連續電鍍鋅機組預鍍鎳設備及工藝特點

陳曉曉

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029）

1 引言

連續電鍍鋅機組的電鍍工藝大致如圖1。

先進的連續電鍍鋅機組中，帶鋼經過堿洗、酸洗徹底清潔后，露出新鮮的帶鋼表面，需要先進行預鍍鎳過程，在帶鋼表面鍍上一層重量約100mg／m2的金屬鎳層，最后才進入鍍槽進行鍍鋅。這一層金屬鎳可作為后續鍍鋅的結晶晶核，有利于提高鍍鋅層的表面質量，從而提高了生產線對原料的適應能力。鍍鎳后通過水洗槽進行水洗，然后進入電鍍槽。本文主要討論預鍍鎳槽采用不溶性陽極的情況。

由于預鍍鎳過程能大幅度改善帶鋼表面的涂鍍質量，因此十分有必要對其設備和工藝特點進行說明。

2 鍍鎳機理

1）陰極：在陰極上鍍液中的鎳離子獲得電子沉積出金屬鎳，同時伴有少量氫氣析出。

雖然Ni的標準電極電位很負，但由于氫的過電位以及預鎳鍍溶液中的鎳離子濃度、溫度、PH 值等工藝條件的影響，陰極上析出的氫極少。鍍液的電流效率可達98%以上。只有當PH 值很低時才會有大量的氫氣析出，此時陰極上無鎳金屬沉積。

2）陽極：普通的鍍鎳大都使用可溶性鎳陽極。陽極的主反應為金屬鎳的電化學溶解。

當陽極電流密度過高，電鍍液又缺乏陽極活性劑時，陽極表面發生鈍化并伴有氧氣的析出。

溶液中有氯離子存在時也可能發生析出氯氣的反應。

陽極上金屬鎳電化學溶解使鎳離子不斷加入溶液，提供了陰極電沉積所需的鎳離子。但當陽極面積不夠大或鍍液中活性劑不夠時，將導致陽極的鈍化而析出氧氣，進一步氧化陽極的表面，生成棕色的Ni2O3氧化膜。

圖1 連續電鍍鋅機組的電鍍工藝

3）陽極鈍化有以下現象：

（1）槽電壓升高，但電流很?。?/p>

（2）陽極表面氣泡較多，會有刺激性氣味，甚至表面呈褐色。

造成陽極鈍化的主要原因：

（1）鍍液中陽極活化劑濃度太低；

（2）陽極面積太小（電流密度高）。

4）采用高速電鍍鎳工藝時，陽極采用不溶性材料如鉑、鈦表面鍍氧化釔。此時，陽極為析氧反應：

2H2O－4e＝O2↑＋4H＋

陰極主反應為：

Ni2＋＋2e＝Ni

陰極副反應為：

2H＋＋2e＝H2↑

由以上反應式可以得出，當采用不溶陽極時，陽極不斷產生H＋，使得溶液的PH 值下降，當PH 值很低時才會有大量的氫氣析出，此時陰極上無鎳金屬沉積，鍍液的電流效率嚴重下降，鍍鎳過程受限；陰極不斷消耗Ni2＋，溶液需要補充金屬離子。因此，采用不溶陽極時，如何提高鍍液的PH 值并同時補充金屬離子是預鍍鎳工藝的關鍵，將在第四部分工藝條件中展開探討。

3 鍍鎳槽

鍍鎳槽與電鍍鋅槽［1］的結構完全一樣，結構如圖2所示。

該槽具有以下特點：

在槽內建立了以鍍槽中部靜壓腔為核心的靜壓夾持帶鋼系統和抗帶鋼歪斜靜壓系統，因而當帶鋼進入鍍槽時可以消除帶鋼下垂度，顯著減少帶鋼歪斜度并消除部分板型偏差，其結果是顯著減少了槽內帶鋼的對中偏差和帶鋼運行空間高度。

圖2 鍍鎳槽的結構

在鍍槽中部實現了鍍液的雙向水平噴射，提高了排氣能力。

解決了帶鋼與陽極的短路燒傷問題，工作可靠性顯著提高。

工作電壓與電流波動極小，鍍液流場穩定，工作穩定性好，從而有利于提高鍍槽的綜合技術性能。

鍍槽的電流效率為97%。

鍍層質量優良，主要體現在鍍槽均勻度良好及帶鋼上下表面鍍層質量差異較小。

不存在導電輥粘鋅問題，從而可以延長導電輥的使用壽命并有利于保證鍍層質量。

鍍槽簡單緊湊，操作維修方便。

該性能優良的鍍槽是預鍍鎳的關鍵設備基礎。

4 工藝條件

4.1 PH 值

PH 值控制在3～4為宜。當PH 值一定時，隨著電流密度的增加，電流效率也增加。PH 值高時，鎳的沉積速度快，但PH 值太高會導致陰極附近出現堿式鎳鹽沉淀，使鍍層粗糙和脆性增加。PH 值低些，鍍層的光澤好，但PH值太低導致陰極的電流效率降低，沉積速度降低，嚴重時陰極大量析氫，鍍層難以沉積。

使用不溶性陽極，由于陽極析氧，使溶液中的OH－濃度減少，從而PH 值降低。

提高溶液的PH 值用碳酸鎳或堿式碳酸鎳。提高鍍液的PH 值不宜用NaOH，因為鈉離子在鍍液中的積累會降低電流密度的上限，導致高電流區鍍層燒焦。碳酸鎳的加入方法最好是將它放入聚丙烯的濾袋中，使其緩慢溶于鍍液中，切不可將固體物直接放入鍍液中，但是其溶解速度無法跟上連續電鍍鋅機組的供應速度。因此可采用陰離子交換樹脂，將溶液中的SO2－4與陰離子交換樹脂中的OH－進行交換，從而提高溶液的PH 值。Ni2＋的補充是通過向鍍液罐中添加NiSO4.6H2O 實現。一旦溶液的PH值低于3 時，就將鍍液引入陰離子交換樹脂塔中，進行SO2－4和OH－的交換。陰離子交換樹脂需要定期在NaOH 溶液中浸泡再生。

生產過程中保持溶液PH 值的穩定是保證鍍鎳質量的重要條件，安裝在線PH 計對鍍液的PH 值進行實時監測。

4.2 溫度

工作溫度對鍍層的內應力影響很大，提高溫度可降低鍍層的內應力。當溫度為10～35℃時鍍層的內應力明顯降低，60℃以上鍍層內應力穩定，一般維持鍍液溫度55～60℃為宜。

鍍液溫度的升高，提高了鍍液中離子的遷移速度，改善了溶液的電導，因此就改善了鍍液的分散能力和深鍍能力，使鍍層分布均勻。同時溫度升高也可以允許使用較高的電流密度，這對于高速電鍍極為重要。

4.3 電流密度

當工作電流密度低于極限電流密度時，陰極電流效率隨著電流密度的增加而增加。在正常的工藝條件下，當電流密度為4A／dm2時，電流效率可達97%，而且鍍層的外觀和延展性都很好。

對于連續電鍍鋅機組，鍍鎳電流密度高達20A／dm2，為了克服濃差極化，應有鍍液的噴射設備，陰極移動等條件。本文提及的鍍鎳槽的結構完全符合該條件。

4.4 鍍液中各成分的作用

4.4.1 硫酸鎳（NiSO4·6H2O）

硫酸鎳是鍍液的主要成分。濃度以250～300g／L 為宜。硫酸鎳濃度高，電流密度范圍大，但濃度太高導致攜帶損失增加，也不利于鍍液的分散能力。硫酸鎳濃度太低，鍍層沉積速度低，極限電流密度降低，鍍層易燒焦，為了維持穩定的沉積速度，最好將硫酸鎳濃度控制在較小的范圍內，如280±20g／L。

4.4.2 硼酸（H2BO3）

硼酸是鍍液的緩沖劑，其濃度為40～50g／L。硼酸濃度太低，影響溶液的電導率，同時鍍液緩沖效果差；提高硼酸濃度，溶液導電率提高，鍍層均勻度改善。硼酸濃度高對電鍍過程無害。

5 結束語

連續電鍍鋅機組的預鍍鎳過程可以很大程度改善帶鋼表面的涂鍍質量。性能優良的鍍鎳槽是設備基礎。當采用不溶陽極，鍍鎳槽運行良好的條件下，保證鍍液的PH值在3～4是關鍵的工藝條件。陰離子交換樹脂可以保證鍍液的PH 值在3～4。

［1］Weng Q.Hydrostatic Horizontal Cell.Advanced Materials Research［J］.Switzerland，2012，Vol.572：382～389.