Oxidationsverhalten von Al- und Mg-legierten Zinkschmelzen unter dynamischen Bedingungen

Fabian Friedl

Oxidationsverhalten von Al- und Mg-legierten Zinkschmelzen unter dynamischen Bedingungen

Translated title of the contribution: Oxidation behavior of Al- and Mg-alloyed zinc melts under dynamic conditions

Fabian Friedl

Chair of Nonferrous Metallurgy (520)

Research output: Thesis › Master's Thesis

Abstract

In the galvanizing process, some of the surface defects of coated steel strip can be attributed to metal oxides floating on the molten zinc in the snout and adhering to the steel surface during immersion. Thus, the oxidation kinetics of the coating melt under conditions such as occur in the snout of a hot-dip galvanizing line are important for quality optimization and process reliability. In this thesis, the oxidation behavior of a molten zinc alloyed with 1.5 wt.-% Mg and 2.5 wt.-% Al was investigated under dynamic conditions. This is an alloy for hot-dip galvanizing of steel sheets. The oxidation behavior was determined with an atmosphere as used in the snout of a hot-dip galvanizing line. These normally have a composition of 95 vol.-% N2 and 5 vol.-% H2 and a selectively adjusted water content corresponding to a dew point of -20 °C. Dynamic conditions were created by injecting the gas into the melt. The influence of the dew point in the range between -65 °C and 0 °C and the melt temperature between 430 °C and 490 °C on the reaction rate was determined. The bromomethanol method was used to determine the mass of the formed oxides. The oxide formation rate changes linearly in the dew point range between -30 °C and 0 °C with a slope of 0.88 mg¿min-1¿°C-1 and the intercept 29 mg¿min-1 with an estimated generated contact area of 0.3 m²¿min-1. Lowering the dew point to -65 °C had shown no significant decrease in the oxide formation rate. The influence of melt temperature can be described using an exponential approach with the activation energy of 73 kJ¿mol-1 and a pre-exponential factor K' of 396.73 ¿ 103 mg¿min-1. The chemical analysis of the filtered oxides showed an almost ideal ratio for the thermodynamically most stable oxidation product, the spinel MgO¿Al2O3.

Translated title of the contribution	Oxidation behavior of Al- and Mg-alloyed zinc melts under dynamic conditions
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Antrekowitsch, Helmut, Supervisor (internal) Strutzenberger, Johann , Supervisor (external), External person Gerold, Eva, Co-Supervisor (internal)
Award date	21 Oct 2022
Publication status	Published - 2022

Bibliographical note

embargoed until 11-10-2023

Keywords

Hot-Dip Galvanizing
Zn-Al-Mg
bromomethanol method
Oxidation kinetics
EDX

Cite this

@mastersthesis{da8232dfc8ea465ab959d9b94164056e,

title = "Oxidationsverhalten von Al- und Mg-legierten Zinkschmelzen unter dynamischen Bedingungen",

abstract = "Ein Teil der beim Feuerverzinken entstehenden Defekte der beschichteten Stahlbandoberfl{\"a}che k{\"o}nnen auf Metalloxide, die auf der Zinkschmelze im R{\"u}ssel schwimmen und an der Stahloberfl{\"a}che beim Eintauchen haften bleiben, zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Damit ist die Oxidationskinetik der Beschichtungsschmelze unter Bedingungen, wie sie im R{\"u}ssel einer Feuerverzinkungsanlage vorkommen, f{\"u}r die Qualit{\"a}tsoptimierung und Prozesssicherheit von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Oxidationsverhalten einer mit 1,5 Gew.-% Mg- und 2,5 Gew.-% Al-legierten Zinkschmelze unter dynamischen Str{\"o}mungsbedingungen untersucht. Dies entspricht einer Legierung f{\"u}r das Feuerverzinken von Stahlblechen. Die Untersuchung des Oxidationsverhalten erfolgte mit einer Atmosph{\"a}re, wie sie im R{\"u}ssel einer Feuerverzinkungsanlage verwendet wird. Diese haben normalerweise eine Zusammensetzung von 95 Vol.-% N2 und 5 Vol.-% H2 sowie einen gezielt eingestellten Wassergehalt, der einem Taupunkt von -20 °C entspricht. Die dynamischen Bedingungen wurden durch das Einblasen des Gases in die Schmelze erzeugt. Es erfolgte die Ermittlung des Einflusses vom Taupunkt im Bereich zwischen -65 °C und 0 °C und der Temperatur der Schmelze zwischen 430 °C und 490 °C auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Bestimmung der Oxidmenge fand durch die Brom-Methanol-Methode statt. Die Oxidbildungsrate {\"a}ndert sich im Taupunktsbereich zwischen -30 °C und 0 °C linear mit einer Steigung von 0,88 mg¿min-1¿°C-1 und dem Achsabschnitt 29 mg¿min-1 bei einer abgesch{\"a}tzten generierten Kontaktfl{\"a}che von 0,3 m²¿min-1. Eine weitere Senkung des Taupunktes auf -65 °C hatte keine signifikante Senkung der Oxidbildungsrate gezeigt. Den Einfluss der Schmelzentemperatur l{\"a}sst sich mithilfe eines exponentiellen Ansatzes mit der Aktivierungsenergie von 73 kJ¿mol-1 und einem pr{\"a}exponentieller Faktor K` von 396,73¿103 mg¿min-1 beschreiben. Die nasschemische Analyse der abfiltrierten Oxide hat ein fast ideales Verh{\"a}ltnis f{\"u}r das thermodynamisch stabilste Oxidationsprodukt, den Spinell MgO¿Al2O3, gezeigt.",

keywords = "Feuerverzinken, Zn-Al-Mg, Brom-Methanol-Methode, Oxidationskinetik, EDX, Hot-Dip Galvanizing, Zn-Al-Mg, bromomethanol method, Oxidation kinetics, EDX",

author = "Fabian Friedl",

note = "gesperrt bis 11-10-2023",

year = "2022",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - THES

T1 - Oxidationsverhalten von Al- und Mg-legierten Zinkschmelzen unter dynamischen Bedingungen

AU - Friedl, Fabian

N1 - gesperrt bis 11-10-2023

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Ein Teil der beim Feuerverzinken entstehenden Defekte der beschichteten Stahlbandoberfläche können auf Metalloxide, die auf der Zinkschmelze im Rüssel schwimmen und an der Stahloberfläche beim Eintauchen haften bleiben, zurückgeführt werden. Damit ist die Oxidationskinetik der Beschichtungsschmelze unter Bedingungen, wie sie im Rüssel einer Feuerverzinkungsanlage vorkommen, für die Qualitätsoptimierung und Prozesssicherheit von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Oxidationsverhalten einer mit 1,5 Gew.-% Mg- und 2,5 Gew.-% Al-legierten Zinkschmelze unter dynamischen Strömungsbedingungen untersucht. Dies entspricht einer Legierung für das Feuerverzinken von Stahlblechen. Die Untersuchung des Oxidationsverhalten erfolgte mit einer Atmosphäre, wie sie im Rüssel einer Feuerverzinkungsanlage verwendet wird. Diese haben normalerweise eine Zusammensetzung von 95 Vol.-% N2 und 5 Vol.-% H2 sowie einen gezielt eingestellten Wassergehalt, der einem Taupunkt von -20 °C entspricht. Die dynamischen Bedingungen wurden durch das Einblasen des Gases in die Schmelze erzeugt. Es erfolgte die Ermittlung des Einflusses vom Taupunkt im Bereich zwischen -65 °C und 0 °C und der Temperatur der Schmelze zwischen 430 °C und 490 °C auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Bestimmung der Oxidmenge fand durch die Brom-Methanol-Methode statt. Die Oxidbildungsrate ändert sich im Taupunktsbereich zwischen -30 °C und 0 °C linear mit einer Steigung von 0,88 mg¿min-1¿°C-1 und dem Achsabschnitt 29 mg¿min-1 bei einer abgeschätzten generierten Kontaktfläche von 0,3 m²¿min-1. Eine weitere Senkung des Taupunktes auf -65 °C hatte keine signifikante Senkung der Oxidbildungsrate gezeigt. Den Einfluss der Schmelzentemperatur lässt sich mithilfe eines exponentiellen Ansatzes mit der Aktivierungsenergie von 73 kJ¿mol-1 und einem präexponentieller Faktor K` von 396,73¿103 mg¿min-1 beschreiben. Die nasschemische Analyse der abfiltrierten Oxide hat ein fast ideales Verhältnis für das thermodynamisch stabilste Oxidationsprodukt, den Spinell MgO¿Al2O3, gezeigt.

AB - Ein Teil der beim Feuerverzinken entstehenden Defekte der beschichteten Stahlbandoberfläche können auf Metalloxide, die auf der Zinkschmelze im Rüssel schwimmen und an der Stahloberfläche beim Eintauchen haften bleiben, zurückgeführt werden. Damit ist die Oxidationskinetik der Beschichtungsschmelze unter Bedingungen, wie sie im Rüssel einer Feuerverzinkungsanlage vorkommen, für die Qualitätsoptimierung und Prozesssicherheit von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Oxidationsverhalten einer mit 1,5 Gew.-% Mg- und 2,5 Gew.-% Al-legierten Zinkschmelze unter dynamischen Strömungsbedingungen untersucht. Dies entspricht einer Legierung für das Feuerverzinken von Stahlblechen. Die Untersuchung des Oxidationsverhalten erfolgte mit einer Atmosphäre, wie sie im Rüssel einer Feuerverzinkungsanlage verwendet wird. Diese haben normalerweise eine Zusammensetzung von 95 Vol.-% N2 und 5 Vol.-% H2 sowie einen gezielt eingestellten Wassergehalt, der einem Taupunkt von -20 °C entspricht. Die dynamischen Bedingungen wurden durch das Einblasen des Gases in die Schmelze erzeugt. Es erfolgte die Ermittlung des Einflusses vom Taupunkt im Bereich zwischen -65 °C und 0 °C und der Temperatur der Schmelze zwischen 430 °C und 490 °C auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Bestimmung der Oxidmenge fand durch die Brom-Methanol-Methode statt. Die Oxidbildungsrate ändert sich im Taupunktsbereich zwischen -30 °C und 0 °C linear mit einer Steigung von 0,88 mg¿min-1¿°C-1 und dem Achsabschnitt 29 mg¿min-1 bei einer abgeschätzten generierten Kontaktfläche von 0,3 m²¿min-1. Eine weitere Senkung des Taupunktes auf -65 °C hatte keine signifikante Senkung der Oxidbildungsrate gezeigt. Den Einfluss der Schmelzentemperatur lässt sich mithilfe eines exponentiellen Ansatzes mit der Aktivierungsenergie von 73 kJ¿mol-1 und einem präexponentieller Faktor K` von 396,73¿103 mg¿min-1 beschreiben. Die nasschemische Analyse der abfiltrierten Oxide hat ein fast ideales Verhältnis für das thermodynamisch stabilste Oxidationsprodukt, den Spinell MgO¿Al2O3, gezeigt.

KW - Feuerverzinken

KW - Zn-Al-Mg

KW - Brom-Methanol-Methode

KW - Oxidationskinetik

KW - EDX

KW - Hot-Dip Galvanizing

KW - Zn-Al-Mg

KW - bromomethanol method

KW - Oxidation kinetics

KW - EDX

M3 - Masterarbeit

ER -