環(huán)保高效熱鍍鋅合金鋼絲技術(shù)研究

李永迪，宮明江，于茂來(lái)，王占學(xué)，王志廣，周宗才*

（1.天津市工大鍍鋅設(shè)備有限公司，天津 300130；2.天津華源線材制品有限公司，天津 301600）

為提高鋼絲的耐腐蝕性能，可在其表面鍍覆保護(hù)金屬層或合金層，從而大幅提高其使用壽命。根據(jù)鋼絲的不同用途，常選擇不同的物理化學(xué)方法或者電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)表面耐腐蝕層的鍍覆，主要包括：熱鍍、電鍍、噴鍍、滲鍍、化學(xué)鍍、真空鍍等方法［1-3］。在沿海地區(qū)、海洋環(huán)境、橋梁纜索等領(lǐng)域應(yīng)用的鋼絲，對(duì)其耐腐蝕性有更加苛刻的要求，通常應(yīng)采用熱鍍的方式鍍覆合金耐腐蝕層，這種工藝是將鋼、不銹鋼、鑄鐵等金屬浸入熔融液態(tài)金屬或合金中獲得鍍層的一種工藝技術(shù)，獲得的鍍層厚度較大，有利于提高耐腐蝕性能［4］。鋅鋁鎂合金鍍層的抗腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于純鋅鍍層和鋁合金鍍層，因此多采用熱鍍鋅鋁合金和熱鍍鋅鋁鎂合金［5］。

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)主要采用國(guó)內(nèi)普遍采用先鍍鋅后鍍合金的方法，即雙鍍法對(duì)鋼絲進(jìn)行熱鍍，但是這種方法需要進(jìn)行兩次助鍍、烘干和熱浸鍍，這種方式會(huì)導(dǎo)致合金液的稀釋，需要定期檢測(cè)、調(diào)整鍍液的成分和重復(fù)加熱，造成合金鍍液和能源浪費(fèi)的同時(shí)，致使工藝流程過(guò)程長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高［6］。因而生產(chǎn)企業(yè)紛紛采用單絲高速熱浸鍍工藝，但是由于提高車速致鋼絲在鍍液中停留時(shí)間過(guò)短，鍍層與基體結(jié)合力不好，大幅降低了成品率［7］。因此改進(jìn)高速熱工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保地高速熱鍍鋅合金，是國(guó)內(nèi)各個(gè)熱鍍鋅企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

本文研究了鋼絲前處理工藝，采用預(yù)加熱、機(jī)械除脂和環(huán)保除銹的方法，實(shí)現(xiàn)了不添加助鍍劑的高速熱浸鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金前處理工藝，能提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染。

1 工藝改進(jìn)

1.1 助鍍工序改進(jìn)

針對(duì)線徑為5.10 mm 的半成品鋼絲熱鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金時(shí)，傳統(tǒng)工藝無(wú)法避免助鍍劑的使用，常用的助鍍劑是氯化銨、氯化鋅或者多種氯化物的混合物。氯化鋁是低熔點(diǎn)高黏度的化合物，會(huì)附著在鋼絲基體表面，在熱浸鍍過(guò)程中，使鍍液對(duì)鋼絲的浸潤(rùn)性變差，鍍層表面產(chǎn)生大量的漏鍍、針孔和氣泡［8］。生產(chǎn)過(guò)程中不但會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕，而且氯離子的引入也會(huì)導(dǎo)致鋅鍋中會(huì)產(chǎn)生大量鋅渣，降低鋅的利用率。將預(yù)熱技術(shù)引入單絲高速熱浸鍍工藝是一種節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)效率高的解決方法。

預(yù)熱工藝將鋼絲先預(yù)熱至200 ℃以上，再浸入鋅合金鍋，預(yù)熱過(guò)程使鋼絲表面快速升至與鍍液溫度相近，鋼絲表面的鐵原子在高溫下更易于與鍍液中鋅合金結(jié)合，可以形成致密的鍍層。鋼絲在鋅鍋中省去了冷態(tài)升溫的過(guò)程，直接與鍍液反應(yīng)，使鍍層與基體有很好的結(jié)合力。在150～500 m/min 的高速熱鍍過(guò)程中，鋅鍋主要起到供鋅的作用，工件在鍍液中停溜的時(shí)間短且反應(yīng)快，鋅鐵合金層迅速形成，阻擋了鐵原子向鋅液里的擴(kuò)散，因此鋅渣產(chǎn)生少。此外，鋅鍋所承受的熱負(fù)荷小，腐蝕減輕，因此鋅鍋的壽命長(zhǎng)。

本工藝不需使用助鍍劑，不會(huì)生成氨氣、氯化氫等氣體，污染環(huán)境。同時(shí)，這種預(yù)熱工藝減少了鋅鍋對(duì)鋼絲加熱所需的容量，相當(dāng)于傳統(tǒng)鋅鍋容量的五分之一至十分之一，節(jié)約了成本和能源。而且由于省去了助鍍工序，一條生產(chǎn)線即可進(jìn)行單鍍鋅盡可以用于合金鍍。

1.2 脫脂工序改進(jìn)

常見(jiàn)的脫脂方法是用熱堿。熱堿即氫氧化鈉，存在以下缺點(diǎn)：（1）具有強(qiáng)腐蝕性，片狀或粉末狀固體遇水會(huì)放出大量的熱，容易發(fā)生危險(xiǎn)。（2）在80～90 ℃的溫度下，會(huì)產(chǎn)生刺激性的氣味，對(duì)車間環(huán)境和人體呼吸器官都有危害。（3）堿液與鋼絲表面的拉絲粉、油脂發(fā)生反應(yīng)，在堿液表面產(chǎn)生大量浮渣，槽底產(chǎn)生堿泥，需要人工撈渣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，本文采用機(jī)械脫脂+超聲脫脂的工藝設(shè)計(jì)。先將鋼絲表面的拉絲粉、油脂用機(jī)械法脫離，再利用超聲波的直進(jìn)流和空化作用，快速軟化殘留在鋼絲表面的拔絲粉和油脂。不再采用化學(xué)試劑NaOH，而是改用超聲波振板，振板采用上置式，避免因雜質(zhì)的沉積造成振板的損壞，同時(shí)上置式振板產(chǎn)生的直進(jìn)流作用可以通過(guò)反作用力實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲下半面的表面清洗，使鋼絲表面清潔均勻、完整。整個(gè)過(guò)程清潔、環(huán)保，無(wú)廢液、廢氣的排放。

1.3 除銹工序改進(jìn)

傳統(tǒng)的鋼絲除銹方法使用的是鹽酸溶液。但除銹時(shí)間控制不好可能產(chǎn)生氫脆［9］，主要導(dǎo)致金屬韌性降低、開(kāi)裂。揮發(fā)的氯化氫會(huì)造成對(duì)人體呼吸器官的損傷，同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成污染。鹽酸在使用后，又存在廢酸的倒運(yùn)問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題。本論文酸洗工藝采用環(huán)保型有機(jī)酸酸洗，無(wú)廢氣和廢水排放，僅產(chǎn)生極少量的廢液和廢固。環(huán)保除銹綜合費(fèi)用鹽酸除銹相當(dāng)，降低了環(huán)保處理的費(fèi)用。

1.4 流程改進(jìn)

根據(jù)上述從前處理工序各個(gè)方面的技術(shù)改進(jìn)，優(yōu)化了工藝：放線→機(jī)械+超聲脫脂→水洗→預(yù)加熱→熱鍍合金→氣體抹拭→水冷→收線。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)保酸洗性能

將半成品鋼絲進(jìn)行熱鍍鋅鋁鎂實(shí)驗(yàn)，分別用無(wú)酸洗、鹽酸洗和環(huán)保酸洗3 種方式進(jìn)行除銹處理詳見(jiàn)表2。不同除銹方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型的環(huán)保酸在40～60 ℃可以達(dá)到和鹽酸在20～40 ℃相同的除銹效果。

表2 除銹方法及效果Tab.2 Rust removal method and effect

2.2 工藝改進(jìn)后產(chǎn)品性能

按照改進(jìn)工藝的試驗(yàn)方法，將半成品鋼絲進(jìn)行熱鍍鋅鋁鎂實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)鍍后鋼絲做對(duì)比，其性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鍍后鋼絲質(zhì)量與性能對(duì)比Tab.3 Comparison of quality and performance of steel wire after dipping

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，兩種工藝都可以得到滿足技術(shù)要求所需要的表面質(zhì)量合格的鋅鋁鎂鍍層。如圖1 所示，改進(jìn)工藝得到的鍍層組織結(jié)構(gòu)更致密，表面更平滑。這是由于沒(méi)有助鍍劑，熱浸鍍過(guò)程鋼絲表面反應(yīng)體系變得簡(jiǎn)單，較少了氣孔和雜質(zhì)的發(fā)生。

圖1 不同工藝下鋅鋁鎂鍍層微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of zinc-aluminum-magnesium coating under different processes

改進(jìn)工藝鍍后鋼絲的抗拉強(qiáng)度略高于傳統(tǒng)工藝的抗拉強(qiáng)度，這主要是由于兩次浸鍍過(guò)程，對(duì)鋼絲強(qiáng)度的損失更多一些，而一次浸鍍的過(guò)程可以盡少量的降低鍍損，新工藝更適合高強(qiáng)鋼絲的熱浸鍍鋅鋁鎂合金的生產(chǎn)。塑韌性和耐蝕性兩者相近。

2.3 生產(chǎn)成本比較

為驗(yàn)證新型環(huán)保高效熱鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金鋼絲工藝的可行性，并在生產(chǎn)成本上與傳統(tǒng)熱鍍鋅工藝做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

按照改進(jìn)工藝，在200 m/min 的線速度下，生產(chǎn)?1.6 mm、2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm、6.0 mm 熱鍍鋅鋁鎂鋼絲，上鋅量分別是30 g/m2、75 g/m2、200 g/m2、300 g/m2。

對(duì)原料（拔后絲、合金錠）、輔料（水、電）、前處理環(huán)節(jié)、熱浸鍍環(huán)節(jié)、抹拭方式、水冷、人工費(fèi)各方面做成本統(tǒng)計(jì)，與用工藝生產(chǎn)熱鍍鋅鎂鋁合金的生產(chǎn)成本（包括2個(gè)高端數(shù)據(jù)、1個(gè)中端數(shù)據(jù)、2個(gè)中端數(shù)據(jù)）核算原工藝平均成本，年利潤(rùn)情況見(jiàn)表4。結(jié)論：噸產(chǎn)品最高利潤(rùn)684元，最低利潤(rùn)434元。

表4 經(jīng)濟(jì)性分析表Tab.4 Economic analysis table

3 結(jié)論

（1）新工藝解決了無(wú)法單鍍合金鋼絲的難題，實(shí)現(xiàn)了一條生產(chǎn)線可以同時(shí)滿足單鍍鋅和單鍍合金鋼絲的生產(chǎn)要求。

（2）環(huán)保有機(jī)酸的研發(fā)以及無(wú)助鍍的工藝，大大降低了生產(chǎn)成本和環(huán)保處理的費(fèi)用。

（3）環(huán)保有機(jī)酸在40～60 ℃可以達(dá)到和鹽酸在20～40 ℃相同的除銹效果。

（4）新工藝生產(chǎn)的鍍后鋼絲，其表面質(zhì)量和產(chǎn)品性能合格，適合高強(qiáng)鋼絲的熱浸鍍鋅鋁和鋅鋁鎂合金的生產(chǎn)。

（5）新工藝總體生產(chǎn)成本可降低25%以上。