中頻爐熔煉鋅鋁合金工藝研究及其應用

孫利斌

(新疆八鋼佳域工業材料有限公司)

前言

鋅合金是以鋅為基礎加入其他元素(如Al、Si、Mg、Sb)組成的合金。熱鍍用鋅鋁合金因熔點低、流動性好，鍍層具有優良的耐蝕性能且外形美觀，有利于浸潤熱鍍加工、成本相對較低，在工業、民用領域得到了廣泛的應用。市場調研表明，新疆鋼板鍍鋅企業使用的鍍鋅鋅合金基本為鋅鋁合金錠，鋅鋁合金錠成分標準中Zn、Al是主要組成元素，其余元素Pb、Fe、Cd、Sn、Cu為限制性元素，因此，鋅鋁合金錠主要通過熔煉鋅和鋁獲得。熔煉過程中鋅液中鋁含量達到0.134%以上，不僅可以保持鋅金屬鍍層表面光澤，而且有利于去除在鍍鋅過程中產生各類鋅渣。尤其是由于鋅金屬液中隨著鋁含量的增加，鋅液的流動性明顯改善，容易獲得既薄又均勻的鍍層，有利于降低生產成本。因此，鋼板鍍鋅用鋅鋁合金Al含量設計為0.9%～1.1%。

采用中頻爐熔煉鋅鋁合金，由于鋅熔點低等因素，出現“漏爐”問題。并且，鋅液中加入的鋁元素，由于其熔點高于鋅的熔點，在鋅合金的熔煉過程存在鋁元素偏析現象。因此，為解決中頻爐熔煉鋅鋁合金時存在的問題，通過試驗研究對熔煉工藝進行了優化，應用于鋅鋁合金熔煉生產，鋁在鋅鋁合金錠中固溶均勻，確保了鍍鋅廠鋅層表面花紋質量穩定。

1 鋅鋁合金錠熔煉工藝要求及技術質量要求

鋅鋁合金化學成分標準見表1。利用現有中頻爐熔煉設備生產鋅鋁合金錠。

表1 鋅鋁合金化學成分標準 wt%

1.1 熔煉工藝流程

鍍鋅合金采用加熱爐熔煉，按照各元素wt%要求進行配料，在爐內加入相應的金屬爐料，加熱升溫至500±20℃，經金屬型澆注成型。

原料準備：按加熱爐容量及wt%進行稱量鋅錠、鋁錠，由于熔點不同，鋅、鋁分別熔煉。

熔鋅爐：按工藝要求對爐襯進行預熱，達到設定溫度時停爐，在爐內逐次加入鋅錠，送電加熱熔化，加料結束，持續加熱至鋅液溫度達到480～500℃。

熔鋁爐：按工藝要求對坩堝進行預熱，達到設定溫度時停爐，在坩堝內逐次加入鋁錠，送電加熱熔化；加料結束，持續加熱至鋁液溫度達到1050～1080℃。

出爐澆注：將鋁金屬液加入鋅液爐內除渣后，熔鋅爐內金屬液出凈至澆注包，在澆包內靜止2～3min過程中，用漏勺除去液面鋅渣，取成品試樣后準備澆注。在澆注的整個過程中，將金屬型內鋅液表面的鋅渣進一步除凈。

脫模：使用單一金屬型實現澆注。鋅鋁合金錠的金屬型設計重量為1000kg/型。

打磨清整：脫模后的鋅錠，將邊角處的毛刺打磨光滑，按規定重量用打包帶打包成捆。

1.2 中頻爐熔煉設備

中頻爐是一種將工頻50Hz交流電轉變為中頻(300Hz～1000Hz)的電源裝置，三相工頻交流電整流后變成直流電，再將直流電變為可調節的中頻交流電，供給由電容和感應線圈里流過的中頻交變電流，在感應圈中產生高密度的磁力線，并切割感應圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產生很大的渦流，利用電磁感應原理加熱金屬直至熔化成液體。

由于中頻感應加熱的原理為電磁感應，其熱量在金屬體內自身產生，當中頻爐爐體感應線圈通電，爐內金屬體即可開始加熱升溫，升溫速度可達30℃/min，操作簡單。利用中頻爐分別熔化鋅錠、鋁錠完全可行。其中，熔鋅爐采用爐襯材料熔爐，熔鋁爐在中頻爐爐體內嵌入石墨坩堝后熔鋁，

1.3 技術質量要求

(1)具有可獲得比常規熱浸鍍鋅更為平滑、均勻的鍍鋅層，同時保持鍍鋅層的光澤(具有自然沉積的η相純鋅層)、消除灰暗色澤、消除色差，使鋼鐵工件表面光亮、平滑、色澤均勻。

(2)能合理控制鍍鋅層厚度、減薄鍍鋅層，可以抑制鋼材中含有的硅對鍍鋅層的影響，達到按要求控制鋅層厚度的目的。

(3)可以提高鍍鋅層的附著能力(消除、控制ζ相的生成)，達到GB/T 13592、GB/T 2694、美國ASTM—123等標準的要求。由于合金具有可以抑制鋼材中含有的硅的作用，使得鍍鋅層組織更緊密，粘附力更好，鍍鋅層更加美觀，因而能較好地提高鍍鋅層質量。

(4)合金的添加抑制了鋅的氧化和Zn-Fe反應，延長了鏡面時間，保持鋅層亮光持久，提高鍍鋅層耐蝕能力，因而能延長存貯過程中鍍鋅層變暗的時間。

(5)合金可以提高鋅液的流動性，易于生產操作及提高熱浸鍍鋅質量。

(6)能有效提高鋅液對被鍍工件的浸潤性，減少漏鍍。

2 中頻爐熔煉鋅鋁合金需解決的關鍵問題

調查發現，疆內外絕大多數企業的中頻爐多用于熔煉鋼、鐵金屬液，個別企業用于熔煉鋁或錳合金，極少用于熔煉鋅鋁合金。該廠自2007以來一直采用中頻爐熔煉鋁鐵合金，在解決低熔點金屬爐襯材料選型、燒結工藝技術方面，積累了一定的經驗。為此，結合現場實際情況確定熔煉鋅鋁合金的爐襯材料，通過試驗研究進一步優化了爐襯打結工藝與燒結工藝。

2.1 爐襯材料選型

中頻爐熔煉鋅鋁合金的關鍵問題之一是熔鋅爐爐襯材料的選型。

中頻爐爐襯材料在使用前必須經過高溫燒結，使爐襯形成燒結層、半燒結層、松散層結構(見圖1)，燒結溫度一般都在1400℃以上。但是鋅的熔點只有420℃，沸點溫度為907℃，無法滿足燒結要求。

1.燒結層；2.半燒結層；3.松散層；4.金屬液流槽；5.爐口磚；6.石棉板；7.感應圈；8.熔煉池；9.鋼爐殼；10.爐底磚

自2007以來，采用中頻爐熔煉鋁鐵合金，在低熔點金屬爐襯材料選型、燒結工藝技術方面積累了一定的經驗。熔鋁的爐襯材料燒結層燒結溫度約1000℃，通過分析比較，熔鋅爐襯擬選用與熔煉鋁鐵合金用相同的爐襯材料。為此，結合技術要求，針對爐襯打結工藝、爐襯燒結工藝進行了試驗探索。

2.2 爐襯打結工藝與燒結工藝試驗

2.2.1 爐襯打結工藝改進試驗

中頻爐熔煉為非連續生產，爐體爐襯是冷態下啟熔，爐襯燒結后室溫狀態下會發生微裂紋(裂紋寬度≤1.0mm)現象。試驗表明，鋅鋁合金出爐澆注溫度在500±20℃，完全適合熔鋁的爐襯材料，熔鋅時卻出現了鋅液穿透爐襯微裂紋與感應線圈短路故障，造成停爐停產，俗稱鉆縫“漏爐”的設備事故。因此，熔鋅必須解決爐襯微裂紋問題。

通過分析鉆縫漏爐后的爐襯截面，發現微裂紋處有爐襯耐火材料顆粒分布問題，凡有微裂紋處，顆粒偏大的耐火材料明顯多于不產生裂紋的部位，說明爐襯在打結過程中不同大小顆粒的耐火材料分布不均勻。因此，要減少爐襯微裂紋，須解決爐襯材料顆粒分布不均勻問題。因此進行了試驗探索：在耐火材料不同規格顆粒配料wt%保持不變的前提下，要求耐火材料混碾均勻，最終要求在爐襯打結的過程中不同大小顆粒的耐火材料在爐襯各方向上分布均勻。

爐襯打結工藝采用干法打結，電動振打專用工具振打平錘(見圖2)逐層搗打。分析耐火材料產生顆粒分布不均勻原因，要了解電動振打平錘在振動打結過程中不同大小顆粒耐火材料的運動軌跡。由于采用干式打結，在振打平錘上下往復運動時，在下壓瞬間，不同大小顆粒的耐火材料產生的位移不同，常常是大顆粒的耐火材料位移大于小顆粒的，由此造成顆粒分布不均勻。

圖2 振打平錘

對振打平錘進行改進，如圖3所示。從圖3可以看出，改進后的振打平錘板頭鉆4-5個φ10mm圓孔、工作面焊接4個打結爪(φ10mm×30mm圓鋼，用于爐襯打結，耐火爐料顆粒偏析的狀況得到了顯著改善等，燒結后爐襯微裂紋減少了70%以上，避免了爐襯因微裂紋引起的鋅液鉆縫漏爐的設備事故。

圖3 改進后振打平錘

2.2.2 爐襯燒結工藝改進試驗

爐襯打結后，燒結工藝將最終決定爐襯的使用壽命。爐襯徑向斷面(如圖1)從里到外；燒結層致密、硬度高，可以有效提高抵抗金屬爐料的機械沖擊和高溫金屬液的侵蝕，膨脹系數大，低溫時容易形成微裂紋；半燒結層是沒有完全燒結的耐火材料，有較高的強度和硬度，對燒結層起到支承作用，在原燒結層逐步侵蝕后，半燒結層逐次轉化為燒結層；松散層是沒有燒結的耐火材料，在熔煉時，對爐襯膨脹起到緩沖作用，高溫時燒結層膨脹時因金屬液靜壓力作用在徑向位移最大，由于松散層的緩沖作用，緩解了燒結層的剝落，爐襯壽命穩定并得到提高。

試驗采用1.5t中頻爐熔鋅。1.5t中頻爐烘爐燒結工藝曲線見圖4。

圖4 1.5t中頻爐爐襯燒結工藝曲線

試驗中出現兩個問題：(1)第1爐鋅錠雜質鐵含量超標，Fe含量達到0.007%～0.008%。(2)爐襯上部容易出現漏爐事故，漏爐位置集中在中頻爐感應線圈頂部。

分析鐵雜質超標、漏爐事故的成因，對爐襯燒結工藝進一步改進。

新打結爐襯燒結工藝改進：采用熔鋁燒結爐襯，熔鋁燒結工藝曲線如圖5。

圖5 熔鋁燒結工藝曲線

圖5曲線說明：新打結爐襯，用鐵質坩堝(見圖6)燒結溫度至880～900℃保溫結束后，快速取出鐵質坩堝(爐襯溫度≥400℃)，加入鋁錠進行熔鋁燒結，鋁液液面與爐襯頂面高度相同，熔鋁燒結溫度和燒結保溫時間分別為880℃、1h。此后出盡鋁金屬液，準備化鋅。

圖6 爐襯烘爐原理示意圖

通過熔鋁燒結工藝，一方面可以清洗爐襯，去除雜質，解決鐵含量超標問題；另一方面，因中頻爐的自攪拌功能，熔鋁時爐內鋁液在熔煉池高度范圍內溫度均勻，溫度偏差很小，可有效解決爐襯上部漏爐事故的問題。

考慮到鋅鋁合金成分構成，其鋁含量在0.9%～1.1%(或0.3%～0.4%)燒結時爐襯內殘留的鋁對鋅鋁合金是組分元素，不形成有害元素污染。

爐襯打結與燒結工藝改進后，較好地解決了用中頻爐熔鋅時存在的雜質鐵超標、漏爐事故問題，尤其是爐襯使用壽命也因此大幅提高。

3 鋅鋁合金錠的熔煉工藝優化試驗

3.1 鋅鋁合金精煉問題

由于熱鍍的鋅層薄，最薄可達到5g/m2，對鋅鋁合金內雜質含量要求嚴格，各有害元素如Fe等通常要求≤0.005%。鐵在鋅液中的溶解度隨溫度升高而增加，430℃時，鐵在鋅液中的溶解度為0.02%，500℃以上時溶解度為0.3%以上。當鐵在鋅液中的溶解度超過0.04%時，鐵將與鋅反應生成密度大于鋅液的FeZn7，當鋅液中含鋁時，鋅液中多余的鐵將會和鋁發生反應生成密度較小在Fe2Al5而漂浮在鋅液上即為浮渣。這兩種鋅渣都會消耗大量的鋅，鋅液中鐵的存在，使得鋅液的粘度和表面張力增加，流動性變差，惡化鋅液對鋼的潤濕條件，因此，減少鋅液中鐵的含量是鋅合金生產的一個重要方面。但是，在熔煉過程中，不可避免地要用到鐵質工具、耐火材料等，生產過程中會增加Fe元素、耐火材料顆粒以及ZnO、Al2O3等氧化物雜質，造成液態鋅鋁合金污染，進而影響熱鍍鋅產品鍍層質量。

分析鋅在熔煉過程中其它渣相的比重：四氧化三鐵(Fe3O4)、三氧化二鐵(Fe2O3)、氧化亞鐵(FeO)比重分別為5.18g/cm3、5.24g/cm3、5.7g/cm3，氧化鋅(ZnO) 5.18g/cm3，耐火材料(Al2O3)比重為3.9～4.05g/cm3等，均低于鋅(Zn)的比重 (7.14g/cm3)。理論認為，在一定溫度條件下，所有浮在合金液表面渣相可用漏勺等工具去除。但是，由于受渣相比重、熔點、液態下表面張力不同等因素影響，同一溫度下常殘留在合金液中進入到成品鋅鋁合金錠中。為了去除渣相凈化鋅液，必須對鋅液有害雜質進行精煉處理。

精煉處理方案：(1)為嚴格控制鐵元素帶入，對生產中用的鐵質工器具，在工器具表面噴涂滑石粉涂料，對爐襯材料等嚴格控制鐵元素含量。(2)在鋁液加入鋅液的熔煉后期進行吹氬氣或氮氣進行除渣。精煉吹氣除渣正常情況下是在中頻爐底部安裝透氣磚裝置即可實現往爐體內吹楕性氣體。圖7為吹氮工藝示意圖。

1.渣層；2.鋼水包；3.金屬液；4.多孔透氣塞 圖7 吹N2氣工藝示意圖

由于鋅熔化成液體后具有較強的滲透性，在使用過程中會發生鋅液滲入透氣磚內造成堵塞無法正常吹氮氣，甚至會發生鋅液從透氣芯內流出造成“漏爐”事故，造成生產中斷。因此，用中頻爐熔煉鋅時無法安裝底部吹氣裝置，為了解決中頻爐熔煉鋅吹氮氣精煉問題，比較了幾種方案，最終選定一種既簡單又方便的操作方案：利用一根鋼管一端插入鋅液爐底部，另一端通過膠管與氮氣瓶連接，就可以實現鋅液吹氮氣精煉操作，解決了鋅鋁合金在中頻爐內的除渣精煉問題。

精煉除渣：熔鋅爐內溫度控制在500±20℃，將備好的鋁液按鋅液wt%計算量加入鋅液中，按比例加入精煉劑，迅速插入N2氣管吹入N2氣去夾雜，對金屬液凈化處理，2～3min后，將液面渣子用漏勺除凈。

3.2 鋁元素成分偏析熔煉工藝優化試驗

一般認為，熱鍍鋅產品用鋅鋁合金錠中加入鋁主要是為了增加鍍層亮度和增加鍍鋅液體的流動性，一般鋁的含量約在1%，其余為鋅。鋅、鋁兩種金屬物理性能差別較大，鋅的熔點為419.53℃，密度為7.14g/cm3，鋁的熔點為660℃，密度為2.7g/cm3。鋅鋁合金錠的澆注溫度為500±20℃，如果先熔化鋅再將鋁加入鋅液內，因鋁的熔點高于鋅，會造成鋁在鋅液內不完全熔化；因鋁的密度遠小于鋅，鋁液加入鋅液后會漂浮于鋅液上。兩因素都會造成成分偏析。

為防止偏析，最直接的辦法是進一步提高鋅鋁合金液的溫度超過鋁的熔點660℃，但是溫度過高加劇鋅氧化，增加熔煉電耗。綜合考慮兩個元素的物化性能，將鋅、鋁單獨熔化成液體，在澆注前將鋁液加入鋅液中，利用中頻爐強電磁攪拌作用，將鋅鋁混合均勻再進行澆注鋅鋁合金錠。由于鋁熔點為660℃，并選擇含鋁量為0.3%～0.4%進行試驗，考慮到綜合收得率，爐內鋁加入量為0.42%。因此，將鋁液溫度提升到適宜溫度，以解決鋁偏析問題。

為防止鋁液在鋅液中結晶，通過試驗來確定合適的鋁液溫度，見表2。

表2 不同鋁液溫度試驗對比

通過試驗對比，確定了防止鋅鋁合金錠中鋁偏析的工藝方法：用3.0t中頻爐將電解鋁單獨熔化，鋁液出爐溫度嚴格控制在1050～1080℃，備用；在熔鋁的同時，用1.5 t中頻爐熔鋅，當鋅液溫度達到450±20℃時，將備用鋁液按wt%計算鋁液重量并加入熔鋅爐后，向爐內吹N2氣2～3min，除凈液面浮渣，出爐澆注。

4 優化后的主要參數及其應用

4.1 優化后的主要參數

精煉優化：為有效去除鋅鋁合金液中的鋅渣，須在出爐前進行吹氮處理，將爐內各類渣相有效上浮至鋅液表面進入渣層，用專用漏勺舀出。同時，氣態的N2從爐底上升時，進一步促進了鋁元素在鋅鋁合金錠中的均勻地固溶。

其中：(1)精煉用氮氣(N2) 采用瓶裝液氮，使用壓力0.10～0.15MPa，入爐鋼管內徑≤φ10mm；(2)爐內吹N2氣鋅液溫度450±20℃；(3)爐內吹N2氣時間2.0～3.0min。

鋁元素偏析優化：鋅鋁合金錠鋁元素加入熔鋅爐內的鋁液的溫度要求控制在1050℃～1080℃，所生產鋅鋁合金錠產品按鑄造鋅錠取樣規范取樣化驗結果符合產品成分標準要求，鋅鋁合金錠鋁元素偏析的問題得以完全解決。

4.2 應用效果

自2019年以來，該廠采用開發的雙中頻爐熔煉鋅鋁合金，在生產工藝不斷改進和優化的基礎上，先后生產鋼板鍍鋅鋅鋁合金錠和鋼管鍍鋅鋅鋁合金錠產品，產品質量穩定，已連續穩定生產兩年多，完全達到了鍍鋅用鍍鋅鋅層表面質量要求。

采用中頻爐熔鋅工藝生產鋼板鍍鋅產品，2019年10月到2021年12月末，累計生產鋅鋁合金錠6947.8t；采用中頻爐熔鋅工藝生產。鋼管鍍鋅鋅產品，從2020年5月到2021年底，鋅鋁合金錠產量926.277t，為企業創造了效益。

5 結束語

(1)優化后的爐襯打結、烘干、燒結工藝，解決了鋅鋁合金生產的技術難點。特別是爐襯壽命最高達到了1080爐，比優化前的140爐提高了671%，成效顯著。

(2)開發的雙中頻爐熔煉熱鍍鋅合金錠生產工藝，解決了鋁元素偏析的工藝難點，鋅鋁合金產品達到了鍍鋅的技術質量要求，生產產品80%以上供八鋼鍍鋅產品使用，為企業培育了一個新的經濟增長點。

(3)開發的雙中頻爐熔煉熱鍍鋅合金錠生產工藝填補疆內空白。雙中頻爐熔煉熱鍍鋅合金錠生產工藝，采用1.5t中頻爐熔鋁，3.0t中頻爐熔鋅，每爐次熔鋅量1.05t,熔煉一爐時間約25min；經精煉除渣后即可出爐澆鑄，生產效率高，每熔煉1t鋅鋁合金,耗電量約為300kWh，能耗低、效率高，比傳統的天然氣熔鋅工藝節能達20%以上。取得了良好的經濟效益。