Агрегат для нанесення покриття із цинку, алюмінію та їх сплавів на зовнішню поверхню довгомірних циліндричних виробів

Изобретение относится к области нанесения металлических покрытий, в частности, из цинка, алюминия и их сплавов в широком диапазоне толщин (15-60 мкм), на наружную поверхность длинномерных цилиндрических изделий, например, труб, проволоки и др. Известен также агрегат для нанесения покрытия из алюмоцинка на длинномерные цилиндрические изделия, в частности на проволоку, выбранный в качестве прототипа, включающий последовательно установленные механизм размотки бунта, камеры нагрева и охлаждения в восстановительной защитной среде, установку для нанесения покрытия, устройство водяного охлаждения, а также механизм намотки длинномерных цилиндрических изделий в бунт. При этом перед камерой нагрева расположены установки электрохимической и химической обработки поверхности изделий для ее очистки, а установка для нанесения покрытия представляет собой ванну с расплавом металла [1]. Известно, что после изготовления поверхность проволоки покрыта различными загрязнениями, и в первую очередь, жировыми, которые необходимо удалить перед нанесением покрытия. Причем эти загрязнения расположены на поверхности проволоки неравномерным слоем, часто проникая в ее макро- и микродефекты (царапины, трещины, закаты и др.). Поэтому в указанном агрегате качественно очистить поверхность проволоки перед нанесением покрытий при использовании установок электрохимической и химической обработки, обеспечивающих надежную очистку только гладких, бездефектных поверхностей, не представляется возможным, а в установке для нанесения покрытий, представляющей собой ванну с расплавом металла, на плохо подготовленных участках проволоки нельзя получить качественное покрытие при погружении ее в расплав, находящийся в ванне, так как с одной стороны, не обеспечивается формирование сплошного слоя покрытия, а с другой - в слое покрытия образуются хрупкие интерметаллиды. Поэтому проволока, оцинкованная в известном агрегате, имеет на своей поверхности дефекты в виде непокрытых участков и все покрытие характеризуется повышенной хрупкостью. Кроме того, при нанесении покрытия в установке в виде ванны с расплавом метала теряется около 20% алюмоцинка в результате окисления расплава и образования интерметаллидов в ванне. Использование такого агрегата приводит также к загрязнению окружающей среды (попадание в атмосферу паров кислоты при предварительной очистке изделий, образовавшихся газообразных продуктов взаимодействия флюса с расплавом при погружении изделия в расплав металла, образование сточных вод, содержащих продукты нейтрализации отработанной кислоты и др.). Задачей настоящего изобретения является создание такого агрегата для нанесения покрытий из цинка, алюминия и их сплавов на наружную поверхность длинномерных цилиндрических изделий, в котором путем применения специальных устройств для предварительной подготовки поверхности и двухразового нанесения металлического покрытия исключается образование на изделиях дефектов в виде непокрытых участков при одновременном уменьшении расхода металла покрытия, а также практически устраняется загрязнение окружающей среды. Эта задача решена тем, что в агрегате, включающем последовательно расположенные механизм размотки бунта, камеры нагрева и охлаждения в восстановительной защитной среде, установку для нанесения покрытия, устройство водяного охлаждения, а также механизм намотки длинномерных цилиндрических изделий в бунт, согласно изобретению, агрегат дополнительно снабжен камерой нагрева в окислительной среде, установленной перед камерой нагрева в восстановительной среде и размещенной перед установкой для нанесения покрытия идентичной установкой, а также размещенными после каждой из установок для нанесения покрытия двумя устройствами для обдува изделий восстановительной защитной средой, причем каждая из установок для нанесения покрытия состоит из обогреваемой, заполненной восстановительной средой, камеры, внутри которой друг под другом размещены сливная и приемная емкости, при этом сливная емкость снабжена конусным сливным каналом, в котором отношение площадей поперечных сечений меньшего F2 к большему F1 отверстий равно 0,5-0,7, а в стенках камеры и в конусном сливном канале по одной горизонтали также выполнены сквозные отверстия, площади поперечного сечения которых одинаковы и равны площади поперечного сечения меньшего F2 отверстия конусного сливного канала, кроме того, камеры оснащены системой подачи расплава из приемной в сливную емкость через соответствующие отверстия в стенке камеры. Отличие предлагаемого агрегата от прототипа заключается как в снабжении его дополнительно камерой нагрева в окислительной среде, так и в использовании двух идентичных установок для нанесения покрытия, выполненных указанным выше образом, и, кроме того, в размещении дополнительного устройства для обдува изделий восстановительной средой. Техническим результатом применения предлагаемого агрегата для нанесения покрытий из цинка, алюминия и их сплавов на наружную поверхность длинномерных цилиндрических изделий является получение покрытия без дефектов в виде непокрытых участков при одновременном существенном уменьшении расхода металла покрытия и снижении загрязнения окружающей среды вредными отходами производства. Первый и основной из указанных результатов достигается за счет: использования дополнительной камеры нагрева изделия в окислительной среде с последующим переходом изделия в камеру нагрева с восстановительной средой. Действительно, при прохождении проволоки через камеру нагрева в окислительной среде, разогретую до температуры свыше 470°С, ее поверхность обезжиривается (имеющийся как на поверхности, так и в макро- и микродефектах проволоки слой органических соединений полностью удаляется (выгорает) и покрывается окисной пленкой, которая затем при прохождении проволоки через камеру нагрева с восстановительной средой восстанавливается до элементарного железа. Все это позволяет обеспечить высокое качество подготовки поверхности проволоки перед нанесением на нее покрытия; применения в предлагаемом агрегате двух идентичных установок для нанесения покрытия с конструктивным исполнением. Проволока с высококачественно подготовленной поверхностью попадает в установку для нанесения покрытия, принцип работы которой заключается в обеспечении подачи на поверхность проволоки расплава наносимого металла в виде струи в восстановительной среде. Поскольку продолжительность контакта струи металла с поверхностью проволоки составляет доли секунды, не происходит образования в покрытии хрупких интерметаллидов и исключается окисление самого расплава. Так как кратковременный контакт не обеспечивает в одной установке требуемой толщины покрытия, то для ее получения в заявляемом агрегате установлена вторая аналогичная установка нанесения покрытия. Установки двух устройств для обдува изделий восстановительным газом. Для сохранения достигнутого качества нанесенного покрытия переход проволоки из одной установки нанесения покрытия в другую и до попадания проволоки в устройство водяного охлаждения происходит в восстановительной среде, подаваемой с помощью двух специальных устройств для обдува. При этом остальные из указанных результатов получаются одновременно с основным. Поскольку процесс нанесения покрытия в предлагаемом агрегате осуществляется кратковременно и в восстановительной среде, это обеспечивает исключение окисления расплава и образование интерметаллидов. Формирующихся за счет наносимого металла. Все указанное приводит к уменьшению расхода наносимого металла по сравнению с нанесением покрытия погружением в ванну. Замена установок химической и электрохимической подготовки поверхности изделий на камеру нагрева в окислительной среде позволяет практически устранить загрязнение окружающей среды вредными хлористыми и сернистыми соединениями. На фиг. 1 изображен предлагаемый агрегат для нанесения покрытия в разрезе; на фиг.2 - установка для нанесения покрытия в разрезе. Агрегат для нанесения покрытия из цинка, алюминия и их сплавов на наружную поверхность длинномерных цилиндрических изделий содержит последовательно расположенные: механизм размотки бунта 1, камеры нагрева в окислительной 2 и восстановительной защитной среде 3, выполненных, например, в виде муфельных проходных электропечей, камеру охлаждения 4 в восстановительной защитной среде, две идентичные установки для нанесения покрытия 5 и 6, каждая из которых выполнена в виде камеры 7, заполненной восстановительной средой и обогреваемой нагревателем 8, внутри которой имеются сливная 9 и приемная 10 емкости для расплава, расположенные друг под другом, причем сливная емкость 9 снабжена конусным сливным каналом 11, в котором отношение площади поперечного сечения F2 меньшего отверстия О2 к площади поперечного сечения F1 большего отверстия Ο1 равно 0,5-0,7, а в стенках камеры 7 и в конусном сливном канале 11 по одной горизонтали выполнены сквозные отверстия соответственно О3, О6 и O4, О5, площади поперечных сечений которых F3 одинаковы и равны площади поперечного сечения F2 меньшего отверстия О2 конусного сливного канала 11,а большее отверстие Ο1 конусного сливного канала закрывается стопором 12, имеющем возможность осуществлять вертикальное перемещение. Помимо того, камера 7 оснащена системой подачи расплава 13 из приемной 10 в сливную 9 емкости с помощью заборника 14 и слива 15, выполненных в виде каналов, причем канал заборника 14 снабжен загрузочной камерой 16 для восполнения расплава. Кроме этого, агрегат содержит также два идентичных устройства для обдува изделий восстановительной защитной средой 17 и 18, выполненных, например, в виде кольцевого спрейера, одно из которых (17) расположено за установкой для нанесения покрытия 5, а второе (18) - за установкой для нанесения покрытия б, за которым установлены последовательно устройство водяного охлаждения 19 и механизм намотки 20 длинномерных цилиндрических изделий в бунт. Между механизмом размотки бунта 1 и камерой нагрева в окислительной среде 2, а также перед механизмом намотки 20 расположены соответственно направляющие 21 и 22. Агрегат работает следующим образом. Длинномерное цилиндрическое изделие 23, например, проволока, свернутое в бунт и расположенное на механизме размотки 1, с помощью механизма намотки 20 распрямляется в линию, освобождая при этом свою наружную поверхность, и проходит с необходимой скоростью последовательно через все составные части агрегата. С механизма размотки 1 изделие 23 попадает в направляющую 21, которая обеспечивает его размещение по продольной горизонтальной оси агрегата. Затем изделие 23 перемещается в камеру нагрева окислительной среде 2, в которой оно нагревается до температуры 550-600°С, при этом происходит испарение, возгонка и разложение имеющейся на поверхности изделия 23 технологической смазки, а также образование на его поверхности тонкой окисной пленки. Последняя восстанавливается в камере нагрева 3, рабочее пространство которой заполнено восстановительной защитной средой, при нагреве до 780-800°С, после чего происходит охлаждение изделия 23 в камере 4 с восстановительной защитной средой до температуры, при которой осуществляется нанесение покрытия на его наружную поверхность. Изделие 23, имеющее требуемую температуру, через отверстие О3 площадью поперечного сечения F3 в корпусе камеры 7 попадает в установку нанесения покрытия 5, заполненную восстановительной защитной средой и разогретую до заданной температуры с помощью нагревателя 8. При прохождении изделием 23 конусного сливного канала 11 через горизонтальные отверстия O4 и O5 в стенках последнего также с площадями поперечных сечений F3 происходит нанесение покрытия на наружную поверхность изделия 23 в результате истечения расплава через канал 11. При этом расплав из сливной емкости 9 при открытом стопоре 12 через отверстие Ο1 площадью F1 поступает в конусный сливной канал 11 и вытекает через нижнее О 2 и боковые отверстия O4, O5 площадью F2 и F3 соответственно, собираясь затем в приемной емкости 10. Система подачи расплава 13 из приемной 10 в сливную 9 емкости обеспечивает перекачку расплава через заборник 14 и слив 15. Восполнение расходуемого расплава происходит через загрузочную камеру 16, которая постоянно продувается восстановительной защитной средой. Равномерное по периметру и длине омывание расплавом изделия 23 в конусном сливном канале 11 обеспечивается за счет того, что отношение площадей отверстий последнего F2 и F1 равно 0,5-0,7. Изделие 23 покидает установку нанесения покрытия 5 через отверстие О6 в корпусе камеры 7 площадью F3 и поступает в устройство для обдува изделий 17, в котором рабочим телом является восстановительная защитная среда, где происходит как удаление излишков расплава, так и формирование равномерного по периметру покрытия, после чего направляется в установку нанесения покрытия 6, по конструкции идентичной установке 5, и в устройство для обдува изделий 18, в которых происходит окончательное формирование качественного, необходимой толщины покрытия. Далее в устройстве 19 осуществляется охлаждение изделия 23 водой, после чего оно в холодном состоянии сматывается в бинт механизмом намотки 20. Соосность изделия и агрегата обеспечивается направляющей 22. Следует отметить, что длинномерное цилиндрическое изделие 23 с момента поступления в камеру нагрева 3 и до выхода его из устройства для обдува 18 постоянно находится в среде восстановительного защитного газа. Предлагаемый агрегат и агрегат по прототипу были опробованы на опытном заводе. Опыты проводились на проволоке из Ст. 10 диаметром 2,0 мм, прошедшей холодную деформацию. В качестве защитной среды использовали газ, содержащий 50% водорода и остальное - азот, с влажностью, соответствующей температуре точки росы минус 40°С. Расход защитного газа составлял-3,0 м3/ч. Для нанесения покрытия использовали цинк марки ЦО (ГОСТ 3640-79), алюминий (ГОСТ 11069-74), а также цинка-люминиевый сплав типа покрытия "гальвалюм" следующего состава: 55% алюминия (ГОСТ 11069-74), 1,6% кремния (ГОСТ 216973), остальное - цинк. Скорость перемещения проволоки через агрегат составляла 3,5 м/мин. При нанесении покрытий на агрегате по прототипу проволока предварительно подвергалась электрохимической обработке, которая заключалась в том, что ее помещали на 20 с в раствор, содержащий 110 г/л натрия сухого и 60 г/л жидкого стекла, имеющий температуру 70°С, плотность тока при этом составляла 40 А/дм2. После этого проволока проходила химическую обработку, т.е. подвергалась сначала травлению в течение 5 мин в 20%-ном водном растворе соляной кислоты с добавкой ингибитора ПКУ-М в количестве 0,5 г/л, имеющем температуру 60°С, а затем осуществлялась ее промывка в холодной (18°С) проточной воде в течение 5 мин. Параметры проведения сравнительных экспериментов как на предлагаемом агрегате, так и на агрегате по прототипу, и полученные при этом результаты приведены в таблице. Пробы окружающей среды отбирались до и в период осуществления операций нанесения покрытий на проволоку. Количество вредных веществ в них определялось аналитическим методом. Внешний вид покрытия определяли визуально, его толщину- металлографическим методом и прибором МТ-41 НЦ. О количестве интерметаллидов (железо-цинковые или алюмоцинковые соединения) в расплаве судили по количеству в последнем железа. Количество металла, пошедшего непосредственно на покрытие, определяли гравиметрическим методом (ГОСТ 9302-79). Проведенные эксперименты и полученные при этом данные показывают, что в результате применения предлагаемого агрегата при нанесении покрытий (п. 1-3, 5-7, 9-11) в отличие от агрегата по прототипу (п.4, 8, 12) не происходит загрязнения окружающей среды, так как полностью исключены операции электрохимической и химической очистки поверхности проволоки, которые при применении известного агрегата давали выбросы в атмосферу паров кислоты и газообразных продуктов взаимодействия флюса с расплавом, а также способствовали образованию сточных вод. Кроме этого, как видно из таблицы, при применении предлагаемого агрегата улучшается качество покрытия из-за отсутствия непокрытых участков на проволоке, причем покрытия имели гладкую и светлую поверхность в отличие от покрытий, полученных на известном агрегате, имевших шероховатости из-за выхода отдельных интерметаллидов на поверхность. Помимо всего, в предлагаемом агрегате потеря металла покрытия в 5-6 раз меньше, а также содержание железа в расплаве после нанесения покрытий в 110-130 раз меньше, чем в агрегате по прототипу, из-за отсутствия окисления расплава, так как он постоянно находится в среде восстановительного защитного газа, а также из-за отсутствия в расплаве металлических деталей (погружного оборудования).