波形梁鋼護(hù)欄熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁應(yīng)用分析

彭 雷， 郭東華

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

波形梁鋼護(hù)欄熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁應(yīng)用分析

彭 雷， 郭東華

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

作為公路交通安全設(shè)施，波形梁鋼護(hù)欄對(duì)保障行駛安全、提高服務(wù)水平具有重要作用，而熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的波形梁鋼護(hù)欄表面處理技術(shù)。從外觀(guān)質(zhì)量、工藝特點(diǎn)、耐腐蝕性能、成本等方面對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比。結(jié)果表明:熱浸鍍鋁的耐蝕性能優(yōu)于熱浸鍍鋅，而熱浸鍍鋅溫度低、工藝控制簡(jiǎn)單;兩者成本均受生產(chǎn)方式及鋅鋁價(jià)格的影響;在實(shí)際應(yīng)用中，熱浸鍍鋅所占比例大，但隨著熱浸鍍鋁技術(shù)的日益完善，其應(yīng)用將會(huì)得到更大發(fā)展。

波形梁鋼護(hù)欄;交通安全設(shè)施;熱浸鍍鋅;熱浸鍍鋁;耐腐蝕

引 言

從1988年上海至嘉定高速公路建成通車(chē)至今，在“國(guó)道主干線(xiàn)系統(tǒng)規(guī)劃”的指導(dǎo)下，中國(guó)高速公路總體上實(shí)現(xiàn)了持續(xù)、快速和有序的發(fā)展，特別是1998年以來(lái)，國(guó)家實(shí)施積極的財(cái)政政策，高速公路得到快速發(fā)展，年均通車(chē)?yán)锍坛^(guò)了0.4萬(wàn)km。2005年，經(jīng)與相關(guān)部委聯(lián)合研究，交通部提出《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》，規(guī)劃從2005年起到2030年，國(guó)家將斥資兩萬(wàn)億元，新建5.1萬(wàn)km高速公路，使我國(guó)高速公路里程達(dá)到8.5萬(wàn)km公里。截至2010年底，高速公路由“十五”期末的4.1萬(wàn)km發(fā)展到7.4萬(wàn)km。隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，與之配套的波形梁鋼護(hù)欄等交通安全設(shè)施的應(yīng)用規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。

波形梁鋼護(hù)欄屬于公路的基礎(chǔ)設(shè)施，是一種縱向吸能結(jié)構(gòu)，通過(guò)自體變形或車(chē)輛爬高來(lái)吸收碰撞能量，從而改變車(chē)輛行駛方向，阻止車(chē)輛越出路外或進(jìn)入對(duì)向車(chē)道，最大限度地減少對(duì)乘員的傷害［1］。它對(duì)減輕事故的嚴(yán)重度，排除各種縱、橫向干擾，提高道路服務(wù)水平，增強(qiáng)道路景觀(guān)等起著重要的作用。

鋼鐵熱浸鍍鋅工藝開(kāi)始用于工業(yè)生產(chǎn)是在19世紀(jì)初期，該工藝發(fā)展較快，目前在全世界各國(guó)都得到了普遍應(yīng)用。采用熱鍍鋅層保護(hù)鋼鐵表面越來(lái)越廣泛被社會(huì)重視［2］。鋼鐵熱浸鍍鋁工藝出現(xiàn)較晚，在20世紀(jì)30年代才開(kāi)始在工業(yè)中得到應(yīng)用［3］。在交通安全設(shè)施領(lǐng)域，熱浸鍍鋅與熱浸鍍鋁也是兩種常用的波形梁鋼護(hù)欄耐腐蝕防護(hù)方法。本文將對(duì)波形梁鋼護(hù)欄熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁工藝特點(diǎn)、耐腐蝕性能和應(yīng)用前景等作比較分析。

1 外觀(guān)質(zhì)量

熱浸鍍鋅層呈亮灰色，隨著時(shí)間的推移，亮灰色向暗灰色轉(zhuǎn)變。熱浸鍍鋁層與熱浸鍍鋅層相比，顏色為銀白色，亞光，稍顯粗糙，隨著使用年限的增加，顏色變化不大。

熱浸鍍鋅層由表面自由鋅層和鐵鋅合金層組成。在熱浸鍍鋅過(guò)程中，鋼鐵基體與液態(tài)鋅通過(guò)鐵鋅反應(yīng)，在鋼基上形成由不同金屬間化合物相組成的鐵鋅合金層，合金層將表面自由鋅層與鋼基牢固地結(jié)合在一起，使鍍層具有良好的粘附性能。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，熱浸鍍鋅層的應(yīng)用歷史比較長(zhǎng)、應(yīng)用面及用量也比較大，而目前在高速公路建設(shè)中，也逐漸開(kāi)始使用熱浸鍍鋁涂層。

2 工藝比較

2.1 熱浸鍍鋁工藝的選擇

熱浸鍍鋁層表面應(yīng)具有實(shí)用性的光滑平整、顏色均勻一致及合理的鋁覆蓋層厚度，國(guó)內(nèi)工業(yè)上符合這樣要求的熱浸鍍鋁技術(shù)有［4］:以熔劑作為助鍍劑的熔劑法和以鈍化劑作為助鍍劑的鈍化法。熔劑法，是在助鍍環(huán)節(jié)使用各種熔劑來(lái)保護(hù)被鍍件在熱浸鍍鋁之前免于氧化，并在熱浸鍍鋁時(shí)熔劑主要以熔融態(tài)“脫離”的熱浸鍍鋁工藝。熔劑既可以水溶液方式使用，也可以熔融態(tài)的方式使用［5］。根據(jù)熔劑的使用方式不同，熔劑法又分為一浴法和二浴法。鈍化法是指在助鍍環(huán)節(jié)，通過(guò)使用鈍化劑(氧化劑)在鋼件表面形成可被鋁原子還原的活性氧化膜來(lái)保護(hù)鋼件免于氧化的熱浸鍍鋁方法。熔劑法熱浸鍍鋁層的表面較為光滑，呈亞光狀態(tài)，而鈍化法熱浸鍍鋁層的表面稍微粗糙，但較為光亮。

國(guó)內(nèi)外有5種熱浸鍍鋁工藝在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用過(guò)［6］:鈍化法、一浴法、低溫反應(yīng)鹽浴二浴法、高溫反應(yīng)鹽浴二浴法和高溫惰性鹽浴二浴法。

考慮成本因素，二浴法因采用兩臺(tái)加熱爐，導(dǎo)致產(chǎn)品成本偏高而難以采用。在生產(chǎn)效率方面，由于一浴法生產(chǎn)效率比鈍化法高，因此，采用一浴法進(jìn)行護(hù)欄產(chǎn)品的熱浸鍍鋁較為合適。

一浴法熱浸鍍鋁工藝流程為:鋼件→檢查→脫脂→熱水清洗→除銹→水洗→助鍍劑處理→干燥預(yù)熱→熱浸鍍鋁→去余鋁→空冷(矯正變形)→水冷→后處理→水洗→熱水洗→檢查→修整→包裝入庫(kù)。

一浴法工藝條件較寬，操作簡(jiǎn)單，成本低，設(shè)備投資少，是目前用得最多的波形梁鋼護(hù)欄熱浸鍍鋁方法。

2.2 熱浸鍍鋅工藝的選擇

熱浸鍍鋅是將表面經(jīng)清洗、活化后的護(hù)欄構(gòu)件浸于液態(tài)鋅中，通過(guò)鐵鋅之間的反應(yīng)擴(kuò)散，在鋼鐵表面生成鐵鋅合金層的過(guò)程。根據(jù)工藝操作方法的不同，熱浸鍍鋅可分為既有聯(lián)系又有區(qū)別的兩大類(lèi):連續(xù)熱浸鍍鋅和批量熱浸鍍鋅［7］。

2.2.1 連續(xù)熱浸鍍鋅

連續(xù)熱浸鍍鋅是在連續(xù)熱浸鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)上通過(guò)熱浸鍍鋅機(jī)組將構(gòu)件高速浸入鋅浴進(jìn)行鍍鋅。

1)帶鋼連續(xù)熱浸鍍鋅。帶鋼連續(xù)熱浸鍍鋅根據(jù)其不同的前處理方式可分為改進(jìn)的Sendzimir法、美鋼聯(lián)法、Cook-Nortemen(Wheeling)法和Selas法。

2)鋼管連續(xù)熱浸鍍鋅。熔劑法鋼管連續(xù)熱浸鍍鋅工藝:

堿洗→水洗→酸洗→水洗→熔劑處理→烘干→熱浸鍍鋅→冷卻。

氫還原法鋼管連續(xù)熱浸鍍鋅工藝:

微氧化預(yù)熱→還原→冷卻到鍍鋅溫度→熱浸鍍鋅→冷卻。

2.2.2 批量熱浸鍍鋅

批量熱浸鍍鋅是將加工后的護(hù)欄構(gòu)件單件或批量浸入鋅浴中進(jìn)行鍍鋅。其主要工藝流程包括:堿洗脫脂→水洗→酸洗除銹→水洗→浸溶劑助鍍→熱浸鍍鋅→水冷→鈍化。

批量熱浸鍍鋅按溶劑助鍍處理方法的不同分為干法(烘干熔劑法)熱浸鍍鋅和濕法(熔融溶劑法)熱浸鍍鋅［7］。干法是將鋼鐵構(gòu)件先浸入溶劑水溶液中，經(jīng)烘干后進(jìn)行鍍鋅;濕法是將鋼鐵構(gòu)件先通過(guò)鋅浴表面的熔融溶劑層，接著進(jìn)入鋅浴進(jìn)行鍍鋅。由于干法熱浸鍍鋅爆鋅少，產(chǎn)生的鋅渣較少，獲得的鍍層具有較好的粘附性，因此，目前護(hù)欄大多采用干法進(jìn)行批量熱浸鍍鋅。

批量熱浸鍍鋅可獲得較厚的鍍層。鍍層厚度與鋼鐵構(gòu)件的厚度、大小有關(guān)，通常構(gòu)件的厚度越厚，得到的鍍層也較厚。大多數(shù)鋼材在批量熱浸鍍鋅時(shí)，工藝條件的變化對(duì)鍍層厚度的變化相對(duì)不敏感。為了獲得較厚的鍍層，可適當(dāng)延長(zhǎng)浸鍍時(shí)間。

2.3 一浴法熱浸鍍鋁與熱浸鍍鋅的工藝比較

1)工藝過(guò)程。一浴法熱浸鍍鋁時(shí)，因鋁液表面有一層覆蓋熔劑，當(dāng)鍍件從鋁液中提出時(shí)必然也會(huì)在鍍層表面附著熔劑，這層熔劑對(duì)鍍鋁層有腐蝕作用，必須徹底去除。因此，與熱浸鍍鋅工藝相比，熱浸鍍鋁要有后處理，從而使工藝過(guò)程加長(zhǎng)，但鍍鋁層抗腐蝕性能好，鍍層的鈍化一般可省略。

2)工藝參數(shù)。熱浸鍍鋅與熱浸鍍鋁基本工藝參數(shù)的比較如表1所示［8］:

表1 工藝參數(shù)比較

熱浸鍍鋁工藝中最關(guān)鍵的是控制最低溫度，這是因?yàn)殇X液中w(鐵)一般在2.0%以上，溫度低于鐵飽和量時(shí)，會(huì)使鋁液的黏度急劇增加，形成超厚和十分粗糙的鍍層［6］。而溫度高雖然也會(huì)使合金層增厚，但增厚幅度有限，也不會(huì)出現(xiàn)合金層過(guò)厚時(shí)脫落的現(xiàn)象。

熱浸鍍鋁因?yàn)闇囟雀?，升到鍍鋁溫度所需的時(shí)間要長(zhǎng)一些，所以鍍鋁的最低時(shí)間比鍍鋅長(zhǎng)。但鍍鋁層的合金層厚度主要取決于溫度，浸鍍時(shí)間的影響較小?？傊涂刂乒に噮?shù)來(lái)說(shuō)，鍍鋁比鍍鋅寬松，對(duì)成本的影響比鍍鋅小，但鍍鋁需要更高的溫度及更長(zhǎng)的時(shí)間，這些都將增加其成本。

3)原材料要求。交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 281-2007《公路波形梁鋼護(hù)欄》、JT/T 457-2001《公路三波形梁鋼護(hù)欄》中規(guī)定:波形梁鋼護(hù)欄當(dāng)采用熱浸鍍鋅方法進(jìn)行金屬防腐處理時(shí)，熱浸鍍鋅所用的鋅應(yīng)為GB/T 470規(guī)定的特一號(hào)、一號(hào)鋅錠，當(dāng)采用熱浸鍍鋁方法進(jìn)行金屬防腐處理時(shí)，熱浸鍍鋁所用的鋁應(yīng)為GB/T 1196規(guī)定的特一級(jí)、特二級(jí)、一級(jí)鋁錠。

鋁錠中的雜質(zhì)是目前影響熱浸鍍鋁層外觀(guān)質(zhì)量的首要因素［6］。與熱浸鍍鋅不同，常用的工業(yè)一級(jí)鋁錠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有99.70%，含有多達(dá)0.3%的雜質(zhì)，雜質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)可能產(chǎn)生影響的最低限度。雜質(zhì)組成成分不同，某些雜質(zhì)元素必然會(huì)影響到鋁液的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性，最終影響熱浸鍍鋁層的連續(xù)性和外觀(guān)質(zhì)量。

4)熔劑組成。與熱浸鍍鋅只有單一的熔劑不同，熱浸鍍鋁的熔劑配方不同時(shí)，會(huì)影響鍍層中的針孔數(shù)量和表面光滑程度。同一方法但熔劑組成和純度的不同都會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3 耐腐蝕性能

3.1 熱浸鍍鋁層耐腐蝕機(jī)理

鋁是一種很活潑的金屬，當(dāng) pH=4.5～8.5之間，鋁處于鈍化區(qū)，也就是在鋁的表面生成一層鈍化膜，使鋁有很好的耐蝕性。當(dāng) pH＜4.5為酸性腐蝕區(qū)，pH＞8.5為堿性腐蝕區(qū)。一般地說(shuō)，在酸性腐蝕區(qū)以局部腐蝕為主，在堿性介質(zhì)中則以全面腐蝕為主。在大氣中，應(yīng)該說(shuō)鋁位于鈍化區(qū)，因?yàn)樵阡X的表面生成一層薄薄的氧化膜，它阻礙了活性鋁表面和周?chē)橘|(zhì)相接觸，所以使鋁在大氣中具有很好的耐蝕性。熱浸鍍鋁層在防蝕中具有三方面的作用［9］:

1)使鋼基與外界腐蝕介質(zhì)隔開(kāi)。

2)在海洋大氣中，它可以起著陰極保護(hù)的作用;當(dāng)環(huán)境或介質(zhì)中無(wú)氯化物存在時(shí)，比如低污染的大氣環(huán)境中，由于鈍化膜的隔離作用，其自然電位就會(huì)明顯高于鐵，鋁鍍層在此時(shí)對(duì)基材不再具有電化學(xué)保護(hù)作用。

3)它的表面可形成一種致密的附著性良好的氧化膜，可防止涂層進(jìn)一步被氧化。

3.2 熱浸鍍鋅層耐腐蝕機(jī)理

熱浸鍍鋅層對(duì)波形梁鋼護(hù)欄基材的保護(hù)作用主要有三個(gè)方面:

1)隔離保護(hù)。鋅是相當(dāng)活潑在金屬，但在大氣中和接近中性的水中，它的腐蝕速度相當(dāng)慢［10］。這是因?yàn)樵阡\的表面生成了不溶性的腐蝕產(chǎn)物ZnCO3·Zn(OH)2和致密的ZnO膜層，相當(dāng)于在鋅的表面形成鈍化保護(hù)膜，這就是鋅的鈍化性能，此時(shí)的保護(hù)機(jī)理為隔離保護(hù)。

2)陰極保護(hù)。鋅在酸性及堿性條件下不易生成鈍化膜(或發(fā)生膜的溶解)，使鋅的腐蝕加快，從而會(huì)失去保護(hù)作用。由于各種原因鋅層不可能完全純凈或絕對(duì)均勻，總含有一定量的雜質(zhì)和存在電化學(xué)性質(zhì)不均勻的區(qū)域，當(dāng)它處于介質(zhì)溶液中就構(gòu)成無(wú)數(shù)微觀(guān)的不能區(qū)分的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，形成局部腐蝕電池，即遭受電化學(xué)腐蝕。

因?yàn)殇\比鐵活潑，所以是微電池的陽(yáng)極，作為犧牲陽(yáng)極，靠它不斷溶解所產(chǎn)生的電流對(duì)被保護(hù)的金屬進(jìn)行陰極極化，自身受到腐蝕;鐵是微電池的陰極，只起傳導(dǎo)電子的作用，受到保護(hù)。在熱鍍鋅涂層中，與基材直接接觸的是鋅-鐵合金層。盡管如此，合金層的電位也比鐵的電位低，耦合的結(jié)果，基材仍然受到保護(hù)。幾乎在所有的電解質(zhì)中，鋅都可以成為鋼鐵材料的陽(yáng)極。鋅的這一特性使鍍鋅層在受到損壞或少量不連續(xù)時(shí)依然對(duì)鋼鐵起保護(hù)作用。

3)此外，當(dāng)鍍鋅層因選擇性溶解出現(xiàn)較小的不連續(xù)間隙時(shí)，鍍鋅層因?yàn)樾纬筛g產(chǎn)物而發(fā)生體積膨脹，使得間隙愈合，從而阻礙電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展［4］。這種現(xiàn)象，在熱帶海洋性大氣環(huán)境下的熱鍍鋅層腐蝕過(guò)程中，表現(xiàn)十分明顯。

4 成本分析

交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 281-2007《公路波形梁鋼護(hù)欄》、JT/T 457-2001《公路三波形梁鋼護(hù)欄》對(duì)熱浸鍍鋅及熱浸鍍鋁所用鋅鋁原材料有所要求，同時(shí)對(duì)構(gòu)件的鍍層質(zhì)量也有規(guī)定，如表2所示:

表2 熱浸鍍構(gòu)件的鍍層附著量要求

熱浸鍍鋁工藝浸鍍溫度高，所以能耗在總成本中的比例比鍍鋅高，而且鋁液表面有覆蓋劑，生產(chǎn)方式對(duì)覆蓋劑的消耗也有顯著影響，而且這兩項(xiàng)消耗都主要與生產(chǎn)方式有關(guān)。

一般說(shuō)來(lái)，采用一浴法立式生產(chǎn)方式，能耗折合電能大約在200 kWh/t，因液面面積小，覆蓋劑的消耗也少，所以，當(dāng)鋅與鋁同價(jià)時(shí)，鍍鋁的成本肯定比鍍鋅低［6］。對(duì)適合采用立式方式生產(chǎn)的產(chǎn)品，可以考慮用鍍鋁代替鍍鋅。尤其對(duì)于需要后續(xù)涂敷有機(jī)涂層的產(chǎn)品，不但降低成本，而且涂層結(jié)合力好，可簡(jiǎn)化涂層前處理工序。

當(dāng)產(chǎn)品必須采用臥式生產(chǎn)方式時(shí)，能耗與立式比增加1倍，覆蓋劑的消耗增加2倍，成本大致比立式高200～300元/噸，只有鋅價(jià)比鋁價(jià)更高一些，鍍鋁的成本才能比鍍鋅低［6］。

5 結(jié)論

熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁都是波形梁鋼護(hù)欄耐環(huán)境介質(zhì)腐蝕的有效方法。熱浸鍍鋁層耐熱性和防惡劣的工業(yè)大氣氣氛和海洋氣氛腐蝕效果比鍍鋅層好，當(dāng)環(huán)境或介質(zhì)中無(wú)氯化物存在時(shí)，將缺乏犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用，故其鋁鍍層壽命更長(zhǎng)，但其浸鍍溫度較高，容易漏鍍，且鍍層在水中會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕，令保護(hù)作用大大削弱。熱浸鍍鋅層在弱酸性、含SO2的工業(yè)大氣和海洋環(huán)境中的耐蝕性較差，但具有犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用，浸鍍溫度較低，工藝控制簡(jiǎn)單。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于熱浸鍍鋅設(shè)備材料使用壽命長(zhǎng)，工藝操作簡(jiǎn)便，質(zhì)量及環(huán)保污染易控制等優(yōu)勢(shì)，因而得到較大的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外的波形梁鋼護(hù)欄產(chǎn)品中，熱浸鍍鋅件所占比例比熱浸鍍鋁大得多。但同時(shí)由于鋁價(jià)的平穩(wěn)，以及鍍鋁層的潔白、光亮以及耐蝕性好等特點(diǎn)，隨著熱浸鍍鋁工藝日益完善，其應(yīng)用也將會(huì)得到更大的發(fā)展。

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Application Analysis of Zinc Hot Dipping and Aluminium Hot Dipping for Waveform Steel Beam Guardrails

PENG Lei，GUO Dong-hua
(Research institute of highway，ministry of transport，Beijing 100088，China)

As road traffic safety facilities，waveform steel beam guardrails play an important role on road driving safety and road service improving.Both zinc hot dipping and aluminium hot dipping are widely used in surface treatment for waveform steel beam guardrails all over the world.In this paper，the two technologies are analyzed in aspects of appearance quality，process characteristics，corrosion resistance and cost.Results show that aluminium hot dipping is better in corrosion resistance while zinc hot dipping is better for its lower temperature and easier controlling;both costs are related to production processing and raw material price.The application proportion of zinc hot dipping is much greater than aluminium hot dipping in actual but aluminium hot dipping would be used more and more in the future along with its technological improving.

waveform steel beam guardrail;traffic safety facility;zinc hot dipping;aluminium hot dipping;anti-corrosion

U491.5

A

1001-3849(2011)10-0026-05

2011-06-21

2011-07-25