Владимир Парамонов
Государственный научный центр РФ "ЦНИИчермет им. И. П. Бардина"

    Нанесение различных покрытий (металлических, полимерных, эмалевых) на поверхность стальных полуфабрикатов фактически переводит их в новый, весьма динамично развивающийся класс конструкционных материалов. Высокая коррозионная стойкость, прекрасная обрабатываемость и отличное сочетание механических характеристик, превосходные декоративные свойства обеспечивают этим изделиям широкое применение в различных сферах хозяйства (строительство, транспортное машиностроение, упаковка, товары длительного пользования и т.д.). Экономическая эффективность использования стальной продукции с покрытиями обуславливается существенным повышением надежности и сроков эксплуатации, а также ее относительно небольшой стоимостью по сравнению с прокатом из нержавеющей стали и цветных металлов. Если условно принять срок эффективного использования стального холоднокатаного листа за единицу, то для горячеоцинкованного листа этот показатель может составить не менее 1,3; для алюминированного листа – 1,4; для листа с полимерным покрытием – 2,4. Следует отметить также высокую рентабельность производства листа с покрытиями, которая составляет при выпуске белой жести около 45 %, а горячеоцинкованного листа – 40 %, что обеспечивает быструю окупаемость инвестиционных затрат в производственное оборудование.

    Россия пока отстает
    В промышленно развитых странах доля стального листа с покрытиями составляет более половины всего холоднокатаного листового проката при четко выраженной тенденции дальнейшего роста этого показателя. Наиболее динамично (среднегодовой темп прироста 5,6 % за 1989 – 1996 гг.) растет производство оцинкованного металла. По данным аналитиков компании CRU International, в Северной Америке ежегодные темпы прироста оцинкованного листа в последние 15 лет составили около 6,6 %, в том числе полученного электролитическим способом – более 14 %. В странах Западной Европы этот показатель составил в среднем около 5 и 3 % соответственно.
    По оценкам журнала "Metal Bulletin", темпы производства оцинкованного листа в указанный период существенно опережали динамику выплавки стали. В ближайшие годы весьма вероятен дальнейший прирост мощностей по выпуску этой продукции в Северной Америке на 5 млн. т, в Европе – не менее чем на 2 млн. т, в Азии – на 8 млн. т. В значительной мере это объясняется ростом спроса со стороны автомобильных компаний.
    Другим крупным потребителем продукции с покрытиями является строительный комплекс, где широко используются листовые полуфабрикаты с полимерным (в основном лакокрасочным) покрытием, наносимым на оцинкованный металл на специализированных агрегатах (Coil Coating). Так, в Германии в настоящее время выпускается около 1,3 млн. т, в Италии – более 750 тыс. т, в Испании – 630 тыс. т, в Великобритании – более 400 тыс. т таких полуфабрикатов.
    Существенные структурные сдвиги в последние годы наблюдались в производстве жести с покрытием оловом и хромом (TFS), которая является основным материалом для упаковки различных пищевых продуктов. В этой сфере основным направлением было снижение толщины жести до 0,17 – 0,19 мм и уменьшение слоя оловянного покрытия до 1,3 г/м. Это, безусловно, способствует повышению эффективности использования жести, так как снижение объема производства в весовых показателях сопровождается его существенным приростом по показателям площади.
    Развитие производства металлопродукции с покрытиями в СССР существенно отставало от уровня ведущих промышленно развитых стран. Это отставание сохранилось и в России, где за годы реформ практически во всех отраслях экономики наблюдается спад производства и потребления всех видов металлопродукции с покрытиями (см. таблицу). В общем объеме производства проката доля этой продукции в России составляет в настоящее время около 3 % (для сравнения в США – 23 %, в Германии – около 19 %, в Японии – 15 %).
    Среди продукции с покрытиями в России в наибольшем объеме производится горячеоцинкованный лист, который выпускают АО "ММК", АО "НЛМК" и АО "Северсталь", небольшое количество электролитически оцинкованной и освинцованной стали производит АО "Лысьвенский металлургический завод".
    В Казахстане осуществлен пуск и начато освоение нового высокопроизводительного агрегата горячего цинкования и нанесения покрытия цинкоалюминиевыми сплавами типа "гальвалюм" (55 % Al, 43 % Zn).
    Большая часть оцинкованного листа используется в строительстве, в основном в виде профилированного настила для кровельных и стеновых панелей для промышленных и административных зданий, сельскохозяйственных строений, сборных складских помещений, а также в жилищном индивидуальном строительстве. Значительная часть оцинкованного металла экспортируется. Однако в связи с наметившимся ростом промышленного и жилищного строительства доля экспорта оцинкованной стали, очевидно, в ближайшие годы будет сокращаться, а внутреннее потребление оцинкованного листа расти.

    Главный потребитель – автопром
    Одним из основных потребителей оцинкованной стали в развитых странах является автомобильная промышленность. В последнее время значительно возросли требования по коррозионной стойкости кузовов и других узлов автомобилей в связи с необходимостью увеличения сроков их эксплуатации. Крупнейшие металлургические и автомобилестроительные фирмы пошли на значительные капиталовложения для организации производства различных видов оцинкованной стали для кузовных и других деталей при существенном повышении качества металлопродукции, что позволяет автозаводам обеспечивать гарантированную длительность службы кузовов автомобилей в отношении косметической и сквозной коррозии. Сегодня, без преувеличения, качество и конкурентоспособность автомобиля напрямую зависят от применения оцинкованной стали для кузовных деталей.
    Для России с ее суровыми климатическими условиями, с большим использованием солей и кислот в зимний период применение оцинкованной стали исключительно важно. Однако в настоящее время в автомобильной промышленности России оцинкованная сталь применяется сравнительно мало. На кузовных деталях российских машин косметическая коррозия, т. е. первые следы ржавчины, появляется уже в первые 1 – 2 года эксплуатации, а через 3 – 5 лет имеет место многочисленная сквозная коррозия. Только в последние 2 года на АвтоВАЗе начали использовать электролитически оцинкованную сталь с односторонним покрытием для автомобилей ВАЗ 2110, некоторое количество оцинкованного листа используется для моделей 2108 и 2109. Для этих целей в 1997 году было закуплено по импорту около 40 тыс. т электролитически оцинкованной стали. В 1998 году потребность ВАЗа составляет 45 тыс. т, в 2000 году – около 100 тыс. т, а в 2003 году – 150 тыс. т.
    Потребность в оцинкованном стальном листе АО "ГАЗ" и АО "АЗЛК" на ближайшие годы оценивается как минимум в 100 тыс. т ежегодно.
    Можно ожидать, что после реализации намеченных мероприятий по развитию автомобильной промышленности потребность в оцинкованном листе составит примерно 200 тыс. т в 2000 году и 250 тыс. т в 2005 году, хотя по нормам потребления оцинкованного листа на один автомобиль в Западной Европе и Америке (330 – 350 кг) для намеченного производства автомобилей в указанные годы потребность в этой продукции должна быть в два раза больше.
    Как известно, основным материалом, применяемым для изготовления кузовных деталей автомобилей, является электролитически и горячеоцинкованная сталь с высокими пластическими свойствами. При этом в мировой практике доля электролитически оцинкованного металла с односторонним и двусторонним покрытием в автомобилестроении значительно превосходит долю горячеоцинкованного листа. Однако, учитывая меньшую стоимость горячеоцинкованного листа и возможность получения покрытия в виде железоцинкового сплава ("гальванил") с высокими пластическими свойствами за счет применения сверхнизкоуглеродистых сталей типа "IF", доля используемой горячеоцинкованной стали в ближайшем будущем значительно возрастет.
    Все построенные и реконструированные в последние годы за рубежом агрегаты горячего цинкования специализированы на производстве горячеоцинкованного автолиста и имеют в своем составе специальную, чаще всего индукционную, печь для получения "гальванила" (содержание железа около 12 %).

    В настоящее время автомобильные заводы России оснащены в значительной мере устаревшим оборудованием и не могут использовать всю гамму оцинкованных сталей. Так, АвтоВАЗ для основных кузовных деталей может использовать только электролитически оцинкованную сталь с односторонним покрытием, а для других деталей автомобиля – некоторое количество горячеоцинкованной стали. Другие автозаводы находятся не в лучшем положении и не смогут без дополнительного оснащения широко использовать оцинкованный лист. В то же время проблему широкого использования оцинкованного листа заводы вынуждены будут решать незамедлительно, так как дальнейшее производство автомобилей без противокоррозионной защиты не обеспечит необходимого сбыта внутри страны, а тем более, выход на мировой рынок.
    В настоящее время очевидно, что развитие отечественной автопромышленности во многом связано с организацией производства электролитически оцинкованной стали всего необходимого сортамента и горячеоцинкованной стали с высокими пластическими свойствами.
    Сегодня в России подобную металлопродукцию производит Лысьвенский завод, однако размерный ограниченный сортамент не позволяет использовать ее для кузовных деталей автомобилей.
    Для организации производства электролитически оцинкованной стали, в объемах и сортаменте удовлетворяющей потребность автопромышленности, необходим ввод новых агрегатов. Ранее было намечено строительство двух агрегатов на Новолипецком и Магнитогорском металлургических комбинатах производительностью по 300 – 350 тыс. т в год. Однако, учитывая ограниченность средств, намечалось в первую очередь (до 2000 года) провести дооборудование агрегата полимерных покрытий АО "НЛМК" узлом электроцинкования и реконструировать агрегат Лысьвенского завода на ширину полосы до 1800 мм, что в значительной мере позволило бы снять дефицит в этом материале.
    Главным лимитирующим фактором является недостаточно развитая машиностроительная база, и отсюда низкий уровень технологической части оборудования агрегата электролитического цинкования.
    Следует отметить, что выпускаемое ранее отечественное оборудование для нанесения покрытий отличалось конструктивными ошибками и плохим качеством изготовления, что приводило к необходимости многочисленных переделок отдельных узлов оборудования, а сроки освоения непомерно затягивались. Особенно плохого качества было оборудование химической и электрохимической обработки, включая вспомогательное оборудование, сварочные машины, электрическое оборудование и автоматику.
    В связи с этим наиболее целесообразным представляется проведение проектирования и изготовление в АО "Уралмаш" хвостовой и головной частей агрегатов с привлечением одной из специализированных зарубежных фирм для изготовления остальной технологической части агрегата. Для полного удовлетворения потребностей автопромышленности в листовом прокате с покрытиями для кузовов в обозримой перспективе целесообразно строительство двух агрегатов электролитического цинкования на АО "НЛМК" и АО "ММК", а также реконструкция агрегатов горячего цинкования на АО "Северсталь" и АО "ММК" с частичным переводом их на производство оцинкованного автомобильного листа.

    Жесть и полимеры
    Для России серьезные проблемы в производстве жести всего необходимого сортамента возникли после разрыва традиционных связей с Казахстаном и сокращения поставок жести с Карагандинского металлургического комбината (ИСПАТ-КАРМЕТ). Магнитогорский металлургический комбинат остался единственным в России производителем жести, причем его устаревшее оборудование не обеспечивает производства всех видов и сортамента жести, требуемого современным потребителем.
    Цех жести АО "ММК" не выпускает наиболее дефицитные виды жести – толщиной 0,18 – 0,20 мм, шириной более 820 мм, жесть двойной прокатки, тончайшую жесть 0,14 – 0,15 мм. Сокращено до минимума производство хромированной жести на Лысьвенском металлургическом заводе из-за высокой стоимости подката, поставляемого из Караганды.
    Таким образом в России не производятся наиболее экономичные виды жести, потребность в которых удовлетворяется за счет импорта. В этой связи в ближайшей перспективе необходима реконструкция цеха жести АО "ММК" с целью обеспечения производства всего требуемого сортамента и увеличения общего производства жести.
    Серьезной проблемой является отработка сквозной технологии производства жести от выплавки стали до электролитического лужения и отделки белой жести. На Магнитогорском металлургическом комбинате эта проблема возникла в связи с переходом на производство жести из конвертерной стали непрерывной разливки. Международными стандартами предусматривается строгое ограничение по составу стали, включая такие элементы, как алюминий, кремний и другие, что особенно важно при производстве жести с тонкими покрытиями первого класса и ниже. Такие покрытия становятся основными, поэтому и процесс электролитического лужения должен обеспечивать получение покрытия высокой коррозионной стойкости, главным образом за счет высокой плотности и равномерности оловянного слоя.
    Этим требованиям отвечает новый процесс электролитического лужения из сульфаминового электролита, разработанный ГНЦ "ЦНИИчермет" совместно с АО "ММК" и "ИСПАТ-КАРМЕТ". Процесс является экологически чистым по сравнению с применяемым ранее, где использовалась фенолсульфоновая кислота, и обеспечивает высокую плотность и равномерность оловянного покрытия, отсутствие краевого эффекта и других дефектов покрытия, характерных для старого электролита. Новый процесс электролитического лужения внедрен на всех агрегатах АО "ММК" и "ИСПАТ-КАРМЕТ", к нему также проявляет интерес ряд зарубежных фирм.
    Анализ потребления жести показывает, что в дальнейшем потребуется строительство нового цеха жести мощностью до 500 – 700 тыс. т в год с набором оборудования, обеспечивающим производство всех современных видов жести.
    Производство стальной полосы с полимерными покрытиями (Coil Coating) было создано в бывшем СССР на ряде металлургических комбинатов, заводах строительной индустрии и др. Оборудование в основном было закуплено по импорту и представляло собой непрерывные линии для нанесения на стальную оцинкованную или алюминиевую полосу различных полимерных покрытий. Во многих случаях в комплект оборудования входили профилегибочные станы и другое оборудование для изготовления профилированного настила, стеновых и крышных панелей. Во всех линиях полимерных покрытий предусмотрена современная технология нанесения покрытий в виде лакокрасочных, органозольных, пластизольных и пленочных материалов. В России наиболее крупные агрегаты работают в АО "НЛМК", "Профнастил" (Челябинск), АО "Электрощит" (Самара), АО "Совиталпродмаш" (Волжск), АО "Лысьвенский металлургический завод" и др. Общая мощность всех линий составляет более 350 тыс. т/год. Однако в 1997 году было произведено всего около 25 тыс. т оцинкованной стали с полимерными покрытиями, что объясняется спадом в промышленном и гражданском строительстве, высокой ценой отечественных и зарубежных полимерных материалов и, как следствие, высокой стоимостью такого материала для отечественного потребителя.
    Совершенно очевидно, что такой материал, как оцинкованная сталь с полимерными покрытиями, имеющая практически неограниченный срок безремонтной службы, нашедшая в мире самое широкое применение в строительстве, машиностроении, бытовой технике и др., не может быть не востребован отечественным потребителем. Уже сейчас потребность в этом материале начинает расти за счет использования его в виде профилированного настила в индустриальном строительстве при сооружении торговых комплексов, кафе, ресторанов, в индивидуальном строительстве в виде металлочерепицы для крыш и др.

    Основа прогресса – научные разработки
    Государственный научный центр РФ "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" является одним из ведущих научных подразделений в области металлопродукции с покрытиями. Многие его разработки соответствуют самым высоким международным стандартам. Авторитет института в этой области способствует привлечению заказчиков и быстрому внедрению научных разработок в производство. Так, важная задача по разработке технологии и организации производства полосы с электролитическим покрытием сплавом свинец-олово для бензобаков автомобилей была в короткие сроки решена учеными ГНЦ "ЦНИИчермет" совместно со специалистами АО "Лысьвенский металлургический завод" и АО "АвтоВАЗ".
    Для агрегатов электроцинкования разработана современная скоростная технология нанесения покрытия цинком, сплавами цинк-никель, цинк-железо, а также с возможностью дополнительной хром-хроматной обработки.
    Особо следует остановиться на разрабатываемом совместно с фирмой "Маннесманн Демаг" процессе под условным названием "Вертикаль". Суть его заключается в использовании МГД затвора для удержания жидкого металлического расплава в процессе нанесения горячих покрытий (цинкования, алюминирования, алюмоцинкования – гальвалюм) при вертикальном прохождении полосы через жидкий расплав. В этом процессе полоса проходит вертикально через ванну покрытия, при этом отсутствует всякое погружное оборудование, и стальная полоса имеет очень короткий контакт с расплавом металла покрытия. Такой процесс опробован на опытном агрегате с движущейся полосой шириной до 250 мм. В ближайшем будущем этот процесс будет опробован на одной из промышленных линий с последующим внедрением его на другие агрегаты, особенно для процессов алюмоцинкования (гальфан, гальвалюм) и алюминирования.
    На стадии опытно-промышленного внедрения находится процесс получения так называемых оксидных покрытий стальной полосы. Процесс заключается в том, что при непрерывном отжиге тонкой стальной полосы в одной из промежуточных камер охлаждения производится регулируемое окисление поверхности, в результате которого образуется тонкая и прочносцепленная оксидная пленка необходимого состава. Такое покрытие, самостоятельное или в сочетании с лакокрасочным покрытием, может быть использовано в различных областях применения.
    Серьезной задачей является коренное усовершенствование процессов нанесения покрытий металлическим хромом и хроматными пленками, которые в настоящее время осуществляются из электролитов и растворов на основе шестивалентного хрома и широко используются при производстве жести типа TFS. В лабораторных условиях нами разработан процесс по получению хромового покрытия на жести (TFS) из экологически чистых электролитов, основанный на использовании солей трехвалентного хрома, а также получение покрытий из сплавов железо-хром, имеющих высокую коррозионную стойкость, хорошую адгезию лакокрасочных материалов и способность к сварке.
    Перспективным и оригинальным является процесс, также разработанный в лабораторных условиях, получения тонких железных полос из чистого железа электролитическим способом. Эта технология включает в себя три передела: электролиз, термообработку и холодную прокатку. Изменяя режимы этих переделов, можно изменять в довольно широком диапазоне физико-механические и магнитные свойства тонких железных полос. Производство таких полос можно организовать как в составе металлургического предприятия, так и на других заводах. Потребителем тонких полос из чистого железа является электронная и электротехническая промышленность.
    Оригинальная технология нанесения лакокрасочных покрытий внедрена на Лысьвенском металлургическом заводе. Она заключается в электростатическом распылении лакокрасочного материала на движущуюся стальную полосу с последующей индукционной сушкой покрытия. В этом процессе отсутствуют традиционные печи для сравнительно длительного процесса полимеризации лака, а весь процесс термообработки занимает несколько секунд. По такой технологии на Лысьвенском металлургическом заводе производится лакирование жести типа TFS.
    Эти и некоторые другие процессы могут лечь в основу новых технологий, реализуемых в XXI веке при производстве листового проката с покрытиями.