馬耿魏，王 雷

目前，國(guó)內(nèi)外汽車制造、家電制造和精密儀器等大量使用冷軋、鍍鋅鋼板。從冷軋、鍍鋅鋼板的生產(chǎn)到各個(gè)地區(qū)用戶的儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中，必須采取防銹措施，以保持冷軋、鍍鋅鋼板光亮的表面質(zhì)量。國(guó)內(nèi)鋼廠每年因?yàn)槔滠垺㈠冧\鋼板的銹蝕問(wèn)題而引起的用戶異議的情況時(shí)有發(fā)生，這既給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，也影響鋼廠產(chǎn)品的質(zhì)量信譽(yù)及競(jìng)爭(zhēng)力。因此冷軋、鍍鋅鋼板的生產(chǎn)一般需要涂敷防銹油，以滿足生產(chǎn)過(guò)程和儲(chǔ)運(yùn)期間的防銹要求。

防銹油是由基礎(chǔ)油、防銹劑（又稱油溶性緩蝕劑）和其他輔助添加劑組成的一種暫時(shí)性防護(hù)材料。鋼板表面具有多個(gè)活性中心的高能結(jié)晶結(jié)構(gòu)，極易在水、氧的存在下發(fā)生電化學(xué)腐蝕。而防銹油中的油溶性緩蝕劑是具有極性基團(tuán)和較長(zhǎng)碳?xì)滏湹挠袡C(jī)化合物，其極性基團(tuán)依靠庫(kù)侖力或化學(xué)鍵的作用，能定向吸附在油-金屬界面形成油膜保護(hù)，抗拒氧氣、水分等腐蝕介質(zhì)向金屬表面的侵入，從而大大降低鋼板銹蝕機(jī)率和速率。

鋼板靜電涂油作為國(guó)內(nèi)外鋼廠最主要的涂油方式，得到大量運(yùn)用。靜電涂油是靠高壓靜電的作用，將防銹油均勻地噴涂在鋼板表面上。其工作原理為：從高壓靜電輸出100KV的負(fù)直流高壓，加在靜電涂油機(jī)水平安裝的上下涂油刀梁上，使刀梁和作為接地端的鋼板之間產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)。從刀口夾縫中均勻流出帶有負(fù)電荷的防銹油，在高壓靜電場(chǎng)中霧化并被吸附在鋼板表面上，形成均勻油膜。靜電涂油技術(shù)要求所使用的防銹油霧化性能好；水分含量低，在使用過(guò)程中不打火花，保證靜電涂油機(jī)的安全工作；雜質(zhì)少，不堵塞供油系統(tǒng)和噴射刀梁；粘度適中，保證鋼板表面形成均勻油膜。

鋼板經(jīng)靜電涂油機(jī)涂油的初始狀態(tài)下，鋼板表面油膜均勻穩(wěn)定。鋼板經(jīng)儲(chǔ)運(yùn)、卷取再次開(kāi)卷時(shí)鋼板表面有防銹油油膜不均的情況，引起鋼板表面局部地方油量偏多，局部地方油量偏少，因而會(huì)導(dǎo)致鋼板表面“油包”現(xiàn)象的產(chǎn)生，影響鋼板表面質(zhì)量。“油包”的產(chǎn)生主要與鋼板表面卷取擠壓力、油品表面張力、毛細(xì)作用等多種因素有關(guān)。

1 “油包”的現(xiàn)象

鋼板靜電涂油卷曲后重新打開(kāi)有油膜不均現(xiàn)象，即在鋼板兩肋處出現(xiàn)大小不一、不規(guī)則“油包”（卷中心位置基本無(wú)此現(xiàn)象）。具體如圖1所示。

圖1 鋼廠現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)卷“油包”現(xiàn)象

2 成因分析

2.1 機(jī)械力

鋼板經(jīng)靜電涂防銹油后表面油膜均勻穩(wěn)定，經(jīng)卷曲后再次打開(kāi)發(fā)現(xiàn)兩肋處與卷中心有油膜不均，其原因?yàn)椋壕砬^(guò)程中，鋼板中間位置貼合較為緊密，擠壓力大，兩側(cè)擠壓力相對(duì)較小，防銹油具有流動(dòng)性，會(huì)向鋼板兩側(cè)流動(dòng)，形成兩側(cè)油膜厚，當(dāng)中油膜薄的現(xiàn)象，卷取的鋼板兩側(cè)上下鋼板會(huì)有疊合接觸緊密的部位，也存在有縫隙的部位。接觸緊密的部位處因受物理擠壓力，此處的油膜會(huì)降低，四周的油膜會(huì)多，導(dǎo)致鋼板表面油膜不均，引起“油包”現(xiàn)象（如圖2所示），而“油包”多少與大小則與此處毛細(xì)管現(xiàn)象有關(guān)。

圖2 鋼板涂油至卷曲過(guò)程“油包”現(xiàn)象示意圖

2.2 毛細(xì)管現(xiàn)象

2.2.1 潤(rùn)濕性

鋼板表面經(jīng)靜電涂油形成的均勻油膜，達(dá)到潤(rùn)濕狀態(tài)。潤(rùn)濕狀態(tài)與鋼板、防銹油氣體間的表面張力有關(guān)。表面張力起源于表面分子非對(duì)稱內(nèi)聚效應(yīng)的凈吸力，而這種非對(duì)稱的吸引力取決于分子間的引力和分子結(jié)構(gòu)，即范德華力，包括誘導(dǎo)力、色散力和取向力等，這些力與分子的極性有關(guān)。鋼板卷取接觸緊密與不緊密處，微觀上可以形成毛細(xì)管現(xiàn)象。毛細(xì)管現(xiàn)象也是表面張力的外在體現(xiàn)。由于液體對(duì)固體的潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕，在液體表面與固體的接觸處形成的接觸角，潤(rùn)濕性一般以接觸角作為評(píng)價(jià)手段。

按照楊氏（T.Young）方程：

在氣、液、固三相交界處γSL與γLG處之間的夾角，平衡時(shí)，γS為γSL與γLcosθ之和，其中γS為固-氣界面張力，γSL為固-液界面張力，γL為液-氣界面張力，θ為接觸角。如圖3所示。

圖3 液體位于固體上達(dá)到平衡的兩種形態(tài)

習(xí)慣上稱θ＜90°是為潤(rùn)濕，θ＞90°為不潤(rùn)濕，當(dāng)θ＜90°時(shí)，θ越小代表潤(rùn)濕性越強(qiáng)， θ=0完全潤(rùn)濕（實(shí)際不存在）。當(dāng)鋼板疊合，局部疊合緊密，局部疊合存在縫隙時(shí)，因油品作用為范德華作用力，物理吸附于鋼板上，其吸附力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于疊合處擠壓的機(jī)械力，故隨著擠壓處的程度，油膜厚度上會(huì)有不同的差異。油品的接觸角θ均是小于90°的，當(dāng)油品接觸角θ越小時(shí)，其潤(rùn)濕性強(qiáng)，則經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)械力后形成的“油包”程度輕微，當(dāng)油品接觸角θ越大（且小于90°）時(shí)，經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)械力后形成的“油包”程度嚴(yán)重。

針對(duì)固定鋼板，參照楊氏（T.Young）方程，得知影響接觸角的因素有γS、γSL、γL。其中γS為固-氣界面張力為定值，γSL為固-液界面張力與γL為液-氣界面張力為變化值，此二者變化因素受液體的表面張力所影響。故綜上可知：不同油種均會(huì)產(chǎn)生此“油包”現(xiàn)象，“油包”的程度、形態(tài)與油品的本身潤(rùn)濕性有關(guān)。

2.2.2 毛細(xì)管作用力

由于鋼板存在邊緣降，中間厚度高于邊部厚度（如圖4所示），涂油鋼板卷取后，可以形成毛細(xì)管作用力，使得油液發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖4 帶鋼典型厚度分布

采用透明玻璃片模擬防銹油的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象（毛細(xì)管作用），測(cè)試方法：采用微量進(jìn)樣器將20μl防銹油滴在干凈的玻璃片上（水平放置），用另外一塊玻璃片完全覆蓋，然后定時(shí)觀察油液的狀態(tài)及轉(zhuǎn)移現(xiàn)象（為了更為準(zhǔn)確的跟蹤此現(xiàn)象，此處在油液中加入熒光劑，采用紫外燈照射，觀察油液的狀態(tài)）。

首先，油滴滴到玻璃片上后油液因潤(rùn)濕性向四周擴(kuò)散，防銹油的形狀是圓形的，10min以后，防銹油的形狀開(kāi)始變?yōu)闄E圓，15min后，防銹油形狀變?yōu)椴灰?guī)則，30min時(shí)可發(fā)現(xiàn)防銹油因毛細(xì)管作用力明顯開(kāi)始向著一個(gè)方向轉(zhuǎn)移，80分min油滴發(fā)生轉(zhuǎn)移，如圖5所示。

圖5 油滴在疊合玻璃片上的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

毛細(xì)作用力的產(chǎn)生是在三相界面上內(nèi)彎液面引起----液面彎曲產(chǎn)生的（如圖6所示）。此毛細(xì)管壓力Pc可以理解為一種驅(qū)動(dòng)力，促使油液移動(dòng)。Pc與液體和毛細(xì)管壁的接觸角（θ）、油/氣界面張力（б）、毛細(xì)管直徑（r）直接相關(guān)。

圖6 毛細(xì)管現(xiàn)象與毛細(xì)管壓力

其中，θ與б均由油液本身特性所決定，r由鋼板卷曲后縫隙大小而定。故油液在鋼板卷曲后，受毛細(xì)管作用進(jìn)行的轉(zhuǎn)移與油液本身和鋼卷縫隙大小有關(guān)。假設(shè)接觸角與界面張力固定的情況下，毛細(xì)管力隨著縫隙的增大而急劇減小，當(dāng)縫隙較小時(shí)，毛細(xì)管力十分明顯（此處暫不考慮鋼板粗糙度造成的阻力及縫隙大小變化造成的滯后現(xiàn)象）。因鋼板本身還存在邊緣降，油液更容易在局部形成“油包”現(xiàn)象。

2.3 不同防銹油品種的影響試驗(yàn)

模擬鋼板涂防銹油卷曲情況：采用7×15cm大小的冷軋鋼板，定量涂油（超低及低涂油量無(wú)“油包”現(xiàn)象，此處采用汽車板常用涂油量1.2g/m2進(jìn)行涂覆），將試板彎曲成一定弧度，兩片一組進(jìn)行疊合（貼合緊密），使用夾具固定，常溫室內(nèi)放置30天。試驗(yàn)結(jié)束打開(kāi)試板，觀察板面情況。如圖7所示。

圖7 不同防銹油品種的“油包”現(xiàn)象

試驗(yàn)表明：不同種類油品，均會(huì)產(chǎn)生“油包”現(xiàn)象，“油包”的程度、形態(tài)與油品的特性（潤(rùn)濕性、表面張力等）有關(guān)。油品1潤(rùn)濕性最佳，毛細(xì)管力也最大，導(dǎo)致油膜遷移較多，易出現(xiàn)大量“油包”的現(xiàn)象；油品2潤(rùn)濕性及毛細(xì)管力處于中間，也有少量“油包”的現(xiàn)象。油品3為觸變性防銹油，屬于非牛頓流體，在鋼卷卷曲后油膜保持性較好，“油包”較少，但潤(rùn)濕性稍差，另觸變性防銹油在實(shí)際使用過(guò)程中易出現(xiàn)堵塞刀梁和后道脫脂不良的情況，需謹(jǐn)慎使用。綜合考慮，抑制“油包”現(xiàn)象的產(chǎn)生需油品將潤(rùn)濕性和表面張力控制在一個(gè)合理的范圍。

3 結(jié)論

鋼板經(jīng)靜電涂油機(jī)涂防銹油后，鋼板表面初始狀態(tài)下油膜均勻穩(wěn)定。在卷曲后，經(jīng)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中多重因素造成鋼板表面防銹油分布不均的情況，引起鋼板表面局部地方油量偏多，局部地方油量偏少，加上毛細(xì)管作用導(dǎo)致鋼板表面“油包”現(xiàn)象的產(chǎn)生?！坝桶爆F(xiàn)象的產(chǎn)生主要有兩方面因素：

（1）與鋼板表面平整度、涂油量、卷取張力有關(guān)系。

（2）與鋼板表面的防銹油的潤(rùn)濕性、表面張力有關(guān)，不同油種有不同的形態(tài)。抑制“油包”現(xiàn)象的產(chǎn)生需油品對(duì)潤(rùn)濕性和表面張力控制在一個(gè)合理的范圍。鋼廠的油品選擇具體可根據(jù)下游客戶處的需求而定。