熱鍍鋅板無(wú)鉻鈍化處理的工藝及設(shè)備

馬東旭 柳會(huì)梅

1.無(wú)鉻鈍化技術(shù)

鉻酸鈍化膜中的三價(jià)鉻化合物是膜的主要成分，它難溶于水，具有較高的穩(wěn)定性，強(qiáng)度高，是構(gòu)成鈍化膜的骨架，使鍍層得到良好的保護(hù)，而六價(jià)鉻化合物分布于膜的內(nèi)部起到填充空隙作用，它易溶于水，能使鍍層發(fā)生再鈍化，當(dāng)鈍化膜輕微損傷時(shí)，可溶性的六價(jià)鉻化合物會(huì)自動(dòng)氧化新裸露的金屬表面，被還原成三價(jià)鉻和氧化物，形成新的皮膜修復(fù)損傷部位，抑制受傷部位鍍鋅層的腐蝕，即鈍化自愈功能。

盡管鉻酸鹽的鈍化優(yōu)勢(shì)明顯，但是由于六價(jià)鉻的存在，嚴(yán)重污染環(huán)境。在尋找鉻酸鹽的替代物過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外研究較多的有鉬酸鹽、硅酸鹽、鈦鹽、稀土金屬鹽溶液、磷酸鹽鈍化等無(wú)機(jī)鹽類(lèi)鈍化，也有采用腐植酸、單寧酸、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、二氨基三氮雜茂及其衍生物等有機(jī)鈍化。但是研究發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有單一的無(wú)機(jī)或者有機(jī)具有與鉻酸鹽相近的成膜性和自我修復(fù)能力。

目前已經(jīng)應(yīng)用的無(wú)鉻鈍化工藝有：無(wú)機(jī)物鈍化、有機(jī)物鈍化、氧化物鈍化（硅酸鹽磷化等）和有機(jī)金屬化合物鈍化等。其中效果較好的是以下兩種：

（1）無(wú)鉻表面處理藥劑的復(fù)合組成型已取得比較好的效果。復(fù)合路線即由多種具有優(yōu)良單一功能的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合形成，在成膜性及自我修復(fù)能力上發(fā)揮極致的無(wú)鉻藥劑。

這類(lèi)無(wú)鉻表面處理藥劑由成膜劑和緩沖劑兩大類(lèi)復(fù)合而成。成膜劑的主要成分由樹(shù)脂、螯合劑等復(fù)合而成，使得成膜的致密性得到了最大程度的強(qiáng)化。同樣，起到自我修復(fù)作用的緩蝕劑也由多種金屬化合物及有機(jī)螯合劑復(fù)合成，可發(fā)揮不同緩蝕劑的各自特長(zhǎng)，使得總體緩蝕效果達(dá)到或者接近六價(jià)鉻水平。該產(chǎn)品在導(dǎo)電性、耐堿性、耐溶劑性、耐黑變性、涂裝性等方面也具備優(yōu)良的性能表現(xiàn)。

（2）有機(jī)鈍化在耐蝕性和再加工性上達(dá)到鉻酸鹽鈍化處理水平。有機(jī)鈍化處理后的鍍鋅板要求具有優(yōu)異的外觀質(zhì)量、良好的耐蝕性和導(dǎo)電性等。要保證上述特征，工藝要求涂層薄（小于3微米）且要致密、均勻。而這與有機(jī)鈍化藥劑的性質(zhì)、涂敷工藝合成膜固化工藝密切相關(guān)。

2.無(wú)鉻鈍化輥涂工藝及設(shè)備

熱鍍鋅鋼板后處理（有鉻鈍化）方式初期采用噴淋方式，但因鈍化介質(zhì)鉻酐（俗稱(chēng)紅礬）是劇毒物品，在鈍化作業(yè)區(qū)，由于鈍化液的揮發(fā)會(huì)惡化操作環(huán)境，廢液排放也會(huì)污染水源，造成公害，所以必須控制。作為對(duì)策，一般采用輥涂法，利用涂層輥蘸取鈍化溶液，將其涂敷于鍍鋅板的表面，然后不經(jīng)漂洗而直接吹干，從而降低了對(duì)環(huán)境的污染。

輥涂機(jī)的形式有臥式和立式兩種，兩種輥涂機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。立式輥涂機(jī)操作和維護(hù)較為簡(jiǎn)便，對(duì)于膜厚控制、板面質(zhì)量控制及換輥等均有較大優(yōu)勢(shì)，但需要較高的廠房，設(shè)備投資大。臥式輥涂機(jī)的操作和維護(hù)較為不便，但是廠房要求低?？梢愿鶕?jù)機(jī)組的平面布置可以采用不同的形式。

輥涂機(jī)的主要作用是在帶鋼表面涂覆一層均勻而致密的鈍化膜。與其他純有機(jī)型涂料相比，有/無(wú)機(jī)復(fù)合型無(wú)鉻鈍化液中的固體含量相對(duì)較低。另外，為了使無(wú)鉻鈍化產(chǎn)品獲得良好的綜合性能，鈍化膜的厚度要控制在一定的范圍內(nèi)，膜太薄，耐蝕性低，膜太厚，導(dǎo)電性差，一般膜厚的控制范圍為每面0.5微米-1.0微米，因此對(duì)輥涂機(jī)的工藝參數(shù)要求較高。

涂膜的質(zhì)量與輥涂機(jī)的控制方式有關(guān)，輥涂機(jī)涂覆輥的旋轉(zhuǎn)方向與帶鋼運(yùn)行方向相反稱(chēng)為逆涂，輥涂機(jī)涂覆輥的旋轉(zhuǎn)方向與帶鋼運(yùn)行方向相同稱(chēng)為順涂，對(duì)于表面質(zhì)量要求高的產(chǎn)品，均采用逆涂的方式進(jìn)行控制。

涂膜的厚度主要與藥劑黏度、取液輥速度、涂覆輥速度、帶鋼速度、取液輥與涂覆輥間壓力等參數(shù)有關(guān)。取液輥的主要功能為通過(guò)輥?zhàn)有D(zhuǎn)從托盤(pán)中把鈍化液帶到涂覆輥上，轉(zhuǎn)速高，藥劑黏度大，帶上的藥劑就多，取液輥的轉(zhuǎn)速一般控制為30%-70%的帶鋼速度。涂覆輥的轉(zhuǎn)速與膜厚成正比關(guān)系，一般涂覆輥的轉(zhuǎn)速控制為130%-200%的帶鋼速度。涂覆輥與取液輥間的壓力與膜厚成反比關(guān)系，壓力越大，膜越薄，壓力越小，膜越厚，因此需要選擇合適的壓力，使膜厚控制在合理的范圍內(nèi)。涂覆輥與帶鋼間的壓力對(duì)膜厚的影響較小，主要是把涂覆輥上的鈍化液涂覆到帶鋼上，壓力太大會(huì)影響涂覆輥的使用壽命。

在薄有機(jī)涂層厚度控制方面，主要從控制黏液輥與涂敷輥之間的壓力和涂敷輥與帶鋼之間的壓力入手：

M=ρC(Qa-Ql)/V

其中:

ρ為涂料黏度；

C為涂料固體成分的濃度；

Qa為涂料供給量；

Ql為涂料得流出量；

V為帶鋼運(yùn)行速度。

在基本模型的基礎(chǔ)上，利用彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論建立了更為完善的控制模型：

M=CV0.6(NP-0.2G1V1- NA-0.2G2V2)

其中，C為涂料的參數(shù)（與涂料的黏度、密度、固含量等有關(guān)）；

V為帶鋼運(yùn)行的速度；

NP、NA分別為吸料輥和涂敷輥之間的壓力，帶鋼與涂敷輥間的壓力；

G1、G2為涂敷輥材料的參數(shù)（與涂敷輥輥徑、表面狀態(tài)等物理性能有關(guān)）；

V1、V2為機(jī)組的速度參數(shù)。

由此可見(jiàn)，通過(guò)控制涂料物理性能和輥涂工藝參數(shù)可控制涂層膜的厚度與均勻性。對(duì)于給定的有機(jī)鈍化劑，膜層厚度和均勻性受涂敷輥和吸料輥的速度、涂敷輥和吸料輥之間的壓力、涂敷輥與帶鋼之間的壓力影響最大。

用于輥涂機(jī)鈍化處理除了輥涂機(jī)設(shè)備本體外，還配備有循環(huán)系統(tǒng)。一般連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組的后處理設(shè)置為：一臺(tái)輥涂機(jī)配備兩套循環(huán)系統(tǒng)，用于不同的處理藥劑。循環(huán)系統(tǒng)可以自動(dòng)切換和反沖洗，如果更換處理品種只需要更換托盤(pán)即可。

3.無(wú)鉻鈍化烘干和冷卻工藝及設(shè)備

3.1 無(wú)鉻鈍化烘干和冷卻工藝要求

有/無(wú)機(jī)復(fù)合型無(wú)鉻鈍化液的固化溫度要求不同，比傳統(tǒng)鈍化烘干溫度PMT（金屬峰值溫度）要求要高。根據(jù)不同化學(xué)涂料廠家提供的無(wú)鉻鈍化處理的藥劑，要求成膜固化溫度也不同（見(jiàn)表1）。

從表1中可以看出，無(wú)鉻鈍化藥劑廠家對(duì)于烘干PMT要求比鉻酸鹽鈍化液要高，最高達(dá)到110℃。無(wú)鉻鈍化技術(shù)不僅對(duì)烘干溫度有具體要求，為了保證生產(chǎn)出綜合性能都好的鈍化膜，對(duì)于不同烘干型式的烘干也有具體要求。

烘干后的帶鋼采用常規(guī)的空氣冷卻方式，在冷卻塔頂?shù)谝桓D(zhuǎn)向輥前，要求把帶鋼溫度降到65℃-70℃以下，防止鈍化膜在高溫下發(fā)生劃傷、黏結(jié)等缺陷。帶鋼卷取的溫度，要求低于40℃。

立式輥涂后處理的冷卻塔高度根據(jù)烘干溫度PMT(80℃-100℃)和帶鋼接觸塔頂?shù)谝桓D(zhuǎn)向輥帶鋼溫度(＜65℃-70℃)要求進(jìn)行確定。目前，連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組的后處理設(shè)計(jì)都需要考慮無(wú)鉻鈍化處理要求，PMT要求100℃，這也是整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 無(wú)鉻鈍化烘干方式和冷卻設(shè)備形式

無(wú)鉻鈍化烘干一般采用三種形式：熱風(fēng)干燥、感應(yīng)加熱烘干、紅外線加熱烘干。冷卻一般均采用空氣冷卻，部分廠家采用水冷輥進(jìn)行冷卻。

熱風(fēng)干燥是采用輻射管及電加熱管等加熱設(shè)備來(lái)加熱循環(huán)空氣，燃?xì)庖话悴捎媒範(fàn)t煤氣或者天然氣。其優(yōu)勢(shì)是由外向內(nèi)地加熱帶鋼，烘干時(shí)間長(zhǎng)，能有效地烘干帶鋼表面的鈍化液，不易產(chǎn)生氣孔等缺陷。劣勢(shì)在于熱風(fēng)的熱效率低，需要配置較長(zhǎng)的設(shè)備達(dá)到烘干溫度。采用熱風(fēng)烘干的設(shè)備高度一般需要10m-15m左右，才能保證涂層烘干質(zhì)量。

表1 國(guó)內(nèi)鍍鋅機(jī)組常用的兩家無(wú)鉻鈍化藥劑企業(yè)的具體要求

感應(yīng)加熱烘干也被經(jīng)常被應(yīng)用，可以在很短的時(shí)間內(nèi)使帶鋼達(dá)到設(shè)定溫度，加熱速度快。其缺點(diǎn)是帶鋼在很短的時(shí)間里達(dá)到較高的溫度，不利于鈍化液水分的充分揮發(fā)，易造成水分殘留在鈍化膜中，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

熱風(fēng)干燥由外到內(nèi)加熱；紅外加熱：由內(nèi)向外加熱，兩者不同。紅外線可穿透層，具有更強(qiáng)的加熱能力，有利于鈍化液中水分揮發(fā)，使鈍化膜具有較好的成膜質(zhì)量。但是單體設(shè)備投資較大，且由于紅外線燈管很容易因?yàn)槊芊鈫?wèn)題，或者濺射到燈管上的鈍化液或其他雜物而損壞，維護(hù)費(fèi)用高。

以上三種烘干型式中，連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組采用熱風(fēng)干燥型式，因其經(jīng)濟(jì)適用，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，使用最多。如機(jī)組廠房上方空間有限，在高速情況下進(jìn)行無(wú)鉻鈍化烘干，其熱風(fēng)干燥的設(shè)備長(zhǎng)度不夠，而采用感應(yīng)加熱或者紅外加熱方式是另一途徑。

烘干后的冷卻設(shè)備通常采用常規(guī)的空氣冷卻方式，通過(guò)風(fēng)機(jī)抽取廠房?jī)?nèi)的空氣，然后以強(qiáng)大的氣流速度吹到帶鋼的表面，實(shí)現(xiàn)降溫達(dá)到冷卻要求。部分廠家采用水冷輥的方式對(duì)帶鋼進(jìn)行冷卻，輥芯通入循環(huán)冷卻水帶走帶鋼熱量，其缺點(diǎn)是輥面易結(jié)露，影響鈍化后皮膜質(zhì)量。

3.3 無(wú)鉻鈍化的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著境保要求越來(lái)越嚴(yán)，尤其是歐洲頒布了《關(guān)于回收?qǐng)?bào)廢電子電器產(chǎn)品的指令》（WEEE）及《電子電氣產(chǎn)品中有害物質(zhì)限制使用的指令》（ROHS），明確規(guī)定產(chǎn)品中限制或者禁止使用包括Cr6+，Pb，Cd，Hg等6種物質(zhì)。為滿(mǎn)足對(duì)環(huán)境友好型熱鍍鋅表面處理鋼板的需求，用輥涂機(jī)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)無(wú)鉻熱鍍鋅鈍化圖層鋼板逐漸得到重視，并取得了較快發(fā)展。

根據(jù)國(guó)外用戶(hù)對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的環(huán)保及國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)家電廠商對(duì)無(wú)鉻鈍化產(chǎn)品的要求，目前國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)，如寶武、首鋼、本鋼、鞍鋼、河鋼等都已應(yīng)用無(wú)鉻鈍化熱鍍鋅鋼板的工藝技術(shù)，鍍鋅鋼板無(wú)鉻鈍化技術(shù)已漸趨成熟。從現(xiàn)階段研究來(lái)看，雖然一些無(wú)鉻鈍化產(chǎn)品在某些性能上達(dá)到或者接近六價(jià)鉻鈍化的水平，但總體上無(wú)鉻鈍化產(chǎn)品的綜合性能與有鉻鈍化產(chǎn)品還有部分差距。由于無(wú)鉻鈍化藥劑要求工藝更加精湛、品種繁多、要求藥劑成本較高，加上經(jīng)濟(jì)的無(wú)鉻鈍化藥劑和成熟無(wú)鉻鈍化工藝的不斷探索，無(wú)鉻鈍化鍍鋅板將成為以后鍍鋅產(chǎn)品的發(fā)展方向。隨著環(huán)保法規(guī)的日臻完善，企業(yè)的環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)無(wú)鉻鈍化產(chǎn)品必將占領(lǐng)市場(chǎng)，含鉻鈍化產(chǎn)品會(huì)逐漸退出市場(chǎng)。

4.小結(jié)

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，無(wú)毒環(huán)保的無(wú)鉻鈍化技術(shù)已成為發(fā)展的必然。國(guó)內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)已逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)鉻鈍化技術(shù)應(yīng)用，但在鍍鋅行業(yè)內(nèi)，無(wú)鉻鈍化技術(shù)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步完善。目前，對(duì)于連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組的無(wú)鉻鈍化工藝技術(shù)和設(shè)備選型已很明確，鋼鐵企業(yè)應(yīng)肩負(fù)自己的環(huán)境責(zé)任，在規(guī)劃建設(shè)和改造連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組過(guò)程中，采用環(huán)境友好的無(wú)鉻鈍化技術(shù)。

參考文獻(xiàn)略