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摘要：介紹了我國鋼絲熱浸鍍用鋅和合金的化學成分要求；熱浸鍍中鍍層的形成過程；合金鍍層的耐腐蝕性能比純鋅鍍層好；我國鋼絲熱浸鍍鋅一般采用烘干溶劑法，熱浸鍍鋅的傳統工藝的關鍵是脫脂、酸洗和溶劑處理，熱浸鍍鋅的綠色生產工藝主要是在脫脂、酸洗、助鍍、鋅鍋、沖洗和回收鋅渣等方面采用一些環境保護技術措施；鋼絲熱浸鍍鋅合金生產工藝有一步法和兩步法，生產設備也更高效、先進；最后提出要加快研究鋼絲的鋁包覆技術和熱浸鍍鋁技術。

關鍵詞：鋼絲;熱鍍鋅;合金;稀土;Galfan

現在我國鋼鐵行業在不斷進行創新轉型，鋼材深加工是一個主要方向。鋼絲是利用熱軋線材進行拉拔得到的產品，鋼絲生產主要有表面準備、熱處理、拉拔、鍍(涂)層等四大主要工序[1]。鋼絲的金屬鍍層常用熱浸鍍、電鍍和化學鍍三種方法獲得。鋅的熔點419.5℃，沸點907℃，強度和硬度比錫和鉛大，比銅、鋁小。鋅是同素異晶型金屬，低于170℃時為η晶型，170℃～330℃為β晶型，330℃～419℃為α晶型。η晶型是密排六方結構，在室溫下鋅通常形成六面體晶體。由于鋅能抗大氣腐蝕，金屬防護成為鋅的最主要用途。鋼絲表面鍍鋅及合金能提高提高鋼絲的使用壽命，節約鋼材用量。

1鋼絲熱浸鍍用鋅及合金成分

1.1熱鍍用鋅

鋼絲熱鍍鋅選用GB/T470-2008《鋅錠》中的Zn99.995和Zn99.99，化學成分見表1。國標中規定：鋅錠表面不允許有熔洞、縮孔、夾層、浮渣及外來夾雜物，但允許有自然氧化膜。鋅錠單重為18～30kg。錠的底面允許有凹溝及鑄腿，便于集裝和使用。

1.2熱鍍用鋅-5%鋁-混合稀土合金

在GB/T20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》規定了合金的化學成分，見表2,它其實就是Galfan合金。鋁是合金中主要的合金元素,能較大程度地提高鋅液的流動性和鑄造性能。Galfan合金是共晶合金，熔點382℃，比鋅的熔點低37.5℃。GB/T20492-2006規定：對于一步法，合金鍍槽內熔體中的鋁含量應控制在4.2%～6.2%；對于兩步鍍法，先鍍鋅（熱鍍鋅或電鍍鋅），然后鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金，合金鍍槽內為熔體中的鋁含量允許達到7.2%，以防止鍍液中鋁含量貧化。鋼絲鍍層中的鋁含量不小于4.2%。

2鋼絲熱浸鍍層形成過程及耐蝕性

2.1鍍鋅層的形成過程

當鋼絲進入鋅液，由于其表面較冷，立即凝結一層鋅殼，一直到鋼絲的溫度升高到鋅的熔點為止；接著鋼絲表面上的鋅殼開始熔化，一直到完全熔化為止；溶劑層從鋼絲表面脫落，鋅液在鋼絲表面上進行浸潤；鋅液與鋼基間進行擴散反應，鐵鋅合金層形成并繼續長大；鋅液在鐵鋅合金表面上潤濕、粘附和流散；鋅進行凝固和結晶；固態鋅的進一步冷卻；固態鋅表面發生氧化，氧化鋅薄膜生成并長大。

2.2合金鍍層的耐腐蝕性能

合金鍍層表面致密的Al2O3膜大大減緩了鍍層的腐蝕速度。鋁在酸堿中會產生鈍化現象。合金鍍層中鋅-5%鋁形成兩相共晶結構，建立了均勻一致的阻檔層，該阻檔層在鋼構件表面起到保護作用，另外對表面劃傷、裸露的邊緣、打孔后輪廓邊緣能提供氧化犧牲保護來阻止進一步被腐蝕。鍍層鋼絲一旦遭受腐蝕，Fe-Al-Zn合金層就暴露出來，這一合金層比Al-Zn合金層性質更穩定，對防止深入腐蝕起到陽極保護作用。合金中La和Ce起到的作用是增加鋼與合金液的浸潤性,凈化晶界,減少晶間腐蝕傾向。合金腐蝕電位與熱浸鍍鋅層基本相同,腐蝕電流是熱鍍鋅層的1/5，合金鍍層的消耗速度減小,提供比鍍鋅層更長的犧牲陽極的保護時間。正是由于以上這些因素的共同作用，造成合金鍍層比純鋅層具有更好的耐腐蝕性能，耐腐蝕性能約是普通純鋅的2～3倍。

3鋼絲熱浸鍍工藝

3.1熱鍍鋅工藝

鋼基材料熱浸鍍的方法主要有溶劑法、改良森吉米爾法、保護氣體還原法、無氧化法。溶劑法分為熔融溶劑法、烘干溶劑法。在我國鋼絲生產中，熱浸鍍鋅一般采用烘干溶劑法。

3.1.1傳統工藝

傳統熱鍍鋅的流程是：放線→脫脂→熱水洗→清水洗→酸洗→清水洗→溶劑處理→烘干→熱鍍鋅→抹拭→收線→試驗檢查與包裝→成品。保證優質的鍍層質量的關鍵是鋼絲的鍍前處理，包括脫脂、酸洗、溶劑處理。脫脂的目的是為了除掉殘留在鋼絲表面的油污和皂粉等殘余潤滑劑，也有利于酸洗工序的順利進行。堿洗是利用化學作用，將油脂從鋼絲表面上除去。堿洗溶液中主要成份有NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、Na3PO4、界面活性劑等。酸洗的目的是除掉鋼絲表面氧化鐵與其他污物，并活化表面。在連續作業線上酸洗常采用鹽酸酸洗，鹽酸溶液濃度通常取10％～20％。溶劑能清除在酸洗時沉積在鋼絲表面上而末被完全清洗掉的鐵鹽，能溶解鋼絲活性表面上出現的氧化物；能降低熔鋅的表面張力，從而促使鐵的表面被熔鋅所潤濕，形成鐵鋅合金層。溶劑應用最普遍的是NH4Cl和ZnCl2。涂溶劑的方法是先將鋼絲浸入濃溶劑水溶液中，然后烘干，使涂有一層干溶劑的鋼絲進入鍍鋅鍋內。鋅鍋中鋅液的溫度控制非常關鍵，正常鍍鋅的鋅液溫度控制在(445±5)℃。熱鍍鋅過程中鋼絲行進必須平穩，才能確保擴散過程和引出過程鋅層均勻性良好。

鋼絲從鋅鍋中引出方式分垂直引出法和斜向引出法兩種方式。垂直引出法：使鋼絲與鋅液面90°垂直引出，此法引出時可以獲得較厚的鋅層，如鋼絲繩架空通訊線、鋼芯鋁絞線和先鍍后拔鋼絲。斜向引出法：鋼絲與鋅液面呈約35°角引出，用這種方法引出的鋼絲鋅層較薄，適合于一般用途的低碳鋼絲，其上鋅量均低于200g/m2。鋅液中引出的鋼絲迅速地冷卻下來，不僅可以及時地抑制住鐵鋅合金層的生長，而且還能使鋼絲表面光滑，提高鋅層的纏繞性能。冷卻的方式主要有水冷和風冷二種方法。水冷法是在鋼絲出鋅液后高度300～500mm處按裝噴水裝置，向鋼絲表面直接噴水，適合于垂直引出法，尤其是中、粗線經的鋼絲通常都用水冷。風冷法是向鋼絲表面吹風，把鋼絲的溫度迅速降下來，適合于細線徑鋼絲，通常與水冷同時配合使用。

3.1.2綠色生產工藝

脫脂工序，采用加入超聲波，超聲波頻率為20～80kHz，這樣就能加快脫脂速度，同時節省脫脂劑，減少物耗。酸洗工序，采用復合劑除銹方法，密閉式無酸霧酸洗。1000mL復合劑的配方：w(鹽酸)=37%，450～500mL；w(磷酸)=85%，14～20mL；TX-10，4～6g；SLS活性，4～6g；若丁，4～8g；添加劑，5～10g。助鍍工序，助鍍劑采用NH4Cl和ZnCl的混合液，銨鋅的最佳配比是1.2～1.6，混合液的溫度范圍是50℃～65℃。鋅鍋采用陶瓷鍍鋅鍋，加熱方式采用內加熱方式，減少鋅氧化，減少鋅灰的生成量。沖洗工序，用空氣對沖洗水進行強攪拌，這樣可以加大水的漂洗能力。酸洗后的沖洗水與堿洗后的水進行中和，減少沖洗廢水的排放，同時排水水質達到國家標準。回收熱鍍鋅渣，定點存放并做好防護，嚴禁任意拋棄，保護環境。丁德玲等研究了以熱鍍鋅渣為原料通過堿性電解法制備鋅粉的技術。

3.2熱浸鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金生產工藝及設備

3.2.1一步法

劉蘋莉等研究采用的工藝流程是，放線→堿洗→清洗→酸洗→清洗→浸助鍍劑→烘干→熱浸鍍→抹拭→冷卻→涂層保護→收線。助鍍劑采用以ZnCl2和HCl的混合溶液，在鋼絲表面獲得助劑層，利用鋅板在混合液中進行電化學反應,鋼絲表面電鍍一層薄鋅。我國國內鋼絲單浸鍍鋅-5%鋁-稀土合金鍍層生產工藝已經成熟，單浸鍍具有流程短，節省能耗，維護費用低，降低生產成本。

3.2.2兩步鍍法

熱鍍鋅+熱鍍合金：天津市環鐘鋼絲有限公司于1996年引進我國第一條Galfan鍍層產品生產線，工藝流程是:放線→表面處理→助鍍→烘干→純鋅槽→Galfan合金槽→擦拭→冷卻→收線。此生產線具有穩定的在線運行、速度快(DV≧120)、大盤重、連續化、氣體擦拭等特點。兩步鍍法的優點是：可以避免鋼絲表面漏鍍問題，鍍層較厚，鋼絲耐蝕時間長。國內絕大多數生產企業都采用兩步鍍法。

3.2.3熱鍍合金的生產設備

放線設備：雙花籃架或工字輪連續放線，大盤重。采用工字輪臥式安裝且帶有牽引儲線的主動阻尼放線裝置是比較先進的設備。表面處理設備：采用脫脂爐脫脂、電熱脫脂、電解堿洗、超聲波清洗、電解酸洗、密閉式無酸霧酸洗、助鍍烘干、鋼絲預熱等設備，鋼絲獲得清潔表面，為熱鍍做準備。鋅鍋：采用陶瓷鋅鍋，鍋內鋼絲壓輥也采用陶瓷壓輥。鋅鍋的加熱采用內加熱方式，加熱保護套管也采用陶瓷，大部分垂直安裝在鋅鍋兩側。抹拭水冷：大多數采用氣體抹拭加水冷的方式，也有采用電磁抹拭技術，先進生產線的DV值可達到120～150。收線設備：臥式收線機收線或工字輪收線。

4鋼絲熱鍍鋅的替代技術

4.1研究替代技術的緊迫性

2015年全球鋅礦產資源儲量約為2億金屬噸，按照全球每年1300多萬t的鋅礦產量，鋅礦儲量只夠全球開采15年左右，鋅資源相對稀缺。我國為全球第二大鋅礦資源儲量國，2016年我國鋅礦儲量4439.11萬t。目前我國的鋅礦產資源儲量可供靜態開采7年左右。鋅資源已經到了枯竭的邊緣，這就要求有新鍍層材料來代替鋅，研究替代技術迫在眉睫，鋁是最好的替代材料。

4.2鋼絲的鋁包覆技術

鋁包鋼絲生產的工藝過程：將表面清洗干凈的鋁桿和鋼絲加熱到一定溫度，鋁桿經過一個導線壓輪進入擠壓輪槽被壓縮，隨輪槽一同旋轉運動，產生相對摩擦，經模靴擋塊進入模腔，在壓縮摩擦下鋁條的溫度不斷升高，模腔內的壓力也不斷增大，當鋁達到塑性流變極限時，鋁處于熔融狀態，在模靴內導線模、定徑模的控制及鋼絲運行的牽引下，鋁向壓力小的方向即定徑模方向運動，鋁鋼結合，在鋼絲周圍形成一個無縫的鋁管層，完成擠壓包覆全過程。天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司引進國外鋁加溫擠壓連續式包覆機，智能化鋁包鋼生產線，是國際最先進的技術；引進國際先進水平的鋼鋁復合材同步拉絲機組。公司可生產大截面鋁包鋼鋁絞線導線，表面光亮，高強度（1670～1770MPa），超長（2500m以上）定尺的鋁包鋼絲及絞線、光纖復合架空地線。鋁包鋼絞線可為500kV、750kV、1000kV超高壓輸電線路和光纖復合架空地線配套。

4.3鋼絲的熱浸鍍鋁技術

國內已經研究了鋼絲溶劑法熱浸鍍鋁層的工藝及性能，采用工藝流程為：前處理→水洗→助鍍處理→烘干及預熱→熱浸鍍鋁→水冷。目前我國國內還沒有鋼絲熱浸鍍鋁成功應用于工業化生產的相關報道。為了我國在這一領域占領優勢地位，增強我國企業在國際未來市場中的競爭力，廣大科研院所企業要走產學研道路，同心協力，勇于創新，以時不我待的精神加強對鋼絲熱浸鍍鋁的研究工作。

參考文獻

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作者:張學輝 王鴻利 單位:天津冶金職業技術學院 天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司