鍍錫板生產(chǎn)線上錫的意外電結(jié)晶的防治

張振林*，楊鵬飛王海林

（1.中國鋼研科技集團有限公司，北京　100081；2.先進金屬材料涂鍍國家工程實驗室，北京　100081）

【經(jīng)驗交流】

鍍錫板生產(chǎn)線上錫的意外電結(jié)晶的防治

張振林1，*，楊鵬飛1，王海林1，2

（1.中國鋼研科技集團有限公司，北京100081；2.先進金屬材料涂鍍國家工程實驗室，北京100081）

分析了帶鋼連續(xù)電鍍錫生產(chǎn)線運行過程中電鍍槽內(nèi)出現(xiàn)錫的意外電結(jié)晶現(xiàn)象。電絕緣失效、雙極性電鍍均能導致錫的意外電結(jié)晶的發(fā)生。從設(shè)計、操作與維護方面提出了防治對策。

帶鋼；電鍍錫；電結(jié)晶；雙極性電鍍；電絕緣失效

First-author's address: China Iron & Steel Research Institute Group， Beijing 100081， China

鍍錫鋼板主要用于包裝領(lǐng)域，其具有良好的耐蝕性與密封性，機械強度高，易于加工成型、裝飾和回收再利用，在金屬包裝材料中占據(jù)重要地位。當前商品鍍錫鋼板普遍采用酸性法（二價錫）電鍍的方式進行生產(chǎn)，主流類型是以苯酚磺酸或甲基磺酸為電解液的立式鍍槽電鍍生產(chǎn)線［1］。

在電鍍錫鋼板的生產(chǎn)過程中，鍍錫段的電鍍槽內(nèi)經(jīng)常會發(fā)生帶鋼表面以外區(qū)域錫的電結(jié)晶，俗稱“長錫花”。錫的意外電結(jié)晶（以下簡稱“錫花”）的出現(xiàn)非常有害，主要表現(xiàn)為：（1）“錫花”在溶液的循環(huán)攪動下易被剝離而進入鍍液，并被咬入到帶鋼與輥子之間，引起產(chǎn)品的表面質(zhì)量問題，造成廢品或者損傷膠輥表面；（2）“錫花”的不斷生長會持續(xù)消耗電流，導致電鍍電量的損失并降低了陰極的電流效率，對工藝控制也造成干擾；（3）“錫花”不易回收且無法直接在生產(chǎn)中再利用，造成金屬錫的直接利用效率下降。

1　“錫花”的成因分析

“錫花”的外形尺度一般從數(shù)毫米至數(shù)十厘米，基本形狀主要有3種，分別為尖塔狀、樹枝狀以及瘤（菜花）狀，見圖1示例。

圖1　鍍槽內(nèi)產(chǎn)生的“錫花”Figure1　“Tin flower” produced in tinning tank

“錫花”的產(chǎn)生從原理上講是由于“錫花”的生長部位（陰極）、鍍槽內(nèi)的高電勢部位（陽極）以及電鍍液之間構(gòu)成了電解池，并且陰陽極之間具有了足夠的電位差?！板a花”的不同形態(tài)反映了其所處環(huán)境的離子濃度、電流密度、極化電位、溶液流動性的差異［2-3］。

圖 2示意了一種工業(yè)生產(chǎn)中常見的立式鍍槽，其中：槽體與膠輥一般采用鋼襯膠材質(zhì)進行防腐和電絕緣；槽體與鋼結(jié)構(gòu)之間，膠輥軸承底座與鋼結(jié)構(gòu)之間，以及膠輥與電動機傳動軸之間的連接則通過絕緣襯套、絕緣墊板等進行電絕緣。

圖2　立式電鍍槽結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2　Schematic diagram showing the structure of vertical electroplating tank

在實際電鍍生產(chǎn)的過程中，“錫花”可能出現(xiàn)于鍍液液面以下的任何部件表面，如槽體內(nèi)壁、膠輥、不溶性陽極板或者槽內(nèi)金屬連接件上，等等。應當注意的是，有的位置上出現(xiàn)的“錫花”并非是原生的，往往是從其他位置掉落而來，應該加以區(qū)別。下面就“錫花”出現(xiàn)的幾種典型情況進行分析。

1. 1電絕緣失效并伴隨電流接地產(chǎn)生的“錫花”

槽體或膠輥襯膠層在實際使用的過程中難免出現(xiàn)磕碰、老化、磨損等現(xiàn)象，膠層破損并露出鋼制基體表面后，槽內(nèi)的電絕緣隨之失效。槽外部分也易由于絕緣墊老化、破損或檢修沖洗后積液等原因而導致電絕緣失效。圖3、圖4分別示意了槽體與膠輥的一種內(nèi)、外絕緣失效位置。當內(nèi)、外電絕緣同時失效后，槽體或膠輥將直接接地。于是在外加電流的作用下，槽內(nèi)的電絕緣失效部位與電鍍陽極之間將構(gòu)成電解池，生成“錫花”。

圖3　槽體絕緣失效示意圖Figure 3　Schematic diagram of insu lation failure of the tank

1. 2雙極性電鍍產(chǎn)生的“錫花”

雙極性電鍍也稱為雙電極電鍍，易發(fā)生于純金屬鍍槽、槽內(nèi)金屬換熱管、掉落槽內(nèi)的鍍件或金屬異物等物體的表面，其除了發(fā)生陰極電沉積外，還會發(fā)生陽極氧化腐蝕［4-7］。

電鍍錫生產(chǎn)線在槽體、膠輥等部件外部絕緣良好的情況下，鍍槽內(nèi)也會出現(xiàn)“錫花”，其產(chǎn)生機理可以用雙極性電鍍很好地解釋。如圖5所示，A、B代表鍍槽內(nèi)的兩處襯膠損壞位置，其中位置A離陽極距離較近，位置B離帶鋼距離較近。此時部分電鍍電流將借道槽體流入帶鋼，位置A將呈現(xiàn)陰極特性，發(fā)生還原反應，而位置B將呈現(xiàn)陽極特性，發(fā)生陽極氧化。

圖4　膠輥絕緣失效示意圖Figure 4　Schematic d iagram of insulation failure of roller

除此之外，電鍍槽內(nèi)的金屬外表面的連接件或金屬異物也會發(fā)生雙極性電鍍，生成“錫花”。如圖 5中所示，鍍槽內(nèi)的金屬連接螺栓發(fā)生雙極性電鍍時，位置C產(chǎn)生錫花，位置D產(chǎn)生陽極氧化腐蝕。

1. 3陽極表面出現(xiàn)的“錫花”

圖6示意了立式電鍍槽陽極的一般設(shè)置情況，用于上、下表面電鍍的陽極對構(gòu)成了一個電鍍通道，即：T（n）與B（n）構(gòu)成通道（n），T（n + 1）與B（n + 1）構(gòu)成通道（n + 1）。

圖5　雙極性電鍍示意圖Figure 5　Schem atic diagram of bipolar electrop lating

圖6　同一鍍槽內(nèi)的電鍍通道Figure 6　Electrop lating passes in a tank

陽極表面上“錫花”的出現(xiàn)需要特定的形成條件，且一般情況下出現(xiàn)在無電流（電壓）負載設(shè)定的陽極表面，其產(chǎn)生機理也不外乎1.1和1.2所述。

在實際生產(chǎn)的過程中，陽極的整流供電系統(tǒng)故障將導致出現(xiàn)陽極無負載的情況。而差厚電鍍、陽極電流負載分配不合理等，往往導致同一電鍍槽內(nèi)的陽極之間存在較大的電勢差。同一鍍槽內(nèi)陽極間的高電勢差為“錫花”的生長提供了電沉積的動力，是“錫花”產(chǎn)生的必要條件之一。

1. 3. 1無負載陽極的接地

當無負載陽極的固定件絕緣失效并發(fā)生接地后，其與正常帶電陽極之間將形成電解池，如T（n）與T（n + 1）之間形成的電解池。

對于不溶性陽極，由于陽極的寬度大于帶鋼寬度，同一電鍍通道的陽極對之間也存在形成電解池的可能性，如帶鋼邊部遮罩沒有對陽極對的放電面形成有效遮擋。

1. 3. 2低負載陽極的接地

低負載陽極發(fā)生絕緣失效并接地后，陽極表面的電勢將存在較大梯度，此時陽極表面的低電勢區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)出陰極特性。

1. 3. 3無負載陽極的雙極性電鍍

無負載陽極的雙極性電鍍一般情況下發(fā)生在上表面電鍍的陽極表面上，如T（n）為無負載陽極，T（n + 1）為正常負載陽極，則T（n）與T（n + 1）相對的一面將呈現(xiàn)陰極特性，而它與帶鋼相對的一面將呈現(xiàn)陽極特性。

對于不溶性陽極，當帶鋼邊部遮蔽罩沒有形成有效遮擋時，該電鍍通道的陽極對也存在生成“錫花”的條件，此時無負載陽極的側(cè)面區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)出陰極特性。

2　“錫花”的防治

2. 1絕緣失效的防治

（1） 加強安裝、檢修過程中對表面襯膠設(shè)備的保護，防止出現(xiàn)意外損壞。

（2） 注意基板板形的控制，避免板形不良的基板進入生產(chǎn)線，防止與設(shè)備產(chǎn)生刮擦而引起損壞。

（3） 停機檢修期間做好電絕緣檢查，發(fā)現(xiàn)問題后盡快修復或更換備件。

（4） 形成良好的備件更換計劃，防患于未然。

2. 2雙極性電鍍的防治

（1） 電鍍槽內(nèi)盡量減少金屬外表面零部件的使用，優(yōu)先采用相對惰性的金屬材料（如鈦材）或高強度的非金屬材料。

（2） 對非在槽內(nèi)用不可且具有金屬外表面的零部件，其設(shè)計位置應盡量遠離電極，或者采用屏蔽罩、耐蝕絕緣涂層等進行電屏蔽。

（3） 發(fā)現(xiàn)掉落槽內(nèi)的金屬異物后應盡快取出。

（4） 合理調(diào)整同一鍍槽內(nèi)電鍍陽極的電流負載。對于因供電系統(tǒng)故障而長時間無法帶載荷使用的陽極，應降低其電流負載或者退出載荷狀態(tài)。

（5） 對于供電無故障的無負載陽極，應進行間歇性或連續(xù)性的微電流帶載荷運行，防止陽極表面“錫花”的形成與累積。

（6） 對于不溶性陽極，帶鋼邊部遮蔽罩失效后，該通道的陽極對應切入微電流帶載荷運行狀態(tài)或者整體退出載荷狀態(tài)，并將電流負載需求調(diào)配至其他正常陽極上。

3　結(jié)語

電鍍錫生產(chǎn)線鍍槽內(nèi)“錫花”的可形成條件相對較多，生產(chǎn)過程中難以完全避免，因此需要生產(chǎn)操作人員跟蹤觀察，分析原因，并預備合理的處置措施。做好日常的檢修、維護工作，合理地調(diào)整操作工藝，均可以在一定程度上降低“錫花”的產(chǎn)生，為電鍍錫生產(chǎn)線的正常運行做好保障。

［1］ ITRI. Guide to Tinplate ［M］. 2nd ed. Hertfordshire， UK: ITRI， 2000: 14-23.

［2］ 査全性. 電極過程動力學導論［M］. 3版. 北京: 科學出版社， 2002: 301-311.

［3］ PAUNOVIC M， SCHLESINGER M. Fundamentals of Electrochemical Deposition ［M］. 2nd ed. Hoboken， NJ: John W iley & Sons， Inc.， 2006: 113-135.

［4］ 陳治良. 簡明電鍍手冊［M］. 北京: 化學工業(yè)出版社， 2007: 47-49.

［5］ 李井建. 雙極性機理及其在生產(chǎn)中的應用和危害［J］. 杭氧科技， 1999 （1）: 35-37.

［6］ 唐春華. 雙極性現(xiàn)象及其應用［J］. 電鍍與環(huán)保， 1990， 10 （1）: 3-6.

［7］ 李景堯. 關(guān)于雙極性電鍍原理的討論［J］. 兵工學報（防腐與包裝分冊）， 1983 （4）: 18-23.

［ 編輯：溫靖邦 ］

Prevention and control of undesired tin electrocrystallization in electrolytic tinning line

ZHANG Zhen-lin*，YANG Peng-fei， WANG Hai-lin

The phenomenon called undesired tin electrocrystallization occurred in plating tank during the continuous electrolytic tinning of strip steel in production line was analyzed. Either electric insulation failure or bipolar electroplating would lead to such phenomenon. Some countermeasures were presented from the aspects of design， operation and maintenance. Keywords: steel strip； electrolytic tinning； electrocrystallization； bipolar electroplating； electric insulation failure

TQ153.1

B

1004 - 227X （2016） 12 - 0633 - 04

2016-03-17

2016-04-26

張振林（1979-），男，山東青島人，碩士，工程師，從事帶鋼電鍍錫生產(chǎn)線的工藝設(shè)計。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） 18910176011@163.com。