激光粒度分析仪测量硅钢级氧化镁的试验方法

激光粒度分析仪测量硅钢级氧化镁的试验方法

向硅钢是一种广泛使用于压裂芯的金属功能材料。硅钢级氧化镁(MgO),即适用于制造取向硅钢片的MgO。MgO作为硅钢的表面涂层,对硅钢性能影响很大。首先,MgO的作用是作为硅钢片制造中的高温退火隔离剂,可使硅钢片表面形成良好绝缘涂层,提高硅钢片的绝缘性能,减少硅钢片的铁损;同时,它可以和硅钢表面的氧化硅形成硅酸镁的玻璃体绝缘涂层;另外,它还能在高温反应中除去硅钢中硫和磷等杂质。但是,并不是每种氧化镁都能发挥上述作用以满足硅钢表面涂层的要求,硅钢级氧化镁应具有它本身特殊的物理化学性质,如化学纯度、悬浮性能、水化率、活性以及黏结性等。除了以上MgO的化学成分、水化率以及活性等指标外,MgO的粒径也是一项非常重要的指标。在硅钢涂布MgO的生产工序中,首先是MgO以悬浊液状态均匀涂布于带钢的上下表面,然后带钢卷成钢卷进入高温退火炉中。MgO必须有一定的粒径分布才能满足硅钢生产工艺要求,保证硅钢钢卷在高温退火处理过程中水分和退火环境气体的流通。同时MgO的粒径也与活性和水化率指标进行匹配,保证取向硅钢的底层和表面质量。目前,对于样品粒度的分析测量主要是采用激光粒度仪。这类仪器一般有一个固定的激光光源照射在样品颗粒上,然后采用一系列的光敏检测器来测量未知粒径的颗粒在不同角度(或位置)上的衍射光的强度,最后经过信号处理得到样品颗粒的粒度分布。然而,现有激光粒度仪针对MgO样品的粒度分析,特别是对于硅钢级MgO的粒度分析的测量重现性较差,无法确定准确数值。因此,亟待需要开发一种硅钢级MgO粒度范围的测量重现性较好的试验方法,满足现场对MgO粒度和硅钢生产过程控制的要求。1试验部分1.1测试设备和试剂试验选取贝克曼库尔特LS13320激光粒度仪来进行颗粒度测试。MgO样品为生产现场所取,所用水为超纯水,无水乙醇为国产分析纯。1.2测试方法1.2.1以水为依托的测试方法试验中,由于贝克曼库尔特LS13320激光粒度仪本身是以水做为循环分散体系,故首先尝试以水来进行试验测试。以水作为分散介质,选取MgO样品在不同的超声时间下进行测试。使用超声仪器进行超声分散,设置超声分散的初始时间为2min,超声强度为6级(强度最高为7级),直接加入固体氧化镁粉末至合适的仪器暗淡度进行测试。1.2.2乙醇的超声分散准确称取0.5gMgO样品,加入200mL无水乙醇,制备氧化镁粉末分散于无水乙醇的悬浮液,并且在以无水乙醇作为分散介质的条件下,在不同的超声时间下进行测试。使用超声仪器进行超声分散,设置超声分散的初始时间为1min,超声强度为6级(强度最高为7级),加入氧化镁悬浮液样品至合适的仪器暗淡度进行测试。然后将在上述MgO悬浮液样品中放入磁力搅拌子,设定初始搅拌时间为20min,每间隔5min测量一次,与超声分散进行对比。1.2.3悬浮液的制备准确称取7份0.5gMgO固体样品,分别在每份固体样品中加入不同体积的无水乙醇溶剂,将固体样品制成以无水乙醇为介质的7份具有不同固含量的悬浮液样品。对每份悬浮液样品超声分散4min以上,确保团聚样品能被打开分散。然后,将每份悬浮液样品取不同的体积加入至激光粒度仪中进行仪器暗淡度测试。2结果与讨论2.1mgo水化反应后粒径的大小图1为以水溶液为分散介质的氧化镁样品的平均粒径值(Xmean,μm)随超声时间的变化图。由图1可以看出,随着试验时间的延长,MgO的平均粒径值不断减小,随后平均粒径值又缓慢增大,这种现象可以由MgO的水化反应机理来解释。MgO的水化反应机理可描述为:MgO首先吸附周围的水,进行化学反应形成氢氧化镁表面层,这个表面层并不稳定,很快向周围水中扩散,至溶液饱和后形成沉淀析出。因此,随着水化反应的进行,MgO的粒径不断缩小,试验测试得到的粒径平均值不断减小。但是,水化到一定程度后,氢氧化镁的量逐渐增大,大量氢氧化镁沉附于水化MgO的周围,阻止了新氢氧化镁的扩散和水分子进入MgO的表面。因此,试验测试得到的粒径平均值开始缓慢增大。综合以上分析可知:MgO在水溶液中有一定的溶解性,使用水溶液进行颗粒度分析试验还不能真实反应MgO的颗粒分布,因此,MgO的粒度测试中,分散介质不能使用水。由于MgO不溶于有机溶剂,我们猜测使用有机溶剂作为分散介质不会出现使用水作为分散介质而出现的MgO水化反应。故以下试验中均选取容易获得的、毒性较小的无水乙醇作为MgO样品的分散介质。2.2试样粒径分布对直接加入固体氧化镁粉末样品的方法,由于直接测试的试样量较少,因而代表性不强,不能全面反应样品的整体粒径分布情况。因此,需要对氧化镁粉末样品进行均一化的处理来确保试验结果的稳定性和准确性。2.2.1长期分散测试图2是以无水乙醇作为分散介质的氧化镁悬浮液样品颗粒度的平均粒径值(Xmean,μm)随超声时间的变化图。由图2可以看出,随着试验时间的延长,MgO的平均粒径值比较稳定,说明使用无水乙醇溶液作为分散介质的氧化镁悬浮液样品可以获得较稳定的试验结果。此外,从图2还可以发现,使用超声仪器进行超声分散4分钟后,试验结果比较稳定(此时试验样品处于比较均匀分散的状态)。但是,经过长时间分散后,MgO样品的平均粒径值趋于一个比较稳定的分析结果。究其原因,可能是MgO粉末颗粒还不是很稳定,在外界剧烈的碰撞和搅动情况下,大的颗粒在经受长时间的外力冲击后被打碎成更小的颗粒,造成粒径的试验结果很小。当然,这种粉碎效果是有一定限制的,经过长时间的分散,样品的平均粒径稳定在1.5μm左右。这同样给了我们一定的启示,对MgO样品长时间的分散可能会改变样品本身的状态,如何找到最恰当的试验条件可能还需借助其它分析仪器做进一步的分析。综合以上分析可知:由于MgO在无水乙醇溶液中的溶解性很小,使用无水乙醇溶液作为分散介质,并且使用氧化镁粉末分散于无水乙醇的悬浮液样品来进行颗粒度分析试验时,只需要4min超声时间就能达到比较好的试验效果,同时试验数据比较稳定,试验操作方法也比较简单。2.2.2磁力搅拌时间的确定图3为氧化镁悬浮液样品颗粒度的平均粒径值(Xmean,μm)随磁力搅拌时间的变化图。由图3可以看出,超声分散和磁力搅拌分散相比,超声分散仅用较少的时间就可以使样品充分分散,因而超声分散的分散效率更高,试验的测试步骤更简单。2.2.4仪器白色度的测量对贝克曼库尔特LS13320激光粒度仪而言,合适的仪器暗淡度是准确测量颗粒粒径的前提。贝克曼库尔特LS13320激光粒度仪最合适的仪器暗淡度是在8%～12%区域内,而且仪器暗淡度的波动越小越好,即范围区间越窄越好。仪器暗淡度与样品加入量有关,样品加入量过低,仪器的检测信号不强,背景信号干扰大,测试不准确;样品加入量过高,仪器暗淡度过高,体系内颗粒对信号的干扰及吸收更多,测试也不准确。因此,样品加入量对仪器暗淡度的影响对最终的测试结果影响很大。由表1可以看出,将0.5gMgO样品分散至200mL无水乙醇制得悬浮液样品,然后将此悬浮液样品取样8mL至激光粒度仪,得到的仪器暗淡度为8～9%,不仅介于仪器最佳暗淡度的范围内,而且波动较小,效果较好。6号样品和7号样品得到的仪器暗淡度虽然也为8～9%,但无水乙醇消耗较大,成本较高。3u3000加入固体氧化镁粉后分散方式的选择(1)使用激光粒度分析仪对硅钢级氧化镁的粒度进行测定时,不应使用激光粒度仪自带的水溶液循环分散介质,应该使用避免MgO发生水化反应的有机溶剂,如无水乙醇;(2)加入固体氧化镁粉末样品进行测定时,应该将其制备成分散至无水乙醇的悬浮液,以提