降低锌耗的钢丝热镀锌优化工艺

苗瀛，苗立贤

（1.河南科技学院，河南 新乡 453000；2.巩义市恒星金属制品有限公司，河南 郑州 451251）

【热浸镀】

降低锌耗的钢丝热镀锌优化工艺

苗瀛1，苗立贤2,*

（1.河南科技学院，河南 新乡 453000；2.巩义市恒星金属制品有限公司，河南 郑州 451251）

采用电解脱脂，复合酸洗除锈，非离子活性剂的助镀剂配方，无锌渣内加热熔锌和电磁抹拭等工艺，降低了生产过程中锌损耗(5% ～ 7%)，节约了能源，提高了钢丝镀层质量。

钢丝；热镀锌；脱脂；除锈；内加热熔锌；电磁抹拭

1 前言

突如其来的国际金融危机给我国实体经济带来的影响日益显现，对盈利水平相当低的钢丝热镀锌生产企业的冲击更是不可估量。钢丝热镀锌生产一直按照传统工艺进行，能耗高、生产环境较差，尤其是钢丝镀锌层经常出现的漏镀、不均匀等问题，导致生产成本居高不下。因此，提高产品质量，节能降耗，降低生产经营成本，是企业生产经营的重点。本文结合实际，从技术角度分析了造成能耗、锌耗高的原因，重点介绍了降低能耗、锌耗，提高热镀锌钢丝镀层品质的部分改进工艺和措施。

2 传统的钢丝热镀锌能耗、锌耗高的原因分析

传统的钢丝热镀锌工艺的预处理清洁化生产程度低，导致镀锌层质量不稳定和锌锭消耗高，其缺陷有以下6个方面：

(1) 经拉拔后，钢丝表面磷化膜厚，而且拉拔用的皂化润滑剂浓度和杂质含量高，影响脱脂、酸洗效果。

(2) 脱脂工序仍采用 NaOH、Na2CO3和 Na3PO4的混合溶液，80 °C以上高温脱脂。因浓度和温度过高，钢丝表面会出现轻微的腐蚀，水清洗时不易去除，导致钢丝镀锌时出现露铁现象。

(3) 采用盐酸作为除锈剂，盐酸浓度高时，钢丝表面易发生过腐蚀，锌耗增大；且盐酸易挥发，污染环境，生产成本高。

(4) 助镀溶剂成分为单一的NH4Cl水溶液，NH4Cl附着能力差，易脱落，导致镀层出现露铁、不均匀和附着力差等缺陷。当溶液含有一定量的铁离子时，铁离子会随钢丝进入锌液中，最终产生锌渣(FeZn13)，使锌耗增大。

(5) 采用铁质熔锌锅侧加热会产生大量锌渣，占总锌耗的15% ～ 25%；采用陶瓷锌锅上加热会使锌燃烧，将有10% ～ 15%的氧化锌和锌灰生成。

(6) 钢丝离开锌液面时，油木炭抹拭会造成镀层不均匀并产生锌瘤，外观粗糙、不光滑，上锌量高。

3 降低能耗、锌耗的优化措施

为提高镀锌层表面质量，减少不合格品，降低生产成本，目标应重点放在钢丝镀锌前的表面清洁程度，以及降低占总生产成本 80%的纯锌消耗这两个方面。优化工艺流程为：

黑钢丝─溢流热水洗─电解脱脂─溢流清水漂洗─复合除锈剂除锈─溢流清水漂洗─粘助镀剂─烘干─热浸锌─电磁抹拭─风冷─水冷却─检验─包装。

3. 1 钢丝表面预处理的优化措施

3. 1. 1 控制拉拔后钢丝表面磷化膜的厚度

钢丝拉拔前的磷化作用可改善钢丝冷成型后的润滑性，热镀锌前其厚度应控制在1 ～ 3 μm，对应磷化膜的单位面积质量为5 ～ 8 g/m2。磷化膜的厚度控制原则应为：粗号钢丝取下限，细号钢丝取上限。水箱拉丝机中润滑皂化剂的质量浓度控制在1.011 ～ 1.018 g/cm3范围内，要定期清除拉丝机内沉积的杂质污垢，最好控制在0.25 g/L以下。

3. 1. 2 镀锌脱脂工艺前增加一道热水洗

这样可以软化钢丝拉拔后表面粘附的硬度高的皂化脂，以便在脱脂工序中较好地去除。热水温度为70 ～80 °C，采用阶梯式漂洗，溢流排放，循环过滤使用。

3. 1. 3 将单一化学脱脂改为电解化学脱脂

电解脱脂的脱脂剂用量较常规化学脱脂减少了15% ～ 20%，同时脱脂速度更快，效果更佳。钢丝脱脂后采取溢流水漂洗、毛刷或空气喷吹等方式，可较好地将钢丝表面残存的皂化液脱除掉。

电解脱脂配方和工艺如下：

NaOH 30 ～ 35 g/L

Na2CO320 ～ 25 g/L

Na3PO410 ～ 15 g/L

θ 60 ～ 70 °C

J 5 ～ 15 A/dm2

t 5 ～ 10 s(阴、阳极互换)

电解脱脂效果随电流密度增大有显著提高；但当电流密度大于50 A/dm2后，电流密度增加时清洗效果变化不明显。故电流密度控制在10 ～ 30 A/dm2为宜。

直线逆流循环式不增加钢丝的运行阻力，可保持钢丝平稳运行。逆流脱脂槽中的电极板使用一段时间后，其表面会逐渐沉积一定量的污垢，输出电流受到屏蔽，电流密度将会逐渐减小，脱脂效果变差，甚至脱除不掉油脂。此时应清除电极板表面的污垢，或定期对电极板轮换清理[1]。

3. 1. 4 盐酸除锈优化工艺

采用复合除锈剂除锈代替单一的盐酸溶液除锈工艺，具有酸洗速度快，减少酸雾逸出挥发，节约盐酸[2]等优点。一般情况下，采用复合除锈剂后1 t盐酸可清除80 t以上钢丝的表面铁锈，较直接使用盐酸节省35%左右。常温复合盐酸酸洗液工艺配方如下：

盐酸(ρ = 1.15 g/mL) 120 ～ 180 mL/L

磷酸(ρ = 1.71 g/mL) 10 ～ 15 mL/L

TX–10 2 ～ 4 g/L

若丁 1.5 ～ 3.0 g/L

磷酸可提高酸洗速度；TX–10具有活化润湿和渗透复合作用，同时具有抑制酸雾作用；若丁为缓释剂，可减少亚铁盐的产生。为了减少酸液的挥发，可在酸洗液表面覆盖一层酸雾抑制剂或大小搭配的泡沫型PP空心球，以提高酸液的利用率。

3. 1. 5 酸洗后采用温水洗

温水洗能很好地去除粘附在钢丝表面的铁盐，避免其带入下道工序(助镀)中。热水温度高于25 °C时，效果更佳。从节约能源考虑，可将钢丝热浸锌后冷却池中的水引入漂洗池，作为清洗水使用。

3. 1. 6 其他

工艺槽均采用高、低液位报警，人工补液、补水。布置方式为工作液槽在上，储液槽在下，液体上下循环使用。为节约水资源，生产线上水清洗均采用二次清洗，末道水洗的水循环到第一道水清洗；酸洗后的水清洗循环到脱脂后的水清洗，并起到酸碱中和的作用，最后集中到废水处理中心，经处理后再循环到生产线上继续使用。

3. 2 采用活化助镀剂优化工艺

钢丝热镀锌前浸粘助镀剂可保证钢丝在热浸镀锌时，其表面的铁在短时间内与锌液起正常反应，生成一层铁–锌合金层。其作用有：(1)清洁钢丝表面，去除酸洗后钢丝表面的亚铁盐及其他杂质；(2)净化钢丝浸入锌液处的液相锌，使钢丝与液态锌快速浸润并反应；(3)在钢丝表面沉积一层盐膜，可以将钢丝表面与空气隔绝开来，防止其二次氧化；(4)溶剂受热分解时使钢丝表面具有活性及润湿能力(即降低表面张力)，使锌液能很好地附着于钢丝上，并顺利地完成合金化过程；(5)涂上溶剂的钢丝在遇到锌液时，溶剂气化而产生的气浪可以清除锌液上的氧化锌、氢氧化铝及碳黑颗粒[3]。

该助镀剂工艺条件[4]如下：

氯化锌 15 ～ 20 g/L

氯化铵 45 ～ 50 g/L

添加剂 0.8 ～ 1.0 g/L

pH 5 ～ 6

θ 65 ～ 70 °C

此助镀剂的氯化铵含量比常规助镀剂降低了10% ～20%，不用添加氯化锌，克服了因钢丝不断将酸液带进助镀剂槽中使助镀剂酸性过强的弊端，助镀剂 pH 始终保持在5 ～ 6之间。溶液中Fe2+离子在此条件下会被空气中的氧逐渐氧化为Fe(OH)3，并从助镀溶液中沉析出来，有利于提高助镀前钢丝的清洗质量。

同时，助镀剂中的氯化锌和氯化铵依靠非离子活性剂的分散、湿润作用，能降低表面张力，克服了温度较低时钢丝基体与锌液接触而出现的微爆溅现象，避免了因爆锌而产生的漏镀和锌的非正常消耗。

助镀剂中的铁离子不仅增大了助镀剂的黏度，提高了钢丝与锌液接触反应的难度，还延长了助镀剂在工件表面结晶所需要的时间，导致锌渣量的增高，造成无效的锌耗。

参照专利《一种防止钢丝热镀锌漏镀的助镀剂制备方法》[4]，可以去除助镀剂中的铁离子。结果表明，当Fe2+从10 ～ 20 g/L降低到0.6 g/L以下时，每吨钢丝镀锌消耗纯锌的量降低0.2% ～ 0.5%。

3. 3 采用无锌渣内加热熔锌、镀锌工艺

采用无锌渣内加热器熔锌、镀锌工艺避免了传统的上加热过程对锌液表面的辐射导热熔锌，极大地减少了锌液表面的高温氧化，与传统的钢板锌锅相比，具有无锌渣、锌灰生成量少的特点，有效降低了锌耗。加热体与锌液接触，将热量直接传给锌液，热能利用率可达 90%以上。锌液温度可以精确控制在±2 °C以内。为减少锌液面热量的辐射、对流损失，在钢丝进入锌液面之前，覆盖一层含有氧化锌还原剂的保温材料，可减少热量损失，同时抑制锌粉灰的飘浮。在正常钢丝热镀锌生产中，生产1 t钢丝的平均耗锌量在50 kg 左右──与上加热钢丝镀锌相比，综合节约纯锌5% ～ 7%；与采用铁质锌锅相比，节约纯锌15% ～ 27%。

3. 4 添加锌–铝–混合稀土合金(w (Al) = 5%)

锌液中含有0.002% ～ 0.005%的铝，可明显增加镀锌层的光亮度，还可阻止锌液面的氧化，避免出现过多的锌灰。同时，混合稀土和铝元素可细化锌晶粒，增大锌液的流动性，明显提高镀锌层的均匀性，有利于降低锌耗。但应避免直接向锌液中添加单组分的金属铝和稀土，以合金的形式添加为宜。

3. 5 采用电磁抹拭替代油木炭抹拭工艺

钢丝热镀锌时，当钢丝垂直离开锌液面时，表面会粘附一层纯锌液，在没有凝固之前这层锌液一方面在重力的作用下顺着钢丝向下流动，另一方面随钢丝向上移动，最终导致在钢丝表面出现断续的锌瘤。传统方法是用油木炭覆盖层抹拭掉锌瘤，得到光滑的镀锌层。但油木炭质地疏松，不能很好地抹拭掉钢丝表面形成竹节状的锌瘤，而且其在高温下易遇热燃烧，燃烧过程中散发出大量黑烟，危害人体健康和生产安全，另外还会在镀锌层表面残留一些木炭灰等杂质而影响镀层表面质量和耐腐蚀性能。

电磁抹拭可解决上述问题。利用电磁场瞬间发热的原理，使未完全凝固的锌液熔化而回落到锌锅的锌液中去，通过调节电流的大小来改变电磁场的强弱，控制镀锌层厚度和光滑度，提高了锌液在钢丝上的流平性，使镀锌层均匀、平整。使用时，在工作腔中通入一定压力和温度的氮气，以保护钢丝离开锌液面出口处的洁净。

4 结论

(1) 控制热镀锌前钢丝表面磷化膜厚度在1 ～ 3 μm以及水箱拉丝机中皂化润滑剂的质量浓度在 1.011 ～1.018 g/cm3范围内，定期清除拉丝机内沉积的杂质污垢，使杂质污垢在0.25 g/L以下，可有效改善钢丝脱脂清洗和酸洗除锈的质量。

(2) 电解脱脂较常规化学脱脂减少脱脂剂用量15% ～ 20%，复合酸洗剂较单一使用盐酸节省盐酸35%左右，活化助镀剂的氯化铵含量比常规助镀剂降低10% ～ 20%，如此不但节约了能源，而且避免了因钢丝表面不清洁而引起的漏镀、镀锌层不均匀等缺陷。

(3) 向锌液中添加含铝 5%(质量分数)的锌–铝–混合稀土合金，有利于细化锌晶粒，增大锌液的流动性，提高镀锌层的均匀性，降低锌耗。

(4) 采用内加热陶瓷锌锅熔锌、镀锌工艺，大大减少了锌渣的产生，综合节约纯锌5% ～ 7%。采用电磁抹拭代替油木炭抹拭，改善了锌液在钢丝上的流平性，使镀锌层光滑均匀、无锌瘤，工作环境清洁。

[1] 焦耀中, 苗立贤, 焦宗宝, 等. 安全环保型钢丝热镀锌生产工艺[C] // 2009金属制品行业技术交流会论文集. 宁波: 中国金属学会, 2009: 70-74.

[2] 苗立贤, 张慧君, 刘海, 等. 复合盐酸酸洗液在钢丝热镀锌生产中的应用[J]. 电镀与涂饰, 2006, 25 (7): 8-9.

[3] 苗立贤, 焦宗保, 张保湖, 等. 钢丝热镀锌清洁化生产[J]. 电镀与涂饰, 2009, 28 (1): 27-29.

[4] 巩义市恒星金属制品有限公司. 一种防止钢丝热镀锌漏镀的助镀剂的制备方法: CN, 101338407 [P]. 2009–01–07.

[5] TAO L. 批量热镀锌技术[C] // 第八届中国热浸镀锌会议论文集. 青岛: 中国腐蚀与防护学会热浸镀专业委员会, 2009: 12-15.

[ 编辑：吴定彦 ]

Optimized process for reducing zinc consumption in steel wire hot-dip galvanizing //

MIAO Ying, MIAO Li-xian*

Some advanced technologies including electrolytic degreasing, derusting by composite derusting agent, using non-ionic surfactant plating assistant agent, zinc slag-free inner heating zinc melting and electromagnetic wiping were introduced. The process has the features of decreased loss of zinc (5%-7%), reduced energy consumption and good deposit quality.

steel wire; hot-dip galvanizing; degreasing; derusting; inner heating zinc melting; electromagnetic wiping

Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453000, China

TQ153.15

B

1004 – 227X (2010) 01 – 0030 – 03

2009–06–22

2009–07–24

苗瀛（1988–），男，河南驻马店人，本科，主要从事金属表面处理工作。

苗立贤，教授级高级工程师，(E-mail) lixian-163@163.com。