劉洋,邢一鳴,蔡政,徐莫臨
(沈陽浩博集團有限公司,遼寧 沈陽 110122)
硅鋼是一種硅鐵軟磁合金,含硅為1.0%~4.5%,含碳量極低,小于0.08%。由于硅鋼的生產(chǎn)工藝窗口窄、工藝復雜,被譽為鋼鐵產(chǎn)品中的工藝品。硅鋼具有導磁率高、電阻系數(shù)大等特點,在磁性材料領(lǐng)域中大量應用,是一種重要的節(jié)能金屬功能材料[1-3]。硅鋼在經(jīng)過冷軋?zhí)幚碇螅枰褂妹撝瑒┤コ摪灞砻嫔系奈廴疚?,如果不能將污染物去除干凈,會對硅鋼后續(xù)的生產(chǎn)造成極大的影響。這些污染物主要為油污、鐵粉和二氧化硅等雜質(zhì),這些雜質(zhì)往往會在爐底輥表面結(jié)瘤,會造成硅鋼表面劃傷,從而影響鋼板表面質(zhì)量。此外,鋼板表面殘留的雜質(zhì)在退火過程中會發(fā)生碳化,形成碳質(zhì)污斑,污染爐內(nèi)氣氛,引起增碳現(xiàn)象,降低脫碳效率,最終影響硅鋼產(chǎn)品的性能[4-5]。因此,使用脫脂劑將硅鋼板表面的污染物去除干凈至關(guān)重要。
脫脂劑按種類可以分為溶劑型和水基型,在1980 年以前,普遍采用溶劑型脫脂劑,溶劑型脫脂劑清洗效果好,但是主體成分為有機溶劑,屬于易揮發(fā)、易燃易爆危險品,不僅污染了環(huán)境,又對操作人員造成身體毒害作用[6]。各國于1987 年簽署了蒙特利爾議定書,禁止含氟溶劑和可揮發(fā)溶劑的使用[7]。1980 年之后,得利于表面活性劑的發(fā)展,水基型脫脂劑發(fā)展迅速,在金屬表面清洗的應用變得越來越廣泛。表面活性劑的引入,極大提高了水基型脫脂劑的脫脂率,通過吸附、乳化和分散等作用達到去除油污和雜質(zhì)的目的[8-9]。
硅鋼板表面殘留大量的二氧化硅雜質(zhì),為了提高清洗的效率,脫脂劑中需要加入的堿液。氫氧化鈉可緩慢地與二氧化硅發(fā)生反應生成硅酸鈉,提高溫度和氫氧化鈉濃度有利于提高硅酸鈉的生成速率,一方面可以抑制硅酸鈉水解過程的發(fā)生,避免二氧化硅沉淀,另一方面使游離的二氧化硅膠溶過程容易發(fā)生,可以提高體系的溶解性[10]。堿液也是發(fā)生皂化反應的主要物質(zhì),可以有效提高油污去除率,高濃度的堿液更有利于油污的去除,但是表面活性劑通常耐堿性不好,容易在強堿的工作液中析出,影響硅鋼板的清洗效果[11-12]。
脫脂清洗常用的方法有浸泡脫脂和噴淋脫脂。浸泡脫脂是將硅鋼板浸入脫脂劑中,在60~90 ℃下浸泡一段時間,鋼板上的油污和雜質(zhì)在表面活性劑的作用下發(fā)生剝離、乳化、皂化等現(xiàn)象。噴淋脫脂則是使用高壓水流沖擊鋼板表面,由于水流的沖擊作用,脫脂劑對鋼板進行脫脂的過程得到強化。與浸泡脫脂相比較,噴淋脫脂使用脫脂劑的量較少,脫脂清洗的效果較好,但是在噴淋過程中,噴射的水流對工作液的沖擊作用,會產(chǎn)能大量的泡沫[13]。使用消泡劑可以快速消除工作液液面的泡沫,但由于復配穩(wěn)定性差,產(chǎn)品配制時需要添加大量增溶劑,增加產(chǎn)品原料成本。工作液在使用過程中,消泡劑容易析出甚至堵塞噴頭[14]。因此,本研究研發(fā)了一種新型高效低泡耐堿脫脂劑,對其應用性能做了比較全面的分析。
軋制油和硅鋼板(取自加工現(xiàn)場),硅鋼板制作成尺寸為120 mm×80 mm 的樣片,在硅鋼板頂部中央位置打孔;耐堿復合活性劑,實驗室自制;氫氧化鈉。
羅氏泡沫儀、表面張儀、pH 計、自制噴淋機、烘箱。
先對耐堿復合活性劑進行檢測,其中耐堿性的檢測方法為:取0.2 g 復合表面活性劑加到14.8 g 去離子水中,充分溶解后再加入5 g NaOH 固體。攪拌觀察溶液溶解情況,若溶液為澄清、不析出,表明該復合表面活性劑在質(zhì)量分數(shù)為25%的NaOH 水溶液中穩(wěn)定,繼續(xù)加少量NaOH 至溶液剛好渾濁,不再清澈。渾濁前加入NaOH 的量即為該復合表面活性劑的耐堿上限[15]。復合活性劑的各項指標如 表1 所示。
表1 復合活性劑指標
由表1 可知,其耐堿性可以達到320 g·L-1,完全滿足生產(chǎn)現(xiàn)場工藝使用需求(脫脂劑堿液質(zhì)量濃度要求達到250 g·L-1)。將復合活性劑與25%的堿液配制成脫脂劑GQ-31,進行應用性能的研究。
將3%質(zhì)量分數(shù)的脫脂劑GQ-31 水溶液和油加入具塞量筒中,上下?lián)u動5 次,靜置1 min,然后搖動5 次,再次靜置1 min,重復此操作5 次,第五次搖動后,保持直立并記錄水量達到10 mL 的時間。實驗用油選擇大豆油和機械油,將進口脫脂劑與GQ-31 做平行對比,結(jié)果如圖1 所示。時間越長說明乳化性能越好,脫脂劑GQ-31 對大豆油和機械油乳化性良好,略優(yōu)于進口脫脂劑。
圖1 脫脂劑乳化能力對比圖
硅鋼脫脂溫度可達70~80 ℃,為了試驗脫脂劑的熱穩(wěn)定性,將脫脂劑GQ-31 與進口脫脂劑在95 ℃條件下分別恒溫不同時間,觀察溶液外觀,并測試表面張力,結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出,脫脂劑GQ-31 具有良好的高溫穩(wěn)定性。
圖2 脫脂劑經(jīng)不同時間高溫處理后的表面張力
用脫脂劑和去離子水配制成1%的水溶液作為發(fā)泡液,使用羅氏泡沫儀(ROSS-Miles 法)進行測試,測試溫度范圍為40~70 ℃,記錄60 s 時的泡沫高度,研究溫度對泡沫高度的影響,如圖3 所示。
圖3 不同溫度對脫脂劑泡沫高度的影響
由圖3 可知,隨著溫度的升高,進口脫脂劑泡沫高度逐漸降低,而脫脂劑GQ-31 的泡沫高度變化不大,兩者泡沫高度數(shù)值較低,體現(xiàn)出良好的低泡性能。
配制3%質(zhì)量分數(shù)的工作液(脫脂劑3.2 kg、水107 kg)開啟循環(huán)泵,升溫至70 ℃。采用噴淋機進行噴淋實驗,選取3 塊帶有軋制油的硅鋼板,分別放入噴淋機清洗15 s,然后放入脫鹽水中清洗,取出,吹風機吹干后放入110 ℃烘箱3 h。
采用稱重法評價脫脂劑對硅鋼板的清洗效果:將潔凈的硅鋼板在分析天平上稱重為M1,稱量過的硅鋼板在常溫下均勻涂抹軋制油,然后掛于試片架上瀝干24 h,刮去鋼板底部聚集的油滴后稱重為M2,經(jīng)脫脂清洗干燥后的硅鋼板稱重為M3。除油率計算公式為:
經(jīng)噴淋機清洗后的硅鋼板表面水幕連續(xù),除油率如表2 所示。除油率達到90%以上,就能說明除油效果良好。由表2 可知,2 個樣品脫脂劑除油效率均達到98%以上,其中脫脂劑GQ-31 除油性能略好于進口脫脂劑。
表2 脫脂劑的除油效果
1)脫脂劑GQ-31 具有優(yōu)良的乳化性、高溫穩(wěn)定性和低泡性,可以滿足硅鋼生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝要求。
2)脫脂劑GQ-31 具有高效的除油效果,除油率可以達到進口脫脂劑水平。