镀锡板生产线上锡的意外电结晶的防治

张振林*，杨鹏飞王海林

（1.中国钢研科技集团有限公司，北京　100081；2.先进金属材料涂镀国家工程实验室，北京　100081）

【经验交流】

镀锡板生产线上锡的意外电结晶的防治

张振林1，*，杨鹏飞1，王海林1，2

（1.中国钢研科技集团有限公司，北京100081；2.先进金属材料涂镀国家工程实验室，北京100081）

分析了带钢连续电镀锡生产线运行过程中电镀槽内出现锡的意外电结晶现象。电绝缘失效、双极性电镀均能导致锡的意外电结晶的发生。从设计、操作与维护方面提出了防治对策。

带钢；电镀锡；电结晶；双极性电镀；电绝缘失效

First-author's address: China Iron & Steel Research Institute Group， Beijing 100081， China

镀锡钢板主要用于包装领域，其具有良好的耐蚀性与密封性，机械强度高，易于加工成型、装饰和回收再利用，在金属包装材料中占据重要地位。当前商品镀锡钢板普遍采用酸性法（二价锡）电镀的方式进行生产，主流类型是以苯酚磺酸或甲基磺酸为电解液的立式镀槽电镀生产线［1］。

在电镀锡钢板的生产过程中，镀锡段的电镀槽内经常会发生带钢表面以外区域锡的电结晶，俗称“长锡花”。锡的意外电结晶（以下简称“锡花”）的出现非常有害，主要表现为：（1）“锡花”在溶液的循环搅动下易被剥离而进入镀液，并被咬入到带钢与辊子之间，引起产品的表面质量问题，造成废品或者损伤胶辊表面；（2）“锡花”的不断生长会持续消耗电流，导致电镀电量的损失并降低了阴极的电流效率，对工艺控制也造成干扰；（3）“锡花”不易回收且无法直接在生产中再利用，造成金属锡的直接利用效率下降。

1　“锡花”的成因分析

“锡花”的外形尺度一般从数毫米至数十厘米，基本形状主要有3种，分别为尖塔状、树枝状以及瘤（菜花）状，见图1示例。

图1　镀槽内产生的“锡花”Figure1　“Tin flower” produced in tinning tank

“锡花”的产生从原理上讲是由于“锡花”的生长部位（阴极）、镀槽内的高电势部位（阳极）以及电镀液之间构成了电解池，并且阴阳极之间具有了足够的电位差。“锡花”的不同形态反映了其所处环境的离子浓度、电流密度、极化电位、溶液流动性的差异［2-3］。

图 2示意了一种工业生产中常见的立式镀槽，其中：槽体与胶辊一般采用钢衬胶材质进行防腐和电绝缘；槽体与钢结构之间，胶辊轴承底座与钢结构之间，以及胶辊与电动机传动轴之间的连接则通过绝缘衬套、绝缘垫板等进行电绝缘。

图2　立式电镀槽结构示意图Figure 2　Schematic diagram showing the structure of vertical electroplating tank

在实际电镀生产的过程中，“锡花”可能出现于镀液液面以下的任何部件表面，如槽体内壁、胶辊、不溶性阳极板或者槽内金属连接件上，等等。应当注意的是，有的位置上出现的“锡花”并非是原生的，往往是从其他位置掉落而来，应该加以区别。下面就“锡花”出现的几种典型情况进行分析。

1. 1电绝缘失效并伴随电流接地产生的“锡花”

槽体或胶辊衬胶层在实际使用的过程中难免出现磕碰、老化、磨损等现象，胶层破损并露出钢制基体表面后，槽内的电绝缘随之失效。槽外部分也易由于绝缘垫老化、破损或检修冲洗后积液等原因而导致电绝缘失效。图3、图4分别示意了槽体与胶辊的一种内、外绝缘失效位置。当内、外电绝缘同时失效后，槽体或胶辊将直接接地。于是在外加电流的作用下，槽内的电绝缘失效部位与电镀阳极之间将构成电解池，生成“锡花”。

图3　槽体绝缘失效示意图Figure 3　Schematic diagram of insu lation failure of the tank

1. 2双极性电镀产生的“锡花”

双极性电镀也称为双电极电镀，易发生于纯金属镀槽、槽内金属换热管、掉落槽内的镀件或金属异物等物体的表面，其除了发生阴极电沉积外，还会发生阳极氧化腐蚀［4-7］。

电镀锡生产线在槽体、胶辊等部件外部绝缘良好的情况下，镀槽内也会出现“锡花”，其产生机理可以用双极性电镀很好地解释。如图5所示，A、B代表镀槽内的两处衬胶损坏位置，其中位置A离阳极距离较近，位置B离带钢距离较近。此时部分电镀电流将借道槽体流入带钢，位置A将呈现阴极特性，发生还原反应，而位置B将呈现阳极特性，发生阳极氧化。

图4　胶辊绝缘失效示意图Figure 4　Schematic d iagram of insulation failure of roller

除此之外，电镀槽内的金属外表面的连接件或金属异物也会发生双极性电镀，生成“锡花”。如图 5中所示，镀槽内的金属连接螺栓发生双极性电镀时，位置C产生锡花，位置D产生阳极氧化腐蚀。

1. 3阳极表面出现的“锡花”

图6示意了立式电镀槽阳极的一般设置情况，用于上、下表面电镀的阳极对构成了一个电镀通道，即：T（n）与B（n）构成通道（n），T（n + 1）与B（n + 1）构成通道（n + 1）。

图5　双极性电镀示意图Figure 5　Schem atic diagram of bipolar electrop lating

图6　同一镀槽内的电镀通道Figure 6　Electrop lating passes in a tank

阳极表面上“锡花”的出现需要特定的形成条件，且一般情况下出现在无电流（电压）负载设定的阳极表面，其产生机理也不外乎1.1和1.2所述。

在实际生产的过程中，阳极的整流供电系统故障将导致出现阳极无负载的情况。而差厚电镀、阳极电流负载分配不合理等，往往导致同一电镀槽内的阳极之间存在较大的电势差。同一镀槽内阳极间的高电势差为“锡花”的生长提供了电沉积的动力，是“锡花”产生的必要条件之一。

1. 3. 1无负载阳极的接地

当无负载阳极的固定件绝缘失效并发生接地后，其与正常带电阳极之间将形成电解池，如T（n）与T（n + 1）之间形成的电解池。

对于不溶性阳极，由于阳极的宽度大于带钢宽度，同一电镀通道的阳极对之间也存在形成电解池的可能性，如带钢边部遮罩没有对阳极对的放电面形成有效遮挡。

1. 3. 2低负载阳极的接地

低负载阳极发生绝缘失效并接地后，阳极表面的电势将存在较大梯度，此时阳极表面的低电势区域将呈现出阴极特性。

1. 3. 3无负载阳极的双极性电镀

无负载阳极的双极性电镀一般情况下发生在上表面电镀的阳极表面上，如T（n）为无负载阳极，T（n + 1）为正常负载阳极，则T（n）与T（n + 1）相对的一面将呈现阴极特性，而它与带钢相对的一面将呈现阳极特性。

对于不溶性阳极，当带钢边部遮蔽罩没有形成有效遮挡时，该电镀通道的阳极对也存在生成“锡花”的条件，此时无负载阳极的侧面区域将呈现出阴极特性。

2　“锡花”的防治

2. 1绝缘失效的防治

（1） 加强安装、检修过程中对表面衬胶设备的保护，防止出现意外损坏。

（2） 注意基板板形的控制，避免板形不良的基板进入生产线，防止与设备产生刮擦而引起损坏。

（3） 停机检修期间做好电绝缘检查，发现问题后尽快修复或更换备件。

（4） 形成良好的备件更换计划，防患于未然。

2. 2双极性电镀的防治

（1） 电镀槽内尽量减少金属外表面零部件的使用，优先采用相对惰性的金属材料（如钛材）或高强度的非金属材料。

（2） 对非在槽内用不可且具有金属外表面的零部件，其设计位置应尽量远离电极，或者采用屏蔽罩、耐蚀绝缘涂层等进行电屏蔽。

（3） 发现掉落槽内的金属异物后应尽快取出。

（4） 合理调整同一镀槽内电镀阳极的电流负载。对于因供电系统故障而长时间无法带载荷使用的阳极，应降低其电流负载或者退出载荷状态。

（5） 对于供电无故障的无负载阳极，应进行间歇性或连续性的微电流带载荷运行，防止阳极表面“锡花”的形成与累积。

（6） 对于不溶性阳极，带钢边部遮蔽罩失效后，该通道的阳极对应切入微电流带载荷运行状态或者整体退出载荷状态，并将电流负载需求调配至其他正常阳极上。

3　结语

电镀锡生产线镀槽内“锡花”的可形成条件相对较多，生产过程中难以完全避免，因此需要生产操作人员跟踪观察，分析原因，并预备合理的处置措施。做好日常的检修、维护工作，合理地调整操作工艺，均可以在一定程度上降低“锡花”的产生，为电镀锡生产线的正常运行做好保障。

［1］ ITRI. Guide to Tinplate ［M］. 2nd ed. Hertfordshire， UK: ITRI， 2000: 14-23.

［2］ 査全性. 电极过程动力学导论［M］. 3版. 北京: 科学出版社， 2002: 301-311.

［3］ PAUNOVIC M， SCHLESINGER M. Fundamentals of Electrochemical Deposition ［M］. 2nd ed. Hoboken， NJ: John W iley & Sons， Inc.， 2006: 113-135.

［4］ 陈治良. 简明电镀手册［M］. 北京: 化学工业出版社， 2007: 47-49.

［5］ 李井建. 双极性机理及其在生产中的应用和危害［J］. 杭氧科技， 1999 （1）: 35-37.

［6］ 唐春华. 双极性现象及其应用［J］. 电镀与环保， 1990， 10 （1）: 3-6.

［7］ 李景尧. 关于双极性电镀原理的讨论［J］. 兵工学报（防腐与包装分册）， 1983 （4）: 18-23.

［ 编辑：温靖邦 ］

Prevention and control of undesired tin electrocrystallization in electrolytic tinning line

ZHANG Zhen-lin*，YANG Peng-fei， WANG Hai-lin

The phenomenon called undesired tin electrocrystallization occurred in plating tank during the continuous electrolytic tinning of strip steel in production line was analyzed. Either electric insulation failure or bipolar electroplating would lead to such phenomenon. Some countermeasures were presented from the aspects of design， operation and maintenance. Keywords: steel strip； electrolytic tinning； electrocrystallization； bipolar electroplating； electric insulation failure

TQ153.1

B

1004 - 227X （2016） 12 - 0633 - 04

2016-03-17

2016-04-26

张振林（1979-），男，山东青岛人，硕士，工程师，从事带钢电镀锡生产线的工艺设计。

作者联系方式：（E-mail） 18910176011@163.com。