Способ нанесения горячего антикоррозийного металлического покрытия - цинкового на металлические изделия - трубы (варианты)

Изобретение относится к области нанесения покрытий материалом в расплавленном состоянии. Способ включает подготовку изделий путем механической очистки поверхности и путем индукционного нагрева изделий, загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий, при этом механическую очистку поверхности производят до металлического блеска, индукционный нагрев изделий производят токами высокой частоты на заданную глубину с помощью выбора частоты тока индуктора, при этом изделия после механической очистки поверхности закрепляют вертикально и устанавливают над индуктором, а петлю индуктора располагают над ванной с расплавом с возможностью варьирования расстояния между индуктором и зеркалом расплава, загрузку изделий в ванну с расплавом производят путем опускания изделий сквозь петлю работающего индуктора, после чего ток в индукторе отключают, а вертикальную выгрузку изделий из ванны с расплавом производят сквозь петлю отключенного индуктора. Способ по второму варианту предполагает использование флюсования путем загрузки изделий в вертикальную ванну с флюсом и последующую сушку с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты. Технический результат: создание простого, менее вредного для окружающей среды способа нанесения покрытия при улучшении качества покрытия и снижении затрат на его реализацию. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам нанесения металлических покрытий из расплава на металлические изделия.

Известен способ нанесения горячего цинкового покрытия на металлическую поверхность [1]. Способ включает подготовку изделий к нанесению покрытия, загрузку изделий в горизонтальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий. Подготовка изделий включает удаление ржавчины и других загрязнений путем механической очистки поверхности, обезжиривание и травление поверхности путем ее химической очистки и, в некоторых случаях, флюсование. Недостатком известного способа является повышенная трудоемкость химической очистки, которая требует утилизации отходов, в том числе больших объемов промывающей воды с остатками щелочи и кислоты. Недостатком известного способа, особенно для массивных или длинномерных изделий, является потребность больших рабочих площадей для размещения горизонтальных ванн с кислотой, щелочью и горячим расплавом. При этом большая поверхностная площадь ванн является источником вредных испарений, особенно тяжелых металлов от зеркала расплава. Недостатком известного способа является загрузка изделий в ванну с расплавом без предварительного подогрева изделий, что приводит к снижению качества покрытия за счет увеличения времени выдержки изделий в расплаве на величину времени нагрева изделий до температуры плавления металлического покрытия, а также к потерям тепла в расплаве. К недостаткам следует отнести сложность выгрузки массивных и длинномерных изделий из горизонтальной ванны расплава, которая заключается в том, чтобы при минимизации времени выгрузки изделий сохранить качественное равномерное покрытие, обеспечить слив избыточного металла из внутренних полостей изделий и не допустить выплесков расплава из ванны.

Известен способ нанесения горячего цинкового покрытия на металлические трубы [2], включающий подготовку изделий путем механической и химической очистки поверхности, и, в некоторых случаях, путем флюсования, загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из расплава и охлаждение изделий. Использование вертикальной ванны с малой поверхностью зеркала металлического расплава позволяет снизить количество вредных испарений тяжелых металлов. Недостатком известного способа является использование вредной для окружающей среды химической очистки. Недостатком является загрузка изделий в ванну с расплавом без предварительного подогрева изделий, что нарушает температурную стабильность расплава, требует дополнительных расходов на подогрев расплава и снижает качество покрытия.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ нанесения металлических покрытий на внутреннюю и наружную поверхности длинномерных труб, осуществляемый в устройстве [3]. Способ включает подготовку изделий путем механической и химической очистки поверхности и, в некоторых случаях, путем флюсования, а также путем индукционного нагрева изделий; загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий. Индукционный нагрев изделий индуктором для индукционного нагрева промышленной частоты непосредственно перед их загрузкой в ванну с расплавом производится до температуры выше температуры расплава. Ванна выполняется в форме усеченной изогнутой трубы. При использовании флюсования для подготовки поверхности флюс заливается во входную сторону ванны с расплавом и располагается над уровнем металлического расплава. Недостатком способа по прототипу является использование вредной для окружающей среды химической очистки поверхности. Недостатком является сложность процесса нанесения покрытий, связанная с формой сквозной ванны с расплавом, требующей предварительной непрерывной гибки трубы при загрузке ее во входную сторону ванны. Недостатком способа по прототипу является недостаточно высокое качество покрытия за счет того, что выдержка трубы в расплаве производится в процессе сквозного непрерывного перемещения согнутой трубы через ванну с расплавом, а после выгрузки с выходной стороны ванны покрытая труба подвергается прямолинейной правке. Недостатком является также постоянный перегрев расплава при загрузке труб, нагретых до температуры выше температуры расплава, что приводит к интенсивному образованию нежелательного сплава, дросса - гартцинка, и снижает качество покрытия.

Вышеуказанные известные способы и способ по прототипу состоят из двух вариантов способа нанесения покрытия: без флюсования и с флюсованием.

В связи с указанными недостатками способа нанесения горячего металлического покрытия на металлические изделия по прототипу существует задача создания более простого и менее вредного для окружающей среды способа нанесения покрытия при улучшении качества покрытия и снижении затрат на его реализацию.

Поставленная задача решается с помощью двух вариантов способа следующим образом.

В способе нанесения горячего антикоррозийного металлического покрытия - цинкового, на металлические изделия - трубы, по первому варианту, включающем подготовку изделий путем механической очистки поверхности и путем индукционного нагрева изделий, загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий, механическую очистку поверхности производят до металлического блеска; индукционный нагрев изделий производят токами высокой частоты на глубину, определяемую частотой тока индуктора для индукционного нагрева токами высокой частоты, для чего изделия после механической очистки поверхности закрепляют вертикально и устанавливают над индуктором, при этом петлю индуктора располагают над ванной с расплавом с возможностью варьирования расстояния между индуктором и зеркалом расплава; загрузку изделий в ванну с расплавом производят путем опускания изделий сквозь петлю работающего индуктора, после чего ток в индукторе отключают, а вертикальную выгрузку изделий из ванны с расплавом производят сквозь петлю отключенного индуктора.

При этом в некоторых случаях механическую очистку и индукционный нагрев токами высокой частоты производят только той части поверхности изделий, которая требует нанесения покрытия.

При этом в некоторых случаях для нанесения покрытий на разные части поверхности изделий загрузку изделий в ванну с расплавом производят более одного раза.

В способе нанесения горячего антикоррозийного металлического покрытия - цинкового, на металлические изделия - трубы, по второму варианту, включающем подготовку изделий путем механической очистки поверхности, путем флюсования и путем индукционного нагрева изделий, загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий, механическую очистку поверхности производят до металлического блеска; флюсование выполняют путем загрузки изделий в вертикальную ванну с флюсом с последующей сушкой поверхности изделий с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты; индукционный нагрев изделий производят токами высокой частоты на глубину, определяемую частотой тока индуктора для индукционного нагрева токами высокой частоты, для чего изделия после механической очистки и флюсования поверхности закрепляют вертикально и устанавливают над индуктором, при этом петлю индуктора располагают над ванной с расплавом с возможностью варьирования расстояния между индуктором и зеркалом расплава; загрузку изделий в ванну с расплавом производят путем опускания изделий сквозь петлю работающего индуктора, после чего ток в индукторе отключают, а вертикальную выгрузку изделий из ванны с расплавом производят сквозь петлю отключенного индуктора.

При этом в некоторых случаях механическую очистку, флюсование и индукционный нагрев изделий токами высокой частоты производят только той части поверхности изделий, которая требует нанесения покрытия.

При этом для нанесения покрытий на разные части поверхности изделий загрузку изделий в ванну с расплавом производят более одного раза.

Технический результат от применения предлагаемого способа состоит в снижении вредности для окружающей среды процесса нанесения горячего покрытия, в улучшении качества покрытия и в уменьшении количества нежелательных сплавов в расплаве.

Указанный результат достигается тем, что предлагаемый способ, в отличие от способа по прототипу, не использует вредную для окружающей среды химическую очистку поверхности, а производит более качественную механическую очистку поверхности до металлического блеска, которая дополняется очисткой поверхности изделий от органических загрязнений и удалением влаги при индукционном нагреве изделий токами высокой частоты.

Указанный результат достигается использованием индукционного нагрева изделий токами высокой частоты вместо используемой в способе по прототипу промышленной частоты и позволяет путем выбора частоты тока индуктора выделить тепло на заданной глубине от поверхности изделий, не перегревая поверхность. При этом указанный результат достигается также возможностью варьирования расстоянием между индуктором и зеркалом расплава за счет подвижной установки индуктора над ванной с расплавом. Это объясняется тем, что при подготовке изделий к нанесению покрытия предлагаемым способом нет необходимости нагревать в индукторе весь объем изделия до температуры выше температуры плавления металлического покрытия и немедленно загружать его в расплав, как в способе по прототипу. При использовании токов высокой частоты имеется возможность, выделив тепло только на рассчитанной глубине от поверхности изделия, за время перемещения изделий от индуктора к зеркалу расплава выровнять температуру по всему объему изделия за счет теплопроводности до величины, равной температуре плавления металлического покрытия. При этом по сравнению со способом по прототипу уменьшается количество нежелательных сплавов в расплаве за счет отсутствия перегрева расплава, что позволяет улучшить качество покрытия.

Указанный результат достигается использованием более простой бесконтактной вертикальной загрузки в ванну с расплавом и вертикальной выгрузки изделий сквозь петлю индуктора. Это происходит благодаря вертикальному закреплению изделий и их установке над индуктором, петля которого располагается над вертикальной ванной с расплавом. При этом качество покрытия улучшается по сравнению со способом по прототипу, в котором поверхность изделий при непрерывной гибке и последующей правке уже покрытых изделий подвергается контакту с формирующими роликами.

В некоторых случаях указанный результат достигается при нанесении покрытия не на все изделие, а только на его часть. Это объясняется особенностями индукционного нагрева токами высокой частоты, который позволяет осуществлять как сквозной нагрев всего изделия, так и его поверхностный нагрев, в частности выборочный нагрев, только той поверхности изделия или той части поверхности, которая подлежит покрытию. Так с помощью выбора оптимальных значений величин мощности, подводимой к индуктору, частоты тока и геометрических параметров индуктора индукционный нагрев токами высокой частоты позволяет выделить тепло только в заданных участках поверхности изделий и на заданную глубину. При этом после выгрузки изделий из расплава будут иметь покрытие только те участки поверхности изделий, которые имели подготовленную в соответствии с предлагаемым способом поверхность для нанесения покрытия. Загрузка в ванну с расплавом одних и тех же изделий может производиться несколько раз. Указанный технический результат расширяет возможность применения предлагаемого способа по сравнению со способом по прототипу.

Указанный результат достигается при подготовке изделий к нанесению покрытия флюсованием в вертикальной ванне с флюсом и последующей сушке поверхности с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты, который обеспечивает гарантированное качество сушки. Флюсование производится после механической очистки поверхности до зеркального металлического блеска. Кроме того, для сушки и для нагрева изделий может быть использован один индуктор с петлей сложной формы, например, с одним или несколькими верхними витками большей площади внутреннего сечения и большей длины, чем нижние, предназначенные для нагрева. Выбор геометрии верхних витков позволяет минимизировать подводимую удельную мощность к влажным поверхностям изделий, покрытым флюсом, и обеспечить безопасную сушку. При этом флюсование происходит без окислительных процессов и не требует защитных газов, как это имеет место в способе по прототипу.

Сущность предлагаемого способа в первом варианте без флюсования заключается в следующем.

Для того чтобы нанести горячее металлическое покрытие на металлическое изделие или на несколько изделий одновременно, например на трубы, путем их погружения в ванну с расплавом, проводится предварительная подготовка изделий. Поверхность, подлежащая нанесению покрытия, механически очищается от ржавчины и других загрязнений и доводится до металлического блеска. Перед загрузкой в ванну с расплавом изделия нагреваются с помощью индуктора для индукционного нагрева токами высокой частоты, причем при нагреве происходит окончательная очистка поверхности, при которой удаляются возможные органические загрязнения и влага. Для осуществления указанного нагрева изделия закрепляются вертикально и устанавливаются над индуктором, причем петля индуктора располагается над вертикальной ванной с расплавом. Индуктор выбирается разъемного или неразъемного типа в зависимости от геометрических параметров изделий и от удобства перемещения изделий к индуктору, при этом расстояние между индуктором и зеркалом расплава может варьироваться передвижением индуктора. Затем в индуктор подается ток высокой частоты и изделия опускаются сквозь петлю работающего индуктора в ванну с расплавом. Нагрев изделий определяется величиной мощности, подводимой к индуктору, частотой тока в индукторе, скоростью перемещения изделий сквозь петлю индуктора, расстоянием между индуктором и зеркалом расплава, а также геометрическими параметрами индуктора. При этом может выполняться сквозной нагрев каждого изделия или поверхностный нагрев, в частности выборочный нагрев, на заданную глубину, которая определяется частотой тока индуктора. Так, например, индукционный нагрев позволяет равномерно нагреть внешнюю и внутреннюю поверхности трубы или нескольких труб одновременно, а также только одну из указанных поверхностей. Путем варьирования расстояния между петлей индуктора и зеркалом расплава можно добиться равномерного распределения тепла внутри изделий при достижении ими зеркала расплава. Оптимальным нагревом следует считать температуру изделий при их загрузке в расплав, равную температуре металлического расплава в ванне. После прохождения изделий сквозь петлю индуктора ток в индукторе отключается. Нагретые изделия загружаются в вертикальную ванну в форме прямой трубы, выдерживаются в ней для нанесения покрытия и выгружаются из ванны вертикально тем же путем, а именно сквозь петлю отключенного индуктора и охлаждаются. При этом отходы в расплаве удаляются по мере их появления, но предлагаемый способ за счет выравнивания температур изделия и расплава позволяет минимизировать количество нежелательных сплавов при цинковании хрупких слоев железоцинковых сплавов, что позволяет улучшить качество покрытия. Предлагаемый способ применяется для изделий с разнообразными габаритами и формой, в том числе со сложной формой поверхности и изделий с резьбой. В некоторых случаях способ позволяет нанести покрытие на часть поверхности изделия или нескольких изделий. Для этого только часть поверхности изделий подвергается механической очистке и нагреву, а загрузка в ванну производится таким образом, чтобы часть подготовленной к нанесению покрытия поверхности находилась в расплаве. При этом за время выдержки изделий в расплаве покрытие образуется только на предварительно подготовленных участках поверхности изделий. Если существует несколько частей поверхности изделий, которые не могут быть нагреты одним индуктором одновременно, то изделия несколько раз подвергаются подготовке поверхности и загрузке в ванну с расплавом.

Сущность предлагаемого способа во втором варианте с флюсованием заключается в следующем.

После механической очистки поверхности до металлического блеска изделия закрепляются и перемещаются на тех же приспособлениях, которые предусмотрены в предлагаемом способе без флюсования. Изделия вертикально загружаются в вертикальную ванну с флюсом, и после их выдержки во флюсе и вертикальной выгрузки из ванны без смены приспособлений для перемещения производится индукционная сушка поверхности изделий токами высокой частоты путем опускания изделий сквозь петлю работающего индуктора, и далее процесс производится так же, как в варианте без флюсования. При этом возможно использование одного и того же индуктора для индукционного нагрева изделий токами высокой частоты и для сушки после флюсования за счет выполнения индуктора с петлей сложной формы. При этом сушка и нагрев производятся при питании от одного высокочастотного генератора и на одной и той же частоте.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению со способом по прототипу позволяет снизить вредность процесса нанесения горячего покрытия для окружающей среды, снизить потребность в больших площадях, уменьшить количество экологически грязных отходов и повысить качество наносимого покрытия.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Был выполнен действующий макет установки для цинкования труб, на котором проводили апробирование предлагаемого технического решения методом натурного макетирования. Для реализации предлагаемого способа изготовили механизм вертикального перемещения для подъема и опускания труб. Также был использован высокочастотный генератор ВЧИ - 100/0,066 с частотой 66 кГц и колебательной мощностью 100 кВт с петлевым индуктором, а также вертикальная ванна с цинком, представляющая собой тигель в виде трубы диаметром 76 мм с толщиной стенки 3 мм, длиной 350 см, выполненный из стали 08 кП. Индуктор установили над ванной с расплавом, расстояние от нижнего витка петлевого индуктора до зеркала расплава составило приблизительно 300 см. Цинк в ванне разогревали с помощью спирального охватывающего ванну ТЭНа, снабженного теплоизоляцией. Электрическая мощность, подводимая к ТЭНу, регулировалась тиристорным преобразователем, и при стартовом нагреве ванны для расплавления цинка потребляемая мощность составила 4 кВт, а далее рабочую температуру цинка в ванне, равную 460 градусов Цельсия, поддерживали при потреблении мощности приблизительно 0,8 кВт. Температуру нагрева цинка в ванне контролировали тремя термопарами, размещенными на разной высоте ванны. Температуру нагрева трубы в индукторе и при ее перемещении к ванне с расплавом контролировали фотопирометрическим датчиком температуры. При загрузке в ванну температура составляла 460 градусов Цельсия. Процесс цинкования осуществляли следующим образом.

1. Проводили цинкование внешней и внутренней поверхности трубы по варианту без флюсования. При этом подлежащую цинкованию трубу диаметром 43 мм с толщиной стенки 3 мм зачищали механическим способом снаружи и изнутри до зеркального металлического блеска (без применения травления и обезжиривания), закрепляли в механизме вертикального перемещения, устанавливали над петлей индуктора и над ванной с расплавом, а затем трубу опускали. Верхний виток петли индуктора выполнили диаметром 70 мм и длиной 8 мм, а нижний - диаметром 53 мм и длиной 8 мм. После включения высокочастотного генератора установили необходимую частоту тока в индукторе для выделения тепла на глубине около 1 мм с наружной и внутренней стороны трубы. Затем трубу опускали в ванну с расплавом сквозь петлю работающего индуктора со скоростью приблизительно 1,2 м/мин. При прохождении верхнего витка индуктора при умеренной температуре нагрева происходила сушка поверхности, если на ней имелись следы влаги, и очистка поверхности от возможных органических загрязнений, которые могли появиться после механической очистки при транспортировке трубы к индуктору. При прохождении нижнего витка индуктора происходил основной нагрев трубы, который обеспечивал равномерный нагрев по всему объему трубы до 460 градусов Цельсия при загрузке в расплавленный цинк, температура которого поддерживалась также равной 460 градусов Цельсия. Мощность, потребляемая от высокочастотного генератора, составила приблизительно 60 кВт. При погружении на глубину 300 см перемещение трубы останавливали, а высокочастотный генератор отключали. Производили выдержку трубы в ванне в течение 20 секунд и начинали вертикальную выгрузку трубы из ванны сквозь петлю отключенного индуктора. При необходимости в процессе подъема трубы сдували сжатым воздухом избыток цинка и удаляли продукты отходов горячего цинкования - дросса.

2. Проводили цинкование трубы по варианту с флюсованием. После механической очистки до зеркального металлического блеска наружной и внутренней стороны трубы ее закрепляли в механизме вертикального перемещения, устанавливали трубу над вертикальной ванной с флюсом и опускали трубу в ванну. Затем вертикально выгружали трубу из ванны с флюсом и перемещали трубу к индуктору для индукционного нагрева токами высокой частоты, который использовали одновременно для сушки и для нагрева. Использовали индуктор, идентичный индуктору в п.1, но длину верхних витков увеличили до 25 мм для обеспечения щадящего режима сушки влажной поверхности. Опускали трубу вертикально сквозь петлю работающего индуктора и далее выполняли процесс нанесения по п.1. При этом за счет гарантированно качественной сушки поверхности изделий токами высокой частоты получали качественное покрытие.

3. Очищали механическим способом только некоторые участки на наружной поверхности трубы и далее проводили такую же обработку по п.1 или по п.2, погружая трубу на глубину, необходимую для нанесения покрытия на зачищенные участки.

В результате получали качественное покрытие на заданных участках трубы.

Макетные испытания показали, что полученные образцы отвечают всем требованиям, предъявляемым на трубы оцинкованные, полученные методом горячего цинкования, при этом трудоемкость и вредность процесса цинкования были оценены как более низкие, чем при способе по прототипу.

Источники информации

1. Патент РФ №2033471, МПК С 23 С 2/06, С 23 С 2/32, опубл. 1995.

2. Руководство по горячему цинкованию. Перевод с немецкого под ред. М.И.Огинского. Москва - Металлургия, 1975 г. с.126-181.

3. Авторское свидетельство SU 1638197 А1, МПК С 23 С 2/38, опубл. 30.03.1991.

1. Способ нанесения горячего антикоррозийного металлического покрытия, например цинкового, на металлические изделия, в частности, трубы, включающий подготовку изделий путем механической очистки поверхности и путем индукционного нагрева изделий, загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий, отличающийся тем, что механическую очистку поверхности производят до металлического блеска, индукционный нагрев изделий производят токами высокой частоты на заданную глубину с помощью выбора частоты тока индуктора, при этом изделия после механической очистки поверхности закрепляют вертикально и устанавливают над индуктором, а петлю индуктора располагают над ванной с расплавом с возможностью варьирования расстояния между индуктором и зеркалом расплава, загрузку изделий в ванну с расплавом производят путем опускания изделий сквозь петлю работающего индуктора, после чего ток в индукторе отключают, а вертикальную выгрузку изделий из ванны с расплавом производят сквозь петлю отключенного индуктора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическую очистку и индукционный нагрев токами высокой частоты производят только той части поверхности изделий, которая требует нанесения покрытия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для нанесения покрытий на разные части поверхности изделий загрузку изделий в ванну с расплавом производят более одного раза.

4. Способ нанесения горячего антикоррозийного металлического покрытия, например цинкового, на металлические изделия, в частности, трубы, включающий подготовку изделий путем механической очистки поверхности, путем флюсования и путем индукционного нагрева изделий, загрузку изделий в вертикальную ванну с расплавом, выдержку изделий в расплаве, выгрузку изделий из ванны с расплавом и охлаждение изделий, отличающийся тем, что механическую очистку поверхности производят до металлического блеска, флюсование выполняют путем загрузки изделий в вертикальную ванну с флюсом с последующей сушкой поверхности изделий с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты, индукционный нагрев изделий производят токами высокой частоты на заданную глубину с помощью выбора частоты тока индуктора, для чего изделия после механической очистки и флюсования поверхности закрепляют вертикально и устанавливают над индуктором, при этом петлю индуктора располагают над ванной с расплавом с возможностью варьирования расстояния между индуктором и зеркалом расплава, загрузку изделий в ванну с расплавом производят путем опускания изделий сквозь петлю работающего индуктора, после чего ток в индукторе отключают, а вертикальную выгрузку изделий из ванны с расплавом производят сквозь петлю отключенного индуктора.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что механическую очистку, флюсование и индукционный нагрев изделий токами высокой частоты производят только той части поверхности изделий, которая требует нанесения покрытия.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для нанесения покрытий на разные части поверхности изделий загрузку изделий в ванну расплава производят более одного раза.