2010-8-25浙江温州塔桅钢结构协会-批量镀锌技术现状和.ppt

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1、1,1,批量热镀锌技术现状和发展方向,张启富,先进金属材料涂镀国家工程实验室 中国腐蚀与防护学会热浸镀专业委员会,2,2,热镀锌技术作为一种低成本、高效率的钢铁防腐蚀方法，是目前国内外公认的最为经济、最为重要的钢材延寿技术，其产品广泛应用在国民经济各个领域，市场前景广阔。,金属材料表面涂镀技术既能够显著降低金属材料的腐蚀速度，延长使用寿命，并通过装饰处理使之获得所需要的外观形态，又能够赋予金属材料表面各种与电、磁、光、声、化学、机械等相关的功能。金属材料表面涂镀技术既能够为其他加工工艺提供平整清洁美观的表面，又能独立地形成具有重要使用价值的新型表面材料。,3,3,热镀锌技术是降碳、节能、减少资

2、源和能源消耗的重要手段。,工业化的发展必将导致钢材产品、资源、能源等的大量消耗，也造成废弃物的大量排放。,对策,提高钢材的使用寿命，减少钢材用量,途径,推广使用热镀锌方法，发展清洁环保技术,*数据为1950年-2009年，中国粗钢产量合计。,4,4,批量热镀锌产品广泛应用于国民经济的各个基础产业，发展市场广阔，主要包括：（1）交通运输行业、（2）基础设施建设、（2）电力、通讯及塔桅结构、（3）城市建筑、轻钢结构（4）工农业钢结构、（5）汽车等。,我国批量热镀锌结构件的主要应用领域,国民经济的快速发展促进了批量热镀锌产品的应用。,5,5,以交通、电力和建筑业为例：近年来，我国逐步加大对交通设施的

3、投入，加速兴建高速公路，计划到2015年国道主干线和公路主枢纽系统全部建成，构成以高速公路为主体的公路运输主架，五纵七横国道全干线建成通车，由12条国道主干线和公路主枢纽及信息系统构成，是横跨东西、纵贯南北的快速公路运输网络。为此，至少需300万吨镀锌钢材，极大促进了钢结构件热镀锌的发展。,五纵七横国道主干线分布图,6,6,同时，铁路提速、电气化铁路改造需要大量的镀锌隔离网、电气化铁路用铁塔及线路五金，08年度我国电气化铁路总营运里程近3万公里，根据综合交通网中长期发展规划，到2020年，我国铁路营运里程将达到12万公里以上，其中电气化铁路比重将达到60%。,7,7,三峡输变电工程、全国输电联

4、网、西电东送工程、全国农网和城网改造需要大量的镀锌结构钢。预计在2010年至2020年，将基本形成覆盖全国的统一联合电网，实现更大范围内的资源优化配置。,8,8,总之，热浸镀锌产品市场分类及比例见下图。热镀锌产品主要用于电力设施和交通设施(50%)，以及建筑和户外家具(30%)。,批量热镀锌企业主要集中在中国东部、北部和南部，主要是由于这些地区的经济发展较国内其它地区更快。,9,9,热镀锌钢结构建筑作为一种节能、环保、耐腐蚀的建筑体系，被誉为21世纪的“绿色建筑”，是一种重量轻、强度高、抗震性能好、节能环保、可循环使用的建筑结构，符合发展省地、节能建筑和经济持续健康发展的要求，并正在获得用户的

5、认同。,隔音壁,输电铁塔,商业中心,钢结构厂房,10,10,我国钢结构件的批量镀锌技术将会围绕建设资源节约型和环境友好型社会的需要，针对我国批量镀锌行业存在的产品结构不合理、环境保护技术不足、自主创新能力较低等问题，积极开展新工艺、新材料、新技术开发，创造新的发展机遇和利润增长点。,锌与锌合金镀层技术研究 批量热镀锌的工艺和设备研究 批量镀锌与清洁生产,11,11,一. 锌与锌合金镀层技术研究,12,12,腐蚀成本在日本占到国内生产总值GDP的3.5%，在美国占到GDP的4.2%，在英国占到GDP的3.5%，在德国占到GDP的3%，而我国高达5%。锌作为成本最低、应用最广的钢铁材料防腐蚀方法，

6、其原因在于，锌在干燥无污染的大气环境主要发生化学腐蚀，在室温下进行的非常缓慢，必须加热到400以上才能发生，但是氧化速率非常低，一般平均生长速度约为0.8810-10g/（cmh）。,延长钢铁寿命最有效的方法 良好的耐腐蚀性能 经济的生产工艺： 锌的低熔点419 ,全世界10-12% 的钢材通过镀锌保护 50%的钢板是镀锌的,镀锌：,广泛应用：,13,13,FeFe2+ + 2e 2H+ + 2eH2,平衡与非平衡电位,E0-标准电位； T-绝对温度； R-气体常数； F-法拉第常数； n-离子价数； C-介质浓度。,E0-标准电位； T-绝对温度； aMn+-金属离子活度常可近似地代之以金属

7、离子浓度； n-离子价数。,奈恩斯特方程式,金属溶解速度等于金属离子沉积速度。,锌的电化学腐蚀,14,14,腐蚀原电池,在酸性介质中，氢析出 2H+ + 2e H2 在弱酸性介质中，氧还原 O2 + 4H+ + 4e 2H2O 在中性或碱性介质中，氧还原 O2 + 2H2O + 4e4OH- 在高价金属离子溶液中，金属离子还原 Fe3+ + e Fe2+ 在金属离子溶液中还原沉淀 Cu2+ + 2e Cu,锌的电化学腐蚀,15,15,锌的电化学腐蚀,在有污染的潮湿大气中锌的表面容易形成电解液膜，由于锌中的杂质及外部因素，如氧的浓度差、裂纹、镀层破裂等，缺陷面与锌构成微电池，从而形成锌的电化学腐

8、蚀。在此微电池中锌为阳极，发生溶解。,有无镀锌层阳极保护作用的腐蚀现象对比,有锌涂（镀）层 无锌涂（镀）层,16,16,锌在25 时的标准电极电位为-0.76V，是较活泼的金属。钢铁基体上的镀锌层在一般腐蚀介质中是阳极镀层，对基体具有电化学保护作用。,牺牲阳极 微电池阳极,较高的析氢过电位,具有较低的标准电极电位,在介质中具有较高的稳定性 可以用作镀层材料,锌的电化学特性,17,17,锌在大气中腐蚀受到干湿交替暴露的影响，表面先形成一层薄而致密的初始氧化膜即ZnO，当该膜与潮湿的气体接触时，就转变为保护性较差的Zn(OH)2，进而Zn(OH)2与大气中的CO2反应生成具有良好保护性的碱式碳酸锌

9、。,稳定性腐蚀产物,具有较高的腐蚀阻率,电子转移特性,对破损镀层起保护作用,锌镀层的防护原理,18,18,1、镀锌层可以避免钢铁材料和腐蚀介质直接接触，起阻挡层的作用。 2、当镀层出现钢铁材料暴露点或机械损伤后显露出钢铁基体时，钢铁基体 与镀锌层就会构成微电池。镀锌层充当微电池的阳极被腐蚀，铁则称为 微电池的阴极而受到保护。 3、当镀锌层因选择性溶解出现较小的不连续间隙时，镀锌层因为形成腐蚀 产物而发生体积膨胀，使得间隙愈合从而阻碍电化学反应的进一步发展。,镀锌层对钢铁材料的保护作用主要表现在三个方面：,锌镀层的防护原理,19,19,热镀锌钢板的腐蚀区域,热镀锌镀层不同腐蚀区域示意图,锌镀层的

10、防护原理,20,20,纯锌镀层作为钢结构件的防腐蚀方式越来越受到重视。通过往锌浴中添加合金元素来改善锌的流动性和粘附性，提高镀层的抗腐蚀性和镀件的成型性。随着热镀锌产品应用的多样化发展，对其性能提出了更高的要求，因此，开发各种高性能的热镀锌合金镀层成为当前镀层研究的热点和重点。,锌合金镀层,21,21,热镀纯锌正常镀层,含Si钢活性镀层,不同合金镀层,22,22,锌浴中加入少量镍可以有效抑制含Si量在0.25%以下的活性钢出现超厚、粘附性差的镀层。同时，可以提高锌浴流动性及产品质量，降低生产成本，不明显增加工艺和设备的困难和复杂性，能够有效地解决活性钢镀锌问题，获得的镀层具有比常规镀锌更平滑、

11、更光亮的外观质量，是目前批量热镀锌中解决活性钢镀锌问题的最有效方法之一。,在Zn浴中添加Ni以抑制含Si钢Fe/Zn反应，最早是上世纪六十年代初由加拿大镀锌协会的研究者提出来的，在八十年代真正发展起来。,Zn-Ni 合金镀层,0.0% Ni,0.06% Ni,23,23,由圣德林曲线可知，当硅含量增长到大约0.1%时镀层厚度也会随着急剧上升。当硅含量在0.05%到0.15%之间，将会产生显著的、变厚的镀层，此类钢通常被称为“ Sandelin钢”，通常表现为不可控的金属化合物(或是暴发式)的局部生长。在钢含有高磷情况下，这种作用通常是比较明显的。,但是，当添加一定量的Ni元素，则可以有效地抑制

12、或避免出现铁-锌反应，可以大幅度地降低锌的使用，形成更经济、更有竞争力的加工性能。,24,24,由于镍的熔点大大高于锌，故须用锌镍中间合金的方式添加入锌浴。在热浸镀锌工业中最常用的中间合金有3种，分别为Zn-0.24%Ni、Zn-0.5%Ni、Zn-2%Ni合金。前者为共晶成分，后二者为过共晶成分，Zn-2%Ni合金中可能还有包晶反应不完全的生成相。这些中间合金中除了自由锌相外，还有Zn-Ni的金属问化合物相存在。由于中间合金中金属间化合物相粒子大小、分布及相组成等方面均存在很大差异，造成了Zn-Ni中间合金在锌浴中溶解速度慢，容易产生浮渣，降低了镍在锌浴中的有效利用率。,25,25,Zn-B

13、i 合金镀层,锌浴中加Bi（铋）可提高锌浴流动性，降低锌液的表面张力，使镀件浸镀后提升过程中表面的液态锌能够更好地回流。另外锌液中含Bi对锅体有保护作用，延长锌锅的使用寿命。同时，Bi对镀层的结构、附着性、钝化及耐白锈性和涂装性等均无不利影响。Bi还可以降低锌渣的生成量，但它并不能抑制活性钢的异常生长。Bi在锌浴中的作用与铅相似，但却没有铅的毒性。由于国外对铅使用的限制越来越严格，使Zn-Bi合金得到了越来越广泛的应用。此种Zn-Bi合金镀层的商品名为“Galva Flow“。,26,26,Zn-Bi-Ni 合金镀层,Zn-Bi合金的广泛应用促使热镀锌研究者进行Zn-Ni-Bi复合合金的研究。

14、通过对比实验研究了锌镍合金浴中加Bi的作用，可知锌镍合金浴中添加Bi并没有更好的效果。研究表明，含Ni0.04 %，Bi 0.1%左右的锌浴效果较单纯锌镍浴更佳，锌浴中的Ni可以有效抑制圣德林钢的Fe-Zn反应，锌浴中的Bi使镀浴的流动性更好，但对控制钢材热镀锌活性没有明显作用。研究还发现，这种锌浴在过圣德林钢热镀锌时，Ni和Bi的联合作用可以起到抑制这类钢材的活性。Zn-Ni-Bi合金技术在欧州国家的热镀锌企业已较普遍地采用。,27,27,当锌浴中含0.1%Bi和0.025-0.05%Al时，可以获得平滑均匀并有良好光泽的镀层，同时可减少锌灰及锌渣，锌耗也可降低，但不能抑制高硅钢热镀锌时的F

15、e-Zn异常反应。Fratresi等研究者对Zn-Al-Sn-Bi合金进行了热镀技术开发，结果表明: 加入0.035%铝和0.450%锡能有效抑制高硅钢的活性。对于过圣德林钢，这种合金镀层厚度比纯锌镀层减少65%，比Zn-Ni合金镀层减少30%。对高磷钢热镀锌，该合金更为有效，比纯锌镀层和Zn-Ni合金镀层厚度减少90%。这些钢镀层组织都类似于亚圣德林钢，且镀层表面光亮平滑。,Zn-Al-Sn-Bi 合金镀层,28,28,Zn-Al-Sn-Bi 合金镀层,Zn-Al-Sn(锡)-Bi合金镀层在工业和城市环境中，有良好的耐腐性，然而在海边环境中稍差.与纯锌层及锌镍镀层相比，该合金镀层能保持较长时

16、间的光亮。但镀层的白锈形成主要取决于储存环境有关，受合金浴成分影响不大。,不同周期的合金镀层的腐蚀研究,29,29,Sn作为热镀锌合金的主要添加元素，能显著抑制高硅活性钢热镀Fe-Zn层的异常生长，使镀锌厚度明显减小。1997年Gilles等人研究发现在Zn-Ni浴中添加2.5%Sn或在锌浴中加入5%Sn可以降低活性钢甚至高硅的过圣德森钢和含磷钢中锌铁合金相生长速率，为解决过圣德林钢的热镀锌问题开辟了一个新的研究方向。 在Zn-Sn合金技术的基础上，添加Ni和Bi或V可以有效降低锌浴中Sn的使用量，而且能够有效解决所有含硅活性钢镀层超厚问题，并可以解决高硅钢活性不足的问题。,Zn-Sn 合金镀

17、层,100,30,30,Zn-Sn-Ni-Bi 合金镀层,锌浴中含1.2%Sn，0.05%Ni，0.10.35%Bi，由于Sn和Bi可以降低锌浴的粘度和表面张力，抑制Fe-Zn反应，故该合金浴具有良好的流动性和浸润性。采用该合金浴获得的镀层外观光亮平滑，并伴有锌花出现，并且可以明显抑制活性钢的超厚问题，降低锌耗。 工业中采用Zn-Sn-Ni-Bi合金浴可降低锌渣量，锌浴中Sn和Bi的含量越高，产生的锌渣越少，而对锌灰的产生量则影响不大。锌浴中Sn对于Fe-Zn反应的抑制主要是由于Sn较难溶于Fe-Zn合金相层中。在热镀锌过程中，伴随着Fe-Zn合金层的生长，会把Sn排到Fe-Zn相层/液相Zn

18、的生长界面上，当Sn达到足够量时，就会在Fe-Zn合金层生长前沿形成一连续层，阻挡Fe与Zn的互扩散，从而抑制Fe/Zn合金层的生长。,31,31,Zn-Sn-V(Ni)合金镀层外观平滑光亮，有锌花，较好地抑制Fe-Zn反应，并且与普通锌浴相比较，不会加速锌锅的腐蚀。当锌浴中含0.04%V及0.05%Ti可有效控制(Si+2.5P)值高达1%的钢材的Fe-Zn反应，但这种合金浴最主要的缺点是锌浴含Ti造成传统氯化按助剂不适用，而导致锌灰多。并且，当V加入Zn-Sn浴中时，(0.8%Sn+0.08%V)或(1%Sn+0.05%V)的锌浴成分可以有效控制值高达0.5%时钢材(Si+2.5P)的反应

19、，包括采用Ni-Zn合金浴无抑制效果的高磷低硅钢。在Zn-1.2%Sn-0.02%V合金浴中加入0.055%Ni可以控制(Si+2.5P)值高达0.4%时钢材的反应。,Zn-Sn-V(Ni) 合金镀层,32,32,Sb(锑)作为锌浴添加元素，可以增加锌浴的流动性，减少锌耗，降低成本；还可以促进镀层的表面形成漂亮的锌花。近年来，随着人们对热浸镀锌层装饰性能要求的提高，对锌花的研究也逐渐成为一个新的热点。当锌浴中加入少量的合金元素，如Pb、Sb、Bi时，在镀层表面会形成由大晶粒组成的锌花。但由于Pb不利于环保，热镀锌要求使用无Pb锌浴，所以Zn-Sb合金镀层的应用增加迅速。,Zn-Sb 合金镀层,

20、33,33,用于生产锌花镀层的锌浴含Sb约0.2%，Zn-4%Sb是用于锌浴加Sb的中间合金，该合金中除了自由锌相外，还有金属间化合物 -Sb3Zn4和(或) -Sb2Zn3相存在。在连续生产的批量镀锌线上，加入的合金中过大的金属间化合物相会增加合金充分溶解的时间，没有溶解的合金相粒子粘附在镀层上会造成镀层表面粗糙度增加。,Zn-Sb 合金镀层,34,34,总之，钢中Si、P、Mn的成分均可能促进Fe-Zn反应，尤其是Si对热镀锌不利的成分均可能出现在普碳钢及低合金钢中当钢中Si含量约0.1左右的钢材热镀锌，通过添加合金元素如Ni可有效抑制镀层超厚的出现；但对于高硅含量(Si0.3)钢材热镀锌

21、，采取添加合金元素、提高锌浴流动性、降低锌温、缩短浸锌时间、尽快水冷等抑制铁锌反应的多种措施，才能够尽量减少超厚、灰暗镀层的出现。 因此，建议热镀锌企业及用户对所需镀锌 的钢材基本成分有清楚认识，针对不同成 分的钢材要采取不同的热镀锌工艺和不同 的锌液成分。,35,35,二. 批量热镀锌的工艺和设备研究,36,36,工件脱脂水洗酸洗水洗浸助镀溶剂烘干预热热镀锌整理冷却钝化漂洗干燥检验,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,1）脱脂： 采用化学去油或水基金属脱脂清洗剂去油，达到工件完全被水浸润为止。 去除钢基表面存在的有机油脂，保证钢基表面清洁状态。,批量镀锌基本工艺过程,37,37,2.1 批量镀

22、锌工艺过程和关键点,2）酸洗和酸液回收： 为了去除钢基表面所残存的铁锈，提高表面活性，一般在镀前设置酸洗段。例如：采用H2SO4 15%，硫脲0.1%，4060或用HCl 25%，乌洛托品35g/L，2040等工艺和配方进行钢基酸洗。 同时，需要添加一定量的缓蚀剂，以便防止基体过度腐蚀及减少铁基体吸氢量。为了保护环境和降低酸雾率，一般加入一定量的抑雾剂从而抑制酸雾的逸出。 脱脂及酸洗处理主要作用是清除钢基表面杂质，提高表面活性，提高镀层附着力，防止镀不上锌或锌层脱落。,38,38,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,2）酸洗和酸液回收：,真空蒸发结晶法废酸回收,真空蒸发结晶法是一种溶液中溶质和溶

23、剂分离的物理过程。它的基本原理是将含有FeCl2、HCl溶质的水溶液，在真空状态下加热，使溶液中可挥发性的溶质HCl和水蒸发，经冷凝回收后形成稀盐酸；随着溶液的体积减小，溶液中不可挥发的溶质FeCl2的浓度增加，形成FeCl2的饱和溶液。然后通过冷却，降低溶液的溶解度，在溶液过饱和状态下，使一部分FeCl2以含水结晶物四水氯化亚铁的 晶体状态结晶析出，达到溶液 中溶质和溶剂的分离。,39,39,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,2）酸洗和酸液回收：,“硫酸复分解法”废酸处理工艺是依据无机化学反应中的复分解反应原理，将硫酸和氯化物反应生成硫酸盐和盐酸后，利用盐酸的沸点低、挥发性强的物理特性，在反

24、应放热和蒸发过程中将生成氯化氢气体和水蒸气冷凝、吸收后生成一定浓度的盐酸溶液，从而使盐酸废液中所有的氯化物转变为盐酸溶液得以回收。在高温（65）反应中，硫酸盐以一水结晶形态析出为一水硫酸亚铁。,硫酸复分解法废酸回收,40,40,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,2）酸洗和酸液回收：,国际上对热镀锌行业的酸雾的处理最简单有效的方式就是将前处理工艺段整体设计在一个封闭式的罩体内，在罩体的四周布置若干强吸风装置，强制罩体内的空气对流，在罩体内形成微负压状态，引到外部新鲜空气不断进入罩体内，缓解罩体内的酸雾状态。吸出的酸雾在二级喷淋回收罐的作用下，可以 形成一定量的酸。尽管这种酸 的浓度很低，但在热镀

25、锌企业 配制新的酸液时，可以做为稀 释水来使用。,41,41,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,为了防止工件在浸镀时由于温度 急剧升高而变形，并除去残余水分， 防止产生爆锌和锌液爆溅，预热一般 为80140，并填加防爆剂。,3）浸助镀剂:,保持工件具有一定活性避免二次氧化，以增强镀层与基体结合。工艺举例：NH4Cl 100-150g/L，ZnCl2 150-180g/L，7085，12min，并加入一定量的表面活性剂。,4）烘干预热,42,42,核心参数：锌液温度、浸镀时间、工件从锌液中引出的速度。 温度过低，锌液流动性差，镀层厚且不均匀，易产生流挂，外观质量差；温度高时，锌液流动性好，锌液易

26、脱离工件，减少流挂及皱皮现象发生，附着力强，镀层薄，外观好，生产效率高；但是，温度过高时，工件及锌锅铁损严重，产生大量锌渣，影响浸锌层质量并易造成色差，锌耗高。 锌层厚度取决于锌液温度，浸锌时间，钢材材质和锌液成份。 一般厂家为了防止工件高温变形及减少由于铁损造成锌渣，都采用450470，0.51.5min。 有些工厂对大工件及铸铁件采用 较高温度，但要避开铁损高峰的 温度范围。引出速度一般为1.5米/min。,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,5）热镀锌:,43,43,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,镀层外观光亮、细致、无流挂、皱皮现象。采用涂层测厚仪进行厚度检验，也可通过锌附着量进行换算

27、得到镀层厚度。采用弯曲压力机，将样件作90-180弯曲，无裂纹及镀层脱落。重锤敲击检验，分批进行盐雾试验和硫酸铜浸蚀试验。,6）整理:,7）钝化:,镀后对工件整理主要是去除表面余锌及锌瘤，用采用热镀锌专用震动器来完成。,提高工件表面抗大气腐蚀性能，减少或延长白锈出现时间，保持镀层具有良好的外观。配方例如：Na2Cr2O7 80-100g/L，硫酸3-4ml/L。为避免影响环境，采用无铬钝化。,8）冷却:,一般用水冷，但温度不可过低也不可过高，一般不低于30，不高于70。,9）检验:,44,44,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,施镀及保温要避开铁的溶解高峰区，即不在480510进行作业。 锌锅

28、材料需要选用含碳、含硅量低的钢板焊接。目前工业陶瓷所制作的锌锅仅能做成圆柱型且体积很小，可以满足小件镀锌的要求但对于大型工件的镀锌生产，仍存在一定的困难。 经常捞渣。先将温度升高至工艺温度上限以便锌渣与锌液分离，使锌渣沉于槽底后用捞锌勺或专用捞渣机捞取。落入锌液中镀件更要及时打捞。 防止助镀剂中铁随工件带入锌槽，助镀剂要进行在线再生循环处理，严格控制亚铁含量，不允许高于4g/l，PH值始终保持在4.5-5。 加热、升温要均匀，防止局部过热。,10）锌渣量的控制,为了减少锌渣，则必须降低锌液中铁的含量，相关措施包括：,45,45,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,11）锌渣回收技术,据统计，我国

29、2009年的锌产量超过300万吨，如果按用于热镀锌的锌量为40%计算，每年热镀锌量达120万吨之多，而热镀锌渣的产量一般约为耗锌量的12.5%，所以锌渣的年产量约为15万吨，从而导致镀锌成本大大增加。特别是在锌价一路攀升，锌资源不断减少，而需求继续增长的形势下，热镀锌渣的生长机制、形成原因 及其再生处理方法的研究日益受到重 视。因此，对热镀锌渣回收利用的研究 引起愈来愈广泛的重视。,46,46,12）锌烟吸除及净化除尘设备,在锌锅两侧布置数个可调吸尘口，经负压吸尘和布袋除尘，间歇振荡集中收集的氧化锌粉，烟尘净化后排放。控制吸风量。锅边吸尘不影响正常生产。锌烟收集率达到90%以上。锌烟净化率达到

30、98%。烟尘中的氧化锌粉集中回收供化工原料。是运行成本低,效率高,的新型环保设备。,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,47,47,13）锌灰分离设备,2.1 批量镀锌工艺过程和关键点,锌灰的主要成分是Zn 、ZnO，55%左右是纯锌粒，其余是氧化锌粉无其他杂质。锌灰分离设备采用机械粉碎、电磁振荡、负压吸尘等程序将纯锌粒和氧化锌分离。纯锌粒直接回收使用，氧化锌粉供化工原料，该设备全部自动化操作。,48,48,2.2 原料成分影响研究,在批量镀锌工程中，镀层发生Fe-Zn合金化反应，生产不同比例的、等合金相，并伴随存在一定的钢基元素扩散。钢中的合金元素和杂质元素对Fe在锌浴中的反应活性及其后所获镀

31、层的组织结构与性能均存在一定的影响。,49,49,2.2 原料成分影响研究,碳是钢中不可缺少的元素，不同的含碳量获得不同性能的钢材。在热镀锌过程中，钢中C含量升高会导致Fe-Zn反应剧烈，并使Fe-Zn合金层快速生长。碳对Fe-Zn反应的影响不仅取决于钢中碳的浓度，还取决于钢中的碳以何种形式存在以及分布的均匀程度 工业纯铁在渗碳后Fe-Zn反应变得缓慢，表明渗碳体较铁素体更稳定，与锌更难反应。如果有大的碳化物颗粒位于钢基表面时，会因与锌不发生反应而漏镀如果碳以石墨或马氏体形式存在，对Fe-Zn反应没有什么影响。如果碳存在于球状或层片状珠光体中，会增加Fe-Zn反应的速率。渗碳体本身难与锌反应，

32、当它作为组成珠光体的一部分，珠光体可使Fe-Zn反应加剧。,钢中碳元素的影响研究,50,50,在正常镀锌温度450下，当钢中Si含量低于0.03时，随着Si含量的增加，Fe-Zn反应活性增加，但是仍可获得正常组织；当Si含量增加至0.06-O.1范围以及大于0.3时，Fe-Zn反应活性急剧增大，出现活性峰值，这种现象称为sandelin效应，处于该Si含量范围的钢(通常称为活性钢)。 热镀锌时Fe-Zn合金相层异常生长，出现灰暗、粘附性差的超厚镀层。随着现代炼钢工业的发展以及连续铸钢技术普遍采用，以Si为脱氧剂的镇静钢和半镇静钢(0-0.1Si)大量出现；另外，在钢结构件中广泛采用的低合金高强

33、度钢中也常常添加Si(-0.55Si或以下)来增加钢的强度因此，活性钢热镀锌已成为热镀锌工业必须解决的一大难题。,钢中硅元素的影响研究,51,51,P对Fe-Zn反应的影响与Si类似，微量的P能促进了相的异常生长同时抑制相生长，使相晶粒粗大。当P在基体表面或生长的Fe-Zn合金层中偏析，会造成相的暴发组织。当钢中Si含量0.03，也会产生超厚镀层。在460条件下，产生正常热镀锌层的临界条件：若Si含量小于0.04时，则Si+2.5P应小于0.09。钢中S含量达0.091，对Fe-Zn反应及镀层连续性无明显影响。,钢中磷、硫元素的影响研究,2.2 原料成分影响研究,钢中合金元素的影响研究,为了改

34、变钢的力学性能，需要在钢中添加少量合金元素，如Mn、Ti、V、Nb等当钢中Mn含量超过1.3，将提高镀层生长速率，促进相的生长Ti、V、Nb等对钢结构件热镀锌基本无影响。,52,长期以来，批量镀锌企业一直沿用单吊手工挂镀操作方法。近年来部分新建企业开始采用欧式和日式生产线。欧式生产线操作简便、机械化程度高、劳动强度低、工件转移方便、可以全封闭操作（除打灰外）。其优点是高效、连续、省工和环保、适用于批量较大的工件镀锌。日式生产线其优点是作业率高、 工艺灵活性好、可充分利用锌锅的有效面积。适用于小批量、多规格、多品种的镀锌操作。可同时按不同工艺镀不同品种、规格的工件。,2.3 锌锅系统,53,53

35、,2.3 锌锅系统,目前中国有十几家锌锅制造厂，主要分布在鞍山、天津和武汉等市，年制造锌锅估计为6000多吨以上。锌锅制造企业采用加热炉和大型立式压力机在热态下压制U型，L型锌锅板和封头。,54,锌锅制造厂对进厂钢板进行无损探伤，并科学合理地进行设计，尽量缩短焊缝，避免不必要的焊接。主体焊缝采用埋弧焊，焊丝与焊条采用低碳低硅专用焊条。一般配备焊接翻转、变位机械，焊缝必须无损探伤。锌锅焊接后通过冷加工和热加工矫正焊接变形并应尽量消除焊接残余应力。与国外的主要差距为锌锅在出厂前一般不进行热处理（整体高温回火）。新锌锅在安装使用时，常先不加锌锭，在镀锌炉内加热至600左右保温一定时间，以消除制作残余

36、应力。,55,国内锌锅外型常有矩形、梯形、菱形、T形等、园角园底和园角平底等。锌锅板过去主要采用05F和08F，其化学成份如下。,在近几年主要采用专用锌锅板成分如下,05F、08F锌锅用板化学成份,2.3 锌锅系统,56,56,2.3 锌锅系统,目前，大、中型锌锅系统的热镀锌炉用能源中,天燃气、柴油、电和发生炉煤气已占主导地位，其余有重油、高炉和焦炉煤气等。在大型炉中煤加热锌锅系统已基本被淘汰。在中小型炉中大部分以柴油、电和发生炉煤气为主，一种简易的半煤气化炉已开始取代链式炉排、往复炉排燃煤炉和手工加煤炉。使用重油作燃料时需添加乳化剂并适当加热以改善流动性和燃烧性能。目前除部分零部件镀锌企业采

37、用上加热反射炉和电内加热外，其他企业大多采用侧加热。,57,从上世纪80年代开始镀锌炉发生了一系列的改变： 1)直接加热炉代替了直接防护和间接防护式加热炉； 2)传热方式从高温辐射热传导变为对流传热，并降低炉膛的温度和尾气温度； 3)深型锌锅得到推广。,2.3 锌锅系统,58,上世纪80年代国内大部分镀锌炉采用煤作燃料的直接防护式镀锌炉，其炉膛加热火道温度超过900。因此在锌锅外壁堆砌耐火砖、耐火涂料，其主要缺点是加热炉惰性大、热响应慢、温度控制差、燃料消耗大、废气温度高。锌锅寿命仅数月至一年，后来曾进行改良用不同厚度的碳化硅板代替耐火砖和耐火涂料，采用改变烟道截面积以改变燃烧气体流速。从90

38、年代中期起，使用平焰燃烧器的间接防护式燃油、燃气镀锌炉逐步取代直接防护式燃烧镀锌炉，间接防护炉在燃烧室与锌锅外壁之间增设翻火（隔火、挡火）墙，对一部分端加热的燃油燃气的长焰燃烧器，采用高温风机、将燃烧后的气体引入加热火道进行快速循环，增加对流传热。,2.3 锌锅系统,59,目前高速喷射脉冲燃烧技术在我国开始推广，通过提高燃烧气体的速度，提高对流传热速度，既降低了燃烧室温度，也大大降低尾气温度。可以采用平焰烧咀直接加热（无挡火墙），并在国内三十多座炉子得到了应用。其炉膛温度大都在550，与间接传热镀锌炉相比节能30%.近年又开发出微机控制系统。,既将燃气、风压流量、炉温、锌温、烘干温度、助镀温度

39、、尾气温度及风机调节阀、烧咀等设备工作状态直接显示在计算机屏幕上，可进行远程控制并存储数据，同时可以自动控制使炉子处于最佳燃烧状态。,2.3 锌锅系统,60,近年深型锌锅得到普及与推广，虽然深型锌锅容锌量大，一次性投入加大。但是增加深度不只是考虑到镀件的尺寸，而且具有以下优点：1.可以有效地增加锌锅的加热面积，降低锌锅供热强度，大大降低锌锅内壁温度提高锌锅使用年限；2.可以提高作业量；3.有利于锌渣的沉降，提高镀件表面质量。过去中型锌锅的深度为1.3-1.5米，目前大都已达2-2.5米。我国部分企业所生产的锌锅已深达4米。目前锌锅使用寿命可达3-8年。,2.3 锌锅系统,61,61,2.3 锌

40、锅系统,钢结构件热浸镀锌难度大，构件形状复杂，热浸镀锌锅尺寸大。而对于锌锅而言，选择恰当、有效的加热技术，是其高效、安全工作的关键。加热源和加热方式是锌锅系统的核心。 对于锌锅的加热应遵循以下原则： (1)使用成本低、便于生产应用的能源作为加热源； (2)锌锅能充分吸取热源放出的热量，使热损降到最低限度。 (3)采用合理、经济、可控、安全的加热装置。 目前，常用的加热源有：电加热、燃气（天然气、发生炉煤气）加热、燃煤加热；加热方式有：内加热、上加热、侧加热等；加热装置基本实现了自动控制， 控温稳定。,62,62,2.3 锌锅系统,电内加热技术,电加热技术是加热体直接或间接辐射热量加热被加热对象

41、的一门加热技术。根据加热体所处相对锌液的位置不同，分为上加热和内加热。加热体处于锌液上面，即为上加热，加热体插入锌液内部，即为内加热。上加热方式由于增加了锌锅的容积和锌的投放量，能耗增加，锌锅内的温度上下差别较大，锌液表面温度过高，锌灰生成量大（锌耗增加），因此有被内加热所取代的趋势。,63,63,内加热是近十年兴起的一门新型加热技术，结构简单，主要由加热元件和套管两部分组成。内加热的特点如下：,电内加热,内加热结构形式及特点,加热套管耐锌液腐蚀能力强，不仅耐锌液腐蚀，同时还具有一定的韧性和较 高的抗高温氧化性能，例如Fe-B-Mo-W套管，使用4年左右的套管外表面无明 显腐蚀； 套管具有抗锌

42、液涌动和冲击能力，生产中维护清理锌渣锌灰更加简单易行； 套管具有良好传热性能，热效率高、节电； 复合材料制成的管壳在加热过程中不会产生造渣情况，与铁质锌锅相比减少 了大量的锌耗； 电气自动控制灵敏，锌液温度稳定，产品镀层质量好。目前，加热元件有电 阻带、硅碳棒等，套管有石英套管、SiC质陶瓷套管、Fe-B-Mo-W套管等。,64,64,内加热技术的应用前景,电内加热,应用前景广阔,65,65,2.3 锌锅系统,蓄热式镀锌的技术核心是高温（预热）空气燃烧技术。高温（预热）空气的燃烧技术-简称HTAC（High Temperature Air Combustion）是20世纪90年代以来，欧、美、

43、日等发达国家得到重点推广的全新型燃烧技术，该技术的特点是高余热回收、高温预热空气和低NOX排放，适用于钢铁、冶金、机械、建材、石化等工业部门的各种燃气，燃油炉窑。其余热回收率高达70%90%，热效率70% 。NOX的排放降到超低水平：(3055) 10-4，其节能与环保效果十分显著。,蓄热式燃气加热,高温空气燃烧技术原理图,66,66,对于炉体较短的镀锌炉，蓄热式燃烧器设在镀锌炉两端，对于炉体较长的镀锌炉，蓄热式燃烧器可设在锌锅两侧，在两侧各分成若干个独立的加热区，在每个加热区内水平设置一对蓄热式燃烧器。根据实际情况可设立挡火墙或防火墙。由于镀锌炉属于低温炉，因此应采用只预热空气的单预热法。,

44、蓄热式热浸镀锌炉结构形式及特点,蓄热式燃气加热,日本学者研究表明，在燃气熔融镀锌炉上应用高温空气燃烧技术，与无余热回收装置相比可节能55%，与使用常规换热器的装置相比可节能30%，而且满足环保要求，具有较好的发展、推广前景。,应用效果,67,67,直燃式连体煤气加热炉是近年来研制成功的新式炉窑。它利用煤炭为燃料，以空气和水蒸汽为气化剂产生煤气。当空气和水蒸汽通过高温的固体燃料层（煤或焦炭）时发生化学反应生成混合煤气，混合煤气燃烧后向被加热工件放热。其煤气炉与加热炉连体砌筑，当气化剂（空气或水蒸汽）鼓入炉内时，沿煤层高度方向形成五层，自下而上可分为：灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层。气化剂

45、首先经过渣层得到预热，当上升进入高温燃烧层时，碳和氧发生以下氧化放热反应。,直燃式连体煤气加热,68,68,直燃式连体煤气加热,蓄热式热浸镀锌炉结构形式及特点,这种加热炉利用余热产生水蒸汽，去掉了锅炉，同时也解决了通常由于水蒸汽吸收煤气发生炉热量而产生的问题，从而进一步节约了煤炭消耗。而且连体煤气炉不设水冷和水循环系统从而避免了产生大量污水。由于煤气炉与使用的加热炉连体砌筑，不用管道输送煤气，避免了热量的损失，热效率得到提高。由于使用煤气燃烧加热，燃烧充分，生产时烟尘较少，能满足环保要求。,该煤气加热炉可广泛用于热浸镀锌炉，还可用于其他行业的加热炉等。具有热效率高、少烟尘、环保达标等优点，是目

46、前较理想的更新换代燃煤炉，具有较好的环保和节能效果以及应用、推广前景。,应用前景,69,69,2.3 锌锅系统,在电加热方式中，我国内加热技术应用前景广阔。蓄热式燃气加热浸镀锌炉和直燃式连体煤气加热浸镀锌炉是传统燃煤、燃气、燃油镀锌炉的换代炉型。由于能源与环保形势日益严峻，蓄热式燃气加热与直燃式连体加热的结合将成为未来钢结构件热浸镀锌炉加热技术的一个重要发展方向。,70,70,三. 批量热镀锌与清洁生产,71,71,随着人们对环境及生产成本的日益重视，如何有效地控制污染、节约能源成为批量热镀锌企业的管理者及工程师们需要解决的重要问题。目前，清洁生产技术已被广泛承认是解决批量热镀锌行业生产过程中

47、减少污染的有效方法。清洁生产作为一种在生产的全过程减少生产对环境影响的策略，从源头避免或减少生产带来的污染，同时提高企业的竞争力。 对于制造企业，清洁生产涉及节约原材料及能源、消除有毒化学物质、减少生产过程中产生废物数量及毒性等，而这种减少从终端处理转移到了源头处理并在批量热镀锌工艺的全过程方面加以控制。然而，对于中国热镀锌工业，虽然一些企业已经采用了某种清洁生产技术，但其作用较小。由于缺乏对清洁生产的全面优化，所获得的好处是有限的。为了有效地减少废物的排放及原料的消耗，迫切需要对热镀锌工业清洁生产技术进行有效的评估及优化。这也正是目前在中国实施的联合国商品共同基金（CFC）项目的主要目标。,

48、72,72,目前，我国批量热镀锌企业超过1500家，钢结构热镀锌产品年产量已达500-550万吨。但是，由于许多企业，尤其是小型企业，受到生产技术、工艺水平、人员素质、设备情况等方面的制约，造成产品的材料消耗剧大、污染严重、资源消耗问题突出。,3.1 批量热镀锌能耗和污染,73,热镀锌基本流程及各工序废物排出,74,74,由于工件表面可能残留油脂，故首先应在热碱溶液（约80) 溶液中脱脂。脱脂后再浸入热水中去除工件表面残存的脱脂液，以免带入酸洗液中中和酸。脱脂液的挥发物主要是水蒸汽，但也可能有极微量的碱性物质。由于该物质挥发量极少，故对外部空气质量没有太大影响。而脱脂后的水洗液挥发物几乎全部为

49、水汽，对环境没有影响。通过添加化学组分可维持碱洗液的使用，以及工件好的脱脂效果。碱洗废液及废水可导入废酸废水处理系统中，用以中和废酸。,脱脂和水洗的污染物：,3.1 批量热镀锌能耗和污染,75,75,酸洗的污染物：,工件表面粘附的氧化皮、铁锈及残留的涂层等可通过浸入盐酸或硫酸溶液中清除掉。酸洗溶液还可用来脱除返镀件上的锌，从而生成氯化锌或硫酸锌。酸洗时的挥发物主要是从酸洗池表面散发的酸雾，尤其是在工件浸入酸洗液中，过酸洗时钢铁与酸液反应产生氢气泡时更严重。酸雾会显著腐蚀钢结构厂房及设备。为减少酸雾产生，可采用低浓度酸溶液在较低温度下酸洗，同时加入酸雾抑制剂也可减少酸雾散发。为减少车间内的酸雾，可采有酸雾吸收装置对酸雾抽取并用水进行吸收。废酸可在废酸废水处理系统中处理或在其它地方使用，如运送至印染厂等地中和废碱液。,3.1 批量热镀锌能耗和污染,76,76,水洗的污染物：,工件酸洗后需进行水洗，以免工件表面残留的酸及铁盐进入助镀液中，对助镀及镀锌产生不良影响。为了尽可能的冼净工件，可采用一种非