輸電桿塔結構新型防腐鍍層的生產工藝研究

曾 根 生

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

輸電桿塔結構新型防腐鍍層的生產工藝研究

曾 根 生

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

選取鋼板、角鋼和鋼管為試驗對象，探索在鋼材表面進行Al—Zn—Si和Al—Zn—Si—RE熱鍍工藝，創新性的提出了二次助鍍技術，優化并確定了各流程的工藝參數，為在輸電桿塔結構用鋼中推廣鍍鋁鋅硅(稀土)技術奠定了實驗基礎。

輸電桿塔結構，鋁鋅硅鍍層，生產工藝，二次助鍍

1 概述

目前，輸電桿塔結構用鋼的主要防腐蝕方法是鍍鋅法，較厚的熱鍍鋅層作為防護鍍層，其耐腐蝕性能和抗氧化性能較普通鋼板有較大提高，但熱鍍鋅經過長期的工程實踐后也暴露出一系列的問題：大氣環境惡化，造成熱鍍鋅的使用壽命大幅下降；國產基板質量不穩定，造成熱鍍鋅的厚度不均勻，容易脫落；熱鍍鋅的腐蝕產物均為結晶鍍層，分布不均，對鍍層無防護作用，從而影響使用壽命；鍍鋅顏色容易變黑。

1967年美國伯利恒公司開發出的Galvalume鋁鋅合金鍍層，兼有鋅鍍層的陰極保護功能和鋁鍍層的耐蝕性及抗高溫氧化性，是一種優良的鋼制品鍍層保護材料，廣泛應用于建筑、汽車、電器等行業的薄鋼板腐蝕防護上。鍍鋁鋅技術應用于輸電桿塔結構用鋼腐蝕防護上的潛力巨大，但目前尚未形成可用于輸電桿塔結構用鋼腐蝕防護的鋁鋅鍍層生產工藝。本文對熱鍍鋁鋅硅和熱鍍鋁鋅硅稀土技術應用于輸電桿塔結構中的生產工藝進行試驗研究，確定最佳的實驗室熱鍍鋁鋅硅和熱鍍鋁鋅硅稀土生產工藝流程及其參數。

2 生產工藝

1)鋼材基體材料及熱浸鍍原料。

鋼材基體材料采用輸電桿塔結構中的常用鋼材，本文選Q235等級的L45 mm×4 mm角鋼和Ф83 mm×4 mm鋼管以及60 mm×4 mm扁鋼。

2)熱浸鍍合金材料的配制。

a.熱浸鍍Al—Zn—Si合金：采用坩堝電阻爐，將稱量好的鋁塊、鋁硅中間合金和稱量好總量75%的鋅塊置于石墨坩堝之中，將其熔化，然后將余量的鋅加入熔化，經充分攪拌后，倒入鑄錠，待用。

b.熱浸鍍Al—Zn—Si—RE合金：采用坩堝電阻爐，將稱量好的鋁塊、鋁硅中間合金、鋁稀土中間合金和稱量好總量75%的鋅塊置于石墨坩堝之中，將其熔化，然后將余量的鋅加入熔化，經充分攪拌后，倒入鑄錠，待用。

3)現有熱浸鍍鋁鋅硅生產工藝所存在的問題。

國內外對冷軋帶鋼的鋁鋅硅合金鍍層普遍采用如下的工藝：冷軋帶鋼→清洗→還原退火→表面處理→鋁鋅鍋熱鍍→冷卻→光整矯直→表面處理→檢測→成品。我國寶鋼、武鋼等已經形成了規模化的生產。據此工藝設計的前期實驗顯示：使用這種工藝進行小試樣的熱浸鍍處理非常好，尤其是對絲材的熱浸鍍處理，但對于有一定厚度的角鋼和圓鋼等型材，則難以形成均勻穩定的鍍層，漏鍍現象十分嚴重，這說明鐵與鋁鋅硅合金的浸潤性很差。

4)工藝流程參數的優化處理。

為解決一定厚度的角鋼和圓鋼等型材熱浸鍍鋁鋅硅合金所存在的濕潤性差、鍍層難以均勻穩定、漏鍍現象十分嚴重的問題，對現有生產工藝進行優化。

a.基材表面預處理工藝。表面預處理工藝主要目的有兩個：一為除去鋼表面的雜質(包括油脂，灰塵等)；二則是為了除去鋼表面的氧化物，使型鋼露出潔凈的鋼表面以便于助鍍。除油選用熱的高錳酸鉀堿溶液除油操作更方便。除氧化物選用酸洗法。

b.使用及優化助鍍工藝。助鍍的目的如下：隔絕空氣，防止鐵基氧化；加強鐵基與鍍液的浸潤性；活化鐵表面；去除殘余氧化鐵。助鍍時最重要的一點是對助鍍劑的選擇，我們采用一些傳統助鍍劑直接進行鋁鋅硅合金的熱浸鍍，但在使用了多種不同成分的助鍍劑以后，均不能達到期望的鍍層質量，如圖1所示。考慮到鋅對鋼表面有較好的濕潤性，可以對鍍層起到很好的過渡作用，故嘗試在型鋼表面鍍鋅來解決上述問題。使用鍍鋅層作為助鍍層時，對鋅鍍層的質量好壞并無太高要求，只需要鋅層完整覆蓋基體表面即可，為降低工藝復雜性，一開始嘗試使用鋅與打磨后的鐵基直接進行浸鍍，發現漏鍍現象依舊存在。

為了使鋅層能夠完整的覆蓋在鐵基上，故在熱浸鍍鋅前先對鐵片進行一次助鍍處理，然后再進行二次助鍍鋅層。針對型鋼而言，最佳的一次助鍍劑配方為NH4Cl和ZnCl的混合溶液，助鍍溫度為80 ℃～90 ℃，并在這一溫度下使用鹽酸和氨水將助鍍液pH控制在4.0～5.0之間。該助鍍液的濃度和pH值都會對一次助鍍層的形成產生影響，助鍍液過稀，得到的助鍍層過薄，助鍍劑的作用被減弱，易導致漏鍍；助鍍液濃度太大，則易在烘干時產生二次結晶現象，破壞助鍍層結構，不均勻的助鍍層會使部分助鍍劑在進行浸鍍時被包裹在鍍鋅層內部，破壞鍍鋅層的質量。而pH過低，則在烘干時內層助鍍劑與鐵反應產生少量氫氣，使助鍍層內部產生氣泡，破壞助鍍層的完整；pH過高易使鐵基在酸洗之后再次產生氧化，產生氧化鐵覆蓋在鐵表面。由于助鍍劑溫度較高，其中的氯化銨不穩定，助鍍液的pH會隨時間變化而逐漸改變，需要經常進行調整。助鍍一段時間以后助鍍液中會有黃色絮狀沉淀，可以用過濾的方法將之除去，過濾后的助鍍劑仍可再次使用。助鍍時間約為40 s， 助鍍后將試樣取出并烘干，烘干溫度一般在120 ℃～150 ℃，烘干時間10 min左右，烘干一定要徹底，且在烘干以后應盡快進行浸鍍，防止助鍍劑吸水潮解。若是在進行鍍鋅作業時助鍍層中有水，則極易發生爆鋅，所以若是烘干以后要過一段時間再進行鍍鋅，必須使用保鮮膜等隔絕水氣。

待一次助鍍完成后，可進行二次助鍍鋅操作：將經過第一次助鍍處理的型鋼浸入熔融鋅液中，產生大量煙霧，在鋅液表面產生黑色酥松狀雜質。氯化銨在高溫下分解，生成氨氣和氯化氫，氯化氫可以有效地使鐵表面覆蓋的氧化層轉變為鐵鹽，鐵鹽與氯化鋅一起被氯化銨分解產生的氣體帶離鐵表面，所以在試樣烘干后若發現助鍍層內部仍有少量黃色鐵銹存在，但仍可以繼續進行試驗。二次助鍍鋅層后得到的助鍍層平滑完整，能達到熱浸鍍鋁鋅硅稀土合金的熱浸鍍助鍍層要求，得到的鋁鋅硅稀土鍍層的漏鍍現象有明顯改善，如圖2所示。所以，根據實驗結果，熱浸鍍鋁鋅硅(稀土)合金可以采用本文所設計的二次助鍍優化工藝。本文優選的二次助鍍鋅溫度為460 ℃～640 ℃，時間30 s～300 s。

c.熱浸鍍鋁鋅硅(稀土)工藝優化。

由圖3可知，采用二次助鍍技術得到的鋁鋅硅鍍層呈現出不同的表面狀態，鋁鋅硅鍍層并不均勻，大部分樣品表面凹凸不平，鍍層雖然完整性好，鍍層附著力強，但表面光潔度不夠高，對試樣進行分析后發現鍍層分層嚴重，內部鋅含量高，表明助鍍用的鋅鍍層完全溶于鋁鋅硅合金中。少量試樣表面還產生了凸點，而且隨著同一爐鋁鋅硅合金浸鍍次數的增加，鍍層表面的凸點缺陷越來越明顯，如圖3所示。

為解決這些問題，我們進行了大量的實驗。在實際試驗中，我們發現所有凸點缺陷均產生于浸鍍初期，隨著浸鍍時間的延長，凸點會腐蝕鐵基并變大，但凸點的數量并不會增加。利用這一點，我們在鍍鋁鋅硅合金時使用了較快的攪拌速度并選擇適當的浸鍍時間，使得快速流過鐵基表面的合金液直接將鐵基表面形成的凸點缺陷在剛形成時便被帶離鐵表面，這一操作取得了良好的效果，獲得了質量良好的鍍層。將這一工藝用于圓鋼管及角鋼的熱浸鍍中，最終我們找到了最佳的工藝并獲得了滿意的鍍層，如圖4所示。

針對二次助鍍后的型鋼試樣，通過實驗最終優選的熱浸鍍鋁鋅硅合金時的各項參數如下：浸鍍溫度620 ℃～640 ℃，浸鍍時間30 s～120 s，鐵表面合金流速20 cm/s～30 cm/s。溫度過高會導致鋁鋅硅合金對鐵的腐蝕加劇，影響型鋼尺寸，同時合金液成分被破壞。高溫浸鍍的試樣在空氣中冷卻時往往會因為鍍層中的鐵與氧氣在高溫下反應而發黃，影響鍍層美觀性。浸鍍時間不宜過長，鋁鋅硅合金對鐵的腐蝕現象十分嚴重，若是長時間的浸鍍會破壞合金成分，改變合金形狀。攪拌有利于形成均勻的鋁鋅硅鍍層，一定速度的合金流速會使鍍鋅層被快速融化除去，完成鐵與鋁鋅硅合金的浸潤。浸鍍每進行一段時間需要對合金進行成分分析，一般而言隨著浸鍍的進行，合金液中的鋅含量會逐漸降低，所以需要對合金液進行補鋅操作。浸鍍完成后應盡快進行水冷，快速的水冷可以使鍍層的結構更均一。對于鍍鋁鋅硅稀土的型鋼，因為微量稀土元素的存在，鍍液對二次助鍍的型鋼表面具有粘附作用，所以在熱浸鍍時溫度更低(615 ℃)，時間更短，必須控制在15 s以內，否則鍍層過厚失效(超過125 μm)。

3 結語

本文對輸電桿塔結構用鋼上熱鍍鋁鋅硅(稀土)的生產工藝進行研究，以得到生產均勻穩定的鋁鋅硅鍍層的生產工藝和參數。文中創新性的提出了二次助鍍處理技術，探索性的得出了每道工序的最佳控制參數，為實現輸電桿塔結構用鋼的鋁鋅硅(稀土)鍍層的工業化生產奠定了實驗基礎。優化的工藝流程如下：基底材料→表面預處理(除油、氧化物)→助鍍槽一次助鍍→烘干→二次助鍍→熱浸鍍鋁鋅硅(稀土)合金→后處理→檢測→成品。

其中，設定的表面預處理工藝參數：熱的高錳酸鉀堿溶液(除油)和10%的稀鹽酸溶液(除氧化物)。本工藝的特點是創新性的使用二次助鍍，優選的一次助鍍工藝為：NH4Cl+ZnCl，pH為4.0～5.0，溫度為80 ℃～90 ℃；二次助鍍鋅時需要有較快的攪拌速度，優選的二次助鍍鋅溫度460 ℃～640 ℃，時間30 s～300 s，對于熱浸鍍不含稀土的鋁鋅硅工藝，助鍍鋅時間不少于180 s；對于含有稀土的工藝，卻要不多于30 s。優選的鋁鋅硅的熱浸鍍工藝：浸鍍溫度620 ℃～640 ℃，浸鍍時間30 s～120 s，鐵表面合金流速20 cm/s～30 cm/s。對于熱鍍鋁鋅硅稀土試件，熱浸鍍時溫度更低(615 ℃)，時間更短，必須控制在15 s以內，否則鍍層過厚失效。

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Experimental study of new coating in transmission tower structures

Zeng Gensheng

(GuangdongElectricPowerDesignInstitute,ChinaEnergyEngineeringGroupCo.,Ltd,Guangzhou510663,China)

This paper selects steel plate, steel angle and steel tube as the test objects to explore the production techniques of hot-dip coatings of Al—Zn—Si and Al—Zn—Si—RE. The double assistant agent has been creatively put forward and the technological parameters have been optimized, all of which lay the experimental foundations for the promotion of Al—Zn—Si(—RE) alloy coating on the transmission tower structures.

transmission tower structures, Al—Zn—Si hot-dip coating, production technique, double assistant agent

2015-03-02

曾根生(1981- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0085-03

TU391

A