单镀锌-10%铝-稀土合金高防腐镀层钢丝生产工艺及其成

本项目已于2011年科技成果鉴定为国际先进登记号：20111639已取得6项实用专利，申报1项发明专利国别申请号专利号项目名称中国201220176807.7201220176807.7一种新型氮气抹拭器中国201110431172.0201110431172.0一种单镀锌-10%铝-稀土合金助镀剂配方及其使用方法中国201220173955.3201220173955.3一种钢绞线及镀丝专用计米器中国201220175436.0201220175436.0一种镀锌或Galfan生产线恒张力自动化控制系统中国201220179901.8201220179901.8一种热镀生产线后张力系统中国201220178904.X201220178904.X一种用于Galfan镀层生产线的助镀和烘干装置中国201220174850.X201220174850.X一种钢丝精密排线机目录工作总结报告技术总结报告经济、社会效益分析报告查新报告检验报告用户报告附件企业简介天津市盖尔发金属制品有限公司（天津市燎原钢绞线厂）始建于一九九五年，是股份责任公司，注册资金8600万元，注册地点为北辰区经济开发区总公司内，是天津市线材制品行业协会理事单位。巴志强先生任董事长兼总经理。本公司现占地面积约21000m2,建筑面积为11000m2,现有职工150人，全自建厂之初我们便确立了“厚德博爱、携手共进”的办厂宗旨，一直不懈地追求着“出行业精品，创知名品牌”的目标，发奋图强，循序渐进，使我公司的产品在国内外市场均获得了较高的知名度和良好的信誉。我公司有严密的质量保证体系，早在1998年已通过GB/T19001—2008—ISO9001:2008质量体系认证。此外，我公司参与制订了国家标准GB/T20492—2006《锌—5%铝—混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》、行业标准YB/T4221—2010《机编钢丝网用镀层钢丝》。我公司主要产品为锌—10%铝—稀土合金镀层钢丝及钢绞线、厚镀层（600g/m2）镀锌钢丝、镀锌钢绞线、架空导线用镀锌钢线（钢芯铝绞线用镀锌钢丝）、铠装电缆及机編网用镀锌低碳钢丝等。2011年产量1.8万吨，销售额超1.48亿元，出口产品创汇1000余万美元。本公司生产的产品符合现行国家标准和相关国际标准的规定，并可按用户需求的协议标准生产特需产品。为满足不断增长的市场需求，近年来我公司投入大量资金，依靠自己的力量，自行设计、建造了具有目前国际先进水平的，采用全新工艺，可以生产大盘重、厚镀层、锌—10%铝—稀土合金镀层产品的新型生产线。该生产线生产的高端镀层产品满足了国内外高端用户的需求，同时也填补了国内产品的空白。目前客户遍布世界四十多个国家和地区。单镀锌-10%铝-稀土合金高防腐镀层钢丝生产工艺及其成套设备的研究工作总结报告天津市盖尔发金属制品有限公司2011年09月目录一、立项背景二、主要工作内容1工作思路2主要工作内容三、组建项目组及工作计划安排1项目负责人及主要成员2工作计划安排四、项目取得的成果五、结论及设想一、立项背景众所周知，金属与外界环境介质之间发生的化学作用和电化学作用，会引起的金属结构的破坏或变质，形成了金属的腐蚀。据统计，世界上每年因腐蚀而报废不能使用的钢铁制品，约占世界钢铁年产量的三分之一，如果考虑到这部分因腐蚀而不能使用的钢铁制品，有三分之二能回炉重炼的话，那么，每年有相当于钢铁年产量的九分之一的钢铁,不可挽回的损失了。据我国防腐协会介绍，每年约有500多亿价值的钢铁制品因腐蚀而失效。钢铁制品腐蚀是一个相当普遍而严重的问题，造成资源大量流失和工程、制造费用的极大浪费。致力于加强和提高钢铁制品的防腐性能，降低损失，已经成为保证国民经济健康发展的重要课题。早在二十世纪八十年代欧、美和日本几大钢铁公司，委托国际铅锌研究组织（ILZRO）斥巨资开发、研制、由法国Fical公司生产的锌—5%铝—混合稀土合金镀层（国际注册商标GALFAN），是金属纯锌镀层的升级换代产品，其耐蚀性高出纯锌1~3倍。目前在国际上应用的比较广泛。而锌-10%铝-混合稀土合金镀层产品其耐蚀性高出纯锌3~8倍，只有日本能够生产。在国内，曾于1997年由天津钢丝厂、2001年由宝钢集团上钢二厂先后从美国和加拿大引进两条双镀锌—5%铝—混合稀土合金生产线，但由于技术原因至今尚未形成生产能力。而锌-10%铝-混合稀土合金镀层产品是在其基础上开发出的更具耐蚀性的产品，生产难度也更大。无论5%铝，还是10%铝合金镀层产品，因其镀层成分改变均比传统的纯锌镀层工艺复杂。现在国际上普遍采用双镀法生产。所谓双镀法，就是先将钢丝浸入纯锌溶液中，以此钢丝表面形成的锌—铁合金层为介质，再浸镀一次锌—铝—混合稀土合金。双镀法能耗高、物耗高，且镀层中铝含量不稳定。鉴于上述原因我公司2001年决定，自主立项，进行单镀锌—10%铝—稀土合金高防腐镀层钢丝生产工艺及其成套设备的研究，攻克单镀法难题，生产出完全符合国内、国际相关标准各项技术要求的合格产品。历经五年攻关，我们成功研制出单镀锌—10%铝—稀土合金钢丝生产线，于2005年正式投产，并在此基础上不断的完善改进，该生产线充分具备了创新、节能、环保的理念。2009年以来，该生产线已达到即可生产普通镀层重量（200g/m2左右）产品，又能生产厚镀层重量（＞400g/m2）产品；即可生产镀层铝含量5%的产品，又可生产镀层铝含量10%的产品。初步形成产品系列，产品销往国内外，满足了不同客户的需求，受到广大客户的青睐。二、主要工作内容1工作思路从工艺研究入手，创新设计并改进工艺设备以保证新工艺的实现；以工业化批量生产为目标，提高设备的生产效率，取得明显的经济效益。2主要工作内容(1)助镀剂的研究。解决镀层与钢基的结合性问题，以保证钢丝镀层的牢固性。（已获专利）(2)以“单镀法”替代“双镀法”减少工艺环节，大幅降低能耗、物耗，减少环境污染。(3)以超声清洗工艺替代传统的酸洗工艺，提高清洗效果，避免有害气体污染，无污水排放。(4)开发钢丝恒张力收放线系统，保持钢丝运行平稳，提高镀层的表面质量及均匀性。(5)开发氮气气刀抹拭器，达到使熔液与空气隔绝及抺拭目的，保证镀层均匀、表面光洁、无污染。(6)开发倒立式收线装置，提高钢丝的DV值并可调，以保证镀层重量符合标准。三、组建项目组及工作进度计划1.项目负责人及主要成员(1)项目负责人巴志强，男，50岁，学士，高级工程师，天津大学冶金分校电气自动化专业毕业。主要工作业绩，主持项目开发包括：①微机控制钢丝精细排线设备②钢丝、钢绞线自动计米装置③纯锌镀层＞500g/m2产品的设计开发等。该同志基础理论扎实，长期在生产一线从事专业技术工作，积累了丰富经验，尤其是在镀层新工艺研究、相关工艺设备设计、试验研究和产品批量化生产方面具有独特造诣和组织协调能力，他独自主持了本项目的研发，对促进本行业的技术进步作出了突出贡献。他重视国内外技术交流，广交同行专家。善于吸纳最新研究成果，将新知识融集到自己的科研工作中，不断改进创新。他重视依靠技术进步推动企业的经济发展，使企业的经济收入逐年递增，2010年企业主营业务收入突破了亿元大关，社会与经济效益显著。(2)项目组主要成员序号姓名性别年龄职务/职称项目中的分工1郭习文男49总工/高工工艺、设备设计2王洪霖男63高工工艺设计及质量检测3王琦男25工程师机械设备设计4高利辉男28工程师电气设备设计、调试5韩宝玺男55工程师机械设备设计、调试2.工作进度计划2001年06月至12月调研、收集资料；助镀剂配方研究2002年01月至06月生产线整体技术方案、论证、子课题方案07月至12月助镀剂优化试验，改进设计、专项设计、改进设计2003年01月至06月编制设备制造工艺，工装设计，清洗机造型07月至12月联机调试，修改设计与制造2004年01月至06月试生产，技术总结，改进工艺及设计制造07月至12月小批量投产、再改进；参与标准制定2005年01月至06月小批量生产，改进设计，再投产试验07月至12月按设计指标，大批量生产，向国内外销售2006年1月至2009年12月为适应市场需求，对生产线进行扩能改造，通过改造使生产线的功能由单一产品实现了多元产品。具体产品有：普通镀层（200g/m2左右）产品厚镀层（≥400g/m2）产品镀层含铝量5%的产品镀层含铝量10%的产品四、项目取得的成果1.完成了Zn-10%Al-RE钢丝生产线的研讨，已投产运行了六年，该生产线功能强，除能生产镀层铝含量10%的钢丝外，同时能够生产镀层铝含量5%的钢丝、普通镀层和厚镀层钢丝。2.2003年至2009年，产品通过了五家权威部门检验，检验结果表明该产品已达到了国外同类产品的先进水平。五家检验单位是：上海电缆研究所材料及特种光电缆检验试验室，机械工业材料及特种线缆产品质量监督检验中心，天津市质量监督检验第十一站，通标标准技术服务有限公司（SGS）和天津市质量监督检验第十五站。3.公司参加了两项相关标准制定，即：GB/T20492-2006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》和YB/T4221-2010《机编钢丝网用镀层钢丝》。4.产品累计生产15450吨，实现销售收入1.3132亿元，利税2.66千万元。国内用户涉及北京、天津、山东、辽宁等十余省市，国外用户涉及德国、日本、西班牙、法国和意大利等十余国家，出口额占总额的70%左右。五结论及设想1.单镀工艺取代双镀工艺，不仅提高了产品的使用寿命，更重要的是节能、减排、环保效果明显，符合国家“十二五”期间战略新兴领域发展的目标。2.新型镀层工艺研究为工艺装备的创新设计提供了依据，该生产线在六项子课题开发方面取得了突破，为实现新工艺提供了设备保证。3.我们下一步的设想是：认真整理完善技术文件资料，形成成套的具有自主知识产权的知识库，在行业内推广应用，用以改造传统工艺及其设备，提升整体技术水平，在提高产品竞争力的同时，取得显著的节能、环保效果。单镀锌-10%铝-稀土合金高防腐镀层钢丝生产工艺及其成套设备的研究技术总结报告天津市盖尔发金属制品有限公司2011年09月目录一、国内外技术现状与发展趋势二、主要研究内容、关键技术和主要技术指标1.主要研究内容2.关键技术3.主要技术指标三、项目研究与设计四、主要技术创新点五、与国内外产品主要技术性能指标及优势对比六、试验图表七、结论及下一步设想一、国内外技术现状与发展趋势为了提高钢丝的耐腐蚀性，以延长产品的使用寿命，近30年来，国内外进行了许多研究与实验，取得了卓有成效的成果，使钢丝的使用寿命比原来提高了10倍，而提高使用寿命的主要方法是将钢丝镀层由传统的纯镀锌镀层改变为锌-5%~10%铝-稀土合金镀层（以下简称Zn-Al-Re镀层），这一研究将是我国乃至世界防腐界的发展趋势之一。Zn-Al-Re镀层之所以能够提高钢铁的耐腐蚀性，它主要取决于三个方面：其一是镀层的合金结构。传统的纯镀锌层属于多晶体结构，其金相组织图（见图1）呈现不同形状片状叠加，而Zn-Al-Re镀层系共晶体结构，它（见图2）呈现了更加趋同的微粒堆积，这一结构缝隙小、结构紧密，势必能够增加镀层的机械性能和防腐性能；其二，锌铝各自特性的完美结合。在Zn-Al-Re镀层中，由于铝元素比锌元素稳定，它能够起到抗腐蚀“惰性栅栏”的作用，而锌则带有较强的阳极保护作用。当镀层出图1纯锌金相组织结构图图2锌—铝—稀土合金金相组织结构图现空隙、裂纹等微损时，锌元素对基体牺牲性保护，其产生的氢氧化物和碳酸盐类会覆盖在裸露的金属表面上。另外，锌与铁产生的锌铁合金对内层也起到了保护作用；最后，也是最重要的一个方面，即镀层表面氧化铝膜的形成。锌对基体的保护属牺牲性保护，随着时间的推移，镀层表面的锌原子被氧化消失，表层铝离子增多，而铝离子与空气或水中的氧离子或氢氧根离子发生电化学反应，生成氧化铝AL2O3或氢氧化铝AL(OH)3，进而形成高密度、稳定性强的氧化铝膜，且该铝膜会越来越厚，最后几乎形成氧化铝层（可达30μm以上，主要化学成分是AL2O3和AL(OH)3及少量的ZnO）。实验证明该氧化层是镀层高耐腐蚀性的关键（但该层较脆，所以在产品机械变形前应尽量做好防氧化工作）。原理如此，但其技术的关键是如何将该合金镀到铁基体上。传统的热镀锌层形成的过程是铁基体与锌熔液之间在普通助镀剂的作用下首先进行物理反应，形成锌铁合金层并以其为介质使铁基体与纯锌牢固结合形成纯镀锌层。需要特别指出的是由于Zn-Al-Re合金与纯锌的化学成分存在较大差异，普通助镀剂无法使铁基体与合金熔液形成固熔体，进而生成锌铁合金层介质最终形成Zn-Al-Re合金镀层。因此，国际上普遍采用双镀法（WireGalvanizing—doubleDipProcess）来镀Zn-Al-Re合金镀层。所谓双镀法（见图4）就是先进行普通的镀锌，但浸锌时间较短，形成锌铁合金层后，再浸入锌铝合金熔液经过数秒后，即完成浸镀过程。从示意图4可以看出双镀法工艺较单镀法工艺长，能耗大（两个镀槽），物耗大。另外由于纯锌通过钢丝连续不断的从纯锌槽带入合金镀槽中，故合金槽中的含铝量会随生产时间的增加而降低。此外，双镀法是以锌铁合金为介质，该介质对铝原子吸附能力强，这样便产生了同一含铝量的镀槽，上锌量不同的镀丝，其镀层的含铝量不同，上述两种因素造成了双镀法生产的产品镀层含铝量不稳定。双镀法中存在3个问题：（1）由于设有纯镀锌槽及双水冷双烘干等设备，故能耗物耗大。（2）采用电解酸洗，电解碱洗，易污染环境且投资成本高。（3）产品的含铝量不易控制，故耐蚀性不均匀。解决上述问题的唯一办法，即采用单镀法（见图3），所谓单镀法，就是取消镀锌工序，直接将Zn-Al-Re合金镀在钢丝表面。它的关键技术是助镀剂的研究和应用。单镀法的助镀剂配方大体上有如下几种：（1）传统化学助镀NH4CL；（2）电解助镀ZnCL2+NH4CL+络合剂；（3）国外专利产品（specialflux）ZnCL2、SnCl及KCl等（见国外查询9），需要强调指出的是前两种助镀剂根本无法满足单镀Zn-Al-Re产品生产的需要，而后一种也未有成熟的应用工艺和实际生产的实例和报道。实现单镀Zn-Al-Re产品工艺除了研制应用特殊助镀剂外，还必须将传统的热镀锌线进行彻底的改造。其中的工作内容包括：（1）为提高钢丝线速度DV值而改变收线方式；（2）高速镀Zn-Al-Re合金线的稳定技术；（3）熔镀槽的耐腐蚀性材料选择；（4）新型清洗技术；（5）镀层防氧化抹拭器等。我公司通过九年的努力，在钢丝热镀锌工艺研究及其成套设备改造方面都取得了令人满意的成果，尤其在单镀Zn-Al-Re合金产品上的突破并实现大规模稳定生产在国内外同行业中几乎是唯一的。二、主要研究内容、关键技术和主要技术指标1.主要研究内容（1）热镀Zn-Al-Re生产线的总体设计。采用单镀法，取消纯镀锌工序，以节能减排；应用超声波清洗技术，取消酸、碱清洗，以保护环境；取消碳末机油抹制，改为氮气抹制。（2）助镀剂配方研究，要求充分、稳定，便于制取，无污染。（3）镀丝恒张力控制装置设计，保证镀丝平稳，提高镀层表面均匀光滑性。（4）氮气抹拭器设计，防止镀层氧化，上锌量均匀，表面无瘤、无刺。（5）倒立式收线装置设计，以提高收线速度，DV值可达170。（6）超声波清洗装置的选型及改造设计，具有清洗液循环利用和回收功能。2.关键技术（1）助镀剂配方的实验研究（2）氮气刀抹拭器设计（3）倒立式收线机的设计3.主要技术指标（1）钢丝范围φ1.2mm-φ6.0mm（2）钢丝材料分低碳钢丝和高碳钢丝（3）最大镀层重量460g/㎡（4）96小时盐雾实验0.0223g/㎡.h（5）使用寿命比率（与纯镀锌层比较）3-10冷却冷却烘干烘干放线放线抺拭抺拭收线收线锌—10%铝—稀土合金槽锌—10%铝—稀土合金槽新型助镀剂槽水洗槽超声波脱脂清洗槽图3单镀锌—铝—稀土合金工艺示意图冷却冷却放线烘干抺拭抺拭收线碱洗脱脂槽水洗槽酸洗槽水洗槽助镀剂槽纯锌槽锌—5%铝—稀土合金槽图4双镀法工艺示意图（6）耗电量300Kw.h/t（7）环保要求，超声波中性清洗，清洗液循环使用（8）镀丝速度DV值85~200（变频调速）三、项目研究与设计1.Zn-Al-Re助镀技术原理研究采用电解沉积法，电解液中含ZnCl272%，NH4CL18%，Na(OH)10%等。金属离子在电极的作用下进行氧化还原反应，在电极过电位的作用下，使不易单独沉积的铝离子、锌离子以及铁离子，在做为阴极的钢丝表面共同沉积结晶，形成合金膜。在该合金膜的外层又形成助镀剂膜，起到防氧化作用。当钢丝进入合金槽时，该膜溶解，而合金膜能够使Zn-Al-Re熔液牢固的附着在基体上，形成镀层。助镀剂的配方必须与Zn-Al-Re熔液中的铝含量相匹配。2.Zn-10%Al-Re生产线设计（见图3）（1）工艺流程放线——超声波脱脂清洗——水洗——助镀剂——烘干——锌-10%铝-稀土合金热镀——抹拭——风、水冷却——收线（2）主要设备组成：放线装置、超声波清洗槽、水洗槽、助镀剂槽、烘干装置、Zn-Al-Re镀槽、抹拭器、风、水冷装置和倒立式收线装置。（3）镀丝速度的设计镀丝速度取决于镀层重量的不同，镀层重量在则速度快，反之则慢。而清洗时间、助镀时间和合金热镀时间则需与之相匹配。若镀丝速度高，则清洗槽、助镀槽及合金镀槽的尺寸就要加长，增加设备成本。反之，镀丝速度低，虽然可以减少设备尺寸，降低制造成本，但是产品镀层要求则难以实现，因此选择合理的相互匹配的设备设计是重要的。通过实验研究，合理的清洗时间t1=7sec，助镀时间t2=16sec，合金热镀时间t3=20sec，助镀电压23V，助镀电流密度1.9a/dm2-3.0a/dm2。考虑到不同直径的钢丝，其三种工序时间有所不同。我们选取的DV值为85~200。采用变频控制，调速方便。依照最高速度设计清洗槽为5m、助镀槽为3m、合金镀槽尺寸为6m。3.镀丝恒张力控制装置设计利用杠杆原理检测收/放线的张力变化，当放线速度小于收线速度时，重锤被提高，杠杆右端下降并逐渐脱离电磁感应器，电磁感应器产生0~27mv信号反馈到放线控制器，控制器发出指令，则放线器瞬即升速。反之，放线器降速，依次往复控制，实现了镀丝的恒张力控制。装置的元器件型号、规格从略。该装置控制精度满足热镀生产线的技术要求。4.氮气抹拭器的设计由于Zn-Al-Re合金熔镀后对空气中的氧离子非常敏感，容易氧化，并产生锌瘤、锌刺，需要在保护气体中进行表面抹拭处理。传统的碳末抹拭法会在镀层表面发生漏铁、气泡、锌瘤以及锌刺等现象，不仅影响表面质量，更严重的是影响耐腐蚀性能。我们依据流体力学原理设计了具有氮气保护、抹拭功能的氮气抹拭器。工作原理：将一定压力的氮气充入保护区，使钢丝与外界空气隔离，防止钢丝表面熔液镀层氧化；由于氮气具有一定的流速，形成“气刀”，利用“气刀”对钢丝表面的熔液进行均匀抹拭，并保证了表面质量。主要技术参数：过丝孔直径：D=φ18mm~φ30mm保护区高度：H=10mm~20mm氮气压力：P≥65Mpa设计中氮气压力和流量计算很重要，抹拭器既要有保护和抹拭作用，也要避免虹吸现象，虹吸会将空气中吸入保护区，使抹拭器工作失效。详细计算和试验数据从略。5.超声波清洗器的选型及改造设计（1）超声波发生器的选型由于受车间地势狭小的影响，清洗系统所占的空间是有效的。为了保证钢丝的清洗效果，我们对超声波进行了选型，确定了超声波发生器的主要技术参数。超声波发生器主要技术参数：激振频率：75KHZ振幅：60-70mm发生器功率：8KW总功率：15KW通过实践表明超声波清洗装置满足生产工艺要求。（2）循环系统设计该装置既保障洗线液的循环使用，同时又将杂质彻底清除。主要技术参数：水泵额定压力：26MPa水泵额定流量：270l/min过滤精度：15um详细计算从略6.倒立式收线装置设计传统的纯镀锌生产线由于锌液流动性差，通常采用低速运转，故一般应用卧式收线装置即能满足生产要求。而Zn-Al-Re溶液流动性好，镀丝速度比纯镀锌线要提高3-4倍，传统卧式收线装置已远远不能满足要求因此采用倒立式收线方式。倒立式收线装置的传动原理与卧式装置的原理大同小异。本设计的重点是改变了作业方式。卧式装置在作业时，由操作者将成卷的一组钢丝从卧式卷筒上剪断并取下，这一过程是在收线卷筒运行的状况下完成的，不仅劳动强度大，当速度较快时操作不安全，而且每件成品的长度受到了限制，随着镀丝速度的提高，卧式装置更不能满足生产操作和产品技术的要求。倒立式收线装置的特征是将收线卷筒与收线架分开，可以交替更换收线架装置，满足了生产线高速运行的需求。详细设计计算从略四、主要技术创新点1.开发了一种单镀法制造含铝10%的高防腐合金钢丝，镀层中铝含量≥10%，镀层重量≥400g/㎡，使用寿命是镀锌钢丝的3~8倍，节能效果明显。2.采用电解沉积法，研制了一种Zn-Al-Re合金镀层助镀剂和添加剂，替代了纯镀锌槽及许多附属装置，产品能耗降低了50%以上，并提高了产品质量。3.研发了一种氮气抹拭器，具有防氧化保护和熔液的均匀抹拭功能，保证了产品的表面质量，并达到了环保的效果。4.开发了超声清洗装置，具有清洗和中性液体循环利用功能，替代了传统的酸（碱）清洗，节能环保明显。5.开发了一种镀丝恒张力控制装置，适用性强，便于调整和维护，成本低。五、与国内外产品主要技术性能指标及优势对比从对照表中可以看出，（1）目前国内尚无厂家生产此产品，国内可比厂家很少；（2）产品适用寿命与国外产品相当，是镀锌钢丝3~8倍，是含5%铝钢丝2倍以上；（3）环保性能优于国内外各企业；（4）能耗低，相当于同类设备的50%；（5）设备造价低，只是国外设备的1/5到1/4。由于产品的性价比高，国内外市场竞争力强。对照表对比项目本公司生产的Zn-10%AL-RE日本新日亚产Zn-10%AL-RE其它国