張 剛 齊 郁 劉 俊 李小杰

(武鋼股份質(zhì)量檢驗(yàn)中心 湖北 武漢:430080)

取向硅鋼是一種廣泛應(yīng)用于變壓器鐵芯的金屬功能材料[1]。硅鋼級氧化鎂(MgO),即適用于制造取向硅鋼片的MgO[2]。MgO作為硅鋼的表面涂層,對硅鋼性能影響很大。首先,MgO的作用是作為硅鋼片制造中的高溫退火隔離劑,可使硅鋼片表面形成良好絕緣涂層,提高硅鋼片的絕緣性能,減少硅鋼片的鐵損[3-5];同時(shí),它可以和硅鋼表面的氧化硅形成硅酸鎂的玻璃體絕緣涂層[6];另外,它還能在高溫反應(yīng)中除去硅鋼中硫和磷等雜質(zhì)[7]。

但是,并不是每種氧化鎂都能發(fā)揮上述作用以滿足硅鋼表面涂層的要求,硅鋼級氧化鎂應(yīng)具有它本身特殊的物理化學(xué)性質(zhì)[8-9],如化學(xué)純度、懸浮性能、水化率、活性以及黏結(jié)性等。

除了以上MgO的化學(xué)成分、水化率以及活性等指標(biāo)外,MgO的粒徑也是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)[8]。在硅鋼涂布 MgO的生產(chǎn)工序中,首先是MgO以懸濁液狀態(tài)均勻涂布于帶鋼的上下表面,然后帶鋼卷成鋼卷進(jìn)入高溫退火爐中。MgO必須有一定的粒徑分布才能滿足硅鋼生產(chǎn)工藝要求,保證硅鋼鋼卷在高溫退火處理過程中水分和退火環(huán)境氣體的流通。同時(shí)MgO的粒徑也與活性和水化率指標(biāo)進(jìn)行匹配,保證取向硅鋼的底層和表面質(zhì)量。

目前,對于樣品粒度的分析測量主要是采用激光粒度儀。這類儀器一般有一個(gè)固定的激光光源照射在樣品顆粒上,然后采用一系列的光敏檢測器來測量未知粒徑的顆粒在不同角度(或位置)上的衍射光的強(qiáng)度,最后經(jīng)過信號處理得到樣品顆粒的粒度分布。然而,現(xiàn)有激光粒度儀針對MgO樣品的粒度分析,特別是對于硅鋼級MgO的粒度分析的測量重現(xiàn)性較差,無法確定準(zhǔn)確數(shù)值。因此,亟待需要開發(fā)一種硅鋼級MgO粒度范圍的測量重現(xiàn)性較好的試驗(yàn)方法,滿足現(xiàn)場對MgO粒度和硅鋼生產(chǎn)過程控制的要求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置與試劑

試驗(yàn)選取貝克曼庫爾特LS 13 320激光粒度儀來進(jìn)行顆粒度測試。MgO樣品為生產(chǎn)現(xiàn)場所取,所用水為超純水,無水乙醇為國產(chǎn)分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 分散介質(zhì)

試驗(yàn)中,由于貝克曼庫爾特LS 13 320激光粒度儀本身是以水做為循環(huán)分散體系,故首先嘗試以水來進(jìn)行試驗(yàn)測試。以水作為分散介質(zhì),選取MgO樣品在不同的超聲時(shí)間下進(jìn)行測試。使用超聲儀器進(jìn)行超聲分散,設(shè)置超聲分散的初始時(shí)間為2min,超聲強(qiáng)度為6級(強(qiáng)度最高為7級),直接加入固體氧化鎂粉末至合適的儀器暗淡度進(jìn)行測試。

1.2.2 硅鋼級氧化鎂試樣的處理

準(zhǔn)確稱取0.5g MgO樣品,加入200mL無水乙醇,制備氧化鎂粉末分散于無水乙醇的懸浮液,并且在以無水乙醇作為分散介質(zhì)的條件下,在不同的超聲時(shí)間下進(jìn)行測試。使用超聲儀器進(jìn)行超聲分散,設(shè)置超聲分散的初始時(shí)間為1min,超聲強(qiáng)度為6級(強(qiáng)度最高為7級),加入氧化鎂懸浮液樣品至合適的儀器暗淡度進(jìn)行測試。然后將在上述MgO懸浮液樣品中放入磁力攪拌子,設(shè)定初始攪拌時(shí)間為20min,每間隔5 min測量一次,與超聲分散進(jìn)行對比。

1.2.3 達(dá)到儀器最佳暗淡度的氧化鎂加入量測試準(zhǔn)確稱取7份0.5g MgO固體樣品,分別在每份固體樣品中加入不同體積的無水乙醇溶劑,將固體樣品制成以無水乙醇為介質(zhì)的7份具有不同固含量的懸浮液樣品。對每份懸浮液樣品超聲分散

4min以上,確保團(tuán)聚樣品能被打開分散。然后,將每份懸浮液樣品取不同的體積加入至激光粒度儀中進(jìn)行儀器暗淡度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散介質(zhì)的選擇

圖1為以水溶液為分散介質(zhì)的氧化鎂樣品的平均粒徑值(Xmean,μm)隨超聲時(shí)間的變化圖。

圖1 氧化鎂樣品的平均粒徑值隨超聲時(shí)間的變化

由圖1可以看出,隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,MgO的平均粒徑值不斷減小,隨后平均粒徑值又緩慢增大,這種現(xiàn)象可以由MgO的水化反應(yīng)機(jī)理來解釋。MgO的水化反應(yīng)機(jī)理可描述為:MgO首先吸附周圍的水,進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成氫氧化鎂表面層,這個(gè)表面層并不穩(wěn)定,很快向周圍水中擴(kuò)散,至溶液飽和后形成沉淀析出。因此,隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,MgO的粒徑不斷縮小,試驗(yàn)測試得到的粒徑平均值不斷減小。但是,水化到一定程度后,氫氧化鎂的量逐漸增大,大量氫氧化鎂沉附于水化MgO的周圍,阻止了新氫氧化鎂的擴(kuò)散和水分子進(jìn)入MgO的表面。因此,試驗(yàn)測試得到的粒徑平均值開始緩慢增大。

綜合以上分析可知:MgO在水溶液中有一定的溶解性,使用水溶液進(jìn)行顆粒度分析試驗(yàn)還不能真實(shí)反應(yīng)MgO的顆粒分布,因此,MgO的粒度測試中,分散介質(zhì)不能使用水。

由于MgO不溶于有機(jī)溶劑,我們猜測使用有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)不會出現(xiàn)使用水作為分散介質(zhì)而出現(xiàn)的MgO水化反應(yīng)。故以下試驗(yàn)中均選取容易獲得的、毒性較小的無水乙醇作為MgO樣品的分散介質(zhì)。

2.2 分散方式對于硅鋼級氧化鎂試樣的影響

對直接加入固體氧化鎂粉末樣品的方法,由于直接測試的試樣量較少,因而代表性不強(qiáng),不能全面反應(yīng)樣品的整體粒徑分布情況。因此,需要對氧化鎂粉末樣品進(jìn)行均一化的處理來確保試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.2.1 超聲分散

圖2是以無水乙醇作為分散介質(zhì)的氧化鎂懸浮液樣品顆粒度的平均粒徑值(Xmean,μm)隨超聲時(shí)間的變化圖。

圖2 以無水乙醇作為分散介質(zhì)的氧化鎂懸浮液樣品的平均粒徑值隨超聲時(shí)間的變化

由圖2可以看出,隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,MgO的平均粒徑值比較穩(wěn)定,說明使用無水乙醇溶液作為分散介質(zhì)的氧化鎂懸浮液樣品可以獲得較穩(wěn)定的試驗(yàn)結(jié)果。

此外,從圖2還可以發(fā)現(xiàn),使用超聲儀器進(jìn)行超聲分散4分鐘后,試驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定(此時(shí)試驗(yàn)樣品處于比較均勻分散的狀態(tài))。但是,經(jīng)過長時(shí)間分散后,MgO樣品的平均粒徑值趨于一個(gè)比較穩(wěn)定的分析結(jié)果。究其原因,可能是MgO粉末顆粒還不是很穩(wěn)定,在外界劇烈的碰撞和攪動(dòng)情況下,大的顆粒在經(jīng)受長時(shí)間的外力沖擊后被打碎成更小的顆粒,造成粒徑的試驗(yàn)結(jié)果很小。當(dāng)然,這種粉碎效果是有一定限制的,經(jīng)過長時(shí)間的分散,樣品的平均粒徑穩(wěn)定在1.5μm左右。這同樣給了我們一定的啟示,對MgO樣品長時(shí)間的分散可能會改變樣品本身的狀態(tài),如何找到最恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)條件可能還需借助其它分析儀器做進(jìn)一步的分析。

綜合以上分析可知:由于MgO在無水乙醇溶液中的溶解性很小,使用無水乙醇溶液作為分散介質(zhì),并且使用氧化鎂粉末分散于無水乙醇的懸浮液樣品來進(jìn)行顆粒度分析試驗(yàn)時(shí),只需要4min超聲時(shí)間就能達(dá)到比較好的試驗(yàn)效果,同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定,試驗(yàn)操作方法也比較簡單。

2.2.2 攪拌長時(shí)間分散

圖3為氧化鎂懸浮液樣品顆粒度的平均粒徑值(Xmean,μm)隨磁力攪拌時(shí)間的變化圖。

圖3 以無水乙醇作為分散介質(zhì)的氧化鎂懸浮液樣品的平均粒徑值隨超聲時(shí)間的變化

由圖3可以看出,超聲分散和磁力攪拌分散相比,超聲分散僅用較少的時(shí)間就可以使樣品充分分散,因而超聲分散的分散效率更高,試驗(yàn)的測試步驟更簡單。

2.2.4 氧化鎂加入量對于儀器暗淡度的影響

對貝克曼庫爾特LS 13 320激光粒度儀而言,合適的儀器暗淡度是準(zhǔn)確測量顆粒粒徑的前提。貝克曼庫爾特LS 13 320激光粒度儀最合適的儀器暗淡度是在8%～12%區(qū)域內(nèi),而且儀器暗淡度的波動(dòng)越小越好,即范圍區(qū)間越窄越好。儀器暗淡度與樣品加入量有關(guān),樣品加入量過低,儀器的檢測信號不強(qiáng),背景信號干擾大,測試不準(zhǔn)確;樣品加入量過高,儀器暗淡度過高,體系內(nèi)顆粒對信號的干擾及吸收更多,測試也不準(zhǔn)確。因此,樣品加入量對儀器暗淡度的影響對最終的測試結(jié)果影響很大。

由表1可以看出,將0.5g MgO樣品分散至200mL無水乙醇制得懸浮液樣品,然后將此懸浮液樣品取樣8mL至激光粒度儀,得到的儀器暗淡度為8～9%,不僅介于儀器最佳暗淡度的范圍內(nèi),而且波動(dòng)較小,效果較好。6號樣品和7號樣品得到的儀器暗淡度雖然也為8～9%,但無水乙醇消耗較大,成本較高。

表1

3 結(jié)論

(1)使用激光粒度分析儀對硅鋼級氧化鎂的粒度進(jìn)行測定時(shí),不應(yīng)使用激光粒度儀自帶的水溶液循環(huán)分散介質(zhì),應(yīng)該使用避免MgO發(fā)生水化反應(yīng)的有機(jī)溶劑,如無水乙醇;

(2)加入固體氧化鎂粉末樣品進(jìn)行測定時(shí),應(yīng)該將其制備成分散至無水乙醇的懸浮液,以提高取樣代表性;

(3)將0.5g MgO樣品分散至200mL無水乙醇制得懸浮液樣品,然后將此懸浮液樣品取樣8mL至激光粒度儀,得到的儀器暗淡度為8～9%,不僅介于儀器最佳暗淡度的范圍內(nèi),而且波動(dòng)較小,提高了測試結(jié)果準(zhǔn)確性;

(4)對于分散方式的選擇而言,采用超聲分散優(yōu)于機(jī)械攪拌分散。使用超聲儀器進(jìn)行超聲分散4分鐘后,試驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定。

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