СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЦИНКОВОГО ПОКРЫТИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF ZINC COATING AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к антикоррозионной обработке металлических изделий, в частности к нанесению цинкового покрытия на изделия из ферромагнитных материалов путем термодиффузионного цинкования, и могут быть использованы в любой отрасли машиностроения и в других отраслях промышленности.
Известен способ нанесения цинкового покрытия путем термодиффузионного цинкования, включающий загрузку изделия или партии изделий в реторту поворотной электрической печи, засыпку насыщающей смеси, содержащей 100% цинка, нагрев до температуры цинкования и выдержку при этой температуре (см. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. - М., 1965, с.248-250).
Недостатком известного способа является высокая стоимость покрытия, а также необходимость предварительной очистки поверхности изделий от ржавчины, масляных пятен и других загрязнений, без чего невозможно обеспечение качественного покрытия.
2
Наиболее близкими аналогами предлагаемых изобретений являются известные способ нанесения цинкового покрытия и установка для его осуществления, описанные в патенте РФ №2174159, кл. С23С 10/36, 27.09.2001. По указанному способу нанесения цинкового покрытия путем термодиффузионного цинкования производят загрузку изделий в реторту поворотной электрической печи, засыпку насыщающей смеси, содержащей 80-90% цинка, причем для формирования цинкового покрытия толщиной 1 мкм засыпная масса насыщающей смеси составляет 7,8-8,2 г на 1 м, герметизацию реторты, нагрев ее до заданной температуры, выдержку при этой температуре, непрерывный сброс избыточного давления в реторте в течение всего времени процесса цинкования, выгрузку изделий из реторты, их мойку и пассивацию.
Известная установка для нанесения цинкового покрытия содержит поворотную электрическую печь, смонтированную на поворотной балке, размещенную в электропечи реторту с приводом вращения и установленную со стороны загрузочного отверстия шлюзовую камеру, заполненную насыщающей смесью и оснащенную дренажным патрубком, имеющим соотношение внутреннего диаметра к длине не менее 1:20.
К недостаткам известного способа относится его низкая эффективность, связанная с большой продолжительностью цикла цинкования каждой партии деталей, со значительным расходованием цинка и с непроизводительными затратами времени и электроэнергии на повторный нагрев корпуса печи и реторты перед каждым циклом процесса цинкования, а также невозможность обеспечения качества покрытий, толщина которых превышает 100 мкм.
Недостатками известной установки являются ее низкая производительность, массивность конструкции и сложность в эксплуатации, обуславливающие большие затраты времени и электроэнергии на проведение операций при загрузке и выгрузке изделий, а также недостаточно широкая номенклатура цинкуемых изделий из-за отсутствия возможности нанесения равномерного покрытия на длинномерные изделия.
Технический результат предлагаемых изобретений состоит в устранении указанных недостатков, а также в создании возможности получения высококачественного покрытия металлических изделий в расширенном диапазоне толщин наносимых покрытий за счет интенсификации процесса термодиффузионного цинкования.
Для этого в известном способе нанесения цинкового покрытия, включающем загрузку партии изделий в реторту электрической нагревательной установки, засыпку цинксодержащей насыщающей смеси, герметизацию реторты, нагрев ее до заданной температуры, выдержку реторты в нагревательной установке в течение периода времени, необходимого для образования требуемой толщины покрытия, непрерывный сброс избыточного давления в реторте на протяжении всего процесса цинкования и выгрузку изделий из реторты, согласно изобретению засыпку насыщающей смеси в реторту осуществляют в количестве 8-16% от массы цинкуемых изделий при следующем содержании компонентов в % (мас.): порошка цинка - 20-25 и глинозема - 75-80. Смесь равномерно распределяют по всей длине реторты. В качестве нагревательной установки используют электромагнитный индуктор. Процесс цинкования проводят в реторте, вращающейся внутри индуктора, обеспечивая нагрев вихревыми токами корпуса реторты до температуры 300-400°С, а изделий - до температуры 768-910°С. После достижения требуемых значений температуры проводят выдержку реторты в индукторе. При этом осуществляют от одного до восьми колебаний температуры изделий в зоне температуры магнитных превращений материала, приводящих к магнитострикционным эффектам, путем попеременного охлаждения и нагрева корпуса реторты до указанной температуры за счет чередования отключения и включения индуктора. Затем извлекают реторту из индуктора и, помещая на освободившееся место сменную реторту, начинают цикл цинкования следующей партии изделий. Одновременно с этим нагретую реторту подвергают принудительному охлаждению хладагентом до температуры, не превышающей 250°С, при ее вращении на технологическом столе, после чего из нее выгружают оцинкованные металлические изделия и производят сбор остатка насыщающей смеси.
Остаток насыщающей смеси собирают с поверхности оцинкованных изделий и/или из полости реторты и восстанавливают исходный состав насыщающей смеси для использования в последующих циклах цинкования добавлением в него порошка цинка в количестве, израсходованном на формирование покрытия,
При нанесении цинкового покрытия на партию длинномерных металлических изделий засыпку насыщающей смеси и ее равномерное распределение по всей длине реторты осуществляют порциями, чередуя их каждый раз с загрузкой части партии металлических изделий, составляющей не более половины всей загружаемой партии.
В известной установке для нанесения цинкового покрытия, содержащей электрическую нагревательную установку с размещенной в ней ретортой, снабженной приводом вращения, герметичной крышкой и закрепленным на ней дренажным патрубком, устройство засыпки и распределения насыщающей смеси в реторте, а также механизм выгрузки оцинкованных изделий, согласно изобретению электрическая нагревательная установка выполнена в виде электромагнитного индуктора, внутри которого реторта размещена горизонтально. Индуктор состоит из по меньшей мере трехсекционной катушки, каждая из секций которой через соответствующий тиристорный блок запитана от отдельной фазы сети переменного тока промышленной или иной частоты. Индуктор оснащен механизмом продольного перемещения в нем реторты, выполненным в виде роликов, установленных на его входе и в конце индуктора, а также между секциями катушки. На входе индуктора перед первой секцией катушки установлена роликоопора с возможностью ее перемещения в вертикальной плоскости и обеспечения вращения реторты внутри индуктора. Между секциями катушки установлены датчики температуры отдельных участков корпуса реторты, подключенные через соответствующие регуляторы температуры, вырабатывающие сигналы управления тиристорными блоками на включение и отключение цепей питания секций катушки индуктора. Устройство засыпки и распределения насыщающей смеси в реторте выполнено в виде установленного на передвижном штативе бункера со шнековым питателем, заключенным в трубе, длина которой превышает длину реторты. Установка для нанесения цинкового покрытия снабжена по крайней мере двумя технологическими столами, каждый из которых установлен на транспортной тележке и оснащен приводом вращения реторты, механизмом перемещения реторты вдоль технологического стола и устройством охлаждения реторты.
Установка снабжена также аспирационной системой сбора остатка насыщающей смеси из реторты и/или с поверхности оцинкованных изделий, снабженной осадителем частиц в мерную емкость.
Применение для термодиффузионного цинкования индукционного способа нагрева с использованием токов промышленной частоты позволяет создать в полости реторты значительный температурный градиент с его убыванием вглубь насыщающей смеси, содержащей глинозем. Изделия из ферромагнитного материала, помещенные в магнитное поле индуктора, под действием возникающих в них вихревых токов нагреваются до температур магнитных превращений сплавов железо-углерод, которые значительно превышают температуры, характеризующие известные способы термодиффузионного цинкования. В зоне контакта цинка с поверхностью изделий цинк плавится. Возникающие в металле под действием переменного электромагнитного поля и высокой температуры нагрева колебания размеров кристаллических решеток и искажения их формы вызывают увеличение глубины проникновения цинка во внутреннюю структуру металла, чему способствует также происходящее в структуре сплава зарождение зерен аустенита. В результате достигается повышение гомогенизации структуры цинкового слоя. Благодаря этому предлагаемые способ и установка для его осуществления позволяют значительно сократить время цинкования металлоизделий, сократить расход цинкового порошка за счет уменьшения степени выгорания цинка, сократить расход электроэнергии за счет уменьшения длительности производственного цикла цинкования, значительно повысить качество наносимого покрытия при получении требуемой его толщины за счет управления процессом цинкования, расширить номенклатуру цинкуемых изделий за счет осуществления возможности цинкования длинномерных металлоизделий, а также сохранить геометрию, профиль и размеры резьбы и отверстий при цинковании мелких изделий. Наличие сменного оборудования в предлагаемой установке обеспечивает непрерывность производственного процесса цинкования металлических изделий и сокращает время повторного нагрева установки для каждого следующего цикла.
Заявляемые технические решения обладают новизной и изобретательским уровнем, так как при проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации заявителем не выявлены технические решения, аналогичные предлагаемым изобретениям.
Заявляемые способ нанесения цинкового покрытия и установка для его осуществления применимы в машиностроении и других отраслях промышленности, обеспечиваются несложными и надежными в работе оборудованием и средствами управления, не требующими больших материальных затрат. Следовательно, заявляемые технические решения соответствуют критерию «промышленная применимость».
Сущность заявляемых технических решений поясняется чертежами;
На фиг.1 представлен план технологической линии, на которой реализуется предлагаемый способ нанесения цинкового покрытия. На фиг.2 индуктор изображен в процессе размещения в нем реторты, а на фиг 3 - в рабочем состоянии, т.е. в процессе цинкования изделий. На фиг.4 представлена функциональная схема управления процессом термодиффузионного цинкования металлоизделий. На фиг.5 изображена реторта в процессе засыпки в нее насыщающей смеси. На фиг.6 показана реторта, расположенная на технологическом столе в процессе охлаждения изделий.
Для реализации предлагаемого способа нанесения цинкового покрытия в технологической линии предусмотрены: участок входного контроля металлических изделий, поступающих на цинкование (на чертеже не показан), установка для нанесения цинкового покрытия, содержащая нагревательную установку, выполненную в виде индуктора 1, заключенного в корпус 2, изготовленный из легкого материала, например, оцинкованного железа, и снабженного приводом 3 вращения реторты и роликоопорой 4, три реторты 5, расположенные на технологических столах 6, снабженных устройствами 7 охлаждения реторты, механизм 8 выгрузки оцинкованных изделий из реторты, устройство 9 засыпки и распределения насыщающей смеси в реторте, аспирационная система 10 сбора остатка насыщающей смеси, щит управления 11, а также участки для мойки и пассивации оцинкованных изделий (на чертеже не показаны).
Индуктор 1 представляет собой трехсекционную катушку, состоящую из секций 12, 13, 14. В нижней части индуктора 1 между секциями 12, 13, 14 катушки, а также в начале и в конце индуктора 1 установлены ролики 15 механизма продольного перемещения реторты 5 внутри индуктора 1. В верхней части индуктора 1 между секциями 12, 13, 14 катушки индуктора 1 установлены датчики 16, 17, 18 температуры, каждый из которых связан через один из регуляторов 19, 20, 21 температуры отдельных участков корпуса реторты 5, снабженных задатчиками 22, 23, 24, с управляющим входом соответствующего тиристорного блока 25, 26, 27. Выход каждого тиристорного блока 25, 26, 27 соединен с началом обмотки соответствующей секции 12, 13, 14 катушки. В эту же цепь включен один из измерителей тока 28, 29, 30. Питающий вход каждого тиристорного блока 25, 26, 27 соединен с соответствующей фазой сети переменного тока через коммутирующее устройство 31. Кроме того, к выходу регулятора 20 температуры среднего участка корпуса реторты подключен снабженный задатчиком 32 счетчик 33 числа отключений питания от индуктора. Выход счетчика 33 связан с управляющим входом коммутирующего устройства 31. Концы обмоток секций 12, 13, 14 соединены с нейтралью N (нулевым проводом трехфазной сети переменного тока). Реторта 5 представляет собой цилиндр, выполненный из нержавеющей стали, имеющий длину, превышающую его диаметр более чем в 10 раз. Реторта 5 снабжена герметичной крышкой 34, в центре которой укреплен дренажный патрубок 35. В рабочем положении реторта 5 размещена внутри индуктора 1 и при помощи пальцев 36 соединена с водилом 37 привода 3 вращения реторты, а другим концом посредством реборды 38 опирается на роликоопору 4. Технологический стол 6 установлен на транспортной тележке 39 и оснащен укрепленными на нем барабанами 40, связанными с приводом 41 вращения реторты на технологическом столе, а также подъемными роликами 42 механизма перемещения реторты вдоль технологического стола. Устройство 9 засыпки и распределения насыщающей смеси в реторте выполнено в виде установленного на передвижном штативе 43 бункера 44 со шнековым питателем 45, заключенным в трубе 46, длина которой превышает длину реторты 5.
Аспирационная система 10 сбора остатка насыщающей смеси из реторты и/или с поверхности оцинкованных изделий, например, промышленный пылесос, снабжена осадителем частиц в мерную емкость (на чертеже не показаны).
Реализация способа нанесения цинкового покрытия происходит на технологической линии с использованием установки для его осуществления.
Процесс термодиффузионного цинкования металлических изделий ведется в следующей последовательности:
- на участке входного контроля производят отбор изделий, пригодных к цинкованию;
- в выбранную для проведения очередного цикла цинкования реторту, размещенную на одном из технологических столов, загружают партию подлежащих цинкованию изделий, засыпают необходимое количество цинксодержащей насыщающей смеси в требуемом соотношении компонентов, равномерно распределяя ее по всей длине реторты, закрывают крышку реторты и размещают загруженную реторту внутри индуктора;
- проводят процесс термодиффузионного цинкования в индукторе, обеспечивая нагрев корпуса реторты до заданной температуры, а затем, попеременно охлаждая и нагревая корпус реторты до достижения требуемой толщины покрытия, осуществляя непрерывный сброс избыточного давления в реторте, производят выгрузку реторты из индуктора на технологический стол и ее принудительное охлаждение;
- выгружают изделия из реторты;
- производят мойку и пассивацию оцинкованных изделий и контроль качества покрытия.
Ниже приведено более подробное описание способа нанесения цинкового покрытия с использованием установки для его осуществления.
Входной контроль изделий допускает наличие на них ржавчины, отдельных пятен масел и т.п. В исходном состоянии реторта 5 расположена на технологическом столе 6, опираясь на подъемные ролики 42 механизма продольного перемещения реторты. Для проведения цикла цинкования приготавливают порцию насыщающей смеси в количестве 8-16% от массы цинкуемых изделий, содержащей 20-25% порошка цинка и 75-80% глинозема. Экспериментальным путем установлено, что для формирования толщины покрытия 15-30 мкм навески насыщающей смеси составляют 8-10% от массы изделий, а для толщины покрытия, приближающейся к 300 мкм, - 15-16%. Выбранное количество насыщающей смеси засыпают в бункер 44 устройства 9 засыпки и распределения насыщающей смеси в реторте, транспортируют на штативе 43 и, позиционируя его, вдвигают трубу 45 с заключенным в ней шнековым питателем 45 в полость реторты 5 вплоть до ее конца, добиваясь равномерного распределения насыщающей смеси. При небольших партиях металлоизделий засыпку осуществляют в один прием. При цинковании больших партий длинномерных изделий их загрузку и засыпку насыщающей смеси осуществляют послойно порциями, составляющими не более половины требуемого количества. Технологический стол 6 с помощью транспортной тележки 39 располагают напротив горловины индуктора 1, закрывают реторту 5 герметичной крышкой 34 и с помощью подъемных роликов 42 и роликов 15 перемещают вдоль технологического стола 6 и вдоль индуктора 1, размещая ее в рабочем положении внутри индуктора 1. Затем включают привод 3 вращения реторты и коммутирующее устройство 31, обеспечивающее подачу переменного тока через тиристорные блоки 25, 26, 27 в секции 12, 13, 14 катушки индуктора 1. В каждой секции 12, 13, 14 катушки создается переменный магнитный поток, который пронизывает корпус реторты 5, а также металлоизделия и насыщающую смесь, находящиеся в ней, вызывая возникновение вихревых токов. При этом в изделиях из ферромагнитного материала величина вихревых токов в десятки и сотни раз превышает величину токов, индуктируемых в корпусе реторты 5, выполненном из нержавеющей стали. Вследствие этого большая часть электроэнергии, подводимой к индуктору 1, поглощается металлоизделиями, где в соответствии с законом Джоуля-Ленца она превращается в тепловую энергию. При этом изделия разогреваются до температуры 768-910°С, а корпус реторты 5 - до 300-400°С. Насыщающая смесь оказывается практически прозрачной для электромагнитного поля и нагревается в основном за счет конвективного теплообмена от корпуса реторты 5 и радиационного нагрева от металлоизделий, находящихся в соприкосновении с ней и подвергающихся постоянному совместному с ней перемешиванию при вращении реторты 5. При этом в зоне непосредственного контакта с металлом находится лишь часть насыщающей смеси, в которой образуется расплав цинка. Остальное количество смеси благодаря наличию в ней глинозема, являющегося инертным огнеупорным материалом, выполняет роль теплового экрана, что предотвращает выгорание и испарение находящегося в ней цинка и дает возможность повторного использования остатков насыщающей смеси. В ходе всего процесса цинкования с помощью патрубка 35 происходит непрерывный сброс избыточного давления в реторте. Пары воды, смазки и смазочно-охлаждающих жидкостей, имеющихся на поверхности изделий, удаляются из реторты 5 в атмосферу.
Для управления процессом нанесения цинкового покрытия конкретной партии металлоизделий выбирают заданные значения температуры их нагрева и остывания, в пределах которых находится температура магнитных превращений данного материала. При нагревании корпуса реторты до заданного значения температуры нагрева соответствующие регуляторы 19, 20, 21 температуры вырабатывают сигналы управления тиристорными блоками на отключение питания от секций 12, 13, 14 катушки. Счетчик 33 фиксирует отключение индуктора 1. Электромагнитный поток исчезает, вихревые токи становятся равными нулю, начинается остывание реторты и изделий. При остывании корпуса реторты до заданной температуры регуляторы 19, 20, 21 вырабатывают сигналы управления тиристорными блоками на включение питания секций 12, 13, 14 катушки индуктора. Секции 12, 13, 14 катушки вновь индуктируют электромагнитное поле, которое вновь возбуждает вихревые токи, и возобновляется нагрев. Процесс повторяется до тех пор, пока число отключений индуктора 1 не совпадет с величиной, установленной на задатчике 32 счетчика 33 в соответствии с необходимой толщиной покрытия, выбранной для данной партии изделий. При колебаниях температуры изделий в зоне температуры магнитных превращений материала в нем наблюдаются магнитострикционные эффекты, в ходе которых изменяются размеры кристаллических решеток и расстояний между ними. Это интенсифицирует взаимную диффузию цинка и железа и способствует лучшей гомогенизации образовавшегося расплава интерметаллического соединения цинка и железа. Сигнал коммутирующего устройства 31 отключает установку от питающей электросети, и счетчик 33 обнуляется. Затем с помощью роликов 15 механизма продольного перемещения реторты внутри индуктора реторту 5 извлекают из индуктора 1, помещают ее на технологический стол 6 и с помощью подъемных роликов 42 перемещают вдоль него. Ролики 42 опускают и, установив реторту 5 на барабаны 40, включают привод 41 вращения реторты на технологическом столе и подвергают ее принудительному охлаждению до температуры, не превышающей 250°С. Оцинкованные изделия выгружают из реторты 5 с помощью механизма 8. Включением аспирационной системы 10 производят сбор остатка насыщающей смеси из реторты 5 и с поверхности оцинкованных изделий. Собранный остаток используют для приготовления порции насыщающей смеси для последующих циклов цинкования, добавляя свежий порошок цинка в количестве, равном израсходованному. После извлечения нагретой реторты 5 из индуктора 1 на освободившееся место помещают сменную реторту 5, предварительно подготовленную к цинкованию на соответствующем ей технологическом столе 6, и начинают цикл цинкования следующей партии изделий.
Пример конкретного выполнения способа нанесения цинкового покрытия на технологической линии с использованием установки для его осуществления:
Проведено цинкование проката черного металла в виде уголка 25×25×4 длиной 3,5 м в количестве 250 кг. Материал уголка - сталь 3. Требуемая толщина покрытия - 30 мкм. Приготовлена навеска насыщающей смеси, содержащая 5 кг порошка цинка и 20 кг глинозема. В полость реторты диаметром 350 мм и длиной 4,5 м, расположенной на технологическом столе, загружены металлоизделия и засыпана насыщающая смесь в два приема порциями по 125 кг уголка, чередующимися с порциями по 12,5 кг порошка. Затем реторта размещена в индукторе, где в течение 20 минут произошел нагрев корпуса реторты до заданной температуры 380°С, при этом температура металлоизделий достигает 890-905°С. В этот момент система управления отключает питание индуктора, что приводит к охлаждению реторты. При снижении температуры ее корпуса до 340°С и одновременном остывании металлоизделий до 760°С путем включения питания индуктора повторно произведен нагрев и затем последующим его отключением - охлаждение реторты с металлоизделиями до тех же значений температур. Согласно заданию, установленному для счетчика отключений индуктора, которое предопределяет толщину покрытия 30 мкм, всего произведено два отключения индуктора в течение 5,2 минут. После этого реторта, извлеченная из индуктора, помещена на технологический стол, где при подаче воздуха вращающаяся реторта охлаждена до 130°С. Охлажденные металлоизделия извлечены из реторты. Остаток насыщающей смеси собран в мерную емкость. На процесс цинкования израсходовано 2,7 кг порошка цинка. Контроль толщины покрытия в трех точках по длине изделия показал, что она составляет 29-31 мкм. Проведенные металлографические исследования подтвердили уменьшение пористости нанесенного покрытия по сравнению с покрытиями, полученными известными способами. При этом его твердость и ударная вязкость существенно возросли.
Таким образом, результатом использования предлагаемых изобретений является значительное уменьшение длительности технологического цикла нанесения антикоррозионного цинкового покрытия, сокращение затрат электроэнергии, сокращение расхода цинкового порошка, обеспечение высокого качества цинкового покрытия при увеличении диапазона его толщин до 300 мкм и расширении номенклатуры цинкуемых изделий, а также улучшение управляемости процесса цинкования в части получения требуемой толщины покрытия, упрощение конструкции установки для нанесения покрытия и обеспечение непрерывности производственного процесса цинкования при использовании одной установки. Это обуславливает возможность широкого применения заявляемых технических решений в машиностроении и других отраслях промышленности.