BRPI0610554B1 - Método de resfriamento a água para resfriar um material de aço aquecido - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE
RESFRIAMENTO A ÁGUA PARA RESFRIAR UM MATERIAL DE AÇO AQUECIDO".
CAMPO TÉCNICO A presente invenção refere-se a um método de resfriamento à água que controla a espessura de uma película oxida de um material de aço aquecido e ao material de aço obtido pelo processo de resfriamento à água.
ANTECEDENTES DA TÉCNICA
Um material de aço é lingotado, e então trabalhado a quente e/ou a frio para ser conformado na forma do produto, e então é recozido. O material de aço recozido é tratado quimicamente ou revestido em sua super- fície. Nesse caso, se uma película oxida é formada na superfície, a superfí- cie não será suficientemente tratada quimicamente ou revestida e a subse- quente capacidade de revestimento, adesão do revestimento, e resistência à corrosão será prejudicada. Portanto, um material de aço recozido tem que ser resfriado de maneira não-oxidante.
Quando se resfria um material de aço de uma maneira não- oxidante, ele é resfriado pelo nitrogênio ou por outro gás não-oxidante. A razão é que se o gás contiver oxigênio ou outro gás oxidante, o material de aço será oxidado.
Se usa-se água como meio de resfriamento, uma vez que a água é por si só oxidante, não é possível evitar-se a oxidação do material de aço. Entretanto, se o material de aço for espesso ou se for necessária uma taxa de resfriamento relativamente rápida, a taxa de resfriamento requerida não pode ser obtida pelo resfriamento usando gás, e portanto o resfriamento usando água torna-se necessário. Nesse caso, a película oxida formada na superfície do material de aço tem que ser removida após o recozimento pela decapagem ou outro tratamento posterior.
Como método de resfriamento de um material de aço por uma maneira antioxidante quando se resfria o material com água, foi proposto o método de reduzir o oxigênio dissolvido na água de resfriamento (retirando o ar da mesma). A Publicação de Patente Japonesa (A) nQ 54-24211 propõe o método de usar-se a água com o ar retirado pela fervura para o resfriamen- to, a Publicação de Patente Japonesa (A) n9 57-198218 propõe o método de redução da concentração do oxigênio dissolvido na água de resfriamento até 0,01 ppm ou menos, e também a Publicação de Patente Japonesa (A) ne 61- 179820 propõe um equipamento de resfriamento fornecido com um disposi- tivo de retirada de ar. A oxidação de um material de aço durante o resfriamento à água inclui o procedimento de oxidação usando o oxigênio dissolvido como sua fonte de oxidação e a oxidação pela própria água de resfriamento, mas nos documentos de patente acima é proposto reduzir-se simplesmente o oxigê- nio dissolvido sem entender suas contribuições. A Publicação de Patente Japonesa (A) n9 63-7339 considera o fato de que há oxidação devido ao oxigênio dissolvido e água e propõe uma técnica eletroquímica para reduzir a oxidação pela água.
Entretanto, a técnica anterior não diferencia entre a espessura da película de óxido devida ao oxigênio dissolvido na água e a espessura da película oxida devido ao vapor gerado devido ao contato com o material de aço aquecido (isto é, a própria água de resfriamento), identifica os fatores que afetam as espessuras das películas oxidas, e esclarece quantitativa- mente a relação entre as espessuras da película óxida e os fatores que as afetam.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Conforme explicado acima, para o resfriamento de um material de aço ou um resfriamento que necessite uma taxa de resfriamento relati- vamente rápida, o resfriamento usando água é necessário, mas com o res- friamento usando água, a decapagem ou outro tratamento posterior são ne- cessários para remover a película óxida formada na superfície do material de aço.
Portanto, a presente invenção fornece um método de resfria- mento à água para um material de aço que não requer tratamento posterior para remover uma película óxida após o resfriamento à água e um material de aço obtido por aquele método de resfriamento à água.
Os inventores investigaram em detalhes o fenômeno de oxida- ção devido ao oxigênio dissolvido contendo água e como resultado foram capazes de descobrir com precisão as contribuições da oxidação devida ao oxigênio e da oxidação decida ao vapor e também foram capazes de desco- brir o limite da espessura da película oxida deixando a aparência limpa e não obstruindo o tratamento químico ou revestimento. Isto é, eles foram capazes de descobrir as faixas adequadas para as condições de resfriamento à água permitindo que a espessura da película oxida da superfície fosse reduzida e deixando a aparência limpa e sem obstruir o tratamento químico ou o reves- timento. A presente invenção fornece um método de resfriamento à água para resfriamento à água de um material de aço aquecido caracterizado por controlar-se a espessura da película óxida formada na superfície do material de aço pela seguinte equação: dH20+d02=7,98x10'4(Ti-To)dDo+{5,50x1 0'3(Tí2-To2)-6,51 (Tí-T0)}/Cr onde dH2o: espessura da película óxida formada usando-se vapor co- mo fonte oxidante (nm) dH2o = (5,50 x 10‘3 (Ti2 - T02) - 6,51 (T, - T0)} / Cr, onde T0 ^ 573 K do2 : espessura da película óxida formada usando-se oxigênio dissolvido como fonte oxidante (nm) d02 = 7,98 x 10'4 (T - T0) dD0, onde T0 > 573 K T : temperatura inicial do resfriamento à água (K) T0 : temperatura final do resfriamento à água (K) d : espessura do material de aço (nm) D0 : concentração do oxigênio dissolvido na água de resfriamen- to (mgL‘1) Cr : taxa de resfriamento (Ks'1) Além disso, o método de resfriamento à água da presente inven- ção é caracterizado pelo fato de que as condições da temperatura inicial do resfriamento à água (Ti), da temperatura final do resfriamento à água (T0), a espessura do material de aço (d), a concentração do oxigênio dissolvido na água de resfriamento (D0), e a taxa de resfriamento (Cr) estão em faixas que dão a espessura da película óxida (dH2o + dc>2) da superfície do material de aço.quimicamente tratado ou revestido ao deixar a película óxida formada pelo resfriamento à água no instante do recozimento como ele é, calculada pela equação acima do método de resfriamento a água para um material de aço, de 15 nm ou menos.
Além disso, o método de resfriamento à água da presente inven- ção é caracterizado pelo uso de água de resfriamento reduzida no oxigênio dissolvido por um equipamento de retirada de ar para resfriar a água o mate- rial de aço aquecido.
Além disso, o material de aço da presente invenção é um mate- rial de aço obtido conforme o método de resfriamento à água da presente invenção, caracterizado pelo fato de que a espessura da película óxida da superfície do material de aço é de 15 nm ou menos.
De acordo com o método de resfriamento a água de um material de aço da presente invenção e o material de aço obtido por esse método de resfriamento à água, os efeitos a seguir podem ser obtidos. (1) A espessura da película óxida formada usando-se o oxigênio dissolvido na água de resfriamento como fonte oxidante é descoberta como uma função da temperatura inicial do resfriamento à água, da temperatura final do resfriamento à água, da espessura do material de aço, e da concen- tração do oxigênio dissolvido na água de resfriamento, a espessura da pelí- cula óxida formada usando-se o vapor produzido pela evaporação da água de resfriamento como fonte oxidante foi descoberta como sendo uma função da temperatura inicial da água de resfriamento, da temperatura final da água de resfriamento, e da taxa de resfriamento,então as condições para se obter a espessura de película óxida necessária após o resfriamento à água pode ser ajustada quantitativamente. (2) Foi descoberto o limite da espessura da película óxida para deixar limpa na aparência a superfície do material de aço resfriado à água e não obstruindo o tratamento químico e o revestimento, de forma que o valor alvo da espessura da película óxida após o resfriamento à água pode ser claramente ajustado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é uma vista mostrando a relação da taxa de resfria- mento e da espessura da película óxida no método de resfriamento a água da presente invenção.
MELHOR FORMA DE EXECUÇÃO DA INVENÇÃO
Os inventores investigaram em detalhes o fenômeno da oxida- ção devido à água contendo oxigênio dissolvido. Como resultado, eles des- cobriram que o fenômeno da oxidação devido à água inclui a oxidação u- sando-se o oxigênio dissolvido como uma fonte oxidante e a oxidação usan- do-se vapor como uma fonte oxidante. Além disso, os inventores foram bem- sucedidos em descobrir quantitativamente as taxas de oxidação usando es- sas fontes oxidantes e descobriram que a soma das espessuras das pelícu- las oxidas usando essas fontes oxidantes torna-se a espessura da película óxida formada no momento do resfriamento à água.
Enquanto se resfria à água o material de aço, este material de aço está constantemente sendo oxidado pelo vapor. Os inventores mediram com precisão a oxidação pelo vapor do material de aço e portanto descobri- ram quantitativamente a taxa de oxidação pelo vapor. Como resultado, eles aprenderam que na oxidação pelo vapor (i) a taxa de oxidação não é depen- dente da espessura da película óxida, (ii) a taxa de oxidação é proporcional à velocidade do vapor, e (iii) a taxa de oxidação aumenta exponencialmente em relação à temperatura.
Expressando isto em uma fórmula matemática, é obtida a se- guinte: dw / dt = 1,60 x 10'5exp(-E / RT)PH20 onde, dw / dt: taxa de oxidação (gcm'2s'1) E : energia de ativação E =-27100 (Jmol'1) R : constante do gás T: temperatura (K) PH2o : pressão parcial do vapor (atm) É possível descobrir a espessura da película óxida da superfície do material de aço no caso de mudança da temperatura inicial do resfria- mento à água e da taxa de resfriamento no momento do resfriamento à água de um material de aço pela equação a seguir. Nesse caso, a pressão parcial do vapor é de 1 atm.
dH20 = {5,50 x 10‘3(Ti2 - T02) - 6,51 (Ti - T0)} / CR
onde T0 ^ 573 K onde, d(H2o : espessura da película óxida formada usando-se vapor como fonte oxidante (nm) Tj: temperatura inicial do resfriamento à água (K) T0: temperatura final do resfriamento à água (K) Cr : taxa de resfriamento (Ks'1) Durante o resfriamento à água, o aço é também oxidado pelo oxigênio dissolvido na água de resfriamento, a taxa de oxidação devido ao oxigênio é extremamente rápido, e o oxigênio dissolvido contido na água evaporada é completamente consumido para a oxidação. Portanto, a espes- sura da película óxida formada pela quantidade de evaporação de água é determinada pela equação a seguir a partir do calor específico do aço, da espessura do material de aço, da temperatura inicial do resfriamento a água, e da temperatura final do resfriamento a água: D02 = 7,98 x 10‘4 (T, - T0) dD0 , onde T0 > 573 K onde d02 : espessura da película óxida usando oxigênio dissolvido como fonte oxidante (nm) Ti: temperatura inicial do resfriamento à água T0: temperatura final do resfriamento à água d : espessura do material de aço (mm) D0 : concentração de oxigênio dissolvido na água de resfriamen- to (mgL'1) A soma das espessuras da película óxida formada devido à á- gua e da espessura da película óxida formada devido ao oxigênio dissolvido é a espessura da película óxida formada devido ao resfriamento à água. dH20+d02=7,98x10‘4(Ti-To)dDo+{5,50x1 0'3(Tí2-To2)-6,51 (Tí-T0)}/Cr Tí : temperatura inicial do resfriamento a água (K) T0: temperatura final do resfriamento a água (K) d : espessura do material de aço (mm) D0 : concentração de oxigênio dissolvido na água de resfriamen- to (mgL·1) Cr : taxa de resfriamento (Ks'1) Os inventores prepararam películas oxidas em dados materiais de aço pelo resfriamento usando água no momento do recozimento e verifi- caram suas aparências. Os inventores foram capazes de confirmar que os materiais de aço resfriados à água foram coloridos de acordo com as espes- suras das películas oxidas. Isto é, com a espessura da película óxida de 15 nm ou menos, quase nenhuma têmpera colorida resultou e os materiais ti- nham um brilho metálico. Entretanto, com uma película óxida acima de 15 nm, resultou uma têmpera amarelo clara. Juntamente com o aumento na espessura da película óxida, a cor da têmpera tornou-se mais escura. Quan- do acima de 30 nm, resultou uma têmpera de cor marrom. A seguir, os inventores prepararam películas oxidas em dados materiais de aço pelo resfriamento usando água no momento do recozimen- to, trataram-nas quimicamente, e avaliaram-nas das três formas a seguir: [1] Observação a olho nu para determinar se a superfície estava irregular em sua cor após o tratamento químico, isto é, macro-observação. [2] Observação por um SEM (microscópio eletrônico do tipo var- redura) para determinar se havia partes sem cristalização do tratamento químico, isto é, microobservação. [3] Medição da quantidade de deposição para determinar se a película do tratamento químico é depositada suficientemente. (Nota 1. O material de aço foi desengraxado alcalinamente em ortossilicato de sódio, e então lavado com água, a superfície foi condiciona- da, e então tratado quimicamente com fosfato de zinco). (Nota 2. Para a solução de tratamento químico, foi usado Pal- bond WL35 (marca registrada). O tratamento foi executado a 35°C por 2 mi- nutos para avaliação).
Além disso, os inventores prepararam películas oxidas em dados materiais de aço pelo resfriamento usando água no momento do recozimen- to e avaliando-as também quanto à adesão do revestimento. (Nota 3. A adesão do revestimento foi avaliada pelo teste do martelo prescrito na JIS H0401. Foi avaliada pela ausência de flocos ou em- polamentos após ser golpeado em 5 pontos). A Tabela 1 mostra os resultados da avaliação do tratamento químico e da adesão do revestimento. Com uma espessura da película óxida de 15 nm ou menos, não ocorreu nenhum problema no trafamento químico e na adesão do revestimento. Com uma espessura de película óxida de 15 a 30 nm, nenhum problema ocorreu na micro-observação nem na quantidade de deposição do tratamento químico ou na adesão do revestimento, mas uma cor irregular resultou do tratamento químico. Com uma espessura de película óxida de 30 nm ou mais, ocorreram problemas em todos os itens da avaliação do tratamento químico e da adesão do revestimento.
Na técnica anterior, a remoção da película óxida formada pelo resfriamento a água no momento do recozimento foi senso comum. Não ha- via idéia da aplicação de tratamento químico ou revestimento enquanto se deixava intacta a película óxida. Na presente invenção, a idéia foi mudada para uma em que mesmo se for formada uma película óxida, está tudo bem se não houver problemas na capacidade de tratamento químico ou na capa- cidade de revestimento. A aparência foi também considerada e o valor limite da espessura da película de oxido foi ajustada para 15 nm.
Tabela 1 Quando se resfria um material de aço aquecido pelo resfriamen- to a água, para tornar a espessura da película óxida 15 nm ou menos é sufi- ciente ajustar-se adequadamente às condições ajustáveis entre as condi- ções tendo um efeito na espessura da película óxida tais como a temperatu- ra inicial do resfriamento à água (T,), temperatura final do resfriamento à á- gua (T0), espessura do material de aço (d), concentração de oxigênio dissol- vido na água de resfriamento (D0), e taxa de resfriamento (Cr). Em particu- lar, a concentração de oxigênio dissolvido na água de resfriamento pode ser ajustada usando-se um equipamento de resfriamento tendo um dispositivo para retirar o ar.
EXEMPLOS A Figura 1 é uma vista mostrando a relação entre a taxa de res- friamento e a espessura da película óxida conforme o método de resfriamen- to à água da presente invenção. A Tabela 2 mostra as condições da espessura do material de aço (d), da temperatura inicial de resfriamento (T,), da temperatura final do resfriamento (T0), e da concentração de oxigênio dissolvido (D0) usados nos exemplos.
Tabela 2 Da Figura 1 fica claro que a concentração de oxigênio dissolvido afeta a espessura da película óxida. Além disso, da Figura 1 é possível des- cobrir a taxa de resfriamento capaz de manter a espessura da película óxida no limite da espessura da película de oxigênio de 15 nm ou menos onde o tratamento químico e o revestimento não são obstruídos após o resfriamento à água.
De acordo com a equação para determinar a espessura da pelí- cula óxida da presente invenção, é possível determinar a espessura da pelí- cula óxida ajustando-se as condições da temperatura inicial do resfriamento à água, da temperatura final do resfriamento à água, da espessura do mate- rial de aço, da concentração do oxigênio dissolvido na água de resfriamento, e da taxa de resfriamento de forma que seja possível obter-se um controle quantitativo sobre em que faixas ajustar-se as condições controláveis de modo a se obter a espessura de película óxida desejada após o resfriamento à água.
APLICABILIDADE INDUSTRIAL
De acordo com a presente invenção, torna-se possível ajustar-se quantitativamente as condições para obtenção da espessura da película óxi- da requerida na superfície do material de aço após o resfriamento a água.
Além disso, torna-se possível ajustar-se claramente um valor alvo da espes- sura da película óxida após o resfriamento a água. Portanto, a presente in- venção tem grande aplicabilidade na indústria de produção de material de aço.
Claims (2)
1. Método de resfriamento a água para resfriar um material de aço aquecido, caracterizado pelo controle da espessura da película oxida formada na superfície do material de aço pela seguinte equação: dH20+d02=7,98x10-4(TrTo)dDo+{5,50x1 0'3(Tí2-To2)-6,51 (TrT0)}/CR onde dH2o: espessura da película oxida formada usando-se vapor co- mo fonte oxidante (nm) dH20 = {5,50 x 10'3 (Ti2 - To2) - 6,51 (T, - T0)} / CR, onde T0 £ 573 K do2 : espessura da película oxida formada usando-se oxigênio dissolvido como fonte oxidante (nm) d02 = 7,98 x 10'4 (Ti - T0) dD0, onde T0 > 573 K Ti: temperatura inicial do resfriamento à água (K) T0 : temperatura final do resfriamento à água (K) d : espessura do material de aço (nm) D0 : concentração do oxigênio dissolvido na água de resfriamen- to (mgL'1), CR : taxa de resfriamento (Ks'1); sendo que as condições da temperatura inicial do resfriamento a água (Ti), da temperatura final do resfriamento à água (T0), da espessura do material de aço (d), da concentração de oxigênio dissolvido na água de res- friamento (D0), e da taxa de resfriamento (CR) estão em faixas dando uma espessura de película oxida (dH2o + do2) da superfície do material de aço, quimicamente tratado ou revestido ao deixar a película oxida formada pelo resfriamento à água no instante do recozimento como ela é, calculada pela equação acima do método de resfriamento à água para um material de aço, de 15 nm ou menos
2. Método de resfriamento à água para resfriar um material de aço aquecido, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo uso de água de resfriamento reduzida no oxigênio dissolvido por um equipamento de retirada de ar para resfriar à água o material de aço aquecido.
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