CN108265252B - 一种环保热镀方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环保热镀方法，该方法采用环保除锈法对钢材表面进行除锈处理，获得镀前的准备表面；然后在保护性气氛下快速加热，待加工工件再在封闭体系中直接进入镀液中实施热镀，快速加热温度高于热镀温度，在金属表面形成镀层，最后进行后处理，得到成品，完成热镀工艺。该方法综合了溶剂法和还原法各自的优点，又拼弃了各自的缺点，利用机械除锈的方法或者当代环保型除锈剂取代污染严重的酸洗，并不使用助镀剂，经环保除锈后的工件在惰性气体保护下快速加热快速施镀，能很好地完成无酸洗、无助镀的环保热镀。该方法不能可以热镀锌还可以热镀其他锌铝合金，适用范围广。

Description

一种环保热镀方法

技术领域

本发明涉及冶金行业中的热镀技术领域，具体为一种环保热镀方法。

背景技术

传统热镀方法主要有溶剂法(又叫干法)和气体还原法。

溶剂法是将工件表面利用酸洗除锈，然后浸沾锌氨溶液型助镀剂进行热镀的方法，见图1。具体工艺如下：脱脂1、水洗2、除锈3、水洗2、助镀4、烘干5、热镀6、后处理7、成品8。其中除锈大多采用酸洗的方法，这是目前最经济、最有效的除锈方法，最大问题就是环境污染。溶剂法的原理是将钢件表面清理干净后，浸沾溶剂保护表面避免其再度生锈，另外镀锌时助镀剂的保护膜受热破裂，暴露出新鲜干净的金属表面有利于锌铁反应，实现热镀锌。现有溶剂法存在以下问题：

1.环境污染：一方面由于通常采用的酸洗除锈方法，废酸和酸洗水的排放(每生产一吨钢丝要产生30多公斤的废酸和4吨废酸洗水)以及酸洗时产生的酸气等都会污染环境。另外，工件表面的溶剂和锌液反应时也会产生大量的锌烟造成环境污染。

2.生产效率低：工件的干燥和升温到热镀的工艺温度都需要时间，因此生产效率无法提高。

3.生产成本高：由于高能耗、高锌耗导致生产成本高，产品利润低，竞争力差。

4.只适合热镀锌，对于热镀其他合金需要研制不同的新型助镀剂。

气体还原法是由波兰人森吉米尔在20世纪上半叶提出的一种热镀方法见图2，其已成功用于热镀锌薄板和低碳钢丝的生产中。气体还原法的工作原理是将工件表面的微氧化层在650℃以上的温度、还原性气氛的炉内还原成纯铁，由此达到清洁工件表面的目的。该方法不用酸洗，是一种环保方法，也可以热镀其他合金。但这种方法也存在以下问题：

1.由于加热温度比较高，实际加热温度在750℃以上，否则还原不彻底，造成漏镀。这个温度大大降低了钢材的强度。对那些有强度要求的产品就不适合采用，例如螺纹钢、角钢和高碳钢丝等。

2.还原法需要在高温状态下全密封，直至锌锅里。这对非规则形状的结构件(各种钢构件，形状各异，不能连续行走，只能采取吊镀)和某些不能随意弯曲的长材简直不可能，如螺纹钢、角钢、工字钢、槽钢和大规格的线材等。

3.还原也只是在基本干净的基础上才能够进行。因此，还是需要预先进行工件的表面除锈处理，预除锈主要还是酸洗。这不但没有解决环保问题，而且还使工艺变得复杂，增加了成本，因此对于长材并不可取。

目前针对长材的防腐处理主要采用的是溶剂法、浸入式吹镀热镀锌。具体的实施工艺是：碱液脱脂—水洗—酸洗—水洗—溶剂处理—浸入式热镀锌—从锌锅里提出入辊道—气刀抹拭—冷却。这种方式适合不能弯曲断续的长材镀锌：如螺纹钢、角钢、槽钢、工字钢和大规格的线材。对于窄带钢和小规格的线材(小于8mm)可用浸入式直升的方式热镀锌。

目前，长材热镀锌采用溶剂吹镀法工艺：既经前处理的长材，浸沾助镀剂、烘干后由输送架逐一滚落到锌锅里，再由提升装置提出进行气刀吹抹，再经后处理，获得成品。这样的工艺所采用的锌锅就和通常批量热镀锌锅一样，锌锅的尺寸取决于工件的尺寸和热容量两个因素。因此锌锅的尺寸比较大，容锌量至少是单位时间处理工件量的20-40倍。因此导致大容锌量和高的能量消耗。此外，前处理也是采用脱脂-酸洗工艺，存在着严重的污染。预镀锌工件也是冷态浸入锌锅，靠锌液加热至镀锌工艺温度，耗时长，因此生产效率低。

综上所述，目前的长材热镀锌存在着污染高、效率低、成本高和不同产品采用不同工艺等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种环保热镀方法。该方法综合了溶剂法和还原法各自的优点，又拼弃了各自的缺点，利用机械除锈的方法或者当代环保型除锈剂取代污染严重的酸洗，并不使用助镀剂，经环保除锈后的工件在惰性气体保护下快速加热快速施镀，能很好地完成无酸洗、无助镀的环保热镀。该方法不能可以热镀锌还可以热镀其他锌铝合金，适用范围广。

本发明解决所述方法的技术问题采用的技术方案是：提供一种环保热镀方法，其特征在于该方法采用环保除锈法对钢材表面进行除锈处理，获得镀前的准备表面；然后在保护性气氛下快速加热，待加工工件再在封闭体系中直接进入镀液中实施热镀，快速加热温度高于热镀温度，在金属表面形成镀层，最后进行后处理，得到成品，完成热镀工艺。

由于热镀方法的根本改变，使得本发明技术具有如下有益效果：

本发明突出的实质性特点是：

本发明方法基于反应动力学原理，温度越高金属界面反应越烈，在高温下，热镀对工件表面干净度要求降底，利用机械除锈也可以施镀，能够保证在不损失工件机械性能前提下，又能避免漏镀。能够将环保型除锈剂有效地用在镀锌工艺生产中，克服现有环保型除锈剂在使用时成本高，不便于工业使用的弊端，除锈后再尽快进入保护气体系统加热，确保不再氧化，采用高频感应电流预加热后再在氮气保护的封闭体系中完成热镀，该过程加热快，时间短，氮气保护从加热开始至进入热镀液始终存在，更加高效、节锌、节能，降低成本，使使用环保型除锈剂提供了可能。

本发明的显著进步是：

1和传统方法对比的优点：没有了溶剂法的化学品引发的污染问题，整个工艺只需电和水；又比还原法的温度降低200度以上，可保证钢件的强度，又不需要预先酸洗，在氮气保护下低温可实现热镀，是一种完全彻底的环保热镀方法。与还原法相比，采用惰性气体而不是氢气，减少了爆炸的危险性。

2适应性强：本发明方法不用助镀剂即可实现热镀，除了可以热镀锌外，还可以热镀其他锌铝合金，如Galfan、Galvalume等。

3生产效率高：由于热镀前工件已经被加热至高于热镀工艺温度，工件加热温度比热镀工艺温度高30-100℃，在锌锅里不需要升温时间，直接热镀锌及其合金即可，因此热镀的时间很短，能显著提高生产效率。

4成本低：传统锌锅由于要加热工件，就需要大于工件的质量20-40倍左右大小，容锌量至少是几十吨，一般40-60吨；而本申请由于工件是提前加热到高于热镀温度，锌锅只是用来盛装热镀材料，而没有传统的加热功能，锌锅可以小于5吨容锌量以下，因此本申请锌锅体积很小，容锌量小，功率低，更加节能、节材，且能显著降低生产成本。

附图说明

图1传统溶剂法热镀生产线工艺流程示意图；

图2传统气体还原法热镀生产线工艺流程示意图；

图3本发明热镀生产线工艺流程示意图。

图4为本发明方法所使用的实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细描述本发明。实施例仅是对本发明技术方案的进一步说明，并不限制本发明的保护范围。

为了清楚说明本发明热镀方法所做的改进，先简单叙述与本发明相关的热镀方法具体工艺：溶剂法是利用助镀剂保护除锈处理后的金属表面不再生锈，热镀时助镀膜破裂露出新鲜的金属表面，更有利于镀液和金属表面的反应，如此完成热镀的过程。这里除锈只能是酸洗，而用机械除锈还会出现漏镀，需要后续的活化处理工艺；气体还原法则是在高温下利用氢气还原金属表面的微氧化膜为海绵铁，在密闭体系下实施热镀，完成热镀工艺，具体过程是：酸洗后的预备料经直烧脱脂9、还原反应10、冷却11、热镀6、后处理7，最终得到热镀成品8。

本发明环保热镀方法(以下简称方法)，该方法采用环保除锈法对钢材表面进行除锈处理，获得镀前的准备表面；然后在保护性气氛下快速加热，再在封闭体系中直接进入镀液中实施热镀，快速加热温度高于热镀温度，在金属表面形成镀层，最后进行后处理，得到成品，完成热镀工艺；具体过程：脱脂1—水洗2—除锈3—水洗2—保护气氛下感应加热12—热镀6—后处理7—成品8。

所述环保除锈方法为机械除锈或用环保型除锈剂代替酸洗除锈，所述机械除锈为钢丝刷、抛丸、喷砂、砂轮砂纸打磨等过程；所述环保型除锈剂，采用一种可循环再生或者自消耗的弱酸除锈剂，此种除锈剂在使用过程中无气味、无排放，是环保型化学品。如磷酸型环保除锈剂，加入活化剂提高效率，这是一种自耗型除锈剂，多余的磷化物在金属表面形成磷化膜而消耗掉，没有排放。这种磷酸型环保除锈剂的具体配方如下：磷酸26％，硝酸锌4.5％，柠檬酸2％，苯并三氮唑0.3％，OP-100.5％，其余是水。具体的配制方法：首先按照各组分配比称量各原料，然后将缓蚀剂苯并三氮唑和表面活性剂OP-10分别放入适量的温水(50～60℃)中搅拌使其充分溶解(因为缓蚀剂和表面活性剂不易溶于冷水)，再依次加入剩余的水、柠檬酸、硝酸锌、磷酸，充分混合均匀即可。

所述的保护性气氛主要指氮气，纯度99.99％以上。快速加热采用高频感应加热，仅加热金属表面，加热频率为10-80KHz，加热温度为450-580℃，除锈和保护加热之间的时间控制在0.5分钟以内。功率按加热质量由Q＝CM(T₂-T₁)*80％计算得出。这里Q是将质量加热至T₂所需要的总热量千卡，再除以功热转换系数860转换成所需的千瓦数；C是吸热系数，铁的吸热系数是0.125kcal/kg.℃；M是每小时加热的质量数，单位公斤，加热效率为80％；

所述封闭体系为与外界隔绝，空气进不去，里面是充氮气环境，金属在内加热不会氧化。镀液可以是金属锌或者是其合金，如Galfan,Galvalume，本申请不再需要助镀剂，对任何锌铝合金都可以热镀，保证加热温度和频率都在上述的范围内即可，镀不同的合金，热镀合金的加热温度不同。

本发明方法所用的试验装置如图4所示，该装置包括感应加热线圈114、氮气瓶118、井式电炉117、石墨坩埚116、高频感应电源115和石英管111，石墨坩埚盛有热镀材料，这里是纯金属锌，井式电炉用于加热石墨坩埚及里面的锌，使热镀材料成为液体状态；所述石英管在中部设有支管，在位于支管前方的石英管上套装有感应加热线圈，感应加热线圈与高频感应电源连接，由高频感应电源供应高频交变电源，以加热石英管内的工件；所述支管连接氮气瓶，用于输入氮气，氮气瓶上安装有减压阀112；石英管的内部形状与待加工工件的形状相匹配，能使待加工工件在石英管中上下移动，石英管未安装感应加热线圈的一端浸没在镀液中，工件在石英管及镀液的空间内形成封闭的充氮体系。

本发明方法能用于金属表面的热镀工艺，特别适合如线材、螺纹钢、角钢、工字钢、槽钢、窄带钢等形状规则、可连续行走的长材的金属制品。

下面给出本发明的几个具体实施例：

实施例1

采用本发明方法实施产品直径10mm的螺纹钢，材质20MnSi,抗拉强度455Mpa，热镀Galfan合金。要求镀层厚度15um，强度下降不超过5％。其工艺过程是：

把螺纹钢用钢丝轮打磨除锈，在图4的试验装置上实施镀Galfan合金，在石英管内且在氮气保护下进行感应加热，除锈处理后，立刻插入充入氮气的石英管内，用红外测温仪测量工件的加热温度为485℃时顺着石英管直接插入Galfan镀液里，热镀时间6秒，热镀温度为450℃，提出空冷、水冷，由此完成无助镀的热镀工艺。

本实施例中石英管的直径为Ф60，有一个支管用于输入氮气，石英管直接插入到石墨坩埚内的锌液中，这样可以确保石英管内是一个封闭的充氮体系。

通过本实施例工艺得到的三个平行热镀的工件，镀层厚度分别为14μm、15μm、17μm，平均厚度15.3μm，抗拉强度均没有变化。

实施例2

采用本发明方法实施产品30*30*3的角钢热镀锌,材质Q345,强度450Mpa要求上锌量140g/m²,既20um厚，强度下降在5％以内。其工艺过程是：

角钢经过抛丸处理后，在图4的试验装置上实施镀锌，本实施例中石英管的内径与角钢的外形相匹配，角钢能在石英管内上下移动。在石英管内进行感应加热时，用红外测温仪测温，在角钢表面加热到520℃时，热镀温度为450℃，插入锌液里施镀，热镀时间8秒，提出空冷、水冷。

通过本实施例工艺得到的三个平行热镀的工件，镀层厚度分别为18μm、21μm、23μm，平均厚度20.7μm，抗拉强度均没有变化。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种环保热镀方法，其特征在于该方法采用环保除锈法对长材钢材表面进行除锈处理，获得镀前的准备表面；然后在保护性气氛下快速加热，待加工工件再在封闭体系中直接进入镀液中实施热镀，快速加热温度高于热镀温度，工件加热温度比热镀温度高30-100℃，工件加热温度为450-580℃，在金属表面形成镀层，最后进行后处理，得到成品，完成热镀工艺；所述保护性气氛为氮气，纯度99.99％以上；

所述环保除锈方法为用环保型除锈剂代替酸洗除锈，所述环保型除锈剂为磷酸型环保除锈剂，该磷酸型环保除锈剂的具体配方如下：磷酸26％，硝酸锌4.5％，柠檬酸2％，苯并三氮唑0.3％，OP-10 0.5％，其余是水；

所述长材为不能随意弯曲的螺纹钢、角钢、槽钢、工字钢和大规格的线材。

2.根据权利要求1所述的环保热镀方法，其特征在于，所述长材钢材为螺纹钢，进行热镀Galfan合金，工件加热温度为485℃，热镀温度为450℃，热镀时间6秒。

3.根据权利要求1所述的环保热镀方法，其特征在于，所述长材钢材为角钢，进行热镀锌，工件加热温度为520℃时，热镀温度为450℃，热镀时间8秒。

4.根据权利要求1所述的环保热镀方法，其特征在于所述快速加热采用高频感应加热，仅加热金属表面，加热频率为10-80KHz，除锈和保护加热之间的时间控制在0.5分钟以内。

5.根据权利要求1所述的环保热镀方法，其特征在于所述镀液为金属锌或者是锌铝合金。

6.根据权利要求1所述的环保热镀方法，其特征在于上述方法所用的试验装置包括感应加热线圈、氮气瓶、井式电炉、石墨坩埚、高频感应电源和石英管，石墨坩埚盛有热镀材料，井式电炉用于加热石墨坩埚及里面的热镀材料，使热镀材料成为液体状态；所述石英管在中部设有支管，在位于支管前方的石英管上套装有感应加热线圈，感应加热线圈与高频感应电源连接，以加热石英管内的工件；所述支管连接氮气瓶，用于输入氮气，氮气瓶上安装有减压阀；石英管的内部形状与待加工工件的形状相匹配，能使待加工工件在石英管中上下移动，石英管未安装感应加热线圈的一端浸没在镀液中，工件在石英管及镀液的空间内形成封闭的充氮体系。

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