第六節 鋼制品的熱浸鍍鋅生產操作
由于目前國內熱浸鍍鋅企業均面臨一個較大的難題，就是客戶提供的鋼板材成分及類型千差萬別，這就對熱浸鍍鋅操作提出了較高的要求。不同成分及類型的鋼板材需要采用不同的熱浸鍍鋅操作工藝。適當的熱浸鍍鋅操作對獲得良好的鍍鋅層質量及較低的生產成本是非常關鍵的。熱浸鍍鋅操作主要是對鋅液溫度、浸入速度、浸鋅時間、提升速度以及刮灰、撈渣等操作步驟進行有效控制及實施；對于鋼管熱浸鍍鋅來講，主要看外、內抹拭的技術，用以減少鋅的消耗，提高鍍層的外觀質量。
一、鋅液溫度的控制
傳統的Q195、Q215、Q235、Q275等低碳、低硅鋼熱鍍鋅時溫度宜采用440～465℃之間。高碳、高硅鋼宜在高溫區間熱鍍鋅，采用480～530℃溫度鍍鋅，此時需要向鋅液中添加含有鋁（Al）的稀土鋁錫鋅多元合金，其鋁含量約在0.03％～0.05％，可以獲得光亮鍍層，并可防止因高溫鍍鋅件離開鋅液后δ1相仍繼續生長，在鍍件表面上形成δ1與η相的混合組織，鍍層呈灰暗色。此時鐵在鋅液中的溶解極限為0.30％，不采取措施去除鐵離子將可能使鍍層厚度較溫度在450℃情況下增加1倍。但鍍鋅鍋應選用耐高溫的陶瓷型；若在低溫區熱鍍鋅，可將鋅液溫度設定在440～428℃之間，并在鋅液中添加含錫的鋅鋁稀土合金元素，增加鋅液流動性。
二、鋼制品浸鋅時間的確定
浸鋅時間將直接影響鍍鋅層的厚度、表面質量。不同的鋼制工件、材質、重量、厚薄等，熱浸鍍的時間是不一樣的。應區別對待。鋅液溫度低時浸鋅時間應長些，溫度高浸鋅時間應短些；管材質厚比薄的時間要長些；材質差的比材質優的時間要短些；熔鋅量多比熔鋅量少時，時間要短些；鋼制工件本身溫度高比溫度低時，時間要短些等，其基本原則就是要使鋼制件熱得透，鍍層才能粘得牢，不漏鍍（鐵）。
三、鋼制件進入、離開鋅液的速度
1.工件進入速度
工件的提升速度是根據牛頓內摩擦定律
，導出鋅液在工件表面上自由流動時的速度，實際上要比自由流動的速度慢些。鋼制工件進入、離開鋅液的速度過慢、過快都不好。鋼制工件入鋅液速度慢，將導致鋼制工件在浸入鋅液前表面助鍍劑過早熔化失效，使失效部分的鋼鐵暴露在空氣中，發生氧化，從而影響鐵鋅反應的進行，還可能出現表面缺陷。提升速度過快，結晶在鋼制工件表面助鍍鹽沒有足夠的反應時間熔化分解、還原的鋼材表面的殘余氧化物和鋅液表面上的氧化鋅，部分尚未分解的殘余助鍍劑鹽會隨工件夾帶如鋅鍋，增加了鍍鋅層表面出現的殘留助鍍鹽產生的黑斑（也有叫作溶劑斑）缺陷的危險性。同時鍍鋅后的鋼制工件提出鋅液的速度過快將導致鍍鋅鋅層的增厚。
鋼制工件的浸入時間與取出時間（不是指工件在鋅液中的時間）對鍍層的厚度有很大的關系，這主要是指浸入和取出過程的速度所占用的時間。鋼制工件浸入鋅液的速度要適中，通常認為，鋼制工件進入鋅液時，應當采用稍快的速度。
（1）鋼制工件浸入鋅液的速度過慢產生的缺陷
①進入鋅液速度過慢或發生中途停頓，可能會造成助鍍劑膜層局部燒損失效，出現漏鍍現象。
②鋼制工件進入鋅液速度過慢，會使鋼制工件因受熱時間的差異產生翹曲現象，快速進入鋅液通常變形較小。
③對于長形鋼制工件，當以豎直進入鋅液時，兩端的浸鍍時間有明顯的差異，會造成沿長度方向上的鍍層厚度差別較大。
④進入鋅液速度慢會減低生產效率。
（2）進入鋅液速度過快會產生的缺陷
①當鋼制工件干燥不徹底，或對干燥程度出現意想不到的情況，浸鍍時會加重鋅液飛濺或爆炸現象，危害人身安全，也會破壞鋅鍋內壁的合金保護層，降低鋅鍋的使用壽命。
②浸入鋅液速度不應高于鋼制工件靠自重落入鋅液的速度，所以不宜過快。
綜上所述，浸入鋅液速度應根據鋼制工件的形狀尺寸特點靈活掌握。
（3）浸入鋅液操作要點
①工件浸入鋅液前，應先將鋅液面的浮渣和鋅灰打凈，這樣做的目的是：
a.使鋼制工件與鋅液充分接觸，否則鋼制工件表面的助鍍劑與鋅灰首先接觸，會延緩化學反應的進行；
b.鋼制工件浸入后，容易觀察鋅液面化學反應的進行情況；
c.可為最后打灰操作創造有利條件，更容易得到光亮的鋅液表面。
②鋼制工件浸沒后應反復提動工件，以促進鋼制工件上的助鍍劑與鋅液充分接觸，使反應物盡快浮出。鋼制工件的最佳浸入鋅液位置是沉入液面以下100mm左右。
③浸入鋼制工件時操作人員應戴防護面具，并離開鋅鍋一定距離，以防發生意外，被飛濺的鋅液燙傷。
④浸入的鋼制工件應盡量不要觸及鋅鍋底部渣層，以避免底渣被攪動。
2.鋼制工件的取出速率
鋼制工件鍍鋅后取出速率對鍍層的影響是很明顯的。取出速率將對浸鍍外觀質量和鍍鋅層厚度（主要是純鋅層）產生重要影響，隨著速率的增大而增厚，因此對鍍鋅后的鋼制工件去除速率要注意以下幾點。
（1）當鋼制工件從鋅液中取出后，僅依靠鋅液的重力自然流淌方式形成純鋅層時，應遵守以下原則。
取出速率應與鋅液在重力作用下沿工件表面流淌的速率相匹配，對簡單形狀的長形零件（桿、管及型材）有以下引出方式。
a.鋼制工件垂直于鋅液面引出，在常規鍍鋅溫度下（445～465℃）可采用2.5～4.0m/min的取出速率；工件在鋅液中呈水平狀態，并與鋅液面呈某一傾斜角度（稱為引出角θ）取出時，其取出速度太小，見表3-9。對于熱鍍鋅鋼管來說，鋼管的提升、向上爬升角度不低于16°為宜。
表3-9 引出角θ與取出速率的關系
b.取出速度與鋅液的黏度密切相關，而鋅液黏度與鋅液中的合金成分及鐵含量與鋅液溫度及環境溫度相關。所以取出速率應根據工藝條件的不同，靈活掌握。
c.必須考慮工件的形狀特點，如果是組合件應以保證鍍件主要工作面上的鋅液流動情況處于良好狀態，此時工件懸掛方位的合理性顯得格外重要。如果取出速率過快，工件上的鋅液未能充分回鋅鍋，浸鍍后純鋅層必須增厚，并出現鋅瘤和鋅的堆積。
d.確定取出速率時，還要考慮到鍍件的化學成分對鍍層質量的影響。對含硅鎮靜鋼而言，如果取出速率過慢，必須延長在鋅液及空氣中的停留時間，合金層厚度會增加。此時，可以采用較快的取出速率，以縮短在空氣中停留的時間，以得到光亮鍍層。
（2）當鋼制工件從鋅液取出后，采用吹抹、離心等方法，去除工件表面余鋅時，可采用2～8m/min提升速率。有條件時可采用變頻調速技術，設置4～6個速度檔次，使操作過程簡捷、靈活，并提高生產效率。調速范圍可從5～60Hz連續可調，這樣可以更好地滿足不同產品對升降速度的不同要求。
（3）鋼制工件鍍鋅后從鋅液中取出時的操作要做到以下幾點。
①必須將鋅液面上的鋅灰徹底清除，呈現明亮鋅液表面時，方可將工件提出。
②對形狀復雜的工件，隨著工件的引出，可以增大引出角度，以利于鋅液的流淌。并用刮灰板或專用工具，在最適當的時間內將工件底部未能自行淌回的鋅液刮除。
③鋼制工件全部離開鋅液時，應將鋼制工件最底部的余鋅刮除干凈，并進行適當的敲擊振動，使余鋅落入鋅鍋。
④當浸鍍大批量的小型零件時，應注意是否有散落到鋅鍋中的工件，并應及時檢查打撈，避免產生不必要的鋅耗。
⑤對于較長的鋼制件，提升速度慢會導致較長的操作時間，為了維持相當的生產量，需要采用較快的提升速度，但必須使提出的速度和鋅液的自由流動速度基本上一致，以便得到均勻的純鋅層。
對于鋼管、鋼帶、鋼絲、電焊鋼絲網熱鍍鋅的生產，其熱鍍走線速度則另當別論。可見有關連續熱鍍鋅鋼管、鋼帶、鋼絲、電焊鋼絲網論述。
四、鋅液中的其他成分對鍍鋅層的影響
為了降低鍍鋅層厚度，現在一些廠家普遍注意往鋅液中添加一定量的低熔點鋅合金。關于鋅合金可以分為兩類，其中的一類是以鋁為主要成分的三元或多元合金，其主要作用為增加表面光澤亮度，見表3-10。
表3-10 Zn-5％ Al-RE合金化學成分
1.合金的種類和作用
一類是單純的鋅鋁稀土合金，以含鋁元素為主，作用是增加光亮度。熔煉較好、鋁含量合適的鋁合金，有抑制合金層生長的作用，因而對鍍鋅層有部分減薄作用。另一類合金是鋅、錫、鉍、鋁和混合稀土組成的多元合金，具有降低鋅的熔點和表面張力的作用，在鍍鋅過程中，鋅液溫度控制在435～450℃范圍內，就可以滿足熱鍍Q235的型材和部分Q345型材。通過幾年來國內對熱鍍鋅的工件、要求變形較小的扁、長、寬的鋼制件尤為合適，如電纜橋架等。
另一類是以鎳為主的有少量鋁、鎂、鋅、鎳合金，其鎳含量一般為2％、1％、0.5％三種，2％鎳合金不但有減少色差、抑制圣德林現象的發生，同時具有對未有加鋅鎳合金鍍層厚度將減薄15％～30％，而且將減少鋅灰的產生，延長鋅鍋使用壽命等優點。其中以共晶成分的鋅0.5％鎳的使用較為好用，但用量較大，價格不太便宜，而使用廠家較少；而2％鎳含量合金，由于價格偏低，添加量少，受到廠家的好評，但在使用前后，需按一定的操作工藝，如靜止鋅液、沉淀鋅渣后撈渣等，要需一定的時間。在這方面，國內現在已有較為成熟的應用經驗。
2.鋅液中的鋁與鐵的關系
鐵在鋅液中的溶解度隨著鋅液溫度和鋁含量兩大因素的變化而變化，總體趨勢是隨著溫度的升高而升高，隨著鋁含量的增加而下降。在鍍鋅常見溫度460℃時，鐵的溶解度隨著鋁含量變化的曲線如圖3-8。
圖3-8 鋅液460℃時鐵在鋅液中的溶解與析出的平衡組織
從圖3-8上可以看出鋁含量為0.10％和0.135％是兩個臨界點。鋁含量低于0.1％時，鐵的溶解度隨鋁含量的增加以較大的斜率減小，而在0.1％和0.135％之間，鐵的溶解度隨鋁含量的增加緩慢下降，當鋁含量超過0.135％時，隨鋁含量的增加鐵的溶解度又以很快的速度下降。這是因為，在不同的鋁含量下，鐵飽和以后所形成的金屬化合物不同，在鋁含量<0.10％時，近似于鍍純鋅層，鐵飽和以后鐵與鋅反應生成FeZn13是一種鋅含量較高的底渣，在鋅含量為0.10％～0.135％之間，鐵飽和以后鐵與鋅反應生成FeZn7，是一種最常見的底渣，而當鋅含量超過0.135％時，鋁參與反應，鐵與鋁和鋅反應生成的化合物是Fe2Al5Znx，就是鋅鍋頂上的浮渣。這幾種情況如表3-11。
表3-11 鋅液460℃時不同鋁含量下鐵鋅平衡反應鋅渣組成
從理論上講，若能達到平衡狀態的話，有效鋁含量低于0.135％則全部形成底渣，而有效鋁高于0.135％則全部形成浮渣，當鋁含量在0.135％左右的話，則有可能產生底渣，也有可能產生浮渣。當然，生產實際的情況是千變萬化的，不會像理論分析一樣有截然不同的界限，但大體趨勢畢竟如此，這一理論為鋅鍋中有效鋁的含量確定和無底渣操作提供了理論上的依據。
3.鋅鋁合金的使用量
在非連續熱鍍鋅工藝生產中，使用鋁合金時，鋅液中含鋁至0.007％的范圍內就可以獲得滿意效果，鋅液中鋁含量連續增加，其有效性就會降低。還可以導致漏鍍等缺陷，這是由于鋅液表面形成的氧化鋁保護層在工件浸鍍時通過與助鍍鹽（氯化鋅+氯化銨）反應生成揮發性氯化鋁而實現分解的。最近有報道稱：對含0.09％（質量）Si的活性鋼熱鍍鋅時，在鋅液中添加錳含量小于0.5％（質量）的Zn-Mn合金后，可以使鍍鋅層不同程度地減薄。
如在帶鋼連續熱鍍鋅中，當采用氣體還原法時，一般應向鋅液中添加一定量的鋁，才能獲得好的鍍板質量，根據經驗，鋅液中應保持0.16％～0.20％鋁的含量，此時鋁元素將懸浮在鋅液的偏上面，將與鋅液中的鐵元素化合而生成浮渣（鋁含量為4％～7％）漂浮在鋅液上面，僅及時打撈這部分浮渣，實行這樣的工藝在鋅鍋底部產生的鋅渣很少（亦叫無底渣工藝技術）。而實際鋁的消耗量為0.35％左右，因此在添加鋁合金時，要考慮這個因素，據生產實踐計算：在鋅層重量為300g/m2的情況下，為使鋅液中鋁的濃度提高0.01％，則加入鋅液的鋁含量應該提高0.05％～0.08％。關于鋅液中鋁的含量高低，還應根據帶鋼的運行速度和鋅層重量，帶鋼運行速度越低，鋅層重量越小，則加入鋅液中的合金鋁含量也應該高一些。當采用溶劑法帶鋼熱鍍鋅時，鋅液中鋁的含量應低于采用氣體還原法時的鋁含量，根據實際經驗，當采用氯化鋅、氯化銨復合溶劑濃度為1.4～1.6時，鋁含量約為0.02％～0.04％為宜。且添加鋅鋁合金時應在鋅鍋中部或帶鋼出口處添加，避免因在帶鋼入口處添加而出現的漏鍍問題和非與沉沒輥接觸面的鍍鋅層不光滑現象。
國際上對成型鋼件熱鍍鋅的鍍層特性和測試方法的標準ISO 1461中規定，鋅鍋中的雜質成分（參見ISO 752或EN 1179中的規定）不包括鐵和錫元素以外的其他雜質，即鉛、鎘、銅、鋁、的總含量不能超過1.50％。實際上實用傳統鋅液化學成分：（最大限量）Pb 1.20％，Fe 0.035％，Cd 0.30％，Cu 0.07％，Sn 0.30％，Al 0.005％，Zn余量。
五、扒鋅灰和撈鋅渣
在熱鍍鋅過程中，因鋅液表面的暴露、鋅液面上的空氣流動、鋼絲上面的氯化銨溶劑等因素，鋅液上面會出現鋅灰。鋅灰的成分比較復雜，一般情況下其成分含有氧化鋅、氯化鋅和鋁、鐵的氧化物等。它的產生主要是鋅液與空氣中的氧氣反應產物、鋼絲上面黏附的溶劑鹽與鋅液接觸時，發生反應所產生的氧化鋅、氯化鋅等物質。其成分一般為6.5％Al2O3+39.3％ZnO+16％ZnCl2+5.0％Fe+33.2％Zn（金屬顆粒）。鋅灰的生成量通常約占鋼絲鍍鋅總消耗量的25％～32％。
因此，在鍍件從鋅液表面提出來之前，鋅液表面的鋅灰必須去除，才能獲得光滑的表面的制件。可以用專用的刮灰板將表面的鋅灰輕輕地扒到鋅鍋邊或兩端，扒鋅灰時應注意不要用力過大，使鋅液面產生較大的攪動，這樣容易使鋅鍋內壁形成的鋅鐵合金保護層脫落，加速鋅鍋的腐蝕損壞。
在鍍鋅過程中，會不斷地形成鋅渣。鋅渣在靜止的情況下會沉到鋅鍋的底部，在制件浸鋅時應盡量不要攪動它，以免將大量的鋅渣攪到鋅液中，使鍍層表面因粘上鋅渣出現顆粒，影響鍍件外觀質量，以使鋅耗增加。應定期打撈鋅渣，以免鋅鍋底部的鋅渣過厚，容易隨工件表面帶出，另外過厚的鋅渣將影響導熱性能，使鋅鍋壁局部過熱，加速鋅液對鋅鍋的腐蝕，將減少鋅鍋的使用壽命，嚴重時可能產生鋅鍋穿孔而漏鋅液。可根據生產產量的實際情況，用專用帶ф20～25mm的孔眼工具定期撈鋅渣，或一周、半個月撈一次。
六、空氣、水冷卻
將熱鍍鋅后的鋼制件在經過數秒鐘時間的空氣冷卻，去除鋅瘤后，應立即將其進入水中，防止因空冷時間過長而使其鍍層表面出現灰暗層等現象。鋼制工件進入冷卻水時，除較短的工件豎直進入水中外，較長鋼制工件應傾斜進入水中，以防止彎曲變形等缺陷的產生。水溫亦控制在25～45℃之間，水溫不宜超過50℃。往往在剛開始熱鍍鋅時因水溫過低，則使鍍鋅后的工件易變形，在冬天熱鍍鋅時應提前將冷卻水溫度提高到適宜溫度。水溫過高則使鍍鋅件鍍鋅層表面變暗。并應時常檢查其pH值，有條件的地方應保持流動的清水。
對于緊固件熱鍍鋅，經離心機對緊固件鍍鋅層甩鋅后，應注意調整進行水冷卻時間，以防止鍍鋅層脫鋅皮的問題。