» » Термическая подготовка полосовой стали
10.02.2017

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 взаимодействие с компонентами продуктов сгорания CO2 и H2O, вызывающих окислительную реакцию. Содержание в продуктах горения компонентов CO 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:
Термическая подготовка полосовой стали

Аналогичные реакции протекают при горении других углеводородов типа CnH2n+2(C3H8, C4H10).
Газовая среда в камере печи в результате неполного сгорания топлива состоит в основном из продуктов реакции CO2, H2O и несгоревших молекул CO, H2, а также N2; количество свободного кислорода близко к 0. В результате взаимодействия газов над поверхностью полосы протекают реакции, которые характеризуются следующими уравнениями равновесия:
Термическая подготовка полосовой стали

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 реакции осаждения — растворения углерода представлены на рис. 48.
Исследования фирм «Син ниппон сэйтэцу» и «Ниппон кокан» (Япония), показывают, что зоны окисления — восстановления в соответствии с уравнениями (78), (79) пересекаются с зонами осаждения — растворения углерода в соответствии с уравнениями (80), (81). При этом оптимальные условия работы таких печей достигаются в области температур 600—700 °С, по данным, верхний предел составляет 750°С. Максимально допустимое значение соотношений СО/СО2 и Н2/Н2О определяется коэффициентом расхода воздуха (α). Для α = 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.
Термическая подготовка полосовой стали

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.
С ростом содержания в продуктах горения суммы компонентов H2+CO и увеличения температуры печи критическая температура повышается (рис. 51, 53). 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°C, 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. 53, не имеет особых преимуществ.
Термическая подготовка полосовой стали

С увеличением толщины обрабатываемой стали время, необходимое для ее нагрева до необходимых температур, увеличивается и критическая температура полосы снижается (рис. 50, 52), Таким образом, работа при повышенных температурах печи является более эффективной при цинковании толстых полос.
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. 54. 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 (80). Этот процесс происходит в зонах печи, где полоса еще не догрета до конечных температур. Выделение углерода происходит при температурах 300—600°С. Образование углеродных остатков также может происходить при неполном выгорании масел, если их количество на полосе в исходном состоянии превышает 1000 мг/м2.
Термическая подготовка полосовой стали

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°C) обработки полосы (для предварительно отожженной стали или продукции с сохранением прокатного наклепа) незначительное количество углерода удаляется в камере восстановительного нагрева по реакции с водой (81), образующейся при восстановлении пленки оксидов по реакции (78).
Термическая подготовка полосовой стали

Для удаления тонкой оксидной пленки, которая образуется в продуктах горения при нагреве до 550°C требуется определенное время. Согласно диаграмме равновесия Fe—O2 при температурах до 570°С и низком содержании кислорода на поверхности стали происходит образование Fe3O4, восстановление которого осуществляется по реакции:
Термическая подготовка полосовой стали

Скорость восстановления оксидной пленки с достаточной точностью рассчитывается по формуле:
Термическая подготовка полосовой стали

где dn/dt — скорость восстановления оксидной пленки в единицу времени с площади 1 см2, им/с; PН2 и PН2О—парциальное давление газов Н2 и H2O; А, В, С — постоянные, зависимые от температуры металла в печи (t, °С):
Термическая подготовка полосовой стали

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 S 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.