Технология формирования стеклокристаллической структуры силикатно-эмалевого покрытия на трубах и соединительных деталях трубопровода достаточно проста, но трудоемка и энергозатратна. Направленное регулирование фазового состава позволяет получить композиционный материал, сочетающий прочность металла с химической стойкостью силикатной матрицы.Производить эту операцию возможно в стационарных заводских условиях, где можно выделить несколько основных процессов, которые обычно делят на две группы:

к первой группе относятся процессы позволяющие получить пограничный слой на границе металл-эмаль, которые протекают от начала нагревания изделия до начала оплавления эмали;
ко второй – процессы, происходящие во время оплавления эмали до окончания процесса обжига. Таким образом, силикатно-эмалевое покрытие становится сплошной, монолитной структурой защищающей металл от воздействия агрессивных сред.

Первый период обжига

На первом этапе происходит образование окисного слоя на поверхности металла, обычно заканчивается через 1-2 минуты после начала обжига. В начальный период нагревания из эмалевого слоя испаряется влага, не удаленная во время сушки. При продолжении нагревания от 500⁰С и выше из глины выделяется конституционная вода. При этом глина дает усадку, в результате чего в эмалевом слое образуется множество трещин, увеличивается пористость покрытия. Создаются благоприятные условия для свободного доступа кислорода к поверхности металла. На данном этапе морфология слоя крайне нестабильна. Возникающие усадочные деформации требуют строгого контроля, так как коэффициент термического расширения (КТР) силикатно-эмалевого покрытия должен быть согласован с КТР металлической подложки. Если температурные коэффициенты существенно различаются, в формирующейся фазе возникнут критические внутренние напряжения, которые после охлаждения приведут к растрескиванию и отслоению защитного слоя.

При окислении металла образуется окисный слой, состоящий в основном из закиси железа FeO и закиси-окиси железа Fe3O4. Соотношения между различными окислами, их количество и строение окисного слоя зависят от продолжительности и температуры обжига, состава эмали, а также от окисляемости стали под эмалевым покрытием, которая в свою очередь, определяется химическим составом и структурой металла. В дальнейшем окислы железа растворяются в прилегающих к металлу слоях расплавленной эмали, способствуя увеличению ее адгезии, а также прочности сцепления затвердевшего покрытия с металлической основой. Поэтому для получения сплошного, прочно связанного с металлом и бездефектного покрытия необходимо, чтобы сталь при нагревании до температуры расплавления нанесенной на нее эмали образовывала окисную пленку соответствующего состава, структуры и толщины. Максимальной прочностью сцепления с эмалью обладает малоуглеродистая сталь, на поверхности которой после ее нагревания в атмосфере воздуха в течении 10 минут при температуре 800⁰С образуется необходимая окисная пленка.

Поскольку сталь представляет собой сплав железа с углеродом, ее свойства зависят в первую очередь от содержания углерода и структуры углеродсодержащей фазы. Принято считать, что содержание углерода в стали, предназначенной для эмалирования, не должно превышать 0,08-0,10%.

Вредное влияние повышенного содержания углерода в том, что при высоких температурах обжига эмалевых покрытий (выше 700⁰С) углерод, взаимодействуя с окислами металлов, из которых состоит эмаль, окисляется. Выделяющиеся газообразные продукты окисления (СО и СО2) или задерживаются в вязком слое размягченной эмали, образуя в ней пузыри и вызывая после охлаждения эмалированных изделий отколы покрытия, или прорываются сквозь слой размягченной эмали в атмосферу, вследствие чего покрытие становиться пористым.

Получение сплошного и прочно связанного с металлической основой эмалевого покрытия, достижимо при условии полного растекания расплавленной эмали по защищаемой поверхности и достаточно хорошего прилипания ее к металлу после образования на поверхности стали тонкой, равномерной и однообразной пленки окислов железа. Растекание расплавленного слоя эмали резко улучшается, а адгезия увеличивается на 25-30% по сравнению с адгезией к неокисленной поверхности. Такая окисная пленка на поверхности стали образуется во время подогрева стальных изделий, покрытых слоем шликера, до температуры его расплавления 700-800⁰С. Эмалевый слой спекается, затем начинает оплавляться, причем постепенно снижается вязкость эмали. В этот момент прекращается свободный доступ кислорода к поверхности металла. Одновременно происходит интенсивное выделение газов из металла и газов, образующихся в зоне контакта эмали с металлом в результате окисления оксида железа и взаимодействия углерода металла с некоторыми компонентами эмали. Кроме того, продолжается обезвоживание глины и взаимодействие выделяющейся воды с железом. Образующийся при этом водород частично удаляется из эмалевого слоя, а частично растворяется в металле.

Второй период обжига

На втором этапе протекают процессы в расплавляющемся слое эмали на границе железо-эмаль. На втором этапе протекают процессы в расплавляющемся слое эмали на границе железо-эмаль. При дальнейшем нагревании до 800–950⁰С активируется жидкофазное спекание: базовая силикатная фритта переходит в состояние вязкого расплава, формируя непрерывную стеклофазу. В этой среде начинают плавиться соли, находившиеся в растворенном виде в шликере. Происходит процесс формирования промежуточного сцепляющего слоя, определяющий прочность сцепления эмалевого покрытия с металлом. Для получения хорошего сцепления необходимо, чтобы в процессе обжига вся окалина, образовавшаяся в первый период, растворилась в эмалевом расплаве. В процессе обжига эмали частично растворяются также мельничные добавки в расплаве.

Температурные режимы первого и второго периодов, условные, т.к. процессы формирования силикатно-эмалевого покрытия не имеют четких границ. Температура и время обжига эмали зависит не только от марки используемой эмали, количеством песка и глины, а также от толщины и габаритов покрываемого эмалью металла.

Для обеспечения нормального протекания всех процессов, происходящих при обжиге эмали, необходимы правильный выбор и строгое соблюдение установленного режима обжига для получения максимального глушения и блеска эмалевого покрытия. Во многих случаях максимальное глушение достигается через 1,0-1,5 мин после начала обжига эмалевого покрытия. Отклонение от заданного режима обжига всегда приводит к нарушениям тех или иных процессов и появлению дефектов покрытия. Так, например, при низкой температуре обжига процессы оплавления эмали происходят медленно, вследствие чего на поверхности металла образуется много окалины, которая не может быть полностью растворена расплавом эмали. В результате этого значительно понижается прочность сцепления. При высокой температуре обжига происходит «выгорание» эмали. Появляется шагреневая кожа – вскипания эмалевого покрытия вследствие быстрого возникновения газонепроницаемого слоя оплавленной эмали и других пороков.

Сводные параметры формирования структуры покрытия

Параметр процесса / материала	Оптимальное значение	Влияние на структуру и свойства покрытия
Содержание углерода в стали	Не более 0,08–0,10%	Предотвращает избыточное выделение газов CO и CO2, снижает пористость, исключает сколы.
Режим предварительного окисления	10 минут при 800 °C	Формирует равномерный слой закиси железа (FeO) оптимальной толщины для максимальной адгезии.
Температурный интервал плавления фритты	800–950 °C	Обеспечивает растворение окалины, снижает вязкость расплава и гарантирует сплошность стеклофазы.
Согласование КТР	αэмали ≤ αметалла	Минимизирует остаточные внутренние напряжения в системе «металл-эмаль» при охлаждении трубопровода.

Часто задаваемые вопросы

Какую роль играют оксиды железа в формировании структуры эмали?

Оксиды железа, образующиеся в первый период обжига, растворяются в силикатном расплаве. Это насыщает приграничный слой эмали и создаёт прочные химические и механические связи (адгезию) между металлом и покрытием.

Почему углерод в стали ухудшает качество силикатно-эмалевого покрытия?

При температуре обжига выше 700⁰С углерод вступает в реакцию с оксидами эмали, выделяя газы CO и CO₂. Если газы не успевают выйти до затвердевания стеклофазы, внутри покрытия образуются пузыри, приводящие к пористости и отколам эмали на трубах.

Что происходит при нарушении температурного режима обжига труб?

Недожог (низкая температура) не позволяет расплаву полностью растворить окалину, что резко снижает адгезию. Пережог (высокая температура) активирует бурное газовыделение, приводя к дефекту типа «шагреневая кожа» и разрушению монолитной структуры.