工艺控制对双捻机断丝率的影响

双捻机生产钢丝绳过程中断丝原因分析
采用双捻机进行捻股生产，具有速度快、生产效率高、占用空间少、股子捻制质量好等特点，广泛应用于钢丝绳捻制生产；然而，双捻机生产对于制绳钢丝性能的稳定性要求极高。

因此，制绳钢丝质量的稳定性，对钢丝绳的性能、双捻机捻制生产的效率，以及钢丝绳的综合成材率，都有着很大的影响。

特别是对于生产车台需求多，钢丝绳的定尺长度要求较长，产量相对较低的细规格钢丝绳（钢丝绳直径1.5mm以下），其影响更为明显[1]。

制绳钢丝质量稳定性，直接影响到双捻机生产的效率。

然而，制绳钢丝质量的稳定，取决于各个生产加工环节。

因此，严格控制好制绳钢丝每个生产环节，确保双捻机生产正常进行，提高钢丝绳的生产效率和综合成材率[2,3]。

近期双捻机生产情况不稳定，双捻机断丝率出现较大的波动（如图1所示），明显低于标准值，严重影响钢丝绳的生产效率和综合成材率。

因此，必须找到导致双捻机断丝率出现波动的原因，制定出合理的预防性措施，确保生产控制过程的稳定有效，才能满足双捻机捻制生产的顺利进行。

图1 1³3-0.30mm双捻机生产情况
1制绳钢丝生产环节
1.1热处理生产
钢丝的热处理，就是把钢丝加热到一定的温度，并保温一定的时问，然后用选定的速度和方法使之冷却，最后得到所需要的显微组织和性能的一种生产工艺。

钢丝经过拉拔后，内部组织变长、变细，甚至受到一定程度的破坏，产生冷加工硬化现象。

为了恢复钢丝的塑性，以便下一步继续拉拔，需要对拉拔后的钢丝进行热处理生产[4]。

为了得到细规格制绳钢丝（0.10-0.20mm），选取进线为0.7mm的半成品钢丝，进行热处理生产。

热处理工艺参数，见表1所示。

热处理生产工艺流程：放线→热处理加热炉→铅浴炉→盐酸酸洗→水洗→烘干→收线。

注：热处理加热设备为天然气明火加热炉，炉子分为4段；
1.2电镀锌生产
电镀锌生产工艺流程：放线→酸洗→水冲洗→电镀锌→水洗→烘干→收线。

电镀锌生产工艺参数，见表2所示。

表2 电镀锌生产工艺参数
1.3水箱车拉丝生产
水箱车拉丝生产工艺参数，见表3所示。

表3 水箱车拉丝生产工艺
1.4制绳钢丝性能
制绳钢丝性能，见表4所示。

2原因分析
2.1断口分析
制绳钢丝0.15mm其性能指标中，扭转指标存在较大波动，出现低值——180次（按生产控制标准：0.15mm双捻机用制绳钢丝，其扭转值≥200）。

同时，收集双捻机断丝断口，对断口进行扫描电镜（SEM）分析，断口形貌如图2、图3所示。

钢丝断口处白亮斑点内存在裂纹源和扩展区；在扩展区，微观断口形貌为脆性解理形貌，并与基体断裂区形成鲜明的轮廓[5]。

上述观察分析结果表明：该断口具有氢脆断裂的形貌特征。

因此，双捻机断丝率偏高，是由于制绳钢丝存在氢脆现象。

唯一能够产生氢脆的生产环节，就是钢丝电镀锌生产环节。

由此可推断：电镀锌生产环节，出现了生产异常情况。

图2 0.15mm制绳丝断口形貌（SEM）图3 0.15mm制绳丝断口形貌（SEM）
2.2氢脆过程分析
根据电化学原理，电镀溶液中，由于水分子的离解，或多或少地存在一定数量的氢离子。

在钢丝电镀锌酸性环境中，在阴极析出锌原子的同时，溶液中电离出的氢离子，形成氢气的过程分为如下几步：
1）H3O+离子从溶液中转移到阴极钢丝表面附近；
2）H3O+离子在阴极上脱水还原，生成的氢原子吸附在钢丝表面，如下反应：
H3O++e→H吸+H2O
3）两个吸附的氢原子结合成氢分子，如下反应：
H吸+ H吸→H2
在阴极还原后，一部分形成氢气逸出，一部分以原子氢的形式渗入钢丝基体及镀锌层中；氢在金属内使晶格扭曲，产生很大的内应力，致使金属的机械性能大幅度降低，析氢不仅对镀层性能产生不利影响，如产生针孔、麻点、气泡等缺陷，而且会渗透至钢丝基体中，使钢丝基体和镀层的韧性大幅度降低，导致再加工所得的制绳钢丝，在进行双捻机捻制生产过程中，出现脆断[6,7]。

氢脆现象是细规格制绳钢丝最严重的质量隐患之一，严重影响制绳钢丝的使用性能。

2.3 电镀锌溶液分析
通过对制绳钢丝生产工序进行分析，钢丝氢脆的生产环节发生在钢丝电镀锌过程。

通过对电镀锌溶液的浓度、pH值等指标进行跟踪，发现电镀溶液的pH值出现异常波动，其变化范围明显超出了工艺规定要求（见表2），如图5所示。

图4 电镀锌溶液pH 值变化曲线
电镀锌生产过程中，定时添加H 2SO 4溶液，补充电镀过程所消耗的H +离子。

在每次添加过程中，由于高浓度的
H 2SO 4直接倒入电镀池，造成在一段较长的时间内，电镀溶液的pH 值急剧降低（即H +离子浓度增大）。

在一定时间内，酸性越强，则钢丝电镀过程越容易发生氢脆现象[8,9]。

3改进措施
3.1电镀溶液滴定添加方案
为了消除因添加H 2SO 4溶液，造成电镀锌溶液pH 值急剧降低，H +离子浓度增大，钢丝在强酸性环境下进行电镀锌发生氢脆，影响电镀锌钢丝质量。

决定采用溶液滴定添加系统，自动添加H 2SO 4溶液，如图5所示。

图5 电镀锌硫酸滴定添加系统
3.2改进后效果
通过采用H 2SO 4滴定添加系统，实现了H 2SO 4添加溶液的均匀配置。

配置好的溶液按照一定滴定速度，均匀地进行补充添加。

这样就确保了，电镀锌溶液的pH 值始终保持在2—3.5范围内，避免了pH 值大幅度的波动，消除了因H 2SO 4溶液添加后，电镀锌溶液pH 值急剧降低，H +离子浓度增大，
导致氢脆现象的产生[10]。

双捻机捻制生产过程中，断丝率得到明显降低和稳定，如图6所示。

图6 采用滴定添加系统后，1³3-0.30mm双捻机断丝情况
4 结语
综上所述，通过对制绳丝生产过程、双捻机断丝原因进行分析，确定了电镀锌钢丝氢脆现象是引起双捻机断丝率大幅度波动的主要原因；同时，改进电镀锌生产设备，设计并采用滴定添加系统，进行电镀锌H2SO4溶液的添加，精确控制电镀锌溶液的pH值，使其稳定的保持在工艺规定的范围内，减少氢脆现象的发生，确保电镀锌生产过程的稳定，为双捻机生产提供质量稳定的细规格制绳钢丝。

参考文献
[1] 杨程,梁益龙,黄忠渠.钢丝绳中股在生产时“起泡”问题的分析[J]. 贵州工业大学学报：自然科学版,2006（1）:73-77.
[2] 黄忠渠.用双捻机生产普通钢丝绳探析[J].金属制品,2010（2）：10-13.
[3] 韩铁继. 对双捻机捻制过程的分析[J].金属制品,1996（A00）：34-40.
[4] 王利明,杨恒,刘礼华,等.中碳钢丝拉拔断裂原因分析及改进措施[J].金属制品，2010（4）:8-11.
[5] 文斯雄.电镀锌弹性零件断裂的原因分析[J].腐蚀与防护，2000（1）：34-35.
[6] 董朝阳.零件电镀后裂纹分析[J].电镀与精装，2009（4）：21-22.
[7] 汤智慧，张晓云，陆峰，蔡健平，宇波.镀层结构与氢脆关系研究[J].材料工程，2006（10）：37-42.
[8] 黄平,陈端杰.电镀过程中的析氢及氢脆控制研究[J].长安科技，2002（1）：29-31.
[9] 李金桂.电镀氢脆故障及应对措施[J].材料保护，2006（8）：51-53.
[10] 任培东.电镀锌钢丝的生产[J].酒钢科技，2000（1）：40-42.
（刘红芳，张伦）。