电导率法在线检测碱洗液碱度的探讨

陈 敏,朱子平

(宝山钢铁股份有限公司制造管理部,上海 201900)

在冷轧生产工艺中,带钢通过酸洗—冷轧工序后通常在其表面会有残余乳化液;此外带钢为防锈通常会涂一层防锈油。带钢表面的油会引起退火、热镀锌、电镀锌、电镀锡、电镀铬等产品缺陷,因此必须经过脱脂工序加以除去。

现代冷轧工艺是一个连续、高速的生产线,为了除去带钢表面的油,通常脱脂工序有碱洗、刷洗、电解清洗、水洗等多个工艺槽串联组成。碱液的主要成分有NaOH、Na2CO3、Na2SiO3及添加剂等组成,其中NaOH、Na2CO3、Na2SiO3的浓度称之为碱度,直接影响到碱洗效果。通常碱液中碱度采用酸碱滴定法进行测定,但滴定法存在滞后性,不适应连续、高速的生产要求。电导率法在环境监测、化学工程、微电子行业、生物制药、食品加工、电分析化学、冶金等领域有着广泛的应用。当溶液温度和压力不变时,溶液电导率与溶液的浓度一一对应[1]。因此,通过电导率和碱度之间的相关性进行在线碱度检测,然后将电导率信号传输给PLC进行自动控制调整碱液碱度,以实现闭环控制、智能化生产。

1 试验部分

1.1 主要试剂及仪器

试验采用的主要试剂及仪器为:梅特勒电导率仪、镀铂光亮电极;万通905滴定仪,pH复合电极;电导率标准溶液1 413 μS/cm (25 ℃);0.2 mol/L NaOH标准溶液。

1.2 试验方法

1.2.1 电导率检测方法

取已知碱度为C的碱液分级稀释至100 mL,得到低碱度为C1…Cn-1的溶液,然后在原碱液中加入一定量的碱液原液定容至100 mL,得到高碱度为Cn…Cn+m的溶液。将测试液加热到机组工艺控制温度,在不断搅拌下分别检测其电导率。

1.2.2 碱度测定

取试液5 mL于250 mL烧杯中,采用复合电极在不断搅拌下用0.2 mol/L NaOH标准溶液进行滴定,采用动态滴定方式,设定终点判断范围pH=7～9,终点判断阈值为10。终点判断标准:最大,根据滴定过程中pH值突跃确定其终点。

2 结果和讨论

2.1 电导率和碱度工作曲线制作

根据电导率检测方法得到碱液浓度和工艺控制温度下的电导率,制作电导率和碱度工作曲线,见表1和图1。

表1 电导率和碱度工作曲线(65 ℃)Table 1 Calibration of conductivity and alkalinity (65 ℃)

2.2 温度对电导率的影响

电导率分析方法是利用溶液电导与溶液中离子浓度成正比关系进行定量分析的[2]。由于温度直接影响溶液的电导率,因此需要进行温度补偿,电导率温度补偿理论公式为:

γt=γ0[1+β(t-t0)]

(1)

式中:γt、γ0分别为温度为t和t0时的电导率;β为电导率温度系数。

由于被测溶液的温度系数很复杂,不同溶液之间和同一溶液不同浓度的温度系数都不一样,所以,从根本意义上说,一般是无法做到完全进行温度补偿的[3]。试验表明,电导率和温度存在一定的相关性(见表2),通过温度对电导率的线性回归方程校正,可以降低温度对电导率的影响。

表2 电导率与溶液温度关系Table 2 Relationship between conductivity and solution temperature

2.3 碱洗液中共存组成对电导率测定的影响

2.3.1 碱洗液中铁离子对电导率测定影响

碱洗液中铁主要来自于带钢表面的残铁和电解碱洗时产生的铁。碱洗液中铁一部分在一定温度(50～75 ℃)搅拌下与油反应生成脂肪酸铁,称之为铁皂;一部分在碱洗介质中生成氢氧化铁。

试验表明:随着铁的增加,电导率检测方法偏差增大(见表3),碱洗液中铁的质量浓度在1 000 mg/L以下,电导率测定精度是可以接受的。

表3 铁对电导率精度影响(65 ℃)Table 3 Effect of iron on conductivity accuracy (65 ℃)

2.3.2 碱洗液中油对电导率测定的影响

碱洗工序的目的是除去带钢表面的油,油在碱洗过程中一部分与铁生成铁皂,使碱洗液发黑;一部分以游离态形式存在,油的存在增加了溶液的黏度,影响离子迁移速度,影响电导率检测[4],同时影响碱洗效果。

试验表明:碱洗液中油分的质量浓度在1 000 mg/L以下(见表4),油对电导法测定精度的影响是可接受的。

表4 油分对电导率精度影响(65 ℃)Table 4 Effect of oil content on conductivity accuracy (65 ℃)

2.3.3 碱洗液中组分浓度对测量电极的影响

随着碱洗液含有的氢氧化铁、铁皂、油分含量的增加,碱洗液变得浑浊,黏度变大,这些组分会黏附在电极表面,使电极有效测量面积变小,影响电导率响应速度;同时,由于碱洗液中铁的羟基化合物和铁皂本具有一定的电导率,会影响电导率法的测定精度。试验表明,通过过滤的方法可以提高电导率法的测量精度(见表5)。

表5 过滤前后碱度对比Table 5 Comparison of alkalinity before and after filtration

2.3.4 其他因素的影响

不同成分的碱洗液,其电导率测量模型是不同的,例如: 碱洗液有NaOH系、Na2CO3系、Na2SiO3系等。同一成分的碱洗液,不同的添加剂也会影响电导率检测精度。此外,由于电导率实际上与溶液的活度成正比,因此,即使是同一组分,碱度相差太大也会影响电导率的测量精度。因此,需对每个碱洗工作槽分别建立电导率和碱度的测量模型。

2.4 电导率法与滴定法测量精度对比

取一系列不同的样品分别采用电导率法和滴定法进行对比试验,采用t检验[5],t=1.00,小于t(0.95、19)=1.96(见表6),两种方法之间无系统误差。

表6 电导率法与滴定法测量对比试验(65 ℃)Table 6 Comparison test of conductivity method and titration method (65 ℃) g/L

3 结论

本文探讨了电导率法在线检测碱洗液中的碱度方法、电导率法影响因素及使用范围和测量精度。由于电导率法具有快速测量、实时性好、测量设备简单等优点,使其非常适合工业生产的在线测量、在线控制,以实现智能化生产和控制。