单镀锌10%铝稀土合金高防腐镀层钢丝生产工艺及其成

单镀锌10%铝稀土合金高防腐镀层钢丝生产工艺及其成

登记号：20181639

已取得6项有用专利，申报1项发明专利

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，全公司治理人员均为工程技术人员。

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—2018—ISO9001:2018质量体系认证。此外，我公司参与制订了国家标准GB/T 20492—2006《锌—5%铝—混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》、行业标准YB/T 4221—2018《机编钢丝网用镀层钢丝》。

我公司要紧产品为锌—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。2018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、建筑了具有目前国际先进水平的，采纳全新工艺，能够生产大盘重、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

2018年09月

目录

一、立项背景

二、要紧工作内容

1 工作思路

2 要紧工作内容

三、组建项目组及工作打算安排

1 项目负责人及要紧成员

2 工作打算安排

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，假如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,不可挽回的缺失了。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峻的咨询题，造成资源大量流失和工程、制造费用的极大白费。致力于加强和提高钢铁制品的防腐性能，降低缺失，差不多成为保证国民经济健康进展的重要课题。

早在二十世纪八十年代欧、美和日本几大钢铁公司，托付国际铅锌研究组织（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，但由于技术缘故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。不管5%铝，依旧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。现在国际上普遍采纳双镀法生产。所谓双镀法，确实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固。

鉴于上述缘故我公司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。

2018年以来，该生产线已达到即可生产一般镀层重量（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，受到宽敞客户的青睐。

二、要紧工作内容

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要紧工作内容

(1) 助镀剂的研究。解决镀层与钢基的结合性咨询题，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，提高清洗成效，幸免有害气体污染，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平均性。

(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，保证镀层平均、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打算

1. 项目负责人及要紧成员

(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。

要紧工作业绩，主持项目开发包括：①微机操纵钢丝精细排线设备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，积存了丰富体会，专门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专门造诣和组织和谐能力，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奉献。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进展，使企业的经济收入逐年递增，2018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)项目组要紧成员

2. 工作进度打算

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2018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：一般镀层（200 g/m2左右）产品

厚镀层（≥400 g/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、一般镀层和厚镀层钢丝。

2. 2003年至2018年，产品通过了五家权威部门检验，检验结果讲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/T4221-2018《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、环保成效明显，符合国家“十二五”期间战略新兴领域进展的目标。

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、环保成效。

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

2018年09月

目录

一、国内外技术现状与进展趋势

二、要紧研究内容、关键技术和要紧技术指标

1.要紧研究内容

2.关键技术

3.要紧技术指标

三、项目研究与设计

四、要紧技术创新点

五、与国内外产品要紧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、国内外技术现状与进展趋势

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先提高了10倍，而提高使用寿命的要紧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进展趋势之一。

Zn-Al-Re镀层之因此能够提高钢铁的耐腐蚀性，它要紧取决于三个方面：

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）出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）出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固，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爱护作用。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

现间隙、裂纹等微损时，锌元素对基体牺牲性爱护，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爱护作用；

最后，也是最重要的一个方面，即镀层表面氧化铝膜的形成。锌对基体的爱护属牺牲性爱护，随着时刻的推移，镀层表面的锌原子被氧化消逝，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、稳固性强的氧化铝膜，且该铝膜会越来越厚，最后几乎形成氧化铝层（可达30μm以上，要紧化学成分是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，因此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一般助镀剂的作用下第一进行物理反应，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。需要专门指出的是由于Zn-Al-Re合金与纯锌的化学成分存在较大差异，一般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，国际上普遍采纳双镀法（Wire Galvanizing—double Dip Process）来镀Zn-Al-Re合金镀层。

所谓双镀法（见图4）确实是先进行一般的镀锌，但浸锌时刻较短，形成锌铁合金层后，再浸入锌铝合金熔液通过数秒后，即完成浸镀过程。

从示意图4能够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刻的增加而降低。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，如此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固。

双镀法中存在3个咨询题：（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）采纳电解酸洗，电解碱洗，易污染环境且投资成本高。（3）产品的含铝量不易操纵，故耐蚀性不平均。解决上述咨询题的唯独方法，即采纳单镀法（见图3），所谓单镀法，确实是取消镀锌工序，直截了当将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（special flux）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全然无法满足单镀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专门助镀剂外，还必须将传统的热镀锌线进行完全的改造。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合金线的稳固技术；（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中意的成果，专门在单镀Zn-Al-Re合金产品上的突破并实现大规模稳固生产在国内外同行业中几乎是唯独的。

二、要紧研究内容、关键技术和要紧技术指标

1.要紧研究内容

（1）热镀Zn-Al-Re生产线的总体设计。采纳单镀法，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，以爱护环境；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、稳固，便于制取，无污染。

（3）镀丝恒张力操纵装置设计，保证镀丝平稳，提高镀层表面平均光滑性。

（4）氮气抹拭器设计，防止镀层氧化，上锌量平均，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.要紧技术指标

（1）钢丝范畴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

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

放线 超声波脱脂清洗槽 水洗槽 新型助镀剂槽 锌—10%铝—稀土合金槽

烘干 冷却 抺拭 收线

（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纳电解沉积法，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）要紧设备组成：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。而清洗时刻、助镀时刻和合金热镀时刻则需与之相匹配。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，尽管能够减少设备尺寸，降低制造成本，然而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，合理的清洗时刻t1=7sec，助镀时刻t2=16sec，合金热镀时刻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，其三种工序时刻有所不同。我们选取的DV值为85~200。采纳变频操纵，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.镀丝恒张力操纵装置设计

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，杠杆右端下降并逐步脱离电磁感应器，电磁感应器产生0~27mv信号反馈到放线操纵器，操纵器发出指令，则放线器瞬即升速。反之，放线器降速，依次往复操纵，实现了镀丝的恒张力操纵。

装置的元器件型号、规格从略。

该装置操纵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专门敏锐，容易氧化，并产生锌瘤、锌刺，需要在爱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，不仅阻碍表面质量，更严峻的是阻碍耐腐蚀性能。

我们依据流体力学原理设计了具有氮气爱护、抹拭功能的氮气抹拭器。

工作原理：将一定压力的氮气充入爱护区，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平均抹拭，并保证了表面质量。

要紧技术参数：过丝孔直径：D=φ18mm~φ30mm

爱护区高度：H= 10mm~20mm

氮气压力：P≥65Mpa

设计中氮气压力和流量运算专门重要，抹拭器既要有爱护和抹拭作用，也要幸免虹吸

现象，虹吸会将空气中吸入爱护区，使抹拭器工作失效。

详细运算和试验数据从略。

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阻碍，清洗系统所占的空间是有效的。为了保证钢丝的清洗成效，我们对超声波进行了选型，确定了超声波发生器的要紧技术参数。

超声波发生器要紧技术参数：

激振频率：75KHZ

振幅：60-70 mm

发生器功率：8KW

总功率：15 KW

通过实践讲明超声波清洗装置满足生产工艺要求。

（2）循环系统设计

该装置既保证洗线液的循环使用，同时又将杂质完全清除。

要紧技术参数：

水泵额定压力：26MPa

水泵额定流量：270 l/min

过滤精度：15 um

详细运算从略

6.倒立式收线装置设计

传统的纯镀锌生产线由于锌液流淌性差，通常采纳低速运转，故一样应用卧式收线装置即能满足生产要求。而Zn-Al-Re溶液流淌性好，镀丝速度比纯镀锌线要提高3-4倍，传