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郑 岩
(上海喜赫精细化工有限公司，上海 201620)
钢材在冷轧过程中需要使用轧制油、冷却液来润滑和冷却带钢。轧制后的带钢表面会残留大量的油污并附带铁粉等污垢。带钢表面清洗不彻底，会导致带钢发黑、表面出现条状油泥[1]。表面残留铁粉会在退火炉辊产生结瘤硬点和污染退火炉。因此带钢在进行退火前都要进行清洗脱脂，以除去黏附在钢板表面的各种污垢。目前带钢清洗主要是碱性清洗工艺，但大量使用碱剂会产生碱雾以及难以处理的碱性废水[2]。
在脱脂过程中加入表面活性剂作为脱脂剂，不仅能够大幅度降低碱的用量也能加快脱脂速度，提高生产线带钢生产效率。PO封端FMEE具有类似油脂的脂肪酸结构，对矿物油有良好的乳化作用，适用于低温条件下对矿物油的清洗。FMEE同时具有优异的分散作用，可以将油污膨胀松动有利于刷辊刷洗带钢，并将清洗下来的油脂均匀地分散到脱脂槽中，不会对钢板表面造成二次沾污[3]。将PO嵌段FMEE作为脱脂剂的主体成分，复配阴离子型渗透剂伯烷基磺酸钠(PAS-80)，烷基醇酰胺(6501)，铁粉捕捉剂乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA-Na)，并通过正交实验确定四种原料的最佳配比。
1.1 主要试剂与仪器
PO封端FMEE、烷基醇胺(6501，1∶1.5型)、无磷乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA-Na)、伯烷基磺酸钠(PAS)，均为工业级，上海喜赫精细化工有限公司；
冷却乳化液，工业级，上海化之素精细化工有限公司；
润滑油，工业级，南京玛雅油脂有限公司；
99%粒碱，工业级，无锡里昂实业有限公司；
水玻璃、三聚磷酸钠、纯碱，分析级，杭州创科高新科技有限公司；
不锈钢试片 13.5 cm×13.5 cm×0.55 cm、粒径50目铁粉，厦门金科金属材料有限公司。
SITA CleanoSpector表面洁度仪，上海维斯实业有限公司；
MP-2型分析电子天平，湖州艾特精密仪器有限公司；
NR20XE型电脑色差测试仪，济南中科高新有限公司；
FWA-2小型旋转喷淋清洗机，大连飞腾仪器仪表制造有限公司。
1.2 油污试片的制备与测试方法
1.2.1 模拟不锈钢油污的配制
将10份工业冷却液、40份润滑油和2份铁粉，加热到 60 ℃ 并充分混合搅拌均匀，备用。将准备好的不锈钢试片在石油醚中浸泡并洗净烘干，准确称其质量并记为m0，再浸入上述人造混合油污中静置 8 min，取出后垂直悬挂于空气中老化 72 h 并准确称其质量记为m1。
1.2.2 除油率
除油后的不锈钢试片 90 ℃ 烘干后称其质量并记为m2。除油率(η)的计算公式为：
η=[1-(m2-m0)/(m1-m0)]×100%。
1.2.3 油污防沾
将尺寸 13.5 cm×13.5 cm×0. 55 cm 不锈钢片用石油醚彻底除净并吹干，用分析天平称其质量记为m3，将称重后的试片放至油污工作液中静止 15 min，取出沥干于 85 ℃ 的烘箱恒温 6 h，称其质量记为m4，油污反沾量(s)计算公式为：
s=m4-m3
1.3 除油工艺
将不锈钢试片平垂直悬挂于小型喷淋试验机喷洗区，喷淋工作液温度 50 ℃，压力设置为 0.2 MPa，前后喷淋 90 s，取出不锈钢片，在冷水中摆动20次用暖风机吹干。
1.4 油污防沾工艺
将不同用量脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA-Na)、烷醇酰胺(6501)、伯烷基磺酸钠(PAS-80)与 0.5 g 自制不锈钢油污乳化均匀配制成油污液，将不锈钢试片悬挂浸入工作液中，静置 15 min 后取出沥干于 85 ℃ 的烘箱恒温 6 h 并称重。
1.5 铁粉分散力
称取 0.1 g 铁粉，加入到 250 mL 的烧杯中，加入无水乙醇至 150 mL 刻度线，添加不同用量脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、乙二胺二邻苯基乙酸钠、6501、伯烷基磺酸钠，超声波分散 5 min，取出上层液体，采用紫外分光光度计测量其吸光度。吸光度越高，表明待测液铁粉含量越高，溶液分散性越好。
2.1 正交试验因素水平的确定
PO封端FMEE具有低温清洗拉伸油效果好，泡沫低,易漂洗的特点，分子链结构中有末端甲酯基和环氧丙烷甲基，多个极性亲油基团可同时插入于油脂分子表面，将油脂更稳定的分散于工作液中。伯烷基磺酸钠(PAS-80)在钢板表面的润湿性能好，具有超级快速铺展能力，能沿钢板表面的油污边缘渗透入油污和金属表面的结合处，弱化两者之间的附着力。伯烷基磺酸钠是阴离子型表面活性剂，可以同时吸附于油污和金属表面，利用同性电荷斥力易于将油污剥离金属表面[4]。乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA-Na)是性能优异的无磷、环保型重金属离子捕捉剂，对Fe3+螯合效果明显，在弱碱条件下对Fe3+螯合值高达 120 mg/g，可以与Fe3+形成稳定的二元环配位体，并利用-COO-的亲水性将金属表面Fe3+增溶至水溶液中[5]。烷基醇酰胺(6501)对钢铁有很好的防锈与缓蚀作用，同时也具有悬浮分散的作用[6]。以FMEE作为钢材脱脂剂主体成分，乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA-Na)、6501、伯烷基磺酸钠为辅，设计了正交试验，测试结果见表2、表 3。
表1 正交试验因素水平表
表2 正交实验结果
表3 正交试验极差分析
2.2 各因素对除油率的影响
由表3可知，各因素对除油率的影响排序为：FMEE>伯烷基磺酸钠>6501>乙二胺二邻苯基乙酸钠。带钢表面的润滑剂、冷却液、轧制油其主体成分是长碳链烷烃的矿物油。PO封端FMEE具有C16的长碳链结构，与矿物油有相似的碳架结构，根据相似相溶基理，FMEE对矿物油有优异的增溶作用，在低温条件下容易清洗矿物油，所以FMEE对矿物油的清洗影响最大。伯烷基磺酸钠是阴离子表面活性剂，表面张力低，在硬表面的接触角小，有利于脱脂工作液进入油脂与金属表面的结合处，从内部溶胀油污。6501在钢材表面容易生成一层酰胺高分子膜，能起到很好的防锈与缓蚀作用；
在清洗方面，6501的除油脱脂力比较温和。乙二胺二邻苯基乙酸钠是螯合剂，对工作液的Ca2+、Mg2+、Fe3+螯合作用明显，能防止生成不溶性的金属盐沉淀，对脱脂没有直接影响[7]。
2.3 各因素对去油污防沾污的影响
在脱脂过程中，脱脂槽中的工作液洗涤效力逐渐下降，工作液中的油污容易破乳重新聚集，导致在挤干辊和尼龙刷辊处产生油污反沾现象，在带钢表面形成条状油泥，并且工作液中聚集的油脂也会反沾脱脂槽的四周，日积月累形成严重的老垢，对脱脂槽的清洗造成困难。通过表3可知，FMEE和6501对预防油污沾污影响比较大，FMEE分子结构中含有多个甲基作为亲油性基团，与油脂形成多结合点的稳定结构，将油脂稳定的分散在工作液中[8]，烷基醇酰胺(6501)，能将油脂乳化为亲水小颗粒，不再沾污带钢表面。阴离子型表面活性剂伯烷基磺酸钠和螯合剂乙二胺二邻苯基乙酸钠对油污防沾污效果影响较小。
2.4 各因素对去铁粉分散力的影响
带钢在轧制过程中，因拉伸或摩擦会产生大量的铁粉，与油泥混合粘附于钢材表面。脱脂过程中若不能彻底清除铁粉，带钢进入退火炉会产生大量铁灰，粘附在退火炉导辊并在炉辊碳套表面因积聚铁灰出现结瘤硬点，在退火炉700～100 ℃ 的高温条件下会划伤带钢，甚至在钢带上压出凹坑。轧制过程中产生的铁灰也会吸附于炉壁四周，导致炉内出现温差，影响带钢的退火质量。脱脂工作液对铁粉的螯合与分散力对清洗铁粉至关重要。通过表3对铁粉分散力的影响因素排序为：乙二胺二邻苯基乙酸钠>伯烷基磺酸钠>FMEE>6501。乙二胺二邻苯基乙酸钠分子结构中含有2个配位体-COO-Na，可以与铁离子形的稳定的二元或四元环络合体，有效的将钢材表面的铁粉或者氧化铁皮剥离至工作液中，对铁粉的清洗影响最大。伯烷基磺酸钠为阴离子型表面活性剂，带负电荷，可以中和铁离子所带正电荷，减少铁离子的极性，将铁粉由拒水转变为亲水，从而更容易被清洗[9]。FMEE和6501对铁粉的清洗效果影响较小。
通过正交实验分析，PO封端FMEE对脱脂剂清洗矿物油影响最明显，FMEE和6501对防止油污沾污的影响最大，乙二胺二邻苯基乙酸钠对带钢表面铁粉的去除影响最明显，因此将FMEE作为脱脂工作液的主体成分。烷基醇酰胺(6501)能在金属表面形成一层分子薄膜，这层膜能很好地保护金属，具有防锈作用[10]；
另一方面6501的除油效果不如FMEE，泡沫也较多，过多的添加6501会导致泡沫丰富，漂洗困难。伯烷基磺酸钠对脱脂液的润湿与铺展影响较大，有助于脱脂工作液渗透入油膜覆盖的工件表面，缩短除油时间，提高脱脂效率，降低非离子化学药品的消耗量。综合考虑4种原料的特点与性能，参考正交实验结果，将PO嵌段FMEE、伯烷基磺酸钠、6501、乙二胺二邻苯基乙酸钠4种原料按照质量比3∶2∶1∶1复配制得脱脂剂，并应用于带钢喷淋脱脂工艺。比较了氢氧化钠、三聚磷酸钠、硅酸钠、纯碱4种碱剂对脱脂效果的影响，结果见表4。
表4 脱脂效果比较
通过表4分析可知，以硅酸钠和三聚磷酸钠作为碱剂，脱脂剂用量较少就能获得较高的除油率。随着脱脂剂用量增加，除油率提高缓慢。当脱脂剂用量 50 g/L 时，硅酸钠和三聚磷酸钠脱脂工艺除油率分别是92%和93%。以氢氧化钠和纯碱作为碱剂，脱脂剂用量 30 g/L 的除油率较差;随着脱脂剂用量增加，除油率会大幅度提高;在脱脂剂用量 40 g/L 和 50 g/L 的除油率都高于95%。这说明硅酸钠和三聚磷酸钠本身具有类似于表面活性剂的乳化作用，与表面活性剂的协同作用不明显，氢氧化钠和纯碱本身没有乳化力，主要起到皂化作用，与表面活性剂的乳化作用具有明显互补性，随着脱脂剂用量增加除油率提高幅度比较明显。
通过对1#和4#工艺不同脱脂剂用量的效果对比，脱脂剂用量 50 g/L 的纯碱工艺除油率好于脱脂剂用量 40 g/L 的氢氧化钠工艺用量，接近于脱脂剂用量 50 g/L 的氢氧化钠工艺。说明自配脱脂剂可以弥补纯碱碱性较弱的缺陷，利用自配脱脂剂和纯碱的组合，可以替代强碱氢氧化钠，实现弱碱性条件下的脱脂。
1)在带钢脱脂工艺中PO封端FMEE和伯烷基磺酸钠对除油效果影响最明显，PO封端FMEE和烷基醇酰胺(6501)对油污防沾的效果影响最明显，螯合剂乙二胺二邻苯基乙酸钠对铁粉的分散效果影响最明显。综合考虑各原料的性能特点，将喜赫PO封端FMEE、伯烷基磺酸钠、6501、乙二胺二邻苯基乙酸钠四种原料按照质量比3∶2∶1∶1复配制得带钢脱脂剂。
2)自制脱脂剂与片碱或纯碱的协同脱脂效果好于脱脂剂与三聚磷酸钠和硅酸钠的协同脱脂效果，以纯碱为碱剂，适当提高脱脂剂的用量，可以达到氢氧化钠做碱剂的效果，自配脱脂剂与纯碱组成的弱碱脱脂体系，可以减少碱性废水的生成与处理成本，符合节能减排的发展理念。
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