降低鋅耗的鋼絲熱鍍鋅優化工藝

苗瀛，苗立賢

（1.河南科技學院，河南 新鄉 453000；2.鞏義市恒星金屬制品有限公司，河南 鄭州 451251）

【熱浸鍍】

降低鋅耗的鋼絲熱鍍鋅優化工藝

苗瀛1，苗立賢2,*

（1.河南科技學院，河南 新鄉 453000；2.鞏義市恒星金屬制品有限公司，河南 鄭州 451251）

采用電解脫脂，復合酸洗除銹，非離子活性劑的助鍍劑配方，無鋅渣內加熱熔鋅和電磁抹拭等工藝，降低了生產過程中鋅損耗(5% ～ 7%)，節約了能源，提高了鋼絲鍍層質量。

鋼絲；熱鍍鋅；脫脂；除銹；內加熱熔鋅；電磁抹拭

1 前言

突如其來的國際金融危機給我國實體經濟帶來的影響日益顯現，對盈利水平相當低的鋼絲熱鍍鋅生產企業的沖擊更是不可估量。鋼絲熱鍍鋅生產一直按照傳統工藝進行，能耗高、生產環境較差，尤其是鋼絲鍍鋅層經常出現的漏鍍、不均勻等問題，導致生產成本居高不下。因此，提高產品質量，節能降耗，降低生產經營成本，是企業生產經營的重點。本文結合實際，從技術角度分析了造成能耗、鋅耗高的原因，重點介紹了降低能耗、鋅耗，提高熱鍍鋅鋼絲鍍層品質的部分改進工藝和措施。

2 傳統的鋼絲熱鍍鋅能耗、鋅耗高的原因分析

傳統的鋼絲熱鍍鋅工藝的預處理清潔化生產程度低，導致鍍鋅層質量不穩定和鋅錠消耗高，其缺陷有以下6個方面：

(1) 經拉拔后，鋼絲表面磷化膜厚，而且拉拔用的皂化潤滑劑濃度和雜質含量高，影響脫脂、酸洗效果。

(2) 脫脂工序仍采用 NaOH、Na2CO3和 Na3PO4的混合溶液，80 °C以上高溫脫脂。因濃度和溫度過高，鋼絲表面會出現輕微的腐蝕，水清洗時不易去除，導致鋼絲鍍鋅時出現露鐵現象。

(3) 采用鹽酸作為除銹劑，鹽酸濃度高時，鋼絲表面易發生過腐蝕，鋅耗增大；且鹽酸易揮發，污染環境，生產成本高。

(4) 助鍍溶劑成分為單一的NH4Cl水溶液，NH4Cl附著能力差，易脫落，導致鍍層出現露鐵、不均勻和附著力差等缺陷。當溶液含有一定量的鐵離子時，鐵離子會隨鋼絲進入鋅液中，最終產生鋅渣(FeZn13)，使鋅耗增大。

(5) 采用鐵質熔鋅鍋側加熱會產生大量鋅渣，占總鋅耗的15% ～ 25%；采用陶瓷鋅鍋上加熱會使鋅燃燒，將有10% ～ 15%的氧化鋅和鋅灰生成。

(6) 鋼絲離開鋅液面時，油木炭抹拭會造成鍍層不均勻并產生鋅瘤，外觀粗糙、不光滑，上鋅量高。

3 降低能耗、鋅耗的優化措施

為提高鍍鋅層表面質量，減少不合格品，降低生產成本，目標應重點放在鋼絲鍍鋅前的表面清潔程度，以及降低占總生產成本 80%的純鋅消耗這兩個方面。優化工藝流程為：

黑鋼絲─溢流熱水洗─電解脫脂─溢流清水漂洗─復合除銹劑除銹─溢流清水漂洗─粘助鍍劑─烘干─熱浸鋅─電磁抹拭─風冷─水冷卻─檢驗─包裝。

3. 1 鋼絲表面預處理的優化措施

3. 1. 1 控制拉拔后鋼絲表面磷化膜的厚度

鋼絲拉拔前的磷化作用可改善鋼絲冷成型后的潤滑性，熱鍍鋅前其厚度應控制在1 ～ 3 μm，對應磷化膜的單位面積質量為5 ～ 8 g/m2。磷化膜的厚度控制原則應為：粗號鋼絲取下限，細號鋼絲取上限。水箱拉絲機中潤滑皂化劑的質量濃度控制在1.011 ～ 1.018 g/cm3范圍內，要定期清除拉絲機內沉積的雜質污垢，最好控制在0.25 g/L以下。

3. 1. 2 鍍鋅脫脂工藝前增加一道熱水洗

這樣可以軟化鋼絲拉拔后表面粘附的硬度高的皂化脂，以便在脫脂工序中較好地去除。熱水溫度為70 ～80 °C，采用階梯式漂洗，溢流排放，循環過濾使用。

3. 1. 3 將單一化學脫脂改為電解化學脫脂

電解脫脂的脫脂劑用量較常規化學脫脂減少了15% ～ 20%，同時脫脂速度更快，效果更佳。鋼絲脫脂后采取溢流水漂洗、毛刷或空氣噴吹等方式，可較好地將鋼絲表面殘存的皂化液脫除掉。

電解脫脂配方和工藝如下：

NaOH 30 ～ 35 g/L

Na2CO320 ～ 25 g/L

Na3PO410 ～ 15 g/L

θ 60 ～ 70 °C

J 5 ～ 15 A/dm2

t 5 ～ 10 s(陰、陽極互換)

電解脫脂效果隨電流密度增大有顯著提高；但當電流密度大于50 A/dm2后，電流密度增加時清洗效果變化不明顯。故電流密度控制在10 ～ 30 A/dm2為宜。

直線逆流循環式不增加鋼絲的運行阻力，可保持鋼絲平穩運行。逆流脫脂槽中的電極板使用一段時間后，其表面會逐漸沉積一定量的污垢，輸出電流受到屏蔽，電流密度將會逐漸減小，脫脂效果變差，甚至脫除不掉油脂。此時應清除電極板表面的污垢，或定期對電極板輪換清理[1]。

3. 1. 4 鹽酸除銹優化工藝

采用復合除銹劑除銹代替單一的鹽酸溶液除銹工藝，具有酸洗速度快，減少酸霧逸出揮發，節約鹽酸[2]等優點。一般情況下，采用復合除銹劑后1 t鹽酸可清除80 t以上鋼絲的表面鐵銹，較直接使用鹽酸節省35%左右。常溫復合鹽酸酸洗液工藝配方如下：

鹽酸(ρ = 1.15 g/mL) 120 ～ 180 mL/L

磷酸(ρ = 1.71 g/mL) 10 ～ 15 mL/L

TX–10 2 ～ 4 g/L

若丁 1.5 ～ 3.0 g/L

磷酸可提高酸洗速度；TX–10具有活化潤濕和滲透復合作用，同時具有抑制酸霧作用；若丁為緩釋劑，可減少亞鐵鹽的產生。為了減少酸液的揮發，可在酸洗液表面覆蓋一層酸霧抑制劑或大小搭配的泡沫型PP空心球，以提高酸液的利用率。

3. 1. 5 酸洗后采用溫水洗

溫水洗能很好地去除粘附在鋼絲表面的鐵鹽，避免其帶入下道工序(助鍍)中。熱水溫度高于25 °C時，效果更佳。從節約能源考慮，可將鋼絲熱浸鋅后冷卻池中的水引入漂洗池，作為清洗水使用。

3. 1. 6 其他

工藝槽均采用高、低液位報警，人工補液、補水。布置方式為工作液槽在上，儲液槽在下，液體上下循環使用。為節約水資源，生產線上水清洗均采用二次清洗，末道水洗的水循環到第一道水清洗；酸洗后的水清洗循環到脫脂后的水清洗，并起到酸堿中和的作用，最后集中到廢水處理中心，經處理后再循環到生產線上繼續使用。

3. 2 采用活化助鍍劑優化工藝

鋼絲熱鍍鋅前浸粘助鍍劑可保證鋼絲在熱浸鍍鋅時，其表面的鐵在短時間內與鋅液起正常反應，生成一層鐵–鋅合金層。其作用有：(1)清潔鋼絲表面，去除酸洗后鋼絲表面的亞鐵鹽及其他雜質；(2)凈化鋼絲浸入鋅液處的液相鋅，使鋼絲與液態鋅快速浸潤并反應；(3)在鋼絲表面沉積一層鹽膜，可以將鋼絲表面與空氣隔絕開來，防止其二次氧化；(4)溶劑受熱分解時使鋼絲表面具有活性及潤濕能力(即降低表面張力)，使鋅液能很好地附著于鋼絲上，并順利地完成合金化過程；(5)涂上溶劑的鋼絲在遇到鋅液時，溶劑氣化而產生的氣浪可以清除鋅液上的氧化鋅、氫氧化鋁及碳黑顆粒[3]。

該助鍍劑工藝條件[4]如下：

氯化鋅 15 ～ 20 g/L

氯化銨 45 ～ 50 g/L

添加劑 0.8 ～ 1.0 g/L

pH 5 ～ 6

θ 65 ～ 70 °C

此助鍍劑的氯化銨含量比常規助鍍劑降低了10% ～20%，不用添加氯化鋅，克服了因鋼絲不斷將酸液帶進助鍍劑槽中使助鍍劑酸性過強的弊端，助鍍劑 pH 始終保持在5 ～ 6之間。溶液中Fe2+離子在此條件下會被空氣中的氧逐漸氧化為Fe(OH)3，并從助鍍溶液中沉析出來，有利于提高助鍍前鋼絲的清洗質量。

同時，助鍍劑中的氯化鋅和氯化銨依靠非離子活性劑的分散、濕潤作用，能降低表面張力，克服了溫度較低時鋼絲基體與鋅液接觸而出現的微爆濺現象，避免了因爆鋅而產生的漏鍍和鋅的非正常消耗。

助鍍劑中的鐵離子不僅增大了助鍍劑的黏度，提高了鋼絲與鋅液接觸反應的難度，還延長了助鍍劑在工件表面結晶所需要的時間，導致鋅渣量的增高，造成無效的鋅耗。

參照專利《一種防止鋼絲熱鍍鋅漏鍍的助鍍劑制備方法》[4]，可以去除助鍍劑中的鐵離子。結果表明，當Fe2+從10 ～ 20 g/L降低到0.6 g/L以下時，每噸鋼絲鍍鋅消耗純鋅的量降低0.2% ～ 0.5%。

3. 3 采用無鋅渣內加熱熔鋅、鍍鋅工藝

采用無鋅渣內加熱器熔鋅、鍍鋅工藝避免了傳統的上加熱過程對鋅液表面的輻射導熱熔鋅，極大地減少了鋅液表面的高溫氧化，與傳統的鋼板鋅鍋相比，具有無鋅渣、鋅灰生成量少的特點，有效降低了鋅耗。加熱體與鋅液接觸，將熱量直接傳給鋅液，熱能利用率可達 90%以上。鋅液溫度可以精確控制在±2 °C以內。為減少鋅液面熱量的輻射、對流損失，在鋼絲進入鋅液面之前，覆蓋一層含有氧化鋅還原劑的保溫材料，可減少熱量損失，同時抑制鋅粉灰的飄浮。在正常鋼絲熱鍍鋅生產中，生產1 t鋼絲的平均耗鋅量在50 kg 左右──與上加熱鋼絲鍍鋅相比，綜合節約純鋅5% ～ 7%；與采用鐵質鋅鍋相比，節約純鋅15% ～ 27%。

3. 4 添加鋅–鋁–混合稀土合金(w (Al) = 5%)

鋅液中含有0.002% ～ 0.005%的鋁，可明顯增加鍍鋅層的光亮度，還可阻止鋅液面的氧化，避免出現過多的鋅灰。同時，混合稀土和鋁元素可細化鋅晶粒，增大鋅液的流動性，明顯提高鍍鋅層的均勻性，有利于降低鋅耗。但應避免直接向鋅液中添加單組分的金屬鋁和稀土，以合金的形式添加為宜。

3. 5 采用電磁抹拭替代油木炭抹拭工藝

鋼絲熱鍍鋅時，當鋼絲垂直離開鋅液面時，表面會粘附一層純鋅液，在沒有凝固之前這層鋅液一方面在重力的作用下順著鋼絲向下流動，另一方面隨鋼絲向上移動，最終導致在鋼絲表面出現斷續的鋅瘤。傳統方法是用油木炭覆蓋層抹拭掉鋅瘤，得到光滑的鍍鋅層。但油木炭質地疏松，不能很好地抹拭掉鋼絲表面形成竹節狀的鋅瘤，而且其在高溫下易遇熱燃燒，燃燒過程中散發出大量黑煙，危害人體健康和生產安全，另外還會在鍍鋅層表面殘留一些木炭灰等雜質而影響鍍層表面質量和耐腐蝕性能。

電磁抹拭可解決上述問題。利用電磁場瞬間發熱的原理，使未完全凝固的鋅液熔化而回落到鋅鍋的鋅液中去，通過調節電流的大小來改變電磁場的強弱，控制鍍鋅層厚度和光滑度，提高了鋅液在鋼絲上的流平性，使鍍鋅層均勻、平整。使用時，在工作腔中通入一定壓力和溫度的氮氣，以保護鋼絲離開鋅液面出口處的潔凈。

4 結論

(1) 控制熱鍍鋅前鋼絲表面磷化膜厚度在1 ～ 3 μm以及水箱拉絲機中皂化潤滑劑的質量濃度在 1.011 ～1.018 g/cm3范圍內，定期清除拉絲機內沉積的雜質污垢，使雜質污垢在0.25 g/L以下，可有效改善鋼絲脫脂清洗和酸洗除銹的質量。

(2) 電解脫脂較常規化學脫脂減少脫脂劑用量15% ～ 20%，復合酸洗劑較單一使用鹽酸節省鹽酸35%左右，活化助鍍劑的氯化銨含量比常規助鍍劑降低10% ～ 20%，如此不但節約了能源，而且避免了因鋼絲表面不清潔而引起的漏鍍、鍍鋅層不均勻等缺陷。

(3) 向鋅液中添加含鋁 5%(質量分數)的鋅–鋁–混合稀土合金，有利于細化鋅晶粒，增大鋅液的流動性，提高鍍鋅層的均勻性，降低鋅耗。

(4) 采用內加熱陶瓷鋅鍋熔鋅、鍍鋅工藝，大大減少了鋅渣的產生，綜合節約純鋅5% ～ 7%。采用電磁抹拭代替油木炭抹拭，改善了鋅液在鋼絲上的流平性，使鍍鋅層光滑均勻、無鋅瘤，工作環境清潔。

[1] 焦耀中, 苗立賢, 焦宗寶, 等. 安全環保型鋼絲熱鍍鋅生產工藝[C] // 2009金屬制品行業技術交流會論文集. 寧波: 中國金屬學會, 2009: 70-74.

[2] 苗立賢, 張慧君, 劉海, 等. 復合鹽酸酸洗液在鋼絲熱鍍鋅生產中的應用[J]. 電鍍與涂飾, 2006, 25 (7): 8-9.

[3] 苗立賢, 焦宗保, 張保湖, 等. 鋼絲熱鍍鋅清潔化生產[J]. 電鍍與涂飾, 2009, 28 (1): 27-29.

[4] 鞏義市恒星金屬制品有限公司. 一種防止鋼絲熱鍍鋅漏鍍的助鍍劑的制備方法: CN, 101338407 [P]. 2009–01–07.

[5] TAO L. 批量熱鍍鋅技術[C] // 第八屆中國熱浸鍍鋅會議論文集. 青島: 中國腐蝕與防護學會熱浸鍍專業委員會, 2009: 12-15.

[ 編輯：吳定彥 ]

Optimized process for reducing zinc consumption in steel wire hot-dip galvanizing //

MIAO Ying, MIAO Li-xian*

Some advanced technologies including electrolytic degreasing, derusting by composite derusting agent, using non-ionic surfactant plating assistant agent, zinc slag-free inner heating zinc melting and electromagnetic wiping were introduced. The process has the features of decreased loss of zinc (5%-7%), reduced energy consumption and good deposit quality.

steel wire; hot-dip galvanizing; degreasing; derusting; inner heating zinc melting; electromagnetic wiping

Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453000, China

TQ153.15

B

1004 – 227X (2010) 01 – 0030 – 03

2009–06–22

2009–07–24

苗瀛（1988–），男，河南駐馬店人，本科，主要從事金屬表面處理工作。

苗立賢，教授級高級工程師，(E-mail) lixian-163@163.com。