钢材热镀锌工艺技术优化方案的研究论文

　　论文摘要：热浸镀锌是目前国内应用最多的一种镀锌方式，本文提出了热镀锌优化工艺及降低锌耗途经，采用优化后的热镀锌技术，能有效实现降低热镀锌成本及锌锌耗是镀锌企业所面临的重要问题。
　　论文关键词：热镀锌,钢构件,优化工艺,降低锌耗
　　1．引言
　　表面镀锌作为一种钢铁制品表面处理的最常用方式之一，自它诞生起就一直被广泛的应用于各行各业之中。热浸镀锌是目前国内应用最多的一种镀锌方式，它能使工件获得较厚的镀锌层，一般锌层平均厚度可达到50微米以上，并具有镀层均匀、附着力强、使用寿命长等优点。其传统工艺流程主要是先去除工件表面油污，再将工件酸洗除锈，水洗后放入溶剂中清洗（溶剂有氯化铵、氯化锌或是氯化铵和氯化锌的混合液等），然后将工件放入镀锌槽中镀锌，最后甩干整修后完成。
　　国外发展了多种热镀锌技术。包括在锌浴中添加合金元素的多元合金、锌锰合金、锌镁合金和锌镍合金热镀锌以及高温镀锌。在热镀锌过程中，由于一般国内热镀锌厂普遍采用浓硫酸、浓盐酸等强腐蚀性溶液作为酸洗溶剂，使得工件在经过热镀锌后，工件也会发生氢脆现象，个别还会有工件表面被过度腐蚀，形成表面缺陷。另外由于加工工艺以及工件的几何形状，有时会产生锌料黏结的现象。如螺栓热镀锌时，螺栓的螺纹处常会产生锌料黏结的情况，影响螺栓的正常使用。
　　针对以上情况，也相应的产生了一些新的工艺。如嘉兴平湖某热镀锌厂在酸洗这个环节上就采用了不同于传统的溶液配方进行工件的除锈，其所用溶液腐蚀性大大降低，但却仍能达到除锈的目的。
　　2．热镀锌优化工艺
　　2．1工艺流程
　　优化后的工艺流程如下：钢构件 复合除锈剂除锈 温水水洗 复合助镀剂(除铁) 热镀锌 水冷却 低铬钝化 检验 包装。
　　2．2热镀锌优化工艺
　　热镀锌优化工艺是指使工艺更加合理、趋于科学，其目的在于提高钢构件表面质量，减少影响锌耗的铁及其它杂质的产生量及控制不合格产品的发生，降低镀锌成本。以批量热镀锌生产为例，具体有以下方面优化。
　　2．2．1酸洗、水洗工序的优化
　　酸洗工序主要是除去钢构件表面的铁锈，镀锌时融熔的锌才能与钢基体反应生成镀锌层。若酸洗不干净表面还残留锈斑未被除掉，工件进入融熔的锌液时锈斑阻碍钢基体表面与锌反应生成锌铁合金层，从而产生漏镀点(块)，导致返工重镀；单一酸溶液在新酸或浸泡时间长会导致构件表面出现过腐蚀和析氢现象，过酸洗时产生了粘附性很强的泥渣，在钢表面很难冲洗掉，就无法镀上溶剂，析氢现象在钢基体内贮存的氢气在锌液中受热释放破坏了镀锌层的结晶而产生灰斑，导致工件漏镀返工重镀甚至报废。水洗工序主要是洗掉工件表面的铁盐及杂质，减少锌灰、锌渣的生成。
　　（1）区别工件锈蚀程度分开酸洗
　　进入热镀锌生产线的工件，包括待热镀锌工件和预制件，在存放期间要防止严重锈蚀。对于已经出现严重锈蚀的钢制件和一般轻微锈蚀的钢制件要分开进行酸洗。腐蚀程度不同，酸洗时间亦应不同，以防止轻微腐蚀的钢制件在酸洗时出现过酸洗，避免析氢现象和钢制件表面出现麻坑。对严重锈蚀的工件采取方法：①物理机械除锈法，酸洗一定时间后针对部分未脱锈层用小铁铲铲除；②酸洗浸湿工件后再吊出放置10~24小时让工件生成新锈，这样除锈效果好；③在中等浓度酸中浸泡一定时间用抽酸电机抽酸使酸液产生波动，冲刷掉附着的锈皮。为避免工件重叠酸洗不干净，在工件酸洗前进行装筐，对角钢工件隔开叠放或装入特制的`筐具中，对钢板工件进行挂笼酸洗，这样酸洗速度又快又好。
　　（2）使用复合除锈剂代替单一的盐酸或硫酸水溶液除锈
　　单一盐酸溶液易挥发，易过酸洗，少量油污不能很好清除，本厂除锈主要采用盐酸再加复合溶剂，复合溶剂中有乌洛托品、SLS活性剂、TX-10、添加剂，其优点在于酸洗速度快而不过酸洗，减少酸雾的逸出挥发，节约盐酸。一般情况下1t盐酸可清除40t以上钢构件表面的铁锈，较直接使用盐酸节省33%左右。常温复合盐酸酸洗液配方中的盐酸是主要成分，乌洛托品是一种缓蚀剂，TX-10具有活化渗透作用，SLS活性剂能起到润湿和渗透复合作用，同时具有抑制酸雾的作用；添加剂是一种含羧酸的有机物，可与Fe、Fe起络合作用，降低盐酸酸洗液中的铁离子含量，有利于减少锌液中锌铁合金(锌渣)的产生和提高钢制件表面镀锌层的延展性。
　　（3）酸洗后采用温水洗
　　采用温水洗，主要是考虑能很好的冲洗、溶解掉粘附在钢件表面的铁盐，减少带入下道工序(助镀)中的铁盐。因为要达到一定温度(大于25 )才能起到快速清除铁盐的效果，从节约能源角度考虑，本厂将钢构件热浸镀锌后水冷却池中的70 热水不断引进到清洗池中，起到温水清洗和维持清洗水的洁净作用。
　　2．2．2助镀剂工序的优化
　　（1）助镀剂的有效成分和最佳工件条件
　　钢构件在热镀锌前浸粘助镀剂的目的，是为了保证钢件在热浸镀锌时，使其表面的铁基体在短时间内与锌液起正常的反应而生成一层铁-锌合金层。其作用机理为：
　　(a)清洁钢铁表面，去除掉酸洗后钢件表面上的一些铁盐、氧化物及其它脏物。
　　(b)净化钢件浸入锌液处的液相锌，使钢件与液态锌快速浸润并反应。
　　(c)在钢件表面沉积一层盐膜，可将钢件表面与空气隔绝，防止进一步微氧化。(e)涂上溶剂的钢件在遇到锌液时，溶剂气化而产生的气浪起到了清除锌液上的氧化锌、氢氧化铝及碳黑颗粒等的作用。通常选用的助镀剂为ZnCl·2NHCl，当工件在浸入锌液时，助镀剂盐受热后首先发生分解：
　　ZnCl·2NHCl ZnCl(NH)+NH +2HCl
　　分解释放出的氨气和氯化氢气体与工件表面残留的氧化物及锌液表面形成的氧化锌发生反应：
　　FeO+NH+2HCl FeCl(NH)+H0
　　ZnO+NH+2HCl ZnCl(NH)+H0
　　以氯化锌和氯化铵混合组成的助镀液，ZnCl·2NHCl是有稳定成分的化工双盐，易结晶在钢件表面。其中NHCl在助镀剂中的作用是最根本的，但NHCl易挥发，所以含量不能太高，以避免工件在浸锌过程中形成过多的烟雾。ZnCl起到涂层作用，可减少工件在酸洗之后和浸锌之前的氧化。同时，以ZnCl·2NHCl为氯化锌和氯化铵混合组成基础的助镀剂有很好的自动干燥效果。据研究报道，在欧洲氯化锌和氯化铵混合比约为0.8；在美国及日本通常采用三盐ZnCl·3NHCl或四盐ZnCl·4NHCl溶液，铵锌比约为1.2~1.6；国内热镀锌通常不烘。
　　干或烘干效果不佳，同时考虑使用成本，推荐采用1.2~1.6铵锌比。为保持生产正常进行，一定要保持氯化铵浓度高于氯化锌浓度0.05~0.07g/l效果最好，不能只规定氯化铵与氯化锌浓度的总量值，一旦氯化锌的浓度高于氯化铵的浓度，工件表面就会出现针孔状的漏镀。
　　（2）助镀剂中铁离子含量的控制与去除方法
　　助镀剂中的铁离子不仅增加了助镀盐残余物的黏度及清除的难度，而且由于铁离子的存在，还增加了助镀盐在工件表面结晶所需要的时间；更重要的是，助镀剂中的铁离子含量高会导致锌渣量的增高，造成无效的锌耗。据报道：1份铁与锌液结合可以形成25份的锌渣。就助镀剂而言，减少铁离子的措施，需要添加以乌洛托品和FHX—1为主要成分的缓蚀剂，有机活性剂。加入一定的有机活性剂后可以使助镀剂的分散能力、浸润能力、干燥速度增强，避免工件与锌液接触发生爆锌现象。除铁离子方法在70 ~80 助镀溶剂中添加双氧水和氨水后进行过滤处理。在控制好溶液的pH值在5左右时，铁离子的量会大大减少，可以采取每周沉淀一次的方法。通过清除铁离子，助镀剂中的亚铁离子可从10~20g/L降低到0.6g/L以下，钢构件热镀锌吨耗纯锌降低0.466%~1.007%，平均降低0.737%。如果年产按40000t镀锌件计算，按60kg/t消耗算每年最少可节约锌40000t 60kg/t 0.737%=17.688t锌锭；锌锭按2007年上半年平均29000元/t计算，每年可节约51.3万元。
　　（3）助镀剂的pH范围
　　助镀剂酸性过强，所有的铁盐处于溶解状态。因此将有更多的Fe随工件被带入锌液中，这将导致更多的细锌渣的产生。特别是当助镀剂pH>5.5时，Fe(OH)和Zn(OH)在工件表面沉析，这将阻碍锌液与钢基体的接触，妨碍锌—铁反应的进行，造成镀锌层表面质量缺陷。当助镀剂pH在3.5~4.5之间时，溶解状态的Fe会被空气中的氧离子逐渐氧化形成在这个pH条件下不能溶解的Fe，并以Fe(OH)的形式从助镀溶液中沉析出来，有利于用过滤清除设备将铁离子和杂质从助镀剂中排出。
　　3．2．3镀锌工序的优化
　　镀锌工序是镀锌中的关键工序，镀锌锌锅的设计使用、锌液温度控制、浸锌时间的控制、镀锌起重设备的使用是镀锌要求中的主要控制部分。
　　（1）锌锅的设计使用
　　锌锅的尺寸设计是以满足最大镀锌工件的需要而设计，设计时必须要充分考虑到镀锌生产产量及锌锅的加热方式。如果锌锅的设计容量太小，镀锌时热量供应不上，锌液的温度波动大，镀锌工件的质量难以控制，锌温波动大铁质锌锅的腐蚀加大，产生的锌渣多，并直接关系到锌锅的寿命和安全。如果锌锅的容量太大，电耗大，锌灰量大。设计一般要求是小时产量与容锌量为1：(24~40)，在满足各项要求的情况下，设计中尽可能减少锌液面与空气接触的面积，这样能减少锌液的氧化及锌灰量的产生。我厂原使用的锌锅长 宽 深为11.2m 1.2m
　　1.5m，由于生产的需要现使用的锌锅为12m 1.5m 1.8m。锌锅材料的选用直接关系到锌锅的寿命，最先选用低碳钢材料08F钢，现在使用的专用新型锌锅材料WKS，锌锅使用寿命得以延长。在初次使用锌锅时在锌锅内表面涂抹一层专用防腐涂料保护锌锅内表面。初次使用时升温一定要缓慢，消除锌锅焊接时的热应力，避免产生崩裂。同时需要按要求向锌液中添加锌镍合金或能增加锌液流动性的稀土多元合金。锌液中含镍量以0.06%~0.07%为宜，当含铝量为0.08%~0.12%时，镀锌层与钢基表面形成五铝化二铁(FeA1)中间相层，此层达到一定厚度时，不但可提高镀层的粘附性能，而且可以减少锌渣(FeZn)的生成量，平时添加纯铝、电缆铝丝、镍粉、稀土粉时不能直接向熔融的锌液中进行添加，增加锌液流动性，减少锌液表面浮渣出现并定期打捞锌灰锌渣。标准《输电线路铁塔制造技术条件》GB/T2694-2003中对锌层厚度要求镀件厚度t 5mm，镀层最小平均厚度86μm，最小平均附着量610g/m2；2 t镀层最小平均厚度65μm，最小平均附着量460g/m，标准中未对镀锌层上限限制，作为企业来说越接近标准下限越能节约锌耗。影响锌层厚度的主要因素是锌温和浸锌时间，当锌温低于430 ，锌铁扩散速度低，不易生成足够的铁锌合金层，整个镀层就薄。当温度高于465 时锌层增加，锌铁扩散速度加快，当温度继续升高，锌液变稀，锌层又变薄，但影响到锌锅的使用寿命。锌温一定要避免在锌锅线性腐蚀区480 和高温抛物线区500 ~530 ，所以热镀锌工序必须严格控制锌液温度以保证镀件质量的稳定前提下降低锌耗，一般镀锌温度控制在440 ~465 。浸锌时间是根据镀件表面铁基体与锌液充分反应生成完整锌层所需的时间确定，一般是在温度相同时，镀件厚度越厚，浸锌时间越长，随着浸锌时间的延长，镀层增厚，但过分延长浸锌时间又会使锌层变脆，反而影响镀层质量。两个主要参数中采取稳定锌温参数，从而更好地控制浸锌时间，以前采用半自动式温度控制系统，温度波动 3 ~10 ，现采用计算机对温度进行控制，温度波动在 1 ~3 ，温度波动小容易控制浸锌时间，从而更有效地控制锌层的厚度，减少纯锌的消耗。
　　3．结论
　　通过此热镀锌优化方案的实施，进一步完善和改进了生产工艺，增加生产效率，提高产品质量，降低生产成本。
　　参考文献
　　1 吴起.热镀锌溶剂的除铁处理焊管[J].焊管,1992,(2):47-48.
　　2 杨冰,申晓刚,马林.连续清除热镀锌助镀剂中铁离子的工艺技术[J].金属制品,2005,24(8):15-16.
　　3 王琰姣.改进热镀锌工艺,降低镀锌锌耗[J].材料保护,2007,26 (4):76-78.