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國內外熱浸鍍鋁鋼材的生產與應用概況

一、 前言

鋼材熱浸鍍鋁是對鋼制型材及零部件施加熱浸鍍鋁層,從而賦予鋼材耐腐蝕、耐高溫氧化、耐硫化物腐蝕及一定裝飾性等性能的一項材料表面處理技術。其工藝過程是:被鍍鋼材首先進行前處理,接著浸入水溶液助鍍熔劑,干燥后浸入熔融熔劑,之后再浸入熔融鋁中(二浴法)或直接浸入表面有覆蓋劑的熔融鋁液中(一浴法)數分鐘,提出冷卻,經過后處理,從而在鋼材表面上形成與鋼基體呈冶金結合的、外觀銀白色的鍍鋁層。

鍍鋁層由外表的鋁層和位于其下的鐵鋁擴散層所組成。鐵鋁層是極硬的和高熔點的金屬間化合物(Fe3AL5),具有極好 的耐高溫氧化性和耐磨性。鋁層是與鍍鋁液成分相同的鋁或鋁基合金,具有優良的耐蝕性及一定的裝飾性。所以,用鋼材熱浸鍍鋁技術生產的產品——熱浸鍍鋁鋼材,是具有鋼基體的機械強度,鋁的優良外觀和耐蝕性、鐵鋁擴散層的耐高溫氧化性和耐磨性的高小鋼材。因為熱浸鍍鋁鋼材具有許多特殊的性能,因此被廣泛應用于石油、華工、冶金、機械、建筑、交通、輕工、農牧、船舶、電力、汽車、海洋工程及高速公路工程等各個領域。

二、 國內外概況

鋼材熱浸鍍鋁技術國外從30年代開始進行工業研究,50年代實現工業化生產,目前工藝技術成熟,產品廣泛應用于耐腐蝕和耐高溫氧化領域。對于結構件熱浸鍍鋁的生產方法。美國最初多采用二浴法臥式鍋,但規模都比較小,如通用公司發明的二浴法熱浸鍍鋁工藝依次可鍍12磅的坦克換熱器4只,見圖1。在1955年美國鏈纜公司發明水溶液助鍍劑使一浴法成功后,各國都傾向于采用一浴法。目前日本采用一浴法臥式鍋,蘇聯多采用鈍化法立式鍋。由于結構件熱浸鍍鋁件品種多,難以實現自動化大批量生產,在高工資國家導致產品成本高,所以在發達國家自70年代達到頂峰后,其發展并不明顯,一直維持其原由的水平,其發展重點轉向帶鋼的連續熱浸鍍鋁方面。

國內因結構件熱浸鍍鋁技術設備投資少,所以重點開發了結構件熱浸鍍鋁技術。早在1964年,天津軋鋼一廠曾引進一套日本一浴法熱浸鍍鋁設備,因產品成本高滯銷而未成功。70年代初,上海鋼管廠開發了一種以鋅與演算反映產物作助鍍劑的熱浸鍍鋁技術,生產6m以下的換熱器用鋼管,主要用于石化、化肥、冶金等行業,存在的問題是鋼質鍋使用壽命短,鍍鋁層不連續有漏鍍現象,因而未獲大量應用,后來停產。70年代末,湖北云夢化工機械廠開發了一種鈍化法熱浸鋁技術,主要生產電廠鍋爐水冷壁管,硫酸工業用管,加熱爐高溫空氣預熱器用管等。上述兩種熱浸鋁技術都要要求熱浸鋁溫度在730℃以上,導致鍍鋁層含鐵量高,耐大氣腐蝕性能不好,只能擴散處理后用于耐熱場合。有鑒于此,在1992年東北大學開發了一浴法熱浸鍍鋁技術,在廣州獲得應用,首次在國內生產鍍鋁高速公路護欄。1993年北京鋼鐵研究總院開發成功以氯化鋅為主的低溫溶劑二浴法熱浸鍍鋁技術,在河北中通鋁廠應用,專門為高速公路生產鍍鋁護欄。

雖然上述一浴法和低溫熔劑二浴法這兩種熱浸鍍鋁技術較以前的鈍化法等熱浸鋁技術相比有了明顯的進展,但離用戶的要求還有很大的距離。一浴法因采用臥式生產方式和使用的熔劑性能不穩定,所以導致部分產品存在漏鍍、變形、粘渣及顏色不一致等缺陷,成本高,生產廠家難以為繼。低溫熔劑二浴法存在煙霧污染環境,成本高,持續生產時間短等缺點,更是受到環保部門的處罰,也未能獲得廣泛應用,取得好的經濟效益,,目前已沒有廠家使用。

針對國內熱浸鍍鋁技術存在的問題,東北大學借1997-1998年鐵嶺——四平110公里高速公路采用熱浸鍍鋁護欄之機,從97年10月開始在長春市高速公路護欄廠對原一浴法進行工業改進試驗,到98年5月獲得成功,從此正式實現了我國熱浸鍍鋁正常工業生產,其產品質量達到國內領先水平。在為鐵嶺——四平高速公路提供護欄的分別使用四種技術的五個廠家中,長春市高速公路護欄廠采用改進一浴法生產的護欄板被高速公路建設指揮部評為質量第一,遠遠優于二浴法、原一浴法及鈍化法的產品。之后采用其他技術的廠家均改進一浴法或退出供貨,目前有長春市高速公路護欄廠、吉林永大集團熱鍍鋁有限公司、沈陽電鍍廠(由低溫熔劑二浴法改為改進一浴法)、沈陽新銀基熱浸鍍鋁有限公司(由原一浴法改為改進一浴法)、鞍山銀馬熱浸鍍鋁有限公司(由原一浴法改為改進一浴法)和錦州德邦熱浸鋁有限公司等六家企業使用本項改進一浴法熱浸鍍鋁技術。

改進一浴法熱浸鍍鋁技術在高速公路護欄方面應用的業績為:98年鐵嶺——四平110公里高速公路中的40公里,98-99年錦州——山海關160公里的高速公路,99-2000年沈陽——錦州190公里,2001-2002錦州——朝陽、錦州—阜新、盤錦——海城和本溪——丹東共計451公里,長春——扶余160公里,長春饒城50公里。2003-2004沈陽——大連375公里高速公路。

一浴法熱浸鍍鋁技術經過多年的發展及改進,目前已發展成三種不同設備類型的工藝技術,在設備上既有臥式又有立式結構,既可采用電加熱又可采用油加熱。在工藝上既可采用改進一浴法,又可采用高溫熔劑二浴法來生產熱浸鍍鋁產品,或采用水溶液助鍍劑無覆蓋劑法生產熱浸滲鋁產品,為目前國內技術上最成熟、產品成本最低的鋼材熱浸鍍鋁技術。

三、 熱浸鍍鋁與滲鋁的比較

熱浸鍍鋁與滲鋁鍍層結構不同,則產品性能也不同,前者的比較見表1。從表1可以看出,二浴法熱浸鍍鋁產品性能最為全面,特別適合在液相介質中應用。

表1 熱浸鍍鋁與滲鋁的比較

項目 滲鋁 鍍鋁
工藝種類 粉末包埋滲鋁 鈍化法熱浸滲鋁 一浴法熱浸鍍鋁 二浴法熱浸鍍鋁
基體鋼材種類 碳鋼、特殊鋼 碳鋼 碳鋼、特殊鋼 碳鋼、特殊鋼
鍍件單重
涂層結構 鐵鋁合金層 鐵鋁合金層 鐵鋁合金層+鋁層 鐵鋁合金層+鋁層
涂層厚度(mm) 0.1-0.3 0.2-0.4 0.1-0.3 0.1-0.5
涂層致密性 易有漏滲點或針孔 有針孔
涂層外觀 灰色 灰色 銀白色 銀白色
涂層性能 抗氧化和耐氣相介質腐蝕性能好,在液相介質中須先試驗 抗氧化和耐氣相介質腐蝕性能好,在液相介質中耐腐蝕性能低 抗高溫氧化差,耐氣相及液相介質腐蝕性能好。 抗高溫氧化差,耐氣相及液相介質腐蝕性能好。
涂層可焊性
生產工藝性 產量低 產量高,熔鋁坩堝使用壽命短1個月。 產量高。熔鋁坩堝使用壽命長1年。 產量高。熔鋁坩堝使用壽命長1年。
設備投資
成本

四、 熱浸鍍鋁鋼材的應用

熱浸鍍鋁鋼材的突出性能是耐蝕性、耐熱(氧化)性和耐硫化物腐蝕新。在耐蝕性方面,與熱鍍鋅鋼材相比特別適合于耐含硫工業大氣、海洋大氣、江河湖泊、公路兩側及城市環境、溫泉水、工業冷熱水及還水等熱鍍鋅鋼材耐蝕性不足的地方。在耐熱方面,在450℃以下使用,能長期保持鋁的銀白色外觀,對熱(光)具有良的反射性能。在450℃以上使用,則純鋁層逐漸轉變(或預先擴散處理)為鐵鋁合金層而顯示優良的耐高溫氧化性,其性能相當于18-8不銹鋼,可在800℃以下長期使用,特別適合于在各種加熱爐及熱加工等設備上應用,替代耐熱鋼節約投資或延長設備使用壽命。耐硫化物腐蝕是熱浸鍍鋁鋼材特有的性能。對耐硫化物腐蝕來說,熱浸鍍鋁鋼材是最經濟又耐蝕的材料。目前國外已將熱浸鍍鋁鋼材廣泛應用于石油精制、硫酸制造及煤的氣化等方面,以防止高溫硫化物腐蝕。

下面是日本明豐工程技術株式會社生產的鋼材熱浸鍍鋁產品及應用領域:

1. 鐵道工程:

軌道魚尾板、螺栓、螺母、道釘、導電弓(電車架式受電弓)、客貨車屋頂板、扶手(欄桿)五金、信號用鐵錢類、電線懸吊裝置及吊架、螺絲接頭、固定壓緊裝置、接線栓、卡箍等。

2. 郵政電訊:工程:

電線桿手柄、角鋼支架、螺栓、螺母、電線、電線保護管、鐵塔、其它內外線機具類。

3. 建筑工程:

屋頂板、壁板、天花板、窗框、百葉窗、煙筒、傳送帶導管、吊勾、吊鏈、螺絲接頭、自來水管道、煤氣管道及其管接頭、通風機、落水管、鉸鏈及折頁類、鐵定等及其它洗澡盆器具類。

4. 熱工工程:

汽缸以內感管材、煤氣管及接頭類、加煤機、爐蓖、鏈爐蓖、風咀器具、散熱器具類、熱交換器類、設備發熱器(加熱器)、超級加熱器、熱風管、采暖爐類、加熱爐體部件、一切溫度測定用加熱裝置、爐底板、溫度計保護管、各種燃燒器、采暖爐下部的管道、氣閘、風門、擋板、煙道閘板類、排氣管道、滲碳灌類、淬火器具及退火爐部件、氣缸蓋、排氣管及閥、送風機、各種泵、箱、蓋、罩及井框支架、滾子、葉輪及滑道等、制冷機用部件、電加熱爐部件、煤氣燃燒器具類干燥機部件、石油精溜裝置、煤氣及發生爐裝置、干溜裝置等。

5. 船舶工程:

錨及其鏈條、船舶用各種鐵板、螺旋槳、鋼鐵繩索、船舶用引擎部件、各種管道類、泵類、其它養殖業用線材類。

6. 食品工業:

乳制品器械、食品器械類、烤箱、烘箱、加熱器具、魚箱及盒、冷藏庫、廚房一流物槽(臺)、食品加工機械器具、油脂加工裝置等。

7. 石油化工工程:

熱交換器、空氣預熱器、工業用水管道、海水管道、箱(盒)式冷卻器、滅火管道、加氫提煉、燃燒器(噴咀)圓錐漏斗、熱壓器、高壓(蒸)鍋、轉逆線路管道、石油管道、硫化物和氫化物等氣體管道。

8. 日用品器具類:

一般家庭金屬器具類:爐蓖、燒烤魚網、平鍋、炒鍋、桶類、煙筒、煤油爐等。

9. 汽車用部件:

發動機閥、排氣集合(歧)管、排氣管、消聲器、及車體部件等

“整體熱浸鍍鋁換熱器(管束)”與其他換熱器的比較

“整體熱浸鍍鋁換熱器(管束)”是鞍山市銀馬熱浸鍍鋁有限公司自行投資,聯合東北大學研制成功的一種耐腐蝕換熱器產品。經國內外查新,屬世界上首創。該產品是將組裝好的鋼制換熱器管殼或管束整體進行熱浸鍍鋁,因此其性能是既具有鋼的強度,又具有表面鋁層的耐蝕性,與其他材料制造或表面防護的換熱器相比,具有許多獨特的性能,見下表。

“整體熱浸鍍鋁換熱器(管束)”與其他換熱器的比較

種類 工藝特點及表面層的物理性能 耐腐蝕性能 相對
成本
碳鋼換熱器 —— 耐腐蝕性能差,易堵塞 1
涂覆非金屬涂料換熱器 常溫涂覆,常溫或低溫固化。對基體強度無影響。工藝要求較高。組裝后涂覆,不漏基體,但不能消除管與管板、折流板間的縫隙。涂層與基體為物理化學結合,結合力差,硬度低。 主要用于水冷器的防腐,一般可延長一個運行周期。不堵塞。涂層附著力差,不耐沖刷,不耐熱。 2
化學鍍鎳磷合金換熱器 常溫鍍覆,對基體強度無影響。工藝要求嚴格,大件不易獲得合格鍍層。組裝后涂覆,不漏基體,但不能消除管與管板、折流板間的縫隙。鍍層與基體機械結合,結合力一般硬度高,難以徹底消除針孔。 耐所有類型的腐蝕。但因為是陰極性鍍層,并且難以消除針孔,實際應用中無法展示其優異的性能,一般只能延長1~2個運行周期。 4
粉末滲鋁換熱器 900℃,10~15h處理,導致基體金屬晶粒粗大,強度下降較多,工藝要求一般。滲鋁后焊接組裝,破壞滲鋁層,焊縫與滲鋁層性能有差別。滲鋁層與基體為冶金結合,結合力好,硬度高(Hv500). 耐高溫硫腐蝕,耐環烷腐蝕性能等同于361L,不堵塞。抗考問氧化。耐沖刷。在低溫HCL+H2S+H2O,H2S+H2O環境性能優勢一般。焊縫決定最終使用壽命。 4
整體熱浸鍍鋁換熱器 700℃,2~3h處理,基體強度稍微下降,工藝要求一般。組裝后鍍鋁,不漏基體,將管與管板、折流板間的縫隙全部釬焊。鍍層為兩層:鋁層和合金層,與基體為冶金結合,結合力好,其合金層硬度高達Hv900。 在高溫環境體現合金層(滲鋁層)的優良性能,在其他環境體現鋁層的優秀耐腐蝕性能,在硫腐蝕環優于不銹鋼,無應力腐蝕。不堵塞,耐沖刷。消除了管與管板、折流板間的縫隙的腐蝕。用于不銹鋼換熱器可消除應力腐蝕。 3
不銹鋼換熱器 —— 耐蝕性能優良,但選材不當易產生應力腐蝕。 5

由上表可見,“整體熱浸鍍鋁換熱器(管束)”是性能最全面,綜合性能優良,性價比最高的一種換熱器產品。

東北大學
2004年11月

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