乳化液斑迹的形成机理及控制

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摘要 乳化液斑迹是长期困优冷轧产品的一种表面缺陷，一直得不到根本解决，本文在分析和模拟试脸数据的基础上，分析了乳化液斑迹的成因及形成机理，并提出了控制乳化斑的对策。

关健词 冷轧带钢表面缺陷乳化液班迹

中图分类号：TQ423.92 文献标识码：A

1 引言

乳化液斑迹是一个长期困扰冷轧产品表面质量的问题，自开工以来虽几经攻关，但一直未取得突破、主要是因为未弄清其产生的原因和机理.乳化液斑迹仍是影响带钢表面质量的危敌。为此我再次组织攻关，研究乳化液斑迹的形成机理并在此基础上进一步研究其对策。

2 乳化斑的形成机理

2.1化验分析

2.1.1 斑迹的物理化学检验分析

我们这次攻关重在研究清楚斑迹形成的机理，为此我们课题组做了大量的理化分析试验，以确定乳化液斑迹的成份

(1)电子探针能谱分析

从能谱分析上看，斑迹的主要组成元素是C、0、Fe。其它元素均没有明显的峰值:与此相比，无斑迹但有锈迹的冷轧板表面C含量非常低。

(2) 俄歇(AFS)电子谱定量分析

俄歇电子能谱分析斑迹表面的主要组成元素也是C、0、Fe（98％），这与电子探针分折一致；斑迹表面C元素含量都很高，超过了Fe元素:由表面向钢板内、C元素含量随深度增加而递减，Fe元素随深度增加而递增，我们课题组认为C元素来自油，覆在班迹表面，下面的Fe、O元素为化合态，即氧化铁。

2.2 模拟试验

为进一步研究斑迹形成机理，验证物化检验的结果，课题组进行了一系列模拟试验:

2.2.1 含杂油的乳化液蒸发试验

物理化学分析表明油参与了斑迹形成过程，对于乳化液斑迹来说，油是通过乳化液而进人带钢表面的，因此有必要研究杂油进人乳化液后的挥发特性。蒸发试验以油膜轴承油:液压油：稀油=3：2：1配制成杂油，以N460轧制油为基油配制杂油量分别为, 25%,30%,35%,40%,50%的五种试验油，再分别配制成浓度4%的乳化液，在老化试验箱内分别进行70℃保温18小时及在室温、50℃,80℃,100℃,120℃进行不同时间蒸发两种试验。

试验表明:

·在低温下乳化液中混人杂油后其中水份蒸发速度大大降低；

·在相同温度 相同时问内乳化液中杂油越多蒸发贫越少，成线性关系；

·在试验条件下没有杂油的乳化液中水份可以完全挥发，含有杂油的乳化液不能完全挥发。模拟钢卷卷内乳化液蒸发试验也得出相同的结论。清净轧制油的一个特点就是配制成乳化液后其中的水份可以在低温条件下较快的挥发。如果附在带钢表面的乳化液混有杂油。则油膜下面的水份较难蒸发，要等油挥发之后才能够完全蒸发。在此之前包括存放和低温预热阶段，水份以水蒸汽的状态存在，对铁是强氧化剂，将使带钢局部氧化。

2.2.2 模拟带钢表面斑迹退火试验

将叠层试样用螺栓装订成叠，并在每两片之间的两头各夹一块方形垫片，在中部形成0.7mm的空隙，在方形垫片部位则处子压紧状态。在方形垫片和空隙间分别涂上试验用乳化液，然后在自动温控管式炉中进行模拟退火。

试验表明:

·只有叠层中被压紧部位才产生斑迹。

·产生斑迹的部位在退火前有可见油迹，有油迹被压紧的部位必有斑迹形成。

·在试验条件下，适当延长退火升温各阶段保温时间，可使斑迹减轻、减薄。

·经搅拌均匀、无蒸发期、含不同浓度杂油的各乳化液、在退火中均不产生斑迹。

·经搅拌后经过不同时间静止后在乳化液表面取液进行试验的，叠层中均产生斑迹，静止时间越长斑迹越厚。

2.3 斑迹产生的原因和机理分析

2.3.1 斑迹产生的原因

由理化试验和模拟试验推断带钢表面产生乳化液斑迹的主要原因是由于冷轧带卷进罩式炉前，局部表面存在浓缩乳化液。这种浓缩乳化液以油为主包含少量水份，油层中水份在室温下与铁氧化的速度很低，随着温度升高、氧化的速度迅速增大，若气化成为水蒸汽，则与带钢表面发生强烈的化学反应，不断生成氧化铁。在轧后存放和退火低温预热阶段，氧化铁已经形成。钢卷被加热到油的蒸发温度时，少量油被保护气氛带走，大部分油进入或浮在早己生成的疏松氧化铁上面形成斑迹 。

经调查分析以下三种情况并存容易产生局部浓缩的乳化液:

·板型不良，乳化液易在浪形部侧浓缩。

·带钢表面残留乳化液多，浓度大，提供浓缩乳化液的来源。

·温度高、时间长，温度高浓缩快，时间长浓度高；只有当乳化液浓缩成油状，才会产生斑迹。

这三条都是必要条件，缺一不可。

2.3.2 斑迹形成机理分析

综合各种现代化学方法分析结果，表明带钢斑迹是由氧化铁和油组成，氧化铁分布在斑迹内层，紧靠基体，油分布在斑迹外层，浮在表面。氧化铁和油两种物质之间并未发生化学反应，仅仅是一种混合物。这一认识可以使斑迹机理研究从分别研究油的物理过程和铁的化学反应入手。

（1） 油的物理过程

含有轧制油和杂油的乳化液残留在带钢表面，卷取时积存于由板型缺陷而形成的封闭紧贴区域。在温度和时间的影响下，乳化液中的大部分水份蒸发，形成浓缩乳化液，在退火过程中，由于杂油的混入，延长了油的蒸发时间，故浓缩油开始蒸发时油层中的水份早已成为水热汽，油层阻止水蒸汽蒸发。从而加强了水蒸气与带钢表面的氧化反应，而且在油蒸发结束之前有足够的时问进行氧化反应。另一方面，浓缩杂油总是积存在带卷的封闭紧贴部位。退火时虽经历一个蒸发过程，但一部分油汽被封闭在紧贴部位蒸发不出来，而滞留在疏松的氧化铁层里，与氧化铁一起形成带钢表面的斑迹。

（2） 铁的氧化过程

冷轧罩式炉退火保护气体大部分是高度纯净的95％N＋5％H，流量，进口露点一42，炉内露点一30～40。炉内整体为还原性保护气氛，铁的氧化反应自由能＞0，氧化铁趋向被分解。因此，从整体上看罩式炉退火工艺是光亮退火，不会产生斑迹。

对于某个钢卷局部，即积存浓缩乳化液的紧贴部位。在退火过程中，浓缩乳化液中的水份形成水蒸汽使铁发生氧化反应:

在 570℃ 以上

在 570℃ 以下

水蒸汽使铁氧化在570℃以下生成四氧化三铁，借助氧化热力学来判断反应的方向。反应的吉布斯自由能变化为:

――反应平衡常数

――退火过程中水蒸汽和氢的分压比

就罩式炉整体而言，炉内露点很低，还原气氛强，＞，氧化铁分解被氢气还原。但在积存浓缩乳化液的局部，在退火过程中，浓缩乳化液完全蒸发之前，油层中的水份己处于水蒸汽状态。在那里＜，反应向生成氧化铁方向进行，同时氧化动力学原理告诉我们随着反应温度的上升，氧化反应会越发强烈.随着反应时间的延长氧化膜的厚度会增加。

（3） 浓缩油和氧化铁的相互作用

乳化液斑迹形成过程中油和氧化铁互为因果.只有带钢表面发生氧化并且油浸润到氧化铁里，才形成斑迹。有提供了产生氧化铁的反应物.氧化铁成为有的寄生地，两者缺一都不会形成斑迹

3 乳化斑的控制措施

3.1减少乳化液斑迹的对策

从以上理论分析可以看出，形成斑迹的主要原因是局部存在浓缩乳化液，要减少斑迹首要任务就是要减少浓缩乳化液形成的机率，对此课题组制定了以下对策:

·加强吹扫

通过强有力的压缩空气吹扫，可以减少或消除板面残留的乳化液、消除浓缩乳化液的来源。

·减少漏油

通过加强管理，减少系统漏油，提高残留乳化液的蒸发速度。

·控制板型

中间浪的部位是积存乳化液的部位，也是保护气体不易进人的封闭紧贴区域，轧制时应避免产生中间浪的板型。

·疏通物流

加强物流管理、减少罩式炉前库库存周期，减少残留乳化液的浓缩。对可能产生乳化液斑迹的钢卷提前装炉。

·控制退火

退火过程中在300℃保温提高油的蒸发率，可减轻乳化液斑迹。

4 结论

形成带钢表面乳化液斑迹的原因是钢卷内部存在浓缩乳化液。形成机理是浓缩乳化液中的水份在较高温度下变为水蒸汽与带钢表面发生强烈的氧化反应生成氧化铁。浓缩油既是氧化剂又阻碍水份蒸发，并溶人氧化铁成为斑迹。减少斑迹应从加强吹扫、减少漏油、控制板型、疏通物流和控制退火五个方面加以解决。实践证明，采取上述对策措施，可使乳化液斑迹发生率大幅下降，达到较为令人满意的效果。

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