熱鍍鋅工藝及設備機械性能分析

王茂法

(溫州泰昌鐵塔制造有限公司，浙江 溫州 325000)

1 原理概述

鋅是一種以銀白色為略帶淺藍色的金屬材料。和一般金屬不同，在常溫空氣中，鋅氧化在表面形成一層具有良好的耐蝕性和致密的結構堿性碳酸鋅膜[1]。在極少量的堿性氧化作用下，也能有效地起到防腐蝕的作用。熱浸鍍鋅工藝是利用其耐腐蝕作用，使鋅層在較高溫度下均勻、完整、緊密地結合在鋼材外表面。其防氧化腐蝕保護作用的機理就是最外層保護膜受到外界破壞時，在破壞處又形成新的碳酸鋅膜，保護鋼材基體的防氧化腐蝕[2]。

一般情況下，鍍鋅鋼件的腐蝕并不是從外輪廓全部位置開始，而是在鍍鋅層和鋼材本體之間某些結合性能較差，也就是附著力較弱的地方局部腐蝕，由此逐步蔓延形成整體表面的大面積腐蝕。表面鋅材的掉落意味著鋅在鋼材的表面附著力不夠，而不是厚度的問題，由此可見，鍍鋅層的附著力，特別是整體的附著力的好壞也尤為重要[3]。鍍鋅層的制造工藝起著關鍵的作用。

熱鍍鋅是指鋼表面在高溫下通過浸入鋼液進行熱鍍鋅的方法，稱為熱鍍鋅，熱鍍鋅工藝具有良好的性能。當鋼材浸在約500℃鋅液中時，內外鋅層與鐵基體相互混合的過程，部分Zn原子在鐵基熔體中溶解，在Zn與Fe的界面形成固態晶體熔體，同時由于鋅原子與鐵之間的重力作用，這些Zn、Fe原子相互擴散時，Zn原子逐漸滲入鐵基合金，在鋅液中擴散的鐵具有更穩定的性能，形成穩定的鋅鐵合金鍍層。多余的Fe原子則將成為鋅渣。

2 工藝研究

經過百年的發展，熱鍍鋅生產工藝形成了以下幾種生產方法：賽拉斯法(SELAS)、莎倫法(SHARON)、森吉米爾法(SENDZIMIR) 、全輻射美鋼聯法(U.S.S)和改良森吉米爾法(NOF)[4]。

近些年國內外支撐熱鍍鋅工藝的流水化設備也發展迅速，大部分工業生產設備采用的是全輻射美鋼聯法(U.S.S)和改良森吉米爾法(NOF)工藝。

以鞍山鋼鐵企業的熱鍍鋅生產線為例，其主要生產工序包括：原料準備、鍍前處理、熱浸鍍、鍍后處理。

1-開卷機；2-入口剪；3-焊機；4-清洗段；5-入口活套；6-脫脂裝置；7-連續退火爐；8-鋅鍋；9-氣刀；10-合金化爐；11-冷卻塔；12 -水淬槽；14-光整機；15-拉矯機；16-鈍化裝置；17-出口活套；18-涂油機；19-出口剪；20-卷取機

圖1熱鍍鋅工藝設備流程圖

圖1中熱鍍鋅工藝設備流程為：上料→夾送→矯正→焊接→清潔(水、酸)→入口活套→退火→鍍鋅→冷卻→中間活套→平整→拉矯→后處理→出口活套→檢驗。

2.1 原料準備：上料、夾送、矯正、切邊、焊接

在流水線熱鍍鋅生產工藝過程中，首先進行鋼材毛料準備工作。鋼材由吊車吊至機組入口處的接收平臺上，導入矯直機，進行矯直，然后機頭進入入口剪進行切割操作，結束后將尾部定位到入口剪，進行尾部切斷。

2.2 鍍前處理：鋼材的清洗和退火

首先，鋼的表面雜質通過清洗槽高壓沖刷清洗，然后鋼材進入入口回路等待后續流程。

傳統工藝的主要缺點是：清洗水未得到充分利用，浪費較大；脫脂工藝仍采用強堿NaOH、Na2CO3、Na2P04和Na2S4混合水溶液[5]，處理環境溫度大于90℃，因為零件被置于高濃度堿性溶液中，較易發燒漏鍍，鍍層表面粗糙。除銹劑一般使用單一的氯化銨溶液或氯化鋅與氯化銨的復合水溶液，這種方式容易造成鋼構件的過度酸洗和氫脆，但由于兩者比例不合理，鍍鋅后易造成鋼構件表面漏鍍，同時增加鋅灰，導致鋅耗增加。并且鐵鋅鍋手動調溫控制，溫度波動大，鋅渣增加，鋅無效消耗高。

針對專業鐵塔構件自生工作環境油污染少，行架結構相對簡單的特點。先采用低鉻鈍化，取消了除油、除油水洗、干燥工序。為了提高速度，配以一定量的TX-10磷酸酯，其本身就具有活化滲透作用，再配合SIS激發劑具有潤濕滲透的復合作用，能抑制酸霧產生[6]；同時添加一種含有羧酸的有機物，能與Fe3+發生絡合反應，降低鹽酸酸洗液中的鐵離子含量，減少鋅渣的產出[7]。不同的銹蝕程度需要不同程度的酸洗配比和時間把控，因此在清洗之前要進行分類，特別嚴重的銹蝕還必須先進行噴砂等機械除銹方式。進過優化后的工藝既有利于提高鋼結構件的表面質量，又會降低鍍鋅成本。同時，減少鐵和其它影響鋅耗的雜質產生。

在酸洗時，酸洗槽設備極為關鍵，不但要具有耐酸腐的優點，而且要有一定的機械性能，避免鋼材進入酸洗槽中時，破壞槽體內壁。

2.3 熱浸鍍過程

鋼材流水線熱鍍鋅，鋅層厚度控制主要工藝設備有鋅鍋裝置包括沉沒輥、穩定輥、氣刀以及其結構部件[8]。

浸漬液主要采用鋅鎳合金，按浸漬液總量的0.06%、0.10Ni含量配比。含硅量高的Q235鋼鍍層厚度隨浸泡時間的延長呈線性增加，當Ni含量為0.06%和0.10%時，鍍層厚度呈拋物線狀增長。因此，在含鎳量為0.06%的鋅溶液中，對含硅量較高的鎮靜鋼和半鎮靜鋼的鍍層有明顯的降低作用，對含硅量在0.06%的鋅溶液中的鍍層，尤其是對含硅量較高的鋼件。鍍液溫度與常規熱鍍鋅相同，鎳合金的鍍液溫度為445～450℃。因為純鋅液的熔點介于純鋅的熔點和亞共晶點之間，比含2%鎳的鋅合金的熔點略低，生產實踐表明，添加0.06%和0.10%鎳后，鋅液流動性明顯得到改善，呈鏡光亮鏡面狀。鋅液在工件表面和附著在工件表面的少量鋅液迅速回流到工件表面。試驗結果表明，鋅的消耗量由原來的14%～18%降低到鋅鎳合金的10%和11%，達到了節約鋅的目的[9]。

在一定溫度下，通過調整浸鋅時間，可以獲得合適的過渡層厚度。用鋅鎳合金浸漬鋼塔零件時，注意時間和溫度的把控，很多情形下都是因為時間溫度計算和時間太短，造成厚度太薄，不符合標準要求。

2.4 熱鍍鋅鍍后處理

鍍后的處理包括：鋅層的合金化處理、鍍鋅板的光整、矯直及表面涂油、銳邊鈍化。首先對鋼材進行快速冷卻，保證鋼材到上輥時溫度降到300℃以內，然后經過后續冷段繼續冷卻，水淬槽前溫度降至160℃內，直至進入水冷罐冷卻，基本為大約45℃。水冷有利于減少色差，同時冷卻水溫度應保持在60℃以內，保持循環流動，中性水質。冷卻后，精整機開始工作進行精整加工，有利于提高平整度和鍍層附著力[10]。然后進行鈍化處理，最后進行表面涂油，保證可靠地延長鍍鋅鋼板在儲存和儲存使用中的實際壽命。

3 結語

我國的鋼材流水線熱鍍鋅技術還處于一個不斷進步，不斷突破創新的持續發展階段。企業在生產中，應該更加努力，不斷加強研究和摸索，對熱鍍鋅工藝技術和參數性能進行優化調整，總結出一套保質保量，具有競爭力的方案。