DE69020469T2

DE69020469T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von nichtmetallischen Verunreinigungen aus Flüssigmetallen.

Info

Publication number: DE69020469T2
Application number: DE69020469T
Authority: DE
Inventors: Hidenari Kitaoka; Yuji Miki; Toshikazu C O Technic Sakuraya; Kenichi C O Technica Sorimachi; Shuji Takeuchi
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2010-09-25
Also published as: DE69020469D1; CA2025688A1; EP0419296A1; CA2025688C; US5071471A; KR910006505A; JPH03110059A; EP0419296B1; BR9004752A; KR930009387B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse und intermetallischer Verbindungen aus einer Metallschmelze.
Nichtmetallische Einschlüsse und intermetallische Verbindungen (die hier nachfolgend als "Einschlüsse" bezeichnet werden) in einer Metallschmelze rufen bekanntlich Mängel des aus dem Metall hergestellten Endproduktes hervor. Deshalb werden verschiedene Untersuchungen vorgenommen, um Verfahren zu Entwickeln, die eine wirksame Entfernung der Einschlüsse ermöglichen. JP-OS Nr. 55-107743 und 58-22317 beschreiben zum Beispiel Verfahren, bei denen der Stahlschmelze eine waagerechte Rotationsströmung verliehen wird, so daß die nichtmetallischen Einschlüsse durch das Zentrifugieren im mittleren Bereich konzentriert werden. JP-OS Nr. 63-219536 beschreibt ein Verfahren, bei dem der wandernde Metallschaum in einem Zinkschmelzebad bei einer bestimmten Temperatur gehalten wird, dies sorgt für die erforderliche Fluidität des Bades bei der Zentrifugentrennung.
Die bekannten Verfahren beruhen nur auf der mechanischen Trennung, z.B. dem Zentrifugieren, und können feine Teilchen nicht wirksam abtrennen, obwohl sie vergleichsweise große Teilchen der nichtmetallischen Einschlüsse und Verunreinigungen wirksam abtrennen können.
Das in JP-OS Nr. 61-103654 beschriebene Verfahren beruht nur auf dem Erwärmen der Metallschmelze, kann jedoch keinen deutlichen Einfluß auf den Ausschluß großer Teilchen der nichtmetallischen Einschlüsse ausüben - insbesondere beim Mischen von Schlacke, die beim Herstellungsverfahren der Schmelze in einem instabilen Zustand erzeugt wird, obwohl dieses Verfahren die Entstehung nichtmetallischer Einschlüsse wirksam verhindert und kleine nichtmetallische Einschlüsse wirksam entfernt.
Die vorliegende Erfindung versucht deshalb eine Vorrichtung zum wirksamen Abtrennen nichtmetallischer Einschlüsse und intermetallischer Verbindungen mit unterschiedlicher Teilchengröße von einer Metallschmelze bereitzustellen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird dafür eine Vorrichtung zum Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse von einer in einem Gefäß enthaltenen Metallschmelze bereitgestellt, die Einrichtungen zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes und Induktionsheizeinrichtungen umfaßt, die in wechselnden Umfangsbereichen entlang des Gefäßes angeordnet sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse von einer in einem Gefäß enthaltenen Metallschmelze bereitgestellt, die eine Einrichtung zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes und eine Induktionsheizeinrichtung umfaßt, die in unterschiedlichen Höhen entlang des Gefäßes angeordnet sind.
Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtrennen und Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse;
Fig. 3(a) und 3(b) sind eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Anordnung, bei der die Einrichtung zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes und die Induktionsheizeinrichtung im Wechsel angeordnet sind;
Fig. 4 ist ein charakteristisches Diagramm, das den Index des Entstehungsgrades von Mängeln im Produkt von Beispiel 1 zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Mischungsenergie und der Konstante des Desoxidationsgrades zeigt; und
Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der gesamten Sauerstoffmenge und der Zeit zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Metallschmelze 1, die im Gefäß 2 der Vorrichtung zum Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse enthalten ist, durch die Einrichtung 3 zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes eine waagerechte Rotation verliehen, so daß vergleichsweise große Teilchen, z.B. von nichtmetallischen Einschlüssen und intermetallischen Verbindungen, mit geringeren Werten des spezifischen Gewichtes als die Metallschmelze im mittleren Bereich konzentriert werden, wohingegen große Teilchen mit höheren Werten des spezifischen Gewichtes in Richtung des Umfangsbereichs der Rotationsströmung abgetrennt werden. Die Temperatur der Metallschmelze wird anschließend durch eine Heizeinrichtung 4 erhöht, so daß die Löslichkeit der intermetallischen Verbindungen verbessert wird, wodurch sogar jene kleinen Teilchen gelöst werden, die bei der geringeren Temperatur gefällt wurden.
In den meisten Fällen wird die Abtrennungsgeschwindigkeit der kleinen nichtmetallischen Einschlüsse und intermetallischen Verbindungen durch die Geschwindigkeit der Vergröberung der Teilchen durch Aggregation und Koagulation geregelt. Je größer die Rührleistung ist, desto höher ist die Geschwindigkeit der Vergröberung. Wenn im gleichen Gefäß gleichzeitig mit dem Anlegen eines waagerechten rotierenden Magnetfeldes eine Hochfrequenzerwärmung erfolgt, finden die waagerechte Rotation und das senkrechte Rühren gleichzeitig statt, so daß eine sehr hohe Rührleistung bereitgestellt wird, wodurch die Trennung deutlich gefördert wird. Wenn auf der Oberfläche der Metallschmelze Schlacke schwimmt, kann der Kontakt zwischen der Metallschmelze und der Schlacke allein durch die waagerechte Rotation unmöglich gefördert werden, so daß der Wirkungsgrad bei der Absorption der nichtmetallischen Einschlüsse durch die Schlacke sehr niedrig ist. Da bei der vorliegenden Erfindung die waagerechte Rotation und die Induktionserwärmung gleichzeitig erfolgen, wird die Metallschmelze ausreichend mit der Schlacke gemischt, die leicht auf dem Metall schwimmt, wodurch eine hohe Reinigungsleistung erhalten werden kann.
Zur theoretischen Unterstützung dieses bemerkenswerten Merkmals der Erfindung haben die Erfinder dynamische Flüssigkeitsanalysen vorgenommen, um die Mischungsenergie zu berechnen, die auch als Ausbreitungsgeschwindigkeit der Energiedichte bezeichnet wird. Es wurde festgestellt, daß die Mischungsenergie einen Faktor darstellt, der die Abtrennung und das Schweben von Einschlüssen deutlich beeinflußt. Der Schlüssel für eine höhere Abtrennungsgeschwindigkeit der Einschlüsse besteht somit in einer Erhöhung des Wertes der Mischungsenergie. Wenn weder eine Rotation noch eine Erwärmung erfolgen, wird die Mischungsenergie als Durchschnittswert mit 0,001 W/kg (m²/s³) berechnet; wenn eine Rotationsströmung von 80 U/min verliehen wird, wird die Mischungsenergie mit 0,3 W/kg (m²/s³) berechnet. Wenn demgegenüber sowohl eine Rotationsströmung mit 60 U/min als auch gleichzeitig eine Induktionserwärmung mit einer Leistung von 800 kVA angewendet werden, beträgt die Mischungsenergie 20 W/kg (m²/s³). Durch gleichzeitige Anwendung der Rotation als auch der Induktionserwärmung kann somit eine Rührleistung erreicht werden, die im Vergleich mit der in einem Konverter mit Bodenblasen günstig ist. Aus den Ergebnissen der obigen Berechnungen als auch aus Fig. 5, die den Zusammenhang zwischen der Mischungsenergie und der Konstante k des Desoxidationsgrades zeigt, wird deutlich, dar das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr hohe Desoxidationswirkung liefert. In Fig. 5 zeigt der schraffierte Bereich die Schwankung der entsprechenden Werte.
Nach der gleichzeitigen Anwendung der horizontalen Strömung und der Induktionserwärmung ist es bei der vorliegenden Erfindung möglich, die Induktionserwärmung zu unterbrechen, während die horizontale Strömung beibehalten wird. In diesem Fall wird die Teilchengröße aufgrund der durch die Aggregation der Einschlußteilchen verursachten Vergröberung immer größer, damit wird eine wirksame Entfernung der Einschlüsse möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für verschiedene Reinigungsverfahren verwendet werden, z.B. bei der Dephosphorisierung und Entschwefelung.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen das Rühren, das eine hohe Energie einbringen kann, und das Erwärmen gleichzeitig. Deshalb können alle erforderlichen Legierungskomponenten mit hoher Ausbeute zugesetzt werden.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, mit der die waagerechte Rotation und die Induktionserwärmung gleichzeitig vorgenommen werden können. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung 3 zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes und eine Induktionsheizeinrichtung 4 auf, die das Gefäß 2 umgebend angeordnet sind.
Eine Anordnung kann derart sein, daß die Induktionsheizeinrichtung 4 über der Einrichtung 3 zum Erzeugen des rotierenden Magnetfeldes angeordnet ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Einrichtung 3 zum Erzeugen des rotierenden Magnetfeldes kann auch über der Induktionsheizeinrichtung 4 vorgesehen sein. Damit eine starke Rührwirkung erreicht wird, ist es bevorzugt, daß sowohl die Einrichtung 3 zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes als auch die Induktionsheizeinrichtung 4 in Segmente unterteilt und so angeordnet sind, daß die Segmente der Einrichtung 3 zum Erzeugen des rotierenden Magnetfeldes und die Segmente der Induktionsheizeinrichtung 4 im Wechsel um das Gefäß 2 herum angeordnet sind, wie es in Fig. 3(a) gezeigt ist.
Die Bezugsziffer 5 bezeichnet die Leitung zum Abführen des Metallschaums, die Bezugsziffer 6 ein Ventil und die Bezugsziffer 7 eine Düse.

Beispiel 1

Nachfolgend wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, das für die Abtrennung einer intermetallischen Fe-Al-Verbindung von einem Verzinkungsbad verwendet wird.
Die Zinkschmelze wurde kontinuierlich vom Gefäß des kontinuierlichen Schmelztauch-Galvanisiersystems zum kontinuierlichen Galvanisieren eines Stahlblechs aufgefangen. Das abgezogene Zink wurde durch die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung zum Abtrennen und Entfernen der Verunreinigungen geleitet, und die gereinigte Zinkschmelze wurde aus der am Boden des Gefäßes vorgesehenen Düse abgegeben. Die gereinigte Zinkschmelze wurde zum Gefäß zurückgeleitet und zum kontinuierlichen Schmelztauch-Galvanisieren verwenden. Es erfolgte eine Prüfung, um den Grad der Entstehung von Überzugsmängeln festzustellen.
Die Kapazität des Zinkbehälters betrug etwa 50 t. Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung wurde mit einer Behandlungsgeschwindigkeit von 2 t/min betrieben. Die Geschwindigkeit der waagerechten Rotation der Zinkschmelze betrug 70 bis 80 U/min, die Erwärmung erfolgte mit 40 kVA mit einer Hochfrequenz-Heizeinrichtung. Die Vorrichtung wurde zyklisch betrieben, so daß das Verfahren nach jeweils 10 Minuten unterbrochen wurde, damit der abgetrennte Metallschaum durch die Leitung zum Abführen des Metallschaums nach außen abgegeben werden konnte.
Fig. 4 zeigt den beobachteten Grad der Entstehung von Überzugsmängeln, die durch vorhandenen Metallschaum verursacht wurden, bei der Behandlung von Zink nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, im Vergleich mit dem beobachteten Grad der Entstehung von Mängeln, wenn das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewendet wurde. Es ist ersichtlich, daß der Grad der Entstehung von Überzugsmängeln in dem Fall, bei dem die Zinkschmelze nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde, viel geringer als in dem Fall ist, bei dem die Erfindung nicht angewendet wurde. Dies zeigt deutlich, daß der Grad der Entfernung von Metallschaum durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich verbessert wird, da der Grad der Entstehung von Überzugsmängeln deutlich verringert wird.

Beispiel 2

5 t mit Aluminium beruhigter Stahl wurden in das Gefäß der Vorrichtung des in Fig. 2 gezeigten Typs gegeben, das eine obere Induktionsheizeinrichtung und eine untere Einrichtung zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes aufweist. Das Anlegen eines rotierenden Magnetfeldes (mittlerer Magnetfluß 350 Gauß) und das Erwärmen durch Induktionsheizung (300 kVA) des Stahls erfolgen gleichzeitig 5 Stunden lang. Danach wurde die Induktionsheizung unterbrochen, während die horizontale Rotation weitere 3 Minuten erfolgte, um die Abtrennung von gröber gewordenen Einschlüssen zu ermöglichen.
Zu Vergleichszwecken erfolgten auch Versuche, bei denen ein 10minütiges Rühren durch Magnetwirkung und eine 10minütige Induktionserwärmung vorgenommen wurden.
Die diesen Versuchen unterworfenen Stähle wurden auf Änderungen des gesamten Sauerstoffgehaltes untersucht. Die Ergebnisse der Prüfung sind in Fig. 6 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die gesamte Sauerstoffmenge durch das erfindungsgemäße Verfahren auf 3 ppm oder weniger verringert kann. Somit ermöglicht es die vorliegende Erfindung, daß das Verfahren zum Herstellen einer Schmelze mit hohem Reinheitsgrad erfolgen kann.
Aus der vorangegangenen Beschreibung wird deutlich, daß es durch die vorliegende Erfindung möglich ist, nichtmetallische Einschlüsse und intermetallische Verbindungen mit unterschiedlicher Teilchengröße wirksam von einer Metallschmelze abzutrennen und zu entfernen. Der Grad der Entstehung von Mängeln in Stahlblechen, die durch vorhandene nichtmetallische Einschlüsse verursacht werden, als auch der Grad der Entstehung von Überzugsmängeln durch das Vorhandensein intermetallischer Verbindungen, d.h. Metallschaum, im Galvanisierbad können außerdem deutlich verringert werden, wodurch eine hohe Qualität des entstandenen Produktes gesichert wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse von einer im Gefäß (2) enthaltenen Metallschmelze (1), umfassend: Einrichtungen (3) zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes und Induktionsheizeinrichtung (4), die in wechselnden Umfangsbereichen um das Gefäß (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung zum Entfernen nichtmetallischer Einschlüsse aus einer in einem Gefäß (2) enthaltenen Metallschmelze (1), umfassend: eine Einrichtung (3) zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes und eine Induktionsheizeinrichtung (4), die in unterschiedlichen Niveaus um das Gefäß (2) angeordnet sind.