Effect of Selective Oxidation on Temperature Measurements of AHSS with Pyrometry

Le contrôle précis de la température dans les fours de traitement thermique sur les lignes de galvanisation continue est essentiel pour l'obtention des propriétés mécaniques désirées des aciers galvanisés. Des capteurs sans contact, typiquement des pyromètres monochromatiques ou polychromatiques, sont employés pour le contrôle de température. Les mesures de ces instruments sont influencées par l'émissivité du matériau traité, qui est elle-même sensible aux caractéristiques surfaciques comme la rugosité or l'oxydation sélective de surface. Le travail présenté examine l'impact de la composition chimique du métal de base, de la rugosité de surface et de l'oxydation sur l'émissivité spectrale de deux grades d'aciers biphasés (DP) laminés à froid : le DP780 et le DP980. Un cycle de traitement thermique, représentatif du revenu intercritique effectué dans les fours industriels, a été appliqué aux deux alliages à l'aide d'un simulateur de galvanisation continue dans lequel l'atmosphère est composée de 95% N2 et 5% H2, avec un point de rosée de -30°C. Les cycles thermiques ont été interrompus à différents instants et les tôles ont été rapidement refroidies avec de l'azote dans le but d'observer l'évolution de l'oxydation au cours du cycle de revenu intercritique et son impact sur l'émissivité. L'émissivité spectrale des échantillon obtenus a été mesurée à température ambiante et pour des longueurs d'onde entre 0.6 et 25 µm. Les résultats indiquent que l'émissivité spectrale du DP780 varie plus lors du revenu intercritique que celle du DP980. L'émissivité spectrale augmente pour les courtes longueurs d'onde (< 2 µm) et diminue pour les grandes longueurs d'onde (> 2.5 µm) avec la croissance d'oxyde. La différence de comportement provient des différentes interactions physiques entre les ondes électromagnétiques et la surface de l'échantillon, en fonction de l'échelle de la rugosité par rapport à la longueur d'onde de la lumière. Les résultats d'émissivité sont comparés à des observations de la topographie de surface (SEM) et à des profils chimiques (GDOES). Ces mesures montrent que l'oxyde externe est plus visible et plus épais dans le cas du DP780, par rapport au DP980. La différence de composition chimique, et en particulier le rapport Mn/Si peut expliquer ces différences de comportement entre les deux grades d'aciers biphasés. Le point de rosée de l'atmosphère du four de chauffe a été modifié de façon à étudier l'effet de la concentration en oxygène dans l'atmosphère sur l'oxydation et l'émissivité spectrale.

Abstract

Precise steel temperature control in the soaking furnaces within the continuous galvanizing lines is essential for obtaining the desired mechanical properties of galvanized steel. Non-contact sensors, typically single and multi-wavelength pyrometers, are used for temperature control. The readings by these instruments are influenced by the spectral emissivity of the heat treated material, which is sensitive to surface characteristics like roughness or surface selective oxidation. The present work investigates the impact of the chemical composition of the base steel, surface roughness and oxidation, on the steel spectral emissivity and temperature measurements by pyrometry. The study focuses on two grades of cold rolled dual phase (DP) steel: DP780 and DP980. A heat treatment cycle representative of intercritical annealing performed in the industrial furnaces was applied to coupons of both alloys, using a galvanizing simulator in which the atmosphere was composed of 95% N2 and 5% H2, with a dew point of -30. The heat cycles were interrupted at various points and coupons rapidly quenched with nitrogen to observe the evolution of oxidation during the intercritical annealing cycle and its impact on emissivity. The spectral emissivity of the extracted coupons were measured at room temperature for wavelengths between 0.6 and 25 µm. Results indicate that the spectral emissivity of DP780 varies more during intercritical annealing than that of DP980. Spectral emissivity increases at short wavelengths (< 2 µm) and decreases at long wavelengths (> 2.5 µm) with the growth of oxide. The different behavior is explained by different physical interactions between electromagnetic waves and the surface, depending on the roughness length scale compared to the wavelength of light. Spectral emissivity results are compared with topography observations (SEM) and elemental profile measurements (GDOES). These measurements showed that external oxide is more visible and thicker for DP780 compared to DP980. These differences between these two dual phase steel grades originate from the different alloy composition, and especially the Mn/Si ratio. The furnace atmosphere dew point was modified in order to investigate the effect of the atmosphere oxygen concentration on oxidation and spectral emissivity. Changing the dew point from -30°C to 0°C reduces surface oxidation and variations in spectral emissivity during the cycle. The increase in the atmosphere oxygen concentration causes the transition from external to internal oxidation. In the case of DP980, modifying the dew point has little impact on spectral emissivity.