УДК 669.58.6
ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕОЦИНКОВАННЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
© Парамонов Андрей Владимирович; Адамов Александр Сергеевич; Чернецов Василий Юрьевич
ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. E-mail: paramonov_2002@mail.ru
Статья поступила 05.07.2010 г.
Освещены состояние рынка горячего цинкования металлоконструкций, прогноз его развития в РФ, а также состояние рынка цинкования в Европе. Проведен анализ путей повышения эффективности производства и проблем цинкования сталей с содержанием кремния более 0,25%. Рассмотрены направления исследований, связанных с проблемой цинкования кремнистых сталей.
Ключевые слова: рынок цинкования; горячее цинкование; расплав цинка; цинковое покрытие; металлоконструкция; кремнистая сталь; эффективность производства; проблемы цинкования; неблагоприятное влияние; микроструктура; фаза; дефект покрытия; адгезия; смачиваемость; легирование.
В ряду напряжений потенциал цинка находится в области более электроотрицательных значений, чем потенциал железа и других конструкционных металлов, благодаря чему цинковые покрытия получили большое распространение. Образуя с основным металлом гальваническую пару, цинк защищает металл не только механически, но и электрохимически. От 40 до 50% мирового потребления цинка используется для производства оцинкованной стали, причем приблизительно 1/3 - для горячего цинкования готовых изделий и 2/3 - для цинкования полосы и проволоки [1]. По данным IZA (Международная цинковая ассоциация), в Европе в настоящее время выровнялись объемы цинка, используемого для покрытия металлоконструкций и листовой стали.
ILZSG (Международная группа по изучению свинца и цинка) отмечает, что за кризисный 2009 г. потребление цинка в Европе снизилось до уровня 2005 г. В России, по оценкам директора Центра по развитию цинка В.Полькина, потребление цинка в минувшем году также существенно сократилось. В значительной мере это обусловлено структурой спроса, где более 60% потребления цинка приходится на строительный комплекс, а 20% - на автомобильную промышленность, испытывавшие наибольшие трудности. При этом в России рынок потребления цинка в 2010 г. может снова вырасти благодаря увеличению количества предприятий по горячему цинкованию металлоконструкций [1]. Прогнозируемый рост связан с тем, что рынок горячего цинкования металлоконструкций в России недостаточно развит. Для сравнения, в Германии функционируют около 180 таких линий, тогда как у нас - не более 40. Естественно, столь небольшое количество участников не может удовлетворить растущие потребности заказчиков [2]. Поэтому даже в кри-о зисные 2008 г. и 2009 г. продолжали реализовываться ° проекты по созданию или реконструкции линий горя-,1 чего цинкования металлоконструкций, а действующие s производства были обеспечены полной загрузкой.
Согласно данным IZA, использование оцинкован-| ных металлоконструкций по сравнению с окрашенны-< ми в перспективе оказывается выгоднее более чем в 1,5 s раза. В связи с этим в России все большее количество
производимых конструкций оцинковывается. Этот процесс может осуществляться как на заводе - производителе изделия, так и у стороннего поставщика подобной услуги. Поэтому в России наблюдается большой интерес к горячему цинкованию как со стороны производителей металлоконструкций, желающих расширить список своих возможностей, так и со стороны промышленников, желающих оказывать услуги по горячему цинкованию металлоконструкций - коммерческое цинкование.
Для оцинкования 1 т металлоконструкций требуется в среднем 60 кг цинка. По нашим подсчетам, в современных условиях из всего перечня переменных издержек расходы на цинк наиболее значительны, при горячем цинковании на них приходится до 70% себестоимости продукции. В связи с этим на всех линиях горячего цинкования стремятся снизить расход цинка как наиболее значимой статьи расходов.
Расход цинка зависит от площади металлоконструкции и от толщины цинкового покрытия, и если площадь металлоконструкции является неизменной величиной, то толщина цинкового покрытия согласно ГОСТ 9.307-89 может изменяться от 40 до 200 мкм [3].
Образование цинкового покрытия связано с такими процессами, как смачивание и растекание, которые сопровождаются ростом интерметаллических слоев в результате взаимной диффузии расплава цинка и стали металлоконструкции. Эти процессы находятся в непосредственной зависимости от основных параметров производства: температуры и химического состава расплава, времени выдержки металлоконструкции в расплаве, химического состава оцинковываемой стали. Учитывая влияние перечисленных параметров, производители могут снизить расход цинка путем оптимизации толщины покрытия и тем самым значительно повысить эффективность производства.
Одним из основных параметров процесса горячего цинкования, оказывающих влияние на толщину цинкового покрытия, является химический состав стали. Изначально процесс горячего цинкования был ориентирован на стали с низким (менее 0,05%) содержанием кремния. Однако в последнее время российские сталелитейщики активно переходят на непрерывную раз-
Рис. 1. Пример бракованных покрытий при цинковании кремнистых сталей:
а — нарушение сплошности; б — неравномерность покрытия; в — наплывы
ливку конструкционных сталей, в связи с чем на рынке в общем объеме проката значительно повысилась доля сталей, раскисленных кремнием. Поэтому на линии горячего цинкования все чаще стали поставлять металлоконструкции из сталей с содержанием кремния до 0,8-1% (стали 08Г2С, 09Г2С, 10ХГСН1Д, 10ХСНД и др.), что привело к увеличению брака, связанного с нарушением сплошности, разнотолщинностью, повышенной толщиной цинкового покрытия, его плохой адгезией к основному металлу конструкции и хрупкостью цинкового покрытия (рис. 1).
Согласно [4], причиной такого отрицательного влияния кремния на процесс горячего цинкования является значительное снижение смачиваемости поверхности металлоконструкции. При этом с увеличением содержания кремния в стали повышается ее реакционная способность. На рис. 2 представлена зависимость потери массы образца с единицы поверхности от концентрации кремния в стали и времени выдержки в расплаве цинка. Таким образом, содержание кремния влияет на толщину, равномерность, природу, строение и взаимное расположение фаз в покрытии.
Ухудшение смачиваемости сталей, содержащих кремний, а также алюминий, хром или титан, связано с тем, что эти металлы концентрируются на поверхности стали по границам зерен и в самих зернах. Так, в стали с содержанием 0,027% кремния его концентрация в поверхностных слоях повышается до 0,06%.
160
а
о о
3 120
■И
X 1
\
Рис. 2. Потери массы образца от содержания кремния в стали при выдержках, с:
1 - 5; 2 - 30; 3 - 60; 4 - 120; 5 - 180; 6 - 300 [4]
Таким образом, после удаления оксидов основного металла на очищенной поверхности металлоконструкции могут образовываться пленки стабильных оксидов ^Ю2, А1203, Сг203 или ТЮ2), которые имеют непосредственное отношение к ухудшению смачиваемости и адгезионных свойств покрытия [5].
Анализ цинкового покрытия на сталях с повышенным содержанием кремния показывает, что до 80% толщины покрытия приходится на (-фазу - FeZn13 (рис. 3), которая образуется первой и в последующем подавляет рост Г-фазы ^е^п21 или Fe5Zn21) и 5-фазы (FeZn7 или FeZn1o); (-фаза имеет выраженную столбчатую структуру и характеризуется хрупкостью и плохой адгезией к основе [5].
Цинковое покрытие, представленное на рис. 3, можно условно разделить на два слоя - внешний и внутренний. Внешний слой состоит из п-фазы (твердый раствор Fe в Zn) и (-фазы, характеризующейся повышенными толщиной и хрупкостью; внутренний
1,0 2,0 3,0 4,0 Содержание Si в стали, %
Рис. 3. Микроструктура цинкового покрытия стали = 0,31^0,32%), при времени выдержки образца в расплаве Zn 9 мин; толщина покрытия 240 мкм, в том числе 6-фазы 32 мкм (после травления 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты)
240
200
80
40
слой представлен фазами 5 и Г. При этом сцепление основного металла с покрытием сплошное и без дефектов, отслоения происходят по границе раздела и 5-фаз.
Согласно литературным данным, для подавления неблагоприятного влияния кремния на толщину и качество цинкового покрытия рекомендуется применять добавки алюминия и никеля в расплав цинка. Влияние алюминия на процесс цинкования достаточно полно изучено. В литературных источниках дано описание процессов, протекающих при взаимодействии стали и цинкового расплава, легированного алюминием, представлены различные зависимости параметров процесса цинкования при различных концентрациях алюминия в расплаве. Рекомендуемая концентрация алюминия в расплаве цинка для процесса горячего цинкования металлоконструкций - не более 0,02%. Считается, что в момент погружения стального компонента в расплав цинка, легированного алюминием, на поверхности их взаимодействия образуется тонкая пленка в виде соединений Fe2Al5 и FeAl3, затрудняющая диффузию железа в цинк. Это приводит к уменьшению толщины железоцинкового слоя и преобладанию в покрытии пластичной п-фазы, при этом повышаются пластичность и адгезия покрытия. Однако действие такой пленки достаточно кратковременно, порядка 30 с, после чего происходит разрушение этого барьера, и ингибирующее действие алюминия прекращается. Время, в течение которого сохраняется защитное действие пленки FeAl3, получило название «инкубационный период» [6]. Поэтому при цинковании массивных металлоконструкций, время нахождения которых в расплаве может достигать 10 мин, эффект от введения алюминия в расплав оказывается незначительным. Так, при выдержке стали с содержанием кремния 1,4% в расплаве цинка, легированного алюминием, более 30 с образуется пористое и неровное покрытие [5].
За последние десятилетия применение никеля в горячем цинковании получило большое распространение как метод улучшения внешнего вида цинкового покрытия и снижения расхода цинка. Отмечается, что при цинковании в расплаве, легированном никелем,
покрытия получаются более гладкими и блестящими, расход цинка снижается на 5-15% [7]. В литературе м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.