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工業論文:特高壓金具熱鍍鋅缺陷分析與控制

來源:未知 2020-07-28 10:47

摘要:

  隨著輸變電電壓等級的提高,對電力金具的熱鍍鋅質量提出了更高的要求。本文通過對特高壓金具熱鍍鋅缺陷的分析與控制,對熱鍍鋅工藝進行優化,大大提高了電力金具的熱鍍鋅表面質

  工業論文:特高壓金具熱鍍鋅缺陷分析與控制

  摘 要:隨著輸變電電壓等級的提高,對電力金具的熱鍍鋅質量提出了更高的要求。本文通過對特高壓金具熱鍍鋅缺陷的分析與控制,對熱鍍鋅工藝進行優化,大大提高了電力金具的熱鍍鋅表面質量。

  關鍵詞:特高壓金具; 熱鍍鋅 ;缺陷; 控制

  0引言

  近年來,架空輸電線路的電壓等級由500kV逐漸向交流750kv、1000kv和直流±800kv、±1100kV電壓等級發展,由于電壓等級的提高,對電力金具的產品質量提出了更高的要求,除要能滿足更高的機械強度和更高的抗腐性能等要求外,在防電暈方面也提出來了更高的要求。因此,普通的熱鍍鋅工藝已經不能滿足對于特高壓輸電線路金具熱鍍鋅的要求,對特高壓金具熱鍍鋅存在缺陷進行分析和研究,從加強工藝控制方面入手,對熱鍍鋅工藝進行優化,以提高特高壓金具熱鍍鋅的質量。

  1特高壓金具對熱鍍鋅的質量要求

  輸電線路中電力金具是承載電網安全穩定運行的基礎,因此,對配套電力金具的熱鍍鋅提出了更高的要求。

  對于熱鍍鋅層的附著力要求更好,因為特高壓電網配套電力金具承受的壓力更大,部件之間的配合處容易出現由于接觸摩擦力大而導致鍍鋅層破損的現象,從而失去防腐蝕的作用,長期運行將會導致金具的失效,所以,對于熱鍍鋅層的附著力提出了更高的要求,不能出現熱鍍鋅層脫落的現象。

  對熱鍍鋅層的防腐蝕能力要求更嚴,由于特高壓金具設計壽命長,因此要求熱鍍鋅層保留的時間更長,熱鍍鋅層組織結構和性能更優,不能出現鍍鋅不足或漏鍍缺陷,要能保證防腐蝕要的求。

  對熱鍍鋅層表面缺陷的控制要求更高,特高壓金具安裝在高電壓絕緣子上,容易出現電暈現象,因此特高壓金具熱鍍鋅層表面不允許有凸瘤和毛刺等缺陷存在,熱鍍鋅層應為連續、均勻、光滑的表面。

  2特高壓金具熱鍍鋅常見缺陷

  特高壓金具與普通電力金具產品的熱鍍鋅層有同樣的缺陷,熱鍍鋅層表面許多常見的質量缺陷有:熱鍍鋅層厚度不均勻、鋅層脫落、漏鍍、凸瘤、灰暗、留痕以及鋅層出現白銹等等。

  3熱鍍鋅層表面缺陷的原因分析

  熱鍍鋅層表面缺陷的產生的原因大致有五個方面:(1)表面預處理狀況不好;(2)金具本身基體狀態不佳;(3)鋅液中添加的元素過量或夾有其他有害元素;(4)鍍鋅工藝不合理;(5)機械加工方法上的缺陷。下面具體分析產生這些缺陷的原因。

  3.1表面預處理狀況不好

  特高壓金具熱鍍鋅前要進行預處理,其中包括脫脂、拋丸(除氧化皮)、酸洗(除銹)和活化助鍍等。表面預處理不好,是造成漏鍍(或露鐵)的主要原因。

  (1)大多數生產企業都沒有脫脂工序,僅靠酸洗去除產品表面的油脂,這樣就無法完全去除機械加工后待鍍鋅產品表面粘附的油污;

  (2)拋丸時間較短,氧化皮去除不干凈;

  (3)在酸洗過程中,由于工件較多擠在一起,會造成欠酸洗和夾點;酸洗液的濃度過高,會使鐵鹽沉淀于表面和溝槽之中;酸洗后不水洗,或水洗不徹底;

  (4)助鍍溶劑老化失效或氯化鋅和氯化銨配比比例、濃度不正確,沒有形成共晶點;

  (5)烘干過程中沒有及時將待鍍件分開擺放,或烘干溫度低,使烘干時間較長,待鍍件表面因二次微氧化(紅、綠銹)而形成鐵鹽,覆蓋在表面上[1]。

  3.2金具本身基體狀態不佳

  金具本身的基體狀態,是指表面粗糙度、表面晶體取向、金相組織、殘余應力等。金具本身基體狀態不佳,在硅含量為0.17%-0.37%時,相同的溫度下,即使熱鍍鋅工藝合理、穩定,往往也會造成鍍鋅層偏厚和附著力差的現象。

  基體表面粗糙度對熱鍍鋅層的形成有明顯的影響。基體表面的凹凸會使鐵鋅合金層的生長形態發生變化:在凸處,剛形成的ζ晶體相分離,使液態鋅可穿透到ε/ζ界面附近,支持ζ相連續快速生長而形成迸發狀晶粒;在凹入區域,由于生長受擴散控制,可得到緊密、穩定的結構[2]。所以要消除機械加工時留下的車刀紋,或用布輪進行拋光處理。

  特高壓金具基體金相組織及形狀也會影響熱鍍鋅層的厚度和附著力。為了提高低合金結構鋼金具的抗拉強度和硬度,有時需要對金具基體進行局部淬火處理。控制淬火后的回火溫度是關鍵。回火溫度愈高,則鋼中碳化物的析出量愈多,α-Fe中碳的飽和度也愈低,這將影響基體中鐵對鋅的活性程度,有時幾乎沒有ζ晶體相的生成,熱鍍鋅層的附著力就差。

  特高壓金具基體表面晶粒位向和殘余應力,基本上對熱鍍鋅層沒有多大的影響。對熱鍍鋅層影響最大的是特高壓金具基體中C、Si、P等元素,它們會影響金具的活性,促進Fe-Zn反應,使合金層中ζ相快速增長,形成厚而粗大的晶粒露于鋅層表面,從而導致表面粘附性變差。

  3.3鋅液中添加的元素過量或夾有其他有害成分

  為了降低熱鍍鋅層厚度,增加鍍層表面光澤,提高附著力,一般都會向鋅液中添加含有鋁、鎳、錫、鉛等鋅合金元素。如果這些元素的含量過多(如鐵離子含量過高)或者其中夾有其它有害成分,會使鋅渣顆粒粘附在鍍層表面,從而導致鍍層脆裂,附著力差。常見幾種元素對熱鍍鋅的影響:

  (1)鐵離子

  經過一段時間的熱鍍鋅后,金具的表面會出現鋅堆和微小的鋅渣,使得鋅層表面粗糙,光滑度下降。這種微小顆粒一般是Fe-Zn合金顆粒渣。在高溫鍍鋅(550℃)時,鋅液中鐵的溶解度由常規熱鍍鋅(450℃)時的0.035%增加到0.3%。鋅液中的鐵一般來自鋅鍋的腐蝕、金具本身和鍍鋅工具在鋅液中的溶解、助鍍溶劑中的鐵離子等。因此,為了得到光滑的鋅層,必須要嚴格地控制鋅液中的鐵含量,盡量減少鐵離子的進入。理想的鋅液中鐵含量在0.1%~0.2%為宜。當鋅液中鐵含量大于0.2%時,應使鋅液靜止一段時間后并打撈鋅渣。由于550℃下鋼鐵在鋅中溶解較快,因此高溫熱鍍鋅不能采用常規的鋼制鐵鍋或鑄鐵鍋,而必須改用內加熱陶瓷鋅鍋設備。這與使用鑄鐵鍋相比,可以減少30%~35%鋅渣[3]。

  (2)鋁

  鋁是熱鍍鋅液中最常添加的元素。在鋅液中添加不同濃度的鋁可獲得不同性質的熱鍍鋅層。在高溫熱鍍鋅特高壓金具時,由于鋅液溫度高,鍍件離開鋅液后δ相仍繼續生長,在鍍件表面形成δ和η相的混合組織,鍍層表面呈淺灰色,故而要在鋅液中添加鋅鋁合金,使鋅液中含鋁量為0.03%~0.05%,以獲得光亮的熱鍍鋅層,并減少鋅液面氧化和鋅灰的生成,抑制脆性Fe-Zn相的形成,改善鍍層的粘附性。必注意的是,添加鋁的方式宜采用Zn-Al中間合金。生產中往往因所添加的中間合金的質量問題以及添加的方法不當(過多或過快),從而導致鋅液中形成大量Al-Fe-Zn化合物,這種小于鋅液密度的Al-Fe-Zn三元“面渣”或顆粒類似于鋁的氧化物,漂浮在鋅液表面上,很容易粘附在鍍件上,造成鍍層質量的下降,此時僅靠降溫和撈渣是不行的。一旦發現這種情況,應停止添加合金,采取鋅液凈化措施,把鋁量降下來。在鋅液中鋁含量不大的情況下,可適當延長空冷時間和提高冷卻水溫度,以防鍍件表面出現“橘皮狀”皺紋和氣泡。若直接向鋅液中添加純鋁、電纜鋁絲,經常會導致鍍件離開鋅液后表面有“疙瘩”現象,在空冷或水冷時“疙瘩”迸裂而出現露鐵,或在后續其他表面處理工序中出現掉鋅皮。鋅液中鋁含量超過0.1%時,會出現漏鍍的現象。

  (3)鎳

  鋅液中添加鎳是為了解決熱鍍鋅中因鋼材中含硅而出現的“圣德林現象”,從而解決鍍層色差現象。在鋅液中添加0.04%~0.12%的鎳,能有效減緩鋅和鐵在ζ相中的擴散速度,從而控制鍍層厚度的增長;改善鋅液的流動性,使鍍件提出鋅液時鍍件表面的鋅可更快流回到鋅液中,降低鋅耗;減少鍍層表面滴瘤及流痕等缺陷的產生,使鍍層更平滑、均勻。但鋅液中鎳的含量不宜超過0.06%,否則會產生Fe-Zn-Ni三元 Γ2相鋅渣并粘附在鍍層表面,而出現一些小的顆粒[4]。

  (4)鉛和錫

  為了增加鋅液的流動性,降低鍍層厚度,減少裸露點的出現,有利于沉渣、撈渣,也需要向鋅液中添加微量的鉛。450℃時,鉛在鋅液中的溶解度約為1.2%,多余的鉛會沉入鋅鍋底。當鋅液中鉛含量為0.5%時,鋅液流動性最差。故鋅液中的含鉛量應控制在0.005%~0.2%之間。實踐證明,當鋅液中含飽和鉛時,可提高鋅液的流動性,減少鋅瘤,降低鋅耗及鋅液溫度,減少能耗。如果在鋅液中添加約5%的錫時,能控制超厚鍍層的生長,鍍層的厚度比沒有添加錫時降低了10%~15%。需要注意的是,鉛和錫都不能過量,否則鍍層表面將出現“龜紋”和羽毛狀花紋,嚴重影響鍍層的耐蝕性。

  3.4鍍鋅工藝不合理

  國內大多數熱鍍鋅生產企業的工藝仍十分落后。所采用的工藝一般為:工件-拋丸-酸洗-烘干-熱鍍鋅-氯化銨爆鋅瘤-水冷-檢驗-包裝。總結其缺點有以下幾個方面:

  (1)酸洗后不進行水漂洗,這樣會直接把鐵鹽帶進鋅液,使鋅液變黏稠,降低鋅液的流動性,使鍍層的附著力變差;

  (2)沒有采用助鍍溶劑(摩爾比為1:3的氯化鋅與氯化銨)對鍍件進行表面活化處理,除造成鍍層的附著力變差的問題外,還會使鋅灰、鋅渣增多,鍍層露鐵增多;

  (3)沒有自動控溫裝置,使鋅液溫度忽高忽低,從而造成鍍鋅層厚度不均勻,鐵制鋅鍋產生的鋅渣更快;

  (4)在熱浸鍍鋅時,直接向鋅液中添加純鋁、電纜鋁絲、鎳粉、稀土粉等,而造成鋅液黏稠、流動性差,鋅液表面出現浮渣等問題;

  (5)對粘有油污的帶螺紋的鍍件不進行脫脂處理,僅靠酸洗去油脂,不僅會造成漏鍍,還會影響鍍層的附著力;

  (6)采用氯化銨溶液爆鋅瘤,容易在鍍件表面附著一層氯化銨,鋅層表面被腐蝕,出現灰斑和“白銹”;

  (7)水冷后不進行烘干或干燥不徹底,放在潮濕和通風不良的環境中會發生電化學腐蝕而出現“白銹”,降低鍍層的耐腐蝕性,直接影響產品的外觀。

  3.5機械加工方法上的缺陷

  熱鍍鋅金具在鍍鋅后,有部分產品要進行機械加工。夾持的方法、夾緊力、夾持部位和切削刀具不當都會造成鍍層表面的損傷,甚至會造成脫鋅皮的現象。

  4特高壓金具熱鍍鋅工藝優化與控制

  目前電力金具的熱鍍鋅工藝仍比較落后,再加上工藝執行和工廠管理制度的不規范,產品的鍍鋅質量沒有明顯的提高。因此,要想提高特高壓金具的熱鍍鋅質量,應從企業內部管理抓起,建立健全質量管理體系和目標,強化現場工藝管理,最主要的是對熱鍍鋅的工藝要進行優化。我們根據特高壓金具產品的特點,重新調整設計了新的工藝流程為:工件-脫脂-拋丸-酸洗-水洗-助鍍-烘干-熱鍍鋅-去鋅瘤-水冷-干燥-檢驗-包裝。針對新的工藝流程,對具體的工藝參數也提出了新的控制要求。

  增加專門的去油脫脂工序。由于一般的電力金具產品幾乎是直接鑄造或鍛造成型,機加工零件很少,在熱鍍鋅時沒有專門的去油脫脂工序。而特高壓金具有部分零件是機加工零件,表面有油污,所以必須要去油脫脂。由于溫度對去除油脂有很大影響,所以應對清洗池進行加熱,增加脫脂效果。脫脂后必須進行水洗,并保證進行溢水漂洗。

  增加拋丸處理。由于拋丸能夠對零件外表面的氧化層、夾雜層進行去除,并能改善零件表面的應力狀態。對于板片狀的金具零件,一般不需要進行表面拋丸處理。

  酸洗和水沖洗。酸洗是為了除銹,由于酸洗過程中會析出氫,氫原子易擴散到金屬內部引起氫脆,導致金屬的韌性和塑性降低。在酸洗時,也要防止過酸洗現象。實踐證明,采用鹽酸替代硫酸進行酸洗,能有效減低氫脆傾向并防止過酸洗。酸洗后的零件必須進行水清洗,為了增加清洗效果,采用高壓水槍輔助清洗,清洗水槽的水必須進行去酸處理。助鍍和烘干,采用氯化鋅與氯化銨質量比為1.2~1.5的混合溶液作為助鍍劑,助鍍劑的氯化鋅銨濃度控制在200~400g/L,溫度保持在 60℃~ 80℃,pH值也要控制在4~5之間,有利于零件表面形成一層薄的氯化鋅銨鹽膜的表面活化層。表面烘干的作用是去除零件的表面助鍍劑殘留,避免飛濺,并且將零件加熱到一定溫度,以減少零件的在熱鍍鋅時在鋅鍋中的停留時間。烘干溫度控制在120~150℃,烘干時間要嚴格控制,具體以保證工件干透為準,盡量縮短烘干時間,目的是保證零件表面助鍍劑不分解。

  鍍鋅工藝控制。由于鋅液成分對熱鍍鋅層有很大的影響,所以我們采用了高純度的0號鋅來熔融形成鋅溶液。在鋅液中加入鋁、鎳、錫、鉛等元素來控制鍍層的厚度、結構和性質。一般來說,具體的做法就是把零件放入鋅鍋中直至沸騰現象消失,即將鍍件取出。鍍件的提升速度是保證鍍件表面平滑無凸瘤、留痕的關鍵。對于含硅較高的活性鋼要求較快的提升速度。但是,較快的提升速度又會造成鍍件的表面鋅液來不及充分回流而凝固在鍍件上,形成毛刺、凸瘤、留痕。所以,綜合分析選擇,鍍件的提升速度應控制在3m/min,具體提升速度在實際操作中進行調整。

  水冷。為了去除鍍層上的助鍍劑渣,避免鍍件受到腐蝕并使鍍件快速冷卻,防止鐵鋅合金層的增長而產生灰色鍍層,要該對鍍件進行水冷處理。為了改善鍍鋅層的平滑度和光澤度,采用加有軟性肥皂液的冷卻水進行冷卻,水溫低于40℃。干燥。水冷后的零件應干燥徹底,保證不會發生腐蝕而出現“白銹”,降低鍍層的耐腐蝕性,而直接影響產品的外觀。干燥可以自然風干,也可以強制低溫烘干。

  通過以上熱鍍鋅工藝的優化改進,特別是工藝流程的變化和工藝參數的重新選擇,再加上在實際生產過程中的嚴格管理,確實可以提高特高壓金具熱鍍鋅質量,并且效果良好。

  5 結論

  特高壓金具熱鍍鋅,因其影響因素較多,不可避免地會出現一些問題而導致鍍鋅層質量下降,所以必須從多方面嚴格控制工藝指標的執行,建立質量保證體系。鍍件的表面粗糙度、金相組織對鋅層的附著力有一定的影響,要高度重視。鋅液溫度及浸鋅時間對鍍鋅層厚度影響較大。在向鋅液中添加鋁鋅合金或其它合金時,要有目的性和可靠性,正確掌握及運用合金的添加方法,正確評價所加合金的作用。只要按照文中所講述控制缺陷的方法,就能有效提高特高壓金具熱鍍鋅質量水平。

  參考文獻

  [1] 苗立賢,馮玲,史憲海,等。鋼鐵制件熱鍍鋅表面缺陷分析及控制[J].材料保護,2003,36(12):54-56.

  [2] 盧錦堂,許喬瑜,孔綱。熱鍍鋅技術與應用[M].北京;機械工業出版社,2006:60-61.

  [3] 楊冰,申曉剛,馬林,等。連續清除熱鍍鋅助鍍劑中鐵離子的工藝技術[J].電鍍與涂飾,2005,24(8):14-17.

  [4] 苗立賢,牛繼英,苗宇,等。鋅鎳合金在鋼制件熱鍍鋅中的應用[J].材料保護,2001,34(12):43-44.

  收稿日期:2014-11-18。

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