李永迪，宮明江，于茂來，王占學(xué)，王志廣，周宗才*

（1.天津市工大鍍鋅設(shè)備有限公司，天津 300130；2.天津華源線材制品有限公司，天津 301600）

為提高鋼絲的耐腐蝕性能，可在其表面鍍覆保護金屬層或合金層，從而大幅提高其使用壽命。根據(jù)鋼絲的不同用途，常選擇不同的物理化學(xué)方法或者電化學(xué)方法實現(xiàn)表面耐腐蝕層的鍍覆，主要包括：熱鍍、電鍍、噴鍍、滲鍍、化學(xué)鍍、真空鍍等方法［1-3］。在沿海地區(qū)、海洋環(huán)境、橋梁纜索等領(lǐng)域應(yīng)用的鋼絲，對其耐腐蝕性有更加苛刻的要求，通常應(yīng)采用熱鍍的方式鍍覆合金耐腐蝕層，這種工藝是將鋼、不銹鋼、鑄鐵等金屬浸入熔融液態(tài)金屬或合金中獲得鍍層的一種工藝技術(shù)，獲得的鍍層厚度較大，有利于提高耐腐蝕性能［4］。鋅鋁鎂合金鍍層的抗腐蝕性能遠優(yōu)于純鋅鍍層和鋁合金鍍層，因此多采用熱鍍鋅鋁合金和熱鍍鋅鋁鎂合金［5］。

目前國內(nèi)企業(yè)主要采用國內(nèi)普遍采用先鍍鋅后鍍合金的方法，即雙鍍法對鋼絲進行熱鍍，但是這種方法需要進行兩次助鍍、烘干和熱浸鍍，這種方式會導(dǎo)致合金液的稀釋，需要定期檢測、調(diào)整鍍液的成分和重復(fù)加熱，造成合金鍍液和能源浪費的同時，致使工藝流程過程長，生產(chǎn)成本高［6］。因而生產(chǎn)企業(yè)紛紛采用單絲高速熱浸鍍工藝，但是由于提高車速致鋼絲在鍍液中停留時間過短，鍍層與基體結(jié)合力不好，大幅降低了成品率［7］。因此改進高速熱工藝，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保地高速熱鍍鋅合金，是國內(nèi)各個熱鍍鋅企業(yè)的當務(wù)之急。

本文研究了鋼絲前處理工藝，采用預(yù)加熱、機械除脂和環(huán)保除銹的方法，實現(xiàn)了不添加助鍍劑的高速熱浸鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金前處理工藝，能提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染。

1 工藝改進

1.1 助鍍工序改進

針對線徑為5.10 mm 的半成品鋼絲熱鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金時，傳統(tǒng)工藝無法避免助鍍劑的使用，常用的助鍍劑是氯化銨、氯化鋅或者多種氯化物的混合物。氯化鋁是低熔點高黏度的化合物，會附著在鋼絲基體表面，在熱浸鍍過程中，使鍍液對鋼絲的浸潤性變差，鍍層表面產(chǎn)生大量的漏鍍、針孔和氣泡［8］。生產(chǎn)過程中不但會產(chǎn)生大量的煙霧，會造成對環(huán)境的污染和對生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕，而且氯離子的引入也會導(dǎo)致鋅鍋中會產(chǎn)生大量鋅渣，降低鋅的利用率。將預(yù)熱技術(shù)引入單絲高速熱浸鍍工藝是一種節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)效率高的解決方法。

預(yù)熱工藝將鋼絲先預(yù)熱至200 ℃以上，再浸入鋅合金鍋，預(yù)熱過程使鋼絲表面快速升至與鍍液溫度相近，鋼絲表面的鐵原子在高溫下更易于與鍍液中鋅合金結(jié)合，可以形成致密的鍍層。鋼絲在鋅鍋中省去了冷態(tài)升溫的過程，直接與鍍液反應(yīng)，使鍍層與基體有很好的結(jié)合力。在150～500 m/min 的高速熱鍍過程中，鋅鍋主要起到供鋅的作用，工件在鍍液中停溜的時間短且反應(yīng)快，鋅鐵合金層迅速形成，阻擋了鐵原子向鋅液里的擴散，因此鋅渣產(chǎn)生少。此外，鋅鍋所承受的熱負荷小，腐蝕減輕，因此鋅鍋的壽命長。

本工藝不需使用助鍍劑，不會生成氨氣、氯化氫等氣體，污染環(huán)境。同時，這種預(yù)熱工藝減少了鋅鍋對鋼絲加熱所需的容量，相當于傳統(tǒng)鋅鍋容量的五分之一至十分之一，節(jié)約了成本和能源。而且由于省去了助鍍工序，一條生產(chǎn)線即可進行單鍍鋅盡可以用于合金鍍。

1.2 脫脂工序改進

常見的脫脂方法是用熱堿。熱堿即氫氧化鈉，存在以下缺點：（1）具有強腐蝕性，片狀或粉末狀固體遇水會放出大量的熱，容易發(fā)生危險。（2）在80～90 ℃的溫度下，會產(chǎn)生刺激性的氣味，對車間環(huán)境和人體呼吸器官都有危害。（3）堿液與鋼絲表面的拉絲粉、油脂發(fā)生反應(yīng)，在堿液表面產(chǎn)生大量浮渣，槽底產(chǎn)生堿泥，需要人工撈渣，費時費力。

針對以上缺點，本文采用機械脫脂+超聲脫脂的工藝設(shè)計。先將鋼絲表面的拉絲粉、油脂用機械法脫離，再利用超聲波的直進流和空化作用，快速軟化殘留在鋼絲表面的拔絲粉和油脂。不再采用化學(xué)試劑NaOH，而是改用超聲波振板，振板采用上置式，避免因雜質(zhì)的沉積造成振板的損壞，同時上置式振板產(chǎn)生的直進流作用可以通過反作用力實現(xiàn)對鋼絲下半面的表面清洗，使鋼絲表面清潔均勻、完整。整個過程清潔、環(huán)保，無廢液、廢氣的排放。

1.3 除銹工序改進

傳統(tǒng)的鋼絲除銹方法使用的是鹽酸溶液。但除銹時間控制不好可能產(chǎn)生氫脆［9］，主要導(dǎo)致金屬韌性降低、開裂。揮發(fā)的氯化氫會造成對人體呼吸器官的損傷，同時對環(huán)境也造成污染。鹽酸在使用后，又存在廢酸的倒運問題。為解決這一問題。本論文酸洗工藝采用環(huán)保型有機酸酸洗，無廢氣和廢水排放，僅產(chǎn)生極少量的廢液和廢固。環(huán)保除銹綜合費用鹽酸除銹相當，降低了環(huán)保處理的費用。

1.4 流程改進

根據(jù)上述從前處理工序各個方面的技術(shù)改進，優(yōu)化了工藝：放線→機械+超聲脫脂→水洗→預(yù)加熱→熱鍍合金→氣體抹拭→水冷→收線。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)保酸洗性能

將半成品鋼絲進行熱鍍鋅鋁鎂實驗，分別用無酸洗、鹽酸洗和環(huán)保酸洗3 種方式進行除銹處理詳見表2。不同除銹方法得到的實驗結(jié)果表明，新型的環(huán)保酸在40～60 ℃可以達到和鹽酸在20～40 ℃相同的除銹效果。

表2 除銹方法及效果Tab.2 Rust removal method and effect

2.2 工藝改進后產(chǎn)品性能

按照改進工藝的試驗方法，將半成品鋼絲進行熱鍍鋅鋁鎂實驗，并與傳統(tǒng)鍍后鋼絲做對比，其性能試驗結(jié)果見表3。

表3 鍍后鋼絲質(zhì)量與性能對比Tab.3 Comparison of quality and performance of steel wire after dipping

通過對比試驗可以發(fā)現(xiàn)，兩種工藝都可以得到滿足技術(shù)要求所需要的表面質(zhì)量合格的鋅鋁鎂鍍層。如圖1 所示，改進工藝得到的鍍層組織結(jié)構(gòu)更致密，表面更平滑。這是由于沒有助鍍劑，熱浸鍍過程鋼絲表面反應(yīng)體系變得簡單，較少了氣孔和雜質(zhì)的發(fā)生。

圖1 不同工藝下鋅鋁鎂鍍層微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of zinc-aluminum-magnesium coating under different processes

改進工藝鍍后鋼絲的抗拉強度略高于傳統(tǒng)工藝的抗拉強度，這主要是由于兩次浸鍍過程，對鋼絲強度的損失更多一些，而一次浸鍍的過程可以盡少量的降低鍍損，新工藝更適合高強鋼絲的熱浸鍍鋅鋁鎂合金的生產(chǎn)。塑韌性和耐蝕性兩者相近。

2.3 生產(chǎn)成本比較

為驗證新型環(huán)保高效熱鍍鋅鋁及鋅鋁鎂合金鋼絲工藝的可行性，并在生產(chǎn)成本上與傳統(tǒng)熱鍍鋅工藝做對比實驗。

按照改進工藝，在200 m/min 的線速度下，生產(chǎn)?1.6 mm、2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm、6.0 mm 熱鍍鋅鋁鎂鋼絲，上鋅量分別是30 g/m2、75 g/m2、200 g/m2、300 g/m2。

對原料（拔后絲、合金錠）、輔料（水、電）、前處理環(huán)節(jié)、熱浸鍍環(huán)節(jié)、抹拭方式、水冷、人工費各方面做成本統(tǒng)計，與用工藝生產(chǎn)熱鍍鋅鎂鋁合金的生產(chǎn)成本（包括2個高端數(shù)據(jù)、1個中端數(shù)據(jù)、2個中端數(shù)據(jù)）核算原工藝平均成本，年利潤情況見表4。結(jié)論：噸產(chǎn)品最高利潤684元，最低利潤434元。

表4 經(jīng)濟性分析表Tab.4 Economic analysis table

3 結(jié)論

（1）新工藝解決了無法單鍍合金鋼絲的難題，實現(xiàn)了一條生產(chǎn)線可以同時滿足單鍍鋅和單鍍合金鋼絲的生產(chǎn)要求。

（2）環(huán)保有機酸的研發(fā)以及無助鍍的工藝，大大降低了生產(chǎn)成本和環(huán)保處理的費用。

（3）環(huán)保有機酸在40～60 ℃可以達到和鹽酸在20～40 ℃相同的除銹效果。

（4）新工藝生產(chǎn)的鍍后鋼絲，其表面質(zhì)量和產(chǎn)品性能合格，適合高強鋼絲的熱浸鍍鋅鋁和鋅鋁鎂合金的生產(chǎn)。

（5）新工藝總體生產(chǎn)成本可降低25%以上。