鋼材熱鍍鋅工藝技術(shù)優(yōu)化方案的研究論文
論文摘要：熱浸鍍鋅是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的一種鍍鋅方式，本文提出了熱鍍鋅優(yōu)化工藝及降低鋅耗途經(jīng)，采用優(yōu)化后的熱鍍鋅技術(shù)，能有效實現(xiàn)降低熱鍍鋅成本及鋅鋅耗是鍍鋅企業(yè)所面臨的重要問題。
論文關(guān)鍵詞：熱鍍鋅,鋼構(gòu)件,優(yōu)化工藝,降低鋅耗
1．引言
表面鍍鋅作為一種鋼鐵制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(yīng)用于各行各業(yè)之中。熱浸鍍鋅是目前國內(nèi)應(yīng)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(dá)到50微米以上，并具有鍍層均勻、附著力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點。其傳統(tǒng)工藝流程主要是先去除工件表面油污，再將工件酸洗除銹，水洗后放入溶劑中清洗（溶劑有氯化銨、氯化鋅或是氯化銨和氯化鋅的混合液等），然后將工件放入鍍鋅槽中鍍鋅，最后甩干整修后完成。
國外發(fā)展了多種熱鍍鋅技術(shù)。包括在鋅浴中添加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，由于一般國內(nèi)熱鍍鋅廠普遍采用濃硫酸、濃鹽酸等強(qiáng)腐蝕性溶液作為酸洗溶劑，使得工件在經(jīng)過熱鍍鋅后，工件也會發(fā)生氫脆現(xiàn)象，個別還會有工件表面被過度腐蝕，形成表面缺陷。另外由于加工工藝以及工件的幾何形狀，有時會產(chǎn)生鋅料黏結(jié)的現(xiàn)象。如螺栓熱鍍鋅時，螺栓的螺紋處常會產(chǎn)生鋅料黏結(jié)的情況，影響螺栓的正常使用。
針對以上情況，也相應(yīng)的產(chǎn)生了一些新的工藝。如嘉興平湖某熱鍍鋅廠在酸洗這個環(huán)節(jié)上就采用了不同于傳統(tǒng)的溶液配方進(jìn)行工件的除銹，其所用溶液腐蝕性大大降低，但卻仍能達(dá)到除銹的目的。
2．熱鍍鋅優(yōu)化工藝
2．1工藝流程
優(yōu)化后的工藝流程如下：鋼構(gòu)件→復(fù)合除銹劑除銹→溫水水洗→復(fù)合助鍍劑(除鐵)→熱鍍鋅→水冷卻→低鉻鈍化→檢驗→包裝。
2．2熱鍍鋅優(yōu)化工藝
熱鍍鋅優(yōu)化工藝是指使工藝更加合理、趨于科學(xué)，其目的在于提高鋼構(gòu)件表面質(zhì)量，減少影響鋅耗的鐵及其它雜質(zhì)的產(chǎn)生量及控制不合格產(chǎn)品的發(fā)生，降低鍍鋅成本。以批量熱鍍鋅生產(chǎn)為例，具體有以下方面優(yōu)化。
2．2．1酸洗、水洗工序的優(yōu)化
酸洗工序主要是除去鋼構(gòu)件表面的鐵銹，鍍鋅時融熔的鋅才能與鋼基體反應(yīng)生成鍍鋅層。若酸洗不干凈表面還殘留銹斑未被除掉，工件進(jìn)入融熔的鋅液時銹斑阻礙鋼基體表面與鋅反應(yīng)生成鋅鐵合金層，從而產(chǎn)生漏鍍點(塊)，導(dǎo)致返工重鍍；單一酸溶液在新酸或浸泡時間長會導(dǎo)致構(gòu)件表面出現(xiàn)過腐蝕和析氫現(xiàn)象，過酸洗時產(chǎn)生了粘附性很強(qiáng)的泥渣，在鋼表面很難沖洗掉，就無法鍍上溶劑，析氫現(xiàn)象在鋼基體內(nèi)貯存的氫氣在鋅液中受熱釋放破壞了鍍鋅層的結(jié)晶而產(chǎn)生灰斑，導(dǎo)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(zhì)，減少鋅灰、鋅渣的生成。
（1）區(qū)別工件銹蝕程度分開酸洗
進(jìn)入熱鍍鋅生產(chǎn)線的工件，包括待熱鍍鋅工件和預(yù)制件，在存放期間要防止嚴(yán)重銹蝕。對于已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕的鋼制件和一般輕微銹蝕的鋼制件要分開進(jìn)行酸洗。腐蝕程度不同，酸洗時間亦應(yīng)不同，以防止輕微腐蝕的鋼制件在酸洗時出現(xiàn)過酸洗，避免析氫現(xiàn)象和鋼制件表面出現(xiàn)麻坑。對嚴(yán)重銹蝕的工件采取方法：①物理機(jī)械除銹法，酸洗一定時間后針對部分未脫銹層用小鐵鏟鏟除；②酸洗浸濕工件后再吊出放置10~24小時讓工件生成新銹，這樣除銹效果好；③在中等濃度酸中浸泡一定時間用抽酸電機(jī)抽酸使酸液產(chǎn)生波動，沖刷掉附著的銹皮。為避免工件重疊酸洗不干凈，在工件酸洗前進(jìn)行裝筐，對角鋼工件隔開疊放或裝入特制的筐具中，對鋼板工件進(jìn)行掛籠酸洗，這樣酸洗速度又快又好。
（2）使用復(fù)合除銹劑代替單一的鹽酸或硫酸水溶液除銹
單一鹽酸溶液易揮發(fā)，易過酸洗，少量油污不能很好清除，本廠除銹主要采用鹽酸再加復(fù)合溶劑，復(fù)合溶劑中有烏洛托品、SLS活性劑、TX-10、添加劑，其優(yōu)點在于酸洗速度快而不過酸洗，減少酸霧的逸出揮發(fā)，節(jié)約鹽酸。一般情況下1t鹽酸可清除40t以上鋼構(gòu)件表面的鐵銹，較直接使用鹽酸節(jié)省33%左右。常溫復(fù)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活性劑能起到潤濕和滲透復(fù)合作用，同時具有抑制酸霧的作用；添加劑是一種含羧酸的有機(jī)物，可與Fe、Fe起絡(luò)合作用，降低鹽酸酸洗液中的鐵離子含量，有利于減少鋅液中鋅鐵合金(鋅渣)的產(chǎn)生和提高鋼制件表面鍍鋅層的延展性。
（3）酸洗后采用溫水洗
采用溫水洗，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(dá)到一定溫度(大于25℃)才能起到快速清除鐵鹽的效果，從節(jié)約能源角度考慮，本廠將鋼構(gòu)件熱浸鍍鋅后水冷卻池中的70℃熱水不斷引進(jìn)到清洗池中，起到溫水清洗和維持清洗水的潔凈作用。
2．2．2助鍍劑工序的優(yōu)化
（1）助鍍劑的有效成分和最佳工件條件
鋼構(gòu)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(nèi)與鋅液起正常的反應(yīng)而生成一層鐵-鋅合金層。其作用機(jī)理為：
(a)清潔鋼鐵表面，去除掉酸洗后鋼件表面上的一些鐵鹽、氧化物及其它臟物。
(b)凈化鋼件浸入鋅液處的液相鋅，使鋼件與液態(tài)鋅快速浸潤并反應(yīng)。
(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(jìn)一步微氧化。(e)涂上溶劑的鋼件在遇到鋅液時，溶劑氣化而產(chǎn)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(dāng)工件在浸入鋅液時，助鍍劑鹽受熱后首先發(fā)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(fā)生反應(yīng)：
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(wěn)定成分的化工雙鹽，易結(jié)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(fā)，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起到涂層作用，可減少工件在酸洗之后和浸鋅之前的氧化。同時，以ZnCl·2NHCl為氯化鋅和氯化銨混合組成基礎(chǔ)的助鍍劑有很好的自動干燥效果。據(jù)研究報道，在歐洲氯化鋅和氯化銨混合比約為0.8；在美國及日本通常采用三鹽ZnCl·3NHCl或四鹽ZnCl·4NHCl溶液，銨鋅比約為1.2~1.6；國內(nèi)熱鍍鋅通常不烘。
干或烘干效果不佳，同時考慮使用成本，推薦采用1.2~1.6銨鋅比。為保持生產(chǎn)正常進(jìn)行，一定要保持氯化銨濃度高于氯化鋅濃度0.05~0.07g/l效果最好，不能只規(guī)定氯化銨與氯化鋅濃度的總量值，一旦氯化鋅的濃度高于氯化銨的濃度，工件表面就會出現(xiàn)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余物的黏度及清除的難度，而且由于鐵離子的存在，還增加了助鍍鹽在工件表面結(jié)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(dǎo)致鋅渣量的增高，造成無效的鋅耗。據(jù)報道：1份鐵與鋅液結(jié)合可以形成25份的鋅渣。就助鍍劑而言，減少鐵離子的措施，需要添加以烏洛托品和FHX—1為主要成分的緩蝕劑，有機(jī)活性劑。加入一定的有機(jī)活性劑后可以使助鍍劑的分散能力、浸潤能力、干燥速度增強(qiáng)，避免工件與鋅液接觸發(fā)生爆鋅現(xiàn)象。除鐵離子方法在70℃~80℃助鍍?nèi)軇┲刑砑与p氧水和氨水后進(jìn)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，可以采取每周沉淀一次的方法。通過清除鐵離子，助鍍劑中的亞鐵離子可從10~20g/L降低到0.6g/L以下，鋼構(gòu)件熱鍍鋅噸耗純鋅降低0.466%~1.007%，平均降低0.737%。如果年產(chǎn)按40000t鍍鋅件計算，按60kg/t消耗算每年最少可節(jié)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(jié)約51.3萬元。
（3）助鍍劑的pH范圍
助鍍劑酸性過強(qiáng)，所有的鐵鹽處于溶解狀態(tài)。因此將有更多的Fe隨工件被帶入鋅液中，這將導(dǎo)致更多的細(xì)鋅渣的產(chǎn)生。特別是當(dāng)助鍍劑pH>5.5時，F(xiàn)e(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(yīng)的進(jìn)行，造成鍍鋅層表面質(zhì)量缺陷。當(dāng)助鍍劑pH在3.5~4.5之間時，溶解狀態(tài)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，并以Fe(OH)的形式從助鍍?nèi)芤褐谐廖龀鰜恚欣谟眠^濾清除設(shè)備將鐵離子和雜質(zhì)從助鍍劑中排出。
3．2．3鍍鋅工序的優(yōu)化
鍍鋅工序是鍍鋅中的關(guān)鍵工序，鍍鋅鋅鍋的設(shè)計使用、鋅液溫度控制、浸鋅時間的控制、鍍鋅起重設(shè)備的使用是鍍鋅要求中的主要控制部分。
（1）鋅鍋的設(shè)計使用
鋅鍋的尺寸設(shè)計是以滿足最大鍍鋅工件的需要而設(shè)計，設(shè)計時必須要充分考慮到鍍鋅生產(chǎn)產(chǎn)量及鋅鍋的加熱方式。如果鋅鍋的設(shè)計容量太小，鍍鋅時熱量供應(yīng)不上，鋅液的溫度波動大，鍍鋅工件的質(zhì)量難以控制，鋅溫波動大鐵質(zhì)鋅鍋的腐蝕加大，產(chǎn)生的鋅渣多，并直接關(guān)系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(shè)計一般要求是小時產(chǎn)量與容鋅量為1：(24~40)，在滿足各項要求的情況下，設(shè)計中盡可能減少鋅液面與空氣接觸的面積，這樣能減少鋅液的氧化及鋅灰量的產(chǎn)生。我廠原使用的鋅鍋長×寬×深為11.2m×1.2m×
1.5m，由于生產(chǎn)的需要現(xiàn)使用的鋅鍋為12m×1.5m×1.8m。鋅鍋材料的選用直接關(guān)系到鋅鍋的壽命，最先選用低碳鋼材料08F鋼，現(xiàn)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(nèi)表面涂抹一層專用防腐涂料保護(hù)鋅鍋內(nèi)表面。初次使用時升溫一定要緩慢，消除鋅鍋焊接時的熱應(yīng)力，避免產(chǎn)生崩裂。同時需要按要求向鋅液中添加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(dāng)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(dá)到一定厚度時，不但可提高鍍層的粘附性能，而且可以減少鋅渣(FeZn)的生成量，平時添加純鋁、電纜鋁絲、鎳粉、稀土粉時不能直接向熔融的鋅液中進(jìn)行添加，增加鋅液流動性，減少鋅液表面浮渣出現(xiàn)并定期打撈鋅灰鋅渣。標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路鐵塔制造技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)中未對鍍鋅層上限限制，作為企業(yè)來說越接近標(biāo)準(zhǔn)下限越能節(jié)約鋅耗。影響鋅層厚度的主要因素是鋅溫和浸鋅時間，當(dāng)鋅溫低于430℃，鋅鐵擴(kuò)散速度低，不易生成足夠的鐵鋅合金層，整個鍍層就薄。當(dāng)溫度高于465℃時鋅層增加，鋅鐵擴(kuò)散速度加快，當(dāng)溫度繼續(xù)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(qū)480℃和高溫拋物線區(qū)500℃~530℃，所以熱鍍鋅工序必須嚴(yán)格控制鋅液溫度以保證鍍件質(zhì)量的穩(wěn)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(jù)鍍件表面鐵基體與鋅液充分反應(yīng)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(zhì)量。兩個主要參數(shù)中采取穩(wěn)定鋅溫參數(shù)，從而更好地控制浸鋅時間，以前采用半自動式溫度控制系統(tǒng)，溫度波動±3℃~10℃，現(xiàn)采用計算機(jī)對溫度進(jìn)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(jié)論
通過此熱鍍鋅優(yōu)化方案的實施，進(jìn)一步完善和改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，增加生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。
參考文獻(xiàn)
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