熱浸鍍鋅工藝機理的研究現(xiàn)狀

鄧紹成

（中電建成都鐵塔有限公司，四川 成都 610213）

熱浸鍍鋅技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)材料的防腐處理工作中有著十分完善成熟的生產(chǎn)能力，但是隨著當(dāng)前社會建設(shè)的迅猛發(fā)展，更多建筑工程項目需要在不同的環(huán)境和氣候下施工，這對鋼結(jié)構(gòu)的防腐能力也提出新的挑戰(zhàn)。

1 熱浸鍍鋅工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

熱浸鍍鋅工藝發(fā)展至今已經(jīng)有一百八十多年的歷史，也是當(dāng)前最有效的防腐處理工藝，熱浸鍍鋅技術(shù)是將加工處理好的鋼結(jié)構(gòu)部件浸入鋅中進行鍍鋅處理。這種技術(shù)主要應(yīng)用于一些不能進行長時間連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)的材料，比如鋼管、鋼絲等材料。當(dāng)前熱浸鍍鋅技術(shù)被廣泛的 應(yīng)用于交通、電力、通信、建筑等行業(yè)中，例如建筑護欄、燈柱、建筑水暖設(shè)備、鋼構(gòu)焊接、線路材料等。當(dāng)前我國在熱浸鍍鋅方面制造的材料總數(shù)高達1000萬噸以上，在這一領(lǐng)域中的相關(guān)企業(yè)多大1000余家，當(dāng)前我國已經(jīng)成為熱浸鍍鋅技術(shù)產(chǎn)量最高的國家[1]。在實際的生產(chǎn)中，熱浸鍍鋅技術(shù)主要的特點為：產(chǎn)量總數(shù)大、經(jīng)驗豐富缺少理論技術(shù)創(chuàng)新、污染嚴(yán)重。根據(jù)當(dāng)前我國在熱浸鍍鋅技術(shù)上的運用，需要從宏觀角度對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進行調(diào)整，逐漸轉(zhuǎn)變熱浸鍍鋅技術(shù)和設(shè)備對環(huán)境造成的損害。但是由于我國的熱浸鍍鋅技術(shù)正處于發(fā)展階段，因此很難從根源上實現(xiàn)熱浸鍍鋅的技術(shù)轉(zhuǎn)型，如技術(shù)工藝不穩(wěn)定、熱浸鍍鋅質(zhì)量不足、受制造工人的技術(shù)影響較高、生產(chǎn)環(huán)境差、從業(yè)人員老齡化嚴(yán)重等，這些問題對熱浸鍍鋅工藝都會產(chǎn)生影響，因此隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展，熱浸鍍鋅工藝已經(jīng)逐漸成為落后的夕陽產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前鋅資源日益短缺，而室外鋼體結(jié)構(gòu)的防腐能力需求逐漸提升，對鋼材料的防災(zāi)（雪災(zāi)、地震、凍雨等）能力也更加重視，很多現(xiàn)代化的建筑工程中對鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)材料的各項技術(shù)指標(biāo)都有了新的要求，這些情況也刺激著熱浸鍍鋅工藝需要進一步創(chuàng)新發(fā)展。當(dāng)前，我國在熱浸鍍鋅工藝上的研究已經(jīng)落后于這一技術(shù)的應(yīng)用推廣需求。

2 熱浸鍍鋅的形成機理

在熱浸鍍鋅工藝的理論部分中，通常認為鍍鋅的形成過程是由鐵與鋅之間的化合物形成的，但是在鐵、鋅金屬化合物之間的形成過程包括其反應(yīng)順序等機理一直沒有準(zhǔn)確的答案。在熱浸鍍鋅工藝形成的初期階段，科學(xué)家認為熱浸鍍鋅的化合物生成順序是α、Γ、δ、ζ依次形成的。但是隨著熱浸鍍鋅工藝的不斷成熟，人們認為其金屬化合物的形成順序是α、ζ、δ、Γ。而這些機理的研究實驗都是針對鍍鋅層的試樣進行金屬相顯微實驗進行分析觀察進而得來的，通過對樣品中Fe-Zn元素的二元相形式圖片進行觀測分析，得到其中的化合物形成順序。而隨著現(xiàn)代化的元素檢測技術(shù)的不斷成熟，例如高分辨率的顯微設(shè)備、能譜分析技術(shù)、電化學(xué)逐層剝離技術(shù)、微區(qū)檢測技術(shù)等都日益完善，而這些技術(shù)設(shè)備對熱浸鍍鋅工藝中鍍鋅層形成順序以及組織結(jié)構(gòu)等方面都有著重要的作用。通過這些現(xiàn)代化的技術(shù)手段能夠更加準(zhǔn)確的分析出熱浸鍍鋅工藝的機理。但是目前這些技術(shù)也都屬于末端分析的常規(guī)形式，而對于鍍鋅層的傳熱形式、傳質(zhì)、液固界面等內(nèi)容缺少針對性的研究手段[2]。

根據(jù)當(dāng)前的熱浸鍍鋅工藝來看，鍍鋅層的形成大體上可以分為兩部分，即浸入環(huán)節(jié)以及脫離鋅浴后的冷卻環(huán)節(jié)。浸入環(huán)節(jié)是實現(xiàn)液固界面的關(guān)鍵階段，而冷卻環(huán)節(jié)則是固界面的擴散和成型階段。但結(jié)合實際操作可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料離開鋅浴時，鍍鋅層還沒有完全形成，而此時的材料表面形成的合金層也與完全在室溫下形成的合金層有所區(qū)別，因此可以看出這一階段中合金層中的鋅元素與鐵元素依然在進行著擴散反應(yīng)，同時，在這一階段中合金層上還附著一層處于液體狀態(tài)的鋅元素層，而這層液態(tài)的鋅元素層也正處于逐漸固化的狀態(tài)。而冷卻環(huán)節(jié)在整個熱浸鍍鋅工藝中很少被人們重視，但是在實際的操作中，如果出現(xiàn)問題則會造成非常嚴(yán)重的后果，通過試驗可以證實鋅元素與鐵元素需要在200℃到220℃之間進行擴散，但是如果長時間處于這一溫度區(qū)間內(nèi)，鋅鐵元素的擴散狀態(tài)由于其速度不同則會出現(xiàn)柯肯達爾現(xiàn)象，而這一情況最終會導(dǎo)致在材料上的鍍鋅層發(fā)生脫落?？梢钥闯鲭S著熱浸鍍鋅工藝的不斷發(fā)展，其工藝機理中發(fā)現(xiàn)的問題也就越多[3]。

當(dāng)前人們開始通過更加科學(xué)的計算方法研究熱浸鍍鋅工藝的形成機理，其中包括對鋅元素的二元、三元、四元合金工藝進行分析研究。通過對元素的相位Zn-Fe-Al進行分析和檢測，對熱浸鍍鋅工藝中的冶金熱力學(xué)內(nèi)容有了一定的成果，進而推動了熱浸鍍鋅工藝的發(fā)展，但是還是缺少對鋅鐵元素在擴散過程中的形成機理數(shù)據(jù)，也沒有在脫離鋅浴環(huán)節(jié)和冷卻環(huán)節(jié)中進行聯(lián)系的分析。

3 熱浸鍍鋅的合金機理

在熱浸鍍鋅工藝中，鍍鋅層的合金化合物主要功能就是對合金元素抑制支晶的形成，降低在鋅層表面的張力，降低晶界的腐蝕情況，此外還可以有效的降低合金的熔點，增強鍍鋅過程中液態(tài)鋅的流動性，提高材料的耐腐蝕能力。同時合金化合物在提高材料耐腐蝕能力的情況下還可以減少鍍鋅層的厚度，進而降低熱浸鍍鋅工藝的生產(chǎn)成本，減少制造中的浪費情況。當(dāng)前熱浸鍍鋅工藝的合金研究已經(jīng)成為這一技術(shù)的重點研發(fā)方向，很多專家學(xué)者都對熱浸鍍鋅工藝的合金技術(shù)進行了大量的實驗研究。目前，在熱浸鍍鋅中最主要的合金元素是Al、V、Sn、Bi、Ti、Pb、RE、Ni、Mg等。例如在熱浸鍍鋅工藝中將Ti元素加入合金中可以有效的提高材料鍍鋅層的耐電化腐蝕以及鹽霧腐蝕的能力，成功抑制含有硅元素的活性鋼出現(xiàn)Sandelin現(xiàn)象。還有在鍍鋅層合金中加入鈦元素，發(fā)現(xiàn)其耐電化腐蝕能力也十分出色。而在鋅浴中加入鈦元素以及鋁元素，成功的形成Zn-Ti-Al的三元合金鍍鋅層。

在這些合金技術(shù)以及新型元素加入的實驗中都不具有規(guī)律性，是通過不斷的合金實驗才得出的成果，在實驗中針對鍍鋅層的厚度、化學(xué)元素成分、合金強度、耐腐蝕能力等進行分析和檢測并對其取舍。當(dāng)前熱浸鍍鋅工藝的合金研究主要是依靠相關(guān)經(jīng)驗展開，通過改變鍍鋅溫度、浸入時間、合金元素種類、劑量等參數(shù)，找到新的合金形成結(jié)果，最終通過實驗分析出鍍鋅層的新功能和新結(jié)構(gòu)，檢測改變相關(guān)參數(shù)之后的變化是否成功[4]。

在實際的熱浸鍍鋅生產(chǎn)中，在鋅浴中加入其他元素形成新的合金主要的目的有：第一，能夠提高材料鍍鋅層的外觀形象，讓鍍鋅層能夠有更為均勻的顏色和光澤度。第二，在達到材料標(biāo)準(zhǔn)的情況下，降低材料鍍鋅層的厚度，減少合金層中鋅元素的含量，有效降低生產(chǎn)成本。而通過添加新元素達到提高鍍鋅層耐腐蝕性很多生產(chǎn)企業(yè)都并不重視。在實際的技術(shù)應(yīng)用中，合金元素主要是用中間合金的形式向鋅鍋中加入。當(dāng)前中間合金的種類、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)技術(shù)都比較混亂，而這些情況都會導(dǎo)致熱浸鍍鋅的合金過程中出現(xiàn)問題。隨著熱浸鍍鋅工藝的不斷應(yīng)用，更多復(fù)雜的環(huán)境也促使著熱浸鍍鋅技術(shù)不斷的發(fā)展創(chuàng)新，很多惡劣的環(huán)境氣候都會對熱浸鍍鋅的成品造成影響，因此在未來的技術(shù)創(chuàng)新中需要對研發(fā)、生產(chǎn)等多個方面入手。

4 結(jié)語

綜上所述，熱浸鍍鋅是針對鋼結(jié)構(gòu)材料進行防腐處理的工藝技術(shù)，而隨著現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，很多建設(shè)工程中都會應(yīng)用熱浸鍍鋅的鋼結(jié)構(gòu)材料，而人們對材料的防腐需求也在不斷提高，這就需要在熱浸鍍鋅工藝中不斷創(chuàng)新發(fā)展，通過對熱浸鍍鋅機理的研究，提高熱浸鍍鋅的使用效果。