浅谈钢丝热镀锌及合金生产技术

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摘要：介绍了我国钢丝热浸镀用锌和合金的化学成分要求；热浸镀中镀层的形成过程；合金镀层的耐腐蚀性能比纯锌镀层好；我国钢丝热浸镀锌一般采用烘干溶剂法，热浸镀锌的传统工艺的关键是脱脂、酸洗和溶剂处理，热浸镀锌的绿色生产工艺主要是在脱脂、酸洗、助镀、锌锅、冲洗和回收锌渣等方面采用一些环境保护技术措施；钢丝热浸镀锌合金生产工艺有一步法和两步法，生产设备也更高效、先进；最后提出要加快研究钢丝的铝包覆技术和热浸镀铝技术。

关键词：钢丝;热镀锌;合金;稀土;Galfan

现在我国钢铁行业在不断进行创新转型，钢材深加工是一个主要方向。钢丝是利用热轧线材进行拉拔得到的产品，钢丝生产主要有表面准备、热处理、拉拔、镀(涂)层等四大主要工序[1]。钢丝的金属镀层常用热浸镀、电镀和化学镀三种方法获得。锌的熔点419.5℃，沸点907℃，强度和硬度比锡和铅大，比铜、铝小。锌是同素异晶型金属，低于170℃时为η晶型，170℃～330℃为β晶型，330℃～419℃为α晶型。η晶型是密排六方结构，在室温下锌通常形成六面体晶体。由于锌能抗大气腐蚀，金属防护成为锌的最主要用途。钢丝表面镀锌及合金能提高提高钢丝的使用寿命，节约钢材用量。

1钢丝热浸镀用锌及合金成分

1.1热镀用锌

钢丝热镀锌选用GB/T470-2008《锌锭》中的Zn99.995和Zn99.99，化学成分见表1。国标中规定：锌锭表面不允许有熔洞、缩孔、夹层、浮渣及外来夹杂物，但允许有自然氧化膜。锌锭单重为18～30kg。锭的底面允许有凹沟及铸腿，便于集装和使用。

1.2热镀用锌-5%铝-混合稀土合金

在GB/T20492-2006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》规定了合金的化学成分，见表2,它其实就是Galfan合金。铝是合金中主要的合金元素,能较大程度地提高锌液的流动性和铸造性能。Galfan合金是共晶合金，熔点382℃，比锌的熔点低37.5℃。GB/T20492-2006规定：对于一步法，合金镀槽内熔体中的铝含量应控制在4.2%～6.2%；对于两步镀法，先镀锌（热镀锌或电镀锌），然后镀锌-5%铝-混合稀土合金，合金镀槽内为熔体中的铝含量允许达到7.2%，以防止镀液中铝含量贫化。钢丝镀层中的铝含量不小于4.2%。

2钢丝热浸镀层形成过程及耐蚀性

2.1镀锌层的形成过程

当钢丝进入锌液，由于其表面较冷，立即凝结一层锌壳，一直到钢丝的温度升高到锌的熔点为止；接着钢丝表面上的锌壳开始熔化，一直到完全熔化为止；溶剂层从钢丝表面脱落，锌液在钢丝表面上进行浸润；锌液与钢基间进行扩散反应，铁锌合金层形成并继续长大；锌液在铁锌合金表面上润湿、粘附和流散；锌进行凝固和结晶；固态锌的进一步冷却；固态锌表面发生氧化，氧化锌薄膜生成并长大。

2.2合金镀层的耐腐蚀性能

合金镀层表面致密的Al2O3膜大大减缓了镀层的腐蚀速度。铝在酸碱中会产生钝化现象。合金镀层中锌-5%铝形成两相共晶结构，建立了均匀一致的阻档层，该阻档层在钢构件表面起到保护作用，另外对表面划伤、裸露的边缘、打孔后轮廓边缘能提供氧化牺牲保护来阻止进一步被腐蚀。镀层钢丝一旦遭受腐蚀，Fe-Al-Zn合金层就暴露出来，这一合金层比Al-Zn合金层性质更稳定，对防止深入腐蚀起到阳极保护作用。合金中La和Ce起到的作用是增加钢与合金液的浸润性,净化晶界,减少晶间腐蚀倾向。合金腐蚀电位与热浸镀锌层基本相同,腐蚀电流是热镀锌层的1/5，合金镀层的消耗速度减小,提供比镀锌层更长的牺牲阳极的保护时间。正是由于以上这些因素的共同作用，造成合金镀层比纯锌层具有更好的耐腐蚀性能，耐腐蚀性能约是普通纯锌的2～3倍。

3钢丝热浸镀工艺

3.1热镀锌工艺

钢基材料热浸镀的方法主要有溶剂法、改良森吉米尔法、保护气体还原法、无氧化法。溶剂法分为熔融溶剂法、烘干溶剂法。在我国钢丝生产中，热浸镀锌一般采用烘干溶剂法。

3.1.1传统工艺

传统热镀锌的流程是：放线→脱脂→热水洗→清水洗→酸洗→清水洗→溶剂处理→烘干→热镀锌→抹拭→收线→试验检查与包装→成品。保证优质的镀层质量的关键是钢丝的镀前处理，包括脱脂、酸洗、溶剂处理。脱脂的目的是为了除掉残留在钢丝表面的油污和皂粉等残余润滑剂，也有利于酸洗工序的顺利进行。碱洗是利用化学作用，将油脂从钢丝表面上除去。碱洗溶液中主要成份有NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、Na3PO4、界面活性剂等。酸洗的目的是除掉钢丝表面氧化铁与其他污物，并活化表面。在连续作业线上酸洗常采用盐酸酸洗，盐酸溶液浓度通常取10％～20％。溶剂能清除在酸洗时沉积在钢丝表面上而末被完全清洗掉的铁盐，能溶解钢丝活性表面上出现的氧化物；能降低熔锌的表面张力，从而促使铁的表面被熔锌所润湿，形成铁锌合金层。溶剂应用最普遍的是NH4Cl和ZnCl2。涂溶剂的方法是先将钢丝浸入浓溶剂水溶液中，然后烘干，使涂有一层干溶剂的钢丝进入镀锌锅内。锌锅中锌液的温度控制非常关键，正常镀锌的锌液温度控制在(445±5)℃。热镀锌过程中钢丝行进必须平稳，才能确保扩散过程和引出过程锌层均匀性良好。

钢丝从锌锅中引出方式分垂直引出法和斜向引出法两种方式。垂直引出法：使钢丝与锌液面90°垂直引出，此法引出时可以获得较厚的锌层，如钢丝绳架空通讯线、钢芯铝绞线和先镀后拔钢丝。斜向引出法：钢丝与锌液面呈约35°角引出，用这种方法引出的钢丝锌层较薄，适合于一般用途的低碳钢丝，其上锌量均低于200g/m2。锌液中引出的钢丝迅速地冷却下来，不仅可以及时地抑制住铁锌合金层的生长，而且还能使钢丝表面光滑，提高锌层的缠绕性能。冷却的方式主要有水冷和风冷二种方法。水冷法是在钢丝出锌液后高度300～500mm处按装喷水装置，向钢丝表面直接喷水，适合于垂直引出法，尤其是中、粗线经的钢丝通常都用水冷。风冷法是向钢丝表面吹风，把钢丝的温度迅速降下来，适合于细线径钢丝，通常与水冷同时配合使用。

3.1.2绿色生产工艺

脱脂工序，采用加入超声波，超声波频率为20～80kHz，这样就能加快脱脂速度，同时节省脱脂剂，减少物耗。酸洗工序，采用复合剂除锈方法，密闭式无酸雾酸洗。1000mL复合剂的配方：w(盐酸)=37%，450～500mL；w(磷酸)=85%，14～20mL；TX-10，4～6g；SLS活性，4～6g；若丁，4～8g；添加剂，5～10g。助镀工序，助镀剂采用NH4Cl和ZnCl的混合液，铵锌的最佳配比是1.2～1.6，混合液的温度范围是50℃～65℃。锌锅采用陶瓷镀锌锅，加热方式采用内加热方式，减少锌氧化，减少锌灰的生成量。冲洗工序，用空气对冲洗水进行强搅拌，这样可以加大水的漂洗能力。酸洗后的冲洗水与碱洗后的水进行中和，减少冲洗废水的排放，同时排水水质达到国家标准。回收热镀锌渣，定点存放并做好防护，严禁任意抛弃，保护环境。丁德玲等研究了以热镀锌渣为原料通过碱性电解法制备锌粉的技术。

3.2热浸镀锌-5%铝-混合稀土合金生产工艺及设备

3.2.1一步法

刘苹莉等研究采用的工艺流程是，放线→碱洗→清洗→酸洗→清洗→浸助镀剂→烘干→热浸镀→抹拭→冷却→涂层保护→收线。助镀剂采用以ZnCl2和HCl的混合溶液，在钢丝表面获得助剂层，利用锌板在混合液中进行电化学反应,钢丝表面电镀一层薄锌。我国国内钢丝单浸镀锌-5%铝-稀土合金镀层生产工艺已经成熟，单浸镀具有流程短，节省能耗，维护费用低，降低生产成本。

3.2.2两步镀法

热镀锌+热镀合金：天津市环钟钢丝有限公司于1996年引进我国第一条Galfan镀层产品生产线，工艺流程是:放线→表面处理→助镀→烘干→纯锌槽→Galfan合金槽→擦拭→冷却→收线。此生产线具有稳定的在线运行、速度快(DV≧120)、大盘重、连续化、气体擦拭等特点。两步镀法的优点是：可以避免钢丝表面漏镀问题，镀层较厚，钢丝耐蚀时间长。国内绝大多数生产企业都采用两步镀法。

3.2.3热镀合金的生产设备

放线设备：双花篮架或工字轮连续放线，大盘重。采用工字轮卧式安装且带有牵引储线的主动阻尼放线装置是比较先进的设备。表面处理设备：采用脱脂炉脱脂、电热脱脂、电解碱洗、超声波清洗、电解酸洗、密闭式无酸雾酸洗、助镀烘干、钢丝预热等设备，钢丝获得清洁表面，为热镀做准备。锌锅：采用陶瓷锌锅，锅内钢丝压辊也采用陶瓷压辊。锌锅的加热采用内加热方式，加热保护套管也采用陶瓷，大部分垂直安装在锌锅两侧。抹拭水冷：大多数采用气体抹拭加水冷的方式，也有采用电磁抹拭技术，先进生产线的DV值可达到120～150。收线设备：卧式收线机收线或工字轮收线。

4钢丝热镀锌的替代技术

4.1研究替代技术的紧迫性

2015年全球锌矿产资源储量约为2亿金属吨，按照全球每年1300多万t的锌矿产量，锌矿储量只够全球开采15年左右，锌资源相对稀缺。我国为全球第二大锌矿资源储量国，2016年我国锌矿储量4439.11万t。目前我国的锌矿产资源储量可供静态开采7年左右。锌资源已经到了枯竭的边缘，这就要求有新镀层材料来代替锌，研究替代技术迫在眉睫，铝是最好的替代材料。

4.2钢丝的铝包覆技术

铝包钢丝生产的工艺过程：将表面清洗干净的铝杆和钢丝加热到一定温度，铝杆经过一个导线压轮进入挤压轮槽被压缩，随轮槽一同旋转运动，产生相对摩擦，经模靴挡块进入模腔，在压缩摩擦下铝条的温度不断升高，模腔内的压力也不断增大，当铝达到塑性流变极限时，铝处于熔融状态，在模靴内导线模、定径模的控制及钢丝运行的牵引下，铝向压力小的方向即定径模方向运动，铝钢结合，在钢丝周围形成一个无缝的铝管层，完成挤压包覆全过程。天津冶金集团中兴盛达钢业有限公司引进国外铝加温挤压连续式包覆机，智能化铝包钢生产线，是国际最先进的技术；引进国际先进水平的钢铝复合材同步拉丝机组。公司可生产大截面铝包钢铝绞线导线，表面光亮，高强度（1670～1770MPa），超长（2500m以上）定尺的铝包钢丝及绞线、光纤复合架空地线。铝包钢绞线可为500kV、750kV、1000kV超高压输电线路和光纤复合架空地线配套。

4.3钢丝的热浸镀铝技术

国内已经研究了钢丝溶剂法热浸镀铝层的工艺及性能，采用工艺流程为：前处理→水洗→助镀处理→烘干及预热→热浸镀铝→水冷。目前我国国内还没有钢丝热浸镀铝成功应用于工业化生产的相关报道。为了我国在这一领域占领优势地位，增强我国企业在国际未来市场中的竞争力，广大科研院所企业要走产学研道路，同心协力，勇于创新，以时不我待的精神加强对钢丝热浸镀铝的研究工作。

参考文献

[1]董琦,张学辉.钢丝生产工艺及设备[M].北京:冶金工业出版社,2016.

[2]顾春雷,张伟强,金花子,等.锌及锌铝合金研究及应用现状[J].有色金属工程,2003,55(4):44-47.

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作者:张学辉 王鸿利 单位:天津冶金职业技术学院 天津冶金集团中兴盛达钢业有限公司