鋅液成分及溫度對鍍鋅工藝的影響概述

沈志剛 李曉旭

河北工程大學(xué) 河北 邯鄲 056038

引言

作為在鋼產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國和消耗國，我國的鋼鐵行業(yè)發(fā)展至今已經(jīng)為世界創(chuàng)造了源源不斷的價(jià)值。鋼鐵在工業(yè)建設(shè)的道路上發(fā)揮著巨大的作用，但鋼鐵本身在潮濕環(huán)境中容易被腐蝕。根據(jù)不完整的數(shù)據(jù)估計(jì)，全球因?yàn)殇撹F腐蝕所造成的資源浪費(fèi)約占了當(dāng)年度鋼鐵出產(chǎn)總量的1/3。

工業(yè)上普遍采用熱鍍鋅技術(shù)處理鋼鐵表面，通過在鋼鐵的表面上鍍鋅，能夠有效隔絕鋼鐵與空氣的接觸。目前工業(yè)上生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品，如鋼鐵、鋼絲、鋼筋等都可以通過熱鍍鋅技術(shù)得到有效的保護(hù)，鍍鋅層的應(yīng)用極大地提高了鋼鐵產(chǎn)品的抗腐蝕性能。

鋅在鋼鐵產(chǎn)品中起著良好的保護(hù)作用，其對鍍層的品質(zhì)和性能都有著極大的提升。鋼鐵暴露在潮濕的空氣中，通過電化學(xué)腐蝕原理，鎂元素會優(yōu)先失去電子，鋼鐵的腐蝕程度被相應(yīng)的減弱。熱鍍鋅液中鎂元素的使用，可以在鋼產(chǎn)品中形成金屬氧化層，與鋼鐵和空氣產(chǎn)生隔離，鋼鐵所遭受的氧化程度也因此會被抑制[1]。因此，對熱鍍鋅溶液的研究將會對鍍鋅層產(chǎn)品品質(zhì)的提高以及生產(chǎn)成本的降低有著很大的促進(jìn)作用。

近年來，市場上對于熱鍍鋅的需求量正不斷地增加，鍍層產(chǎn)品的性能成為市場選擇熱鍍鋅產(chǎn)品的主要衡量指標(biāo)。鍍層的品質(zhì)主要由鍍層中所含有的微量元素組成的合金層的組織所決定的。通過人們對熱鍍鋅工藝的研究發(fā)現(xiàn)，鋼基成分和鋅液溫度的選擇決定了鍍層的品質(zhì)。Al、Mg、Si、Pb、稀土元素作為鋅液中含有的微量成分，它們的含量對熱鍍鋅過程生產(chǎn)出的產(chǎn)品有著密不可分的聯(lián)系，適量的添加微量元素將對鍍鋅層的改善有很大的促進(jìn)作用。討論鋅液溫度對生產(chǎn)結(jié)果的影響也是必要的，因?yàn)殇撹F產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本的大小與鋅液溫度都有著緊密的聯(lián)系。

1 溫度對熱鍍鋅的影響

經(jīng)研究[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)液態(tài)鋅的溫度低于480℃時(shí)，行業(yè)生產(chǎn)的Fe-Zn合金層堅(jiān)固而緊密，鍍鋅層表面光滑。在鋅液低于480℃的情況下，鐵在鋅液中難以被溶解，鐵的損失最小，為了資源的充分利用和節(jié)約生產(chǎn)成本，大多數(shù)熱鍍鋅工藝流程使用的是溫度480℃以下的鋅液。同時(shí)還有一部分的熱鍍鋅工藝流程使用的是550℃的鋅液，550℃的鋅液和480℃以下的鋅液之間有著相似處，均可以生產(chǎn)出堅(jiān)固致密的鐵鋅合金層。550℃鋅液的流動(dòng)性則遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于480℃以下的鋅液，但鋅液溫度保持在495℃的情況下，鐵會在鋅液中大量溶解，很大程度上降低了鋅鍋的使用期限，故將鋅液升高至550℃并不是最優(yōu)的鋅液溫度。

當(dāng)鋅液溫度維持在495攝氏度的情況下，此時(shí)鐵在鋅液中的溶解度達(dá)到最高，鐵大量溶解在鋅液中，在此溫度下進(jìn)行熱鍍鋅會導(dǎo)致?lián)p失的鐵最多。

綜上所述，工業(yè)熱鍍鋅應(yīng)將鋅液溫度設(shè)定在480℃以下，工業(yè)上稱450℃為標(biāo)準(zhǔn)的鋅液溫度。因?yàn)樵?75~480℃時(shí)，熱鍍鋅容易產(chǎn)生雜質(zhì)，且480℃以下時(shí)鐵在鋅液中的溶解度時(shí)變化不明顯。綜上所述，在440~470℃之間對鋼鐵產(chǎn)品進(jìn)行熱鍍鋅工業(yè)加工在工業(yè)中較為普遍，保持該溫度下可以生產(chǎn)出品質(zhì)較好的鍍層產(chǎn)品。

在鍍鋅過程中通過對鋅液加鋅速度的控制，溫度測量熱電偶的校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確控制，可以減少鍍鋅過程中鋅渣的產(chǎn)生，同時(shí)可以提高鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 微量元素對熱鍍鋅的影響

2.1 鎂的影響

鋅液中Mg的添加能有效提高鍍鋅層的耐蝕性[3]，對鍍鋅層有較大的影響。經(jīng)研究[4]發(fā)現(xiàn)，隨著鋅液中Mg含量的提升，鍍鋅層表面晶粒的尺寸會逐漸開始變小，而晶體的數(shù)量卻隨著Mg含量的提升而增多，說明Mg具有提高晶粒數(shù)量，細(xì)化晶粒的作用。

實(shí)際生產(chǎn)中需要根據(jù)不同的產(chǎn)品來決定鋅液中Mg的用量。通常將鋅液中Mg的含量同時(shí)控制在0.3%以下，當(dāng)鋅液中Mg含量逐步增加的同時(shí)，會導(dǎo)致Al-Zn合金層的腐蝕率逐漸降低，鍍鋅層的耐蝕性也就得到了提高。

Mg含量的變化同時(shí)也影響了Al-Zn合金結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變：當(dāng)鋅液中沒有添加Mg的情況下，Al-Zn合金層保持著致密的結(jié)構(gòu)；當(dāng)Mg保持微量的情況下，將不會影響Al-Zn化合物的主體成分，但會影響金屬間化合物的外形。

2.2 鋁的影響

Al作為鋅液中經(jīng)常添加的微量元素，其對減少鋅液表面的氧化有著明顯的效果。鋅液中的Fe與Al之間很容易互相發(fā)生反應(yīng)，鋅液中由于Al的存在，在鋼鐵熱鍍鋅的過程中可以形成Fe-Al金屬化合物，F(xiàn)e-Al金屬化合物可以幫助鍍鋅層有效地黏附在鋼基表面，使其不易脫落。

當(dāng)Al在鋅液中的含量在0.5%偏下時(shí)，伴隨著Al含量的增加，鋅液將更加黏稠，導(dǎo)致鋅液的流動(dòng)能力變緩。鋅溶液中的鋁會同時(shí)被氧化鋅、氧化鐵等雜質(zhì)吸附，并使其漂浮在鋅液的表層，所以Al也起到了去除雜質(zhì)、提高鋅液純度的作用。加入適當(dāng)Al后的鋅液通過熱鍍鋅工藝可以生產(chǎn)出韌性強(qiáng)的鍍鋅層。在熱鍍鋅過程中，Al的加入可以有效阻滯Fe-Zn金屬化合物之間的反應(yīng)，鍍鋅層表面變得更為光滑。同時(shí)，鋁與氧反應(yīng)容易形成致密的氧化鋁薄膜。有效的隔絕了空氣，阻止了鋼基在空氣中被腐蝕[5]。

2.3 硅的影響

鋅液中添加適量的Si可以與Fe發(fā)生反應(yīng)生成化合物，可以將鋅液中含量較高的Fe去除，同時(shí)能夠抑制Fe-Zn合金相的合成。同時(shí)鋅液中的Si可以有效減緩鋅合金層的生成速度，但通常含有Si的鍍層的韌性普遍偏低。通常情況下Si是以Si顆粒的形態(tài)附著在鍍層上，Si顆粒的硬度比其附著的鍍層的要高，所以含有Si元素的鍍層往往具有較高的硬度。

在鋅液中需要控制Si的含量。鋅液中加入含量小于0.01%的Si時(shí)，Si對Al-Zn合金層的影響很小[6]，但是Si的含量超過2%時(shí)會加劇鍍鋅層表面不均勻的電化學(xué)反應(yīng)，并且使鍍鋅層在堿性介質(zhì)中更容易鈍化[7]，使熱鍍鋅工藝的加工技術(shù)受損。為了能夠保證熱鍍鋅處理工藝的穩(wěn)定性，實(shí)際生產(chǎn)中通常采用0.02%~1.00%[8]含Si的鋅液，用于提高鍍鋅層的緊密性。

2.4 鉛的影響

鋅液中添加的微量元素Pb，鋅花可以在產(chǎn)品的鍍鋅層表面獲得。鋅花生成的原理是鉛的熔點(diǎn)只有327.502℃，鉛與鋅之間反應(yīng)生成的化合物會導(dǎo)致鋅液的熔點(diǎn)也隨之減小，伴隨著鋅液凝固時(shí)間的增加，晶粒長大的速度也會減小，鋅花也就隨之生成了[9]。鋅液中的Pb含量不影響鋅液的流動(dòng)性及鍍鋅層的附著性，同時(shí)對熱鍍鋅也無明顯影響。但Pb含量與鋅花的尺寸之間保持著指數(shù)關(guān)系。即使鋅花可以提高鍍鋅層的觀賞性，但是當(dāng)鋅液中不含Pb時(shí)，工業(yè)中可以生產(chǎn)出不帶有鋅花的鍍鋅層，該鍍鋅層的抗鈍化能力以及耐腐蝕能力明顯優(yōu)于含Pb的鍍鋅層。

但是，Pb在高溫中易揮發(fā)，熱鍍鋅工藝中Pb的使用會污染環(huán)境，還會危害到技術(shù)人員的身體健康，在目前的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，Pb的使用已經(jīng)被限制。

2.5 稀土的影響

鋅液中添加的稀土元素具有細(xì)化晶粒、進(jìn)化、除雜等作用。在熱鍍鋅工藝中稀土的廣泛應(yīng)用，可以提高鍍鋅層的使用期限，提高鍍鋅層表面的光澤度，同時(shí)有效地緩解了鍍鋅的腐蝕。

熱鍍鋅工藝下，生產(chǎn)中持續(xù)保持著較高溫度，高溫的環(huán)境下將會促進(jìn)稀土元素同氮、氫等元素的結(jié)合，可以降低去除鋅液中的雜質(zhì)，提高鍍層的品質(zhì)。

鋅液中少量稀土元素的存在可以改善鍍鋅層的品質(zhì)。鋅液中添加1%-2%的稀土元素將會在多個(gè)方面提高鍍層的品質(zhì)，如鍍層的電化學(xué)特性、鍍層的密度、耐腐蝕性以及顯微硬度[10]。鋅液中適量的稀土元素可以提高鍍層的致密程度，同時(shí)還可以提高鍍層的硬度。經(jīng)研究[11]發(fā)現(xiàn)，稀土有著細(xì)化晶粒和去除雜質(zhì)的能力，可以在鍍鋅層表面聚集時(shí)，在鍍鋅層表面形成平滑致密的氧化膜，細(xì)小的晶粒能夠提高鍍層塑性和韌性[12]。稀土形成的氧化膜可以延緩?fù)獠侩s質(zhì)向Al-Zn合金層擴(kuò)散，進(jìn)而可以減慢鍍鋅層腐蝕和氧化的速度，增強(qiáng)內(nèi)部鍍鋅層的耐腐蝕方面能力。

稀土的添加并不是越多越好，由于稀土的粒子要比鋅原子大，且稀土在鋅液中的極限溶解度十分小，當(dāng)稀土的含量過大的情況下，會導(dǎo)致在熱鍍鋅過程中生成Re-Zn化合物[13]，進(jìn)而降低鍍鋅層的品質(zhì)，使其更容易被腐蝕。但適量添加稀土對鍍鋅層的抗腐蝕性能的提高是有利的。

3 結(jié)束語

伴隨著工業(yè)需求的不斷增加，市場對于鍍層的品質(zhì)也有了更高的要求，市場需要一種高質(zhì)量，高性價(jià)比的熱鍍鋅鍍層。在熱鍍鋅工藝中，添加適量的微量元素以及控制在理想溫度下，鍍層的品質(zhì)將會理想的實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的要求。

鍍鋅行業(yè)為了不斷提升鍍鋅層的品質(zhì)，降低工業(yè)生產(chǎn)的成本，以及保護(hù)環(huán)境的社會責(zé)任。鍍鋅行業(yè)不斷地在對鋅液、溫度中可以起到積極作用的因素進(jìn)行深入研究，同時(shí)市場上也不斷改進(jìn)已有的鍍鋅層裝置以盡可能降低成本和提升鍍鋅層的品質(zhì)。目前鍍鋅行業(yè)仍煥發(fā)著活力，擁有著廣闊的市場前景。伴隨對熱鍍鋅行業(yè)的深入研究，鍍鋅層的品質(zhì)仍會不斷提高改善。

熱鍍鋅生產(chǎn)工藝漫長而復(fù)雜，影響鍍層產(chǎn)品品質(zhì)的有多方面的因素，同時(shí)鋼鐵浸入鋅液進(jìn)行熱鍍鋅工藝生成鍍鋅層的操作十分煩瑣，所以會有許多影響鍍鋅層產(chǎn)品品質(zhì)的因素，同時(shí)各種影響因素并不是單獨(dú)對鍍鋅層的品質(zhì)造成影響，鍍鋅層產(chǎn)品最終的品質(zhì)是由各種因素共同決定的，為了獲得性能優(yōu)異的鍍鋅板，所有環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行嚴(yán)格管理控制和謹(jǐn)慎操作。不同帶材鍍鋅的厚度規(guī)格，不同之處在于溫度不同。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)情況選擇合適的參數(shù)配置，以便獲得高品質(zhì)的耐腐蝕鋼板，其廣泛使用將會對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。