温较高，并且需要在原有风刀梁内部加装冷却风扇，对内部电器进行冷却成分。改造后，该装置将生产高表面质量的家电面板，风刀的供气将需要一套新的氮气系统。生产GL产品时，风刀更接近锌液面。带材通过该距离所需的时间越短，当带材到达气刀位置时，表面涂层液冷却至看似凝固但未凝固的状态的可能性就越小。有利于避免镀层厚边和金属流纹，也有利于镀层的减薄。
生产GL和GI产品时，三辊和六臂产品的选择是不同的。生产GL产品的沉没辊表面无凹槽。同时陶瓷轴套和轴瓦的装配公差也不同。由于锌液成分不同，GL的沉没辊直径比GI的小。经计算，沉没辊直径选定为ф600mm。
GL产品的生产需要自动刮刀来保持凹陷辊表面清洁[6]。由于生产GL产品时炉渣比较坚硬，如果正常生产控制不当，10天左右沉没辊表面即可堆积10mm厚的铝锌渣，严重影响带钢表面质量。配备自动刮刀，可清除沉没辊表面的部分熔渣，使表面光滑。刮刀最关键的是驱动机构的稳定性和刀片的材质。刮刀驱动采用电动螺杆，安装在气刀沉没辊梁上部。考虑隔热措施，保证内部电器元件稳定运行。刮刀头采用钴合金制成，使用寿命约30天。
3.5镀后冷却
热浸镀铝锌镀层形成时，大量的铝首先结晶，形成极其细小的富铝枝晶，约占体积的80%。整个涂层形成细小的网络骨架，仅留下20%左右。晶间空间内是富锌共晶结构[7]。 GL产品的耐腐蚀性能是普通GI产品的3～6倍[8]。为了实现这一目标，必须用富含铝的枝晶来细化涂层结构，以缩小晶粒之间的间隙。同时，枝晶间的富锌晶粒数量必须减少，并在镀层中均匀分布。 [9]。涂层从液态凝固到固态的过程中，冷却速度必须要快，为15~30℃/s。
因此，需要一套新的移动冷却风扇来快速冷却带钢离开锌锅后。移动风机安装在冷却塔上的移动小车上，移动小车与锌锅沉没滚轮在同一轨道上。当需要更换沉没辊时，拆下移动的冷却部分。冷却塔钢结构内预留风道接口。当冷却风扇移至工作位置时，风扇与风道接口完全连接。
3.6 后处理
由于带钢的PMT温度由原来的80℃提高到110℃，必须对后处理钝化工艺设备进行改造。新增2#立式滚涂机一台（具有钝化、耐指纹生产能力）。采用2个涂布辊和2个浸胶辊的设计。涂布辊和浸涂辊直径为ф300。毫米。涂布辊和浸涂辊速比调节范围为50%~150%，具有正向涂布和反向涂布功能。生产时，环保钝化采用正向涂覆方法，完全无铬或耐指纹钝化采用反向涂覆方法[10]。辊间压力可通过手轮手动调节，压力值由机器旁边的压力表显示。为了方便维护，辊涂机具有横动功能，可以移到线外进行维护。
钝化干燥能力根据关键规格设计和选择，最高速度为110℃。使用天然气燃烧器加热空气，然后加热带钢。钝化冷却在原有冷却装置的基础上增加了2对水冷辊。为了防止张力损失，水冷辊全部采用皮带驱动。水冷辊内部采用循环冷却水开路循环，将带钢冷却至45℃。水冷辊旁边安装有水箱和水泵。考虑到夏季防止结露，设计时水冷辊的辊壁不宜太薄。
3.7 退出部分
机组出口处新增卷取通道，新增2#卷取机及卸料小车设备与原设备相同。在出口段，需要考虑使用步进梁或小车来连接两个卸货通道。由于卸货小车原设计并未采用“C型”设计，因此出口穿梭车的设计只能考虑悬臂8轮车设计以及与踏步梁的连接。整个出口段设计仅考虑小卷连续输送的要求。
4 改造后效果
改造后该装置已生产地理标志产品半年多了。带钢表面残油、残铁不大于10mg/m2（单面）。退火炉各段板温控制精度不大于±5℃，锌液温度波动不大于±2℃。 。机组每小时产量和产品质量均达到设计要求。设备整体运行状况良好，产品质量稳定。
目前GL产品的生产正在筹备中。 GL锅只要用锌熔炼即可切换品种生产。本项目在GI机组改造为GL机组的过程中，根据GI和GL工艺的特点，最大限度地利用了原有设备，同时也解决了原有机组的一些缺陷。此次改造实现了机组的技术升级，为生产线提供了多元化的产品，可为今后类似的改造项目提供参考。
参考
[1] 郭泰雄.美国钢联热镀锌工艺在攀钢的应用[J].轧钢，2007，24（2）：55。
[2] 王业可.光整机及其在热镀锌生产线上的应用[J].轧钢，2002，19（4）：55。
[3]刘新斌，林洪春。铝锌(GL)锌锅辊结渣分析与研究[J].金属世界，2010（2）：37。
[4] 杜国强钢结构热镀锌工艺流程，胡光奎，杨杰。宝钢5#CAL机组新技术[J].轧钢，2010，27（6）：44。
[5]杜江，徐秀飞，冉从进。热浸镀铝锌硅渣的产生及控制[J].轧钢，2016，33（4）：74。
[6] 郭泰雄，何同正，张勇，等。热镀锌板坡口缺陷原因分析及预防措施[J].轧钢，2010，27（4）：55。
[7] 杜鹏翔.钢板热浸镀铝锌合金镀层的形成过程及结构分析[J].物质保护，2001，34（11）：14。
[8] 张奇夫，刘邦金，黄建中。现代带钢连续热镀锌[M].北京：冶金工业出版社，2007。
[9]金永清.攀钢热镀锌钢板的发展[J].轧钢，2007，24（3）：61。
[10]李军.宝钢高品质家电外板生产技术[J].宝钢科技，2004（2）：1。
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