热浸镀铝锌硅镁稀土合金偏析的原因分析及措施.pdf

鞍钢技术2023 年第3 期ANGANG TECHNOLOGY生产实践热浸镀铝锌硅镁稀土合金偏析的原因分析及措施王东溟，李学慧，梁荣山（鞍钢实业集团冶金资源再生利用分公司，辽宁鞍山1 1 40 2 1）摘要：分析了影响热浸镀铝锌硅镁稀土合金成分偏析的原因，得出结论，在合金中各元素含量一定的条件下，合金锭的锭重、锭型以及冷却方式和强度是影响合金成分偏析程度的主要因素。提出了最佳生产工艺方案，即锭模宽厚比应在8 以上，雾化喷水量1.0 1.2 kg/kg合金，喷雾时间5 6 min，喷淋喷水量2.0 3.0 kg/kg合金，喷淋时间1 5 2 0 min。方案实施后，有效地控制了合金锭元素偏析，生产的铝锌硅镁稀土合金锭化学成分较为均匀，外观质量优良。关键词：热镀锌；铝锌硅镁稀土合金；成分偏析；锭模宽厚比；冷却中图分类号：TG307D01:10.3969/j.issn.1006-4613.2023.03.0013Analysis on Causes Leading to Alloy Segregation ofHot Dip Galvanized Ignots with Al-Zn-Si-Mg-RE and CountermeasuresWANG Dongming,LI Xuehui,LIANG Rongshan(Metallurgical Resource Recycling Branch of Ansteel Industry Group Cor.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China)Abstract:The causes influencing the alloy segregation of hot dip galvanized ignots with Al-Zn-Si-Mg-RE were analyzed and then it was concluded that as the content of each element in thealloy was certain,such factors as the weight and the shape of alloy ingots,the cooling method andtheir strengths were the main factors that infulenced the degree of alloy segregation.So theoptimum process program was proposed,which included the ratio of width to thickness of ingotsover 8,atomizing water spray volume in the range from 1.0 to 1.2 kg per kg alloy,spray time from5 to 6 minutes,working water spray volume in the range from 2.0 to 3.0 kg per kg alloy and itsspray time from 15 to 20 minutes.After the program was put into use,the element segregation ofabove-mentioned elements was controlled effectively and chemical compositions in alloy ingotswith Al-Zn-Si-Mg-RE were relatively uniform and their surface quality was good.Key words:hot dip galvanized;Al-Zn-Si-Mg-RE alloy;composition segregation;ratio ofwidth to thickness of ingot;cooling总第441 期文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-46 1 3(2 0 2 3)0 3-0 0 5 8-0 5热镀锌作为钢铁覆盖保护材料越来越受到重视，一直以来均通过向锌浴中添加合金元素改变锌的流动性、粘附性等，提高镀层抗腐蚀性和镀件王东溟，硕士，工程师，2 0 0 9年毕业于东北大学金属压力加工专业。E-mail:-58-成型性。随着热镀锌产品应用多样化的发展，对镀层性能提出了更高要求，开发各种高性能、高通用性热镀锌合金镀层材料成为当务之急。热浸镀铝锌硅镁稀土合金是近年来在热镀锌、热镀铝及热镀锌铝合金等基础上开发出的一种多元新型镀层材料。由于多种元素性能优势互补，使得镀有这种鞍钢技术2023 年第 3 期ANGANG TECHNOLOGY合金层的钢铁材料在不同环境下具有更加优良的相同标准进行操作，试验炉数为30 炉，加料顺序抗腐蚀能力。资料显示，该镀层钢铁材料耐腐蚀性和温度控制要求如表2 所示。比传统热镀锌板高2 3倍 ,而且单位镀层重量表2 加料顺序和温度控制要求显著减少,利于减轻钢材重量和降低成本。Al-Zn-Table 2 Order of Raw Material FeedingSi-Mg-RE（R E:L a、C e)合金镀层钢板除具有优良and Temperature Requirements的耐蚀性外,还具有良好的耐磨性、涂漆性以及良加料顺序好的加工成型性及切口自愈性等特质，因此这种Al、Z n合金正在逐步取代传统的热浸镀材料而越来越多Si地被应用在钢铁材料防腐领域。Mg、R E然而这种新型合金镀层材料由于含有多种合出炉金元素，成分复杂，且每种合金元素在密度、熔点以及化学活泼性等方面差异较大，给合金生产和产品成分均匀化带来较大困难，生产过程中易产生成分偏析和表面缺陷，尤其是常用较大的数百公斤合金锭，吨级的大块合金锭。本文利用中频感应电炉开展试验，分析了影响铝锌硅镁稀土合金偏析的原因，并根据试验结果提出了最佳生产工艺方案。1试验材料、设备和样品的制备1.1 试验材料试验材料主要有铝锭A199.7、锌锭Zn99.995、镁锭Mg9990、工业硅Si1101；稀土为镧铈合金SLMLaCe-4,均符合国家标准。1.2试验设备(1）熔炼设备采用适于有色金属熔炼 2 的中频炉：频率为500Hz,容量3t,功率2 0 0 0 kVA。(2）浇铸设备锭模规格为1 0 0 0、5 0 0、2 0 kg三种。(3）冷却设备雾化、喷淋设备，冷却室等。1.3样品制备热浸镀用铝锌硅镁稀土合金包含5 种主要元素，各元素含量范围差异较大，标准要求见表1。表1 合金试样主要元素含量标准要求Table 1 Standard Requirements Asked byMain Elements Content in Alloy SamplesA1Si55220.5为确保冶炼过程的稳定，实验过程中严格按总第441 期温度控制/启炉580600600650700750为加快金属炉料熔化，快速形成低熔点合金，提高冶炼速度，按如下过程操作：首先混合投人锌锭和铝锭，送电熔化，直至一炉配入量全部投完。硅、镁及稀土元素加入量少，而且镁和稀土性质活泼，为保证元素损失最低，待炉内有足够量液体合金后，根据元素性质有序加人硅、镁和稀土，使易氧化金属基本浸人到液态合金内，减少与空气接触的机会和在炉内停留的时间。全部熔清后温度约为7 0 0 7 5 0，静止1 2 min，用样勺扒开浮渣在炉内取样或倒出一部分合金后取样分析。合金中各元素含量分布情况见图1。由表1 和图1 可以看出，在原料配比和工艺基本相同的情况下，样品元素含量均在标准要求范围内，合金成分较为均匀、稳定，元素收得率较高。本试验所制备样品完全符合产品标准要求。2影响合金成分偏析的因素分析试验分析结合实践经验可知，合金锭重量和宽厚比以及冷却速度是影响成分偏析的主要因素。为探讨各种因素的影响程度，进行对比试验，采用了三种不同规格的锭型直接浇铸，熔炼结束后，熔炼合格的合金液直接浇铸到锭模内，并控制浇铸量基本稳定，自然冷却至常温。2.1锭重和锭型（宽厚比）的影响在合金锭的顶面和底面分别按标准取样分%MgRE3.500.50.120.02Fe0.12析。样品的顶面和底面元素含量计算取绝对差平均值，然后将每个合金锭称重，测量实际宽厚值，并计算宽厚比。锭重和宽厚比对偏析的影响见表3所示。一 5 9-鞍钢技术2 0 2 3年第3期王东滇等：热浸镀铝锌硅镁稀土合金偏析的原因分析及措施总第441 期(a)57(b)2.1562.0%/喜区=5 5.5 555&TV54f53L1(c)3.93.8%/善33.63.5L1表3锭重和宽厚比对偏析的影响Table 3Effect of Ingot Weight and Ratio ofWidth to thickness on Segregation合金锭顶底面成分偏析（绝对差）/%锭重/kg宽厚比889.922.73443.214.4619.768.40注：由于相同锭模内合金浇铸量有一定误差，因此实际测得的合金锭宽厚比略有差异（下同）。由表3可以看出，不同规格合金锭中，锭重越大，宽厚比越小，合金液越深，凝固时间越长，偏析越严重，即元素偏析程度随着锭重增加而增加。反(a)1.9含51.81.71020炉数1020炉数(a)Al;(b)Si;(c)Mg;(d)RE图1 合金中各元素含量分布情况Fig.1 Contribution of Elements Content in Alloy之锭重越小，合金锭宽厚比越大，偏析越小。宽厚比大的合金锭散热面积大，散热快，合金凝固速度快，可减缓元素的沉浮。由试验可知，对于2 0 kg的小锭，当这一比值大于8 时合金元素偏析较小，对产AISi7.620.435.410.312.940.24X=1.92301(d)0.140.13FX=3.70.120.110.10L301MgRE0.510.0340.360.0290.280.01810炉数1020炉数品质量的影响在可接受范围内。对于40 0 5 0 0 kg及以上规格的中大型合金锭，当这一比值小于4.5时合金元素偏析范围急剧扩大，会出现成分超标现象，对产品质量影响比较大。如果不采取有利措施，会造成产品不合格。宽厚比不同的合金锭表面质量对比见图2。由图2 看出，宽厚比大的合金锭在改善偏析程度的同时，也很大程度上改善了表面质量，使缩孔、疏松等缺陷明显减轻或消除。(b)2030区=0.1 230疏松缩孔（a）宽厚比为2.7 3；（b）宽厚比为7.7 8图2 宽厚比不同的合金锭表面质量对比Fig.2 Surface Quality Comparison of Alloy Ingots with Different Ratios of Width to Thickness60鞍钢技术2023 年第 3 期ANGANG TECHNOLOGY2.2冷却方式的影响虽然使成分偏析得到一定的改善，但存在冷却不如前所述，由于多元合金各元素性能差异较均匀，各方向冷却强度不一致，波动大，难以控制大，因此合金锭浇铸后在自然冷却条件下会产生的问题，易使合金锭表面产生裂纹，也难以避免缩较为严重的偏析。强制冷却是减轻偏析的最有效孔疏松等缺陷的发生，冷却效果不理想。方法之一 3。冷却强度大，冷却速度快,元素来不及扩散，偏析小。相反，当冷却速度小，合金液在锭模中保持的时间长，合金锭偏析就严重。一般情况下水冷是增加冷却强度最有效的方法之一。现有工艺中水冷一般采用两种措施，一种是合金锭先自然冷却，待表面有一定厚度的凝固层后，直接向锭模和合金锭喷水冷却；另一种是对盛有液态合金的锭模底侧部进行喷水或水浴方式。这两种方式Table 4 Segregation Values of Each Element with Different Weights and Big Ratios