影响热镀锌产品质量的因素分析及相应措施

潘天宇， 苏 行， 李吉宁， 谷 文， 李 钊

(1.中冶葫芦岛有色金属集团有限公司， 辽宁 葫芦岛 125003；2.河钢集团唐山钢铁有限公司不锈钢分公司, 河北 唐山 063000)

随着我国经济的高速增长，军工、铁路、船舶、汽车、家电、建筑等行业迅猛发展，对钢材的抗腐蚀性能提出了新的要求。目前，提高钢材的抗腐蚀性能最主要的办法是在钢材表面镀锌，因为锌在大气暴露条件下，具有良好的耐腐蚀性。此外，因为锌的标准电极电位较铁负，在潮湿的环境中，镀层的锌和钢材形成原电池，锌做阳极，钢材做阴极，具有牺牲阳极(镀锌)保护阴极(钢材)的作用，从而提高钢材的耐腐蚀性，延长使用寿命。热镀锌产品及其合金化产品具有优良的耐腐蚀性能和美丽的外观，有利于后续加工、成本相对较低等优点，深受广大用户欢迎[1]。尽管我国镀锌行业近年来发展迅猛，但是与发达国家相比，仍有很多不足，钢材镀锌比例差距较大。因此，热镀锌市场前景十分广阔，降低热镀锌杂质含量，提高热镀锌质量仍是研究热点。

1 热镀锌生产工艺

阴极析出锌虽然化学成分合格，但是由于大块的薄片及表面状态不方便运输和储存，不宜做商品交易。因此，需要进行熔化铸锭才能作为商品出售。熔锌所用设备主要有反射炉和感应电炉两种，由于感应电炉不用燃料，炉内锌氧化少，锌直收率高，因而被广泛采用[2]。

将化学成分合格的阴极锌片分批次加入到感应电炉内，合理控制炉内温度，加料时温度一般控制在460～500 ℃，当温度低于460 ℃时，禁止加料；待加入的阴极锌片熔化后，根据生产要求，加入Al、Mg、Fe、Ti、Pb、Cu、Si、稀土等合金料，配料时的温度一般控制在480～500 ℃；加入的合金料在炉内熔化后，再加入适量的氯化铵，氯化铵可以破坏炉内因氧化而产生的氧化锌膜，提高锌直产率；然后启动搅拌器，使炉内金属液体搅拌均匀，取样，确定化学成分符合规定；最后打开炉前的浇铸孔，浇铸时温度一般控制在530～590 ℃。

2 热镀锌中杂质对钢材镀层的影响

2.1 铁元素的影响

铁在熔融的锌液中溶解度非常有限，铁在锌液中的最大溶解度ωFe约为0.003 5%，随着热浸过程的进行，当铁含量继续增加时，锌液中的铁含量处于过饱和状态，锌液中过饱和铁便会与锌结合生成密度较大的铁- 锌金属间化合物，即锌渣，锌渣的形成增加了锌的消耗。锌液中的铁元素越高，则锌渣越多，锌液的黏度就越大，使流锌时的流动性变差，镀层变厚(主要是η相)，镀锌层也变得较脆，缺乏绕性，表面成灰色，并有粗糙表面产生[3]。由此可见，热镀锌中过量铁元素对镀锌过程十分有害，一般成品热镀锌含铁要求为<0.001%，个别要求热镀锌含铁<0.000 8(如高强汽车板)。

2.2 铜元素的影响

铜元素含量过高，锌液的熔点升高，要求镀锌工作温度高。在高的镀锌温度下，铜可促使Fe-Zn合金层急剧增厚，使镀层韧性和黏附性同时变坏[4]。另外，铜对金属化合形成状态的改变会使镀锌锅使用寿命缩短，使镀锌锅提前报废。因此，控制热镀锌含铜指标十分重要，成品热镀锌含铜一般要求<0.002%。

2.3 铅元素的影响

当锌液中的铅含量处于饱和状态，热镀锌液中的铅也带来一些问题，如铅使镀层颜色发暗。当热镀锌液中Pb>1.00%时，引起镀层的晶间腐蚀，降低镀层的耐腐蚀性能。另外，铅蒸发后污染环境，危害操作人员的健康。

2.4 镉元素的影响

镉是天然残留在锌中的杂质元素，当锌液中含有铅、锡元素时，镉的存在会加强镀层表面的锌花效应。当锌液中镉的含量在1%以下时，其存在对镀层的影响，是很微弱的；当镉的含量过高时，会使镀层中的锌铁在化合物层不连续，导致脆性镀层出现[3]。

一般情况下，对锌锭的化学成分有明确规定，具体见表1。随着工艺的成熟和技术的进步，目前绝大多数的锌冶炼企业生产的锌锭均为牌号Zn99.995。

表1 GB/T470—1997规定的锌锭化学成分 %

3 热镀锌中主要杂质的来源及控制杂质含量的措施

热镀锌中的杂质绝大多数来源于电解工序产出的阴极锌，阴极锌的化学成分，决定了热镀锌的杂质含量。

由于Cu和Cd的标准电极电位为正，因此在锌电解中比较容易析出；虽然Pb的标准电极电位比锌正，但是由于在电解液中会形成PbSO4沉淀，很少以离子形态存在，所以析出量不大；Fe在电解过程中不会析出，只会使析出锌不断的返溶。一般电解锌厂生产的阴极锌的化学成分见表2。

表2 电锌厂生产的电锌成分 %

提高热镀锌化学质量，应选用优质原料，这就需要提高阴极锌片质量。因此在湿法炼锌流程中，应使电解液深度净化，以使阴极锌片质量符合标准，并严格控制入炉的阴极锌片成分，化学成分不符合规定的阴极锌片不准直接入炉生产热镀锌。此外，应该加强管理，高度注意外来杂物，严禁阴极锌片夹杂铁、铜等废物，生产过程中炉内搅拌及扒渣操作均不宜时间过长，应细化操作流程。

4 影响热镀锌物理表面质量的因素及相应措施

成品热镀锌不仅要求化学质量合格，对其产品物表也有相应的洁净要求，不得有熔渣、飞边、毛刺、冷隔层及表面明显缩孔。物理质量的控制主要在于设备的调整和生产操作，影响因素主要有以下几个方面。

1)锭模。锭模型腔的形状、尺寸和结构不仅决定锌锭的形状和尺寸，也决定铸锭的质量。由于液态金属在模内的凝固不完全是自下而上依次进行的，铸锭的方向性结晶倾向较差，故造成铸锭的缩孔和偏析也较大。加之液态金属吸附气体，氧化和对铸模型腔底表面的冲击易引起铸模老化，从而影响铸锭的表面光洁，甚至出现严重的“麻点”，铸模上下尺寸不当也会造成严重飞边、毛刺[2]。因此，对铸模的结构要合理选择，铸模一般选择的条件应该具有高的导热性、小的热膨胀系数、较低的弹性模具和较高的机械性能，一般选用以铸铁为材质的模具。为防止锌金属与模壁发生黏结，防止金属产生气孔，应在使用过程中经常对铸模表面刷涂料并定期清理。

2)浇铸温度。浇铸温度过高不易冷却，铸锭在运动中会出现飞边、毛刺和缩孔；浇铸温度低易产生冷隔层和夹渣。因此，需要合理控制出锌温度，一般为530～590 ℃。

3)冷却方式。冷却方式主要为风冷却和水冷却两种方式，冷却介质数量也直接影响物理质量。冷却风量大，铸锭表面易形成波纹；冷却风量小，不易冷却。冷却水量大，不能雾化，铸锭易产生缩孔；水量小，不易冷却。要根据经验合理控制冷却风量和冷却水量。

5 结语

随着钢材镀锌技术的发展，市场对热镀锌的质量要求越来越高，影响热镀锌质量的因素很多，需要热镀锌生产单位在生产中摸索合理的技术条件，控制各项指标，及时优化设备，提高热镀锌质量。