Реферат: Горячее цинкование (цинкование в расплаве цинка)

Северо-Западный государственный заочный технический университет.


РЕФЕРАТ


ТЕМА: Горячее цинкование (цинкование в расплаве цинка).


Составил: Подало А.Г.


2006 год


С о д е р ж а н и е :

1. ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ 2

1.1. Удаление жировых загрязнений, ржавчины и окалины 2

1.2. Флюсование 4

1.3. Особенности подготовки полосовой стали 5

1.3.1. Химическая подготовка 5

1.3.2. Термическая подготовка 6

2. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛИ,

ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЦИНКОВАНИЯ

^ НА ТОЛЩИНУ,СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЯ 10

3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАСПЛАВА ЦИНКА

НА СВОЙСТВА ЦИНКОВЫХ ПОКРЫТИЙ 16

4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ЦИНКОВАНИЯ ПОЛОСЫ 19

4.1.Способ «Армко-Сендзимир» 19

4.2. Способ «Юнайтед Стейтс Стил» 19

4.3.Способ «Кук-Нортман» 19

4.4.Способ «Селас» 19

^ 5. ЦИНКОВАНИЕ ТРУБ И ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 21

5.1. «Сухой» способ 21

5.2. «Свинцовый» способ 23

6. ДЕФЕКТЫ ПОВЕРХНОСТИ ОЦИНКОВАННЫХ ИЗДЕЛИИ 24

Список литературы 25


^ 1. ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ


Цинкование стальных изделий погружением в расплавлен­ный цинк состоит из подготовки их поверхности к цинкова­нию и самого процесса нанесения цинкового покрытия.

Подготовка поверхности включает операции удаленияжировых и других загрязнений, окалины, ржавчины, нане­сение слоя флюса.

Процесс цинкования заключается в погружении изделий в ванну с расплавленным цинком, выдержке в нем опреде­ленное время, извлечении изделий из расплава. Следует

отметить, что обычно на практике все эти операции выпол­няются непрерывно в едином технологическом потоке.

Подготовка поверхности является важным этапом при цинковании. Хорошо подготовленная поверхность гаранти­рует полное взаимодействие стали с расплавленным цинком и сцепление цинкового покрытия с металлом основы.

Опыт работы показывает, что значительная часть брака. При цинковании в расплаве вызывается некачественной предварительной обработкой их поверхности. Таким обра­зом, подготовку поверхности стальных изделий перед цин­кованием необходимо проводить тщательно, строго соблю­дая последовательность технологических операций и их ре­жим.


^ 1.1. Удаление жировых загрязнений, ржавчины и окалины


Удаление жировых и других загрязнений с поверхности из­делий из черных металлов (обезжиривание) можно произ­водить путем химической или электрохимической обработ­ки их в щелочных растворах, а также путем отжига, в про­цессе которого эти загрязнения сгорают (окисляются). В процессе обезжиривания, помимо жиров и масел, проис­ходит удаление и других механических загрязнений (струж­ка, пыль и др.).

Для обезжиривания широко используют водные щелоч­ные растворы, содержащие едкий натр, тринатрийфосфат и жидкое стекло. Для уменьшения силы сцепления масла с поверхностью изделия в обезжиривающие растворы вво­дят поверхностно-активные вещества — эмульгаторы. Пос­ле обезжиривания изделия тщательно промывают, чтобы удалить с их поверхности остатки обезжиривающего раствора.

На поверхности стальных изделий могут возникать оксиды различного состава и строения. Это прежде всего зави­сит от состава стали, способа изготовления и последующей обработки изделий, условий их хранения и транспорти­ровки.

Обычно горячему цинкованию подвергают изделия из углеродистых и низколегированных сталей. Поверхность таких изделий обычно покрыта ржавчиной и окалиной.

Ржавчина (условно можно выразить формулой Foe • Fe2O3 • nH2O) образуется на стальных изделиях в кисло­родсодержащей среде в присутствии влаги при комнатной температуре. Вначале на поверхности стали во влажной

атмосфере образуется гидрат закиси железа Fe(OH)2, кото­рый в дальнейшем окисляется кислородом. Вследствие губ­чатого строения и наличия многочисленных капилляров ржавчина затрудняет обезжиривание поверхности стали.

Окалина на стальных изделиях обычно образуется в про­цессе их изготовления (например, при горячей прокатке, прессовании) или последующей термической обработки. В отличие от ржавчины окалина образуется при повышен­ных температурах (400°С и выше).

Состав, строение, толщина, равномерность распределе­ния окалины по поверхности изделия зависит от многих факторов (например, состава стали, температуры и продол­жительности окисления, содержания кислорода в окружаю­щей среде).

В основном окалина состоит из оксидов железа, близких по составу к FeO (вюстит), Fe3O4 (магнетит), Fe2O3 (гема­тит). Непосредственно на стали находится вюстит, затем располагаются магнетит и гематит. Вюстит имеет пористое строение и низкую прочность, магнетит и гематит, наоборот, обладают высокой прочностью и плотным строением. Сле­дует отметить, что окалина с трехслойным строением обра­зуется на стали при температуре выше 570 °С при избытке кислорода в атмосфере и достаточно быстром охлаждении до низких температур. В других случаях окалина состоит из двух или одного слоя. Чаще всего слои FeO—Fe3O4 — Fe2O3 взаимно проникают друг в друга.

Обычно на стали образуется многокомпонентная слож­ного состава окалина, которая является результатом окис­ления не только железа, но и присутствующих в стали раз­личных примесей (Mn, Si, P, S, N1, Сг, Си и др.). Примеси в окалине находятся либо в виде металлических включений (например, Ni, Си), либо в виде оксидов.

Окалина на кремнистых сталях существенно отличается от окалины, образующейся на углеродистых и нержавею­щих сталях. В процессе термической обработки кремнистых сталей в окислительных средах наряду с внешним окисле­нием происходит процесс внутреннего окисления стали. В слое, в котором происходит внутреннее окисление, появ­ляются вкрапления двуокиси кремния. Под этим слоем на­ходится обезуглероженный слой чистого феррита.

Внешний слой окалины состоит из вюстита с вкрапления­ми магнетита. Таким образом, наличие в составе окалины кремнистых сталей большой доли чистого феррита и инерт­ного кремнезема определяет особенности ее травления. При прокатке образуется, в основном, вюстит, который сравнительно легко растворяется в кислоте; при отжиге листов об­разуются гематит и магнетит — труднорастворимые при травлении. Следовательно, наилучшей сталью для цинкова­ния является холоднокатаная. Следует отметить, что осо­бенно разнообразная по толщине, структуре и составу ока­лина может возникать на трубах, что обусловлено условия-Ми их производства.

Удаление ржавчины и окалины можно производить хи­мическим и механическим методами.

Химический метод (травление) получил широкое рас­пространение при подготовке поверхности изделий перед го­рячим цинкованием. Обычно травлением удаляют ржавчи­ну и окалину с поверхности листов, полосы, труб, проволоки и других стальных изделий при подготовке их к цинко­ванию. На практике для травления изделий из углероди­стых и низколегированных сталей широко применяют 18— 22%-ные водные растворы серной кислоты или 20— 25 %-ные водные растворы соляной кислоты.

Сравнивая достоинства и недостатки травильных раст­воров на основе серной и соляной кислот, следует отметить, что при травлении в серной кислоте растворяется не более 15—20 % окалины, в соляной до 40—50%. Поверхность стали после травления в растворах соляной кислоты полу­чается более гладкой, чем после травления в растворах серной кислоты. Травление в серной кислоте из-за «перетра­ва» поверхности стали нельзя проводить без ингибиторов (замедлителей) кислотной коррозии. В этой связи необхо­димо отметить что с появлением надежных ингибиторов кислотной коррозии (ПКУ, ХОСП-10, БА-6, И-1-В и др.) достаточно хорошее качество поверхности достигается как при травлении в солянокислых, так и при травлении в сер­нокислых растворах. Выбор типа травильного раствора обусловлен в основном технико-экономическими сообра­жениями.

Перспективно применение травильных растворов, содер­жащих смеси серной и соляной кислот.

Очистку стальной поверхности от ржавчины и окалины можно производить и механическим методом. Наиболее широко применяют дробеструйный или дробеметный спо­собы, которые обеспечивают качественную подготовку по­верхности стальных изделий.

Следует отметить, что для участков цинкования неболь­шой мощности (например, участки судоремонтных заво­дов), производящих цинкование изделий различной конфи­гурации, целесообразно использование дробеструйной обработки. Это позволяет получать качественно очищенную достаточно шероховатую, реакционно активную поверхности на стальных изделиях сложной конфигурации.

После травления изделия промывают в воде для удале­ния с их поверхности остатков травильного раствора и со­лей железа. Количество железа на поверхности стальных изделий может достигать 3—3,2 r/м2 после сернокислотного и 2—2,5 г/м2 после солянокислого травления в зависи­мости от концентрации и вязкости травильного раствора. Поэтому промывку изделий после сернокислотного травления желательно проводить сначала в горячей (60 °С) воде, а затем — в холодной. Если необходимо смыть остатки травильного шлама, применяют промывку из брандспойта или струйное промывание водой под давлением более 4-105Па.

Учитывая, что после травления в соляной кислоте на поверхности стали остается примерно в 1,5 раза меньше со­лей железа, а также, что железные соли соляной кислоты смываются с протравленной поверхности значительно луч­ше, чем соли серной кислоты, производят обработку изде­лий в водном растворе соляной кислоты (50 г/л) при 18— 20°С (например, при цинковании труб). Эту операцию на­зывают декапированием или подтравливанием. При этом происходит переход сульфата железа в хлорид:

FeSO4 + 2HClFeCl2 f H2SO4.

Затем изделия промывают в холодной проточной воде.

При промывании полосы и проволоки применяют струйно-возвратный и эффективный струйный способы. Про­мывание целесообразно осуществлять водовоздушной плоской струей толщиной около 20 мм, подаваемой под уг­лом 30—35° к поверхности промываемого металла. Иногда для улучшения очистки промывание проводят в щеточно-моечных машинах.

Предельное содержание примесей в промывной воде за­висит от их свойств. Если эти примеси не образуют нерас­творимых соединений с рабочим раствором, то их содержа­ние может достигать 3—5 г/л. В противоположном случае концентрация нерастворимых соединений должна быть ни­же предела растворимости. В литературе опубли­кованы требования, предъявляемые к качеству промывной воды.

Для промывания проката из углеродистых сталей после травления применяют воду с рН = 6—9, общей жесткостью до 50 ммоль/л с сухим остатком 5 г/л, в том числе до*

1 г/л хлоридов, до 3 г/л сульфатов, до 0,1 г/л железа об­щего.

1.2. Флюсование

Хорошо протравленные и промытые изделия поступают на заключительную подготовительную операцию — флюсова­ние. Ее проводят для удаления солей и оксидов металлов с поверхности цинкуемого изделия, а также с поверхности расплавленного цинка в месте погружения изделия и, кро­ме того, для улучшения смачивания поверхности изделия расплавленным цинком путем снижения поверхностного натяжения расплава цинка. Летучие соединения, образую­щиеся при разложении флюса, способствуют механическому удалению загрязнений на зеркале ванны и создают ней­тральную атмосферу в месте погружения изделий в расплав цинка.

В качестве флюса при цинковании в расплаве чаще все­го используют смесь из солей хлористого аммония (NH4C1) я хлористого цинка (ZnCl2). Основную роль в таком флюсе играет хлористый аммоний, так как он является поставщи­ком газообразных хлоридов, образующихся при разложе­нии NH4CI при контакте с расплавленным цинком:

NH4C1-- NH3+HCl

Эта реакция идет в присутствии влаги, которая в большем или меньшем количестве всегда присутствует на изделиях. Влага способствует разложению хлористых солей с обра­зованием активной соляной кислоты. Хлористый водород взаимодействует с оксидом железа , цинка и дру­гих элементов, присутствующих на поверхности изделий и на зеркале ванны:


FeO + 2HCl--FeCl2 + H2O,

ZnO + 2HCl--ZnCl2 + Н2О.


Большинство образующихся хлоридов (алюминия, олова, сурьмы, FeCl3) испаряются, так как имеют более низкую температуру кипения, чем температура расплава цинка.

С хлоридом железа (FeCl2) связано образование гарт-цинка — нежелательного продукта процесса горячего цин­кования. При контакте с расплавленным цинком FeCl2 вос­станавливается до железа: FeCl2 + Zn--Zn Cl2 + Fe.

Образовавшееся железо, взаимодействуя с жидким цинком,переходит в гартцинк, который осаждается на дно ванны цинкования. С увеличением количества железных солен резко увеличивается образование гартцинка. Это еще раз подтверждает необходимость хорошей промывки изделий после операций травления и декапирования.

В практике цинкования в расплаве цинка сложилось два основных процесса: «мокрый» способ цинкования и «сухой». В связи с этим и флюсовую обработкуизделий выполня­ют двумя способами: в расплавленном флюсе или в водном растворе флюса с последующей его сушкой.

Расплавленный флюс готовят из смеси сухих солей (% по массе): NH4C1 (55,4) и ZnCl2 (44,6). Целесообразно при­менять готовую соль ZnCl2 • 3NH4Cl. Это более удобно, эко­номично, при этом снижается дымообразование.

Для поддержания активности флюса в него добавляют глицерин, древесные опилки, оксид цинка и другие добавки. Они предотвращают быстрое уменьшение аммиака во флю­се, делают его пенистым.

Применяют флюс, состоящий из ZnCl2-3NH4Cl с добав­кой 6 % глицерина, или флюс, следующего состава, % (по массе): NH4C1—42—43; ZnCl2—42—43; ZnO—13—14.

При «сухом» способе цинкования флюсовую обработку стальные изделия проходят в водном растворе флюса с по­следующей сушкой в специальных сушильных печах (су­шилах).

Основные составляющие водных растворов флюсова­ния — хлорид цинка и хлорид аммония. Для повышения эф­фективности раствора флюсования в него добавляют раз­личные поверхностно-активные вещества (например, ОП-7, ОП-10, сульфопонат). Растворы флюсования подогревают до 50—60 °С, что улучшает обработку изделий и способствует более быстрому высыханию флюса. Подогрев раствора обычно осуществляют паром, который пропускают через змеевик, уложенный на дно ванны флюсования.

Растворы флюсования контролируют по содержанию хлорида цинка и хлорида аммония, железа, а также по плотности и кислотности. Для поддержания необходимой кислотности флюса на дно ванны флюсования помещают чушки цинка. Следует строго следить за содержанием же­леза в растворе флюсования, так как его увеличение ведет к повышению образования гартцинка. Обычно, если содер­жание железа достигает 1,5—2 г/л в растворе флюсования, его направляют на регенерацию. После регенерации и корректировки раствор можно снова использовать для обра­ботки изделий. Заключительная стадия флюсовой обра­ботки — сушка флюса.

В процессе сушки на поверхности изделий образуется равномерный высушенный слой флюса. При этом происхо­дит подогрев изделий, что облегчает нагрев ванны цинко­вания и улучшает технико-экономические показатели ее работы. Кроме того, образующаяся плотная пленка из со­лей предохраняет поверхность изделий от окисления до-погружения их в расплавленный цинк. Когда слой флюса достаточно высушен, исключаются всплески расплавленно­го цинка при погружении изделий в ванну цинкования.

Сушку офлюсованных изделий проводят в сушильных печах (камерах) с газовым или электрическим обогревом. Температура в печи и продолжительность обработки долж­ны обеспечивать полное высыхание флюса на изделии. При использовании водных растворов флюсования на основе хлорида цинка и хлорида аммония оптимальная темпера­тура поверхности изделия 120—150 °С (флюс сохраняет свои свойства, не происходит его разложение). В связи с этим режим сушки устанавливают в каждом конкретном случае в зависимости от массы и вида изделий.


^ 1.3. Особенности подготовки полосовой стали


Особо следует остановиться на подготовке поверхности при цинковании полосы.

Общая загрязненность поверхности полосовой стали в исходном состоянии может достигать 1800 мг/м2. Коли­чество и вид загрязнений зависят от многих факторов, главными из которых являются условия горячей прокатки, травления, холодной прокатки, материал прокатной смаз­ки. Загрязнения на поверхности холоднокатаной стали де­лятся на механические (продукты износа металла — метал­лическая пыль) и жировые (остатки прокатной смазки). Кроме того, при травлении горячекатаной стали образуют­ся загрязнения в виде остатков солей железа неорганичес­ких кислот, например, FeCl3 FeSO4, Fe2(SO4)3.

Поверхность полос, отожженных в колпаковых печах, может иметь загрязнения от термического разложения смазки и остатки металлической пыли. После отжига по­лос непрерывным способом на их поверхности могут быть остатки сухих компонентов от моющих растворов, чаще всего содержащих гель кремниевой кислоты.

Требования к чистоте поверхности полосовой стали перед цинкованием высоки и в соответствии с ними загрязненость должна быть менее 40 мг/м2.

Современные агрегаты непрерывного горячего цинкования оснащены необходимыми средствами для подготовки поверхности полосы. В зависимости от способа горячего цинкования и конструкций агрегатов применяют разные методы подготовки поверхности полосы.


^ 1.3.1. Химическая подготовка


Подготовка поверхности полосы с применением обезжиривающих растворов проводится по схеме: химическое и (или) электрохимическое обезжиривание, промывка и сушка .

Операцию химического обезжиривания осуществляют в один или два этапа — замочка и щеточно-моечная обра­ботка. Основное назначение замочки — снизить вязкость и поверхностное натяжение жировой пленки и, таким обра­зом, ослабить ее связь с основой и частично оторвать от по­верхности металла. Щеточно-моечная обработка со струй­ной подачей обезжиривающего раствора предназначена для более полного удаления оставшейся части жировой фрак­ции загрязнений, при этом за счет механического воздейст­вия капроновых щеток сталь очищается от механических примесей.

Электрохимическое обезжиривание применяется для окончательной очистки полосы от последних следов загряз­нений, находящихся в микроуглублениях ее поверхности. Режимы электрохимической очистки различны и для кон­кретных условий производства определяются эксперимен­тальным путем.

На некоторых агрегатах цинкования после обезжирива­ния проводят химическое или электрохимическое травление в слабых растворах кислот. Основное назначение этой операции — активация поверхности стали за счет стравли­вания возможных оксидных пленок.

В настоящее время для обезжиривания поверхности по­лос в агрегатах цинкования используют, в основном, ще­лочные растворы и иногда органические растворители. В ка­честве основных компонентов водных щелочных растворов применяют гидроксиды (NaOH, КОН), карбонаты ;(Na2CO3, СаСОз), фосфаты (Na3PO4, Na2HPO4, Na4P2O7, Na2H2P2O7, Ка5Рз0ю), силикаты (Na2Si03, Na2Si205) и др. Для обеспечения эмульгирования и смачивания в рас­твор обезжиривания вводят поверхностно-активные соеди­нения.

После электрохимического обезжиривания следует двухступенчатая струйная промывка полосы. Температура во­ды в ваннах промывки первой ступени 60—65, второй сту­пени 90—95 °С. Сушку полосы производят горячим (85— 90 °С) воздухом.

Использование в растворах обезжиривания добавок тринатрийфосфата и поверхностно-активных веществ интен­сифицирует процесс щеточно-моечной обработки. По дан­ным в ваннах струйной обработки полосы моющими растворами с температурой 60—70 °С под давлением 294,2 КПа и устройствами со щетками типа «скотч-брайт», обеспечивается коэффициент очистки поверхности 96,5 % при продолжительности операции 30 с и первоначальной загрязненности полосы 1000 мг/м2.


^ 1.3.2. Термическая подготовка.


Термическая подготовка поверхности полосы в агрегатах горячего цинкования, работающих по классическому спо­собу Сендзимира, имеет много недостатков, главными из которых являются чрезмерная окисленность стали, сниже­ние адгезионных свойств покрытия, ограничение скорости движения полосы, большой расход водорода, тепла. Более эффективен способ термической подготовки поверхности по­лосы в атмосфере продуктов неполного сгорания газового топлива, имеющих температуру 1000—1300 °С. В этих усло­виях одновременно с нагревом полосы осуществляется очи­стка ее поверхности от остатков прокатной смазки и дру­гих загрязнений путем их сжигания и возгонки (испаре­ния). Высокий градиент температур между полосой и газами предохраняет поверхность стали от взаимодействия с компонентами продуктов сгорания СО2 и Н2О, вызываю­щих окислительную реакцию. Содержание в продуктах го­рения компонентов СО и Н2 также является необходимым условием, чтобы поддерживать восстановительный харак­тер атмосферы.

Горение топливного газа (природный газ, смесь природ­ного с доменным, коксо-доменный и др.) протекает по урав­нениям химических реакций:

СН4+ 2О2 = 2Н2О + СО2,

C2H6 + 3,5О2 = ЗН2О + 2СО2.

Аналогичные реакции протекают при горении других уг­леводородов типа СлН2п+2 (С3Н8, С4Н10).

Газовая среда в камере печи в результате неполного сгорания топлива состоит в основном из продуктов реакции СО2, Н2Ои несгоревших молекул СО, Н2, а также N2; ко­личество свободного кислорода близко к 0. В результате взаимодействия газов над поверхностью полосы протека­ют реакции, которые характеризуются следующими уравнениями равновесия:


Fe + H2O--FeO + H2,

Fe + CО2 --FeO + CO,

C + CO2--2CO,

C + H2O--tCO + H2


Скорость протекания этих реакций и их направление оп­ределяются термодинамическими факторами и зависят от температуры и парциального давления компонентов газовой атмосферы. Кривые равновесного состояния окислительно-восстановительных реакций и реакций осаждения- растворения углерода представлены на рис.1.

Исследования фирм «Син ниппон сэйтэцу» и «Ниппон кокан» (Япония), показывают, что зоны окисления — восстановления в соответствии с уравнениями , пересекаются с зонами осаждения растворения углерода в соответствии с уравнениями. При этом опти­мальные условия работы таких печей достигаются в области температур 600—700 °С, верхний предел составляет 750 °С. Максимально допустимое значение соотношений СО/СО2 и Н2/Н2О определяется коэффициентом расхода воздуха. Для а = 0,90—0,98 их величина составляет 0,1—0,4 (рис. 49). На практике более точные значения соотношений окислительно-восстановительных компонентов подбираются экспериментальным путем.

По количественному составу компонентов атмосферы, газовым и тепловым режимам установлено, что в динамических условиях обработки полосы в печи прямого нагрева атмосфера продуктов горения является сильно восстановительной, если температура полосы не превышает критической .




Рис. 1. Кривые равновесного состояния окислительно-восстановительных ре­акций и реакций осаждения — восстановления углерода:

^ 1, 2— экспериментальные результаты значений СО/СО2 на агрегате цинко­вания НЛМК; / — адгезия покрытия неудовлетворительная; 2— адгезия по­крытия удовлетворительная

С ростом содержания в продуктах горения суммы ком­понентов Н2+СО и увеличения температуры печи критиче­ская температура повышается (рис. 4,6 ). При содержа­нии Н2+СО менее 1,5 % работа печи характеризуется как неудовлетворительная. Оптимальное их содержание состав­ляет 4—5 %. Минимально допустимая температура печи для обработки в продуктах горения составляет 1204°С, при меньших температурах поверхность стали окисляется. Пол­ностью восстановительными свойствами обладает атмосфе­ра печи при температуре свыше 1260°С. Работа печи при температуре свыше 1310°С, как это видно из хода кривых на рис. 6, не имеет особых преимуществ.

С увеличением толщины обрабатываемой стали время, необходимое для ее нагрева до необходимых температур, увеличивается и критическая температура полосы снижа­ется (рис. 3, 5). Таким образом, работа при повышенных температурах печи является более эффективной при цин­ковании толстых полос.





^ Рис. 2. Зависимость соотноше­ния компонентов газовой атмо­сферы от коэффициента расхо­да воздуха а:

I, 3 —Нг/Н2О; 2, 4 — COlCOr, 1. 2 — коксодоменный газ, тем­пература газовой атмосферы 1000 °С; 3, 4 — природный газ температура газовой атмосфе­ры 1370 °С





Рис. 3. Зависимость критиче­ской температуры полосы раз­ной толщины от содержания Н2+СО в продуктах горения при температуре печи 1316°С . Толщина полосы:

/ — 0,61 мм; 2 — 0,94 мм; 3 — 1,68 мм; 4 — 2,85 мм





Рис. 4. Зависимость критиче­ской температуры полосы тол­щиной 0,72 мм от содержания Н2+СО в продуктах горения при различной температуре пе­чи:

1 — 1204 °С; 2 — 1232 «G; 3 — 1260"С; 4 — 1316«G; 5—1427°С


Общая схема процесса подготовки и активации поверх­ности полосы при нагреве ее в продуктах неполного сгора­ния газового топлива с последующей обработкой в камере восстановительного нагрева представлена на рис. 7.

Наряду с удалением прокатной смазки и возможным слабым окислением металла (в зависимости от температуры про­дуктов сгорания и времени нагрева) на поверхности поло­сы может осаждаться углерод по реакции. Этот процесс происходит в зонах печи, где полоса еще не догрет до конечных температур. Выделение углерода происходит при температурах 300—600°С





Рис. 5. Зависимость критической температуры от толщины полосы при а=0,95, температуре печи 1316 °С . Цифры на кривой — время (с) обработки без окисления полосы в критических температур





Рис. 6. Зависимость критической температуры полосы от температуры печи при a=0,95 толщине полосы 0,72 мм


Образование углеродных остатков также может происходить при неполном выгора­нии масел, если их количество на полосе в исходном состо­яния превышает 1000 мг/м2.

После разогрева полосы до 500 °С одновременно с вы­делением углерода создаются условия для протекания ре­акции его растворения. На выходе из камеры нагрева поверхность полосы полностью или до минимума освобожда­ется от остатков углеродистых выделений. При очень высо­ких степенях зажиренности полосы (3875 г/м2) участки по­верхности не оцинковываются из-за остатков смазки в мик­роуглублениях стальной основы.

В случае применения низкотемпературной (до 500— 550 °С) обработки полосы (для предварительно отожжен­ной стали или продукции с сохранением прокатного наклепа) незначительное количество углерода удаляется в k;i мере восстановительного нагрева по реакции с водой, образующейся при восстановлении пленки оксидов по ре­акции.

Для удаления тонкой оксидной пленки, которая образу­ется в продуктах горения при нагреве до 550 °С требуется определенное время. Согласно диаграмме равновесия Fe-О2 при температурах до 570 °С и низком содержании кис­лорода на поверхности стали происходит образование Fe3O4, восстановление которого осуществляется по реак­ции:

Fe3O4 + 4H2-»3Fe + 4H2O.

В процессе подготовки к цинкованию полосу подвергают термической обработке для придания полосе необходимых механических свойств. В зависимости от способа цинкова­ния и конструкций агрегатов для этих целей используют различное термическое оборудование, которое будет рас­смотрено ниже.

После подготовительных операций изделия погружают в ванну с расплавленным цинком и выдерживают в нем оп­ределенное время, при этом изделия часто перемещают в расплаве цинка, извлекают из расплава и охлаждают. По­гружение, перемещение и извлечение изделий часто осуще­ствляют с помощью специальных устройств и приспособле­ний, конструкции которых разрабатывают в зависимости от вида цинкуемых изделий.








Рис. 7. Зависимость процессов подго­товки и активации поверхности метал­ла от температуры нагрева стальной полосы в камерах печи агрегата цин­кования:

а — испарение жировых загрязнений, б — протекание окислительно-восста­новительных реакций, в — осаждение и растворение

углерода; 1—камера безокислительного нагрева, 2 — камера, восстановительного нагрева.


^ 2. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛИ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЦИНКОВАНИЯ НА ТОЛЩИНУ, СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЯ


Химический состав стали оказывает большое влияние на взаимодействие жидкого цинка со сталью. Присутствие в стали отдельных элементов может существенно изменять характер этого взаимодействия, вызывая изменение строе­ния, толщины и свойств образующегося цинкового покры­тия.

Наиболее часто цинкованию подвергают низкоуглеродис­тую сталь, содержащую: 0,05—0,24 % С; 0,01—0,37% Si; 0,2—0,65% Мп; 0,02—0,06% S; 0,02—0,07% Р; 0,1— 0,3 % Си; 0,1—0,3 %Сг; 0,1—0,3 % №.

Эти составы соответствуют сталям СтЗ, 08 (всех степе­ней раскисления), стали 10, стали 20, из которых изготав­ливают лист, полосу, трубы, проволоку и другие металло­изделия.

Влияние углерода

Углерод является важнейшим элементом, определяющим как структуру, так и все свойства стали, ее прочность и по­ведение при эксплуатации. Он может влиять на реакцию взаимодействия стали с жидким цинком и в конечном ито­ге на структуру, толщину и свойства образующегося цин­кового покрытия.

В. 3. Бугаков считал, что различие в строении диф­фузионных слоев при цинковании сталей с различным со­держанием углерода определяется не столько самим содер­жанием углерода, сколько структурой, отвечающей данно­му составу.

Д. Хорстманн и Г. Баблик также пришли к выводу, что характер влияния углерода на реакцию стали (или чугуна) с жидким цинком определяется формой, в которой он в них присутствует. Как известно, углерод может быть в ви­де графита или высокоуглеродистой фазы — цементита FезС. Цементит в свою очередь может быть как структур­ная составляющая перлита, а также сорбита и троостита. Кроме того, углерод может входить в состав мартенсита, который является пересыщенным твердым раствором угле­рода в а-железе. Таким образом, углерод, в какой бы фор­ме не находился, присутствует в стали как гетерогенная со­ставляющая.

Сталь с ярко выраженной гетерогенной структурой дает (большие потери в жидком цинке, т. е. быстрее растворяется, чем сталь со структурой, отличающейся более однородным распределением углеродистых соединений. Высокоуглеродистые стали с крупнозернистой структурой сильнее подвергаются воздействию жидкого цинка.

В заключение можно отметить, что углерод ускоряет растворение стали только тогда, когда он присутствует в со­ставе зернистого или пластинчатого перлита. Если же уг­лерод находится в виде троостита, сорбита, цементита или графитных включений, то заметного изменения в скорости растворения стали в жидком цинке по сравнению с чистым железом не наблюдается.

Существует мнение, что повышение в стали содержания углерода способствует образованию и росту в слое покры­тия 61 и £-фаз, что приводит к увеличению толщины цинко­вого покрытия.

Согласно Редекеру и Фрие, при одинаковых усло­виях цинкования толщина слоя цинкового покрытия на уг­леродистых сталях, содержащих >0,15 % С, увеличивается примерно на 10 % по сравнению со сталями, содержащими <0,1 %С.


Влияние кремния


Из других элементов, присутствующих в стали, особый ин­терес представляют кремний, марганец и фосфор. Большинство исследователей считает, что эти элементы повышают скорость взаимодействия между сталью и жидким цин­ком, в результате чего в покрытии увеличивается слой сплава.

При высоком содержании в стали кремния и фосфора покрытие в основном состоит из железоцинковых соедине­ний, представляющих собой столбчатые 61 - и £-кристаллы. Особенно сильно развита £-фаза. Слой чистого цинка (n-фаза) в таких покрытиях очень тонкий, а иногда полностью отсутствует. При этом оцинкованная поверхность приобре­тает светло-серый цвет.

При цинковании сталей с 1,2 % Si слой покрытия пол­ностью состоит из столбчатой £-фазы. Присутствие в покры­тии толстых слоев £- и 61-фаз снижает его пластичность. .Способность к деформации у таких покрытий очень низкая и уже при малейших изгибающих напряжениях они легко скалываются с изделия.

При цинковании марганцовистых сталей в структуре по­крытия наблюдаются Г-, 61 , £- и n-фазы. Однако и в этом случае наиболее развитой является Е-фаза, кристаллы ко-

торой часто неравномерно располагаются по толщине покрытия.

Определенное влияние на взаимодействие стали с жидким цинком и на скорость образования и рост железоцин­ковых соединений оказывают добавки хрома, никеля, титана, ванадия, циркония, серы, азота. Однако этот вопрос изучен недостаточно полно и чтобы судить о их влиянии не­обходимо в каждом конкретном случае учитывать не толькоих содержание, но и условия цинкования (например, темпе­ратуру, состав расплава цинка).

Важной качественной характеристикой цинкового по­крытия является сцепление его со стальной основой. Она имеет особое значение для изделий, которые после цинко­вания подвергаются штамповке, глубокой вытяжке, изгибу и т. п. К таким изделиям в первую очередь следует отнес­ти полосовой прокат.

Присутствующие в стали элементы оказывают опреде­ленное влияние на адгезию покрытия (на прочность его сце­пления с поверхностью цинкуемого изделия). Прежде все­го рассмотрим влияние кремния.

При термической обработке стальной полосы на ее по­верхности происходит образование пленки из соединений кремния. По данным концентрация таких образований на поверхности стали превышает в 10—100 раз концентра­цию кремния в самой стали. Кремний, концентрирующийсяна поверхности стали по границам зерен и в самих зернах образует оксидную пленку типа MnSiO3. Толщина пленки растет с увеличением содержания кремния в стали, что при­водит к образованию грубой шелушащейся поверхности, плохо смачиваемой расплавленным цинком. Пленка оксидов препятствует образованию и гомогенному распределению тройного соединения Fe—Al—Zn в диффузионном слое по­крытия, что снижает его адгезионные свойства.

В связи с этим при цинковании спокойных сталей, содержащих до 0,3 % Si, в расплаве цинка необходимо поддер­живать более высокое содержание алюминия (не менее 0,2 %) для интенсификации роста тройного соединения Fe—-Al—Zn (рис.8,9).

В соответствии с теоретическими основами окислительно-восстановительных реакций, происходящих на поверхности полосы в процессе ее термической обработки, для каждого режима существует критическое содержание легирующего элемента, предопределяющее возможность обра­зования его оксидных пленок.




Рис. 8. Зависимость структуры цинкового покрытия от содержания кремния в стали (а) и алюминия в расплаве цинка (б):

1 — слой, определяющий сцепление, 2 — цинкофобная пленка; I — 0,15% А1; 11 — 0,20 % А1




Рис. 9. Зависимость прочности сцепления покрытия с основой от содержания кремния в стали (стрелкой показано направление повышения сцепления)


Высокое содержание кремния в непрерывнолитых ста­лях отражается на внешнем виде оцинкованной поверхно­сти: покрытие теряет блеск и приобретает сероватый отте­нок. На изделиях могут появляться неоцинкованные участ­ки. В этом случае для улучшения прочности сцепления

покрытия рекомендуется более тщательная подготовка по­верхности, заключающаяся в удалении приповерхностного слоя, обогащенного кремнием и его соединениями .

Для повышения прочности сцепления покрытия японские исследователи рекомендуют проводить дополнительную тер­мическую обработку оцинкованной полосы (нагрев до 280 °С, выдержка 24 ч или 5 ч ). При этом происходит упорядочение структуры покрытия, слой интерметаллидов становится однородным в результате диффузии алюминия в слое покрытия и относительного выравнивания его кон­центрации в слое интерметаллидов.

Таким образом, выравнивание концентрации алюминия в граничных со стальной основой слоях способствует улуч­шению адгезионных свойств покрытия.

Хорошее смачивание цинком спокойных и полуспокой­ных сталей достигается при использовании комбинирован­но