熱鍍鋅合金化爐的結(jié)構(gòu)分析及控制方法探討新版201302

1、熱鍍鋅合金化爐結(jié)構(gòu)特點分析與控制方法探討Galvanneal furnace analysis and control methods discussion WANG Lu Baosteel and NSC Automotive Steel Sheets Co., Ltd., Shanghai 200941, China 摘要： 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展合金化熱鍍鋅鋼板以其優(yōu)良的耐蝕性能、涂裝性能和焊接性能等優(yōu)點已越來越多地應(yīng)用于汽車上。尤其是汽車輕量化的要求，合金化熱鍍鋅汽車板不斷向高強(qiáng)鋼方向發(fā)展。熱鍍鋅鋼板合金化處理主要在合金化爐里完成，合金化爐主要包括感應(yīng)加熱段、保溫段、霧化冷卻段等部分，

2、本文對合金化爐各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，描述了合金化爐的每個組成部分的特點，并探討了合金化爐的溫度控制方法。Abstract: With the rapid development of automobile industry, more and more galvannealed steel sheet used in automotive. In particular, the requirements of the automotive lightweight, the galvannealed car board to keep the direction of the high stren

3、gth steel.The composition of the galvanneal furnace by induction heating section, the holding section , fog cooling section, this paper describes the structural characteristics of each component of the galvanneal furnace, and to explore the production of automotive sheet of high strength steel galva

4、nneal furnace control features關(guān)鍵詞： 熱鍍鋅 合金化爐 感應(yīng)加熱 霧冷1、 引言 所謂GA 鋼板（Galvannealed Sheet Steel）,是指把經(jīng)過熱鍍的純鋅鍍層鋼板在450550 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍍層擴(kuò)散退火處理,得到鍍層鐵含量在7 %15 %的鋅鐵合金鍍層鋼板。該鋅鐵合金層組織可能含有相 、1相、和相 鍍鋅板的合金化處理早期是在生產(chǎn)線外處理的，既將熱鍍鋅后的鋼卷在罩式爐內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散退火，然后再適當(dāng)平整?，F(xiàn)代化的熱鍍鋅生產(chǎn)線均采用在本機(jī)組生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行合金化處理，即帶鋼從鋅鍋引出并經(jīng)氣刀后立即進(jìn)入合金化爐被加熱到一定的溫度。并在此溫度下保溫一段時間完成

5、合金化過程，然后進(jìn)入冷卻器快速冷卻以停止合金化反應(yīng)。2、 合金化爐概述 合金化加熱爐是將熱鍍鋅后的帶鋼加熱到一定的合金化反應(yīng)溫度，使鍍鋅層與帶鋼基板之間發(fā)生擴(kuò)散和反應(yīng)，并在保溫爐內(nèi)形成合適的合金相結(jié)構(gòu)和最佳的鐵含量。合金化爐分為三個部分即感應(yīng)加熱段、保溫段及噴霧冷卻段 為控制合金化后鍍層的相結(jié)構(gòu)較先進(jìn)的機(jī)組在其加熱段與保溫段之間設(shè)鍍層發(fā)射率測定儀保證在1相穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行鍍層的合金化反應(yīng)， 在保溫段和噴霧段之間設(shè)高精度的測溫計及發(fā)射率測定儀在鋼帶冷卻后的部位設(shè)合金化層相結(jié)構(gòu)傳感器，以測定鍍層的Fe含量及、1及相各層的厚度1。合金化鍍鋅板是鋼板通過在低含鋁量（0.11%0.14%）的鋅鍋中熱浸鍍后直

6、接在490540下短時間的退火過程中，Zn和Fe的相互擴(kuò)散而形成的Zn-Fe合金鍍層板典型的合金化處理工藝如圖所示一般合金層的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 表一：合金層的構(gòu)成 合金相化學(xué)式Fe(wt%)結(jié)晶構(gòu)造硬度(Hv)加工性phase FeZn135-6單斜晶181軟質(zhì)1 phase FeZn77-11六方晶265良好phaseFe5Zn2118-28體心立方晶421脆硬合金化熱鍍鋅其它鍍鋅層鋼板相比有如下優(yōu)點：（1）合金化熱鍍鋅鋼板與普通鍍鋅鋼板（如熱鍍鋅、電鍍鋅）相比，更具有良好的焊接性和涂漆后防銹能力。（2）與Zn-Fe或Zn-Ni合金電鍍鋼板相比，合金化熱鍍鋅鋼板成本更為低廉。但合金化熱鍍鋅鋼

7、板也有其不足之處。根據(jù)Zn-Fe合金層內(nèi)部相組織結(jié)構(gòu)的不同，在沖壓成型過程中容易引起Zn-Fe合金鍍層不同程度損壞和粉化，導(dǎo)致成型件的損傷。3、感應(yīng)加熱段在早期的熱鍍鋅生產(chǎn)線上合金化爐的加熱段采用煤氣直接火焰加熱，但是火焰加熱對帶鋼加熱的均勻性較差，因此開發(fā)了感應(yīng)加熱技術(shù)，感應(yīng)加熱主要有以下特點：(1) 能更好的按優(yōu)化的溫度-時間曲線進(jìn)行擴(kuò)散和合金化反應(yīng)，更精確的控制鍍層中的鐵含量，使脆性的相限定在最低的水平，同時還防止了欠合金化，從而大大提高了鍍層的性能。(2) 加熱速度調(diào)節(jié)速度快，可以及時滿足更換產(chǎn)品規(guī)格的要求，幾乎可以避免加熱滯后所造成的過度合金化問題。普通煤氣加熱的加熱速率約為20（/

8、sec),而感應(yīng)加熱（簡稱IH）加熱速率約為30170（/sec)。(3) 所有的熱量都能夠在帶鋼內(nèi)部產(chǎn)生。非鐵界面上熱量的集中促進(jìn)了鐵更好地向鋅擴(kuò)散，促進(jìn)了鋅鐵合金層均勻。來自感應(yīng)線圈的電磁力可以隨機(jī)組速度變化而變化, 避免機(jī)組故障時帶鋼燒斷的現(xiàn)象。3.1感應(yīng)加熱原理：感應(yīng)加熱的基本原理是：利用電磁感應(yīng)原理，使處于交變磁場中的帶鋼內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而把帶鋼加熱至所需要的溫度。 帶鋼被加熱的示意圖如圖2目前比較普遍的觀點是頻率越高，越有利于鋅與鐵之間的擴(kuò)散，也就是越有利于合金化過程 。近兩年投產(chǎn)或?qū)⒁懂a(chǎn)的現(xiàn)代熱鍍鋅機(jī)組主要采用中頻感應(yīng)加熱爐等設(shè)備感應(yīng)加熱器頻率都在100 kHz以上。感應(yīng)加

9、熱功率由機(jī)組GA產(chǎn)品最大小時產(chǎn)量及鍍層量決定，感應(yīng)加熱效率與板厚有關(guān)。3.2感應(yīng)加熱爐段的設(shè)備構(gòu)成：一般設(shè)置2個功率為1800 kW的單元，每單元有2個感應(yīng)圈。每個單元的加熱長度約為1.52米。設(shè)備包括室外變壓器高頻變流器、電容器、感應(yīng)線圈以及閉環(huán)水冷系統(tǒng)，感應(yīng)加熱線圈都安裝在可移動的平臺和框架上, 以便在不使用時將整個設(shè)備從生產(chǎn)線上移開。感應(yīng)線圈的布置形式有兩種，即帶鋼在閉合線圈內(nèi)部形式和帶鋼與線圈平行。方式A為使線圈形成閉合回路，在一端設(shè)置了特殊的門，感應(yīng)器在不使用時可以從生產(chǎn)線上移開, 不需要剪斷或移動帶鋼。但門結(jié)構(gòu)也經(jīng)常會引起接觸不良等故障發(fā)生，還有一種加熱方式如圖B，即感應(yīng)線圈與帶鋼

10、是平行的，這樣減少了門引起的故障。目前該加熱方式在廣泛使用。3.3感應(yīng)加熱段的控制特點： 在感應(yīng)加熱段，爆炸反應(yīng)發(fā)生在基體表面鐵素體晶粒的晶界。最初，在鐵基體的表面形成薄膜的Fe2Al5膜，Zn原子穿過該膜向純凈的晶界中擴(kuò)散。隨后，F(xiàn)e-Zn化合物在晶界內(nèi)形成導(dǎo)致體積的膨脹，這又造成薄的Fe-Al膜的脆裂。爆炸反應(yīng)結(jié)構(gòu)正是由于穿過脆裂的Fe-Al膜侵入的液態(tài)Zn和Fe發(fā)生了直接的反應(yīng)形成的。從表一中可見，如果想獲得較好的加工性，我們應(yīng)該需要更多的1 phase。在感應(yīng)加熱段，如果加熱速度足夠快，可以生成更多的1 phase，然而如果加熱速度慢將會產(chǎn)生大量的phase。一般對加熱速度的控制不低于

11、30/sec，最好控制在45/sec。因此我們在設(shè)計上也要考慮帶鋼出鋅鍋后要盡快的進(jìn)入感應(yīng)加熱爐，防止出鋅鍋后帶鋼溫度降的太低。4、 保溫段 保溫段比較長，一般在20米左右。其結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由帶內(nèi)保溫的爐殼組成，為補償?shù)彤a(chǎn)量時的散熱損失，在保溫段的底部布置電加熱器，電加熱器由可控硅連續(xù)控制。電加熱器一般采用管狀加熱器。在爐體下部設(shè)置有入口密封擋板，手動調(diào)節(jié)擋板開度，可減少冷空氣進(jìn)入保溫段。在爐體中部設(shè)置有中間密封，通過風(fēng)機(jī)噴吹。氣流噴射形成的氣簾，使?fàn)t壓保持穩(wěn)定，限制因煙囪效應(yīng)爐內(nèi)氣體被抽吸。出口密封設(shè)備安裝在保溫段出口側(cè)，可使帶鋼兩邊的壓力穩(wěn)定，能限制保溫段的熱氣流進(jìn)入霧化冷卻段。 4.

12、1 保溫段的溫度控制保溫段的溫度控制對合金化鋼板表面的粉化以及合金化程度完全起著重要的作用。對于一定的合金化時間，粉化量隨著合金化溫度下降而降低。但對一定的粉化量，選擇低的合金化溫度將要延長合金化時間，實踐證明降低合金化溫度可明顯改善帶鋼抗粉化性能。因此合金化爐的設(shè)計一般要有較長的合金化保溫段可以降低合金化溫度并提高機(jī)組的速度和產(chǎn)量，同時可以保證帶鋼有充足的合金化擴(kuò)散時間，獲得較好的合金化效果。 由于高強(qiáng)鋼表面容易富集微量的合金元素，尤其是P含量較高的高強(qiáng)鋼，容易出現(xiàn)合金化條紋及合金化斑跡，為了使合金化更加完全、充份，要降低機(jī)組速度，降低合金化溫度，同時要提高保溫段溫度，一般保持在600（帶溫

13、550）。傳統(tǒng)的保溫段采用電加熱管，但是電加熱管的加熱溫度較低、加熱速度較慢，因此尤其是高強(qiáng)鋼合金化生產(chǎn)時，一般采用熱風(fēng)加熱方式。熱風(fēng)由一個煤氣熱風(fēng)發(fā)生爐產(chǎn)生，熱風(fēng)溫度在800度左右，將熱風(fēng)直接噴吹在保溫爐段里面，可以使?fàn)t溫達(dá)到600。 為了保證合金化完全，還對保溫段的爐壓進(jìn)行控制，尤其對于高強(qiáng)鋼難合金化的鋼種，一般將爐壓設(shè)定在100Pa左右。5 霧化冷卻爐（FC)在保溫段，根據(jù)GA工藝處理曲線的要求，帶鋼溫度保持在要求的溫度范圍和一段時間之后，帶鋼被霧化冷卻器快速冷卻到規(guī)定的溫度。早期的合金化鍍鋅板冷卻方式都采用風(fēng)冷方式，即在合金化爐出口設(shè)置冷卻風(fēng)箱。由風(fēng)機(jī)鼓入外界空氣，通過風(fēng)箱上的噴嘴噴吹

14、冷卻帶鋼。風(fēng)冷方式由于冷卻速度慢，效率低，近年來逐步采用噴霧冷卻方式，也稱為：FOG COOLER。霧化冷卻系（簡稱FC）統(tǒng)縮短了冷卻帶鋼所需要的有效冷卻長度，其長度為常規(guī)空氣噴吹冷卻系統(tǒng)的長度的一半。FC一般由兩個完全相同的區(qū)構(gòu)成。最初設(shè)計的噴霧冷卻裝置結(jié)構(gòu)簡單噴霧不均勻，水霧顆粒較大，有大量的水流出。在用于垂直段冷卻時為了防止水滴落需要設(shè)置密封氣刀以及水槽收集盤。20世紀(jì)70年代在原來的水霧冷卻裝置的基礎(chǔ)上開發(fā)出了水霧顆粒更細(xì)更均勻的新一代冷卻設(shè)備，其霧化原理是壓縮空氣膨脹使水霧化，噴霧顆粒更加細(xì)小均勻。在霧冷段的底部和頂部設(shè)置了密封氣刀，上部氣刀用于保持FC內(nèi)部爐壓，下部氣刀可以封住多余

15、的水霧防止流到保溫段里，此外在FC底部還設(shè)置積水盤，將氣刀封住的多余的水收集在管道中排放到廢水系統(tǒng)。為了防止在噴霧冷卻時帶鋼邊部過冷，在FC里還設(shè)置了邊部擋板裝置，該擋板可以遮擋住邊部約100mm的寬度。 冷卻水選用脫鹽水（純水），噴在帶鋼上不會影響表面質(zhì)量，而且水中雜質(zhì)少不會結(jié)垢堵塞管路，噴氣管水平布置，水管垂直布置，這樣水平噴吹的氣體將垂直向上的水柱吹散，形成霧狀水滴。噴吹氣體的壓力恒定、均勻是影響霧化效果的重要因素。為了保證氣體在風(fēng)管里壓力均勻，將風(fēng)道的形狀設(shè)計成具有一定的錐度。水霧噴吹在溫度較高的帶鋼上后后形成大量的水蒸氣，因此在FC里還設(shè)置有排廢氣風(fēng)機(jī)，將水蒸汽排出。在水霧冷卻爐段里

16、，應(yīng)該始終保持負(fù)壓。5.1 噴霧冷卻段的水霧控制對于FC來說，最重要的是噴水量的控制，如果不能將水較好的霧化或者噴水量過多將會造成過多的水滴到保溫爐里或者感應(yīng)加熱器上，這將造成感應(yīng)加熱器的嚴(yán)重故障。氣霧冷卻系統(tǒng)控制方式是滿足鍍后冷卻頂輥處的目標(biāo)帶鋼溫度，在此目標(biāo)溫度下，每個區(qū)由2種控制方式同時來完成。1、爐壓控制方式：由進(jìn)氣風(fēng)機(jī)、排氣風(fēng)機(jī)、和排氣控制閥構(gòu)成，為了保證恒定的爐壓，當(dāng)進(jìn)氣量、進(jìn)水量有所變化時，通過2個排氣控制閥的開閉大小來確保爐壓控制在目標(biāo)值。爐內(nèi)壓力一般保持在-90-100Pa.爐內(nèi)負(fù)壓的形成可以抽走吹出的剩余氣霧，同時確保氣霧的噴出效果。 2、 噴水流量控制：帶溫的設(shè)定值與實際

17、值比較，輸出一個偏差信號,賦值給水流量控制閥（FCV652A，F(xiàn)CV652B）,成為其設(shè)定值,即控制閥門的開度大小來滿足實際水流量，從而達(dá)到溫度控制的要求。在操作畫面上還可以選擇：兩個FC平均分配水量，和只使用一個FC兩種模式。更加靈活、方便的控制水量分配。BFCV652BFCV652A排氣控制閥-2FC 2FC 1BBP1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9排氣控制閥-1出氣風(fēng)機(jī)出氣風(fēng)機(jī)B圖5-43氣霧冷卻的控制方式6、合金化溫度曲線的設(shè)定 帶鋼出鋅鍋后溫度一般在455左右，經(jīng)過氣刀后溫度降低到425430之間，帶鋼進(jìn)入感應(yīng)加熱爐后，迅速被加熱，加熱速率最好能達(dá)

18、到45/秒。這樣在短時間的退火過程中，Zn和Fe的相互擴(kuò)散而形成較理想的的Zn-Fe合金鍍層。感應(yīng)加熱爐將帶鋼加熱到500550后，進(jìn)入保溫狀態(tài)，保溫的時間盡量要長，并維持一定的爐壓，這樣可以促使合金化更加充分并防止鋼板表面粉化。長的合金化保溫段可以降低合金化保溫段溫度并提高機(jī)組的速度和產(chǎn)量。保溫段的長短對合金化工藝曲線形狀（曲線的斜率）影響不大。 在帶鋼出保溫段后進(jìn)入霧化冷卻段，通過水霧噴淋的快速冷卻將帶鋼冷卻到300350.如果在FC出口溫度過高將會造成頂輥表面粘鋅，造成帶鋼小亮點缺陷，如果保溫段出口溫度過高，在FC冷卻速度過快，帶鋼寬度方向的溫差變大后，發(fā)生塑性變化造成折皺。因此FC的溫

19、度控制對合金化鋼板的表面質(zhì)量有很大的影響因素。7、 結(jié)束語 從前面的論述中我們可以總結(jié)出合金化爐影響合金化效果的幾個因素如下：1、感應(yīng)加熱器的功率選擇。2、感應(yīng)加熱器距離氣刀的距離。3、感應(yīng)加熱器的線圈布置形式。4、保溫段的長度及溫度設(shè)定。5、霧化冷卻段水霧形成的好壞。此外在實際生產(chǎn)中，還必須根據(jù)不同的鋼種設(shè)定合理的合金化溫度曲線才能達(dá)到理想的合金化效果。 影響生產(chǎn)高質(zhì)量合金化熱鍍鋅鋼板的因素很多，除合金化爐以外，基板的板型、表面質(zhì)量、化學(xué)成分、鋅浴的溫度及其中鋁含量、鍍層厚度的均勻性、以及鍍層中的鐵含量、等都是影響合金化熱鍍鋅鋼板質(zhì)量的主要因素；要提高熱鍍鋅合金化鋼板的質(zhì)量必須綜合各個因素。

20、45/sec影響合金化的因素主要有鋅液有效鋁含量、鋅鍋溫度、帶鋼入鋅鍋溫度、合金化溫度、帶鋼速度、基板化學(xué)成分及鍍層厚度等。 6.3 噴霧冷卻段的控制氣霧冷卻系統(tǒng)控制方式是滿足鍍后冷卻1號頂輥處的目標(biāo)帶鋼溫度，在此目標(biāo)溫度下，由2種控制方式同時來完成。 爐壓控制方式： 由2臺進(jìn)氣風(fēng)機(jī)、2臺排氣風(fēng)機(jī)、和2臺排氣控制閥（HC653-1，HC653-2）構(gòu)成，當(dāng)進(jìn)氣量、進(jìn)水量有所變化時，通過2臺排氣控制閥的開閉大小來確保爐壓控制在目標(biāo)值。爐內(nèi)負(fù)壓的形成可以抽走吹出的剩余氣霧，同時確保氣霧的噴出效果。 噴水流量控制：帶溫的設(shè)定值與實際值比較，輸出一個偏差信號,賦值給水流量控制閥（FCV652A，F(xiàn)CV652B）,成為其設(shè)定值, 依據(jù)操作在畫面上的選擇（EQ/2FC/1FC）來決定是給予其中一個控制閥還是同時給2個控制閥。該設(shè)定值SV決定閥門的開度大小來滿足實際水流量達(dá)到要求。BFCV652BFCV652AHC653-2FC 2FC 1BBP1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9HC653-1出氣風(fēng)機(jī)出氣風(fēng)機(jī)B圖5-43氣霧冷卻的控制方式防止氣霧漏水的控制為了防止FC氣霧冷卻段漏水，在FC的底部安裝有密