CN107923050B - 用于优化高强度碳钢合金的氧化皮调节方法 - Google Patents

用于优化高强度碳钢合金的氧化皮调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供处理和去除包含形成于包含至少二(2)重量百分比合金的优化高强度金属表面上的氧化铁和合金化元素氧化物的氧化皮层的方面。第一调节方法损害所述氧化皮层的氧化铁的结构完整性或去除所述氧化皮层内的氧化铁以使合金氧化物曝露，从而与安置的碱金属盐水溶液化学接合，所述安置的碱金属盐水溶液经加热以将所述安置的溶液内的一种或多种碱金属盐转化成半熔融形式。所述合金氧化物经由与溶液半熔融碱金属盐和水的反应氧化，形成一种或多种水可溶碱金属合金化合物。水冲洗剂从具有优化高强度的钢产品表面溶解且冲洗水可溶化合物，在经由最终酸洗方法去除的表面上留下氧化铁膜。

Description

用于优化高强度碳钢合金的氧化皮调节方法
技术领域
本发明的实施例大体上涉及生产高强度碳钢合金时产生的铁和合金氧化物的表面氧化皮的化学修饰，以及具有高合金百分比的表面金属上形成的氧化皮的一般调节，其中氧化皮由铁与合金氧化物的混合物构成。
背景技术
在典型的钢条热轧机中，碳钢板首先在再加热锅炉中再加热到约2500华氏度(℉)(1371摄氏度(℃))以使其更具韧性。将现热平板输送到高压水喷气去除氧化皮工作台以去除在平板再加热期间形成的重氧化皮。平板随后进行一系列粗加工和精加工。这些典型地包含竖直堆叠的工作辊，其接合且施加压力到平板的顶部和底部侧面，有时与水喷射组合，使得平板厚度和温度逐渐降低且提高平板变成钢条的伸长率。
一般来说，粗加工和精加工同步以补偿随着平板材料逐渐地拉伸且隔距(和温度)降低而不断提高的条带速度，且以形成最终条带宽度和厚度尺寸，例如以产生指定厚度、隔距和/或其它尺寸。在沿着输出辊道的最后一个轧机座区域传输之后，通过编码器，一般以高速率速度(例如约30英里每小时，但也可实施其它速度)卷曲最终条带。条带的最终卷曲温度一般在输出辊道冷却区域中在卷曲之前常规地经由使用水喷射降低，但保持在高温下，通常在1100℉(593℃)与1450℉(788℃)之间。
在此最终热轧工艺期间，来自大气的氧气与钢表面中存在的铁和合金化元素反应以在条带表面上形成由铁与合金氧化物的混合物组成的氧化皮或外皮。钢表面上的此复合氧化物氧化皮的存在一般在后续钢处理中(例如在冷轧、焊接、退火、金属涂布、喷涂和其它涂布工艺中)为令人不快的。因此，氧化皮氧化物必须一般经由后热轧方法，如酸洗从金属条去除。
碳钢产物通常并入有少量合金化元素以提高强度且提供相对于普通碳钢更好的机械特性或更大的耐腐蚀性。高强度低合金(HSLA)钢中常用的合金化元素的说明性但非限制性或穷尽性的实例包括锰、硅、铜、镍、铌、氮、钒、铬、钼、钛、钙、硼、稀土元素和锆。合金元素可以合金碳化物形式分散于铁氧体基质中，其经由细化晶粒尺寸，相对于非合金化碳钢的典型的铁氧体-珍珠岩聚集碳钢微结构，提高材料强度。
合金钢一般经由铸造、热轧和精加工工艺，通过将通过制钢锅炉产生的钢水转化成薄片产品产生。在热轧或后续热处理工艺期间，来自大气的氧气与高强度钢表面中的铁和合金组分反应以形成包括铁和其它氧化物的表面氧化皮混合物。钢表面上存在此氧化物混合物氧化皮一般在后续钢处理中为令人不快的。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种用于处理和去除包含形成于优化高强度金属表面上的氧化铁和合金化元素氧化物的氧化皮层的方法包括经由第一调节方法，调节在热轧工艺期间经由与氧气反应形成于优化高强度钢产品表面上的氧化皮层，其中优化高强度钢产品包含至少二(2)重量百分比合金，且氧化皮层包含通过合金氧化形成的氧化铁和合金氧化物。第一调节方法损害氧化皮层内的氧化铁的结构完整性或从氧化皮层去除氧化铁组分，由此经由安置使合金氧化物曝露于化学接合。使碱金属盐水溶液安置于经由第一调节方法调节的氧化皮层上，且由此与曝露于化学接合的合金氧化物接合。将安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度(550华氏度)，加热将安置的碱金属盐水溶液内的一种或多种碱金属盐转化成半熔融形式。经由与碱金属盐的半熔融形式和安置的碱金属盐水溶液内的水反应使合金氧化物氧化，形成一种或多种水可溶碱金属合金化合物。优化高强度钢产品表面用水冲洗，水溶解水可溶碱金属合金化合物且从优化高强度钢产品表面冲洗出溶解的化合物，由此在优化高强度钢产品表面上留下经由最终酸洗方法去除的氧化铁膜。
在另一方面中，系统具有第一调节方法设备，其在热轧工艺期间经由与氧气反应调节形成于优化高强度钢产品表面上的氧化皮层，其中优化高强度钢产品包含至少二(2)重量百分比合金，且氧化皮层包含通过合金氧化形成的氧化铁和合金氧化物。第一调节方法损害氧化皮层内的氧化铁的结构完整性或从氧化皮层去除氧化铁组分，由此经由安置使合金氧化物曝露于化学接合。盐溶液安置工作台将碱金属盐水溶液安置于经由第一调节方法调节的氧化皮层上，且由此与曝露于化学接合的合金氧化物接合。加热设备将安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度(550华氏度)，加热将安置的碱金属盐水溶液内的一种或多种碱金属盐转化成半熔融形式，且其中合金氧化物经由与碱金属盐的半熔融形式和安置的碱金属盐水溶液内的水反应氧化，形成一种或多种水可溶碱金属合金化合物。水冲洗工作台用水冲洗优化高强度钢产品表面，水使水可溶碱金属合金化合物溶解且从优化高强度钢产品表面冲洗出溶解的化合物，由此在优化高强度钢产品表面上留下经由在最终酸洗方法设备中进行的最终酸洗方法去除的氧化铁膜。
附图说明
图1为一种用于处理和去除包含形成于优化高强度金属表面上的氧化铁和合金化元素氧化物的氧化皮层的根据本发明的方法的实施例的方框简图。
图2为一种用于处理和去除包含形成于优化高强度金属表面上的氧化铁和合金化元素氧化物的氧化皮层的根据本发明的方法或系统的图解视图。
图3为在进行根据本发明的酸洗酸第一调节方法之后复合氧化皮层的俄歇电子光谱分析(Auger Electron Spectroscopy；AES)分析曲线的图解图示。
图4为在用根据本发明的碱金属盐水溶液进行调节方法之后残留在图3曲线的氧化皮层上的氧化皮层的俄歇电子光谱分析(AES)分析曲线的图解图示。
具体实施方式
在热轧金属条期间形成的氧化物氧化皮可经由多种工艺从金属表面去除。机械氧化皮断裂工艺包括使条带折弯、延伸或弯曲，从而以物理方式使氧化皮结构的完整性断裂，包括形成用于反应性液体穿透进入氧化皮的微通道。各种机械喷丸技术还用于研磨掉氧化层。化学工艺与氧化皮组分反应且改变氧化皮组分的化学结构，以便再次打断其与下面的金属表面连接，且包括熔融的碱金属盐化合物的酸洗、酸清洁和安置。
使用不同组合物的无机酸洗浴且在不同条件下已证实对于从还并入有来自合金添加剂的存在的适量分数百分比其它氧化物的常规碳钢条去除氧化铁氧化皮来说为有效和低成本的(例如合金添加剂可总计小于一(1)百分比金属带组分)。在此类常规等级的热轧期间形成于热轧机上的氧化物氧化皮不明显受相对于具有常规酸洗规范的反应性合金组分的存在影响，且其一般能够通过常规机械和/或化学(酸洗)技术有效去除。
优化高强度钢主要为铁且具有相对百分比的合金化元素，其大体上高于常规和历史合金化碳钢中所见，例如超过二百分比金属条组分的总合金化元素水平，其中在将来合金发展中预想明显较高的水平。较高合金百分比实现更强结构特征，但造成显著酸洗挑战。
复合氧化物在具有显著量的合金化元素(例如2％且更高)的优化高强度钢的热轧期间形成且对于其去除造成独特挑战。氧化物厚度不仅大体上大于具有相对较低量的合金化元素的常规碳钢上形成的那些，还存在多种金属氧化物组合物，其各自具有相异的化学反应性(或稳定性)。提出或利用更优化和反应性酸混合物，而非依赖于简单的无机酸洗方法，如盐酸溶液浴以去除氧化铁，但其实际上为成问题的。当酸洗不锈钢时，常用通过电解活化扩增的酸浴(如硫酸和硝酸溶液)以提供更高化学活性，从而更好地去除韧性且耐火的高合金氧化物。还使用如硝酸加氢氟酸的混合酸溶液，其中需要韧性氧化皮的低切馏出物以便去除氧化皮，但同样通常限于高合金不锈钢和超合金。
如用硝酸酸洗产生氮氧化物气体的不利结果和酸与铁之间反应的放热性质造成的温度控制困难限制了相对于去除在优化高强度钢的热轧期间形成的复合氧化物此类先前技术途径的可应用性和功效。在一个方面中，腐蚀性更强的酸洗液的作用可在不可接受的程度上影响下面的钢表面。
从金属表面去除氧化物氧化皮的给定方法的功效还取决于氧化皮内特定氧化物或氧化物掺合物的存在。在热轧工艺期间经由与大气氧气反应形成于AHSS表面上的氧化物氧化皮层产生包含铁与合金氧化物的混合物的表面氧化物氧化皮结构。归因于与此类氧化皮中的铁和合金氧化物的反应性差异以及其相应反应性产物的行为和特征差异，常规酸洗生产线工艺一般未能以有效或令人满意的方式去除此类氧化物混合物氧化皮。可能需要大大降低的生产线速度和/或多次通过常规酸洗生产线以产生有时仅略微可接受的表面修整面层。举例来说，尽管一些酸洗生产线，在约200到约300米/分钟之间下在常规碳钢上经由方法运行钢薄片，实现令人满意的氧化皮条件结果，但为了令人满意地经由相同方法处理优化高强度钢，速度必须减缓以在常规生产线速度的分数下运作，其可为不可接受地缓慢的以在给定生产工艺中产生可接受的通量。另外，尽管在较慢速度下，离开此类常规酸洗生产线的钢表面可以肉眼看出为干净且可接受的，残余氧化物组分可在一定程度上保持以使得条带表面将实际上不能接受施加一些金属涂层，如锌和铝。
此外，通过铁与合金氧化物的混合物形成的氧化皮层结构和其在氧化皮层内的相对分布可极大地随卷曲温度或其它参数变化。在一个例示性AHSS中，在第一较高温度下热卷曲配制品形成在整个层中一般具有铁和合金氧化物的连续分配的坚硬明亮的光泽金属氧化皮。在不同第二和较低温度下热卷曲相同AHSS配制品产生氧化皮层，其相反具有安置于主要用合金氧化物形成的底层上方的多孔生锈外部氧化铁表面层，其中通过较高温度产生的金属顶层不存在。
也可改变不同氧化皮结构的深度尺寸，其中一个大体上小于另一个。因此，归因于氧化皮的结构和组合物差异，在较高温度下经由热轧形成的氧化皮所应用的给定调节方法(发现为有效且低成本的)可能无法提供在较低温度下经由热轧形成于相同AHSS上的不同氧化皮的令人满意的结果，且在较低温度下经由热轧形成的氧化皮所应用的另一不同调节方法(发现为有效且低成本的)可能无法提供在较高温度下经由热轧形成于相同AHSS上的氧化皮的令人满意的结果。
调节工艺因不同铁和合金氧化物而其功效极大地改变且由此形成不同氧化皮结构。此呈现选择和执行适当的氧化物去除方法以便在令人满意的程度上有效地且高效地去除复合混合氧化物氧化皮的问题。选择一种常规方法而非另一种方法可能使得能量或化学需求、操作费用或对生产通量的不利影响显著提高。甚至随后，归因于相对于由相同定义的铁和合金氧化物或氧化皮结构的功效差异，所选常规方法可仍存在不佳表面质量、有害的生产率限制或非所需有害材料曝露。
图1说明一种用于处理和去除包含氧化铁和一种或多种底下的合金氧化物且在热轧期间形成于优化高强度钢产品金属的表面上的氧化皮层的根据本发明的方法。更确切地说，优化高强度钢产品包含总计至少二(2)重量百分比合金，其中合金可包括多种(两种或更多种)和不同合金元素。氧化皮层为在钢产品的热轧期间经由钢条内的铁和合金与大气氧气的表面反应形成的氧化物层。所述反应为产生呈铁与合金化元素的氧化物混合物形式的氧化皮层的氧化。
在102处，第一调节方法调节氧化皮层，损害氧化皮层内的氧化铁的结构完整性且由此经由安置于氧化皮层上，经由氧化铁的受损的结构完整性和/或经由从氧化皮层去除氧化铁组分，使残余合金氧化物曝露于化学接合。
在104处，将碱金属盐水溶液安置于经由第一调节方法调节的氧化皮层上且由此与曝露于化学接合(经由氧化铁的受损结构完整性，或如通过从氧化皮层去除氧化铁组分所曝露)的残余合金氧化物接合。
在106处，将安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度(550华氏度)，加热使安置的碱金属盐水溶液内的至少一种碱金属盐熔融成半熔融形式。术语“半熔融的”将理解为描述从初始水溶液状态到极浓缩水溶液状态，随后到超水合半熔融状况，且最后到无水熔融状态的安置的碱金属盐的形式的过渡状态。
在108处，安置的碱金属盐水溶液内的水和碱金属盐的半熔融形式与合金氧化物中的每一种反应(氧化)以形成相应水可溶碱金属合金化合物。
在110处，优化高强度钢产品的表面用水冲洗，水使水可溶碱金属合金化合物溶解且从优化高强度钢产品表面冲洗溶解的化合物。冲洗在优化高强度钢产品表面上留下氧化铁膜。
在112处，优化高强度钢产品表面经由最终调节(酸洗)方法酸洗以从优化高强度钢产品表面去除氧化铁膜层。
融合或熔融的盐去除氧化皮调节提供韧性或耐火氧化皮的一个形态，如氧化铬、氧化锰、二氧化硅和类似氧化物。方面依赖于高度反应性碱金属盐形成，即与安置于104(图1)处的金属表面上且在106处加热的溶液中存在的水组合发生的熔融的盐处理反应。此方法快速地去除表面氧化皮且留下充分响应于最终酸洗步骤中的温和酸洗(例如在112处)的均匀反应性表面。
熔融的盐处理调节(例如在106和108处)包含基本上在两个步骤中进行的反应：第一步骤涉及合金氧化物的氧化，且第二步骤呈碱金属:金属化合物形式的高价氧化物的溶解。
当氧化铁氧化皮与碱性熔融盐接触时，仅发生单一步骤反应：表面氧化皮氧化。氧化铁几乎不可溶于融合或熔融的盐中。实际上，熔融的盐浴锅炉通常由厚钢板构建，且当恰当地维持时，具有二十到三十年或更九的服务寿命，即使在900℉(482℃)的温度下连续曝露于苛性碱。
在优化高强度钢的热轧期间形成的复合氧化物造成其去除的独特挑战。不仅氧化物厚度大体上大于常规碳钢，还存在多种金属氧化物组合物，各自具有相异的化学再激活或稳定性。归因于以下中的一个或多个，使用常规热盐酸酸洗去除这些合金的氧化皮的尝试不成功：不佳清洁、过度金属损失和/或低酸洗生产线生产率。尽管一些合金组合物在某种程度上为成功的，但常规化学氧化皮调节反应一般受存在于一些热轧优化高强度钢上的显著氧化铁或金属“皮肤”或最外层氧化物层阻碍。为了使熔融的盐调节有效，必须确定下面的合金化元素氧化物的出入。
在一些方面中，在102处的第一调节方法为破裂或以其它方式损害氧化皮层且尤其氧化铁组分的结构完整性的机械氧化皮断裂方法，由此经由安置于氧化皮层上，经由氧化铁的受损结构完整性，使合金氧化物曝露于化学接合，以便于盐接触下面的合金氧化物。可使用利用广泛范围的介质和推进技术的喷磨，且喷丸介质的说明性但非限制性或穷尽性的实例包括金属丸粒和陶瓷。还可进行条带的刷拭、折弯、延伸或弯曲，从而以物理方式断裂氧化皮结构的完整性，以产生为氧化皮-金属界面提供流体路径的氧化物氧化皮中的微裂纹。此有助于通过与后续化学安置物反应实现底切作用，其中使用基材金属溶解来移走氧化物层而非使氧化物层恰当溶解。
在其它方面中，在102处的第一调节方法为在熔融的盐氧化皮调节之前进行的第一酸性酸洗预处理，经由安置于氧化皮层上，经由从氧化皮层去除氧化铁组分使合金氧化物曝露于化学接合。酸洗一般与机械选择方案相比在去除常规氧化铁氧化皮组分方面更具选择性，但仅具有与更耐火合金化元素氧化物的略微反应性。在氧化铁层已通过酸洗方法溶解后，后续曝露于熔融的盐调节可继续进行复合碱金属化合物形成。
在102处的第一调节方法中使用的酸洗酸的方面包含氢氯酸和硫酸中的一种或多种。这些酸与氧化皮层内的氧化铁反应以形成第一反应产物：元素碳、水、来自与硫酸反应的硫酸铁以及来自与盐酸反应的氯化铁。
方面还并入有在104处在安置碱金属盐水溶液之前的水冲洗步骤，其冲洗来自氧化皮层的水、硫酸铁和氯化铁反应产物，留下大体上包含其余元素碳的层的多孔海绵样外部氧化皮表面层结构。
图3为在102处在进行酸洗酸第一调节方法之后AHSS样品上的复合氧化皮层的俄歇电子光谱分析(AES)分析曲线的图解图示。AES曲线指示超过八十(80)重量百分比，更尤其82.0％的表面碳浓度，0.3％硅，无钙(0.0％)，0.2％氯，12％氧和5.4％铁。
与下面的富含合金氧化物层结合的主要碳的此其余表面层定义在仅酸酸洗中进行的持续酸洗的抑制或物理障碍。与合金氧化物耐化学性结合的碳物理障碍可解释不佳酸洗动力学和急剧降低常规热谱带盐酸生产线速度以成功地经由先前技术工艺调节AHSS条带上的氧化皮层的需要。
然而，此其余的表面层也为多孔的，这是由于在酸洗方法中去除氧化铁，其能够使得在104处安置于其上的碱金属盐水溶液传送通过氧化皮层的外表面且进入且接合在102处酸洗之后保持安置于氧化皮层内的下面的合金氧化物。
在一个方面中，在102处的第一调节方法为第一酸性酸洗预处理的情况下，在104处施加碱金属盐水溶液通过在水冲洗步骤之后将水溶液(不同浓度)施加到干燥预酸洗钢表面进行。随后将经涂布的金属条加热到约500℉到600℉的最终温度，且随后引导水淬灭。一些方面达到600℉以便确保碱金属盐水溶液内的过量水馏出且使盐熔融到足以润湿合金氧化物且产生所需调节水平的点。
在一些方面中，在102处的第一调节方法之后且在104处施加碱金属盐水溶液之前，经由干燥方法，且在一些实施例中，同样后续加热方法从钢表面去除附带油。此通过碱金属盐水溶液确保良好且令人满意的表面润湿。在干燥步骤使用并不从表面去除附带油的加压空气或其它设备的情况下，后续加热设备加热金属表面以挥发任何残余油。去除附带油还可通过水冲洗实现，其中在102处的第一调节方法为酸洗，在一些实例中通过将表面活性剂添加到水中或经由一些其它额外步骤。
表面活性剂还可并入安置于104处的碱金属盐水溶液中以增强遍及扩散和表面可湿性。
在步骤104-106-108处，本发明的各方面中利用的熔融的盐化学物质基于碱金属氢氧化物，其中可根据需要，取决于氧化皮层中存在的特定合金化元素改变添加剂以促进所需量的氧化、溶解等。图4为在用104-106-108处的碱金属盐水溶液进行调节方法，且更尤其随着在图3的氧化皮层曲线上进行之后，残留于AHSS样品上的氧化皮层的AES曲线的结果的图解图示。80％碳的表面层已氧化以产生二氧化碳，其中图4的曲线中不存在其余部分(0.0％)。曲线还示出1.45％钙、3.9％钾、61.1％氧和33.6％铁。
应注意，俄歇电子光谱分析能够在标称检测极限，例如约0.1％内检测出多种元素(除了氢和氦之外)，但其中波谱干扰可禁止相对较低浓度的一些元素的检测。图3和4中描绘的测量结果的取样体积具有约10纳米(nm)的深度和直径约50微米(μm)的分析面积。定量方法假定取样体积为均匀的，其中相对元素组成表以比较类似样品和鉴别污染物的手段提供。通过使用与未知的样品具有类似组成的参考材料获得数据的准确定量，其中可通过组合俄歇分析与同时溅镀蚀刻(例如4.0keV Ar+离子束)获得组成的分布(也被称为溅射深度分布(SDP))。当元素和化合物以不同速率溅镀时，在相对刻度上在图3和4中报导深度氧化皮。指示多层分布的厚度基于单一溅镀速率。应注意，溅镀蚀刻可使得多元素系统中的组成改变显而易见。所有元素具有不同溅镀速率，因此“差异溅镀”可消耗构成元素中的一种或多种的膜。
熔融盐中的氧化熔融盐(通过大气氧气吸收或通过添加以化学方式结合的氧气，经由碱金属硝酸盐实现，或这两者)(1)由锰形成较高价金属化合物且其它合金化金属随后(2)与如氢氧化钠和氢氧化钾的熔融碱反应以形成盐和水可溶碱金属盐，如锰酸钠/锰酸钾以及硅酸钠/硅酸钾。如果存在铝，那么还可能形成碱金属铝酸盐。
在106处的加热方法包括常规辐射热，其可限制允许的燃烧产品且将羟基离子(OH-)从燃烧期间形成的二氧化碳(CO2)转化成碳酸根(CO3 2-)。一些方面使用诱导加热，其相对于辐射技术能够使得实现更快速的第一阶段加热，继而常规辐射第二阶段保持区域持续所需调节时间段的其余部分。在加热区域以维持条带温度之后简单隔热腔室也可为足够的以完成调节活动。
因为AHSS为铁基的，使用诱导热量为有效的且相比于辐射和用于再加热非碳钢的其它途径(烘箱等)能够节省较多能量。使用诱导加热的方面仅需要若干秒来将金属表面加热到所需调节温度，且在一个实例中，五(5)秒为足够的。利用优化诱导系统，有可能仅加热反应进行处钢条的完全表面，相比于经由加热条带节省时间和能量。此可快速地且容易地以200到300米/秒或更快的常规酸洗速度实现，且因此本发明的各方面能够在原有设备安装的时间参数内并入此步骤，保证此调节步骤不会不利地影响钢生产和精加工设施内的通量需求。
如上文所提及，在106处加热安置溶液将安置的碱金属盐的形式从初始水溶液状态转换到极其浓缩水溶液状态，随后到超水合半熔融状况，且最后到无水熔融状态。在溶液存在下经由加热从化学水溶液转变成融合盐，水还安置于与合金元素的氧化皮层增强反应上且使氧化产品溶解，使得能够经由110处的冲洗步骤去除氧化皮层内的调节合金元素，其另外不经由先前技术中利用的常规无水熔融盐浴工艺从金属表面去除。
经由步骤104-106-108的熔融盐氧化皮调节方法由氧化物氧化皮成分产生的耐火氧化物反应产物的说明性但非限制性或穷尽性的实例包括：来自二氧化硅的碱金属硅酸盐；来自二氧化锰的碱金属锰酸盐；来自氧化铝的碱金属铝酸盐；来自氧化钼的碱金属钼酸盐；以及来自氧化铬的碱金属铬酸盐。这些碱金属盐反应产物可溶于熔融盐、后续水冲洗剂或这两者中。
然而，尽管在与熔融的碱金属盐的反应中，如在常规无水熔融盐浴中容易形成碱金属铝酸盐，但其不为盐可溶性的。因此，其不溶解于常规浴中，相反保留在经调节金属的表面上，基本上形成钝态(或钝化)层。相比之下，在本发明的各方面中，在106处在其经由加热转换成无水状态期间安置的溶液内存在的水允许碱金属铝酸盐进入溶液，且由此保证调节过程进行，以及使不溶解于常规盐调节浴中的其它金属氧化物溶解。
在盐氧化皮调节和水冲洗之后，在优化高强度钢表面上保留了较薄的均匀易去除氧化铁膜，其展现与酸洗酸的良好反应性且容易接触酸洗酸。因此，在112处通过盐酸酸洗容易地去除氧化物膜。容易在正常热谱带酸洗速度下实现完全残余物氧化皮去除，在一些实例中在酸洗酸停留在金属产品表面上十(10)秒之后实现，因为已通过执行一系列先前步骤102-110减少常规氢氯酸的物理和化学阻碍物。
上文所描述的方面的应用实验结果确认碱金属锰酸盐和碱金属硅酸盐形成。测试板经由步骤102-108处理。样品上的盐残余物在110处冲洗且采集冲洗水。在一个例子中，漂洗水中显影的特征着色说明碱性锰酸盐。在另一测试中，通过电感耦合等离子体/光学发射光谱学(ICP/OES)采集和分析的冲洗水显示硅和锰的阳性结果。
在一个方面中，碱金属盐水溶液具有基本上由85重量％氢氧化钾(KOH)、7.5重量％硝酸钠(NaNO3)和7.5重量％氯化钠(NaCl)组成的无水熔融化学物质。术语“基本上”将理解为在此情形下传达任何其余还原性或另外反应性组分将具有根本上不足以与氧化皮层氧化物或下面的金属表面层反应的数量。
碱金属盐水溶液的一种调配物包含33重量％90％氢氧化钾片、2.60重量％硝酸钠、2.60重量％氯化钠、3.30重量％来自片状氢氧化钾的水以及58.50重量％额外水，所述溶液包含约35重量％溶解固体。
碱金属盐水溶液的另一调配物使用45％液体氢氧化钾作为成分以产生以干物质计29.7重量％氢氧化钾、2.60重量％硝酸钠、2.60重量％氯化钠、36.4重量％水(来自45重量％液体氢氧化钾)，向其中添加28.6重量％额外水。对于溶液重量的34.9995％的总固体重量，此溶液包含约29.7495重量％溶解的氢氧化钾固体(固体总重量的85％)、2.625重量％硝酸钠(固体总重量的7.5％)以及2.625重量％氯化钠(固体总重量的7.5％)。
可将一定分数百分比的适当碱金属稳定表面活性剂(以湿润水溶液计小于总重量的0.1％)添加到上述碱金属盐水溶液中。实例包括罗地亚米拉汀(Rhodia Mirataine)ASC和空气产品(Air Products)SF-5表面活性剂以及所属领域的技术人员将显而易见的其它实例。因此，向100克碱金属盐水溶液中添加约0.1克表面活性剂。
应注意，尽管迄今论述的实施例使用钠或钾阳离子作为碱性苛性碱调节剂，但替代实施例混合物可利用不同阳离子，且相关去除氧化皮参数和作用主要取决于所存在的特定阴离子。
用作去除氧化皮试剂的化合物的性能可容易地用肉眼进行判断，其中可通过后续酸洗(其后初始氧化皮将以大体上无变化形式存在)确定调节失效。选择适当的调节组合物和其所应用的化学计量的评估标准可包括在例如颜色、不透明度、重量损失和均一性方面经调节氧化物的外观；易于通过机械折弯、刷拭、冲洗、擦除或后续酸洗去除剥离的氧化层；以及在例如颜色、亮度、均一性、光滑度和无残余氧化物方面去除氧化皮的金属表面的最终外观。应理解，这些若干标准的程度和方向可独立地改变，以使得存在一定主观要素来定量指定任何去除氧化皮试剂或添加剂的不利或有利作用。
本发明的各方面以新颖且特定多步骤顺序组合三个或更多个不同且相异的氧化皮调节工艺，其有效地且令人满意地从热轧优化高强度钢的表面调节和去除包含铁与合金氧化物的混合物的氧化皮。图2说明在某种程度上根据如上文所描述的工艺和图1的方法用于氧化皮调节部分的方法或系统400的图形表示。
AHSS钢条406经由第一调节方法设备408抽取，所述设备调节其上形成的复合氧化皮层(经由机械或酸洗方法)以损害复合氧化皮层内的氧化铁的结构完整性且由此经由安置于氧化皮层上，经由氧化铁的受损结构完整性和/或经由从氧化皮层去除氧化铁组分而使残余合金氧化物曝露于化学接合。条带406可具有形成于顶表面和底表面两者上的氧化皮，且因此方法/系统400的本实例描绘进行顶表面和底表面两者的调节的元件，但此为任选的，且在一些实例中顶表面和底表面中的仅一者经调节。
在第一调节方法设备408为酸洗工艺的情况下，水冲洗工作台410在酸洗过程之后冲洗掉条带406的表面，且干燥设备411从钢表面去除水分和附带油。在一些实施例中，干燥设备411用从表面吸取水分的吸收性材料擦拭表面。在一些实施例中，干燥设备411包括单独的加热设备(未示出)，所述加热设备加热金属条表面406以使冲洗410和干燥工艺步骤之后残留的任何附带油挥发，例如其中干燥设备411并入加压空气或通过从表面去除水分而不会还去除任何伴随油来干燥金属条406的其它元件。
盐溶液安置工作台412将如上文所描述的根据本发明的碱金属盐水溶液的层414安置于已经由第一调节方法调节的条带406的表面上的氧化皮层上，其中安置的碱金属盐水溶液层414与经由氧化铁的受损结构完整性曝露于化学接合或如通过从氧化皮层去除氧化铁组分曝露的残余合金氧化物接合。可通过多种方法，即，经由用调节溶液形成均匀涂层或完全润湿AHSS条带406表面的任何方法或系统，通过安置工作台412形成碱金属盐水溶液的层414。安置工作台412元件和设备的说明性但非穷尽性实例包括浸入滚筒或辊/滚筒涂布机以及喷射嘴、帘式涂布机和施用器、浸没方法和系统或其组合。
尽管图说明水平面上的工艺生产线，但不打算将生产线构造限于单一平面。包括水冲洗头410或溶液施用器412的某些元件可容易地配置在垂直面中，根据需要后接其它垂直或水平或倾斜元件以进行工艺和/或适应物理生产线限制。
加热工作台或设备416加热条带406的表面以使安置的碱金属盐水溶液414达到至少288摄氏度(550华氏度)，安置的碱金属盐水溶液内的碱金属盐熔融成半熔融形式，其中安置的碱金属盐水溶液内的碱金属盐的水和半熔融形式与合金氧化物中的每一种反应(氧化)以形成如上文所描述的相应水可溶碱金属合金化合物。
水冲洗工作台418随后冲洗具有水的AHSS条带406产品的表面，水使水可溶碱金属合金化合物溶解且从AHSS条带406的表面冲洗所得层417(通过碱金属调节，经由加热过程产生)内的溶解的化合物，在AHSS条带406表面上留下氧化铁膜419。
最终酸洗方法420酸洗且由此从AHSS条带406的表面去除氧化铁膜层419。
应理解，图2内所描绘工序的工艺组件中的每一个可单独地在不同位置中实施且在不同可相容钢生产、酸洗生产线和碱金属盐调节设备生产线和可彼此远离的位置内。举例来说，在实施第一调节方法408之后，钢条406可通过卷曲设备(未示出)卷曲且传输到另一位置，其中其通过开卷设备(未示出)开卷且通过设备412进行碱金属调节溶液沉积且通过加热工作台416加热，且其中其可再次在通过可位于又一不同位置远端的工作台420最终调节之前类似地卷曲、传输、开卷。
因此，工序400的不同工艺中的每一种可以组分方式整合到多种不同和现有钢生产、酸洗和碱金属盐调节生产线或实施的离线中、不同氧化皮调节工艺中。还可随复合氧化物氧化皮特性变化选择各方法或并入生产线，按需要以提供可随如上文所论述的不同形成温度和合金组合物而变形成的复合氧化物氧化皮的不同类型和形式的反应性接合。方面由此使得能够与现有酸洗和碱金属盐调节生产线完全相容，由此利用现有基础设施投资、酸洗工艺、酸管理结构等。
虽然已通过描述其实施例来说明本发明且虽然已相当详细地描述此等实施例，但并不打算将所附权利要求书的范畴限制或以任何方式限制为此等细节。举例来说，尽管上文论述可主要集中于呈条带形式的金属，本发明的可应用性和值可适用于调节各种形状、几何结构或除金属条外总成的氧化物表面或氧化皮，且不打算将益处仅限于金属条。额外优势和修改可为所属领域的技术人员显而易见。因此，本发明在其最宽方面中不限于所显示和描述的特定细节、代表性设备或说明性实例。因此，可在不脱离申请人整体发明构思的精神或范围的情况下对所述细节进行变更。
本说明书中所使用且不根据公制的单位可借助于下式转换成公制：1℃＝(℉-32)5/9；1英寸＝2.54×10-2m；以及1F.p.m.(英尺/分钟)＝5.08×10-2m/sec。

Claims (27)

1.一种用于处理和去除包含形成于优化高强度金属表面上的氧化铁和合金化元素氧化物的氧化皮层的方法，所述方法包含：
经由第一调节方法调节在热轧工艺期间经由与氧气反应形成于优化高强度钢产品表面上的氧化皮层，其中所述优化高强度钢产品包含至少二(2)重量百分比合金，且其中所述氧化皮层包含通过所述合金的氧化形成的氧化铁和合金氧化物，且其中经由所述第一调节方法的调节包含至少一种损害所述氧化皮层内的所述氧化铁的结构完整性以由此经由安置于所述氧化皮层上且经由所述氧化铁的受损结构完整性使所述合金氧化物曝露于化学接合，且经由安置于所述氧化皮层上，经由从所述氧化皮层去除氧化铁组分来使所述合金氧化物曝露于化学接合；
将碱金属盐水溶液安置于经由所述第一调节方法调节的氧化皮层上，且由此与曝露于化学接合的所述合金氧化物接合；
将安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度，所述加热将所述安置的碱金属盐水溶液内的至少一种碱金属盐转化成半熔融形式；
经由与所述至少一种碱金属盐的半熔融形式和所述安置的碱金属盐水溶液内的水反应使所述合金氧化物氧化以形成至少一种水可溶碱金属合金化合物；
用水冲洗所述优化高强度钢产品的表面，所述水使所述至少一种水可溶碱金属合金化合物溶解且从所述优化高强度钢产品的表面冲洗溶解的所述至少一种水可溶碱金属合金化合物，所述冲洗由此在所述优化高强度钢产品的表面上留下氧化铁膜；以及
经由最终酸洗方法酸洗所述优化高强度钢产品的表面以从所述优化高强度钢产品的表面去除所述氧化铁膜层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一调节方法为机械氧化皮断裂方法，其在氧化物氧化皮中产生微裂纹以提供到氧化皮-金属界面的流体路径且经由安置于所述氧化皮层上有效地使所述合金氧化物曝露于化学接合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一调节方法为机械研磨去除氧化皮方法，其经由安置于所述氧化皮层上，经由从所述氧化皮层去除氧化铁组分来使所述合金氧化物曝露于化学接合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一调节方法为第一酸洗方法，其包含通过以下步骤损害所述氧化皮层内的所述氧化铁的结构完整性以由此经由安置于所述氧化皮层上且经由所述氧化铁的受损结构完整性使所述合金氧化物曝露于化学接合：
将第一酸洗酸安置于所述氧化皮层上；
安置的第一酸洗酸与所述氧化皮层内的所述氧化铁反应以形成包含水、元素碳层以及硫酸铁和氯化铁中的至少一种的第一反应产物，其中所述第一酸洗酸包含盐酸和硫酸中的至少一种；以及
水冲洗所述优化高强度钢产品的表面以从所述优化高强度钢产品的表面去除所述水和第一反应产物的硫酸铁和氯化铁中的至少一种，由此形成包含所述氧化皮层的外表面上的元素碳的多孔外层，其使得安置于所述氧化皮层的外表面上的碱金属盐水溶液能够传送通过所述氧化皮层的外表面且接合安置于所述氧化皮层内的下面的合金氧化物；以及
所述方法进一步包含经加热的安置的碱金属盐水溶液使所述元素碳的多孔外层氧化以产生二氧化碳。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包含：
在将所述安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度的步骤期间，所述安置的碱金属盐水溶液从初始水溶液状态转换到极其浓缩水溶液状态，随后到超水合半熔融状况，且最后到无水熔融状态；以及
在所述安置的碱金属盐水溶液转换到所述无水熔融状态期间，所述安置的碱金属盐水溶液内的水使通过使所述氧化皮层内的所述合金氧化物氧化的步骤形成的至少一种水可溶碱金属合金化合物溶解。
6.根据权利要求5所述的方法，其中酸洗所述优化高强度钢产品的表面以去除所述氧化铁膜层的步骤包含：
将第二酸洗酸安置于所述优化高强度钢产品的表面上；
所述第二酸洗酸使所述第一调节方法之后残留在所述优化高强度钢的表面上的氧化铁层从所述优化高强度钢的表面溶解。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述优化高强度钢产品包含多种不同合金元素，且所述多种不同合金元素包含硅、锰、铝、钼和铬中的至少两种；
其中形成于所述优化高强度钢产品的表面上的氧化皮层包含多种不同合金氧化物，且所述多种不同合金氧化物包含二氧化硅、二氧化锰、氧化铝、氧化钼和氧化铬中的至少两种；以及
其中所述至少一种水可溶碱金属合金化合物包含多种不同碱金属合金化合物，且所述多种不同碱金属合金化合物包含由所述二氧化硅形成的碱金属硅酸盐、由所述二氧化锰形成的碱金属锰酸盐、由所述氧化铝形成的碱金属铝酸盐、由所述氧化钼形成的碱金属钼酸盐以及由所述氧化铬形成的碱金属铬酸盐中的至少两种。
8.根据权利要求5所述的方法，其中加热所述安置的碱金属盐水溶液以使所述安置的碱金属盐水溶液内的至少一种碱金属盐熔融成熔融形式的步骤包含加热所述优化高强度钢产品的表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含将所述优化高强度钢产品的表面加热到至少288摄氏度的温度持续至少五秒。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含将所述优化高强度钢产品的表面加热到600℉的温度持续至少五秒。
11.根据权利要求8所述的方法，其中熔融的至少一种碱金属盐的无水形式包含：
85重量％氢氧化钾(KOH)；
7.5重量％硝酸钠(NaNO3)；以及
7.5重量％氯化钠(NaCl)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述碱金属盐水溶液包含：
33重量％90％氢氧化钾片；
2.60重量％硝酸钠；
2.60重量％氯化钠；
3.30重量％来自片状氢氧化钾的水；以及
58.50重量％额外水；
其中，溶液包含约35重量％溶解的固体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将碱金属稳定表面活性剂添加到所述碱金属盐水溶液中，添加的表面活性剂的重量包含0.01％与1％之间的所述碱金属盐水溶液的总重量。
14.一种用于处理和去除包含氧化铁的氧化皮层的系统(400)，其包含：
第一调节方法设备(408)，其损害在热轧工艺期间经由与氧气反应形成于优化高强度钢产品表面上的氧化皮层内的氧化铁的结构完整性，其中所述优化高强度钢产品包含至少二(2)重量百分比合金且所述氧化皮层包含通过所述合金和所述氧化铁的氧化形成的合金氧化物，且其中所述第一调节方法设备损害所述氧化皮层内的氧化铁的结构完整性以经由安置于所述氧化皮层上且经由所述氧化铁的受损结构完整性而使所述合金氧化物曝露于化学接合；
盐溶液安置工作台(412)，其将碱金属盐水溶液层安置于经由第一调节方法设备(408)调节的氧化皮层上，由此与曝露于化学接合的所述合金氧化物接合；
加热设备(416)，其将所述安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度，所述加热将所述安置的碱金属盐水溶液层内的至少一种碱金属盐转化成半熔融形式，且所述至少一种碱金属盐的半熔融形式和所述安置的碱金属盐水溶液内的水使所述合金氧化物氧化以在所述优化高强度钢产品的表面上形成包含至少一种水可溶碱金属合金化合物的所得层；
水冲洗工作台(418)，其用水冲洗所述优化高强度钢产品的表面，所述水使所述所得层内的所述至少一种水可溶碱金属合金化合物溶解且从所述优化高强度钢产品的表面冲洗溶解的所述至少一种水可溶碱金属合金化合物，所述冲洗由此在所述优化高强度钢产品的表面上留下氧化铁膜；以及
最终酸洗方法设备(420)，其经由最终酸洗方法酸洗所述优化高强度钢产品的表面以从所述优化高强度钢产品的表面去除所述氧化铁膜层。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一调节方法为机械氧化皮断裂方法，其在所述氧化物氧化皮中产生微裂纹以提供到所述氧化皮-金属界面的流体路径且经由安置于所述氧化皮层上有效地使所述合金氧化物曝露于化学接合。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一调节方法为机械研磨去除氧化皮方法，其经由安置于所述氧化皮层上，经由从所述氧化皮层去除氧化铁组分来使所述合金氧化物曝露于化学接合。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一调节方法为第一酸洗方法，其包含损害所述氧化皮层内的氧化铁的结构完整性以由此经由安置于所述氧化皮层上且经由所述氧化铁的受损结构完整性，通过将第一酸洗酸安置于所述氧化皮层上来使所述合金氧化物曝露于化学接合，其中所述安置的第一酸洗酸与所述氧化皮层内的氧化铁反应以形成包含水、元素碳层以及硫酸铁和氯化铁中的至少一种的第一反应产物，其中所述第一酸洗酸包含盐酸和硫酸中的至少一种；以及
所述系统进一步包含：
另一水冲洗设备(410)，其冲洗所述所述优化高强度钢产品的表面以从所述优化高强度钢产品的表面去除所述水和所述第一反应产物的硫酸铁和氯化铁中的至少一种；以及
干燥设备(411)，其从所述优化高强度钢产品的表面去除水分和附带油，由此形成包含所述氧化皮层的外表面上的元素碳的多孔外层，其使得安置于所述氧化皮层的外表面上的碱金属盐水溶液能够传送通过所述氧化皮层的外表面且接合安置于所述氧化皮层内的下面的合金氧化物，其中所述经加热的安置的碱金属盐水溶液使所述元素碳的多孔外层氧化以产生二氧化碳。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述干燥设备(411)加热所述优化高强度钢产品的表面以使所述附带油挥发。
19.根据权利要求17所述的系统，其中：
在通过所述加热设备(416)将所述安置的碱金属盐水溶液加热到至少288摄氏度的步骤期间，所述安置的碱金属盐水溶液从初始水溶液状态转换到极其浓缩水溶液状态，随后到超水合半熔融状况，且最后到无水熔融状态；以及
其中在所述安置的碱金属盐水溶液转换到所述无水熔融状态期间，所述安置的碱金属盐水溶液内的水使通过使所述氧化皮层内的所述合金氧化物氧化的步骤形成的至少一种水可溶碱金属合金化合物溶解。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述最终酸洗方法设备(420)将第二酸洗酸安置于所述优化高强度钢产品的表面上，且其中所述安置的第二酸洗酸溶解且从所述优化高强度钢的表面去除所述第一调节方法之后残留的氧化铁。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述优化高强度钢产品包含多种不同合金元素，且所述多种不同合金元素包含硅、锰、铝、钼和铬中的至少两种；
其中形成于所述优化高强度钢产品的表面上的氧化皮层包含多种不同合金氧化物，且所述多种不同合金氧化物包含二氧化硅、二氧化锰、氧化铝、氧化钼和氧化铬中的至少两种；以及
其中所述至少一种水可溶碱金属合金化合物包含多种不同碱金属合金化合物，且所述多种不同碱金属合金化合物包含由所述二氧化硅形成的碱金属硅酸盐、由所述二氧化锰形成的碱金属锰酸盐、由所述氧化铝形成的碱金属铝酸盐、由所述氧化钼形成的碱金属钼酸盐以及由所述氧化铬形成的碱金属铬酸盐中的至少两种。
22.根据权利要求19所述的系统，其中所述加热设备(416)经由加热所述优化高强度钢产品的表面来加热所述安置的碱金属盐水溶液以使所述安置的碱金属盐水溶液内的至少一种碱金属盐熔融成所述熔融形式。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述加热设备(416)将所述优化高强度钢产品的表面加热到至少288摄氏度的温度持续至少五秒。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述加热设备(416)将所述优化高强度钢产品的表面加热到600℉的温度持续至少五秒。
25.根据权利要求22所述的系统，其中所述熔融的至少一种碱金属盐的无水形式包含：
85重量％氢氧化钾(KOH)；
7.5重量％硝酸钠(NaNO3)；以及
7.5重量％氯化钠(NaCl)。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述碱金属盐水溶液包含：
33重量％90％氢氧化钾片；
2.60重量％硝酸钠；
2.60重量％氯化钠；
3.30重量％来自所述片状氢氧化钾的水；以及
58.50重量％额外水；
其中，溶液包含约35重量％溶解的固体。
27.根据权利要求26所述的系统，其中将碱金属稳定表面活性剂添加到所述碱金属盐水溶液中，添加的表面活性剂的重量包含0.01％与1％之间的所述碱金属盐水溶液的总重量。
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