Современное производство эмалированной посуды

Введение

Эмалирование — процесс нанесения на поверхность металлических изделий тонкого слоя специального стекла (эмали). К настоящему времени отрасль достигла такой степени совершенства, что об эмалированном металле можно говорить как о композиционном материале, сочетающем прочностные свойства металлической основы с коррозионной стойкостью стекла.

Эмалирование стали, чугуна, алюминия, титана, цветных металлов и сплавов является одним из эффективных способов защиты их поверхности от коррозии.

Эмалевые покрытия обладают рядом преимуществ перед другими антикоррозийными покрытиями: повышенной коррозийной стойкостью к растворам кислот, щелочей и солей при относительно высокой температуре (обычно до 3000С, в специальных случаях до 6000С), неизменностью эксплуатационных свойств на протяжении десятков лет, полным отсутствием склонности к старению, зеркальной гладкостью поверхности, обуславливающий весьма низкий коэффициент трения и отсутствие адгезии к ней высоковязких полимерных веществ и твердых выделений из нефтепродуктов, легкостью очистки, устойчивостью к коррозии, повышенной прочностью на истирание, стойкостью к воздействию атмосферы. Одновременно эмалирование позволяет решить вопросы дизайна изделий бытового и промышленного назначения, в том числе с использованием их декоративно — художественной, ручной и механической обработки.

Специфические свойства названных покрытий обусловили применение эмалированных металлов при производстве предметов быта (кухонная и столовая посуда, газовые и электроплиты, микроволновые печи, нагревательная аппаратура, холодильники, стиральные и посудомоечные машины, санитарно — технические изделия и др.), химического, фармацевтического и пищевого оборудования (реакторы, автоклавы, емкости, теплообменники, насосы); трубопроводов для транспортировки химических продуктов, нефти и газа, мелиорация, коммунального водои теплоснабжения; архитектурно — строительных изделий для наружной и внутренний облицовки зданий, туннелей и станций метрополитена и вокзалов, сельскохозяйственных сооружений; энергетического и транспортного оборудования и полуфабрикатов; деталей и узлов электронной, лазерной и медицинской техники.

Кухонная посуда — наиболее распространенный вид стальных изделий, подвергаемых эмалированию. Надежная защита металла от коррозии, нерастворимость эмали в пищевых продуктах при их кипячении, легкость очистки, красивый внешний вид сделали эмалированную посуду незаменимым предметом домашнего обихода. Поэтому, несмотря на некоторые достоинства изделий из нержавеющей стали, алюминия и пластмасс, производство эмалированной посуды из года в год растет.

1. Выбор ассортимента и технология производства В последнее время в связи с постоянно растущей стоимостью энергетических и сырьевых ресурсов все более актуальной становится проблема защиты металлических изделий и конструкций с применением стеклокомпозиционных покрытий. Это обусловлено целым рядом аспектов, а именно обеспечением снижение коррозионной активности металлов при воздействии различных, в том числе и агрессивных сред, повышением срока службы изделий, приобретением изделиями жаропрочности и термостойкости, дополнительных эстетико-потребительские свойств. Кроме того, как правило, покрытия синтезируются на основе недорогих и нетоксичных компонентов и являются экологически чистыми, т. е. изделия с нанесенными покрытиями способны контактировать с любыми пищевыми продуктами.

Однако, несмотря на ряд очевидных достоинств, стеклопокрытия имеют и недостатки, основными из которых являются повышенная хрупкость и зачастую недостаточная прочность сцепления с разнородными подложками. Эти недостатки существенно ограничивают область применения стеклопокрытий и стекломатериалов в целом.

Номенклатура стальных эмалированных изделий весьма широка и включает две основные группы продукции: из тонкои толстолистовой стали. К изделиям первой группы относится хозяйственная посуда; газовые и электрические плиты и другое кухонное оборудование; холодильники и стиральные машины; водонагреватели и теплообменники; санитарно-техническое оборудование; архитектурно-строительные детали и средства сигнализации. В последнее время эта группа расширилась за счет изделий из алюминированной стали и оборудования медицинского назначения.

Изделия второй группы представлены главным образом химической аппаратурой, теплотехническим оборудованием и трубами.

1.1. Стальная эмалированная посуда Не смотря на недостатки стеклопокрытий, они широко используются в области обработки кухонной посуды. Надежная защита металла от коррозии, нерастворимость эмали в пищевых продуктах при их кипячении, легкость очистки, красивый внешний вид сделали эмалированную посуду незаменимым предметом домашнего обихода. Поэтому, несмотря на некоторые достоинства изделий из нержавеющей стали, алюминия и пластмасс, производство эмалированной посуды из года в год растет.

Стальная эмалированная посуда обладает комплексом ценных функциональных, эстетических и других потребительских свойств. Стальная эмалированная посуда производится из тонколистовой углеродистой стали толщиной 0,5−2,5 мм и покрывается защитно-декоративным слоем силикатной эмали. Корпус посуды изготавливается штамповкой, изделия с длинным корпусом — вытяжкой, ручки — вырубкой, крупногабаритные изделиясшивкой. Ручки и носики прикрепляются к корпусу точечной электросваркой. Для ручек применяются древесина лиственных пород, пластмасса (аминопласты), керамика.

По конфигурации корпуса стальная эмалированная посуда бывает цилиндрическая, прямоугольная, коническая, сферическая, сложная (комбинация различных форм).

Ассортимент стальной эмалированной посуды для тепловой обработки пищевых продуктов включают в себя: кастрюли различной формы, в том числе для электроплит, чайники, кофейники. Кастрюли для электроплит имеют стенки не более 1,2 мм и утолщенное дно (не менее 2 мм), которое должно плотно соприкасаться с поверхностью электроконфорки и быть не меньше ее минимального диаметра.

Стальная эмалированная посуда выпускается комплектами, оформленная в едином стиле цветной эмалью и деколями: несколько кастрюль различной вместимости или 2—3 кастрюли различной вместимости и другие изделия (чайник, миска, дуршлаг и т. п.). Вместимость кастрюль 0,8—12 л, максимальный наружный диаметр корпуса: 125, 140, 160−220, 280, 320 мм.

Современное производство эмалированной посуды различной формы и размеров, в том числе кастрюль, чайников, кофейников, ведер, бидонов, баков, кружек, мисок и др., осуществляется по традиционной технологии «два слоя — один обжиг» (2C/2F). В случае изделий, высота которых значительно меньше, чем диаметр, за рубежом все чаще используют технологию «два слоя — один обжиг» (2C/1F) «Combismalt» и очень ограниченно — 2C/1 °F с применением электростатического нанесения покрытий.

1.2 Описание технологии эмалирования Штамповка и раскрой стали. Эмалированные посудные изделия должны быть красивыми, легкими, прочными и удобными в эксплуатации. Конфигурация изделия должна быть удобной для массового изготовления методом холодной штамповки и для нанесения эмали методом окунания.

Простые симметричной формы изделия изготовляют в основном способом холодной штамповки. Изделия бывают цельнотянутые и сборные. Отдельные части сборных изделий соединяют главным образом электрической контактной сваркой. Холодная штамповка тонколистового металла с применением вытяжки широко используется для изготовления посуды. размеров, благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов. Для посудных изделий применяют главным образом листовую малоуглеродистую сталь толщиной 0,5—0,8 мм. Арматуру штампуют на прессах простого действия или на прессах-автоматах.

Подготовка поверхности под эмалирование. На поверхности металла перед эмалированием не должно быть никаких посторонних веществ, так как иначе не сможет произойти необходимое полное взаимодействие между эмалью и металлом. Все загрязнения должны легко удаляться при помощи обычных средств подготовки поверхности металла к эмалированию.

Загрязнения удаляют травлением или восстановлением окислов и последующей тщательной промывкой. Различают: кислотное травление, высокотемпературное термическое обезжиривание, обработку давлением, химическое обезжиривание с использованием органических растворителей, обезжиривание в щелочных растворах с добавками эмульгаторов и веществ, улучшающих смачивание поверхности металла.

Травление. В процессе производства посудных изделий из тонколистовой стали, предназначенных для эмалирования, поверхность металла многократно подвергают воздействию кислорода воздуха при повышенных температурах, результатом чего является ее окисление.

Окалину можно удалять различными способами. Наиболее широко распространена обработка водными растворами минеральных кислот. Стальные изделия, с поверхности которых удалены жировые пленки и другие загрязнения, а также органические вещества (мыла, эмульсии), образовавшиеся в процессе обезжиривания, погружают на соответствующее время в раствор минеральной кислоты или обрызгивают этим раствором. Для этой цели применяют серную или соляную кислоту. Фосфорную кислоту применяют реже.

Практически процесс травления осуществляют при низких концентрациях (4—16%) и высокой температуре (60—85° С) или при высокой концентрации (15—20%) и постепенном повышении температуры от 40 до 70° С.

Нейтрализация, промывка и сушка. В цикл подготовки поверхности после каждой химической операции (обезжиривания, травления) входит промывка изделий.

Рекомендуют промывку изделий после обезжиривания производить сначала в умягченной очищенной проточной воде, нагретой почти до кипения, а затем — в холодной проточной воде. Для очистки и умягчения воды, применяемой на эмалировочных предприятиях, специально сооружают водоочистительные и водоумягчительные установки. Нейтрализация — пассивирование поверхности стали, совмещаемое с нейтрализацией последних остатков кислоты и кислых солей, сохранившихся в порах и углублениях стальной поверхности. Изделия помещают на 1—10 мин в раствор, состоящий из кальцинированной соды (3—10 Г/л) и тринатрийфосфата (1—5 Г/л), нагретый до 40—80° С.

После нейтрализации изделия направляют в сушило, в котором с их поверхностей удаляется влага. Безупречную сушку можно осуществить в конвейерных проходных сушильных печах и сушильных шкафах с периодической загрузкой и разгрузкой.

Операцией сушки заканчивают цикл подготовки поверхности изделий к эмалированию. Высушенные изделия поступают на участок приварки арматуры, где устраняют также механические повреждения, возникшие на предшествующих операциях. После приварки арматуры изделия направляют в эмалировочное отделение для нанесения на них шликера.

Сварка и приварка арматуры. Арматуру к изделиям приваривают на контактных сварочных машинах. Сварка корпусов ведер, кофейников, приварка дна к корпусу ведра осуществляется на роликовых электросварочных машинах различных типов: для точечной и стыковой сварки — машины АТМ-10, МТПР-50, МТП-75 и др.; для шовной сварки — машины МШМ-25 и МШМ-5, МШМ-50.

Детали изделий, поступающих на сварку, должны быть очищены от окалины, масла, ржавчины и других загрязнений. В местах приварки арматура должна плотно прилегать к поверхности изделия.

Приготовление шликера. Постоянство свойств шликераобеспечивается возможно более полным воспроизведением основных условий его изготовления и выработки.

1. Однородность и степень провара фритты влияют на выщелачивание эмалевых зерен на протяжении всего процесса изготовления и выработки шликера.

2. Режим грануляции расплава в первую очередь влияет на размольные свойства фритты.

3. Помол эмали производят мокрым или сухим способом в шаровых мельницах. По достижении необходимой степени измельчения зерен эмали шликер выгружают из мельниц самотеком или с помощью сжатого воздуха.

4. Для удаления крупных частиц и частиц магнитных материалов (железо, никель) шликер подвергают процеживанию и магнитной сепарации.

5. Хранение шликера осуществляется следующим образом. После магнитной сепарации и процеживания шликер для старения помещают в емкости, изготовляемые из коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь, эмалированная сталь, керамические материалы, винипластовая футеровка и т. п.). Основное назначение старения состоит в стабилизации свойств шликера.

6. Важнейшее значение для свойств шликера имеет его состав. С помощью мельничных добавок можно регулировать в широких пределах самые разнообразные свойства шликера:

7. Централизованная заправка шликера и доведение его характеристик до требуемых. При нанесении эмалей методом окунания для более крупных изделий берут шликер с меньшим удельным весом, для мелких — с более высоким.

При ручном нанесении шликера несмотря на колебание его характеристик, удается получать при высокой квалификации рабочих относительно стабильное по толщине и равномерности покрытие (разность толщины покрытия в течение смены на разных изделиях составляет 0,02—0,03 мм).

Нанесение шликера. В производстве эмалированной посуды нанесение эмали на изделия до сих пор является почти исключительно ручной операцией. Форма большинства посудных изделий такова, что покрытие их эмалью может быть выполнено только методом окунания или облива.

Эмалируемое изделие зажимают в специальном захвате и полностью погружают в емкость со шликером. Для гарантированного смачивания всей эмалируемой поверхности изделием манипулируют, не вынимая его из емкости. При его извлечении благодаря адгезии и специфическим реологическим свойствам шликера значительная его часть выводится вместе с изделием.

При достаточной квалификации рабочих можно достичь высокой степени равномерности покрытия методом окунания. Так, разнотолщинность грунтовой эмали на простом изделии составляет 0,01—0,02 мм, на изделии сложной формы разнотолщинность покрытия может достигнуть 0,03—0,04 мм (0,11—0,12 мм на дне чайника, 0,08—0,09 мм на носике).

Сушка эмалевых покрытий. Назначение процесса сушки — удаление влаги, содержащейся в эмалевом шликере.

Равномерная и полная сушка эмалевого покрытия требуется для того, чтобы избежать обогащения печной атмосферы парами воды Факторы, влияющие на процесс сушки: температура изделий и окружающей среды, влажность воздуха, плотность эмалевого слоя, его толщина, количество воды в шликере, состав и тонина помола, форма изделия. Определение оптимальных параметров (скорости и температуры) сушки возможно лишь с учетом всех факторов.

Низкая температура и скорость приводят к возникновению на поверхности высушенного грунтового слоя пятен и ржавчины, что свидетельствует о чрезмерном окислении стали и снижает сцепление.

Чрезмерно высокая температура и скорость приводит к неравномерной сушке и образованию на поверхности корки. Такие покрытия претерпевают растягивающие напряжения и склонны к усадке и образованию трещин. Если под коркой остается вода, то при обжиге, в результате спонтанного испарения появляются локальные отслоения «бисквита», вскипы, пузыри.

Сушка эмалевых покрытий (грунтовые и покровные эмали) производится в Печи термообработки, модель PP — TU 27−1.4/1.4

Полная длина конвейера :59 м Длина конвейера в сушиле: 27 м Размеры подвески: 560×900×1000 мм Кол-во регулируемых зон: 1

Максимальная температура:200оС Рабочая температура: 90…130оС Скорость конвейера: 0,6…3,0 м/мин Рабочая скорость: 1,2…1,8 м/мин Обжиг эмалевых покрытий. Назначение процесса обжига — создание стеклоэмалевого покрытия с заданными производителем эмалевой фритты и отвечающими требованиям ГОСТ 24 788–01 свойствами.

Процесс обжига протекает в три стадии — 1-нагрев и оплавление, 2-собственно обжиг (выдержка) и 3-охлаждение.

В первой стадии (500−750?С) Первая стадия заканчивается образованием окисного слоя на поверхности металла и длится 1−2 мин.

Во второй стадии 750.830 оС длится 3−4 минуты.

В третьей стадии (780?-720?С) Процесс длиться около 1 мин. Покрытие должно быть равномерно оплавленным, гладким, блестящим, без пор, пузырей, локальных вскипов. Цвет грунтового покрытия от серо-синего («недожог») до черного (повышенная температура).

Обжиг эмалевых покрытий (грунт и покровная эмаль) производится в газовой U-образной Печи термообработки, модель PP — TU 5,5 -1.4/1.4, регистрационный номер 839.06. Производитель: BOSIOd.o.o

Полная длина конвейера: 50 м Длина конвейера в сушиле: 26 м Длина зоны обжига:6,1 м Размеры подвески: 560×820×800 мм Кол-во регулируемых зон: 6

Максимальная температура:900оС Рабочая температура: 780…840оС Скорость конвейера: 0,6…3,0 м/мин Рабочая скорость: 1,0…1,5 м/мин Кол-во подвесок: 41шт Шаг подвесок: 1219 мм Нагрузка конвейера, брутто: 15 кг/м Декорирование. Одним из способов декорирования эмалированной посуды является декалькомания. Этот способ широко применяется в фарфорово-фаянсовой промышленности. Декалькомания, или деколь — способ получения рисунка путем перевода печатных картинок с бумаги на изделие с последующим обжигом. Широко используетсясдвижная деколь, которая представляет собой бисквит из бумаги и лаковой пленки, причем рисунок печатают сначала на пленке, которую после отверждения разрезают на элементы и переносят на бумагу таким образом, чтобы красочный слой оказался между контактирующими поверхностями. Бумажная основа играет роль защиты для бездефектного хранения и облегчения переноса рисунка на поверхность обрабатываемого изделия. Деколь печатают в условиях полиграфического производства в виде крупномасштабных листов с множеством расположенных на них рисунков. Перед нанесением на эмалированное изделие рисунки вырезают и на короткое время помещают в емкость с водой, бумага набухает и ее связь с лаковой пленкой ослабляется. Затем рисунок прикладывают к поверхности изделия тыльной стороной (изображением вверх) и, прижав слегка пленку, выдергивают из-под нее бумажную основу (т.е. сдвигают рисунок на поверхность изделия). Лаковую пленку тщательно обжимают и разглаживают, исключая наличие под ней воздушных пузырьков. На одно изделие можно нанести любое количество рисунков. После переноса деколей изделие проходит процедуру сушки для удаления остаточной влаги и более плотного прилегания пленки к поверхности изделия. Обжигают деколь (равно как и рисунки, нанесенные трафаретной печатью) в камерных или конвейерных печах. Обычно температура обжига несколько ниже температуры покровной эмали, нарушение этого правила приводит к браку (вжигание рисунка).

Метод декалькомании нельзя механизировать, но он все равно широко применяется в производстве благодаря высокому качеству и художественной ценности наносимых рисунков. При многоцветном декорировании декалькоманией и трафаретной печатью температура обжига всех содержащихся в рисунке красок должна быть приблизительно одинаковой.

Рис. 1 — Технологическая схема производства эмалированной посуды

2. Технологическая часть

2.1. Характеристика сырьевых материалов Сырьевые материалы, которые используют для приготовления эмалей подразделяют на две группы: главные и вспомогательные.

Главными являются сырьевые материалы, которыми в состав шихты для варки стеклоэмали вводятся оксиды-стеклообразователи и оксидымодификаторы.

Вспомогательными являются материалы, которыми вводятся оксиды, придающие эмали дополнительные свойства — это глушители, красители, оксиды сцепления и др.

Оксиды-стеклообразователи. Самым часто используемым оксидом является кремнезем SiO2. Кремнезем образует три группы модификаций: кварц, тридимит, кристобалит. Группы кварца и кристобалита состоят из двух модификаций (и), тридимита из трех (, и). Температура плавления кремнезема — 1728? С.

В качестве источников кремнезема для эмали обычно служат кварцевые пески, очень редко кварциты. Основное требование к этим пескам это содержание SiO2 не менее 96% и Fe2O3 не более 0,3% для светлых эмалей.

Для введения SiO2 используются также полевые шпаты, пегматиты и нефелины. Они являются комплексными сырьевыми материалами, которыми, помимо SiO2, вводятся еще и Na2O, K2O, CaO, Al2O3.

Помимо SiO2, типичными стеклообразователямиявляются B2O3 и P2O5. Для введения В2О3 используются следующие сырьевые материалы: борная кислота H3BO3; бура кальцинированная Na2B4O7 и кристаллическая Na2B4O710H2O и Na2B4O7· 5H2O; борный ангидрид B2O3.

Из экономических соображений могут применяться обогащенные борсодержащие минералы.

В2О3 в эмали действует как флюс, уменьшая длительность варки и снижая вязкость при высоких температурах, понижает поверхностное натяжение, увеличивает блеск покрытий.

Р2О5 вводят в эмаль фосфатамиNa3PO412H2O, Na2HPO42H2O (12H2O), (NH4)2HPO412H2O. Р2О5 способствует выравниванию температурного режима варки эмали; в титановых и циркониевых эмалях он способствует разделению фаз и тем самым — кристаллизации TiO2 и ZrO2.

Al2O3 вводится в эмали вместе с SiO2 с природными алюмосиликатами (полевыми шпатами, пегматитами, нефелинами) или техническими материалами — глиноземом Al2O3 и Al (OH)3. Al2O3 в эмалях проявляет амфотерный характер. При малых концентрациях введение Al2O3 снижает ТКЛР, улучшает химическую стойкость и прочность, способствует глушению эмали, вместе с тем он затрудняет плавление и увеличивает вязкость.

Оксиды щелочноземельных металлов (MgO, CaO, ВаО и SrО) вводятся в шихту эмалей преимущественно карбонатами.

Действие оксидов щелочноземельных металлов в эмали следующее, СаО, ВаО и SrO снижают вязкость. ТКЛР снижается при введении в эмаль в последовательности СаОВаОMgO, при этом прочность повышается. MgO, SrO и СаО повышают химическую стойкость, а ВаО снижает.

Вспомогательными материалами являются глушители, активаторы сцепления эмали с металлами.

Наиболее интенсивными являются глушители, образующие кристаллическую фазу. Важнейший глушитель с кристаллизациейпри обжиге TiO2. В шихту TiO2 как глушитель вводят в количестве 16−20%, причем пригодным для варки белых эмалей является технический продукт с содержанием TiO2 не менее 98%. TiO2 снижает вязкость эмали, повышает кислотостойкость и блеск. Наилучшее глушение эмали TiO2 наблюдается в присутствии В2О3, Al2O3 и Р2О5.

Помимо TiO2, к дисперсионным глушителям относятся SnO2, ZrO2, CeO2, MoO3, соединения мышьяка, ZnS, Sb2O3.

ZrO2 встречается в природе в виде минералов — бадделеита ZrO2 и циркона ZrO2SiO2, применяется в качестве кристаллизующегося глушителя, главным образом, в фосфатсодержащих эмалях. ZrO2 (n = 2,4), помимо глушения, улучшает химическую и термическую стойкость, тугоплавкость и блеск покрытий. Обычно ZrO2 сочетают с Al2O3, SiO2, Al2O3SiO2. Его введение повышает температуру плавления и щелочестойкость эмали.

Классическим дисперсионнымглушителем является SnO2). Это глушитель, который почти не растворяется в расплавленной эмали. SnO2 придает эмали слабый оттенок цвета слоновой кости и используется, прежде всего, для просветления керамических красок в производстве ювелирных изделий.

К глушителям, глушащим за счет выделения газовой фазы, относятся многочисленные фтористые соединения. Ихглушащее действие проявляется как в виде интенсификаторов кристаллизации, так и за счет образования газовой фазы.

К вспомогательным материалам относятся также активаторы сцепления эмали с металлом — оксидные и сульфидныесоединения. К оксидным активаторам сцепления относятся оксиды кобальта, никеля, меди, молибдена, ванадия. Из оксидов кобальта наиболее применимы СоО — серого цвета и Со2О3 — черного цвета, из оксидов никеля: NiO — зеленого цвета и Ni2O3 — черного цвета. Наиболее эффективен оксид кобальта в количестве до 1%. Оксиды никеля действуют слабее и их вводят в 3−4 раза больше, но чаще всего используют совместно оксиды кобальта (0,3−0,5%) и никеля (0,5−2%).

Окислители вводят в шихту эмали для окисления органических примесей в расплаве и создания окислительных условий, способствующих получению окраски или ее нейтрализации, например, для перевода иона Fe2+ в ион Fe3+.

В качестве окислителейиспользуют натриевую и калиевую селитры (NaNO3 и KNO3), пиролюзит MnO2, в отдельных случаях используют и нитрат бария Ba (NO3)2. Нитраты, помимо окислительной роли, выполняют еще и роль плавней.

2.2 Требования, предъявляемые к металлам для эмалирования Выбирая металл для изготовления эмалированных изделий, обычно руководствуются соображениями, диктуемыми технологией изготовления металлической основы изделия, возможностью получить на его поверхности сплошное и прочное эмалевое покрытие без каких-либо дефектов, а также условиями службы готового изделия. При этом учитывают стоимость металла и переработки его в изделие.

Наиболее часто для эмалирования применяют листовую малоуглеродистую сталь. Однако в зависимости от назначения изделий оказывается необходимым применять сталь различных марок.

Существуют общие требования к стали, предназначенной для эмалирования, выработанные практикой производства и установленные в результате многочисленных исследований .

Для осуществления нормального технологического процесса необходимо, чтобы поступающий в производство металл был физически и химически однороден, т. е. имел одинаковый химический состав, макрои микроструктуру, текстуру и состояние поверхности. Если колебания этих характеристик стали окажутся значительными, невозможно будет осуществить постоянство технологических режимов производства и качество эмалированных изделий будет низким.

Сталь для эмалирования должна содержать минимальное количество примесей, неметаллических включений, газов, причем постоянные компоненты стали—углерод, сера, фосфор, марганец, кремний — должны быть распределены в листах стали равномерно. Количество дефектов (расслоений, газовых пустот, плен, пузырей, трещин, раковин, царапин и т. п.) в листах стали должно быть минимальным. Неоднородности любого вида изменяют условия протекания взаимодействия между металлом и расплавленной эмалью в процессе эмалирования, а также условия создания прочной связи эмали с металлом после затвердевания покрытия и являются участками потенциальной возможности возникновения дефектов эмалированных изделий.

На поверхности металла перед эмалированием не должно быть никаких посторонних веществ, так как иначе не сможет произойти необходимое полное взаимодействие между эмалью и металлом. Все загрязнения, в том числе и окалина, образовавшаяся на поверхности листов стали при прокатке, термообработке, горячей штамповке и других операциях, связанных с изготовлением стальной основы изделий, должны легко удаляться при помощи обычных средств подготовки поверхности металла к эмалированию.

За рубежом для изготовления эмалированных изделий обычно поставляют сталь в соответствии со специальными требованиями заказчика и с гарантией ее хорошей эмалируемости.

В нашей стране для производства тонкостенных (до 4 мм) эмалированных изделий (посуды, деталей бытовой газовой аппаратуры и холодильников, санитарно-технических изделий и др.) применяют холоднокатаную малоуглеродистую сталь марок 05кп и 08кп по ЧМТУ 1−568—68 (химический состав по ГОСТу 1050—60). Содержание углерода в ней, по требованию заказчика, не должно превышать 0,1%. Кипящая холоднокатаная сталь обладает лучшими пластическими свойствами, большей чистотой и гладкостью рельефа поверхности.

Для производства эмалированной химической аппаратуры толщиной выше 4 мм' почти исключительно применяют горячекатаную сталь 08 и 10 по ЧМТУ 1−109—67 (химический состав по ГОСТу 1050—60, но с содержанием углерода не более 0,10%).

2.3 Расчет состава эмали ЭСГ-31

Таблица 1. — Химический состав эмали

Таблица 2. -Состав сырьевых материалов

Для получения 100 масс.ч. Стекла необходимо: количество песка — х1; полевого шпата — х2; буры — х3; селитры натриевой — х4; оксид кобальта — х5; оксид никеля — х6; марганцевая руда — х7 ;плавиковый шпат — х8;.

Составляем уравнение для каждого из оксидов, содержащихся в эмали. Уравнения, выражающее содержание в эмали SiO2 получим, учитывая все материалы, которые содержат SiO2и также далее для каждого оксида.

SiO2: 0,972×1 + 0,748×2 +0,075×7 + 0,027×8 =50,0

Al2O3: 0,0143×1 + 0,1325×2 +0,021×7+0,012×8= 5,4

B2O3: 0,34×3=17,0

Na2O: 0,0737×2 + 0,1463×3 +0,361×4=18,0

Co2O3: х5=0,6

NiO: х6 =1,5

MnO2: 0,74×7 =1,5

CaF2: 0,95×8 =6,0

Решая эти уравнения, находим:

х3= 50

х5 = 0,6

х6= 1,5

х7= 2,03

х8 = 6,32

Тогда получаем

SiO2: 0,972×1 + 0,748×2 +0,15 +0,17=50,0

0,972×1+ 0,748×2 =49,68

Al2O3: 0,0143×1 + 0,1325×2 +0,043+0,076= 5,4

0,0143×1+ 0,1325×2 = 5,281

Na2O: 0,0737×2 + 07,315+0,361×4=18,0

0,0737×2+ 0,361×4=10,685

Для вычисления остальных неизвестных необходимо решить систему уравнений с применением матриц

Разделим на коэффициент при х1

Из 2-ой строки вычитаем 1-ю строку

1-ю строку не трогаем, остальное делим на коэффициент при х2

1-ю и 2-ю строки оставляем без изменения, из 3-ей вычитаем 2-ю строку

3-ю строку делим на коэффициент при х4

х1+ 0,77×2 = 51,16

х2 = 37,446

х4=21,954

х1+ 0,77*37,446=51,16

х1 = 22,327

Таким образом, в состав шихты на 100 масс.ч. стекломассы необходимо ввести

Рассчитываем теоретический состав эмали и потери при стеклообразовании. Для этого определяем количество оксидов, вводимых в эмаль каждым материалом шихты, и потери при прокаливании (П.П.П.) материала, т. е. при стеклообразовании.

В состав эмали вводим (%) :

С пескомSiO2: 22,327*97,2 /100=21,702

Al2O3: 22,327*1,43 /100 =0,319

Fe2O3:22.327 * 0.2 / 100= 0.046

ППП: 22,327*1,17 / 100 = 0,26

? = 22,327

Полевым шпатомSiO2:37,446*74,8/100=28,0

Al2O3:37,446*13,25/100=4,96

Fe2O3:37.446*0.05/100=0.002

Na2O :37,446*7,37/100=2.76

ППП: 37,446*4,58/100=1,72

?=37,446

БуройB2O3: 50*34/100=17

Na2O: 50*14,63/100=7,32

ППП: 50*51,37/100=25,68

?=50

Натриевая селитра Na2O: 21,954*36,1/100=7,925

ППП: 21,954*63,9/100=14,029

?=21,954

Оксид кобальтаCo2O3: 0,6*100/100=0,6

Оксид никеля NiO: 1,5*100/100=1,5

Марганцевая рудаSiO2: 2,03*7,5/100=0,15

Al2O3: 2,03*2,1/100=0,04

Fe2O3: 2,03*1,2/100=0,02

MnO2: 2,03*74/100=1,51

ППП: 2,03*15,2/100=0,31

?=2,03

Плавиковым шпатом SiO2: 6,32*2,7/100=0,17

Al2O3: 6,32*1,2/100=0,08

CaF2:6.32*95/100=6.0

ППП: 6.32*1.1/100=0.07

?=6.32

Таблица 3. — Состав шихты и теоретический состав эмали

Рассчитываем выход эмали и потери при стекловании в процентах Выход эмали

Потери при стеклообразовании (угар шихты) составляет :

100−70,41=29,59

Таблица 4. Составы шихты эмалей

Угар покровной эмали ЭСП-160 составил 25,47, а бортовой ЭСБ -1010 — 20,36.

3. Расчет физико-химических свойств эмалей по их химическому составу

3.1 Расчет прочностных свойств Расчет проводят по правилу адидативности, исходя из химического состава.

Таблица 5- Коэффициенты для расчета пределов прочности на расширение и на сжатие

Прочность на сжатие

Rсж=P1R1+P2R2+P3R3+…+PnRn

Rсж=12.3*50.02+9*17+6*18.01=876.306 МПА Предел прочности на сжатие эмали ЭСГ-26 составляет 876,306МПА. По ГОСТу предел прочности на сжатие составляет 500−2000 МПА. Эмаль ЭСГ-26 соответствует стандартам.

Прочность на растяжение

Rр=P1r1+P2r2+P3r3+…+Pnrn

Rр= 0,9*50,02+0,65*17+0,2*18=59,67 МПА Предел прочности на растяжение эмали ЭСГ-26 составляет 59,67МПА. По ГОСТу предел прочности на растяжение составляет 35−100 МПА. Эмаль ЭСГ-26 соответствует стандартам.

3.2 Расчет температурного коэффициента линейного расширения Расчет коэффициента ТКЛР производят по методу Аппена А.А.

Таблица 5. Усредненные характеристики парциальных значений ТКЛР

Для оксидов с переменным значением ТКЛР рассчитываются по следующим эмпирическим формулам:

Для SiO2,

где — молярная доля SiO2 в эмали (в %). Если ‹67% то условно принимается равным 38.

Выражаем состав эмали ЭСГ-31 в молярных долях

?_SiO2=50,02/60,06=0,833

?_B2O3=17/69,6=0,244

?_Co2O3=0,6/160=0,004

?_Al2O3=5,4/101,9=0,053

?_Na2O=18,01/62=0,29

?_Fe2O3=0,07/160=0,0004

?_MnO2=1,51/87=0,017

?_CaF2=6/78=0,077

?_NiO=1,5/75=0,02

?Y=1.538

Содержание SiO2 в молярных долях Принимаем

Для B2O3

Рассчитываем произведение числа молей компонентов на парциональные ТКЛР

SiO2: 0,833*38=31,654

Al2O3: 0,053*(-30)=-1,59

B2O3: 0,244*(-13,125)=-3,203

Na2O: 0,29*395=114,55

Co2O3: 0,004*50=0,2

NiO: 0,02*50=1

MnO2: 0,017*105=1,785

CaF2: 0,077*180=13,86

Fe2O3: 0.0004*55=0.022

???=158.278

или ?= 102,91*10−7 К-1

3.3 Расчет показателей преломления

?sio2 =1.475 т.к. msio2 <67

?Al2o3=1.520

?Na2o=1.590

?B2O3=1.71−0.048*(4−1.05) = 1.568

3.4 Расчет плотности

VSiO2=26.1

VAl2O3=40.40

VNa2O=20.20

VB2O3= 34.0−3.1*(3-?) = 34.0−3.1*(3−1.05) = 27.96

3.5 Расчет расплава эмали

3.5.1 Расчет поверхностного натяжения Где? — поверхностное натяжение расплава при 1300 0С (н/м);

?i — удельные парциальные молярные коэффициенты поверхностного натяжения соответствующих оксидов в расплаве (н/м);

?i — молярные доли каждого оксида в расплаве.

Таблица 6. — Парциальные коэффициенты поверхностного натяжения оксидов в расплаве по Аппену А.А.

Так как обжиг грунтовой эмали будет производиться при температуре 9500С, приблизительно путем введения поправки находим

3.5.2 Расчет вязкости Где — температура стекломассы, отвечающая определенной вязкости 0С;

a, b, c, d — расчетные коэффициенты;

хмассовые доли в стекле Na2O. Х= 18,01%;

умассовые доли CaO+3MgO, %. В данном составе отсутствует;

z — массовые доли в стекле Al2O3. Z = 5.4%.

Таблица 7- Значение расчетных коэффициентов вязкости

0C

0C

4. Расчет материального потока производства Эмаль грунтовая ЭСГ — 31

Ассортименткастрюля 3,5л цилиндрическая Выпуск 5000 т*год Таблица 7- Расчет производительности

Годовая производительность в штуках

Где miмасса изделий одного вида, выпускаемая в год, кг;

piмасса одного изделия, кг;

Часовая производительность в штуках Где Ф — фонд рабочего времени печи.

Ф = (365−8-9)*24=8352 ч, Кпер — коэффициент переработки изделий, который принимают из процента реэмалирования. Кпер= 1,03.

Таблица 8- Количество добавок на помол и заправочных средств на 100 кг фритты

Относительная влажность шликера Нормативные потери для расчета материального баланса производства приведены в таблице 9.

Таблица 9. — Нормативные потери по технологическим стадиям

Количество готовой продукции, поступающей на склад

5000 т/год Количество изделий, поступающих на сортировку

5000*100/(100−2) = 5102,05 т/год Количество брака

5102,05−5000 = 102,05 т/год Количество изделий, поступающих на декорирование

5102,05*100/(100−0,01) = 5017,16 т/год Количество брака5107,16−5102,05=5,11т/год Количество изделий, поступающих на сушку и обжиг покровной и бортовой эмали

5107,16*100/(100−3) = 5265,11 т/год Количество брака5265,11−5107,16=157,95 т/год Принимаем, что толщина:

· металла — 0,001 м

· покровной эмали — 0,27 м

· грунтовой эмали — 0,23 м

· количество бортовой эмали 2% от ПЭ Количество металла5265,11*0,8432=4439,5 т/год Количество грунтовой эмали5265,11*0,0709= 373,3 т/год Количество покровной эмали5265,11/0,0842= 443,32 т/год Количество бортовой эмали5265,11*0,0017= 8,95т/год Количество воды, испаряющейся при сушке и обжиге покровной и бортовой эмалей Количество изделий, поступающих на очистку борта и нанесения бортовой эмали

5265,11+180,50=5445,61 т/год

5445,61*100/(100−1,5) = 5528,54 т/год Количество брака5528,54−5445,61=82,93 т/год Причем поступает:

Металла 4439,5/100/(100−1,5)=4507,12 т/год Покровной эмали 443,32*100/(100−1,5)= 450,07т/год Обож. Грунта 373,3*100/(100−1,5)= 378,92 т/год Воды 180,50*100/(100−1,5)=183,23 т/год Бортовой эмали 8,95*100/(100−1,5)=9,1 т/год На нанесение покровной эмали поступает

5528,54*100/(100−2)=5641,37т/год Количество брака5664,08−5550,8=112,83 т/год Причем поступает:

Металла 4507,12*100/98=4599,10

Обож. Грунта 378,98*100/98=386,71

Покровной эмали 450,07*100/98=459,26

Воды 183,23*100/98=186,97

Бортовой эмали 9,1*100/98=9,29

На сушку и обжиг грунта На операцию поступает металл и грунтовая эмаль

(4599,1+386,71)/100/(100−2,2)=5097,96

Влажной бортовой эмали 9,29+3,71=13,00

Влажной покровной эмали 459,26+186,97−3,71=642,52

Количество брака5097,96−4599,1−386,71=112,15

Из расхода металла и грунтовой эмали на 1 м² получаем

%мет 7,61*100/(7,61+0,64)=92,24

%гр 0,64*100/(7,61+0,64)=7,76

Кол-во Металла 5097,96*0,9224=4702,36

Кол-во грунтовой эмали 5097,96*0,076=387,44

Кол-во воды, испарившейся во время сушки и обжига

387,44*27,14/(100−27,14)=144,32

Нанесение грунтовой эмали (5097,96+144,32)*100/(100−1,3)=5311,33

Количество брака5311,39−5242,28=69,05

Металла 4702,36*100/(100−1,3)=4764,29

Грунт влажный (387,44+144,32)*100/(100−1,3)=538,76

Количество металла, поступающего на обработку

4764,29*100/(100−3)=4911,63

Потери4911,63−4764,29=147,34

Количество металла, поступающего на штамповку

4911,63*100/(100−3)=5063,54

Потери 5063,54−4911,63=151,91

Количество металла, поступающего на вырубку

5063,54*100/(100−16)=6028,02

Потери 6038,02−5063,54=964,48

Приготовление шликеров (мокрый помол) Количество грунта, поступающего на операцию

538,76*100/(100−1)=544,2

Потери 544,20−538,76=5,44

Причем фритты 544,20*100/165,8=328,23

Добавки 544,20*20,8/165,8=68,27

Вода 544,20*45/165,8=147,70

Количество покровной эмали, поступающей на операцию

642,52*100/(100−1)=649,01

Потери 649,01+642,52=6,49

Причем фритты 649,01*100/147,32=440,54

Добавки 649,01*5,32/147,32=23,44

Вода 649,01*42/147,32=185,03

Количество бортовой эмали, поступающей на операцию

13,00*100/(100−1)=13,13

Потери13,13−13,00=0,13

Причем фритты 13,13*100/150,2=8,74

Добавки 13,13*6,42/150,2=0,54

Воды 13,13*44/150,2=3,85

Варка грунтовой фритты ЭСГ-31

Количество шихты, необходимое с учетом угара

328,23*1000/(100−29,59)=466,17

Угар466,17−328,23=137,94

Количество шихты необходимое с учетом потерь

466,17*100/(100−45)=473,27

Потери473,27−466,17=7,1

Количество воды для увлажнения шихты с учетом влажности 4%

4*473,27/(100−4)=19,72

Количество увлажненной шихты473,27+19,72=492,99

Варка покровной эмали ЭСП-160

Количество шихты, необходимое с учетом угара

440,56*100/(100−25,47)=591,12

Угар591,12−440,56=150,56

Количество шихты, необходимое с учетом потерь

591,12*100/(100−1,5)=600,12

Потери600,12−591,12=9,00

Количество воды для увлажнения шихты с учетом влажности 4%

4*600,12/(100−4)= 25,01

Количество увлажненной шихты600,12+25,01=625,13

Варка бортовой эмали ЭСБ-1010

Количество шихты с учетом угара8,74*100/(100−20,36)=10,97

Угар10,97−8,74=2,23

Количество шихты, необходимое с учетом потерь

10,97*100/(100−1,5)=11,14

Потери11,14−10,97=0,17

Количество воды для увлажнения шихты с учетом влажности 4%

4*11,14/(100−4)=0,46

Количество увлажненной шихты11,14+0,46=11,60

Смешивание компонентов и увлажнение шихты ЭСГ-31

Вода (4−1)*429,99/(100−4+1)=15,25

Количество влажной шихты492,99+15,25=508,24

С учетом потерь508,24*100/(100−0,5)=510,79

Потери510,49−508,24=2,55

ЭСП-160

Вода (4−1)*625,13/(100−4+1)=19,33

Количество влажной шихты625,13+19,33=644,46

С учетом потерь644,46*100/(100−0,5)=647,69

Потери647,69−644,46=3,23

ЭСБ-1010

Вода (4−1)*11,6/(100−4+1)=0,359

Количество влажной шихты11,60+0,36=11,96

С учетом потерь11,96*100/(100−0,5)=12,02

Потери12,02−11,96=0,06

Подготовка сырьевых материалов Песок0,2233*510,79+0,358*644,46+0,4016*12,02=349,60

С учетом потерь349,6*100/(100−2,5)=358,56

Потери358,56−349,60=8,96

Полевой шпат0,3746*510,79+0,11*644,46=198,43

С учетом потерь198,43*100/(100−1,5)=201,45

Потери201,45−198,43=3,02

Бура0,5*510,79+0,3164*644,46+0,1039*12,02=460,55

С учетом потерь460,55*100/(100−1,5)=467,56

Потери467,56−460,55=7,01

Оксид титана0,1781*644,46=114,78

С учетом потерь114,78*100/(100−0,3)=115,13

Потери115,13−114,78=0,35

Марганцевая руда0,0203*510,79=10,37

С учетом потерь10,37*100/(100−2,5)=10,64

Потери10,64−10,37=0,027

Натривая селитра0,2195*510,79+0,1837*644,46+0,2371*12,02=233,36

С учетом потерь233,36*100/(100−0,5)=234,53

Потери234,53−233,36=1,17

Плавиковый шпат0,0632*510,79+0,033*12,02=32,68

С учетом потерь32,68*100/(100−0,3)=32,78

Потери32,78−32,68=0,1

Оксид никеля0,015*510,79=7,66

С учетом потерь7,66*100/(100−0,3)=7,68

Потери7,68−7,66=0,02

Оксид кобальта0,006*510,79+0,0198*12,02=3,30

С учетом потерь3,30*100/(100−0,2)=3,31

Потери3,31−3,30=0,01

Натрий фосфорный0,15*644,46=96,67

С учетом потерь96,67*100/(100−0,5)=97,16

Потери97,16−96,67=0,49

Каолин0,1025*644,46+0,2053*12,02=68,52

С учетом потерь68,52*100/(100−0,5)=68,86

Потери68,86−68,52=0,34

Поташ0,0421*644,46+0,1578*12,02=29,03

С учетом потерь29,03*100/(100−0,5)=29,18

Потери29,18−29,03=0,15

Углекислый кальций0,1044*12,02=1,25

С учетом потерь1,25*100/(100−0,5)=1,26

Потери1,26−1,25=0,01

Добавки на помол шликера и заправочные средства Бура68,27*0,6/20,8=1,97

С учетом потерь1,97*100/(100−0,5)=1,98

Потери1,98*1,97=0,01

Глина (68,27*5/20,8)+(23,44*5/5,32)+(0,54*6/6,2)=38,96

С учетом потерь38,96*100/(100−0,5)=39,16

Потери39,16−38,96=0,20

Песок (68,27*15/20,8)=49,23

С учетом потерь49,23*100/(100−0,5)=49,47

Потери49,47−49,23=0,24

Сульфат натрия68,27*0,2/20,8=0,66

С учетом потерь0,66*100/(100−0,5)=0,663

Потери0,663−0,66=0,003

Нитрат натрия23,44*0,12/5,32=0,53

С учетом потерь0,53*100/(100−0,5)=0,533

Потери0,533−0,530=0,003

Поташ23,44*0,2/5,32=0,88

С учетом потерь0,88*100/(100−0,5)=0,884

Потери0,884−0,88=0,004

Поваренная соль0,54*0,2/6,2=0,017

С учетом потерь0,017*100/(100−0,5)=0,0171

Потери0,0171−0,017=0,0001

5. Составление материального баланса производства Таблица 10 — Материальный баланс производства эмалированной посуды

Невязка материального баланса составляет 5,3%

6. Внедрение струйной обработки черновых изделий В производстве эмалированной посуды применяют два метода обработки черновых изделий: метод погружения и метод струйной обработки металла.

Обработка поверхностей изделий методом погружения производится непосредственно в ваннах с моющими жидкостями. Транспортирование изделий осуществляется либо вручную на подвесках, решетках, в переносных корзинах (для мелких деталей), либо тельферами, кран-балками (для крупных деталей).

Мойка осуществляется поочередным окунанием и обработкой деталей гидроструями в каждой ванне. Количество ванн, состав и температура моющих жидкостей, продолжительность выдержки изделий в каждой ванне определяется, исходя их применяемой технологии подготовки, химических реагентов, степени и характера загрязнения изделий. Внутренние рабочие размеры ванн могут быть любыми и зависят от габаритов промываемых деталей и необходимой производительности оборудования подготовки поверхности.

Достоинства метода:

· компактность оборудования, небольшие производственные площади;

· невысокая стоимость оборудования и низкие эксплуатационные расходы;

· возможность обработки внутренних поверхностей, труднодоступных полостей.

Метод струйной обработки металла состоит в том, что изделие помещается в камеру, внутри которой смонтированы коллекторы с форсунками. Моющая жидкость подается насосом под давлением в коллектор и через форсунки попадает на изделие. Коллекторы и форсунки расположены внутри камеры таким образом, что изделие, помещенное в камеру, обрабатывается струями из форсунок со всех сторон, охватываются все поверхности, подлежащие обработке. В соответствии с применяемым техпроцессом изделие может последовательно обрабатываться различными жидкостями, количество стадий обработки может быть любое.

Достоинства метода:

· компактность оборудования, в основном производственную площадь занимает сама камера и под ней емкости для рабочих растворов;

· универсальность оборудования — оно позволяет реализовать любой техпроцесс очистки деталей от разных производственных загрязнений, с последовательной обработкой различными жидкостями, для каждой из которых может быть задана своя оптимальная температура и продолжительность обработки;

· возможность обрабатывать крупногабаритные изделия;

· сочетание в одном методе химического и механического воздействия моющей жидкости на изделие, что обеспечивает высокое качество обезжиривания и промывки и позволяет добиться необходимого результата при меньших финансовых затратах и/или за меньшее время;

· высокая степень автоматизации — все параметры промывочного цикла (последовательность и продолжительность обработки каждой жидкостью, температура каждой жидкости) программируются.

Камеры обработки бывают двух видов — циклического действия и туннельные.

6.1 Мойка изделий методом струйной обработки в камере циклического действия

Камера струйной обработки представляет собой силовой каркас, на котором смонтированы стенки из нержавеющей стали, образующие внутреннее пространство камеры. Внутри корпуса камеры вдоль боковых стен смонтирован коллектор с форсунками. Дно камеры имеет слив, выполненный тоже в виде коллектора, число отводов которого соответствует числу ванн, на каждом отводе установлена задвижка с электроприводом. Материал всех трубопроводов — нержавеющая сталь. В потолочную панель камеры встроен монорельс транспортной системы, защищенный от паров моющих жидкостей уплотнителями.

Цикл работы камеры струйной обработки состоит из нескольких стадий — по количеству ванн с моющими жидкостями. Сначала включается первый электронасос и подает в коллектор с форсунками жидкость из первой ванны, при этом на одном из отводов сливного коллектора открывается задвижка, позволяющая жидкости стекать в эту же ванну. Через интервал времени, определяемый техпроцессом, подающий жидкость электронасос выключается, обработка изделия первой жидкостью прекращается, начинается выдержка, в течение которой с поверхностей изделия стекают остатки моющей жидкости. По окончании выдержки закрывается задвижка на отводе сливного коллектора, слив жидкости в первую ванну прекращается, на этом заканчивается первая стадия цикла. Вторая стадия начинается подачей электронасосом жидкости из второй ванны и открытием задвижки на том отводе сливного коллектора, по которому жидкость сливается во вторую ванну. Затем после выключения насоса следует выдержка, после слива остатков жидкости с изделия во вторую ванну закрывается задвижка на соответствующем сливном патрубке. Третья и последующие стадии происходят точно так же, только с другими жидкостями. В процессе струйной обработки на всех стадиях цикла изделия совершают возвратно-поступательные движения.