波形梁鋼護欄熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁應用分析

彭 雷， 郭東華

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

波形梁鋼護欄熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁應用分析

彭 雷， 郭東華

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

作為公路交通安全設施，波形梁鋼護欄對保障行駛安全、提高服務水平具有重要作用，而熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁是目前國內外應用較廣泛的波形梁鋼護欄表面處理技術。從外觀質量、工藝特點、耐腐蝕性能、成本等方面對這兩種技術進行了分析對比。結果表明:熱浸鍍鋁的耐蝕性能優于熱浸鍍鋅，而熱浸鍍鋅溫度低、工藝控制簡單;兩者成本均受生產方式及鋅鋁價格的影響;在實際應用中，熱浸鍍鋅所占比例大，但隨著熱浸鍍鋁技術的日益完善，其應用將會得到更大發展。

波形梁鋼護欄;交通安全設施;熱浸鍍鋅;熱浸鍍鋁;耐腐蝕

引 言

從1988年上海至嘉定高速公路建成通車至今，在“國道主干線系統規劃”的指導下，中國高速公路總體上實現了持續、快速和有序的發展，特別是1998年以來，國家實施積極的財政政策，高速公路得到快速發展，年均通車里程超過了0.4萬km。2005年，經與相關部委聯合研究，交通部提出《國家高速公路網規劃》，規劃從2005年起到2030年，國家將斥資兩萬億元，新建5.1萬km高速公路，使我國高速公路里程達到8.5萬km公里。截至2010年底，高速公路由“十五”期末的4.1萬km發展到7.4萬km。隨著高速公路建設的快速發展，與之配套的波形梁鋼護欄等交通安全設施的應用規模也在不斷擴大。

波形梁鋼護欄屬于公路的基礎設施，是一種縱向吸能結構，通過自體變形或車輛爬高來吸收碰撞能量，從而改變車輛行駛方向，阻止車輛越出路外或進入對向車道，最大限度地減少對乘員的傷害［1］。它對減輕事故的嚴重度，排除各種縱、橫向干擾，提高道路服務水平，增強道路景觀等起著重要的作用。

鋼鐵熱浸鍍鋅工藝開始用于工業生產是在19世紀初期，該工藝發展較快，目前在全世界各國都得到了普遍應用。采用熱鍍鋅層保護鋼鐵表面越來越廣泛被社會重視［2］。鋼鐵熱浸鍍鋁工藝出現較晚，在20世紀30年代才開始在工業中得到應用［3］。在交通安全設施領域，熱浸鍍鋅與熱浸鍍鋁也是兩種常用的波形梁鋼護欄耐腐蝕防護方法。本文將對波形梁鋼護欄熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁工藝特點、耐腐蝕性能和應用前景等作比較分析。

1 外觀質量

熱浸鍍鋅層呈亮灰色，隨著時間的推移，亮灰色向暗灰色轉變。熱浸鍍鋁層與熱浸鍍鋅層相比，顏色為銀白色，亞光，稍顯粗糙，隨著使用年限的增加，顏色變化不大。

熱浸鍍鋅層由表面自由鋅層和鐵鋅合金層組成。在熱浸鍍鋅過程中，鋼鐵基體與液態鋅通過鐵鋅反應，在鋼基上形成由不同金屬間化合物相組成的鐵鋅合金層，合金層將表面自由鋅層與鋼基牢固地結合在一起，使鍍層具有良好的粘附性能。

相對來說，熱浸鍍鋅層的應用歷史比較長、應用面及用量也比較大，而目前在高速公路建設中，也逐漸開始使用熱浸鍍鋁涂層。

2 工藝比較

2.1 熱浸鍍鋁工藝的選擇

熱浸鍍鋁層表面應具有實用性的光滑平整、顏色均勻一致及合理的鋁覆蓋層厚度，國內工業上符合這樣要求的熱浸鍍鋁技術有［4］:以熔劑作為助鍍劑的熔劑法和以鈍化劑作為助鍍劑的鈍化法。熔劑法，是在助鍍環節使用各種熔劑來保護被鍍件在熱浸鍍鋁之前免于氧化，并在熱浸鍍鋁時熔劑主要以熔融態“脫離”的熱浸鍍鋁工藝。熔劑既可以水溶液方式使用，也可以熔融態的方式使用［5］。根據熔劑的使用方式不同，熔劑法又分為一浴法和二浴法。鈍化法是指在助鍍環節，通過使用鈍化劑(氧化劑)在鋼件表面形成可被鋁原子還原的活性氧化膜來保護鋼件免于氧化的熱浸鍍鋁方法。熔劑法熱浸鍍鋁層的表面較為光滑，呈亞光狀態，而鈍化法熱浸鍍鋁層的表面稍微粗糙，但較為光亮。

國內外有5種熱浸鍍鋁工藝在工業生產中應用過［6］:鈍化法、一浴法、低溫反應鹽浴二浴法、高溫反應鹽浴二浴法和高溫惰性鹽浴二浴法。

考慮成本因素，二浴法因采用兩臺加熱爐，導致產品成本偏高而難以采用。在生產效率方面，由于一浴法生產效率比鈍化法高，因此，采用一浴法進行護欄產品的熱浸鍍鋁較為合適。

一浴法熱浸鍍鋁工藝流程為:鋼件→檢查→脫脂→熱水清洗→除銹→水洗→助鍍劑處理→干燥預熱→熱浸鍍鋁→去余鋁→空冷(矯正變形)→水冷→后處理→水洗→熱水洗→檢查→修整→包裝入庫。

一浴法工藝條件較寬，操作簡單，成本低，設備投資少，是目前用得最多的波形梁鋼護欄熱浸鍍鋁方法。

2.2 熱浸鍍鋅工藝的選擇

熱浸鍍鋅是將表面經清洗、活化后的護欄構件浸于液態鋅中，通過鐵鋅之間的反應擴散，在鋼鐵表面生成鐵鋅合金層的過程。根據工藝操作方法的不同，熱浸鍍鋅可分為既有聯系又有區別的兩大類:連續熱浸鍍鋅和批量熱浸鍍鋅［7］。

2.2.1 連續熱浸鍍鋅

連續熱浸鍍鋅是在連續熱浸鍍鋅生產線上通過熱浸鍍鋅機組將構件高速浸入鋅浴進行鍍鋅。

1)帶鋼連續熱浸鍍鋅。帶鋼連續熱浸鍍鋅根據其不同的前處理方式可分為改進的Sendzimir法、美鋼聯法、Cook-Nortemen(Wheeling)法和Selas法。

2)鋼管連續熱浸鍍鋅。熔劑法鋼管連續熱浸鍍鋅工藝:

堿洗→水洗→酸洗→水洗→熔劑處理→烘干→熱浸鍍鋅→冷卻。

氫還原法鋼管連續熱浸鍍鋅工藝:

微氧化預熱→還原→冷卻到鍍鋅溫度→熱浸鍍鋅→冷卻。

2.2.2 批量熱浸鍍鋅

批量熱浸鍍鋅是將加工后的護欄構件單件或批量浸入鋅浴中進行鍍鋅。其主要工藝流程包括:堿洗脫脂→水洗→酸洗除銹→水洗→浸溶劑助鍍→熱浸鍍鋅→水冷→鈍化。

批量熱浸鍍鋅按溶劑助鍍處理方法的不同分為干法(烘干熔劑法)熱浸鍍鋅和濕法(熔融溶劑法)熱浸鍍鋅［7］。干法是將鋼鐵構件先浸入溶劑水溶液中，經烘干后進行鍍鋅;濕法是將鋼鐵構件先通過鋅浴表面的熔融溶劑層，接著進入鋅浴進行鍍鋅。由于干法熱浸鍍鋅爆鋅少，產生的鋅渣較少，獲得的鍍層具有較好的粘附性，因此，目前護欄大多采用干法進行批量熱浸鍍鋅。

批量熱浸鍍鋅可獲得較厚的鍍層。鍍層厚度與鋼鐵構件的厚度、大小有關，通常構件的厚度越厚，得到的鍍層也較厚。大多數鋼材在批量熱浸鍍鋅時，工藝條件的變化對鍍層厚度的變化相對不敏感。為了獲得較厚的鍍層，可適當延長浸鍍時間。

2.3 一浴法熱浸鍍鋁與熱浸鍍鋅的工藝比較

1)工藝過程。一浴法熱浸鍍鋁時，因鋁液表面有一層覆蓋熔劑，當鍍件從鋁液中提出時必然也會在鍍層表面附著熔劑，這層熔劑對鍍鋁層有腐蝕作用，必須徹底去除。因此，與熱浸鍍鋅工藝相比，熱浸鍍鋁要有后處理，從而使工藝過程加長，但鍍鋁層抗腐蝕性能好，鍍層的鈍化一般可省略。

2)工藝參數。熱浸鍍鋅與熱浸鍍鋁基本工藝參數的比較如表1所示［8］:

表1 工藝參數比較

熱浸鍍鋁工藝中最關鍵的是控制最低溫度，這是因為鋁液中w(鐵)一般在2.0%以上，溫度低于鐵飽和量時，會使鋁液的黏度急劇增加，形成超厚和十分粗糙的鍍層［6］。而溫度高雖然也會使合金層增厚，但增厚幅度有限，也不會出現合金層過厚時脫落的現象。

熱浸鍍鋁因為溫度高，升到鍍鋁溫度所需的時間要長一些，所以鍍鋁的最低時間比鍍鋅長。但鍍鋁層的合金層厚度主要取決于溫度，浸鍍時間的影響較小。總之，就控制工藝參數來說，鍍鋁比鍍鋅寬松，對成本的影響比鍍鋅小，但鍍鋁需要更高的溫度及更長的時間，這些都將增加其成本。

3)原材料要求。交通行業標準JT/T 281-2007《公路波形梁鋼護欄》、JT/T 457-2001《公路三波形梁鋼護欄》中規定:波形梁鋼護欄當采用熱浸鍍鋅方法進行金屬防腐處理時，熱浸鍍鋅所用的鋅應為GB/T 470規定的特一號、一號鋅錠，當采用熱浸鍍鋁方法進行金屬防腐處理時，熱浸鍍鋁所用的鋁應為GB/T 1196規定的特一級、特二級、一級鋁錠。

鋁錠中的雜質是目前影響熱浸鍍鋁層外觀質量的首要因素［6］。與熱浸鍍鋅不同，常用的工業一級鋁錠的質量分數只有99.70%，含有多達0.3%的雜質，雜質含量遠遠超過可能產生影響的最低限度。雜質組成成分不同，某些雜質元素必然會影響到鋁液的浸潤性和流動性，最終影響熱浸鍍鋁層的連續性和外觀質量。

4)熔劑組成。與熱浸鍍鋅只有單一的熔劑不同，熱浸鍍鋁的熔劑配方不同時，會影響鍍層中的針孔數量和表面光滑程度。同一方法但熔劑組成和純度的不同都會影響產品質量。

3 耐腐蝕性能

3.1 熱浸鍍鋁層耐腐蝕機理

鋁是一種很活潑的金屬，當 pH=4.5～8.5之間，鋁處于鈍化區，也就是在鋁的表面生成一層鈍化膜，使鋁有很好的耐蝕性。當 pH＜4.5為酸性腐蝕區，pH＞8.5為堿性腐蝕區。一般地說，在酸性腐蝕區以局部腐蝕為主，在堿性介質中則以全面腐蝕為主。在大氣中，應該說鋁位于鈍化區，因為在鋁的表面生成一層薄薄的氧化膜，它阻礙了活性鋁表面和周圍介質相接觸，所以使鋁在大氣中具有很好的耐蝕性。熱浸鍍鋁層在防蝕中具有三方面的作用［9］:

1)使鋼基與外界腐蝕介質隔開。

2)在海洋大氣中，它可以起著陰極保護的作用;當環境或介質中無氯化物存在時，比如低污染的大氣環境中，由于鈍化膜的隔離作用，其自然電位就會明顯高于鐵，鋁鍍層在此時對基材不再具有電化學保護作用。

3)它的表面可形成一種致密的附著性良好的氧化膜，可防止涂層進一步被氧化。

3.2 熱浸鍍鋅層耐腐蝕機理

熱浸鍍鋅層對波形梁鋼護欄基材的保護作用主要有三個方面:

1)隔離保護。鋅是相當活潑在金屬，但在大氣中和接近中性的水中，它的腐蝕速度相當慢［10］。這是因為在鋅的表面生成了不溶性的腐蝕產物ZnCO3·Zn(OH)2和致密的ZnO膜層，相當于在鋅的表面形成鈍化保護膜，這就是鋅的鈍化性能，此時的保護機理為隔離保護。

2)陰極保護。鋅在酸性及堿性條件下不易生成鈍化膜(或發生膜的溶解)，使鋅的腐蝕加快，從而會失去保護作用。由于各種原因鋅層不可能完全純凈或絕對均勻，總含有一定量的雜質和存在電化學性質不均勻的區域，當它處于介質溶液中就構成無數微觀的不能區分的陽極區和陰極區，形成局部腐蝕電池，即遭受電化學腐蝕。

因為鋅比鐵活潑，所以是微電池的陽極，作為犧牲陽極，靠它不斷溶解所產生的電流對被保護的金屬進行陰極極化，自身受到腐蝕;鐵是微電池的陰極，只起傳導電子的作用，受到保護。在熱鍍鋅涂層中，與基材直接接觸的是鋅-鐵合金層。盡管如此，合金層的電位也比鐵的電位低，耦合的結果，基材仍然受到保護。幾乎在所有的電解質中，鋅都可以成為鋼鐵材料的陽極。鋅的這一特性使鍍鋅層在受到損壞或少量不連續時依然對鋼鐵起保護作用。

3)此外，當鍍鋅層因選擇性溶解出現較小的不連續間隙時，鍍鋅層因為形成腐蝕產物而發生體積膨脹，使得間隙愈合，從而阻礙電化學反應進一步發展［4］。這種現象，在熱帶海洋性大氣環境下的熱鍍鋅層腐蝕過程中，表現十分明顯。

4 成本分析

交通行業標準JT/T 281-2007《公路波形梁鋼護欄》、JT/T 457-2001《公路三波形梁鋼護欄》對熱浸鍍鋅及熱浸鍍鋁所用鋅鋁原材料有所要求，同時對構件的鍍層質量也有規定，如表2所示:

表2 熱浸鍍構件的鍍層附著量要求

熱浸鍍鋁工藝浸鍍溫度高，所以能耗在總成本中的比例比鍍鋅高，而且鋁液表面有覆蓋劑，生產方式對覆蓋劑的消耗也有顯著影響，而且這兩項消耗都主要與生產方式有關。

一般說來，采用一浴法立式生產方式，能耗折合電能大約在200 kWh/t，因液面面積小，覆蓋劑的消耗也少，所以，當鋅與鋁同價時，鍍鋁的成本肯定比鍍鋅低［6］。對適合采用立式方式生產的產品，可以考慮用鍍鋁代替鍍鋅。尤其對于需要后續涂敷有機涂層的產品，不但降低成本，而且涂層結合力好，可簡化涂層前處理工序。

當產品必須采用臥式生產方式時，能耗與立式比增加1倍，覆蓋劑的消耗增加2倍，成本大致比立式高200～300元/噸，只有鋅價比鋁價更高一些，鍍鋁的成本才能比鍍鋅低［6］。

5 結論

熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁都是波形梁鋼護欄耐環境介質腐蝕的有效方法。熱浸鍍鋁層耐熱性和防惡劣的工業大氣氣氛和海洋氣氛腐蝕效果比鍍鋅層好，當環境或介質中無氯化物存在時，將缺乏犧牲陽極保護作用，故其鋁鍍層壽命更長，但其浸鍍溫度較高，容易漏鍍，且鍍層在水中會產生點蝕，令保護作用大大削弱。熱浸鍍鋅層在弱酸性、含SO2的工業大氣和海洋環境中的耐蝕性較差，但具有犧牲陽極保護作用，浸鍍溫度較低，工藝控制簡單。

長期以來，由于熱浸鍍鋅設備材料使用壽命長，工藝操作簡便，質量及環保污染易控制等優勢，因而得到較大的發展。在國內外的波形梁鋼護欄產品中，熱浸鍍鋅件所占比例比熱浸鍍鋁大得多。但同時由于鋁價的平穩，以及鍍鋁層的潔白、光亮以及耐蝕性好等特點，隨著熱浸鍍鋁工藝日益完善，其應用也將會得到更大的發展。

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Application Analysis of Zinc Hot Dipping and Aluminium Hot Dipping for Waveform Steel Beam Guardrails

PENG Lei，GUO Dong-hua
(Research institute of highway，ministry of transport，Beijing 100088，China)

As road traffic safety facilities，waveform steel beam guardrails play an important role on road driving safety and road service improving.Both zinc hot dipping and aluminium hot dipping are widely used in surface treatment for waveform steel beam guardrails all over the world.In this paper，the two technologies are analyzed in aspects of appearance quality，process characteristics，corrosion resistance and cost.Results show that aluminium hot dipping is better in corrosion resistance while zinc hot dipping is better for its lower temperature and easier controlling;both costs are related to production processing and raw material price.The application proportion of zinc hot dipping is much greater than aluminium hot dipping in actual but aluminium hot dipping would be used more and more in the future along with its technological improving.

waveform steel beam guardrail;traffic safety facility;zinc hot dipping;aluminium hot dipping;anti-corrosion

U491.5

A

1001-3849(2011)10-0026-05

2011-06-21

2011-07-25