孫建林

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

鋼鐵軋制潤滑技術(shù)發(fā)展與展望

孫建林

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

鑒于軋制工藝潤滑技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)中的重要地位,文章就軋制工藝潤滑的作用與節(jié)能環(huán)保的關(guān)系以及對軋制過程的影響進(jìn)行了深入的闡述。同時列舉了在熱軋和冷軋過程的應(yīng)用效果,包括熱軋過程的減摩降壓與節(jié)能、冷軋過程的表面質(zhì)量控制,最后提出了軋制工藝潤滑的應(yīng)用領(lǐng)域和研究方向。

軋制;潤滑;節(jié)能;發(fā)展

Abstract:Based on the important role of lubricat ion technology in rolling process,the rolling lubrication act ion,the effect of rolling lubrication on rolling process and the relat ionship betw een rolling lubrication and energy-saving and environm ental p rotection are expounded in this paper.It is further to explain the application effect in hot and co ld rolling process,including the rolling force-decreasing and energy-saving in ho t ro lling and the improvem ent of the rolled surface quality in cold rolling.The application fields and the research targets of ro lling lubricat ion are presented at last.

Key words:ro lling;lubrication;energy-saving;developm ent

1 鋼鐵軋制生產(chǎn)技術(shù)需求

近年來,中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速,2008年中國鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到 5億 t。2009年國務(wù)院出臺了“鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃”,進(jìn)一步明確了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步與生產(chǎn)節(jié)能減排的的任務(wù),加快鋼鐵產(chǎn)業(yè)由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。就軋制生產(chǎn)技術(shù)而言,熱軋寬帶鋼、薄板坯連鑄連軋、高速冷軋、冷軋板帶板形與表面質(zhì)量控制技術(shù)[1-3]以及節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)等[4]技術(shù)發(fā)展極大地促進(jìn)了軋制工藝潤滑技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用,就軋制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而言,軋制產(chǎn)品板帶比由 2006年的 32.8%提高到 2008年的 53.2%,諸如,熱軋集裝箱板、冷軋汽車板、冷軋電工鋼等高品質(zhì)帶鋼等薄規(guī)格、高表面質(zhì)量產(chǎn)品需求旺盛,進(jìn)一步導(dǎo)致對軋制油需求增加和性能要求的提高。

采用軋制工藝潤滑技術(shù)除了減少摩擦磨損、降低軋制壓力和軋制能耗,還可以改善軋后產(chǎn)品表面質(zhì)量,提高軋機(jī)能力和作業(yè)率,表 1為熱軋和冷軋過程工藝潤滑作用效果統(tǒng)計結(jié)果[5]。

表 1 熱軋和冷軋工藝過程軋制工藝潤滑作用效果 %

我國熱軋板卷生產(chǎn)能力已達(dá)到 2億多噸,就目前熱軋潤滑技術(shù)而言,國內(nèi)外熱軋潤滑平均油耗在100 g/t左右,那么年需要熱軋油 2萬 t。而冷軋板2010年國內(nèi)的需求量預(yù)計為 8400萬 t,國內(nèi)冷軋板帶鋼按年產(chǎn) 5000萬 t計算,軋制乳化油耗量 400～800 g/t之間,則年需 2萬～4萬 t,而且產(chǎn)品規(guī)格越薄,軋制油消耗越大。因此,軋制工藝潤滑技術(shù)作為軋制生產(chǎn)技術(shù)主要應(yīng)用新技術(shù)之一,能夠滿足當(dāng)前軋鋼生產(chǎn)節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量之需要,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

2 熱軋工藝潤滑

1968年美國國家鋼鐵公司 GREAT-LAKE廠采用注水法在熱連軋精軋機(jī)組上應(yīng)用QAUAKERCHEM ICAL的熱軋潤滑油并取得成功[6]。隨后國外相繼開展了熱軋工藝潤滑研究和應(yīng)用。中國 1980年后在太鋼爐卷軋機(jī)和武鋼1700 mm熱連軋機(jī)上進(jìn)行了熱軋試驗(yàn)。近幾年來,隨著連鑄連軋工藝的完善,粗軋機(jī)組被減少或忽略,板帶鋼精軋機(jī)組向高速化、高效率化方向發(fā)展,熱軋工藝潤滑技術(shù)得到了前所未有的重視、應(yīng)用和發(fā)展[7-11]。截至 2009年,我國 14條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線全部采用了熱軋工藝潤滑技術(shù),總產(chǎn)能達(dá)到 3750萬 t。

2.1 熱軋工藝潤滑機(jī)理

通常熱軋油是以油水混合液的形式被送到軋輥表面的,進(jìn)入輥縫前在軋輥表面形成一層潤滑膜,一般認(rèn)為,油水混合液的作用過程是水包油相向油包水相的轉(zhuǎn)變過程?；旌弦旱竭_(dá)輥面后,以水包油的形式迅速地在輥面展開,當(dāng)進(jìn)入變形區(qū)與高溫的軋件接觸時,在溫度和壓力的作用下,水很快蒸發(fā)并轉(zhuǎn)變成油包水相,一部分油燃燒產(chǎn)生以灰分為主的燃燒物使軋輥與金屬表面隔開;一部分油以油膜的形式均勻地覆蓋在軋輥與軋件的接觸弧上以流體形式通過變形區(qū),兩者在變形區(qū)大約 0.01 s的時間內(nèi)都起到一定的潤滑作用[12-15]。

(1)進(jìn)一步確定熱軋工藝潤滑機(jī)理,特別是在熱軋變形區(qū)內(nèi)高溫、高壓條件下,熱軋潤滑油具體形態(tài),即:是燃燒后的殘?zhí)?還是未完全燃燒的油膜最終起潤滑作用。如果是部分燃燒,在高溫高壓下分解產(chǎn)物在潤滑過程中所起到的作用。

(2)油膜在軋制變形區(qū)出口厚度的計算與檢測,包括鋼板表面軋制油的殘留與冷卻水中軋制油中殘留。

(3)軋制油燃燒導(dǎo)致的作業(yè)環(huán)境污染,包括燃燒后殘?zhí)苛看笮?、產(chǎn)物以及與軋制溫度的關(guān)系。

2.2 新型熱軋油的研發(fā)

由于熱軋油在高溫、高壓條件下為非循環(huán)使用,燃燒分解產(chǎn)物和未燃燒油品不能對循環(huán)冷卻水和帶鋼表面產(chǎn)生污染,為此要求熱軋油具有較高的粘度和高粘度指數(shù) V I(Viscosity Index)、高溫性能穩(wěn)定、殘?zhí)亢突曳中〉忍攸c(diǎn)。熱軋油主要成分為基礎(chǔ)油加添加劑,其中基礎(chǔ)油多選用精制礦物油、合成酯及部分動植物油,而添加劑主要為油性劑和極壓劑,熱軋油的基本組成見表 2。

表2 熱軋油的基本組成

目前在熱軋油研發(fā)中已經(jīng)開始注意潤滑劑的使用安全與環(huán)境保護(hù)的問題。例如,限制使用有毒化學(xué)添加劑、選用可生物降解的油品。20世紀(jì)末美歐國家已開始出現(xiàn)綠色環(huán)保型潤滑劑[16]。

2.3 熱軋工藝潤滑的應(yīng)用技術(shù)

熱軋工藝潤滑的應(yīng)用技術(shù)包括:供給方法、噴淋方式、控制系統(tǒng)與裝置等問題,這也是制約熱軋工藝潤滑應(yīng)用工作的問題之一,需要引起高度重視。若工藝潤滑流量過大,會出現(xiàn)軋輥與帶鋼打滑、軋制過程變的不穩(wěn)定,反而由于熱軋油供油不足,加劇軋輥的磨損和帶鋼表面缺陷的產(chǎn)生。

圖 1為一種移動式軋制油供油系統(tǒng)裝置工作示意圖。設(shè)備可放置在軋機(jī)附近,油水通過管路進(jìn)入混合器后,通過上下輥的噴嘴分散噴射。該系統(tǒng)可以針對軋機(jī)的咬入和拋鋼自動開啟和關(guān)閉,同時流量可根據(jù)軋機(jī)速度任意調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)在熱精軋機(jī)組工藝潤滑中得到應(yīng)用,表 3列舉了某熱精軋機(jī)組熱軋油系統(tǒng)裝置技術(shù)參數(shù)。

在該系統(tǒng)裝置中 F1～F7的上、下工作輥入口處各設(shè)置一根熱軋油噴射集管,距輥縫 100～250 mm。軋制油噴嘴與軋機(jī)冷卻水之間由切水板完全隔開,刮水板以布置成雙面可移動式,可改善刮水板與工作輥的接觸。這種布置方式在使用過程中可使?jié)櫥瑑?yōu)點(diǎn)能充分發(fā)揮,主要表現(xiàn)有:

①噴油量少 (每噸鋼 100～150g),而且易調(diào)節(jié)濃度,穩(wěn)定性好。

②供油,停油迅速。

③寬度方向均勻供油。

④上、下軋輥潤滑效果相同。

⑤由于噴油量少而且燃燒充分,水中油殘留少。對水處理系統(tǒng)無特別要求也無需進(jìn)行額外處理。

圖 1 一種新型可移動的軋制油供油系統(tǒng)裝置

表 3 熱精軋機(jī)組熱軋油裝置技術(shù)參數(shù)

2.4 熱軋工藝潤滑對板帶鋼組織性能的影響

熱軋工藝潤滑技術(shù)除了可以達(dá)到表 1中所列舉的作用效果外,還可能使板帶鋼在物理和冶金特征性上發(fā)生如下變化:

(1)減少軋制過程二次氧化鐵皮的生成; (2)控制和改善晶粒組織;

(3)減低屈服點(diǎn)、極限拉伸強(qiáng)度和缺口強(qiáng)度; (4)提高塑性應(yīng)變比值,提高延伸率;

(5)控制軋制織構(gòu)形成,提高板帶深沖性能。

3 冷軋工藝潤滑

隨著對冷軋板需求與質(zhì)量要求增加,諸如汽車板、家電板、裝飾板等金屬薄板的板形與表面質(zhì)量問題日益突出[17],采用冷軋工藝潤滑技術(shù)是解決上述問題的有效手段之一[17-18]。采用工藝潤滑技術(shù)不僅可以改善冷軋板板形,提高軋后表面質(zhì)量,而且還可以在現(xiàn)有軋機(jī)上生產(chǎn)更薄的產(chǎn)品。

3.1 乳化液特征與冷軋潤滑效果

(1)乳化液特征

由于冷軋產(chǎn)品品種不同,可根據(jù)軋制工藝具體情況如產(chǎn)品規(guī)格、材質(zhì)、軋機(jī)工況、軋制速度、表面質(zhì)量要求等選擇最適合的軋制乳化液[19]。不同類型的乳化液其穩(wěn)定性不同,皂化值不同,導(dǎo)致其潤滑性能的差異,如表 4所示。

表4 國外冷軋乳化油典型產(chǎn)品

(2)潤滑效果與表面質(zhì)量

除了乳化液顆粒度分布,皂化值是軋制乳化液潤滑性能的重要因素之一。乳化液皂化值越高,軋制潤滑性能越好,但軋后退火板面清凈性卻隨之變差?？梢哉f皂化值是選擇軋制不同規(guī)格板帶材乳化液標(biāo)準(zhǔn)之一。不同規(guī)格板帶鋼軋制參考使用的乳化液類型及皂化值見表 5。軋制油皂化值與潤滑性及清凈性的關(guān)系如圖 2所示。

表 5 不同規(guī)格板帶鋼軋制參考使用的乳化液類型及皂化值

圖 2 軋制油的皂化值對潤滑性和清凈性的影響

3.2 乳化液的維護(hù)技術(shù)

與熱軋潤滑技術(shù)相比,軋制乳化液由于是循環(huán)使用,因此,乳化液應(yīng)用維護(hù)技術(shù)甚至比乳化液自身特性更為重要,需要引起高度重視。由于乳化液是油水兩相動平衡體系,同時又是在一定的溫度、壓力條件下循環(huán)使用,乳化液使用過程中控制水平的高低直接影響其潤滑效果與使用周期。乳化液的維護(hù)技術(shù)包括:

(1)濃度控制

根據(jù)具體軋制工藝、品種規(guī)格及乳化液特征確定乳化液的使用濃度,值得注意的是軋制生產(chǎn)線上設(shè)備漏油會使乳化液濃度升高,導(dǎo)致軋后板帶鋼表面清凈性下降,或者造成軋制過程不穩(wěn)定。

(2)顆粒度分布控制

乳化液中油滴顆粒度尺寸對其潤滑性能也有較大影響,而且乳化液在使用過程中顆粒度分布還隨著溫度與使用時間變化進(jìn)而導(dǎo)致潤滑性能的改變。乳化液顆粒度分布控制技術(shù) DPD,可以根據(jù)顆粒度分布特點(diǎn),通過控制軋制油的成分決定顆粒度分布,在乳化液配制時其顆粒尺寸保持恒定,不需要人為控制。

(3)溫度控制

溫度對乳化液的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響,正常軋制生產(chǎn)條件下,乳化液理想的工作溫度區(qū)間55～60℃,在此區(qū)間乳化液顆粒度受溫度影響較小。

(4)水質(zhì)控制

包括 Ca2+、Mg2+和 NH4+含量控制、pH值控制等,它們對乳化液的穩(wěn)定性、使用效果和使用周期產(chǎn)生重要影響,不能忽視。

3.3 新型環(huán)保型軋制乳化油

由于社會對環(huán)保要求越來越高,在軋制潤滑劑的使用過程中已經(jīng)開始注意軋機(jī)使用安全與環(huán)境保護(hù)問題,如有毒化學(xué)添加劑的限制使用、選用可生物降解的油品、熱軋油的用量控制、乳化液破乳技術(shù)與達(dá)標(biāo)排放等。

值得指出的是,隨著納米潤滑技術(shù)的發(fā)展[20-21],國內(nèi)已經(jīng)開始了環(huán)保型納米水基軋制液的研究,包括納米顆粒的分散、親水改性、水溶性防銹劑和其他功能性添加劑等,一旦突破,將徹底解決軋制乳化液排放污染問題,同時也可以考慮在熱軋工藝潤滑中的應(yīng)用。

4 軋制工藝潤滑與節(jié)能環(huán)保

根據(jù) 1986年中國機(jī)械工業(yè)學(xué)會統(tǒng)計,在冶金企業(yè)開展摩擦、磨損及潤滑的研究與應(yīng)用工作的投入產(chǎn)出比為 1∶76,而且有 20%～30%的產(chǎn)出效益不需要任何投入,只需要普及與應(yīng)用相關(guān)摩擦、磨損知識與潤滑技術(shù)即可獲得[22]。由此可見開展軋制工藝潤滑技術(shù)研究與應(yīng)用工作符合軋鋼生產(chǎn)的節(jié)能與環(huán)保,清潔生產(chǎn)要求。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面[23-24]。

(1)減少軋制過程能耗

據(jù)統(tǒng)計,2008年我國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)大型軋機(jī)工序能耗為 69.52千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸,平均軋機(jī)工序能耗可達(dá) 80～100千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸,而軋制摩擦能耗一般占軋制能耗總量的 30%以上,若采用工藝潤滑,軋制噸能耗可降低 10%～20%。2008年中國鋼產(chǎn)量5.0億 t,鋼鐵生產(chǎn)板帶比按 50%計算,粗略估計每年可節(jié)約 100萬～150萬 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

(2)減少金屬損失

采用軋制工藝潤滑可以減少熱軋過程中氧化鐵皮厚度 15%～20%,進(jìn)而降低金屬損耗 15%～20%,相當(dāng)于節(jié)約金屬消耗 1 kg/t。按 2008年鋼鐵產(chǎn)量與板帶比計算,相當(dāng)增加 2500萬 t熱軋材,同時,軋制產(chǎn)品表面質(zhì)量的提高,表面缺陷率降低30%～50%,相當(dāng)提高成材率 0.5%～1.0%。

(3)節(jié)水

由于熱軋過程中氧化鐵皮厚度的減少,使得除鱗高壓水水壓減少,同時軋輥循環(huán)冷卻水的利用率進(jìn)一步提高,而冷軋時由于能夠有效地減少軋制變形區(qū)的摩擦,使得軋輥表面溫升得到控制,軋輥冷卻水用量也隨之減少。

(4)酸液使用減少

熱軋氧化皮厚度的減少,酸洗過程中酸洗速度可以相應(yīng)提高 10%～40%,酸液消耗降低 10%～20%,若按酸洗機(jī)組每噸鋼酸耗 3～5 kg計算,可降低酸耗 0.3～1.0 kg/t。這樣可以降低酸洗對空氣的污染。

5 結(jié)束語

鑒于軋制工藝潤滑技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要作用,要加大工藝潤滑新油品的研發(fā)生產(chǎn),特別是工藝潤滑技術(shù)應(yīng)用與維護(hù)工作。對于熱軋工藝潤滑應(yīng)用重點(diǎn)在于軋制過程的節(jié)能降耗,如薄寬鋼帶熱軋、型鋼熱軋、薄板坯連鑄連軋、低溫軋制技術(shù)等領(lǐng)域,而冷軋工藝潤滑則重點(diǎn)解決高速冷軋板帶鋼軋后板形與表面質(zhì)量控制、軋制乳化液使用、維護(hù)與達(dá)標(biāo)排放等問題。在研究領(lǐng)域,如環(huán)保型軋制潤滑劑的研制與應(yīng)用、軋制摩擦系數(shù)、板形、表面質(zhì)量等工藝潤滑技術(shù)控制方面有待于進(jìn)一步突破。

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The Development and Prospect of Lubrication Technology in Steel Rolling Process

SUN J ian-lin
(SchoolofM aterial Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

TE626.39

A

2009-09-09。

孫建林(1963-),男,1985年畢業(yè)與國防科技大學(xué)材料燃料系,1997年獲中南大學(xué)金屬塑性加工專業(yè)博士學(xué)位, 2007年美國University of Texas atArlington高級訪問學(xué)者,現(xiàn)為北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院副院長,材料國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任,材料成型與控制工程系教授,博士生導(dǎo)師,同時還兼任北京金屬學(xué)會壓加分會秘書長、Member of Society of Tribologists and Lubrication Engineers。長期從事金屬加工工藝潤滑技術(shù),工藝潤滑劑研發(fā)與應(yīng)用工作,特別是在工藝潤滑劑評價方面得到主管部門和相關(guān)企業(yè)認(rèn)可。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國家級、部省級和廠校協(xié)項(xiàng)目多項(xiàng),負(fù)責(zé)建立了工藝潤滑研究室,指導(dǎo)畢業(yè)或在讀碩士研究生 41名,博士研究生 6名。在軋制工藝潤滑技術(shù)與潤滑劑評價方面得到了全國有關(guān)單位和部門的認(rèn)可。共發(fā)表關(guān)于金屬加工工藝潤滑等方面科研論文90余篇,出版《軋制工藝潤滑原理技術(shù)與應(yīng)用》、《材料成形摩擦與潤滑》、《軋制工程學(xué)》等學(xué)術(shù)專著和教材多部。

1002-3119(2010)04-0001-05