鋼材熱鍍鋅工藝技術最佳化方案的研究論文
鋼材熱鍍鋅工藝技術最佳化方案的研究論文
論文摘要：熱浸鍍鋅是目前國內應用最多的一種鍍鋅方式，本文提出了熱鍍鋅最佳化工藝及降低鋅耗途經，採用最佳化後的熱鍍鋅技術，能有效實現降低熱鍍鋅成本及鋅鋅耗是鍍鋅企業所面臨的重要問題。
論文關鍵詞：熱鍍鋅,鋼構件,最佳化工藝,降低鋅耗
1．引言
表面鍍鋅作為一種鋼鐵製品表面處理的最常用方式之一，自它誕生起就一直被廣泛的應用於各行各業之中。熱浸鍍鋅是目前國內應用最多的一種鍍鋅方式，它能使工件獲得較厚的鍍鋅層，一般鋅層平均厚度可達到50微米以上，並具有鍍層均勻、附著力強、使用壽命長等優點。其傳統工藝流程主要是先去除工件表面油汙，再將工件酸洗除鏽，水洗後放入溶劑中清洗（溶劑有氯化銨、氯化鋅或是氯化銨和氯化鋅的混合液等），然後將工件放入鍍鋅槽中鍍鋅，最後甩幹整修後完成。
國外發展了多種熱鍍鋅技術。包括在鋅浴中新增合金元素的多元合金、鋅錳合金、鋅鎂合金和鋅鎳合金熱鍍鋅以及高溫鍍鋅。在熱鍍鋅過程中，由於一般國內熱鍍鋅廠普遍採用濃硫酸、濃鹽酸等強腐蝕性溶液作為酸洗溶劑，使得工件在經過熱鍍鋅後，工件也會發生氫脆現象，個別還會有工件表面被過度腐蝕，形成表面缺陷。另外由於加工工藝以及工件的幾何形狀，有時會產生鋅料黏結的現象。如螺栓熱鍍鋅時，螺栓的螺紋處常會產生鋅料黏結的情況，影響螺栓的正常使用。
針對以上情況，也相應的產生了一些新的工藝。如嘉興平湖某熱鍍鋅廠在酸洗這個環節上就採用了不同於傳統的溶液配方進行工件的除鏽，其所用溶液腐蝕性大大降低，但卻仍能達到除鏽的目的。
2．熱鍍鋅最佳化工藝
2．1工藝流程
最佳化後的工藝流程如下：鋼構件→複合除鏽劑除鏽→溫水水洗→複合助鍍劑(除鐵)→熱鍍鋅→水冷卻→低鉻鈍化→檢驗→包裝。
2．2熱鍍鋅最佳化工藝
熱鍍鋅最佳化工藝是指使工藝更加合理、趨於科學，其目的在於提高鋼構件表面質量，減少影響鋅耗的鐵及其它雜質的產生量及控制不合格產品的發生，降低鍍鋅成本。以批次熱鍍鋅生產為例，具體有以下方面最佳化。
2．2．1酸洗、水洗工序的最佳化
酸洗工序主要是除去鋼構件表面的鐵鏽，鍍鋅時融熔的鋅才能與鋼基體反應生成鍍鋅層。若酸洗不乾淨表面還殘留鏽斑未被除掉，工件進入融熔的鋅液時鏽斑阻礙鋼基體表面與鋅反應生成鋅鐵合金層，從而產生漏鍍點(塊)，導致返工重鍍；單一酸溶液在新酸或浸泡時間長會導致構件表面出現過腐蝕和析氫現象，過酸洗時產生了粘附性很強的泥渣，在鋼表面很難沖洗掉，就無法鍍上溶劑，析氫現象在鋼基體內貯存的氫氣在鋅液中受熱釋放破壞了鍍鋅層的結晶而產生灰斑，導致工件漏鍍返工重鍍甚至報廢。水洗工序主要是洗掉工件表面的鐵鹽及雜質，減少鋅灰、鋅渣的生成。
（1）區別工件鏽蝕程度分開酸洗
進入熱鍍鋅生產線的工件，包括待熱鍍鋅工件和預製件，在存放期間要防止嚴重鏽蝕。對於已經出現嚴重鏽蝕的鋼製件和一般輕微鏽蝕的鋼製件要分開進行酸洗。腐蝕程度不同，酸洗時間亦應不同，以防止輕微腐蝕的鋼製件在酸洗時出現過酸洗，避免析氫現象和鋼製件表面出現麻坑。對嚴重鏽蝕的工件採取方法：①物理機械除鏽法，酸洗一定時間後針對部分未脫鏽層用小鐵鏟剷除；②酸洗浸溼工件後再吊出放置10~24小時讓工件生成新鏽，這樣除鏽效果好；③在中等濃度酸中浸泡一定時間用抽酸電機抽酸使酸液產生波動，沖刷掉附著的鏽皮。為避免工件重疊酸洗不乾淨，在工件酸洗前進行裝筐，對角鋼工件隔開疊放或裝入特製的筐具中，對鋼板工件進行掛籠酸洗，這樣酸洗速度又快又好。
（2）使用複合除鏽劑代替單一的鹽酸或硫酸水溶液除鏽
單一鹽酸溶液易揮發，易過酸洗，少量油汙不能很好清除，本廠除鏽主要採用鹽酸再加複合溶劑，複合溶劑中有烏洛托品、SLS活性劑、TX-10、新增劑，其優點在於酸洗速度快而不過酸洗，減少酸霧的逸出揮發，節約鹽酸。一般情況下1t鹽酸可清除40t以上鋼構件表面的鐵鏽，較直接使用鹽酸節省33%左右。常溫複合鹽酸酸洗液配方中的鹽酸是主要成分，烏洛托品是一種緩蝕劑，TX-10具有活化滲透作用，SLS活性劑能起到潤溼和滲透複合作用，同時具有抑制酸霧的作用；新增劑是一種含羧酸的有機物，可與Fe、Fe起絡合作用，降低鹽酸酸洗液中的鐵離子含量，有利於減少鋅液中鋅鐵合金(鋅渣)的產生和提高鋼製件表面鍍鋅層的延展性。
（3）酸洗後採用溫水洗
採用溫水洗，主要是考慮能很好的沖洗、溶解掉粘附在鋼件表面的鐵鹽，減少帶入下道工序(助鍍)中的鐵鹽。因為要達到一定溫度(大於25℃)才能起到快速清除鐵鹽的效果，從節約能源角度考慮，本廠將鋼構件熱浸鍍鋅後水冷卻池中的70℃熱水不斷引進到清洗池中，起到溫水清洗和維持清洗水的潔淨作用。
2．2．2助鍍劑工序的最佳化
（1）助鍍劑的有效成分和最佳工件條件
鋼構件在熱鍍鋅前浸粘助鍍劑的目的，是為了保證鋼件在熱浸鍍鋅時，使其表面的鐵基體在短時間內與鋅液起正常的反應而生成一層鐵-鋅合金層。其作用機理為：
(a)清潔鋼鐵表面，去除掉酸洗後鋼件表面上的一些鐵鹽、氧化物及其它髒物。
(b)淨化鋼件浸入鋅液處的液相鋅，使鋼件與液態鋅快速浸潤並反應。
(c)在鋼件表面沉積一層鹽膜，可將鋼件表面與空氣隔絕，防止進一步微氧化。(e)塗上溶劑的鋼件在遇到鋅液時，溶劑氣化而產生的氣浪起到了清除鋅液上的氧化鋅、氫氧化鋁及碳黑顆粒等的作用。通常選用的助鍍劑為ZnCl·2NHCl，當工件在浸入鋅液時，助鍍劑鹽受熱後首先發生分解：
ZnCl·2NHCl→ZnCl(NH)+NH↑+2HCl↑
分解釋放出的氨氣和氯化氫氣體與工件表面殘留的氧化物及鋅液表面形成的氧化鋅發生反應：
FeO+NH+2HCl→FeCl(NH)+H0↑
ZnO+NH+2HCl→ZnCl(NH)+H0↑
以氯化鋅和氯化銨混合組成的助鍍液，ZnCl·2NHCl是有穩定成分的化工雙鹽，易結晶在鋼件表面。其中NHCl在助鍍劑中的作用是最根本的，但NHCl易揮發，所以含量不能太高，以避免工件在浸鋅過程中形成過多的煙霧。ZnCl起到塗層作用，可減少工件在酸洗之後和浸鋅之前的氧化。同時，以ZnCl·2NHCl為氯化鋅和氯化銨混合組成基礎的助鍍劑有很好的自動乾燥效果。據研究報道，在歐洲氯化鋅和氯化銨混合比約為0.8；在美國及日本通常採用三鹽ZnCl·3NHCl或四鹽ZnCl·4NHCl溶液，銨鋅比約為1.2~1.6；國內熱鍍鋅通常不烘。
幹或烘乾效果不佳，同時考慮使用成本，推薦採用1.2~1.6銨鋅比。為保持生產正常進行，一定要保持氯化銨濃度高於氯化鋅濃度0.05~0.07g/l效果最好，不能只規定氯化銨與氯化鋅濃度的總量值，一旦氯化鋅的濃度高於氯化銨的濃度，工件表面就會出現針孔狀的漏鍍。
（2）助鍍劑中鐵離子含量的控制與去除方法
助鍍劑中的鐵離子不僅增加了助鍍鹽殘餘物的黏度及清除的難度，而且由於鐵離子的存在，還增加了助鍍鹽在工件表面結晶所需要的時間；更重要的是，助鍍劑中的鐵離子含量高會導致鋅渣量的增高，造成無效的鋅耗。據報道：1份鐵與鋅液結合可以形成25份的鋅渣。就助鍍劑而言，減少鐵離子的措施，需要新增以烏洛托品和FHX—1為主要成分的緩蝕劑，有機活性劑。加入一定的有機活性劑後可以使助鍍劑的分散能力、浸潤能力、乾燥速度增強，避免工件與鋅液接觸發生爆鋅現象。除鐵離子方法在70℃~80℃助鍍溶劑中新增雙氧水和氨水後進行過濾處理。在控制好溶液的.pH值在5左右時，鐵離子的量會大大減少，可以採取每週沉澱一次的方法。透過清除鐵離子，助鍍劑中的亞鐵離子可從10~20g/L降低到0.6g/L以下，鋼構件熱鍍鋅噸耗純鋅降低0.466%~1.007%，平均降低0.737%。如果年產按40000t鍍鋅件計算，按60kg/t消耗算每年最少可節約鋅40000t×60kg/t×0.737%=17.688t鋅錠；鋅錠按2007年上半年平均29000元/t計算，每年可節約51.3萬元。
（3）助鍍劑的pH範圍
助鍍劑酸性過強，所有的鐵鹽處於溶解狀態。因此將有更多的Fe隨工件被帶入鋅液中，這將導致更多的細鋅渣的產生。特別是當助鍍劑pH>5.5時，Fe(OH)和Zn(OH)在工件表面沉析，這將阻礙鋅液與鋼基體的接觸，妨礙鋅—鐵反應的進行，造成鍍鋅層表面質量缺陷。當助鍍劑pH在3.5~4.5之間時，溶解狀態的Fe會被空氣中的氧離子逐漸氧化形成在這個pH條件下不能溶解的Fe，並以Fe(OH)的形式從助鍍溶液中沉析出來，有利於用過濾清除裝置將鐵離子和雜質從助鍍劑中排出。
3．2．3鍍鋅工序的最佳化
鍍鋅工序是鍍鋅中的關鍵工序，鍍鋅鋅鍋的設計使用、鋅液溫度控制、浸鋅時間的控制、鍍鋅起重裝置的使用是鍍鋅要求中的主要控制部分。
（1）鋅鍋的設計使用
鋅鍋的尺寸設計是以滿足最大鍍鋅工件的需要而設計，設計時必須要充分考慮到鍍鋅生產產量及鋅鍋的加熱方式。如果鋅鍋的設計容量太小，鍍鋅時熱量供應不上，鋅液的溫度波動大，鍍鋅工件的質量難以控制，鋅溫波動大鐵質鋅鍋的腐蝕加大，產生的鋅渣多，並直接關係到鋅鍋的壽命和安全。如果鋅鍋的容量太大，電耗大，鋅灰量大。設計一般要求是小時產量與容鋅量為1：(24~40)，在滿足各項要求的情況下，設計中儘可能減少鋅液麵與空氣接觸的面積，這樣能減少鋅液的氧化及鋅灰量的產生。我廠原使用的鋅鍋長×寬×深為11.2m×1.2m×
1.5m，由於生產的需要現使用的鋅鍋為12m×1.5m×1.8m。鋅鍋材料的選用直接關係到鋅鍋的壽命，最先選用低碳鋼材料08F鋼，現在使用的專用新型鋅鍋材料WKS，鋅鍋使用壽命得以延長。在初次使用鋅鍋時在鋅鍋內表面塗抹一層專用防腐塗料保護鋅鍋內表面。初次使用時升溫一定要緩慢，消除鋅鍋焊接時的熱應力，避免產生崩裂。同時需要按要求向鋅液中新增鋅鎳合金或能增加鋅液流動性的稀土多元合金。鋅液中含鎳量以0.06%~0.07%為宜，當含鋁量為0.08%~0.12%時，鍍鋅層與鋼基表面形成五鋁化二鐵(FeA1)中間相層，此層達到一定厚度時，不但可提高鍍層的粘附效能，而且可以減少鋅渣(FeZn)的生成量，平時新增純鋁、電纜鋁絲、鎳粉、稀土粉時不能直接向熔融的鋅液中進行新增，增加鋅液流動性，減少鋅液表面浮渣出現並定期打撈鋅灰鋅渣。標準《輸電線路鐵塔製造技術條件》GB/T2694-2003中對鋅層厚度要求鍍件厚度t≥5mm，鍍層最小平均厚度86μm，最小平均附著量610g/m2；2≤t鍍層最小平均厚度65μm，最小平均附著量460g/m，標準中未對鍍鋅層上限限制，作為企業來說越接近標準下限越能節約鋅耗。影響鋅層厚度的主要因素是鋅溫和浸鋅時間，當鋅溫低於430℃，鋅鐵擴散速度低，不易生成足夠的鐵鋅合金層，整個鍍層就薄。當溫度高於465℃時鋅層增加，鋅鐵擴散速度加快，當溫度繼續升高，鋅液變稀，鋅層又變薄，但影響到鋅鍋的使用壽命。鋅溫一定要避免在鋅鍋線性腐蝕區480℃和高溫拋物線區500℃~530℃，所以熱鍍鋅工序必須嚴格控制鋅液溫度以保證鍍件質量的穩定前提下降低鋅耗，一般鍍鋅溫度控制在440℃~465℃。浸鋅時間是根據鍍件表面鐵基體與鋅液充分反應生成完整鋅層所需的時間確定，一般是在溫度相同時，鍍件厚度越厚，浸鋅時間越長，隨著浸鋅時間的延長，鍍層增厚，但過分延長浸鋅時間又會使鋅層變脆，反而影響鍍層質量。兩個主要引數中採取穩定鋅溫引數，從而更好地控制浸鋅時間，以前採用半自動式溫度控制系統，溫度波動±3℃~10℃，現採用計算機對溫度進行控制，溫度波動在±1℃~3℃，溫度波動小容易控制浸鋅時間，從而更有效地控制鋅層的厚度，減少純鋅的消耗。
3．結論
透過此熱鍍鋅最佳化方案的實施，進一步完善和改進了生產工藝，增加生產效率，提高產品質量，降低生產成本。
參考文獻
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