JPH0499123A - 鋼材表面の酸化物層除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、鋼材表面の酸化物層を除去する方法に関す
るものである。

〈従来技術とその課題〉 鋼材を高温にまで加熱する手段の１つに、バーすで作り
出した還元火炎を鋼材に吹付けて無酸化加熱する“直火
無酸化加熱法１がある。

第２図は、従来の直火無酸化加熱法の一例を説明した概
念図であり、垂直方向へ移動する鋼板（１）に、その両
面側から炉壁（２）に設置されたバーナ（３）より“空
気比＝０．９〜０．９５の条件で燃料ガスを燃焼させて
形成した還元火炎（４）”を衝突させ、これによって表
面を酸化させることなく鋼板（１）を加熱する様子を示
している。

この場合、無酸化加熱を実現するための必須の条件は“
燃料ガス燃焼時の空気比を１より小さくしても良好な燃
焼性が保証できるバーナ２を用いることであるが、米国
特許第３３２００８５号明細書には上記目的で使用され
る性能の良好なラジアントカップバーナが示されており
、また特公昭６２−５２３１２号として同様目的のため
に燃焼用空気吐出口及び燃焼ガス吐出口に工夫を加えた
直火還元加熱バーナが捷案されている。

そして、これらの直火還元技術を用いれば、被処理鋼材
の表面に多少の酸化物層が存在している場合でもそれら
を還元して除去することが可能であるとされていた。

しかしながら、実際にはこのような従来の直火還元加熱
では還元力に限界があり、元々から被加熱綱材に０．２
贋を超える酸化物層（初期酸化層）が存在しているよう
な場合には該酸化物層の還元・除去作用は十分でなく、
どうしても加熱後の１１ｉｉＩ板に酸化鉄が残留しがち
であると言う問題があった。

このため、酸化物層（酸化膜）が成る程度を超えて厚い
鋼材を加熱するときには、予め酸洗等を施して酸化膜を
除去してから加熱すると言った、煩雑な工程を採らざる
を得なかった。

また、一般に、鋼材の酸化物層（酸化膜）を除去する手
段として“ブラシ等による研磨やサンドブラストの如き
機械的手段”或いは“酸洗、エツチング等の化学的又は
電気化学的手段”が知られているが、これらの手段では
大掛かりで保守が煩雑な設備を必要としたり処理に長い
時間を要したりしてコスト高を招くのを如何ともし難く
、そのため比較的軽度の酸化物層を除去するためのより
簡便な方法が強く望まれているのが現状であった。

このようなことから、本発明が目的としたのは、表面に
２鵡程度の酸化物層が存在する鋼材であっても、酸洗等
の大掛かりな設備を要することなく酸化物層の完全除去
が行える簡便な手段を確立することであった。

（課題を解決するための手段〉 本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ね、特
に軽度の酸化物層（酸化膜）除去に秀でた簡便さが認め
られる還元炎の性質について基礎的な検討を行った結果
、［火炎中で鋼材が還元される領域は水素ラジカル（原
子状水素）の濃度が高い領域と対応しており、これまで
関連付けて考えられがちであった火炎温度自体とはそれ
ほど密接な関係はなく、鋼材の還元のためには１火炎中
の水素ラジカル濃度が高いこと”が重要な主要条件にな
る」との事実を見出したのである。

そして、更に検討を深め、ｒｌｏｏｐｐｍ以上の水素ラ
ジカルが存在している成分組成のガスで鋼材を加熱すれ
ば、該加熱ガス（火炎等）温度の高低には直接的に関係
することなく鋼材表面の酸化物層を還元・除去すること
ができる」との知見を得ることもできた。

第３図は、上記知見を得るきっかけとなった簡単な実験
例で、ブンゼンバーナ（５）による空気比の小さい還元
炎（６）に表面が酸化した小径のＭｖＡ（７１を挿入し
、表面が還元される領域を火炎軸上で調べる様子を示し
ている。そして、この実験により、綱線表面が還元され
る領域は火炎軸上のａ点からｂ点に至るまでであること
が確認された。更に、この際の“火炎軸上の距離と水素
ラジカルの濃度及び火炎温度の関係”を調査して第５図
の結果を得たが、この調査結果から、前記”火炎軸上の
ａ点からｂ点に至る領域“が“水素ラジカルの濃度が１
００ｐｐＷＡを超えた領域”と一致すること　も明らか
となり、鋼材表面に形成されている酸化物層の還元には
火炎温度の高低は直接的に関係せずに火炎ガスの組成（
水素ラジカルの濃度）が問題であって、水素ラジカルの
富化が重要な要件となることを知った訳である。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたもので、 「表面に酸化物層が存在する鋼材に、式８式％ を満足する濃度で水素ラジカルを含んだ高温のガスを接
触させて前記酸化物層を還元することにより、該酸化物
層を簡便に除去し得るようにした点」に特徴を有してい
る。

ここで、前記「高温のガス」とは、例えば種々目的で綱
材を加熱する際の一般的な温度に加熱されたガス（火炎
を含む）を意味しており、「特定の高い温度以上に加熱
されたガス」と言った限定的なものではない。

なお、綱材と接触させる（衝突させて接触させるのが好
ましい）高温ガス中の水素ラジカル濃度を前記式の如く
に限定したのは、該水素ラジカル濃度が Ｈ＜　５６２．３　ｔ　’・９Ｉ の場合には鋼材表面に存在する酸化物層の還元が十分に
行われなくて、その除去が不完全となるからである。

即ち、第５図として示すグラフには、水素ラジカルを種
々濃度で混入した“コークス炉ガスの燃焼排ガス（温度
：　１２５０℃）”に酸化物層の存在する鋼材を接触さ
せた際の「水素ラジカル濃度と還元可能な酸化膜厚との
関係」を調査した結果が示されているが、この第５図か
らも、酸化膜厚ｔと水素ラジカル濃度Ｈとが ｔ≦９．５９　Ｘ　１０−’　Ｈ’・Ｉｏなる関係、つ
まり Ｈ≧５６２．３　ｔ　’・９１ 卒る関係を満たすことによって初めて酸化膜の完全還元
がなされることを確認できる。

なお、水素ラジカル濃度の測定は、例えばレザー誘起蛍
光分光分析法（ＬＩＦＳ法）や電子スピン共鳴法（Ｅ　
Ｓ　Ｒ法）等の如き周知の方法により比較的容易に行え
ることは言うまでもない。

ところで、上記水素ラジカルは、例えば水素ガスを作動
ガスとするプラズマジェット発生装置により形成するこ
とができる。即ち、プラズマジェットでは、第６図に示
したように、特定の温度で２原子の作動ガスが解離する
現象が起き、水素ガスを作動ガスとするプラズマジェッ
トでは多量の水素ラジカルが形成される。

従って、この水素ラジカルを火炎その他の高温ガス中に
注入して混合し、これを酸化物層が形成された鋼材面に
吹付けて衝突させれば、鋼材面の酸化物層は容易に還元
・除去されることとなる。

プラズマジェット発生装置としては、第７図に示したよ
うな構造のものが一般的であるが、その作動ガスとして
“水素を含みかつ酸化性のガスを含まないガス”を用い
れば、水素を［Ｈ２→２ＨＪに従って解離させることが
でき、水素ラジカルが生成する。

勿論、水素ラジカルの生成は、高温プラズマ発生法のみ
ではなく低温プラズマ発生法によっても良いことは言う
までもない。

続いて、本発明を実施例によって更に具体的に説明する
。

〈実施例〉 第１図で示したように、高温ガス発生装置（８）で燃料
ガス（コークス炉ガス）を燃焼させて１１００℃の燃焼
ガスを発生させ、一方、水素ラジカル発生装置（９）に
て高濃度の水素ラジカルを生成させると共に、両者を混
合して水素ラジカル富化高温ガスを得、これを加熱炉の
炉壁（２）に設けた吹き出しノズルα〔から０．８鶴厚
の鋼板（１）に吹きつけて該鋼板の加熱を実施した。

この際、まず水素ラジカル富化高温ガス中の水素ラジカ
ル濃度を３００ｐｐ…に調整し、約１０秒で９００℃ま
で加熱した結果、鋼板を酸化させることなく加熱できる
こと（無酸化加熱ができること）が確認された。

次に、被処理鋼板として１贋厚の初期酸化膜が存在する
ものを用いたところ、表面に酸化鉄の残存が認められた
。

そこで、水素ラジカルの混合割合を増加させて５０００
ｐｐｍとし、この水素ラジカル混入燃焼ガス（温度７１
１００℃）をＩＱ厚の初期酸化膜が存在する鋼板（ｍ板
厚さ：　０　、８　ｔｍ　）に接触させて８５０℃まで
加熱した結果、鋼板表面の酸化皮膜が短時間に完全除去
されることが確認された。

また、これとは別に、既設の無酸化加熱バーナの火炎中
に水素ラジカルをインジェクションする手法で、無酸化
加熱バーナの空気比：　０．９５．インジェクションし
た水素ラジカルの濃度：５０００ｐｐｍの条件で同様の
実験を行ったところ、同じように鋼板表面の酸化皮膜を
完全除去できることが確認された。

更に、第２図に示す従来例において、無酸化パーナノ空
気比を０．９０として形成させた還元炎を板厚：０．８
ｍの鋼板に衝突させて加熱したところ、初期の酸化膜厚
が０．２ｎ以下の場合では還元除去が可能であり、表面
に酸化鉄の存在が認められなかった。しかし、０．３鶴
の初期酸化膜厚を有する鋼板に同様の処理を施したとこ
ろ酸化鉄の存在が確認できた。これに対し、本発明法に
従って水素ラジカルをＩｏｏｏｐｐｍ含む高温のガスを
初期酸化膜厚：０．３ｍの鋼板に衝突させ、これを加熱
したところ、酸化鉄の存在は確認されず、酸化膜を完全
に除去できたことが分かった。

（効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、大掛かりな設
備や煩雑な工程を要する酸洗等のデスケーリング手段に
よることなく鋼材表面の酸化物層を簡便に除去すること
ができ、例えば鋼板の加熱処理に際し事前のデスケーリ
ングを実施しなくても加熱設備内部で鋼板の比較的厚い
酸化膜をコスト安く完全に除去することが可能となるな
るなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例で採用した酸化膜除去還元加熱手法の
概略説明図である。 第２図は、従来の直火無酸化加熱法の一例を説明した概
念図である。 第３図は、火炎中での酸化膜付ａ線の還元実験法を示し
た説明図である。 第４図は、火炎軸上の各位置における水素ラジカルの濃
度及び火炎温度の関係を示したグラフである。 第５図は、水素ラジカル濃度と還元可能酸化膜厚との関
係を示したグラフである。 第６図は、２原子ガスを作動ガスとしたプラズマジェッ
トのガス温度と熱量及びガスの状態との関係を示したグ
ラフである。 第７図は、□プラズマ発生装置の一例を示した概略図で
ある。 図面において、 １・・・薄鋼板、　　　　　　２・・・炉壁。 ３・・・バーナ、　　　　　　４・・・還元火炎。 ５・・・ブンゼンバーナ、　　６・・・火炎。 ７・・・鋼線、　　　　　　８・・・高温ガス発生装置
。 ９・・・水素ラジカル発生装置。 １０・・・吹き出しノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 表面に酸化物層が存在する鋼材に、下記式を満足する濃
   度で水素ラジカルを含んだ高温のガスを接触させて該酸
   化物層を還元することを特徴とする、鋼材表面の酸化物
   層除去方法。 Ｈ≧５６２．３ｔ＾０＾．＾９＾１ ［但し、Ｈ：水素ラジカルの濃度（ｐｐｍ）、ｔ：初期
   酸化物層の厚さ（μｍ）］