CN108796417A - 一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法及其装置，该方法室将工字钢基体在该装置中自下往上通过融化的加有稀土的高纯铝的熔池中，保持熔融液体在熔点以上的温度范围内，利用熔液的粘性和表面张力作用下在工字钢基体表面覆盖上一层铝镀层，然后利用气刀工艺对热浸镀层进行喷吹和减厚，最后通过在热处理炉经过热处理后得到镀层与工字钢基体结合力良好的耐蚀性工字钢。利用工字钢快速通过高纯铝加适量稀土熔液热浸镀上一层铝镀层，然后经过热处理工艺来获得具有优异耐蚀性能的工字钢，具有操作简单、高效、可连续制备的特点，因此可大幅度降低制备成本。

Description

一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种制备具有高耐腐蚀性能的工字钢的方法及其装置，属于冶金技术与材料科学领域。
背景技术
工字钢也称为钢梁，是截面为工字形状的长条钢材,可分普通工字钢和轻型工字钢，是异种截面形状为工字型的型钢，广泛用在支撑结构、结构型材、格栅地板、栏杆、电缆分线架、工具手柄、变电所结构、天桥和工作平台等方面。但是,每年因为腐蚀而损失了大量的工字钢。目前世界范围内,主要还是采用浸锌钢进行防腐蚀，但是锌镀层与钢基体的结合强度不好，而且耐腐蚀性能也不够理想，因此限制了其应用。因此，开发高耐蚀性能的工字钢材料具有非常重要的经济意义。
目前，对耐蚀性工字钢的制备方法进行了很多研究，提出了多种制备工艺，如钢液添加稀土法、稀土硼共渗法、稀土碳共渗法、热浸镀锌法、PCVD法、电沉积法等。但是上述方法在生产工艺的可控性、成本及环保等方面仍有待进一步的改进。目前主要用于耐蚀性工字钢的生产主要是热浸镀锌工艺，但是但存在制备的工字钢基体与锌镀层的结合力不够强，起皮现象严重，同时由于锌的化学活性比较高，在大气环境下的耐蚀性能不够理想等缺陷。因此，开发廉价高效的耐蚀工字钢制备方法仍然是亟待解决的关键问题。
镀铝钢材具有优越的耐蚀性，良好的外观，又具有钢的强度，镀铝层比较致密，耐热性远远好于热浸锌层，在耐高温腐蚀方面，热浸镀铝层更显出优良特性。热浸镀铝层在各种大气条件下的耐蚀性均高于热浸镀锌层，其使用寿命是热浸镀锌钢材的5～8倍，在H2S，Na2S等强腐蚀性介质中也表现出优良的耐腐蚀性能。同时抗高温氧化性相当于18-8耐热不锈钢，在450℃以下可以长期使用,不改变颜色。所以，钢镀铝后不仅把铝的耐蚀性和钢的强度结合起来，而且还赋予此材料新的性能-耐热性，是一种具有综合性能的复合金属材料。热浸镀铝工字钢以其优异的耐蚀性能和广阔的应用前景吸引着科技工作者进行大量的研究和开发工作，其制备工艺的发展和成熟以及能否经济有效地生产，是热浸镀铝工字钢走向商业化广泛应用的关键，也一直是研究工作的重点。但是，热镀铝与热镀锌相似，即将表面清洁的金属材料浸在熔融的锌液中，利用界面发生的物理化学反应，在表面形成一层金属铝或锌的过程。在热浸镀的过程中，在铝或锌液中需安置一个沉没辊作为一个无传动的转向辊,热浸镀锌温度一般在440-460℃，对沉没辊材料要求不是非常苛刻，但是，在更高的温度下进行热浸镀高熔点物质来获得所需材料则非常困难，特别是对材料纯净度要求非常苛刻的功能材料，热浸镀铝则需700℃以上，同时，沉没辊与带钢的相对滑动会造成钢材表面摩擦划痕也将会严重影响到带钢的表面质量。此外，纯铝的粘度较大，而且表层氧化比较严重，加入一定量的稀土元素可以增加熔液的流动性，同时得到的组织更加细化，耐蚀性能显著提高。
自上世纪90年代以来，随着电磁封阀的技术的发展与成熟，采用无接触的电磁封技术代替传统热浸镀装置的熔池中的沉没辊已经在工业上取得了一定的应用，即借助电磁封阀技术，就可以实现无沉没辊热浸镀工艺。因此，对该领域的现有技术进行创造性的研究和改进，是十分有前景的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可连续制备耐蚀性工字钢的制备方法及装置，利用工字钢快速通过高纯铝加适量稀土熔液热浸镀上一层铝镀层，然后经过热处理工艺来获得具有优异耐蚀性能的工字钢，具有操作简单、高效、可连续制备的特点，因此可大幅度降低制备成本。
本发明的技术方案如下：
本发明是一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，该方法的总体构思是采用电磁封技术，将工字钢自下往上快速通过融化的高纯铝加一定量稀土的熔池中，保持熔融液体在熔点以上一定的温度范围内，利用熔液的粘性以及基体与铝熔液的表面张力在基体上覆盖上一层一定厚度的铝镀层，然后通过惰性气体或具有保护气体的热处理炉适当热处理，提高镀层与基体见结合力，界面合金化，即可得到耐蚀性能优异的工镀铝字钢。在热浸镀的过程中，借用电磁封阀技术以及采用热浸镀工艺中气刀工艺，以工字钢为基体原料，在工字钢表面上覆上一层均匀的铝镀层，能成功的制备出质量可观的镀铝工字钢，而且在制备的过程中可以通过调节工字钢通过熔池的速度以及气刀装置中喷吹气体的速度来控制热浸镀铝层厚度以便得到镀铝层厚度比较均匀的镀铝工字钢。然后经过热处理提高镀层与基体的即合理到耐蚀性能优异的工字钢。
基于以上思路，本发明的技术方案是采用一种设有电磁封阀的装置，将工字钢基体在该装置中自下往上通过融化的加有稀土的高纯铝的熔池中，保持熔融液体在熔点以上的温度范围内，利用熔液的粘性和表面张力作用下在工字钢基体表面覆盖上一层铝镀层，然后利用气刀工艺对热浸镀层进行喷吹和减厚，最后通过在热处理炉经过热处理后得到镀层与工字钢基体结合力良好的耐蚀性工字钢。
具体的，该方法包括如下步骤：
步骤1、工字钢的预处理：用砂纸打磨掉工字钢样品表面氧化层，采用盐酸酸洗后用酒精与丙酮除脂后冷风吹干；
步骤2、储备熔池铝熔液的制备：将高纯铝锭和稀土元素加入到储备熔池中，开启电源加热，将其熔化并保持温度；
步骤3、铝镀层的制备：打开预热炉，将工字钢样品进行预热处理，打开电磁封阀，将储备铝熔池的熔融态含稀土铝熔液倾倒入热浸镀池，开启工字钢样品的传输，保持设定的传输速度，在熔液的粘性和表面张力作用下使工字钢样品表面的覆上一层铝镀层；
步骤4、气刀喷吹和减厚：在工字钢样品出浸镀池端的上方施加一个以高纯氩气或氦气作为喷吹气体的气刀组件，对工字钢样品表面的热浸镀层进行喷吹和减厚；
步骤5、扩散退火：将上述步骤得到的镀铝工字钢传输到热处理炉中，经干燥烘干后放入带惰性气体，或为还原气体，或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行热处理，得到工字钢基体与铝镀层结合较强的工字钢。
其中：
步骤2中在铝熔液中加入占总熔体质量的0.01～5wt％的稀土。
步骤3中预热处理的温度控制在200～500℃范围内。
步骤5中所述惰性气体为氩气、氮气或者二者的混合气体，所述还原气体为一氧化碳、氢气、氨气或甲烷。
步骤5中在管状电炉中进行热处理的温度控制在300～650℃，热处理时间为0.1～20小时。
作为进一步的优选方案，还可以将步骤3中热浸镀过程的余热回收利用作为步骤5中对样品进行热处理的辅助热源。
进一步的，步骤3中在热浸镀时，走带的速度优选为0.1～100m/min，镀层厚度为0.1～100μm，熔体的过热度范围为790±100℃。
为实现上述方法，本发明采用了这样一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的装置，它包括采用电磁封阀的用于传送工字钢样品的传送辊一和传送辊二，在传送辊一和传送辊二之间由下向上依次设有一个保护气体室和一个热处理炉，在热处理炉中设有电阻加热丝；保护气体室中由下向上依次设有工字钢预热炉、电磁阀的感应器、浸镀池和气刀组件；在保护气体室的一侧设有储备熔池，该储备熔池中设有加热电炉丝，该储备熔池的上方设有加料管；储备熔池通过一根传液导管将浸镀液传输至浸镀池。
与现有技术相比较，本发明的技术方案具有以下突出的实质性特点和显著进步：
(1)由于运用了电磁封阀技术，能成功通过热浸镀铝法制备耐蚀性优良的镀铝工字钢，由于无需采用沉没辊，提高了液态熔液纯净度，从而大大减小了有害元素对最终样品磁性能的影响；
(2)在工字钢热浸镀层出浸镀池上端采用高纯氩(或为氦气或者为与铝、铁无反应的其它非氧化性气体)气刀技术，从而可以获得均匀性良好厚度均匀的高铝镀层。
(3)在铝熔液中加入了占总熔体质量的0.01～5wt％的稀土，不仅可以改善熔液的粘度，还可以显著增加铝镀层的耐腐蚀性能。
(4)在进行热处理的时候，可以运用热浸镀过程的余热作为对样品进行热处理的辅助热源，节约能量。
(5)在热浸镀时，走带的速度可选为0.1～100m/min，镀层厚度为0.1～100μm，熔体的过热度范围为790±100℃，热处理的温度范围以为300～650℃，通过热浸镀经热处理制备的工字钢耐蚀性能优良。
(6)该方法可以进行大规模连续操作，并显著降低生产成本。
本发明可以广泛地研究并应用于化工、电力、石油、机械、冶金、能源和交通运输等领域，因此具有非常大的应用前景。
附图说明
图1是耐蚀性工字钢连续制备方法的实施装置简图。
附图中的标记为：1-工字钢样品，2-传送辊一，3-传送辊二，4-预热炉，5-可控液压千斤顶，6-控制装置，7-加热电炉丝，8-储备熔池，9-加料管，10-电磁阀的感应器，11-浸镀池，12-浸镀液，13-传液导管，14-气刀一，15-气刀二，16-保护气体室，17-电阻加热丝，18-热处理炉，19-耐蚀性工字钢，20-工字钢基体，21-铝镀层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1：如图所示，本发明的这种装置包括采用电磁封阀的用于传送工字钢样品1的传送辊一2和传送辊二3，在传送辊一2和传送辊二3之间由下向上依次设有一个保护气体室16和一个热处理炉18，在热处理炉18中设有电阻加热丝17。
保护气体室16中由下向上依次设有工字钢预热炉4、电磁阀的感应器10、浸镀池11和气刀组件，气刀组件包括气刀一14和气刀二15。
在保护气体室16的一侧设有储备熔池8，该储备熔池8中设有加热电炉丝7，该储备熔池8的上方设有加料管9；储备熔池8通过一根传液导管13将浸镀液12传输至浸镀池11。从图中可以看到，保护气体室16与储备熔池8之间有一块隔板，隔板上开有孔，传液导管13从该孔构建了连接两边的通道。储备熔池8下方设有可控液压千斤顶5，该可控液压千斤顶5设有控制装置6，可以控制储备熔池8的倾斜度，从而控制传液导管13的流量。
可以看到，经过处理后获得的耐蚀性工字钢19从热处理炉18出来后，继续向上传送，此时，获得的耐蚀性工字钢19的工字钢基体20上，比较理想地覆盖了铝镀层20。
实施例1：
本发明提出的一种可以制备高耐蚀性能的镀铝工字钢的方法，具体操作步骤为：
(1)工字钢的预处理：用砂纸打磨掉工字钢样品1表面氧化层，采用盐酸酸洗后用酒精与丙酮除脂后冷风吹干；
(2)储备熔池8中铝熔液的制备：将高纯铝锭和一定量稀土元素加入到储备熔池中，开启电源加热，将其熔化，并保持在一定温度范围内，使熔液具备一定的过热度；
(3)铝镀层21的制备：打开预热炉4，将工字钢样品1进行预热处理，使其温度控制在200-500℃，通过电磁阀的感应器10打开电磁封阀，将储备铝熔池的熔融态含稀土铝熔液倾倒入浸镀池12，通过传送辊一2和传送辊二3开启工字钢样品1的传输，保持一定的传输速度，在熔液的粘性和表面张力作用下在工字钢样品1的表面快速覆上一层铝镀层21；
(4)喷吹和减厚：为了控制工字钢样品1上镀层厚度和均匀性在工字钢样品出浸镀池12端的上方施加一个以高纯氩气作为喷吹气体的气刀组件，包括气刀一14和气刀二15，对热浸镀层进行喷吹和减厚，从而制备得到均匀性良好的铝镀层21；
(5)扩散退火：将热浸镀后的样品传输到热处理炉18中将上述步骤得到的镀铝工字钢，经干燥烘干后放入带惰性气体(氩气、氮气或者混合气体)，或为还原气体(一氧化碳、氢气、氨气、甲烷)或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行适当热处理，得到工字钢基体20与铝镀层21结合较强的工字钢。热处理温度控制在300～650℃，热处理时间为0.1～20小时。
实施例2：
将100kg的高纯铝锭和0.4kg铈加入到储备熔池8中，开启预热炉4，使温度保持在690-900℃，通过电磁阀的感应器10开启电磁封阀，同时开启传送辊一2和传送辊二3，同时将储备熔池8中的铝熔液采用液压千斤顶5将溶液通过导液管13加入浸镀池11中，控制温度在750±20℃，工字钢采用采用尺寸为100×63×4.5的Q235工字钢，传输速度控制为10m/min中，在熔液粘度下在工字钢样品1表面覆盖上一层铝镀层21，然后在经过浸镀池11上端时采用通预热温度为约60℃压缩气体为高纯氩气的气刀一14和气刀二15对镀层表面进行喷吹，气刀一14和气刀二15与工字钢样品1面凹槽中心前方距离为20mm，压缩氩气为0.05Mpa，即可获得表面质量好镀层厚度比较均匀约2μm的铝镀层21，然后传送到通有氩气保护气体的热处理炉18中进行热处理，增加工字钢基体20与铝镀层21结合力，热处理温度为500℃中保持0.5h，然后得到含稀土铈铝镀层的耐蚀性工字钢19。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：该方法采用一种设有电磁封阀的装置，将工字钢基体在该装置中自下往上通过融化的加有稀土的高纯铝的熔池中，保持熔融液体在熔点以上的温度范围内，利用熔液的粘性和表面张力作用下在工字钢基体表面覆盖上一层铝镀层，然后利用气刀工艺对热浸镀层进行喷吹和减厚，最后通过在热处理炉经过热处理后得到镀层与工字钢基体结合力良好的耐蚀性工字钢。
2.根据权利要求1所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、工字钢的预处理：用砂纸打磨掉工字钢样品表面氧化层，采用盐酸酸洗后用酒精与丙酮除脂后冷风吹干；
步骤2、储备熔池铝熔液的制备：将高纯铝锭和稀土元素加入到储备熔池中，开启电源加热，将其熔化并保持温度；
步骤3、铝镀层的制备：打开预热炉，将工字钢样品进行预热处理，打开电磁封阀，将储备铝熔池的熔融态含稀土铝熔液倾倒入热浸镀池，开启工字钢样品的传输，保持设定的传输速度，在熔液的粘性和表面张力作用下使工字钢样品表面的覆上一层铝镀层；
步骤4、气刀喷吹和减厚：在工字钢样品出浸镀池端的上方施加一个以高纯氩气或氦气作为喷吹气体的气刀组件，对工字钢样品表面的热浸镀层进行喷吹和减厚；
步骤5、扩散退火：将上述步骤得到的镀铝工字钢传输到热处理炉中，经干燥烘干后放入带惰性气体，或为还原气体，或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行热处理，得到工字钢基体与铝镀层结合较强的工字钢。
3.根据权利要求2所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：步骤2中在铝熔液中加入占总熔体质量的0.01～5wt％的稀土。
4.根据权利要求2所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：步骤3中预热处理的温度控制在200～500℃范围内。
5.根据权利要求2所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：步骤5中所述惰性气体为氩气、氮气或者二者的混合气体，所述还原气体为一氧化碳、氢气、氨气或甲烷。
6.根据权利要求2所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：步骤5中在管状电炉中进行热处理的温度控制在300～650℃，热处理时间为0.1～20小时。
7.根据权利要求2所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：将步骤3中热浸镀过程的余热回收利用作为步骤5中对样品进行热处理的辅助热源。
8.根据权利要求2所述的热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的方法，其特征在于：步骤3中在热浸镀时，走带的速度为0.1～100m/min，镀层厚度为0.1～100μm，熔体的过热度范围为790±100℃。
9.一种热浸镀铝法连续制备耐腐蚀工字钢的装置，其特征在于：它包括采用电磁封阀的用于传送工字钢样品(1)的传送辊一(2)和传送辊二(3)，在传送辊一(2)和传送辊二(3)之间由下向上依次设有一个保护气体室(16)和一个热处理炉(18)，在热处理炉(18)中设有电阻加热丝(17)；保护气体室(16)中由下向上依次设有工字钢预热炉(4)、电磁阀的感应器(10)、浸镀池(11)和气刀组件；在保护气体室(16)的一侧设有储备熔池(8)，该储备熔池(8)中设有加热电炉丝(7)，该储备熔池(8)的上方设有加料管(9)；储备熔池(8)通过一根传液导管(13)将浸镀液(12)传输至浸镀池(11)。
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