钢丝单镀GALFAN合金的工艺方法及其设备.pdf

本发明涉及一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法及其设备。该方法依次包括放线、脱脂、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀、垂直引出、抹拭、强制冷却和收线工序，其特征在于所述助镀采用电解助镀方法，其电解液配方为硫酸锌8－12％、GD－L催化剂2.5－3％、水余量；助镀的走线速度为15－70米/分时，其对应的电流密度为1000－5000A/m2。该设备中的所述的热浸镀工序采用耐熔锌腐蚀合金管制造的内加热器。本发明方法助镀液成分少，且稳定易控，生产成本低廉，并可保证产品质量。本发明设备结构简单，适用性好，成本低廉。

1.  一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，依次包括放线、脱脂、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀、引出、抹拭、强制冷却和收线工序，其特征在于所述助镀采用电解助镀方法，其电解液配方为硫酸锌8-12％、GD-L催化剂2-3％、水余量；助镀的走线速度为15-70米/分时，其对应的电流密度为1000-5000A/m²。

2.  根据权利要求1所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，其特征在于所述的助镀工序中的锌板电极4以平铺镀槽1底部的方式设置。

3.  根据权利要求2所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，其特征在于所述的热浸镀工序采用内加热陶瓷锌锅热镀Galfan合金技术。

4.  根据权利要求1、2或3所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，其特征在于所述的抹拭工序采用以压缩空气作为抹拭材料的气刀抹拭技术。

5.  根据权利要求4所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，其特征在于所述气刀抹拭装置安装位置的高低及其与所镀钢丝之间夹角的大小均可调整。

6.  根据权利要求5所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，其特征在于所述的气刀抹拭装置安装位置向上仰起，与所镀钢丝之间夹角为1-10°。

7.  一种适用于钢丝单镀Galfan合金工艺方法的设备，其特征在于该设备中所述的热浸镀工序采用耐熔锌腐蚀合金管制造的内加热器。

钢丝单镀Galfan合金的工艺方法及其设备
技术领域
本发明涉及冶金行业中的金属制品制造技术，具体为一种金属制品镀层技术，特别是一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法及其设备，国际专利主分类号拟为Int.Cl⁷.C25D 3/22。
背景技术
Galfan合金是指Zn+5％Al+Re_少量的合金。这种Galfan合金镀层，无论是对于线材，还是管材、板材和带材，都较目前广泛采用的纯锌镀层的耐腐蚀性提高2-3倍，因而可解决被镀金属制品在特殊环境的应用问题。同时用Galfan合金取代纯锌镀层还会产生巨大的经济效益：首先，Galfan合金镀层可增强镀层金属制品的耐蚀性。Galfan合金镀层产品比传统镀锌制品具有明显的耐腐蚀优势，例如对腐蚀性要求较高环境中使用的金属制品(如渔业使用的钢丝绳、沿海堤坝使用的钢筋等)的比较试验都可证明这一点(参见热镀Galfan钢丝具有更好的耐腐蚀性，国际线材杂志，29卷，第3期，1996年3月，78-82页；Dewitte，Marc；Hostetler，John L.Galvanizing withGalfan provides better corrosion resistance for wire products.WireJournal International v 29 n 3 Mar 1996.p 78-82)。进而，Galfan合金镀层可大幅度提高镀层制品的使用寿命。例如电缆——目前用于输变电的电缆采用钢芯铝绞线，作为强度支撑的钢芯线是通过镀锌来防腐的。这种镀锌层的耐腐蚀寿命一般为50年，因此电缆的使用寿命不高。如果钢芯线采用镀Galfan合金，其耐腐蚀寿命可以翻倍，提高到100-150年，大大延长了电缆的寿命。又例如，大型建筑构件如桥梁、铁塔、护栏等，采用Galfan镀层也都可大幅度提高使用寿命(参见  热镀Zn-5％Al涂层的微观组织、长大动力学和耐腐蚀性，腐蚀(波士顿)47卷，第7期，1997年7月，536-541页；Rocha，L.A.；Barbosa，M.A.Microstructure，growth kinetics，and corrosionresistance of hot-dip galvanized Zn-5％Al coatings.Corrosion(Houston)v 47 n 7 Jul 1991 p 536-541.)，因而显示出Galfan合金镀层金属制品的巨大的经济效益。
正是由于Galfan合金镀层金属制品的优点和经济效益，自80年代初期Galfan合金镀层在欧洲获得工业应用以来，仅十几年，欧洲的Galfan合金镀层产品已经迅速发展到了年产400万吨的工业规模。近年我国对此项技术也非常重视，自1998年天津钢丝厂引进我国第一条Galfan合金镀层钢丝生产线后，2002年上海宝钢又引进了两条生产线。此外，武钢、贵钢都已通过国家经委立项，正在积极准备建造另外两条生产线。
钢丝镀Galfan合金镀层的工艺方法有两种：一是双镀方法；二是单镀方法。所谓双镀方法就是先镀锌，后镀Galfan合金的两次镀层工艺方法。这种双镀方法工艺复杂，技术难度大，生产成本高。例如，天津钢丝厂引进的那条Galfan合金镀层生产线花费2000万人民币，而国内一条普通的镀锌线只需要200万元人民币。如此高昂的设备投资，大多数中小企业难以承受，也必然会带来很高的生产成本，使产品缺乏竞争力，同时也给推广Galfan合金镀层技术带来了巨大的阻力和困难。所谓单镀工艺是指省去前道纯镀锌工序，直接镀Galfan合金的工艺方法。很明显，单镀方法工艺简单、生产周期短，成本也低，是目前国内外致力研究的方向。
美国专利US 4738758报道了一种名称为“一次浸镀法”镀Galfan合金的镀层技术。该技术使用了Galfan专用电解助镀剂，主要成分为ZnCl₂、NaCl、KCl、NaF、HF和(或)KF等。该方法是先把工件浸入含有锌离子的电解液中，使该金属以电沉积的方式先在工件表面形成一极薄的金属层(锌)，助镀剂再包覆在该金属薄层上，然后进行Galfan热浸镀。这种单镀方法的主要问题是助镀剂的成分太复杂，使其生产过程中的稳定性差，镀液成分难于控制，大规模工业化生产困难。日本专利JP 0130839也报道了一种名称为“溶剂法”单镀alfan合金的镀层技术。该技术是在钢金属或钢丝表面采用溶剂助镀后热浸镀锌铝合金涂层，助镀剂的主要成分为ZnCl₂、SnCl₂及碱土金属等。这种单镀方法存在因助镀剂配方中含有Cl元素，热镀Galfan合金时Cl与Al反应形成低熔点的AlCl₂，并气化造成镀层出现多孔或漏镀的缺陷，因此该技术无法实际获得工业应用。国内一篇题目为“热镀Zn-5Al-RE合金制绳钢丝生产试验”的文献(李广龄，罗战强，金属制品，1991；17(2)：13-15)报道了宁波渔业钢丝绳厂采用单镀工艺完成了热镀Zn-5Al-RE合金制绳钢丝的生产试验(工业性中试，钢丝投料24吨)。其工艺过程为放线→脱脂→酸洗→水洗→助镀→烘干→热浸镀→垂直引出→擦拭→强制冷却→收线。此项研究采用了单纯的化学助镀方法，类似于热镀锌的助镀方法。但该研究目前证明是不成功的方法。它主要存在着如下问题：1.镀层质量不好。存在微孔和漏镀，尤其是走线速度高，生产量大时，问题尤为突出(废品率高达13％)；2.产量低。因其走线速度太低，最高只有14米/分，而正常的工业生产走线速度至少要高于40米/分，显然产量很低，没有实用价值。如此低的走线速度带来的问题不仅是产量太低，生产成本畸高；还会使得产品的上锌量太低，达不到质量标准要求。总而言之，该文献报道的研究结果没有得到工业生产应用。
另外，现有国外单镀技术的抹拭工序采用氮气(参见线材和高强螺栓的Galfan保护涂层，德国世界第一部1992，78卷第一期，22-24页；Nuenninghoff R，Sczepanski K.Protective coating.Galfan-coatingof wire and high-strength screws.Part 1.Draht Welt，1992，78(1)：22-24，)，使用和管理成本太高，也不利于实际生产使用。
发明内容
针对现有单镀方法的不足，本发明主要解决所述的技术问题是提供一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法和设备。该方法具有工艺方法简单，生产成本低廉，产品质量稳定和可工业化生产等优点。该设备具有技术先进，结构简单，适用性好，成本低廉等优点。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是：设计一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，该方法依次包括放线、脱脂、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀、垂直引出、抹拭、强制冷却和收线工序，其特征在于所述助镀采用电解助镀方法，其电解液配方为硫酸锌8-12％、GD-L催化剂2.5-3％、水余量；助镀的走线速度为15-70米/分时，其对应的电流密度为1000-5000A/m²。
本发明解决所述设备技术问题的技术方案是：设计一种适用于钢丝单镀Galfan合金工艺方法的设备，其特征在于该设备中地所述的热浸镀工序采用耐熔锌腐蚀合金管制造的内加热器。
本发明所要解决的技术问题是提供一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法和相应的使用设备。对于所述的工艺方法而言，本发明的所述助镀采用电解助镀方法，其电解液配方只有硫酸锌、GD-L催化剂和水三种物质(不计水只有两种添加物质)，远少于所述的现有技术，也就是说本发明电解液成份简单，变数少，影响因素少，工艺控制容易。实际上，本发明只需要控制锌离子浓度和酸度即可保证镀液的稳定性和助镀层的质量，进而最终保证单镀工艺的Galfan镀层与基体结合的结合力。同时，由于助镀液成份少，且稳定易控，因而生产成本低廉，并易于生产维护，可保证产品质量。试验表明，本发明方法可彻底解决Galfan合金与铁基体直接的结合的单镀工艺问题，没有漏镀，而且走线速度可以充分满足生产量和上锌量的要求，实现工业化生产的连续稳定运行。
对于所述的设备而言，本发明设备的特征是所述的热浸镀工序采用了耐熔锌腐蚀合金管制造的内加热器。镀Galfan合金的锌锅必须采用陶瓷制锌锅，以避免铁锅对镀液成分的影响。而陶瓷锌锅的加热很困难，一般采用的加热方式是上加热。但这种加热方法热效率低、能耗高、锌耗高，不经济；而本发明采用的内加热方式较上加热方式可节能43％，节锌10-15％，从而可以降低镀锌的生产成本，使这种技术和产品更容易推广。由于所述的耐熔锌腐蚀合金管内加热器是首次将申请人的另外两项专利技术(CN 1211894和CN2340144)引入到热镀Galfan合金的设备和工艺中来的，因此具有技术先进，结构简单，适用性好，成本低廉等优点。
附图说明：
图1是本发明方法所述的电解助镀锌板电极在镀槽内的设置方式示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详细描述本发明。
本发明设计的方法是：设计一种钢丝单镀Galfan合金的工艺方法，依次包括放线、脱脂、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀、垂直引出、抹拭、强制冷却和收线工序，其特征在于所述助镀采用电解助镀方法，其电解液配方为硫酸锌8-12％、GD-L催化剂2.5-3％、水余量；助镀的走线速度为15-70米/分时，其对应的电流密度为1000-5000A/m²。现有技术主要存在的两个问题：一是如何保证Galfan合金与镀件的结合力，解决镀件镀层稳定和漏镀问题；二是如何保证镀层厚度问题。一般而言，单镀工艺的镀层厚度本身比较薄，要想满足厚度要求就需要比目前更高的走线速度，但这很难实现。显然，只有解决了上述两个问题，保证镀层的质量和厚度，单镀工艺才是工艺简单、成本低廉，可工业化实施的实用工艺方法。本发明工艺方法比较好地解决了现有技术存在的两个问题：首先，本发明采用电解助镀工艺，它可在金属表面形成一薄层多孔、疏松的络合物富锌层，依靠该络合物富锌层可以使其与Galfan合金反应，生成稳定的结合层，因而就可解决单镀工艺的Galfan镀层与基体结合的难题。本发明的电解液成份不超过3种，只有水、硫酸锌和GD-L催化剂，简单的电解液成份可保证连续生产的稳定性。因为电解液成份简单，变数就少，影响因素也就少，控制少量变量要比控制多数变量更容易，因而可以保证助镀液的稳定性和助镀层的质量，最终保证Galfan镀层与基体良好结合。进一步看，本发明电解液的主要成份硫酸锌和GD-L催化剂，也是容易控制的物质。实际上，本发明方法只需要控制锌离子浓度和酸度即可保证助镀液的稳定性和助镀层的质量。助镀液(电解液)的成份少，且为常规物质，因此，可使工艺简单，成本低廉，便于工业化推广实施。本发明工艺方法在助镀工序时的走线速度为15-70米/分时，完全可以满足实用工业化的产量要求，其对应的电流密度为1000-5000A/m²。一般匹配原则是：走线速度快时，其对应的电流密度大。具体工艺参数与产品的镀层厚度要求有关。这意味着，在本发明助镀液条件下，合适的走线速度与匹配电流密度，可以保证镀层厚度满足设计要求，解决所述的第二个技术问题。
本发明的进一步特征在于所述的助镀工序中的锌板电极4以平铺镀槽1底部的方式设置(参见图1)。这种锌板电极4的水平设置方式与现有技术的垂直锌板电极4的设置方式不同，它可以使被镀钢丝距锌板电极4处于同一高度上，而同一高度处镀液2的锌离子浓度相同，可保证每根钢丝3的助镀条件相同，因而可保证镀层厚度相同，且均匀一致。这种锌板电极4的水平设置方式可更好地解决所述的镀层厚度问题。与所述的走线速度在15-70米/分之间时，对应电流密度的范围1000-5000A/m2的工艺参数相配合，可以保证获得高质量的助镀层。
本发明所述钢丝单镀Galfan合金的工艺方法的特征还在于所述的热浸镀工序采用内加热陶瓷锌锅热镀Galfan合金技术。该热镀Galfan合金技术是指申请人在先的两项专利技术“耐熔锌腐蚀内加热器(ZL98117359.4)”和“热镀锌用高效内加热器(ZL98218606.1)”，包括其设备和使用方法。这两项专利技术本身虽然已是现有技术，但在被成功引入到钢丝单镀Galfan合金的工艺方法中来，尚是首次，因此是一种单镀新的工艺方法，也是单镀工艺使用的一种新设备。引入该技术可使现有技术采用的镀锌锅材料由过去的铁锅变为陶瓷锌锅，避免了铁锅腐蚀产生的铁离子对镀液成分稳定性的不良影响。为了避免镀液中铁含量的增加，目前国外采用的陶瓷锌锅是上加热镀锌炉，而本发明采用的是陶瓷锌锅的内加热技术。上加热的加热方式大大提高了镀液的表面温度，加剧了铁和铝的反应，使镀液中的铝的消耗速度大大加快，而内加热是将加热器插入到锌液中加热，液面温度较液内的温度还要低，这将有利于铝的保存，从而使镀液中的含铝量变化较现有的上加热方式慢得多。同时采用内加热技术可实现热浸镀工序的精确控温，可保证镀液温度的恒定，并且成本低廉，克服现有其他加热方法成本高、温度控制不精确、设备寿命低，工业化生产困难等缺陷。
本发明所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法的进一步特征在于所述的抹拭工序采用以压缩空气作为抹拭材料的气刀抹拭技术。对于抹拭工序而言，现有技术一般采用以氮气或硫化氢气体作为抹拭材料，它的缺点是：氮气的使用成本太高，不利工业化推广应用，而采用硫化氢气体则又有毒，不利环保和操作者的健康。本发明采用的以压缩空气作为抹拭材料的气刀抹拭技术具有生产成本低，生产安全，控制容易，便于工业化实施等优点。
本发明所述的钢丝单镀Galfan合金的工艺方法的进一步其特征还在于所述气刀抹拭装置安装位置的高低及其与所镀钢丝之间的夹角的大小均可调整。这种调整可依靠气刀抹拭装置上下位置固定装置来简单实现。在其他条件不变的情况下，调低气刀的上下位置，可让钢丝表面带上来的锌液较早地凝固，可增加镀层的厚度。相反则可减少镀层的厚度。比较理想的是，所述的气刀抹拭装置安装位置向上仰起，也即气刀刀口向上倾斜，与所镀水平运行的钢丝之间夹角为1-10°。这种设计可使吹出来的压缩空气也朝斜上方向，对液态的金属锌铝合金可产生一个向上托举的力，有利于增加镀层的厚度。这种工艺性的调整可以使钢丝表面带上来的锌液适时凝固，以此来调整上锌量多少，控制镀层的厚度。因此，独特设计的气刀抹拭装置可有效地解决镀层厚度和生产量(走线速度)的矛盾，控制好上锌量。这也说明本发明可通过工艺方法(走线速度)来提高钢丝的镀层厚度，而且还可通过设备(特殊结构设计的气刀抹拭装置)安装方法的改进来控制钢丝的镀层厚度，因而可确保钢丝的镀层厚度，并确保镀层的表面质量。
本发明在解决所述钢丝单镀Galfan合金工艺方法的同时，也提出一种适用于钢丝单镀Galfan合金工艺方法的设备，其特征在于该设备中所述的热浸镀工序采用耐熔锌腐蚀合金内加热器。该内加热器由所述的申请人在先的两项专利技术“耐熔锌腐蚀内加热器(ZL98117359.4)”和“热镀锌用高效内加热器(ZL98218606.1)”所规定。也就是说，在实施本发明工艺方法的设备系列中，所述的热浸镀工序使用的设备是采用耐熔锌腐蚀内加热器(ZL98117359.4)替代现有技术的加热器。由于把专利技术耐熔锌腐蚀内加热器引入到钢丝单镀Galfan合金工艺方法的设备中是首次，因此该设备具有技术先进，结构简单，适用性好，成本低廉等优点。
本发明钢丝单镀Galfan合金的工艺方法和设备中没有述及的工序和设备，依次包括放线、脱脂、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀、垂直引出、抹拭、强制冷却和收线工序等工艺和设备，完全适用于现有技术。这也大大提高了本发明工艺方法和设备的工业适用性，便于推广和改进实施。
综上，本发明技术工艺方法和设备完全可以实现本发明的目的：降低Galfan合金镀件的生产成本，使更多的产品采用Galfan合金镀层；降低设备的初期投入资金和后期生产成本；增力Galfan合金镀层生产的容易性；使市场有更多的Galfan合金镀层产品可供消费者选择，创造更大的经济效益和社会效益。另外，本发明Galfan合金工艺方法的镀层可以成倍地增加镀件的寿命，因而可大大节省资源，有益于可持续发展。
还应当说明的是，本发明所针对的是钢丝产品单镀Galfan合金的工艺方法和设备，但其工艺方法完全可适用于其他适合镀Galfan合金产品的单镀Galfan合金的工艺方法，例如，单镀管材、板材等。同样道理，本发明所述的设备也可适用于，或者经简单适应性改造就可适用于其他适镀Galfan合金产品的单镀Galfan合金的工艺方法中所使用的设备。
下面给出本发明的具体应用实施例：
实施例1：
单镀Galfan合金的钢丝直径为2.0mm。采用本发明所述的工艺方法和设备加工。所述助镀剂配方为：硫酸锌10％、GD-L催化剂3％、其余水；走线速度40米/分，电流密度3500A/m²。检测产品钢丝的上锌量为280克/米²，符合产品设计要求。
实施例2：
单镀Galfan合金的钢丝直径1.0mm。采用本发明所述的工艺方法和设备加工。所述助镀剂配方为：硫酸锌8％；GD-L催化剂2.5％；其余水；走线速度30米/分，电流密度3000A/m²。检测产品钢丝的上锌量130克/米²，符合产品设计要求。
实施例3：
单镀Galfan合金的钢丝直径3.0mm。采用本发明所述的工艺方法和设备加工。所述助镀剂配方为：硫酸锌12％；GD-L催化剂2％；其余水；走线速度70米/分，电流密度5000A/m²。检测产品钢丝的上锌量390克/米²，符合产品设计要求。
钢丝单镀Galfan合金的工艺方法和设备尽管简单，容易，低廉，但其产品性能却并不差，甚至更好。表1给出了钢丝Galfan合金的单镀工艺与双镀工艺两者的机械性能对比情况。由表1数据可见，单镀Galfan合金的钢丝机械性能牺牲少，其附着性也好于双镀Galfan合金的钢丝。
表1钢丝Galfan合金的单镀工艺与双镀工艺的机械性能对比表