電力鐵塔鋼制件熱鍍鋅生產(chǎn)優(yōu)化工藝

苗立賢，李斌*，楊同法，陳立

（山東華彩新材料有限公司，山東 泰安 271600）

一般情況下，電力鐵塔都建設(shè)在野外。因為長期的暴露，并且長時間經(jīng)受各種惡劣天氣的影響，會受到長時間的腐蝕，而在受到大氣腐蝕以后，其損壞程度會相當?shù)膰乐?，甚至達到一半以上，給國民經(jīng)濟建設(shè)、能源和原始資源帶來不可彌補的損失。熱鍍鋅技術(shù)的發(fā)展和應用給鋼鐵防腐蝕帶來了生機。鋼鐵制件經(jīng)過熱鍍鋅之后，其使用壽命一般可以達到30年以上，這項技術(shù)在鋼鐵制件的防腐方面具有重要的經(jīng)濟意義。

由于輸變電鐵塔一般應用的都是角鋼，如果熱鍍鋅的效果沒有達到理想的程度，同時又受到了惡劣環(huán)境的影響，沒有熱鍍上鋅的部位則會氧化，出現(xiàn)銹蝕；另一方面，如果是在惡劣的潮濕環(huán)境中，鐵銹又產(chǎn)生了電化學反應，會加速鋼基體的腐蝕。因此，在電力鐵塔制件鍍鋅生產(chǎn)中，要按照熱鍍鋅的技術(shù)標準生產(chǎn)和檢驗，同時應避免在工藝操作上出現(xiàn)一些缺失。本文結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對電力鐵塔制件傳統(tǒng)熱鍍鋅工藝進行了優(yōu)化改進。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

1.1 工藝流程

脫脂(除油)─水洗─酸洗除銹─水洗─溶劑助鍍─烘干─熱鍍鋅─水冷卻─高鉻鈍化─水洗─烘干─檢驗─包裝。

1.2 主要缺陷

(1)清洗水沒有充分利用，存在較大的浪費。

(2)脫脂工序仍采用強堿 NaOH、Na2CO3和Na3PO4的混合水溶液，在高于80°C 的溫度下進行脫脂處理，工作環(huán)境因堿揮發(fā)而氣味較大；另因堿液濃度過高，制件在其中放置的時間較長，處理溫度太高等因素，制件在熱鍍鋅時容易出現(xiàn)鍍層表面粗糙不平和漏鍍。

(3)酸洗除銹劑一般采用濃度較高的鹽酸，容易使電力構(gòu)件出現(xiàn)過酸洗和氫脆現(xiàn)象。

(4)助鍍劑使用單一高濃度的氯化銨溶液，或者是氯化鋅和氯化銨的復合水溶液，但因為二者的配比不合理，容易使電力制件鍍鋅后出現(xiàn)漏鍍，同時造成鋅灰增多，造成鋅耗增加。

(5)鋼制鋅鍋采用手動式溫度調(diào)節(jié)控制，加熱溫度高，造成溫度波動大，使鋅渣增多，鋅的無效消耗大。

(6)熱鍍鋅后鍍層表面的高鉻鈍化廢水處理困難且費用高，已經(jīng)不適應環(huán)保的要求，屬于淘汰之范圍。

2 預處理工藝的改進

針對筆者所在公司的專業(yè)熱鍍鋅輸電線路鐵塔制件、變電站管塔制件表面油污少，結(jié)構(gòu)相對簡單等特點，取消了脫脂和脫脂后的水洗，采用低鉻鈍化技術(shù)和鈍化處理后無水漂洗、烘干工序。優(yōu)化后的工藝如下：

復合除銹劑除銹─溫水洗─復合助鍍劑(除鐵)─熱鍍鋅─水冷卻─低鉻鈍化─檢驗─包裝。

2.1 酸洗工藝及條件

上述常溫復合鹽酸酸洗液配方中的鹽酸是主要成分；磷酸的加入可提高酸洗速度；SLS 表面活性劑能起到潤濕和滲透的復合作用，同時能抑制酸霧；添加劑是一種含羧酸的有機物，可與Fe2+、Fe3+離子起配位作用，降低鹽酸酸洗液中鐵離子含量，有利于減少鋅液中鋅鐵合金(鋅渣)的產(chǎn)生和提高鋼制件表面鍍鋅層的延展性[1]。

酸洗時間以酸洗干凈為準，一般情況下是25～35 min。

2.2 分類酸洗的方法

進入鍍鋅生產(chǎn)線的鋼構(gòu)件在酸洗之前，要區(qū)別工件的銹蝕程度。已經(jīng)銹蝕嚴重的和一般銹蝕的要分開進行酸洗。腐蝕情況不同，酸洗的時間不同，這樣可以避免在同一時間內(nèi)銹蝕嚴重的欠酸洗，而輕微銹蝕的過酸洗。過酸洗的工件最容易發(fā)生析氫現(xiàn)象和在表面出現(xiàn)麻坑。對于嚴重銹蝕的工件要進行特殊的預處理(如噴砂等)，處理后可以單獨將其放進酸洗池中，酸洗20～40 min 后將其吊出酸池外放置10～24 h，待其產(chǎn)生新的鐵銹后再進行酸洗，這樣除銹的效果好。在鹽酸濃度不高的情況下或在天氣較冷的季節(jié)，為了加快酸洗速度，可以采用微型風機向酸洗池的酸液中通入空氣，以便使酸液簸動，從而提高酸洗效果。

為了避免工件在酸洗的時候欠酸洗，要避免工件與工件之間重疊、緊貼，一定要使工件相互隔開，或者是用特制的輔助工具對工件進行酸洗除銹。對于鋼板一類的工件，采取吊掛的方式酸洗又快又好。

2.3 復合酸洗劑除銹

使用復合鹽酸酸洗劑對工件進行酸洗，可以加快酸洗的速度，同時避免過酸洗的現(xiàn)象以及減少酸霧的逸出，降低酸液的消耗。一般情況下1 t 復合鹽酸酸洗劑可以酸洗40 t 以上的工件，較一般鹽酸直接酸洗節(jié)約鹽酸25%～30%。

酸洗后采用溫水漂洗工件。其優(yōu)點在于能較好地漂洗掉工件表面上殘存的鐵鹽，溶解鐵鹽的速度快，避免工件表面上粘附的鐵鹽進入下道浸粘助鍍工序。溫水的來源為工件熱鍍鋅后的冷卻水，一般溫度在60°C左右，靠兩個槽子的高度差或使用離心循環(huán)水泵，使溫水不斷地流進酸洗后的漂洗水池中。

2.4 復合助鍍劑的使用

2.4.1 助鍍劑的選擇

無論在國外還是國內(nèi)，目前在干法熱鍍鋅生產(chǎn)中，均廣泛應用以氯化鋅和氯化銨混合組成的助鍍劑。ZnCl2·NH4Cl 是有穩(wěn)定成分的化工雙鹽，易結(jié)晶在鋼制件表面。其中ZnCl2在助鍍劑中的作用是最根本的，其起到涂層作用，盡可能減少工件在酸洗之后和浸鋅之前的氧化；NH4Cl 遇熱易揮發(fā)和產(chǎn)生過多的鋅灰，所以其含量不能太高，以避免工件在浸鋅過程中形成過多的煙霧。另外，以ZnCl2、NH4Cl 為基礎(chǔ)的助鍍劑有很好的自(動)干(燥)效果。據(jù)報道，在歐洲氯化鋅和氯化銨的混合比約為0.8?，F(xiàn)在國內(nèi)熱鍍鋅工件通常不烘干，同時考慮使用成本，降低氯化銨含量以減少其所產(chǎn)生的白煙塵霧，助鍍劑中總的鹽含量為250～300 g/L，并逐步采用氯化鉀來代替氯化銨[2]。

2.4.2 復合助鍍劑的配方及工藝條件

2.4.3 復合助鍍劑的再生

復合助鍍劑采用凈化再生的方法去除二價鐵離子，使其含量控制在1.0 g/L 以下。再生處理時，首先緩慢加入雙氧水，并不斷地攪拌，使其充分反應(當pH <3 時，需要先加入一定量的氨水進行中和)；然后加氨水調(diào)整pH 至4.5～5.2；再靜止4～6 h，將澄清液放入助鍍劑槽中；反應槽底部的沉淀物可通過壓濾機分離出可用的助鍍劑溶液和Fe(OH)3泥渣[3]。過濾機為增強聚丙烯壓濾機框式過濾機XM/YZB 型，能連續(xù)清除助鍍劑中的鐵離子。濾布建議采用300 目。為了避免濾布四周泄漏助鍍液，在濾布的四周采用一種密封的材料[4]，可以消除濾布毛細現(xiàn)象，實現(xiàn)無泄漏過濾。

添加雙氧水(H2O2)的量可按式(1)計算：

式中1m ──純雙氧水的用量(工業(yè)品的H2O2純度有27.5%、35%、50%三種)，g；1ρ ──待處理液中FeCl2含量，g/L；V──待處理液容積，L。

添加氨水的量可按式(2)計算：

式中 2m ──純氨水的用量(工業(yè)品的NH4OH 純度為28%～29%)，g；2ρ ──待處理液中HCl 含量，g/L。

通過連續(xù)過濾，助鍍劑中亞鐵離子可從10～20 g/L降低到0.6 g/L 以下，此時鋼制件熱鍍鋅噸耗純鋅降低0.466%～1.007%，平均降低0.737%。如果按年產(chǎn)鍍鋅件20 000 t 計算，每年最少可節(jié)約鋅147.4 t。

3 熱鍍鋅工藝的優(yōu)化

3.1 熔鋅鍋的設(shè)計

熔鋅鍋的尺寸設(shè)計應滿足最大的鍍鋅工件尺寸要求，必須考慮到生產(chǎn)量和鋅鍋的加熱方式。如果鋅鍋太小，那么熱容量小，鍍鋅時維持不了所需要的溫度，造成鋅液波動大，直接影響到鍍層質(zhì)量，也加劇對鋅鍋的腐蝕，產(chǎn)生的鋅渣將增多，對鋅鍋的使用壽命也有一定的影響。故在設(shè)計鋅鍋時，一定要根據(jù)產(chǎn)能來計算鋅鍋的熔鋅量。根據(jù)實際經(jīng)驗，考慮到生產(chǎn)的節(jié)拍、工序間的轉(zhuǎn)運等因素，鋅鍋的容量是產(chǎn)量的25～35 倍。鋅鍋的長度應比工件的長度多1.0～1.5 m 為宜?，F(xiàn)在一般采用鋅鍋的尺寸為13.0 m(長)× 2.0 m(寬)× 2.8 m(高)。該尺寸較能照顧到相當大的范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)件的熱鍍鋅，熔鋅量大約為440 t，產(chǎn)量為10～13 t/h。

3.2 鋅鍋材質(zhì)的選用

鋅鍋的材質(zhì)對其使用壽命至關(guān)重要，最早采用08F鋼作為鋅鍋的制作材料，現(xiàn)在一般采用進口WKS 板材。在現(xiàn)在的鍍鋅溫度條件下，鋅鍋的使用壽命一般能達到8年以上。在初次熔鋅之前對鋅鍋內(nèi)壁涂覆一層1.0～1.5 mm 厚的耐鋅液腐蝕的BGF 型涂料，能避免熔鋅過程中鋅液局部高溫引起的腐蝕[5]。一定要按升溫曲線圖的要求進行升溫，如上述鋅鍋的熔鋅時間最少應在160～170 h。初次熔鋅最好不要添加任何含有鋁的合金。當生產(chǎn)即將開始時，可按要求添加五元或多元合金。生產(chǎn)之前一定要做好凈化鋅液、排除浮渣等準備工作。

3.3 鋅液溫度的控制

人們對提高鋅液流動性有一個誤區(qū)，認為提高鋅液流動性可以減薄鋅層的厚度，鋅液溫度越高，鋅液的流動性越好。過去鋼制件鍍鋅一直采用450～465°C，實際上是適得其反，溫度越高反而鍍鋅層越厚。研究表明，鋅液流動性和溫度幾乎沒有關(guān)系，實際上鋅液的流動性主要取決于鋅液中的鐵含量，即鐵含量越高，鋅液的流動性就越差。鐵在鋅液中的飽和濃度隨鋅液溫度的升高而上升[6]。對于Q235 鋼制件鍍鋅，優(yōu)化后的工藝溫度控制在435～448°C 之間，較傳統(tǒng)工藝的鋅液溫度低10～15°C，同時噸鍍件能源消耗降低30%～35%?？梢栽谶@樣低的溫度下鍍鋅的前提條件是向鋅液中添加一種稀釋性多元合金[7]。

生產(chǎn)前要按生產(chǎn)計劃和區(qū)分工件材質(zhì)，合理安排熱鍍鋅工作。主要區(qū)分是Q235 鋼或是Q345 鋼，還要根據(jù)工件的質(zhì)量、尺寸及形狀調(diào)整鋅液溫度，一般控制在444°C 為宜，以照顧到不同長度和質(zhì)量的工件。Q235 鋼制件可以稍高，Q345 鋼可以稍低。Q235 鋼材鍍鋅溫度與鋼構(gòu)件的厚度關(guān)系見表1，不同鋼構(gòu)件的鍍鋅溫度參考范圍見表2。

表1 Q235 鋼材的熱鍍鋅溫度與其厚度的關(guān)系Table 1 Relationship between galvanizing temperatures for Q235 steel parts and thicknesses

表2 不同鋼構(gòu)件熱鍍鋅的參考溫度Table 2 Galvanizing temperatures for different steel structural parts

3.4 浸鋅時間的控制

在一定的溫度條件下，同樣的材質(zhì)，浸鋅時間的長短直接影響著鍍鋅層的厚薄。鍍鋅溫度主要是根據(jù)鋼制件的材質(zhì)、厚度、總體長度、質(zhì)量決定下來后，熱鍍鋅鋼制件在保證鍍層技術(shù)要求的前提下，通常盡量地減薄鍍層厚度，此時就要盡量縮短鋼制件的浸鋅時間。國家標準GB/T 2694–2010《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》中對鍍鋅層厚度的要求是：對于厚度≥5 mm的鍍件，鍍層最小厚度為70 μm，最小平均厚度86 μm，最小平均附著量為610 g/m2；對于厚度<5 mm 的鍍件，鍍層最小厚度為55 μm，最小平均厚度65 μm，最小平均附著量為460 g/m2。該標準中未對鍍鋅層厚度的上限進行規(guī)定，但對于企業(yè)來說，鋅層厚度越接近下限為最好，越能節(jié)約鋅。根據(jù)實際經(jīng)驗，一般的制件厚度在6 mm 的情況下，每縮短1 min，鍍層將減薄 15～20 μm。Q235 鋼制件厚度與浸鋅時間的關(guān)系見表3(浸鋅溫度為440～450°C)。

表3 Q235 鋼制件厚度與浸鋅時間的關(guān)系Table 3 Relationship between the thicknesses of Q235 steel parts and galvanizing time

3.5 鋼制件起吊速度與鍍層厚度的關(guān)系

鋼制件起吊速度與鍍層厚度的關(guān)系亦十分密切，起吊速度越快，鍍鋅層越厚。一般情況下，要求鋼制件在烘干的條件下不濺鋅，進入的速度越快越好，以減少鋼制件的浸鋅時間。但是，在浸鋅完畢后，制件離開鋅液面的速度要控制在1.8～2.5 m/min[8]。由于浸鋅的溫度要求與鋼鐵當中的硅量匹配，所以，對浸鋅的時間也存在一定的要求。鍍層的厚度和浸鋅的時間成正比，而浸鋅的時間要與工件厚度進行一定的匹配。如果工件較厚，其浸鋅的時間必須延長，反之，則要縮短浸鋅時間。如果鍍層較厚，必須對鋅液成分進行調(diào)整，并且要控制好浸鋅的溫度，才能將鍍層減薄。引出速度較快時，鍍層會變厚。在一般情況下，引出速度必須要與鋅液下流的速度相近才正確，而鋅液下流的速度與鋅液的含鐵量以及溫度有一定關(guān)系，具有一定的不確定性，需要根據(jù)實際情況總結(jié)出溫度、速度與鍍層厚度的關(guān)系。

3.6 鍍鋅操作

鍍鋅操作要圍繞鍍層質(zhì)量，以降低鋅耗為原則。鍍件進入鋅液前，用刮灰板先將液面的氧化層清除。刮灰板浸入鋅液的深度以2 cm 為宜，過深容易使鋅液隨鋅灰一起被刮走，并有扣鋅的可能性，增加鋅錠的消耗。鋼制件進入鋅液時應平穩(wěn)、緩慢，盡量保持傾斜或垂直位置，鋼制件上表面浸入鋅液的深度以200～300 mm 時比較合適，并應適當進行上下竄動，以盡快排出鋅灰。

鋼制件從鋅鍋引出時，應盡量保持傾斜或垂直位置，以使多余的鋅液順流脫落，并及時振動，以去除多余的鋅。從鋼制件的引出角度上看，應盡量垂直引出。即使受條件限制，引出的角度也應大于45°。行車的吊鉤與鋅面的距離應與鋅鍋的長度相等，這樣才能保證工件表面光滑。

3.7 鋅鍋中鋅錠及合金的補充

熱鍍鋅所用的鋅錠為GB/T 470–2008《鋅錠》中規(guī)定的Zn99.995 牌號。生產(chǎn)過程中要保持鋅液面的高度一定。鋅液面的不穩(wěn)定，一般情況是鋅液面偏低，通常是操作工為了趕產(chǎn)量，不愿意及時補充鋅錠，這樣做十分有害，不但增加噸工件的鋅耗，而且增加熱量和燃料的消耗。由于鍍鋅過程中鋅的消耗，每天可根據(jù)鍍鋅件的實際消耗量來添加鋅錠和補充鋅基合金。添加鋅基合金的原則應該是，按補加多少鋅錠的質(zhì)量來添加鋅基合金。添加后鋅液中微量鋁(Al)為0.025%～0.030%、錫(Sn)為0.003%～0.006%、鉍(Bi)為0.015%～0.02%。向鋅液內(nèi)加入鋅錠、稀土鋅基合金(或鋅鋁合金)時，均需干燥至表面無水后方可用吊籃筐盛裝，然后浸在鋅液面下30～40 cm 處熔化。多元合金的添加方法仍然遵循少加勤加的原則，以減少鋅液中合金元素的損耗。

4 鍍鋅后鋼構(gòu)件的冷卻與鈍化處理

4.1 水冷卻

鋼制件熱鍍鋅后，要及時進行冷卻處理，主要是避免鐵與鋅繼續(xù)反應而出現(xiàn)明顯的色差。一般的鐵塔制件熱鍍鋅通常都是用水進行快速冷卻，所以可以降低色差。對于特別薄的低碳鋼制件，由于是在超低溫條件下鍍鋅，可以不必下水冷卻，利用空氣便可以將其冷卻。冷卻水應保持流動，水質(zhì)清澈，pH 應在6～8之間，水溫須保持在60°C 以下。冷卻時必須整個塔材浸入水中。原則上是先出鋅液面的部分先入水冷卻，并注意防止鋼構(gòu)件的變形；對于多邊形管塔一類的制件，冷卻時要注意鋼管塔里面的水噴出而燙傷人體。冬季寒冷天氣開始生產(chǎn)時，要預先將冷卻水加熱至25°C再對制件進行冷卻。

4.2 無水漂洗低鉻鈍化處理

鈍化處理主要是為了提高表面亮度及抗白銹能力。以往一直是采用由六價鉻(CrO3)、硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)組成的三酸鈍化工藝，鈍化后需要清水漂洗，對鈍化漂洗水處理較困難，此鈍化工藝屬于淘汰范圍。

低鉻鈍化無水漂洗工藝是目前比較先進、實用的一種工藝，鈍化效果可靠。其鈍化液是由4～6 g/L 氯化鉻、0.6～1.0 g/L 鉻酐、0.2 g/L 硫酸(98%)、2.0～10.0 g/L 酸性硅溶膠混合的水溶液。鈍化時pH 為1.8～2.5，溫度為常溫，時間為5～10 s。為促進鈍化處理，鈍化時工件在鈍化液中應竄動一次，以防止相互接觸處鈍化不良。

鈍化檢驗依據(jù)鈍化膜呈亮黃色為正常，用手指擦拭不掉為檢驗標準。該配方工藝在鈍化后不需要水漂洗，主要是增強鈍化的效果。

4.3 鍍鋅后的處理

4.3.1 卸料

必須在吊架支撐后進行，嚴禁無支撐卸料；應清除鍍件表面的殘渣與滴瘤。

4.3.2 檢驗、修復

外觀應具有實用性，光滑，不應有毛刺、滴瘤、多余結(jié)塊和鋅灰，不得有漏鍍等缺陷。修復的總漏鍍面積不應超過每個鍍件總表面積的0.5%，每個修復漏鍍面不應超過10 cm2。若漏鍍面積較大，應進行返鍍。修復的方法可以采用熱噴涂鋅或涂富鋅涂層進行修補，修復層的厚度應比鍍鋅層要求的最小厚度大30 μm以上。

4.3.3 包裝

包裝應牢固，采用有彈性的包裝物包裝，保證在運輸過程中包捆不松動，避免構(gòu)件之間、構(gòu)件與包裝物之間相互磨擦而損壞鍍鋅層。鋼管管體的凸出部分，如法蘭、節(jié)點板等，需用包裝物包裝。

5 結(jié)語

采用本文給出的復合酸洗、復合助鍍劑工藝和熱鍍生產(chǎn)流程，能夠滿足電力鐵塔鋼制件熱鍍鋅的技術(shù)要求。在鋼制件熱浸鍍鋅中，需要在鋅液中添加含有微量鋁(0.025%～0.030%)、錫(0.003%～0.006%)和鉍(0.015%～0.020%)的多元素合金才能實現(xiàn)在435～448°C 的低溫下鍍鋅，鍍層色澤一致。需要指出的是，多元合金的添加方法仍然遵循少加勤加的原則，可以減少鋅液中合金元素的損耗。采用無水漂洗低鉻鈍化工藝，可以實現(xiàn)無廢水排放的要求。鈍化劑中含有2.0～10.0 g/L 的酸性硅溶膠，可以提高鈍化效果。實際生產(chǎn)證明，本工藝具有明顯的節(jié)能降耗作用，具有可操作性和推廣價值。

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