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热镀锌合金化炉结构特点分析与控制方法探讨GalvannealfurnaceanalysisandcontrolmethodsdiscussionWANGLuBaosteelandNSCAutomotiveSteelSheetsCo.,Ltd.,Shanghai200941,China摘要：随着汽车工业的飞速发展合金化热镀锌钢板以其优良的耐蚀性能、涂装性能和焊接性能等优点已越来越多地应用于汽车上。尤其是汽车轻量化的要求，合金化热镀锌汽车板不断向高强钢方向发展。热镀锌钢板合金化处理主要在合金化炉里完成，合金化炉主要包括感应加热段、保温段、雾化冷却段等部分，本文对合金化炉各部分结构进行剖析，描述了合金化炉的每个组成部分的特点，并探讨了合金化炉的温度控制方法。Abstract:Withtherapiddevelopmentofautomobileindustry,moreandmoregalvannealedsteelsheetusedinautomotive.Inparticular,therequirementsoftheautomotivelightweight,thegalvannealedcarboardtokeepthedirectionofthehighstrengthsteel.Thecompositionofthegalvannealfurnacebyinductionheatingsection,theholdingsection,fogcoolingsection,thispaperdescribesthestructuralcharacteristicsofeachcomponentofthegalvannealfurnace,andtoexploretheproductionofautomotivesheetofhighstrengthsteelgalvannealfurnacecontrolfeatures关键词：热镀锌合金化炉感应加热雾冷1、引言所谓GA钢板（GalvannealedSheetSteel）,是指把经过热镀的纯锌镀层钢板在450～550℃的温度范围内进行镀层扩散退火处理,得到镀层铁含量在7%～15%的锌铁合金镀层钢板。该锌铁合金层组织可能含有Γ相、δ1相、和ζ相镀锌板的合金化处理早期是在生产线外处理的，既将热镀锌后的钢卷在罩式炉内进行扩散退火，然后再适当平整。现代化的热镀锌生产线均采用在本机组生产线内进行合金化处理，即带钢从锌锅引出并经气刀后立即进入合金化炉被加热到一定的温度。并在此温度下保温一段时间完成合金化过程，然后进入冷却器快速冷却以停止合金化反应。2、合金化炉概述合金化加热炉是将热镀锌后的带钢加热到一定的合金化反应温度，使镀锌层与带钢基板之间发生扩散和反应，并在保温炉内形成合适的合金相结构和最佳的铁含量。合金化炉分为三个部分．即感应加热段、保温段及喷雾冷却段为控制合金化后镀层的相结构．较先进的机组在其加热段与保温段之间设镀层发射率测定仪．保证在δ1相稳定区域进行镀层的合金化反应，在保温段和喷雾段之间设高精度的测温计及发射率测定仪．在钢带冷却后的部位设合金化层相结构传感器，以测定镀层的Fe含量及Γ、δ1及ζ相各层的厚度[1]。合金化镀锌板是钢板通过在低含铝量（0.11%~0.14%）的锌锅中热浸镀后直接在490~540℃下短时间的退火过程中，Zn和Fe的相互扩散而形成的Zn-Fe合金镀层板典型的合金化处理工艺如图所示一般合金层的结构如下图所示：表一：合金层的构成合金化热镀锌其它镀锌层钢板相比有如下优点：（1）合金化热镀锌钢板与普通镀锌钢板（如热镀锌、电镀锌）相比，更具有良好的焊接性和涂漆后防锈能力。（2）与Zn-Fe或Zn-Ni合金电镀钢板相比，合金化热镀锌钢板成本更为低廉。但合金化热镀锌钢板也有其不足之处。根据Zn-Fe合金层内部相组织结构的不同，在冲压成型过程中容易合金相化学式Fe(wt%)结晶构造硬度(Hv)加工性ζphaseFeZn135--6单斜晶181软质δ1phaseFeZn77--11六方晶265良好ΓphaseFe5Zn2118-28体心立方晶421脆硬引起Zn-Fe合金镀层不同程度损坏和粉化，导致成型件的损伤。3、感应加热段在早期的热镀锌生产线上合金化炉的加热段采用煤气直接火焰加热，但是火焰加热对带钢加热的均匀性较差，因此开发了感应加热技术，感应加热主要有以下特点：(1)能更好的按优化的温度-时间曲线进行扩散和合金化反应，更精确的控制镀层中的铁含量，使脆性的Γ相限定在最低的水平，同时还防止了欠合金化，从而大大提高了镀层的性能。(2)加热速度调节速度快，可以及时满足更换产品规格的要求，几乎可以避免加热滞后所造成的过度合金化问题。普通煤气加热的加热速率约为20（℃/sec),而感应加热（简称IH）加热速率约为30～170（℃/sec)。(3)所有的热量都能够在带钢内部产生。非铁界面上热量的集中促进了铁更好地向锌扩散，促进了锌铁合金层均匀。来自感应线圈的电磁力可以随机组速度变化而变化,避免机组故障时带钢烧断的现象。3.1感应加热原理：感应加热的基本原理是：利用电磁感应原理，使处于交变磁场中的带钢内部产生感应电流，从而把带钢加热至所需要的温度。带钢被加热的示意图如图2目前比较普遍的观点是频率越高，越有利于锌与铁之间的扩散，也就是越有利于合金化过程。近两年投产或将要投产的现代热镀锌机组主要采用中频感应加热炉等设备感应加热器频率都在100kHz以上。感应加热功率由机组GA产品最大小时产量及镀层量决定，感应加热效率与板厚有关。3.2感应加热炉段的设备构成：一般设置2个功率为1800kW的单元，每单元有2个感应圈。每个单元的加热长度约为1.5～2米。设备包括室外变压器高频变流器、电容器、感应线圈以及闭环水冷系统，感应加热线圈都安装在可移动的平台和框架上,以便在不使用时将整个设备从生产线上移开。感应线圈的布置形式有两种，即带钢在闭合线圈内部形式和带钢与线圈平行。方式A为使线圈形成闭合回路，在一端设置了特殊的门，感应器在不使用时可以从生产线上移开,不需要剪断或移动带钢。但门结构也经常会引起接触不良等故障发生，还有一种加热方式如图B，即感应线圈与带钢是平行的，这样减少了门引起的故障。目前该加热方式在广泛使用。3.3感应加热段的控制特点：在感应加热段，爆炸反应发生在基体表面铁素体晶粒的晶界。最初，在铁基体的表面形成薄膜的Fe2Al5膜，Zn原子穿过该膜向纯净的晶界中扩散。随后，Fe-Zn化合物在晶界内形成导致体积的膨胀，这又造成薄的Fe-Al膜的脆裂。爆炸反应结构正是由于穿过脆裂的Fe-Al膜侵入的液态Zn和Fe发生了直接的反应形成的。从表一中可见，如果想获得较好的加工性，我们应该需要更多的δ1phase。在感应加热段，如果加热速度足够快，可以生成更多的δ1phase，然而如果加热速度慢将会产生大量的ζphase。一般对加热速度的控制不低于30℃/sec，最好控制在45℃/sec。因此我们在设计上也要考虑带钢出锌锅后要尽快的进入感应加热炉，防止出锌锅后带钢温度降的太低。4、保温段保温段比较长，一般在20米左右。其结构比较简单，主要由带内保温的炉壳组成，为补偿低产量时的散热损失，在保温段的底部布置电加热器，电加热器由可控硅连续控制。电加热器一般采用管状加热器。在炉体下部设置有入口密封挡板，手动调节挡板开度，可减少冷空气进入保温段。在炉体中部设置有中间密封，通过风机喷吹。气流喷射形成的气帘，使炉压保持稳定，限制因烟囱效应炉内气体被抽吸。出口密封设备安装在保温段出口侧，可使带钢两边的压力稳定，能限制保温段的热气流进入雾化冷却段。4.1保温段的温度控制保温段的温度控制对合金化钢板表面的粉化以及合金化程度完全起着重要的作用。对于一定的合金化时间，粉化量随着合金化温度下降而降低。但对一定的粉化量，选择低的合金化温度将要延长合金化时间，实践证明降低合金化温度可明显改善带钢抗粉化性能。因此合金化炉的设计一般要有较长的合金化保温段可以降低合金化温度并提高机组的速度和产量，同时可以保证带钢有充足的合金化扩散时间，获得较好的合金化效果。由于高强钢表面容易富集微量的合金元素，尤其是P含量较高的高强钢，容易出现合金化条纹及合金化斑迹，为了使合金化更加完全、充份，要降低机组速度，降低合金化温度，同时要提高保温段温度，一般保持在600℃（带温550℃）。传统的保温段采用电加热管，但是电加热管的加热温度较低、加热速度较慢，因此尤其是高强钢合金化生产时，一般采用热风加热方式。热风由一个煤气热风发生炉产生，热风温度在800度左右，将热风直接喷吹在保温炉段里面，可以使炉温达到600℃。为了保证合金化完全，还对保温段的炉压进行控制，尤其对于高强钢难合金化的钢种，一般将炉压设定在100Pa左右。5雾化冷却炉（FC)在保温段，根据GA工艺处理曲线的要求，带钢温度保持在要求的温度范围和一段时间之后，带钢被雾化冷却器快速冷却到规定的温度。早期的合金化镀锌板冷却方式都采用风冷方式，即在合金化炉出口设置冷却风箱。由风机鼓入外界空气，通过风箱上的喷嘴喷吹冷却带钢。风冷方式由于冷却速度慢，效率低，近年来逐步采用喷雾冷却方式，也称为：FOGCOOLER。雾化冷却系（简称FC）统缩短了冷却带钢所需要的有效冷却长度，其长度为常规空气喷吹冷却系统的长度的一半。FC一般由两个完全相同的区构成。最初设计的喷雾冷却装置结构简单喷雾不均匀，水雾颗粒较大，有大量的水流出。在用于垂直段冷却时为了防止水滴落需要设置密封气刀以及水槽收集盘。20世纪70年代在原来的水雾冷却装置的基础上开发出了水雾颗粒更细更均匀的新一代冷却设备，其雾化原理是压缩空气膨胀使水雾化，喷雾颗粒更加细小均匀。在雾冷段的底部和顶部设置了密封气刀，上部气刀用于保持FC内部炉压，下部气刀可以封住多余的水雾防止流到保温段里，此外在FC底部还设置积水盘，将气刀封住的多余的水收集在管道中排放到废水系统。为了防止在喷雾冷却时带钢边部过冷，在FC里还设置了边部挡板装置，该挡板可以遮挡住边部约100mm的宽度。冷却水选用脱盐水（纯水），喷在带钢上不会影响表面质量，而且水中杂质少不会结垢堵塞管路，喷气管水平布置，水管垂直布置，这样水平喷吹的气体将垂直向上的水柱吹散，形成雾状水滴。喷吹气体的压力恒定、均匀是影响雾化效果的重要因素。为了保证气体在风管里压力均匀，将风道的形状设计成具有一定的锥度。水雾喷吹在温度较高的带钢上后后形成大量的水蒸气，因此在FC里还设置有排废气风机，将水蒸汽排出。在水雾冷却炉段里，应该始终保持负压。5.1喷雾冷却段的水雾控制对于FC来说，最重要的是喷水量的控制，如果不能将水较好的雾化或者喷水量过多将会造成过多的水滴到保温炉里或者感应加热器上，这将造成感应加热器的严重故障。气雾冷却系统控制方式是满足镀后冷却顶辊处的目标带钢温度，在此目标温度下，每个区由2种控制方式同时来完成。1、炉压控制方式：由进气风机、排气风机、和排气控制阀构成，为了保证恒定的炉压，当进气量、进水量有所变化时，通过2个排气控制阀的开闭大小来确保炉压控制在目标值。炉内压力一般保持在-90～-100Pa.炉内负压的形成可以抽走吹出的剩余气雾，同时确保气雾的喷出效果。2、喷水流量控制：带温的设定值与实际值比较，输出一个偏差信号,赋值给水流量控制阀（FCV652A，FCV652B）,成为其设定值,即控制阀门的开度大小来满足实际水流量，从而达到温度控制的要求。在操作画面上还可以选择：两个FC平均分配水量，和只使用一个FC两种模式。更加灵活、方便的控制水量分配。图5-43气雾冷却的控制方式6、合金化温度曲线的设定带钢出锌锅后温度一般在455℃左右，经过气刀后温度降低到425～430℃之间，带钢进入感应加热炉后，迅速被加热，加热速率最好能达到45℃/秒。这样在短时间的退火过程中，Zn和Fe的相互扩散而形成较理想的的Zn-Fe合金镀层。感应加热炉将带钢加热到500～550℃后，进入保温状态，保温的时间尽量要长，并维持一定的炉压