鋼鉄業界におけるスケール除去：表面清掃と準備技術
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定義と基本概念
スケール除去は、鋼鉄産業における基本的な表面処理プロセスであり、熱または冷鋼の表面から酸化スケール、錆、その他の表面汚染物質を除去することを目的としています。これは、特に熱間圧延、鍛造、または熱処理などの高温プロセス中に鋼の製造中に形成される酸化層の除去を含みます。
スケール除去の主な目的は、コーティング、塗装、溶接、成形などのその後の処理ステップを強化する、クリーンで滑らかで欠陥のない表面を生成することです。表面の酸化物や不純物を除去することにより、スケール除去は鋼の表面品質、耐食性、全体的な性能を向上させます。
鋼の表面仕上げ方法の広範なスペクトルの中で、スケール除去は重要な準備ステップと見なされています。これは、酸洗いやコーティング、研磨などのプロセスに先行し、表面の滑らかさや美的向上ではなく、酸化物の除去に焦点を当てていることが特徴です。スケール除去は、鋼の種類、スケールの特性、および適用要件に応じて、機械的、化学的、または熱的手段で実施できます。
物理的性質とプロセス原理
表面改質メカニズム
スケール除去中、物理的および化学的反応が鋼の表面で発生し、高温処理中に形成された酸化層を除去します。酸化スケールは、主にFeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄などの鉄酸化物で構成されており、冶金的結合により基材に強く付着しています。
機械的スケール除去は、ショットブラスト、研削、またはブラッシングなどの研磨作用を含み、鋼の表面から酸化物粒子を物理的に取り除きます。化学的スケール除去は、酸やその他の反応性溶液を使用して酸化物を化学的に溶解し、洗い流すことができる可溶化合物に変換します。熱的スケール除去は、高温酸化または制御加熱を利用して酸化物の除去を促進します。
マイクロまたはナノスケールでは、これらのプロセスは、クリーンで酸化物のないインターフェースを作成することによって表面を改質します。機械的手法は、次のコーティングのための接着を改善する微細な粗さや表面の不規則性を生成します。化学処理は表面化学を変化させ、酸化物の付着強度を低下させ、より容易な除去を促進します。したがって、鋼基材とその後のコーティングとの間の界面特性は、適切な粗さと化学組成を持つ汚染物質のない反応性表面を確保することによって最適化されます。
コーティングの組成と構造
スケール除去後、表面層は基本的に酸化物や汚染物質がなく、主に鉄または合金成分で構成されたクリーンな金属表面が露出します。化学的スケール除去が使用される場合、鉄塩や酸の残留物などの残留化学種が一時的に残ることがありますが、通常は洗い流され、純粋な金属表面が残ります。
場合によっては、冷却時に薄い保護酸化膜が自然に形成されることがありますが、これは通常、元のスケールと比較して最小限です。処理された表面の微細構造的特性は、次のコーティングの接着にとって重要な、表面の粗さと清浄度の増加によって特徴付けられます。
除去された酸化層の典型的な厚さは、プロセスとスケールの重症度に応じて数マイクロメートル（μm）から数十マイクロメートルまでの範囲です。たとえば、熱間圧延鋼は最大50μmの酸化スケールを発生させることがあり、これはスケール除去中に完全に除去されます。スケール除去後の残留表面粗さは、化学処理での滑らかさ（Ra < 1μm）から、機械的手法での粗い表面（Ra > 3μm）までさまざまです。
プロセス分類
スケール除去は、表面仕上げおよび清掃技術の広範なカテゴリー内で表面準備プロセスとして分類されます。これは、酸洗いやパッシベーション、表面清掃プロセスと一緒にグループ化されることがよくあります。
他の表面改質方法と比較して、スケール除去は主に酸化物の除去に焦点を当てており、表面の滑らかさや美的向上には重点を置いていません。機械的スケール除去は物理的な除去によって区別され、化学的スケール除去は化学反応に依存します。熱的スケール除去は、連続熱間圧延でよく使用され、高温酸化と剥離を含みます。
スケール除去のバリエーションには以下が含まれます：
- 機械的スケール除去：ショットブラスト、研削、ブラッシング
- 化学的スケール除去：酸洗い（塩酸、硫酸、またはリン酸）
- 熱的スケール除去：制御加熱中の高温酸化と剥離
各バリエーションは、鋼の種類、スケールの重症度、および下流プロセスの要件に基づいて選択されます。
適用方法と設備
プロセス設備
機械的スケール除去は、ショットブラスト機械、研削ホイール、またはワイヤーブラシなどの設備を使用します。ショットブラスト機械は、高速で鋼またはセラミックのショットをタービンまたは空気で推進し、表面に衝突させて酸化スケールを効率的に除去します。
化学的スケール除去は、均一な酸接触を確保するために攪拌システムを備えたタンクや浸漬浴を利用します。自動化された酸洗いラインは、酸タンク、洗浄ステーション、中和ユニットを組み込み、しばしば連続処理ラインに統合されています。
熱的スケール除去は、鋼を特定の温度（通常900〜1200°C）に加熱するために設計された炉システム、たとえばウォーキングビーム炉やプッシャータイプの炉を含みます。これらの炉は、酸化物の剥離とスケール除去を促進するために制御された雰囲気を備えています。
設計上の考慮事項には、化学タンク用の耐腐食材料、機械的プロセス用の粉塵および煙の抽出システム、熱的方法のための正確な温度制御が含まれます。高度な設備は、スケール除去の品質と効率を最適化するために、自動化、センサー、およびプロセス