CN1200142C - 改善金属表面上锈垢的系统及方法 - Google Patents

Abstract

为水溶液喷洒去除或改善金属表面、特别是不锈钢条等上的锈垢或氧化物，提供了一种组合物和使用该组合物的装置及方法，在一个实施方案中，其也可以用来去除或改善其它工件，如金属棒或甚至是组合物体上的锈垢或氧化物。使用了一含有碱金属氢氧化物的碱性组合物的水溶液，如氢氧化钠，氢氧化钾，或碱金属氢氧化物的混合物如氢氧化钠和氢氧化钾。该水溶液可包含一定量的添加剂以增强盐去除锈垢的能力。在一实施方案中，该溶液被用来改善不锈钢条上的锈垢或表面氧化物。该钢条的温度介于无水状态的碱金属氢氧化物的熔点和Leidenfrost效应产生的温度之间。一个或多个喷嘴被用来喷洒该溶液，且当加热的钢条通过喷嘴的时候，将溶液喷洒在具有锈垢或氧化物的钢条表面上。本发明也包括用于喷洒该溶液的装置及其控制。

Description

改善金属表面上锈垢的系统及方法

技术领域

本发明涉及一般用来改善金属表面上的氧化物或锈垢；更特别的是在金属条上；以及更特别的是改善氧化表面或不锈钢条上的锈垢。不锈钢是含有10％以上铬的铁合金，其目的是为了增强抗腐蚀性以及抗氧化的能力。一些不锈钢也包含镍、钼、硅、锰、铝、碳化物形成物以及其它的元素。本发明也适用于包含超级合金的合金族群，在此镍是主要的元素，例如钛合金以及钴合金。更特别的是，本发明涉及水溶液喷洒改善法。

发明背景

在过去已经有多种方式用于除去金属条，特别是不锈钢条的锈垢。最简单的技术包含只是将该金属条浸泡在无机酸中，例如硫酸、盐酸、氢氟酸、硝酸或其混合物中。这种方法对于某些具有轻微锈垢的不锈钢或许是有效的；然而，在大部分情况下所需的不仅仅是酸浸泡而已。在这些情况下，于酸浸泡之前已经开发出了不同的组合物和技术以改善锈垢。在英国专利GB-A-217,831(1924年6月26日颁发)中教导了用于除去铁锈和金属物体的一般清洁的苛性组合物，名称为“用于从钢和铁中除去铁锈和清洁的改进组合物”。典型用来改善锈垢的组合物包括含有各种其它添加剂的碱金属氢氧化物以及碱金属硝酸盐的混合物，例如碱金属卤化物、碳酸盐、和/或其它氧化剂。它们通常被称为去锈垢或者是锈垢改善盐。一种常规使用这种组合物的技术是在坩锅中于熔融无水的状况下并且在高温下，如800°F到1000°F，将金属条通过该坩锅，然后再进行酸浸泡。尽管这种方法在许多情况下运作的很好，然而有时这种技术仍存在一定的缺点。例如，该浴液需要保持在高温之下，其可能需要相当大的能量。而且，该熔融苛性浴液需要沉浸辊，该沉浸辊可能难以维护，并且有可能会造成被去除锈垢的金属条表面的损毁。除此之外，还有熔融组合物的带出(drag-out)问题，即当金属条由熔融组合物的坩锅中出来的时候，其会夹杂着一定量的熔融组合物，尤其是在高带速时。甚至，熔融浴液组合物被限制为那些在高温之下具有长期稳定性的化合物。

日本专利摘要JP-A-11246982(1998年3月2日)，名称为“用于冷轧钢片的碱喷洒清洗方法及其装置”，教导了用于从钢片表面除去油组分的喷洒清洗方法；然而这个系统没有提到锈垢改善或另外教导高温金属处理。其它用来去除锈垢的技术公开于如下的美国专利中：USP 3,126,301(1964年3月24日颁发)，名称为“用来去除不锈钢锈垢的熔融盐喷洒方法”，和USP 5,272,798(1993年12月28日颁发)，名称为“用来去除金属条锈垢的方法以及装置”。日本专利摘要JP-A-59200774(1983年4月28日)，名称为“用于去除不锈钢锈垢的预处理装置”，公开了类似的技术。这些专利公开了用于将熔融的具有苛性的组合物喷洒于移动的钢条上以改善锈垢的方法和装置，此后锈垢被酸浸泡掉。在一些情况下，这些方法提供了许多优于使用熔融材料坩锅技术的优点。然而，有时它们也有许多缺点。它们需要高温喷嘴，并且该组合物必须保持在高温下，如800°F到1000°F，且日本公开的情况在1100°F以上。

欧洲专利EP-A-0744233(1996年11月27日公开)，名称为“从铸件上除去陶瓷壳模材料”，教导了一种用于从小型浇铸物体除去铸层(casting)的高压、相对低温的苛性系统。然而，该系统和方法教导需要将被处理的物件曝露于苛性物质至少1或2小时，以从每个小物件去除铸层，并且其不适合于所需的连续工艺，以满意地处理轧钢片。美国专利US-A-4317685(1982年3月2日颁发)，名称为“用于从超级合金表面除去锈垢的方法”，也教导了一种相对低压的系统和方法；然而必须将它的教导应用到非氧化气氛中，如高压釜，且其不适合用于满意地处理轧钢片。

因此，需要一种相对廉价、低温、以及有效的技术以改善金属表面的锈垢，特别是在不锈钢条等上的锈垢。

发明公开

根据本发明，为便于水溶液喷洒去除或改善金属表面(特别是不锈钢条等)上的锈垢或氧化物，提供了一种组合物和使用该组合物的装置及方法，在一个实施方案中，其也可以用来去除或改善其它工件，如金属棒或甚至是组合物体(discrete objects)上的锈垢或氧化物。使用了一含有碱金属氢氧化物的碱性组合物的苛性水溶液，如氢氧化钠，氢氧化钾，或碱金属氢氧化物的混合物如氢氧化钠和氢氧化钾。该水溶液可包含一定量的添加剂以增强盐去除锈垢的能力。在一实施方案中，该溶液被用来改善不锈钢条上的锈垢或表面氧化物。该钢条的温度介于无水状态的碱金属氢氧化物的熔点和Leidenfrost效应产生的温度之间。一个或多个喷嘴被用来喷洒该溶液，且当加热的钢条通过喷嘴的时候，将溶液喷洒在具有锈垢或氧化物的钢条表面上。本发明也包括用于喷洒该溶液的装置及其控制。

根据本发明的一个方面，提供了一种用来改善金属物体表面上锈垢的系统，其中一驱动装置将该金属物体移动首先通过一冷却装置，然后通过至少一个用来喷洒苛性水溶液液滴的喷嘴，该水溶液容纳在至少一个储存容器中，其中的改进包括：

一温度感应元件，其相邻于所述冷却装置设置以在金属物体通过所述至少一喷嘴之前感应该金属物体表面的温度；以及一控制装置，以响应于感应到的所述金属物体表面的温度来控制所述冷却装置，该控制装置被配置用来控制冷却装置以将金属物体表面冷却至一温度，该温度高于包含在水溶液中的组合物的熔点和低于Leidenfrost效应出现的温度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种改善在具有一表面温度的金属物体表面上的锈垢的系统，其中一驱动装置将该金属物体移动首先通过一加热装置和一冷却装置，然后通过至少一个用来喷洒苛性水溶液液滴的喷嘴，该水溶液包括至少一种具有熔点的盐并被容纳在至少一个第一储存容器中，其中的改进包括：

一包含有一第二液体溶液并与所述至少一喷嘴相流通的第二储存容器，其中该至少一喷嘴用来喷洒所述苛性水溶液和所述第二液体溶液的处理混合物的雾化薄雾，并因此导致该处理混合物与金属物体表面接合，所述处理混合物具有一苛性水溶液浓度和一第二液体溶液浓度；

一与所述至少一喷嘴连接的控制装置，该控制装置被配置用来控制通过所述至少一喷嘴作为与金属物体接合的雾化薄雾的所述处理混合物的流动速率；以及

一与所述控制装置连接的温度感应元件，且其被设置以感应金属物体通过所述至少一喷嘴之前，该金属物体的表面温度；

其中该控制装置被配置成响应于温度感应元件来控制冷却装置，以在金属物体表面与所述雾化处理薄雾接合之前，将所述金属物体表面温度降低到一温度，该温度高于所述盐的熔点和低于Leidenfrost效应出现在该金属物体表面上的温度。

根据本发明的仍然另一个方面，提供了一种用包括碱金属氢氧化物或碱金属氢氧化物混合物的水溶液处理金属物体表面上锈垢的方法，其中的改进包括以下步骤：

a)控制该金属物体表面的温度高于在无水状态下的碱金属氢氧化物的熔点并且在此进行改善过程，以及低于Leidenfrost效应出现的温度；和

b)然后在金属物体表面上喷洒所述溶液。

根据本发明的一个方面，其中所述的金属物体是金属条。

附图简要说明

图1为包含有根据本发明的锈垢改善区域的退火生产线示意图；

图2为根据本发明的被处理及浸酸的不锈钢薄片表面的照片；以及

图3-5为不锈钢薄片表面的照片，其显示了在经过高于本发明的温度下处理以及浸泡之后的Leidenfrost效应。

实施本发明的方式

现在参考附图，图1显示了一个代表退火以及浸酸生产线的示意图，其包含了根据本发明的锈垢改善以及浸酸装置。被了解到的是该包含锈垢改善装置的退火以及浸酸生产线在本领域中是已知的。然而，本发明采用了与该退火以及浸酸生产线相结合的改进的锈垢改善技术。

该生产线具有一开卷机10以用来支撑和展开一钢卷12，该钢卷被退火并且浸酸以去除退火过程所产生的锈垢。该开卷机10将钢自钢卷12中展开成钢条13，然后通过一预热炉14以及一退火炉16。然后该钢条进入一包含至少一可变转速风扇20的冷却区域18中。其它能达到可变冷却的装置都可以使用，如流量控制调节阀、通风装置等(未显示)。该风扇20将钢条13冷却到本文将描述的所需温度。同样，可使用一个以上的风扇20来冷却钢条13。该钢条13当由该冷却区域18中移出的时候，其温度可以借助温度感应元件22来测量，如红外线温度感应器。

由冷却区域18中出来之后，该钢条13进入一锈垢改善区域24。在该区域之中，锈垢改善溶液被喷洒在钢条13的上、下表面上。溶液和喷洒方式，以及其它参数将在本文中描述。该锈垢改善区域24包含第一或主要的喷嘴组，其包含一组上喷嘴，其中之一被标示为28，以便于喷洒钢条13的上表面，和一组下喷嘴，其中的喷嘴可称为“第二喷嘴”，其中之一被标示为30，以便于喷洒钢条13的下表面。一包含后备上喷嘴(其中之一被标示为34)和后备下喷嘴(其中之一被标示为36)的第二或后备喷嘴组，如果需要的话可以任选地被添加进去，以确保覆盖，其将在本文中描述。(当然，在一些情况下可只需要一组喷嘴，或在一些情况下可需要超过两组的喷嘴，其取决于钢条13的速度和宽度以及其它的因素)。该喷嘴28、30、34和36是可以接收液体以及将液体以非常细化的雾状液滴的方式喷洒在钢条13之上的喷嘴类型。喷嘴可以是由Spraying System Co.所提供的空气雾化型VAU。尽管描述了空气雾化喷嘴，但是其它可以提供适当雾状/小液滴尺寸的喷洒技术也可以被有效率地使用，如高压液压喷嘴。可使用如静电沉积的特殊技术以提高传递效率。一清洗区域38，其以虚线表示，被设置在相邻于锈垢改善区域24附近。该清洗过程可以是任选地以喷洒或者是沉浸的方式来进行。在沉浸的方式中，清洗过程是将钢条从一浸泡在水清洗槽中的橡胶沉浸辊下通过，而在喷洒的方式中，清洗过程是将钢条通过一排供给清洁水的水喷洒喷嘴，或者借助一来自位于喷洒区域以下的集水坑(collection sump)的泵。一表面分析仪42被任选地设置于喷嘴28附近，其将监控钢条表面以检测出改善情形不佳的状况。该表面分析仪42可以是红外线扫描系统或者是其它机械观测系统。一种适合的红外线扫描系统是由LanInstruments International Inc.提供的Landscan系统。该分析仪将输入传给管线动态操作系统中，该系统将在本文中描述。

在清洗区域之后，该钢条被一组常规的沿轨道行驶(tracking)的张紧辊44所引导。该组张紧辊44将钢条保持在轨道上并且在钢条中维持适当的张力。

一般然后该钢条13进入到一酸浸泡区域。酸浸泡过程通常包含一个或多个酸槽，虽然可使用酸喷洒。对一些等级的不锈钢可能需要多重酸浸泡槽，如同48、50和52所标示。清洗槽49、51和53分别设置在酸浸泡装置，如浸酸槽48、50和52之后。一般而言，浸酸槽48放置硫酸，浸酸槽50和52放置硝酸和氢氟酸的混合物或者是硝酸。对于任何的不锈钢条13可使用一个或多个酸槽，这取决于许多因素，包含钢的组成、氧化物的厚度、以及在本领域所熟知的其它因素。除此之外，也可使用其它酸或酸的混合物，其也是本领域所熟知的。

在将钢条13经过浸酸以及清洗过程后，该钢条被重新缠绕在重卷机54之上。在这个地方，所有的锈垢改善以及浸酸已经完成。

经过喷嘴28、30、34和36而被喷洒在钢条13上的液态锈垢改善溶液来自于一个或多个分别具有温度感应装置57、59和61的液体产物储存容器56、58和60。需要几个容器的原因是为了存储不同的溶液，该溶液可能是不同等级的钢材和/或为了储存可与碱性溶液在线混合的添加剂以提供所需的组合物所需要或希望的，这将在本文中描述。液体产物储存容器56、58和60分别设置有可变流量输送泵62、64和66，以便将液体从它们各自的容器中抽出。在可变流量输送泵62、64和66的输出端分别具有流量控制器68、70和72。(可以了解到的是，可以使用仪表类型的可变流量输送泵62、64和66，并因此可以将测量和流量控制功能结合在一个单一装置中，以消除对流量控制器的要求，虽然流量仪可能是需要的。)从流量控制器68、70和72中，液体被传送至喷嘴供给管线74，其包含一在线混合器76以确保由两个或者是两个以上的液体产物储存容器56、58和60提供的产物的完全混合。管线80、82、84和86分别用来提供喷嘴28、30、34和36以即将被喷洒在钢条13上面的液体，并且喷嘴流量感应器87、88、89和90以及仪表阀92、94、96和98分别被设置在管线80、82、84和86中，用来分别监视以及控制流到各喷嘴28、30、34和36的情形。

另一种使用多个储存容器的方式是使用一具有浓缩原料的容器，该原料在溶液中并不包含其它添加剂，以及一包含添加剂的第二容器。该第一容器供应第一排的喷嘴，以及该第二容器供应第二下游排列的喷嘴。这种方式可以在下述情况下使用：由于溶解度的限制、离子的交换、沉淀或浓溶液的在线混合产生的其它不良结果，如喷嘴或者是滤网堵塞等，因而导致在线混合是不可行的或者是不需要的时候。

该系统控制包含一管线动态操作系统(line dynamicsoperating system)112，该系统接收操作管线系统的输入，并且输出信号到可变管线装置(line variable)114以操作该退火生产线，如同本文以下所述。并且提供一锈垢改善处理控制系统120，其如同可变管线装置一样接收由管线动态操作系统112所传出的信号。

在详细描述该管线操作之前，进行关于本发明方法的描述。根据本发明的一个实施方案，一种包含碱金属氢氧化物的水溶液被以液滴的形式喷洒在不锈钢条或其它金属条上，并且该钢条被保持在一温度下，该温度高于溶液中的材料为几乎无水的状态时的熔点和低于Leidenfrost效应出现的温度。在此使用的术语“材料几乎无水的状态”是指溶液的水分被蒸发之后，即使在该材料中可能仍然存在一些水分。在此使用的术语“钢条上的Leidenfrost效应”是一种在钢条表面上出现杂色或污点的现象，其显示了不完全的锈垢改善过程的斑点或污点。如果该钢条的温度高于所谓的Leidenfrost温度或被喷洒溶液的Leidenfrost点的话，这被认为是由于Leidenfrost效应在化学物质水溶液上出现的缘故。当该钢条的温度高于被喷洒溶液的Leidenfrost温度时，一层薄的喷洒液体会被转换成金属表面和液滴之间的气相阻隔层，因而防止了液滴与钢条表面的接触和在液体蒸发之后化学物质在金属表面上的沉积。该Leidenfrost效应是大家所熟知的并且在许多出版物中都有描述。两个有关于这方面的出版物：“Disk Model of the DynamicLeidenfrost Phenomenon”(Martin Rein在American PhysicalSociety的DFD96研讨会中所描述的)以及“Miracle Mongers andTheir Methods”(第122-124页，Harry Houdini，由E.P.Dutton在1920年所发表的)。

图2是304型不锈钢样品表面的照片，根据本发明的处理之后该照片并没有显示Leidenfrost效应，这种处理将在本文中描述；图3-5是304型不锈钢样品表面的照片，其显示了在本发明范围之外的锈垢改善过程以及浸酸过程之后的不同程度的Leidenfrost效应(图5是最差的状况)，这也将在本文中描述。应该注意到的是图3-5，在这些图之中有锈垢改善完全的区域，即白色或灰色的区域，以及有锈垢改善不完全的区域，即暗色的区域。这表示一些液滴显示出Leidenfrost效应，即此处暗点出现的地方，以及一些溶液液滴并没有经历或克服了Leidenfrost效应，并且因此锈垢改善处理是有效的，即白色或光亮的区域。因此，如同在此使用的术语“低于Leidenfrost效应出现的温度”是指一个温度，在根据本发明的锈垢改善处理和接着进行浸酸处理之后，在该温度下不会出现暗点形式的锈垢。图2显示的是在无Leidenfrost效应的温度下的例子，图3-5显示的是在有Leidenfrost效应存在的温度下的例子。

制备图2-5以及其它的样品并且按以下方式处理。样品是0.025英寸规格的4英寸×6英寸的304型不锈钢薄片。每个样品都在空气中加热到1950°F，然后被移出和固定在一测试固定装置上。将样品冷却到由接触热电偶所测量的预定温度。然后用碱金属氢氧化物的水溶液喷洒该样品，用水清洗和随后进行浸酸处理。下面的表1显示了对于不同样品进行各种不同的处理和除锈垢的结果。

                             表1

温度→浓度↓	400°F	450°F	500°F	550°F	600°F	650°F	700°F	750°F	800°F
										12.5w％	P/N	G/M	G/S	-	-	-	-	-	-
23.5w％	P/N	E/L	E/L	G/S	-	-	-	-	-
										35w％	P/N	E/N	E/N	E/L	E/M	G/S	-	-	-
47w％	P/N	E/N	E/N	E/N	E/L	G/L	G/M	G/S	-
										60w％	P/N	G/N	E/N	-	-	-	G/N	G/L	G/S

等级符号：

第一个字母＝改善状况          第二个字母＝观察到的Leidenfrost效应程度

         E＝优                         N＝无Leidenfrost效应

         G＝良好                       L＝轻微Leidenfrost效应

         F＝普通                       M＝中度Leidenfrost效应

         P＝不良                       S＝剧烈Leidenfrost效应

注解：

所有的测试都在100fpm的传送速度中进行

所有的测试样品都是0.025英寸规格的304不锈钢

所有的测试都是将流量控制到沉积相同的固体含量的状况下进行

12.5w％的流速是117ml/min

23.5w％的流速是60ml/min

35w％的流速是40ml/min

47w％的流速是30ml/min

60w％的流速是23ml/min

在水清洗之前的停留时间是10秒

所有的样品在喷洒改善和水清洗之后进行浸酸处理

1)10％(体积)的硫酸在温度160°F下10秒钟

2)8％硝酸+1.5％氢氟酸在温度130°F下10秒钟用于所有测试的原料都是氢氧化钠/氢氧化钾的低共熔物

从以上的表1可见，如果将含有碱金属氢氧化物的水溶液在如下的温度下喷洒到不锈钢样品上，该温度高于该溶液中组合物的熔点，即在低共熔(eutectic)的NaOH/KOH盐的情况下约450°F或更高，和低于Leidenfrost效应出现的温度，即使只是接触短短的几秒钟，都能产生可接受的钢表面改善状况。

还有几个变量会影响最终产物。如，在水溶液中组合物的浓度应该为约15-65wt％。如果组合物浓度低于15％的话，将大量的水分蒸发所需的能量就会消耗掉在该热钢条中的大部分热焓-特别是在较薄规格的材料上，只遗留下极少的热量去完成所需的沉积盐的熔融以及进行锈垢改善反应。如果组合物浓度高于65％的话，会产生制造、运输、储存和高浓度溶液传送的问题。因为将化学物质保持在溶液中和防止沉淀或结晶需要高温，所以储存槽的加热和隔热，管线复杂的热追踪，再循环流体路径等等都一定会被使用到。除此之外，必须使用高合金材料来制作容器、管线以及喷嘴，因为将会发生伴随的腐蚀问题。用来维持高储存温度的补充能量也可能是不需要的。当该盐溶液浓度增加时，则在不会产生Leidenfrost效应时可使用的上限温度增加到600°F或700°F。然而，当超过约40％固体的时候，其要包含将在本文中描述的添加剂会变得更加困难。优选的浓度为约15-50wt％；更优选的浓度为约35-45wt％；以及最优选的浓度为约40wt％。

该改善过程的机理被认为是与常规熔融氧化浴类似，其中金属氧化物被转换成较高的氧化状态，其在盐中是部分溶解的并且接着进行水清洗，同时残留物质因此更易于由浸酸过程来去除。本发明中的改善处理是按如下进行的：喷洒的溶液被与之接触的金属条的邻近效应(proximity)加热且水分被蒸发掉，以及盐被金属条中残余的热量熔融和在几秒钟内迅速地与金属条表面上的氧化物反应。虽然水溶液或许没有包含任何的氧化剂，该盐薄层对于表面氧化物具有氧化作用，并且因此将其转换成所需的较高氧化状态。其发生的原因是由于喷洒的水溶液会吸收大气中的氧和/或是大气中的氧会扩散经过该熔融盐的薄层。在优选的实施方案中，该盐含有少量的氧化剂或者是化合物，如高锰酸盐，其似乎会催化该氧化反应。

这种将盐运用到金属表面的方法是独特的，并且可以提供以上所述的意想不到的益处。除此之外，一个重要的益处是使用组合物的能力，该组合物在常规的无水熔融盐浴中不能被有效使用，因为环绕在表面上的大量物质阻止了大气中氧的扩散。该溶液也可使用在通常的无水熔融盐浴温度下可能不稳定的添加剂。此外，本发明消除了在使用盐后所产生的反应产物，并因此使得在金属表面上盐的化学性质得到完全控制。最后，盐的使用量可以被控制在适当的程度。在浸泡系统中，当金属被从熔融浴中移出的时候，盐的消耗量主要由粘附在金属表面上的盐量来决定。

在一些情况下，当需要处理不同金属的时候，可能需要使用不同的盐类化学物质。这可根据本发明进行快速和有效地调节，然而其对于浸泡系统是不实用的，因为在熔融盐浴中有要大量的物质。

根据本发明，可使用几种不同的组合物来有效地去除锈垢。优选的碱性组合物是氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)的低共熔物(42％氢氧化钠和58％氢氧化钾)。这是一种低熔点的组合物(338°F)并且当溶液的水分蒸发掉之后，可有效地进行锈垢改善过程。也可添加其它的物质以改善溶液或组合物的性质。下面的表2给出了某些添加剂，其与碱性溶液相比较可以区分为具有有益的效果、具有有害的效果、或者是没有(中性)效果。

                                    表2

                      不同化合物和添加剂的锈垢改善效果

测试的化合物	作为添加剂使用到碱性除锈垢配制剂中的效果			作为单独的除锈垢化合物时的效果
						有害的	中性的	有益的	无效的	有效的
	醋酸纳	√√√			·						·
铝酸钠						√√			·	·
	硫酸氢钠	·	·	·	√
碳酸钠						·	·	·	√
	碳酸钾			√	√
氯酸钾								√	·	·
	氯化钠	√			·						·
氯化钾							√		·	·
	氟化钾	√√√			·						·
甲酸钠						√√			√
	葡萄糖酸钠	√√√			·						·
偏硼酸钾							√		·	·
	硅酸钠	·	·		√
钼酸钠						√		·	·	·
	硝酸钠			√	√
亚硝酸钠						√			√
	过硼酸钠		√		·						·
高氯酸钾							√		·	·
	高锰酸钠*			√√√	·						·
高锰酸钾*								√√√	·	·
	焦磷酸钠	·	·	·	√
磷酸单钠						·	·	·	√
	磷酸二钠	·	·	·	·						·
磷酸三钠						√			·	·
	蔗糖	√√√			·						·
硫酸钠						√√			·	·
	亚硫酸钠	√			·						·
四硼酸钠						√√			·	·
	硫氰酸钠	√√			·						·
硫代硫酸钠						√√			·	·
	钨酸钠		√		·						·
钒酸钠							√		·	·

符号说明

√：轻微的

√√：显著的

√√√：严重的

·：由于沉淀、低溶解度、不相容性或者其它物理/化学上的考虑而未进行测试

*：当被添加到碱性除锈垢配制剂中时会形成碱性锰酸盐

应该注意到的是即使是钠或钾的阳离子存在于添加剂或者除锈垢化合物之中，该去除锈垢的效果主要是依靠阴离子的存在。如果其它因素如溶解度和相容性相同的话，具有一个阳离子的组合物就会具有类似的功效。如表2中所描述的硝酸钠是有效的；因此，硝酸钾也会具有相当的效果，但是在碱性组合物中的溶解度较低。在一些情况下，被测试的添加剂或化合物的阳离子是由可利用性(availability)来确定的。

在表2中的化合物或添加剂是在0.027规格的4英寸×6英寸的316型不锈钢板上进行测试的，该不锈钢板按照如前所述的图2-5和表1中的样品那样进行制备和处理。那些被当作单独除锈垢剂的化合物被配制成饱和溶液进行测试，对于高溶解度的化合物其至多的最大浓度是40wt％。那些被作为添加剂的化合物通常被配制成在包含35wt％的氢氧化钠/氢氧化钾低共熔混合物的溶液中为5wt％的量，也就是占总40％固体的12.5％。在一些情况下，由已知的参考文献或者是先前所进行的测试可以知道添加剂在水中或者是苛性碱溶液中具有非常有限的溶解度，该添加剂只占固体含量的1％。例如含有氯酸钾、高氯酸钾以及高锰酸钾的情形就是如此。所以可加入的这些添加剂的有效量至多为1％。并且，由于首次的混合或者是隔夜放置，一些被证明在配制的百分比下不会完全溶解的添加剂，如氯化钠、硝酸钠、和硫酸纳，就需要进行过滤处理或者是将透明的液体倾析出来以进行测试。特别要注意到的是无法对磷酸二钠进行除锈垢能力的测试，这或许是因为大量的水合结晶而使得配制剂固化的缘故。

被用作单独的除锈垢剂的化合物的效果是易于从视觉上加以判断的，因为在最初的深蓝色氧化锈垢上使用任何化合物来进行测试都是无效的，包括那些有效的添加剂。该改善的无效性可以借助后续的硫酸浸泡过程及随后的硝酸加上氢氟酸的浸泡来得到证实，如前面所述的图2-5以及表1样品的处理方式，在这些步骤之后最初的锈垢并没有改变。

添加剂的效果是按如下方式进行判定的：与40％的氢氧化钠/氢氧化钾低共熔物溶液的效果进行比较，其在所选定的测试条件下显示出良好的去除锈垢效果(即喷洒流速35ml/min，平板温度500°F，以及传动速度100f.p.m)。

评价标准包含与被改善的氧化物的外观有关的因素，如颜色、不透明性和均匀性；通过清洗、擦拭或后续的浸酸对被改善氧化物的去除难易程度，和与最终被去除锈垢的金属表面的外观有关的因素，如颜色、亮度、均匀性、和无残余氧化物。可以了解到的是这些标准不随着彼此的程度和方向的不同而变化，使得有一个用于定量测定添加剂的有害或有益效果的主观要素(subjectiveelement)，如表2所示。当然，中性等级表示与40％氢氧化钠/氢氧化钾低共熔物溶液的效果相比较没有明显的差异。

那些显示会产生严重的有害效果的添加剂通常会抑制锈垢的完全去除，如同在葡萄糖酸钠中发生的那样，或者是近乎完全的，如同在醋酸钠或者是蔗糖中那样。当这三种物质以有机形式存在时，它们可能发挥还原作用(以防止适当的氧化)以及对锈垢进行改善。氟化钾被认为是非常有害的，因为其会造成独特的、斑点状的经调节的氧化物，该氧化物在随后的浸酸过程中会造成斑点状的蚀刻金属表面。这些残存的有害添加剂或多或少都会产生不均匀性，或者是抑制改善效果。在更明显的情况下，这将使得一些锈垢遗留在金属上，即使进行了随后的浸酸处理。在较温和的情况下，这样的锈垢被限制在平板的稍微较冷的边缘上，其显示了有效温度范围的不希望变窄。

所述有益的添加剂将导致均匀较薄锈垢的形成，如所证实的那样主要是浅色、几乎透明的金绿色的经改善的氧化物，其在后续于单独的硫酸浸泡之后会产生明亮干净的金属表面。经过比较可见，40％氢氧化钠/氢氧化钾低共熔物溶液会产生较为阴暗、明显较厚的、棕色的经改善的氧化物，该氧化物需要硫酸以及硝酸加上氢氟酸二者浸泡以产生完全干净的金属表面。该有益效果对于高锰酸钠和高锰酸钾最为明显。

再次参考图1，根据本发明的锈垢改善系统的操作如下所述：

预热炉14和退火炉16的温度以及钢条13的速度由管线动态操作系统112来控制。生产线的操作员将参数变量输入管线动态操作系统112中，如钢条材料、钢条规格、钢条宽度、以及其它特殊的处理信息，然后该系统会决定以本领域公知的常规方式将具体要被退火的钢卷退火的方案。在一给定的速度和温度下从退火炉16和冷却区域18中移出后就得到了钢条13。该管线动态操作系统112也将许多的信息输入锈垢改善处理控制器120中，如规格、宽度以及材料等等。该缠绕起始时间也从管线动态操作系统112输入到锈垢改善处理控制器120中。温度感应元件22以及表面分析仪42也将信息输入到锈垢改善处理控制器120中。其它将信息输入到锈垢改善处理控制器120中的还包含：储存槽标高感应器(未显示)；流量控制器68、70和72；单独的喷嘴流量感应器87、88、89和90；储存槽温度感应器57、59和61。

锈垢改善处理控制器120提供输出以便于控制锈垢改善功能的各个方面。这些方面包括风扇20或其它冷却控制元件的控制，以使得当钢条进入锈垢改善区域24(其至少是450°F)中的时候可以达到所需的温度；被用来传送锈垢改善溶液的液体产物储存容器56、58和60的选择控制；和从各个液体产物储存容器56、58和60的传送送速度的控制，如将在本文中所述；以及经过仪表阀92、94、96和98的喷嘴28、30、34和36的控制。由各个液体产物储存容器56、58和60所流出的溶液流量由分别的流量控制器68、70和72所监控。因此由液体产物储存容器56、58和60所流出的溶液流量是可分别控制和监控的。如此使得可以几种方式来使用液体产物储存容器56、58和60，这些容器依次称为“第一储存容器”、“第二储存容器”等。一种方式是这些液体产物储存容器56、58和60可用于在每个容器中储存不同的溶液或者是不同浓度的溶液，且选择适合的液体产物储存容器56、58或60。另一种方式是液体产物储存容器56、58和60可以用来储存最终被喷洒的各种不同组成的溶液；如液体产物储存容器56可以用来储存氢氧化钠/氢氧化钾低共熔物的溶液，液体产物储存容器58可以用来储存高锰酸钾的溶液(其当需要的时候可以选择性地在混合器76中混合以提供一添加的组分)，并且液体产物储存容器60可以用来储存水(其也可在混合器76中被混合以提供所需的溶液浓度)。这些仅是可以如何使用液体产物储存容器56、58和60的几个实例。当然，如果只使用单一浓度的单独溶液，那就只需要使用一个液体产物储存容器56，并且当然也可使用超过三个以上的液体产物储存容器。

锈垢改善处理控制器120包括一电脑(未显示)，其中储存了所有用来将溶液喷洒到每种类型钢条上需要的所有参数，其基于组成、规格、宽度、钢条速度以及任何其它相关的因素，如在炉中的时间，该时间会影响在钢条表面上锈垢的改善情况。在这些参数被储存之后，由管线动态操作系统112输出的信息作为输入进入锈垢改善处理控制器120中，该锈垢改善处理控制器120调整风扇20的速度，将钢条冷却到一温度，该温度高于无水盐熔融和进行锈垢改善的温度以及低于Leidenfrost效应产生的温度，如果需要的话，喷嘴28、30、34和36可用来达到适当的喷洒图形(spray pattern)，液体产物储存容器56、58和60的选择可用来提供程序化(programmed)的溶液组成和浓度，以及如果需要的话，还有新型的钢条进入冷却区域18以及锈垢改善区域24所需的时间。这使得在锈垢改善操作平稳完成之后，选择在浸酸槽48、50和/或52中进行浸酸。表面分析仪42持续地对钢条的状况进行监控。如果表面的改善落入预定的参数范围之外，该电脑被编程以对任何参数进行调整，使表面改善恢复到需要的参数中。

在操作过程中，后备喷嘴34和36仅在如下情况下使用：1)个别喷嘴流量感应器87和88指示出到任何喷嘴的流量减少或没有流量时，或任选地，2)当表面分析仪42检测到在钢条表面的任何区域缺乏锈垢改善情形时。主要的检测系统是个别喷嘴流量感应器87和88，并且任选的表面分析仪42起到后备检测点的作用。当需要时相应于接收到的个别喷嘴流量感应器87和88或表面分析仪42所传出的信号，锈垢改善处理控制器120就会将个别备用喷嘴34和36打开。个别喷嘴流量感应器89和90用来检测流到后备喷嘴排列中的个别后备喷嘴34和36的流量。当检测到向任何喷嘴缺乏流量的时候，就会产生警告信号并且传送到管线动态操作系统112。

虽然本发明通过对其实施方案的描述得到了说明，并且尽管这些实施方案描述得相当详细，但是这并非旨在以任何方式将随附的权利要求书的范围局限于这些详细描述中。其它的优点或改变对于本领域技术人员来说是显而易见的。所以，本发明就其最广义的方面来说并不局限于具体详细的描述、代表性的设备或说明性的实施例。因此，在不背离本发明的精神或范围内可以借助本发明的概念产生其它的衍生发明。

Claims (36)

1.一种用包括碱金属氢氧化物或碱金属氢氧化物混合物的水溶液处理金属物体表面上锈垢的方法，其中的改进包括以下步骤：

a)控制该金属物体表面的温度高于在无水状态下的碱金属氢氧化物的熔点并且在此进行改善过程，以及低于Leidenfrost效应出现的温度；和

b)然后在金属物体表面上喷洒所述溶液。

2.如权利要求1的方法，其中该溶液包含氢氧化钠或氢氧化钾或其混合物。

3.如权利要求1的方法，其中在喷洒所述溶液之后，将该金属物体用酸浸泡。

4.如权利要求1的方法，其中该溶液的浓度为15-65wt％固体。

5.如权利要求1的方法，其中该溶液的浓度为35-45wt％固体。

6.如权利要求1的方法，其中该溶液的浓度为40wt％固体。

7.如权利要求1的方法，其中该金属物体表面的温度为232℃-371℃，其由温度感应元件测定。

8.如权利要求1的方法，其中该金属物体表面的温度为232℃-316℃，其由温度感应元件测定。

9.如权利要求1的方法，其中该金属物体是不锈钢条。

10.如权利要求1的方法，其中该溶液包含一有效量至多为1％的添加剂，该添加剂选自碱金属碳酸盐、碱金属氯酸盐、碱金属硝酸盐、碱金属高锰酸盐及其混合物。

11.如权利要求1的方法，其中在金属物体表面上喷洒所述溶液的步骤是在氧化气氛中进行的。

12.如权利要求1的方法，其进一步包括如下步骤：

a)提供该金属物体的组成和尺寸；且

b)控制喷洒在该金属物体表面上的溶液的量；

其中控制被喷洒的溶液量的步骤响应于该金属物体的组成和尺寸至少之一。

13.如权利要求2的方法，其中该水溶液包含氢氧化钠和氢氧化钾的低共熔混合物。

14.如权利要求10的方法，其中该添加剂是碱金属高锰酸盐。

15.如权利要求12的方法，其进一步包括分析被喷洒的金属物体表面的步骤，以测量表面锈垢的改善程度；且其中控制被喷洒的溶液量的步骤进一步响应于分析所述被喷洒的金属物体表面的步骤。

16.一种用于如权利要求1的处理金属物体表面上锈垢的方法的系统装置，其中一驱动装置将该金属物体移动首先通过一冷却装置，然后通过至少一个用来喷洒苛性水溶液液滴的喷嘴，该水溶液容纳在至少一个储存容器中，其中的改进包括：

一温度感应元件，其相邻于所述冷却装置设置以在金属物体通过所述至少一喷嘴之前感应该金属物体表面的温度；以及

一控制装置，以响应于感应到的所述金属物体表面的温度来控制所述冷却装置，该控制装置被配置用来控制冷却装置以将金属物体表面冷却至一温度，该温度高于包含在水溶液中的组合物的熔点和低于Leidenfrost效应出现的温度。

17.如权利要求16的系统装置，其中至少具有一第二储存容器，用以流体连通所述至少一喷嘴和控制装置。

18.如权利要求16的系统装置，其中至少具有一第二喷嘴，用来喷洒流通于所述储存容器和控制装置间的溶液的液滴。

19.如权利要求16的系统装置，其中该控制装置包含流量控制器以个别地控制由每个储存容器流动到所述喷嘴的流量。

20.如权利要求16的系统装置，其中该金属物体是金属条。

21.如权利要求16的系统装置，其中提供一酸浸泡装置。

22.如权利要求16的系统装置，其中所述控制装置被配置成响应于金属物体的速度来改变所述苛性水溶液的流量。

23.如权利要求16的系统装置，其进一步包括一加热装置，以在该金属物体通过所述温度感应元件之前，将金属物体表面加热到高于包含于水溶液中的组合物的熔点的温度。

24.如权利要求19的系统装置，其中：

a)该金属物体具有一组成和尺寸；而且

b)该控制装置流量控制器控制响应于选自所述金属物体的组成和尺寸至少之一的所述流量。

25.如权利要求20的系统装置，其中至少一喷嘴被设置在所述金属条的一侧上，和至少一第二喷嘴被设置在所述金属条的相反一侧上。

26.如权利要求16的系统装置，其进一步的特征为相邻于所述至少一喷嘴有一表面分析仪。

27.如权利要求20的系统装置，其进一步包括一与所述控制装置相连的表面分析仪，且其被设置以测量在所述金属条已经与喷洒液滴接合之后，该金属条的表面改善程度，其中该控制装置进一步被配置成响应于由表面分析仪所测出的表面改善程度来控制通过所述至少一喷嘴的苛性水溶液的流速。

28.如权利要求22的系统装置，其中：

a)该金属物体具有一组成和尺寸；而且

b)该控制装置流量控制器响应于所述金属物体的组成和尺寸至少之一来控制所述流量。

29.一种用于如权利要求1的处理金属物体表面上锈垢的方法的系统装置，该金属物体表面具有一表面温度，其中一驱动装置将该金属物体移动首先通过一加热装置和一冷却装置，然后通过至少一个用来喷洒苛性水溶液液滴的喷嘴，该水溶液包括至少一种具有熔点的盐并被容纳在至少一个第一储存容器中，其中的改进包括：

一包含有一第二液体溶液并与所述至少一喷嘴相流通的第二储存容器，其中该至少一喷嘴用来喷洒所述苛性水溶液和所述第二液体溶液的处理混合物的雾化薄雾，并因此导致该处理混合物与金属物体表面接合，所述处理混合物具有一苛性水溶液浓度和一第二液体溶液浓度；

一与所述至少一喷嘴连接的控制装置，该控制装置被配置用来控制通过所述至少一喷嘴作为与金属物体接合的雾化薄雾的所述处理混合物的流动速率；以及

一与所述控制装置连接的温度感应元件，且其被设置以感应金属物体通过所述至少一喷嘴之前，该金属物体的表面温度；

其中该控制装置被配置成响应于温度感应元件来控制冷却装置，以在金属物体表面与所述雾化处理薄雾接合之前，将所述金属物体表面温度降低到一温度，该温度高于所述盐的熔点和低于Leidenfrost效应出现在该金属物体表面上的温度。

30.如权利要求29的系统装置，其中该雾化处理混合物薄雾在氧化气氛中与金属物体表面相接合。

31.如权利要求29的系统装置，其进一步包括：

一具有该至少一喷嘴的连续流动监控器，其被配置用来监控处理混合物通过所述喷嘴的流量，该监控器与所述控制装置相连接；并且

与所述控制装置以及第一和第二储存容器相连接的至少一第二喷嘴，且其用来喷洒所述苛性水溶液和第二液体溶液的处理混合物的雾化薄雾，和因此导致该处理混合物与金属物体表面相接合；

其中所述控制装置响应于所述流动监控器操作该第二喷嘴。

32.如权利要求29的系统装置，其中该金属物体具有一组成，且其中该控制装置进一步被配置成响应于该金属物体的组成来改变所述处理混合物中的第一苛性水溶液的浓度和第二液体溶液的浓度。

33.如权利要求30的系统装置，其进一步包括一与所述控制装置相连接的表面分析仪，且其被设置以在所述金属物体表面被雾化处理薄雾接合之后，用来测量该表面的改善程度，其中该控制装置进一步被配置成响应于由表面分析仪测量的表面改善程度来控制通过所述至少一喷嘴的该处理混合物的流速。

34.如权利要求31的系统装置，其中该控制装置进一步被配置成响应于由表面分析仪测得的表面改善程度来操作所述第二喷嘴。

35.如权利要求33的系统装置，其中该控制装置进一步被配置成响应于金属物体的速度来控制处理混合物通过所述至少一喷嘴的流速。

36.如权利要求33的系统装置，其中该金属物体具有一组成和尺寸，且其中该控制装置进一步被配置成响应于至少一个如下因素来改变所述处理混合物中的第一苛性水溶液的浓度和第二液体溶液的浓度，所述因素选自金属物体的组成、金属物体的尺寸、以及由表面分析仪所测出的表面改善程度。

Images