镀锌工艺培训(第一章)BD

首钢热镀锌机组培训思考：为什么带钢表面要镀锌？（1）金属的腐蚀问题1.金属的腐蚀机理问题2.金属的大气腐蚀问题3.”牺牲阳极“保护问题4.镀锌层对钢铁腐蚀的防护过程（2）外表美观第一章带钢连续热镀锌概述（1）金属腐蚀的定义当金属和周围介质接触时，由于发生化学和电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。（2）金属腐蚀的危害金属腐蚀后失去了金属的特性，在外形、色泽以及机械性能等方面都将发生变化，造成设备破坏、管道泄漏、产品污染，酿成燃烧或爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，使国民经济受到巨大的损失。钢铁产品的1/10消耗于腐蚀。被腐蚀报废的金属制品的制造价值往往要比金属本身的价值高很多。金属的腐蚀及危害问题一：金属的腐蚀机理思考：钢铁为什么会被腐蚀？金属的腐蚀按反应机理的不同分为：（1）物理腐蚀：单纯的物理溶解所引起的破坏（2）化学腐蚀（3）电化学腐蚀金属材料与外界介质发生纯化学反应而损坏的现象.反应特点是非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用形成腐蚀产物，反应过程中无电流产生。化学腐蚀的介质通常为干燥气体和非电解质溶液。这种腐蚀往往在高温条件下比在低温条件下快得多。实际中由于化学腐蚀造成的金属腐蚀是很少的。化学腐蚀金属材料与外界介质（电解质溶液）发生电化学作用而损坏的现象。其特点是腐蚀反应包含一个阳极氧化反应和一个阴极还原反应。两反应同时进行，反应过程中有电流产生。金属在大气、海水、土壤及各种电解质溶液中的腐蚀均属于此类腐蚀。金属破坏大多数是电化学腐蚀所致。电化学腐蚀在生产实践中广泛存在。电化学腐蚀化学腐蚀与电化学腐蚀的区别（1）化学腐蚀是一种单纯的化学反应，反应过程无电流产生；电化学腐蚀反应过程有电流产生。（2）化学腐蚀在表面进行，对钢铁内部影响不大；电化学腐蚀在钢铁表面和内部都能进行，是导致钢铁被透彻腐蚀的主要原因。（3）电化学腐蚀与化学腐蚀在机理上的主要区别在于电化学腐蚀时，金属与介质的相互作用被分为两个独立的共轭反应：阳极（放出电子的电极）过程是金属原子以离子形式进入溶液；阴极（得到电子的电极）过程是从阳极过来的电子，被电解质溶液中能够吸收电子的氧化性物质接受而发生还原反应。为什么钢铁会腐蚀？其根本原因还是钢铁自身的原因，任何金属最稳定的状态就是它原来在自然界中所处的状况，所以一旦条件适合，它们便恢复到原先的矿物状态，生成氧化物、硫化物、碳酸盐等，这就是金属的腐蚀现象。影响金属腐蚀的外因（外界介质）腐蚀除决定于金属本身的化学性质和组织结构外，还与周围的介质有很大关系。如潮湿环境比干燥环境容易锈蚀，杂质多的比杂质少的金属容易锈蚀，高温条件下比低温条件下容易锈蚀，有害杂质多的、脏的环境比空气流通、干净的环境易锈蚀，金属零件表面光洁度低的比表面光洁度高的易锈蚀等等。问题2：金属的大气腐蚀一、钢的大气腐蚀钢铁在大气腐蚀中生成的锈层中含FeO、Fe2O3、Fe3O4，其中FeO、Fe2O3比较疏松，易溶解，而且Fe2+还会进一步氧化。因而钢铁表面生成的锈层并不能减缓钢铁表面继续腐蚀的速度。当空气中含有SO2气体时，将在锈层的底部生成FeSO4·4H2O和Fe2(SO4)3等白色结晶。它们对钢的腐蚀起促进作用，还能引起点蚀。二、锌的大气腐蚀在干燥状态时，由于锌的性能较活泼，也能生成ZnO，在潮湿的大气中，镀锌层表面存在水膜，也会发生有氧参与的电化学腐蚀。于是锌的表面会生成由ZnO、Zn(OH)2、ZnCO3组成的锈层（白锈）。由于ZnO的体积比金属锌的体积大0.44倍，所以锈层的初期比较致密，而且在潮湿情况下生成的Zn(OH)2、ZnCO3组成的锈层粘附性较好，所以锌比钢铁的耐大气腐蚀性能好，见下表。问题2：金属的大气腐蚀锌和钢在不同大气中的重量损失大气种类锌损失量g/(m2·a)含铜0.05%的钢损失量g/(m2·a)损失量比较锌：钢工业区8213001：15.7城市436001：14.0农村154301：28.4在空气受到污染且锌在露天的情况下，由于空气中SO2、NO2以及Cl-的存在都会加剧锌的腐蚀。所以镀锌板在不同环境中使用时，其使用寿命和耐蚀性有较大的差别。问题2：金属的大气腐蚀三、铝的大气腐蚀（先讲牺牲阳极保护法）铝在大气中也会发生腐蚀，表面会生成氧化层，而Al2O3是非常稳定和难于溶解的物质，它使钢板表面处于一种钝态，极不活跃，即使刮伤后也能很快再生成Al2O3，保护了Al的进一步氧化，所以具有良好的耐氧化性，但因此对钢板的阴极保护作用不如镀锌层。思考：为什么镀铝钢板阴极保护作用不如镀锌板？锌是一种既可以防止钢铁腐蚀又能受自身腐蚀产物保护使自身腐蚀速度减慢的金属，用锌作为表面包层来保护钢材成本比较低，这就促成了热镀锌工业的发展，使热镀锌成为应用最广泛的金属防腐蚀方法。问题2：金属的大气腐蚀四、温度对腐蚀情况的影响一般说来，温度升高腐蚀加速。当然也有例外，如钢铁件在沸腾海水中因氧的溶解度随温度升高而下降，其腐蚀速率反而比热海水的腐蚀速率低。五、环境差异对腐蚀情况的影响海洋气候：潮湿，富含盐类，给金属电化学腐蚀提供充足的电解质。工业区：大气中富含SO2、NO2、CO2，造成酸性环境。问题2：金属的大气腐蚀问题三：“牺牲阳极”保护”牺牲阳极“保护是阴极保护两种方法之一。阴极保护，是一个电化学专业术语，它是给需要保护的金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。实现对金属的阴极保护有两种办法：外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护。强制外加电流保护法强制外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤中流向被保护金属，使被保护金属结构电位低于周围环境。被保护金属、辅助阳极在腐蚀介质中形成的电解池中，分别是负极、正极。辅助阳极本身不消耗。强制外加电流保护方法需要一个持续不断的电流，所以在这套保护方案中必须有恒电位仪对电流进行控制。此保护方法一般用在大型的金属结构设备中，如机场油库的长达几十公里的输油管线保护等。牺牲阳极保护法牺牲阳极阴极保护法是将电位更负或者说更为活泼的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的、相同的电位下。也就是通过两者形成原电池，保护金属代替被保护金属发生氧化反应，代替被保护金属被腐蚀消耗。牺牲阳极的阴极保护示意图（摘自高中化学课本）金属电极电位较低的金属优先发生氧化，失去电子，向金属电极电位较高的金属提供电子，防止其发生氧化。ZnFeeZn2+Fe2+e电极电位标准电极电位：金属活动性是指金属原子在水溶液中丢失电子的能力，金属的位置越靠前，金属在水溶液中就越容易丢失电子变成离子，它的活动性就越强。早期的化学家把金属跟酸、水等反应的剧烈程度作为衡量金属活动性大小的标志，是不严格的。准确的方法是以金属的标准电极电位来比较金属的活动性大小，而标准电极电位也是以氢电极定为零作为标准来测定的。（单个电极的绝对电极电位无法测得，只能测得相对电极电位）规定：将标准氢电极作为负极与待测电极组成电池，电位差即该电极的相对电极电位，比标准氢电极的电极电位高的为正，反之为负。标准电极电位为负值的金属比氢活泼；标准电极电位为正值的金属活动性小于氢。电极电位金属中或多或少总会含有某些杂质，不同的金属有不同的电位，同一种金属内的不同组成物也有不同的电位。当金属与某一种能导电的溶液接触时，就会出现电位差，使溶液中出现电子流，使电位低的金属首先被腐蚀。Zn与Fe的电极过程电极过程标准电极电位，伏Zn的电极过程Zn-2e→Zn2+-0.762O2+2H2O+4e→4OH-+0.401Fe的电极过程Fe-2e→Fe2+-0.4392H++2e→H20.000电极电位金属在25℃时的标准电极电位（对于Me→Me++ne的电极反应）电极过程标准电位/V电极过程标准电位/VAlAl3+-1.66SnSn2+-0.136ZnZn2+-0.762CdCd2+-0.403FeFe2+-0.44CuCu2++0.34PbPb2+-0.126AgAg+＋0.7996（1）金属防腐的方法改善金属的本质如：钢中加入镍、铬制成不锈钢形成保护层（把被保护金属与腐蚀介质隔开，或对金属进行表面处理）如：喷漆、搪瓷、电镀、热浸镀（包括热镀锌）等改善腐蚀环境如：减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质（缓蚀剂）来减少和防止金属腐蚀。电化学保护法如：牺牲阳极保护法（常用于保护海轮外壳）金属的防腐（2）解决钢材腐蚀问题通常采用以下两种方法：合金防腐就是将钢制成含有Ni、Cr等化学成分的不锈钢及耐蚀钢表面包层防腐就是在钢材表面形成金属镀层（锌、铝、锡、铅等）、非金属涂层（漆、塑料）或非金属膜。金属的防腐热镀锌简介•热镀锌（HotDipGalvanizing)发明于十八世纪中叶•1836年，钢板热镀锌最早工业生产，法国工程师索勒，原料：热轧钢板；质量不好、镀层不均匀并且成本很高。•1931年，第一次使用冷轧卷带钢连续生产，波兰工程师森吉米尔，使热镀锌板在此后的发展中进入了一个新的进程。•20世纪下半叶最重要的技术进展：合金镀50-----60年代热镀铝70年代美国伯利恒发明Galvalume(43.4%Zn-55%Al-1.6%)80年代国际铅锌组织（ILZRO)资助比利时列日冶金研究中心（CRM）发明了GalfanZn-5%Al-RE第一节镀锌层的保护原理一、镀锌层的化学腐蚀2Zn+O2=2ZnOZn+H2O=ZnO+H2↑Zn+CO2=ZnO+CO↑上述三式在高温下反应剧烈，会生成致密的氧化锌薄膜，而在室温下进行的非常缓慢。ZnO膜每100小时增加厚度约1埃。膜厚在200埃以下时肉眼是察觉不到的。它的生长起始于锌的结晶体，而且和它下面金属结合很牢固。随着ZnO薄膜的增加，达到300-400埃时，人们肉眼才看到。由于ZnO比锌的体积大44-59％。特别在膜厚度较大时，在内部或外部应力的作用下容易产生破裂，这时保护作用也即失去。二、镀锌层的电化学腐蚀镀锌板表面有水存积的时候，由于水中溶解一定量的氧，二氧化碳及二氧化硫等腐蚀性介质，便形成了电解液。其化学反应不可避免的发生了。其反应式如下：阳极反应：Zn-2e→Zn2+阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH－在阳极反应过程中，锌被溶解。在阴极发生的反应称为氧的去极化反应。因在电解液中溶解有一定量的氧，特别在电解液和空气接触的界面处，此反应进行得更为激烈，常称为界面腐蚀，反应结果产生的锈蚀产物为：Zn2++OH－→Zn(OH)2→ZnO·H2O热镀锌板的大气腐蚀试验腐蚀环境气氛腐蚀速度15年的腐蚀损失，双面腐蚀年限μm/a厚度μm重量g/m2厚50μm（350g/m2）距海岸100m内的陆地（盐浓度大）1522531503年4月距海岸17km内的陆地（盐浓度小）69012608年4月工业城市（空气污染严重）812016806年3月一般城市（空气较新鲜）34563016年8月农村（空气新鲜）11521050年三、锌层对钢铁腐蚀的保护过程锌层对钢铁腐蚀的保护过程⑴表面的镀层完整，锌层对钢材进行物理保护，锌在大气中被腐蚀；⑵镀层中的合金层暴露于大气中，锌层对钢材进行物理保护，由于电极电位的不同，纯锌层对合金层提供阳极保护而优先腐蚀；⑶纯锌层腐蚀完毕，合金层完整，合金层对钢材提供物理保护，发生的腐蚀是Zn-Fe合金层在大气中的腐蚀；⑷镀层部分破损使钢板局部裸露于大气中，由于Zn、Fe和Zn-Fe合金的电极电位分别为-0.762v、-0.439v和-0.59~-0.66v，所以发生的腐蚀是Zn的电化学腐蚀，锌对钢基提供阳极保护；⑸纯锌层腐蚀完毕，钢铁部分裸露在大气中，合金层对钢铁阳极保护；⑹全部镀层消耗完毕，发生钢铁腐蚀。四、国产镀锌板的耐蚀性研究研究内容包括镀锌板在自然环境中的大气曝晒试验的研究和镀锌板耐蚀性能机理的研究两部