KR20180031018A - 초고강도 탄소강 합금들을 위한 스케일 컨디셔닝 공정 - Google Patents

초고강도 탄소강 합금들을 위한 스케일 컨디셔닝 공정 Download PDF

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Abstract

양태들은 적어도 2중량%의 합금을 포함하는 초고강도 금속 표면 상에 형성된 산화철 및 합금 원소 산화물들을 포함하는 스케일 층을 처리 및 제거한다. 제 1 컨디셔닝 공정은 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시키거나 산화철을 제거하여, 배치된 용액 내의 하나 이상의 알칼리 염들을 준-용융 형태로 변형시키기 위해 가열되는 배치된 알칼리 염 수용액과의 화학적 결합에 합금 산화물을 노출시킨다. 합금 산화물은 준 용융된 알칼리 염(들) 및 물의 용액과의 반응을 통해 산화되어 하나 이상의 수용성 알칼리 합금 화합물들을 형성한다. 물 린스는 초고강도의 강 제품 표면으로부터 수용성 화합물(들)을 용해시키고 린스하여 표면 상에 산화철의 막을 남기며, 이는 최종 피클링 공정을 통해 제거된다.

Description

초고강도 탄소강 합금들을 위한 스케일 컨디셔닝 공정
본 발명의 실시예는 일반적으로 고강도 탄소강 합금들의 제조 시에 형성된 철 및 합금 산화물들의 표면 스케일들의 화학적 변형뿐만 아니라 높은 합금 비율을 갖는 금속 표면 상에 형성된 스케일들에 대한 일반적인 컨디셔닝에 관한 것으로, 여기서, 스케일은 철 및 합금 산화물의 혼합물들로 구성된다.
통상적인 핫 스트립 밀(hot strip mill)에서, 탄소강의 슬래브들(slabs)은 재가열로(reheat furnace)에서 초기에 약 2500℉(degrees Fahrenheit)(1371℃(degrees Celsius))로 재가열되어 보다 가단성 있게(malleable) 된다. 지금 막 뜨거워진 슬래브는 슬래브 재가열 동안에 형성된 무거운 스케일을 제거하기 위해 고압 워터 제트 스케일 제거 스테이션으로 운반된다. 그 후, 슬래브는 일련의 황삭(roughing) 및 정삭(finishing) 스탠드들을 통해 진행된다. 이들은 통상적으로, 때때로 물 스프레이들과 조합하여, 슬래브의 상부 및 하부 측면들에 결합되고 압력을 가하여, 그 결과, 슬래브 두께 및 온도의 점진적인 감소들을 초래하고 스틸 스트립으로의 슬래브의 연신율을 증가시키는 것을 초래하는 수직 적층형 작업 롤들을 포함한다.
일반적으로, 슬래브 재료가 점진적으로 연신되고 게이지(및 온도)가 감소함에 따라, 스트립의 속도가 계속 증가하는 것을 보상하도록 그리고 최종 스트립 폭 및 두께 치수를 형성하도록, 예를 들어 지정된 두께, 게이지 및/또는 다른 치수를 생성하도록, 황삭 및 정삭 스탠드들이 동기화된다. 최종 스트립은 일반적으로 런아웃 테이블의 마지막 압연 스탠드 영역을 따라 이송한 후에 높은 속도(예를 들어, 시간당 대략 30마일, 다른 속도들로 실행될 수도 있음)로 코일러(coiler)에 의해 코일링된다. 스트립의 최종 코일링 온도는 일반적으로 물 스프레이의 사용을 통해 코일링 이전의 런아웃 테이블 냉각 영역에서 감소하지만, 일반적으로 1100℉(593℃)와 1450℉(788℃) 사이의 상승된 온도로 유지된다.
이 최종 열간 압연 공정 동안, 대기로부터의 산소는 철 및 합금 산화물들의 혼합물로 이루어진 스트립 표면 상에 스케일 또는 크러스트를 형성하기 위해 강의 표면에 존재하는 철 및 합금 원소들과 반응한다. 강 표면에서의 이 복합 산화물 스케일의 존재는 일반적으로 후속 스틸 가공(예를 들어, 냉간 압연, 용접, 어닐링, 금속 코팅, 도장 및 기타 코팅 공정들)에서 바람직하지 못하다. 따라서 스케일 산화물들은 일반적으로 피클링(pickling)과 같은 후-열간 압연 공정을 통해 금속 스트립으로부터 제거되어야 한다.
탄소강 제품들은, 보통(plain) 탄소강에 비해, 강도를 높이고 보다 우수한 기계적 특성들 또는 보다 큰 부식 저항성을 제공하기 위해 소량의 합금 원소들을 종종 포함한다. 고강도 저합금(HSLA: high strength low alloy)강들에 일반적으로 사용되는 합금 원소들의 예시적이지만 제한적이지 않거나 충실한 예들은, 망간, 규소, 구리, 니켈, 니오븀, 질소, 바나듐, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 칼슘, 붕소, 희토류 원소들, 및 지르코늄을 포함한다. 합금 원소들은, 비합금 탄소강들의 전형적인 페라이트-펄라이트 집합체 탄소강 미세 구조들에 비해 미세화된 결정립 크기를 통해 재료 강도를 증가시키는 페라이트 매트릭스에 합금 탄화물들로서 분산될 수도 있다.
합금강들은 일반적으로 제강로들(steel-making furnaces)에 의해 생성된 용강(molten steel)을, 주조, 열간 압연 및 정삭 공정들을 통해, 시트 제품으로 변환함으로써 생산된다. 열간 압연 또는 후속 열처리 공정들 동안, 대기로부터의 산소는 고강도 강의 표면에서의 철 및 합금 성분들과 반응하여 철 및 기타 산화물들을 포함하는 표면 스케일들의 혼합물들을 형성한다. 강의 표면에서의 이 산화물 혼합물 스케일의 존재는 일반적으로 후속 스틸 가공에서 바람직하지 못하다.
본 발명의 일 양태에서, 초고강도(advanced high strength) 금속 표면 상에 형성된 산화철 및 합금 원소 산화물들을 포함하는 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법은, 제 1 컨디셔닝 공정을 통해, 열간 압연 공정 동안 산소와의 반응을 통해 초고강도 강 제품의 표면 상에 형성된 스케일 층을 컨디셔닝하는 것을 포함하며, 여기서 초고강도 강 제품은 적어도 2중량%의 합금을 포함하고, 스케일 층은 산화철 및 합금의 산화에 의해 형성된 합금 산화물을 포함한다. 제 1 컨디셔닝 공정은 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시키거나 스케일 층으로부터 산화철 성분들을 제거함으로써, 배치를 통해 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시킨다. 알칼리 염 수용액은 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝된 스케일 층 상에 배치됨으로써, 화학적 결합에 노출된 합금 산화물과 결합하게 된다. 배치된 알칼리 염 수용액은 적어도 288℃(550℉)까지 가열되고, 가열은 배치된 알칼리 염 수용액 내의 하나 이상의 알칼리 염을 준-용융 형태로 변환시킨다. 합금 산화물은 준 용융된 형태의 알칼리 염(들)과의 반응 및 배치된 알칼리 염 수용액 내의 물과의 반응을 통해 산화되어, 하나 이상의 수용성 알칼리 합금 화합물들을 형성한다. 초고강도 강 제품의 표면이 물로 린스되고 물은 수용성 알칼리 합금 화합물(들)을 용해시키고 용해된 화합물(들)을 초고강도 강 제품의 표면으로부터 린스함으로써, 초고강도 강 제품의 표면에 산화철의 막이 남게 되고, 이는 최종 피클링 공정을 통해 제거된다.
또 다른 양태에서, 시스템은 열간 압연 공정 동안 산소와의 반응을 통해 초고강도 강 제품의 표면 상에 형성된 스케일 층을 컨디셔닝하는 제 1 컨디셔닝 처리 장치를 가지며, 초고강도 강 제품은 적어도 2중량%의 합금을 포함하고, 스케일 층은 산화철 및 합금의 산화에 의해 형성된 합금 산화물을 포함한다. 제 1 컨디셔닝 공정은 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시키거나 스케일 층으로부터 산화철 성분들을 제거함으로써, 배치를 통해 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시킨다. 염 용액 배치 스테이션은 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝된 스케일 층 상에 알칼리 염 수용액을 배치함으로써, 화학적 결합에 노출된 합금 산화물과 결합되도록 한다. 가열 장치는 배치된 알칼리 염 수용액을 적어도 288℃(550℉)까지 가열하고, 가열은 배치된 알칼리 염 수용액 내에서 하나 이상의 알칼리 염들을 준-용융 형태로 변형시키며, 여기서 준 용융된 형태의 알칼리 염(들)과의 반응 및 배치된 알칼리 염 수용액 내의 물과의 반응을 통해 산화되어 하나 이상의 수용성 알칼리 합금 화합물들을 형성한다. 물 린스 스테이션은 초고강도 강 제품의 표면을 물로 린스하는데, 물은 수용성 알칼리 합금 화합물(들)을 용해시키고, 용해된 화합물(들)을 초고강도 강 제품의 표면으로부터 린스함으로써, 초고강도 강 제품의 표면 상에 산화철의 막을 남기며, 이는 최종 피클링 처리 장치에서 수행되는 최종 피클링 공정을 통해 제거된다.
도 1은 초고강도 금속 표면 상에 형성된 산화철 및 합금 원소 산화물들을 포함하는 스케일의 층을 처리 및 제거하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 블록도이다.
도 2는 초고강도 금속 표면 상에 형성된 산화철 및 합금 원소 산화물들을 포함하는 스케일의 층을 처리 및 제거하기 위한 본 발명에 따른 공정 또는 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 피클링 산 제 1 컨디셔닝 공정을 수행한 후의 복합 스케일 층의 오제 전자 분광(AES: Auger Electron Spectroscopy) 분석 프로파일의 그래프이다.
도 4는 도 3의 프로파일의 스케일 층 상에 본 발명에 따른 알칼리 염 수용액으로 컨디셔닝 공정을 수행한 후에 잔류하는 스케일 층의 오제 전자 분광(AES) 분석 프로파일의 그래프이다.
열간 압연 금속 스트립들 중에 형성된 산화물 스케일들은 다양한 공정들을 통해 금속 표면들로부터 제거될 수도 있다. 기계적 스케일 분해 공정들은, 스케일 구조의 완전성을 물리적으로 분해하기 위한 스트립의 굽힘, 신축 또는 구부림을 포함하며, 스케일에 침투하는 반응성 액체를 위한 미세 채널을 형성하는 것을 포함한다. 다양한 기계적 분사 기법들이 또한 산화물 층들을 연마하는 데 사용된다. 화학 공정들은, 다시, 기초 금속 표면과의 부착을 분해하기 위해 스케일 성분들의 화학 구조와 반응하고 화학 구조를 변화시키며, 피클링, 산 세정 및 용융된 알칼리 염 화합물들의 배치를 포함한다.
다양한 조성물들 및 다양한 조건들 하에서의 광물 산 피클링 욕들(baths)의 사용은, 합금 첨가제들의 존재(예를 들어, 합금 첨가제들은 금속 스트립 성분의 총량이 1% 미만일 수도 있음)로 인해 적당한 양들의 분율들의 다른 산화물들을 또한 포함하는 종래의 탄소강 스트립들로부터 산화철 스케일을 제거하는 데 효과적이면서도 경제적인 것으로 판명되었다. 이러한 종래의 등급의 열간 압연 동안에 열간 압연기 상에 형성된 산화물 스케일들은 종래의 피클링 실시들과의 반응성에 대한 합금 성분들의 존재에 의해 크게 영향을 받지 않으며, 종래의 기계적 및/또는 화학적 (피클링) 기법들에 의한 효율적인 제거가 일반적으로 가능하다.
초고강도 강들은 주로 철이며, 종래 및 과거의 합금 탄소강들에서 발견된 것보다 실질적으로 높은 합금 원소들의 상대적 비율들, 예를 들어, 금속 스트립 성분들의 2% 초과의 총 합금 원소 함량을 가지며, 미래의 합금 개발에서는 상당히 더 높은 수준들로 계획되고 있다. 높은 합금 비율들은 보다 강한 구조적 특성들을 가능하게 하지만 심각한 피클링 과제들을 야기한다.
복합 산화물들은 현저한 양들(예를 들어, 2% 이상)의 합금 원소들을 갖는 초고강도 강들의 열간 압연 도중에 형성되며 그 제거를 위한 고유한 과제들을 야기한다. 산화물 두께들은, 합금 원소들의 양이 상대적으로 더 적은 종래의 탄소강들 상에 형성되는 두께들보다 실질적으로 더 클 뿐만 아니라, 다수의 금속 산화물 조성물들이 존재하며 각각이 별개의 화학 반응성들(또는 안정성들)을 갖는다. 산화철을 제거하기 위한 염산 용액들의 욕과 같은 단순한 광물 산 피클링 공정에 의존하기 보다는 보다 진보된 반응성 산 혼합물들이 제안되거나 활용되지만 실시에 있어서는 문제가 있다. 스테인레스 강들을 피클링할 때, 보다 높은 화학적 활성을 제공하여 완강하고 내화성의 고 합금 산화물들을 보다 양호하게 제거하기 위해, 전해 활성화에 의해 증대되는 황산 및 질산 용액들과 같은 산성 욕들이 일반적으로 사용된다. 질산 플러스 불화수소산과 같은 혼합 산 용액들은 또한 스케일 제거를 위해 완강한 스케일들의 언더컷이 필요하지만 통상적으로 다시 고 합금 스테인리스 강들과 초합금들로 제한된다.
질산 피클링에 의한 질소 산화물 가스의 생성 및 산과 철 사이의 반응의 발열 특성으로 인한 온도 제어 곤란성과 같은 난처한 결과들은, 초고강도 강들의 열간 압연 도중에 형성된 복합 산화물의 제거와 관련하여 그러한 선행 기술 접근법들의 적용가능성 및 효능을 제한한다. 일 양태에서, 보다 적극적인 피클링 용액들의 영향들은 기저를 이룬 강철 표면에 용인할 수 없는 정도로 영향을 미칠 수도 있다.
금속 표면에서 산화물 스케일들을 제거할 때 주어진 공정의 효능은 특정 산화물들 또는 산화물들의 혼합물들의 존재에 또한 의존한다. 열간 압연 공정 동안 대기 산소와의 반응을 통해 AHSS의 표면 상에 형성된 산화물 스케일 층은 철 및 합금 산화물의 혼합물을 포함하는 표면 산화물 스케일 구조를 생성한다. 이러한 스케일의 철 및 합금 산화물들과의 반응성의 차이뿐만 아니라 이들 각각의 반응 생성물들의 거동 및 특성의 차이에 기인하여, 종래의 피클링 라인 공정들은 일반적으로 효율적 또는 만족스러운 방식으로 이러한 산화물 혼합물 스케일들을 제거하지 못한다. 때로는 단지 약간 허용될 수 있는 표면 피니시들을 생성하기 위해, 종래의 피클링 라인을 통해 상당히 감소된 라인 속도들 및/또는 다중 경로들이 요구될 수도 있다. 예를 들어, 일부 피클링 라인들은 약 200 내지 약 300 미터/분의 공정을 통해 강철 시트들을 작동하는 종래의 탄소강들에 대해 만족스러운 스케일 조건 결과들을 달성하지만, 동일한 공정을 통해 고급 고강도 강재를 만족스럽게 처리하기 위해서는 속도가 종래의 라인 속도의 일부에서 작동하도록 느려져야 하는데, 이는 주어진 생산 공정에서 수용가능한 스루풋을 생성하는 데 용인할 수 없을 정도로 느려질 수도 있다. 또한, 보다 느린 속도로 이러한 종래의 피클링 라인으로부터 떨어지는 강철 표면은 외관상으로는 청결하고 수용가능한 것처럼 보일 수도 있지만, 실제로는 스트립 표면이 아연 및 알루미늄과 같은 일부 금속 코팅들의 도포를 수용하지 못할 정도로 잔류 산화물 성분들이 잔존해 있을 수도 있다.
또한, 철 및 합금 산화물들의 혼합물들 및 스케일 층 내에서의 이들의 상대적 분포들에 의해 형성된 스케일 층 구조들은 코일링 온도 또는 다른 파라미터들의 함수로서 크게 변할 수도 있다. 하나의 예시적인 AHSS 제형에서, 제 1 의 보다 높은 온도의 고온 코일링은, 층을 통해 철 및 합금 산화물들의 일반적으로 연속적 분포를 갖는 경질의 밝고 광택있는 금속 스케일의 형성을 유발한다. 동일한 AHSS 제형을 상이한 제 2 의 보다 낮은 온도로 고온 코일링하는 것은, 보다 높은 온도에 의해 생성된 금속 상부층이 존재하지 않는, 주로 합금 산화물들로 형성된 하부층 위에 배치된 다공성의 녹슨 외부 산화철 표면층을 갖는 스케일 층을 생성한다.
상이한 스케일 구조의 깊이 치수들은 또한 하나가 실질적으로 다른 것보다 작게 변화될 수도 있다. 따라서, 스케일들의 구조 및 조성의 차이들로 인해, 보다 높은 온도에서 열간 압연을 통해 형성된 스케일에 적용하기 위해 효과적이고 경제적인 주어진 컨디셔닝 공정은, 낮은 온도에서의 열간 압연을 통해 동일한 AHSS 상에 형성된 상이한 스케일에 대해 만족스러운 결과들을 제공하지 못할 수도 있으며, 보다 낮은 온도에서의 열간 압연을 통한 스케일에 대한 적용에 효과적이고 경제적인 것으로 밝혀진 또 다른 상이한 컨디셔닝 공정은 보다 높은 온도에서의 열간 압연을 통해 동일한 AHSS 상에서 형성된 스케일에 대한 만족스러운 결과들을 제공하지 못할 수도 있다.
컨디셔닝 공정들은 상이한 철 및 합금 산화물들, 그리고 그에 의해 형성된 상이한 스케일 구조들과 관련하여 그들의 효능이 크게 달라진다. 이것은 복잡한 혼합 산화물 스케일들을 만족스러운 정도로 효율적이고 효과적으로 제거하기 위해, 적절한 산화물 제거 공정을 선택하고 실행하는 데 있어서의 문제점들을 제시한다. 하나 이상의 종래 공정을 선택하면 에너지 또는 화학 물질 요구 사항들, 운영 비용들 또는 생산 스루풋에 대한 악영향들이 현저히 증가할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 철 및 합금 산화물들 또는 이것에 의해 정의된 스케일 구조들에 대한 효능의 차이들로 인해, 선택된 종래의 공정은 열악한 표면 품질, 유해한 생산성 한계들 또는 바람직하지 않은 위험 물질 노출들을 여전히 나타낼 수도 있다.
도 1은 열간 압연 도중에 초고강도 강 제품의 표면 상에 형성된 산화철 및 그 아래의 하나 이상의 합금 산화물들을 포함하는 스케일의 층을 처리 및 제거하기 위한 본 발명에 따른 방법을 도시한다. 특히, 초고강도 강 제품은 적어도 2중량%의 합금을 포함하며, 여기서 합금은 다수(2종 이상)의 그리고 상이한 합금 원소들을 포함할 수도 있다. 스케일 층은 철강 제품의 열간 압연 동안 대기 산소와 함께 강철 스트립 내의 합금(들)과 철의 표면 반응을 통해 형성된 산화물들의 층이다. 상기 반응은 철 및 합금 원소(들)의 산화물들의 혼합물로서 스케일 층을 생성시키는 산화이다.
102에서, 제 1 컨디셔닝 공정은 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시키면서 스케일 층을 컨디셔닝함으로써, 잔류 합금 산화물(들)을 산화철의 손상된 구조적 완전성을 거쳐 그리고/또는 스케일 층으로부터의 산화철 성분들의 제거를 거쳐 스케일 층 상으로의 배치를 통해 화학적 결합에 노출시킨다.
104에서, 알칼리 염 수용액은 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝된 스케일 층 상에 배치됨으로써, (산화철의 손상된 구조적 완전성을 통해, 또는 스케일 층으로부터의 산화철 성분들의 제거에 의해 노출된 것처럼) 화학적 결합에 노출된 잔류 합금 산화물(들)과 결합하게 된다.
106에서, 배치된 알칼리 염 수용액은 적어도 288℃(550℉)까지 가열되고, 가열은 배치된 알칼리 염 수용액 내의 적어도 하나의 알칼리 염을 준-용융(quasi-molten) 형태로 용융시킨다. "준 용융"이라는 용어는 초기 수용액 상태로부터 매우 농축된 수용액 상태로, 이어서, 초 수화된 반-용융(super hydrated semi-molten) 상태로, 그리고 마지막으로 무수 용융 상태로, 배치된 알칼리 염의 형태의 천이 상태를 기술하는 것으로 이해될 것이다.
108에서 물 및 배치된 알칼리 염 수용액 내의 알콜 염(들)의 준 용융된 형태는 합금 산화물(들)의 각각과 반응(산화)하여 각각의 수용성 알칼리 합금 화합물(들)을 형성한다.
110에서 초고강도 강 제품의 표면은 물로 린스되는데, 물은 수용성 알칼리 합금 화합물(들)을 용해시키고 용해된 화합물(들)을 초고강도 강 제품의 표면으로부터 린스한다. 린스는 초고강도 강 제품의 표면에 산화철의 막을 남긴다.
112에서, 초고강도 강 제품의 표면은 최종 컨디셔닝(피클링) 공정을 통해 피클링되어 초고강도 강 제품의 표면으로부터 산화철 피막층을 제거한다.
용해되거나 용융된 염 스케일 제거 컨디셔닝은 산화크롬, 산화망간, 이산화규소, 및 유사한 산화물들과 같은 완강하거나 내화성의 스케일들을 위한 하나의 양상을 제공한다. 양태들은, 반응성이 높은 알칼리 염 형성들, 즉 104(도 1)에서 금속 표면 상에 배치되고 106에서 가열된 용액에 존재하는 물과 조합하여 발생하는 용융 염 처리 반응에 의존한다. 이 공정은 표면 스케일을 신속하게 제거하고, 최종 피클링 단계(예를 들어, 112)에서 약산성 피클링에 잘 응답하는, 균일하게 반응하는 표면을 남긴다.
용융 염 처리 컨디셔닝(예를 들어, 106 및 108)은 본질적으로 2개의 단계들로 수행되는 반응들을 포함하는데, 제 1 단계는 합금 산화물의 산화를 포함하고, 제 2 단계는 높은 원자가(valence) 산화물을 알칼리:금속 화합물로서 용해시키는 것이다.
산화철 스케일이 알칼리 용융 염과 접촉되면, 표면 스케일 산화와 같은 단일 단계 반응만이 일어난다. 산화철은 융합된 또는 용융된 염에 거의 녹지 않는다. 실제로, 용융 염욕 로(molten salt bath furnace)는 일반적으로 두꺼운 강판으로 만들어지며, 적절하게 유지되는 경우, 900℉(482℃)의 온도에서 가성(caustic) 알칼리들에 지속적으로 노출되더라도 20년 내지 30년 이상의 서비스 수명들을 가진다.
초고강도 강들의 열간 압연 도중에 형성된 복합 산화물들은 그 제거에 있어 고유한 과제들을 제기한다. 산화막의 두께들은 종래의 탄소강들보다 실질적으로 클 뿐만 아니라 다수의 금속 산화물 조성물들이 존재하며 각각이 별개의 화학 반응성들 또는 안정성들을 갖는다. 종래의 고온 염산 피클링을 사용하여 이들 합금들을 스케일 제거하려는 시도는, 불량한 세정, 과도한 금속 손실, 및/또는 낮은 피클링 라인 생산성 중 하나 이상으로 인해 성공적이지 못했다. 일부 합금 조성물들에 대해 다소 성공적이지만, 종래의 화학적 스케일 컨디셔닝 반응들은 일부 열간 압연 초고강도 강들 상에 존재하는 현저한 산화철 또는 금속 "외장(skin)" 또는 최외측 산화물 층에 의해 일반적으로 방해받는다. 용융 염 컨디셔닝이 효과적이기 위해서는 하부의 합금 원소 산화물들에 대한 접근이 확립되어야 한다.
몇몇 양태들에서, 102에서의 제 1 컨디셔닝 공정은 스케일 층, 특히 산화철 성분의 구조적 완전성을 균열시키거나 손상시키는 기계적 스케일 분해 공정이며, 이에 의해 산화철의 손상된 구조적 완전성을 거쳐 스케일 층 상으로의 배치를 통해 화학적 결합에 합금 산화물(들)을 노출시켜, 하부의 합금 산화물들과의 염 접촉을 용이하게 한다. 넓은 범위의 매체들 및 추진 기법들을 이용한 연마 블라스팅이 사용될 수도 있으며, 블라스팅 매체들의 예시적이지만 제한적이지 않거나 충실한 예들은, 금속성 샷(shot) 및 세라믹들을 포함한다. 스케일 구조의 완전성을 물리적으로 분해하기 위해 스트립을 브러싱하거나 굽히거나 스트레칭하거나 구부리는 것이 또한 수행되어, 스케일-금속 계면에 유체 경로들을 제공하는 산화물 스케일에 미세 균열을 생성할 수도 있다. 이는 후속 화학적 배치들과의 반응들에 의한 언더컷 작용들을 가능하게 하는데, 여기서 기본 금속 용해는 적절한 산화물 층을 용해시키기 보다는 산화물 층을 축출하는 데 사용된다.
다른 양태들에서, 102에서의 제 1 컨디셔닝 공정은 용융 염 스케일 컨디셔닝 이전에 수행되는 제 1 산성 피클링 전처리이고, 스케일 층으로부터의 산화철 스케일 성분들의 제거를 거쳐 스케일 층 상으로의 배치를 통해 합금 산화물(들)을 화학적 결합에 노출시킨다. 피클링은 일반적으로 기계적 옵션들보다 종래의 산화철 스케일 성분들을 제거하는 데 보다 선택적이지만, 내화 합금 원소 산화물들과 단지 매우 미미하게 반응한다. 철 산화물 층이 피클링 공정에 의해 용해되면, 용융 염 컨디셔닝에 대한 후속 노출은 복합 알칼리 화합물들의 형성으로 진행될 수 있다.
102에서 제 1 컨디셔닝 공정에서 사용되는 피클링 산의 양태들은 염산 및 황산 중 하나 이상을 포함한다. 이들 산들은 스케일 층 내의 산화철과 반응하여 원소 탄소, 물, 황산과 반응하는 것으로부터의 황산철, 및 염산과 반응하는 것으로부터의 염화철을 포함하는 제 1 반응 생성물들을 형성한다.
양태들은 또한 104에서 알칼리 염 수용액의 배치에 앞서 물 린스 단계를 포함하는데, 이는 물, 황산철 및 염화철 반응 생성물들을 스케일 층으로부터 린스하고, 실질적으로 잔류 원소 탄소의 층을 포함하는 다공성의 스폰지형 외부 스케일 표면층 구조를 남긴다.
도 3은 102에서 피클링 산 제 1 컨디셔닝 공정을 수행한 후 AHSS의 샘플에 대한 복합 스케일 층의 오제 전자 분광(AES) 분석 프로파일의 결과에 대한 그래프이다. AES 프로파일은 80중량% 이상, 보다 구체적으로 82.0중량%의 표면 탄소 농도, 0.3중량%의 실리콘, 칼슘 없음(0.0중량%), 0.2중량%의 염소, 12중량%의 산소 및 5.4중량%의 철을 나타낸다.
하부의 합금이 풍부한 산화물 층과 관련된 주로 탄소로 이루어진 이 잔류 표면층은, 오직 산의 피클링에서 지속적인 산 피클링 진행에 대한 억제 또는 물리적 장벽을 정의한다. 합금 산화물 내화학성과 관련된 탄소 물리적 장벽은, 선행 기술 공정들을 통해 AHSS 스트립들 상의 스케일 층을 성공적으로 컨디셔닝하기 위해 열악한 피클링 동역학 및 종래의 핫 밴드(hot band) 염산 라인 속도들을 과감하게 감소시킬 필요성을 설명할 수도 있다.
그러나, 이 잔존하는 표면층은 또한 피클링 공정에서 철 산화물들의 제거로 인해 다공질이기 때문에, 104에서 그 위에 배치된 알칼리 염 수용액은, 스케일 층의 외면을 통과하여 102에서의 피클링 후에 스케일 층 내에 배치된 채로 남아있는 하부의 합금 산화물들과 결합할 수 있게 된다.
102에서의 제 1 컨디셔닝 공정이 제 1 산성 피클링 전처리인 일 양태에서, 104에서의 알칼리 염 수용액의 적용은 건조된 사전-피클링된 강 표면들에 (다양한 농도들의) 수용액들을 적용함으로써 수행되며, 이어서 물 린스 단계로 이어진다. 코팅된 금속 스트립은 약 500℉ 내지 600℉의 최종 온도로 가열된 다음, 직접 물로 급냉된다. 알칼리 염 수용액 내의 과량의 물이 제거되고 염이 합금 산화물들을 적시고 바람직한 수준들의 컨디셔닝을 생성하기에 충분한 지점으로 용융되는 것을 보장하기 위해 일부 양태들은 600℉에 도달한다.
일부 양태들에서, 부수적인 오일들은 건조 공정을 통해 강 표면으로부터 제거되고, 일부 실시예들에서는 102에서의 제 1 컨디셔닝 공정 후 그리고 104에서의 알칼리 염 수용액의 적용 전의 후속 가열 공정을 통해서도 또한 제거된다. 이는 알칼리 염 수용액에 의한 표면의 양호하고 만족스러운 습윤을 보장한다. 건조 단계가 강제 공기(forced air) 또는 부수적인 오일들을 표면으로부터 제거하지 않는 다른 장치들을 사용하는 경우, 후속 가열 장치는 금속 표면을 가열하여 잔류 오일들을 휘발시킨다. 부수적인 오일들의 제거는 또한 102에서의 제 1 컨디셔닝 공정이 피클링하는 것인 물 린스에 의해, 일부 실시예들에서는 물에 계면활성제를 첨가하는 것에 의해, 또는 다른 추가적인 단계를 통해 달성될 수도 있다.
계면활성제는 또한 104에 배치된 알칼리 염 수용액에 혼입되어 표면의 확산 및 표면의 습윤성을 향상시킬 수도 있다.
단계들(104-106-108)에서 본 발명의 양태에서 활용되는 용융 염 화학은, 원하는 양의 산화, 용해 등을 촉진시키기 위해 스케일 층에 존재하는 특정 합금 원소들에 따라 필요에 따라 변화될 수도 있는 첨가제들을 갖는 알칼리 수산화물들에 기초한다.도 4는 104-106-108에서 알칼리 염 수용액으로 컨디셔닝 공정을 수행한 후, 보다 구체적으로 도 3의 스케일 층 프로파일에서 수행된 후 AHSS의 샘플 상에 잔류하는 스케일 층의 AES 프로파일의 결과에 대한 그래프이다. 80% 탄소의 표면층은 산화되어 이산화탄소를 생성하며, 도 4의 프로파일에 나머지(0.0%)는 존재하지 않는다. 프로파일은 또한 칼슘 1.45%, 칼륨 3.9%, 산소 61.1% 및 철 33.6%를 나타낸다.
오제 전자 분광법은 공칭 검출 한계, 예를 들어 약 0.1% 내에서 많은 원소들(수소 및 헬륨 제외)을 검출할 수 있지만, 여기서 스펙트럼 간섭들은 비교적 낮은 농도들의 일부 원소들의 검출을 금지할 수도 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 측정치의 샘플링 부피는 약 10나노미터(nm)의 깊이 및 직경에 있어서 약 50미크론(μm)의 분석 영역을 갖는다. 정량화 방법은 샘플링 볼륨이 균질하다고 가정하며, 여기서, 상대적 원소 조성물들의 표들은 유사한 샘플들을 비교하고 오염원을 확인하는 수단으로서 제공된다. 데이터의 정확한 정량화는 미지의 샘플과 유사한 조성물을 갖는 기준 재료들의 사용을 통해 달성되며, 여기서, 조성 프로파일들(스퍼터 깊이 프로파일들(SDP: Sputter Depth Profiles)이라고도 지칭됨)은 오제 분석을 (예를 들어, 4.0keV Ar+ 이온 빔을 이용한) 동시 스퍼터링 에칭과 결합함으로써 획득될 수도 있다. 깊이 스케일들은 원소들과 화합물들이 상이한 속도들로 스퍼터링됨에 따라 도 3 및 도 4의 상대적 스케일로 보고된다. 다층 프로파일들에 지시된 두께들은 단일 스퍼터 속도에 기초한다. 스퍼터 에칭은 다중 원소 시스템들에서 명백한 조성 변화들을 야기할 수 있음을 주목해야 한다. 모든 원소들은 상이한 스퍼터 율들을 가지므로, "차동 스퍼터링"은 하나 이상의 구성 원소들의 막을 대폭 감소시킬 수 있다.
용융 염에서의 산화된 용융 염(대기 산소 흡수에 의해, 또는 알칼리 질산염으로서 화학적으로 결합된 산소의 첨가에 의해 또는 양방 모두에 의해 가능)은, (1) 망간 및 다른 합금 금속들으로부터 보다 높은 원자가 금속 화합물들을 형성한 다음 (2) 용융된 알칼리, 이를테면 수산화나트륨 및 수산화칼륨과 반응하여 염 및 수용성 알칼리 염들, 이를테면 나트륨/칼륨 망간산염 및 규산염을 형성한다. 알루미늄이 존재하는 경우, 알칼리 알루민산염의 형성 또한 가능할 것이다.
106에서의 가열 방법들은 연소 중에 형성된 이산화탄소(CO2)로부터 하이드록실 이온(OH-)을 탄산염(CO3 2-)으로 전환시킬 수 있는 연소 생성물들을 제한할 수도 있는 종래의 복사열을 포함한다. 일부 양태들은 유도 열을 사용하는데, 이는 복사 기법들에 비해 보다 빠른 제 1 스테이지 가열을 가능하게 하고, 그 후, 원하는 컨디셔닝 기간의 나머지 동안에는 종래의 복사성 제 2 스테이지 유지 구역이 이어진다. 스트립 온도를 유지하기 위한 가열 구역 이후의 단순한 절연된 챔버는 또한 컨디셔닝 동작을 완결하기에 충분할 수도 있다.
AHSS는 철계이기 때문에 유도 열을 사용하는 것이 효율적이며 비탄소강(오븐 등)을 재가열하는 데 사용되는 복사 및 기타 접근법들보다 에너지를 크게 절감할 수 있다. 유도 열을 사용하는 양태들은 금속 표면을 필요한 컨디셔닝 온도까지 가열하기 위해 단지 수초가 요구되며, 일 예로 5초면 충분하다. 첨단 유도 시스템들을 사용하면 반응들이 일어나는 강 스트립의 바로 그 표면들을 오직 가열할 수 있기 때문에 스트립을 스루 히팅(through-heating)하는 것과 비교하여 시간과 에너지를 절감할 수 있다. 이는 200 내지 300m/초 또는 그 이상의 종래의 피클링 속도로 신속하고 용이하게 달성될 수도 있으며, 따라서 본 발명의 양태들은 기존 장비 설비들의 시간 파라미터들 내에 이 단계를 통합할 수 있게 하여, 철강 생산 및 마감 설비들 내에서 스루풋 요건에 부정적 영향을 미치지 않고 이러한 컨디셔닝 단계를 제공한다.
전술한 바와 같이, 106에서 배치된 용액을 가열하는 것은 초기 수용액 상태로부터 매우 농축된 수용액 상태로, 이어서 초 수화된 반-용융 상태로, 그리고 마지막으로 무수 용융 상태로, 배치된 알칼리 염들의 형태를 천이시킨다. 스케일 층 상에 또한 배치된 용액 물의 존재 시에 가열을 통한 수용성 화학 용액으로부터 용융 염으로의 천이는, 합금 원소들과의 반응 및 산화 생성물들의 용해를 촉진하여, 종래 기술에서 활용되는 종래의 무수 용융 염욕 공정들을 통해 금속 표면으로부터 그렇게 하지 않으면 제거되지 않는 110에서의 린스 단계를 통해 스케일 층 내에서 컨디셔닝된 합금 원소들의 제거를 가능하게 한다.
단계들(104-106-108)의 용융 염 스케일 컨디셔닝 공정을 통해 산화물 스케일 성분들로부터 생성된 내화성 산화물 반응 생성물들의 예시적이지만 제한적이지 않거나 충실한 예들은, 이산화규소로부터의 알칼리 규산염; 이산화망간으로부터의 알칼리 망간산염; 산화알루미늄으로부터의 알칼리 알루민산염; 산화 몰리브덴으로부터의 알칼리 몰리브덴산염; 및 산화 크롬으로부터의 알칼리 크롬산염을 포함한다. 이들 알칼리 염 반응 생성물은 용융 염, 후속 물 린스, 또는 양방 모두에서 가용성이다.
그러나, 알칼리 알루민산염은, 이를테면 종래의 무수 용융 염욕에서, 용융된 알칼리 염과 반응하여 용이하게 형성되지만, 그것은 염 용해성이 아니다. 따라서, 이는 종래의 욕들에 용해되지 않고 그 대신 컨디션닝된 금속의 표면 상에 잔류하여, 본질적으로 패시브(또는 패시베이션)층을 형성한다. 대조적으로, 본 발명의 양태들에서, 106에서의 가열을 통해 무수 상태로 천이되는 동안 배치된 용액 내에 존재하는 물은, 알칼리 알루민산으로 하여금 용액 내로 들어갈 수 있게 함으로써, 컨디셔닝 공정을 계속 진행시킬 뿐만 아니라, 종래의 염 컨디셔닝 욕들에서 용해되지 않는 다른 금속 산화물들을 용해시킨다.
염 스케일 컨디셔닝 및 물 린스 후, 얇고 균일하며 용이하게 제거되는 산화철 막은, 피클링 산들과의 양호한 반응성 및 피클링 산들로의 용이한 접근가능성을 나타내는 초고강도 강 표면 상에 잔류한다. 따라서, 산화막은 112에서의 염산 피클링에 의해 용이하게 제거된다. 완벽한 잔류 스케일 제거는 일반적인 핫 밴드 피클링 속도들로, 일부 예에서는 이전의 단계들(102-110)의 시퀀스의 실행에 의해 종래의 염산에 대한 물리적 및 화학적 장애들이 완화되기 때문에, 금속 제품 표면 상에 피클링 산을 10초 동안 체류시킨 후에 용이하게 달성된다.
전술한 양태들의 응용예로부터의 실험 결과들은 알칼리 망간산염 및 알칼리 규산염의 형성을 확인한다. 테스트 패널들은 단계들(102-108)을 통해 처리되었다. 샘플들 상의 염 잔류물은 110에서 린스되고 린스 물이 수집된다. 일례로, 알칼리성 망간산염을 나타내는 린스 물에서 특유의 착색이 발생했다. 또 다른 테스트에서, 유도 결합 플라즈마/광학적 발광 분광법(ICP(inductively coupled plasma)/OES(optical emission spectroscopy))에 의해 수집되고 분석된 린스 물은 실리콘 및 망간에 대해 긍정적인 결과들을 나타냈다.
일 양태에서, 알칼리 염 수용액은 본질적으로 85중량%의 수산화칼륨(KOH), 7.5중량%의 질산나트륨(NaNO3) 및 7.5중량%의 염화나트륨(NaCl)의 무수 용융 화학을 갖는다. "본질적으로"라는 용어는 이러한 맥락에서 임의의 잔류 환원 또는 그렇지 않으면 반응성인 성분들이 스케일 층 산화물들 또는 하부의 금속 표면층과 반응하기에는 기본적으로 불충분한 양의 것이라는 것을 전달하는 것으로 이해될 것이다.
알칼리 염 수용액의 하나의 제형은, 90중량%의 수산화칼륨 플레이크(flake) 33중량%, 질산나트륨 2.60중량%, 염화나트륨 2.60중량%, 플레이크 수산화칼륨으로부터의 3.30중량% 물, 및 추가 물 58.50중량%를 포함하며, 그 용액은 약 35중량%의 용존 고형물들을 포함한다.
알칼리 염 수용액의 또 다른 제형은, 건조 기준으로 45중량%의 액체 수산화칼륨을 일 성분으로서 사용하여, (추가적인 물 28.6중량%가 첨가된 45% 액체 수산화칼륨으로부터) 29.7중량%의 수산화칼륨, 2.60중량%의 질산나트륨, 2.60중량%의 염화나트륨, 36.4중량%의 물을 생성한다. 이 용액은, 용액 중량의 34.9995%의 총 고형물들 중량에 있어서, 약 29.7495중량%의 용해된 수산화칼륨 고형물들(고형물들 총 중량의 85%), 2.625중량%의 질산나트륨(고형물들 총 중량의 7.5중량%), 및 2.625중량%의 염화나트륨(고형물들 총 중량의 7.5중량%)을 포함한다.
상기 알칼리 염 수용액들에는 적절한 알칼리 안정 계면활성제(습윤 수용액 기준으로 전체 중량의 0.1% 미만)의 분율이 첨가될 수도 있다. 예로는 Rhodia Mirataine ASC 및 Air Products SF-5 계면활성제가 있으며, 여전히 다른 것들은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 100그램의 알칼리 염 수용액에 약 0.1그램의 계면활성제가 첨가된다.
지금까지 논의된 실시예들은 알칼리성 부식 컨디셔닝제들로서 나트륨 또는 칼륨 양이온들을 사용하지만, 대안적인 실시예 혼합물들은 상이한 양이온들을 활용할 수도 있고, 연관된 스케일 제거 파라미터들 및 효과들은 주로 존재하는 특정 음이온에 좌우된다는 것이 주목되어야 한다.
스케일 제거제들로서 사용되는 화합물들의 성능은 육안으로 판단하기 쉬울 수도 있으며, 여기서 컨디셔닝의 비효율성은 후속 피클링에 의해 확인될 수도 있고, 그 후에 본래의 스케일은 실질적으로 변하지 않는 형태로 존재할 것이다. 적절한 컨디셔닝 조성물들 및 적용된 화학양론적(stoichiometric) 양들을 선택하기 위한 평가 기준은, 예컨대 색, 불투명도, 중량 손실 및 균일성에 관한 컨디셔닝된 산화물의 출현; 기계적 굽힘, 브러싱, 린스, 와이핑(wiping) 또는 후속 산 피클링에 의한 박리된 산화물 층들의 용이한 제거; 및 예컨대 색, 휘도, 균일성, 평활도 및 잔류 산화물로부터의 자유도와 관련하여 스케일 제거된 금속 표면의 최종 외관을 포함한다. 이러한 몇 가지 기준은 정도 및 방향에 있어서 독립적으로 변화할 수 있으므로, 임의의 스케일 제거제들 또는 첨가제들의 유해하거나 유익한 효과들을 정량적으로 지정하는 특정 주관적인 요소가 있음은 이해되어야 한다.
본 발명의 양태들은 열간 압연된 초고강도 강의 표면으로부터 철 및 합금 산화물들의 혼합물들을 포함하는 스케일들을 효율적으로 만족스럽게 컨디셔닝하고 제거하는 신규하고 특정한 다중 단계 시퀀스에서 세 가지 이상의 상이한 별개의 스케일 컨디셔닝 공정들을 조합한다. 도 2는 전술한 바와 같은 도 1의 공정 및 방법에 따른 스케일 컨디셔닝 부문에 대한 공정 또는 시스템(400)의 다소 개략적인 표현을 도시한다.
AHSS 강(406)의 스트립은 복합 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시키도록 그 위에 형성된 복합 스케일 층을 (기계적 또는 피클링 공정을 통해) 컨디셔닝하는 제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)를 통해 인출됨으로써, 합금 산화물(들)을 산화철의 손상된 구조적 완전성을 거쳐 그리고/또는 스케일 층으로부터의 산화철 성분들의 제거를 거쳐 스케일 층 상으로의 배치를 통해 잔류 합금 산화물(들)을 화학적 결합에 노출시킨다. 스트립(406)은 상부면과 하부면 양방 모두에 형성된 스케일을 가질 수도 있고, 따라서 공정/시스템(400)의 현재의 예는 상부면과 하부면 양방 모두에 대한 컨디셔닝을 수행하는 요소들을 도시하고 있지만, 이는 선택적인 것이며, 일부 예들에서는 상부면과 하부면 중 오직 일방만이 컨디셔닝된다.
제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)가 피클링 공정인 경우, 물 린스 스테이션(410)은 피클링 공정 후에 스트립(406)의 표면을 린스하고, 건조 장치(411)는 수분 및 부수적인 오일들을 강 표면으로부터 제거한다. 일부 실시예들에서, 건조 장치(411)는 표면으로부터 수분을 끌어 당기는 흡수성 재료로 표면을 와이핑한다. 일부 실시예들에서, 건조 장치(411)는 린스(410) 및 건조 공정들의 단계들 후에 잔류하는 임의의 부수적인 오일들을 휘발시키기 위해 금속 스트립 표면(406)을 가열하는 별도의 가열 장치(도시되지 않음)를 포함하는데, 예를 들어, 건조 장치(411)는 임의의 부수적인 오일들을 또한 제거하지 않고서도 표면으로부터 수분을 제거함으로써 금속 스트립(406)을 건조시키는 강제 공기 또는 다른 요소들을 포함한다.
염 용액 배치 스테이션(412)은 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 알칼리 염 수용액의 층(414)을 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝된 스트립(406)의 표면 상의 스케일 층 상에 배치하고, 여기서, 배치된 알칼리 염 수용액 층(414)은 산화철의 손상된 구조적 완전성을 통해 화학적 결합에 노출된 잔류 합금 산화물(들)과 결합하거나, 스케일 층으로부터 산화철 성분들을 제거함으로써 노출된 잔류 합금 산화물(들)과 결합한다. 배치 스테이션(412)에 의한 알칼리 염 수용액의 층(414)의 형성은 다양한 방법들, 즉 컨디셔닝 용액을 이용하여 AHSS 스트립(406)의 표면에 대한 균일한 코팅 또는 완전한 습윤을 형성하는 임의의 방법 또는 시스템을 통해 달성될 수도 있다. 배치 스테이션(412) 요소들 및 장치들의 예시적이지만 완전하지는 않은 예는 덩커(dunker) 롤러 또는 롤/롤러 코터들뿐만 아니라 스프레이 노즐, 커튼 코터들 및 도포기들, 침지 방법들 및 시스템들 또는 이들의 조합을 포함한다.
다이어그램은 수평면의 공정 라인을 도시하지만 라인 구성을 단일 평면으로 제한하려는 의도는 아니다. 물 린스 헤드들(410) 또는 용액 도포기들(412)을 포함하는 특정 요소들은, 공정을 수행하고 그리고/또는 물리적인 라인 제약들을 수용하는 데 필요한 다른 수직 또는 수평 또는 각진(angled) 요소들이 뒤따르는 수직 평면에서 용이하게 구성될 수도 있다.
가열 스테이션 또는 장치(416)는 스트립(406)의 표면을 가열하여, 배치된 알칼리 염 수용액(414)을 적어도 288℃(550℉)로 되게 하고, 배치된 알칼리 염 수용액 내의 알칼리 염을 준-용융 형태로 용융시키며, 여기서, 물 및 알칼리 염(들)의 준 용융된 형태는 전술한 바와 같이 합금 산화물(들)의 각각과 반응(산화)하여 각각의 수용성 알칼리 합금 화합물(들)을 형성한다.
그 후, 물 린스 스테이션(418)은 AHSS 스트립(406) 제품의 표면을 물로 린스하는데, 물은 수용성 알칼리 합금 화합물(들)을 용해시키고, AHSS 스트립(406)의 표면으로부터 (가열 공정을 통한 알칼리 컨디셔닝에 의해 생성된) 리설턴트(resultant) 층(417) 내의 용해된 화합물(들)을 린스하여, AHSS 스트립(406)의 표면 상에 산화철의 막(419)을 남긴다.
최종 피클링 공정(420)은 피클링함으로써, AHSS 스트립(406)의 표면으로부터 산화철 피막층(419)을 제거한다.
도 2에 도시된 시퀀스의 공정 구성요소들의 각각은 상이한 위치들에서 그리고 상이한 호환 철강 생산, 피클링 라인과 알칼리 염 컨디셔닝 장비 라인들 및 서로 떨어져 있을 수도 있는 위치들 내에 개별적으로 구현될 수도 있음은 이해될 것이다. 예를 들어, 제 1 컨디셔닝 프로세스(408)를 실행한 후에, 강철 스트립(406)은 코일링 장치(도시되지 않음)에 의해 코일링되고 언코일링 장치(도시되지 않음)에 의해 언코일링되고 장치(412)에 의한 알칼리 컨디션 용액 증착 및 가열 스테이션(416)에 의한 가열을 포함하는 또 다른 위치로 이송될 수도 있으며, 여기서, 또 다른 상이한 위치에 원격으로 위치될 수도 있는 스테이션(420)에 의한 최종 컨디셔닝 이전에 다시 유사하게 코일링, 이송, 언코일링될 수도 있다.
따라서, 시퀀스(400)의 상이한 공정들의 각각은 구성요소 방식으로 다양한 상이한 기존 철강 생산, 피클링 및 알칼리 염 컨디셔닝 라인들로 통합되거나, 오프라인으로 구현되어 상이한 스케일 컨디셔닝 프로세스들로 통합될 수도 있다. 각각의 공정 또는 통합 라인은, 앞서 논의된 바와 같이, 상이한 형성 온도들 및 합금 조성물들의 함수로서 형성될 수도 있는 복합 산화물 스케일들의 상이한 유형들 및 형태들의 반응성 결합을 제공하기에 적절하게, 복합 산화물 스케일 특성들의 함수로서 또한 선택될 수도 있다. 이에 의해 양태들은 기존의 피클링 및 알칼리 염 컨디셔닝 라인들과 완벽하게 호환될 수 있고, 이에 의해 기존 인프라 투자들, 피클링 공정들, 산 관리 구조들 등을 활용할 수 있다.
본 발명은 그 실시예들에 대한 설명에 의해 예시되었고 이들 실시예들이 상당히 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 이러한 상세내용으로 임의의 방식으로 제한하거나 제한하려는 의도는 아니다. 예를 들어, 상기 논의들은 주로 스트립 형태의 금속들에 초점을 맞출 수도 있지만, 본 발명의 적용가능성 및 가치는 금속 스트립 이외의 다양한 형상들, 기하학적 형상들 또는 조립체들에서 산화물 표면들 또는 스케일을 컨디셔닝하는 데 유용할 수도 있으며, 금속 스트립에만 그 혜택들을 제한하려는 의도는 아니다. 추가적인 장점들 및 수정들이 당업자에게 쉽게 나타날 수도 있다. 따라서, 본 발명은 가장 넓은 관점에서 나타내고 설명된 특정 세부 사항들, 대표 장치, 또는 예시적인 예들에 한정되지 않는다. 따라서, 출원인들의 일반적인 발명 개념의 요지 또는 범위를 벗어나지 않으면서 그러한 세부 사항들로부터 출발할 수도 있다.
이 규격에서 사용되고 미터법에 부합하지 않는 단위들은 다음의 공식들을 사용하여 미터법으로 변환될 수도 있다. 1℃ = (℉-32) 5/9; 1 inch = 2.54 x 10-2 m; 및 1 F.p.m. (foot per minute) = 5.08 x 10-2 m/sec.

Claims (27)

  1. 초고강도 금속 표면 상에 형성된 산화철 및 합금 원소 산화물들을 포함하는 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법으로서,
    열간 압연 공정 동안 산소와의 반응을 통해 초고강도 강 제품의 표면 상에 형성된 스케일 층을 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝하는 것으로서, 상기 초고강도 강 제품은 적어도 2중량%의 합금을 포함하며, 상기 스케일 층은 상기 합금의 산화에 의해 형성된 산화철 및 합금 산화물을 포함하고, 상기 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝하는 것은 상기 스케일 층 내의 상기 산화철의 구조적 완전성을 손상시킴으로써 상기 스케일 층 상으로의 배치를 통해 그리고 상기 산화철의 상기 손상된 구조적 완전성을 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는 것, 및 상기 스케일 층으로부터의 산화철 성분들의 제거를 거쳐 상기 스케일 층 상으로의 배치를 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는 것 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 컨디셔닝하는 것;
    상기 제 1 컨디셔닝 공정을 통해 컨디셔닝된 상기 스케일 층 상에 알칼리 염 수용액을 배치함으로써, 화학적 결합에 노출된 상기 합금 산화물과 결합되도록 하는 것;
    상기 배치된 알칼리 염 수용액을 적어도 288℃(550℉)까지 가열하는 것으로서, 상기 가열하는 것은 상기 배치된 알칼리 염 수용액 내의 적어도 하나의 알칼리 염을 준-용융 형태로 변형시키는, 상기 가열하는 것;
    적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 알칼리 염의 준 용융 형태와의 반응 및 상기 배치된 알칼리 염 수용액 내의 물과의 반응을 통해 상기 합금 산화물을 산화시키는 것;
    상기 초고강도 강 제품의 표면을 물로 린스하는 것으로서, 상기 물은 상기 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 용해시키고 상기 용해된 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 린스하며, 상기 린스하는 것에 의해 상기 초고강도 강 제품의 표면 상에 산화철의 막을 남기는, 상기 린스하는 것; 및
    최종 피클링 공정을 통해 상기 초고강도 강 제품의 표면을 피클링하여, 상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 상기 산화철 피막층을 제거하는 것을 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 컨디셔닝 공정은 스케일-금속 계면에 유체 경로들을 제공하기 위해 상기 산화물 스케일에 미세 균열들을 생성하고 상기 스케일 층 상으로의 배치를 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 효과적으로 노출시키는 기계적 스케일 분해 공정인, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 컨디셔닝 공정은 상기 스케일 층으로부터의 산화철 성분들의 제거를 거쳐 상기 스케일 층 상으로의 배치를 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는 기계적 연마 스케일 제거 공정인, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 컨디셔닝 공정은, 상기 스케일 층 내에서 상기 산화철의 구조적 완전성을 손상시킴으로써,
    상기 스케일 층 상에 제 1 피클링 산을 배치하는 것;
    상기 배치된 제 1 피클링 산은 상기 스케일 층 내의 상기 산화철과 반응하여 물, 원소 탄소의 층, 및 황산철과 염화철 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 반응 생성물들을 형성하는 것으로서, 상기 제 1 피클링 산은 염산과 황산 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 제 1 반응 생성물들을 형성하는 것; 및
    상기 초고강도 강 제품의 표면을 물로 린스하여 상기 물 및 상기 제 1 반응 생성물들의 황산철과 염화철 중 적어도 하나를 상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 제거함으로써, 상기 스케일 층의 외면 상에 상기 원소 탄소를 포함하는 다공성 외층을 형성하여 상기 스케일 층의 상기 외면 상에 배치된 상기 알칼리 염 수용액으로 하여금 상기 스케일 층의 상기 외면을 통과하여 상기 스케일 층 내에 배치된 하부의 합금 산화물과 결합할 수 있게 하는 것
    에 의해 상기 스케일 층으로의 배치를 통해 그리고 상기 산화철의 상기 손상된 구조적 완전성을 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는 제 1 피클링 공정이며;
    상기 방법은 상기 가열되어 배치된 알칼리 염 수용액이 상기 원소 탄소의 상기 다공성 외층을 산화시켜 이산화탄소를 생성하는 것을 더 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 배치된 알칼리 염 수용액을 적어도 288℃(550℉)까지 가열하는 단계 동안, 상기 배치된 알칼리 염 수용액은, 초기의 수용액 상태로부터 매우 농축된 수용액 상태로, 그 다음으로 초수화된 반-용융 상태로, 그리고 마지막으로 무수 용융 상태로 천이하는 것; 및
    상기 배치된 알칼리 염 수용액 내의 물은 상기 배치된 알칼리 염 수용액이 상기 무수 용융 상태로 천이되는 동안 상기 스케일 층 내의 상기 합금 산화물을 산화시키는 단계에 의해 형성된 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 용해시키는 것을 더 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 초고강도 강 제품의 표면을 피클링하여 상기 산화철 피막층을 제거하는 단계는,
    상기 초고강도 강 제품의 표면 상에 제 2 피클링 산을 배치하는 것; 및
    상기 제 2 피클링 산은 상기 초고강도 강의 표면으로부터 상기 제 1 컨디셔닝 공정 후에 상기 초고강도 강의 표면 상에 잔류하는 산화철의 층을 용해시키는 것을 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 초고강도 강 제품은 복수의 상이한 합금 원소들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 합금 원소들은 규소, 망간, 알루미늄, 몰리브덴 및 크롬 중 적어도 2종을 포함하며;
    상기 초고강도 강 제품의 표면에 형성된 상기 스케일 층은 복수의 상이한 합금 산화물들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 합금 산화물들은 이산화규소, 이산화망간, 산화알루미늄, 산화몰리브덴 및 산화크롬 중 적어도 2종을 포함하며;
    상기 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물은 복수의 상이한 알칼리 합금 화합물들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 알칼리 합금 화합물들은 상기 이산화규소로부터 형성된 알칼리 규산염, 상기 이산화망간으로부터 형성된 알칼리 망간산염, 상기 산화알루미늄으로부터 형성된 알칼리 알루민산염, 상기 산화몰리브덴으로부터 형성된 알칼리 몰리브덴산염, 및 상기 산화크롬으로부터 형성된 알칼리 크롬산염 중 적어도 2종을 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 배치된 알칼리 염 수용액을 가열하여 상기 배치된 알칼리 염 수용액 내에서 적어도 하나의 알칼리 염을 상기 용융된 형태로 용융시키는 단계는, 상기 초고강도 강 제품의 표면을 가열하는 것을 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 초고강도 강 제품의 표면을 적어도 5초 동안 288℃(550℉)의 온도로 가열하는 것을 더 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 초고강도 강 제품의 표면을 적어도 5초 동안 600℉(315℃)의 온도로 가열하는 것을 더 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 용융된 적어도 하나의 알칼리 염의 무수 형태는 중량 기준으로,
    85% 수산화칼륨(KOH);
    7.5% 질산나트륨(NaNO3); 및
    7.5% 염화나트륨(NaCl)을 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 알칼리 염 수용액은 약 35중량%의 용존 고형물들 및 중량 기준으로,
    90% 수산화칼륨 플레이크의 33%;
    질산나트륨 2.60%;
    염화나트륨 2.60 %;
    상기 플레이크 수산화칼륨으로부터의 3.30% 물; 및
    추가적인 물 58.50%을 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    알칼리성 안정 계면활성제가 상기 알칼리 염 수용액에 첨가되며, 상기 첨가된 계면활성제의 중량은 상기 알칼리 염 수용액의 총 중량의 0.01% 내지 1%를 포함하는, 스케일의 층을 처리 및 제거하는 방법.
  14. 시스템(400)으로서,
    열간 압연 공정 동안 산소와의 반응을 통해 초고강도 강 제품의 표면 상에 형성된 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시키는 제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)로서, 상기 초고강도 강 제품은 적어도 2중량%의 합금을 포함하고, 상기 스케일 층은 상기 합금의 산화에 의해 형성된 합금 산화물 및 상기 산화철을 포함하며, 상기 제 1 컨디셔닝 처리 장치는 상기 스케일 층 내의 산화철의 구조적 완전성을 손상시켜 상기 스케일 층으로의 배치를 통해 그리고 상기 산화철의 상기 손상된 구조적 완전성을 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는, 상기 제 1 컨디셔닝 처리 장치;
    상기 제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)를 통해 컨디셔닝된 상기 스케일 층 상에 알칼리 염 수용액의 층을 배치함으로써, 화학적 결합에 노출된 상기 합금 산화물과 결합되도록 하는 염 용액 배치 스테이션(412);
    상기 배치된 알칼리 염 수용액을 적어도 288℃(550℉)로 가열하는 가열 장치(416)로서, 상기 가열은 상기 배치된 알칼리 염 수용액의 층 내의 적어도 하나의 알칼리 염을 준-용융 형태로 변형시키고, 상기 배치된 알칼리 염 수용액 내의 물 및 적어도 하나의 알칼리 염의 상기 준 용융된 형태는 상기 합금 산화물을 산화시켜 상기 초고강도 강 제품의 표면 상에 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 포함하는 리설턴트 층을 형성하는, 상기 가열 장치;
    상기 초고강도 강 제품의 표면을 물로 린스하는 물 린스 스테이션(418)으로서, 상기 물은 상기 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 상기 리설턴트 층 내에 용해시키고 상기 용해된 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 린스하며, 상기 린스하는 것에 의해 상기 초고강도 강 제품의 표면 상에 산화철의 막을 남기는, 상기 물 린스 스테이션; 및
    최종 피클링 공정을 통해 상기 초고강도 강 제품의 표면을 피클링하여, 상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 상기 산화철 피막층을 제거하는 최종 피클링 처리 장치(420)를 포함하는, 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)는 스케일-금속 계면에 유체 경로들을 제공하기 위해 상기 산화물 스케일에 미세 균열들을 생성하고 상기 스케일 층 상으로의 배치를 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 효과적으로 노출시키는 기계적 스케일 분해 공정인, 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)는 상기 스케일 층으로부터의 산화철 성분들의 제거를 거쳐 상기 스케일 층 상으로의 배치를 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는 기계적 연마 스케일 제거 공정인, 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 컨디셔닝 처리 장치(408)는, 제 1 피클링 산을 상기 스케일 층 상에 배치하는 것에 의해, 상기 스케일 층 내의 상기 산화철의 구조적 완전성을 손상시킴으로써 상기 스케일 층으로의 배치를 통해 그리고 상기 산화철의 상기 손상된 구조적 완전성을 통해 상기 합금 산화물을 화학적 결합에 노출시키는 것을 포함하는 제 1 피클링 공정이며, 상기 배치된 제 1 피클링 산은 상기 스케일 층 내의 상기 산화철과 반응하여 물, 원소 탄소의 층, 및 황산철과 염화철 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 반응 생성물들을 형성하며, 상기 제 1 피클링 산은 염산과 황산 중 적어도 하나를 포함하며;
    상기 시스템은,
    상기 초고강도 강 제품의 표면을 린스하여 물 및 상기 제 1 반응 생성물들의 황산철과 염화철 중 적어도 하나를 상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 제거하는 또 다른 물 린스 장치(410); 및
    상기 초고강도 강 제품의 표면으로부터 수분 및 부수적인 오일들을 제거함으로써, 상기 스케일 층의 외면 상에 배치된 알칼리 염 수용액으로 하여금 상기 스케일 층의 상기 외면을 통과하고 상기 스케일 층 내에 배치된 하부의 합금 산화물들을 결합할 수 있게 하는 상기 스케일 층의 외면 상에 원소 탄소를 포함하는 다공성 외층을 형성하는 건조 장치(411)로서, 상기 가열되고 배치된 알칼리 염 수용액은 원소 탄소의 상기 다공성 외층을 산화시켜 이산화탄소를 생성시키는, 상기 건조 장치를 더 포함하는, 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 건조 장치(411)는 상기 초고강도 강 제품의 표면을 가열하여 상기 부수적인 오일들을 휘발시키는, 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 배치된 알칼리 염 수용액을 상기 가열 장치(416)에 의해 적어도 288℃(550℉)까지 가열하는 동안, 상기 배치된 알칼리 염 수용액은, 초기의 수용액 상태로부터 매우 농축된 수용액 상태로, 그 다음으로 초수화된 반-용융 상태로, 그리고 마지막으로 무수 용융 상태로 천이하며;
    상기 배치된 알칼리 염 수용액 내의 물은 상기 배치된 알칼리 염 수용액이 상기 무수 용융 상태로 천이되는 동안 상기 스케일 층 내의 상기 합금 산화물을 산화시키는 단계에 의해 형성된 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물을 용해시키는, 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 최종 피클링 처리 장치(420)는 상기 초고강도 강 제품의 표면 상에 제 2 피클링 산을 배치하고, 상기 배치된 제 2 피클링 산은 상기 제 1 컨디셔닝 공정 후에 잔존하는 상기 산화철을 용해시키고 상기 초고강도 강의 표면으로부터 제거하는, 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 초고강도 강 제품은 복수의 상이한 합금 원소들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 합금 원소들은 규소, 망간, 알루미늄, 몰리브덴 및 크롬 중 적어도 2종을 포함하며;
    상기 초고강도 강 제품의 표면에 형성된 상기 스케일 층은 복수의 상이한 합금 산화물들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 합금 산화물들은 이산화규소, 이산화망간, 산화알루미늄, 산화몰리브덴 및 산화크롬 중 적어도 2종을 포함하며;
    상기 적어도 하나의 수용성 알칼리 합금 화합물은 복수의 상이한 알칼리 합금 화합물들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 알칼리 합금 화합물들은 상기 이산화규소로부터 형성된 알칼리 규산염, 상기 이산화망간으로부터 형성된 알칼리 망간산염, 상기 산화알루미늄으로부터 형성된 알칼리 알루민산염, 상기 산화몰리브덴으로부터 형성된 알칼리 몰리브덴산염, 및 상기 산화크롬으로부터 형성된 알칼리 크롬산염 중 적어도 2종을 포함하는, 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 가열 장치(416)는, 상기 초고강도 강 제품의 표면을 가열하는 것을 통해, 상기 배치된 알칼리 염 수용액을 가열하여 상기 배치된 알칼리 염 수용액 내에서 적어도 하나의 알칼리 염을 상기 용융된 형태로 용융시키는, 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 가열 장치(416)는 상기 초고강도 강 제품의 표면을 적어도 5초 동안 288℃(550℉)의 온도로 가열하는, 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 가열 장치(416)는 상기 초고강도 강 제품의 표면을 적어도 5초 동안 600℉(315℃)의 온도로 가열하는, 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 용융된 적어도 하나의 알칼리 염의 무수 형태는 중량 기준으로,
    85% 수산화칼륨(KOH);
    7.5% 질산나트륨(NaNO3); 및
    7.5% 염화나트륨(NaCl)을 포함하는, 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 알칼리 염 수용액은 약 35중량%의 용존 고형물들 및 중량 기준으로,
    90% 수산화칼륨 플레이크의 33%;
    질산나트륨 2.60%;
    염화나트륨 2.60 %;
    상기 플레이크 수산화칼륨으로부터의 3.30% 물; 및
    추가적인 물 58.50%를 포함하는, 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 알칼리성 안정 계면활성제가 상기 알칼리 염 수용액에 첨가되고, 상기 첨가된 계면활성제의 중량은 상기 알칼리 염 수용액의 총 중량의 0.01% 내지 1%를 포함하는, 시스템.
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