稀土鋅合金制備過程稀土的利用率研究

李海龍 周燕祥

摘 要：本文通過石墨鐘罩法在井式坩堝電阻爐制備Zn -0.1%RE合金，并利用ICP對其進(jìn)行成分化驗(yàn)，研究不同熔化溫度、澆鑄溫度下稀土合金制備過程及其稀土合金二次熔化過程稀土的利用率；結(jié)果表明：稀土的燒損存在于合金化、澆鑄、二次熔化等三個(gè)階段；稀土合金制備最佳熔化溫度為580℃左右，最佳澆鑄溫度為500℃左右，稀土合金二次熔化時(shí)（結(jié)構(gòu)件鍍鋅環(huán)境下）燒損率：15%左右。

關(guān)鍵詞：稀土 ICP 利用率

中圖分類號(hào)：TF822 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）03（a）-0000-00

熱鍍鋅是鋼鐵防腐的有效方法之一，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]；熱浸鍍鋅浴中往往含有不同濃度的各種金屬元素，常見的有：鋁、鎂、錳、鎳、等[3]，旨在改進(jìn)鋅浴特性和鍍層質(zhì)量；為了適應(yīng)不斷提高的耐腐蝕要求，稀土被應(yīng)用到熱鍍鋅領(lǐng)域，并得到了廣泛的研究及應(yīng)用，但針對稀土的作用專家們持不同意見，部分認(rèn)為：在熱鍍鋅液中添加少量稀土元素，能夠增加鍍液的流動(dòng)性，提高鍍液的浸潤性和鍍層的附著力，同時(shí)提高熱浸鍍層的耐蝕性能；還有的認(rèn)為：稀土在熱鍍鋅液中存在量過少，甚至沒有；由于稀土活潑性較強(qiáng)，極易氧化，相對鋅熔點(diǎn)較高，不易直接添加到熱鍍鋅液中，而是制備成稀土熱鍍鋅合金進(jìn)行使用；而稀土到稀土熱鍍鋅合金利用率是多少？稀土熱鍍鋅合金到熱鍍鋅液中利用率又是多少？目前未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此研究稀土在合金制備過程中利用率對稀土合金在熱鍍鋅的應(yīng)用很有必要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原材料

用井式坩堝電阻爐和高純度石墨坩堝進(jìn)行合金配置；稀土添加使用自制的石墨坩堝鐘罩；材料：豫光0#鋅、鑭鈰混合稀土、精煉劑-氯化銨；化驗(yàn)設(shè)備采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（即ICP）。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)使用井式坩堝電阻爐制備Zn-0.1%RE合金，首先爐子加熱至200℃，將石墨坩堝放入爐內(nèi)，保溫15分鐘，取出坩堝，在坩堝內(nèi)壁涂抹一層滑石粉，之后放入爐內(nèi)，溫度加熱至500℃，將一定量的鋅錠放入坩堝；待鋅錠熔化后，熔化后氯化銨造渣，將溫度加熱至實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度，將稀土放入石墨鐘罩，放進(jìn)熔液，熔化過程觀察稀土熔化進(jìn)度，記錄熔化時(shí)間，充分熔化后均勻攪拌，使用取樣模具，在熔液內(nèi)部取樣，所取樣作為合金液的成分檢測樣，之后將溫度調(diào)整到澆鑄溫度，澆鑄成合金錠（1min完成），每組實(shí)驗(yàn)分別對合金液及合金錠的稀土含量進(jìn)行ICP化驗(yàn)（用車床將試樣車10g左右樣絲）。根據(jù)稀土-鋅相圖（固液線溫度），將實(shí)驗(yàn)方分為3種方案，采用豫光0#號(hào)鋅4994g，鑭鈰混合稀土6g；共進(jìn)行9組試驗(yàn)（如表1）：最后配置結(jié)構(gòu)件鍍鋅鋅鍋成分：0.05%鐵、0.009%鋁；鋅液溫度控制在440℃±3℃，進(jìn)行稀土合金二次熔化試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過ICP化驗(yàn)及時(shí)間記錄，得到了三種實(shí)驗(yàn)方案的稀土在合金液及合金錠中的含量及相應(yīng)的熔化時(shí)間，結(jié)果如表2、表3、表4：

從三種方案結(jié)果對比可以看出，方案二合金液中稀土利用率最高，平均可以達(dá)到88.9%；相同條件下金屬元素在合金化過程中，其燒損率隨著溫度升高而增加，而稀土由于活潑性較強(qiáng)，燃點(diǎn)較低，熔化過程極易燒損，其燒損率與合金化時(shí)間有直接關(guān)系；合金化時(shí)間越短，燒損率越低；結(jié)合熔化溫度及合金化時(shí)間，稀土合金在制備過程存在最佳熔化溫度為580℃左右；

從表5可以看出，在澆鑄成型過程，稀土仍存在明顯的燒損；從稀土（鑭鈰-鋅）相圖可以看出，Zn-0.1%RE合金中在凝固過程，稀土鑭以LaZn13固溶體存在，稀土鈰隨著溫度降低其存在形式由Ce2Zn17固溶體變成CeZn11固溶體；基于稀土自身的物理特性：燃點(diǎn)低于熔點(diǎn)（其燃點(diǎn)為200℃左右），因此在澆鑄過程中稀土鑭鈰將脫離固溶體發(fā)生氧化燒損，而且鈰的燒損較快，故澆鑄過程中凝固時(shí)間越短，其燒損氧化時(shí)間越短，伴隨的稀土燒損越低，從表5可知方案一中澆鑄燒損率最低為7%，故澆鑄溫度500℃左右較為合理；

將制備好的稀土合金5.1kg（稀土含量RE1：0.1002%），加入配置好的結(jié)構(gòu)件鍍鋅用的鋅液中（鋅液重量100kg），溫度為440℃±3℃，熔化完畢后，進(jìn)行ICP化驗(yàn)檢測其成分如表6所示；計(jì)算稀土二次熔化的燒損率結(jié)果如下：

利用公式2對稀土利用率進(jìn)行計(jì)算， 代表利用率，W3代表稀土合金重量，W2代表加入加入稀土合金后鋅液總重量；經(jīng)計(jì)算 =84.3%，則稀土合金二次熔化燒損率為15.7%。

3 結(jié)論

（1）稀土熱鍍鋅合金在制備過程，稀土的燒損存在于稀土熔化過程及澆鑄成型過程；稀土熔化過程的燒損率與熔化時(shí)間及熔化溫度有關(guān)，最合理的熔化溫度為580℃左右；最合理的澆鑄成型溫度為500℃左右；

（2）稀土合金在二次熔化時(shí)（即熱鍍鋅過程）存在燒損，其燒損率在15%左右。

參考文獻(xiàn)

[1] 高存貞，楊滌心，謝敬佩，等.高鋁鋅合金研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].熱加

工工藝，2010，39（7）：：23-26.

[2] 李祥，薛濤，劉榮佩，等.RE對ZA43合金組織、力學(xué)性能及抗磨性的影響[J].特種鑄造及有色合金，2007，27（5）：401-403.

[3] 孔綱，盧錦堂，陳錦虹，等.鋅浴中元素對鋼結(jié)構(gòu)件熱鍍鋅的影響[J]，2003，32（4）：7-8.