непрерывное горячее цинкование

Непрерывное горячее цинкование — это технологический процесс нанесения цинкового покрытия на стальную полосу (лист, ленту, проволоку) путем погружения в расплавленный цинк, осуществляемый в непрерывном режиме на специализированных агрегатах. Данный метод является основным промышленным способом производства оцинкованного проката, обладающего высокой коррозионной стойкостью, и широко применяется в строительстве, автомобилестроении, производстве бытовой техники и энергетике.

История

Первые промышленные методы горячего цинкования (окунание отдельных деталей в ванну с расплавом) появились во Франции в середине XIX века. Однако процесс был периодическим и малопроизводительным. Прорыв произошел в 1930-х годах, когда в США и Европе начали разрабатывать линии непрерывного действия для обработки стальных полос. В 1936 году компания Armco (США) запустила первую коммерческую установку непрерывного горячего цинкования. В СССР технология начала внедряться в 1950-е годы на металлургических комбинатах (например, на Магнитогорском металлургическом комбинате и Новолипецком металлургическом комбинате). С 1960-х годов непрерывное цинкование стало доминирующим способом производства оцинкованного листа, вытеснив электролитическое цинкование для большинства массовых применений.

Технологический процесс

Непрерывное горячее цинкование включает несколько последовательных стадий, которые выполняются на одной технологической линии (агрегате непрерывного горячего цинкования, АНГЦ).

Подготовка поверхности (предварительная обработка)

Перед нанесением покрытия стальная полоса должна быть тщательно очищена от загрязнений, оксидов и жиров. Для этого применяются:

• Обезжиривание — удаление масел и эмульсий в горячих щелочных растворах или путем электролитической обработки.
• Промывка — удаление остатков щелочи водой.
• Травление — удаление окалины и ржавчины в растворах соляной или серной кислоты.
• Флюсование — нанесение на поверхность полосы слоя флюса (обычно хлорида цинка и хлорида аммония), который предотвращает окисление стали перед погружением в цинк и улучшает смачиваемость.

Термическая обработка (отжиг)

Для придания стали необходимых механических свойств и удаления водорода, выделившегося при травлении, полоса проходит через печь отжига. Атмосфера в печи (смесь азота и водорода) является восстановительной, что предотвращает повторное окисление металла. Температура отжига может варьироваться от 450 °C до 750 °C в зависимости от марки стали и требуемых свойств.

Погружение в расплав цинка

Полоса с температурой, близкой к температуре расплава (около 450–460 °C), поступает в цинковальную ванну, заполненную расплавленным цинком. В ванне поддерживается строго заданная температура (обычно 440–460 °C) с помощью индукционных или электрических нагревателей. Для регулирования толщины покрытия и улучшения его свойств в расплав цинка могут добавляться легирующие элементы (алюминий, свинец, сурьма, никель). Алюминий (0,1–0,3%) добавляется для подавления роста хрупкого интерметаллического слоя Fe-Zn и улучшения адгезии.

Формирование покрытия (сдув)

После выхода из ванны избыток жидкого цинка с поверхности полосы удаляется с помощью газовых ножей — плоских сопел, через которые под давлением подается струя азота или воздуха. Регулируя давление газа и расстояние до полосы, оператор задает требуемую толщину цинкового покрытия (от 60 до 600 г/м² или более). Более тонкое покрытие получается при высоком давлении.

Охлаждение и финишная обработка

После сдува полоса проходит через зону охлаждения (воздушного или водяного), где цинк затвердевает. Затем могут выполняться следующие операции:

• Дрессировка — холодная прокатка с небольшим обжатием (0,5–2%) для улучшения плоскостности и снятия напряжений.
• Пассивация — нанесение тонкого слоя хроматного или бесхроматного состава для защиты покрытия от потемнения при хранении.
• Масление — нанесение тонкого слоя масла для защиты от коррозии во время транспортировки.
• Нанесение полимерного покрытия — часто оцинкованный лист далее окрашивается на линиях полимерных покрытий (например, по технологии «полиэстер» или «пурал»).

Виды покрытий

В зависимости от состава ванны и режимов охлаждения различают несколько типов цинковых покрытий:

• Чистое цинковое покрытие (Z) — состоит в основном из цинка с небольшими добавками алюминия. Обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и пластичность.
• Цинк-алюминиевое покрытие (ZA) — содержит 5% алюминия и незначительное количество редкоземельных элементов. Обладает повышенной коррозионной стойкостью в агрессивных средах.
• Алюмоцинковое покрытие (AZ, Galvalume) — содержит 55% алюминия, 43,5% цинка и 1,5% кремния. Сочетает высокую коррозионную стойкость алюминия с защитным действием цинка.
• Цинк-железное покрытие (ZF, Galvannealed) — получается путем дополнительного нагрева полосы после цинкования для диффузии железа в цинковый слой. Образуется матовое серое покрытие, которое хорошо сваривается и окрашивается.

Оборудование

Основным элементом линии непрерывного горячего цинкования является агрегат непрерывного горячего цинкования (АНГЦ). Типичная линия включает:

• Разматыватель рулонов
• Стыкосварочную машину (для соединения концов рулонов)
• Печь предварительного нагрева и отжига
• Цинковальную ванну с расплавом
• Газовые ножи
• Зону охлаждения
• Дрессировочную клеть
• Устройства для пассивации и масления
• Наматыватель готового рулона

Современные линии могут иметь производительность до 500 000 тонн оцинкованного проката в год и работать со скоростью движения полосы до 200 м/мин.

Применение

Оцинкованный прокат, полученный методом непрерывного горячего цинкования, используется в различных отраслях:

• Строительство — кровельные и фасадные материалы (профнастил, металлочерепица), каркасы зданий, воздуховоды, водосточные системы.
• Автомобилестроение — кузовные детали, элементы шасси, топливные баки. В автомобильной промышленности часто применяется покрытие Galvannealed (ZF) для лучшей свариваемости и окрашиваемости.
• Производство бытовой техники — корпуса холодильников, стиральных машин, микроволновых печей.
• Энергетика — опоры линий электропередачи, элементы молниезащиты, корпуса трансформаторов.
• Транспорт — дорожные знаки, барьерные ограждения, элементы мостовых конструкций.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность и низкая себестоимость по сравнению с другими методами цинкования.
• Равномерность покрытия по всей длине полосы.
• Возможность получения покрытий различной толщины (от 60 до 600 г/м²).
• Хорошая адгезия цинка к стали.
• Возможность последующей окраски (при использовании соответствующих грунтовок).

Недостатки

• Высокое энергопотребление (нагрев печей и ванны).
• Необходимость утилизации отходов (отработанные кислоты, флюсы, цинковая пыль).
• Ограничения по маркам стали (не все стали хорошо поддаются горячему цинкованию из-за образования хрупких интерметаллидов).
• Невозможность обработки деталей сложной формы (только листовой прокат и проволока).

Экологические аспекты

Производство оцинкованного проката связано с выбросами в атмосферу оксидов цинка, хлористого водорода и диоксида серы, а также с образованием сточных вод, содержащих кислоты и ионы тяжелых металлов. Современные линии оснащаются системами очистки отходящих газов (скрубберы, электрофильтры) и замкнутыми циклами водоснабжения. Отработанные травильные растворы перерабатываются с получением регенерированной кислоты и оксидов железа. В Российской Федерации требования к экологической безопасности таких производств регулируются Федеральным законом «Об охране окружающей среды» и нормативными документами Росприроднадзора.

Источники

• ГОСТ 14918-80 «Сталь тонколистовая оцинкованная с непрерывных линий. Технические условия»
• ГОСТ 1709-2016 «Прокат стальной с цинковым покрытием. Методы контроля»
• Технология горячего цинкования: учебное пособие / В. А. Парфенов, А. И. Зайцев. — М.: Металлургия, 2005.
• «Continuous Galvanizing» — статья в журнале «Iron and Steel Technology», 2019.
• Справочник по коррозии и защите металлов / под ред. И. Л. Розенфельда. — М.: Машиностроение, 1987.