1 钢材锈蚀的一般形态通过对南方几家钢铁市场内各种钢材的观察,发现钢材在露天条件下的锈蚀大都呈现以下特点:(1)绝大部分钢材先从切口处开始锈蚀,切口处的锈蚀最快也最为严重。(2)锈蚀形态:线材多为溃疡型锈斑;带肋钢筋大多先从筋肋处开始锈蚀;较大的型钢多先在边缘拐角处出现水草状锈纹再逐步扩展,如角钢总是边缘中部最后锈蚀,槽钢总是距切口不远处的两腿最后锈蚀;圆棒材多为点状锈斑;板材多为均匀锈层。钢材相互接触处易积水的地方锈蚀较快。(3)钢材品种:型钢、棒材、板材的锈蚀速度依次变缓。(4)表面光洁度:表面光洁的钢材比表面粗糙的钢材锈蚀得慢。某些表面有鼓泡状斑点的钢材在生产后不到10天即已出现较多锈斑,锈蚀从这些斑点开始,锈蚀速度相当快,不少锈斑连成片;而没有鼓泡状斑点的钢材则较少出现锈斑。(5)轧制工艺:热轧钢材比冷轧钢材锈蚀慢,空气冷却的钢材比穿水冷却的钢材锈蚀慢。涟钢冷带公司生产的光带,即使在室内环境下通常5～6天左右即出现锈蚀,如在雨天,数小时内即可出现红色锈斑;而热轧钢材在室内环境下通常半个月左右不会出现大的锈蚀。在室外环境下,即使受潮淋雨,也能保持数天,仅在切口及氧化皮脱落或开裂处先锈蚀。
2 钢材防锈技术的发展动态
2.1 国内钢材防锈技术的发展动态针对钢材的锈蚀问题,国内一些厂家和研究机构对有关防锈技术进行了试验与研究。武汉材料保护研究所、衡阳钢管厂、山东某公司、华中理工大学化学系等先后研制了多种不同类型的防锈剂。
2.2 国外钢材防锈技术的研究动态英国卡杜拉克化学公司、ＵＰＳ研究试验室、日本菱江化学和花王—阿特拉斯公司、日本关西涂料公司、日本住友金属工业公司等单位,也都研制了各种类型的防锈剂,并形成商品在市场销售。
3 防锈剂的研制为了改善钢材的外观质量,提高钢材在市场上的竞争力,涟钢对钢材锈蚀的形成机理和影响因素进行了广泛研究,找出了钢材锈蚀存在很大差异的原因。在对诸多防锈剂与相关技术进行一系列试验研究的基础上,开发了一种高效、价廉、无污染、室外防锈期超过3个月的水溶性钢材防锈剂ＮＳ-823,并于2000年10月份成功地在涟钢一轧厂进行了在线处理试验。
3.1 新型防锈剂的防锈机理目前最廉价与最无公害的溶剂是水,因此最适宜在生产线上进行。低成本在线防锈处理的应是水溶性防锈液。但是,防锈的关键又在于防水。因而能否找到一种能溶于水又能在水分挥发之后生成疏水性物质的材料是研究成败的关键。ＮＳ-823就是根据这一思路开发出来的。ＮＳ-823的主要成分为多种有机化合物,它能在钢材表面逐渐成膜,其成膜过程可分为3个阶段:(1)有机物颗粒的堆集。由于水分蒸发,有机物粒子相互接近,最后达到致密充填状态,颗粒因密度增大而失去流动性。(2)成膜颗粒的变形。随着干燥过程的继续进行,水分继续蒸发,粒子表面的吸附层破坏,粒子暴露出来,颗粒彼此直接接触发生变形。(3)融结及颗粒的扩散。在继续干燥的过程中,有机物粒子继续变形并融结,形成连续膜层。该膜层对水分具有很好的屏障作用。同时,ＮＳ-823中还含有特效缓蚀剂,随着水分的挥发可固结在膜层中,在膜层出现针孔时还可起到缓蚀作用。
3.2 新型防锈剂的特性ＮＳ-823的有关特性示于表1。
3.3 新型防锈剂的防锈效果为了测定该型防锈液的防锈性能,2000年8
月27日选定3种浓度的ＮＳ-823防锈液与某公司的ＳＪＦ型防锈液同时在常温下处理一批钢筋试样。试样干燥后放于同一盘中,于28日置于室外半浸环境中进行腐蚀对比试验。每天往盘中加水至不完全淹没试样为止,使试样每天24ｈ不间断地处于浸润与高湿度条件下,并与氧气有充分的接触面积。15天(相当于淋雨360多个小时)后,发现3种浓度的ＮＳ-823处理的试样锈蚀都比ＳＪＦ防锈液处理的试样轻,前者仅在钢筋的筋纹上出现锈蚀,而后者已开始出现整体锈蚀。
3.4 几种防锈剂的对比为验证新型防锈剂的性能,将其与前期研究中确证效果较好的同类型防锈液———某大学研制的ＨＭＺ型防锈液、某公司生产的ＳＪＦ型防锈液进行了对比研究。(1)可涂覆性将3种防锈液在同一热轧带钢上进行涂覆,相对结果为:ＮＳ-823的可涂覆性最好,ＨＭＺ最差,ＳＪＦ居中。由于ＨＭＺ和ＳＪＦ在钢材表面上的液膜容易产生自收缩现象,因而使有些部位涂覆失效,尤其是表面较为平整光滑的钢材,若是冷带,防锈液则很难粘附上去。(2)干燥时间在室温28℃,无气体对流的静止条件下,将3种防锈液同时涂覆于同一块倾斜放置的带钢上,让防锈液自然流淌并干燥,观察其从涂覆完毕至表面干燥到可用手触摸涂层而不至损坏涂层的时间。试验结果,ＨＭＺ在8ｍｉｎ左右,ＳＪＦ在8～10ｍｉｎ,ＮＳ-823约在12～15ｍｉｎ。(3)涂膜外观从经浸润自然流淌至干燥后的钢材表面涂膜来看,ＮＳ-823的涂膜色泽亮丽,外观明显优于ＳＪＦ和ＨＭＺ。ＮＳ-823最具感官厚度,ＨＭＺ最薄,ＳＪＦ居中。另外,ＳＪＦ在干燥约2ｈ之后,有析出物,在涂膜上出现黄褐色斑点,似锈非锈,且随着干燥时间的延长而增多,对钢材外观造成一定影响。(4)耐盐水侵蚀将经过3种防锈液处理的3根Φ16ｍｍ圆钢同时放入浓度为10%的ＮａＣｌ溶液中,3ｈ后,ＳＪＦ试样和ＨＭＺ试样表面氧化皮脱落部位都已明显发黄,而ＮＳ-823试样在14ｈ之后氧化皮脱落部位才轻微发黄。(5)耐酸性将经过上述3种防锈液处理的Φ16ｍｍ圆钢同时置于0 1ｍｏｌ/Ｌ的盐酸溶液中,3ｈ后,ＨＭＺ试样的表面开始产生汽泡并发红;5ｈ后,ＳＪＦ试样的表面开始产生汽泡,部分表面略微发红;7ｈ后,ＮＳ-823试样表面才有轻微汽泡产生,而ＳＪＦ试样的部分表面膜已被破坏。(6)焊接性能经测试,涂覆ＮＳ-823钢材的表面接触电阻比未涂覆钢材稍高。经焊接试验证明,对焊接性无影响。
4 钢材在线防锈处理试验
4.1 在线防锈处理的工艺选择在钢材的生产过程中进行在线防锈处理具有极大的优越性。它不必增加生产工序,即可全面进行防锈处理且速度快捷。如果不改变钢的成分仅对钢材进行表面处理特别是以液体涂覆来达到低成本防锈的目的,那么越在靠后的工序处理越有利。其原因是:(1)在靠后的工序中,钢材表面温度较低,液体与钢材接触时不会发生剧烈的汽化而影响与钢材基体的接触,处理效果较好。曾使用ＳＪＦ型防锈剂在250～300℃的温度下对钢材进行处理,结果由于高温汽化,防锈液在钢材表面形成带泡的膜层,严重影响钢材的外观;而在150℃以下处理则成膜质量较好。(2)越在靠后的工序处理,在生产过程中钢材表面受到的碰撞摩擦越少,对保持表面膜的完整越有利。(3)在靠后的工序中,由于钢材表面温度较低,防锈液的蒸发损失较少,相应的处理成本较低。鉴于以上原因,选择在涟钢一轧厂矫直机后对钢材进行在线防锈处理试验。
4.2 防锈液在线喷涂试验钢材在线防锈处理装置示于图1。
该装置由喷淋系统和回流系统两大部分组成。喷淋系统由贮液箱、泵、管道、喷头、调节阀等组成;回流系统由回流槽、喷淋罩、回流管道等组成。2000年10月3日、11日先后2次在一轧钢厂矫直机后对10#槽钢和8#角钢进行在线喷涂。每次使用防锈液50ｋｇ,处理槽钢25ｔ左右,处理角钢30ｔ。处理后的典型产品批号是[10#1005411Ｂ、Ｄ,∠8#1005657Ｂ、Ｈ等。处理后的钢材表面光洁透明,膜层均匀。将几段经在线防锈处理的钢材与当天生产而未处理的钢材同时置于室外环境中,放置2个月后,未处理试样已整体发红,上表面已全部锈蚀并且锈层较厚,下表面仅保留极少数未锈斑点;而经防锈处理的试样上表面仍保持黑亮的外观,仅在切口处出现红锈,其他上下表面仅有少量极微细的锈点。通过试验发现,用于喷涂的水泵压力与流量已完全能满足生产需要。但应用于工业化生产时,应增大回流槽的长度,并在喷淋后用压缩空气吹扫钢材,或采用防锈液与压缩空气混合喷洒,这样可显著改善防锈液利用状况。
4.3 在线处理的消耗与成本根据有关试验,对于热轧钢材来说,每公斤防锈液的防锈处理面积在30～40ｍ2。该型防锈液批量生产的成本在1.2～1.4万元/ｔ左右。表2示出涟钢一些品种和规格的钢材防锈处理所需的消耗与成本。
从表2可以看出,对于单位重量的钢材,型钢的表面积大大高于圆钢的表面积,大规格钢材的表面积大大低于小规格钢材的表面积,其防锈处理成本相差较大。对于涟钢,其平均防锈液消耗成本可控制在20元/ｔ左右
5 结语(1)在钢材的锈蚀过程中,水在钢材表面吸附的电化学过程是钢材在大气中锈蚀快慢的限制性环节;防锈的关键是防水。寻找能在钢材表面形成疏水膜的物质是中短期防锈剂的研究方向。(2)涟钢开发的ＮＳ-823型防锈液的综合性能优于现有的一些防锈剂,它以较低的成本实现了中短期防锈的目的,对环境无污染且对钢材的使用性能,如焊接性、可涂覆性均无影响,其防锈处理的成本约为0.47元/ｍ2钢材表面。(3)常温下对钢材进行在线防锈处理在技术上是可行的,经济效益也较好。
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