曾 根 生

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 510663)

输电杆塔结构新型防腐镀层的生产工艺研究

曾 根 生

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 510663)

选取钢板、角钢和钢管为试验对象，探索在钢材表面进行Al—Zn—Si和Al—Zn—Si—RE热镀工艺，创新性的提出了二次助镀技术，优化并确定了各流程的工艺参数，为在输电杆塔结构用钢中推广镀铝锌硅(稀土)技术奠定了实验基础。

输电杆塔结构，铝锌硅镀层，生产工艺，二次助镀

1 概述

目前，输电杆塔结构用钢的主要防腐蚀方法是镀锌法，较厚的热镀锌层作为防护镀层，其耐腐蚀性能和抗氧化性能较普通钢板有较大提高，但热镀锌经过长期的工程实践后也暴露出一系列的问题：大气环境恶化，造成热镀锌的使用寿命大幅下降；国产基板质量不稳定，造成热镀锌的厚度不均匀，容易脱落；热镀锌的腐蚀产物均为结晶镀层，分布不均，对镀层无防护作用，从而影响使用寿命；镀锌颜色容易变黑。

1967年美国伯利恒公司开发出的Galvalume铝锌合金镀层，兼有锌镀层的阴极保护功能和铝镀层的耐蚀性及抗高温氧化性，是一种优良的钢制品镀层保护材料，广泛应用于建筑、汽车、电器等行业的薄钢板腐蚀防护上。镀铝锌技术应用于输电杆塔结构用钢腐蚀防护上的潜力巨大，但目前尚未形成可用于输电杆塔结构用钢腐蚀防护的铝锌镀层生产工艺。本文对热镀铝锌硅和热镀铝锌硅稀土技术应用于输电杆塔结构中的生产工艺进行试验研究，确定最佳的实验室热镀铝锌硅和热镀铝锌硅稀土生产工艺流程及其参数。

2 生产工艺

1)钢材基体材料及热浸镀原料。

钢材基体材料采用输电杆塔结构中的常用钢材，本文选Q235等级的L45 mm×4 mm角钢和Ф83 mm×4 mm钢管以及60 mm×4 mm扁钢。

2)热浸镀合金材料的配制。

a.热浸镀Al—Zn—Si合金：采用坩埚电阻炉，将称量好的铝块、铝硅中间合金和称量好总量75%的锌块置于石墨坩埚之中，将其熔化，然后将余量的锌加入熔化，经充分搅拌后，倒入铸锭，待用。

b.热浸镀Al—Zn—Si—RE合金：采用坩埚电阻炉，将称量好的铝块、铝硅中间合金、铝稀土中间合金和称量好总量75%的锌块置于石墨坩埚之中，将其熔化，然后将余量的锌加入熔化，经充分搅拌后，倒入铸锭，待用。

3)现有热浸镀铝锌硅生产工艺所存在的问题。

国内外对冷轧带钢的铝锌硅合金镀层普遍采用如下的工艺：冷轧带钢→清洗→还原退火→表面处理→铝锌锅热镀→冷却→光整矫直→表面处理→检测→成品。我国宝钢、武钢等已经形成了规模化的生产。据此工艺设计的前期实验显示：使用这种工艺进行小试样的热浸镀处理非常好，尤其是对丝材的热浸镀处理，但对于有一定厚度的角钢和圆钢等型材，则难以形成均匀稳定的镀层，漏镀现象十分严重，这说明铁与铝锌硅合金的浸润性很差。

4)工艺流程参数的优化处理。

为解决一定厚度的角钢和圆钢等型材热浸镀铝锌硅合金所存在的湿润性差、镀层难以均匀稳定、漏镀现象十分严重的问题，对现有生产工艺进行优化。

a.基材表面预处理工艺。表面预处理工艺主要目的有两个：一为除去钢表面的杂质(包括油脂，灰尘等)；二则是为了除去钢表面的氧化物，使型钢露出洁净的钢表面以便于助镀。除油选用热的高锰酸钾碱溶液除油操作更方便。除氧化物选用酸洗法。

b.使用及优化助镀工艺。助镀的目的如下：隔绝空气，防止铁基氧化；加强铁基与镀液的浸润性；活化铁表面；去除残余氧化铁。助镀时最重要的一点是对助镀剂的选择，我们采用一些传统助镀剂直接进行铝锌硅合金的热浸镀，但在使用了多种不同成分的助镀剂以后，均不能达到期望的镀层质量，如图1所示。考虑到锌对钢表面有较好的湿润性，可以对镀层起到很好的过渡作用，故尝试在型钢表面镀锌来解决上述问题。使用镀锌层作为助镀层时，对锌镀层的质量好坏并无太高要求，只需要锌层完整覆盖基体表面即可，为降低工艺复杂性，一开始尝试使用锌与打磨后的铁基直接进行浸镀，发现漏镀现象依旧存在。

为了使锌层能够完整的覆盖在铁基上，故在热浸镀锌前先对铁片进行一次助镀处理，然后再进行二次助镀锌层。针对型钢而言，最佳的一次助镀剂配方为NH4Cl和ZnCl的混合溶液，助镀温度为80 ℃～90 ℃，并在这一温度下使用盐酸和氨水将助镀液pH控制在4.0～5.0之间。该助镀液的浓度和pH值都会对一次助镀层的形成产生影响，助镀液过稀，得到的助镀层过薄，助镀剂的作用被减弱，易导致漏镀；助镀液浓度太大，则易在烘干时产生二次结晶现象，破坏助镀层结构，不均匀的助镀层会使部分助镀剂在进行浸镀时被包裹在镀锌层内部，破坏镀锌层的质量。而pH过低，则在烘干时内层助镀剂与铁反应产生少量氢气，使助镀层内部产生气泡，破坏助镀层的完整；pH过高易使铁基在酸洗之后再次产生氧化，产生氧化铁覆盖在铁表面。由于助镀剂温度较高，其中的氯化铵不稳定，助镀液的pH会随时间变化而逐渐改变，需要经常进行调整。助镀一段时间以后助镀液中会有黄色絮状沉淀，可以用过滤的方法将之除去，过滤后的助镀剂仍可再次使用。助镀时间约为40 s， 助镀后将试样取出并烘干，烘干温度一般在120 ℃～150 ℃，烘干时间10 min左右，烘干一定要彻底，且在烘干以后应尽快进行浸镀，防止助镀剂吸水潮解。若是在进行镀锌作业时助镀层中有水，则极易发生爆锌，所以若是烘干以后要过一段时间再进行镀锌，必须使用保鲜膜等隔绝水气。

待一次助镀完成后，可进行二次助镀锌操作：将经过第一次助镀处理的型钢浸入熔融锌液中，产生大量烟雾，在锌液表面产生黑色酥松状杂质。氯化铵在高温下分解，生成氨气和氯化氢，氯化氢可以有效地使铁表面覆盖的氧化层转变为铁盐，铁盐与氯化锌一起被氯化铵分解产生的气体带离铁表面，所以在试样烘干后若发现助镀层内部仍有少量黄色铁锈存在，但仍可以继续进行试验。二次助镀锌层后得到的助镀层平滑完整，能达到热浸镀铝锌硅稀土合金的热浸镀助镀层要求，得到的铝锌硅稀土镀层的漏镀现象有明显改善，如图2所示。所以，根据实验结果，热浸镀铝锌硅(稀土)合金可以采用本文所设计的二次助镀优化工艺。本文优选的二次助镀锌温度为460 ℃～640 ℃，时间30 s～300 s。

c.热浸镀铝锌硅(稀土)工艺优化。

由图3可知，采用二次助镀技术得到的铝锌硅镀层呈现出不同的表面状态，铝锌硅镀层并不均匀，大部分样品表面凹凸不平，镀层虽然完整性好，镀层附着力强，但表面光洁度不够高，对试样进行分析后发现镀层分层严重，内部锌含量高，表明助镀用的锌镀层完全溶于铝锌硅合金中。少量试样表面还产生了凸点，而且随着同一炉铝锌硅合金浸镀次数的增加，镀层表面的凸点缺陷越来越明显，如图3所示。

为解决这些问题，我们进行了大量的实验。在实际试验中，我们发现所有凸点缺陷均产生于浸镀初期，随着浸镀时间的延长，凸点会腐蚀铁基并变大，但凸点的数量并不会增加。利用这一点，我们在镀铝锌硅合金时使用了较快的搅拌速度并选择适当的浸镀时间，使得快速流过铁基表面的合金液直接将铁基表面形成的凸点缺陷在刚形成时便被带离铁表面，这一操作取得了良好的效果，获得了质量良好的镀层。将这一工艺用于圆钢管及角钢的热浸镀中，最终我们找到了最佳的工艺并获得了满意的镀层，如图4所示。

针对二次助镀后的型钢试样，通过实验最终优选的热浸镀铝锌硅合金时的各项参数如下：浸镀温度620 ℃～640 ℃，浸镀时间30 s～120 s，铁表面合金流速20 cm/s～30 cm/s。温度过高会导致铝锌硅合金对铁的腐蚀加剧，影响型钢尺寸，同时合金液成分被破坏。高温浸镀的试样在空气中冷却时往往会因为镀层中的铁与氧气在高温下反应而发黄，影响镀层美观性。浸镀时间不宜过长，铝锌硅合金对铁的腐蚀现象十分严重，若是长时间的浸镀会破坏合金成分，改变合金形状。搅拌有利于形成均匀的铝锌硅镀层，一定速度的合金流速会使镀锌层被快速融化除去，完成铁与铝锌硅合金的浸润。浸镀每进行一段时间需要对合金进行成分分析，一般而言随着浸镀的进行，合金液中的锌含量会逐渐降低，所以需要对合金液进行补锌操作。浸镀完成后应尽快进行水冷，快速的水冷可以使镀层的结构更均一。对于镀铝锌硅稀土的型钢，因为微量稀土元素的存在，镀液对二次助镀的型钢表面具有粘附作用，所以在热浸镀时温度更低(615 ℃)，时间更短，必须控制在15 s以内，否则镀层过厚失效(超过125 μm)。

3 结语

本文对输电杆塔结构用钢上热镀铝锌硅(稀土)的生产工艺进行研究，以得到生产均匀稳定的铝锌硅镀层的生产工艺和参数。文中创新性的提出了二次助镀处理技术，探索性的得出了每道工序的最佳控制参数，为实现输电杆塔结构用钢的铝锌硅(稀土)镀层的工业化生产奠定了实验基础。优化的工艺流程如下：基底材料→表面预处理(除油、氧化物)→助镀槽一次助镀→烘干→二次助镀→热浸镀铝锌硅(稀土)合金→后处理→检测→成品。

其中，设定的表面预处理工艺参数：热的高锰酸钾碱溶液(除油)和10%的稀盐酸溶液(除氧化物)。本工艺的特点是创新性的使用二次助镀，优选的一次助镀工艺为：NH4Cl+ZnCl，pH为4.0～5.0，温度为80 ℃～90 ℃；二次助镀锌时需要有较快的搅拌速度，优选的二次助镀锌温度460 ℃～640 ℃，时间30 s～300 s，对于热浸镀不含稀土的铝锌硅工艺，助镀锌时间不少于180 s；对于含有稀土的工艺，却要不多于30 s。优选的铝锌硅的热浸镀工艺：浸镀温度620 ℃～640 ℃，浸镀时间30 s～120 s，铁表面合金流速20 cm/s～30 cm/s。对于热镀铝锌硅稀土试件，热浸镀时温度更低(615 ℃)，时间更短，必须控制在15 s以内，否则镀层过厚失效。

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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，硕士，工程师

1009-6825(2015)14-0085-03

TU391

A