СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ДОННОГО ДРОССА Российский патент 1996 года по МПК C23C2/06 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве листовой стали с горячим алюмоцинковым покрытием.

Процессы горячего покрытия листовой стали методом погружения в цинкосодержащий расплав сопровождаются образованием побочных продуктов - дроссов, представляющих собой соединения цветных металлов с железом. Дроссы, имеющие меньшую плотность, всплывают на поверхность ванны, а дроссы с большей плотностью оседают на дне. Во всех случаях дроссы загрязняют рабочий расплав и полосу, уменьшают рабочий объем ванны, поэтому требуется их периодическое удаление.

При горячем алюмоцинковании стальных полос в расплаве содержанием 40-45% цинка, образуются плотные дроссы, которые осаждаются на дне и стенках ванны. Данный дросс имеет высокую прочность сцепления с поверхностью керамической ванны и представляет из себя монолитное тело, содержащее 25-30% цинка, 12-20% железа, 3-4% кремния, остальное алюминий и примеси.

Известны способы удаления донного дросса из керамической ванны для горячего цинкования стальных полос, по которому образующийся донный дросс состава FeZn₇ в виде мелких частиц, стекающих по наклонному дну в реакционную секцию, перемешивают в расплаве цинка с алюминием. Химически более активный алюминий вступает в реакцию с донным дроссом:
2FeZn₇ + 5Al --> Fe₂Al₅ + 14Zn
Образующееся легкое соединение Fe₂Al₅ всплывает на поверхность ванны, откуда осуществляют его выемку [1,2]
Недостатки этих способов состоят в том, что они не пригодны для удаления донного дросса при алюмоцинковании полосы, т.к. образующийся дросс не вступает в химическое взаимодействие с алюминием.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ удаления донного дросса из керамической ванны для горячего алюмоцинкования стальных полос, с регламентированной концентрацией цинка в рабочем расплаве 42,2-44,5% включающий механическое разрушение дросса и его выемку [3] прототип.

Недостатки известного способа состоят в следующем. Образующийся при алюмоцинковании донный дросс имеет высокую прочность сцепления с поверхностью керамической ванны и представляет из себя монолитное тело, устойчивое к механическим разрушающим воздействиям. Механическое разрушение дросса и его выемка имеют высокую трудоемкость и требуют много времени, а также приводят к разрушению поверхностного слоя керамической ванны.

Цель изобретения состоит в уменьшении трудоемкости, сокращении времени удаления донного дросса и сохранении поверхности ванны.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе удаления донного дросса из керамической ванны для горячего алюмоцинкования стальных полос, с регламентированной концентрацией цинка в рабочем расплаве 40-45% включающем механическое разрушение дросса и его выемку, согласно предложению, перед механическим разрушением увеличивают концентрацию цинка в рабочем расплаве до 60-70% при одновременном разогреве расплава до температуры 700-730^oС, которую поддерживают постоянной до всплытия дросса, после чего концентрацию цинка уменьшают до регламентированного значения при одновременном снижении температуры рабочего расплава до 580-630^oС.

Известное и предложенное технические решения имеют следующие общие признаки. Оба они являются способами удаления донного дросса из керамической ванны для горячего алюмоцинкования стальных полос. Концентрация цинка в рабочем расплаве в известном способе составляет 42,2-44,5% а в предложенном 40-45% т.е. взаимно перекрываются. Оба способа предусматривают механическое разрушение дросса и его выемку из ванны.

Отличия предложенного способа состоят в том, что перед механическим разрушением увеличивают концентрацию цинка в рабочем расплаве до 60-70% при одновременном разогреве рабочего расплава до всплытия, чего в известном способе нет. Другое отличие заключается в уменьшении концентрации цинка до регламентированного значения после всплытия дросса при одновременном снижении температуры рабочего расплава до 580-630^oС. Эти признаки также отсутствуют в известном техническом решении.

Указанные отличительные признаки проявляют во всей совокупности новые свойства, не присущие им в известных совокупностях признаков, и заключающиеся в уменьшении трудоемкости, сокращении времени удаления дросса и сохранении поверхности ванны. Это свидетельствует о соответствии предложенного технического решения критерию "существенность отличий".

Сущность изобретения состоит в следующем.

Дросс, образующийся при взаимодействии стальной полосы с алюмоцинковым расплавом, имеет более высокую плотность, чем расплав, поэтому опускается вниз, образуя отложения на дне ванны и ее боковых стенках. В зависимости от температуры расплава и его состава плотность дросса составляет d_g 4,51^oC5,53 г/см³, тогда как плотность рабочего расплава d_p 3,60^oC3,81 г/см³. Отложения дросса проникают в поры керамической ванны, образуя мостики связи. Под действием температуры расплава отложения дросса уплотняются и упрочняются, превращаясь в монолитное тело, связанное с керамической поверхностью ванны. Известная технология предполагает механическое разрушение донного дросса посредством бурения специальным инструментом с предварительным сливом рабочего раствора. Данный процесс трудоемок, длителен, сопровождается повреждением поверхности керамической ванны, т.к. вместе с дроссом выкрошивается керамика.

Если же перед механическим разрушением дросса увеличить концентрацию цинка в рабочем расплаве до 60-70% при одновременном повышении температуры рабочего расплава до 700-730^oС, то вследствие смещения химического равновесия будет происходить растворение мостиков связи тела донного дросса с керамической поверхностью ванны. При этом плотность расплава будет увеличиваться за счет увеличения содержания цинка до d_y 5,6^oC5,9 г/см³ и на тело донного дросса будет воздействовать выталкивающая сила, которая способствует его отрыву от керамической ванны и всплытию на поверхность. За время выдержки при температуре 700-730^oС обогащенный цинком расплав ослабит связи тела донного дросса с керамической ванной, дросс будет сорван Архимедовой силой и всплывет. При этом поверхность керамической ванны не будет иметь разрушений.

Одним из свойств донного дросса этого типа является то, что в процессе выдержки при высокой температуре происходит его упрочнение затрудняющее механическое разрушение. Для уменьшения упрочняющего эффекта температуру расплава после всплытия дросса начинают снижать до 580-630^oС.

Свободно плавающий дросс, не успевший упрочниться, разрушают механически и вынимают из ванны. Освободившийся после выемки дросса объем постепенно заполняют алюминием, уменьшая концентрацию цинка до 40-45%
Концентрация цинка 40-45% является оптимальной с точки зрения эксплуатационной стойкости листов. Если цинка в рабочем расплаве будет больше 45% то это приведет к ухудшению жаростойкости изделий из листов, покрытых алюмоцинковым сплавом. Снижение концентрации цинка менее 40% ухудшают протекторную защиту покрытия и сокращает срок службы изделий из-за электрохимической коррозии.

Экспериментально установлено, что если концентрация цинка в процессе удаления дросса будет менее 60% то вследствие резкого замедления растворения мостиков сцепления дросса с керамической ванной и уменьшения Архимедовой силы всплытия (из-за низкой плотности расплава), отделения и всплытия тела донного дросса может не произойти или время до всплытия будет чрезмерно велико. Увеличение концентрации цинка более 70% не приводит к дальнейшему уменьшению трудоемкости, сокращению времени удаления дросса и сохранению поверхности ванны, а лишь затрудняет возврат состава рабочего расплава к оптимальному для покрытия листов и удорожает процесс удаления дросса, что нецелесообразно.

Снижение температуры выдержки рабочего расплава менее 700^oС приводит к уменьшению активности взаимодействия расплава с мостиками сцепления тела донного дросса с керамической ванной. Это делает процесс более трудоемким и длительным, а на всплывшем дроссе остаются куски поверхностного слоя керамической ванны, что недопустимо. Увеличение температуры расплава более 730^oС приводит к повышению прочности отложений донного дросса, которое, в свою очередь, увеличивает трудоемкость его механического разрушения. К тому же, повышение температуры расплава более 730^oС нежелательно из-за опасности трещинообразования в керамике ванны, обусловленной термическими напряжениями.

Одновременность увеличения концентрации цинка в рабочем расплаве до 40-45% и разогреве расплава до 700-730^oС позволяет сократить время удаления дросса и исключить возможность его резкого всплытия с разрушением поверхности керамической ванны.

Если температуру расплава снижать менее 580^oС, то это приведет к ухудшению качества алюмоцинкового покрытия, что недопустимо. Если же температура рабочего расплава после его охлаждения будет выше 630^oС, то это приведет к ускорению образования донного дросса, повышению его прочности, увеличению трудоемкости и времени извлечения дросса из ванны, разрушению поверхности керамики.

Примеры реализации способа
Холоднокатаную полосу сечением 0,8х1250 мм из стали марки Ст.3сп после очистки и термообработки протягивают через керамическую ванну с рабочим расплавом, содержащим цинк с концентрацией С_p 42,5% а также 1,5% кремния. Остальное алюминий и примеси. Температура рабочего расплава составляет Т_p 600^oС. В процессе покрытия вследствие взаимодействия железа полосы с рабочим расплавом образуется дросс, имеющий плотность d_g 5,1 г/см³. Поскольку алюмоцинковый рабочий расплав имеет плотность d_p 3,75 г/см³, более плотный дросс оседает на дне и боковых стенках керамической ванны, образуя под действием температуры расплава монолитное тело, связанного посредством мостиков с поверхностью керамики.

После покрытия алюмоцинком ≈100 тыс. тонн полосы, толщина слоя донного дросса составляет 600 мм, а объем рабочего расплава уменьшается, ухудшается качество продукции, затрудняется работа погружного оборудования.

Для удаления дросса из керамической ванны убирают стальную полосу и погружное оборудование, расплав с помощью индукторов начинают разогревать, одновременно добавляя в керамическую ванну металлический цинк. Разогрев расплава ведут до температуры Т_y 715^oС, а концентрацию цинка в расплаве повышают до С_y 65% После достижения указанных параметров разогрев прекращают и температуру расплава поддерживают постоянной. Увеличение концентрации цинка в расплаве и повышение его температуры увеличивает химическую активность расплава. Расплав начинает растворять мостики между телом дросса и внутренней поверхностью ванны. Поскольку концентрация цинка в расплаве увеличена до С_y 65% плотность рабочего раствора возрастает до d_y 6,11 г/см³, на тело дросса действует Архимедова сила, стремящаяся вытолкнуть донный дросс на поверхность. После истечения времени выдержки τ_у,, продолжительность которого зависит от состояния поверхности ( τ_у≈ 6 часов), происходит всплытие донного дросса. Для уменьшения упрочнения дросса индуктор выключают и температуру расплава уменьшают. На поверхности тело дросса механически разрушают и вынимают отдельные части из ванны.

Освободившийся после выемки дросса объем начинают заполнять металлическим алюминием. Добавка в ванну алюминия приводит к снижению концентрации цинка и одновременному охлаждению расплава. Концентрацию цинка снижают до величины С_p 43,5% а температуру расплава до T_p 600^oС.

Процесс удаления дросса на этом закончен, ванна готова к дальнейшей работе. Общая продолжительность времени удаления дросса τ_Σ 12 часов, а трудоемкость Q 24 чел•час. Поверхность керамической ванны не имеет выкрошек и разрушений.

Варианты реализации способа и показатели их эффективности приведены в табл.

Как следует из таблицы, в случае реализации предложенного способа (варианты N 2-4) достигается уменьшение трудоемкости, сокращение времени удаления донного дросса и сохранение поверхности ванны. При запредельных значениях параметров (варианты N 1, 5-11) трудоемкость и время удаления дросса возрастают, поверхность керамической ванны получает повреждения. Также увеличение трудоемкости и времени удаления дросса имеет место при реализации способа-прототипа (вариант 12), при котором керамическая ванна получает максимальные повреждения.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что увеличение концентрации цинка в рабочем расплаве до 60-70% при одновременном его разогреве до 700-730^oС, выдержка до всплытия донного дросса, его механическое разрушение, выемка и последующее уменьшение концентрации цинка до регламентированного значения при одновременном снижении температуры расплава до 580-630^oС, обеспечивает уменьшение трудоемкости, сокращение времени удаления дросса и сохранение поверхности ванны. За базовый объект может быть принят способ-прототип. Рентабельность предложенного способа превышает 400% ТТТ1

Способ удаления донного дросса из керамической ванны для горячего алюмоцинкования стальных полос с концентрацией цинка в рабочем расплаве 40-45%, включает предварительную подготовку дросса к удалению, его механическое разрушение и выемку из ванны. Подготовку дросса к удалению ведут путем увеличения концентрации цинка в рабочем расплаве до 60-70% при одновременном разогреве рабочего расплава до температуры 700-730^oС, которую поддерживают до всплытия дросса. 1 табл.

Способ удаления донного дросса из керамической ванны для горячего алюмоцинкования стальных полос с концентрацией цинка в рабочем расплаве 40-45% включающий предварительную подготовку дросса к удалению, механическое разрушение и его выемку, отличающийся тем, что предварительную подготовку дросса проводят путем увеличения концентрации цинка в рабочем расплаве до 60 - 70% при одновременном разогреве рабочего расплава до 700 730^oC, которую поддерживающего до всплытия дроcса.