熱鍍鋅減低鋅耗優化工藝介紹

添加時間:2012-3-23 16:52:51   【標簽:熱鍍鋅合金】 關注:

鋼鐵制件熱鍍鋅是目前應用最廣泛和最有效的防銹蝕方法之一,主要應用于塔桅類、鋼結構工程、鋼格板、交通設施和其他等五個方面。截至目前不完全統計,我國結構鋼(型鋼及構造物)熱鍍鋅企業已經超過800家,年產量估計為500~550萬噸。進入2004年以來,全球鋅市場由供應過剩轉為短缺,對鋅的需求量快速增長,加之其它因素影響,年需求平均遞增12.3%;國內鋅消耗持續快速增長7.6% [1]。鋅錠價格由年初的14,000元/噸持續、猛漲到發稿時的36,000元/噸,熱鍍鋅消耗鋅約在60~65Kg/t,僅鋅消耗成本一項由840元/ t增加到2,400元/t,而熱鍍鋅加工銷售價格增長幅度不大,企業如何適應市場的變化,降低鋼鐵件熱鍍鋅的鋅錠的消耗是熱鍍鋅企業迫在眉睫、急需要解決的問題。本文擬從優化熱鍍鋅工藝管理,降低鋅錠的消耗等方面作簡要介紹,并提出一些行之有效的技術措施,以供參考。

1. 傳統的熱鍍鋅工藝

1.1 傳統的熱鍍鋅工藝流程為:

鋼制件→脫脂(除油)→水洗→除銹→水洗→助鍍→烘干→熱浸鋅→水冷卻→鈍化→水洗→檢驗→包裝。

1.2 傳統的熱鍍鋅工藝流程的缺陷。

傳統的熱鍍鋅工藝流程的缺陷在于以下五個方面:

⑴、清洗水沒有充分利用,存在較大的浪費;

⑵、脫脂工序仍采用強堿NaOH 、  Na2CO3、 Na3PO4 和 Na2SiO2混合水溶液,大于90℃的高溫脫脂方法。用此方法進行脫脂,工作環境因堿性揮發氣味較大;因過高的濃度、制件在堿性溶液中放置的時間太長、溫度太高的因素容易引起工件表面過清洗,同樣會出現表面輕微的腐蝕,從而使水清洗不能去掉(由于腐蝕留下的)殘留產物,這些化學產物實際上可以被金屬細孔吸附,可能出現制件表面漏鐵現象和粗燥不平;

⑶、除銹劑一般采用單一成分,如:鹽酸或硫酸。鹽酸濃度高時酸液易揮發,給制作環境帶來損害,硫酸濃度高時,稍微不注意易使制件表面出現過腐蝕和析氫現象;

⑷、助鍍溶劑成分單一使用NH 4Cl或NH4Cl 和 ZnCl2混合水溶液,但配方配比不合理,都會使鍍層質量出現缺陷和鋅耗的增加;

⑸、鐵質熔鋅鍋外加熱產生大量鋅渣的問題,約占總鋅耗的15%~25%;緊固件高溫熱鍍鋅用的鑄鐵鍋鋅渣約占總鋅耗的50%~60%,鋅的無效消耗較大;

⑹、浸鋅時,極不科學的直接向熔融的鋅液中添加純鋁、電纜鋁絲、鎳粉、稀土粉等,均可造成鋅液粘稠流動性差,鋅液表面出現浮渣等問題。

 

熱鍍鋅優化工藝。

 

2.1熱鍍鋅優化工藝流程為:

 

 鍍劑除鐵

鋼制件→酸性脫脂劑脫脂(除油)→復合除銹劑除銹→溫水洗→清水漂洗→助鍍→烘干→

                                                 ↑

熱浸鋅→水冷卻→鈍化→檢驗→包裝。

2.2 熱鍍鋅優化工藝,是指使工藝更加合理、趨于科學,其目的在于提高鍍鋅層表面質量,減少不合格產品的發生;降低生產成本,主要是為降低占總生產成本80%的純鋅的消耗。以批量熱鍍鋅生產為例,具體有以下幾個方面。

2.2.1  進入熱鍍鋅生產線的制件,包括待熱鍍鋅制件和預制件,在存放期間要防止嚴重銹蝕。對于已經出現嚴重銹蝕的鋼制件和一般輕微銹蝕的鋼制件要分開進行脫脂、酸洗。主要是區別因腐蝕程度不同,酸洗時間亦應不同,防止輕微腐蝕的鋼制件在酸洗時的過酸洗,避免析氫現象和鋼制件表面出現麻坑。

2.2.2  采用酸性脫脂劑代替強堿溶液去油脂的方法。酸性脫脂劑已有許多報道,酸性脫脂后可以省掉一道清水洗工序,可以節約水資源及對其含脫脂劑處理的費用。同時該脫脂劑溶液中含有活性劑和緩蝕劑,不會因脫脂時間太長對鋼制件表面產生過清洗現象。

2.2.4  酸洗后采用溫水洗。采用溫水洗,主要是考慮能很好的沖洗、溶解掉粘附在鋼制件表面的鐵鹽,減少帶入下到工序(助鍍)中的鐵鹽。考慮到需要對清水加熱到一定溫度(>25℃),才能起到快速清除鐵鹽的效果。從節約能源考慮,可以將鋼制件熱浸鋅后水冷卻池中水引進到酸洗后的漂洗池,起到溫水清洗的作用。

2.2.5  助鍍劑有效成分和最佳工作條件。

    鋼制件熱鍍鋅前浸粘助鍍劑的目的:是為了保證鋼件在熱浸鍍鋅時,使其表面的鐵基體在短時間內與鋅液起正常的反應,而生成一層的鐵-鋅合金層。其作用機理為:

(1) 清潔鋼鐵表面,去除掉酸洗后鋼件表面上的一些鐵鹽、氧化物及其他臟物。

(2) 凈化鋼件浸入鋅液處的液相鋅,使鋼件與液態鋅快速浸潤并反應;

(3) 在鋼件表面沉積一層鹽膜,可以將鋼件表面與空氣隔絕開來,防止進一步微氧化;

(4) 溶劑受熱分解時(指干法)使鋼件表面具有活性作用及潤濕能力(即降低表面張力),使鋅液能很好地附著于鋼件基體上,并順利的進行合金化過程;

(5) 涂上溶劑的鋼件在遇到鋅液時,溶劑氣化而產生的氣浪起到了清除鋅液上的氧化鋅,氫氧化鋁及碳黑顆粒等作用。

因此,通常選用的助鍍劑為:ZnCl2﹒2NH4Cl.當工件在浸入鋅液時,助鍍劑鹽受熱后首先發生分解:

   ZnCl2﹒2NH4Cl→ ZnCl2(NH3)+ NH3+ 2HCl

分解釋放出的氨氣和氯化氫氣體與工件表面殘留的氧化鐵及鋅液表面形成的氧化鋅發生反應:

   FeO + NH3 + 2HCl → FeCl2(NH3) + H2O

  ZnO +NH3  + 2HCl → ZnCl2(NH3) + H2O  

為此,助鍍劑的正常成分和最佳工作條件見下表:

表  助鍍劑的正常成分和最佳工作條件:

組份

氯化鋅

氯化銨

總鹽份含量

作用范圍

可能性

20 ~ 30 %

30 ~ 60 %

350 ~450 g/l

適合性

10 ~ 20 %

20 ~ 60 %

300 ~400 g/l

助鍍劑溫度

~ 6 0 ℃

助鍍劑pH 值

3.5 ~ 4.5

以氯化鋅和氯化銨混合組成的助鍍液,ZnCl2﹒2NH4Cl是有穩定成分的化工雙鹽,易結晶在鋼制件表面上。其中NH4Cl在助鍍劑中的作用是最根本的,但NH4Cl易揮發,所以不能太高以避免工件在浸鋅過程中形成過多的煙霧。ZnCl2起到涂層作用,盡可能減少工件在酸洗之后和浸鋅之前的氧化。同時,以ZnCl2﹒2NH4Cl為氯化鋅和氯化銨混合組成基礎的助鍍劑有很好的自(動)干(燥)效果。

2.2.6       助鍍劑中鐵離子含量的控制與去除方法。

助鍍劑中的鐵離子,不僅增加助鍍鹽殘余物的黏度而增加了清除的難度,而且由于鐵離子的存在,還增加了助鍍鹽在工件表面的結晶所需要的時間;更重要的是,助鍍劑中的鐵離子含量高會導致鋅渣量的增高,造成無效的純鋅耗。據報道:1份鐵與鋅液結合可以形成25份的鋅渣。最近的一項研究表明,隨助鍍劑結晶雙鹽而被帶入鋅液中的鐵鹽將會與鋅鍋中的鋅發生反應,大約20%會進入鍍鋅層中,剩下的80%將會直接形成鋅渣 [5]。就助鍍劑而言,減少鐵離子的措施,需要添加以烏洛托品和FHX—1為主要成分的緩蝕、有機活性劑[6]。加入一定的有機活性劑后可以使助鍍劑分散、浸潤能力,干燥速度增強,避免工件與鋅液接觸發生爆鋅現象的出現。

連續去除助鍍劑中的鐵離子的工藝技術已經成熟 [7] ,現在已有連續清除助鍍劑中鐵離子的GD--PIRE設備為大多企業使用。通過連續清除助鍍劑中亞鐵離子可從10~20 g/L降低到0.6g/L以下時,結構件熱鍍鋅噸耗純鋅降低0.466%~1.007%,平均降低0.737%。如果年產按20,000t鍍鋅件計算,每年最少可節約鋅20,000t×0.737% =147.4t;鋅錠按36,000元/ t計算,每年可節約530.64萬元。

2.2.7  助鍍劑pH 值的控制范圍。

助鍍劑酸性過強,所有的鐵鹽處于溶解狀態。因此將有更多的Fe2+會隨工件被帶入鋅液中,這將導致更多的細鋅渣的產生。特別是當助鍍劑pH >5.5 時,Fe(OH)2和Zn(OH)2在工件表面沉析,這將阻礙鋅液與鋼基體的接觸,妨礙鋅--鐵反應的進行,造成鍍鋅層表面質量缺陷。當助鍍劑pH 3.5~4.5之間時,溶解狀態的Fe2+離子會被空氣中的氧離子逐漸氧化形成在這個pH 值條件下不能溶解的Fe3+ 離子,并以Fe(OH)3的形式從助鍍溶液中沉析出來。有利于用清除設備將鐵離子和雜質從助鍍劑中排出。

綜上所述,改善或提高助鍍前工件的清洗質量,嚴格助鍍劑的管理,對降低鋅耗,改善鍍鋅層質量是行之有效的。

2.2.7           降低鋅渣的產生、節鋅措施。降低鋅渣的產生、節鋅應從以下六個方面解決:1)、采用耐鋅蝕金屬內加熱器[8]和纖維復合增強內加熱器二種陶瓷鋅鍋熱鍍鋅,鍍鋅溫度可以根據不同的鋼構件、緊固件、瑪鋼件和球墨鑄鐵件在450~650℃范圍內任意調節,將無鋅渣產生,國內已有幾十家企業采用該項技術;2)、采用435~445℃低溫鍍鋅,并保持在這個溫度下長時間工作,防止鋅液溫度忽高忽低,先決條件應是鋅鍋的熔鋅量較大,鋅鍋深而鍋口窄。熱鍍鋅爐供熱系統需要采用自動控溫裝置,鍋體外壁需要安裝穩熱構件;同時需要按要求向鋅液中添加低溫熱鍍鋅合金,當合金量為0.3%時,鍍鋅層與鋼基表面所形成的中間相層,此層達到一定厚度時,不但有提高鍍層的附著力,而且可以減少鋅渣(FeZn7)的生成量。但必須避免直接向熔融的鋅液中添加純鋁、電纜鋁絲、鎳粉、稀土粉等雜質;含鋁量過高時將會加速鐵鍋的腐蝕速度,特別是在鋅液面與鐵鍋內壁接觸的部位;3)、按照2.2.6和2.2.7所述降低助鍍劑和酸洗液中亞鐵離子的含量,盡可能地避免鐵鹽帶入鋅液中;4)、在鐵質鋅鍋內壁堆焊一層3~6mm耐鋅—鋁液腐蝕焊條,可以減少鋅渣的產生,在含鋁量0.05~5.0%的鋅液中耐腐蝕性是進口鋅鍋板的5~50倍;在435~460℃溫度內鍍鋅,可以提高鋅鍋使用壽命5~10倍;5)、對于結構件熱鍍鋅避免在線性腐蝕區和高溫拋物線區熱鍍鋅;6)、對于采用日(本)韓(國)式批量熱鍍鋅,應采用變頻電器調整鍍鋅件鍍鋅后的分段提升速度,在工件提升初期沒離開鋅液面之前速度設為1~2m/min,離開后速度可提高為16~20m/min,并且提升角度應盡量的大,以增加鋅液的回流速度[9]。

3  結語   降低鋼結構件熱鍍鋅的無效鋅耗,除了上述介紹的優化工藝外,影響鋼結構件熱鍍鋅的無效鋅耗因素還有其它方面,如鋼材基體的含碳、硅、錳量,表面腐蝕狀態,工藝管理,工件的返鍍量,鍍鋅輔助工具的粘鋅量,氣體抹拭方式等都將不同程度地影響著鋅耗的增加。其中加強工藝管理,規范操作,嚴格執行工藝制度,并能持之以恒尤為重要。

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