DE3911060A1 - Verfahren zur verringerung des eisengehaltes von zinkschmelzen - 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.

Übersteigt die Aluminium-Zugabe nur um wenige 1/10 Prozent die stöchiometrisch erforderliche Menge, wird die Wiederverwendbarkeit des zurückgewonnenen Zinks stark beeinträchtigt, da Aluminium z.B. beim Stückver­ zinken heftig mit den auf der Oberfläche des Verzin­ kungsgutes anhaftenden Flußmitteln reagiert und eine Benetzung des Stahles mit der Zinkschmelze verhindert wird.

Aus der DE-AS 19 62 608 ist bekannt, daß der Eisengehalt von Zinkschmelzen durch Zugabe von Silicium verringert werden kann. Bei an Eisen gesättigten Zinkschmelzen bleibt Silicium aufgrund seiner-schlech­ ten Löslichkeit in flüssigem Zink jedoch nahezu unwirksam, so daß dieses Verfahren nur bei relativ reinen Zinkschmelzen sinnvoll anzuwenden ist, die nur noch Spuren von Eisen enthalten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eisenhaltige Zink­ schmelzen wie eingeschmolzenes Hartzink zur Rückgewin­ nung des Zinks so zu behandeln, daß die Verfahrens­ kosten gegenüber den Kosten nach dem Stand der Technik gering sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das Behandeln der eisenhaltigen Zinkschmelze mit einer Silicium und Aluminium enthaltenden Verbindung bzw. eines Stoffgemisches bekannter Zusammensetzung kann eine überstöchiometrische Zugabe von Aluminium leicht vermieden werden, da sich Silicium am Abbinden des überschüssigen Eisens und Aluminiums unter Bildung einer ternären, bei den üblichen Behandlungstempera­ turen festen Eisen-Aluminium-Silicium-Phase beteiligt, die aufgrund ihres gegenüber flüssigen Zink leichteren spezifischen Gewichtes aufschwimmt und entfernt werden kann.

Als einzusetzende Behandlungssubstanz wird dabei vor­ zugsweise die preiswerte Oberschlacke eingesetzt, die sich z.B. bei Bandverzinkungsverfahren mit einem hohen Aluminiumgehalt (z.B. 55% Al) bildet. Diese Schmelzen enthalten aus metallurgischen Gründen immer auch Silicium, das sich zusammen mit Aluminium in der Schlacke anreichert.

Die erforderlichen Zugabemengen der Schlacke können bei Kenntnis ihrer Zusammensetzung und des Eisengehaltes in der Zinkschmelze leicht berechnet werden. Vor oder nach der Zugabe wird die Temperatur der Schmelze auf einen Wert oberhalb der Liquidustemperatur der Schlacke erhöht, die Schmelze mit der einschmelzenden Schlacke vermischt, anschließend die Temperatur auf die Abguß­ temperatur abgesenkt und die entstandene eisenreiche Phase z.B. durch Abschöpfen entfernt.

Die Durchmischung der Schmelze mit der eingeschmolzenen Schlacke kann z.B. mechanisch durch Rühren oder Spülen mit einem inerten Spülgas oder durch induktiv arbeiten­ de Schmelzeinrichtungen erfolgen.

Die so behandelte Zinkschmelze kann ohne weitere Behandlung wieder zum Stückverzinken eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verringerung des Eisengehaltes von im wesentlichen Zink enthaltenden Metallschmelzen auf Eisengehalte unterhalb der Sättigungsgrenze der Me­ tallschmelze für Eisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eisenhaltige Metallschmelze im Temperaturbereich des Liquidusgebietes der Schmel­ ze durch Einbringen einer Silicium und Aluminium ent­ haltenden Verbindung oder eines Silicium und Alumini­ um enthaltenden Stoffgemisches in die Schmelze behan­ delt wird, wobei Silicium und Aluminium mit dem in der Schmelze gelösten Eisen unter Bildung einer ei­ senhaltigen 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 und des Aluminiums 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.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperatur der zu behandelnden eisenhaltigen Zink­ schmelze vor, während oder nach der Zugabe der Silicium und Aluminium enthaltenden Verbindung bzw. des Stoffgemisches auf einen Wert oberhalb der Liquidustemperatur der Verbindung bzw. des Stoffge­ misches angehoben und anschließend auf einen Wert unterhalb der Liquidustemperatur der gebildeten eisenhaltigen Phase abgesenkt wird.