熱鍍鋅后處理產(chǎn)品與技術(shù)
鋼鐵工業(yè)必須履行涉及面更廣的法律義務(wù)（如歐洲的REACH法），同時也面臨著正在發(fā)生的全球性競爭威脅的挑戰(zhàn)，因此，引入新技術(shù)以創(chuàng)造出能夠使處理后的金屬基板的腐蝕動力學(xué)顯著降低的新工藝，這是根本要求。表面化學(xué)處理在金屬表面上生成保護(hù)層或化學(xué)覆層。對于無漂洗的情況，不需要額外的水漂洗過程。可能僅需要干燥或固化來蒸發(fā)鍍層中水分并增強(qiáng)使用性能。
已經(jīng)生效和將要生效的法規(guī)正迫使鋼鐵工業(yè)改善工藝，通過應(yīng)用更加生態(tài)友好型的解決方案，減少CO2排放、降低有機(jī)溶劑的使用、降低重金屬含量和引入無鉻涂鍍工藝。鋅磷化與鉻基鈍化正在被使用如聚硅醚或鈦鋯鹽取代，后者已經(jīng)在各種金屬處理中得到應(yīng)用，并取得了最優(yōu)的結(jié)果。此外，縮短固化（如果需要，UV，NIR等）和嵌入式有機(jī)鍍層熱浸鍍鋅等過程的新技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的不同解決方案。
1長期防護(hù)的高效鍍鋅處理
無論是用于建筑物外立面、車庫門、家電或車身——都需要高質(zhì)量、有效的鍍鋅處理，從而保護(hù)鋼板表面并提供耐久、長期的保護(hù)鍍層。高效的表面化學(xué)處理支撐著整個工藝過程——從清洗、熱浸鍍鋅直至磷化、鈍化和有機(jī)薄膜涂層的后處理。
輥涂是當(dāng)今在軋制鋼板上完成各種表面化學(xué)處理的最合適技術(shù)。
2鋼帶熱浸鍍鋅中表面處理作為后處理的特點(diǎn)
總體而言，在熱浸鍍鋅鋼板上進(jìn)行后處理涂層的有三類（沒有將涂保護(hù)油作為一種涂層）：
1) 鋅磷化（主要用于汽車產(chǎn)品）；
2) 鈍化（在運(yùn)輸和存儲過程中暫時防腐）；
3) 有機(jī)薄膜（永久性涂層）具備長期保護(hù)，拓寬產(chǎn)品功能性，產(chǎn)生附加值。
2.1磷酸鋅
磷酸鋅是所有常用的金屬處理工藝中長期以來使用的化學(xué)覆層。除了提供優(yōu)異的成形性能外，它也完全與汽車工業(yè)使用的前處理工藝相兼容。
應(yīng)用技術(shù)與所要求的磷酸鋅類型有關(guān)，目前有噴涂/刮涂（漂洗）或輥涂(即干型、無漂洗)用產(chǎn)品（圖1）。對于直接后噴漆要求，必須采用噴涂和形成晶體結(jié)構(gòu)涂層。無漂洗型產(chǎn)品僅用來改善成形性能，不能產(chǎn)生宏觀晶體結(jié)構(gòu)。
圖1 鋅磷化處理
由于進(jìn)一步降低成本和環(huán)境考慮，將來磷酸鋅可能被無重金屬涂層取代，后者已經(jīng)在市場上得到應(yīng)用。
2.2鈍化液
鈍化液大多是水基六價鉻酸鹽，目前它們越來越多地被三價鉻酸鹽或完全無鉻的配方取代。
產(chǎn)生的涂層是透明的，在運(yùn)輸和存放過程中提供優(yōu)異的防腐。由于鈍化層不能在堿液清洗中完全被清除，因此不推薦進(jìn)行如涂油等后續(xù)表面處理。對于高抗堿液腐蝕和成形工藝的特殊要求，已經(jīng)使用粘合劑或后噴漆產(chǎn)品。
主要特點(diǎn)包括：鹽霧防護(hù)；濕氣防護(hù)；堆疊測試防護(hù)；中等成形性能；根據(jù)要求進(jìn)行后噴漆處理。
處理的鍍鋅材料的防腐性能取決于鈍化膜厚度、熱浸鍍鋅合金的反應(yīng)性和鍍鋅線的工藝條件。典型情況下抗48-<96h鹽霧測試。
2.3有機(jī)薄膜（永久涂層）
永久涂層是含鉻或無鉻水稀釋溶液有機(jī)涂料系統(tǒng)，適合于在鍍鋅或鋅合金化鋼帶表面上的成膜鈍化。涂層重量約0.6-2.0g/m2。這些涂層有利于成形工序，提高防腐蝕性能并表現(xiàn)出抗指紋特點(diǎn)。尤其是涂覆過程中干燥時間短，因此在涂覆階段就已經(jīng)具備抗機(jī)械磨損能力。
有機(jī)薄膜是透明的，具有優(yōu)異的抗大氣腐蝕性能。它也可用作如家電的后噴漆工序前的預(yù)處理。如今，各種著色也已經(jīng)為彩涂鋼板提供各種裝飾性外觀、或者提供熱輻射性能。
主要特點(diǎn)包括：水基（無有機(jī)溶劑）；涂層重量0.6-2.0g/m2；透明，無油有機(jī)薄涂層；優(yōu)異的防腐蝕保護(hù)；抗指紋性能（AFP）；永久性干潤滑劑（無需添加潤滑劑）；耐大氣腐蝕；耐中等強(qiáng)度堿洗；后噴漆前的前處理（家電）；提供彩涂或功能性著色。
3質(zhì)量控制
通常，涂層厚度以及峰值金屬溫度（PMT）對如腐蝕防護(hù)、成形性和隨后的噴漆附著性等整體性能有顯著影響�？煽康馁|(zhì)量控制是關(guān)鍵，通過使用XRF，可在無需制樣的情況下測量痕量元素。
通過改變使用的化學(xué)劑溶液濃度或?qū)佂繖C(jī)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)節(jié)涂層重量。
磷酸鋅：剛剛清水漂洗0.8-2.0g/m2
鈍化膜：10-40mg Cr/ m2
有機(jī)薄膜：0.7-2.0g/m2
在鈍化或永久涂層等后處理之后，在重卷前必須干燥基板。需要用干燥機(jī)清除水分，避免產(chǎn)生粘接問題。在接觸第一對輥時，最佳溫度必須<60℃。正確的干燥條件與各種參數(shù)有關(guān)，包括濕膜厚度、接觸時間、空氣條件（濕度、溫度）。
固相沉積（Cr、磷酸鹽、有機(jī)物）與濃度和涂層工藝相關(guān)，隨后的加熱目的是清除所有水分。
4展望
無鉻、無重金屬表面處理將進(jìn)一步被鋼鐵工業(yè)采用，目的是滿足地區(qū)/全球法規(guī)和相關(guān)安全和環(huán)保要求。為改善腐蝕保護(hù)性能而開發(fā)的更具活性的聚合物涂層以及先進(jìn)干燥與固化技術(shù)的引入，這些是進(jìn)一步提高最終產(chǎn)品性能以及工廠生產(chǎn)率的關(guān)鍵點(diǎn)。
5后處理技術(shù)
在充分理解實(shí)現(xiàn)后處理層的良好性能的要求后，對工藝的影響可以按照3個關(guān)鍵工序確定：
1) 涂覆要求具有均勻、特定厚度；
2) 加熱僅是干燥或者達(dá)到有機(jī)層聚合化所需的峰值金屬溫度；
3) 冷卻達(dá)到涂覆后在第一對輥出口處的目標(biāo)帶鋼溫度，避免涂層損壞，同時也在合理溫度下重卷鋼帶，避免塌卷和碳鋼過度時效。
6涂層技術(shù)
輥涂可能是最合適的技術(shù)，與噴涂/刮涂相比具有以下優(yōu)勢：循環(huán)液量低，污染程度最低。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的污泥量最低，溶液效率穩(wěn)定；涂層厚度均勻，達(dá)到所需厚度的概率大；非常適合有機(jī)薄涂層；無需刮涂工藝所用的專門吹邊設(shè)備。
不過，這項(xiàng)技術(shù)相對復(fù)雜，操作員幾乎不能很好地理解其中涉及的基本原理。根據(jù)涂機(jī)、粘醮和帶鋼的相對速度，有4種操作模式，不過，僅有2種模式用于鈍化和有機(jī)薄膜（圖2）。前-前模式專門用于薄涂層，而前-反最適合于需要在鋼帶上涂2-4μm液膜的有機(jī)薄膜。
圖2 兩種輥涂模式
圖3 前-反涂原理
原因與輥涂原理有關(guān)。圖3給出的示意圖可以看出，在左圖，由其中一個輥粘醮的彎液面經(jīng)過輥咬入處，同時輥發(fā)生變形。隨后，流經(jīng)的液體在2個表面上被分開。每面上的厚度e1和e2與每輥的相對速度有關(guān)。相反，在右圖，當(dāng)兩個表面切向速度相反，彎液面內(nèi)的大多數(shù)液體被上輥帶走，并可以認(rèn)為質(zhì)量流e×U2=e2×U1。這事實(shí)上不完全真實(shí)，原因兩輥之間需要潤滑從而避免粘接和滑動現(xiàn)象。
決定鋼帶上涂層厚度的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括：輥徑（粘醮輥與涂覆輥）；輥硬度（橡膠類型和厚度）；液體粘度；壓力：涂覆輥-粘醮輥-鋼帶：影響小；輥與鋼帶速度：影響最大。
由于薄膜厚度與輥速度密切相關(guān)，輥涂機(jī)必須安裝在工藝段�？梢詫佀俣冗M(jìn)行一些調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償生產(chǎn)線速度的波動，但是當(dāng)生產(chǎn)線速度波動范圍高時，幾乎不可能是薄膜厚度保持穩(wěn)定。圖4給出了通過模型計算出的不同的涂覆模式和目標(biāo)膜厚度下涂輥-粘醮輥速度如何隨生產(chǎn)線速度變化而改變。
圖4 不同膜厚下涂覆輥和粘醮輥速度變化（F-R：前-反，F(xiàn)-F：前-前）
7溶液管理
由于輥涂采用“無漂洗原則”，溶液不需要復(fù)雜的管理。主要管理工作限于檢查濃度和pH值；帶鋼在合適溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而不會過早干燥；當(dāng)換溶液時清洗。
8烘烤
烘烤對運(yùn)行成本、尤其是能耗的影響相當(dāng)大，這是由于特別當(dāng)可用于冷卻的空氣溫度高時，出口鋼帶溫度越高，冷卻難度越大。因此，理解后處理是否需要峰值金屬溫度（典型的有機(jī)薄膜）或簡單的干燥過程（鈍化）至關(guān)重要。
干燥原則是水分通過邊界層擴(kuò)散，同時避免在設(shè)備的任何地方冷凝。加熱影響了鋼板表面水份蒸汽壓力，而吹掃降低邊界層厚度，兩者均利于在設(shè)定時間內(nèi)完全清除水份。最后一個參數(shù)是與邊界層接觸的空氣相對濕度。
水遷移的基本公式如下：
式中Q單位為g/(m2·s)，K是質(zhì)量遷移因子，與水?dāng)U散系數(shù)和邊界層厚度有關(guān)。
理解這些基本知識很重要，這是因?yàn)樗绊懥撕婵径蔚恼w設(shè)計，到底采用哪種加熱技術(shù)，如感應(yīng)式、對流式還是紅外加熱。表1總結(jié)各種加熱模式的優(yōu)缺點(diǎn)。
表1 后處理加熱技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)
熱風(fēng)干燥
NIR
感應(yīng)
投資成本
1
-1
+40/50%
-2
+60/80%
維護(hù)成本
0
風(fēng)扇、燒嘴
-1
頻繁更換燈，灰塵可能降低效率
+1
效率
+1
采用NG或清洗COG
-1
電力
-1
電力
運(yùn)行
-1
惰性，更多參數(shù)（流量、燒嘴功率等）
+1
分段控制
+1
功率控制
所需空間
-1
+1
+1
注：-2表示極不利； -1表示不利；0表示相抵；1表示有利；2表示極有利。
當(dāng)必須要達(dá)到峰值金屬溫度時，情況完全不同，這是因?yàn)橐Y鋼帶加熱到特定值，從而可能需要大量熱能。例如，對于線生產(chǎn)率120t/h、鋼帶寬度1500mm、表面有5μm水分：
1) 需要600kW從30℃加熱到60℃；
2) 需要1850kW達(dá)到120℃。
對上述兩種情形，水蒸發(fā)需要130kW能量。
9冷卻
冷卻只能在工業(yè)上通過兩種技術(shù)完成：冷空氣吹掃和輥冷。
盡管空氣冷卻過程簡單，但其效率非常低，這是因?yàn)楫?dāng)鋼帶達(dá)到周圍氣氛溫度時，冷卻介質(zhì)（吹掃的空氣）與熱鋼帶之間的溫度差變得非常低，因此，溫度出現(xiàn)不對稱下降。圖5給出來了從80℃冷卻到兩種氣氛溫度下的典型冷卻曲線，其中傳熱系數(shù)為250W/(m2·K·單面)。
圖5 鋼帶溫度演變
由于生產(chǎn)線必須安裝設(shè)定冷卻長度設(shè)計，當(dāng)下列條件變化時，鼓風(fēng)機(jī)能耗kW呈指數(shù)增加：
1) 空氣溫度增加；
2) 目標(biāo)出口溫度降低；
3) 冷卻長度增加。
表2給出所需冷卻長度與上輥和冷卻段出口溫度的關(guān)系，假設(shè)條件與先前一樣：線生產(chǎn)率120t/h、鋼帶寬度1500mm、傳熱系數(shù)250W/（m2·K單面）。
表2 各種溫度下計算的冷卻長度
上段
吹氣溫度，℃
鋼帶進(jìn)入溫度，℃
鋼帶出口溫度，℃
所需冷卻長度，m
20
30
60
40
17
28
20
30
120
80
12
14
20
30
120
60
21
26
下段
20
30
80
40
26
45
20
30
80
50
16
22
20
30
60
40
17
32
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