Горячее цинкование (цинкование в расплаве цинка) (стр. 6 из 8)

Вследствие высокой активности алюминия, его содержание в покрытии всегда больше, чем в расплаве цинка. С увеличением толщины полосы и ее температуры на входе в расплав этот эффект выражен более сильно, что обусловлено увеличением продолжительности пребывания полосы в расплаве цинка.

Прочность сцепления покрытия со стальной основой растет с увеличением температуры полосы и содержания алюминия в железоалюминиевом соединении.

Влияние железа

Железо — вредная примесь в процессе цинкования и необходимо стремиться к тому, чтобы его содержание в расплаве цинка было минимальным.

В расплаве цинка всегда присутствует некоторое количество железа. Оно попадает в расплав главным образом в результате взаимодействия жидкого цинка с поверхностью цинкуемого изделия, находящимися на ней слоями

железа, а также с частями погружного оборудования и корпусом ванны цинкования (если она металлическая). Так как растворимость железа в цинке невелика (при температуре расплава 450—460 °С составляет от 0,01 до t),03 %), оно присутствует в расплаве цинка в виде железо-цинковых соединений (так называемого гартцинка или дроса) . Имея более высокую плотность, чем цинк, гартцинк постепенно оседает на дно ванны. Однако вследствие перемешивания расплава цинкуемыми изделиями некоторое количество гартцинка распределяется по всему объему ванны. Это увеличивает вязкость расплава цинка и снижает его способность смачивать стальную поверхность. Кроме того, увеличивается неравномерность распределения тепла в расплаве и ухудшается качество образующихся покрытий и внешний вид оцинкованной поверхности .

Содержание железа в расплаве возрастает с увеличением температуры цинкования. С увеличением содержания железа в расплаве значительно увеличивается толщина покрытия, а в верхних слоях его наблюдаются включения, представляющие собой железоцинковые соединения. В результате ухудшается пластичность, коррозионная стойкость и внешний вид покрытия (оно становится шероховатым).

С целью уменьшения содержания железа в расплаве цинка необходимо хорошо промывать изделия после травления, сокращать продолжительность их пребывания в расплаве цинка, стремиться проводить цинкование при 440— 460 °С, а также своевременно удалять со дна ванны образовавшийся гартцинк.

Скорость растворения и накопления железа уменьшается в присутствии алюминия. Замедляющее действие алюминия было рассмотрено выше, где также отмечалось, что его влияние распространяется на определенный отрезок времени — инкубационный период, в течение которого не происходит рост железоцинковых фаз.

С увеличением продолжительности цинкования слой железоалюминиевого соединения под воздействием диффузионных процессов разрушается и процесс эрозии стальной основы активизируется. Для реальных условий цинкования на непрерывных агрегатах продолжительность цинкования не превышает инкубационного периода. При содержании в расплаве 0,09—0,14 % А1 инкубационный период составляет 30—60 с, а с концентрацией алюминия более 0,15 % этот период увеличивается до 300 с. При накоплении в расплаве железа инкубационный период уменьшается .

С увеличением температуры расплава цинка инкубационный период сокращается и рост железоцинковых соединений происходит значительно быстрее. При этом интенсивность образования дросовых отходов также возрастает. В дросе обычно содержатся соединения железа с цинком в виде FeZn₂ (нижний дрос) и Fe₂Al₅+FeZn₂ (верхний дрос). При содержании 0,09—0,14 % Аl в расплаве цинка отмечается рост содержания нижнего дроса, а при 0,15 % А1 и выше доля нижнего дроса сокращается и увеличивается количество всплывшего верхнего дроса, в котором резко уменьшается содержание б-фазы (FeZn₂). Так, соотношение железосодержащих фаз Zn и А1 в верхнем дросе агрегата непрерывного цинкования НЛМК при содержании 0,18—0,22 % А1 в расплаве цинка составляет 0,2—0,4, т. е. преобладает соединение Fe₂Al₅.

Рис. 11. Влияние содержания алюминия (а), свинца (б) в расплаве и температуры расплава ванны (s) на смачиваемость (поверхностное натяжение) стали цинком :

1 — без добавок свинца в расплаве цинка; 2 — содержание РЬ в расплаве цинка 0,20 % (по массе); 3— 0,15 % (по массе) А1, температура расплава 460 °С; 4 — 0,20% (по массе) А1 без добавок свинца

Значительное снижение количества дроса отмечается при увеличении содержания в расплаве цинка до 0,25— 0,40 % А1 и 0,40 % РЬ.

Для ведения непрерывного процесса горячего цинкования полосы без образования дросовых выделений рекомендуется² применять расплав состава: 0,001—0,01 % Mg-0,15—0,40 % А1; 0,40 % РЬ, остальное Zn.

Влияние на растворение железа других элементов (свинца, кадмия), применяемых в качестве добавок в расплав цинка на непрерывных агрегатах, практически незначительно.

Основное назначение добавки свинца в расплав цинка — понижать его вязкость и увеличивать смачиваемость, а также обеспечивать образование узоров кристаллизации цинка.

С увеличением содержания алюминия в расплаве цинка в пределах 0—0,2 % А1 (без добавки свинца) смачиваемость поверхности полосы цинком значительно уменьшается (рис. 11, кривая 1). Добавка в расплав цинка 0,2 % РЬ обеспечивает хорошую смачиваемость, которая практически не зависит от содержания алюминия в расплаве.

Когда в расплаве цинка поддерживается постоянное содержание алюминия (0,15%), то оптимальный уровень смачиваемости достигается при 0,05 % Рb. Дальнейшее увеличение содержания свинца практически не влияет на смачиваемость. Наконец, при отсутствии .В расплаве

цинка свинца повысить уровень поверхностного натяжения можно за счет ведения процесса цинкования в области высоких температур (не менее 495 °С).

4. Основные способы цинкования полосы

Среди известных способов горячего цинкования листов и полос, различающихся главным образом методами подготовки стали к цинкованию, основными являются «Сендзи-мир» или «Армко-Сендзимир», «Юнайтед стейтс стил», «Кук-Нортман» и «Селас».

4.1.Способ «Армко-Сендзимир»

В качестве исходного материала для цинкования применяется холоднокатаная неотожженная стальная полоса. На ее поверхности имеются остатки прокатной смазки, а также естественная оксидная пленка. Для подготовки поверхности полосы к цинкованию ее подвергают нагреву в печи с окислительной атмосферой до 350—500 °С. При этом загрязнения органического происхождения сгорают, а на поверхности стали образуется слой оксида железа толщиной до 3 мкм.

Для активации поверхности стали полосу нагревают в печи с восстановительной азотно-водородной атмосферой при высоком содержании сухого водорода (75 %). Обычно термическую обработку полосы проводят при 750—950 °С с охлаждением до 450 °С перед погружением в ванну с расплавом цинка.

4.2. Способ «Юнайтед Стейтс Стил»

В отличие от цинкования по способу «Армко-Сендзимир» при данном способе подготовку поверхности полосы проводят электрохимическим обезжириванием в щелочном растворе. После промывки и сушки полосу термически обрабатывают сразу в восстановительной азотно-водородной атмосфере. Так как на поверхности полосы имеется тишь тонкий слой естественной оксидной пленки, это позволяет вести процесс активации при содержании водорода в восстановительной атмосфере 10—15% и температуре нагрева 530—950 °С. Низкотемпературная обработка стали (530—560 °С) обеспечивает цинкование полосы с сохранением исходных ее свойств, достигнутых предварительным отжигом в колпаковых печах или холодной прокаткой.

По этому принципу работают все агрегаты горячего цинкования фирмы «Юнайтед стейтс стил», США.

4.3.Способ «Кук-Нортман»

Этот способ применяется в США с 1953 г. и предусматривает подготовку поверхности листов и полос, а также их отжиг и дрессировку на отдельно стоящем оборудовании. Непосредственно в агрегатах цинкования полосу факультативно подвергают химическому обезжириванию в щелочных растворах и кислотному травлению. Для активации поверхности на полосу наносят равномерный слой флюса из смеси хлорида цинка и хлорида аммония с различными добавками. Затем полосу пропускают через протяжную печь с защитной атмосферой, где при нагреве до 200— 250 °С и на ее поверхности происходит высушивание слоя флюса, после чего погружают в ванну с расплавом цинка. Характерной особенностью этого процесса является использование индукционного нагрева расплава цинка, что обеспечивает быструю компенсацию больших потерь тепла, вызываемых поступающей в расплав охлажденной полосой (200 С).

4.4.Способ «Селас»

Этот способ первоначально применяли для подогрева полосы перед цинкованием до температур 480—530 °С в восстановительной атмосфере высокотемпературных продуктов сжигания топлива. Впоследствии его стали использовать для подготовки поверхности полосового металла. Суть способа заключается в следующем. Холоднокатаную полосу подают сверху в башенную печь с керамическими горелками фирмы «Селас». Находящиеся на поверхности полосы остатки прокатной смазки под воздействием высоких температур атмосферы испаряются, а полоса без окисления нагревается до 650—680 °С. Далее полоса проходит через печные камеры с защитной атмосферой при содержании водорода до 15 % и точкой росы минус 4,5 С, где охлаждается до температуры цинкования и поступает в ванну с расплавом цинка.

По данным Тернера способ «Селае» имеет определенные ограничения для его осуществления: температура продуктов сжигания - выше 1316°С, а температура Сталине более 927 °С. В составе продуктов сгорания сумма восстановительных компонентов СО + Н₂ должна составлять 3—8 %, при содержании 7—8 % СО₂ и 8—20 % Н₂О, наличие свободного кислорода исключается.