冷轧带钢表面残污物检测方法

　　热镀锌产品由于其广泛的用途,市场需求量非常可观。冷轧带钢作为热镀锌的生产原料,其表面洁净度直接影响后续镀锌产品质量。如果带钢表面清洁度较低,镀锌产品易形成锌粒、锌疤等缺陷,因此冷轧带钢表面洁净度越来越受到重视。提高带钢表面清洁度的研究主要从预清洗和轧制工艺入手,关于清洗效果的描述,涉及工艺技术的保密问题,一般多以结论的形式给出。国外关于表面残污物检测的资料较少,国内外尚无一种通用的检测评定方法,也未曾有人系统地对比研究过各种检测方法。笔者综述了冷轧带钢表面残污物的主要成分及其检测方法,提出了现有残污物检测手段中存在的主要问题及解决途径。

1冷轧带钢表面残污物的组成

　　冷轧带钢表面残污物的组成有以下几种理论:唐定术等将轧后的带钢描述为从基体至表面分别为钢基体、氧化膜层、污垢层和轧制油膜层,清洗的目的是去除轧制油层和污垢层 (含有铁粉等残渣);李九龄等认为残污物由油脂和铁粉等固体颗粒组成;蒋英箴等研究表明残污物为金属碎屑机械夹杂物和油性沾污物;单凯军、李建明等认为在轧制的固液界面存在着物理吸附、化学吸附或是电子交换化学反应等作用。有水存在的情况下,硬脂酸和氧化铁通过相互作用会在固体表面形成一层硬脂酸“金属皂膜”。

　　将带钢表面划分为氧化膜层、污垢层和油膜层,使表面状况形象化、立体化,在进行理论研究时比较方便。但是冷轧带钢表面的实际状况更接近于后面几种理论。

　　在轧制过程中即使有大量乳化液进行冷却,辊缝区形成油膜进行润滑,但是带钢变形的前滑区和后滑区在极大的摩擦力作用下仍然有铁粉从轧辊表面和带钢表面脱落。这些铁粉的存在,一方面增强磨粒磨损,带来更多的铁粉;另一方面增加了表面吸附面积,进而吸附大量轧制油、杂油及其他形式杂质,形成大量表面残污物。而金属皂化膜的形成,主要是在边界润滑条件下氧化亚铁与硬脂酸反应生成硬脂酸铁,其反应式如下:

　　2C₁₇H₃₅COOH+FeO=(C₁₇H₃₅COO)₂Fe+H₂O

　　其中硬脂酸来源于乳化液中的添加剂,氧化亚铁是轧制过程中氧化造成的。由于其反应物来源较少,因此,金属皂膜比率较小。

　　所以,冷轧带钢表面的残污物为油脂、铁粉和非金属固体颗粒物的机械混合物。

2表面洁净度的表征

　　可以用于表征洁净度的物理量较多,从比率角度有洗净率,即清洗后单位面积残污物除以清洗前单位面积残污物的百分率;从污物总量考虑,包括清洗后残污物总量、清洗后残油类总量、清洗后固体颗粒残留总量等等。带钢表面清洁度一般以单位面积残污物总量来衡量,定义为:

　　q=Q₁+Q₂

　　式中:q为带钢表面清洁度,mg/m²;Q1为带钢表面残油量,mg/m²;Q₂为带钢表面残留固体颗粒量,mg/m²。q值0～20为极好,21～50为好,51～100为良好,>100为差。表面清洁度数值越低表明带钢表面越干净。

3表面残污物的检测方法

　　3.1定量检测

　　目前研究冷轧带钢表面残污物的定量方法主要有称量法、有机溶剂浸洗-质量法、滴定法、光谱法等。

　　3.1.1称量法

　　称量法是目前实验室广泛采用的定量检测表面残污物总量的方法。带钢样品经过清洗或是激光照射去除表面残污物,将处理前后的带钢取样后,用高精度天平进行称量,其差值视为钢板表面吸附残污物的质量,包括有乳化液、铁粉、油脂和其它吸附物。

　　表面残污物由式(2)确定:

　　m=(m₁-m₂)/S(2)

　　式中:S为取样带钢面积;m₁,m₂分别为清洗前后的质量。

　　此方法存在以下问题:1)高精度天平量程和内部空间的限制,样品不能太大,但样品过小,残污量的测量值偏差较大;

　　2)天平精度的限制;

　　3)温度、湿度的变化及被测物体与电子天平间的温度差均会对测量结果造成影响。

　　称量法的优点是操作简便,对于表面含污量较大的带钢,能有效反映清洁度。但是针对精度要求更高的情况,比如汽车面板钢板要求表面残污量小于或等于8mg/m²,称量法不能满足要求,可以考虑通过提升电子天平精确度来解决称量法的不足之处。

　　3.1.2有机溶剂浸洗-质量法

　　有机溶剂浸洗-质量法是通过有机溶剂浸洗将表面油脂转移到溶剂中,然后结合天平称量的方法检测带钢表面油脂含量。李蕾等认为利用苯等有机溶剂浸洗钢板, 然后将溶剂蒸发,称取油的质量可以测定钢板面涂油量。此方法应用范围广,不受油品的限制,可测定含油量较高的样品。但只能测定表面含油脂量,不能测定铁粉及其它固体污物含量;如果部分油的沸点低于提取剂,此部分油将损失;此外由于分析时间长,将耗费大量提取剂。

　　3.1.3滴定法

　　曹彩英等在研究中利用三氯化钛-重铬酸钾容量滴定法检测铁含量。主要过程包括,配制三氯化钛溶液、重铬酸钾标准溶液、靛蓝二磺酸钠(靛红)溶液指示剂以及还原滴定等。结果表明,采用此方法只能测定铁元素含量,不能精确区分各种铁单质以及氧化物含量,并且存在操作过程繁琐等问题。

　　3.1.4光谱法

　　光谱法分为发射光谱、吸收光谱、散射光谱以及原子荧光光谱等。吸收光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的。单凯军等利用原子吸收法测定表面残污物中铁的含量。结果表明,原子吸收法第1次清洗处理后,铁含量约占3次清洗铁总量的95%(质量分数)。王海舟等利用石油醚淋洗镀锡板,将淋洗液用紫外光谱法实验,得出板面的涂油量,其相对标准偏差不大于10%。另外,利用四氯化碳溶解带钢样品表面油污,红外分光光度计法也可测量表面油脂含量。

　　发射光谱法是待测元素原子或离子与高能粒子发生碰撞,吸收能量后处于激发态,激发态的原子或离子返回基态时发射出相应的原子或离子谱线,通过对谱线的测定分析元素含量。陶俊等用等离子发射光谱法测定残污物中铁的含量。结果表明,冷轧硬卷表面残污物的测定可靠,数据有效。荧光分光光度法也可用于带钢表面洁净度检测。带钢清洗干净后取样,将荧光染料雾状喷洒于清洗后的带钢样品表面,由于染料能吸附油污,所以使用荧光分光光度计可以检测带钢表面含油量光谱法的优点是测量准确、精度高,可以获得满意的分析结果。但是仍存在以下问题:紫外光谱法需要提供标准物;原子吸收法测定表面铁含量时,是将表面铁微粒转化为三价铁后的数值,与表面实际铁微粒成分不吻合,因此测量值并非表面含铁量的精确值;而且光谱法对仪器设备要求高,不便于推广。

　　以上几种定量测定方法,能够确定带钢表面残污物的范围,包括总污物、铁粉和油脂含量。但是由于操作较复杂,仅适用于实验室研究,离实际生产方便快捷的要求相差甚远。