铠装电缆用钢丝热镀锌工艺

苗立贤

（马来西亚环球电缆(集团)公司，马来西亚 槟城 80710）

【热浸镀】

铠装电缆用钢丝热镀锌工艺

苗立贤

（马来西亚环球电缆(集团)公司，马来西亚 槟城 80710）

介绍了在低碳钢丝倾斜引线热镀锌工艺的基础上，使用垂直引出法生产小直径铠装电缆用热镀锌低碳钢丝的工艺。其流程为：放线─退火─铅浴淬火─水冷─盐酸除锈─水洗─粘助镀剂─烘干─热镀锌─木炭粉抹拭─风冷─水冷─收线。详述了钢丝的热镀锌工艺参数的设定和钢丝镀锌采用垂直引出、木炭粉抹拭的方法。指出了预处理不当对镀层质量的影响。给出了酸洗液、助镀剂的配制方法。通过对镀层缺陷原因的分析，提出预防及解决措施。按该工艺生产出的铠装电缆用低碳钢热镀锌钢丝，完全符合BS EN 10257-1:1998标准。

铠装电缆；钢丝；热镀锌；前处理；表面缺陷

Author’s address:Universal Cable (M) Bhd, P.O. Box 119, 80710 Pulau Pinang, Malaysia

1 前言

目前，热镀锌是钢丝最为有效的防腐涂层之一，而且装饰性好，在大气环境中使用寿命一般为15 ～ 20 a，因而被用作钢丝制品防止锈蚀、延长使用寿命的防护涂层。GB/T 3082–2008标准指出，热镀锌铠装电缆用钢丝广泛用于通讯、自控或电力用的海底、地下电缆等方面，其需求量逐年增加，市场前景广阔。

在中国大陆生产φ 1.2 ～ 2.0 mm热镀锌低碳钢丝时，一般的工艺方法是：拉拔后的钢丝经过燃油、燃煤(燃气)热处理明火炉热处理，金属铅浴或化学复合介质溶液淬火(脱脂)，酸洗除锈，助镀溶剂活化和烘干预处理后进入锌液中；采用倾斜出线、卧式收线机收线，以完成钢丝热镀锌生产过程；热镀锌后采用油石棉线绳夹子夹着钢丝，抹拭掉镀层表面的“锌疤”(φ 1.5 mm以下的较细镀锌钢丝则采用中间带圆孔的陶瓷薄片抹拭[1])。

马来西亚环球电缆(集团)公司按BS EN 10257-1: 1998标准，选用材料标准为SSD5，以φ 5.5 mm的低碳钢盘条，生产φ 1.2 ～ 2.0 mm之间的铠装电缆用热镀锌低碳钢丝，抗拉强度要求在340 ～ 500 MPa之间，延伸率不小于10%，镀锌层附着量为195 ～ 215 g/m2。热镀锌生产线所采用的部分工艺、方法目前尚未见报道。本文在生产实际的基础上，对垂直引出法生产铠装电缆用低碳钢丝热镀锌的主要工艺过程及方法作简要介绍。

2 生产工艺

工艺流程为：钢丝─(工字轮)放线─退火处理─铅浴淬火─水冷─盐酸除锈─水洗2道─粘助镀剂溶剂─烘干干燥─热镀锌─木炭粉抹拭─风冷─水冷─收线。

2. 1 工字轮放线

采用工字轮放线，并配合分线支架上的压线轮、分线轮，使钢丝走线比较平稳。在放线时，一定要根据线径大小调整转托盘下张力装置，做到运转平稳、松紧一致，避免因工字轮钢丝排线不规则而造成钢丝走线忽紧忽松的现象。另外，不能使钢丝张力过大，可以用手感觉走线情况后对张力加以调整。

2. 2 退火处理和铅浴淬火

采用三段加热式退火炉退火、铅浴淬火处理时，要根据拉拔后钢丝的抗拉强度值和热镀锌后钢丝的抗拉强度要求，预先设定退火炉的各段温度和铅浴淬火温度。以φ 1.60 mm钢丝热镀锌为例，退火炉温度工艺参数为：预热段(600 ± 30) °C，一段(750 ± 20) °C，二段(700 ± 20) °C，三段(650 ± 30) °C，铅浴(420 ～ 440) °C ± 10 °C。细钢丝取低值，粗钢丝取高值。

铅锅中铅液上面覆盖一层粒度为3 ～ 5 mm、厚度为30 ～ 40 cm的Panflux S5730覆盖剂，可以起到较好的保温作用，并防止铅液的挥发。在铅锅的钢丝出口处覆盖一层较厚的覆盖剂，可以避免钢丝表面硬化，并摩擦掉钢丝表面的氧化物，以利于下道工序的酸洗清洗。

2. 3 酸洗除锈

采用二段溢流封闭式酸洗工序，酸洗液以耐酸泵自动循环自上而下喷淋钢丝，钢丝进出口两端采用2道水帘封闭，从酸洗封闭槽两侧面穿线，以减少酸雾的逸出。对于采用木炭粉抹拭方法而言，当DV值(即钢丝直径与走线速率的乘积)在20 ～ 35 m·mm/min之间时，不但要考虑酸洗液的浓度，还要考虑酸洗液的温度对酸洗效果的影响。根据酸洗液温度、浓度对酸洗效果的影响复合值曲线，当采用盐酸作为酸洗液时，实际生产中酸洗液浓度应控制在15% ～ 26%，温度控制在35 ～ 40 °C之间为宜。钢丝酸洗速度不仅受酸洗液浓度、温度的影响，而且更重要的是受FeCl2在该盐酸浓度下的饱和度的影响。一定浓度的盐酸在某温度下具有一定的 FeCl2饱和度：当盐酸浓度为 10%时，FeCl2的饱和度为48%；当盐酸浓度达到31%时，FeCl2的饱和度只有5.5%。另外，FeCl2饱和度随着温度上升而增大。值得注意的是，在生产中将盐酸的浓度范围控制得过宽或过窄都会对生产带来一定的难度。当FeCl2含量(可用盐酸比重表示)高时，盐酸浓度可相应取低值；当FeCl2含量低时，盐酸浓度可取高值。

在配制新盐酸溶液时，最好加入一些旧盐酸溶液，使其氯化铁FeCl2的含量在10 g/L左右，这样可以加快酸洗速度。另外，为了提高酸洗效果，可以在盐酸酸洗液中添加增效剂和少量酸液缓蚀剂[2]。增效缓蚀剂的组成为：盐酸(ρ = 1.15 g/mL)350 ～ 400 mL/L，磷酸(ρ = 1.71 g/mL)10 ～ 15 mL/L，若丁1.5 ～ 3.0 g/L。

2. 4 水冷和水洗

钢丝从铅液中出来后，要进行冷却。冷却分为二段，第一段是空气冷却。从表面上看，钢丝一出铅液就应该视为冷却了，但是一定要空冷一段距离后才能进入水冷。若钢丝不经过充分的空气冷却降温，当较高温度的钢丝与水接触的时候，钢丝表面极容易出现一层难于酸洗除去的铁的氧化物。因此，空冷的距离一般应在5.0 m以上较为合适。第二段是水喷淋冷却。当使用闭路循环水时，要注意水质的清洁度，防止水中杂质过多，避免因杂质过多而影响钢丝表面的清洁度，增大酸洗难度。

钢丝经过酸洗除去其表面的铁锈后进行水洗，一般情况下经过一道水洗即可。考虑到较高的钢丝走线速度，有时需要二道水喷淋清洗。必要时在水清洗后，采用辅助压力为0.3 MPa的空气气刀把钢丝表面的污物和水分喷吹干净。

生产线上使用后的冷却水，在国外必须进行水处理后循环使用，以做到无排放。要十分注意的是：当使用闭路水循环处理水时，一定要测试水的pH，使其呈中性，并且不能使水中残留絮凝剂(用于去除含铁物质及其他杂质)，否则将影响钢丝表面的清洗质量，严重时钢丝镀层将出现露铁现象。

2. 5 粘助镀剂溶剂和烘干

国外对于钢丝镀锌后镀层的附着力要求很严格，因此，助镀剂溶剂不能使用单一的氯化铵。在以氯化铵为主的基础上添加少量氯化锌以及一种添加剂，可以起到润湿、分散作用，防止助镀剂老化，提高助镀剂的耐用性，使镀锌层更均匀。氯化铵的含量控制在65 ～ 85 g/L，氯化锌为15 ～ 20 g/L。助镀剂的温度控制在40 ～ 45 °C。钢丝粘助镀剂后主要依靠较高温度的烘干器烘干钢丝表面的水分，防止因钢丝表面带水进入熔融的锌液而出现爆锌现象。要求烘干器的保温效果较好，而烘干器的温度应根据钢丝的直径、走线速度进行调节，并安装有温度显示器，一般设定在 100 ～150 °C之间，钢丝直径大的取上限值，钢丝直径小的取下限值。另外，要非常注意控制助镀剂中的铁离子含量，不能高于2 g/L。这主要靠过滤机过滤的方式来处理。

2. 6 热镀锌

2. 6. 1 锌液温度的设定

钢铁制品热镀锌的温度对镀锌层的影响主要表现在锌–铁合金层的厚度和纯锌层厚度两个方面。当温度超过480 °C时，ζ相的晶核形成速度减小，这时仅仅生成具有较大中间空隙的大晶粒，液态锌通过这些空隙直接渗入到δ1相界面，大大加快了锌–铁反应速度。因此，当车速、浸锌时间一定的时候，温度愈高，锌–铁反应愈快，导致锌–铁合金层加厚，镀锌钢丝缠绕性能变差。另外，锌液表面氧化速度加快会产生较多的氧化锌，使用钢质沉没辊时，锌渣会更多。而当锌液温度过低时，锌液的流动性将变差，镀锌层表面粗糙且不均匀。因此，锌液温度一般控制在460 °C左右。对于钢丝热镀锌来说，锌液温度参数规定在445 ～ 460 °C之间。在这个温度范围内，锌对铁的扩散反应所生成的锌–铁合金层的量和厚度都不大，而且锌液的流动性较好，并且对减少钢丝的1%应力损失有一定的积极作用。在实际生产中，如果锌液采用单侧面上加热的形式，上部锌液的温度与下部锌液及其他三侧面的温度都有明显差别，锌液上下温差一般4 ～ 6 °C。因此，要针对不同的加热方法来设定温度。如采用底部加热或锌锅 4个侧面内加热方式，须考虑温差对钢丝表面镀层质量的影响。

2. 6. 2 引出速度的设定

钢丝引出速度不但对产量的影响十分显著，而且对镀锌层的厚度和表面质量亦有明显的影响，应将镀锌层质量作为重点来考虑。镀锌层的质量包括附着量和附着强度。车速会导致浸锌时间的变化：车速快时，纯锌层将增厚，浸锌时间的缩短会导致锌–铁合金层形成变慢、变薄，甚至无法形成，此时可能造成附着力差的问题，甚至镀层有脱落的可能；车速慢时，由于浸锌时间较长，锌–铁合金层有充足的时间生成而变厚，纯锌层则变薄。根据实际生产中钢丝镀锌层附着量数据的统计分析，对于采用油木炭粉抹拭方式而言，DV值在20 ～ 35 m·mm/min之间较为合适，直径较细的低碳钢丝因强度低而锌层附着量少，可以适当降低引出速度。

2. 6. 3 浸锌时间的设定

在热镀锌过程中，虽然温度对锌–铁合金层厚度的影响比浸锌时间大得多，但是锌–铁合金层的厚度随浸锌时间的延长而增加。当锌液温度确定以后，浸锌时间过长，对合金层增厚的影响就会较大。因此，在保证镀锌层与钢基体牢固结合的前提下，应尽量缩短浸锌时间，抑制锌–铁合金层的生长，避免因合金层过厚而引起镀锌层缠绕性变差的问题。通常根据钢丝浸锌时间经验公式t = kd来确定浸锌时间，其中t为浸锌时间(单位s)，k是常数(在4 ～ 7范围之内，通常取5)，d是钢丝直径(单位mm)[3]。根据车速，计算出钢丝浸锌的距离，通过调整并最终确定浸锌距离，再根据钢丝的引出速度，就可以计算出钢丝的大致浸锌时间。国外的锌锅长度一般都在4.0 m以上，钢丝浸锌长度有足够的调整范围。

当锌液温度和钢丝浸锌时间确定下来之后，锌层附着量(上锌量)主要依靠钢丝的走线速度来调整，十分方便，而且误差小。

2. 7 油木炭粉抹拭

抹拭工序是钢丝热镀锌生产线上的一个关键步骤，其作用是使镀锌层表面光滑、均匀。采用不同的抹拭方法，在抹拭力的作用下，可以得到不同厚度的纯锌层。

油木炭粉抹拭方法因一次性投资少、简便，仍然是目前垂直引出法热镀锌钢丝较为普遍采用的一种抹拭方法。它既可以防止钢丝出口处锌液面局部的氧化，又能够避免氧化后的氧化锌皮粘在镀层表面，对表面纯锌层有轻微抹拭作用；但是对环境会产生一定的污染。在使用木炭粉操作时有 2种方法：一是在预先把木炭粉和工业用凡士林油分别烤、烧热后，按一定的质量比混合掺兑均匀后使用；另一种是直接使用木炭粉，不需要预先把高温度的凡士林油和木炭粉混合，而是在使用时把木炭粉堆置于钢丝出锌液面处，待穿完所有的钢丝后，在木炭粉上面浇淋较高温度的凡士林油，让其燃烧并使其始终处于燃烧状态。其好处是，不会因预先混合掺兑的油木炭粉温度低而影响刚穿完钢丝镀锌层表面的光滑度。这 2种使用方法对镀层光滑度影响的差别不是很大。

在使用木炭粉时，需要有一定的操作技巧。首先要注意木炭粉的厚度，一般在5 ～ 8 cm，刚开始的时候要薄一些，逐渐加厚至8 cm，而过厚的木炭粉层将影响钢丝表面的光泽。在生产当中不需要更换木炭粉封闭层，当个别钢丝镀层表面出现“锌疤”时，可以在钢丝与钢丝之间用铁钩拨除锌液面上的氧化物，随后把木炭粉覆盖上去。

2. 8 镀锌后的冷却

钢丝离开锌液面后，在约500 mm的高度需要及时冷却(包括风冷和水冷)，使尚未凝固的熔融锌液、镀层凝固。风冷时，风力作用可以吹掉冷却水，避免过多的冷却水顺着镀锌钢丝流进锌液而出现“锌疙瘩”，同时避免因为锌液没有及时凝固而在运行过程中出现镀锌层表面被支撑辊子拉、擦伤的现象。

风压不能过大或不足，一般为0.12 ～ 0.15 MPa。风嘴缝隙也应以3 ～ 4 mm为宜。对于直径较细的钢丝，风压、风量可以低些、少些；对于直径较大的钢丝，风压、风量可以高些、大些。冷却水的压力为0.25 MPa足矣。当使用循环处理水作为冷却水时，一定要注意水的酸碱度，不能使水质呈酸性或碱性，要保持冷却水的pH为7，否则镀锌层表面将出现暗灰色的早期腐蚀现象。

2. 9 收线

由于生产线采用油木炭粉对钢丝镀锌层进行抹拭，走线速度较慢，因此，选择工字轮、线架放线加倒立式收线机型。用倒立式收线机收线时，要根据镀锌钢丝的直径来变换调制器的位置，保证钢丝始终紧紧贴近收线转盘 V形槽的上沿，否则会出现“∞”字线扭结、乱线。对于直径小于2.0 mm的钢丝，调制器进线前要经过2个过线支撑轮；对于直径大于2.0 mm的钢丝，调制器进线前只需经过 1个过线支撑轮就可以做到钢丝不扭结成“∞”字线。要注意：镀锌钢丝经过收线支架天轮后，到收线机的向下倾斜角度不能大于 40°，否则要增大走线的阻力和扭曲，以至于影响1%的伸长率。

3 铠装热镀锌钢丝表面缺陷及纠正措施

3. 1 镀层表面缺陷

(1) 漏镀(漏铁、黑点)。钢丝表面漏铁的形状各异，一般有边缘比较齐整的片状漏铁，麻点(星星点点)漏铁(其周围镀层的结合力极差)，长条形漏铁，边缘不整齐、带有流痕状毛刺形漏铁等。

(2) 锌瘤。一般呈点状锌堆凸起，严重时呈竹节状，断断续续地出现在钢丝表面。

(3) 毛刺。镀锌层表面比较粗糙，点状凸起部分像针尖。

(4) 掉锌皮及开裂。镀锌层附着力差，在做缠绕试验时会出现这种情况。

3. 2 镀层表面缺陷的主要成因

3. 2. 1 镀前处理不当

镀前处理不当会造成钢丝漏镀，形成“露铁黑点”，其主要原因如下：

(1) 退火不当。退火时间过长或退火温度过高都会使钢丝氧化严重，导致氧化铁皮增厚。在连续作业线上，酸洗时间受走线速度的制约，很难作大幅度的调整，往往不能除去过厚的氧化铁皮。这些氧化铁皮黏附在钢丝表面，造成钢丝镀锌质量低劣，产生大量麻点状“露铁黑点”。预防这种缺陷的方法是严格控制退火炉的温度。要检查退火炉的热工仪表是否正常，热电偶插入深度是否正确；调整燃气与空气的混合比，增加还原性气氛，以减轻钢丝氧化的程度。

(2) 脱脂不净。钢丝在拉拔过程中，表面粘结的拉丝粉结块，是造成镀锌钢丝成批出现“露铁黑点”的一个重要原因。应尽量避免钢丝表面拉毛不光滑，减少拉丝粉的附着量。

(3) 酸洗不足。随着钢丝产量增大，酸液中 HCl浓度下降，而FeCl2浓度升高，酸洗能力愈来愈弱，钢丝酸洗后表面仍有锈蚀斑或者挂灰，同样会导致镀锌表面出现“露铁黑点”。应定期化验酸液的成分，确保足够的酸洗能力，使用盐酸除锈时，其浓度应控制在15% ～ 25%之间。盐酸浓度低于15%时，应添加新的高浓度盐酸。

(4) 助镀溶剂浓度低或受到污染。随着钢丝产量的增多，助镀溶剂中NH4Cl和ZnCl2的浓度会越来越低，从而导致镀锌层“露铁黑点”。而其中FeCl2浓度会越来越高，助镀剂中NH4Cl和ZnCl2含量不足，pH不呈弱酸性，同时各种赃物会随钢丝进入溶剂池，减弱了活性作用，从而导致镀锌层“露铁黑点”。应建立健全的助镀溶剂定期化验制度，根据化验数据及时按技术要求调整助镀溶剂的浓度和比例，溶剂槽经长时间使用后，应进行彻底的清理。

(5) 钢丝入锌液处锌灰、液态氯化铵过多。钢丝入锌液处过多的锌灰和液态氯化铵容易粘在钢丝表面而随钢丝进入锌液，由于它们隔离了锌液与钢丝表面的接触，使铁与锌的反应不能发生，形成不了铁–锌合金，从而出现“露铁黑点”。其解决方法就是保持钢丝入口处的干净，及时清理锌灰和漂浮的氯化铵杂质。

3. 2. 2 钢丝振动

钢丝在热镀锌线上因放线时松紧程度不一，加之在拉拔过程中拉应力的作用下产生了塑性变形，金属的变形抗力指数(屈服极限)有所提高。虽然在生产线上有多道压线辊、支撑辊，锌锅中的沉没辊，以及出线后的扶正辊、转向辊等的作用，仍然无法消除钢丝本身的弹性，所以钢丝在生产线上会产生振动。由于振动的作用，钢丝在锌液入口、出口处会粘上锌的氧化物，使镀层表面粗糙。另外，振动使木炭粉的抹拭作用降低，导致钢丝表面的锌液无法被抹拭掉，从而形成锌瘤和镀层不均匀。故应采取措施减少钢丝的振动，并调整钢丝走线张力，使其振动幅度不至于过大。

3. 2. 3 锌液中的铁离子

锌液中的铁离子(Fe2+)越多，锌渣就越多，锌液的黏度就增大，从而使锌液的流动性变差，镀层变厚(主要是η相)，镀锌层也变得较脆，缺乏绕性，表面呈灰色、粗糙，严重时出现“毛刺”。无论采用陶瓷锌锅上加热还是陶瓷锌锅内加热，锌液中都会有铁离子。减少锌液中的铁离子含量，主要是要减少钢丝经过酸洗后带入助镀剂中的酸液和铁离子，降低助镀剂中的铁离子含量，同时保持pH在4 ～ 5之间。为保证钢丝表面质量，应根据实际情况，定期捞取锌锅中的锌渣。

4 结语

采用本文中给出的工艺所生产的铠装电缆用热镀锌钢丝，镀锌表面质量合格率平均达到99.4%以上，综合返镀率较一般工艺降低1.2个百分点，锌层均匀，无明显凸起现象，完全符合BS EN 10257-1:1998标准，且耗锌量降低0.17 kg/t。

[1] 苗立贤, 苗瀛. 提高热镀锌钢丝质量降低消耗的工艺措施[J]. 金属制品, 2009, 25 (5): 25-27, 30.

[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] 徐民奎. 钢丝镀层与防腐[M]. 湘潭: 湘潭钢铁职工大学, 1988: 139.

Hot-dip galvanizing process of steel wires for manufacturing of armored cables //

MIAO Li-xian

A process for hot-dip galvanizing of low-carbon steel wires with small diameters used for manufacturing of armored cables by vertical payoff method was introduced, which is modified from the process based on leaning payoff method. The process flow is composed of: (1) payoff; (2) annealing; (3) lead bath quenching; (4) water cooling; (5) pickling with hydrochloric acid; (6) water rinsing; (7) fluxing; (8) drying; (9) hot-dip galvanizing; (10) wiping with charcoal powder; (11) air cooling; (12) water cooling; and (13) take-up. The process parameters of hot-dip galvanizing as well as the methods of vertical payoff and wiping with charcoal powder were described in detail. The effect of improper pretreatment on coating quality was pointed out. The formulations of pickling bath and fluxing agent were given. Some measures for preventing and eliminating surface defects of coatings were presented based on analysis of their causes. The low-carbon steel wires produced by the process for armored cables meet the requirements of BS EN 10257-1:1998 standard.

armored cable; steel wire; hot-dip galvanizing; pretreatment; surface defect

TG174.443; TG178

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0032 – 05

2011–06–11

2011–07–20

苗立贤（1948–），男，河南驻马店人，本科，教授级高级工程师，长期从事热镀锌工艺研究和设备制造工作，曾任河南恒星金属制品有限公司副总工程师，现任马来西亚环球电缆(集团)公司钢丝热镀锌生产技术总监。编著有《钢丝热镀锌技术问答》和《实用热镀锌技术》。

作者联系方式：(E-mail) Lixian-163@163.com。

[ 编辑：温靖邦 ]