无取向电工钢M21环保绝缘涂料的研制

无取向电工钢M21环保绝缘涂料的研制孙致平a,朱涛a,董梅a,裴陈新a,丰慧a,沈新玉b,胡柯b,孙建华b (马鞍山钢铁股份有限公司, a.技术中心; b.第一钢轧总厂,安徽马鞍山243000)
摘要:介绍了马钢无取向电工钢用M21环保绝缘涂层的开发过程及工艺流程。

并对其性能进行了检测分析,结果表明,M21环保绝缘涂层是一种半有机涂层,主要由丙烯酸树脂和无机填料组成。

具有优异的绝缘性能,层间电阻约800Ωmm2/片,其综合性能能够满足用户的需要。

关键词:电工钢;环保绝缘涂层;丙烯酸树脂;无机填料
中图分类号:T M215.1;TQ630.7文献标志码:A文章编号:1009-9239(2009)01-0011-04
Devel o p ment of M21Envir on menta ll y-f r ien dl y In sula t ion Coa t in g on Non-or iented Electr ica l Steel
SUN Zhi-p in g a,ZHU Ta o a,DONG Me i a,P EI Che n-xin a,
F EN
G Hui a,S HEN Xi n-y u b,HU Ke b,S UN J ia n-hua b
(a.Tec hnolo gy Cente r, b.t he F ir st S teel M aki n g Pl a nt,
M a a ns ha n I ron a nd S teel Co.,L t d,M a a ns ha n243000,Chi na)
Abstract:The de vel op me nt a nd t e c hnol ogi cal p r oc e ss of M21e nvir on me nt-f rie ndl y i ns ula tion c oat ing on non-or ie nt e d ele c t ri cal st e els of M a S te e l we r e pr e se nte d.An d it s p e rf or ma nce s we r e de t ec t e d a nd a nal y z e d.The r es ult s indic at e t hat M21c oat in g is a s e mi-or g a nic c oa tin g ma inl y c om p os e d of ac r y lic r e si n a nd i nor g a nic f ille r.I t has out st a ndi n g i ns ula tio n p r o p e r ti es wit h i nte r la mi nat ion r e2 sis ta nc e a t800Ωm m2p e r p ie ce an d ca n m e e t t he r e q uir e me nt s of us e r s f o r int e g r a t ed p e rf or2 m a nce s.
Key wor ds:e le ct r ic al s t ee l;e n vi r onm e nt-f r ie ndly ins ula ti on c oa ti ng;ac r ylic r e sin;i nor ga nic f ille r
1前言
无取向电工钢涂层不仅需要具有良好的绝缘性,而且还必须具有良好的冲片性、附着性、耐热性、耐蚀性、防锈性和焊接性[1]。

无取向电工钢绝缘涂层包括有机涂层、无机涂层和半有机涂层3大类[2]。

目前国内应用最多的电工钢涂层是半有机含铬涂层,如武钢T4、鞍钢TM4、宝钢A涂层,这些涂层的涂料组分主要为铬酐(CrO3)、氧化锌(或氧化镁)、有机树脂乳液、甘油(或乙二醇)、消泡剂等。

半有机含铬涂层虽然兼顾了无取向电工钢涂层所要求的各种性能,但其涂料中含有剧毒的Cr6+。

随着环保要求的日益严格,尤其是欧盟Ro HS指令的实施,环保涂层成为国内外无取向电工钢绝缘涂层研发的热点。

在这种环保化趋势下,开发了适用于无取向电工钢的M21半有机无铬环保绝缘涂料。

经上海通标标准技术服务有限公司(S GS-CS TC)的Ro HS检测,M21环保绝缘涂层不含Cr6+、Pb、Hg等有毒物质,符合欧盟Ro HS指令的环保要求。

M21环保绝缘涂层的层间电阻均在500Ωmm2/片以上,一般控制在800Ωmm2/片左右时,其绝缘能力能够满足对绝缘性要求很高的大、中型电机、EI片的需要。

根据涂层性能检测结果、用户反馈意见及应用生产情况,研制开发的M21环保绝缘涂层的综合性能已经能够满足无取向电工钢的使用要求,该涂料的开发达到了预期的经济效益和市场开拓目标。

2M21环保涂料研制
2.1M21环保涂料配方设计
由于生产线上的涂层机为被动式两辊高速辊涂机,其中涂辊为特殊刻槽衬胶辊;在带钢运动时,由带钢与涂辊之间的摩擦力带动涂辊转动,且带钢的线速度一般在80～120m/mi n,因此要求涂料的粘
收稿日期:2008-08-27
作者简介:孙致平(1982-),男,湖南益阳人,工程师,硕士,主要从事电工钢涂层技术研究工作,(电子信箱)zp sun1982@163.co m。

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度必须满足高速涂辊的要求。

如果涂料的粘度太高,则容易粘辊,涂覆后会产生涂层缺陷,甚至生产一段时候后涂辊的刻槽会被干燥后的涂料残留物填满而使涂辊失效。

涂料经涂辊涂覆在带钢表面后,在初期形成的是纵向的涂料液带,然后液带横向流动而铺满整个带钢板面,因此要求涂料在涂层湿膜烘干固化前能快速流平。

根据生产线涂层设备的特点,为满足电工钢涂层的综合性能要求,M21涂料被设计成单组分半有机无铬环保涂料,主成膜物为有机树脂,辅助成膜物为无机填料。

M21涂料由有机树脂乳液、不含铬的无机填料、固化剂及其他助剂组成,这些组分的比例对涂料的最终性能有很大影响。

另外,针对普通丙烯酸树脂型电工钢涂层存在的掉粉、耐热性不佳等问题,利用纳米改性技术,通过纳米尺寸的水性丙烯酸树脂与乳液组合,获得致密的有机薄膜,并通过乳液包裹无机纳米颗粒以改善薄膜的耐热性。

在高温退火时,有机组分分解,释放出的无机纳米颗粒可以将无机填料颗粒粘接起来,从而提高了涂层的耐热性,减少掉粉,更好地满足了电工钢涂层的使用要求。

2.2M21环保涂料的制备
根据M21涂料的配方设计,通过多次试验,最终确定了M21涂料的制备方法与相关的工艺参数。

具体如下:
(1)将共聚单体(如丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸)、乳化剂(如十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚)、缓冲剂(碳酸氢钠)、交联剂(N-羟甲基丙烯酰胺)、溶剂(纯水)按一定比例混合后在室温下搅拌一定时间预乳化,形成预乳化液。

(2)将引发剂(如过硫酸铵)与纳米无机改性剂(如硅溶胶)加入纯水中搅拌,形成改性剂共混液。

(3)在室温下将一部分预乳化液、改性剂共混液搅拌混合,然后升温至一定温度,再往其中滴加剩余的预乳化液及大部分的改性剂共混液;滴加完后,再以一定速度滴加剩余的改性剂共混液;然后以一定速度继续升温至85～95℃熟化一定时间,最后冷却,用中和剂(如氨水)调节乳液的p H值为7～8,即制成纳米无机改性丙烯酸乳液。

(4)以正丁醇为溶剂,将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯等聚合单体在一定温度下聚合一定时间,形成粒径为纳米级的颗粒,再加入醇类溶剂高速分散以保证颗粒的分散性,从而制得纳米丙烯酸树脂。

(5)将纳米无机改性丙烯酸乳液、纳米丙烯酸树脂、无机填料(如磷酸锌、磷酸铝、钛白等)、固化剂(如高甲醚化的三聚氰胺树脂)搅拌混合,加纯水调整粘度,加入少量消泡剂以除泡,然后砂磨一定时间即制成M21环保涂料。

2.3M21环保涂料性能
M21环保涂料的性能测试结果如表1所示。

表1M21环保涂料的性能测试结果
经过上海通标公司的RoHS检测,M21涂料不含Cr6+、Pb、H g等有害物质,符合RoHS指令的环保要求。

目前常用的电工钢含铬涂料的主要成份为重铬酸镁(M gCrO4)或重铬酸锌水溶液,其中含有剧毒的Cr6+,在涂料配制、涂层烘干固化以及电工钢焊接时,有毒原料可能泄漏或在高温时释放出有毒气体,从而危害操作人员的身体健康。

含铬涂料由于其重铬酸盐的强氧化性,使得涂料的保质期较短,一般仅为7天,如遇设备故障或生产计划调整,则会使涂料浪费,而且生产线上必须配置含铬废液的处理设备进行无害化处理,这也会使生产成本增加。

M21环保涂料的保质期大于6个月,能够按照各种临时状况进行灵活调整,对工业生产的适应性很强。

3M21环保绝缘涂层工艺开发
3.1涂层工艺流程
涂层工艺流程包括电工钢基板预处理(碱洗漂洗、水喷淋冷却、热风干燥等)、涂料涂敷、涂层干燥固化及冷却等,M21环保绝缘涂层的应用工艺流程如图1所示。

图1M21环保绝缘涂层的应用工艺流程图
3.2涂层工艺控制
在M21环保绝缘涂层生产中,影响涂层性能而需要进行控制的涂层工艺:
(1)电工钢基板的表面质量
为了获得优良的涂装质量,要求涂层能够牢固地附着在带钢表面。

这一方面取决于涂料本身质量,另一方面取决于涂覆前电工钢基板的表面质量。

电工钢基板在涂覆前应先经过碱洗漂洗段,通过控制碱液温度与浓度以彻底清除带钢表面的轧制油、乳化液及其他杂物。

在带钢脱碳退火处理过程中,通过控制炉内温度、H2含量、分压比等工艺参数防止带钢表面氧化。

这些工艺措施使得涂覆前的电工钢带表面没有污物与氧化,提高涂装质量。

(2)涂覆前带钢的板形、表面粗糙度及温度控制
涂覆前带钢的板形及表面粗糙度对涂层厚度与层间电阻有一定影响,从而需要控制来料的板形与表面粗糙度,在连续退火生产线中,则通过S F段张力进行调整。

如果带钢在涂覆前的温度控制不当,则会使涂层出现条纹、回料中产生结块等问题。

由于电工钢牌号不同,电工钢带从退火炉中出来时的温度也不同,通过RJ C(控冷、快冷段)工艺参数的调整、水喷淋冷却中水冷机组的投入数量等措施调整板温,使带钢在涂覆前的温度恒定且低于60℃,从而使涂层质量稳定。

(3)涂料涂覆控制
M21环保涂料在涂覆时,需要进行充分的搅拌,以使得M21涂料中的无机填料均匀分散。

搅拌速率要适当控制,转速过快会产生大量气泡使涂层出现漏涂缺陷,而转速过慢则会使树脂乳液和无机填料混合不均匀以致涂层易掉粉。

采用两辊式刻槽被动辊涂覆机,在涂覆M21涂料时,通过控制涂料的粘度与固含量、涂辊压力、机组运行速度等工艺参数调整涂层厚度在0.5～2μm之间,并使涂层无缺陷。

(4)涂层炉工艺参数控制
涂层的干燥、固化及冷却在涂层炉中完成。

根据M21涂料的性质,涂层炉干燥段的温度设置在使涂层湿膜中溶剂充分挥发的温度,而烧结段的温度则设置在使涂层产生交联反应而固化完全的温度。

出炉钢带经空气喷射冷却以使涂层冷却到接近室温,防止在热态下的涂层损伤,主要是通过控制空气的喷射流量来调节冷却速度。

4M21环保绝缘涂层性能及应用
对工业试验及随后正常生产的涂层进行了各项性能检测,M21环保绝缘涂层的典型性能参数如表2所示。

根据涂层性能检测结果,M21环保绝缘涂层的综合性能满足无取向电工钢的使用要求。

采用能谱(ED S)对M21环保绝缘涂层与市面上的含铬涂层的元素成份进行了分析,EDS谱图如图2所示。

M21环保绝缘涂层的主要元素成分为C、O、Al、Si、Zn、Ca、P(测试的Fe元素及一部分Si、Al元素为电工钢基体组分元素),且不含Cr,对应的有机组分为丙烯酸树脂,无机组分则是SiO2、磷酸锌防锈填料等。

而半有机含铬涂层的元素成分主要为C、O、Zn、Cr、Si、Al,说明了含铬涂层所用的原料主要是氧化锌、铬酐。

根据国家标准G B/T2522-2007《电工钢片(带)表面绝缘电阻、涂层附着性测试方法》对M21环保绝缘涂层的层间电阻进行了测试。

目前市面上广泛使用的半有机含铬涂层的层间电阻仅为100～300Ωm m2/片,而开发的M21无铬环保绝缘涂层的层间电阻均在500Ωm m2/片以上,一般控制在
表2M21环保绝缘涂层的典型性能参数
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800Ωmm2/片左右,因此M21涂层的绝缘能力明显强于半有机含铬涂层,能够更好地满足对绝缘性要求很高的大、中型电机、EI片的需要。

(a)M21环保绝缘涂层
(b)含铬涂层
图2M21环保绝缘涂层与
一般含铬涂层的元素成份对比
涂覆M21无铬环保绝缘涂层的中、低牌号电工钢产品如M50W600、M50W800及M50W1300等已被广泛地用于中、小型电机,空调压缩机、E I片等。

用户试用M21无铬环保绝缘涂层后认为该涂层在加工时不掉粉、冲片性好(可达160万次)、耐热性好、发蓝处理后表面呈蓝黑色且涂层不脱落;经氩弧焊后焊缝无气泡与开焊,浸渍绝缘漆时涂层不起泡、不溶解,耐氟里昂性能够满足压缩机制造业的需要以及符合Ro HS指令的要求。

5结论
(1)开发的M21环保涂料是一种主要由丙烯酸树脂、无机填料组成的半有机环保涂料,该涂料能够满足高速辊涂的需要以及Ro HS指令的环保要求。

(2)通过对电工钢基板的表面质量、涂覆前带钢的板形、表面粗糙度与温度、涂料涂覆及涂层炉工艺参数进行合理控制,可以生产出表面质量良好的M21环保绝缘涂层。

(3)M21环保绝缘涂层是一种不含Cr的半有机涂层,并符合Ro HS指令的环保要求,其层间电阻在800Ωm m2/片左右,综合性能可满足电工钢用户的需要。

(4)根据M21涂层的性能检测结果、用户反馈意见及应用情况,M21环保绝缘涂层的开发达到了预期的经济效益和市场开拓目标。

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