Производство оцинкованного листа

Значительное количество тонкого холоднокатаного листа выпускается с покрытием его различными антикоррозионными материалами. Доля тонкого листа с покрытиями за последние тридцать лет увеличилась в 20 раз и продолжает расти. В Японии в 2002 г. она составляла 43 % (в России — 24,7 %). Большая часть такого листа имеет покрытие цинком и его сплавами. Разработаны покрытия в виде 7п—№ и Fc~Zn с массой 20—30 г/м². Для Ш-сталей, предназначенных для производства кузовов автомобиля с повышенной коррозионной стойкостью, применяют покрытие с повышенной толщиной (до 40—60 г/м²), состоящее из слоя Бе—?п с содержанием железа около 10 %. Для уменьшения трения при штамповке на оцинкованную поверхность наносят смазочную пленку на основе соединений марганца и фосфора, которая не должна препятствовать свариванию и окрашиванию.

Для корпусов приборов и оргтехники изготовляют лист с хроматным покрытием, поверх которого наносят пленку полимера (силиказоль) с добавками смазочного вещества. Интенсивно наращивается производство листа с полимерными покрытиями. Такие цеха имеются на НЛМК и ММК. В 2004—2005 гг. был пущен новый цех полимерных покрытий на ЧерМК, намечено создание новых цехов на 200 тыс. т/год на ММК и на НЛМК.

В строительстве и машиностроении наибольшую долю составляют горяче- оцинкованные и горячеалюминированные листы, листы с покрытием гальва- люмом (сплав 55 % А1 + Zn) с повышенным сопротивлением атмосферной коррозии. Россия обладает достаточными мощностями по производству такого вида листа, установленными на НЛМК, ММК и ЧерМК.

В сортамент оцинкованной стали входят листы толщиной от 0,5 до 1,5 мм и шириной от 710 до 1500 мм, поставляемые потребителю в виде как рулонов, так и карточек в пакетах. Требования на тонколистовую оцинкованную сталь с непрерывных линий регламентируются ГОСТ 14918—80. В зависимости от назначения оцинкованная сталь изготовляется четырех групп:

ХШ — для холодной штамповки;

ХП — для холодной профилировки (для производства гнутых профилей);

ПК — под окраску;

ОН — общего назначения.

По способности к вытяжке выпускают листы категорий Н, Г и ВГ (нормальная, глубокая и весьма глубокая вытяжка).

По равномерности толщины и виду цинкового покрытия листы делят на четыре класса:

НР — с нормальной разнотолщинностью покрытия;

УР — с уменьшенной разнотолщинностью;

КР — с узором кристаллизации;

МТ — без узора кристаллизации.

По толщине покрытия выделяется три класса:

П (повышенной толщины) — 40—60 мкм;

класс 1 — 18—40 мкм;

класс 2— 10-18 мкм.

Требования по плоскостности, серповидное™, телескопичности рулонов, точности по толщине и ширине, обрезке кромок и др. такие же, что и для автомобильного листа.

Для штампуемого листа оговариваются также требования по микроструктуре и механическим свойствам основного металла, регламентируются требования по прочности сцепления цинка с основой.

Основным свойством оцинкованного листа является его коррозионная стойкость, и в зависимости от этого различают несколько разновидностей цинкосодержащих покрытий и методов их нанесения. Основным видом является двустороннее покрытие из расплава цинка с одинаковым или разным по толщине покрытием с обеих сторон. Производят также лист с односторонним покрытием. Для экономии цинка, а также для улучшения коррозионной стойкости, свариваемости и других характеристик применяют покрытия в виде сплавов цинка с железом (гальванил), с алюминием (гальвалюм), с полимерами (цин- крометалл) и др.

В качестве основы для производства оцинкованной стали используют углеродистую холоднокатаную сталь из обычных и качественных марок стали. Для листов под штамповку применяют те же марки стали, что и для автомобильного листа: 08кп, Юкп, 08Ю, СтЗкп и др.

Основное количество оцинкованной стали с двусторонним покрытием производят на специализированных непрерывных линиях — агрегатах горячего непрерывного цинкования (АГНЦ). Начальные технологические операции — снятие окалины и прокатка холоднокатаного листа — при производстве оцинкованного и автомобильного листа выполняются на одних и тех же агрегатах по одной технологии. Можно лишь отметить, что для качественного покрытия цинком требуется шероховатая поверхность холоднокатаного листа, гак как глянцевая поверхность плохо удерживает покрытие. Поэтому на непрерывном прокатном стане последняя клеть должна быть шероховатой с Я_а = 3—4 мкм.

После холодной прокатки лист в рулонах обрабатывается на агрегатах горячего непрерывного цинкования (АГНЦ). Действующий на НЛМК агрегат (рис. 17.25) считается одним из совершенных и современных. Условно агрегат можно разбить на отдельные части.

Первая часть включает ряд традиционных установок, необходимых для организации непрерывности процесса: разматывагели, правильную машину, ножницы, сварочную машину с пробивным прессом для обозначения места шва и петлевой накопитель с регулятором натяжения петли.

Вторая часть агрегата предназначена для очистки поверхности листа от следов эмульсии и грязи. В нее входят ванны со щелочными растворами и моечными щетками, промывочные ванны и сушильная камера. При относительно больших скоростях движения полосы только химическая очистка не обеспечивает полного обезжиривания поверхности листа. Дополнительное обезжиривание осуществляют в электролитической ванне. Окончательная очистка поверхности металла достигается уже при нагреве металла в камере окисления проходной термической печи.

На других заводах применяют отдельно стоящий агрегат комбинированной очистки, включающий:

химическое обезжиривание в растворе едкого натра (50—70 г/л) и тринат- рийфосфата (25—30 г/л) при температуре раствора 90 °С;

электролитическое обезжиривание в растворе того же состава;

струйную промывку полосы;

электролитическое травление в растворе серной кислоты (40—50 г/л) и сернокислого железа (до 70 г/л) при температуре 60—70 °С;

струйную и щеточную промывку и сушку путем обдувания горячим воздухом.

Рис. 17.26. Схема расположения оборудования АГНЦ с башенной печью на НЛМК: 1— рулонная тележка; 2 — разматыватель; 3— тянущие ролики; 4 — правильная машина; 5— измеритель толщины полосы; 6, 26— ножницы; 7— сварочная машина; 8— пробивной пресс; 9 — натяжные ролики; 10 — поворотные ролики; 11 — входной накопитель; 12— ванна щелочной очистки; 13— промывочные ванны; 14— сушилка с горячим воздухом; 15— натяжная станция; 16— башенная печь для термообработки полосы; 17— ванна цинкования; 18— устройство струйного охлаждения; 19— печь для отжига с аппаратом для регулирования узора покрытия; 20— стенд для измерения толщины покрытия; 21— дрессировочная клеть и правильно-растяжная машина; 22— ванна пассивации; 23— башенный выходной накопитель; 24— маркировочное устройство; 25— контрольный стол; 27— моталки

Третья часть агрегата представляет собой башенную печь для термической обработки полосы, в которой обработка ведется в среде диссоциированного аммиака. Эта часть интересна тем, что позволяет в широком диапазоне изменять режимы нагрева и охлаждения металла, обеспечивая производство листа с различными механическими свойствами. В комплекс печи входят несколько камер:

предварительного окислительного нагрева до 580—600 °С, предназначенного для окончательной очистки поверхности металла от следов загрязнения;

безокислительного нагрева до температуры рекристаллизационного отжига или нормализации 720—950 °С (в зависимости от марки стали и требований к листу);

восстановительного нагрева в восстановительной атмосфере и выдержки при указанной температуре, при которой окисная пленка на поверхности листа восстанавливается до железа;

регулируемого охлаждения до температуры 650—750 °С для получения заданных механических свойств;

ускоренного охлаждения до температуры перестаривания (200—300 °С);

перестаривания, в которой полоса выдерживается в течение времени прохождения процессов старения;

нагрева до температуры 450—500 °С, необходимой для оцинкования.

После печи в линии агрегата установлены ванны с расплавом цинка, и оцинкование осуществляется путем погружения полосы в расплав с температурой около 500 °С. Установка струйного охлаждения, следующая по технологической линии, позволяет подавать на поверхность и кромки полосы из плоских сопел струи воздуха и азота, с помощью которых удаляются излишки цинка. За счет управления скоростью подачи струи можно регулировать толщину цинкового покрытия, делать ее неравномерной по сторонам или осуществлять одностороннее покрытие. На более старых агрегатах для этой цели применялись отжимные ролики. Однако при использовании острой газовой струи улучшается качество покрытия, структура цинка становится более мелкозернистой и благоприятной для процессов глубокой вытяжки, повышается равномерность распределения цинка по поверхности (отсюда экономия цинка) и увеличивается производительность агрегата. На роликах ограничены возможности регулирования толщины покрытия, невозможно обеспечить разную толщину на обеих поверхностях.

Печь 19предназначена для получения покрытия из железоцинкового сплава. На боковой стенке печи смонтирован аппарат для получения покрытия с минимальным узором кристаллизации цинка. Мелкий узор цинка получается при обработке незатвердевшего покрытия распыленным водным туманом, содержащим фосфаты натрия и аммония.

Далее полосу обрабатывают на дрессировочно-правильном агрегате 21. В состав агрегата входит 4-валковая дрессировочная клеть и правильно-растяжная машина. Деформация металла сначала прокаткой на дрессировочном стане, затем знакопеременным изгибом в сочетании с растяжением обеспечивает высокие механические свойства металла, идеальную плоскостность полосы, высокое качество поверхности, пониженную продольную разнотолщинносгь и равномерное распределение цинка по поверхности листа.

После оцинкования полоса проходит ванну пассивации с растворами оксалатов или хромовых соединений типа Сг₂0₇ (или других богатых кислородом солей). Здесь происходит окисление цинкового покрытия до 2п0₂, который обладает высокой коррозионной стойкостью в воздушной среде.

После маркировки, разрезки по шву с удалением шва и смотки в рулон полоса покидает АГНЦ и поступает на агрегаты поперечной или продольной резки, как и автомобильный лист.

Горячее цинкование обладает одним существенным недостатком: образующийся при этом промежуточный слой железоцинкового соединения ухудшает адгезию цинка с основным металлом, снижает механические свойства и шгампуемость, способствует коррозии листа.

Наряду с агрегатами горячего цинкования широко используются агрегаты электролитического цинкования. Толщина покрытия в этом процессе составляет 2,5—10,0 мкм, что в 4—10 раз меньше, чем на АГНЦ. Экономия в несколько раз дефицитного цинка является одним из главных достоинств такого способа покрытия. Кроме того, при электролитическом цинковании не образуется промежуточный слой, и механические свойства и штампуе- мосгь сохраняются на первоначальном уровне, как у автомобильного листа. Покрытие характеризуется хорошей адгезией к стальной полосе, имеет мелкозернистую структуру, отличается большей равномерностью по сравнению с покрытием погружением в расплав. Покрытие имеет матовую равномерную поверхность без узоров, хорошо удерживает краску. Электролитически оцинкованный лист в неокрашенном виде, и тем более со специально обработанной или окрашенной поверхностью, имеет отличный товарный вид и высокую коррозионную стойкость. Все это в целом позволяет расширять область применения электролитически оцинкованного листа и наращивать его производство. Такая тенденция наблюдается во всех странах.

К недостаткам процесса следует отнести высокую токсичность электролита, высокий расход реактивов, сравнительно низкую производительность агрегатов. Однако в последние годы разработаны и эксплуатируются агрегаты с высокой скоростью обработки, сравнимой с АГНЦ, и высокой производительностью (до 400 тыс. т/год и более). Темпы роста производства электролитически оцинкованной стали являются в последнее время самыми высокими для стальной продукции в Японии и США. Этот вид листовой продукции пользуется повышенным спросом на мировом рынке со стороны автомобильных предприятий.

В России первые два агрегата электролитического цинкования построены на Лысьвенском металлургическом заводе.

Процесс производства электролитически оцинкованного листа осуществляется на непрерывных агрегатах электролитического цинкования, устройство которых традиционно: головная часть для обеспечения непрерывности процесса с известным нам набором оборудования, агрегаты для осуществления технологических процессов и хвостовая часть с установками для отделки, разрезки и сматывания полосы в рулон.

Технологический процесс состоит из трех этапов:

1) подготовка поверхности, состоящая из операций обезжиривания в горячем щелочном растворе или в электролитической ванне и травления в серной или соляной кислоте;

• 2) электролитическое цинкование на непрерывном агрегате, при котором непрерывно движущаяся полоса проходит ванны с электролитом. В основном применяют сульфитный электролит, содержащий 350—400 г/л 7п50₄ • 7Н₂0 и 25—30 г/л (МН₄)₂50₄ при температуре раствора 35—38 °С. Ток плотностью 40—60 А/дм² пропускается между свинцовыми анодами, покрывающими дно ванны, и медным токоподводящим барабаном, который внутри электролита огибается движущейся полосой;
• 3) обработка покрытия: фосфагирование в ваннах с фосфатом цинка, пассивация в растворе хромовой кислоты, промывка и сушка.

По современной технологии далее полоса поступает в ванны для обработки покрытия (фосфатирования, хромирования и т. п.). Для этой же цели часто применяют отдельно стоящие непрерывные агрегаты. Они пригодны для нанесения металлических или неметаллических покрытий не только на оцинкованный лист, а в большинстве случаев — на непокрытый лист из низкоуглеродистых сталей. Все эти агрегаты отличаются друг от друга только способами подготовки поверхности и нанесения покрытия на поверхность листа. Для нанесения металлических покрытий наиболее перспективным считают термовакуумный способ, при котором в герметической вакуумной камере электронным лучом или токами высокой частоты испаряют наносимый металл (алюминий, хром и др.), который конденсируется на движущейся через камеру полосе.

Для покрытия полосы пластмассовыми пленками (поливинилхлоридом и др.) также осуществляется сначала подготовка поверхности полосы путем ее обезжиривания и промывки, затем следуют операции нанесения клея на полосу и пленку, смотки листа с покрытием и разогрева его до плотного склеивания покрытия с основой. На заключительных операциях осуществляют отделку покрытия (тиснение рисунка), а также контроль качества, маркировку и т. д.