DE3734204A1 - Verfahren zur verringerung des eisengehaltes von zinschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Eisengehaltes von im wesentlichen Zink enthaltenden Metallschmelzen auf Eisengehalte unterhalb der Sätti­ gungsgrenze der Metallschmelze für Eisen.

Beim Feuerverzinken von Stahlteilen entsteht in der flüssigen Zinkschmelze eine feste Zink-Eisen-Legierung, gewöhnlich Hartzink genannt. Diese Legierung scheidet sich in Form von kleinen Kristallen aus der Schmelze aus und sinkt aufgrund ihres gegenüber flüssigen Zink höheren spezifischen Gewichtes auf den Kesselboden ab. Dort wächst sie langsam auf.

Die Zusammensetzung der Hartzinkkristalle entspricht in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Zinkbades den im Eisen-Zink-Zustandsdiagramm dargestellten Gleichgewichten. Der minimale Eisengehalt beträgt ca. 6,3% Eisen, bei höheren Temperaturen fallen Hartzink­ kristalle mit bis zu 12% Eisen aus.

Der metallurgische Grund für die Hartzinkbildung ist die begrenzte Lösungsfähigkeit der flüssigen Zink­ schmelze für Eisen. Wird die temperaturabhängige Eisenlöslichkeit der Schmelze überschritten, fallen kleinste Kristalle aus, die beim Absinken weiter wachsen, so daß der Eisengehalt der Zinkschmelze stets dem Sättigungsgehalt entspricht.

Der Eiseneintrag in die Schmelze ist unvermeidbar und kann durch bestimmte Maßnahmen lediglich minimiert werden. Eisen gelangt in die Zinkschmelze durch Eisenverbindungen auf der Oberfläche des Verzinkungs­ gutes (z. B. Beizsalze), Eisenverbindungen aus der Reaktion Eisen-Zink, die in die Schmelze abschwimmen, Eisen aus der Kesselwandung und Eisen im eingesetzten Zink.

Eine an Eisen ungesättigte, frische Zinkschmelze löst Eisen vom Verzinkungsgut sehr rasch bis zum Erreichen der Sättigungsgrenze.

Die nach den beschriebenen Mechanismen gebildeten Eisen-Zink-Kristalle stören den Betriebsablauf einer Stückverzinkung erheblich. Sie führen zu Mehrkosten und verursachen Qualitätseinbußen. Der Hartzinkanfall einer Feuerverzinkerei kann, bezogen auf das eingesetzte Zink, je nach Betriebsweise bis zu 40% betragen.

Durch das erwähnte Absinken wachsen die Kristalle im Laufe der Zeit auf dem Kesselboden auf. Um die maximale Tauchtiefe des Kessels zu erhalten, muß die abgesetzte Hartzinkschicht daher von Zeit zu Zeit entfernt werden. Dies geschieht vorzugsweise mit gelochten Greifern oder Löffeln, die auf den Kesselboden abgesenkt werden. Diese Vorrichtungen erfassen jedoch neben der Hartzink­ schicht eine größere Menge an Reinzink, welches durch die angebrachten Löcher ausfließen soll.

Dies geschieht jedoch nur unvollständig. Selbst bei sorgfältigem Durchstoßen des Hartzinkbreies weist das letztendlich zum Verkauf gelangende Hartzink lediglich einen Eisengehalt von ca. 2 bis 3% Eisen auf und hat somit einen Reinzinkanteil von ca. 50%.

Die Hartzinkbildung ist daher mit einem enormen Materialverlust an Zink verbunden. Ein weiterer Nach­ teil des Hartzinks besteht darin, daß die Hart­ zinkkristalle je nach ihrer Größe sehr lange in der Zinkschmelze vagabundieren und sich dabei auf die Oberfläche des Verzinkungsgutes auflegen. Hierbei wird nicht nur die Oberfläche optisch und teilweise die Funktionalität (z. B. bei einem Handlauf) beeinträch­ tigt, sondern der Zinkverbrauch zusätzlich erhöht.

Das auf die beschriebene Art und Weise von den Verzinkungsbetrieben erzeugte Hartzink wird in der Regel zu einem den normalen Zinkpreis deutlich unter­ schreitenden Preis an Spezialbetriebe zur Zurück­ gewinnung des Zinks verkauft.

Die Zurückgewinnung des Zinks aus dem Hartzink ge­ schieht dabei nach dem Stand der Technik durch ein Verdampfen des Zinks oberhalb von 907°C. Im Destillat verbleibt das vormals gelöste Eisen als fester Bestand­ teil zurück, während das dampfförmige Zink durch Kondensationseinrichtungen verflüssigt und abgegossen wird. Es ist klar, daß diese Verfahrensweise apparativ aufwendig ist und enorme Energiemengen verbraucht werden.

Eine weitere bekannte Methode, das gelöste Eisen aus Zinkschmelzen zu entfernen, besteht in der Zuführung von entsprechenden Mengen Aluminium. Aluminium weist zu Eisen eine größere Affinität auf als Eisen zu Zink. Bei dieser Verfahrensweise bildet sich eine ternäre Eisen­ Aluminium-Zink-Schlacke, die auf der Schmelze auf­ schwimmt. Bei diesen Verfahren ist es jedoch außeror­ dentlich schwierig, die Aluminiumzugabe genau zu dosieren, zum andern entsteht eine voluminöse, schwer weiterzuverarbeitende Verbindung, die zusätzlich einen hohen Zinkgehalt aufweist.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eisenhaltige Zinkschmelzen so zu behandeln, daß die Sättigungsgrenze beim Verzinken trotz des permanenten Eiseneintrages nicht erreicht wird und daher keine Hart-Zink-Kristalle gebildet werden können bzw. nach dem bisherigen Stand der Technik erzeugtes Hartzink zur Rückgewinnung des Zinks so zu behandeln, daß die Verfahrenskosten gegenüber den Kosten nach dem Stand der Technik geringer sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.

Beim Behandeln von im wesentlichen Zink enthaltenden Schmelzen, die bis zur Sättigungsgrenze mit Eisen angereichert sind, mit Silicium vermag die Schmelze einen Teil des Siliciums zu lösen. Silicium geht dabei mit Zink aufgrund seiner Elektronenfiguration keinerlei Verbindung ein, hingegen bildet es mit Eisen eine thermodynamisch stabile Verbindung etwa der Form FeSi entsprechend des Zustandsdiagrammes Eisen-Silicium. Diese Eisen-Silicium-Verbindung besitzt ein geringeres spezifisches Gewicht als die Zinkschmelze und schwimmt daher auf der Zinkschmelze auf, wo sie gemeinsam mit der Zinkasche entfernt werden kann. Da die Schmelze bei diesem Vorgang durch den beim Feuerverzinken stets gegebenen Eiseneintrag sehr schnell an Silicium ver­ armt, ist es erforderlich, Silicium stets im Überschuß in die Schmelze einzuleiten, um sicher unterhalb der Sättigungsgrenze der Zinkschmelze an Eisen zu bleiben. Dies kann zum Beispiel durch die Begasung der Schmelze mit Silicium-Wasserstoffverbindungen, den sogenannten Silanen, erfolgen. Derartige gasförmige Siliciumverbin­ dungen spalten sich unter den üblichen Zinkbadtempera­ turen in ihre Elemente auf, wobei das freiwerdende elementare Silicium mit dem Eisen unter Bildung der beschriebenen Eisen-Silicium-Phase reagiert und der elementar freiwerdende Wasserstoff zur Oberfläche des Zinkbades aufsteigt und dort mit dem Luftsauerstoff zu Wasserdampf reagiert. Daneben können andere silicium­ haltige Verbindungen oder Stoffgemische eingesetzt werden. Sie müssen chemisch derartig aufgebaut sein, daß das gelöste Eisen mit freiwerdendem atomaren Silicium reagieren kann. Ionengebundene Siliciumver­ bindungen wie beispielsweise Siliciumdioxid kommen nicht in Frage.

Die erfindungsgemäße Behandlung der Schmelze mit Silicium hat so zu erfolgen, daß Silicium stets im Überschuß in der Schmelze vorhanden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet der Verzin­ kungstechnologie völlig neue Wege. Der Zinkverbrauch wird reduziert, die qualität und die optische Erschei­ nung von verzinkten Gegenständen durch das Fehlen von Hartzinkpickeln erhöht sowie der personelle Aufwand beim Verzinken vermindert. Zusätzlich kann das Verfah­ ren bei der Hartzinkbehandlung zur Rückgewinnung von Zink mit geringen Verfahrenskosten angewendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verringerung des Eisengehaltes von im wesentlichen Zink enthaltenden Metallschmelzen auf Eisengehalte unterhalb der Sättigungsgrenze der Metallschmelze für Eisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eisenhaltige Me­ tallschmelze im Temperaturbereich des Liquidusgebie­ tes der Schmelze durch Einbringen von Silicium, einer Silicium enthaltenden Verbindung oder eines Silicium enthaltenden Stoffgemisches in die Schmelze behandelt wird, wobei Silicium mit dem in der Schmelze gelösten Eisen unter Bildung einer eisen­ haltigen Phase, die in der Schmelze nicht löslich ist und ein gegenüber dem spezifischen Gewicht der Schmelze geringeres spezifisches Gewicht aufweist, reagiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in der Schmelze nicht lösliche Phase aus der Schmelze entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion des Siliciums mit dem Eisen durch eine Durchmischung der Schmelze gefördert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchmischung der Schmelze induktiv erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchmischung der Schmelze durch ein Spülgas erfolgt.