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国内外热浸镀铝钢材的生产与应用概况

一、 前言

钢材热浸镀铝是对钢制型材及零部件施加热浸镀铝层,从而赋予钢材耐腐蚀、耐高温氧化、耐硫化物腐蚀及一定装饰性等性能的一项材料表面处理技术。其工艺过程是:被镀钢材首先进行前处理,接着浸入水溶液助镀熔剂,干燥后浸入熔融熔剂,之后再浸入熔融铝中(二浴法)或直接浸入表面有覆盖剂的熔融铝液中(一浴法)数分钟,提出冷却,经过后处理,从而在钢材表面上形成与钢基体呈冶金结合的、外观银白色的镀铝层。

镀铝层由外表的铝层和位于其下的铁铝扩散层所组成。铁铝层是极硬的和高熔点的金属间化合物(Fe3AL5),具有极好 的耐高温氧化性和耐磨性。铝层是与镀铝液成分相同的铝或铝基合金,具有优良的耐蚀性及一定的装饰性。所以,用钢材热浸镀铝技术生产的产品——热浸镀铝钢材,是具有钢基体的机械强度,铝的优良外观和耐蚀性、铁铝扩散层的耐高温氧化性和耐磨性的高小钢材。因为热浸镀铝钢材具有许多特殊的性能,因此被广泛应用于石油、华工、冶金、机械、建筑、交通、轻工、农牧、船舶、电力、汽车、海洋工程及高速公路工程等各个领域。

二、 国内外概况

钢材热浸镀铝技术国外从30年代开始进行工业研究,50年代实现工业化生产,目前工艺技术成熟,产品广泛应用于耐腐蚀和耐高温氧化领域。对于结构件热浸镀铝的生产方法。美国最初多采用二浴法卧式锅,但规模都比较小,如通用公司发明的二浴法热浸镀铝工艺依次可镀12磅的坦克换热器4只,见图1。在1955年美国链缆公司发明水溶液助镀剂使一浴法成功后,各国都倾向于采用一浴法。目前日本采用一浴法卧式锅,苏联多采用钝化法立式锅。由于结构件热浸镀铝件品种多,难以实现自动化大批量生产,在高工资国家导致产品成本高,所以在发达国家自70年代达到顶峰后,其发展并不明显,一直维持其原由的水平,其发展重点转向带钢的连续热浸镀铝方面。

国内因结构件热浸镀铝技术设备投资少,所以重点开发了结构件热浸镀铝技术。早在1964年,天津轧钢一厂曾引进一套日本一浴法热浸镀铝设备,因产品成本高滞销而未成功。70年代初,上海钢管厂开发了一种以锌与演算反映产物作助镀剂的热浸镀铝技术,生产6m以下的换热器用钢管,主要用于石化、化肥、冶金等行业,存在的问题是钢质锅使用寿命短,镀铝层不连续有漏镀现象,因而未获大量应用,后来停产。70年代末,湖北云梦化工机械厂开发了一种钝化法热浸铝技术,主要生产电厂锅炉水冷壁管,硫酸工业用管,加热炉高温空气预热器用管等。上述两种热浸铝技术都要要求热浸铝温度在730℃以上,导致镀铝层含铁量高,耐大气腐蚀性能不好,只能扩散处理后用于耐热场合。有鉴于此,在1992年东北大学开发了一浴法热浸镀铝技术,在广州获得应用,首次在国内生产镀铝高速公路护栏。1993年北京钢铁研究总院开发成功以氯化锌为主的低温溶剂二浴法热浸镀铝技术,在河北中通铝厂应用,专门为高速公路生产镀铝护栏。

虽然上述一浴法和低温熔剂二浴法这两种热浸镀铝技术较以前的钝化法等热浸铝技术相比有了明显的进展,但离用户的要求还有很大的距离。一浴法因采用卧式生产方式和使用的熔剂性能不稳定,所以导致部分产品存在漏镀、变形、粘渣及颜色不一致等缺陷,成本高,生产厂家难以为继。低温熔剂二浴法存在烟雾污染环境,成本高,持续生产时间短等缺点,更是受到环保部门的处罚,也未能获得广泛应用,取得好的经济效益,,目前已没有厂家使用。

针对国内热浸镀铝技术存在的问题,东北大学借1997-1998年铁岭——四平110公里高速公路采用热浸镀铝护栏之机,从97年10月开始在长春市高速公路护栏厂对原一浴法进行工业改进试验,到98年5月获得成功,从此正式实现了我国热浸镀铝正常工业生产,其产品质量达到国内领先水平。在为铁岭——四平高速公路提供护栏的分别使用四种技术的五个厂家中,长春市高速公路护栏厂采用改进一浴法生产的护栏板被高速公路建设指挥部评为质量第一,远远优于二浴法、原一浴法及钝化法的产品。之后采用其他技术的厂家均改进一浴法或退出供货,目前有长春市高速公路护栏厂、吉林永大集团热镀铝有限公司、沈阳电镀厂(由低温熔剂二浴法改为改进一浴法)、沈阳新银基热浸镀铝有限公司(由原一浴法改为改进一浴法)、鞍山银马热浸镀铝有限公司(由原一浴法改为改进一浴法)和锦州德邦热浸铝有限公司等六家企业使用本项改进一浴法热浸镀铝技术。

改进一浴法热浸镀铝技术在高速公路护栏方面应用的业绩为:98年铁岭——四平110公里高速公路中的40公里,98-99年锦州——山海关160公里的高速公路,99-2000年沈阳——锦州190公里,2001-2002锦州——朝阳、锦州—阜新、盘锦——海城和本溪——丹东共计451公里,长春——扶余160公里,长春饶城50公里。2003-2004沈阳——大连375公里高速公路。

一浴法热浸镀铝技术经过多年的发展及改进,目前已发展成三种不同设备类型的工艺技术,在设备上既有卧式又有立式结构,既可采用电加热又可采用油加热。在工艺上既可采用改进一浴法,又可采用高温熔剂二浴法来生产热浸镀铝产品,或采用水溶液助镀剂无覆盖剂法生产热浸渗铝产品,为目前国内技术上最成熟、产品成本最低的钢材热浸镀铝技术。

三、 热浸镀铝与渗铝的比较

热浸镀铝与渗铝镀层结构不同,则产品性能也不同,前者的比较见表1。从表1可以看出,二浴法热浸镀铝产品性能最为全面,特别适合在液相介质中应用。

表1 热浸镀铝与渗铝的比较

项目 渗铝 镀铝
工艺种类 粉末包埋渗铝 钝化法热浸渗铝 一浴法热浸镀铝 二浴法热浸镀铝
基体钢材种类 碳钢、特殊钢 碳钢 碳钢、特殊钢 碳钢、特殊钢
镀件单重
涂层结构 铁铝合金层 铁铝合金层 铁铝合金层+铝层 铁铝合金层+铝层
涂层厚度(mm) 0.1-0.3 0.2-0.4 0.1-0.3 0.1-0.5
涂层致密性 易有漏渗点或针孔 有针孔
涂层外观 灰色 灰色 银白色 银白色
涂层性能 抗氧化和耐气相介质腐蚀性能好,在液相介质中须先试验 抗氧化和耐气相介质腐蚀性能好,在液相介质中耐腐蚀性能低 抗高温氧化差,耐气相及液相介质腐蚀性能好。 抗高温氧化差,耐气相及液相介质腐蚀性能好。
涂层可焊性
生产工艺性 产量低 产量高,熔铝坩埚使用寿命短1个月。 产量高。熔铝坩埚使用寿命长1年。 产量高。熔铝坩埚使用寿命长1年。
设备投资
成本

四、 热浸镀铝钢材的应用

热浸镀铝钢材的突出性能是耐蚀性、耐热(氧化)性和耐硫化物腐蚀新。在耐蚀性方面,与热镀锌钢材相比特别适合于耐含硫工业大气、海洋大气、江河湖泊、公路两侧及城市环境、温泉水、工业冷热水及还水等热镀锌钢材耐蚀性不足的地方。在耐热方面,在450℃以下使用,能长期保持铝的银白色外观,对热(光)具有良的反射性能。在450℃以上使用,则纯铝层逐渐转变(或预先扩散处理)为铁铝合金层而显示优良的耐高温氧化性,其性能相当于18-8不锈钢,可在800℃以下长期使用,特别适合于在各种加热炉及热加工等设备上应用,替代耐热钢节约投资或延长设备使用寿命。耐硫化物腐蚀是热浸镀铝钢材特有的性能。对耐硫化物腐蚀来说,热浸镀铝钢材是最经济又耐蚀的材料。目前国外已将热浸镀铝钢材广泛应用于石油精制、硫酸制造及煤的气化等方面,以防止高温硫化物腐蚀。

下面是日本明丰工程技术株式会社生产的钢材热浸镀铝产品及应用领域:

1. 铁道工程:

轨道鱼尾板、螺栓、螺母、道钉、导电弓(电车架式受电弓)、客货车屋顶板、扶手(栏杆)五金、信号用铁钱类、电线悬吊装置及吊架、螺丝接头、固定压紧装置、接线栓、卡箍等。

2. 邮政电讯:工程:

电线杆手柄、角钢支架、螺栓、螺母、电线、电线保护管、铁塔、其它内外线机具类。

3. 建筑工程:

屋顶板、壁板、天花板、窗框、百叶窗、烟筒、传送带导管、吊勾、吊链、螺丝接头、自来水管道、煤气管道及其管接头、通风机、落水管、铰链及折页类、铁定等及其它洗澡盆器具类。

4. 热工工程:

汽缸以内感管材、煤气管及接头类、加煤机、炉蓖、链炉蓖、风咀器具、散热器具类、热交换器类、设备发热器(加热器)、超级加热器、热风管、采暖炉类、加热炉体部件、一切温度测定用加热装置、炉底板、温度计保护管、各种燃烧器、采暖炉下部的管道、气闸、风门、挡板、烟道闸板类、排气管道、渗碳灌类、淬火器具及退火炉部件、气缸盖、排气管及阀、送风机、各种泵、箱、盖、罩及井框支架、滚子、叶轮及滑道等、制冷机用部件、电加热炉部件、煤气燃烧器具类干燥机部件、石油精溜装置、煤气及发生炉装置、干溜装置等。

5. 船舶工程:

锚及其链条、船舶用各种铁板、螺旋桨、钢铁绳索、船舶用引擎部件、各种管道类、泵类、其它养殖业用线材类。

6. 食品工业:

乳制品器械、食品器械类、烤箱、烘箱、加热器具、鱼箱及盒、冷藏库、厨房一流物槽(台)、食品加工机械器具、油脂加工装置等。

7. 石油化工工程:

热交换器、空气预热器、工业用水管道、海水管道、箱(盒)式冷却器、灭火管道、加氢提炼、燃烧器(喷咀)圆锥漏斗、热压器、高压(蒸)锅、转逆线路管道、石油管道、硫化物和氢化物等气体管道。

8. 日用品器具类:

一般家庭金属器具类:炉蓖、烧烤鱼网、平锅、炒锅、桶类、烟筒、煤油炉等。

9. 汽车用部件:

发动机阀、排气集合(歧)管、排气管、消声器、及车体部件等

“整体热浸镀铝换热器(管束)”与其他换热器的比较

“整体热浸镀铝换热器(管束)”是鞍山市银马热浸镀铝有限公司自行投资,联合东北大学研制成功的一种耐腐蚀换热器产品。经国内外查新,属世界上首创。该产品是将组装好的钢制换热器管壳或管束整体进行热浸镀铝,因此其性能是既具有钢的强度,又具有表面铝层的耐蚀性,与其他材料制造或表面防护的换热器相比,具有许多独特的性能,见下表。

“整体热浸镀铝换热器(管束)”与其他换热器的比较

种类 工艺特点及表面层的物理性能 耐腐蚀性能 相对
成本
碳钢换热器 —— 耐腐蚀性能差,易堵塞 1
涂覆非金属涂料换热器 常温涂覆,常温或低温固化。对基体强度无影响。工艺要求较高。组装后涂覆,不漏基体,但不能消除管与管板、折流板间的缝隙。涂层与基体为物理化学结合,结合力差,硬度低。 主要用于水冷器的防腐,一般可延长一个运行周期。不堵塞。涂层附着力差,不耐冲刷,不耐热。 2
化学镀镍磷合金换热器 常温镀覆,对基体强度无影响。工艺要求严格,大件不易获得合格镀层。组装后涂覆,不漏基体,但不能消除管与管板、折流板间的缝隙。镀层与基体机械结合,结合力一般硬度高,难以彻底消除针孔。 耐所有类型的腐蚀。但因为是阴极性镀层,并且难以消除针孔,实际应用中无法展示其优异的性能,一般只能延长1~2个运行周期。 4
粉末渗铝换热器 900℃,10~15h处理,导致基体金属晶粒粗大,强度下降较多,工艺要求一般。渗铝后焊接组装,破坏渗铝层,焊缝与渗铝层性能有差别。渗铝层与基体为冶金结合,结合力好,硬度高(Hv500). 耐高温硫腐蚀,耐环烷腐蚀性能等同于361L,不堵塞。抗考问氧化。耐冲刷。在低温HCL+H2S+H2O,H2S+H2O环境性能优势一般。焊缝决定最终使用寿命。 4
整体热浸镀铝换热器 700℃,2~3h处理,基体强度稍微下降,工艺要求一般。组装后镀铝,不漏基体,将管与管板、折流板间的缝隙全部钎焊。镀层为两层:铝层和合金层,与基体为冶金结合,结合力好,其合金层硬度高达Hv900。 在高温环境体现合金层(渗铝层)的优良性能,在其他环境体现铝层的优秀耐腐蚀性能,在硫腐蚀环优于不锈钢,无应力腐蚀。不堵塞,耐冲刷。消除了管与管板、折流板间的缝隙的腐蚀。用于不锈钢换热器可消除应力腐蚀。 3
不锈钢换热器 —— 耐蚀性能优良,但选材不当易产生应力腐蚀。 5

由上表可见,“整体热浸镀铝换热器(管束)”是性能最全面,综合性能优良,性价比最高的一种换热器产品。

东北大学
2004年11月


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