陳曉曉

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京100029）

1 引言

連續(xù)電鍍鋅機組的電鍍工藝大致如圖1。

先進的連續(xù)電鍍鋅機組中，帶鋼經(jīng)過堿洗、酸洗徹底清潔后，露出新鮮的帶鋼表面，需要先進行預(yù)鍍鎳過程，在帶鋼表面鍍上一層重量約100mg／m2的金屬鎳層，最后才進入鍍槽進行鍍鋅。這一層金屬鎳可作為后續(xù)鍍鋅的結(jié)晶晶核，有利于提高鍍鋅層的表面質(zhì)量，從而提高了生產(chǎn)線對原料的適應(yīng)能力。鍍鎳后通過水洗槽進行水洗，然后進入電鍍槽。本文主要討論預(yù)鍍鎳槽采用不溶性陽極的情況。

由于預(yù)鍍鎳過程能大幅度改善帶鋼表面的涂鍍質(zhì)量，因此十分有必要對其設(shè)備和工藝特點進行說明。

2 鍍鎳機理

1）陰極：在陰極上鍍液中的鎳離子獲得電子沉積出金屬鎳，同時伴有少量氫氣析出。

雖然Ni的標準電極電位很負，但由于氫的過電位以及預(yù)鎳鍍?nèi)芤褐械逆囯x子濃度、溫度、PH 值等工藝條件的影響，陰極上析出的氫極少。鍍液的電流效率可達98%以上。只有當PH 值很低時才會有大量的氫氣析出，此時陰極上無鎳金屬沉積。

2）陽極：普通的鍍鎳大都使用可溶性鎳陽極。陽極的主反應(yīng)為金屬鎳的電化學溶解。

當陽極電流密度過高，電鍍液又缺乏陽極活性劑時，陽極表面發(fā)生鈍化并伴有氧氣的析出。

溶液中有氯離子存在時也可能發(fā)生析出氯氣的反應(yīng)。

陽極上金屬鎳電化學溶解使鎳離子不斷加入溶液，提供了陰極電沉積所需的鎳離子。但當陽極面積不夠大或鍍液中活性劑不夠時，將導(dǎo)致陽極的鈍化而析出氧氣，進一步氧化陽極的表面，生成棕色的Ni2O3氧化膜。

圖1 連續(xù)電鍍鋅機組的電鍍工藝

3）陽極鈍化有以下現(xiàn)象：

（1）槽電壓升高，但電流很??；

（2）陽極表面氣泡較多，會有刺激性氣味，甚至表面呈褐色。

造成陽極鈍化的主要原因：

（1）鍍液中陽極活化劑濃度太低；

（2）陽極面積太?。娏髅芏雀撸?/p>

4）采用高速電鍍鎳工藝時，陽極采用不溶性材料如鉑、鈦表面鍍氧化釔。此時，陽極為析氧反應(yīng)：

2H2O－4e＝O2↑＋4H＋

陰極主反應(yīng)為：

Ni2＋＋2e＝Ni

陰極副反應(yīng)為：

2H＋＋2e＝H2↑

由以上反應(yīng)式可以得出，當采用不溶陽極時，陽極不斷產(chǎn)生H＋，使得溶液的PH 值下降，當PH 值很低時才會有大量的氫氣析出，此時陰極上無鎳金屬沉積，鍍液的電流效率嚴重下降，鍍鎳過程受限；陰極不斷消耗Ni2＋，溶液需要補充金屬離子。因此，采用不溶陽極時，如何提高鍍液的PH 值并同時補充金屬離子是預(yù)鍍鎳工藝的關(guān)鍵，將在第四部分工藝條件中展開探討。

3 鍍鎳槽

鍍鎳槽與電鍍鋅槽［1］的結(jié)構(gòu)完全一樣，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該槽具有以下特點：

在槽內(nèi)建立了以鍍槽中部靜壓腔為核心的靜壓夾持帶鋼系統(tǒng)和抗帶鋼歪斜靜壓系統(tǒng)，因而當帶鋼進入鍍槽時可以消除帶鋼下垂度，顯著減少帶鋼歪斜度并消除部分板型偏差，其結(jié)果是顯著減少了槽內(nèi)帶鋼的對中偏差和帶鋼運行空間高度。

圖2 鍍鎳槽的結(jié)構(gòu)

在鍍槽中部實現(xiàn)了鍍液的雙向水平噴射，提高了排氣能力。

解決了帶鋼與陽極的短路燒傷問題，工作可靠性顯著提高。

工作電壓與電流波動極小，鍍液流場穩(wěn)定，工作穩(wěn)定性好，從而有利于提高鍍槽的綜合技術(shù)性能。

鍍槽的電流效率為97%。

鍍層質(zhì)量優(yōu)良，主要體現(xiàn)在鍍槽均勻度良好及帶鋼上下表面鍍層質(zhì)量差異較小。

不存在導(dǎo)電輥粘鋅問題，從而可以延長導(dǎo)電輥的使用壽命并有利于保證鍍層質(zhì)量。

鍍槽簡單緊湊，操作維修方便。

該性能優(yōu)良的鍍槽是預(yù)鍍鎳的關(guān)鍵設(shè)備基礎(chǔ)。

4 工藝條件

4.1 PH 值

PH 值控制在3～4為宜。當PH 值一定時，隨著電流密度的增加，電流效率也增加。PH 值高時，鎳的沉積速度快，但PH 值太高會導(dǎo)致陰極附近出現(xiàn)堿式鎳鹽沉淀，使鍍層粗糙和脆性增加。PH 值低些，鍍層的光澤好，但PH值太低導(dǎo)致陰極的電流效率降低，沉積速度降低，嚴重時陰極大量析氫，鍍層難以沉積。

使用不溶性陽極，由于陽極析氧，使溶液中的OH－濃度減少，從而PH 值降低。

提高溶液的PH 值用碳酸鎳或堿式碳酸鎳。提高鍍液的PH 值不宜用NaOH，因為鈉離子在鍍液中的積累會降低電流密度的上限，導(dǎo)致高電流區(qū)鍍層燒焦。碳酸鎳的加入方法最好是將它放入聚丙烯的濾袋中，使其緩慢溶于鍍液中，切不可將固體物直接放入鍍液中，但是其溶解速度無法跟上連續(xù)電鍍鋅機組的供應(yīng)速度。因此可采用陰離子交換樹脂，將溶液中的SO2－4與陰離子交換樹脂中的OH－進行交換，從而提高溶液的PH 值。Ni2＋的補充是通過向鍍液罐中添加NiSO4.6H2O 實現(xiàn)。一旦溶液的PH值低于3 時，就將鍍液引入陰離子交換樹脂塔中，進行SO2－4和OH－的交換。陰離子交換樹脂需要定期在NaOH 溶液中浸泡再生。

生產(chǎn)過程中保持溶液PH 值的穩(wěn)定是保證鍍鎳質(zhì)量的重要條件，安裝在線PH 計對鍍液的PH 值進行實時監(jiān)測。

4.2 溫度

工作溫度對鍍層的內(nèi)應(yīng)力影響很大，提高溫度可降低鍍層的內(nèi)應(yīng)力。當溫度為10～35℃時鍍層的內(nèi)應(yīng)力明顯降低，60℃以上鍍層內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定，一般維持鍍液溫度55～60℃為宜。

鍍液溫度的升高，提高了鍍液中離子的遷移速度，改善了溶液的電導(dǎo)，因此就改善了鍍液的分散能力和深鍍能力，使鍍層分布均勻。同時溫度升高也可以允許使用較高的電流密度，這對于高速電鍍極為重要。

4.3 電流密度

當工作電流密度低于極限電流密度時，陰極電流效率隨著電流密度的增加而增加。在正常的工藝條件下，當電流密度為4A／dm2時，電流效率可達97%，而且鍍層的外觀和延展性都很好。

對于連續(xù)電鍍鋅機組，鍍鎳電流密度高達20A／dm2，為了克服濃差極化，應(yīng)有鍍液的噴射設(shè)備，陰極移動等條件。本文提及的鍍鎳槽的結(jié)構(gòu)完全符合該條件。

4.4 鍍液中各成分的作用

4.4.1 硫酸鎳（NiSO4·6H2O）

硫酸鎳是鍍液的主要成分。濃度以250～300g／L 為宜。硫酸鎳濃度高，電流密度范圍大，但濃度太高導(dǎo)致攜帶損失增加，也不利于鍍液的分散能力。硫酸鎳濃度太低，鍍層沉積速度低，極限電流密度降低，鍍層易燒焦，為了維持穩(wěn)定的沉積速度，最好將硫酸鎳濃度控制在較小的范圍內(nèi)，如280±20g／L。

4.4.2 硼酸（H2BO3）

硼酸是鍍液的緩沖劑，其濃度為40～50g／L。硼酸濃度太低，影響溶液的電導(dǎo)率，同時鍍液緩沖效果差；提高硼酸濃度，溶液導(dǎo)電率提高，鍍層均勻度改善。硼酸濃度高對電鍍過程無害。

5 結(jié)束語

連續(xù)電鍍鋅機組的預(yù)鍍鎳過程可以很大程度改善帶鋼表面的涂鍍質(zhì)量。性能優(yōu)良的鍍鎳槽是設(shè)備基礎(chǔ)。當采用不溶陽極，鍍鎳槽運行良好的條件下，保證鍍液的PH值在3～4是關(guān)鍵的工藝條件。陰離子交換樹脂可以保證鍍液的PH 值在3～4。

［1］Weng Q.Hydrostatic Horizontal Cell.Advanced Materials Research［J］.Switzerland，2012，Vol.572：382～389.