eng
Выпуск #6/2024
Д. В. Журба, В. М. Журба, В. П. Вейко, А. Э. Пуйша
Исследование процесса лазерной очистки металлопроката от окалины
Исследование процесса лазерной очистки металлопроката от окалины
Просмотры: 1191
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.436.449
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.
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.
Теги: лазерная очистка микросекундная длительность воздействия непрерывный иттербиевый волоконный лазер прокатная окалина термомеханическое разрушение окалины
Исследование процесса лазерной очистки металлопроката от окалины
Д. В. Журба, В. М. Журба, В. П. Вейко, А. Э. Пуйша
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ООО «НПП ВОЛО», Санкт-Петербург, Россия
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.
Ключевые слова: лазерная очистка, непрерывный иттербиевый волоконный лазер, микросекундная длительность воздействия, прокатная окалина, термомеханическое разрушение окалины
Статья поступила: 23.05.2024
Статья принята: 01.07.2024
Введение
Удаление оксидных слоев с поверхности металлов – актуальная проблема для металлообрабатывающей промышленности. Наиболее востребованной и в то же время наиболее сложной задачей здесь является удаление оксидных слоев с поверхности горячекатаных углеродистых сталей (прокатной окалины). Прокатная окалина не защищает сталь от коррозии, а в ряде случаев приводит к ускорению коррозионных процессов, что сокращает срок службы изделий из металлопроката [1–4], поэтому поверхность стали во всех случаях требуется от нее очищать.
К настоящему времени наиболее распространены различные способы механической или химической очистки металлических поверхностей от окалины. К механическим методам очистки относятся дробеструйная и пескоструйная обработки, шлифование абразивными щетками и другие. К химическим относятся травление в соляно-кислотных, сернокислых и азотнокислых ваннах или в щелочах, в том числе с применением электролиза [5].
Существенными недостатками данных способов являются: недостаточная степень очистки, повреждение поверхности металла, а также негативное влияние на персонал и окружающую среду, связанное с использованием опасных расходных материалов, реактивов, образованием побочных продуктов (песчаной пыли и пыли окалины, паров кислот, отработанных травильных растворов, загрязненного шлама и др.), которые необходимо утилизировать. В связи с необходимостью улучшения условий труда и безопасности для окружающей среды производств на данные способы накладываются серьезные ограничения.
Все более широкое применение для удаления различных загрязнений, в частности оксидных слоев с поверхности металлов, находят лазерные источники. Лазерная очистка уже зарекомендовала себя как безопасный для окружающей среды и удобный в использовании способ удаления загрязнений, отличающийся бесконтактностью, отсутствием расходных материалов и инструментов, низкими эксплуатационными затратами, принципиальной возможностью удалять любые типы загрязнений и рядом других преимуществ, связанных с применением лазерного излучения с высокой плотностью мощности [6–12].
В последнее десятилетие наибольшее распространение получила технология лазерной очистки, основанная на испарении материала загрязнения наносекундными импульсами с высокой плотностью мощности (>107 Вт / см2). Применение иттербиевых импульсных 100–200 нс волоконных лазерных источников оправдывается универсальностью их использования: остросфокусированный лазерный импульс позволяет удалить практически любое загрязнение с поверхности большинства материалов [6–9, 13–15]. Короткая длительность импульса также позволяет минимизировать воздействие на основной материал, в металлах зона термического воздействия и оплавления ограничивается единицами микрон. Однако испарение оксидных слоев и особенно окалины – весьма энергоемкий процесс. Поэтому импульсная лазерная очистка прокатной окалины с поверхности горячекатаной стали характеризуется низкой производительностью [13, 14].
Использование непрерывного лазера позволяет варьировать такие параметры обработки, как длительность воздействия, плотность мощности и энергии в широких диапазонах. Поэтому представляется перспективным исследовать и реализовывать различные механизмы удаления загрязнений, в том числе не связанные испарением, с помощью непрерывных лазеров. Очистка металлопроката излучением непрерывных лазеров за счет испарения на практике трудно реализуема. Нагрев тонкого слоя окалины до температуры кипения также приводит к значительному нагреву стали. В результате поверхность стали оплавляется, и на ней формируется новый слой окалины [16]. Столь сильный нагрев приведет не только к повреждению поверхности, но и к значительным термическим деформациям всего изделия. Поэтому для производительной лазерной очистки металлопроката (и конструкций из него) от окалины необходимо искать более эффективные механизмы разрушения и удаления окалины, не требующие высокотемпературного нагрева. В этом направлении наиболее перспективно исследование механизмов разрушения окалины за счет термических напряжений. Преимущества лазерного источника тепла очевидны: высокая плотность мощности позволяет в течение нескольких десятков микросекунд нагреть слой окалины на всю толщину, а в отсутствии излучения практически также быстро охладить ее за счет теплопроводности и отвода тепла в металлическую основу.
В данной работе обосновывается возможность удаления прокатной окалины за счет термомеханического разрушения при ее нагреве излучением непрерывного волоконного иттербиевого лазера и осуществляется поиск и оптимизация режимов воздействия, вызывающих термомеханическое разрушение прокатной окалины на тонколистовом прокате углеродистой стали ст3сп. Температура нагрева окалины в этом процессе не превышает температуры ее плавления, а разрушение и удаление фрагментов окалины происходит в твердом фазовом состоянии за счет растягивающих термических напряжений и уменьшения адгезии при формировании вюстита. Нагрев до температуры разрушения окалины происходит лишь в ее собственном слое. Поверхность стали не претерпевает существенного термического влияния. Лазерное разрушение окалины за счет термонапряжений является менее энергозатратным процессом, чем лазерное испарение.
Структура и процесс формирования прокатной окалины
Окалина на поверхности сталей – оксидный слой (черного, сизого или темно-красного цвета) формируется в результате термической обработки сталей в окислительной атмосфере, например при прокатке. В общем случае при температуре нагрева стали выше 570 °С окалина состоит из вюстита (FeO), магнетита (Fe3O4) и гематита (Fe2O3) [17, 18]. Прокатная (или воздушная) окалина образуется на поверхности сталей на заключительной стадии получения проката, при охлаждении после последней клети прокатного стана. Конечный вид и состав прокатной окалины зависит от температуры в конце прокатки и температуры смотки в рулоны, скорости охлаждения перед смоткой и скорости охлаждения рулона, состава атмосферы, наличия водяных паров и множества других факторов [1, 18–21].
На железе образуются оксиды, удельный объем которых больше объема металла, поэтому окалина является пористой и хрупкой. Окалина может состоять из различных оксидных слоев, которые различаются теплофизическими свойствами. При высокотемпературном нагреве в печах на стали формируется трехслойная окалина, нижним слоем которой является вюстит [22]. При высокой температуре вюстит становится пластичным. При температурах выше 1 250 °С сопротивление сдвигу в слое вюстита становится близким к нулю. Поэтому при высокой температуре характерна уменьшенная величина адгезии окалины к поверхности металла [19]. Различия коэффициентов теплового расширения слоев окалины и металла, а также снижение адгезии при формировании вюститного слоя являются предпосылками для разрушения окалины при нагреве и быстром охлаждении.
Данный эффект с успехом используется на прокатном производстве при гидросбиве печной окалины, имеющей классическую трехслойную структуру. Однако гидросбив хорошо работает при толщинах окалины более 1 мм и при высокотемпературном нагреве всей заготовки. В данном случае струя воды эффективно охлаждает слой окалины, тогда как основной металл остается горячим. За счет возникающих в слое окалины напряжений среза, а также дополнительной кинетической энергии струи воды происходит разрушение и отрыв корки окалины [23].
В отличие от печной окалины, формирующейся при постоянной высокой температуре и состоящей в основном из вюстита и тонкого верхнего слоя магнетита, прокатная окалина формируется на готовом прокате при постоянно снижающейся температуре. Температура в конце процесса проката (на выходе из чистовой клети проката) обычно ниже 900 °C. Листы быстро охлаждают до температуры смотки и сматывают в рулоны, которые оставляют остывать на воздухе. Доступ воздуха к поверхности смотанного в рулон листа ограничен, и окисление стали замедляется. За счет меньшего времени высокотемпературного окисления толщина формирующейся прокатной окалины не превышает нескольких десятков микрон. Длительное остывание проката с прокатной окалиной при температурах выше 570 °C приводит к формированию окалины, состоящей в основном из магнетита, при температурах ниже 570 °C – в окалине исходный вюстит распадается по эвтектоидной реакции на магнетит и металлическое железо. Если смотка листов происходит при более низкой температуре, а охлаждение рулонов происходит достаточно быстро, то в прокатной окалине сохраняется большое количество вюстита и такая окалина легче удаляется. Однако, как правило, охлаждение рулонов происходит медленно и в окалине основной составляющей является магнетит или продукт эвтектоидной реакции распада вюстита [20, 21, 24–28]. Схема формирования различных видов прокатной окалины показана на рис. 1. Тонкая пленка прокатной окалины получается более однородной по своим свойствам и более пластичной, чем классическая печная окалина. Такая окалина не имеет выраженной слоистости, обладает высокой адгезией со сталью и хорошо сопротивляется механическому воздействию [23].
Чтобы реализовать механизмы разрушения прокатной окалины за счет внутренних напряжений, необходимо увеличить интенсивность нагрева и охлаждения. Известно, что при поверхностном нагреве стали с прокатной окалиной токами высокой частоты и дополнительном механическом воздействии (ударами пьезокерамических микровибраторов) происходит ее разрушение и достигается эффект очистки. Увеличение пластичности вюстита при нагреве способствует разрушению окалины при дополнительном механическом воздействии [29]. Однако интенсивности нагрева и охлаждения при использовании индукционного нагрева недостаточно для эффективной очистки. Также данный способ не подходит для очистки тонколистового проката из-за существенного перегрева листа стали и его коробления.
Учитывая структуру окалины и процесс ее формирования, был сделан вывод о необходимости исследования механизмов разрушения и удаления окалины за счет интенсивного локального лазерного нагрева ее на всю глубину и последующего охлаждения за счет теплопроводности. В результате нагрева окалины свыше 570 °C из механической смеси магнетита и металлического железа формируется вюстит. Во время охлаждения при температуре ниже 570 °C вюстит вновь распадается на магнетит и металлическое железо. Высокие градиенты температур при циклическом нагреве и охлаждении и различные линейные коэффициенты расширения фаз окалины и стали формируют напряжения в слое окалины [29, 30]. В результате совокупность физико-химических и термомеханических механизмов при лазерном нагреве позволяет разрушить и удалить исходный слой окалины. Так как температура нагрева поверхности стали существенно ниже температуры ее плавления, то при этом не происходит ее повреждения и окисления [31].
Описание образцов
Исследование процесса очистки прокатной окалины выполнялось на образцах горячекатаного проката толщиной 5 мм марки стали Ст3сп, содержащей от 0,14% до 0,22% углерода. Сталь данной марки широко применяется в промышленности. Поверхность листов в состоянии поставки покрыта равномерной тонкой окалиной темно-синего цвета без видимых невооруженным глазом дефектов проката. Перед лазерной очисткой поверхность образцов не подвергалась предварительной подготовке. Измерение толщины окалины выполнено на поперечном шлифе листа с помощью оптического микроскопа. Как видно на микрофотографии (рис. 2), толщина окалины составляет около 15–20 мкм.
На микрофотографии также видны окисленные области стали под основным темным слоем окалины. Образование данных областей, вероятно, связано с дефектами проката [32] или с внутренним окислением стали и формированием внутреокисленного переходного слоя на границе сталь-окалина [33].
Схемы обработки окалины непрерывным лазером
В исследовании использовался непрерывный волоконный иттербиевый лазер YLR‑2000-MM-WC с длиной волны λ = 1,06 мкм мощностью 2 кВт. Использовались две различные оптические сканирующие системы: круговая и линейная (рис. 3). Получаемые с помощью соответствующих оптических сканирующих систем окружность или линия перемещались прямолинейно для формирования сплошной области обработки. Рассматриваемый способ сканирования поверхности металлов линейно перемещающейся окружностью для выполнения очистки был предложен в патенте [34].
Основными переменными параметрами воздействия являлись плотность мощности, длительность воздействия и коэффициент перекрытия фигур сканирования. Плотность мощности и длительность воздействия зависят от параметров сканирующих систем: диаметра волокна, увеличения оптической системы, скорости сканирования лазерного пучка. Коэффициент перекрытия зависит также от скорости линейного перемещения фигуры сканирования.
Для круговой сканирующей системы область лазерной обработки формируется наложением колец, образованных при круговом сканировании, центр которых смещается при линейном движении сканирующей головки. Образующаяся полоса сканирования состоит из колец, наложенных друг на друга с некоторым перекрытием. Коэффициент перекрытия между соседними кольцами зависит от размера пятна, частоты вращения пятна и линейной скорости перемещения сканирующей головки. При данном способе сканирования коэффициент перекрытия и суммарная доза облучения увеличивается в поперечном направлении, от центра к краю полосы сканирования. Поэтому пороговые удельные энергетические дозы облучения Е, необходимые для получения требуемого эффекта воздействия (ниже – дозы облучения), определяются по значениям Е и результату обработки в центральной области полосы воздействия. Исследование режимов очистки выполнялось при коэффициенте перекрытия колец по центру полосы сканирования 50%.
Линейная сканирующая система формирует область обработки в виде сплошной зигзагообразной полосы. Коэффициент перекрытия звеньев в центре максимальный и уменьшается в два раза к вершинам звеньев. Пороговые значения дозы облучения Е (Дж / см2), необходимой для разрушения и удаления окалины, определялись для центральной области обработки. Исследование режимов очистки выполнялась при коэффициенте перекрытия по центру полосы 50%.
Исследование термомеханического разрушения окалины под действием
лазерного излучения
Выполним оценку параметров для прогрева окалины на глубину 15 мкм излучением непрерывного иттербиевого волоконного лазера. Толщина слоя магнетита, в котором поглощается лазерное излучение с длиной волны 1,06 мкм, составляет всего 230 нм (показатель поглощения 4,4 ∙ 104 см−1) [35]. Теплопроводность магнетита составляет 1,8 ∙ 10−6 м2 / с (определяется по формуле 1). Коэффициент отражения магнетита на длине волны 1,06 мкм составляет 0,14 [35].
α = == 1,8 · 10−6 м2 / с, (1)
где k – теплопроводность, ρ – плотность, с – теплоемкость, (значения теплофизических величин взяты из [36]).
Необходимую длительность нагрева можно оценить как:
t = == 125 мкс, (2)
где h – толщина окалины, a – теплопроводность окалины.
По формуле (3) оценивается плотность мощности лазерного излучения, при которой в центре пятна температура поверхности окалины достигнет заданной температуры, в данном случае температуры плавления магнетита Тпл = 1 597 °С [30]. В приведенной ниже оценке используется формула для импульсного нагревания в течение времени t = h2 / a, которое реализуется при сканировании непрерывного пучка со скоростью Vск. При этом принимается приближение равномерного распределения плотности мощности по пятну с характерным размером d, так что: t = d / Vск, откуда можно найти требуемую скорость сканирования [37]. Начальная температура образца принимается равной 20 °С.
q ==≈
≈ 57,4 кВт / с2, (3)
где k – теплопроводность магнетита, R – коэффициент отражения магнетита на длине волны 1,06 мкм.
Экспериментально найдены режимы лазерного воздействия, приводящие к разрушению и удалению прокатной окалины в твердом фазовом состоянии. Переменными параметрами режимов являлись: плотность мощности, длительность воздействия и число воздействий.
Если в исследуемом режиме достигается эффект удаления окалины, то для него определялось число воздействий (на практике, скорость сканирования) и удельная энергетическая доза Е всех воздействий (Дж / см2) (пороговая энергетическая доза очистки), необходимые для удаления окалины. Пороговая плотность энергии очистки является критерием эффективности исследуемого режима. Чем она ниже, тем энергоэффективнее данный режим и тем выше может быть достигнута производительность очистки.
Критерием разрушения и удаления окалины считалось разрушение и отслоение верхней составляющей. При этом внешний вид поверхности менялся с глянцевого на матовый. На рис. 4 приведена микрофотография поверхности образца (а), микропрофиль поверхности (b) и микрофотография отделившихся частиц окалины (в). Параметры лазерной обработки: плотность мощности 100 кВт / см2, длительность воздействия 150 мкс, суммарная энергетическая доза обработки 90 Дж / см2. На данном образце примерно половина поверхности освобождена от исходной окалины. Удаление окалины происходит в виде фрагментов продольные размеры которых существенно превышают поперечный.
Качественно процесс удаления окалины был описан в результате проведения следующего эксперимента. Для длительности воздействия 150 мкс выполнялась обработка с плотностями мощности в диапазоне: 35–350 кВт / см2. При плотности мощности 35 кВт / см2 (доза однократного воздействия 5,3 Дж / см2) не было получено эффекта удаления окалины. При плотности мощности 350 кВт / см2 (доза однократного воздействия 52,8 Дж / см2) окалина переплавляется, и эффективность термомеханического разрушения снижается. Для режимов обработки, приводящих к удалению окалины, была построена зависимость пороговой энергетической дозы очистки от энергетической дозы одного воздействия (рис. 5). Полученные результаты показывают, что доза однократного воздействия 13,2 Дж / см2 находится вблизи оптимального значения.
На круговой (рис. 6) и линейной (рис. 7) системах сканирования были получены зависимости пороговой энергетической дозы очистки от длительности воздействия для определенных уровней плотности мощности. При превышении необходимой длительности воздействия при данной плотности мощности происходит расплавление окалины, и падает эффективность ее удаления. При недостаточной длительности воздействия окалина может растрескиваться, но не удаляется.
Из полученных графиков видно, что при увеличении плотности мощности уменьшается оптимальная длительность воздействия. Оптимальные уровни плотности мощности находятся в диапазоне 70–250 кВт / см2, при этом длительность воздействия необходимо выбирать из диапазона 280–80 мкс. При плотностях мощности выше 300 кВт / см2 наблюдается оплавление окалины: чем выше плотность мощности, тем менее эффективно термомеханическое разрушение и большему нагреву подвергается поверхность стали.
При длительности воздействия около 100 мкс обеспечивается прогрев окалины на всю ее толщину. Во время циклического нагрева и охлаждения в слое окалины происходят фазовые преобразования, и формируются остаточные растягивающие напряжения.
В результате окалина растрескивается на отдельные чешуйки, которые в процессе лазерной обработки теряют адгезию с поверхностью и удаляются. Разрушение окалины происходит в слое окалины, а не по границе сталь-окалина, поэтому на поверхности стали может оставаться тонкий разрыхленный слой окалины. Остаточный слой может быть эффективно удален в испарительном режиме импульсным наносекундным волоконным лазером. Энергетическая доза финишной очистки импульсами длительностью 200 нс и энергией в импульсе 0,5–1 мДж составляет около 20 Дж / см2.
Заключение
В работе экспериментально продемонстрирована возможность удаления прокатной окалины толщиной около 15 мкм, состоящей в основном из магнетита, в твердом фазовом состоянии за счет термомеханического разрушения излучением непрерывного волоконного лазера.
Разрушение окалины при обработке непрерывным лазером при плотностях мощности и длительностях воздействия ниже пороговых, вызывающих испарение, связано с растягивающими напряжениями и термохимическими преобразованиями в структуре окалины. Преобразование смеси магнетита и металлического железа в вюстит приводит к снижению адгезии модифицированной окалины и, вероятно, способствует формированию трещин вдоль плоскости окалины. Интенсивное охлаждение нагретой окалины после окончания лазерного воздействия приводит к возникновению растягивающих напряжений, которые формируют трещины поперек плоскости окалины и при достаточном разупрочнении окалины приводят, в итоге, к отслоению частиц окалины. На поверхности металла остается разупрочненный рыхлый тонкий слой окалины, который может быть легко удален с помощью лазера в испарительном режиме.
При исследовании образцов горячекатаной стали на границе сталь – окалина был обнаружен переходный слой, который образовался путем внедрения в металлическую матрицу частиц окалины при прокатке или из-за внутреннего окисления стали. В данном слое заложены условия для протекания коррозионных процессов при взаимодействии его с воздухом. В некоторых случаях удаление слоя окалины может оказаться недостаточным для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости поверхностей металлоизделий. Поэтому в дальнейшем необходимо исследовать проблему удаления данного переходного слоя.
Литература
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
Lu Y., Yang L., Wang Y. Continuous Wave Fiber Laser. Coatings. 2019; 9:488.
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.
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.
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.
Veiko V., Samohvalov A., Ageev E. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control.Optics and Laser Technologies (JOLT). 2013;54:170–175.
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.
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.
Veiko V. P.. Shakhno E. A. Physical mechanisms of laser surface cleaning, Izvestiya RAS, ser. phys. 2001; 65(4):584–587.
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.
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/www.scientific.net/KEM.504‑506.199.
Ahmadi, D. Oxide Scales Behaviour During Descaling and Hot Rolling. The University of Sheffield, England, June 2019, p. ii.
Grudev A. P. Friction and lubricants in metal pressure treatment: Handbook. – M.: Metallurgy, 1982. 310 p.
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.
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.
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/www.scientific.net/KEM.716.843.
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.
Teplyakov Yu. N. The decay of wustite, which is part of the scale. Bulletin of SUSU. Series: Chemistry. 2009. No.23 (156).
Teplyakov Yu. N. Kinetics of phase formation during the decay of wustite // Bulletin of SUSU. Series: Metallurgy. 2021;1.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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).
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.
Veiko V. P., Petrov A. A., Samokhvalov A. A. Introduction to laser technologies. – St. Petersburg: ITMO Research Institute, 2018.169 p.
АВТОРЫ
Журба Данила Владимирович, аспирант, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург; младший научный сотрудник, ООО «Научно-поизводственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0001-6814-1737
Вклад автора: планирование и проведение экспериментальных исследований, обзор литературы, анализ и описание результатов, подготовка статьи.
Журба Владимир Михайлович, генеральный директор, ООО «Научно-поизводственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», Санкт-Петербург, Россия.
Вклад автора: идея исследования, общее руководство проектом.
Вейко Вадим Павлович, доктор техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Россия.
Вклад автора: научное руководство, помощь в представлении результатов, редактирование статьи.
Пуйша Александр Эдуардович, канд. техн. наук, начальник научно-технического отдела, ООО «Научно-поизводственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», Санкт-Петербург, Россия.
Вклад автора: научная консультация, помощь в редактировании статьи.
Информация
о конфликте интересов
Авторы заявляют, что реальный или потенциальный конфликт интересов между ними отсутствует.
Д. В. Журба, В. М. Журба, В. П. Вейко, А. Э. Пуйша
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ООО «НПП ВОЛО», Санкт-Петербург, Россия
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.
Ключевые слова: лазерная очистка, непрерывный иттербиевый волоконный лазер, микросекундная длительность воздействия, прокатная окалина, термомеханическое разрушение окалины
Статья поступила: 23.05.2024
Статья принята: 01.07.2024
Введение
Удаление оксидных слоев с поверхности металлов – актуальная проблема для металлообрабатывающей промышленности. Наиболее востребованной и в то же время наиболее сложной задачей здесь является удаление оксидных слоев с поверхности горячекатаных углеродистых сталей (прокатной окалины). Прокатная окалина не защищает сталь от коррозии, а в ряде случаев приводит к ускорению коррозионных процессов, что сокращает срок службы изделий из металлопроката [1–4], поэтому поверхность стали во всех случаях требуется от нее очищать.
К настоящему времени наиболее распространены различные способы механической или химической очистки металлических поверхностей от окалины. К механическим методам очистки относятся дробеструйная и пескоструйная обработки, шлифование абразивными щетками и другие. К химическим относятся травление в соляно-кислотных, сернокислых и азотнокислых ваннах или в щелочах, в том числе с применением электролиза [5].
Существенными недостатками данных способов являются: недостаточная степень очистки, повреждение поверхности металла, а также негативное влияние на персонал и окружающую среду, связанное с использованием опасных расходных материалов, реактивов, образованием побочных продуктов (песчаной пыли и пыли окалины, паров кислот, отработанных травильных растворов, загрязненного шлама и др.), которые необходимо утилизировать. В связи с необходимостью улучшения условий труда и безопасности для окружающей среды производств на данные способы накладываются серьезные ограничения.
Все более широкое применение для удаления различных загрязнений, в частности оксидных слоев с поверхности металлов, находят лазерные источники. Лазерная очистка уже зарекомендовала себя как безопасный для окружающей среды и удобный в использовании способ удаления загрязнений, отличающийся бесконтактностью, отсутствием расходных материалов и инструментов, низкими эксплуатационными затратами, принципиальной возможностью удалять любые типы загрязнений и рядом других преимуществ, связанных с применением лазерного излучения с высокой плотностью мощности [6–12].
В последнее десятилетие наибольшее распространение получила технология лазерной очистки, основанная на испарении материала загрязнения наносекундными импульсами с высокой плотностью мощности (>107 Вт / см2). Применение иттербиевых импульсных 100–200 нс волоконных лазерных источников оправдывается универсальностью их использования: остросфокусированный лазерный импульс позволяет удалить практически любое загрязнение с поверхности большинства материалов [6–9, 13–15]. Короткая длительность импульса также позволяет минимизировать воздействие на основной материал, в металлах зона термического воздействия и оплавления ограничивается единицами микрон. Однако испарение оксидных слоев и особенно окалины – весьма энергоемкий процесс. Поэтому импульсная лазерная очистка прокатной окалины с поверхности горячекатаной стали характеризуется низкой производительностью [13, 14].
Использование непрерывного лазера позволяет варьировать такие параметры обработки, как длительность воздействия, плотность мощности и энергии в широких диапазонах. Поэтому представляется перспективным исследовать и реализовывать различные механизмы удаления загрязнений, в том числе не связанные испарением, с помощью непрерывных лазеров. Очистка металлопроката излучением непрерывных лазеров за счет испарения на практике трудно реализуема. Нагрев тонкого слоя окалины до температуры кипения также приводит к значительному нагреву стали. В результате поверхность стали оплавляется, и на ней формируется новый слой окалины [16]. Столь сильный нагрев приведет не только к повреждению поверхности, но и к значительным термическим деформациям всего изделия. Поэтому для производительной лазерной очистки металлопроката (и конструкций из него) от окалины необходимо искать более эффективные механизмы разрушения и удаления окалины, не требующие высокотемпературного нагрева. В этом направлении наиболее перспективно исследование механизмов разрушения окалины за счет термических напряжений. Преимущества лазерного источника тепла очевидны: высокая плотность мощности позволяет в течение нескольких десятков микросекунд нагреть слой окалины на всю толщину, а в отсутствии излучения практически также быстро охладить ее за счет теплопроводности и отвода тепла в металлическую основу.
В данной работе обосновывается возможность удаления прокатной окалины за счет термомеханического разрушения при ее нагреве излучением непрерывного волоконного иттербиевого лазера и осуществляется поиск и оптимизация режимов воздействия, вызывающих термомеханическое разрушение прокатной окалины на тонколистовом прокате углеродистой стали ст3сп. Температура нагрева окалины в этом процессе не превышает температуры ее плавления, а разрушение и удаление фрагментов окалины происходит в твердом фазовом состоянии за счет растягивающих термических напряжений и уменьшения адгезии при формировании вюстита. Нагрев до температуры разрушения окалины происходит лишь в ее собственном слое. Поверхность стали не претерпевает существенного термического влияния. Лазерное разрушение окалины за счет термонапряжений является менее энергозатратным процессом, чем лазерное испарение.
Структура и процесс формирования прокатной окалины
Окалина на поверхности сталей – оксидный слой (черного, сизого или темно-красного цвета) формируется в результате термической обработки сталей в окислительной атмосфере, например при прокатке. В общем случае при температуре нагрева стали выше 570 °С окалина состоит из вюстита (FeO), магнетита (Fe3O4) и гематита (Fe2O3) [17, 18]. Прокатная (или воздушная) окалина образуется на поверхности сталей на заключительной стадии получения проката, при охлаждении после последней клети прокатного стана. Конечный вид и состав прокатной окалины зависит от температуры в конце прокатки и температуры смотки в рулоны, скорости охлаждения перед смоткой и скорости охлаждения рулона, состава атмосферы, наличия водяных паров и множества других факторов [1, 18–21].
На железе образуются оксиды, удельный объем которых больше объема металла, поэтому окалина является пористой и хрупкой. Окалина может состоять из различных оксидных слоев, которые различаются теплофизическими свойствами. При высокотемпературном нагреве в печах на стали формируется трехслойная окалина, нижним слоем которой является вюстит [22]. При высокой температуре вюстит становится пластичным. При температурах выше 1 250 °С сопротивление сдвигу в слое вюстита становится близким к нулю. Поэтому при высокой температуре характерна уменьшенная величина адгезии окалины к поверхности металла [19]. Различия коэффициентов теплового расширения слоев окалины и металла, а также снижение адгезии при формировании вюститного слоя являются предпосылками для разрушения окалины при нагреве и быстром охлаждении.
Данный эффект с успехом используется на прокатном производстве при гидросбиве печной окалины, имеющей классическую трехслойную структуру. Однако гидросбив хорошо работает при толщинах окалины более 1 мм и при высокотемпературном нагреве всей заготовки. В данном случае струя воды эффективно охлаждает слой окалины, тогда как основной металл остается горячим. За счет возникающих в слое окалины напряжений среза, а также дополнительной кинетической энергии струи воды происходит разрушение и отрыв корки окалины [23].
В отличие от печной окалины, формирующейся при постоянной высокой температуре и состоящей в основном из вюстита и тонкого верхнего слоя магнетита, прокатная окалина формируется на готовом прокате при постоянно снижающейся температуре. Температура в конце процесса проката (на выходе из чистовой клети проката) обычно ниже 900 °C. Листы быстро охлаждают до температуры смотки и сматывают в рулоны, которые оставляют остывать на воздухе. Доступ воздуха к поверхности смотанного в рулон листа ограничен, и окисление стали замедляется. За счет меньшего времени высокотемпературного окисления толщина формирующейся прокатной окалины не превышает нескольких десятков микрон. Длительное остывание проката с прокатной окалиной при температурах выше 570 °C приводит к формированию окалины, состоящей в основном из магнетита, при температурах ниже 570 °C – в окалине исходный вюстит распадается по эвтектоидной реакции на магнетит и металлическое железо. Если смотка листов происходит при более низкой температуре, а охлаждение рулонов происходит достаточно быстро, то в прокатной окалине сохраняется большое количество вюстита и такая окалина легче удаляется. Однако, как правило, охлаждение рулонов происходит медленно и в окалине основной составляющей является магнетит или продукт эвтектоидной реакции распада вюстита [20, 21, 24–28]. Схема формирования различных видов прокатной окалины показана на рис. 1. Тонкая пленка прокатной окалины получается более однородной по своим свойствам и более пластичной, чем классическая печная окалина. Такая окалина не имеет выраженной слоистости, обладает высокой адгезией со сталью и хорошо сопротивляется механическому воздействию [23].
Чтобы реализовать механизмы разрушения прокатной окалины за счет внутренних напряжений, необходимо увеличить интенсивность нагрева и охлаждения. Известно, что при поверхностном нагреве стали с прокатной окалиной токами высокой частоты и дополнительном механическом воздействии (ударами пьезокерамических микровибраторов) происходит ее разрушение и достигается эффект очистки. Увеличение пластичности вюстита при нагреве способствует разрушению окалины при дополнительном механическом воздействии [29]. Однако интенсивности нагрева и охлаждения при использовании индукционного нагрева недостаточно для эффективной очистки. Также данный способ не подходит для очистки тонколистового проката из-за существенного перегрева листа стали и его коробления.
Учитывая структуру окалины и процесс ее формирования, был сделан вывод о необходимости исследования механизмов разрушения и удаления окалины за счет интенсивного локального лазерного нагрева ее на всю глубину и последующего охлаждения за счет теплопроводности. В результате нагрева окалины свыше 570 °C из механической смеси магнетита и металлического железа формируется вюстит. Во время охлаждения при температуре ниже 570 °C вюстит вновь распадается на магнетит и металлическое железо. Высокие градиенты температур при циклическом нагреве и охлаждении и различные линейные коэффициенты расширения фаз окалины и стали формируют напряжения в слое окалины [29, 30]. В результате совокупность физико-химических и термомеханических механизмов при лазерном нагреве позволяет разрушить и удалить исходный слой окалины. Так как температура нагрева поверхности стали существенно ниже температуры ее плавления, то при этом не происходит ее повреждения и окисления [31].
Описание образцов
Исследование процесса очистки прокатной окалины выполнялось на образцах горячекатаного проката толщиной 5 мм марки стали Ст3сп, содержащей от 0,14% до 0,22% углерода. Сталь данной марки широко применяется в промышленности. Поверхность листов в состоянии поставки покрыта равномерной тонкой окалиной темно-синего цвета без видимых невооруженным глазом дефектов проката. Перед лазерной очисткой поверхность образцов не подвергалась предварительной подготовке. Измерение толщины окалины выполнено на поперечном шлифе листа с помощью оптического микроскопа. Как видно на микрофотографии (рис. 2), толщина окалины составляет около 15–20 мкм.
На микрофотографии также видны окисленные области стали под основным темным слоем окалины. Образование данных областей, вероятно, связано с дефектами проката [32] или с внутренним окислением стали и формированием внутреокисленного переходного слоя на границе сталь-окалина [33].
Схемы обработки окалины непрерывным лазером
В исследовании использовался непрерывный волоконный иттербиевый лазер YLR‑2000-MM-WC с длиной волны λ = 1,06 мкм мощностью 2 кВт. Использовались две различные оптические сканирующие системы: круговая и линейная (рис. 3). Получаемые с помощью соответствующих оптических сканирующих систем окружность или линия перемещались прямолинейно для формирования сплошной области обработки. Рассматриваемый способ сканирования поверхности металлов линейно перемещающейся окружностью для выполнения очистки был предложен в патенте [34].
Основными переменными параметрами воздействия являлись плотность мощности, длительность воздействия и коэффициент перекрытия фигур сканирования. Плотность мощности и длительность воздействия зависят от параметров сканирующих систем: диаметра волокна, увеличения оптической системы, скорости сканирования лазерного пучка. Коэффициент перекрытия зависит также от скорости линейного перемещения фигуры сканирования.
Для круговой сканирующей системы область лазерной обработки формируется наложением колец, образованных при круговом сканировании, центр которых смещается при линейном движении сканирующей головки. Образующаяся полоса сканирования состоит из колец, наложенных друг на друга с некоторым перекрытием. Коэффициент перекрытия между соседними кольцами зависит от размера пятна, частоты вращения пятна и линейной скорости перемещения сканирующей головки. При данном способе сканирования коэффициент перекрытия и суммарная доза облучения увеличивается в поперечном направлении, от центра к краю полосы сканирования. Поэтому пороговые удельные энергетические дозы облучения Е, необходимые для получения требуемого эффекта воздействия (ниже – дозы облучения), определяются по значениям Е и результату обработки в центральной области полосы воздействия. Исследование режимов очистки выполнялось при коэффициенте перекрытия колец по центру полосы сканирования 50%.
Линейная сканирующая система формирует область обработки в виде сплошной зигзагообразной полосы. Коэффициент перекрытия звеньев в центре максимальный и уменьшается в два раза к вершинам звеньев. Пороговые значения дозы облучения Е (Дж / см2), необходимой для разрушения и удаления окалины, определялись для центральной области обработки. Исследование режимов очистки выполнялась при коэффициенте перекрытия по центру полосы 50%.
Исследование термомеханического разрушения окалины под действием
лазерного излучения
Выполним оценку параметров для прогрева окалины на глубину 15 мкм излучением непрерывного иттербиевого волоконного лазера. Толщина слоя магнетита, в котором поглощается лазерное излучение с длиной волны 1,06 мкм, составляет всего 230 нм (показатель поглощения 4,4 ∙ 104 см−1) [35]. Теплопроводность магнетита составляет 1,8 ∙ 10−6 м2 / с (определяется по формуле 1). Коэффициент отражения магнетита на длине волны 1,06 мкм составляет 0,14 [35].
α = == 1,8 · 10−6 м2 / с, (1)
где k – теплопроводность, ρ – плотность, с – теплоемкость, (значения теплофизических величин взяты из [36]).
Необходимую длительность нагрева можно оценить как:
t = == 125 мкс, (2)
где h – толщина окалины, a – теплопроводность окалины.
По формуле (3) оценивается плотность мощности лазерного излучения, при которой в центре пятна температура поверхности окалины достигнет заданной температуры, в данном случае температуры плавления магнетита Тпл = 1 597 °С [30]. В приведенной ниже оценке используется формула для импульсного нагревания в течение времени t = h2 / a, которое реализуется при сканировании непрерывного пучка со скоростью Vск. При этом принимается приближение равномерного распределения плотности мощности по пятну с характерным размером d, так что: t = d / Vск, откуда можно найти требуемую скорость сканирования [37]. Начальная температура образца принимается равной 20 °С.
q ==≈
≈ 57,4 кВт / с2, (3)
где k – теплопроводность магнетита, R – коэффициент отражения магнетита на длине волны 1,06 мкм.
Экспериментально найдены режимы лазерного воздействия, приводящие к разрушению и удалению прокатной окалины в твердом фазовом состоянии. Переменными параметрами режимов являлись: плотность мощности, длительность воздействия и число воздействий.
Если в исследуемом режиме достигается эффект удаления окалины, то для него определялось число воздействий (на практике, скорость сканирования) и удельная энергетическая доза Е всех воздействий (Дж / см2) (пороговая энергетическая доза очистки), необходимые для удаления окалины. Пороговая плотность энергии очистки является критерием эффективности исследуемого режима. Чем она ниже, тем энергоэффективнее данный режим и тем выше может быть достигнута производительность очистки.
Критерием разрушения и удаления окалины считалось разрушение и отслоение верхней составляющей. При этом внешний вид поверхности менялся с глянцевого на матовый. На рис. 4 приведена микрофотография поверхности образца (а), микропрофиль поверхности (b) и микрофотография отделившихся частиц окалины (в). Параметры лазерной обработки: плотность мощности 100 кВт / см2, длительность воздействия 150 мкс, суммарная энергетическая доза обработки 90 Дж / см2. На данном образце примерно половина поверхности освобождена от исходной окалины. Удаление окалины происходит в виде фрагментов продольные размеры которых существенно превышают поперечный.
Качественно процесс удаления окалины был описан в результате проведения следующего эксперимента. Для длительности воздействия 150 мкс выполнялась обработка с плотностями мощности в диапазоне: 35–350 кВт / см2. При плотности мощности 35 кВт / см2 (доза однократного воздействия 5,3 Дж / см2) не было получено эффекта удаления окалины. При плотности мощности 350 кВт / см2 (доза однократного воздействия 52,8 Дж / см2) окалина переплавляется, и эффективность термомеханического разрушения снижается. Для режимов обработки, приводящих к удалению окалины, была построена зависимость пороговой энергетической дозы очистки от энергетической дозы одного воздействия (рис. 5). Полученные результаты показывают, что доза однократного воздействия 13,2 Дж / см2 находится вблизи оптимального значения.
На круговой (рис. 6) и линейной (рис. 7) системах сканирования были получены зависимости пороговой энергетической дозы очистки от длительности воздействия для определенных уровней плотности мощности. При превышении необходимой длительности воздействия при данной плотности мощности происходит расплавление окалины, и падает эффективность ее удаления. При недостаточной длительности воздействия окалина может растрескиваться, но не удаляется.
Из полученных графиков видно, что при увеличении плотности мощности уменьшается оптимальная длительность воздействия. Оптимальные уровни плотности мощности находятся в диапазоне 70–250 кВт / см2, при этом длительность воздействия необходимо выбирать из диапазона 280–80 мкс. При плотностях мощности выше 300 кВт / см2 наблюдается оплавление окалины: чем выше плотность мощности, тем менее эффективно термомеханическое разрушение и большему нагреву подвергается поверхность стали.
При длительности воздействия около 100 мкс обеспечивается прогрев окалины на всю ее толщину. Во время циклического нагрева и охлаждения в слое окалины происходят фазовые преобразования, и формируются остаточные растягивающие напряжения.
В результате окалина растрескивается на отдельные чешуйки, которые в процессе лазерной обработки теряют адгезию с поверхностью и удаляются. Разрушение окалины происходит в слое окалины, а не по границе сталь-окалина, поэтому на поверхности стали может оставаться тонкий разрыхленный слой окалины. Остаточный слой может быть эффективно удален в испарительном режиме импульсным наносекундным волоконным лазером. Энергетическая доза финишной очистки импульсами длительностью 200 нс и энергией в импульсе 0,5–1 мДж составляет около 20 Дж / см2.
Заключение
В работе экспериментально продемонстрирована возможность удаления прокатной окалины толщиной около 15 мкм, состоящей в основном из магнетита, в твердом фазовом состоянии за счет термомеханического разрушения излучением непрерывного волоконного лазера.
Разрушение окалины при обработке непрерывным лазером при плотностях мощности и длительностях воздействия ниже пороговых, вызывающих испарение, связано с растягивающими напряжениями и термохимическими преобразованиями в структуре окалины. Преобразование смеси магнетита и металлического железа в вюстит приводит к снижению адгезии модифицированной окалины и, вероятно, способствует формированию трещин вдоль плоскости окалины. Интенсивное охлаждение нагретой окалины после окончания лазерного воздействия приводит к возникновению растягивающих напряжений, которые формируют трещины поперек плоскости окалины и при достаточном разупрочнении окалины приводят, в итоге, к отслоению частиц окалины. На поверхности металла остается разупрочненный рыхлый тонкий слой окалины, который может быть легко удален с помощью лазера в испарительном режиме.
При исследовании образцов горячекатаной стали на границе сталь – окалина был обнаружен переходный слой, который образовался путем внедрения в металлическую матрицу частиц окалины при прокатке или из-за внутреннего окисления стали. В данном слое заложены условия для протекания коррозионных процессов при взаимодействии его с воздухом. В некоторых случаях удаление слоя окалины может оказаться недостаточным для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости поверхностей металлоизделий. Поэтому в дальнейшем необходимо исследовать проблему удаления данного переходного слоя.
Литература
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
Lu Y., Yang L., Wang Y. Continuous Wave Fiber Laser. Coatings. 2019; 9:488.
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.
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.
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.
Veiko V., Samohvalov A., Ageev E. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control.Optics and Laser Technologies (JOLT). 2013;54:170–175.
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.
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.
Veiko V. P.. Shakhno E. A. Physical mechanisms of laser surface cleaning, Izvestiya RAS, ser. phys. 2001; 65(4):584–587.
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.
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/www.scientific.net/KEM.504‑506.199.
Ahmadi, D. Oxide Scales Behaviour During Descaling and Hot Rolling. The University of Sheffield, England, June 2019, p. ii.
Grudev A. P. Friction and lubricants in metal pressure treatment: Handbook. – M.: Metallurgy, 1982. 310 p.
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.
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.
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/www.scientific.net/KEM.716.843.
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.
Teplyakov Yu. N. The decay of wustite, which is part of the scale. Bulletin of SUSU. Series: Chemistry. 2009. No.23 (156).
Teplyakov Yu. N. Kinetics of phase formation during the decay of wustite // Bulletin of SUSU. Series: Metallurgy. 2021;1.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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).
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.
Veiko V. P., Petrov A. A., Samokhvalov A. A. Introduction to laser technologies. – St. Petersburg: ITMO Research Institute, 2018.169 p.
АВТОРЫ
Журба Данила Владимирович, аспирант, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург; младший научный сотрудник, ООО «Научно-поизводственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0001-6814-1737
Вклад автора: планирование и проведение экспериментальных исследований, обзор литературы, анализ и описание результатов, подготовка статьи.
Журба Владимир Михайлович, генеральный директор, ООО «Научно-поизводственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», Санкт-Петербург, Россия.
Вклад автора: идея исследования, общее руководство проектом.
Вейко Вадим Павлович, доктор техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Россия.
Вклад автора: научное руководство, помощь в представлении результатов, редактирование статьи.
Пуйша Александр Эдуардович, канд. техн. наук, начальник научно-технического отдела, ООО «Научно-поизводственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», Санкт-Петербург, Россия.
Вклад автора: научная консультация, помощь в редактировании статьи.
Информация
о конфликте интересов
Авторы заявляют, что реальный или потенциальный конфликт интересов между ними отсутствует.
Отзывы читателей
