CN113969399A - 一种耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁防腐技术领域，涉及一种耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法。该处理溶液的组分包括：NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3，以及Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上，以及稳定剂、表面活性剂、促进剂，均匀溶解于水中形成处理溶液。将配置好的稳定化处理溶液均匀涂敷在待加工试样表面，后续采用雾化处理，经过干湿循环处理后，可以使耐候钢在3～7天内生成稳定的锈层。该耐候钢锈层稳定化处理方法具有操作方便，生产成本低，锈层转化时间短，适合工业应用及现场大规模生产。可以在生产地点短期内生成有良好保护作用的锈层，之后进行钢构件的现场安装。

Description

一种耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法
技术领域
本发明属于钢铁防腐技术领域，涉及一种耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法。
背景技术
耐候钢在发生大气腐蚀的过程中，材料的合金元素能够改善锈层结构和性能，形成致密的保护性锈层，有效阻滞腐蚀介质的渗入和传输，抑制腐蚀的进一步发生。耐候钢的耐大气腐蚀性能一般可以达到普通碳钢的2～8倍，且在大气中的使用时间愈长，其耐候效果愈明显。
耐候钢虽然具有耐蚀性好、经济免维护等优点，但在实际应用过程中，仍存在一些问题。不涂装的耐候钢在海洋大气环境下发生较严重的锈蚀。如果周期性地实施涂装维护，费用高昂。此外，耐候钢在使用的初期阶段与普通碳钢一样会生成红锈和黄锈，在雨水冲刷作用下发生锈液流挂，影响建筑物美观及污染周围环境。
耐候钢在免涂装使用时，需要一定的时间才能形成致密稳定的锈层。在大气环境下锈层演变是个漫长的过程，通常在3～5年左右才可达到稳定化状态。在演变过程中，外界环境的变化可能会对最终锈层的耐蚀性能造成影响。在锈层的各组分中，起保护作用的主要是α-FeOOH和Fe3O4，而β-FeOOH和γ-FeOOH则会加速钢的腐蚀速率。耐候钢锈层在稳定之前的腐蚀产物主要以β-FeOOH(海洋环境)和γ-FeOOH为主，这种不稳定状态下的锈层疏松多孔，在风吹雨淋等外力作用下，极容易形成流挂、偏色等现象，对环境造成污染。
因此，国内外针对耐候钢的锈层快速稳定化处理开展了很多工作，包括涂覆耐候性涂膜技术、氧化物涂膜技术及表面处理剂加速处理等方法。但涂覆膜层和保护性膜层提高了耐候钢的应用成本，而且膜层逐渐破损，暴露出来耐候钢基体会引起局部腐蚀加速，造成锈层保护性不均匀等问题。
发明专利公开号为CN103556143A的一种带氧化铁皮钢生成锈层稳定的喷液，其主要成分包括FeSO4、CuSO4、NaHSO3、Na2SiO3、单宁酸，溶剂为水。该发明处理剂可喷涂在带氧化铁皮的钢板表面，但是需要多次重复喷涂，且干燥时间较长。
发明专利公开号为CN105506605A的一种耐候钢锈层稳定化处理液，主要成分为磷酸54～90克、磷酸二氢锌15～30克，硝酸盐3～8克，硫酸锰3～8克，钼酸盐3～6克，表面活性剂1～3克。在耐候钢表面形成的化学转化膜。在室外、经约半年时间可达到锈层稳定化，时间较长。
发明专利公开号为CN105154859A的一种耐候钢表面锈层稳定化处理剂，组份包括：水溶性丙烯酸树脂液、硫酸铬、Fe2O3、Fe3O4、聚乙二醇、消泡剂、润湿剂和水。由于采用了丙烯酸树脂，在耐候钢表面形成保护膜，不利于基体锈层生长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法，适用于各种型号耐候钢，包括Q420、Q345或Q500等，可以在一周左右实现耐候钢锈层达到稳定化状态的目标。
本发明的技术方案是：
一种耐候钢锈层稳定化处理溶液，其组分包括：NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3，以及Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上，以及稳定剂、表面活性剂、促进剂，均匀溶解于水中形成处理溶液。
所述的耐候钢锈层稳定化处理溶液，按质量百分比计，NaCl的含量在10wt％以下，Cr2(SO4)3的含量在3wt％以下，H2SO4的含量在1wt％以下，Fe2O3的含量在1wt％以下，Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4一种或两种以上的含量在5wt％以下，稳定剂的含量在1wt％以下，表面活性剂的含量在1wt％以下，促进剂的含量在1wt％以下，余量为水。
所述的耐候钢锈层稳定化处理溶液，优选的，按质量百分比计，NaCl的含量在3～6wt％，Cr2(SO4)3的含量在1～2wt％，H2SO4的含量在0.3～0.6wt％，Fe2O3的含量在0.3～0.6wt％，Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4一种或两种以上的含量在1～3wt％，稳定剂的含量在0.1～0.5wt％，表面活性剂的含量在0.1～0.5wt％，促进剂的含量在0.1～0.5wt％，余量为水。
所述的耐候钢锈层稳定化处理溶液，稳定剂为Na2MoO4，表面活性剂为OP-10，促进剂为单宁酸。
所述处理溶液的耐候钢锈层稳定化处理方法，包括如下步骤：
1)清理耐候钢构件表面，采用喷砂法彻底清理表面氧化皮；
2)配制耐候钢锈层稳定化处理溶液，将各组分均匀溶解于水中，并搅拌均匀；
3)将耐候钢锈层稳定化处理溶液涂敷于清理后的耐候钢构件表面，干燥后生成锈层；
4)采用雾化润湿循环处理已经生成锈层的耐候钢构件表面，经过3～7天18～22个干湿循环，即在耐候钢构件表面形成稳定的锈层。
所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，步骤2)中，耐候钢锈层稳定化处理溶液的配制过程如下：
(1)配制A组分，将NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3、稳定剂、表面活性剂、促进剂均匀混合，备用；
(2)配制B组分，将Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上和水均匀混合，备用；
(3)使用前，将A组分、B组分均匀混合。
所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，步骤3)中，第一次涂敷之后，将耐候钢构件静置在室外1～4小时，让稳定化处理溶液在耐候钢构件表面干燥；待耐候钢构件表面完全干燥后进行第二次涂敷，将耐候钢构件静置在室外1～4小时，让稳定化处理溶液在耐候钢构件表面干燥，待耐候钢构件表面完全干燥后形成厚度为10～30μm的均匀锈层。
所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，步骤4)中，雾化润湿循环处理采用空压机制造水雾，润湿经过稳定化处理的、已经生成锈层的耐候钢构件表面，以加速锈层转化。
所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，空压机的空气压力0.5～0.9MPa，溶剂自来水或纯净水，空压机与喷枪相连，溶剂经过空压机后，在喷枪出口形成雾化水汽后润湿耐候钢构件表面，喷枪出口距离耐候钢构件表面0.5～1米。
所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，雾化润湿过程中尽量避免表面水流挂，喷出雾化水汽后润湿锈层表面，至锈层表面全部润湿后即停止。
本发明的设计思想是：
本发明耐候钢锈层稳定化处理溶液的成分设计，按质量百分比计，NaCl的含量在10wt％以下，Cr2(SO4)3的含量在3wt％以下，H2SO4的含量在1wt％以下，Fe2O3的含量在1wt％以下，Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4一种或两种以上的含量在5wt％以下，稳定剂的含量在1wt％以下，表面活性剂的含量在1wt％以下，促进剂的含量在1wt％以下，余量为水。上述成分的设计思路是：NaCl促进耐候钢锈层生成，Cr2(SO4)3、Na2S2O3、Na2SO4或NaHSO4有促进耐候钢构件表面锈层由γ-FeOOH向α-FeOOH转化的作用，Fe2O3、稳定剂、表面活性剂、促进剂为助剂，有助于锈层生成。
本发明采用特殊的耐候钢锈层稳定化处理方法，采用雾化润湿循环的方法加速锈层由γ-FeOOH向α-FeOOH转化，当经过20周期循环后，表面即可生成稳定的α-FeOOH，直接达到现场应用状态。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明采用NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3，以及Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上，以及稳定剂、表面活性剂、促进剂，均匀溶解于水中形成处理溶液。将耐候钢构件表面清理干净，采用喷涂或刷涂的方法将稳定化处理溶液均匀的喷淋在耐候钢构件表面，平均用量保持在每平方米大于300mL。待溶液干燥后，表面就可以生成一层浅褐色锈层。此时可以进行二次喷淋处理，以加速锈层生长。
2、本发明锈层维护生长工艺采用雾化润湿锈层的处理方法，经过加速稳定化处理后的耐候钢构件表面，需要进行锈层稳定生长工艺，使锈层快速达到稳定化，循环处理大约20周期即可达到锈层稳定化。
附图说明
图1为不同稳定化过程中的锈层表面形貌照片。其中，(a)稳定化处理后，(b)雾化处理，(c)2个循环盐雾腐蚀测试(Cyclic Corrosion Test，CCT)，(d)5个CCT，(e)10个CCT，(f)15个CCT，(g)20个CCT。
图2为与未经锈层稳定化处理的耐候钢失重曲线对比。图中，横坐标CCT代表循环盐雾腐蚀测试，纵坐标Weight Loss代表失重(mg/cm2)。
图3为20个干湿循环稳定化后表面锈层XRD检测结果。图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
具体实施方式
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法如下：
1、将Q345耐候钢加工成200cm×300cm大小的矩形试片，厚度为5mm，表面喷砂处理，将耐候钢表面浮锈、污渍等清理干净。
2、配制锈层稳定化处理溶液
(1)配制A组分，将NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3、稳定剂、表面活性剂、促进剂均匀混合，备用；
(2)配制B组分，将Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上和水均匀混合，备用；
(3)使用前，将A组分、B组分均匀混合形成处理溶液。按质量百分比计，处理溶液的组成和含量如下：NaCl的含量在4wt％，Cr2(SO4)3的含量在1.5wt％，H2SO4的含量在1wt％，Fe2O3的含量在0.5wt％，Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的含量各在1wt％，稳定剂(如：Na2MoO4)的含量在0.3wt％，表面活性剂(如：OP-10)的含量在0.3wt％，促进剂(如：单宁酸)的含量在0.3wt％，余量为水。
3、采用喷枪将锈层稳定化处理溶液喷涂于清理后的耐候钢表面，保证表面均匀即可，干燥后生成锈层；第一次喷涂之后，将耐候钢静置在室外2小时，让稳定化处理溶液在耐候钢表面干燥；待耐候钢表面完全干燥后进行第二次喷涂，将耐候钢静置在室外2小时，让稳定化处理溶液在耐候钢表面干燥，待耐候钢表面完全干燥后形成厚度为20μm的均匀锈层。
4、后续转化雾化处理
采用雾化润湿循环处理已经生成锈层的耐候钢构件表面，促进锈层转化，经过5天20个干湿循环，即在耐候钢构件表面形成稳定的锈层。其中，雾化润湿循环处理采用空压机制造水雾，润湿经过稳定化处理的、已经生成锈层的耐候钢构件表面，以加速锈层转化。空压机的空气压力0.7MPa，溶剂自来水或纯净水，空压机与喷枪相连，溶剂经过空压机后，在喷枪出口形成雾化水汽后润湿耐候钢构件表面，喷枪出口距离耐候钢构件表面0.8米。雾化润湿过程中尽量避免表面水流挂，喷出雾化水汽后润湿锈层表面，至锈层表面全部润湿后即停止。
如图1所示，进行20个干湿循环过程中，记录锈层表面状态变化。由图1可以看出，经过稳定化处理的试样，最初会在表面形成更加均匀的锈层。2CCT时，经过处理后的试样颜色开始呈现黄褐色。随着腐蚀周期的增多，锈层逐渐转化，趋于稳定。在10CCT以后，锈层颜色基本不变，维持在深褐色。图1表明在后续的转化过程中，随着不断的冲淋，锈层中的盐类、浮锈逐渐清除。在10CCT后，基体表面即可形成具有一定保护作用的锈层。此后在转化过程中，锈层逐渐稳定，对基体的保护作用也更加明显。
如图2所示，对比耐候钢失重曲线。由图2可以看出，经过稳定化处理后的试样，在第一阶段(1～4CCT)，腐蚀量快速增加，图中曲线的斜率n值约为0.4(在耐候钢失重曲线中，失重曲线斜率n反映动力学过程的特性，也就是说，当n<1时，该动力学对应腐蚀倾向减小的过程；当n>1时，该动力学对应腐蚀倾向增大的过程；当n＝1时，该动力学过程中腐蚀速度保持不变。所以，n值越小，该过程中腐蚀速度越小)；在第二阶段(10CCT以后)，n值约为0.1。这表明本实验所用稳定剂在初始阶段，不能使耐候钢表面锈层达到稳定。随着腐蚀周期的增多，在后续的转化过程中，锈层的致密程度不断增加，对基体的保护作用逐渐增强，腐蚀失重也降低到极小的数值，最终锈层达到稳定。未经稳定化处理的试样，在第一阶段(20CCT以前)，腐蚀量缓慢增加，n值约为0.29。说明在此阶段，耐候钢表面锈层已具有一定的耐候性，其腐蚀速度慢于经过锈层稳定化处理后的耐候钢。在第二阶段(20CCT以后)，腐蚀量快速增大，n值接近1，表明耐候钢表面锈层已破损。在30CCT以后，未经稳定化处理试样的腐蚀量大于处理后试样的腐蚀量。
如图3所示，刮取表面锈层分析其组分。结果表明，经过20个干湿循环作用后，锈层主要成分为α-FeOOH。经过锈层稳定化处理后的失重曲线结果也表明，经过20个干湿循环后，其失重明显开始低于未经处理的耐候钢。
实施例2
本实施例中，耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法如下：
1、将Q345耐候钢加工成200cm×300cm大小的矩形试片，厚度为5mm，表面喷砂处理，将耐候钢表面浮锈、污渍等清理干净。
2、配制锈层稳定化处理溶液
(1)配制A组分，将NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3、稳定剂、表面活性剂、促进剂均匀混合，备用；
(2)配制B组分，将Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上和水均匀混合，备用；
(3)使用前，将A组分、B组分均匀混合形成处理溶液。按质量百分比计，处理溶液的组成和含量如下：NaCl的含量在3wt％，Cr2(SO4)3的含量在2wt％，H2SO4的含量在0.5wt％，Fe2O3的含量在0.4wt％，Na2S2O3、Na2SO4的含量各在0.5wt％，稳定剂(如：Na2MoO4)的含量在0.2wt％，表面活性剂(如：OP-10)的含量在0.4wt％，促进剂(如：单宁酸)的含量在0.2wt％，余量为水。
3、采用喷枪将锈层稳定化处理溶液喷涂于清理后的耐候钢表面，保证表面均匀即可，干燥后生成锈层；第一次喷涂之后，将耐候钢静置在室外3小时，让稳定化处理溶液在耐候钢表面干燥；待耐候钢表面完全干燥后进行第二次喷涂，将耐候钢静置在室外3小时，让稳定化处理溶液在耐候钢表面干燥，待耐候钢表面完全干燥后形成厚度为10～20μm的均匀锈层。
4、后续转化雾化处理
采用雾化润湿循环处理已经生成锈层的耐候钢构件表面，促进锈层转化，经过7天21个干湿循环，即在耐候钢构件表面形成稳定的锈层。其中，雾化润湿循环处理采用空压机制造水雾，润湿经过稳定化处理的、已经生成锈层的耐候钢构件表面，以加速锈层转化。空压机的空气压力0.5MPa，溶剂自来水或纯净水，空压机与喷枪相连，溶剂经过空压机后，在喷枪出口形成雾化水汽后润湿耐候钢构件表面，喷枪出口距离耐候钢构件表面0.5米。雾化润湿过程中尽量避免表面水流挂，喷出雾化水汽后润湿锈层表面，至锈层表面全部润湿后即停止。
实施例3
本实施例中，耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法如下：
1、将Q345耐候钢加工成200cm×300cm大小的矩形试片，厚度为5mm，表面喷砂处理，将耐候钢表面浮锈、污渍等清理干净。
2、配制锈层稳定化处理溶液
(1)配制A组分，将NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3、稳定剂、表面活性剂、促进剂均匀混合，备用；
(2)配制B组分，将Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上和水均匀混合，备用；
(3)使用前，将A组分、B组分均匀混合形成处理溶液。按质量百分比计，处理溶液的组成和含量如下：NaCl的含量在5wt％，Cr2(SO4)3的含量在1wt％，H2SO4的含量在0.6wt％，Fe2O3的含量在0.6wt％，Na2SO4、NaHSO4的含量各在1wt％，稳定剂(如：Na2MoO4)的含量在0.4wt％，表面活性剂(如：OP-10)的含量在0.2wt％，促进剂(如：单宁酸)的含量在0.4wt％，余量为水。
3、采用喷枪将锈层稳定化处理溶液喷涂于清理后的耐候钢表面，保证表面均匀即可，干燥后生成锈层；第一次喷涂之后，将耐候钢静置在室外3.5小时，让稳定化处理溶液在耐候钢表面干燥；待耐候钢表面完全干燥后进行第二次喷涂，将耐候钢静置在室外3.5小时，让稳定化处理溶液在耐候钢表面干燥，待耐候钢表面完全干燥后形成厚度为10～15μm的均匀锈层。
4、后续转化雾化处理
采用雾化润湿循环处理已经生成锈层的耐候钢构件表面，促进锈层转化，经过6天18个干湿循环，即在耐候钢构件表面形成稳定的锈层。其中，雾化润湿循环处理采用空压机制造水雾，润湿经过稳定化处理的、已经生成锈层的耐候钢构件表面，以加速锈层转化。空压机的空气压力1.0MPa，溶剂自来水或纯净水，空压机与喷枪相连，溶剂经过空压机后，在喷枪出口形成雾化水汽后润湿耐候钢构件表面，喷枪出口距离耐候钢构件表面1.0米。雾化润湿过程中尽量避免表面水流挂，喷出雾化水汽后润湿锈层表面，至锈层表面全部润湿后即停止。
实施例结果表明，本发明耐候钢锈层稳定化处理溶液及处理方法，具有操作方便、生产成本低、锈层转化时间短等特点，适合工业应用及现场大规模生产。从而，可以在生产地点短期内生成有良好保护作用的锈层，之后进行钢构件的现场安装。

Claims (10)

1.一种耐候钢锈层稳定化处理溶液，其特性在于，其组分包括：NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3，以及Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上，以及稳定剂、表面活性剂、促进剂，均匀溶解于水中形成处理溶液。
2.根据权利要求1所述的耐候钢锈层稳定化处理溶液，其特性在于，按质量百分比计，NaCl的含量在10wt％以下，Cr2(SO4)3的含量在3wt％以下，H2SO4的含量在1wt％以下，Fe2O3的含量在1wt％以下，Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4一种或两种以上的含量在5wt％以下，稳定剂的含量在1wt％以下，表面活性剂的含量在1wt％以下，促进剂的含量在1wt％以下，余量为水。
3.根据权利要求1所述的耐候钢锈层稳定化处理溶液，其特性在于，优选的，按质量百分比计，NaCl的含量在3～6wt％，Cr2(SO4)3的含量在1～2wt％，H2SO4的含量在0.3～0.6wt％，Fe2O3的含量在0.3～0.6wt％，Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4一种或两种以上的含量在1～3wt％，稳定剂的含量在0.1～0.5wt％，表面活性剂的含量在0.1～0.5wt％，促进剂的含量在0.1～0.5wt％，余量为水。
4.根据权利要求1所述的耐候钢锈层稳定化处理溶液，其特性在于，稳定剂为Na2MoO4，表面活性剂为OP-10，促进剂为单宁酸。
5.一种使用权利要求1至4之一所述处理溶液的耐候钢锈层稳定化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)清理耐候钢构件表面，采用喷砂法彻底清理表面氧化皮；
2)配制耐候钢锈层稳定化处理溶液，将各组分均匀溶解于水中，并搅拌均匀；
3)将耐候钢锈层稳定化处理溶液涂敷于清理后的耐候钢构件表面，干燥后生成锈层；
4)采用雾化润湿循环处理已经生成锈层的耐候钢构件表面，经过3～7天18～22个干湿循环，即在耐候钢构件表面形成稳定的锈层。
6.根据权利要求5所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，其特征在于，步骤2)中，耐候钢锈层稳定化处理溶液的配制过程如下：
(1)配制A组分，将NaCl、Cr2(SO4)3、H2SO4、Fe2O3、稳定剂、表面活性剂、促进剂均匀混合，备用；
(2)配制B组分，将Na2S2O3、Na2SO4、NaHSO4的一种或两种以上和水均匀混合，备用；
(3)使用前，将A组分、B组分均匀混合。
7.根据权利要求5所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，其特征在于，步骤3)中，第一次涂敷之后，将耐候钢构件静置在室外1～4小时，让稳定化处理溶液在耐候钢构件表面干燥；待耐候钢构件表面完全干燥后进行第二次涂敷，将耐候钢构件静置在室外1～4小时，让稳定化处理溶液在耐候钢构件表面干燥，待耐候钢构件表面完全干燥后形成厚度为10～30μm的均匀锈层。
8.根据权利要求5所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，其特征在于，步骤4)中，雾化润湿循环处理采用空压机制造水雾，润湿经过稳定化处理的、已经生成锈层的耐候钢构件表面，以加速锈层转化。
9.根据权利要求8所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，其特征在于，空压机的空气压力0.5～0.9MPa，溶剂自来水或纯净水，空压机与喷枪相连，溶剂经过空压机后，在喷枪出口形成雾化水汽后润湿耐候钢构件表面，喷枪出口距离耐候钢构件表面0.5～1米。
10.根据权利要求8所述的耐候钢锈层稳定化处理方法，其特征在于，雾化润湿过程中尽量避免表面水流挂，喷出雾化水汽后润湿锈层表面，至锈层表面全部润湿后即停止。
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