淺談鋼絲熱鍍鋅及合金生產(chǎn)技術(shù)
時(shí)間：2022-11-05 04:02:33
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摘要：介紹了我國(guó)鋼絲熱浸鍍用鋅和合金的化學(xué)成分要求；熱浸鍍中鍍層的形成過程；合金鍍層的耐腐蝕性能比純鋅鍍層好；我國(guó)鋼絲熱浸鍍鋅一般采用烘干溶劑法，熱浸鍍鋅的傳統(tǒng)工藝的關(guān)鍵是脫脂、酸洗和溶劑處理，熱浸鍍鋅的綠色生產(chǎn)工藝主要是在脫脂、酸洗、助鍍、鋅鍋、沖洗和回收鋅渣等方面采用一些環(huán)境保護(hù)技術(shù)措施；鋼絲熱浸鍍鋅合金生產(chǎn)工藝有一步法和兩步法，生產(chǎn)設(shè)備也更高效、先進(jìn)；最后提出要加快研究鋼絲的鋁包覆技術(shù)和熱浸鍍鋁技術(shù)。
現(xiàn)在我國(guó)鋼鐵行業(yè)在不斷進(jìn)行創(chuàng)新轉(zhuǎn)型，鋼材深加工是一個(gè)主要方向。鋼絲是利用熱軋線材進(jìn)行拉拔得到的產(chǎn)品，鋼絲生產(chǎn)主要有表面準(zhǔn)備、熱處理、拉拔、鍍(涂)層等四大主要工序[1]。鋼絲的金屬鍍層常用熱浸鍍、電鍍和化學(xué)鍍?nèi)N方法獲得。鋅的熔點(diǎn)419.5℃，沸點(diǎn)907℃，強(qiáng)度和硬度比錫和鉛大，比銅、鋁小。鋅是同素異晶型金屬，低于170℃時(shí)為η晶型，170℃～330℃為β晶型，330℃～419℃為α晶型。η晶型是密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下鋅通常形成六面體晶體。由于鋅能抗大氣腐蝕，金屬防護(hù)成為鋅的最主要用途。鋼絲表面鍍鋅及合金能提高提高鋼絲的使用壽命，節(jié)約鋼材用量。
1鋼絲熱浸鍍用鋅及合金成分
1.1熱鍍用鋅
鋼絲熱鍍鋅選用GB/T470-2008《鋅錠》中的Zn99.995和Zn99.99，化學(xué)成分見表1。國(guó)標(biāo)中規(guī)定：鋅錠表面不允許有熔洞、縮孔、夾層、浮渣及外來(lái)夾雜物，但允許有自然氧化膜。鋅錠單重為18～30kg。錠的底面允許有凹溝及鑄腿，便于集裝和使用。
1.2熱鍍用鋅-5%鋁-混合稀土合金
在GB/T20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》規(guī)定了合金的化學(xué)成分，見表2,它其實(shí)就是Galfan合金。鋁是合金中主要的合金元素,能較大程度地提高鋅液的流動(dòng)性和鑄造性能。Galfan合金是共晶合金，熔點(diǎn)382℃，比鋅的熔點(diǎn)低37.5℃。GB/T20492-2006規(guī)定：對(duì)于一步法，合金鍍槽內(nèi)熔體中的鋁含量應(yīng)控制在4.2%～6.2%；對(duì)于兩步鍍法，先鍍鋅（熱鍍鋅或電鍍鋅），然后鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金，合金鍍槽內(nèi)為熔體中的鋁含量允許達(dá)到7.2%，以防止鍍液中鋁含量貧化。鋼絲鍍層中的鋁含量不小于4.2%。
2鋼絲熱浸鍍層形成過程及耐蝕性
2.1鍍鋅層的形成過程
當(dāng)鋼絲進(jìn)入鋅液，由于其表面較冷，立即凝結(jié)一層鋅殼，一直到鋼絲的溫度升高到鋅的熔點(diǎn)為止；接著鋼絲表面上的鋅殼開始熔化，一直到完全熔化為止；溶劑層從鋼絲表面脫落，鋅液在鋼絲表面上進(jìn)行浸潤(rùn)；鋅液與鋼基間進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，鐵鋅合金層形成并繼續(xù)長(zhǎng)大；鋅液在鐵鋅合金表面上潤(rùn)濕、粘附和流散；鋅進(jìn)行凝固和結(jié)晶；固態(tài)鋅的進(jìn)一步冷卻；固態(tài)鋅表面發(fā)生氧化，氧化鋅薄膜生成并長(zhǎng)大。
2.2合金鍍層的耐腐蝕性能
合金鍍層表面致密的Al2O3膜大大減緩了鍍層的腐蝕速度。鋁在酸堿中會(huì)產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。合金鍍層中鋅-5%鋁形成兩相共晶結(jié)構(gòu)，建立了均勻一致的阻檔層，該阻檔層在鋼構(gòu)件表面起到保護(hù)作用，另外對(duì)表面劃傷、裸露的邊緣、打孔后輪廓邊緣能提供氧化犧牲保護(hù)來(lái)阻止進(jìn)一步被腐蝕。鍍層鋼絲一旦遭受腐蝕，F(xiàn)e-Al-Zn合金層就暴露出來(lái)，這一合金層比Al-Zn合金層性質(zhì)更穩(wěn)定，對(duì)防止深入腐蝕起到陽(yáng)極保護(hù)作用。合金中La和Ce起到的作用是增加鋼與合金液的浸潤(rùn)性,凈化晶界,減少晶間腐蝕傾向。合金腐蝕電位與熱浸鍍鋅層基本相同,腐蝕電流是熱鍍鋅層的1/5，合金鍍層的消耗速度減小,提供比鍍鋅層更長(zhǎng)的犧牲陽(yáng)極的保護(hù)時(shí)間。正是由于以上這些因素的共同作用，造成合金鍍層比純鋅層具有更好的耐腐蝕性能，耐腐蝕性能約是普通純鋅的2～3倍。
3鋼絲熱浸鍍工藝
3.1熱鍍鋅工藝
鋼基材料熱浸鍍的方法主要有溶劑法、改良森吉米爾法、保護(hù)氣體還原法、無(wú)氧化法。溶劑法分為熔融溶劑法、烘干溶劑法。在我國(guó)鋼絲生產(chǎn)中，熱浸鍍鋅一般采用烘干溶劑法。
3.1.1傳統(tǒng)工藝
傳統(tǒng)熱鍍鋅的流程是：放線→脫脂→熱水洗→清水洗→酸洗→清水洗→溶劑處理→烘干→熱鍍鋅→抹拭→收線→試驗(yàn)檢查與包裝→成品。保證優(yōu)質(zhì)的鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵是鋼絲的鍍前處理，包括脫脂、酸洗、溶劑處理。脫脂的目的是為了除掉殘留在鋼絲表面的油污和皂粉等殘余潤(rùn)滑劑，也有利于酸洗工序的順利進(jìn)行。堿洗是利用化學(xué)作用，將油脂從鋼絲表面上除去。堿洗溶液中主要成份有NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、Na3PO4、界面活性劑等。酸洗的目的是除掉鋼絲表面氧化鐵與其他污物，并活化表面。在連續(xù)作業(yè)線上酸洗常采用鹽酸酸洗，鹽酸溶液濃度通常取10％～20％。溶劑能清除在酸洗時(shí)沉積在鋼絲表面上而末被完全清洗掉的鐵鹽，能溶解鋼絲活性表面上出現(xiàn)的氧化物；能降低熔鋅的表面張力，從而促使鐵的表面被熔鋅所潤(rùn)濕，形成鐵鋅合金層。溶劑應(yīng)用最普遍的是NH4Cl和ZnCl2。涂溶劑的方法是先將鋼絲浸入濃溶劑水溶液中，然后烘干，使涂有一層干溶劑的鋼絲進(jìn)入鍍鋅鍋內(nèi)。鋅鍋中鋅液的溫度控制非常關(guān)鍵，正常鍍鋅的鋅液溫度控制在(445±5)℃。熱鍍鋅過程中鋼絲行進(jìn)必須平穩(wěn)，才能確保擴(kuò)散過程和引出過程鋅層均勻性良好。
鋼絲從鋅鍋中引出方式分垂直引出法和斜向引出法兩種方式。垂直引出法：使鋼絲與鋅液面90°垂直引出，此法引出時(shí)可以獲得較厚的鋅層，如鋼絲繩架空通訊線、鋼芯鋁絞線和先鍍后拔鋼絲。斜向引出法：鋼絲與鋅液面呈約35°角引出，用這種方法引出的鋼絲鋅層較薄，適合于一般用途的低碳鋼絲，其上鋅量均低于200g/m2。鋅液中引出的鋼絲迅速地冷卻下來(lái)，不僅可以及時(shí)地抑制住鐵鋅合金層的生長(zhǎng)，而且還能使鋼絲表面光滑，提高鋅層的纏繞性能。冷卻的方式主要有水冷和風(fēng)冷二種方法。水冷法是在鋼絲出鋅液后高度300～500mm處按裝噴水裝置，向鋼絲表面直接噴水，適合于垂直引出法，尤其是中、粗線經(jīng)的鋼絲通常都用水冷。風(fēng)冷法是向鋼絲表面吹風(fēng)，把鋼絲的溫度迅速降下來(lái)，適合于細(xì)線徑鋼絲，通常與水冷同時(shí)配合使用。
3.1.2綠色生產(chǎn)工藝
脫脂工序，采用加入超聲波，超聲波頻率為20～80kHz，這樣就能加快脫脂速度，同時(shí)節(jié)省脫脂劑，減少物耗。酸洗工序，采用復(fù)合劑除銹方法，密閉式無(wú)酸霧酸洗。1000mL復(fù)合劑的配方：w(鹽酸)=37%，450～500mL；w(磷酸)=85%，14～20mL；TX-10，4～6g；SLS活性，4～6g；若丁，4～8g；添加劑，5～10g。助鍍工序，助鍍劑采用NH4Cl和ZnCl的混合液，銨鋅的最佳配比是1.2～1.6，混合液的溫度范圍是50℃～65℃。鋅鍋采用陶瓷鍍鋅鍋，加熱方式采用內(nèi)加熱方式，減少鋅氧化，減少鋅灰的生成量。沖洗工序，用空氣對(duì)沖洗水進(jìn)行強(qiáng)攪拌，這樣可以加大水的漂洗能力。酸洗后的沖洗水與堿洗后的水進(jìn)行中和，減少?zèng)_洗廢水的排放，同時(shí)排水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。回收熱鍍鋅渣，定點(diǎn)存放并做好防護(hù)，嚴(yán)禁任意拋棄，保護(hù)環(huán)境。丁德玲等研究了以熱鍍鋅渣為原料通過堿性電解法制備鋅粉的技術(shù)。
3.2熱浸鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金生產(chǎn)工藝及設(shè)備
3.2.1一步法
劉蘋莉等研究采用的工藝流程是，放線→堿洗→清洗→酸洗→清洗→浸助鍍劑→烘干→熱浸鍍→抹拭→冷卻→涂層保護(hù)→收線。助鍍劑采用以ZnCl2和HCl的混合溶液，在鋼絲表面獲得助劑層，利用鋅板在混合液中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),鋼絲表面電鍍一層薄鋅。我國(guó)國(guó)內(nèi)鋼絲單浸鍍鋅-5%鋁-稀土合金鍍層生產(chǎn)工藝已經(jīng)成熟，單浸鍍具有流程短，節(jié)省能耗，維護(hù)費(fèi)用低，降低生產(chǎn)成本。
3.2.2兩步鍍法
熱鍍鋅+熱鍍合金：天津市環(huán)鐘鋼絲有限公司于1996年引進(jìn)我國(guó)第一條Galfan鍍層產(chǎn)品生產(chǎn)線，工藝流程是:放線→表面處理→助鍍→烘干→純鋅槽→Galfan合金槽→擦拭→冷卻→收線。此生產(chǎn)線具有穩(wěn)定的在線運(yùn)行、速度快(DV≧120)、大盤重、連續(xù)化、氣體擦拭等特點(diǎn)。兩步鍍法的優(yōu)點(diǎn)是：可以避免鋼絲表面漏鍍問題，鍍層較厚，鋼絲耐蝕時(shí)間長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)都采用兩步鍍法。
3.2.3熱鍍合金的生產(chǎn)設(shè)備
放線設(shè)備：雙花籃架或工字輪連續(xù)放線，大盤重。采用工字輪臥式安裝且?guī)в袪恳齼?chǔ)線的主動(dòng)阻尼放線裝置是比較先進(jìn)的設(shè)備。表面處理設(shè)備：采用脫脂爐脫脂、電熱脫脂、電解堿洗、超聲波清洗、電解酸洗、密閉式無(wú)酸霧酸洗、助鍍烘干、鋼絲預(yù)熱等設(shè)備，鋼絲獲得清潔表面，為熱鍍做準(zhǔn)備。鋅鍋：采用陶瓷鋅鍋，鍋內(nèi)鋼絲壓輥也采用陶瓷壓輥。鋅鍋的加熱采用內(nèi)加熱方式，加熱保護(hù)套管也采用陶瓷，大部分垂直安裝在鋅鍋兩側(cè)。抹拭水冷：大多數(shù)采用氣體抹拭加水冷的方式，也有采用電磁抹拭技術(shù)，先進(jìn)生產(chǎn)線的DV值可達(dá)到120～150。收線設(shè)備：臥式收線機(jī)收線或工字輪收線。
4鋼絲熱鍍鋅的替代技術(shù)
4.1研究替代技術(shù)的緊迫性
2015年全球鋅礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量約為2億金屬噸，按照全球每年1300多萬(wàn)t的鋅礦產(chǎn)量，鋅礦儲(chǔ)量只夠全球開采15年左右，鋅資源相對(duì)稀缺。我國(guó)為全球第二大鋅礦資源儲(chǔ)量國(guó)，2016年我國(guó)鋅礦儲(chǔ)量4439.11萬(wàn)t。目前我國(guó)的鋅礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量可供靜態(tài)開采7年左右。鋅資源已經(jīng)到了枯竭的邊緣，這就要求有新鍍層材料來(lái)代替鋅，研究替代技術(shù)迫在眉睫，鋁是最好的替代材料。
4.2鋼絲的鋁包覆技術(shù)
鋁包鋼絲生產(chǎn)的工藝過程：將表面清洗干凈的鋁桿和鋼絲加熱到一定溫度，鋁桿經(jīng)過一個(gè)導(dǎo)線壓輪進(jìn)入擠壓輪槽被壓縮，隨輪槽一同旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相對(duì)摩擦，經(jīng)模靴擋塊進(jìn)入模腔，在壓縮摩擦下鋁條的溫度不斷升高，模腔內(nèi)的壓力也不斷增大，當(dāng)鋁達(dá)到塑性流變極限時(shí)，鋁處于熔融狀態(tài)，在模靴內(nèi)導(dǎo)線模、定徑模的控制及鋼絲運(yùn)行的牽引下，鋁向壓力小的方向即定徑模方向運(yùn)動(dòng)，鋁鋼結(jié)合，在鋼絲周圍形成一個(gè)無(wú)縫的鋁管層，完成擠壓包覆全過程。天津冶金集團(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)有限公司引進(jìn)國(guó)外鋁加溫?cái)D壓連續(xù)式包覆機(jī)，智能化鋁包鋼生產(chǎn)線，是國(guó)際最先進(jìn)的技術(shù)；引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)水平的鋼鋁復(fù)合材同步拉絲機(jī)組。公司可生產(chǎn)大截面鋁包鋼鋁絞線導(dǎo)線，表面光亮，高強(qiáng)度（1670～1770MPa），超長(zhǎng)（2500m以上）定尺的鋁包鋼絲及絞線、光纖復(fù)合架空地線。鋁包鋼絞線可為500kV、750kV、1000kV超高壓輸電線路和光纖復(fù)合架空地線配套。
4.3鋼絲的熱浸鍍鋁技術(shù)
國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究了鋼絲溶劑法熱浸鍍鋁層的工藝及性能，采用工藝流程為：前處理→水洗→助鍍處理→烘干及預(yù)熱→熱浸鍍鋁→水冷。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)還沒有鋼絲熱浸鍍鋁成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的相關(guān)報(bào)道。為了我國(guó)在這一領(lǐng)域占領(lǐng)優(yōu)勢(shì)地位，增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)在國(guó)際未來(lái)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，廣大科研院所企業(yè)要走產(chǎn)學(xué)研道路，同心協(xié)力，勇于創(chuàng)新，以時(shí)不我待的精神加強(qiáng)對(duì)鋼絲熱浸鍍鋁的研究工作。
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作者:張學(xué)輝 王鴻利 單位:天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津冶金集團(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)有限公司