Горячее цинкование (цинкование в расплаве цинка) (стр. 3 из 8)

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 С_лН_2п+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 —Н_г/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.