專利名稱：用于干燥除去金屬產(chǎn)品表面上鱗片裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于干燥除去金屬產(chǎn)品表面上存在的鱗片的裝置和方法。更具體地說，它涉及用于處理呈棒、條或其它類型的形狀的鋼鐵產(chǎn)品的金屬產(chǎn)品的裝置和方法。
背景技術(shù)：
本文件中所述的背景技術(shù)雖然特定地集中于鐵合金，但是，本發(fā)明的裝置和方法適用于所有金屬材料。
與鐵氧化相比，鋼氧化還受到鋼合金中存在的元素性質(zhì)的影響。雖然氧化現(xiàn)象更為復(fù)雜，但是，存在于鋼產(chǎn)品上的表面鱗片典型地由鐵氧化物形成，并經(jīng)常含有FeO(也稱作維氏體)、Fe3O4(也稱作磁鐵礦)、Fe2O3(也稱作赤鐵礦)、和Fe(OH)3或FeOOH(也稱作鐵銹或褐鐵礦)。在暴露于純空氣或氧氣之后，在純鐵上形成的鱗片由多個層組成。在低于570℃時，F(xiàn)eO不穩(wěn)定，僅存在Fe3O4和Fe2O3；但是，在高于所述溫度時，會形成FeO內(nèi)層以及兩種氧化物。通常地，其它元素的存在會導(dǎo)致鱗片的結(jié)構(gòu)變化，并影響鱗片的生長動力學(xué)。而且，這種底部金屬會由于這種結(jié)合添加物質(zhì)選擇氧化的現(xiàn)象而改變。
在鋼生產(chǎn)過程中形成的許多鱗片，是在比570℃高得多的溫度下逐漸形成的；因此，所有三種前述氧化物都存在。一般地，據(jù)信FeO和Fe3O4中空位的擴(kuò)散和Fe2O3中氧的擴(kuò)散，有助于純鐵中所述氧化物的生長。
不過，鐵間隙或空位的擴(kuò)散也會在Fe2O3中發(fā)生；但是，在Fe2O3和Fe3O4中，沿著分布通道、顆粒邊緣、和微裂紋的氧擴(kuò)散，能明顯地促進(jìn)這種現(xiàn)象的形成。氧化的動力學(xué)由發(fā)生在下述Fe和FeO、FeO和Fe3O4、Fe2O3和Fe3O4之間的不同界面的反應(yīng)控制。
有時，氧化產(chǎn)品長時間地暴露在工業(yè)和、或海洋空氣之中。這會導(dǎo)致明顯的生銹(厚的復(fù)合鐵氫氧化物層(毫米))。因此，將要浸洗的產(chǎn)品看起來好象被混合氧化物形成的黑灰層如黑條所包裹的物質(zhì)一樣，其厚度在分?jǐn)?shù)μm至最大值10μm之間。一般地，這種鱗片易于被除去。但是，要從已經(jīng)被腐蝕以致產(chǎn)生厚的氧化物層或非常深的洞甚至在50～100μm范圍內(nèi)的材料上除去鱗片，是很困難的。
用于從金屬產(chǎn)品上除去鱗片的最廣泛使用的方法，是采用酸進(jìn)行浸洗；這種方法包含在大約80℃溫度采用H2SO4或HCl處理金屬產(chǎn)品持續(xù)10～30分鐘。鱗片層越厚，所需浸洗時間越長；同時，該溫度保持恒定。
例如，在拉延金屬產(chǎn)品之前，金屬通常通過在填充熱鹽酸或硫酸的容器中浸漬線材卷而被清潔。硫酸主要通過機(jī)械作用而不是化學(xué)作用除去鱗片。這種酸能滲透到鱗片層之下的金屬之中，在該處，它與鐵反應(yīng)形成可溶水的硫酸鐵，并放出主要由H2組成的氣體混合物。
這種作用使鱗片與鐵分離；接著，在酸浸洗工藝末尾，采用水的高壓噴流清洗金屬產(chǎn)品的表面。
由于酸-金屬反應(yīng)速度顯著受溫度的影響，所以，溫度控制在這種浸洗方法中扮演重要角色；例如，在88℃的反應(yīng)較室溫時快100倍。在鱗片的另一端，過度加熱該酸則浪費(fèi)能量、非常快速地消耗過量的酸、并會產(chǎn)生多余的煙霧(它們對于設(shè)備結(jié)構(gòu)具有很大的腐蝕性)。不僅如此，處于高溫的酸還會損壞金屬表面；它會產(chǎn)生點(diǎn)蝕。為了幫助防止金屬表面的點(diǎn)蝕或過分腐爛，一般要使用抑制劑。所述抑制劑是基于含氮烴的產(chǎn)品。清潔金屬產(chǎn)品所需時間隨著將被除去鱗片類型和將要處理金屬類型而改變。清潔時間范圍從高碳含量金屬棒的10分鐘變化到低碳含量并具有顯著數(shù)量鱗片金屬棒的35分鐘。為此，酸的浸洗是最適合于被薄鱗片層包裹的金屬表面。
在水噴流清潔之后，經(jīng)酸浸洗的金屬產(chǎn)品被清洗，并用保護(hù)涂層進(jìn)行覆蓋。
使用這種酸浸洗方法的主要缺點(diǎn)是明顯負(fù)面的環(huán)境影響和該反應(yīng)的減少動力學(xué)。在酸浴中存在的酸殘余物是潛在危險的；裝卸、處理和存儲這些產(chǎn)品復(fù)雜且費(fèi)用高。而且，根據(jù)將被除去鱗片的類型，效率會下降到低于33％。
另一種經(jīng)常使用的方法是機(jī)械除銹法；這種方法可通過彎曲、噴丸除銹、噴砂除銹、刷光、或使用超聲波而實(shí)現(xiàn)。
此外，這些方法的目的是為了機(jī)械分離、除去、或脫落鱗片層。機(jī)械除銹對于對金屬產(chǎn)品具有低粘著力的易碎鱗片是更有效的；因此，機(jī)械除銹更適合于厚的鱗片層，這是由于鱗片層越厚，則其與金屬的結(jié)合力越低。
又一種浸洗方法包含使用一種呈液體形式的鹽。K2O(Na2O、SiO2)基鹽能夠溶解鐵氧化物，并能產(chǎn)生兩種不能混合的液體。
具有最高含量FeO的液體可被再生。這種再生的鹽將可再用于浸洗。這樣，鱗片被液體洗去，酸可被溶解鹽浴所替代。
多種已知的除銹工藝，例如，專利US-A-2,197,622和US-A-2,625,495中所述方法，其特征在于在除銹工藝的特定階段，噴入一種冷凝試劑(液體或固體)，以某些形式的中間氣態(tài)氧化反應(yīng)進(jìn)行結(jié)合。
文獻(xiàn)WO00/03815公開了一種干燥除銹工藝，其中，鱗片在腔室中從條帶中被除去；在此，條帶表面專門通過感應(yīng)線圈被加熱，H2僅以逆流方式流動。在該WO’815文獻(xiàn)中所述解決方案包含使用大于化學(xué)計(jì)量數(shù)量的H2；但是，該工藝的效率無論從技術(shù)角度還是從經(jīng)濟(jì)角度都不能令人滿意。
其它已知除銹工藝使用氫和其它還原氣體如一氧化碳，以還原礦物中的氧化物，其中，它們主要在還原爐中或在容器或罐中被消耗。但是，氫易于燃燒，且存在爆炸危險；同時，一氧化碳是有毒氣體，如果不能得到限制并在通常用于還原礦物類的罐中進(jìn)行反應(yīng)，則一般被認(rèn)為是危險的。因此，雖然用于氣體還原氧化物的基礎(chǔ)化學(xué)原理是已知的，但是，該領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀沒有包括使之能夠完成快速、均勻、且緊湊工藝的技術(shù)解決方案，用來以連續(xù)方式從金屬表面除去鱗片。
在專利US6,217,666和專利US6,402,852中所公開的工藝中(下文中也稱作無酸浸洗或AFP)，表面氧化物通過使用還原氣體例如H2或CO在合適溫度被還原。在前述專利中所述設(shè)備包括一個金屬產(chǎn)品在其中被除銹的反應(yīng)器，其特征體現(xiàn)在三個主要功能區(qū)，具體為第一加熱區(qū)，其中，金屬在非氧化氣氛中從室溫升溫到反應(yīng)溫度，第二反應(yīng)區(qū)，其中，金屬在還原氣氛中被還原，風(fēng)扇持續(xù)地更新氣體混合物，第三冷卻區(qū)，其中，金屬在非氧化氣氛中冷卻到120℃或更低。
根據(jù)在所述第一區(qū)中所用爐類型是否僅是用電型或還具有CH4燃燒器，分別地，主要輸入是僅有電力或電力、N2、H2、和空氣-CH4，當(dāng)所述爐還配帶有天然氣燃燒器時，是使用后一項(xiàng)。離開該設(shè)備的產(chǎn)物是水蒸氣和H2，對于配帶有氣體燃燒器情形來說，也是天然氣的燃燒產(chǎn)物。
無酸浸洗較酸浸洗具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括沒有危險的有毒廢物、在金屬表面沒有腐蝕、和使用溫和侵略性清潔方法。
這種方法的主要階段，如專利US6,217,666和US6,402,852中所述，是加熱金屬產(chǎn)品、還原氧化物、和冷卻金屬產(chǎn)品。在還原區(qū)的鱗片還原階段的進(jìn)行，確保還原氣體的湍流和/或劇烈噴射，優(yōu)選是在元素碳存在下。這些類型工藝的不足之處在于氣體在反應(yīng)器中以無序方式流動，并且，氫被提供當(dāng)然地認(rèn)為它將與金屬產(chǎn)品上存在的鱗片進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)器內(nèi)存在的無序氣流會限制反應(yīng)的速度并顯著地延長了除銹工藝。而且，使用風(fēng)扇以再循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)的還原氣體，會引起自該還原流出的氣體產(chǎn)物如H2O的聚集，從而降低在相同局部的氧化物還原反應(yīng)，并使得通常反應(yīng)放慢和產(chǎn)物不均勻。
其結(jié)果是，這種AFP工藝的效率極大地降低；替代地，為了彌補(bǔ)這個問題并獲得與傳統(tǒng)酸浸洗設(shè)備之一可比的生產(chǎn)水平，該工藝必須要在非常長的設(shè)備之中進(jìn)行。除了涉及建造很大設(shè)備的不便之處外，反應(yīng)器必需的大量還原氣體，在發(fā)生緊急情況下存在著極大的危險。而且，在非常長的設(shè)備中，還需要考慮到還原氣體填充該設(shè)備所需的相當(dāng)長的時間、相當(dāng)長期間的熱瞬變、和高的熱損失；這些因素使得這種AFP工藝與酸基浸洗工藝相比在經(jīng)濟(jì)上具有更小的吸引力。
通常由這種已知類型無酸浸洗工藝引起的另一個問題，是當(dāng)處理全部被厚和/或高粘著鱗片所包裹的金屬產(chǎn)品時獲得很差質(zhì)量結(jié)果。在此情形中，當(dāng)一塊被均勻或不均勻鱗片層包裹的金屬流經(jīng)AFP還原設(shè)備，頂部鱗片層被還原，其表面看起來有光澤。但是在許多情形中還原沒有在整個鱗片厚度范圍內(nèi)進(jìn)行。在其它情形中還原不是均勻地進(jìn)行，使得得到的金屬表面不是很適于進(jìn)一步加工。又一缺點(diǎn)在于這種浸洗工藝的氣體階段使用不是專門設(shè)計(jì)用于無酸浸洗的加熱和還原技術(shù)；其結(jié)果是，整個工藝的效率降低。
迄今為此，還沒有其特征在于熱流體動力學(xué)控制將處理表面上還原氣體的邊界層和化學(xué)控制還原混合物的已知AFP型工藝，它們能獲得高的鱗片還原速率和所有被鱗片包裹各點(diǎn)的均勻還原。
發(fā)明概述本發(fā)明一個目的是通過提供一種用于干燥除去存在于金屬產(chǎn)品表面上的各種厚度和化學(xué)結(jié)構(gòu)的鱗片的方法，這種方法速度快，能在整個金屬產(chǎn)品表面上獲得均勻同質(zhì)的結(jié)果，是非常高效的，且在有限大小的浸洗設(shè)備中進(jìn)行。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于干燥除去各種厚度和化學(xué)結(jié)構(gòu)的鱗片的設(shè)備，它不須使用酸就能夠?qū)崿F(xiàn)快速浸洗方法；它具有緊湊的尺寸、靈活、成本有效、且適合于工業(yè)化；并且能獲得高的化學(xué)效率。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，這些目的是通過一種用于從金屬產(chǎn)品表面除去鱗片的干燥浸洗設(shè)備而實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)該主要權(quán)利要求，它包括至少一個用于加熱金屬產(chǎn)品的加熱區(qū)、至少一個用于進(jìn)行金屬氧化物還原氣體與至少鱗片間的反應(yīng)的還原區(qū)、至少一個用于冷卻金屬產(chǎn)品的區(qū)域、用于加熱金屬產(chǎn)品的第一加熱裝置、用于加熱還原氣體的第二加熱裝置、用于在反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置、用于除去在處理后遺留在金屬產(chǎn)品表面上的反應(yīng)產(chǎn)物的裝置、以及用于冷卻金屬產(chǎn)品的裝置；所述干燥浸洗裝置，其特征在于該裝置含有第一控制裝置，用于流體動力學(xué)控制由所述還原氣體流過所述金屬產(chǎn)品的表面所產(chǎn)生的邊界層，其中，所述第一控制裝置是用來產(chǎn)生包括過壓區(qū)和低壓區(qū)的規(guī)則壓力振蕩，它們接連地沿著所述金屬產(chǎn)品的整個表面重復(fù)，過壓區(qū)與朝向所述金屬產(chǎn)品表面的還原氣體鼓風(fēng)段相聯(lián)，而低壓區(qū)與該鼓風(fēng)段下游的還原氣體排空段相聯(lián)，其特征還在于它含有用于控制在鼓風(fēng)段還原氣體化學(xué)組成的第二控制裝置、用于在鱗片的還原操作后吹掃和再循環(huán)還原氣體的裝置、用于控制還原氣體溫度的第三控制裝置。
優(yōu)選地，在用于加熱金屬產(chǎn)品的裝置中，所述裝置包括組合或替代的微波裝置、帶有或不帶有頻率調(diào)制的感應(yīng)加熱元件、需要氧或空氣(呈預(yù)混形式或不是)無遮蓋的或遮蔽的燃燒器、帶有放大輻射的氣體或電力輻射管、以及感應(yīng)和紅外加熱裝置。
而且，在還原氣體的加熱裝置中，所述裝置含有由耐熱材料制成的管道，還原氣體從其中流過，或者，替代或組合的被還原氣體掠過的加熱金屬壁。
一般地，所采用還原氣體，其純態(tài)形式或與其它中性/或還原氣體組合形式，適合于還原金屬氧化物。
在重新使用反應(yīng)氣體之前，所述設(shè)備提供了多種可行的用于從反應(yīng)產(chǎn)物純化該反應(yīng)氣體的裝置吸附器、吸收塔或低溫系統(tǒng)。
而且，提供了用于機(jī)械除去在還原氣體與形成鱗片的氧化物之間的還原反應(yīng)產(chǎn)生的海綿狀鐵的裝置。在所用裝置中，包括有刷光、噴砂、固體CO2噴射。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明目的是通過一種用于除去金屬產(chǎn)品表面上鱗片的干燥浸洗方法而實(shí)現(xiàn)，它采用前述權(quán)利要求之一所述干燥除銹設(shè)備而實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備包括至少一個用于加熱金屬產(chǎn)品的加熱區(qū)、至少一個用于進(jìn)行金屬氧化物還原氣體與至少鱗片間反應(yīng)的還原區(qū)、至少一個用于冷卻金屬產(chǎn)品的區(qū)域、用于加熱金屬產(chǎn)品的第一加熱裝置、用于加熱還原氣體的第二加熱裝置、用于在反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置、用于除去在處理后遺留在金屬產(chǎn)品表面上的反應(yīng)產(chǎn)物的裝置、和用于冷卻金屬產(chǎn)品的裝置，所述方法包括下述步驟a)提供一種金屬氧化物還原氣體，b)加熱金屬產(chǎn)品到大于室溫的第一溫度，沒有降低且沒有氧化將要被處理材料的比表面，c)加熱還原氣體到大于室溫的第二溫度，d)保持金屬產(chǎn)品在還原區(qū)持續(xù)一段預(yù)定的時間，e)進(jìn)行所述金屬氧化物還原氣體與至少所述鱗片間的反應(yīng)，f)冷卻金屬產(chǎn)品到預(yù)定溫度，g)在與鱗片反應(yīng)后從還原氣體中除去反應(yīng)產(chǎn)物，h)從處理后金屬產(chǎn)物表面除去反應(yīng)產(chǎn)物，該方法特征在于i)以這樣一種方式控制還原氣體流過金屬產(chǎn)品表面的邊界層流體動力學(xué)，使之能夠提供一種適合于存在于所述表面上鱗片的數(shù)量并足以從所述還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的有組織的氣體分布和均勻的氣體濃度，j)以適合使氣體滲透到所述鱗片孔隙的預(yù)定流量，提供一種加熱的還原氣體鼓風(fēng)段到所述金屬產(chǎn)品表面上，這樣，所述鼓風(fēng)段與所述金屬產(chǎn)品表面上的相應(yīng)過壓區(qū)相關(guān)聯(lián)，k)提供足以從鱗片除去氧的預(yù)定反應(yīng)時間，l)在它已經(jīng)按照階段k)反應(yīng)之后，通過邊界層流體動力學(xué)控制裝置，提供一個所述還原氣體的排空流動，在所述排放流動之后，這樣，所述排空流動與所述金屬產(chǎn)品表面上的相應(yīng)低壓區(qū)相關(guān)聯(lián)，m)沿著所述金屬產(chǎn)品整個表面以規(guī)則順序循環(huán)進(jìn)行階段j)和l)，n)在與鱗片反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物。
由于本發(fā)明的發(fā)明特點(diǎn)，獲得一種設(shè)備，它能環(huán)境友好且低成本地實(shí)施一種快速干燥除銹方法，該方法可通過一次輸送金屬產(chǎn)品流過該設(shè)備而實(shí)現(xiàn)，可在該方法的第一階段使用不同類型的加熱裝置，可在其反應(yīng)區(qū)對還原步驟作不同的改進(jìn)，且較現(xiàn)存有效干燥工藝設(shè)備具有更小的尺寸。總之，本發(fā)明結(jié)果是一種用于除去鱗片的快速干燥，它僅需要一次輸送金屬產(chǎn)品流過該設(shè)備并能在該方法的第一階段使用不同類型的加熱裝置，包括前述提及的實(shí)施例。
本發(fā)明方法使得能以比通過所有已知本領(lǐng)域現(xiàn)狀方法可獲得產(chǎn)率更高的產(chǎn)率、以與通過酸浸洗可獲得產(chǎn)品質(zhì)量相同水平的產(chǎn)品質(zhì)量、但具有更低環(huán)境影響和更低總體工藝成本來生產(chǎn)浸洗材料。高的氧化物還原速度是通過在氣-固反應(yīng)過程的不同階段引入下述特征實(shí)現(xiàn)的i)為了克服鱗片的物理阻力，提供了干燥浸洗方法的兩個主要階段，即氣-氣擴(kuò)散和氣-固擴(kuò)散，在這兩個階段中，本發(fā)明提供了下述特征以改善還原速度選擇具有下述特征的有組織還原氣流■高的氣-固速度(v＞5m/s)，高的剪切應(yīng)力(＞0.03～5Pa)，高的湍流動力能量，■過壓區(qū)(＞+10Pa)，■最佳氣體和固體溫度，■從表面除去鐵銹，
和附加的■在鐵銹存在時，刷光要被處理的產(chǎn)品，■選擇有組織的噴流，■通過感應(yīng)器、燃燒器、輻射管、微波、IR、NIR加熱材料和氣體。
ii)為了克服化學(xué)阻力，提供了浸洗方法的三個主要階段，即反應(yīng)物吸附、反應(yīng)和產(chǎn)物脫附，在這三個階段中，本發(fā)明提供了下述特征以改善還原速度■氣體溫度(300℃＜T＜1100℃)■還原氣體純度(H2Omax＝5％)和附加的■通過感應(yīng)器、燃燒器、輻射管、微波、IR、NIR加熱材料和氣體，■還原氣體通過吸附、吸收、低溫系統(tǒng)等純化和循環(huán)設(shè)備，■具有特定消耗4～100Nm3/min*kg鱗片。
iii)為了克服該方法最后部分的物理阻力，提供了該浸洗方法的兩個主階段，即氣-固擴(kuò)散和氣-氣擴(kuò)散，在這兩個階段中，本發(fā)明提供了下述特征以改善還原速度選擇具有下述特征的有組織還原氣流■高的氣-固速度(v＞5m/s)，高的剪切應(yīng)力(＞0.03～5Pa)，高的湍流動力能量，■用于氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的排空區(qū)，例如產(chǎn)生過壓區(qū)(＞+2Pa)，■最佳氣體和固體溫度，和附加的■選擇有組織的噴流和在用于反應(yīng)產(chǎn)物排空的味噴流間設(shè)置區(qū)域，■通過感應(yīng)器、燃燒器、輻射管、微波、IR、NIR加熱材料和氣體。
與專利US6,217,666所述的已知浸洗方法相比，在本發(fā)明裝置中實(shí)施的這種方法包含使用還原氣體還原鐵氧化物形成的鱗片，還原氣體呈純態(tài)形式或混合有其它中性和/或還原氣體，但沒有使用任何冷凝試劑。
本發(fā)明裝置的另一個優(yōu)點(diǎn)在于，該方法特征在于較高的溫度范圍，在此，還原階段能夠進(jìn)行但沒有其它無酸方法典型的不利之處特別是不能獲得高的或非常高的生產(chǎn)水平。這種裝置能允許該方法在較低的鱗片溫度時開始，在溫暖氣體存在下在100℃起動。這使得本發(fā)明方法能夠合并到還原作用本身第一部分的條帶加熱階段之中。
在本發(fā)明中，在加熱和/或反應(yīng)區(qū)的化學(xué)、流體動力學(xué)、和壓力控制，精確且連續(xù)地進(jìn)行，以控制這種處于由還原氣體流過金屬產(chǎn)品表面產(chǎn)生的邊界層水平；因此，它不包含簡單地產(chǎn)生湍流。
為了使鱗片還原反應(yīng)過程(擴(kuò)散和逆擴(kuò)散氣-氣和氣-固)中的物理阻力最小化，需要最小化或除去還原氣流的邊界亞層，其中發(fā)生還原氣體向要被處理表面擴(kuò)散的主要阻力，和隨后反應(yīng)產(chǎn)物的清潔，它將會使反應(yīng)中斷。
能夠降低在鱗片還原反應(yīng)中的物理阻力到最小值的流體動力學(xué)選擇(擴(kuò)散和逆擴(kuò)散氣-氣和氣-固)要求在固體附近使用高的還原氣體速度和相應(yīng)的高流速給料(Nm3/mih*kg鱗片)。
使用范圍為4～100Nm3/min*kg鱗片的流速，不會產(chǎn)生高的氣體消耗，這是由于在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氧化分子被分離，氣體被再次輸送到變得更為成本有效的工藝之中。
以這種方法進(jìn)行的還原動力學(xué)的動力學(xué)控制，能保護(hù)非?？斓倪€原時間且?guī)缀跽w均勻。事實(shí)上，通過控制所述邊界層，在還原氣體和鱗片之間，會在甚至少于1秒內(nèi)發(fā)生幾乎瞬間反應(yīng)；而且，反應(yīng)產(chǎn)物-主要是水蒸氣-從金屬產(chǎn)品表面的除去得到優(yōu)化，使得表面化學(xué)反應(yīng)物進(jìn)行氧化物的還原。
下述將說明本發(fā)明如何通過用于控制邊界層的流體動力學(xué)實(shí)現(xiàn)從要被處理金屬產(chǎn)品表面上存在的鱗片上除去氧。
以足以使還原氣體能滲透到鱗片所有孔隙的流速，提供加熱的還原氣體(呈純態(tài)形式或混合有其它中性和/或還原氣體)，保證4～100Nm3/(min*kg鱗片)的均勻濃度。還原氣體的這種滲透分布，是在產(chǎn)生要被處理的表面上產(chǎn)生過壓其數(shù)值大于+10Pa的同時實(shí)現(xiàn)的。
在還原氣體與鱗片間反應(yīng)發(fā)生之后，排空還原氣體，這樣它可除去在還原反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水分子滲漏到鱗片和/或已經(jīng)被還原金屬表面的微孔中。還原氣體的吸出和該反應(yīng)的水的除去，是在金屬產(chǎn)品已經(jīng)被處理表面上產(chǎn)生低壓區(qū)其強(qiáng)度的絕對值高于-2Pa的同時實(shí)現(xiàn)的；這防止所形成的水飽和該反應(yīng)表面和阻礙該工藝從鱗片除去氧。
更具體地說，在本發(fā)明裝置中，在該反應(yīng)過程中所形成水的除去，也可歸因于被輸送到金屬產(chǎn)品表面的還原氣體流動的機(jī)械作用；這種流動促進(jìn)并從該表面移走在反應(yīng)所形成的水，從而降低在最小值或者甚至消除層狀邊界亞層的厚度，并使得新的還原氣體分子能夠到達(dá)該區(qū)域。在該表面上噴流的機(jī)械作用，可由具有振蕩大于0.03帕斯卡的流體運(yùn)動場所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力進(jìn)行量化，根據(jù)鱗片和輸入還原氣體的類型而定。
該裝置中的分布式排空和氣體除濕的系統(tǒng)，維持該裝置每個地方特別是層狀邊界亞層的水蒸氣百分比小于5％體積。
沒有水蒸氣的還原氣體，再次進(jìn)行循環(huán)用于另一氧化物還原循環(huán)之中。
該方法沿著具有交替循環(huán)的除銹線路進(jìn)行，這些循環(huán)包含噴射還原氣體、排空還原氣體并除去水蒸氣、回收清潔的還原氣體、等等直到氧全部從鱗片中被除去。
用來還原生成鱗片氧化物的氣體，優(yōu)選但非必需地是呈純態(tài)形式或混合其它中性和/或還原氣體如氮和/或氦和/或氬和/或一氧化碳；該氣體在300～1100℃范圍的溫度進(jìn)行供應(yīng)，保證反應(yīng)界面(鱗片表面和厚度)的可控加熱，以便使該還原反應(yīng)的除去時間最小化。由于加熱，事實(shí)上，該還原氣體和其離子向鱗片內(nèi)部的擴(kuò)散、以及還原產(chǎn)物向外部的擴(kuò)散，可得到加速和有效處理。
在從鱗片除去氧之后，一層海綿狀鐵殘留在金屬產(chǎn)品表面之上；這可例如通過刷光機(jī)械地被除去。這種用于除去海綿狀鐵的機(jī)械方法，其特征在于它不會損害該材料的表面質(zhì)量，它具有與采用酸浸洗方法獲得表面可比的粗糙度。當(dāng)經(jīng)此處理產(chǎn)品表面是金屬條帶表面時，這會立即進(jìn)行隨后加工階段，如軋制或表面經(jīng)過軋制，不需要進(jìn)行繼續(xù)處理。
附圖簡要說明本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)，可從本發(fā)明當(dāng)前僅作為非限制性實(shí)例的優(yōu)選方案的詳細(xì)描述與下述附圖的結(jié)合清楚地表現(xiàn)出來


圖1示出了受不規(guī)則還原影響的鱗片層區(qū)域的放大圖；圖2示出了受不均勻還原影響的鱗片層區(qū)域的放大圖；圖3示出了顯示在恒定溫度時加熱相對于時間對鱗片層比表面影響效果的曲線圖；圖4示出了顯示在恒定暴露時間時加熱相對于時間對鱗片層比表面影響效果的曲線圖；圖5示出了鐵氧化物相變的曲線圖；圖6示出了處理后產(chǎn)品表面上鱗片的還原過程；圖7和8示出了在具有加熱樣品的初始真空中還原試驗(yàn)的結(jié)果；圖9示出了在圖7和8所述還原反應(yīng)之后樣品的分析結(jié)果；圖10示出了表示放大的輻射熱流遷移進(jìn)展的曲線圖；圖11示出了本發(fā)明設(shè)備的感應(yīng)加熱區(qū)的實(shí)施例；圖12示意給出了在感應(yīng)加熱的可變頻率控制之后的原理；圖13示出了在本發(fā)明裝置中進(jìn)行浸洗方法的還原階段之前要被處理金屬產(chǎn)品表面的三維顯微結(jié)構(gòu)；圖14示出了在本發(fā)明設(shè)備中進(jìn)行的浸洗方法的還原階段之后金屬產(chǎn)品表面的三維顯微結(jié)構(gòu)；圖15示意給出了本發(fā)明設(shè)備的一種實(shí)施例；圖16示意給出了本發(fā)明設(shè)備的一種實(shí)施例；圖17示意給出了沿本發(fā)明設(shè)備中反應(yīng)器內(nèi)部區(qū)域的流體動力學(xué)構(gòu)型；圖18示意給出了本發(fā)明設(shè)備中反應(yīng)器的吸出和壓力控制系統(tǒng)；圖19示出了通過使用本發(fā)明設(shè)備具有最佳鋼冷卻程序的曲線圖；
圖20示出了在本發(fā)明中用于檢測循環(huán)、除濕、和效率程度的三維曲線圖；圖21示出了顯示變量與工藝流程間關(guān)系的本發(fā)明方法的簡圖；圖22示出了在還原之后和機(jī)械刷光除去海綿狀鐵之后條帶的結(jié)構(gòu)；圖23示意給出了本發(fā)明設(shè)備一部分的另一種實(shí)施例。
發(fā)明詳細(xì)描述借助于上述附圖，下面將對在不使用酸的浸洗裝置中進(jìn)行的用于還原組成鱗片氧化物的干燥浸洗方法進(jìn)行描述。下文中，術(shù)語“干燥”或“無酸”將等同地用來指代本發(fā)明方法。
將在本發(fā)明浸洗裝置中進(jìn)行的該方法第一階段，包含機(jī)械預(yù)備(通常刷光)金屬產(chǎn)品表面，用以從所述表面上除去雜質(zhì)和鐵銹，和采用合適加熱裝置加熱金屬產(chǎn)品。所述加熱裝置可為對流(使用熱的還原氣體)、微波、感應(yīng)或放大輻射類；加熱也可采用遮蔽燃燒器(包括輻射管)或無遮蓋燃燒器或采用IR(紅外)和NIR(近紅外)。
該方法第二階段提供用于在還原區(qū)還原組成鱗片的氧化物；這個階段包括噴射加熱的還原氣體，優(yōu)選為呈純態(tài)形式或混合有其它中性和/或還原氣體如氮和/或氦和/或氬和/或一氧化碳的氣態(tài)氫步驟。該氣流進(jìn)行控制，特別控制在存在于金屬產(chǎn)品表面附近的邊界層內(nèi)，產(chǎn)品自身表面上的壓力也是同樣的。
前述氫被加熱到300～1100℃間的特定溫度，這樣，在該噴射階段，會發(fā)生兩種作用，具體地加熱金屬產(chǎn)品表面和同時發(fā)生的存在于鱗片之中氧化物的還原。為了完成這個階段，提出了兩種優(yōu)選的本發(fā)明方案，用于控制在金屬產(chǎn)品表面加熱氫的邊界層的流體動力學(xué)；這兩種方案可作為替代方案采用，或者一個接著一個地串聯(lián)使用。
以上所述第一階段和第二階段，可有利地結(jié)合到該方法的一個單一階段之中。
該浸洗方法的第三階段包括用于冷卻金屬產(chǎn)品到特定溫度的操作；優(yōu)選地，這個操作是使用還原氣體通過強(qiáng)制對流冷卻實(shí)現(xiàn)的。
該浸洗方法的第四和最后階段包含從金屬產(chǎn)品表面機(jī)械除去被還原的鱗片；理想地，這個操作是通過刷光實(shí)現(xiàn)的。
該干燥浸洗方法是以連續(xù)方式且通常是通過一次性使金屬產(chǎn)品流過該浸洗裝置實(shí)現(xiàn)的。
鱗片結(jié)構(gòu)和生長動力學(xué)取決于鋼材和氣氛。與純鐵相比，鋼氧化受到合金元素性能的影響。這種現(xiàn)象很復(fù)雜，但可歸結(jié)表示為在鋼上所形成的鱗片由鐵氧化物組成并含有FeO、Fe3O4、和Fe2O3和具有鐵銹的鋼上的Fe(OH)3或FeOOH。在純空氣或氧中，在純鐵上形成的鱗片由多個層組成。在低于570℃下，圖5曲線圖表明FeO不穩(wěn)定，僅存在Fe3O4和Fe2O3；但是，在更高溫度下，除了這兩種氧化物之外，在該金屬上有FeO內(nèi)層形成。
考慮到上述原因，本發(fā)明浸洗裝置的加熱裝置，必須能夠快速地提供能量，控制氧化在最小程度或完全消除氧化，并且不會改變該材料的比表面，它將會降低氧化物的還原速度。
在第一有利實(shí)施例中，該浸洗裝置包括微波加熱系統(tǒng)。微波加熱局部且快速地發(fā)生。集中在外層上的熱量，主要在氧化物層產(chǎn)生熱牽引應(yīng)力，在每次浸洗(如果它是機(jī)械、化學(xué)或無酸的)之前在氧化物層產(chǎn)生裂隙。微波在本發(fā)明方法的反應(yīng)器中僅當(dāng)殘余有氧化物時具有活性，這是由于鐵和海綿狀鐵體反向微波能量。微波與采用氫的鐵氧化物還原過程中產(chǎn)生的還原水分子間的強(qiáng)烈聯(lián)系，會提高加熱和反應(yīng)動力學(xué)。
本發(fā)明另一種優(yōu)選方案，它是以上所述方案的替代方案，其特征在于將要被除銹金屬產(chǎn)品的加熱裝置使用加強(qiáng)的輻射。
這種裝置基于視角因素的優(yōu)化。這種視角因素定義為被表面A2所捕獲的表面A1放出的總輻射能量的分?jǐn)?shù)。
因子F1-2是從A1達(dá)到A2的能量分?jǐn)?shù)。下述等式通過互易定理A1*F1-2＝A2*F2-1獲得。
采用所述裝置來說，就可以提高熱交換并能顯著改善充當(dāng)擴(kuò)散發(fā)射器的兩個表面(一個為要被除銹的表面，一個為用于加強(qiáng)輻射設(shè)備的表面)的均勻性，并提供均一的輻射率(單位表面輻射的能量密度)。所述方法的一個重要優(yōu)點(diǎn)在于它可被用來在該浸洗方法的第一部分執(zhí)行加熱功能和在該方法的第三部分中在還原階段之后，用于冷卻金屬產(chǎn)品。金屬產(chǎn)品的主表面(例如，對于條帶來說，其頂部和底部表面)和用于強(qiáng)制輻射裝置的表面，在該浸洗線路的特定點(diǎn)，其行為如同在穩(wěn)態(tài)的等溫不透明灰色表面一樣。這種加熱裝置的發(fā)明性構(gòu)型，顯著地提高采用本發(fā)明裝置實(shí)施該方法的效率，這是由于這些表面以擴(kuò)散方式進(jìn)行發(fā)射并吸收。在惰性或還原氣氛或反應(yīng)產(chǎn)物情形時，整體效果由于這兩個表面間氣氛沒有貢獻(xiàn)于表面輻射(表示它沒有吸收或分散)且沒有發(fā)射任何輻射而得到提高。事實(shí)上，不具有極性的氣體對于輻射是透明的，唯一具有極性的水蒸氣通常被控制在適當(dāng)水平，例如采用除濕裝置。
雖然，最佳加熱方法不應(yīng)該導(dǎo)致產(chǎn)品表面與燃燒產(chǎn)品的直接接觸，但是，本發(fā)明方法即使采用直接點(diǎn)火燃燒器，也能產(chǎn)生優(yōu)異的結(jié)果，無論是具有無遮蓋的還是部分遮蔽的火焰，也不用考慮燃燒氣體混合物。
本發(fā)明使得可以使用預(yù)混合或不是預(yù)混合的燃燒器；低于化學(xué)計(jì)量、化學(xué)計(jì)量、或過化學(xué)計(jì)量燃燒器；和空氣或氧氣燃燒器。不同組合的對流加熱裝置可用于該燃燒產(chǎn)品以及輻射系統(tǒng)。任意類型的加熱系統(tǒng)，電子管的或氣體管的，都適合用于本發(fā)明之中?；鹧鎺缀涡螤睢⒀鹾推渌a(chǎn)物的含量、區(qū)域溫度、和要被處理表面與加熱區(qū)氣氛間相對速度，都可以不同方式進(jìn)行組合，以獲得不同的加熱速度或不同的消耗，從而獲得通常均勻的加熱，它能維持或提高該表面的反應(yīng)但不會降低其比表面或提高鱗片厚度。所有這些加熱處理都不需在要被處理的金屬表面上使用任何保護(hù)油。
感應(yīng)加熱方法不同于以上所述的方法，這是由于它轉(zhuǎn)化了熱量梯度的感覺。感應(yīng)加熱系統(tǒng)可完好地整合到本發(fā)明方法之中，既可以獨(dú)自地也可以與任意前述列出加熱方法一起。特別地，本發(fā)明特征在于一種創(chuàng)新的感應(yīng)加熱手段，所謂調(diào)制頻率感應(yīng)加熱。圖11和圖12給出了這種方法的原理。加熱頻率隨著加熱/還原工藝進(jìn)展而變化，以便在最接近反應(yīng)前端的傳導(dǎo)區(qū)產(chǎn)生熱量流動，限制電力消耗并改善線路的動力學(xué)使之更為緊湊和有效。
該浸洗方法的第二階段，它可在上述加熱階段之后或與之同時發(fā)生，它有利地供應(yīng)業(yè)已在該方法開始時被加熱的還原氣體，以改善金屬產(chǎn)品的表面反應(yīng)，并改善該產(chǎn)品的加熱。這應(yīng)該特別使用氫作為還原氣體進(jìn)行。
還原氣體可被加熱300～1100℃之間，在經(jīng)由被預(yù)熱耐火材料或者通過采用在與氣體接觸表面相對的表面上已加熱護(hù)罩的對流所包裹的管道噴射到反應(yīng)區(qū)之前，使之流動；任一解決方法都不會影響通過此種方法獲得的還原。
氫特別適用于加熱金屬，這是由于它較空氣輕了15倍，是高度對流的，并具有高的熱量傳導(dǎo)水平。
采用熱的還原氣體預(yù)熱的一個好處在于，一旦金屬表面和第一點(diǎn)變?yōu)榛钚缘模瑒t還原反應(yīng)就開始了。被該氣體還原的鱗片的第一個晶核的形成，會導(dǎo)致形成海綿狀亞層的形成。已經(jīng)與該氣體反應(yīng)的該亞層保持著很大的比表面以及深且寬的孔隙。這種多孔結(jié)構(gòu)存在于整個加熱工藝始終。前述初始晶核的作用，與采用酸的規(guī)則浸洗中由裂縫實(shí)現(xiàn)的作用相似使反應(yīng)物深度滲透到鱗片結(jié)構(gòu)之中以進(jìn)行濃度且快速的還原工藝。
下面將詳細(xì)描述還原氣體流過金屬產(chǎn)品表面的行為，這是由于流體動力學(xué)現(xiàn)象，它們發(fā)生在所述表面的附近，在合適完成本發(fā)明浸洗方法中起著重要作用。
在此水平，要定義兩個物理值，它們需要不同的控制裝置但必須準(zhǔn)確地平衡阻力，以便通過降低傳導(dǎo)和擴(kuò)散物理阻力加速形成鱗片氧化物的還原反應(yīng)動力學(xué)層狀和湍流，邊界層厚度和表面上氣體的剪切應(yīng)力。
在該方法第二階段，該條帶上還原氣體邊界層和壓力也進(jìn)行控制。本發(fā)明包括在金屬產(chǎn)品表面上按照規(guī)則模式產(chǎn)生壓力振蕩。這些擾動的目的是為了產(chǎn)生還原氣體給料區(qū)及其后的反應(yīng)產(chǎn)物排空區(qū)和為了形成不穩(wěn)定的邊界層特別是其層狀亞層。如果此層被反應(yīng)產(chǎn)物如水蒸氣所飽和，則它將會抑制反應(yīng)的進(jìn)行。
這些振蕩經(jīng)計(jì)算即刻產(chǎn)生分布，它能優(yōu)化還原氣體流動到要被還原的表面和立即除去由該反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣。這種控制是通過在其中進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)器或該浸洗線路區(qū)域的特別有利構(gòu)型而實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)器的這種構(gòu)型有利于在活塞作用下沿著金屬產(chǎn)品表面產(chǎn)生氣流，而反應(yīng)器通道的構(gòu)型會產(chǎn)生一種即刻固定的振蕩壓力場。通過充分選用反應(yīng)通道的構(gòu)型，就可以產(chǎn)生能夠產(chǎn)生正弦曲線形或任意其它周期性波的壓力振蕩。
在反應(yīng)器通道的第一種方案中，通道由一系列管子組成，并以特定的節(jié)距將它們分開，如圖17所示。
流動通道的設(shè)計(jì)是為了保證對于許多不同類型鱗片的最大效率和最快可能的加工速度而實(shí)現(xiàn)；由于最佳頻率不會隨著不同類型鱗片和壓力振蕩頻率而明顯地改變，所以，它可對工藝速度輕微地作很小改變，而得到調(diào)節(jié)。
根據(jù)要被除去金屬產(chǎn)品的性質(zhì)，下述數(shù)值范圍對于主要工藝變量來說是最佳的幾何節(jié)距(P)10～1500mm壓力的振蕩振幅0.1～400mmH2O速度的振蕩振幅1～80m/sec通道壁與產(chǎn)品間的最小距離2～500mm在要被處理產(chǎn)品表面的每個位點(diǎn)，作為邊界亞層的平均值，在該產(chǎn)品表面的氣體速度必須大于5m/sec。
作為以上所述反應(yīng)器的備選方案，本發(fā)明另一種形式或設(shè)計(jì)，如圖16和圖18所示，包括將反應(yīng)長度的分部為大量區(qū)段，每個區(qū)段配置有管子，以便保證壓力作用的交替(過壓區(qū))，它能保證還原氣體滲透，并具有吸出作用(低壓區(qū))，它能保證消除反應(yīng)產(chǎn)物。本發(fā)明包括一系列加熱管，每個管子放置在各自文丘里管16、17之后，以垂直于金屬產(chǎn)品表面的軸進(jìn)行設(shè)置。在每個管中，還原氣體在加熱該產(chǎn)品表面之前被加熱。該氣體經(jīng)由公用管道20供給，并被另一個獨(dú)立管道19吸向除濕系統(tǒng)18。圖18示意僅給出了要被處理金屬產(chǎn)品上面的部分；但是，應(yīng)該理解，金屬產(chǎn)品底下部分是對稱的，在附圖中省略它僅是為了便于理解。
以上所述能夠控制邊界層流體動力學(xué)的裝置，理想地是位于要被處理表面2～500mm之間的距離。
在本發(fā)明另一種方案反應(yīng)器中(附圖中未給出)，可以組合以上所述作為反應(yīng)器通道的兩種解決方案。其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)對于具有平行流或逆流的特定循環(huán)程序變得不敏感。圖17示出了包括所有再循環(huán)氣體的還原氣體如何流動的方向，無論它們中是以相同方向或是以相反方向進(jìn)行流動，壓力13、和速度場14的變化態(tài)壓力彼此相互獨(dú)立。
如圖23所示，另一種有利的實(shí)施例由大量在條帶表面產(chǎn)生有組織噴流C1的穿孔擴(kuò)散收集器A1交替到大量提供反應(yīng)產(chǎn)物排空的穿孔排空收集器B1組成。在這種情形中，流出噴流產(chǎn)生邊界層D1阻斷和在該表面上反應(yīng)產(chǎn)物與還原氣流的充分混合。
排空收集器B1提供被反應(yīng)產(chǎn)物污染氣體從反應(yīng)器的排空。一種具有相似效率的簡化實(shí)施例，可通過取消設(shè)置在兩個鼓風(fēng)收集器A1之間的排空收集B1并采用由兩種連續(xù)噴流行在該條帶表面產(chǎn)生的氣流碰撞而產(chǎn)生的氣體排空效果而獲得。這兩種沿相反方向的切線流通過碰撞產(chǎn)生一個高紊亂和低壓的區(qū)域D1，氣體從該處正交地從該條帶表面被移走。
本發(fā)明解決方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于，由于非常成層鱗片具有其自身的形態(tài)和產(chǎn)品表面粗糙度，反應(yīng)速度和水蒸氣的除去可通過選擇精確波型(壓力振蕩和壓力振幅和隨著時間的頻率差異)而得到充分提高。
能產(chǎn)生表面壓力振蕩的反應(yīng)器專門構(gòu)造，具有能較規(guī)則反應(yīng)器更有效地從金屬產(chǎn)品表面除去水蒸氣的優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，壓力振蕩使水蒸氣層發(fā)生動搖，并使該水從該表面被吸出。
相反地，在規(guī)則反應(yīng)器中，在該產(chǎn)品表面上存在的水層就化學(xué)作用來說，會降低氫與鱗片間的反應(yīng)過程，這是由于還原氣體分壓降低，還因?yàn)樵谠撗趸锉砻嫔纤盏乃荒茈x開自由位置到達(dá)用于吸附和用于還原反應(yīng)的氫氣。
這會消極影響該方法的效率。
在浸洗設(shè)備中，形成鱗片的氧化物中水的含量必須低到足以允許可接受的還原速度；因此，在所有時間且在反應(yīng)片段的所有位點(diǎn)，此含量都必須保持低于5％體積。該片段包括在產(chǎn)品在該處具有100℃溫度的位點(diǎn)和產(chǎn)品在該處到達(dá)其最大溫度的位點(diǎn)。對水蒸氣水平的這種緊密控制，可由前述提及的配置有所述除濕系統(tǒng)的循環(huán)裝置存在得到確定。
本發(fā)明除濕系統(tǒng)，它可與任一所述的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行組合，詳細(xì)內(nèi)容如在圖15所示。它可為低溫型，具有機(jī)械裝置，根據(jù)浸洗設(shè)備的尺寸而定。它包括用于在除濕系統(tǒng)之后主要除去水的換熱器4。第二換熱器裝置使該氣體達(dá)到操作溫度。最后換熱器的第一部分與上述換熱器4相同；而且，它包括一個用于再傳送處于合適對流潛能的反應(yīng)器通道內(nèi)氣體的任選裝置。
這種除濕系統(tǒng)按照圖11中的圖表進(jìn)行平衡。氣體流速在1000Nm3/h至高達(dá)50000Nm3/h之間變動，而且再循環(huán)氣體的露點(diǎn)在-50℃至0℃間變動。
在該方法的第二階段，由于作為還原氣體的氫處于高的溫度，并由于使用得氣體在反應(yīng)器中流動的特定方法，進(jìn)行還原工藝；這將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
綜上所述，下述步驟需要通過在本發(fā)明方法中使用氫來還原該鐵使氫移動到該產(chǎn)品表面吸附氫；分解氫；進(jìn)行氫在FeO晶格中的原子擴(kuò)散；進(jìn)行該氧化物的分解和反應(yīng)；通過在該氣相中擴(kuò)散除去鱗片層內(nèi)部的水；除去在該氣體與鱗片層間界面處的水；如果局部條件是處于平衡的，則該水不能被除去；在平衡時，H2與H2O間的比率為2比1；以三維速度范圍添加氫對于除去該水是必需的；重新排列鐵原子并產(chǎn)生鐵鍵合重新排列氧和鐵；允許在離解的氫與氧之間發(fā)生反應(yīng)；
擴(kuò)散鐵并形成新的晶格；除去內(nèi)部氧；僅重新排列鐵；形成具有很大的空間隙的新海綿狀鐵或多孔結(jié)構(gòu)；圖13和14示出了在顯微水平上發(fā)生在通過使用本發(fā)明方法被處理的產(chǎn)品表面之上的形態(tài)變化。
直接源自本發(fā)明浸洗方法的一個優(yōu)點(diǎn)是，由于宏觀多孔結(jié)構(gòu)的形成，發(fā)生在該工藝非常早期階段的產(chǎn)品表面的變化，會提高該材料的反應(yīng)，無論在該方法的初始階段所使用的加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是否由燃燒器、輻射管、電、感應(yīng)、電磁等。保證反應(yīng)中高動力學(xué)的重要條件是從包含在反應(yīng)之中的從該層中合適地除去該水。水的除去還取決于鱗片(基本不可改變)的原始結(jié)構(gòu)和在該方法早期階段形成的海綿狀鐵，以及在邊界層上部分水的壓力，它由以上所述的熱流體動力裝置控制。
下面將對本發(fā)明方法的第三階段進(jìn)行描述。
在本發(fā)明裝置中實(shí)現(xiàn)的干燥除銹方法的一個非常有趣方面在于，它能允許在連續(xù)軋制的產(chǎn)品冷卻程度與鱗片性質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)節(jié)，尤其是對于隨后進(jìn)行的拉延來說。冷卻的選用是最佳鱗片結(jié)果和軋制工廠生產(chǎn)水平之間的折衷。
在本發(fā)明的冷卻工藝中，反應(yīng)受存在的氧化物影響不明顯；反而它更受到表面的幾何開頭的影響。
該產(chǎn)品的冷卻程序，可作為想要產(chǎn)量的函數(shù)而進(jìn)行選擇，但仍保持接近于最佳微觀結(jié)構(gòu)和鱗片厚度，這是由于該產(chǎn)品在高溫時停留時間越長，則鱗片越厚且產(chǎn)量越低。
與可通過使用本發(fā)明裝置進(jìn)行的方法相比，已知浸洗方法包含能夠非?？焖俚乩鋮s該產(chǎn)品使之達(dá)到發(fā)生形成FeO的溫度的冷卻程序。這能產(chǎn)生幾乎均勻的層，它們可通過采用酸浸洗混合的Fe2O3/Fe3O4層而容易地被除去。其結(jié)果是良好拉延所需要的材料特性與要被除去的鱗片性質(zhì)之間的折衷。
圖21示出了本發(fā)明浸洗方法示意圖和這些工藝變量間的關(guān)系。
此方法的創(chuàng)新特征使得能夠獲得較已知方法反應(yīng)階段更大的反應(yīng)速率。
在還原之后發(fā)生的產(chǎn)品冷卻，使用氫作為冷卻氣，采用強(qiáng)制對流方法。其它惰性氣體(氮、氬)的使用，可以使用，但會導(dǎo)致熱/化學(xué)低效和結(jié)構(gòu)問題。使用氫能夠降低設(shè)備的長度并使還原材料的溫度低于再氧化溫度范圍。海綿狀鐵層可通過機(jī)械方法(刷光、碰撞剝落、CO2等)容易地、完全地、均勻地除去。在還原處理和刷光后的條帶的表面結(jié)構(gòu)如圖22所示。
干燥除銹操作由從鐵鱗片除去氧和通過機(jī)械作用(刷光、碰撞剝落、CO2等)使從該表面被除去“海綿狀鐵”離開組成。在這種情形中，刷光不是真正的浸洗操作，這是因?yàn)閮H有鐵被除去，由于氧化物業(yè)已被除去。
圖6以圖形形式示出了本發(fā)明的方法；示出了三個主要的連續(xù)階段，具體地以與要被還原表面緊密接觸方式噴射氣體、還原反應(yīng)、和除去反應(yīng)產(chǎn)物(水)以釋放該表面的其它區(qū)域使得還原能夠進(jìn)行。
圖7和8給出了在具有加熱樣品的初始真空中還原試驗(yàn)的結(jié)果。當(dāng)氫被噴入時，反應(yīng)由溫度下降得到體現(xiàn)(吸熱反應(yīng))。該試驗(yàn)表明，還原反應(yīng)實(shí)際上是瞬間完成的；因此，它需要通過控制邊界層和產(chǎn)生交替壓力和吸出區(qū)對反應(yīng)物供應(yīng)階段和水除去階段進(jìn)行優(yōu)化。圖9給出了圖7和8中所示完美均勻進(jìn)程和完全還原反應(yīng)。
由于本方法工藝由一系列連續(xù)子工藝組成，所以，整體動力學(xué)將由最慢工藝來決定。這些試驗(yàn)表明，化學(xué)反應(yīng)幾乎是瞬間完成的，動力學(xué)的提高僅僅由細(xì)心地控制熱流體動力學(xué)而獲得。
本方法特別合適于浸洗直接來自軋制工廠的產(chǎn)品或纏繞線圈、未纏繞線圈、和加熱的產(chǎn)品。事實(shí)上，本方法不改變軋制材料的任何性質(zhì)。由于該材料沒有超過任何轉(zhuǎn)化線，沒有相變發(fā)生。本方法經(jīng)優(yōu)化可獲得盡可能最低溫度的反應(yīng)；其它目的包括在可控制長度設(shè)備中實(shí)施本方法和降低工藝的時間。除了沒有使用酸之外，本方法也沒有使用會降低反應(yīng)速度的冷凝試劑。
本方法是以在10～100m/min之間變動的速度、產(chǎn)品一次單程流過浸洗設(shè)備而進(jìn)行的；該產(chǎn)品必須要在反應(yīng)區(qū)內(nèi)停留最少20秒至最長90秒的時間。
它適合于任意類型的鱗片并適合于該產(chǎn)品上每種厚度的分布和物相。它甚至可用于具有厚度沿產(chǎn)品變化的鱗片。
這種無酸浸洗設(shè)備的優(yōu)選方案限定了該裝置，使得它能處理從最小50,000噸/年到最大1,000,000噸/年的金屬產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種用于從金屬產(chǎn)品表面除去鱗片的干燥除銹設(shè)備，包括至少一個用于加熱金屬產(chǎn)品的加熱區(qū)，至少一個用于進(jìn)行金屬氧化物還原氣體與至少鱗片間反應(yīng)的還原區(qū)，至少一個用于冷卻金屬產(chǎn)品的區(qū)域，用于加熱金屬產(chǎn)品的第一加熱裝置，用于加熱還原氣體的第二加熱裝置，用于在反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置，用于除去在處理后遺留在金屬產(chǎn)品表面上的反應(yīng)產(chǎn)物的裝置，和用于冷卻金屬產(chǎn)品的裝置；所述干燥浸洗設(shè)備其特征在于它包括第一控制裝置，用于流體動力學(xué)控制由所述還原氣體流過所述金屬產(chǎn)品表面所產(chǎn)生的邊界層，其中，所述第一控制裝置是用來產(chǎn)生包括過壓和低壓區(qū)的規(guī)則壓力振蕩，它們接連地沿著所述金屬產(chǎn)品的整個表面重復(fù)，過壓區(qū)與朝向所述金屬產(chǎn)品表面的還原氣體鼓風(fēng)段相關(guān)聯(lián)，和低壓區(qū)與該鼓風(fēng)段下游的還原氣體排空段相關(guān)聯(lián)，且它包括用于控制在鼓風(fēng)段還原氣體化學(xué)組成的第二控制裝置，用于在鱗片的還原操作后吹掃和再循環(huán)還原氣體的裝置，用于控制還原氣體溫度的第三控制裝置。
2.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述過壓區(qū)的壓力大于+10Pa，所述低壓區(qū)的壓力范圍其絕對值在-2Pa之上。
3.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一控制裝置包括大量同軸的文丘里管，以10～1500mm之間的互惠距離設(shè)置，并且它們的軸沿著所述金屬產(chǎn)品的輸送方向進(jìn)行放置。
4.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一控制裝置包括大量管子對，每個管子對由一個加熱管和一個設(shè)置在所述加熱管下游的文丘里管組成，所述管子對的管子具有基本垂直于所述金屬產(chǎn)品表面的軸，并且以優(yōu)選在10～1500mm之間的互惠距離進(jìn)行設(shè)置。
5.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一控制裝置設(shè)置在距離所述金屬產(chǎn)品表面2～500mm之處。
6.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括微波裝置。
7.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括一預(yù)先被加熱到300～1100℃之間溫度的熱對流流動的還原氣體。
8.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括具有或不具有頻率調(diào)制的感應(yīng)加熱元件。
9.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括具有無遮蓋或遮蔽火焰的空氣或氧氣燃燒器。
10.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括氣體或電輻射管。
11.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括放大的輻射加熱元件。
12.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第一加熱裝置包括微波和/或用于預(yù)先加熱還原氣體被加熱到300～1100℃之間溫度的對流流動裝置和/或感應(yīng)加熱元件和/或具有無遮蓋或遮蔽火焰的空氣或氧氣燃燒器和/或氣體或電輻射管和/或放大的輻射加熱元件。
13.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述第二加熱裝置包括至少一個還原氣體從其中流過由耐熱材料制成的管道或至少一個被還原氣體掠過的加熱金屬壁。
14.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述用于冷卻所述金屬產(chǎn)品的裝置包括惰性或還原氣體強(qiáng)制對流系統(tǒng)。
15.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述用于在反應(yīng)階段后從還原氣體中除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置，包括至少一低溫和/或吸附和/或機(jī)械裝置。
16.權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述用于除去殘留在處理后金屬產(chǎn)品表面上的反應(yīng)產(chǎn)物的裝置，是設(shè)置在所述冷卻區(qū)之后，并包括機(jī)械刷光裝置。
17.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述設(shè)備，其中，所述加熱區(qū)、還原區(qū)、和冷卻區(qū)設(shè)置在一個包含有所述第一和第二加熱裝置、所述第一控制裝置、和所述用于冷卻金屬產(chǎn)品的公用腔室之中。
18.一種用于除去金屬產(chǎn)品表面上鱗片的干燥除銹方法，它是采用如前述權(quán)利要求任一所述干燥浸洗設(shè)備進(jìn)行的，所述設(shè)備包括至少一個用于加熱金屬產(chǎn)品的加熱區(qū)，至少一個用于進(jìn)行金屬氧化物還原氣體與至少鱗片間反應(yīng)的還原區(qū)，至少一個用于冷卻金屬產(chǎn)品的區(qū)域，用于加熱金屬產(chǎn)品的第一加熱裝置，用于加熱還原氣體的第二加熱裝置，用于在反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置，用于除去在處理后遺留在金屬產(chǎn)品表面上的反應(yīng)產(chǎn)物的裝置，和用于冷卻金屬產(chǎn)品的裝置，所述方法包括下述步驟a)提供一種金屬氧化物還原氣體，b)加熱金屬產(chǎn)品到大于室溫的第一溫度，沒有降低且沒有氧化要被處理材料的比表面，c)加熱還原氣體到大于室溫的第二溫度，d)保持金屬產(chǎn)品在還原區(qū)一段預(yù)定的時間，e)進(jìn)行所述金屬氧化物還原氣體與至少所述鱗片間的反應(yīng)，f)冷卻金屬產(chǎn)品到預(yù)定溫度，g)在與鱗片反應(yīng)后從還原氣體中除去反應(yīng)產(chǎn)物，h)從處理過的金屬產(chǎn)物表面除去反應(yīng)產(chǎn)物，該方法特征在于i)以這樣一種方式控制還原氣體流過金屬表面的邊界層流體動力學(xué)，使之能提供一種適合存在于所述表面上鱗片的數(shù)量并足以從所述還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的有組織的氣體分布和均勻的氣體濃度，j)以適合使氣體滲透到所述鱗片孔隙的預(yù)定流速，提供一種加熱的還原氣體鼓風(fēng)段到所述金屬產(chǎn)品表面上，這樣，所述鼓風(fēng)段與所述金屬產(chǎn)品表面上的相應(yīng)過壓區(qū)相關(guān)聯(lián)，k)提供足以從鱗片除去氧的預(yù)定反應(yīng)時間，l)在它已經(jīng)按照階段k)反應(yīng)之后，通過邊界層流體動力學(xué)控制裝置，提供一個所述還原氣體的排空流動，在所述排放流動之后，這樣，所述排空流動與所述金屬表面上的相應(yīng)低壓區(qū)相關(guān)聯(lián)，m)沿著所述金屬產(chǎn)品整個表面以規(guī)則順序循環(huán)進(jìn)行階段j)和l)，n)在與鱗片反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物。
19.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述殘留在處理后金屬產(chǎn)品表面上反應(yīng)產(chǎn)物被除去。
20.權(quán)利要求18所述方法，其中，在步驟j)時，與鱗片相比產(chǎn)生的還原氣體濃度在4～100Nm3/(min*kg鱗片)之間。
21.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述過壓區(qū)的壓力范圍大于+10Pa。
22.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述低壓區(qū)的壓力范圍其絕對值大于-2Pa。
23.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述還原氣體是以純態(tài)使用或與其它惰性和/或還原氣體組合使用。
24.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述還原氣體是氫，且所述惰性氣體優(yōu)選是氮和/或氦和/或氬。
25.權(quán)利要求18所述方法，其中，根據(jù)步驟n)，水蒸氣濃度在每個位點(diǎn)控制在低于5％體積。
26.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述還原氣體被加熱到優(yōu)選300～1100℃之間的溫度。
27.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述金屬產(chǎn)品的加熱是采用微波輻射和/或還原氣體加熱對流流動和/或采用感應(yīng)和/或采用火焰和/或采用輻射進(jìn)行的。
28.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述還原氣體的加熱是采用與加熱的耐火材料和/或加熱的金屬壁進(jìn)行接觸實(shí)現(xiàn)的。
29.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述邊界層流體動力學(xué)控制是采用大量文丘里管進(jìn)行的，它們同軸地以10～1500mm的互惠距離進(jìn)行設(shè)置，并且它們的軸沿著所述金屬產(chǎn)品的輸送方向進(jìn)行設(shè)置。
30.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述邊界層液體動力學(xué)控制是采用一系列管子對進(jìn)行的，其中，每個管子對由一個加熱管和一個設(shè)置在所述加熱管下游的文丘里管組成，其中所述管子對的管子具有基本垂直于所述金屬產(chǎn)品表面的軸，并且，其中所述管子是以10～1500mm之間的互惠距離進(jìn)行設(shè)置。
31.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述在反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物是采用低溫和/或吸附和/或機(jī)械作用進(jìn)行的。
32.權(quán)利要求18所述方法，其中，所述金屬產(chǎn)品的冷卻是采用惰性氣體強(qiáng)制對流進(jìn)行的。
33.權(quán)利要求18和30所述方法，包括用于在反應(yīng)產(chǎn)品已被除去后重新噴射還原氣體到所述循環(huán)之中的步驟。
34.權(quán)利要求19所述方法，其中，存在于所述金屬產(chǎn)品表面上的反應(yīng)產(chǎn)物是通過刷光被除去的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從金屬產(chǎn)品表面干燥除去鱗片的設(shè)備和方法，包括至少一個用于加熱金屬產(chǎn)品的加熱區(qū)，該加熱區(qū)不會降低被處理材料的比表面且不會引起氧化反應(yīng)，至少一個用于進(jìn)行特定還原氣體(通常為氫)與至少鱗片間的反應(yīng)的還原區(qū)、和至少一個用于冷卻金屬產(chǎn)品的冷卻區(qū)、用于加熱金屬產(chǎn)品的第一加熱裝置、用于加熱還原氣體的第二加熱裝置、用于控制還原氣體流過金屬產(chǎn)品表面的邊界層流體動力學(xué)的裝置、用于在反應(yīng)后從還原氣體除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置、用于冷卻金屬產(chǎn)品的裝置、以及用于從所述金屬產(chǎn)品處理后表面除去反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。
文檔編號B21B45/04GK1711371SQ200380103325
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者米洛拉德·帕夫利切維奇, 阿爾弗雷多·波洛尼, 亞歷山德拉·普里馬韋拉, 法比奧·瓜斯蒂尼, 亞歷杭德羅·桑斯·拉臘, 法比奧·韋基耶特 申請人:丹尼利機(jī)械設(shè)備股份公司