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
еще рефераты
Еще работы по разное
Реферат по разное
Назва реферату: Макроекономічні параметри та методи їх вимірювання Розділ
17 Сентября 2013
Реферат по разное
Реферата: «Система пуска тракторного дизеля»
17 Сентября 2013
Реферат по разное
Государственный стандарт российской федерации безопасность в чрезвычайных ситуациях
17 Сентября 2013
Реферат по разное
«Становлення вітчизняної автоматики»
17 Сентября 2013