銅及銅合金薄帶軋制的潤滑及冷卻分析

方守誼

(中鋁上海銅業(yè)有限公司, 上海 200940)

銅及銅合金薄帶軋制的潤滑及冷卻分析

方守誼

(中鋁上海銅業(yè)有限公司, 上海200940)

銅及銅合金薄帶軋制過程中潤滑-冷卻是一項(xiàng)十分重要的工藝.討論了軋機(jī)潤滑冷卻系統(tǒng)的組成、工藝潤滑的分類和作用原理,工藝?yán)鋮s的作用;分析了工藝潤滑劑的種類、使用要求、品質(zhì)評價(jià)體系以及維護(hù)要求和做法,對銅及銅合金薄帶軋制潤滑油的選擇提出了自己的觀點(diǎn).

板帶軋制; 摩擦; 潤滑; 冷卻; 礦物油; 油性添加劑

0 前 言

隨著電子、電氣產(chǎn)業(yè)向精密化和微型化方向的不斷發(fā)展,銅板帶加工材的薄型化也越來越明顯,薄帶乃至箔材的需求在不斷地增加.對于銅板帶材而言,薄帶的概念比較模糊,一般帶材厚度<0.5 mm的情況下,可以稱為薄帶;而箔材的概念可根據(jù)國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的分類來確定,帶材厚度≤0.15 mm的稱為箔材.

生產(chǎn)寬幅(帶寬600 mm及以上)銅及銅合金薄帶的精軋機(jī)主要有六輥軋機(jī)、十二輥軋機(jī)和二十輥軋機(jī)等類型.四輥軋機(jī)已很少用來生產(chǎn)寬幅薄帶的成品精軋.目前情況下,上述高精度銅板帶冷軋機(jī)基本仍依賴國外引進(jìn)或采用國外技術(shù)在國內(nèi)配套制造.在這些引進(jìn)的高精度薄帶軋機(jī)的實(shí)際使用中,存在較多軋制速度不達(dá)標(biāo)的情況,即軋機(jī)的實(shí)際軋制速度遠(yuǎn)達(dá)不到其設(shè)計(jì)速度,嚴(yán)重影響了軋制生產(chǎn)效率的提高.

影響軋機(jī)軋制速度的因素有很多方面,成因也十分復(fù)雜.但通過操作人員的反映和對軋制生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)分析后,可以得出軋制過程中軋機(jī)的潤滑-冷卻系統(tǒng)對軋制速度有明顯影響的結(jié)論.軋機(jī)操作人員普遍認(rèn)為,通過軋機(jī)的實(shí)際軋制速度,會(huì)明顯增加板型控制的難度,會(huì)嚴(yán)重影響軋制的穩(wěn)定性,容易造成卷取不齊甚至滑卷,增加軋制斷帶的幾率.而造成上述操作質(zhì)量問題的起因都與軋機(jī)的潤滑-冷卻系統(tǒng)有著不可分割的聯(lián)系.本文通過對銅及銅合金薄帶潤滑-冷卻系統(tǒng)的分析和討論,提出改進(jìn)和完善意義,以期能夠使軋機(jī)的操作更穩(wěn)定、軋制質(zhì)量更好,軋制效率獲得有效的提升.

1 軋機(jī)潤滑-冷卻系統(tǒng)的組成

現(xiàn)代銅板帶冷軋機(jī)的工藝潤滑-冷卻系統(tǒng),特別是成品精軋機(jī)組,主要采用以礦物油為基礎(chǔ)油的專用軋制油,并采用循環(huán)供給方式,來滿足軋機(jī)的潤滑-冷卻要求.

整個(gè)循環(huán)供油方式包括:

(1) 軋機(jī)的供油系統(tǒng)(也稱軋制油潤滑噴淋系統(tǒng)).

(2) 軋制油回收及儲(chǔ)油系統(tǒng),包括軋制油的冷卻或加熱系統(tǒng).

(3) 軋制油過濾系統(tǒng)等.而與之密切相關(guān)聯(lián)的是軋機(jī)的帶材除油系統(tǒng),軋后帶材的除油系統(tǒng)的除油效率和除油質(zhì)量在很大程度上影響了軋制潤滑冷卻系統(tǒng)的功能發(fā)揮,也是保證軋制穩(wěn)定和軋制效率的關(guān)鍵.

2 工藝潤滑和冷卻的作用

2.1 工藝潤滑的作用

工藝潤滑主要有以下三個(gè)作用:減小軋制變形區(qū)接觸表面的摩擦系數(shù),從而降低軋制壓力和軋制功率消耗,使軋件易于延伸;防止帶材黏在軋輥上,以減少軋輥的磨損,保證軋件表面的最佳粗糙度和清潔度;附著在軋材表面上的油膜,能部分地保護(hù)軋材在卷取成卷時(shí)免受損壞.

銅板帶在潤滑條件下軋制存在以下幾種不同的摩擦狀態(tài):流體摩擦、邊界摩擦、干摩擦和混合摩擦等.冷軋銅板帶時(shí)的潤滑模型見圖1.

(1) 流體摩擦

軋輥與軋件表面之間存在一層厚度在1.5～2.0 μm的潤滑油膜,依靠潤滑油的油膜來平衡外界載荷;在潤滑油膜中的油分子大部分不受金屬表面應(yīng)力場的作用,可自由地移動(dòng),這種狀態(tài)稱為流體潤滑狀態(tài),此種摩擦現(xiàn)象也稱為流體摩擦.此時(shí)由于軋輥與軋件表面不直接接觸,產(chǎn)生的摩擦是在油液分子之間發(fā)生的,所以它是液體的內(nèi)摩擦.在此情況下,摩擦因數(shù)僅為0.001～0.008.

圖1 冷軋銅板帶時(shí)的潤滑模型

(2) 邊界摩擦

相對運(yùn)動(dòng)的軋輥和軋件表面被極薄的潤滑劑吸附層隔開,此吸附層不服從流體動(dòng)力學(xué)定律,而主要取決于軋輥和軋件表面的性質(zhì)和潤滑劑的化學(xué)特性.在邊界潤滑狀態(tài)下,摩擦面間存在厚度0.1 μm以下的吸附膜,能夠起到降低摩擦和減少磨損的作用.

(3) 干摩擦

運(yùn)動(dòng)軋輥和軋件之間潤滑油膜破裂,軋輥與軋件金屬表面完全接觸,形成干摩擦.干摩擦狀態(tài)下,摩擦系統(tǒng)大幅上升,發(fā)熱嚴(yán)重且金屬表面摩擦形成破壞性的損傷.軋制過程應(yīng)極力避免干摩擦狀態(tài)的產(chǎn)生.

(4) 混合摩擦

在實(shí)際生產(chǎn)中,軋輥和金屬表面具有一定的顯微起伏,因此接觸表面潤滑層的厚度很不均勻,既有大量潤滑劑富集區(qū),也有表面最接近的區(qū)域.如果潤滑劑中有能形成牢固邊界膜的活性物質(zhì),則在表面最近各點(diǎn)仍能保持極薄的隔離潤滑層.在此種情況下,整個(gè)接觸區(qū)將由交替的邊界摩擦區(qū)和流體摩擦區(qū)組成.如果變形區(qū)軋制壓力很大,當(dāng)表面滑動(dòng)時(shí)邊界層可能局部破裂,結(jié)果產(chǎn)生金屬表面的直接接觸.此種情況下,混合摩擦包括流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦三部分.在混合摩擦條件下,潤滑劑的化學(xué)成分對決定極薄層的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度具有重要的意義.

2.2 工藝?yán)鋮s的作用

工藝?yán)鋮s的主要作用為:在軋制過程中,軋件發(fā)生塑性變形時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的變形熱,軋件與軋輥、軋輥與軋輥質(zhì)檢的接觸摩擦,要產(chǎn)生巨大的摩擦熱;背襯軸承的轉(zhuǎn)動(dòng),也會(huì)產(chǎn)生摩擦熱.據(jù)相關(guān)資料報(bào)道,軋機(jī)軋制運(yùn)行時(shí),大致有20%的主電機(jī)功率被轉(zhuǎn)化為熱能,從而使軋件、軋輥以及軋機(jī)機(jī)架等部件的溫度升高;假如在不好的冷卻潤滑的情況下,這些軋制產(chǎn)生的熱能將引起軋輥和帶材溫度急劇上升,使軋輥輥型發(fā)生變化,不僅影響軋材質(zhì)量(板形、厚度差及表面粗糙度等),而且有可能損壞軋輥及背襯軸承或造成斷帶.這種情況在多輥軋機(jī)(特別是二十輥軋機(jī))中,軋制薄帶時(shí)更容易發(fā)生.二十輥軋機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),機(jī)架內(nèi)部空間狹小,熱交換受到很大限制,冷卻效果的好壞在很大程度上決定了軋制速度的高低和生產(chǎn)效率的高低.

軋制油噴射容量的確定,取決于帶材的性質(zhì)、寬度、軋制速度和壓下變形量等因素.這些因素最終都反映到軋機(jī)的主電機(jī)容量上,因此可根據(jù)主電機(jī)容量來確定軋制潤滑油的噴射容量.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),軋制所需的潤滑油噴射量為3L/(min·kW)左右.

3 工藝潤滑-冷卻劑的種類和使用

3.1 潤滑劑的種類

銅板帶冷軋用潤滑劑包括油性潤滑劑和乳化液兩大類.油性潤滑劑也稱潤滑油,主要包括礦物油、動(dòng)植物油和合成潤滑油等.在實(shí)際生產(chǎn)中,特別是薄帶軋制和成品精軋部分,絕大部分采用礦物潤滑油.礦物潤滑油由純的礦物油(基礎(chǔ)油)加上添加劑組成,添加劑根據(jù)其作用可分為:抗氧化劑、腐蝕抑制劑、油性增強(qiáng)劑、極壓添加劑、增稠劑、降凝劑和消泡劑等.

3.2 潤滑油的使用要求

對工藝潤滑油的使用要求包括以下7個(gè)方面:

(1) 對工具與變形金屬表面有較強(qiáng)的黏附能力和耐壓性能,在高壓下,潤滑油膜仍能吸附于接觸表面上,保持潤滑效果.

(2) 要有適當(dāng)?shù)酿ざ?既能保證潤滑層有一定的厚度和較小的流動(dòng)剪切應(yīng)力,又能獲得較光滑的制品表面.

(3) 軋輥及軋件表面要有一定的化學(xué)穩(wěn)定性,以避免對軋輥和產(chǎn)品表面產(chǎn)生腐蝕,并保證產(chǎn)品在后續(xù)退火加工中不出現(xiàn)各種殘留斑痕等.

(4) 潤滑油要有適當(dāng)?shù)拈W點(diǎn)及著火點(diǎn),以保證安全生產(chǎn).

(5) 要有良好的冷卻性能,以利于對軋輥和軋件起冷卻、調(diào)節(jié)與控制(如輥型)作用.

(6) 潤滑油不應(yīng)有對人體有害,軋制過程中產(chǎn)生的少量氣體應(yīng)無毒性、無難聞氣味,廢油環(huán)境污染小和處置簡單.

(7) 成本低廉、資源豐富.

以上是對軋制潤滑油的一些基本要求,實(shí)際上不存在一種能完全滿足上述全部要求,并適合各種塑性加工過程或條件的潤滑劑.對于不同類型和不同用途的軋制條件和過程,應(yīng)選擇不同的基礎(chǔ)油,配以不同的添加劑,來滿足其特定的要求.

3.3 軋制油的評價(jià)

軋制油的評價(jià)主要包括潤滑油品質(zhì)評價(jià)和工藝潤滑效果評價(jià)兩個(gè)部分.潤滑油的品質(zhì)主要反映潤滑油性能的理化指標(biāo)及其組成與結(jié)構(gòu),它對軋制工藝潤滑效果具有決定性作用.工藝潤滑效果主要是評價(jià)在工藝潤滑投入后軋制時(shí)的力能參數(shù)、變形參數(shù)以及產(chǎn)品表面質(zhì)量的實(shí)際情況.

對加工條件-變形區(qū)油膜-潤滑效果三維關(guān)系的研究可以幫助確定取得最佳潤滑效果時(shí)的最佳加工條件(包括潤滑劑的選擇).

潤滑油品質(zhì)的評價(jià)指標(biāo)主要包括:黏度、閃點(diǎn)、餾程、油膜強(qiáng)度、凝固點(diǎn)、表面張力、酸值、密度、硫含量、芳烴含量、水分及機(jī)械雜質(zhì).

潤滑效果反映了潤滑條件下力能參數(shù)(摩擦系統(tǒng)、軋制壓力)、變形參數(shù)(最小可軋厚度)和表面質(zhì)量(表面粗糙度、表面光亮度、表面纖維形貌)等特征.

3.4 軋制油的控制和維護(hù)

軋制油在循環(huán)使用過程中,其性能和組成成分會(huì)發(fā)生一些變化,需要進(jìn)行必要的維護(hù)和控制.

(1) 軋制油使用中的污染.主要包括軋制過程中掉下的金屬顆粒、過濾時(shí)助濾劑的混入、軸承潤滑和液壓系統(tǒng)用油的泄漏等.

(2) 軋制油使用過程中組分的消耗和變化.軋制過程中,基礎(chǔ)油中低溫組分會(huì)更多地以油氣的形式揮發(fā);同時(shí)各種添加劑濃度也會(huì)發(fā)生變化.因此在對使用過程中的軋制油進(jìn)行評價(jià)的基礎(chǔ)上,需要進(jìn)行過濾、添加與更換等維護(hù)工作.

過濾:從軋機(jī)返回的軋制油通過油泵輸送回臟油箱,臟油箱的軋制油再進(jìn)入過濾器進(jìn)行過濾,過濾清潔后的潤滑油進(jìn)入清潔油箱,準(zhǔn)備再次使用.圖2為板式過濾器的示意圖.

圖2 板式過濾系統(tǒng)示意圖

添加:實(shí)際生產(chǎn)中,由于軋制過程中,軋后帶卷會(huì)帶走部分潤滑油,同時(shí)還有部分軋制潤滑油通過揮發(fā)而有所減少,因此周期性的添加是一項(xiàng)日常的維護(hù)性工作.經(jīng)過油樣的檢測和評價(jià),當(dāng)發(fā)現(xiàn)在用軋制潤滑油總量減少或潤滑油的理化性能指標(biāo)有偏離時(shí),可以進(jìn)行有針對性的添加,來保證軋制的正常使用.

更換:只有當(dāng)軋制潤滑油的部分理化指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生了很大的偏差,而且無法通過添加新油或者針對性地通過添加部分添加劑,使在用軋制潤滑油恢復(fù)到正常的指標(biāo)時(shí),或者這種調(diào)整和添加變得不十分經(jīng)濟(jì)的情況下,需要對軋機(jī)的整個(gè)油箱進(jìn)行清理和更換.

3.5 軋制潤滑油的選擇

一般情況下,銅材薄帶軋制采用進(jìn)行特別處理的窄流程低黏度基礎(chǔ)油,其黏度(40 ℃時(shí))約為8 mm2/s.此種銅板帶軋制油最先主要從國外進(jìn)口,世界上各大油品公司都有系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,其中使用最廣泛的、也是通用型較強(qiáng)的是黏度為8 mm2/s的銅板帶軋制油.例如:Mobil公司的Genrex 26系列、Esso公司的Somentor N60等,后國內(nèi)油品廠家研制的替代產(chǎn)品也主要參照上述產(chǎn)品,其黏度大致在7.6～8.2 mm2/s.

在實(shí)際生產(chǎn)中,此類黏度為8 mm2/s的軋制油具有較好的潤滑性能,但也存在著黏度較高、冷卻性能不好的問題,特別是高速軋制時(shí),其冷卻性能明顯不足;同時(shí),由于油品黏度較高,實(shí)際生產(chǎn)中,還存在著軋后除油效果差的問題,影響了軋制速度的提高.

在基礎(chǔ)油中加入油性添加劑(包括酸、醇和脂三大類)可以大幅改善油品的綜合性能,并改善軋件表面的光亮度.通常情況下,油性添加劑采用復(fù)合使用的方式,醇類和脂類的添加劑的使用性能和效果更好一些,使用面也更廣一些.

軋制潤滑油的選擇,其最終目的就是力求在軋制變形區(qū)內(nèi)形成連續(xù)、牢固、薄質(zhì)的潤滑油膜.當(dāng)變形區(qū)內(nèi)形成較薄的混合潤滑油膜時(shí),能有效防止黏輥,又能實(shí)現(xiàn)光滑輥面對軋件表面微凸體的壓燙作用,從而獲得光滑、光亮的軋件表面.為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)采取的原則是:采用表面粗糙度低的軋輥軋制;采用低黏度的基礎(chǔ)油和最佳含量的添加劑,同時(shí)潤滑劑黏度與軋制速度匹配;采用最佳壓下率軋制.

4 結(jié) 論

(1) 軋制潤滑冷卻系統(tǒng)對于軋制生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的影響是十分重要的,是穩(wěn)定軋制和保證軋制產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證.

(2) 軋制潤滑冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、軋制潤滑油的正確選擇應(yīng)以實(shí)際軋制條件為基礎(chǔ);銅板帶軋制,特別是薄帶和箔材軋制,應(yīng)借鑒和參考鋁加工的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn).

(3) 軋制潤滑冷軋系統(tǒng)的正確使用、定期評價(jià)和經(jīng)常性維護(hù)是確保軋制生產(chǎn)穩(wěn)定、高效的必要條件,也具有較高的經(jīng)濟(jì)效益預(yù)期.

[1]鐘衛(wèi)佳.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[2]肖亞慶.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

[3]潘純久.二十輥軋機(jī)及高精度冷軋帶鋼生產(chǎn)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[4][蘇聯(lián)]Π.И.波盧欣.多輥軋機(jī)軋制[M].郭鴻運(yùn),王克智,陳瑜,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1987.

[5]楊志龍,銅帶20輥冷軋機(jī)除油裝置的改進(jìn)與實(shí)踐[J].上海有色金屬,2014,35(2):73-75.

TheAnalysysofLubricationandcoolingonCopperandCopperAlloyStripRollingLubrication-cooling

FANGShou-yi

(ChinalcoShanghaiCopperCo.,Ltd.,Shanghai200940,China)

Lubrication-cooling is a very important process in copper and copper alloy strip rolling.In view of the composition of the mill lubrication cooling system,the classification and the role of technological lubrication and the cooling effect,an analysis has been made oftypes,operating requirements,quality evaluation of lubricants as well as the maintenance requirements and practices.The choice of lubricants in copper and copper alloy strip rolling has also been discussed.

strip rolling; friction; lubrication; cooling; mineral oil; additives

1005-2046(2014)03-0134-04

10．13258／j．cnki．snm．2014．03．009

2014-04-03

方守誼(1963-)，男，工程師，主要從事銅加工方面的研究.E-mail：fangshouyi@126.com

TG146.1+1

A