應用不同思維方式解決熱浸鍍鋁技術難點問題的回顧與反思

李國喜，鄭毅然

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

應用不同思維方式解決熱浸鍍鋁技術難點問題的回顧與反思

李國喜，鄭毅然

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

簡要介紹了在實驗室研究及工業(yè)生產(chǎn)過程中，如何用不同的思維方式解決鋼材熱浸鍍鋁技術難點問題的過程.

熱浸鍍鋁;思維方式

鋼材熱浸鍍鋁是把鋼鐵材料或制件浸入熔融鋁液中，使鋁原子滲入鋼中及附著在鋼表面，從而賦予鋼材耐腐蝕及抗高溫氧性能的一項表面鍍層技術.按被鍍鋼材的形式不同，其工藝一般分為森吉米爾法和熔劑法.森吉米爾法的實質是鋼材在還原性氣體保護下進行熱浸鍍鋁;而熔劑法就是在鋼材表面上的助鍍劑及鋁液表面上的覆蓋熔劑的保護下進行;這兩種方法在鍍鋁層的形成機理及結構上有顯著的差異，前者適合連續(xù)加工帶鋼和線材，后者適合批量處理管、板及制件.

森吉米爾法熱浸鍍鋁技術是國外于1939年通過對熱浸鍍鋅技術改造而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的，技術較為簡單，工藝參數(shù)容易控制，產(chǎn)品質量主要取決于生產(chǎn)設備的性能;熔劑法國外在20世紀50年代才實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，因其工藝及設備與熱浸鍍鋅顯著不同，屬于全新的技術，故對于熱鍍鋁過程中熔劑的作用機理始終未形成統(tǒng)一的觀點，而且關于熔劑配方多為專利.東北大學從20世紀80年代初開始對熔劑法熱浸鍍鋁技術進行研究，于1992年率先在國內實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，是目前唯一在國內推廣應用的熱浸鍍鋁技術.在該項熱浸鍍鋁技術研究及工業(yè)生產(chǎn)過程中，不但取得了理論上的突破，而且成功地解決了因國情因素而特有的技術難點問題，實現(xiàn)了我國熱浸鍍鋁高質量穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn).這些難點問題的解決與突破習慣性思維密切相關，為此下面把應用不同的思維方式解決特定問題的過程簡要進行論述，希望對研究生及年輕的研究者起到拋磚引玉的作用.

1 受“偶然現(xiàn)象”啟發(fā)，運用聯(lián)想思維確定了熱浸鍍鋁時熔劑的作用機理

筆者1985年讀碩士研究生時，張震寰導師給的論文題目是“熔劑法熱浸鍍鋁”，就是探索鍍鋁工藝，如何獲得質量優(yōu)良的鍍鋁層.熔劑法熱浸鍍鋁工藝的簡要流程為:鋼件→除銹→助鍍熔劑→熱浸鍍鋁→冷卻→成品.在此工藝中，能否將鋁液連續(xù)光滑地鍍敷在鋼的表面，其最關鍵的的工序是助鍍熔劑.這是一個工藝探索題目，重點是研究助鍍熔劑配方，研究之前除了聽過一次日本著名鍍鋁專家嵯峨卓郎教授的講學外，沒有其他任何基礎，連試驗設備都是自己去購買或是自己親手制作的，因此有做不出成果而失敗的風險，也有即使結果成功而因為是工藝研究可能沒什么理論探討可寫的窘境.當時篩選助鍍劑所依據(jù)的理論就是嵯峨卓郎總結的作為鍍鋁熔劑的基本要求［1］:(1)清潔作用大;(2)黏度小;(3)熔點低于鋁的熔點;(4)不易升華和蒸發(fā);(5)價格低廉.根據(jù)這些要求，只能選擇低黏度的氯化物和氟化物，按熔點要求來配制.

在做了近1年的研究后，試驗了幾十個配方，仍然沒有篩選出能夠獲得不漏鍍鍍鋁層的助鍍劑.時間到了7月中旬，離年末畢業(yè)只剩半年，有一天上午去試驗室時，發(fā)現(xiàn)前一天晚上試驗的試樣中有一組試樣鍍鋁層的漏鍍處有水珠，其他組試樣的漏鍍處則沒有.為什么有的有，有的沒有?一查試驗記錄，試樣表面有水珠的是用氯化鋰作助鍍劑.因為7月份空氣潮濕，氯化鋰潮解吸水，其他的助鍍劑不含潮解吸水成分故不潮解.氯化鋰的潮解說明了什么?說明經(jīng)過熱浸鋁后，這些不合格的助鍍劑仍然頑固地附著在鋼試樣的表面，是助鍍劑沒有脫離鋼表面妨礙了鋁液對鋼基體的浸潤而造成了漏鍍.這一“偶然現(xiàn)象”發(fā)人深省，原來熱浸鋁后不合格的助鍍劑還附著在鋼表面，沒有因為與鋁液存在密度差而上浮.接下來問題就簡單了，只要熱浸鋁時讓助鍍劑在鋁液的作用下快速脫離鋼表面就可以了.筆者通過聯(lián)想自己本科熔鹽電解及釬焊的背景知識，很快配制出了多種助鍍劑，并確定出了熔劑的作用機理:(1)熔劑、鋁液和被鍍鋼件三相間的相間張力的物理作用起首要作用.其中熔劑與鋼之間的相間張力過小是阻礙鋁液浸潤鋼表面，從而引起鍍鋁層產(chǎn)生漏鍍的根本原因;(2)熔劑的黏度起次要作用，熱浸鍍鋁時，熔劑能否快速從鐵－鋁液間的界面上浮，除了熔劑和固體鐵之間的相間張力起主要作用外，還應考慮熔劑對鋼表面的黏附，因為粘著過程和潤濕過程是同時存在于兩相或三相界面上的一種表面現(xiàn)象;(3)熔劑對鐵－鋁界面上的固體顆粒的吸附作用比溶解作用更重要.綜上所述，作為鍍鋁熔劑必須滿足的條件是:

(1)σ鐵－熔﹥σ鐵－鋁+ 黏附力.

(2)熔劑熔點低于熱浸鍍鋁溫度，熔劑熱浸鍍鋁時應呈熔融態(tài).

應該說這一理論適合所有熱浸鍍工藝，詳細的推導及論述過程可參見《鋼鐵制件的熱浸鍍與滲鍍》［2］.

這一結果的獲得，如果不是在7月份的潮濕季節(jié)，如果不是對“無效”的試樣又多看了幾眼，如果試驗前沒做好基本功而不知道氯化鋰易潮解，如果看到了潮解現(xiàn)象而不加思考，如果沒有熔鹽及釬焊的背景知識或雖有但聯(lián)想不到一起，等等，那么差一個環(huán)節(jié)都不可能，因此，仔細觀察，勤于思考，基礎知識扎實，知識面寬，善于聯(lián)想，對于剛從事研究的人是十分重要的.

2 運用逆向思維確定了不易檢測到的對鍍鋁層外觀質量有害的微量雜質元素

在熔劑法熱浸鍍鋁工藝生產(chǎn)中，在解決了助鍍劑影響漏鍍的問題后，接下來就是在工業(yè)生產(chǎn)中，原鋁的質量對鍍鋁層外觀質量的影響.這類問題在實驗室研究中是不會出現(xiàn)的，因為雜質的影響一般是累積的結果或是偶爾出現(xiàn).

在熱浸鍍鋁實際生產(chǎn)中，有時用不同廠家或同廠家但批次不同的原鋁進行熱浸鍍鋁時，會出現(xiàn)表面鋁層局部缺失 (有合金層，但無鋁層或鋁層過薄，因此不是漏鍍)的質量缺陷，雖然不影響熱浸鍍鋁層的耐腐蝕性能，但影響外觀，有時用戶不接受.分析原因應該是原鋁中雜質的影響，但看廠家提供的材質單，或者對不同的原鋁進行分析，因為雜質的含量往往在分析方法的誤差范圍內，所以找不到規(guī)律性的結果，但實際生產(chǎn)中有時又確實存在.為解決這個問題，我們采取了逆向思維的方法:既然分析不出來，那我們就反其道而行之，有意加入不同含量的雜質元素，讓那個現(xiàn)象重現(xiàn).首先通過理論分析縮小范圍，即有害雜質應該是比鋁更活潑的元素，即堿土金屬，因為它們比鋁更易被氧化，氧化后的產(chǎn)物附著在鍍層的局部表面而妨礙了鋁液的自由流淌，產(chǎn)生了不一樣的外觀.當我們在鋁液中加入0.1%的鎂時，現(xiàn)象重現(xiàn)了.事后查資料得知，鎂不但比鋁活潑易氧化，而且形成的氧化產(chǎn)物——氧化鎂目前沒有任何熔劑能溶解它，含鎂鋁合金焊接是個難題就是明證.而其他活潑雜質元素即使氧化，但其氧化產(chǎn)物能溶解在鋁液表面的覆蓋熔劑中，不會對鍍鋁層造成損害.這個問題的解決又再次證明了知識面和聯(lián)想的重要性.

3 用邏輯思維打破習慣性思維發(fā)現(xiàn)了鋁液中氧化夾雜物影響工藝穩(wěn)定性的問題

在熔劑法熱浸鍍鋁的工業(yè)生產(chǎn)中，原鋁質量造成的另一個問題就是有時加入一種原鋁后，致使鋁液表面的覆蓋劑迅速老化，嚴重時根本無法進行正常生產(chǎn)，往往在空氣潮濕季節(jié)出現(xiàn)的概率大.這個問題已困擾國內熱浸鍍鋁行業(yè)多年而未得到有效解決.企業(yè)技術人員習慣性地把原因歸咎于鋁液表面覆蓋熔劑，因為表面現(xiàn)象是覆蓋劑老化失效.有效的解決辦法是使用純度更高的99.85%原鋁，據(jù)此我們一直習慣地認為是99.70%原鋁中雜質與覆蓋劑起反應而導致覆蓋劑失效，如果是覆蓋劑的問題應該是隨著生產(chǎn)的進行，覆蓋劑中的雜質應該會越來越少，而不是越來越多.如前文所述，分析雜質根本找不出規(guī)律，這一問題多年未解.

今年隨著傳言國家要降低原鋁的出口退稅，致使趕在降低出口退稅前簽出口訂單的合同激增，造成國內原鋁緊張，根本買不到99.85%純度的原鋁，只得使用99.70%的原鋁，造成多家熱浸鍍鋁廠出現(xiàn)無法進行正常生產(chǎn)的問題，逼迫我們不得不下決心解決.

首先我們把3種按照熱浸鍍鋁工藝使用效果分為好、中、壞的原鋁送到撫順鋁業(yè)有限公司，在同一條件下進行分析，結果見表1.

表1 3種原鋁錠的光譜分析結果 (質量分數(shù))Table 1 Spectral analysis results of aluminium ingot(mass fraction) %

由表1可知，按照熱浸鍍鋁工藝要求，“壞鋁”其化學成分多項指標反而較好，“好鋁”多項指標不如“中鋁”，這說明雜質不是引起覆蓋劑快速老化的原因，顯然還有其他影響因素.既然原來習慣性的思路不對，那接下來我們就按邏輯思維進行推理:

(1)如果是覆蓋劑中雜質多，那么隨生產(chǎn)進行其雜質會被鍍件帶走而越來越少，而不是越來越多，這排除了覆蓋劑質量的問題.

(2)如果是原鋁中的雜質與覆蓋劑發(fā)生化學反應而產(chǎn)生有害物質，對于已知成分的覆蓋劑，與哪種雜質會起反應?答案是只有硅會和覆蓋劑中的氟化物發(fā)生反應產(chǎn)生有害物質，但實際生產(chǎn)經(jīng)驗是即使在鋁液中加入多達1%的硅也不會產(chǎn)生明顯有害現(xiàn)象，而原鋁中硅含量都在0.1%以下，顯然也與硅雜質無關.

(3)覆蓋劑的作用是防止鋁液氧化，因為含有氟化物的量較少，因此只能溶解少量由鍍件帶入的氧化物.以此推論，如果原鋁中原來含有氧化鋁夾雜，那么生產(chǎn)時原鋁中的氧化夾雜物上浮到覆蓋劑中，會使覆蓋劑快速老化.

(4)那么，原鋁中是否有氧化物夾雜?如有是否與大氣濕度有關，即空氣潮濕季節(jié)多?

帶著這樣的問題，我們去請教有關原鋁生產(chǎn)廠家及查找資料，在《原鋁及其合金的熔煉與鑄造》［3］中，不但明確指出了原鋁中有夾雜，而且代表夾雜的含氫量與空氣濕度正相關，見表2.

表2 純鋁與LF21合金含氫量隨季節(jié)變化的情況Table 2 Hydrogen in pure aluminium and LF21 vs season change mL/100 g Al

原來如此，6～8月份原鋁中含夾雜物確實比其他月份高，這和熱浸鍍鋁生產(chǎn)實際中的感受相吻合.由于原鋁的國家標準中對夾雜物無要求，熱浸鍍鋁生產(chǎn)中我們又認為助鍍劑有精煉作用，因此忽視了夾雜物造成的影響.原來的思路走入了習慣性的想當然，助鍍劑確實有精煉作用，但當原鋁中有較多的夾雜時，助鍍劑精煉的結果是逐漸把夾雜物精煉到覆蓋劑中，超出了覆蓋劑的化學溶解能力，造成了覆蓋劑的快速老化.當了一次思維的“三季人”，而且也不夠認真，沒有認真學習進行技術研究應該準備的上游原料的知識.

4 對邏輯思維不足導致問題解決緩慢的反思

關于原鋁中夾雜物影響熱浸鍍鋁工藝穩(wěn)定性的問題，問題存在多年，解決緩慢，除了受知識面不夠寬的制約外，主要還是邏輯思維能力不強，不善于邏輯推理，導致陷入習慣性的錯誤思路中.邏輯思維作為對科技創(chuàng)新最為重要的思維方式，應該作為科研工作者的基礎知識來掌握，而我們沒有學習過，存在知識缺陷.聯(lián)合國科教文組織已把邏輯學列為七門基礎學科的第二門，僅次于數(shù)學，《大英百科全書》把它列為五門基礎學科之一［4］，可見邏輯學的重要性，因此，需要加強邏輯思維訓練，才能實現(xiàn)科技創(chuàng)新.

［1］嵯峨卓郎.高溫浸セキアルミニワム被覆鋼 (アルミナイズド鋼)について ［J］.金屬表面技術，1962，13(2):70－81.

(CUO E Zhuo－lang.Hot－dip aluminium coated steel(aluminized steel) ［J］.Metal Surface Technology，1962，13(2):70 －81.)

［2］李新華，李國喜，吳勇.鋼鐵制件的熱浸鍍與滲鍍［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009:252－262.

(LI Xin－h(huán)ua，LI Guo－xi，WU Yong.Hot－dip coating and diffusion coating of steel parts［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2009:252 －262.)

［3］向凌霄.原鋁及其合金的精煉與鑄造 ［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005:162.

(XIANG Ling－xiao.Refine and foundry of electrolysis aluminum and its alloy［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2005:162.)

［4］宋懷常.中國人的思維危機 ［M］.天津:天津人民出版社，2010:49.

(SONG Huai－chang.Chinese crisis in thinking［M］.Tianjin:Tianjin pepole Press，2010:49.)

Review of solving difficult problems in hot－dip aluminum technology using different ways of thinking

LI Guo-xi，ZHENG Yi-ran

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Outlined in the laboratory research and industrial production process，how to use different ways of thinking to solve technical difficult problems in hot－ dip aluminum technology.

hot－dip aluminum;thingking way

TG 174.433

A

1671-6620(2011)04-0329-04

2011-09-19.

李國喜 (1961—)，男，遼寧凌源人，東北大學副教授，E－mail:ligx@smm.neu.edu.cn.