稀土鋅合金制備過(guò)程稀土的利用率研究

李海龍 周燕祥

摘 要：本文通過(guò)石墨鐘罩法在井式坩堝電阻爐制備Zn -0.1%RE合金，并利用ICP對(duì)其進(jìn)行成分化驗(yàn)，研究不同熔化溫度、澆鑄溫度下稀土合金制備過(guò)程及其稀土合金二次熔化過(guò)程稀土的利用率；結(jié)果表明：稀土的燒損存在于合金化、澆鑄、二次熔化等三個(gè)階段；稀土合金制備最佳熔化溫度為580℃左右，最佳澆鑄溫度為500℃左右，稀土合金二次熔化時(shí)（結(jié)構(gòu)件鍍鋅環(huán)境下）燒損率：15%左右。

關(guān)鍵詞：稀土 ICP 利用率

中圖分類號(hào)：TF822 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）03（a）-0000-00

熱鍍鋅是鋼鐵防腐的有效方法之一，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]；熱浸鍍鋅浴中往往含有不同濃度的各種金屬元素，常見(jiàn)的有：鋁、鎂、錳、鎳、等[3]，旨在改進(jìn)鋅浴特性和鍍層質(zhì)量；為了適應(yīng)不斷提高的耐腐蝕要求，稀土被應(yīng)用到熱鍍鋅領(lǐng)域，并得到了廣泛的研究及應(yīng)用，但針對(duì)稀土的作用專家們持不同意見(jiàn)，部分認(rèn)為：在熱鍍鋅液中添加少量稀土元素，能夠增加鍍液的流動(dòng)性，提高鍍液的浸潤(rùn)性和鍍層的附著力，同時(shí)提高熱浸鍍層的耐蝕性能；還有的認(rèn)為：稀土在熱鍍鋅液中存在量過(guò)少，甚至沒(méi)有；由于稀土活潑性較強(qiáng)，極易氧化，相對(duì)鋅熔點(diǎn)較高，不易直接添加到熱鍍鋅液中，而是制備成稀土熱鍍鋅合金進(jìn)行使用；而稀土到稀土熱鍍鋅合金利用率是多少？稀土熱鍍鋅合金到熱鍍鋅液中利用率又是多少？目前未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此研究稀土在合金制備過(guò)程中利用率對(duì)稀土合金在熱鍍鋅的應(yīng)用很有必要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原材料

用井式坩堝電阻爐和高純度石墨坩堝進(jìn)行合金配置；稀土添加使用自制的石墨坩堝鐘罩；材料：豫光0#鋅、鑭鈰混合稀土、精煉劑-氯化銨；化驗(yàn)設(shè)備采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（即ICP）。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)使用井式坩堝電阻爐制備Zn-0.1%RE合金，首先爐子加熱至200℃，將石墨坩堝放入爐內(nèi)，保溫15分鐘，取出坩堝，在坩堝內(nèi)壁涂抹一層滑石粉，之后放入爐內(nèi)，溫度加熱至500℃，將一定量的鋅錠放入坩堝；待鋅錠熔化后，熔化后氯化銨造渣，將溫度加熱至實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度，將稀土放入石墨鐘罩，放進(jìn)熔液，熔化過(guò)程觀察稀土熔化進(jìn)度，記錄熔化時(shí)間，充分熔化后均勻攪拌，使用取樣模具，在熔液內(nèi)部取樣，所取樣作為合金液的成分檢測(cè)樣，之后將溫度調(diào)整到澆鑄溫度，澆鑄成合金錠（1min完成），每組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)合金液及合金錠的稀土含量進(jìn)行ICP化驗(yàn)（用車床將試樣車10g左右樣絲）。根據(jù)稀土-鋅相圖（固液線溫度），將實(shí)驗(yàn)方分為3種方案，采用豫光0#號(hào)鋅4994g，鑭鈰混合稀土6g；共進(jìn)行9組試驗(yàn)（如表1）：最后配置結(jié)構(gòu)件鍍鋅鋅鍋成分：0.05%鐵、0.009%鋁；鋅液溫度控制在440℃±3℃，進(jìn)行稀土合金二次熔化試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)ICP化驗(yàn)及時(shí)間記錄，得到了三種實(shí)驗(yàn)方案的稀土在合金液及合金錠中的含量及相應(yīng)的熔化時(shí)間，結(jié)果如表2、表3、表4：

從三種方案結(jié)果對(duì)比可以看出，方案二合金液中稀土利用率最高，平均可以達(dá)到88.9%；相同條件下金屬元素在合金化過(guò)程中，其燒損率隨著溫度升高而增加，而稀土由于活潑性較強(qiáng)，燃點(diǎn)較低，熔化過(guò)程極易燒損，其燒損率與合金化時(shí)間有直接關(guān)系；合金化時(shí)間越短，燒損率越低；結(jié)合熔化溫度及合金化時(shí)間，稀土合金在制備過(guò)程存在最佳熔化溫度為580℃左右；

從表5可以看出，在澆鑄成型過(guò)程，稀土仍存在明顯的燒損；從稀土（鑭鈰-鋅）相圖可以看出，Zn-0.1%RE合金中在凝固過(guò)程，稀土鑭以LaZn13固溶體存在，稀土鈰隨著溫度降低其存在形式由Ce2Zn17固溶體變成CeZn11固溶體；基于稀土自身的物理特性：燃點(diǎn)低于熔點(diǎn)（其燃點(diǎn)為200℃左右），因此在澆鑄過(guò)程中稀土鑭鈰將脫離固溶體發(fā)生氧化燒損，而且鈰的燒損較快，故澆鑄過(guò)程中凝固時(shí)間越短，其燒損氧化時(shí)間越短，伴隨的稀土燒損越低，從表5可知方案一中澆鑄燒損率最低為7%，故澆鑄溫度500℃左右較為合理；

將制備好的稀土合金5.1kg（稀土含量RE1：0.1002%），加入配置好的結(jié)構(gòu)件鍍鋅用的鋅液中（鋅液重量100kg），溫度為440℃±3℃，熔化完畢后，進(jìn)行ICP化驗(yàn)檢測(cè)其成分如表6所示；計(jì)算稀土二次熔化的燒損率結(jié)果如下：

利用公式2對(duì)稀土利用率進(jìn)行計(jì)算， 代表利用率，W3代表稀土合金重量，W2代表加入加入稀土合金后鋅液總重量；經(jīng)計(jì)算 =84.3%，則稀土合金二次熔化燒損率為15.7%。

3 結(jié)論

（1）稀土熱鍍鋅合金在制備過(guò)程，稀土的燒損存在于稀土熔化過(guò)程及澆鑄成型過(guò)程；稀土熔化過(guò)程的燒損率與熔化時(shí)間及熔化溫度有關(guān)，最合理的熔化溫度為580℃左右；最合理的澆鑄成型溫度為500℃左右；

（2）稀土合金在二次熔化時(shí)（即熱鍍鋅過(guò)程）存在燒損，其燒損率在15%左右。

參考文獻(xiàn)

[1] 高存貞，楊滌心，謝敬佩，等.高鋁鋅合金研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].熱加

工工藝，2010，39（7）：：23-26.

[2] 李祥，薛濤，劉榮佩，等.RE對(duì)ZA43合金組織、力學(xué)性能及抗磨性的影響[J].特種鑄造及有色合金，2007，27（5）：401-403.

[3] 孔綱，盧錦堂，陳錦虹，等.鋅浴中元素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件熱鍍鋅的影響[J]，2003，32（4）：7-8.