Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
После выхода полосы из ванны цинкования производится регулировка толщины слоя нанесенного покрытия.
В настоящее время регулирование толщины покрытия на агрегатах непрерывного горячего цинкования стальной полосы осуществляют струйным методом. Оно состоит в том, что газ под давлением подают на поверхность полосы, выходящей из расплава цинка, через щелевые сопла, установленные с обеих сторон полосы. Струйный поток газа препятствует свободному выносу жидкого цинка на поверхностях движущейся полосы, тем самым ограничивая толщину слоя покрытия (рис. 79).
В качестве рабочей среды для струйного регулирования применяют воздух, перегретый пар, продукты горения, азот или их смеси. При использовании горячих газов снижается давление струйной обработки. Однако, при этом увеличиваются эксплуатационные расходы, усложняется управление аппаратурой и ее обслуживание, снижается качество покрытия, уровень шума повышается до 95 децибел, увеличивается количество оксидов цинка. При использовании в струйном ноже сжатого воздуха вместо перегретого пара уровень шума снижается в среднем на 5 децибел. При этом повышается качество покрытия, сокращается угар цинка, уменьшается коррозия оборудования, вызываемая конденсацией пара на деталях машин в зоне расположения струйного ножа.
Количество выносимого цинка m зависит от скорости движения полосы v и длины ее пути в расплаве. При постоянных значениях последнего параметра масса покрытия растет с увеличением скорости по закону параболы:
Толщина выносимого слоя покрытия может быть рассчитана по формуле, предложенной Хрбеком:
где v — скорость полосы на выходе из ванны; η — динамическая вязкость жидкого цинка; ρ — плотность жидкого цинка в расплаве ванны; q — ускорение свободного падения; k — коэффициент.
Основным фактором, воздействующим на количество снимаемого и оставляемого цинка на полосе, является давление газа в соплах, находящееся во взаимосвязи со скоростью движения полосы.
Вспомогательными параметрами, оказывающими прямое и косвенное воздействие на толщину покрытия являются: геометрические размеры сопел и их расположение (расстояние до поверхности полосы и зеркала расплава, угол наклона струп сопел к горизонтали, ширина щели сопел), характеристика расплава (температура, химический состав, вязкость), температура полосы и газа для обдувки, шероховатость поверхности полосы и ее химический состав.
Параметры некоторых установок струйного регулирования толщины покрытия представлены в табл. 36.
Размер щели определяется геометрической формой щели и расходом газа. Толщина покрытия с увеличением ширины щели сопла в диапазоне 1,0—3,0 мм монотонно уменьшается в среднем на 25 %.
Для выравнивания давления по ширине сопел размеры щели делают переменными с увеличением от середины к краям в среднем на 0,2—0,3 мм и более (1,5 мм в центре до 2,5 мм у кромок полосы). С этой же целью применяют и другие технические решения. Например, на агрегате цинкования НЛМК используют дополнительные четыре коротких вспомогательных сопла, установленные с обеих сторон полосы по ее кромкам. При этом ширина щели основных сопел одинакова по всей длине (0,6±0,01 мм), а щели коротких сопел с одной стороны (у кромки полосы) 0,8 мм с постепенным уменьшением до нуля с другой. Давление газа в коротких соплах в 1,5 раза выше, чем в главных. Разнотолщинность цинкового покрытия по ширине полосы при работе указанной системы сопел струйного регулирования составляет 2—3 мкм.
Высота расположения сопел над зеркалом расплава определяется конструктивными соображениями. Чаще всего оптимальный уровень установки сопел от зеркала расплава находится в интервале 150—350 мм. На агрегатах цинкования с применением скоростей полосы до 1,5 м/с и подогретого газа или пара в качестве рабочей среды струйных сопел этот уровень понижают до 20—50 мм. Расстояние от сопла до полосы в газовых ножах регулируют в пределах 10—50 мм.
На рис. 80 показана зависимость массы цинкового покрытия (на одну сторону полосы) от различных технологических факторов.
При постоянной скорости движения полосы с увеличением расстояния от сопла до поверхности полосы количество снимаемого жидкого цинка снижается и масса покрытия растет при всех значениях применяемых давлений газа (рис. 90, а).
С увеличением скорости движения полосы количество выносимого цинка из расплава возрастает; соответственно растет и масса покрытия, уровень которой зависит от давления газа в соплах (рис. 90,6, в), Минимальная масса покрытия 40—60 г/м2 достигается с применением малых скоростей полосы 0,5—1,0 м/с и высоких давлений 30—50 кПа.
Следует отметить, что давление воздуха в соплах ножа с шириной щели 0,6 мм, используемых на АНГЦ НЛМК (Россия) и в Кимицу (Япония), превышает уровень применяемых давлений воздуха при работе ножа с шириной щели 1—3 мм и прочих одинаковых параметрах. В этом случае покрытие массой 50—400 г/м2 и более получают, варьируя давлением и расстоянием между полосой и соплом без снижения скорости движения полосы в линии агрегата.
Регулирование массы покрытия производят как ручным способом, так и с помощью ЭВМ. При работе устройства с управлением ЭВМ регулировка производится путем первоначальной установки оптимальных расстояний между полосой и соплом в соответствии с заданной массой и скоростью полосы. Управление процесса заключается в поддержании зависимости массы покрытия от давления воздуха в ноже и скорости полосы.
Неправильный выбор параметров струйной обработки или работа в области критических значений давления газа, скорости движения полосы и расстояния от сопла до полосы приводит к разбрызгиванию капель цинка, заносу их на поверхность сформировавшегося покрытия и на сопла. В конечном итоге отверстия сопел засоряются, снижается качество оцинкованной поверхности.
Уменьшению разбрызгивания цинка при увеличении скорости движения полосы способствует применение газовых сопел с малым углом заострения (угол наклона плоскости сопла к горизонтали). В этом случае форма струйного потока истекающего газа способствует более полному сдуванию цинка с поверхности при уменьшении его разбрызгивания (табл. 37).
Уменьшение разбрызгивания достигается применением стабилизирующих валков, которые устанавливают в расплаве цинка по осевой линии их центров с обеих сторон полосы. При этом происходит меньший вынос цинка из расплава и гасится вибрация полосы, источником которой являются струйные сопла.
Эффективное гашение вибрации тонкой полосы получают при использовании упругой силы воздушной подушки, так называемых бесконтактных опор (рис. 81). Место установки оборудования для получения воздушной подушки определяется величиной амплитуды и частотой колебаний полосы. Чем ближе эта установка располагается от струйных ножей, тем выше эффективность ее работы. Вибрация полосы, равная ±17—18 мм, уменьшается до ±1 мм за 3 с после включения этого устройства.
Обычно регулирование температуры расплава в процессе горячего цинкования стальной полосы осуществляют с точностью ±5°С. Возможное колебание температуры расплава цинка в диапазоне 435—465°C приводит к незначительному изменению толщины слоя покрытия (в среднем на 0,2 мкм на каждые 10°С), т. е. в данном случае влияние температуры расплава цинка на изменение толщины слоя покрытия на полосе незначительно.
Для определения толщины цинкового покрытия на полосе можно использовать математические расчетные зависимости, описывающие совокупное влияние различных факторов.
Например, массу покрытия на полосе D определяют как разность между количеством цинка D1, выносимого полосой из расплава при температуре 470±20°C и количеством цинка D2, снимаемого (сдуваемого) потоком воздушных струй из сопел:
Количество цинка D1 и D2 (г/м2) определяют по формулам:
где P0 — давление воздуха в соплах; v — скорость полосы; р — плотность цинка; q — ускорение силы тяжести; η — динамическая вязкость расплава цинка; R1 и R2 — константы, учитывающие параметры полосы и сопла соответственно.
В работе толщину цинкового покрытия определяют по формуле:
При этом учитывают общее давление газа Р, действующее на участке поверхности покрытия длиной l, при скорости полосы u0 (до 3 м/с) μ вязкости расплава μ при температурах до 500°С. Общее давление определяют по формуле:
где P0 — регулируемое давление газа на выходе из сопла в пределах 0—200 кПа; δ — ширина щели сопла 0,6—1,2 мм; x — расстояние от выхода сопла до полосы (х/δ≥8); k = 4,7-5,8; μ = 3,24*10в-2 Па.
Торнтон и Граф для расчета толщины покрытия предложили следующую математическую модель:
где t — толщина покрытия; β — константа, характеризующая газодинамический масштабный параметр (1,0—2,6); α — отношение эффективной вязкости к эталонной вязкости (2,2); Z0 — расстояние от сопла до полосы (z0≥Sd); d — ширина щели сопла; μ0 — эталонная вязкость расплава (0,013 г/см*с); и — скорость движения полосы (до 1,7 м/с); γ — теплоемкость газа; P0 — нагнетаемое давление в сопле; P4 — атмосферное давление; η — производительность сопла.
Формула (94) справедлива при скорости полосы до 1.7 м/с. При больших скоростях расчетная модель становится полностью неадекватной.
Влияние основных параметров струйного регулирования на толщину цинкового покрытия h можно выразить уравнением регрессии:
где A — экспериментальная константа; U — скорость движения полосы, (0,6—1,45) м/с; P — давление воздуха в соплах, (5—11) кПа; L — расстояние от сопла до полосы, (10— 30) мм; T — температура расплава, (435—465)°C; В — ширина щели сопла, (1,5—3,5) мм.
Из уравнения (95) следует, что для снижения толщины цинкового покрытия необходимо по возможности уменьшить скорость движения полосы, расстояние от сопла до полосы и ширину щели сопел, а также увеличить давление газа и температуру расплава.
Это обстоятельство имеет важное значение для получения дифференцированного цинкового покрытия, отношение толщин которого на сторонах полосы может достигать 4,5(10 и 45 мкм) и даже 7,5 (4 и 30 мкм).
На АНГЦ НЛМК оцинкованную полосу с дифференцированным покрытием получают путем подбора оптимального расстояния между полосой и соплом, обеспечивающего получение покрытия заданной массы. Для этого с каждой стороны полосы на определенном расстоянии индивидуально устанавливают струнные сопла. При этом давление воздуха в соплах с обеих сторон полосы одинаковое. Например, для получения на лицевой (верхней) и тыльной (нижней) сторонах полосы покрытия массой 64 и 170 г/м2 при скорости движения полосы 1,4 м/с и давлении воздуха в соплах 72 кПа расстояние между полосой и соплами составляет 8 и 24 мм соответственно. С изменением скорости движения полосы изменяют и давление воздуха в соплах.
Существуют и другие способы получения оцинкованной полосы с дифференцированным цинковым покрытием, при которых положение самих сопел остается неизменным, а толщина покрытия регулируется различным давлением газа на каждой стороне при нормальной или повышенной температуре газовой струи.
Охлаждение оцинкованной полосы на вертикальном участке ее движения после выхода из ванны цинкования производится с помощью холодильника и дутьевых вентиляторов, создающих туманообразную зону из воздуха, и мелкораспыленной воды.
Окончательное охлаждение оцинкованной полосы осуществляют потоком воздуха с последующим пропусканием полосы через бак с водой. Воду с поверхности полосы отжимают с помощью неопреновых и стальных роликов.