曾 根 生

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

輸電桿塔結(jié)構(gòu)新型防腐鍍層的生產(chǎn)工藝研究

曾 根 生

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

選取鋼板、角鋼和鋼管為試驗(yàn)對(duì)象，探索在鋼材表面進(jìn)行Al—Zn—Si和Al—Zn—Si—RE熱鍍工藝，創(chuàng)新性的提出了二次助鍍技術(shù)，優(yōu)化并確定了各流程的工藝參數(shù)，為在輸電桿塔結(jié)構(gòu)用鋼中推廣鍍鋁鋅硅(稀土)技術(shù)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

輸電桿塔結(jié)構(gòu)，鋁鋅硅鍍層，生產(chǎn)工藝，二次助鍍

1 概述

目前，輸電桿塔結(jié)構(gòu)用鋼的主要防腐蝕方法是鍍鋅法，較厚的熱鍍鋅層作為防護(hù)鍍層，其耐腐蝕性能和抗氧化性能較普通鋼板有較大提高，但熱鍍鋅經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐后也暴露出一系列的問(wèn)題：大氣環(huán)境惡化，造成熱鍍鋅的使用壽命大幅下降；國(guó)產(chǎn)基板質(zhì)量不穩(wěn)定，造成熱鍍鋅的厚度不均勻，容易脫落；熱鍍鋅的腐蝕產(chǎn)物均為結(jié)晶鍍層，分布不均，對(duì)鍍層無(wú)防護(hù)作用，從而影響使用壽命；鍍鋅顏色容易變黑。

1967年美國(guó)伯利恒公司開(kāi)發(fā)出的Galvalume鋁鋅合金鍍層，兼有鋅鍍層的陰極保護(hù)功能和鋁鍍層的耐蝕性及抗高溫氧化性，是一種優(yōu)良的鋼制品鍍層保護(hù)材料，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車(chē)、電器等行業(yè)的薄鋼板腐蝕防護(hù)上。鍍鋁鋅技術(shù)應(yīng)用于輸電桿塔結(jié)構(gòu)用鋼腐蝕防護(hù)上的潛力巨大，但目前尚未形成可用于輸電桿塔結(jié)構(gòu)用鋼腐蝕防護(hù)的鋁鋅鍍層生產(chǎn)工藝。本文對(duì)熱鍍鋁鋅硅和熱鍍鋁鋅硅稀土技術(shù)應(yīng)用于輸電桿塔結(jié)構(gòu)中的生產(chǎn)工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定最佳的實(shí)驗(yàn)室熱鍍鋁鋅硅和熱鍍鋁鋅硅稀土生產(chǎn)工藝流程及其參數(shù)。

2 生產(chǎn)工藝

1)鋼材基體材料及熱浸鍍?cè)稀?/p>

鋼材基體材料采用輸電桿塔結(jié)構(gòu)中的常用鋼材，本文選Q235等級(jí)的L45 mm×4 mm角鋼和Ф83 mm×4 mm鋼管以及60 mm×4 mm扁鋼。

2)熱浸鍍合金材料的配制。

a.熱浸鍍Al—Zn—Si合金：采用坩堝電阻爐，將稱(chēng)量好的鋁塊、鋁硅中間合金和稱(chēng)量好總量75%的鋅塊置于石墨坩堝之中，將其熔化，然后將余量的鋅加入熔化，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬?，倒入鑄錠，待用。

b.熱浸鍍Al—Zn—Si—RE合金：采用坩堝電阻爐，將稱(chēng)量好的鋁塊、鋁硅中間合金、鋁稀土中間合金和稱(chēng)量好總量75%的鋅塊置于石墨坩堝之中，將其熔化，然后將余量的鋅加入熔化，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬?，倒入鑄錠，待用。

3)現(xiàn)有熱浸鍍鋁鋅硅生產(chǎn)工藝所存在的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外對(duì)冷軋帶鋼的鋁鋅硅合金鍍層普遍采用如下的工藝：冷軋帶鋼→清洗→還原退火→表面處理→鋁鋅鍋熱鍍→冷卻→光整矯直→表面處理→檢測(cè)→成品。我國(guó)寶鋼、武鋼等已經(jīng)形成了規(guī)?；纳a(chǎn)。據(jù)此工藝設(shè)計(jì)的前期實(shí)驗(yàn)顯示：使用這種工藝進(jìn)行小試樣的熱浸鍍處理非常好，尤其是對(duì)絲材的熱浸鍍處理，但對(duì)于有一定厚度的角鋼和圓鋼等型材，則難以形成均勻穩(wěn)定的鍍層，漏鍍現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這說(shuō)明鐵與鋁鋅硅合金的浸潤(rùn)性很差。

4)工藝流程參數(shù)的優(yōu)化處理。

為解決一定厚度的角鋼和圓鋼等型材熱浸鍍鋁鋅硅合金所存在的濕潤(rùn)性差、鍍層難以均勻穩(wěn)定、漏鍍現(xiàn)象十分嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

a.基材表面預(yù)處理工藝。表面預(yù)處理工藝主要目的有兩個(gè)：一為除去鋼表面的雜質(zhì)(包括油脂，灰塵等)；二則是為了除去鋼表面的氧化物，使型鋼露出潔凈的鋼表面以便于助鍍。除油選用熱的高錳酸鉀堿溶液除油操作更方便。除氧化物選用酸洗法。

b.使用及優(yōu)化助鍍工藝。助鍍的目的如下：隔絕空氣，防止鐵基氧化；加強(qiáng)鐵基與鍍液的浸潤(rùn)性；活化鐵表面；去除殘余氧化鐵。助鍍時(shí)最重要的一點(diǎn)是對(duì)助鍍劑的選擇，我們采用一些傳統(tǒng)助鍍劑直接進(jìn)行鋁鋅硅合金的熱浸鍍，但在使用了多種不同成分的助鍍劑以后，均不能達(dá)到期望的鍍層質(zhì)量，如圖1所示?？紤]到鋅對(duì)鋼表面有較好的濕潤(rùn)性，可以對(duì)鍍層起到很好的過(guò)渡作用，故嘗試在型鋼表面鍍鋅來(lái)解決上述問(wèn)題。使用鍍鋅層作為助鍍層時(shí)，對(duì)鋅鍍層的質(zhì)量好壞并無(wú)太高要求，只需要鋅層完整覆蓋基體表面即可，為降低工藝復(fù)雜性，一開(kāi)始嘗試使用鋅與打磨后的鐵基直接進(jìn)行浸鍍，發(fā)現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象依舊存在。

為了使鋅層能夠完整的覆蓋在鐵基上，故在熱浸鍍鋅前先對(duì)鐵片進(jìn)行一次助鍍處理，然后再進(jìn)行二次助鍍鋅層。針對(duì)型鋼而言，最佳的一次助鍍劑配方為NH4Cl和ZnCl的混合溶液，助鍍溫度為80 ℃～90 ℃，并在這一溫度下使用鹽酸和氨水將助鍍液pH控制在4.0～5.0之間。該助鍍液的濃度和pH值都會(huì)對(duì)一次助鍍層的形成產(chǎn)生影響，助鍍液過(guò)稀，得到的助鍍層過(guò)薄，助鍍劑的作用被減弱，易導(dǎo)致漏鍍；助鍍液濃度太大，則易在烘干時(shí)產(chǎn)生二次結(jié)晶現(xiàn)象，破壞助鍍層結(jié)構(gòu)，不均勻的助鍍層會(huì)使部分助鍍劑在進(jìn)行浸鍍時(shí)被包裹在鍍鋅層內(nèi)部，破壞鍍鋅層的質(zhì)量。而pH過(guò)低，則在烘干時(shí)內(nèi)層助鍍劑與鐵反應(yīng)產(chǎn)生少量氫氣，使助鍍層內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，破壞助鍍層的完整；pH過(guò)高易使鐵基在酸洗之后再次產(chǎn)生氧化，產(chǎn)生氧化鐵覆蓋在鐵表面。由于助鍍劑溫度較高，其中的氯化銨不穩(wěn)定，助鍍液的pH會(huì)隨時(shí)間變化而逐漸改變，需要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整。助鍍一段時(shí)間以后助鍍液中會(huì)有黃色絮狀沉淀，可以用過(guò)濾的方法將之除去，過(guò)濾后的助鍍劑仍可再次使用。助鍍時(shí)間約為40 s， 助鍍后將試樣取出并烘干，烘干溫度一般在120 ℃～150 ℃，烘干時(shí)間10 min左右，烘干一定要徹底，且在烘干以后應(yīng)盡快進(jìn)行浸鍍，防止助鍍劑吸水潮解。若是在進(jìn)行鍍鋅作業(yè)時(shí)助鍍層中有水，則極易發(fā)生爆鋅，所以若是烘干以后要過(guò)一段時(shí)間再進(jìn)行鍍鋅，必須使用保鮮膜等隔絕水氣。

待一次助鍍完成后，可進(jìn)行二次助鍍鋅操作：將經(jīng)過(guò)第一次助鍍處理的型鋼浸入熔融鋅液中，產(chǎn)生大量煙霧，在鋅液表面產(chǎn)生黑色酥松狀雜質(zhì)。氯化銨在高溫下分解，生成氨氣和氯化氫，氯化氫可以有效地使鐵表面覆蓋的氧化層轉(zhuǎn)變?yōu)殍F鹽，鐵鹽與氯化鋅一起被氯化銨分解產(chǎn)生的氣體帶離鐵表面，所以在試樣烘干后若發(fā)現(xiàn)助鍍層內(nèi)部仍有少量黃色鐵銹存在，但仍可以繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。二次助鍍鋅層后得到的助鍍層平滑完整，能達(dá)到熱浸鍍鋁鋅硅稀土合金的熱浸鍍助鍍層要求，得到的鋁鋅硅稀土鍍層的漏鍍現(xiàn)象有明顯改善，如圖2所示。所以，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱浸鍍鋁鋅硅(稀土)合金可以采用本文所設(shè)計(jì)的二次助鍍優(yōu)化工藝。本文優(yōu)選的二次助鍍鋅溫度為460 ℃～640 ℃，時(shí)間30 s～300 s。

c.熱浸鍍鋁鋅硅(稀土)工藝優(yōu)化。

由圖3可知，采用二次助鍍技術(shù)得到的鋁鋅硅鍍層呈現(xiàn)出不同的表面狀態(tài)，鋁鋅硅鍍層并不均勻，大部分樣品表面凹凸不平，鍍層雖然完整性好，鍍層附著力強(qiáng)，但表面光潔度不夠高，對(duì)試樣進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)鍍層分層嚴(yán)重，內(nèi)部鋅含量高，表明助鍍用的鋅鍍層完全溶于鋁鋅硅合金中。少量試樣表面還產(chǎn)生了凸點(diǎn)，而且隨著同一爐鋁鋅硅合金浸鍍次數(shù)的增加，鍍層表面的凸點(diǎn)缺陷越來(lái)越明顯，如圖3所示。

為解決這些問(wèn)題，我們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)所有凸點(diǎn)缺陷均產(chǎn)生于浸鍍初期，隨著浸鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，凸點(diǎn)會(huì)腐蝕鐵基并變大，但凸點(diǎn)的數(shù)量并不會(huì)增加。利用這一點(diǎn)，我們?cè)阱冧X鋅硅合金時(shí)使用了較快的攪拌速度并選擇適當(dāng)?shù)慕儠r(shí)間，使得快速流過(guò)鐵基表面的合金液直接將鐵基表面形成的凸點(diǎn)缺陷在剛形成時(shí)便被帶離鐵表面，這一操作取得了良好的效果，獲得了質(zhì)量良好的鍍層。將這一工藝用于圓鋼管及角鋼的熱浸鍍中，最終我們找到了最佳的工藝并獲得了滿(mǎn)意的鍍層，如圖4所示。

針對(duì)二次助鍍后的型鋼試樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終優(yōu)選的熱浸鍍鋁鋅硅合金時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)如下：浸鍍溫度620 ℃～640 ℃，浸鍍時(shí)間30 s～120 s，鐵表面合金流速20 cm/s～30 cm/s。溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鋁鋅硅合金對(duì)鐵的腐蝕加劇，影響型鋼尺寸，同時(shí)合金液成分被破壞。高溫浸鍍的試樣在空氣中冷卻時(shí)往往會(huì)因?yàn)殄儗又械蔫F與氧氣在高溫下反應(yīng)而發(fā)黃，影響鍍層美觀(guān)性。浸鍍時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，鋁鋅硅合金對(duì)鐵的腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，若是長(zhǎng)時(shí)間的浸鍍會(huì)破壞合金成分，改變合金形狀。攪拌有利于形成均勻的鋁鋅硅鍍層，一定速度的合金流速會(huì)使鍍鋅層被快速融化除去，完成鐵與鋁鋅硅合金的浸潤(rùn)。浸鍍每進(jìn)行一段時(shí)間需要對(duì)合金進(jìn)行成分分析，一般而言隨著浸鍍的進(jìn)行，合金液中的鋅含量會(huì)逐漸降低，所以需要對(duì)合金液進(jìn)行補(bǔ)鋅操作。浸鍍完成后應(yīng)盡快進(jìn)行水冷，快速的水冷可以使鍍層的結(jié)構(gòu)更均一。對(duì)于鍍鋁鋅硅稀土的型鋼，因?yàn)槲⒘肯⊥猎氐拇嬖?，鍍液?duì)二次助鍍的型鋼表面具有粘附作用，所以在熱浸鍍時(shí)溫度更低(615 ℃)，時(shí)間更短，必須控制在15 s以?xún)?nèi)，否則鍍層過(guò)厚失效(超過(guò)125 μm)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)輸電桿塔結(jié)構(gòu)用鋼上熱鍍鋁鋅硅(稀土)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，以得到生產(chǎn)均勻穩(wěn)定的鋁鋅硅鍍層的生產(chǎn)工藝和參數(shù)。文中創(chuàng)新性的提出了二次助鍍處理技術(shù)，探索性的得出了每道工序的最佳控制參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)輸電桿塔結(jié)構(gòu)用鋼的鋁鋅硅(稀土)鍍層的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。優(yōu)化的工藝流程如下：基底材料→表面預(yù)處理(除油、氧化物)→助鍍槽一次助鍍→烘干→二次助鍍→熱浸鍍鋁鋅硅(稀土)合金→后處理→檢測(cè)→成品。

其中，設(shè)定的表面預(yù)處理工藝參數(shù)：熱的高錳酸鉀堿溶液(除油)和10%的稀鹽酸溶液(除氧化物)。本工藝的特點(diǎn)是創(chuàng)新性的使用二次助鍍，優(yōu)選的一次助鍍工藝為：NH4Cl+ZnCl，pH為4.0～5.0，溫度為80 ℃～90 ℃；二次助鍍鋅時(shí)需要有較快的攪拌速度，優(yōu)選的二次助鍍鋅溫度460 ℃～640 ℃，時(shí)間30 s～300 s，對(duì)于熱浸鍍不含稀土的鋁鋅硅工藝，助鍍鋅時(shí)間不少于180 s；對(duì)于含有稀土的工藝，卻要不多于30 s。優(yōu)選的鋁鋅硅的熱浸鍍工藝：浸鍍溫度620 ℃～640 ℃，浸鍍時(shí)間30 s～120 s，鐵表面合金流速20 cm/s～30 cm/s。對(duì)于熱鍍鋁鋅硅稀土試件，熱浸鍍時(shí)溫度更低(615 ℃)，時(shí)間更短，必須控制在15 s以?xún)?nèi)，否則鍍層過(guò)厚失效。

[1] 陳耀財(cái)，安貞基.輸電鐵塔腐蝕分析與有機(jī)涂料防護(hù)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2010,13(10):23-27.

[2] 孫中華，曹曉明，杜 安.鋼板熱鍍鋅技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].天津冶金，2005(6):15-18.

[3] 呂家舜，李 鋒，文 偉.鋁鋅硅熱浸鍍液的侵蝕性及鍍層結(jié)構(gòu)與性能研究[J].材料保護(hù)，2008,41(8)：67-74.

[4] 常崇民，陳立章.熱浸鍍鋁鋅硅鍍層云紋缺陷的分析及抑制[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2012,24(5)：14-17.

[5] 張宏德.建筑用鍍鋁鋅鋼板[J].鋼結(jié)構(gòu)，2003，18(6)：49-50.

[6] 呂家舜，李 鋒，文 偉.鋁鋅硅熱浸鍍液的侵蝕性及鍍層結(jié)構(gòu)與性能研究[J].材料保護(hù)，2008，41(8)：67-74.

Experimental study of new coating in transmission tower structures

Zeng Gensheng

(GuangdongElectricPowerDesignInstitute,ChinaEnergyEngineeringGroupCo.,Ltd,Guangzhou510663,China)

This paper selects steel plate, steel angle and steel tube as the test objects to explore the production techniques of hot-dip coatings of Al—Zn—Si and Al—Zn—Si—RE. The double assistant agent has been creatively put forward and the technological parameters have been optimized, all of which lay the experimental foundations for the promotion of Al—Zn—Si(—RE) alloy coating on the transmission tower structures.

transmission tower structures, Al—Zn—Si hot-dip coating, production technique, double assistant agent

2015-03-02

曾根生(1981- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0085-03

TU391

A