環(huán)保高效熱鍍鋅合金鋼絲技術研究

李永迪，宮明江，于茂來，王占學，王志廣，周宗才*

（1.天津市工大鍍鋅設備有限公司，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金屬層或合金層，從而大幅提高其使用壽命。根據鋼絲的不同用途，常選擇不同的物理化學方法或者電化學方法實現表面耐腐蝕層的鍍覆，主要包括：熱鍍、電鍍、噴鍍、滲鍍、化學鍍、真空鍍等方法［1-3］。在沿海地區(qū)、海洋環(huán)境、橋梁纜索等領域應用的鋼絲，對其耐腐蝕性有更加苛刻的要求，通常應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，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］。

目前國內企業(yè)主要采用國內普遍采用先鍍鋅后鍍合金的方法，即雙鍍法對鋼絲進行熱鍍，但是這種方法需要進行兩次助鍍、烘干和熱浸鍍，這種方式會導致合金液的稀釋，需要定期檢測、調整鍍液的成分和重復加熱，造成合金鍍液和能源浪費的同時，致使工藝流程過程長，生產成本高［6］。因而生產企業(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間過短，鍍層與基體結合力不好，大幅降低了成品率［7］。因此改進高速熱工藝，實現節(jié)能環(huán)保地高速熱鍍鋅合金，是國內各個熱鍍鋅企業(yè)的當務之急。

本文研究了鋼絲前處理工藝，采用預加熱、機械除脂和環(huán)保除銹的方法，實現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，能提高生產效率、提高產品質量、降低生產成本、減少環(huán)境污染。

1 工藝改進

1.1 助鍍工序改進

針對線徑為5.10 mm 的半成品鋼絲熱鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金時，傳統(tǒng)工藝無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。氯化鋁是低熔點高黏度的化合物，會附著在鋼絲基體表面，在熱浸鍍過程中，使鍍液對鋼絲的浸潤性變差，鍍層表面產生大量的漏鍍、針孔和氣泡［8］。生產過程中不但會產生大量的煙霧，會造成對環(huán)境的污染和對生產設備的腐蝕，而且氯離子的引入也會導致鋅鍋中會產生大量鋅渣，降低鋅的利用率。將預熱技術引入單絲高速熱浸鍍工藝是一種節(jié)能環(huán)保，生產效率高的解決方法。

預熱工藝將鋼絲先預熱至200 ℃以上，再浸入鋅合金鍋，預熱過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)升溫的過程，直接與鍍液反應，使鍍層與基體有很好的結合力。在150～500 m/min 的高速熱鍍過程中，鋅鍋主要起到供鋅的作用，工件在鍍液中停溜的時間短且反應快，鋅鐵合金層迅速形成，阻擋了鐵原子向鋅液里的擴散，因此鋅渣產生少。此外，鋅鍋所承受的熱負荷小，腐蝕減輕，因此鋅鍋的壽命長。

本工藝不需使用助鍍劑，不會生成氨氣、氯化氫等氣體，污染環(huán)境。同時，這種預熱工藝減少了鋅鍋對鋼絲加熱所需的容量，相當于傳統(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，一條生產線即可進行單鍍鋅盡可以用于合金鍍。

1.2 脫脂工序改進

常見的脫脂方法是用熱堿。熱堿即氫氧化鈉，存在以下缺點：（1）具有強腐蝕性，片狀或粉末狀固體遇水會放出大量的熱，容易發(fā)生危險。（2）在80～90 ℃的溫度下，會產生刺激性的氣味，對車間環(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，在堿液表面產生大量浮渣，槽底產生堿泥，需要人工撈渣，費時費力。

針對以上缺點，本文采用機械脫脂+超聲脫脂的工藝設計。先將鋼絲表面的拉絲粉、油脂用機械法脫離，再利用超聲波的直進流和空化作用，快速軟化殘留在鋼絲表面的拔絲粉和油脂。不再采用化學試劑NaOH，而是改用超聲波振板，振板采用上置式，避免因雜質的沉積造成振板的損壞，同時上置式振板產生的直進流作用可以通過反作用力實現對鋼絲下半面的表面清洗，使鋼絲表面清潔均勻、完整。整個過程清潔、環(huán)保，無廢液、廢氣的排放。

1.3 除銹工序改進

傳統(tǒng)的鋼絲除銹方法使用的是鹽酸溶液。但除銹時間控制不好可能產生氫脆［9］，主要導致金屬韌性降低、開裂。揮發(fā)的氯化氫會造成對人體呼吸器官的損傷，同時對環(huán)境也造成污染。鹽酸在使用后，又存在廢酸的倒運問題。為解決這一問題。本論文酸洗工藝采用環(huán)保型有機酸酸洗，無廢氣和廢水排放，僅產生極少量的廢液和廢固。環(huán)保除銹綜合費用鹽酸除銹相當，降低了環(huán)保處理的費用。

1.4 流程改進

根據上述從前處理工序各個方面的技術改進，優(yōu)化了工藝：放線→機械+超聲脫脂→水洗→預加熱→熱鍍合金→氣體抹拭→水冷→收線。

2 結果與討論

2.1 環(huán)保酸洗性能

將半成品鋼絲進行熱鍍鋅鋁鎂實驗，分別用無酸洗、鹽酸洗和環(huán)保酸洗3 種方式進行除銹處理詳見表2。不同除銹方法得到的實驗結果表明，新型的環(huán)保酸在40～60 ℃可以達到和鹽酸在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 工藝改進后產品性能

按照改進工藝的試驗方法，將半成品鋼絲進行熱鍍鋅鋁鎂實驗，并與傳統(tǒng)鍍后鋼絲做對比，其性能試驗結果見表3。

表3 鍍后鋼絲質量與性能對比Tab.3 Comparison of quality and performance of steel wire after dipping

通過對比試驗可以發(fā)現，兩種工藝都可以得到滿足技術要求所需要的表面質量合格的鋅鋁鎂鍍層。如圖1 所示，改進工藝得到的鍍層組織結構更致密，表面更平滑。這是由于沒有助鍍劑，熱浸鍍過程鋼絲表面反應體系變得簡單，較少了氣孔和雜質的發(fā)生。

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

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

2.3 生產成本比較

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

按照改進工藝，在200 m/min 的線速度下，生產?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、人工費各方面做成本統(tǒng)計，與用工藝生產熱鍍鋅鎂鋁合金的生產成本（包括2個高端數據、1個中端數據、2個中端數據）核算原工藝平均成本，年利潤情況見表4。結論：噸產品最高利潤684元，最低利潤434元。

表4 經濟性分析表Tab.4 Economic analysis table

3 結論

（1）新工藝解決了無法單鍍合金鋼絲的難題，實現了一條生產線可以同時滿足單鍍鋅和單鍍合金鋼絲的生產要求。

（2）環(huán)保有機酸的研發(fā)以及無助鍍的工藝，大大降低了生產成本和環(huán)保處理的費用。

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

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

（5）新工藝總體生產成本可降低25%以上。