Исследование процесса лазерной очистки металлопроката от окалины

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В статье представлены результаты исследования процесса лазерной очистки металлопроката в режимах воздействия, не приводящих к нагреву окалины выше температуры ее плавления. Выявлена и обоснована возможность разрушения прокатной окалины за счет термохимических реакций в окалине и последующего термомеханического разрушения. Проведен поиск и оптимизация режимов лазерного воздействия для увеличения эффективности очистки. Для более полного описания процесса лазерной очистки уделено внимание структуре прокатной окалины и описаны особенности ее формирования и вероятные фазовые превращения под действием лазерного нагрева. Экспериментально обнаружена приводящая к термомеханическому разрушению окалины область режимов лазерной обработки в диапазоне длительностей воздействия 30–400 мкс и плотностей мощности 50–750 кВт / см2. Процесс лазерной очистки от окалины за счет термомеханического разрушения реализован с использованием непрерывного волоконного иттербиевого лазера с максимальной мощностью 2 кВт.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Данила Владимирович Журба

Университет ИТМО; ООО «НПП ВОЛО»

Автор, ответственный за переписку.
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0009-0001-6814-1737

аспирант, младший научный сотрудник

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Владимир Михайлович Журба

ООО «НПП ВОЛО»

Email: photonics@technosphera.ru

генеральный директор

Россия, Санкт-Петербург

Вадим Павлович Вейко

Университет ИТМО

Email: photonics@technosphera.ru

доктор техн. наук, профессор, главный научный
сотрудник

Россия, Санкт-Петербург

Александр Эдуардович Пуйша

ООО «НПП ВОЛО»

Email: photonics@technosphera.ru

канд. техн. наук, начальник научно-технического
отдела

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Sun, Bin & Cheng, Lei & Du, Chong-Yang & Zhang, Jing-Ke & He, Yong-Quan & Cao, Guang-Ming. Effect of Oxide Scale Microstructure on Atmospheric Corrosion Behavior of Hot Rolled Steel Strip. Coatings. 2021; 11: 517. doi: 10.3390/coatings11050517.
  2. Evans Yulik Richardson. Corrosion and oxidation of metals [Text]: (Theory. the basics and their practice. appendix) / Translated from English. Edited by Dr. I. L. Rosenfeld, Doctor of Chemical Sciences. – Moscow: Mashgiz, 1962. 856 p.
  3. K. A. Chandler, J. K. Hudson, J. R. Stepners, et al. Corrosion. Guide. Edited by L. L. Schraer, translated by V. S. Sinyavsky – M.: Metallurgy, 1981. 632 p.
  4. Evans Yulik Richardson.Corrosion. Passivity and protection of metals [Text] / Translated from English. edited by Prof.-Dr. G. V. Akimov. – Moscow; Leningrad: Metallurgizdat, 1941 (Leningrad). – 888 p.
  5. Wang, Xiaochen & Ai, Rui & Yang, Quan & Wang, Shang & Zhang, Yanjie & Meng, Yingying & Ma, Xianghong. Effect of oxide scale structure on shot-blasting of hot-rolled strip steel. PeerJ Materials Science. 2. e9. 2020. doi: 10.7717/peerj-matsci.9.
  6. Li X. & Huang T. & Chong A. W. & Zhou, R. & Choo, Y.s & Hong, M. Laser cleaning of steel structure surface for paint removal and repaint adhesion. Guangdian Gongcheng. Opto-Electronic Engineering. 2017; 44: 340–344
  7. Kayahan, Ersin & Candan, Levent & Aras, M. & Gundogdu, Ozcan. Surface Cleaning of Metals Using Low Power Fiber Lasers. Acta Physica Polonica A. 2018;134: 371–373.
  8. Lu Y., Yang L., Wang Y. Continuous Wave Fiber Laser. Coatings. 2019; 9:488.
  9. Kravchenko, Ya & Klimentov, Sergey & Derzhavin, S. & Mamonov, D. & Karpov, N. & Mayorov, A. Optimization of laser cleaning conditions using multimode short-pulse radiation. Optical and Quantum Electronics. 2020; 52. doi: 10.1007/s11082-020-02399-1.
  10. Sun X., Yu Q., Bai X., Jin G., Cai J., Yuan B. Substrate Cleaning Threshold for Various Coated Al Alloys Using a Continuous-Wave Laser. Photonics. 2021;8:395. doi: 10.3390/photonics8090395.
  11. Veiko V. P., Smirnov V. N., Chirkov A. M., Shakhno E. A. Laser cleaning in mechanical engineering and instrumentation. – St. Petersburg: ITMO Research Institute, 2013. 103 p.
  12. Veiko V., Samohvalov A., Ageev E. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control.Optics and Laser Technologies (JOLT). 2013;54:170–175.
  13. G. X. Chen, T. J. Kwee, K. P. Tan, Y. S. Choo, M. H. Hong. High-Power Fibre Laser Cleaning for Green Shipbuilding. Journal of Laser Micro / Nanoengineering. 2012; 7: 249–253.
  14. Deschênes JM., Fraser A. Empirical Study of Laser Cleaning of Rust, Paint, and Mill Scale from Steel Surface. In: Lee J., WagstaffS., Lambotte G., Allanore A., Tesfaye F. (eds) Materials Processing Fundamentals 2020. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. 2020.
  15. Veiko V. P.. Shakhno E. A. Physical mechanisms of laser surface cleaning, Izvestiya RAS, ser. phys. 2001; 65(4):584–587.
  16. Zhuang, Shusen & Kainuma, Shigenobu & Yang, Muye & Haraguchi, Manabu & Asano, Takahiro. Characterizing corrosion properties of carbon steel affected by high-power laser cleaning. Construction and Building Materials. 274. 2021. 122085. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.122085.
  17. Graf, Marcel & Kawalla, R. Scale Behaviour and Deformation Properties of Oxide Scale during Hot Rolling of Steel. Key Engineering Materials. 2012;504–506:199–204. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.504-506.199' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.504-506.199.
  18. Ahmadi, D. Oxide Scales Behaviour During Descaling and Hot Rolling. The University of Sheffield, England, June 2019, p. ii.
  19. Grudev A. P. Friction and lubricants in metal pressure treatment: Handbook. – M.: Metallurgy, 1982. 310 p.
  20. Chen, Rex & Yuen, W. Oxidation of Low-Carbon, Low-Silicon Mild Steel at 450–900 °C Under Conditions Relevant to Hot-Strip Processing. Oxidation of Metals. 2002;57: 53–79. doi: 10.1023/A:1013390628475.
  21. Chen, Rex & Yeun, W. Y. D. Review of the High-Temperature Oxidation of Iron and Carbon Steels in Air or Oxygen. Oxidation of Metals. 2003;59:433–468. doi: 10.1023/A:1023685905159.
  22. Yu, Xianglong & Zhao, Jingwei & Wei, Dong & Zhou, Ji. A Review of Microstructure and Microtexture of Tertiary Oxide Scale in a Hot Strip Mill. Key Engineering Materials. 2016;716:843–855. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.716.843' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.716.843.
  23. Choi JW, Choi JW. Convective heat transfer coefficient for high pressure water jet. ISIJ International. 2002;42(3): 283–289 doi: 10.2355/isijinternational.42.283.
  24. Teplyakov Yu. N. The decay of wustite, which is part of the scale. Bulletin of SUSU. Series: Chemistry. 2009. No.23 (156).
  25. Teplyakov Yu. N. Kinetics of phase formation during the decay of wustite // Bulletin of SUSU. Series: Metallurgy. 2021;1.
  26. Naipinij, Sun & Sukieum, Sasapan & Namprai, Ravinupha & Nilsonthi, Thanasak. Formation of thermal oxide scale and its adhesion to hot-rolled low carbon steels with different final strip thicknesses. E3S Web of Conferences. 355. 02008. 2022. doi: 10.1051/e3sconf/202235502008.
  27. CAO, Guang-ming & WU, Teng-zhi & XU, Rong & Zhi-feng, Li & WANG, Fu-xiang & Liu, Zhenyu. Effects of Coiling Temperature and Cooling Condition on Transformation Behavior of Tertiary Oxide Scale. Journal of Iron and Steel Research, International. 2015;22:892–896. doi: 10.1016/S1006-706X(15)30086-8.
  28. Shizukawa, Yuta & Hayashi, Shigenari & Yoneda, Suzue & Kondo, Yasumitsu & Tanei, Hiroshi & Ukai, Shigeharu. Mechanism of Magnetite Seam Formation and its Role for FeO Scale Transformation. Oxidation of Metals. 2016;86 doi: 10.1007/s11085-016-9638-8.
  29. A.S. 1819908 USSR, MPC C21D 1/82, B21B 45/04. Method for cleaning rolled metal from scale / Vakula L. A. – No. 4942792, application 1991.04.23; publ. 1993.06.07. – 5 p.
  30. Patent 2280712 C1 Russian Federation, IPC C23F 13/16. Method for producing cast magnetite / Khorishko B. A.; patent holder Novomoskovskiy Institute of the D. I. Mendeleev Russian Technical Technical University. – No. 2004138773/02, application 2004.12.30; publ. 2006.07.27, Issue No. 21.– 8 p.
  31. Patent 2812150 C1 Russian Federation, IPC B08B 7/00 (2006.01). Method of laser cleaning of metal surfaces from scale / Zhurba V. M.; patent holder Limited Liability Company “Scientific and Production Enterprise of Fiber-Optic and Laser Equipment” (RU). – No. 2023122472, declared on 08/29/2023; published on 01/23/2024 Byul. No. 3.– 11 p.
  32. Glazunova N. A., Potapenko Yu. A. The effect of the hydraulic pump installation on the quality of the rolled surface. Casting and metallurgy. 2021. № 2
  33. Temlyantsev N. V. Development of theory and practice of low-oxidizing and low-carbonizing steel heating technologies. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2019; 3 (29): 21–24.
  34. Patent 2619692 C1 Russian Federation, IPC B08B 7/00 (2006.01). Method of laser purification of metals / M. V. Volkov; patent holder Limited Liability Company “Scientific and Production Enterprise of Fiber-Optic and Laser Equipment” (RU). – No. 2016120022, announced on 05/24/2016; published on 05/17/2017 Issue No. 14.– 6 p.
  35. Optical constants of Fe3O4 (Iron(II, III) oxide, Magnetite) Querry 1985: n, k 0.21–55.6 µm [Electronic resource]. – Access mode: https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Fe3O4&page=Querry (date of access: 10/29/2022).
  36. Physical properties of rocks and minerals (petrophysics). Geophysics Reference Book/Edited by N. B. Dortman, – 2nd ed., reprint. and additional – M.: Nedra, 1984–455 p.
  37. Veiko V. P., Petrov A. A., Samokhvalov A. A. Introduction to laser technologies. – St. Petersburg: ITMO Research Institute, 2018.169 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Формирование структуры прокатной окалины [27]

Скачать (464KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Поперечный шлиф листа проката толщиной 5 мм, сверху смола, ниже темный слой окалины на поверхности стали

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схемы лазерной установки с круговой сканирующей системой (слева) и с линейной сканирующей системой (справа)

Скачать (886KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результат лазерного воздействия на прокатную окалину: а) поверхность окалины; b) профиль поверхности окалины; с) удалившиеся частицы окалины

Скачать (3MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость пороговой дозы удаления окалины, от дозы однократного воздействия при длительности воздействия 150 мкс

Скачать (271KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость пороговой дозы разрушения окалины от длительности воздействия при заданной плотности мощности, круговая сканирующая система

Скачать (352KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость пороговой дозы разрушения окалины от длительности воздействия при заданной плотности мощности, линейная сканирующая система

Скачать (529KB)
Метаданные

© Журба Д.В., Журба В.М., Вейко В.П., Пуйша А.Э., 2024