СТРУЙНЫЙ МЕТОД ОЦИНКОВКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF SURFACE SPRAY GALVANISING

Сводные данные статистики по металлургической отрасли разных государств мира показывают, что мировая экономика ежегодно из-за естественных коррозионных процессов теряет более пятой части всего объема произведенной за этот период конструкционной углеродистой и легированной стали. В связи с этим вопросы защиты стальных изделий от коррозии рассматриваются как приоритетные во всех отраслях народного хозяйства. Рассматривая коррозионные процессы в стальных изделиях в их совокупности, можно прийти к выводу, что определяющей в эксплуатационный период является не газовая коррозия, для интенсивного протекания которой необходимы высокая температура и повышенное давление, а различные виды «мокрой» коррозии, идущие по электролитическому механизму (сплошная, щелевая, питтинговая, межкристаллитная и т.д.).
1. НЕКОТОРЫЕ ИЗВЕСТНЫЕ СПОСОБЫ АНТИКОРРОЗИЙНОЙ ЗАЩИТЫ.
1.1. Отчасти антикоррозионную защиту обеспечивает известный метод катодной защиты (Г.Дэви, 1824 г.). Сталь покрывается металлом, имеющим более низкий электрохимический потенциал, благодаря чему коррозирует именно покрытие, а продукты его окисления выполняют роль барьера, препятствуя проникновению влаги на поверхность и в структуру стали. По возрастанию электрохимического потенциала наиболее часто используемые сегодня металлы и сплавы расположены в ряду Магний-Цинк-Алюминий-Кадмий-Сталь-Чугун-Свинец-Олово. До настоящего времени непревзойденным по ценовой доступности и относительной технической простоте нанесения остается цинк. В частности, мелкофракционный цинковый порошок (цинковая пыль), используемый в различных способах формирования покрытий, потребляется в объемах более 3,5 млн тонн в год.
1.2. Еще один из широко применяемых способов защиты - технология горячего оцинкования позволяет наносить покрытия в потоке металлопроката, является высокопроизводительной, сравнительно недорогой и наиболее используемой сегодня в промышленности. Однако слой наносимого цинка остается пористым, неустойчивым к механическим повреждениям и образует на поверхности наплывы, не всегда допустимые по технологии. Кроме того, поверхность стальных изделий для горячего оцинкования очищают, протравливают, обезжиривают и т.д., что не только удорожает процесс, но и требует габаритного вспомогательного оборудования и значительных трудозатрат. Но, самое главное, этот способ применим исключительно в условиях заводского производства металлоконструкций и не может быть использован, например, для антикоррозионной защиты уже эксплуатирующихся сооружений и конструкций.
1.2.1. К перспективным в этой области относится также способ газотермического (или электротермического) напыления. Цинковая проволока или цинковый порошок переводятся в газообразное состояние нагревом электрической дугой или пламенем газовой горелки и распыляются на поверхности принудительным воздушным потоком. Установки для напыления мобильны и используются непосредственно на строительных объектах для оцинкования закладных в строительных панелях, мест сварки трубопроводов, металлоконструкций и т.д. К недостаткам способа относят малую производительность, необходимость нанесения многослойных покрытий, подготовку поверхности под напыление, вредность работ, пористость получаемого покрытия и малую устойчивость к внешним и внутренним механическим воздействиям.
1.3. Термодиффузионное оцинкование решает проблемы не только поверхностной, но и внутрикристаллической коррозии и сегодня рассматривается как наиболее эффективный способ защиты арматуры и закладных в панелях и перекрытиях из железобетона, легких и ячеистых бетонов (СНиП 2.03.11-85). Выполняют его в специальных камерах, где мелкофракционный цинковый порошок используется для формирования диффузионной смеси, при температурах 400-470ºС проникающей в структуру стали на треть от толщины покрытия. Коррозионная устойчивость такого покрытия в 5 раз выше, чем у гальванопластикового, и в 2 раза - чем у покрытия, полученного способом горячего оцинкования. Однако, как и горячее оцинкование, эта технология неприменима на действующих объектах по той же причине - необходимость проводить работы только в стационарных условиях, что, очевидно, невозможно при проведении работ по антикоррозионной защите, например, мостовых сооружений.
1.4. Наконец, одним из распространенных методов защиты металлов от коррозии является использование противокоррозионных покрытий. Роль ингибиторов коррозии в этих покрытиях выполняют пигменты, которые помимо защитных функций еще придают покрытию цвет, обеспечивают укрывистость. Способность пигментов тормозить коррозионный процесс на границе металл-покрытие обусловлена торможением анодного, катодного или одновременно обоих процессов электрохимической коррозии, которое достигается за счет выделения пигментом ионов, образующих пассивирующие слои на поверхности металлов, повышения рН на границе пленка-подложка и т.д. Отличаясь друг от друга различными частными аспектами, все эти способы объединены под общим названием «холодное оцинкование», поскольку суть их сводится к нанесению на защищаемую металлическую (стальную) поверхность достаточно плотного электропроводящего слоя цинка. Для обеспечения электропроводности цинкового наполнителя в затвердевшем слое ЛКМ частицы цинка должны обладать определенной формой (чешуйки, а не гранулы) и размером (3-10 мкм, а не 30-70 мкм, как в случае цинкового порошка). Подготовленная для окраски поверхность по стандарту So 2,5 или So 3 имеет микронеровности порядка 5-15 мкм. Именно этот факт определяет максимальный размер частиц цинковой пыли, указанный выше, позволяя им наиболее плотно прилегать к поверхности стали, заполняя микронеровности. Чешуйчатая форма частиц, в свою очередь, обеспечивает максимальную электропроводимость слоя цинка, нанесенного на поверхность вместе с ЛКМ. Для получения достаточно плотного слоя на поверхности стали ЛКМ должно содержать 85-90% цинковой пыли. В этом случае после высыхания в затвердевшем слое ЛКМ содержится до 96-97% цинка (поскольку при высыхании улетучивается часть растворителя и различных добавок, входящих в ЛКМ). Такое высокое содержание пигмента в ЛКМ обусловливает его весьма высокую вязкость (даже в случае одноупаковочной рецептуры ЛКМ).
2. НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО АНТИКОРРОЗИЙНОГО СЛОЯ НА ОСНОВЕ КОМПОНЕНТ ЦИНКОНАПОЛНЕННОЙ КРАСКИ
2.1. Обоснование необходимости технического результата.
А. (Проблема). В недавнем прошлом в сфере строительства и эксплуатации мостовых сооружений были приняты новые нормы и требования к ЛКМ. В частности, предпочтение перед остальными ЛКМ при антикоррозийной защите было отдано группе Ме-ЛКМ с высоким содержанием металлонаполнителя (обычно, цинковой пыли). Все ЛКМ этой группы являются весьма вязкими суспензиями (до 95% содержания Me в Ме-ЛКМ) и потому требуют более мощной, чем обычные АВД (максимальное давление - 250 bar), покрасочной техники («VIVA», «GRAKO», максимальное давление - 400 bar). И вся совокупность этих новых факторов, естественно, отрицательно сказывалась на экономической эффективности и рентабельности работ по антикоррозионной защите; требовала проведения, зачастую, высокорисковых неоправданных проектов и непросчитываемых инвестиций. Ситуация, наконец, стала осознаваться как Проблема, и, конечно же, анализироваться с целью получить Практическое Решение.
В. (Решение). В качестве альтернативного («внутреннего») решения проблемы предлагается изобретение «СТРУЙНЫЙ МЕТОД ОЦИНКОВКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ», идея которого в том, чтобы, используя те же данные о нарастающей сложности в применении «готовых к употреблению» форм ЛКМ, выдвинуть альтернативный подход к уже имеющимся, а именно: использовать для нанесения защитного слоя Ме-ЛКМ не готовую ее форму, а компонентную, т.е. еще до процесса смешивания 2 компонент: наполнителя (компонента «Me-») и несущей фазы ЛКМ (компонента «ЛКМ»). Компонента «ЛКМ», являясь лакокрасочным материалом, по определению имеет достаточно малую вязкость, чтобы быть использованной в стандартном оборудовании. Компонента «Ме-1» образует с воздухом слабовязкие аэросуспензии (воздушно-пылевые струи). Обе компоненты легко транспортируются, процесс диспергирования и различные свойства дисперсных состояний хорошо изучены и реализованы во множестве установок - от расчетов форм и масс микрокапель ЛКМ в факеле распылителя до определения критических значений координат относительного линейного размера частиц металла, минимально достаточных для образования с ЛКМ долгоживущих дисперсных состояний (суспензий - золей, гелей и т.д.). Этого диапазона знаний достаточно для оценки возможности разработки технологии нанесения защитного слоя Ме-ЛКМ покомпонентно (что выгодно технологически и экономически), с последующей нормализацией слоя Ме-ЛКМ с требуемыми характеристиками (товарные требования) из нанесенной смеси компонент Ме-ЛКМ. Процесс «нормализации краски Ме-ЛКМ из высокодисперсной смеси ее компонент, нанесенных на поверхность» начинается непосредственно в процессе окрашивания на факельной стадии смешивания компонент (после форсунок) и заканчивается 5-30 минутами позже, когда в жидком слое смеси компонент на поверхности закончатся неравновесные механосинтетические процессы, преобразующие (нормализующие) исходное состояние смеси компонент в обычное гелеобразное состояние Ме-ЛКМ готового к использованию.
Предлагаемая технология нанесения защитного слоя цинка использует двухупаковочную рецептуру Ме-ЛКМ, используя в качестве рабочих тел две компоненты Ме-ЛКМ: 1) собственно ЛКМ и 2) цинковую пыль (Me-). Эти две компоненты подаются в оконечное сопло покрасочной установки раздельно. При этом распыление ЛКМ (диаметр капель 10-20 мкм) осуществляется безвоздушным способом, а подача цинковой пыли - эжекционным. Смешивание компонент происходит в объеме факела, непосредственно за выходом комбинированного сопла. Регулируя подачи цинковой пыли и ЛКМ, можно получить требуемое содержание цинковой пыли в краске (лаке). Основной проблемой в таком способе является обеспечение однородности смеси частиц цинковой пыли и капель ЛКМ. Подбирая ЛКМ с достаточной выдержкой и малой вязкостью, можно, как показывают расчеты, получить однородную смесь компонент Ме-ЛКМ, в нанесенном слое которой за время 5-30 мин происходят релаксационные процессы, преобразующие высокодисперсную смесь компонент в суспензию, т.е. в слой Ме-ЛКМ.
2.2. Технический результат, достигаемый указанным способом,
относится к сфере методов защиты поверхностей сооружений и конструкций от коррозии,
представляет собой слой наполненной полимерной пленки - результата полимеризации нанесенного слоя компоненты «ЛКМ» в присутствии металлической пыли (например, цинковой пыли. Стандарт 5 и более), связанной в объеме пленки покрытия процессом полимеризации и высыхания ЛКМ,
удовлетворяет требованиям, предъявляемым к аналогичным защитным слоям на основе готовых цинконаполненных красок, в том числе:
- показатели толщины и однородности образовавшегося электропроводящего слоя металла не уступают аналогичным величинам, получаемым обычным способом - с использованием готового металлосодержащего Ме-ЛКМ (например, цинка в цинконаполненных ЛКМ);
- электрохимические характеристики защитного антикоррозийного слоя удовлетворяют требованиям, предъявляемым в соответствующих отраслях к окрашиваемым цинконаполненными красками поверхностям.
2.3. Моделирование процесса.
Чтобы понять, какие процессы доминируют в струйном смешивании и, подобрав подходящую модель процесса, выработать конкретные технологические модели, доказывающие возможность достижения заявленного технического результата, необходимо определить ряд характеристик процесса смешивания компонент (компонента 1 - цинковая пыль, Стандарт 5 (Me), компонента 2 - не содержащий металлозаполнителей ЛКМ, но максимально удовлетворяющий остальным требованиям, предъявляемым к ЛКМ в сфере антикоррозийной защиты.
2.3.1. Компонента 1.
Частицы металла (далее, в качестве примера наполнителя используется цинк) должны иметь чешуйчатую форму, с линейным размером ~7-10 мкм, что обусловлено электрохимическими требованиями к слою цинка, осажденному на поверхность в составе скелетирующей оболочки ЛКМ.
Подачу частиц цинка в область смешивания компонент удобнее и проще всего осуществлять с помощью создания воздушной взвеси микрочастиц цинка (аналогичный процесс происходит в пескоструйном агрегате, когда порции песка взвешиваются в воздушном потоке, создаваемом компрессором).
Поскольку оптимальное смешивание Ме-компоненты и ЛКМ-компоненты получается при одинаковых размерах частицы металла и микрокапли ЛКМ (см. п.2.3.3.), целесообразно пропускать поток частиц Me через область высоковольтного анода для обеспечения нанесения заряда на частицы пыли: достигается максимально возможная однородность распределения частиц в объеме ЛКМ при смешивании за счет отталкивания друг от друга одноименно заряженных частиц металла (цинка).
2.3.2. Компонента 2.
Поскольку теперь лакокрасочный наполнитель Ме-ЛКМ не должен удерживать в своем объеме большого количества цинковой пыли, требования к нему (ЛКМ) изменяются. Акцент может быть перенесен на адгезивную способность, полимеризационные характеристики и др. аспекты качественности защитного слоя. В частности, наиболее перспективными в этом направлении представляются лаки, а не краски, из-за большего разнообразия полимерных скелетов для наполнителей.
2.3.3. Расчет размеров капель компоненты ЛКМ в области смешивания компонент.
Наиболее равномерно распределены при смешивании частицы равных диаметров (линейных размеров), т.е. на одно зерно металла в первой компоненте приходится одна микрокапля второй компоненты (ЛКМ). Учитывая, что плотность цинконаполенной краски ~2,8 тн/куб.м, плотность цинковой пыли ~7,1 тн/куб.м, получаем, что массовая доля компоненты (Me-) не превышает 60% от общей массы Ме-ЛКМ. Принимая во внимание, что линейный размер чешуйки цинка ~7 мкм, легко получить эквивалентный «линейный размер» микрокапли, т.е. ее диаметр, который оказывается лежащим в диапазоне [5, 20] мкм. Таким образом определяется необходимая степень диспергирования ЛКМ-компоненты для равномерного смешивания с зернами второй компоненты и образования гелеподобной структуры, являющейся цинконаполенной краской (Ме-ЛКМ), «собранной» из компонент не перед, а после нанесения их на поверхность.
2.3.4. Использование электростатического факела.
Если при образовании воздушно-цинковой струи (обеспечив необходимый уровень взрывобезопасновсти) в нее поместить анод высоковольтного источника питания, частицы цинковой пыли образуют часть электрической цепи, перенося на себе определенный электрический заряд. В результате одноименной заряженности все частицы цинка в струе, а впоследствии и те, что уже получили оболочку из ЛКМ, взаимно отталкиваются, что улучшает равномерность распределения цинка в микрокаплях ЛКМ и уменьшает слипаемость частиц.