» » Цинкование полосы
10.02.2017

В настоящее время в США, Западной Европе и Японии интенсивно развивается производство электролитически оцинкованного полосового проката. Разработаны и успешно эксплуатируются высокомеханизированные автоматические линии непрерывного действия. Наиболее мощные линии электролитического цинкования имеют производительность до 350 тыс. т/год, сравнимую с производительностью агрегатов непрерывного горячего цинкования. Ведущими фирмами в области изготовления оборудования автоматизированных агрегатов электролитического цинкования и их эксплуатации с выпуском высококачественной продукции являются «Син ниппон сэйтецу», «Ниппон кокан», «Кавасаки сэйтецу», «Кобэ сэйкосе» (Япония), «Юнайтед стэйтс стил» (США), «Хеш Хюттенверке» (ФРГ), «Бритиш стил» (Великобритания); «Лавеззари Импианти» (Италия). Интенсивное развитие электролитического цинкования полосы связано с актуальностью замены толстых цинковых покрытий, полученных в расплаве, более тонкими гальваническими, но близкими по защитной способности к горячецинковым. Так, в последние годы в ФРГ ежегодный расход цинка на горячее цинкование стали составляет 140—170 тыс. т, на электролитическое цинкование — около 8 тыс. т; при этом покрываемые площади металлопродукции при обоих способах примерно одинаковы. На современных агрегатах электролитического цинкования обрабатывают полосу толщиной от 0,25—0,4 мм до 2,3—3,2 мм, шириной от 500 до 1240—2220 мм. Продукцию выпускают в рулонах массой 12,5—40 т и в листах длиной 500—6100 мм.
На этих агрегатах выпускают одно- и двухсторонне оцинкованную полосу с массой покрытия от 20 до 120 г/м2 на каждую сторону. На полосу наносят чисто цинковое, цинкникелевое, цинкжелезное, цинкхромовое, цинккобальтхромовое, цинкмарганцевое покрытие или многослойные системы на основе этих покрытий. Технология нанесения таких покрытий подробно описана в предыдущем разделе. Оцинкованную полосу для повышения коррозионной стойкости дополнительно хроматируют, фосфатируют, промасливают или покрывают силикатной пленкой.
Обычно технологическая схема цинкования полосы состоит из следующих операций;
— разматывание полосы;
— сварка концов полосы;
— правка;
— щеточно-моечная химическая очистка в щелочных и обезжиривающих растворах;
— электролитическое обезжиривание;
— промывка;
— травление;
— промывка;
— электролитическое цинкование;
— щеточно-моечная промывка;
— фосфатирование;
— промывка;
— хроматирование (электролитическое):
— хроматирование (распылением);
— сушка;
— промасливание;
— сматывание оцинкованной полосы.
Во всех операциях с целью интенсификации процессов. применяют принудительную циркуляцию растворов или их распыление.
Для обезжиривания применяют высокощелочные (до 200—300 г/л NaOH) моющие растворы, обработку в которых ведут при температуре 70—85°С. В последнее время используют также слабощелочные растворы, но с добавками высокоэффективных поверхностно-активных веществ, повышающих моющую способность обезжиривающих композиций. Как правило, в состав оборудования линий входит система регенерации обезжиривающих растворов, сепарации масла, которое затем утилизируют. Обезжиривание производят, как правило, биполярным методом.
Травление полосы производят электролитическим способом в 5—10%-ном растворе серной или 10—20%-ном растворе соляной кислоты при плотности тока 10—40 А/дм2.
Для цинковання применяют высококонцентрированные кислые, сульфатные, хлоридные и сульфатно-хлоридные электролиты, составы которых приведены в табл. 54.
Конструкции ванн цинкования полосы можно разделить на горизонтальные, радиальные и вертикальные. В горизонтальных ваннах используют растворимые и нерастворимые аноды, в радиальных и вертикальных — растворимые цинковые. Наибольшее распространение в практике электролитического цинкования полосы получили агрегаты горизонтального типа (рис. 169, 170). На рис. 171, 172 приведены конструкции ванн электролитического цинкования горизонтального типа с использованием растворимого (рис. 171) и нерастворимого (рис. 172) анодов.
В ванне конструкции фирмы «Кобэ сэйкосе» электролит подают через сопла сбоку в зазор между полосой и цинковыми анодами в направлении, противоположном движению полосы. Цинковые аноды укладывают на проводящие шины, поддерживаемые специальными фиброидными блоками. Этот же материал используют для изоляции шин. Аноды располагают сверху и снизу полосы, наклонно по отношению к ней. Аналогичную конструкцию имеют ванны цинкования на агрегате фирмы «Лавеззари Импианти».
Цинкование полосы
Цинкование полосы

Фирмой «Сип ниппон сэйтецу» построены и эксплуатируются агрегаты цинкования со струйными ваннами (рис. 172, а) с нерастворимыми анодами. Применение ванн такой конструкции позволило значительно уменьшить величину зазора между полосой и анодами, за счет чего значительно увеличена рабочая плотность тока (до 100 А/дм2), снижен расход электроэнергии (рис. 173). К технологическим преимуществам такой схемы можно также отнести более простую технологию смены анодов, отсутствие в электролите шлама, образующегося при их растворении, за счет чего улучшается качество цинкового покрытия.
Цинкование полосы

Струйная ванна такой конструкции представляет собой коробчатую конструкцию с нерастворимыми анодами, расположенными у верхней и нижней стенок. На поверхности каждого анода укреплены изолирующие сепараторы, которые предотвращают контакт полосы с анодами (рис. 174). Электролит перекачивается насосом из циркуляционной емкости и подается в ванну цинкования справа в зазор между полосой и анодами в направлении, противоположном движению полосы. У левого торца ванны электролит сливается в коллектор и снова направляется в циркуляционную систему. Входная и выходная щели ванны снабжены уплотнителями, которые препятствуют попаданию в рабочий объем ванны воздуха. Принудительная подача электролита ведется для предупреждения задержки на поверхности полосы пузырьков кислорода и водорода, образующихся в результате электролиза, и обеспечения более высокой скорости электроосаждения покрытия. По данным фирмы «Сип ниппон сэйтецу» для гарантированного удаления газов из рабочей зоны электролизера необходимо обеспечить скорость потока электролита в межэлектродном пространстве не менее 15 м/мин (рис. 175).
Цинкование полосы

Для предотвращения увеличения толщины слоя покрытия на кромках полосы в конструкции ванны применены специальные защитные маски (рис. 176), которые расположены у обеих кромок полосы, и их длина соответствует длине анода. Ширина экранируемой поверхности у торца полосы регулируется автоматически, таким образом, чтобы масса покрытия на кромке была приблизительно равна массе покрытия на остальной поверхности полосы. Зависимость относительного изменения массы покрытия у кромок полосы от экранируемой ширины кромки приведена на рис. 177.
Цинкование полосы

Для непрерывной автоматической корректировки электролита фирмой «Сии ниппон сэйтецу» разработаны специальные установки, схемы которых приведены на рис. 178 и 179. Причем используемый для корректировки цинк может иметь относительно низкую чистоту, что позволило значительно снизить себестоимость цинкования. Например, для этих целей могут использоваться отходы, образующиеся при горячем цинковании полос и труб.
Принцип работы установки для регулирования концентрации цинка в электролите (рис. 178) заключается в следующем. Насос 2 включается по сигналу плотномера или рН-метра 8 и перекачивает приготовленный концентрированный электролит из резервуара-хранилища 5 в циркуляционный бак 1. Когда величина pH электролита достигает верхнего предела, открывается вентиль 10 для подпитки серной кислотой и pH электролита понижается. Если уровень электролита падает ниже заданного по сигналу уровнемера 6, установленного в резервуаре-хранилище 5, насос 9 перекачивает электролит из циркуляционного бака в резервуар 5 через бак растворения цинка 4. Растворение цинка происходит в растворе серной кислоты при температуре 50—80 °С. Контроль концентрации ионов цинка и кислотности электролита производят по показаниям плотномера, рН-метра, а также путем измерения электропроводности раствора. На линиях цинкования полосы автоматизированы также операции контроля емых электролитов и растворов. Контроль содержания едкого натрия, силиката натрия в обезжиривающих растворах, серной кислоты в ваннах травления проводят путем измерения электропроводности раствора, которая пропорциональна их концентрации. Автоматически контролируют также составы хроматирующих и фосфатирующих растворов.
Цинкование полосы
Цинкование полосы

Новым шагом в развитии технологии электролитического цинкования полосы стала разработка фирмой «Син ниппон сэйтэцу» ванны с подачей электролита по центру анодов (рис. 172,б), а затем ванны с «жидкостной подушкой» (рис. 172, а). Применение ванн этих конструкций позволило значительно повысить экономичность и производительность процесса цинкования.
Цинкование полосы

В ваннах с подводом электролита по центру анодов и с «жидкостной подушкой» длина анодов уменьшена в 2 раза. За счет этого оптимизирован массоперенос цинковых ионов к поверхности покрываемой полосы и уменьшено падение напряжения в электролите в результате уменьшения межэлектродного расстояния и более эффективного удаления пузырьков кислорода и водорода из межэлектродного пространства. Потребляемая мощность при одинаковой плотности тока в ванне с подводом электролита по центру анодов снизилась на 70 % по сравнению со струйной ванной.
Наиболее совершенной в настоящее время является ванна электролитического цинкования с «жидкостной подушкой», разработанная фирмой «Син ниппон сэйтецу» (рис. 172, в). Конструкция этой ванны представляет собой усовершенствованный вариант с подачей электролита в середине электролизера (рис, 172, б). Необходимость в усовершенствовании этой ванны возникла в связи с тем, что при подводе электролита с середины ванны под действием динамического давления в результате недостаточного поддерживающего натяжения полосы на ее верхней поверхности скапливается избыточное количество электролита. В результате этого полоса провисает, что приводит к уменьшению расстояния между полосой и нижним анодом. Соответственно уменьшается объем электролита в нижнем межэлектродном пространстве. Поскольку обеспечить равномерное натяжение по ширине полосы практически невозможно, нельзя уменьшить межэлектродное расстояние до оптимальной величины (10 мм) Кроме того, в такой ванне в межэлектродном пространстве создаются застойные зоны, в которых скапливается избыточное количество пузырьков газов (кислорода и водорода), образующихся в процессе электролиза. Это связано с тем, что у поверхности полосы в зоне потока против направления движения полосы вектор скорости потока электролита обращен в сторону, противоположную направлению общего потока. Образующиеся газы всплывают в электролите и скапливаются на нижней поверхности полосы, что также ограничивает возможности уменьшения межэлектродного расстояния между полосой и нижним анодом.
Цинкование полосы

Конструкция ванны с «жидкостной подушкой» устраняет провисание и кручение полосы, обеспечивает равномерное распределение электролита в зонах потока по направлению движения полосы и против него, при этом газы эффективно удаляются из приэлектродного пространства. В конструкции этой ванны (рис. 172, в) у центральных отверстий подвода электролита установлены сопла статического давления, называемые «подушкой», для защиты полосы от провисания и кручения. На входе и выходе из ванны предусмотрены уплотнительные сопла, при помощи которых регулируется расход уплотнительной жидкости для повышения равномерности распределения электролита во входной и выходной зонах. Как видно из рис. 180, по сравнению с ванной без установки сопел статического давления в новой ванне провисание полосы уменьшено на 5 мм, что позволило довести величину зазора между полосой и электродами до 10 мм при одновременном увеличении рабочей плотности тока (рис. 181).
Равномерное распределение электролита в обе зоны ванны позволило более эффективно удалять из зоны реакции выделяющиеся газы, а также интенсифицировать и равномерно распределить массоперенос ионов цинка ко всей поверхности полосы. В результате при одинаковой плотности тока снижен расход электроэнергии более чем на 20 % по сравнению с ванной с подводом электролита с середины анода. Кроме того, уменьшение провисания полосы и более равномерное распределение интенсивности потока электролитa к ее поверхности уменьшило неравномерность покрытия и улучшило качество продукции.
Цинкование полосы

В 1977 г. фирмой «Юнайтед стейтс стил» (США) введен в эксплуатацию агрегат одностороннего электролитического цинкования стальной полосы (процесс «Каросел», рис. 182) с ячейкой радиального типа, представленной на рис. 183. На этом агрегате покрываемая полоса проходит вокруг покрытых резиной металлических проводящих роликов диаметром до 2 которые вращаются в кислом электролите цинкования. Плотное прилегание полосы к гуммированной части роликов изолирует обратную стороны полосы от контакта с электролитом, что предотвращает осаждение на ней цинкового покрытия.
Цинковые пластинчатые аноды изогнуты по окружности и отстоят от поверхности полосы на расстоянии 50 мм. Электролит подают снизу вверх в зазоры между полосой и анодами. Движение анодов по штангам регулируется с помощью ЭВМ. Рабочая плотность тока 80 А/дм2.
Фирмой «Син ниппон сэйтецу» разработан полупромышленный агрегат, в котором электролит на полосу подается через сопла, вмонтированные в тело нерастворимого электрода (рис. 184). Величина межэлектродного зазора регулируется, а высокое давление электролита предотвращает контакт полосы с электродом. Это позволило еще больше уменьшить величину межэлектродного зазора (до 5 мм) и снизить напряжение на электролизере до 13 В при плотности тока 150 А/дм2.
Цинкование полосы

При производстве односторонне оцинкованной полосы, особенно с большой толщиной покрытия, возникают проблемы, связанные с попаданием цинка на непокрываемую сторону полосы, ее окислением, загрязнением травильным шламом, дендритообразным ростом цинкового покрытия на кромках. Попадание цинка на непокрываемую сторону полосы ухудшает ее окрашиваемость, вызывает хлопьеобразование при штамповке, которое приводит к появлению сыпи на окрашенной поверхности. Для уменьшения попадания цинка на обратную сторону полосы над ней поддерживают минимальный уровень электролита.
Для предотвращения окисления непокрываемую поверхность полосы смачивают электролитом между ваннами. Для предупреждения образования на ней шлама pH электролита поддерживают не ниже 3, температуру — не выше 50—60°С. Ho наиболее эффективным методом является нанесение на непокрываемую сторону полосы в первой ванне цинкования очень тонкого слоя цинка, который в последующих ваннах постепенно химически растворяется. Остаточное количество цинка на верхней стороне полосы после цинкования составляет менее 10 мг/м2, поверхность приобретает металлический блеск и очень хорошо фосфатируется. Образующиеся обычно при толстослойном цинковании дендритообразные осадки на кромках полосы, как правило, удаляют механически.
При длительном одностороннем цинковании полосы из-за растворения стальной поверхности в электролите накапливаются ионы железа, что приводит к образованию гидроокиси трехвалентного железа, выпадающей на поверхность оцинкованной полосы. Ионы обычно удаляют с помощью хелатной смолы, а Fe2+ переводят в Fe3+ окислением по схеме, приведенной на рис. 185.
Цинкование полосы