ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ АГРЕГАТОВ ГОРЯЧИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛОСЫ С ЦИНКОВЫМ И ЦИНКСОДЕРЖАЩИМИ ПОКРЫТИЯМИ

За последние 10 лет номенклатура сталей с покрытиями претерпела значительные изменения и развитие. Это особенно характерно для сталей с горячими покрытиями. Из-за преимуществ в себестоимости горячего процесса спрос на стали с горячими покрытиями постоянно увеличивался, главным образом за счет холоднокатаных сталей. Требования к качеству покрытых сталей таких важнейших потребляющих отраслей как автомобильная промышленность, бытовая техника и строительная индустрия также высоки, как никогда. Кроме того, эти требования должны быть выполнены при минимальной разнице в цене по сравнению с холоднокатаной сталью.

Важнейшими требованиями, особенно предъ-являемыми автомобильной промышленностью, являются: высокая коррозионная стойкость; хорошая штампуемость на уровне стали- основы; бездефектная поверхность; определенная степень шероховатости как для холоднокатаной стали; тонкое покрытие с высокой равномерностью по толщине; хорошая адгезия и штампуемость покрытия, в том яисле при штамповке сложных деталей; низкая склонность покрытия к осыпанию; хорошие свариваемость и окрашиваемость.

В зависимости от специфики использования продукции, подвергнутой горячим способам покрытия, приведенные выше требования вы полняются на следующих типах сталей с цинковым и цинксодержащими покрытиями: покрытия с правильным узором кристаллизации и с минимальным узором кристаллизации; гладкое и сверхгладкое покрытие (без узора кристаллизации); тонкое/(нормальное) толстое покрытие; дифференцированное покрытие; галь- ванил с/без опорошковывания поверхности железом; гальвалюм; гальфан.

Типичные массы покрытий показаны ниже:

Разработка микролегированных сверхниз-коуглеродистых сталей (Ti—Nb IF сталей) сделала возможным получение сталей с низким пределом текучести 140—160 Н/мм2, удлинением свыше 50% и высоким значением г, необходимыми для штамповки деталей особо сложной вытяжки.

Для выполнения новых требований к продукции, в частности, для производства сталей для внешних деталей автомобилей значительные изменения в конструкции и технологии горячей гальванизации были необходимы. Первая линия такого типа в Германии была построена фирмой "MDS" для фирмы "Krupp Hoesch Stahl AG" в r.Bochum.

Особенности подобных агрегатов будут рассмотрены далее.

Характерные особенности

По сравнению с обьгагой планировкой на современных агрегатах необходимо или жела-тельно иметь следующие усовершенствования: полуавтоматическая или автоматическая сварочная машина; система очистки; вертикальный входной петленакопитель; система травления; вертикальная печь, с прямым пламенным на-гревом или с радиантными трубами; сменяемые ванны с расплавом для различных типов покрытий; улучшенные системы газовых ножей с авто-матическим контролем толщины покрытия; снижение вибрации полосы после нанесения покрытия; печь отжига покрытия с секцией выдержки; промежуточный вертикальный петленакопитель; модифицированный одно- или двухклетьевой дрессировочный стан (желательно с четырех-валковыми клетями); машина для натяжения полосы с независимым контролем натяжения; обработка поверхности . после нанесения покрытия (фосфатирование и хроматирование) с широкими возможностями нанесения тонких электролитических и/или органических слоев; вертикальный выходной петленакопитель; устройство для комплексной отделки полосы на выходе; контроль на выходе; высокоскоростные ножницы на выхэде; полностью автоматизированное управление агрегатом.

Далее приводятся характеристики узлов, упомянутых выше.

Сварочная машина

Сварочная машина должна быть автоматиче-ской или полуавтоматической. Полоса сваривается внехлестку, после сварки шов прижимается прессующим роликом по системе Сенди- зимира.

Конструкция гарантирует точное расположение шва. Толщина сварного шва до 10% от толщины полосы. Скорость сварки должна находится в пределах 1—12м/мин. В процессе сварки в полосе вырубаются отверстия для автоматического определения и отслеживания сварного шва в процессе обработки.

Секция очистки и травления

Система очистки включает ячейку струйной щелочной очистки, сушильно-моечный агрегат со* щетками, ячейку электролитической очистки, а также многократную каскадную промывку для удаления с поверхности полосы загрязнений, возникающих в процессе холодной прокатки, транспортировки и хранения полосы. Даже три нагреве полосы открытым пламенем такая система очистки является желательной для удаления с поверхности полосы мелких частиц железа, которые скапливаются на ней в процессе холодной прокатки.

Это предупреждает загрязнение роликов в печи, способствуя выполнению одного из основных требований— получения отличной поверхности полосы. Многократная каскадная промывка уменьшает расход воды и содержание остаточных загрязнителей на поверхности и одновременно снижает стоимость процесса.

Травление полосы применяют в качестве предварительной обработки IF сталей с целью удаления возможных оксидов титана с поверхности полосы перед отжигом.

Еще не доказано окончательно, однако, что количество, состав, адгезия или свойства оксидов ниобия или титана изменяются благодаря этой обработке.

В каждом отдельном случае наиболее высокое качество продукции достигается в результате сочетания параметров, характерных для данного' производства (химический состав стали, режимы горячей и холодной прокатки, печь для отжига). Вертикальный петленакопи- тель позволяет запасти достаточное количество полосы для компенсации "мертвого" времени на входной и выходной секциях. Этот метод накопления полосы позволяет избежать появления дополнительных поверхностных дефектов и в то же время хорошо вписывается в планировку цеха при вертикальном расположении печи отжига.

Вертикальная печь

Современные агрегаты для производства горячеоцинкованной полосы с высокими требо-ваниями к состоянию поверхности (особенно полосы с покрытием гальванил) обычно осна-щаются вертикальными печами, поскольку только при вертикальном расположении печи возможно получение такой поверхности, свободной от дефектов. Другим преимуществом является высокая плоскостность полосы, выходящей из вертикальной печи. Для высокопроизводительных агрегатов с максимальной скоростью до 200 м/мин вертикальное расположение печи имеет дополнительное преимущество по сравнению с горизонтальным — она относительно короче и имеет лучшие условия транспортировки полосы.

Требуемые свойства материала получают путем отжига холоднокатаного металла при температурах 700—850 °С в зависимости от качества стали. При использовании микроле- гированных сталей с ультранизким содержанием углерода (IF сталей) в качестве основы для нанесения горячих цинксодержащих покрытий на АГЦ (агрегате горячего цинкования) можно получать материал с прекрасными механическими свойствами на уровне категорий штампуемости DDQ и EODQ (ОСВ и ВОСВ), которые требуются для сложных деталей автомобилей. Методом быстрого охлаждения от температур отжига с последующим перестариванием хорошие свойства могут быть получены на нелегированных низкоуглеродистых раскисленных алюминием сталях (200—220Н/мм2).

Основными конструкционными узлами верти-кальных печей являются: секция предвари

тельного нагрева, секция нагрева, секция выдержки, секция медленного охлаждения, секция быстрого охлаждения и секция пере- старивания, которые позволяют обеспечивать очень точный и полностью автоматический контроль различных термических циклов, в том числе в случае перехода к обработке продукции другого качества, а также размеров или скорости транспортировки полосы. Существует два подхода к конструированию термических зон: нагрев радиантными трубами либо прямым пламенем. Обе системы имеют свои преимущества при производстве стали высокого качества. Благодаря меньшей длине и только одной паре роликов в зоне нагрева печь прямого нагрева отличается таким преимуществом как короткое время реагирования в случае изменения размеров полосы либо термического цикла, а также лучшим управлением движения полосы через зону нагрева. Эффект очистки поверхности полосы при исполь-зовании печи прямого нагрева достаточен для большинства требований к состоянию поверхности. Для удовлетворения требований автомобильной промышленности и других потребителей к высокому качеству поверхности тем не менее необходимо наличие секции очистки и травления перед печью, как это было описано выше.

На выходе из печи смонтирован "горячий” узел натяжения, что позволяет улучшить контроль натяжения в печи и способствует благоприятному повышению натяжения на тянущих узлах.

Ванна для нанесения покрытия

Ванны для нанесения цинкового или цинк- алюминиевого покрытия различаются между собой по конструкции. Агрегаты, сконструированные для получения сталей с несколькими различными типами покрытий, должны иметь несколько ванн. Такие линии обычно оснащены либо устройством для смены ванны, либо имеют два различных выхода из печи отжига.

В настоящее время на современных АГЦ почти исключительно используют ванны с индукционным нагревом. Современный рынок предлагает прямоугольные ванны с индукторами, крепящимися на фланцах, и круглые ванны с намоткой индукторов по окружности ванны. В соответствии с требованиями, относящимися к применению различных материалов для нанесения покрытий, обычно используют следующие схемы расположения ванны: стационарное расположение с возможностью использования подвижной ванны; центральное подвижное расположение без ванны предварительного расплавления (рис. 1). В этом случае можно работать с двумя, максимум, с тремя подвижными ваннами. Предварительное расплавление производится в ванне, которая в данный момент не используется. В круглых ваннах расплав сохраняется в горячем состоянии, когда одна из рабочих ванн опорожняется;

центральное подвижное расположение с ванной предварительного расплавления. В этом случае также можно работать с двумя, максимум, с тремя подвижными ваннами. Расплавление цинка или гальфана происходит в рабочей ванне, которая не используется в настоящий момент. Алюминий и гальвалюм расплавляют в отдельной ванне предварительного расплавления. В круглых ваннах расплав сохраняется в горячем состоянии, когда одна из рабочих ванн опорожняется; тандемное стационарное расположение без ванны предварительного расплавления. Операцию покрытия осуществляют двумя стационарными рабочими ваннами, расположенными одна за другой и работающими попеременно.

При работе с первой ванной секция печи между ваннами должна быть удалена. Круглые ванны поддерживают расплав в горячем состоянии, когда одна из рабочих ванн опорожняется; тандемное стационарное расположение при наличии ванны предварительного расплавления (рис. 2). В этом случае расплавление цинка или гальфана производится в той рабочей ванне, которая не используется в настоящий момент. Алюминий и гальвалюм расплавляют в отдельной плавильной ванне. Круглые ванны содержат расплав в горячем состоянии, когда одна из рабочих ванн опорожняется. Тандемное расположение используют в агрегатах с горизонтальными печами.

Кроме описанного здесь расположения ванн для цинкования, возможны также и другие конструкции. На практике печи как круглой, так и прямоугольной конструкции имеют свои достоинства.

Контроль массы покрытия

После прохождения полосы через ванну с расплавом на поверхности, полосы с помощью системы воздушного ножа формируется покрытие заданной толщины (рис. 3).

Использование вместо воздуха азота наряду с улучшением условий настройки обеспечивает минимальную толщину покрытия при высокой скорости движения полосы и точными допусками по толщине покрытия. Другим преимуществом использования азота является улучшение качества поверхности покрытия.

Для стабилизации полосы между ванной и воздушным ножом используют систему стабили-зирующих роликов. Обычно применяют два ста-билизирующих ролика.

На более старых заводах воздушный нож имеет ручное управление. При этом контроли-руются следующие параметры: давление воздуха; расстояние между полосой и соплом; рас-стояние между поверхностью ванны и соплом. На современных агрегатах контроль всех изменяемых параметров осуществляется в функции от заданной толщины покрытия.

Существуют различные мнения относительно расположения измерителя толщины покрытия. Его расположение непосредственно над воздушным ножом в горячей зоне (горячий измеритель) укорачивает период времени, необходимый для контроля толщины слоя.

На многих агрегатах для увеличения точности контроля установлен также дополнительный измеритель толщины покрытия в твердом состоянии.

При такой замкнутой системе контроля в первую очередь контролируют давление воздуха и, если этого недостаточно, расстояние между полосой и соплом. Расстояние между поверхностью ванны и соплом выбирают предварительно в соответствии со скоростью движения полосы и заданной толщиной покрытия. "Галъванилинд"

Прбцесс означает получение листа с Zn—Fe покрытием, являющимся стандартным для Японии на соответствующих линиях горячего цинкования, обслуживающего автомобильный рынок. В США и Европе объем производства гальванила еще относительно невелик, однако большинство новых агрегатов оснащаются печью отжига покрытия для удовлетворения возрастающего спроса на этот материал,

Стандартное Zn—Fe покрытие (обычно 160— 185 г/м2 на обе стороны) содержит 8—12% Fe во внешнем ?лое покрытия. Легирование цинка 32 железом достигается путем нагрева оцинкованной полосы до 550 °С и выдержки при этой температуре в течение определенного времени,

Печь отжига покрытия может использовать прямой нагрев пламенем от сжигаемого газового топлива либо индукционный нагрев, который производят в нескольких индукционных секциях. Возможно также сочетание этих двух типов нагрева с использованием индукционной секции для нагрева полосы и секции газопламенного нагрева либо нагрева сопротивлением для выдержки при заданной температуре. Пре-имущества индукционного нагрева перед газо-пламенным заключается в более точном контроле температуры и возможности быстрее изменять параметры нагрева. Поэтому новые агрегаты для производства гальванила оснащают индукционными печами отжига покрытия.

На нескольких японских АГЦ применяют на-несение тонкого электролитического Fe—Zn покрытия поверх гальванила для улучшения нггампуемости и окрашиваемости покрытия при электрофорезе.

Дрессировочный стан

Следующая стадия прохождения полосы через агрегат — на дрессировочном стане — требует нахождения компромисса между проти-воположными факторами. Деформация при дрес-сировке и усилие* на валках очень сильно зависят от предела текучести и требуемой шероховатости поверхности. В качестве грубого приближения можно использовать примеры:

Пример 1. Высокопрочная сталь с пределом текучести 320Н/мм2; деформация при дрессировке — 1,5 %; усилие на валках — 7000 кН при диаметре валков 450 мм; высокое натяжение полосы; хорошая плоскостность.

Пример 2. Микролегированная IF сталь с пределом текучести 140—160 Н/мм2; деформация при дрессировке— 0,5% и ниже; низкое усилие на валках— около 1100кН при диаметре валков 610 мм; определенная степень шероховатости; хорошая плоскостность.

Широкий диапазон контролируемых усилий в сочетании с профилем рабочих валков необходим для выполнения функций дрессировочного стана при обработке сталей различных категорий качества. Этого можно с успехом достигнуть при использовании рабочих валков двух различных диаметров в соответствии с видом производимой продукции. На АГЦ фирмы "Krupp Hoesch" установлен четырехвалковый дрессировочный стан, который для IF стали позволяет использовать рабочие валки диаметром 610 мм. В результате требуемая шероховатость может быть получена даже при очень маленькой деформации при дрессировке. Для высокопрочных сталей с деформацией при дрессировке выше 1,5 % с успехом используют рабочие валки диаметром 450 мм.

Большинство дрессировочных станов на АГЦ являются четырехвалковыми, поскольку в этом случае больше возможности контроля деформации при деформации и плоскостности широкой полосы. Дрессировочный стан должен быть установлен в линии АГЦ так, чтобы весь материал проходил дрессировку и была гарантирована неизменность режимов отжига и нанесения покрытия. Натяжение полосы может контролироваться независимо от других элементов конструкции с помощью натяжных роликов, установленных до и после дрессировочной клети.

Расположение дрессировочной клети в линии агрегата означает, что при перевалке валков часть полосы останется недрессированной, а вне линии приводит к другим проблемам, которые касаются стадий после получения покрытия.

Правильно-растяжная секция

В последующей правильно-растяжной секции происходит правка полосы для получения иде-альной плоскостности с помощью гибочно-растяжных операций.

В случае высокопрочной полосы со специ-фическими проблемами неоднородности прочно-сти по ширине полосы особое внимание следует уделить конструкции и расположению гибочных и натяжных элементов. Правильнорастяжная машина имеет два гибочных и два корректирующих ролика. Корректирующие ролики служат для уменьшения продольного и по-перечного изгибов, которые могут возникать при высоком уровне натяжения на гибочных роликах.

Системы гибочных и корректирующих роликов могут быстро переключаться одна за другой. Такой обмен соответствующих элементов возможен при движущейся полосе и несмотря на это происходит правка полосы по всей длине за один проход. Валки при шестивалковой конструкции устанавливаются в кассетах.

Гибочные и растяжные ролики регулируются с помощью натяжения полосы и измерения кру-тящего момента в соответствии с установленной алгоритмической моделью.

Оптимальным решением может быть установ-ка дрессировочного стана перед выходной на-копительной башней. В этом случае должен быть предусмотрен средний накопитель, отделяющий дрессировочный стан от остальных секций агрегатов, чтобы можно было увеличить время для перевалки валков. При соответствующей конструкции АГЦ такой накопитель можно сконструировать в виде башни.

Секция отделки

По сравнению с традиционной завершающей обработкой на АГЦ современные секции отделки позволяют проводить активацию, фосфати- рование и хроматирование в сочетании с нанесением органических покрытий, что значительно увеличивает число возможных комбинаций. Эти добавочные операции позволяют сэкономить деньги потребителя, поскольку они проводятся непосредственно в линии.

Дальнейшим вариантом отделочной обработки является тонкое электролитическое покрытие чистым Fe, Zn—Fe или другими элементами. Это покрытие способствует уменьшению осыпания стали при штамповке. Примером такого покрытия является: сторона А: 55г/м2 гальванил (10 % Fe); сторона В: 30 г/м2 гальванил + 3 г/м2 электролитического покрытия (90 % Fe). Такая обработка также улучшает свариваемость и окрашиваемость.

Секция отделки должна быть расположена после дрессировочного стана, но при этом в линии непрерывной обработки. Это является аргументом в пользу расположения дрессировочного стана также в линии агрегата.

Выходная секция

При требованиях к точной ширине полосы ножницы для обрезки кромок монтируются в выходной секции агрегата. Для ускорения замены ножей ножницы для обрезки кромок оснащены двумя вращающимися корпусами, каждый из которых оснащен двумя наборами циркуляционных ножей. Это' позволяет менять неработающие ножи в процессе операции. Регулирование ширины осуществляется автоматически с помощью скоростного микромотора и соединительного вала.

Ножницы для отходов, расположенные за кромкообрезными ножницами, разрезают скрап на куски равной длины, независимо от скорости полосы. Обычно этот скрап удаляют затем с помощью конвейера в короб для скрапа. Другим решением проблемы утилизации скрапа является его прессование.

Улучшенная секция контроля плоскостности полосы при снятии натяжения с осмотром верхней и нижней сторон полосы, а также электростатический промасливатель дополняют картину АГЦ современного типа.

Для порезки полосы на выходе из агрегата разработана новая конструкция изогнутых с вибрацией осциллирующих ножниц. Эти ножницы обладают особым преимуществом в том случае, когда необходимо вырезать длинные куски полосы, содержащие дефекты оцинковки.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994