钢铁制件热镀锌用于钢结构.doc

钢铁制件热镀锌用于钢结构，是目前最有效防锈蚀方法
    钢铁制件热镀锌是目前应用最广泛和最有效的防锈蚀方法之一，主要应用于塔桅类、钢结构工程、钢格板、交通设施等方面。据不完全统计，我国目前结构钢(型钢及构造物)热镀锌企业已经超过800家，年产量估计为(5.0一5.5) x 106 t。进入2004年以来，全球锌市场由供应过剩转为短缺，对锌的需求量快速增长，加之其它因素影响，年需求平均递增12.3%，国内锌消耗持续快速增长7.6%。锌锭价格由2006年初的14,000元/t猛涨到20,000元/t，热镀锌消耗锌约在60一65 k梦t，仅锌消耗成本一项就由840元/t增加到2 400元/t。而热镀锌加工销售价格增长幅度不大，企业如何应对市场的变化，降低钢铁件热镀锌的锌锭的消耗是热镀锌企业迫在眉睫、急需解决的问题。本文拟从优化热镀锌工艺管理，降低锌的消耗等方面作简要介绍。
    1.传统的热镀锌工艺
    1.1 工艺流程
    热轧带钢(卷板)→脱脂(除油)→水洗→酸洗除锈→水洗→浸助镀溶剂→烘干→热浸锌→水冷却→钝化→水洗→检验→包装→销售客户。
    1.2 工艺缺陷
    传统热镀锌工艺流程的缺陷主要有以下方面:①清洗水没有充分利用，存在较大的浪费;②脱脂工序仍采用强碱NaOH,Na tCO s,N a 3P0 4和NatSi 02混合水溶液，大于90℃的高温脱脂方法，工作环境气味较大及制件表面出现漏铁现象和粗糙不平;③除锈剂一般采用单一成分，如盐酸或硫酸，易使制件表面出现过腐蚀和析氢现象;④助镀溶剂成分单一使用NH4C1 或NH4C1 和ZnC12混合水溶液，易使镀层质量出现缺陷和锌耗增加;⑤铁质熔锌锅外加热会产生大量锌渣，锌的无效消耗较大;⑥在热浸锌时，直接向熔融的锌液中添加纯铝、电缆铝丝、镍粉、稀土粉等，可造成锌液粘稠流动性差，锌液表面出现浮渣等。
    2 热镀锌优化工艺
    2.1 工艺流程
    钢制件一 酸性脱脂剂脱脂(除油)一复合除锈剂除锈一温水洗一清水漂洗一助镀(助镀剂除铁)一烘干一热镀锌一水冷却一钝化一检验一包装。
    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，其目的在于提高镀锌层表面质量，减少不合格产品的发生，降低生产成本(主要是为降低占总生产成本80%的纯锌的消耗)。以批量热镀锌生产为例，具体有以下几个方面。
    2.2.1 区别程度分开酸洗
    进人热镀锌生产线的制件，包括待热镀锌制件和预制件，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脱脂、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。
    2.2.2 采用酸性脱脂剂代替强碱溶液脱脂
    酸性脱脂剂已有许多报道，酸性脱脂后可以省掉一道清水洗工序，可以节约水资源及处理脱脂剂的费用。同时该脱脂剂溶液中含有活性剂和缓蚀剂，不会因脱脂时间太长对钢制件表面产生过清洗现象。其主要配方及工艺条件如下:
    (1) 用于表面附有氧化皮及少量油污的钢铁制件:256 mUL硫酸(d=1.84 g/cm3),9.2 g/L OP-10，5酬L若丁，温度60一65℃ 。
    (2)用于表面附有疏松锈蚀产物及少量油污的钢铁制件:450一600g /L盐酸(d=1.19g /cm3), 4 5 一50岁L十二烷基硫酸钠，3一4岁L六次甲基四胺缓蚀剂，温度15 -25℃ 。
    2.2.3 使用复合除锈剂除锈代替单一的盐酸或硫酸
    水溶液除铸
    使用复合除锈剂除锈，其优点在于酸洗速度快，可减少酸雾的逸出挥发，节约盐酸。一般情况下It盐酸可清除40 t以上钢制件表面的铁锈，较直接使用盐酸节省33%左右[21。
    常温复合盐酸酸洗液配方中的盐酸是主要成分，磷酸的加人可提高酸洗速度，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;添加剂是一种含梭酸的有机物，可与Fe2十 、Fe3 +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。
    2.2.4 酸洗后采用温水洗
    采用温水洗，主要是考虑能很好的冲洗、溶解掉粘附在钢制件表面的铁盐，减少带人下道工序(助镀)中的铁盐。因为要达到一定温度(> 25C)才能起到快速清除铁盐的效果，从节约能源角度考虑，可以将钢制件热浸锌后水冷却池中的水引进到酸洗后的漂洗池，起到温水清洗的作用。
    3 助镀剂
    3.1 浸粘助镀剂的目的
    钢制件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，其表面的铁基体在短时间内与锌液起正常的反应，生成铁一锌合金层。其作用机理为:
    (1) 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。
    (2 )净化钢件浸人锌液处的液相锌，使钢件与液态锌快速浸润并反应。
    (3) 在钢件表面沉积一层盐膜，可以将钢件表面与空气隔绝开来，防止进一步微氧化。
    (4)溶剂受热分解时(指干法)使钢件表面具有活性作用及润湿能力(即降低表面张力)，使锌液能很好地附着于钢件基体上，顺利进行合金化过程。
    (5)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。
    3.2 助镀剂的作用机理
    通常选用的助镀剂为ZnC12.2NH4Cl 。当工件在浸人锌液时，助镀剂盐受热后首先发生分解:
             ZnCl2 ·2NH4C1-*ZnC12(NH3)+NH3T +2HC1T
    分解释放出的氨气和氯化氢气体与工件表面残留的氧化铁及锌液表面形成的氧化锌发生反应:
                FeO + NH3+2HC1-->FeC12(NH3)+H2O卞
                 ZnO + NH3+2HCl-+ZnC12(NH3)+H20卞
    3.3 助镀剂的成分含A与比例
    以氯化锌和氯化钱混合组成的助镀液，ZnC122NH,Cl是有稳定成分的化工双盐，易结晶在钢制件表面上。其中NH4Cl在助镀剂中的作用是最根本的，但NH4Cl 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。ZnCl2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ZnCl2.2N H4Cl 为氯化锌和氯化钱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铰混合比约为0.813味 在美国及日本通常采用三盐ZnC12.3NH4Cl 或四盐Zncl2.4N H4C1溶液，钱锌比约为1.2一1.6;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1.2一1.6按
锌比[‘〕。
    3.4 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赫度及清除的难度，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，增大纯锌。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、有机活性剂。加人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。
    连续去除助镀剂中的铁离子的工艺技术已经成熟[71，现在已有连续清除助镀剂中铁离子的GD-PIRE设备为大多企业使用。通过连续清除，助镀剂中的亚铁离子可从10一20岁L降低到0.6岁L以下，结构件热镀锌吨耗纯锌降低0.466%一1.007%，平均降低0.737%。如果年产按20 000 t镀锌件计算，每年最少可节约锌200 00t x 0.737%=147.4 t ;锌锭按36000元/t计算，每年可节约530.64万元。
    3.5 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Fe2+ 会随工件被带人锌液中，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，妨碍锌一铁反应的进行，造成镀锌层表面质量缺陷。当助镀剂pH在3.5一4.5之间时，溶解状态的Fee+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Fe3+，并以Fe(OH)3的形式从助镀溶液中沉析出来，有利于用清除设备将铁离子和杂质从助镀剂中排出。
    4.节锌措施
    降低锌渣的产生，节锌应从以下7个方面解决:
    (1) 采用耐锌蚀金属内加热器【s」和纤维复合增强内加热器2种陶瓷锌锅热镀锌，镀锌温度可以根据不同的钢构件、紧固件、玛钢件和球墨铸铁件在450650℃范围内任意调节，将无锌渣产生，国内已有几十家企业采用该项技术。
    (2)采用435一445℃低温镀锌，并保持在这个温度下长时间工作，防止锌液温度忽高忽低。先决条件是锌锅的熔锌量较大，锌锅深而锅口窄。热镀锌炉供热系统需要采用自动控温装置，锅体外壁需要安装稳热构件;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%一0.07%为宜，当含铝量为0.08%一0.12%时，镀锌层与钢基表面形成五铝化二铁(FezA1 5)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(FeZn7)的生成量，但必须避免直接向熔融的锌液中添加纯铝、电缆铝丝、镍粉、稀土粉等杂质。含铝量过高时将会加速铁锅的腐蚀速度，特别是在锌液面与铁锅内壁接触的部位，同时，将会在锌液面出现含有铝、铁、锌的浮渣，增加锌的消耗。
    (3)按照4.4和4.5所述降低助镀剂和酸洗液中亚铁离子的含量，尽可能地避免铁盐带人锌液中。
    (4)在铁质锌锅内壁堆焊一层3一6m m耐锌一铝液腐蚀焊条，可以减少锌渣的产生。
    (5)对于结构件热镀锌，避免在线性腐蚀区和高温抛物线区热镀锌。
    (6)对于采用日韩式批量热镀锌，应采用变频电器调整镀锌件镀锌后的分段提升速度，在工件提升初期没离开锌液面之前速度设为1一2 m/min，离开后速度可提高为16一20 m/min，并且提升角度应尽量的大，以增加锌液的回流速度[9]0
    (7)使用锌灰分离设备将大量的锌粒从锌灰中分离出来，再通过高温还原出锌锭以供使用。
    5 结论
    (1)改善或提高助镀前工件的清洗质量，严格助镀剂的管理，对降低锌耗，改善镀锌层质量是行之有效的。
    (2)除了上述优化工艺外，影响钢结构件热镀锌的无效锌耗因素还有其它方面，如钢材基体的含碳、硅、锰量，表面腐蚀状态，工艺管理，工件的返镀量，镀锌辅助工具的粘锌量，气体抹拭方式等都将不同程度地影响着锌耗的增加。其中加强工艺管理，规范操作，严格执行工艺制度，并能持之以恒尤为重要。
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