НПП Электрохимия
Гальванические покрытия и механообработка

elhim.ekb@yandex.ru

8-912-044-66-44

8-922-162-66-44

Цинкование кровельного листа

1. Введение.
Ежегодно около 3 млн. тонн цинка, т.е. 50% его мировой добычи, используется для антикоррозионного цинкования стали. Оцинкованные крупногабаритные стальные конструкции широко используются в промышленности. Отдельное место среди них занимают массивные изделия, работающие в открытой атмосфере: заборы, ограждения, фонарные столбы, опоры электропередач, каркасы быстровозводимых зданий, фасады и крыши.


Сегодня важной, но трудноразрешимой задачей является исключение коррозии кровельного листа из оцинкованной стали. Износ листа происходит естественным путем, а стоимость его замены даже в развитых и развивающихся странах достигает совокупно астрономических показателей.


Оцинкованный кровельный лист в процессе эксплуатации начинает корродировать с верхнего слоя цинка, тем самым защищая само изделие от гораздо более разрушительной «красной коррозии» основы. Это происходит потому, что цинк «аноден» по отношению к железу и обеспечивает так называемую протекторную защиту.


Оцинкованный лист производится прокаткой (формовкой) с последующим покрытием. При горячей прокатке можно получить лист с толщиной 2-3 мм, при холодной - 0,3-2 мм. Толщина покрытия зависит от метода нанесения и условий осаждения. Цинкование металлоконструкций выполняется чаще всего горячим или гальваническим методом.


Горячеосажденный цинк, в отличие от гальванического, может быть получен с бОльшей толщиной, что обеспечивает наилучшие антикоррозионные характеристики. Однако его невозможно далее защитить финишным конверсионным покрытием. В случае же гальванического цинка покрытие можно эффективно и легко хроматировать или фосфатировать. Кроме этого, внешний вид гальванического цинка отличается блеском  и равномерностью. Изделие при лучше выдерживает гибку, протяжку и формовку.


2. Условия эксплуатации стального кровельного листа.
Каков срок службы оцинованного кровельного листа? Крыша из оцинкованной стали рассчитана длительный срок эксплуатации. Конкретная цифра зависит от климата. В среднем оцинкованные листы могут прослужить 15-18 лет в сельской местности на открытом воздухе или 3-6 лет в промышленных регионах. Многократные испытания показали, что оцинкованный лист служит в 15-30 раз дольше, чем стальной, однако, и он не вечен.


На оцинкованном листе различают белую и красную коррозию. Белая коррозия так же известна как «пятно от мокрого хранения» или «белая ржавчина». Она характеризует разрушение цинкового покрытия с образованием белого рыхлого продукта - гидроксида цинка. После сильного разрушения цинкового слоя начинает корродировать уже стальная основа, образуется «красная коррозия», т.е. традиционная ржавчина. Без дополнительных мер защиты листа красная коррозия будет распространяться дальше. Изделие рано или поздно придет в негодность и потребует замены.


Есть факторы, значительно ускоряющие коррозию цинка:
•    Влажность;
•    Присутствие солей (хлоридов);
•    Низкая рН среды (повышенная кислотность).

Для кровельного листа весьма опасны кислотные дожди, особенно совмещенные с тропическим морским климатом. Активно корродируют места кровли, где дождевая вода скапливается на долгое время: водостоки, ливневки и т.д.


Кислотный дождь – продукт атмосферной реакции диоксида серы или оксидов азота с кислородом воздуха и водой. В результате этого образуется серная или азотная кислота, которая может выпадать в виде осадков.


Диоксид серы - продукт работы плавильных печей и электростанций, использующих уголь как топливо. Он также выделяется при сжигании природного газа, бензина и иных нефтепродуктов.


Для повышения стойкости оцинкованного листа к агрессивным средам предложен ряд альтернатив.


3. Поиск альтернатив.

В 2001 в результате исследований «Bohm, S., Sullivan и J. H., &Worsley, A new corrosion test for organicallycoated galvanized steel products. MaterialsandCorrosion» было установлено, что покрытия стали цинком не так эффективно, как например покрытие цинком с различными неорганическими и органическими добавками.


Отличные результаты показали покрытия Galvalume: цинк с небольшим процентным содержанием алюминия. Покрытие по сравнению с чистым цинком имело большую равномерность, повышенный предел прочности и отличную коррозионную стойкость в широком диапазоне температур.


В исследованиях «Coni, N., Gipiela, M. L., D'Oliveira, A. S. C. M., &Marcondes, P. V. P. (2009). Study ofthe mechanical properties of the hot dip galvanized steel and galvalume®. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering» было определено, что стандартное цинковое покрытие легко разрушается в имитируемой карбонатно-хлоридной среде. Эти выводы побудили к поиску альтернативного покрытия кровельных листов, особенно для промышленных зон,  загрязненных хлоридами или карбонатами.


Разработка сплава 55% Al-Zn (органический композитный материал) позволила в несколько раз увеличить коррозионную стойкость листов крыши (по сравнению с обычным цинком). Органические композитные покрытия образуют защитную пленку, сдерживающую срабатывание механизма коррозии стали в тяжелых условиях эксплуатации (кислотные дожди или присутствие растворенных солей). Более того, смесь пигмента фосфатного типа с кальцийсодержащим пигментом значительно ингибировала коррозию стали в кислых средах.


4. Производство кровли из оцинкованного листа.
В целом, производство кровельных листов можно разделить примерно на шесть этапов:
•    Сварка листов;
•    Правка;
•    Очистка;
•    Отжиг;
•    Цинкование;
•    Финишная обработка.

В основе процесса цинкования лежит нанесение расплавленного цинка на подложку из стали в непрерывном режиме, как показано на рисунке 1.

 


Рисунок 1 – Микроструктура  цинкового покрытия, нанесенного горячим методом

Изделия пропускаются через ванны цинкования со скоростью до 180 метров в минуту в виде непрерывных лент. Толщина стального листа составляет от 0,3 до 0.55 мм, а ширина до 1850 мм.


Процесс нанесения покрытия начинается с очистки стали щелочными растворами с ополаскиванием и сушкой. Чтобы сделать изделия мягкими и гибкими очищенная сталь транспортируется в печь для отжига. В печи поддерживается атмосфера из азота и водорода, препятствующая окислению. Вакуумная камера, известная как «рыло», подключается к выходному концу печи и опускается сразу в ванну для покрытия цинком, чтобы избежать повторного окисления нагретого стального изделия воздухом.


В некоторых технологиях производств изделие не поступает из печи напрямую в ванну. В этом случае перед цинкованием требуется изделие протравить и нанести специальный защитный слой (флюс) для защиты поверхности листа от повторных окислений.


В ванне цинкования стальной лист перемещается вокруг погружного валка и вступает в реакцию с расплавленным металлическим цинком. В результате образуется покрытие Затем лист извлекается в вертикальном направлении, с него удаляется избыток расплавленного цинка при помощи воздуходувов под высоким давлением ("воздушных ножей").


Наконец, сталь охлаждается, чтобы цинковое покрытие застыло на ее поверхности. Затвердевание расплавленного металла до того, как он вступит в контакт с другим валком, имеет первостепенное значение, чтобы избежать повреждения или деформации покрытия.


5. Влияние толщины покрытия на надежность оцинкованного кровельного листа.

Толщина горячего цинка измеряется в микрометрах или в г/м2. В зависимости от толщины покрытия изменяется и устойчивость листа к коррозионному разрушению. Например, при любых условиях эксплуатации покрытие G90 прослужит дольше, чем покрытие G60, где G – значит оцинкованный. Однако, с ростом толщины уменьшается пластичность изделия, что в ряде случаев просто недопустимо (данные исследований «Hancock, G. J., Murray, T. M., & llifritt, D. S. (2001). Cold-formed steel structures to the AISI specification. M. Dekker.»). Поэтому толщина покрытия должна быть оптимизирована для достижения благоприятного сочетания коррозионной стойкости и формуемости листа.


Методы контроля толщины горячецинкового покрытия:
• измерительные инструменты (например, микрометр);
• магнитные толщиномеры;
• гравиметрия (взвешивание изделия до и после цинкования);
• оптическая микроскопия по шлифу (ASTM B 487).


6. Свойства оцинкованного кровельного листа.

Блестки (узор в виде снежинок) - распространенный атрибут оцинкованной поверхности. Цинковые покрытия с блестками - декоративные покрытия.


Механические свойства покрытия, влияющие его на внешний вид:
• Прочность. Это сопротивление, оказываемое кровельным листом при приложении внешней нагрузки. Прочность кровельного листа зависит от его способности противостоять внешним воздействиям. Напряжение на стальном кровельном листе может быть сжимающим, растягивающим, сжимающим и растягивающим или на сдвиг.


• Эластичность.
Кровельный лист из оцинкованной стали должен иметь возможность вернуться в исходное состояние при снятии нагрузки. Предел упругости кровельного листа - это максимальное напряжение, которое он может выдержать без остаточной деформации.


• Пластичность.
Способность стального листа до некоторой степени деформироваться без разрыва. Пластическая деформация возникает при превышении предела упругости. Как правило, уровень пластичности повышается с повышением температуры. Пластичность - одно из свойств материала, которое необходимо учитывать во время вторичных процессов формования. Пластичность позволяет трансформировать оцинкованный лист в различные изделия желаемой формы и размеров путем применения тепла, давления или сочетания деформаций.


• Тягучесть. Это свойство, которое позволяет вытягивать сталь при приложении нагрузки или силы. Основой кровельного листа из оцинкованной стали является низкоуглеродистая сталь, которая, как известно, пластична и позволяет формовку изделий экструзией или протягиванием через отверстие в подготовленной головке. Тягучесть стального листа снижается с повышением температуры. Удлинение и уменьшение являются ключевыми параметрами измерения тягучести.


• Ковкость. Способность стали превращаться в лист без трещин после процесса холодной и горячей обработки. Ковкость - свойство сжатия, в то время как тягучесть - это свойство растяжения. Ковкость материала увеличивается с увеличением температуры;


• Хрупкость. Способность ломаться без искажения. Основание оцинкованного листа из мягкой стали менее хрупкое, что позволяет ему не ломаться после большой деформации, в отличие от стекла и чугуна.


• Вязкость
. Способность стальных листов противостоять упругим и пластическим деформациям. Оцинкованный стальной лист демонстрирует значительную степень ударной вязкости из-за наличия  в нем легированных элементов. Количество энергии, которое может поглотить оцинкованный кровельный стальной лист до разрушения -  это и есть его вязкость.

7. Методы прогнозирования механических свойств оцинкованного стального листа.
Механические свойства стального листа или рулона можно спрогнозировать до начала процесса цинкования по процессу его производства. Это минимизирует потери материалов.


В исследованиях «Adetunji, O. R., Musa, A. A., & Afolalu, S. A. (2015). Computational Modelling of Chromium Steel in High Temperature Applications. International Journal of Innovation and Applied Studies» были проведены сравнительные испытания механических свойств различных стальных рулонов до оцинкования. Авторы оценили модели, созданные с помощью линейных и нелинейных, мешковинных и других методов построения. Далее авторы сделали прогнозы, используя в общей сложности 30 моделей. Прогнозы были сделаны для каждого параметра, чтобы получить значимую информацию о возможностях этих моделей и методов. Авторы несколько раз протестировали все модели, а также построили отдельную модель, чтобы установить актуальность марок стали и рекомендовать модели для каждого параметра.


Механические характеристики оцинкованного стального листа определялись при помощи  интеллектуального анализа данных, таких как нейронная сеть, машина опорных векторов,  методы регрессионного анализа и дерева регрессии.


Было обнаружено, что использование нейросетевого метода дает лучший результат в  прогнозировании механических свойства оцинкованной стали. Прогноз был подтвержден путем сбора актуальной информации о химическом составе, толщине и ширине листов, полосыскорости и температуры отжига с помощью прогнозных моделей.


Оцинкованные стальные листы можно назвать композитными, состоящими из звеньев металлического покрытия. На стальной подложке, которая является хрупкой по своей природе во время формовки образуются микротрещины. Формовка располагается между Zn-покрытием и интерметаллической фазой. Обычно трещины в зернах покрытий из чистого цинка размещаются параллельны друг другу. Тщательные наблюдения (Dirisu, J.O., Asere, A.A.,  yekunle, J.A., Adewole, B.Z., Ajayi, O.O., Afolalu, S.A., Joseph, O.O., &Abioye, A.A. (2017).  omparison of the Elemental Structure and Emission Characteristics of Selected PVC and Non PVC Ceiling Materials Available in Nigerian Markets.International Journal of Applied Engineering Research) показали, что кристаллы цинка проявляют преобладающую анизотропную деформацию.


Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО "НПП Электрохимия" Любое копирование без прямой ссылки на сайт www.zctc.ru преследуется по закону. Текст статьи обработан сервисом Яндекс "Оригинальные тексты"