電導(dǎo)率法在線檢測(cè)堿洗液堿度的探討

陳 敏,朱子平

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部,上海 201900)

在冷軋生產(chǎn)工藝中,帶鋼通過酸洗—冷軋工序后通常在其表面會(huì)有殘余乳化液;此外帶鋼為防銹通常會(huì)涂一層防銹油。帶鋼表面的油會(huì)引起退火、熱鍍鋅、電鍍鋅、電鍍錫、電鍍鉻等產(chǎn)品缺陷,因此必須經(jīng)過脫脂工序加以除去。

現(xiàn)代冷軋工藝是一個(gè)連續(xù)、高速的生產(chǎn)線,為了除去帶鋼表面的油,通常脫脂工序有堿洗、刷洗、電解清洗、水洗等多個(gè)工藝槽串聯(lián)組成。堿液的主要成分有NaOH、Na2CO3、Na2SiO3及添加劑等組成,其中NaOH、Na2CO3、Na2SiO3的濃度稱之為堿度,直接影響到堿洗效果。通常堿液中堿度采用酸堿滴定法進(jìn)行測(cè)定,但滴定法存在滯后性,不適應(yīng)連續(xù)、高速的生產(chǎn)要求。電導(dǎo)率法在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)工程、微電子行業(yè)、生物制藥、食品加工、電分析化學(xué)、冶金等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)溶液溫度和壓力不變時(shí),溶液電導(dǎo)率與溶液的濃度一一對(duì)應(yīng)[1]。因此,通過電導(dǎo)率和堿度之間的相關(guān)性進(jìn)行在線堿度檢測(cè),然后將電導(dǎo)率信號(hào)傳輸給PLC進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)整堿液堿度,以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、智能化生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

試驗(yàn)采用的主要試劑及儀器為:梅特勒電導(dǎo)率儀、鍍鉑光亮電極;萬通905滴定儀,pH復(fù)合電極;電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液1 413 μS/cm (25 ℃);0.2 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 電導(dǎo)率檢測(cè)方法

取已知堿度為C的堿液分級(jí)稀釋至100 mL,得到低堿度為C1…Cn-1的溶液,然后在原堿液中加入一定量的堿液原液定容至100 mL,得到高堿度為Cn…Cn+m的溶液。將測(cè)試液加熱到機(jī)組工藝控制溫度,在不斷攪拌下分別檢測(cè)其電導(dǎo)率。

1.2.2 堿度測(cè)定

取試液5 mL于250 mL燒杯中,采用復(fù)合電極在不斷攪拌下用0.2 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定,采用動(dòng)態(tài)滴定方式,設(shè)定終點(diǎn)判斷范圍pH=7～9,終點(diǎn)判斷閾值為10。終點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn):最大,根據(jù)滴定過程中pH值突躍確定其終點(diǎn)。

2 結(jié)果和討論

2.1 電導(dǎo)率和堿度工作曲線制作

根據(jù)電導(dǎo)率檢測(cè)方法得到堿液濃度和工藝控制溫度下的電導(dǎo)率,制作電導(dǎo)率和堿度工作曲線,見表1和圖1。

表1 電導(dǎo)率和堿度工作曲線(65 ℃)Table 1 Calibration of conductivity and alkalinity (65 ℃)

2.2 溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率分析方法是利用溶液電導(dǎo)與溶液中離子濃度成正比關(guān)系進(jìn)行定量分析的[2]。由于溫度直接影響溶液的電導(dǎo)率,因此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償理論公式為:

γt=γ0[1+β(t-t0)]

(1)

式中:γt、γ0分別為溫度為t和t0時(shí)的電導(dǎo)率;β為電導(dǎo)率溫度系數(shù)。

由于被測(cè)溶液的溫度系數(shù)很復(fù)雜,不同溶液之間和同一溶液不同濃度的溫度系數(shù)都不一樣,所以,從根本意義上說,一般是無法做到完全進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)腫3]。試驗(yàn)表明,電導(dǎo)率和溫度存在一定的相關(guān)性(見表2),通過溫度對(duì)電導(dǎo)率的線性回歸方程校正,可以降低溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響。

表2 電導(dǎo)率與溶液溫度關(guān)系Table 2 Relationship between conductivity and solution temperature

2.3 堿洗液中共存組成對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定的影響

2.3.1 堿洗液中鐵離子對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定影響

堿洗液中鐵主要來自于帶鋼表面的殘鐵和電解堿洗時(shí)產(chǎn)生的鐵。堿洗液中鐵一部分在一定溫度(50～75 ℃)攪拌下與油反應(yīng)生成脂肪酸鐵,稱之為鐵皂;一部分在堿洗介質(zhì)中生成氫氧化鐵。

試驗(yàn)表明:隨著鐵的增加,電導(dǎo)率檢測(cè)方法偏差增大(見表3),堿洗液中鐵的質(zhì)量濃度在1 000 mg/L以下,電導(dǎo)率測(cè)定精度是可以接受的。

表3 鐵對(duì)電導(dǎo)率精度影響(65 ℃)Table 3 Effect of iron on conductivity accuracy (65 ℃)

2.3.2 堿洗液中油對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定的影響

堿洗工序的目的是除去帶鋼表面的油,油在堿洗過程中一部分與鐵生成鐵皂,使堿洗液發(fā)黑;一部分以游離態(tài)形式存在,油的存在增加了溶液的黏度,影響離子遷移速度,影響電導(dǎo)率檢測(cè)[4],同時(shí)影響堿洗效果。

試驗(yàn)表明:堿洗液中油分的質(zhì)量濃度在1 000 mg/L以下(見表4),油對(duì)電導(dǎo)法測(cè)定精度的影響是可接受的。

表4 油分對(duì)電導(dǎo)率精度影響(65 ℃)Table 4 Effect of oil content on conductivity accuracy (65 ℃)

2.3.3 堿洗液中組分濃度對(duì)測(cè)量電極的影響

隨著堿洗液含有的氫氧化鐵、鐵皂、油分含量的增加,堿洗液變得渾濁,黏度變大,這些組分會(huì)黏附在電極表面,使電極有效測(cè)量面積變小,影響電導(dǎo)率響應(yīng)速度;同時(shí),由于堿洗液中鐵的羥基化合物和鐵皂本具有一定的電導(dǎo)率,會(huì)影響電導(dǎo)率法的測(cè)定精度。試驗(yàn)表明,通過過濾的方法可以提高電導(dǎo)率法的測(cè)量精度(見表5)。

表5 過濾前后堿度對(duì)比Table 5 Comparison of alkalinity before and after filtration

2.3.4 其他因素的影響

不同成分的堿洗液,其電導(dǎo)率測(cè)量模型是不同的,例如: 堿洗液有NaOH系、Na2CO3系、Na2SiO3系等。同一成分的堿洗液,不同的添加劑也會(huì)影響電導(dǎo)率檢測(cè)精度。此外,由于電導(dǎo)率實(shí)際上與溶液的活度成正比,因此,即使是同一組分,堿度相差太大也會(huì)影響電導(dǎo)率的測(cè)量精度。因此,需對(duì)每個(gè)堿洗工作槽分別建立電導(dǎo)率和堿度的測(cè)量模型。

2.4 電導(dǎo)率法與滴定法測(cè)量精度對(duì)比

取一系列不同的樣品分別采用電導(dǎo)率法和滴定法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),采用t檢驗(yàn)[5],t=1.00,小于t(0.95、19)=1.96(見表6),兩種方法之間無系統(tǒng)誤差。

表6 電導(dǎo)率法與滴定法測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)(65 ℃)Table 6 Comparison test of conductivity method and titration method (65 ℃) g/L

3 結(jié)論

本文探討了電導(dǎo)率法在線檢測(cè)堿洗液中的堿度方法、電導(dǎo)率法影響因素及使用范圍和測(cè)量精度。由于電導(dǎo)率法具有快速測(cè)量、實(shí)時(shí)性好、測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),使其非常適合工業(yè)生產(chǎn)的在線測(cè)量、在線控制,以實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和控制。