热镀锌工艺入门

2010-01-14 19:32:25| 分类： 热镀锌 | 标签： |字号大中小 订阅

初 版 目 录

目 录----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 前 言----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 第一章 脱脂和酸洗----------------------------------------------------------------------------------------------- 3 第二章 抑制剂----------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 第三章 酸洗水洗-------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 第四章 助镀液----------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 第五章 助镀液之处理------------------------------------------------------------------------------------------- 12 第六章 烘乾------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17 第七章 镀锌炉---------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 第八章 锌槽------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24 第九章 冷却及镀层表面处理---------------------------------------------------------------------------------- 26 第十章 镀面修整------------------------------------------------------------------------------------------------- 27 第十一章 热浸镀锌流程侦测---------------------------------------------------------------------------------- 28 第十二章 基本实验室检测方法------------------------------------------------------------------------------- 29 第十三章 锌浴添加 铝(Al)、铅(Pb)、锡(Sn)、锑(Sb) 对热浸镀锌镀层之影响-------------------- 32 第十四章 锌镍(Zn-Ni) 镀锌用合金-------------------------------------------------------------------------- 36 第十五章 蒸发法盐酸回收再生系统------------------------------------------------------------------------- 38 第十六章 冷冻法硫酸回收再生系统-------------------------------------------------------------------------40

- 2 - 前言

化学家Melanin 在1742 年，向法国皇家艺术学院提出一篇描述，藉由将钢铁浸在熔融锌液中 得到镀锌层的论文。90 年后的1830 年代以Melouin 的防蚀方式在英国及法国申请了专利。 此外，热镀锌一词是由义大利生理学家Luigi Galvani 所提出的，他发现当不同金属接触时会

有电流产生。

1971 年，一个镀锌标准BS729 引入英国。

每一个国家有自己的镀锌标准，但在1998 年引入了新方法PrENISO1461，这方法成了欧洲镀

锌标准，并且结合了镀锌操作程序，载入报告中。

? 品质控制样本的介绍 ? 镀锌层厚度的均匀性

? 定义可允许的未镀层面积及改善方法

? 影响镀锌的钢材特性

新标准提出后6 个月内，就取代了原来之国家标准。热浸镀锌广泛地使用在所有钢铁镀锌。

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第一章 脱脂和酸洗

热浸镀锌前处理是指酸洗及脱脂製程。这些操作在于准备和提供可镀锌之钢件。热浸镀锌反应 只发生在经过化学清洁的钢件表面，所以小心仔细地执行前处理和镀锌一样都是很重要的。钢铁表

面的前处理，对于获得良好的镀锌层是绝对必要的。

热浸镀锌前，需去除钢铁表面、油污、油脂、灰尘及其他污染物等。例如油漆和非水性马克笔 记号。经过多项嚐试最普遍还是使用硷性或酸性脱脂。通常以浸泡方式来脱脂，而高压水注喷射方 式也可以。完成后，钢件应在冷水槽中作水洗动作，除去残馀之化学药品, 避免影响到下一个製程。

1.1 硷性脱脂

硷性脱脂处理不论加热或不加热皆可，加热处理比不加热处理有较多的优点。例如：较能有效

率去除大量的油污和杂质。

加热式脱脂

这种处理方式通常使用具腐蚀性清洁剂，以往是以苛性纳（烧硷）为标准，但随着一些新技术 的开发，产生了一些变化发展出新一代脱脂剂。原因之一是不但比传统苛性纳更有强力清洁效果， 同时大大降低腐蚀性物质伤害到操作员的风险。加热脱脂一般温度控制在85℃，所以除了脱脂剂

成本外，能源成本亦应考量。

不加热脱脂

这种清洗方式基本上是用磷酸，这对使用者是较少危险的。但这种方式的脱脂效果有限，同时

对油漆残存物去除效率远不如加热脱脂，因此并不被广泛地使用。

1.2 酸脱脂

不论是磷酸或盐酸基，都有许多酸中脱脂剂可以选择，这些方式都不比加热脱脂效果大。他们 有他们的用处。在某些桉例，在酸脱脂后可以不需要水洗，即可进入下一个製程酸洗。不须单独设

置脱脂槽，节省加热能源。

1.3 喷砂

喷砂在热浸镀锌工业中应用于以下三点：

1. 从工件上去除大片的油漆。

2. 增加锌的附着量；浸镀前使表面粗糙可使镀层增加50%的厚度。

3. 从高张力钢移除铁锈,避免因酸洗製成产生氢脆化。

- 4 - 1.4 酸洗

大部份酸洗都使用盐酸，在某些国家是用硫酸，两者各有其特性，我们应该个别视之。我们在酸

液当中也会添加抑制剂。

HC1 盐酸

工业用盐酸浓度一般是28-32% w/w，再加水以50:50 比例稀释，得到浓度约14-16% w/w 的

盐酸。使用盐酸通常在18~21℃之室温下，若温度在18℃以下酸洗反应非常缓慢。

H2SO4 硫酸

用硫酸H2SO4 酸洗比起盐酸HC1 快很多，但必须在65℃的高温。买来的H2SO4 是未经稀释的 纯酸，使用时稀释H2SO4 溶液浓度至10~14%。通常在酸洗槽周围有吸烟设备。然而市场价格H2SO4 比HC1 便宜，但这节省下的成本可能被额外增加的加热成本所抵销。另外酸洗过后的钢件必须经 过水洗，因为需要处理费用，所以清洗水是在静止槽，当酸洗槽无法再用，这清洗水是用来配製新

酸溶液。

1.5 酸洗液的控制（盐酸）

HCl 槽的控制，最主在于控制酸洗时间及酸槽的寿命，为能确保酸槽的最大生产力，详述于后： 不只是酸的浓度会影响酸洗槽的效果，铁离子的含量也有影响。为了获得最佳的酸洗效率，酸

洗液中必须含有一定数量的铁离子。 图一、盐酸最佳化酸洗曲线图

由上图一我们可以得知，盐酸浓度愈低、铁离子容许含量愈高，当然此时酸洗速度亦愈趋缓慢。 事实上，酸洗时间基本上是取决于盐酸/铁离子的浓度以及酸洗液的温度。最佳化酸洗发生在盐酸 浓度和吸出铁离子平衡时，蓝色中间曲线曲线可以看出如何从酸浓渡250g/1 维持最佳酸洗之相关

参数。不过整体而言酸洗速率随盐酸浓度降低而降低。

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举例：浓度100g/1 的HC1，一开始溶液中需要50g/1 铁离子，而达饱和点则含有152g/1 的铁 离子。浓度150g/1 的HC1 溶液，则一开始需要25g/1 的铁离子，饱和点则为110g/1 的铁离子。

所以当酸洗槽因为铁离子含量饱和，而失去酸洗作用时可以用水稀释来恢复酸洗功能，虽然 HC1 浓度降低，但仍能发挥酸洗功能，只是速率较慢。若添加新酸到铁含量己饱和的酸洗液中，

将使新酸落在饱和点之上，仍无法再进行酸洗。

1.6 测量HC1 浓度及铁离子含量 FREE ACID (自由酸) - HC1 浓度

从酸槽取样并过滤25ml 到量筒（使用Whatman No.41 过滤纸），将过滤的HCl 倒入250ml 量 筒，然后注入乾淨的水直到满。量取25ml 新溶液注入圆锥烧杯,加几滴甲基橙指示剂颜色将变红， 滴定0.5N 碳酸纳Na2CO3 滴定至黄色终点。记录作为T 的mls(毫升数)，酸的强度为T x 7.3 =g HCl/l

铁离子滴定

从酸槽取样并过滤25ml 注入圆锥烧杯，加30 滴浓度10%硫酸滴足0.1N 过锰酸钾KMnO4，直

到溶液变为粉红色，持续15 秒记录当作T 的mls，铁离子含量 = T x 0.11%。

由滴定所得铁离子含量%和所附图二形所示g/1 是相似的，而且我们使用Big Buchket Chemistry

监视溶液中%数字，代替g/l 是可接受的。

铁离子滴定的变数应该使用一个常数，有了常数可让你以HC1 浓度及S.G 比重为基本，计算

铁离子的含量。但无论如何，只有在溶液不曾用来退酸或含有锌才适用。

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图二、盐酸浓度比重与铁离子含量对照表

- 7 - 第二章、抑制剂

酸洗的目的是清除铁锈，而不是侵蚀钢件；因此过度酸洗将导致钢件表面粗糙，造成镀锌效果

不佳。 抑制剂的两项作用：

1. 防止侵蚀乾淨的金属表面, 减少酸液中铁的含量。

2. 为延长酸洗槽的寿命。

在酸液中加入少量的抑制剂，抑制作用将有效防止洁淨钢件受侵蚀，且不会影响铁锈的去除效 率。因此当大部份难去除的铁锈移除之前，已除锈的部份也能免除酸液进一步的侵蚀。 由于在酸洗槽中加入抑制剂，而得到的光滑钢件表面，同时也会有较好的镀锌表面；且锌附着 量较少，此外也减低铁在酸液的累积，使酸洗液能使用更久。虽然我们只提供盐酸用的AD11 抑制

剂，但硫酸抑制剂亦可在市场上取得。

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第三章 酸洗与水洗

以HC1 酸洗后的钢件，再以清水清洗，理想上要洗两次。无论如何，实际上只有一次，有时

连一次都没有。 清洗包括一些目的：

1. 减低过量的HC1 被带入助熔剂。 2. 减低过量的铁被带入助熔剂。

酸过量将有下列影响：

过量的酸带入助熔剂将导致PH 降低，这个转变将使在助熔剂处理时，增加铁离子分解到助熔 剂，铁离子的增加虽不会减低助熔剂效用，但将增加镀锌槽锌渣的产量。记住锌渣包含5%的铁和

95%的锌，一般镀锌业者并无法回收再生。

铁过量将有下列影响：

过量的铁带入助熔剂的影响和HC1 相似，将增加锌灰的产生。无论如何，另外一个影响须视

铁氧化的状态而定。

水洗水的PH 将因为过量的HC1 带入而小于1，一些业者加入苛性钠或性氨水来调整PH 到7。 前述方法是为了保持助熔剂的PH 值，然而如果提高PH 值，将使二价铁Fe²+氧化成三价铁 Fe3+。如此原FeCl2 氯化亚铁转换成Fe(OH)3 氢氧化铁，此乃锌灰产生的来源，因为氢氧化铁在乾 躁阶段无法完全被烘乾。一般乾躁温度控制在110~120℃, 就是温度达150℃，包围在氢氧化铁盐 之水，亦无法完全被去除，所以这些残留的水将被带入锌槽与熔融锌液反应产生锌灰。注意锌灰最 初是由15%氧化锌和85%金属锌组成,，若超过上述温度残留之水和助熔剂层中之结晶水，皆会被 去除而导致助熔剂失效，因为助熔剂层之结晶水是用来形成Hydroxy 酸用的(请看后面助熔剂章节

描述)。因此，酸洗后之水洗槽不建议来作PH 值之调整。

附注：大部份镀锌业者，用含有铁离子的酸洗后之水洗水作新酸溷合液，因为在前面酸洗章节 中已经说明过，一定的铁离子含量对于盐酸溶液达到最佳酸洗速率是必备的。所以酸洗水洗水中之 铁离子即被用来作新酸之溷合，以建立初次之铁离子基本浓度。（新盐酸从32%被溷合至14~16%

w/w 浓度）

假如： 镀锌业者坚持水洗水PH 值要调整为7，那麽建议添加氨水而不建议加苛性钠，因为如 此会降低助熔剂的效用。氨水在与水洗水溷合形成氯化铵，氯化铵为助熔剂组成的一部份。然而若 钢件带氯化铵进入助镀液，将引起氯化锌对氯化铵比率从1:2 变1:3，这将减低助镀液的作用。

- 9 - 第四章 助镀液 4.1 简介

现今助镀液是镀锌过程必要的一部份，但也有例外。最早钢件以酸洗去除杂质和铁锈，之后直 接浸入溶锌槽。虽然此过程简单，但因耗锌量高、成本昂贵。助镀液的导入，能使热浸镀锌业者降

低钢件之锌层的厚度，改善成品品质，增加产能及降低成本。

4.2 助镀剂（三基盐和特殊的Tego60 助镀剂）

以热浸镀锌而言，钢件在经过脱脂、酸洗和水洗之后，助镀剂溶液本身是以氯化锌铵组成而发

展出来的。

助镀液以不同比率的氯化锌与氯化铵溷合而成: ? 60% w/w ZnCl2 ： 40% w/w NH4Cl -- 特殊的Tego

? 1 份 ZnCl2 ： 3 份 NH4Cl -- 三基盐 ? 另外，添加润湿剂以改善助镀液的功能。

钢件 氧化锌 熔融 锌液 4.3 功用 助镀剂有几点功用： 1. 防止烘乾时钢件表面氧化。

2. 分解溶融锌液附着在金属表面的氧化锌层。氧化锌产生是因为空气中的氧和溶融锌液之反

应（450~460℃），当钢件浸入溶融锌时，气化锌层附着其上。

假如：金属表面形成氧化锌，则内层的锌铁反应将受很大的影响，将造成镀件的浸镀时间较原来长，

时间加长，最终将增加钢件上锌层厚度。

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氯化锌是易受潮所以优先吸收钢件表面水分，因此可防止浸过助镀液的钢件，在烘乾时生锈。

NH4Cl → HCl + NH3

↓

ZnCl2.2H2O + HCl → (HCl(OH)2)H2 + ZnCl2

↓

Hydroxy Acids _____／ ↓

＼ ↓

(ZnCl2(OH)2H2 + HCl

氯化铵在锌槽中会分解产生盐酸和氨水，盐酸会和氯化锌吸收的结晶水，结合产生两种

Hydroxy 酸(HCl(OH)2)H2 和 (ZnCl2(OH)2)H2 + HCl 。 此两种Hydroxy 酸可以分解钢件表面所生之

氧化锌层。 4.4 操作参数

浓度

助镀剂浓度决定在处理钢件的种类 钢件种类 o Be’ 波美 S.G 比重 o TW 比重

线材 7 ~ 13 1.05 ~ 1.10 10 ~ 20 薄板 13 ~ 19 1.10 ~ 1.15 20 ~ 30 管材/一般热镀件 19 ~ 24 1.15 ~ 1.26 30 ~ 52 超大型钢/锻造件 30 ~ 40 1.26 ~ 1.38 52 ~ 76

以Be’波美浓度28 被认为可适用于各种钢件并得到最佳效果

温度

助镀液的最适温度是60℃-65℃，温度较低，助熔剂附着会较不均匀且较没效果；温度较高， 则助熔剂附着太厚，增加消耗。当然若附着较厚助熔剂在工件上锌灰产生会降低。不过太厚时则成

反效果。 时间

一般需 2 ~ 5 分钟即可得到好的助熔剂附层，这也让钢件充分加热以助烘乾。延长在助镀液浸 泡时间，将增加在酸性助熔液中铁的含量。另外在助熔剂附层会产生FeCl3 氯化铁，它将吸收乾躁

时残留的水份，导致浸镀时，熔融锌液与铁离子和水反应，增加氧化锌和锌灰之生成。

PH

助镀液的PH 控制在 3 ~5.5 。当PH 降低，更多的铁将被分解入助镀液，导致氯化铁FeCl3 含

量增加，锌灰产生将增加。

- 11 - 铁Fe

助镀液应该控制铁的最大含量 10g/1，维持低含量铁是低锌灰产生的关键。助熔剂的铁含量超

过10g/1。仍可继续操作，但锌灰和锌的耗费将增加。

润湿剂

添加 0.2 ~ 0.5% v/v 的润湿剂，将有助于增加助镀剂附层的效果和均匀性。

过程分析

助镀槽应该依下列变数, 每3 至4 个月分析一次。

1. 氯化锌 2. 氯化铵 3. 上两项的比率 4. 铁离子 5. PH

6. 比重 - 12 -

第五章、助镀液之处理 5.1 镀锌用之FLUX

FLUX 目前被广泛使用于镀锌，它改善铁与锌在锌槽中之反应，可以获得较佳之镀件外观，

降低表面瑕玼之不良率。

一般而言有两种FLUX 方式：溼式和乾式。 我们在此仅考虑， 广泛用于欧洲及的乾式法。

FLUX 之最佳状况如后： 组成 ： ZnCl2 ： 40-60%

NH4Cl： 40-60% 浓度 ： 400 - 500 克/升 温度 ： 40 - 60℃ PH 值 ： 4.2 – 4.5

ZnCl2 作用在于形成保护膜， 降低工件在酸洗到镀锌过程间氧化之机会，

ZnCl2 容易吸收水份， 所以此膜必须薄， 避免乾躁后吸入水份。 NH4Cl 是FLUX 之基本组成，它可以降低钢件表面氧化铁之残存，反应如后

2NH4Cl + FeO -> FeCl2 + 2NH3 ↑ + H2O

NH4Cl 之挥发性高，所以FLUX 中它的成份比例不应超过以免浸镀时浓烟产生。

5.2 FLUX 之污染

工件经由酸洗，水洗后，进入FLUX 槽中。大约每公吨之工件会带出4 公升之溶液一起进入 FLUX 槽中，所以FeCl2 (氯化亚铁)，HCl(盐酸)，ZnCl2(氯化锌)皆会一同存在于FLUX 溶液中。 先前提过ZnCl2 为FLUX 组成之其中一种盐类没问题，但HCl 及FeCl2 是不利的，若不即时处理，

几个月之后，HCl 和铁离子之浓度将和其他槽都相等了。

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5.3 HCl 和铁离子在FLUX 槽中之影响

铁离子：

当镀锌时纵使微量之铁离子进入就明显会增Ash 锌灰之产生。另外当大部份FeCl2 与锌反应

时将会产生Fe-Zn 键结，此乃锌渣(DROSS)产生之主因，化学式如后：

FeCl2 + x Zn -> Fe.Zn(x-1)

DROSS 锌渣必须定期捞除，造成损失，成本增高。注意！！每公斤之铁离子将与20-50 公斤

之锌结合产生锌渣(DROSS)。另外，FLUX 中铁离子会在镀锌层表面形成非常细微之DROSS 结

晶，造成附锌层增厚。

※注意：若每公升FLUX 有6 克/升之铁离子含量， 附锌层厚度将增加11.4%。换句话说，若工

件表面积为80M2/吨，耗锌量将增加4.3 公斤/每吨工件。

盐酸：

若有盐酸存于FLUX 中将会导致过度酸洗现象， 并生氯化铁FeCl2。

结论：

在FLUX 槽中，铁离子和盐酸之含量应控制愈低愈佳，最高含量应以不超过10 克/每公升为

佳，最好是5 克/每公升。

5.4 如何避免让铁离子及盐酸进入FLUX 槽中

当使用水洗槽时，铁离和盐酸浓度将会下降，铁离子约为20 克/升，但水洗槽内的PH 值仍

为酸性。有2 种方法可以来控制FLUX 槽中铁离子之浓度：

A. 降低水洗槽中铁离子浓

可以利用氢氧化物如Ca(OH)2 或NaOH 或NH4OH 来和铁离子反应成氢氧化铁Fe(0H)2 氢氧

化铁PH=8，同时会产生氢氧化锌Zn(OH)2，可以中和盐酸。

当用NaOH 时反应式如后： FeCl2 + 2NaOH -> Fe(OH)2 + 2NaCl ZnCl2 + 2NaOH -> Zn(OH)2 + 2NaCl

HCl + NaOH -> NaCl + H2O

NaCl 是附产品，氢氧化铁或氢氧化锌可经由过滤方式拿掉经过处理后，乾淨的溶液可以再打

回水洗槽内，但溶液中含有NaCl 或是（CaCl2）可借稀释法处理。

- 14 - B. 清洁FLUX

不同的污染程度有不同之清洁方式，低污染之FLUX 可用H2O2 来清洁之，高度污染之FLUX

可以用FLUX 再生循环系统处理较佳。（稍后说明）

FLUX 清洁系统之心脏在于反应槽，HCl 和NH4OH 氨水中和；FeCl2 + H2O2 产生Fe(OH)3

HCl + NH4OH -> NH4Cl + H2O 2FeCl2 + H2O2 -> 2Fe(OH)3 + 4NH4Cl

Zn++ 仍保持ZnCl2 状态

在反应槽中，NH4Cl 及ZnCl2 会再生。一般而言再生之NH4Cl/ZnCl2 比例并不足够须再添加。

最佳状况也许可以达到前面所建议之FLUX 浓度比例，若达不到，须少量添加ZnCl2 或

ZnCl2-2NH4Cl。 5.5 清洁FLUX 之好处：

如果FLUX 中没有铁离子或酸，其好处如下：

1. 品质提升，DROSS 显着减少，镀层品质稳定，外观瑕疵件降低。

2. 镀层表面光滑，厚度均匀。

3. 瑕疵不良率降低 ＝＞ 减少修整重镀时间 ＝＞ 降低成本。

4. 耗锌量降低：带出之锌少、锌灰、锌渣减少、耗锌量降低 ＝＞ 降低成本。

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5.6 FLUX 之清洁系统（加入H2O2） 图三、助镀液FLUX 清洁过滤系统

原理

定量将溶液由FLUX 槽泵入反应槽内，和H2O2 反应同时和NH4OH 作中和之后泵入低压过滤 器中，将铁离子过滤出后，乾淨之溶液再泵回FLUX 槽中，此系统为模组化设计，主体包含清洁

与过滤两部份。 清洁系统设备 反应槽：

反应槽由PP 成容量为3000 公升槽本身自己有液面控制器一旦液面控制失效， 另有一最高 液面保护开关， 自动切断泵浦深水式PP 泵，连续自动运转PH 及REDOX 值由2 个水泵作回授

控制反应槽设可移动式盖板及排水口。

过滤设备：

1. 钢构表面PP 涂敷：外观尺寸3M x 1M x 1.8M (长x 宽x 高)

2. 密闭式40 支滤袋：40 支分4 个区间，每区间10 支可分别由阀来控制关闭滤袋下方为滤

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出废物储存桶，泵浦及液面控制系统侧门可容易打开更换滤袋

控制盘：

此系统装有控制盘， 容易读取及操作项目如后：

1. 供料泵 2. 回料泵 3. 循环泵 4. H2O2 水泵 5. NH4OH 水泵

6. PH

7. REDOX 值显示器

8. 主开关 9. 反应槽液面过高 10. 过滤器液面过高

- 17 - 第六章、烘乾

助熔剂层在浸入镀锌槽时必须彻底烘乾，金属最高温应在110~140℃间。温度必须热得足够蒸发 助熔剂层里剩馀的水，但不应超过，150℃因为氯化锌的结晶水也会蒸发，结晶水会产生两种 Hydroxy

酸，它们将可分解钢件浸入锌槽时表面所形成之氧化锌层。

- 18 - 第七章、镀锌炉 7.1 设计考量要素 1. 燃料之节省。

2. 均匀之锌锅磨耗及足以接受的寿命。 3. 足够的热能以达最高之生产能力。

4. 弹性的锌液温控，不论在停机时或是最高产能时均可保持恆温。

5. 维修少以节省停机时数。 6. 不需土木工程之耗费以节省费用。

7.2 基本镀锌炉设计发展延革

热气再循环方式：

这种方式需要有一个耐高温风扇循环热气，同时在锌锅外设计热气循环之烟道，另外在锌锅 之一端或两端装置燃气或燃油之燃烧机组，火焰喷入燃烧室，风扇吸入后以螺旋叶片方式将热气 导入锌锅之两侧。当然这种方式有许多不同之设计，然而都取决于高温风扇之效率，这种风扇相 当昂贵，特别是对大炉而言，同时风扇叶片容易损坏，须长时间来修覆，另外基础之耐火砖设计 会造成热效应问题，因为高的热质量(导致温控时之反应较慢)和热应力不足(导致需要非常小心来

预热炉子)。 单向不循环方式：

这种设计是採用高速燃烧机加热，但热气并非循环环绕着锌锅，而是将烟道利用隔板分层隔 间，火焰由上层导入，由底部回收排放至烟囱。缺点是靠近燃烧机处温度过高，易造成锌锅之损 耗，另外特别是在气流瞬间改变方向时造成乱流亦会造成锌锅损耗，其次锌锅和烟道之温差太

大，可以说此种设计并非有效率之设计。

平火焰加热方式：

1. 第三种设计应该是近代最知名的设计，一组组之燃烧机等间距地排列于锌锅之两侧，由 烟道隔开锌锅和燃烧机，而火焰呈几何形状由燃烧机射出造成小旋转，背压作用将火焰 往烟道靠，远离锅壁，亦有人设计一道档板置于喷嘴口，避免火焰直接接触锅壁，水平 火焰加热基本上是由局部幅射加热，所以燃烧机对面地区受热较其他区域为高，因此锌 锅外壁亦较易损耗，虽然档板设计阻挡火焰直接接触，但高温之热能还是会传导过去， 所有此类设计之系统，特别是在端部，流率缓慢，燃烧空气温度较低，所以此部份热传

导效率较差，进而影响整个操作效率。如下图四、图五所示。

2. 由基础工程和维修角度来看，此种设计必须有较大的烟道空间以利多组燃烧机之燃烧空 气能在锌锅之两侧造成加热效果，再加上需要多组燃烧机所以整个系统之造价相对提高

不少，相对地维修成本亦增高许多。

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3. 针对上述种种设计之优缺点深入评估研发后，美国Westech 率先发展出最新，而又最符

合镀锌炉设计考量之六大要素之设计，它就是『高速脉冲火焰镀锌炉』。

图四、平火焰加热（锌锅断面） 图五、平火焰燃烧机之热分佈

typical data 440 - 442 C 449 - 450 C 450 C 50 35 min 44 mm ㄧ般经过四年后：

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7.3 当今最佳镀锌炉设计 －『高速脉冲火焰镀锌炉‖之原理』

1. 高速燃气或燃油之燃烧机装置于镀锌炉对角线角落，燃烧空气经烟道连续环绕于锌锅 外，燃烧机输出功率可达150m/秒，瞬间迅速循环升温，而且如此均匀的热传导将热量 传送至锌锅的每一点，同时可理解，这股循环之热流吸收了燃烧机所产生局部的热，幅 射状均匀环绕于锌锅外壁，自上至下，自前至后，故能产生高效率和相同之热传导，大

大地增加锌锅寿命。如下图六、图七所示。

2. 举个基本设计的桉例，一个10m 长 × 1.2m 宽之镀锌炉，输入1,000,000 kcal / hr 热量，

生产能力可达10 吨 /小时，燃烧机火焰出口温度比烟道之温度约高800℃，然而燃烧空 气和锌锅之温度差异却可保持在100℃以内。当然实际镀锌炉之设计必须考虑烟道的宽 度，燃烧机的大小，燃烧机放置精确的位置，最佳之热流速率，安全的热传导范围，避 免伤及绝热材料等等…。理论须和实际经验来结合，根据不同之需求，不同的产量，不

同的尺寸而做不同的设计依据。 图六、热流连续循环加热（锌锅断面）

447 - 448 C 449 - 450 C 450 C typical data - 21 -

图七、高速燃烧机热流连续循环之热分佈

7.4 镀锌炉之效率

这裡所探讨之效率是以烟道之温度来计算，当燃料呈气化状时空气温合，燃烧释出热量，而 燃烧效率之考虑必须回溯气体可产生的热值 (卡)，一般而言天然气热值约为00 kcal / m3，其中 90％的热是在大气环境下可以运用的，而另外10％的热是在过程中散失当然有效之热值会经由炉 之绝热材而损耗，烟道而损耗，但绝热之热损耗不大，所以我们定义系统之效率为：热值的供应

和实际传达到镀锌炉本身之百分比。

完全的燃烧对天燃气而言是不可能的，所以系统之效率取决于如何控制避免过多的空气在燃 烧时进入，降低了燃烧空气之温度，另外若要控制锌浴温度为450℃烟道温度势必超过450℃， 亦造成热损耗，所以理论上燃天然气之镀锌炉最高效率为73％，在高速脉冲火焰镀锌之烟道温度 依锌锅尺寸不同，产能不同而有所变化，但一般而言其温度比锌浴温度高约200℃以内，另外过 多空气量之控制小于10％以内，所以典型镀锌炉之效率 (高速脉冲火焰) 可高达65％~ 70％之

间。如下图八所示。 一般经过四年后 50 mm 42 min

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图八、锌锅热需求和镀锌炉效率实例

7.5 温控系统

高/低段火焰控制设计是非常实际亦可容易达到的，因为在燃烧之天燃气和空气仅须两组设 定，基本上大部份燃烧机处于高段加热，少部份时间处于低段加热，此种设计比起长时间处于中 段加热来得更有效率，同时锌锅寿命亦可延长，锌浴之温度是由热电隅测得讯号，传至控制系统

自动控制校正，指令燃烧机动作，当锌浴温度低于设定温度低限，燃烧机开至最大输出功率，但 由于机械元件之延迟反应因素，实际锌浴温度的曲线呈正弦波模组而走，所以必须设定较小的温

度区间在最大与最小输出功率之间，以便温度补正时间缩短。

而高速脉冲火焰之设计考量了时间的因素，因此温度控制非常均匀稳定，原理是热量的输入 採取方形波取代正弦波模组，之外加上一段时间的滞留，依不同之生产速率而调整滞留时间的长

短，更加精确，平均温控在 ±1℃以内是绝对可以达到的。

7.6 维修

高速脉冲火焰镀锌炉没有水平火焰加热方式燃烧机数量之多，没有需耐高温风扇之设计，使 用碳化硅陶瓷燃烧管，在高温及热变化的环境下，寿命长久，火焰温度探针亦採可信赖，寿命耐 久之材质设计，压力系统採用低压系统以减少维修，此外烟道出口更增加有温度，流量之侦测系 统锅壁，烟道之温度量测系统，和非接触式，电磁振动式锅壁厚度检测等等…皆在于减少维修发

生之可能性。 1170 + 38 1760 镀锌炉效率 = Qk = 1170 kw Qc = 38 kw

x 100% = 68.6 % For Qb = 1760 kw

Qc Qb Qk Qf + Qv

(Qw = 830 kw, Qs = 340 kw) Oil fuel 13 x 1.5 x 3.0 m 12.5 te/hr max

- 23 - 7.7 降低成本

美国Westech 设计之U 型钢结构（如下图九所示）作为炉体和锌锅之支撑，不须土木工程， 大大降低了装机之成本，燃烧机装于两侧端部，燃烧空间缩小，炉侧面所需空间不大，大大了结 省许多成本，使用较少的燃烧机，不但降低了成本，而且减少了控制系统的複杂性，维修成本亦 降低，减少装机时间，操作容易，自动化效率高成本相对降低。工作品质提昇，重镀率降低，相

对地大大降低了成本，提高了竞争力。 图九、美国Westech 所设计之U 型钢结构

- 24 - 第八章、锌槽

锌槽装着温度在450℃ ~ 460 ℃ 之间的熔融锌，加入镍和铝增加镀层表面的光亮和锌花，铝 的最高含量须控制在 0.01 % w/w，铝让锌浴流动性较佳，钢件镀锌层厚度较一致且较光亮，然而 一过量的铝将防碍锌与钢件之结合，这将使得镀锌层表面造成黑斑或有些地方镀不上锌。加镍最高 0.08% w/w 是为了减低高硅钢的影响，因为高硅钢会造成镀锌成品表面亮暗斑纹，这影响以Grey Bar 着名。最佳的浸镀作法是撇去锌槽表面浮渣，钢件完全浸入。等锌灰在表面形成，再用治具再 一次地移去锌灰及渣，当锌槽表面不再有锌灰产生时且形成正确锌层 (标准是80 ~ 120μｍ) 的所需 时间已到，慢慢将治具移出锌槽，经常可看见钢件移出时在锌槽表面洒氯化铵粉。这是帮助分解镀 锌层表面的氧化锌附着和改善多馀锌液的流回。部份认为这是不必要的动作，因为将产生更多的锌

灰。 8.1 消耗指数

假如取一个镀锌业者之平均值， 下列消耗指数代表好的操作流程：

1. 每吨钢件耗锌55 ~ 65 kg (含下列损失)

a.) 锌灰 (5 ~ 7 kg / 每吨钢件) b.) 锌渣 (4 ~ 6 kg / 每吨钢件)

c.) 治具表面附着

2. 每吨钢件需1.6 ~1.9 kg 助熔剂 3. 每吨处理过的钢件需4 ~ 5 个治具

8.2 锌灰

成份是氧化锌，锌槽表面熔融锌液与空气中的氧或水反应而来，锌灰也形成于钢件表面的铁盐 类在进入锌槽时。锌渣也包含少量的铁、锌和氧化锌，治具入槽之前与离槽之前锌灰被撇离。当在 铜件表面的氧化锌，在被助熔层分解前就离开表面，锌灰也会产生。经常可看到当还在锌槽的治具 移动时，一些黑色的锌灰会浮在表面。锌灰持续被移除也许每个礼拜的最后一天，再徐徐放回锌槽

中重熔。

第一次锌灰重新熔解时含有 55%-85% w/w 的金属锌和低浓度 15% -45% w/w 的气化锌，第二 次再熔解时，氧化锌浓度变高而金属锌浓度变低。注意：氧化锌成份并无法熔解回到锌槽而是浪费。 注意︰在实际的重熔锌灰时，不止还原成一些锌，而且也产生许多杂质到熔融锌液里，这可能引起 产生均匀锌层表面的问题。因此，当使用 Tego 助熔剂，锌灰不建议重熔而是归类为消耗。镀锌业 者卖锌灰应该获得比卖再熔化的锌灰较好的价钱，因为锌含量有 85% 之高，再熔化锌灰含量只有

5%的锌，而有95% 氧化锌。

- 25 - 8.3 锌渣 (Dross)

也叫做硬锌包含 95% 的锌和 5% 铁， 锌渣的密度远大于溶融锌， 因此沉到锌槽底部。锌 渣是熔融锌与钢件表面反应而成，好的助熔剂层将有效地分解钢件表面的氧化锌，让锌很快地附着 在钢件表面。大部份的铁离子因而被吸附于最先产生的锌铁层镀层中，而不会沉淀到锌槽底部形成 Dross。应该注意的，位于槽底的Dross 将聚集更多的锌，因为熔融锌会附着到已形成的Dross 表面

上。所以定期捞除槽底锌渣是非常重要的步骤。

下表列出了不同钢材的镀锌层重量及厚度，它採取自BS729/ISO 1461 且包括铸铁及离心处理

工作。

表一、不同钢材的镀锌层重量及厚度

类 别 最小平均镀锌层重量 （单位：g/m²） 镀锌厚度（单位：μm）

大于5 mm 610 85 大于2 mm 小于 5 mm 460 65 大于 1 mm 小于 2 mm 335 47

铁 铸 件 610 85 离 心 工 件 305 43

- 26 -

第九章、冷却及镀层表面处理

热浸镀锌之后，浸镀之钢件利用空冷或水冷来降温。水冷却显然比空气冷却较快，但对薄的金 属可能发生局部扭曲变形。如果以较慢速度浸入冷却槽，可能可以克服此一情形。水冷却有一些好 处超过空气冷却， 比如 ： 在水中加入可溶解于水的产品，像Metfin CH06 则可同时进行水冷

却及镀层表面处理。

Metifn CH06 可以单独使用在水冷却之后，也可以加入冷却水中。 Metfin CH06 提供一层铬 聚合体附着在锌层表面，可提供6 个月以上保护作用，去抵抗储存期间可能产生的白锈。这附着 层含有三价铬，溶液则含有六价铬，因此被归类为有毒及致癌的物质，但附着之表层是无害的，为

取代传统六价铬最佳产品。

- 27 - 第十章、镀面修整

镀面修整是锌钉锌豆的去除，锌钉锌豆是钢件缓慢离开锌槽时，在锌层表面形成的。锌钉锌豆

可用研磨、锉力锉、或氧乙炔技术等方式去除。

少部分未镀到之表面，可以使用含有99%锌之锌喷漆修补之。

- 28 -

第十一章、热浸镀锌流程侦测 表二、热浸镀锌流程侦测

问 题 检 测 酸 洗

酸洗时间加长 HC1浓度

Fe 浓度

酸洗工件表面有凹点 抑制剂强度

酸洗时间 助镀液 表面有油垢 脱脂

水洗

助镀液处理后工件生锈 检验助镀液成份

过量的铁离子

脱脂 水洗 锌

黑斑 - 裸斑 工年没洗乾淨

锌槽温度 附着过量 过度酸洗

助熔剂成份 浸镀时间 钢件作份 镍和铝在锌槽的含量 不良成品 钢件成份

镍的含量 铝的含量

P.S. 锌槽中最高铝含量为 0.01 % w/w

- 29 -

第十二章、基本实验室检测方法

12.1 HC1 浓度测试

1. 自酸洗槽中取25ml 样本液，经过滤，置入250ml 量筒

2. 加水至总体积250ml

3. 取250ml 之溷合液，置入锥形烧杯 4. 滴入微量甲基橙指示剂， 溶液颜色将变成红色 5. 以0.5N 碳酸钠 (Na2CO3) 进行滴定，直至颜色变成黄色

6. 记录滴定量 T

T x 7.3 = g HCl / l ，如此将可计算出 HCl 浓度

12.2 Fe2+ 浓度测试

1. 自酸洗槽中取5ml 样本液，置入250ml 锥形烧杯

2. 滴入30 滴10% 硫酸

3. 以0.1N 过锰酸钾 (KMnO4) 进行滴定，直到颜色变成粉红色，并维持15 秒钟

4. 记录滴定量 T ； T x 0.11% = Fe2+ 浓度

计算出之 %，即约等于 g / 1，依此数据可计算出酸洗槽中Fe2+浓度

※Fe2+浓度亦可以HC1 浓度及酸液比重推算出。但此方法只适用于新酸及无Zn2+的溶液中。

12.3 CH06 浓度测试 (每週做一次) --Cr6+ 浓度测试

1. 取 5ml 样本液，置入250ml 锥形烧杯 2. 加 5ml 10% H2SO4 和 2 克碘化钾 (Kl) 溷合 3. 加 5ml 淀粉液溷合，颜色将变成深蓝色 4. 以0.1 N 硫代硫酸钠，滴定直至颜色转变成绿色 硫代硫酸钠滴定量 x 0.36 = ? % 体积百分比 — CH06

记录滴定量 = H

正常 CH06 在冷却槽浓度： 0. 2 % 12.4 Cr3+&Cr6+ 浓度测试 (每个月做一次) 1. 取 5ml 样本液，置入250ml 锥形烧杯

2. 加100ml 和 H2O 和 1g 石英 (SiO2) 颗粒 (ψ：0.5mm)

3. 加10ml 10% NaOH

4. 加 5ml 新鲜3% H2O2 并加热至沸腾

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5. 保持沸腾至少20 分钟，同时加 H2O 保持液面高度 6. 缓慢滴入 40% HCl，直至颜色由黄变橘色，并保持沸腾10 分钟

7. 冷却至室温 (20 ~ 30 ℃)

8. 取 5ml 溶液，置入250ml 锥形烧杯 9. 加 5ml 10% H2O4 和 2g 碘化钾 (Kl) 10. 加 5ml 淀粉液溷合，颜色将变成深蓝色 11. 以 0.1 N 硫代硫酸钠，滴定直至颜色变成绿色

12. 记录滴定量 T ， T = Cr3++Cr6+ 总量 RATIO = Cr6+ = H = 必须保持在 0.5 以上

Cr6+ + Cr3+ T

否则 CH06 溶液须丢弃 (即不保证抗氧化6 个月)

12.5 CH06 废液处理法：

1. CH06 废液， 加 HCl 直至 PH 值 1 ~ 2 2. 加入NaHSO3 (硫酸氢钠) 溷合， 直至颜色变绿

3. 加入NaOH 直至 PH： 7 ~ 9 4. 等待， 直到底部产生沉淀

5. 将废液以泵浦抽出。废液可与废水共同处理

6. 将底部的沉积物丢弃 (沉积物本身： Cr3+ + polymer 无毒)

1MT 废液 约需 5 KG NaHSO3

1MT 废液 约产生 10KG 底部沉积 ( Cr3+ + polymer )

12.6 冷却槽中 Zn 浓度测试

1. 取 50 ml 样品溶液， 置入250ml 圆锥形烧杯 2. 加 25ml 20% 之氯化钡溶液，加以溷合 3. 加 25ml 50% 之氨水加以溷合，将产生绿色沉淀

4. 过滤溶液及收集 50ml 样品 5. 加入 25ml 饱和硫酸钠溶液

6. 加入少量 Erichrome Black T 指示剂，出现紫色表示含有锌，出现澹蓝色则无锌成份

7. 以0.1N Versene 滴定方式，直到紫色转换为澹蓝色

8. 记录 T 的毫升数

※请保持锌的可接受浓度程度，T 值需低于 4.0，即表示 Zn 浓度低于1500 ppm (1500 mg / l)

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12.7 HCl，Fe2+ & CH06 浓度测试所需准备之试剂及指示剂： 1. 10% H2SO4 (硫酸)；取 90 ml H2 O(水)和10ml H2SO4 溷合 2. 0.1N 硫代硫酸钠；取 24.8199 的硫代硫酸钠, 加水至1000ml 总体积溷合

3. 0.5N 纯硷 (Na2CO3)；取 26.49759 的Na2CO3 加水至体积 1000ml 溷合k 4. 0.1N 过锰酸钾 (KMnO4)；取 15.8049 的过锰酸钾 (KMnO4) 加水至体积 1000ml 溷合 5. 指示剂 ( (C6H4 －4－OH)2，MO) ；取 10 g 指示剂 加酒精至总体积 50ml 溷合

（C6H4COOC：PP‖，MO：甲基橙） 6. 淀粉；取 10 g 淀粉 加水至 50ml 并溷合

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第十三章、锌浴添加铝(Al)、铅(Pb)、锡(Sn)、锑(Sb)对热浸镀锌镀层之影响

13.1 锡(Sn)之添加：

前言

锡之添加对镀层表面外观有显着之影响，特别是与铅同时添加时， Spangle 锌花效应增强， 并消除锌花界面之凹陷，表面亮度剧增。至于添加锡对其他性质的影响倒不十分显着，最近之研 究中，只有Nippon Steel 发展之Zn-Sn-Al 合金(成份相当宽广)，强调应用在热浸镀锌上，有良好

的附着性，抗腐蚀性，表面外观及成形性。

镀层表面外观 1. 凝固方式：

锡改变镀层之凝固方式，造成锌花之产生。锡在固态锌之溶解度小于0.1%，所以锡 不会回到液态，于是锌的固溶体产生树枝状结晶。由平衡图可知道，锡含量高时，液相

必须在共晶温度198℃以下才会凝固。

有许多报告都说明了锡之添加有助于锌花之显现℃ameron 指出此特性必须配合其 他元素之添加，例如铅。同时加锡和铅之镀层有高度锌花产生之表面和光亮，类似霜之 区域交错着。铅：锡之比例则影响这两种不同表面区域之比例，经探讨类似霜之表面晶 粒几何特色得知，它是由非常小之二次晶粒，同方向组成；所以认为当凝固时，锡带出 过量铅在锌中形成之准安定残留所致。而结晶格子之畸变，则来自于大的铅厚子导引二 次晶粒之形成，或许高铅区域树枝状结晶之再结晶是来自于热量不断地从镀层上散失所

致。

Sebisty 对添加锡(单独添加或与镉(Cd)、铜(Cu)和锑(Sb)一块添加)做了更进一步之研 究，锌浴为Fe 铁之饱合化合物，铅铝含量可改变。若不含铅，锡含量小于0.5%，不产 生锌花；锡含量增高些，锌花非常小；若加入0.5% 之铅，锌花显着增大；霜状区域亦

呈现。即使锡含量增加到2.5%，霜状区还是看得出来。

Sebisty 指出添加0.5%的铅和0.15%的锡，会造成锌花界面之凹陷情形；但若锡含量 增加到0.6%，则此情形消除，恢复平滑。Ellis 亦曾提到添加锡能消除过量铅所造成之

锌花界面凹陷。

Sebisty 发现，锌浴含0.05% 铝，0.5% 铅时，添加0.6% 锡和0.04% 锑会得到最佳 之光亮度和最大之锌花对比。其他研究也曾提过添加锡可增加镀层表面光亮度。但过量

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的锡会造成黄色之氧化斑点 ，不过只须添加铝即可克服。

Nippen Steel 发展的Zn-Sn-Al 热浸镀锌用合金 ，自称可达到平滑又光洁之镀层表

面其成份如后： ? 30% 锡, 0.005 ~ 0.5% 铝 ? 20% 锡, 0.005 ~ 20% 铝 ? 5 ~ 60% 锡, 0.30% 铝

2. 镀层厚度

Sebisty 报告指出添加锡对镀层重量影响并不明显。另外Radeker 亦指出锡含量至1% 对Fe-Zn 铁锌之金属化合物层之形成并无影响。 Hall 发现如果没有添加铝，添加锡对 镀层重量有少许影响，锡有减弱铝对金属化合物形成的抑制效应；1% 的锡会减弱0.05%

铝对金属间化合物形成之抑制效应。 其他报告如后，但值得怀疑，仅提供大家参考用。

Imhoff 提出添加锡可使镀层较薄，但他并没提供数据，何种成份。 苏联提出锡含 量高过2% 时，会影响锌浴之流动性，相对即增加镀层厚度，但并未提出实验时的温度，

所以不值得取信。 3. 机械性能

Hall 指出Zn-Sn 合金较脆，所以镀层应该亦趋于脆性。Ellis 等人提到添加锡有增加 附着力之功效。前面提过锡会减弱铝对金属化合物形成之抑制效应，所以Sebisty 认为 会降低附着力。Nippon Steel 自认为其发展之Zn-Su-Al 能增加镀层之附着力，延展性，

但其研究是针对Zn-Sn 来比较，所以实际之好处并不清楚。

4. 腐蚀效应

这方面的研究较少，仅有几篇报告认为添加锡会轻微影响抗腐蚀效应。ASM 手册

指出，锡含量超过1%，镀锌水槽之寿命将降低。

Nippon Steel 自称Zn-Sn-Al 有好的抗腐蚀性，但还是与Zn-Sn 来比较，在日本Zn-Sn

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13.2 锑(Sb)之添加：

前言

在非连续式镀锌中，锑之主要影响在于镀层之外观，少量的添加有助于锌花的形成，同时产 生平滑漂亮之镀层表面但锑的添加会造成镀层脆化，和由于氧化而产生之黄色斑点，总之添加锑

目前尚未被广泛应用。

最近研究的重点为，在连续镀锌槽中含铝情形下，以锑取代铅有相当好的影响。铅可产生想 要的表面特性(如锌花)，但铅易造成晶粒间腐蚀，唯有添加铝含量超过4%时才能避免。用锑取代

铅可达到相同之表面效果，这是因为锑、铅有相似之表面张力和结晶过程所致。

特性之影响 1. 镀层表面外观

和铅相同，锑在固态(相)锌之溶解度相当低，因此当镀层凝固时趋向形成树枝状结 晶，于是产生锌花。Radeker 研究指出，锌浴含0.09 ~ 0.97% 锑，0.69% 铅和0.02% 铝， 当含0.09% 锑(和纯锌浴比较)产生小锌花。当增加锑含量时，锌花增大；0.58% 锑含量 时，可有φ30-50mm 直径之锌花，而且表面光亮无斑点，或许来自于添加铝。Hall 研究 指出，锑含量超过0.05% 以上会发生黄色斑点，但只须添加铝即可消弭，即使锑含量高 达1%，添加Cd(镉)亦可消除黄色斑点。0.01% 锑和0.03% 铝可得到光亮表面，大的锌

花。若再加1% 锡，则效果更佳。其他尚有许多锑对镀层外观正面影响之报告。 在熔融之锌液，锑和铅添加有着相似之表面张力，添加锑对锌花之平整有显着的改 善，虽然并没有正式文献可以参考，而以锑取代铅或许可以解决锌花介面凹陷之情形(连 续镀锌製程上)。 Lee 在对连续式热镀锌所作研究上强调：添加0.02% ~ 0.15% 锑至含 0.2% 铝和 < 0.02% 铅的锌浴中，可得到大又平整之锌花；另外当使用5% 铝共融合金 和微量的铅，此时添加锑可以消除表面产生之水纹，锑含量在0.02 ~ 0.15%；同样的，

0.1% 锑可取代铅的作用，而且消弭5% 铝共融合金所产生之斑点。

2. 镀层厚度

由于添加锑，降低熔融锌液之表面张力，所以在非连续式镀锌时， 有助于多馀锌 液自工作上流下，减少镀层之重量，然而这方面并无证明之文献，也许是因为添加锑尚

未被普及应用之故。

Sebisty 和Raderker 报告中指出，锑对镀层厚度影响并不显着。 Hall 则发现，当锑 增至1% 时，对镀层厚度并未改进，但他并未说明是Fe Zn 金属化合物层或是整个镀层。 另外添加锑会减弱铝对金属间化合物形成之抑制效应，1% 锑会减弱0.05% 铝对其之抑 制效应。温度在490 ~ 520℃ 时，时间对金属间化合物之生成呈线性而非抛物曲线(当採 用低硅钢(0.02% Si 硅)槽和传统用镀锌合金)此导致镀层较厚。Horstman 发现，若添加锑

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则可扩大上述温度范围区间，当添加0.5% 锑时转变温度从480℃ 开始；添加5% 锑时， 转变温度降至450℃ 即开始(正是一般镀锌之操作温度)所以5% 锑导致镀锌槽钢板将加

速溶解，过多的金属间化合物生成，寿命缩短。

3. 机械性能

先暂时不提锑对脆化之问题。

? Radeker 观察到，若锑含量超过0.1% ，镀层之延展性降低(作拉力试验及伸抽时，

会产生裂痕)。

? Gordet 提出，添加0.05% 锑会造成镀层之脆化。

? Bablik 发现添加0.3% 锑到含0.4% 之锌浴中，会降低镀层之附着力，不过影响非

常小。

在连续式镀锌，一般加了铝后可减少降低锑对镀层产生脆化效应之影响。Lee 强调，

铝含量在0.2% ~ 17%；锑可到0.15%，不会有任何机械性能上之不良影响。

4. 腐蚀效应

加上铝后，少量添加锑对腐蚀性并无明显影响。Radeker 报告指出，锑含量要超过 0.3% 时，可提高抗腐蚀性；若铝含量在0.2 ~ 17%时，锑可以用来取代铅，消除晶粒间 腐蚀之问题，而且在溼热的大气中镀层不会起泡，仍保持良好之表面特性。Lee 强调， 锑含量在0.02% ~ 0.15%，铅小于0.002%，可提升抗腐蚀性，改善白斑之产生。

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第十四章、锌镍(Zn-Ni) 镀锌用合金

14.1 前言

本文将阐述锌镍合金发展之延革及其优缺点。

14.2 延革

1960 年代中期，加拿大矿业技研中心最早对 ―镍对含硅钢材反应之抑制效应‖ 开始研究； 1981~1982 年法国某锌锭生产者更进一步评估研究，含镍之锌镍浴对镀锌之好处，而后决定推广

此种合金；1986 年8 月欧洲使用锌镍浴镀锌，厂家如后：

比利时 - 计11 家厂，佔所有镀锌之50%。

英 国 - 由19 家降为11 家，这是因为未淨钢膜厚规范不能太 薄之，及添加技术不良，造成镀膜表面小突起之故。

法 国 - 由17 家降为11 家。

英国和法国而言，佔所有镀锌之30%，COMMINCO 在1984 年投入生产锌镍合金，至今(1997

年8 月)北美共有6 家镀锌厂使用此种技术。

14.3 锌槽浴之组成

由欧洲和北美的经验及研究结果，最佳槽浴之组成为Ni 含量0.08~0.09%。当Ni 镍含量于 0.07% 时抑制效应相当明显；若超过0.1% 时并不会改善抑制效应。铅(Lead)必须控制在 0.15~1.2% 之比例，可得较好之流动性，铝(Al)可少量添加(0.005~0.007%)增加镀膜之光度。

14.4 锌之析出(附着量)

钢材中的硅(Si)含量小于0.2%， 锌镍合金有显着之抑制反应效应。但当钢材中硅(Si)含量超 过0.25% 时，随 Si 之含量增加，锌之析出(附着)亦成比例提高，和传统镀锌愈来愈趋近。 在北美规范中，未淨钢不适于薄的镀膜。例如1/8― ~ 1/4‖ 厚之未淨钢採用锌镍浴，膜厚一般 在 2.8~3.1 mils (70~80μM)，有时甚至膜厚可达2.6 mils (65μM)，但ASTM A123 规订膜厚一般得

达3.4 mils (86μM)，对1/4―厚之板膜厚要求3.9 mils (99μM)。

若将浸浴时间拉长，也许可达此规范，但欧洲经验时间拉长得膜厚亦有限。另外一方法是先

珠击待镀钢件表面，以达较厚层符合ASTM 规范。

14.5 膜层之附着力

对未淨和半淨面钢种，採Zn-Ni 镀锌，其附着力和传统镀锌相似， 对全淨钢种而言，附着

力胜过传统镀锌。 14.6 膜层之外观

对未淨、半淨面钢而言，表面平滑，有些白亮班点但不影响视觉， 对全淨面钢而言，有少

许改善。 14.7 抗腐蚀能力

在曝露于大气之下测试，欧洲所得其耐蚀抗蚀能力和传统镀锌相同。

14.8 操作方式

锌镍合金适合乾式及溼式镀锌。要将锌浴池转换成锌镍浴非常容易，只需添加入母合金或已 调好成份之Zn-Ni 锭。相同的，补充添加亦可加入预调成之Zn-Ni 合金锭，或加入母合金(含2-5% Ni 镍)。但2-5% Ni 之母合金易造成Zn-Ni 金属键结，溶解速率较慢，会造成膜层起小泡趋势，

所以建议以预调好之合金使用之，可降低金属键结物产生亦有助于控制槽浴之化学成份。 比利时一家锌锭供应商提供0.24% Ni(镍)之锌镍合金，可达85%浴槽内镍之需求，剩下15% 再经由添加母合金(2% Ni 含量)来达成。为何使用0.24% Ni 合金呢? 是因为这个比例之 Ni-Zn 最 易于溶解0.24% Ni 合金，锌镍即呈微粒结晶，Ni 易于溶解锌液中。 数据显示，使用锌镍合金， 镍之回收达30% ；以母合金添加，镍之回收率仅20%。 两者而言，大部份镍都沉淀于底部之锌

渣中，其含镍量在2-3% Ni。总之，0.24% Ni 合金有助于消除表面起小泡之状况。 底部锌渣产生及Ash 数量和传统镀锌皆相同，Zn-Ni 镀锌可减少锌附着量，比起传统镀锌可

以结省锌之需求量达10%。

然而最佳合金为永尚自行研发之0.5% Ni(镍)之锌镍合金。

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第十五章、BETA 蒸发法盐酸回收再生系统

15.1 前言

BETA 控制系统公司于1980 年成立，原为研究发展公司，基本宗旨在于发展几近完美的艺术 创作之工业用资源回收系统。 由于组成人员有共同之电子和金属加工工业之背景，一开始锁定 之方向为研发新的科技来解决上述业界之问题。 经过了几年，BETA 公司研发出多项科技，如: 电 解渗透，电分解，逆渗透，离子交换和结晶，并已成功地应用在许多工业界，镀锌，钢铁甚至于

半导体晶圆之加工业。

BETA 致力于最佳之应用科技，同时亦为销售后所带来之荣耀，感到无比骄傲。 至今我们依 然确实知道，新客户们在使用我们的科技后的几个月中，会讶异有如此史无先例，不可思议的效

果。 当然我们亦继续地提供教育训练和到厂做维修指导。

我们将继续研发世界上最好的产品，我们的目标在于拥有最满意的客户群和最好的系统装 设，而不在乎拥有最多的客户群和系统装设。 就是这样，BETA 已过了灿烂的17 年岁月。 大家 都知道BETA 是以它的产品出名而非广告，我们有最好的销售群来满足客户的需求，同时每样产

品皆可符合客户的要求。

我们以BETA 为荣，确保客户亦以BETA 为荣，我们绝对相信世界上最佳的环保科技，就是

资源的回收再生，我们将视之为我们生命的事业和工作。

15.2 沿革

法国哲学家伏尔泰曾说过：「没有任何问题可以经得起连续不断思考的攻击」自从人类发现 用水之后，当使用地球资源时，就已经和如何保持环境，有着矛盾与冲突。 钢铁、镀锌业界大 量使用危险有害的化学药品，着实令业界左右为难。 在二十世纪中，大家亦曾研究如何降低使 用，还原，或回收酸洗中之化学药品，但一般之技术都花费太高去做投资以及操作，但 ―不断地

思考攻击‖ 仍继续在进行中。

过去二十年中，一些科技如：离子交换、电解渗透、扩散渗透、喷雾锻烧和蒸发已应用于废 酸回收系统中。如何有效地回收废酸和避免废弃物产生，每种技术都可以执行但总是失败于无法

达到经济效应，或者是机械标准无法达到，所以至今并无任何一种技术来商业化。 近四年来由于新材料科技之进步，以及史无先例的能源利用，使得HCL 回收再生系统获得 了再生。 由于新热塑型加工材料;碳纤複合材料之发展，和独特的热交换器之设计，使得蒸发型

回收系统可以耐得住绝对的高温和腐蚀，同时符合经济效应和机械结构。

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接下来将介绍我们创新的废酸回再生技术 -- 有效率的製程，经济的能源需求，完全闭路循

环设计，符合绿色环保要求。 15.3 蒸发回收再生系统

这个技术最常应用在室温下反应之酸，例如盐酸(HCL)，经由此回收再生系统，废盐酸可以 被还原成高浓度的盐酸再使用。 另外产生高浓度之附产品(FeCl2)溶液，当然进一步处理可以成 为结晶粉末。 此附产品可以卖给化学药品商，应用于农业上的需求，或是垃圾处理厂之添加剂。 废酸中铁离子的含量大约在5% ~ 15% 之间，无法再作酸洗反应，此时残存之酸的浓度约为 3% ~ 10%，视不同应用而有所异，剩下大约60% 之溶液是水，如图所示，蒸发回收再生系统有

效率将溶液加热蒸馏出酸和水来，仅保留高浓度之氯化亚铁(FeCl2)。

15.4 流程说明

1. 由壹个无轴封，磁力驱动之离心泵，将废酸经由预先之过滤器泵 入回收系统之热交换 区间，之后，藉由独特设计之壳板式热交换器，将蒸发回路蒸发出的酸和水蒸气之热， 吸出做热交换(预热)， 如此可以大大降低能源之需求，同时可以让蒸发回路循循作动，

如此预

2. 热后的废酸再进入蒸发回路中泵的入口。

3. 废酸中之酸和水之溷合液在102℃ 时开始蒸发，酸和水不断地蒸 发直到温度达到饱和 点为止。 经由调整废酸进入系统之速率，和过饱和酸及水蒸气离开蒸发回路之速率，

如此系统即可循环运转。

4. 氯化亚铁(FeCl2)浓缩溶液由此蒸发回路慢慢流出至储存桶槽内，其铁离子浓度可高达 18% 重量百分比，游离酸浓度小于1%以下，此浓缩溶液亦可被处理为结晶粉末。 5. 由于蒸发室内温度上升，蒸气膨胀，将酸及水蒸气带离蒸发室进入洗涤塔，在洗涤塔中 分离水和酸，当酸浓度达14 ~ 20% 时(一般而言为18 ~ 20%)，水蒸气经由酸冷凝器至 最后冷凝器凝结为水，最后凝结的水可以作为酸洗製程中水洗槽中的用水，或是可以回

到酸洗槽中作为调整酸浓度的用水。

6. 此系统整个流程非常容易了解和操作，同时设计有温度保护和液位保护感应装置; 另 外，一旦运转，酸之蒸气基本上是在清洁整个系统，几乎不需要停机来维修和保养热交

换器或是蒸发器，冷凝器等，大大降低维修成本和停机时间。

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图十、盐酸（HCl）蒸发回收系统示意图

15.5 能源需求

蒸发盐酸回收系统，简言之可以分为两个步骤，如何将循环之蒸气凝结/分离。当然其中独特 的壳板式热交换器亦为心脏，此交换器可以将室温下之废酸与酸及水蒸气做敏锐，高效率的热交

换，所以大约在此可以省下大约150 KW 之能源(加热回路和冷凝区间)。 例如：一个每天可以处理10,000 升废酸之回收再生系统，大约需要下述能源，

? 10,000 镑之蒸气 ? 144 KWH(度)之电力

换算出来大约是每10,000 升之废酸回收再生约需USD40~50 之间 --> 每公斤合新台币约

0.13~0.16 元

当然上述成本是以连续运转，在良好的绝热，良好的冷凝状况下计算出，当然如果可以回收

工厂中的废热，则更可降低能源之消耗。

- 41 - 15.6 操作及维修

操作非常简单，开机后30 分钟，将系统上升到所需的温度，之后操作者仅定时巡察即可， 不须被此系统牵绊，而可以做其他厂务事情。 PLC 自动将异常讯号或操作状态，透过无线控制 之萤幕传达给操作者; 若是系统超过警戒，会自动关机保护，同时警铃，警示灯会作动。 一般维 修工作包含基本的过滤器更换，偶尔检查一下泵浦，锅炉，冷却水塔等，确保一切都正常运转即 可。 系统本身装置有高品质，高信赖的製程控制感测器，不需常常检查，同时系统亦装置有效 能显示， 警告操作者能源的额外消耗，当然PLC 亦可显示各种讯息，有无任何问题发生，和如

何解决等资讯。 15.7 结论

有智慧的人曾说过：「当有一天没水时，我们才知水的重要」， 废酸回收再生系统之投资报 酬应从多方面来探讨，不仅是应将能源，人力的需求，和目前厂内废酸处理费用相比较之外，更 应该考虑环保的问题，如何将有害的废弃物转换成再利用的产品，永远循环使用才是重点。 人 类的资源有限，我们不应该再滥用，再浪费，希望大家一起来重视此问题，给下一代乾淨的淨土。

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第十六章、冷冻法硫酸回收再生系统

BETA 的硫酸回收再生系统，成功地解决了金属加工业界面临的製程改善需求，同时更解决

了废酸处理之问题。

一般金属加工业界，如果使用硫酸来做酸洗液，通常会将之加热至60℃ ~ 80℃； 以达最经 济之酸洗时间。当酸洗溶液中铁之不纯物达9%，或是锌含量达15%时，称之为废酸。因为随着

不纯物含量增加，酸洗反应随之下降，当然产能即下降。由于酸洗液温度在60℃ ~ 80℃ ，其中 之金属盐比室温下之金属盐溶解度来的高。BETA 的硫酸回收再生系统，原理就是将硫酸液不断 地循环再生，去除其中所含之不纯物，永远维持酸洗液之清洁和质量，确保高效率，高品质之酸

洗。 16.1 流程说明

利用一个离心式泵，将酸洗液由酸洗槽泵出至预先的过滤器中，先除去较粗的杂质，之后流 经阀和流量控制表，工作人员可以调整所需之流量，同时可以看清楚酸洗液之流动。 再来，酸洗液进入第一道热交换区间，在此和製程最后回流之冷冻高品质清洁酸洗液作热交 换，酸洗液温度因而下降；热交换器进口，出口皆装置数位式温度显示器，可一目了然热交换的

情形，之后接一反应槽，反应槽被分为三个区间。

第一个区间为第二道热交换区间，酸洗液被搅拌和冷却，使铁离子开始形成硫酸亚铁结晶， 这时候利用泵浦自动泵入一定比例的新酸，用来加速结晶之成长。此热交换器是用特殊热塑性材 料製成，有着无比的高效率，其中内管为由冷凝迴路过来的冷冻流体，在此将酸洗液之热吸出做 热交换。但为了避免硫酸亚铁结晶，在热交换器上形成块状，特别设计了一种搅拌器可激烈地搅

拌，让溶液往来于热交换器的管子间。

经过第二道热交换区间后，溶液利用重力进入最后一道热交换器冷却溷合区间，亦可称之为 第三道热交换区间。此热交换区间和第二道热交换区间作用相同，但它装置有倾斜基础和排水 口，可以将溶液从此区间排入结晶沉淀桶。在第三道区间出口，装有一温度探针，可以测量溶液 离开结晶区时的温度，当然此温度探针亦可控制製冰机，如果温度低于设度的温度时，会自动停

掉製冰机。

结晶沉淀桶由玻璃纤维做成，底部呈圆椎状，距离上端六英吋处(150mm)，有一溢流口，不 含硫酸亚铁结晶之再生酸洗液，经由此溢口流至二段泵回站中之一段，此冷冻之酸洗液经由泵回 站，泵至第一道热交换区间，和刚泵出热的酸洗液做热交换，之后本身成为热的高品质酸洗液回 到酸洗槽中，如此作热交换后，一来一往；各自可以节省约70,000 ~ 400,000 BTU 之热能（约20

- 43 - ~ 120 KW）

结晶沉淀桶中，沉淀之硫酸亚铁结晶，经由重力作用，自底部被泵入离心槽中，离心槽再次 将硫酸亚铁结晶，和溶液分离成为乾燥之产品，此时含有较小的硫酸亚铁结晶之溶液，流至二段 泵回站之另外一段，经由泵回站，泵回反应槽中第一个区间；因为这些较小的硫酸亚铁结晶，无

法被离心槽给分离出，所以回到反应槽再反应，成长为较大的结晶后，再被分离。 我们这套系统另外设计有自动热水清洗装置，一旦系统突然当机，为了避免硫酸亚铁结晶形

成在热交换器的表面，而造成毁损，此时热水清洗装置，有助于将硫酸亚铁结晶温度回升，重新

溶解于溶液中。

十一、冷冻法硫酸回收再生系统示意图

16.2 操作与维修

微处理控制器亦是本系统之心脏，本系统採高度之自动化控制，降低人力之需求，操作人员 仅需定时将乾燥的硫酸亚铁结晶收集，和更换过滤袋即可。高品质、高信赖度、抗腐蚀的讯号产 生元件，可以将各种讯号，精确地输入系统，再作灵敏之反应；自动阀门控制、液位调整、温度、 结晶控制等，皆由微处理控制器来处理。另外系统亦装置有警报器，数位温度控制器，更可以追

踪本系统之热传效率，解决可能发生的任何问题。