CN112921261A - 一种钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法，该方法包括走线速度在150～500m/min范围内，钢丝表面除油除锈处理，处理后的钢丝进入感应加热炉中，并在保护气体作用下，对钢丝进行感应加热，感应加热温度比镀液温度低0～70℃，镀液温度420～520℃，感应加热时间为0.5～2s；钢丝出感应加热炉，从密闭钢管进入锌锅，再经陶瓷压线轴垂直引出镀液，然后进入抹拭装置中，最后经冷却处理获得厚镀层钢丝。该方法针对钢丝能实现在较高的走线速度下即150～500m/min范围，表面处理后的钢丝，在等于或低于热镀温度的保护气体感应加热后进入锌锅，再垂直引出液面进行抹拭，从而获得满足强度要求的高结合力的厚镀层。

Description

一种钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法
技术领域
本发明涉及金属腐蚀与防护技术领域，具体涉及钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的生产工艺。
背景技术
在潮湿空气中，尤其是在海洋性气氛中，钢丝表面易生锈。现阶段，镀锌以及锌合金是钢铁防腐的重要手段。钢丝美国材料实验室协会曾经提出，镀锌钢丝开始生锈的时间＝2.46×上锌量(g/m2)。也就是说，镀层厚度(即上锌量)与钢丝的耐蚀性成正相关。
在现行有关镀锌及合金的标准中，对镀层重量的等级分类很多，但是对厚镀层定义很少。尤其是镀锌铝合金钢丝，由于镀液中铝元素的加入，镀液流动性增强，获得厚镀层更是现在生产中的难题。所以在热镀生产中通过改变工艺方法，使常用规格及粗钢丝获得厚镀层，是本申请的研究方向。
本申请中将Ф1.6～8.0mm的镀锌及锌铝合金钢丝厚镀层规定为200～600g/m2。
在热镀钢丝生产中，镀液温度一定时，镀层厚度由走线速度、浸液时间、抹拭方法和引出液面方式等多方面共同决定。
现阶段Ф1.6～8.0mm的镀锌及合金钢丝，在热镀生产中速度一般控制在20～90m/min的范围，钢丝上锌量＝50～300g/m2。而在高速下，冷态钢丝在锌锅中先形成脆性Γ(Fe5Zn21)相，这是对镀层与基体附着性最不利的相，而塑性δ密相(FeZn7)还来不及形成，钢丝就离开锌锅，导致镀层与基体结合力不好。
目前常见热镀锌钢丝的工艺流程是：放线→表面除脂除锈→水洗→助镀→烘干→热镀锌→抹拭→镀后冷却→收线；热镀锌铝合金钢丝的工艺流程是：放线→表面除脂除锈→水洗→助镀→烘干→热镀锌→压块抹拭→镀后冷却→助镀→烘干→热镀锌铝合金→抹拭→镀后冷却→收线。这两种工艺，都是现阶段普遍使用的溶剂法热镀。助镀剂的使用，会产生氨气、氯化氢等气体，污染环境，而且助镀液中的亚铁离子带入镀液中，会形成大量锌渣，锌耗增加。
此外，传统、低速的热镀锌铝合金钢丝只有采用先与锌再与合金反应的方法才可获得100～200g/m2的镀层。这种方法不仅会造成金属锌的浪费，而且工艺流程变长。但是在高速下采用双镀，钢丝与锌反应生成脆性Γ相，造成再镀合金时，镀层的脱落，无法形成结合性良好的锌铝合金镀层。因此在提速的前提下，这种双镀法是不可取的。
综上所述，目前钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法，存在DV值难提升、生产过程有污染、生产成本高等瓶颈问题。
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，提供一种钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法。该方法针对钢丝能实现在较高的走线速度下即150～500m/min范围，表面处理后的钢丝，在等于或低于热镀温度的保护气体感应加热后进入锌锅，再垂直引出液面进行抹拭，从而获得满足强度要求的高结合力的厚镀层。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：一种钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法，该方法包括走线速度在150～500m/min范围内，钢丝表面除油除锈处理，处理后的钢丝进入感应加热炉中，并在保护气体作用下，对钢丝进行感应加热，感应加热温度比镀液温度低0～70℃，镀液温度420～520℃，感应加热时间为0.5～2s；钢丝出感应加热炉，从密闭钢管进入锌锅，再经陶瓷压线轴垂直引出镀液，然后进入抹拭装置中，最后经冷却处理获得厚镀层钢丝。
所述走线速度150～500m/min的范围，是针对热镀锌及锌铝合金钢丝的生产工艺。由于锌铝合金中铝元素的加入，镀液流动性增强，在相同线径、相同镀层厚度要求的前提下，热镀锌铝合金较热镀锌工艺在走线速度上要增加10～40m/min。且线径越粗，带锌量越大，走线速度需要增加越多。
所述钢丝为Ф1.6～8.0mm的高、中、低碳钢丝，对于高碳钢丝，感应加热温度比镀液温度低40～70℃，对于中碳钢丝，感应加热温度比镀液温度低10～40℃，对于低碳钢丝，感应加热温度可与镀液温度相同或者比镀液温度低10℃以内即可；若对低碳钢丝有低抗拉强度的要求时，需在感应加热炉中进行退火热处理。
当钢丝行进速度在150～500m/min时，具体热镀工艺如下：
感应加热工艺参数：加热温度＝镀液温度－(0～70℃)，加热时间0.5～2s，加热频率5～25KHZ，具体数值根据镀液成分、钢丝的材质、行进速度等要求来确定加热频率、加热时间等。钢丝在加热范围内，实测温度通过非接触式红外测温仪相对测定。
钢丝预加热后，从与感应加热炉相连的密闭钢管中进入锌锅，进行热镀生产。密闭钢管中通入与感应加热炉中成分相同的保护气体。锌锅是全封闭的，镀液几乎不与空气接触，因此减少了锌灰的产生。镀液温度420～520℃，具体数值根据镀液成分，钢丝的材质行进速度等要求来确定。
所述的抹拭装置可以为压力气刀抹拭和电磁抹拭等。
本发明的工作原理为：表面处理后的钢丝进入保护气体下的感应加热段，将冷态的钢丝在0.5s～2s的时间里表面温度快速升至比镀液温度低0～70℃，只需对钢丝表层加热，不需要对钢丝进行全部加热，能在短时间内满足快速走线时对钢丝的快速加热的要求，且在合适的加热温度下不会对钢丝强度产生大的影响，避免了钢丝强度的严重损失，尤其是对于高碳钢，这种作用更明显。对于生产镀锌钢丝，这种预加热可以使略低于(或等于)镀液温度的热态的钢丝在进入锌液后迅速与锌液反应，在高速短时间下形成塑性δ密相(FeZn7)，保证镀层与基体之间的结合力。对于生产热镀锌铝钢丝，在预加热低于镀液温度条件下进入镀液，由于镀液中含铝量较高，流动性增高，车速增加，镀液随钢丝的向上移动的作用大于由重力引起的向下流动的作用，同时钢丝与合金镀液反应，不会生成脆性的铁锌合金相，而能直接形成铝和铁的金属间化合物，镀层的塑性和结合性得到了保证。钢丝在充满保护气体的感应线圈中加热，可以保证钢丝在加热过程中表面不会被空气氧化。
钢丝在进入镀液时，由于没有使用助镀剂，不存在将助镀剂中的亚铁离子带入锌锅，产生锌渣的可能。同时也不会生成氨气、氯化氢等气体，污染环境。同时较短的浸镀时间(约0.5～1.5s)，无法形成钢丝中的铁原子来不及扩散到镀液中，因此减少了锌渣的产生。
此外，钢丝在锌锅中仅需要短暂升温，在较低的温差下在锌锅内形成镀层，能显著减少锌锅对低温材料加热所需的体积，一般是2～15吨的锌容量，相当于传统锌锅的五分之一至十分之一，节约了成本和能源。
本专利所述镀液，可以是纯锌，也可以是锌合金，如Galfan、Galvalume、锌铝镁合金等。
钢丝经陶瓷压线轴垂直引出液面，通过抹拭装置控制镀层厚度和质量，抹拭装置可以选择压力气刀抹拭和电磁抹拭。压力气刀采用氮气作为抹拭气体，氮气纯度≥99.95％，压力范围0.2～2kg，保证形成能满足上锌量要求的厚镀层；电磁抹拭采用氮气保护，氮气纯度≥99.95％，氮气流量≤400L/min，氮气温度400±20℃，电流100～400A，保证形成能满足上锌量要求的厚镀层。
钢丝抹拭后需进行镀后冷却装置，包括水冷和风冷。本发明工艺条件能够有效防止合金层的继续长大，避免产生稀疏的FeZn13，提高了基体与镀层的结合力及钢丝表面的光洁度。
最后将成品钢丝以工字轮或倒立式的方式收线。
本发明的产品涉及规格为Ф1.6～8.0mm的高、中、低碳钢丝。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本专利工艺方法能将热镀过程钢丝行进速度从20～90m/min提升至150～500m/min范围，相同时间内提高了产量；产量相同时，减少了线数或缩短了生产时间，满足普通规格和粗钢丝的生产要求，高速条件下不会出现断线现象，既能保证强度要求又能保证镀层与基体结合力要求。本发明镀锌钢丝厚镀层由Γ相+δ密相组成的合金层和表层的η相构成；锌铝合金钢丝由Fe2Al5和表层的锌铝合金构成，能实现高速走线下与基体的紧密结合。
本专利将现阶段普遍应用溶剂法热镀锌及锌铝合金的工艺，改变为在特定条件下的保护气体存在的感应加热结合垂直引出方式，使钢丝垂直引出液面后，镀液随钢丝的向上移动的作用大于由重力引起的向下流动的作用，所以可以获得较厚的镀层。解决了钢丝在高走线速度下热镀锌及合金过程中，无法获得厚镀层的问题，并减少了锌渣的形成和环境的污染。
本专利在保证高速、高产量的前提下，锌锅的容锌量仅为传统锌锅的五分之一至十分之一减少了投入成本，降低了锌耗和能耗。
本发明针对普通规格和粗钢丝要获得厚镀层可以选择的抹试装置为压力气刀抹拭和电磁抹拭等。
附图说明
图1本发明钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法的流程示意图。
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，并不限制本发明的权利要求。
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，具体工艺如图1。根据钢丝产量、线径和设备能力，设计钢丝的走线速度。将钢丝在放线机上放线，先进行脱脂处理和水清洗操作。脱脂可以是机械脱脂、超声波脱脂或者是两者的结合。水清洗后为避免清洗水带入下道工序，清洗槽出口配备回吹气刀，截流钢丝表面残留清洗水。脱脂后进行环保除锈处理，除锈方法可以使用机械除锈(包括钢丝刷、砂纸打磨等)、超声波除锈或者加入环保型除锈剂(如弱酸类或有机合成类除锈剂)，保证在除锈过程中做到经自消耗或循环处理后无酸性废液排出，并在使用过程中无烟尘、无刺激性气味。除锈后的水洗采用溢流式三级循环热水洗，清洗水可循环利用，节约清洗过程的用水量，减少了水的排放。同时在水洗槽出口配备回吹气刀，截流钢丝表面残留清洗水。前处理后的钢丝进入紫铜管绕制而成的感应加热炉中预热，钢丝在保护气体中加热，防止除锈后的钢丝表面再被氧化。根据钢丝材质、线径、镀液成分设计感应加热温度和频率。感应加热至比镀液温度低0～70℃，感应加热时间0.5～2s，感应加热频率5～25KHZ。从密闭钢管直接进入锌锅进行热镀锌或锌铝合金生产。根据镀液成分的不同，热镀的设定温度也不同。热镀生产后，钢丝经陶瓷压线轴垂直引出镀液，由压力气刀对钢丝表面未凝固的镀液抹拭，压力气刀采用氮气作为抹拭气体，氮气纯度≥99.95％，压力范围0.2～2kg。最后钢丝经镀后冷却装置后通过收线机下线，得到符合工艺要求的热镀钢丝。
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生产热镀锌铝合金钢丝：材质82B，热镀Galfan(Zn-5％Al-RE)合金，直径5.0mm，产能要求3万吨/年。技术要求见表1：
表1 5.0mm镀Galfan钢丝技术要求
Figure BDA0002911640300000041
经过图1的流程，完成钢丝的热镀Galfan合金工艺。具体工艺参数如下：DV＝1000mm·m/min，走线速度为200m/min，线数2根，感应加热温度400℃，热镀温度440℃，气刀压力1.0kg。生产后取2根镀锌线，分别对线径、上锌量、含铝量、机械性能以及表面质量做实验，得出如下表2的实验数据和结论。
表2 5.0mm镀Galfan钢丝实测结果
Figure BDA0002911640300000051
本实施例中钢丝能满足1860MPa的强度级别，且结合力(韧性、塑性及附着力)均较好，且能满足厚镀要求。
实施例2
采用本发明方法实施生产镀锌钢绞线用镀锌钢丝：材质65#的热镀锌，直径3.20mm，产能要求2.4万吨/年。技术要求见表3：
表3 3.20mm镀锌钢丝技术要求
Figure BDA0002911640300000052
经过图1的流程，完成钢丝的热镀锌工艺。具体工艺参数如下：DV＝640mm·m/min，走线速度为200m/min，线数4根，感应加热温度450℃，热镀温度465℃，气刀压力0.3kg。生产后取4根镀锌线，分别对线径、上锌量、机械性能以及表面质量做实验，得出如下表4的实验数据和结论。
表4 3.20mm镀锌钢丝实测结果
Figure BDA0002911640300000061
为了更明了本申请的优点，本申请进行了对比实验，在其他条件相同的情况下，在镀液温度低于加热温度(或者说加热温度高于镀液温度)的条件下进行钢丝热镀生产，所获得的钢丝结合力、抗拉强度的等显著降低，不能满足技术标准要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种钢丝热镀锌及合金厚镀层获得的工艺方法，其特征在于，该方法包括走线速度在150～500m/min范围内，钢丝表面除油除锈处理，处理后的钢丝进入感应加热炉中，并在保护气体作用下，对钢丝进行感应加热，感应加热温度比镀液温度低0～70℃，镀液温度420～520℃，感应加热时间为0.5～2s；钢丝出感应加热炉，从密闭钢管进入锌锅，再经陶瓷压线轴垂直引出镀液，然后进入抹拭装置中，最后经冷却处理获得厚镀层钢丝。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在相同线径、相同镀层厚度要求的前提下，热镀锌铝合金较热镀锌工艺在走线速度上要增加10～40m/min。
3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述钢丝为Ф1.6～8.0mm的高、中、低碳钢丝，对于高碳钢丝，感应加热温度比镀液温度低40～70℃，对于中碳钢丝，感应加热温度比镀液温度低10～40℃，对于低碳钢丝，感应加热温度与镀液温度相同或者比镀液温度低10℃以内；若对低碳钢丝有低抗拉强度的要求时，需在感应加热炉中进行退火热处理。
4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，感应加热频率为5～25KHZ。
5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的抹拭装置为压力气刀抹拭或电磁抹拭；压力气刀采用氮气作为抹拭气体，氮气纯度≥99.95％，压力范围0.2～2kg；电磁抹拭采用氮气保护，氮气纯度≥99.95％，氮气流量≤400L/min，氮气温度400±20℃，电流100～400A。
6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，该工艺方法的工作原理为：表面处理后的钢丝进入保护气体下的感应加热段，将冷态的钢丝在0.5s～2s的时间里表面温度快速升至比镀液温度低0～70℃，只需对钢丝表层加热，不需要对钢丝进行全部加热，能在短时间内满足快速走线时对钢丝的快速加热的要求，且保证钢丝强度；对于生产镀锌钢丝，这种预加热使比镀液温度低0～70℃的加热处理后的热态的钢丝，在进入锌液后迅速与锌液反应，在高速短时间下形成塑性δ密相(FeZn7)，保证镀层与基体之间的结合力；对于生产热镀锌铝钢丝，在预加热低于镀液温度的高走线速度条件下，钢丝与合金镀液反应，不会生成脆性的铁锌合金相，而是直接形成铝和铁的金属间化合物，保证镀层的塑性和结合性。
7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述镀液为纯锌、锌合金，锌合金包括Galfan、Galvalume和/或锌铝镁合金。
8.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，镀锌钢丝厚镀层由Γ相+δ密相组成的合金层和表层的η相构成；锌铝合金钢丝由Fe2Al5和表层的锌铝合金构成，能实现高速走线下与基体的紧密结合。
9.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，生产热镀Galfan合金钢丝：材质82B，热镀Galfan(Zn-5％Al-RE)合金，直径5.0mm，DV＝1000mm·m/min，走线速度为200m/min，产能要求3万吨/年；工艺参数为：感应加热温度400℃，热镀温度440℃，气刀压力1.0kg，所获得钢丝抗拉强度为1860MPa以上，基体与镀层结合力好。
10.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，生产镀锌钢绞线用镀锌钢丝：材质65#，热镀锌，直径3.20mm，上锌量≥490g/m2，产能要求2.4万吨/年；工艺参数为：DV＝640mm·m/min，走线速度为200m/min，线数4根，感应加热温度450℃，热镀温度465℃，气刀压力0.3kg，所获得钢丝抗拉强度为1270MPa以上，基体与镀层结合力好。
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