CN102026745A - 热轧钢板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢材的去氧化皮方法，其通过由多个喷嘴向钢材表面喷射高压水而去除该钢材在热轧时产生的氧化皮，该制造方法的特征在于：通过由振子所产生的直接的励振、或者通过由其共振所产生的励振而对所述高压水施加频率为3.0kHz～200kHz的脉动，并将从喷嘴到所述钢坯的距离设定为50～700mm的范围。由此，不需要喷出压力非常高的高压水，可缓和加热炉的温度限制，同时将以高Si含量钢为代表的去氧化皮困难的钢材的氧化皮予以去除，从而提供一种品质非常良好的热轧钢材的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用高压水喷射去除在钢材的处理工序中钢坯表面所生成的氧化皮的方法。特别是对于去氧化皮困难的高Si含量钢是有效的。
背景技术
一般在热轧中，使用加热炉加热钢坯，然后进行粗轧和精轧，从而制造热轧钢材。在上述加热炉中的高温加热时，在钢坯表面生成1次氧化皮，在从粗轧开始至精轧的工序中，生成2次氧化皮，不过，当这些氧化皮不除去而进行轧制时，则氧化皮咬入产品表面而成为氧化皮缺陷。为了防止该氧化皮缺陷的发生，在粗轧机和精轧机的跟前进行向钢坯表面喷射高压水的去氧化皮，从而除去1次氧化皮和2次氧化皮。
另一方面，当由于去氧化皮而使钢坯温度过于降低时，则不能进行均匀的热轧而变得形状不良，所以在去氧化皮工序中，必须在抑制温度降低的同时，将氧化皮充分除去。
近年来，在汽车等所使用的高强度钢板中，为提高其成形性和增加强度而添加Si，但含有Si的钢材表面所形成的氧化皮难以通过去氧化皮而完全除去，氧化皮的一部分即FeO(Wustite：方铁矿)残存于钢材表面。在此后的轧制工序中，FeO一边被粉碎一边与空气接触而成为Fe2O3(Hematite：赤铁矿)，并挤入钢材表面。这样一来，在钢材表面产生被称之为Si氧化皮或赤氧化皮的氧化皮模样的缺陷。该Si氧化皮可以通过酸洗而除去，但因酸洗前具有残存着氧化皮的部分和没有残存氧化皮的部分而在酸洗后的钢板表面产生凹凸，所以容易成为疲劳破坏的起点，而且作为构件使用时产生涂装不均，从而有损汽车车轮等最终产品的美观。
即便是如前所述那样产生氧化皮缺陷的钢材，在实施冷轧时可消除该凹凸，但在产生黑氧化皮(以FeO、Fe3O4为主体的致密氧化皮)的部分和产生Si氧化皮的部分中，钢表面附近的化学组成不同，因而热浸镀锌时的合金化不均匀地进行，从而产生镀覆不均。
因此，在作为提高钢材强度的方法而添加Si时，必须解决这些问题。为了解决含Si钢的上述问题，必须使热轧的粗轧或精轧前进行的去氧化皮得以强化，从而充分除去表面的氧化皮。
专利文献1公开了一种去氧化皮技术，其在Si含量为0.5质量％以上的高Si含量钢的热轧方法中，在钢材表面低于FeO和Fe2SiO4系的共晶温度(1173℃)的状态下进行加热，同时规定了去氧化皮的水的碰撞流速和碰撞能量。其中记载了为了满足该条件，在Si≥1质量％的高Si含量钢中，使用喷出压力为45MPa以上的高压水实施例。然而，在钢材表面以低于1173℃的温度进行加热的方法中，虽然去氧化皮性能得以提高，但由于板坯的升温速度降低，因而存在的问题是加热炉中的加热时间延长，从而生产率降低。另外，由于使用45MPa以上的高压水，因而存在的问题是在设备大型化从而成本上升的同时，去氧化皮的每一单位产品的电力消耗量恶化。
专利文献2公开了一种通过在高压水中加入磨削粉末而提高去氧化皮能力的方法，但存在的问题有因磨削粉末的添加而导致成本的增加和设备的损耗，进而磨削粉末自身挤入钢坯中而可能导致新缺陷的产生等。
专利文献3公开了一种强化喷嘴形状、并在喷嘴内安装整流器、从而高效地喷射高压水的装置，但单凭减少喷射能量损失，不能使去氧化皮得以强化，从而不能充分地除去表面的氧化皮。
专利文献4为了提高由高压流体产生的去氧化皮能力，公开了一种以预定的压力为中心而使流体的压力脉动的方法以及使用该方法的装置。但是，专利文献4所公开的装置采用机械的方法给高压水施加脉动，成为问题的是包含配管系在内的装置的耐久性。另外，由于在装置结构上不能使脉动频率也成为高频，所以去氧化皮能力的提高是有限度的。
专利文献5与专利文献4同样，公开了一种为提高去氧化皮能力而给高压水施加脉动的方法，并提出了具体的脉动频率和脉压比。然而，在专利文献5所公开的方法中，虽然脉压比为2以上，但脉动的频率较低，为500～2000Hz，因而与专利文献4同样，由脉动的施加所产生的去氧化皮能力的提高并不充分，从而不能充分地除去钢坯上所生成的氧化皮。
在高Si含量钢的热轧中，通过适用专利文献1所公开的技术虽然使去氧化皮性能得以提高，但存在的问题是与设备的大型化相伴的成本上升和去氧化皮的每一单位产品的电力消耗量恶化。另外，即使使用除此以外的公知技术而进行去氧化皮，也不能完全除去氧化皮。因此，在热轧后的产品上残存有Si氧化皮，从而不能制造品质优良的热轧钢板。
专利文献1：日本特开2000-254724号公报
专利文献2：日本特开平5-57332号公报
专利文献3：日本特开平6-91320号公报
专利文献4：日本特开平5-285524号公报
专利文献5：日本特开平7-51730号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好品质的热轧钢材的制造方法，其解决了上述的课题，在钢坯表面的温度下降得到抑制的同时，不需要喷出压力非常高的高压水，可缓和加热炉的温度限制，同时将以高Si含量钢为代表的去氧化皮困难的钢材的氧化皮予以去除。
本发明人为解决上述的课题而进行了潜心的研究，结果发现：通过对高压水施加高压振动，可进一步助长所喷射的高压水的液滴化，从而增加由水锤效果所产生的冲击力；进而发现：越是提高脉动频率，去氧化皮能力越是提高，以致完成了本发明。
本发明的要旨如下：
(1)一种热轧钢板的制造方法，其通过由多个喷嘴向钢材表面喷射高压水而去除该钢材在热轧时产生的氧化皮，该制造方法的特征在于：通过由振子或与所述振子连接的部件所产生的直接的励振、或者通过由所述振子的共振所产生的励振而对所述高压水施加频率为3.0kHz～200kHz的脉动，并将从各所述喷嘴到所述钢坯的距离设定为50～700mm的范围。
(2)根据上述(1)所述的热轧钢板的制造方法，其特征在于：所述钢材为含有0.2质量％以上的Si的钢材，将所述高压水的源于所述各喷嘴的喷出压力设定为10MPa～60MPa，将每一个所述喷嘴的流量设定为20～300L/min。
(3)根据上述(1)或(2)所述的热轧钢板的制造方法，其特征在于：所述高压水的脉压比为1.5以下。
(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的热轧钢板的制造方法，其特征在于：所述喷嘴为扁平喷射喷嘴(flat spary nozzle)。
根据本发明的热轧钢板的制造方法，可以制造热轧中的去氧化皮困难的高Si含量钢等的、具有充分良好品质的热轧钢板，该制造方法不会导致设备成本的上升以及使去氧化皮的每一单位产品的电力消耗量恶化，从而大幅度强化去氧化皮能力，这在工业上具有很大的意义。
附图说明
图1是表示由扁平喷射喷嘴喷射的水流状况的一个例子的示意图。
图2是由扁平喷射喷嘴喷射的水流状况的高速度照片的一个例子。
符号说明：
1扁平喷射喷嘴
2水量密度(water quantity density)大的区域
3水量密度小的区域
具体实施方式
下面就本发明优选的实施方式进行详细的说明。首先，就本发明的技术构思进行说明。
本发明涉及一种热轧钢板的制造方法，其在对高Si含量钢板等去氧化皮困难的钢材进行热轧时，可提高去氧化皮能力，从而使表面性状良好的热轧成为可能。
在高强度钢板中，为提高强度而进行Si的添加，不过，随着Si添加量的增加，去氧化皮性能降低，特别是在含有0.2质量％以上Si的钢材表面所形成的氧化皮在喷出压力为10MPa左右的去氧化皮中，其去氧化皮性能极低，即使在使用50MPa左右的高压水的情况下，对钢坯的加热条件也需要进行严格的操作限制。其原因在于：由于作为Fe和Si的复合氧化物的Fe2SiO4在氧化皮和钢材界面生成，而且Fe2SiO4和钢材的附着力非常良好，因而难以除去Fe2SiO4。
为了制造表面性状优良的钢板，需要对与喷嘴对置的钢坯的整个表面喷射高压水，所以在通常实际的去氧化皮设备中，一列有多个喷射高压水的喷嘴例如排列成1～3列。
热轧工序中的去氧化皮通过组合高压水与钢坯表面碰撞时的物理冲击和低温的水与高温的氧化皮碰撞所产生的热冲击，破坏钢坯表面的氧化皮，从而将其除去。因此，作为去氧化皮的强化对策，一直以来采取使喷射水高压化和增加流量的对策。
从喷嘴喷出的高压水随着距喷嘴的距离的不同而由连续流变化为液滴流。刚从该喷嘴出来的连续流区域的喷射流利用其平均压力高、标准偏差小等特点可在切断石材和混凝土等时加以使用。另外，距喷嘴的距离为100～600mm左右的范围属液滴流区域，其平均压力恒定且扩展至较宽的范围，液滴以冲击的方式碰上钢坯等被照射体。当高速水粒液滴化而与钢坯碰撞时，为人所知的是通过水锤效果而增加冲击力，因而变为连续流碰撞时的数倍以上的冲击力。根据这些特征，高压水的液滴区域可应用于去氧化皮。为了不与喷射水的高压化和流量的增加相伴随而提高去氧化皮能力，使喷射的高压水流均匀液滴化是有效的。
本发明人发现采用振子向高压水施加高频脉动，由此可以使喷射的高压水流均匀液滴化，进而发现即使在使喷射的高压水的喷出压力和流量恒定的情况下，越是提高脉动频率，去氧化皮能力越是提高。
向高压水施加脉动的方法大致有机械式和振动式2种。
机械式有在高压水的喷出口附近开闭水路的方法、以及如专利文献4那样的使用活塞等使配管和喷嘴内腔的容积发生变化而施加脉动的方法。然而，根据热轧工序中钢材的标准线速度为50～500m/min和去氧化皮水的厚度约为10mm的关系，需要几百Hz以上的脉动。在通过机械的运转而向高压水施加上述高频的脉动的方法中，运转部的耐久性成为问题，难以适用于要求稳定且长时间运转的热轧工序的去氧化皮。
另一方面，在采用振子向高压水施加脉动的方法中，由于不存在机械的运转部，因而耐久性较高，可适用于去氧化皮。再者，由于比机械式能够容易地施加高频的脉动，所以高压水的液滴化得以促进，从而去氧化皮能力得以提高。
特别是当脉动的频率为3.0kHz以上时，在均匀促进液滴化的同时，还在高压水的喷射流能量中施加高频振动的能量，由此进一步提高去氧化皮能力。此外，在本发明中，在向高压水施加脉动的情况下，振子也可以不与高压水直接接触，也可以采用例如与导波棒之类的振子连接的部件向高压水传导振动。采用振子向高压水施加脉动的方法例如有：日本特公表2007-523751号公报所记载的方法、以及日本特开H7-178700号公报所记载的方法。
在借助于水流与钢坯碰撞时的冲击力使氧化皮破坏从而将其除去时，为人所知的是提高水流的水量密度是有效的。例如，在使用扁平喷射喷嘴的情况下，通过减薄喷射成扇形的水流的厚度来提高水量密度，从而使去氧化皮性能得以提高。一般认为在本发明中，通过脉动的施加而均匀地促进水流的液滴化，进而向喷射水流施加高频振动能量，在这样的水量密度大的水流的碰撞下，去氧化皮性能得到飞速提高。
发明人一边使喷出压力发生变化，一边采用高速摄影机(分别每隔1μsec、2μsec以及4μsec拍摄1帧图像这3种模式)对喷射的水流进行拍摄，并对所拍摄的图像进行解析，由此求出喷射水流的脉动频率和流速。作为使用扁平喷射喷嘴从而使高压水喷射为扇形时的水流的状态的一个例子，图1表示示意图，图2表示高速度照片(4μsec/1帧)的例子。由于水量密度的不同，从图2的高速度照片可以在喷流中观察到浓淡。正如图1的示意图所表示的那样，在本发明所产生的喷射水流中，可以确认刚从扁平喷射喷嘴1喷射后，交互产生水量密度大的区域2和水量密度小的区域3，从而产生水量密度的脉动。解析的结果，已经确认脉动频率与由振子所施加的频率相同。
下面就喷出压力的脉动进行研究。在喷出压力和喷射水流之间，为人所知的是如下根据Bermoulli定理的关系式成立，即喷出压力越大，喷出的高压水的流速越是增加。
v∝(2P/ρ)0.5 (1)
其中，v：水流的流速，P：喷出压力，ρ：水的密度。
由于直接测定喷出压力本身的高速变动是困难的，所以决定根据式(1)并采用流速进行测定。然而，从喷嘴喷出的水流在空气阻力的作用下，随着距喷嘴的飞行距离的增加而减速，其影响在水量密度越小的区域越是显著。因此，在计算喷出压力的情况下，需要使用喷出流速(喷嘴附近的流速值)，但当距喷嘴的距离过短时，飞行距离和时间的测定误差相对增大，从而流速值的误差增加。于是，本发明在从喷嘴顶端至50mm的区域的喷射水流中，解析流速的最大区域和最小区域，从而求出流速的最大值和最小值，然后从这些脉动水流中的流速的最大值和最小值，根据式(1)求出喷出压力的最大值和最小值。也就是说，本发明所说的脉压比被定义为从喷嘴顶端至50mm中的高压水的喷出压力的最大值和最小值之比。如果测定实际的脉压比，则如表2所示，本发明所产生的脉压比最大为1.5。
如前所述，从喷嘴喷出的水流在空气阻力的作用下而减速。这在水量密度较小的区域变得显著，所以虽说是喷嘴顶端50mm，但在水量较少的情况下，其误差进一步增大。因此，本发明所定义的脉压比虽然根据从喷嘴至50mm中的流速比求出，但可以推定喷出口附近的脉压比比其小。也就是说，喷出口附近的脉压比小于1.5，考虑误差等而进行了验证，结果一般认为是1.0～1.1左右。
也就是说，本发明的施加高频振动的高压水的喷射可以认为其压力和流速的脉动较小，而水量密度的脉动较大。
在本发明中，关于喷出压力的变动较小、而喷射水流的水量密度较大地脉动的原因目前尚不清楚，但可以推定由于高频振动的共振现象，因而高压水从喷嘴喷出时的流量较大地脉动。
下面就本发明的施加高频振动的高压水的去氧化皮性能得以提高的机理进行考察。
在借助于水流与钢坯碰撞时的冲击力使氧化皮破坏从而将其除去时，为人所知的是提高水流的水量密度是有效的。因此，在使用扁平喷射喷嘴的情况下，通过减薄喷射成扇形的水流的厚度来提高水量密度，从而使去氧化皮性能得以提高。虽然水量密度的增加使去氧化皮性能得以提高的机理尚未明确，但可以推测通过提高水量密度，液滴的尺寸增大，由此使与钢坯碰撞时的碰撞压力增大，从而使去氧化皮性能得以提高。
也就是说，一般认为在本发明中，通过脉动的施加而均匀地促进液滴化，同时因水量密度大而周期性地产生大尺寸液滴较多的水流，由此使去氧化皮性能得到飞速提高。
再者，由于向各自的液滴施加高频振动能量，因而对液滴碰撞时的水锤现象产生一些影响，以致碰撞压力增大，从而使去氧化皮性能得到进一步的提高。
在专利文献5所公开的去氧化皮方法中，由于施加的振动频率较低，而脉压比较高，达2以上，所以喷射水流的流速较大地变动，在该压力变动的作用下，可以获得去氧化皮效果。另一方面，本发明的高压水的特征在于：由于施加3kHz以上的高频振动，因而喷出压力的脉压比较小，而另一方面，喷射水流的水量密度较大地脉动，因该高水量密度而使去氧化皮效果得到飞速提高。其机理与专利文献5等现有技术存在很大不同。
下面就本发明的各条件的限定理由进行说明。
之所以将高压水的脉动的振动数(或频率)设定为3.0kHz以上，是因为如果是低于3.0kHz的脉动，则高压水的液滴化并不充分，而且由于高频振动的能量也较小，因而不能充分地获得脉动的效果。另外，之所以将高压水的脉动的振动数设定为200kHz以下，是因为对去氧化皮所需要的压力和流量的高压水施加频率超过200kHz的脉动在现有技术水平上是困难的。从去氧化皮能力的提高和振子的耐久性提高的角度考虑，高压水的脉动的振动数更优选为10kHz～50kHz的范围。如果可能的话，当为20kHz以上的所谓超声波区域的脉动时，可以得到进一步的去氧化皮效果。
之所以将从喷嘴向钢坯划垂线时垂线的长度即从喷嘴到钢坯的距离设定为50mm以上，是因为如果为低于50mm的距离，则即使施加脉动，高压水的液滴化也不充分，从而不能获得效果。另外，之所以将从喷嘴到钢坯的距离设定为700mm以下，是因为如果为超过700mm的距离，则脉动的效果降低，从而不能充分地去氧化皮。为了充分地发挥液滴化和脉动的效果，更优选将从喷嘴到钢坯的距离设定为70～400mm。
通过去氧化皮进行的除去困难的Fe2SiO4由于在氧化皮和钢材界面生成，因而随着Si添加量的增加，去氧化皮性能降低。特别是在钢材中的Si含量大于0.2质量％时，去氧化皮性能明显降低。
在喷出压力为10MPa左右的去氧化皮中，其去氧化皮性能极低，即使在使用50MPa左右的高压水的情况下，对钢坯的加热条件也需要进行严格的操作限制。其原因在于：由于作为Fe和Si的复合氧化物的Fe2SiO4在氧化皮和钢材界面生成，而且Fe2SiO4和钢材的附着力非常良好，因而难以除去Fe2SiO4。
另外，之所以将源于喷嘴的喷出压力设定为10MPa以上，是因为如果喷出压力低于10MPa，则由于压力过小，即使施加脉动，也有可能不能充分地去氧化皮。另外，之所以将喷出压力设定为60MPa以下，是因为在喷射超过60MPa的高压水时，存在的问题是因设备大型化而导致成本的上升。从设备成本的角度考虑，喷出压力更优选为10MPa～30MPa的范围。
之所以将每一个喷嘴的喷射流量设定为20～300L/min，是因为如果为低于20L/min的流量，则由于热冲击力较小，因而即使施加脉动，也有可能不能充分地去氧化皮。另一方面，对流量超过300L/min的高压水施加脉动在现有技术水平上是困难的，因钢材表面的温度进一步下降而使均匀的轧制变得困难。为了兼顾长期且稳定地进行去氧化皮和轧制，喷射流量更优选为50～200L/min的范围。
之所以将高压水的脉压比设定为1.5以下，是因为根据本发明的喷射水流的流速的实测值而算出的脉压比最大为1.5，因而将其设定为上限。脉压比越大，包括喷嘴在内的高压水的路径所承载的应力越是增大，所以从对疲劳的耐久性的角度考虑，脉压比优选为较小(接近于1)的程度。
下面就本发明的实施例进行说明，但实施例的条件是为了确认本发明的实施可能性以及效果而采用的一个条件例，本发明并不局限于该一个条件例。只要不脱离本发明的要旨，能够实现本发明的目的，本发明可以采用各种条件。
实施例1
使用具有表1所示的含有0.15质量％和0.35质量％Si的成分组成、大小为300×300×30mm的含Si钢材，将该钢材在加热炉中于1200℃下加热120min，然后将钢材从加热炉中取出，继而由1个喷嘴向钢材表面喷射高压水，从而进行去氧化皮。在各去氧化皮的条件下，使用钢材表面的喷射宽度约为100mm的喷嘴，并采用固有振动数分别为2kHz、3kHz以及20kHz的振子，喷射出各喷嘴的喷出压力为20MPa、每一个喷嘴的流量为50L/min的高压水。喷嘴使用扁平喷射喷嘴。
表1 钢坯的组成
此外，关于氧化皮剥离性的评价，使用光学显微镜，观察去氧化皮后的钢材表面，求出氧化皮残存的面积率，将其定义为氧化皮残存率，该氧化皮残存率在20％以下设定为合格(○)，氧化皮残存率超过20％设定为不合格(×)。
如表2所示，在从喷嘴到钢坯的距离为50～700mm的范围时，可以确认采用振子使作为本发明方法的去氧化皮水产生脉动，由此可以促进高压水的液滴化，从而强化去氧化皮能力。
表2 去氧化皮条件和氧化皮残存率
实施例2
使用具有表3所示的含有0.35质量％和1.0质量％Si的成分组成、大小为300×300×30mm的含Si钢材，将该钢材在加热炉中于1200℃下加热120min，然后将钢材从加热炉中取出，继而由1个喷嘴向钢材表面喷射高压水，从而进行去氧化皮。在各去氧化皮的条件下，使用钢材表面的喷射宽度约为100mm的喷嘴，并采用固有振动数分别为5kHz、20kHz以及100kHz的振子。
表3 钢坯的组成
此外，关于氧化皮剥离性的评价，使用光学显微镜，观察去氧化皮后的钢材表面，求出氧化皮残存的面积率，将其定义为氧化皮残存率，该氧化皮残存率在20％以下设定为合格(○)。
如表4所示，可以确认采用振子使作为本发明方法的去氧化皮水产生脉动，由此可以强化去氧化皮能力，从而充分除去高Si含量钢上生成的氧化皮。另外，还可以确认通过将各源于喷嘴的喷出压力设定为10MPa～60MPa、将每一个喷嘴的流量设定为20～300L/min的范围，氧化皮残存率成为非常良好的值。
表4 去氧化皮条件和氧化皮残存率
以上就本发明优选的实施方式进行了说明，当然，本发明并不局限于这样的例子。显然，只要是本领域的技术人员，在权利要求书和说明书所记载的范围内，就可以想到各种变更例和修正例，可以理解对于这些当然也属于本发明的技术范围。另外，本发明以热轧钢板在去氧化皮中的适用为主体，但本发明不仅可以应用于热轧钢板，而且可以应用于例如电焊钢管等钢铁产品的表面氧化皮的去除等。
根据本发明的热轧钢板的制造方法，能够以良好的生产效率、低成本制造热轧中的去氧化皮困难的高Si含量钢等的、具有良好品质的热轧钢板，该制造方法不会导致设备成本的上升以及使去氧化皮的每一单位产品的电力消耗量恶化，从而大幅度强化去氧化皮能力，确信可以对作为钢材需求厂家的汽车产业等产业领域做出很大的贡献。
Claims (4)
1.一种热轧钢板的制造方法，其通过由多个喷嘴向钢材表面喷射高压水而去除该钢材在热轧时产生的氧化皮，该制造方法的特征在于：通过由振子或与所述振子连接的部件所产生的直接的励振、或者通过由所述振子的共振所产生的励振而对所述高压水施加频率为3.0kHz～200kHz的脉动，并将从各所述喷嘴到所述钢坯的距离设定为50～700mm的范围。
2.根据权利要求1所述的热轧钢板的制造方法，其特征在于：所述钢材为含有0.2质量％以上的Si的钢材，将所述高压水的源于所述各喷嘴的喷出压力设定为10MPa～60MPa，将每一个所述喷嘴的流量设定为20～300L/min。
3.根据权利要求1或2所述的热轧钢板的制造方法，其特征在于：所述高压水的脉压比为1.5以下。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的热轧钢板的制造方法，其特征在于：所述喷嘴为扁平喷射喷嘴。
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