普碳鋼冷軋軋制液的研制與工藝適配性研究

魯斐，馬千，郭永亮，李小磊，戴媛靜

(1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300；2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京 100084)

0 引言

普碳鋼冷軋板帶是在常溫下進行軋制，不產(chǎn)生氧化鐵皮，表面質(zhì)量好，尺寸精度高，再加之經(jīng)過了退火處理，其機械性能和工藝性能都優(yōu)于熱軋薄鋼板，被廣泛應(yīng)用于汽車、電器、建材以及包裝等行業(yè)。

目前，普碳鋼的冷軋軋制工藝趨向于寬幅、大壓下量、高速，而且對軋制帶鋼的板面質(zhì)量要求也越來越高，因此對軋制工藝潤滑劑的性能提出了更為嚴(yán)格的要求。

1 冷軋軋制液的作用和性能要求

冷軋生產(chǎn)過程中需要使用冷軋軋制液作為工藝潤滑劑。冷軋軋制液在軋制過程中起到潤滑、冷卻、清洗和防銹的作用，具體體現(xiàn)為降低軋制力、延長軋輥壽命、控制帶鋼表面質(zhì)量和板形等，是軋制過程中必不可少的潤滑介質(zhì)[1-2]。

根據(jù)冷軋軋制液在冷軋過程中所起的重要作用，其應(yīng)滿足以下性能要求：

(1)潤滑性好，有效降低摩擦系數(shù)和摩擦力，降低軋輥的磨損，保證帶鋼良好的表面質(zhì)量；

(2)冷卻性能強，滿足高速軋制時的冷卻要求；

(3)清凈性強，在使用過程中能帶走軋輥和帶鋼上的磨屑，軋后板面無油漬，退火后帶鋼表面無油斑；

(4)防銹性好，可在帶鋼表面形成均勻的油膜，具有優(yōu)異的防銹性；

(5)性能穩(wěn)定，滿足在長期高溫、高壓環(huán)境下性能穩(wěn)定的要求；

(6)使用方便，乳化液便于維護管理；

(7)無毒、無害，殘留物符合環(huán)保要求。

2 1420 mm單機架六輥可逆軋機參數(shù)及工藝特點

原料: Q195、SPHC系列；原料厚度:2.5～3.0 mm；原料寬度:925～1280 mm；成品厚度:0.2～0.5 mm；軋制力: MAX 12000 KN；軋 機 速 度: 0～900 MPM。

冷軋軋制液需滿足1420 mm單機架六輥可逆軋機軋制Q195、SPHC系列帶鋼時總壓下率93.3%，道次最大壓下率39%，以及最大運行速度下的冷卻和潤滑要求。同時，保證帶鋼表面無潤滑缺陷，無乳化液斑跡缺陷，退火清凈性佳，滿足后工序鍍鋅、彩涂的需求。

3 冷軋軋制液的配方調(diào)配

在冷軋過程中，冷軋軋制液的潤滑性、帶鋼清凈性、退火清凈性直接影響軋后帶鋼的質(zhì)量(見圖1)，并對下一工序產(chǎn)生重大的影響。同時，提高產(chǎn)品經(jīng)濟性，為鋼鐵企業(yè)節(jié)能減耗也是評價冷軋軋制液產(chǎn)品優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。因此，在配方調(diào)配過程中結(jié)合1420 mm單機架六輥可逆軋機的工況，緊緊圍繞以上性能要求，著重從基礎(chǔ)油、極壓潤滑劑、斑跡缺陷改進劑以及乳化劑等方面進行考察。

圖1 冷軋軋制液對帶鋼表面質(zhì)量的影響

3.1 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油主要起潤滑作用，同時也是添加劑的載體[3-4]。根據(jù)1420 mm單機架六輥可逆軋機高速、大壓下率的工藝特點，該冷軋過程條件苛刻，軋制變形區(qū)處于高溫、高壓狀態(tài)，同時又要求優(yōu)異的帶鋼表面質(zhì)量。這就要求基礎(chǔ)油的油膜強度高，潤滑性好。礦物油、動植物油和合成酯是冷軋軋制液的常用基礎(chǔ)油，在此分別選擇250SN、棕櫚油、大豆油、椰子油、三羥甲基丙烷油酸酯(TMPTO)和季戊四醇油酸酯(PETO)、棕櫚油∶季戊四醇油酸酯(PETO)=3∶1作為研究對象，基礎(chǔ)油的理化性能指標(biāo)見表1。

表1 基礎(chǔ)油的理化性能指標(biāo)

采用往復(fù)式摩擦磨損試驗機(簡稱RCP，型號RFT-2)考察基礎(chǔ)油的潤滑性能，測試條件：接觸應(yīng)力1.1 GPa，測試溫度為100～225 ℃(結(jié)果見圖2)。對比基礎(chǔ)油的理化性能指標(biāo)和潤滑性發(fā)現(xiàn)：礦物油250SN的黏溫性能差，油膜強度低，潤滑性差。天然植物油脂棕櫚油、大豆油、椰子油的黏溫性能好，皂化值高，潤滑性好。但是，大豆油中含有較多的亞油酸結(jié)構(gòu)，氧化安定性差。對比礦物油和天然植物油脂，合成酯TMPTO和PETO的潤滑性好、氧化安定性佳、黏溫性能優(yōu)異，同時具備優(yōu)異的低溫流動性。與圖2中基礎(chǔ)油的潤滑性對比，棕櫚油、PETO以及棕櫚油∶季戊四醇油酸酯(PETO)=3∶1的潤滑性能最好且比較接近，但綜合考慮潤滑性能、黏溫性能、傾點、經(jīng)濟性的因素，在此選擇棕櫚油和PETO的混合物作為基礎(chǔ)油。

圖2 基礎(chǔ)油的潤滑性對比

3.2 極壓潤滑劑

冷軋過程的潤滑狀態(tài)是邊界潤滑和流體潤滑同時存在的混合潤滑狀態(tài)，潤滑條件苛刻，基礎(chǔ)油無法保證良好的潤滑，常常需要加入極壓潤滑劑改善潤滑。常見的極壓潤滑劑有磷極壓潤滑劑、硫極壓潤滑劑以及含氯極壓潤滑劑，這類物質(zhì)在高溫、高壓下通過發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)膜從而將兩摩擦表面隔開，以降低摩擦系數(shù)，減緩磨損[5-6]。其中，磷極壓潤滑劑中的P、O雜原子作為吸附中心具有強吸附性，在緩和工況下，物理吸附膜可起到潤滑作用；在苛刻工況下，在摩擦表面形成亞磷酸鐵反應(yīng)膜。硫極壓潤滑劑可在摩擦表面形成水解安定性好、熔點高、具有抗擦傷和抗燒結(jié)作用的硫化鐵化學(xué)反應(yīng)膜，可承受800 ℃以上的高溫。含氯極壓潤滑劑可在摩擦表面形成抗磨性好、極壓性強的氯化鐵。含氯極壓潤滑劑雖然不易產(chǎn)生油斑，但產(chǎn)物會腐蝕工件，影響潤滑劑的防銹性能，而且環(huán)保性較差，在此分別選擇三種磷酸酯(P-1、P-2和P-3)和兩種硫化脂肪酸甲酯(S-1和S-2)，采用往復(fù)式摩擦磨損試驗機考察這幾種極壓潤滑劑的潤滑性。測試條件：接觸應(yīng)力1.1 GPa，測試溫度為100～225 ℃。圖3對比發(fā)現(xiàn)，引入使極壓潤滑劑可降低摩擦系數(shù)，其中含磷極壓潤滑劑的引入使摩擦系數(shù)的降低更為明顯。

圖3 幾種極壓潤滑劑的潤滑性對比

采用四球摩擦磨損試驗機，依據(jù)GB/T 12583-1998的方法測試幾種極壓潤滑劑的PB值和PD值。由表2對比發(fā)現(xiàn)，極壓潤滑劑的引入可顯著地提升基礎(chǔ)油的PB值和PD值，即油膜強度和抗燒結(jié)性能。其中磷極壓潤滑劑對油膜強度的改善更加明顯，引入磷極壓潤滑劑后PB值由490 N提升至980 N以上。而硫極壓潤滑劑對抗燒結(jié)性能的改善明顯，S-1和S-2分別將PD值由1236 N提升至2452 N和3089 N。綜合以上試驗結(jié)果可知，極壓潤滑劑可明顯改善冷軋軋制液的摩擦學(xué)性能。

表2 幾種極壓潤滑劑的PB值和PD值對比 N

選擇磷極壓潤滑劑P-3作為極壓潤滑劑，可顯著提升冷軋軋制液的摩擦學(xué)性能，但選擇磷極壓潤滑劑時應(yīng)注意其在金屬表面的吸附容易受到眾多添加劑的影響，如乳化劑、緩蝕劑等。同時，磷極壓潤滑劑在使用中也存在著泡沫多、乳化液易腐敗的缺點。

3.3 斑跡缺陷改進劑

斑跡缺陷是普碳鋼、硅鋼冷軋帶鋼的一種常見缺陷(也稱為油燒、油焦)，主要出現(xiàn)在單機架可逆軋機，斑跡缺陷出現(xiàn)的位置通常在距離卷心300 m的范圍內(nèi)，呈棕色-黑色條狀斑跡，顏色明顯，嚴(yán)重時通卷都有。斑跡缺陷是單機架可逆軋機道次切換時，乳化液滴落、夾帶入帶鋼，在高溫、高壓、含水的情況下，經(jīng)過化學(xué)氧化、水合(腐蝕)等作用形成的鐵的氧化/水合物[7-8]。斑跡缺陷可通過斑跡缺陷改進劑進行改善或消除，常見的斑跡缺陷改進劑有磷酸酯(鹽)類，苯并三氮唑類。實驗室模擬[2]高溫、高壓環(huán)境考察斑跡缺陷改進劑的效果[9]，發(fā)現(xiàn)磷酸酯(鹽)類斑跡改進劑效果更佳。

3.4 乳化體系

在軋制過程中，乳化液噴射到軋輥和帶鋼上，水蒸發(fā)帶走軋輥上的熱量，油滴濃縮形成油膜進入變形區(qū)起到潤滑的作用。乳化體系決定了冷軋軋制液的離水展著性，進而影響其潤滑效果。同時，乳化體系又決定了對鐵粉、油泥的分散能力，鐵粉和油泥的分散性差，極易污染軋機和帶鋼表面，嚴(yán)重影響帶鋼的表面清凈性和退火清凈性[10-12]。冷軋軋制液常見的類型有穩(wěn)定型、穩(wěn)定彌散型和彌散型。穩(wěn)定型乳化液粒徑小，乳化液穩(wěn)定，但潤滑性差。彌散型乳化液粒徑大，潤滑性好，但乳化液穩(wěn)定性低，容易析油。而穩(wěn)定彌散型乳化液兼具穩(wěn)定型和彌散型的特點，其粒徑較大，潤滑性較高，同時乳液的穩(wěn)定性也較好。在此建立穩(wěn)定彌散型乳化體系，選擇陽離子型乳化劑和非離子型乳化劑結(jié)合，該體系的乳液粒徑大，離水展著性好，且對鐵粉和油泥具有良好的分散效果，潤滑性好，帶鋼的表面清凈性佳。

4 冷軋軋制液的性能研究

4.1 理化指標(biāo)對比

根據(jù)1420 mm單機架可逆軋機對冷軋軋制液的性能要求，采用棕櫚油和PETO復(fù)配作為基礎(chǔ)油，并對抗氧劑、極壓潤滑劑、斑跡缺陷改進劑、乳化劑進行復(fù)配和篩選，確定自研配方并與進口冷軋軋制液進行理化指標(biāo)對比，由表3可知，自研配方的皂化值更高，其他理化指標(biāo)與進口冷軋軋制液的理化指標(biāo)類似。

表3 自研配方與進口冷軋軋制液的理化指標(biāo)對比

4.2 摩擦學(xué)性能評價

采用往復(fù)式摩擦磨損試驗機考察自研配方和進口冷軋軋制液的潤滑性，測試條件：接觸應(yīng)力1.1 GPa，測試溫度為100～225 ℃。如圖4所示，自研配方較進口冷軋軋制液的摩擦系數(shù)更低，而且隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)的波動明顯較小，充分說明自研配方的潤滑性優(yōu)于進口冷軋軋制液，而且溫度對潤滑性的影響較小。

圖4 自研配方與進口冷軋軋制液的潤滑性對比

采用四球摩擦磨損試驗機，依據(jù)GB/T 12583-1998的方法測試自研配方與進口冷軋軋制液的PB值和PD值。如表4所示，自研配方的PB值為1020 N，明顯高于進口冷軋軋制液的834 N，說明自研配方的油膜承載能力更強。自研配方與進口冷軋軋制液的PD值持平，二者均有優(yōu)異的抗燒結(jié)性能。

表4 自研配方與進口冷軋軋制液的PB值和PD值對比 N

4.3 抗斑跡缺陷性能評價

斑跡缺陷嚴(yán)重影響帶鋼的表面質(zhì)量并導(dǎo)致產(chǎn)品合格率降低，對企業(yè)形象造成影響的同時還會導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失，企業(yè)對冷軋軋制液的抗斑跡缺陷性能也越來越關(guān)注。通過斑跡缺陷的模擬試驗考察冷軋軋制液的抗斑跡缺陷的性能[9]，見圖5。進口冷軋軋制液會產(chǎn)生較為明顯的斑跡缺陷，自研配方的緩蝕性能好，無斑跡缺陷出現(xiàn)。

圖5 自研配方與進口冷軋軋制液的抗斑跡缺陷性能

4.4 退火清凈性評價

退火清凈性是冷軋軋制液的重要性能指標(biāo)之一，直接影響帶鋼的表面清潔度并對下一工序產(chǎn)生重大影響[14]。采用熱重-差熱(TGA)法分析冷軋軋制液的退火清凈性(見圖6)。

圖6 自研配方與進口冷軋軋制液的熱重-差熱(TGA)曲線

自研配方失重分解的起始溫度為201.9 ℃，高于進口冷軋軋制液的187.9 ℃，結(jié)果見表5，可知自研配方可承受較高溫的冷軋工況。而且自研配方的失重終止溫度以及殘留量均低于進口冷軋軋制液，說明自研配方的退火清凈性優(yōu)于進口冷軋軋制液。

表5 退火清凈性對比

5 冷軋軋制液的工藝適配性研究

在實際冷軋生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場的工藝條件復(fù)雜，影響冷軋軋制液使用性能的因素眾多。了解冷軋軋制液的使用工藝，研究影響使用性能的因素并進行合理的優(yōu)化、控制，對提高冷軋軋制液的使用效果、壽命都有著積極的影響。

5.1 pH值的影響

pH值對冷軋軋制液的粒徑分布和穩(wěn)定性均有較大的影響。冷軋軋制液pH值一般呈弱酸性，pH值過低，粒徑偏大，冷軋軋制液的穩(wěn)定性降低。pH值過高，粒徑減小，冷軋軋制液的穩(wěn)定性提高，離水展著性差，進而潤滑性變差，軋制困難。

考察了pH值對自研配方乳液粒徑的影響，其初始pH值為5.90，由表6可知，當(dāng)pH值>7.75時，自研配方的平均粒徑整體有變小的趨勢，當(dāng)pH值=4時，乳化液的粒徑急劇增大，乳化液的穩(wěn)定性明顯降低，析油嚴(yán)重。

表6 冷軋軋制液的粒徑受pH值的影響

采用往復(fù)式摩擦磨損試驗機考察自研配方在不同pH值下的潤滑性，測試條件：接觸應(yīng)力1.1 GPa，測試溫度為100 ℃。對比發(fā)現(xiàn)隨著pH值的升高，摩擦系數(shù)(cof)有升高的趨勢，特別是pH值大于7.75時，cof升高較為明顯。綜合考察認為，當(dāng)pH值在4.8～6.9范圍時，自研配方的粒徑和潤滑性較穩(wěn)定，因此自研配方推薦使用的pH值為4.8～6.9，見圖7。

圖7 pH值對自研配方潤滑性的影響

5.2 電導(dǎo)率的影響

在生產(chǎn)過程中，電導(dǎo)率隨軋制的進行而緩慢上升，影響電導(dǎo)率的因素包括酸洗來料的殘留，水中的鈣、鎂等離子的含量，以及冷軋軋制液循環(huán)過濾系統(tǒng)。電導(dǎo)率過高，乳化體系受到影響，冷軋軋制液的防銹性能和潤滑性能下降[15]。因此，電導(dǎo)率的變化能反映冷軋軋制液質(zhì)量的變化。

采用GB/T 6144 5.9單片試驗的方法考察電導(dǎo)率對冷軋軋制液防銹性的影響(見表7)。結(jié)果表明，當(dāng)電導(dǎo)率小于400 μs/cm，單片試驗防銹性合格。隨著電導(dǎo)率的提升，防銹性逐漸變差。

表7 電導(dǎo)率對冷軋軋制液防銹性的影響

值得注意的是，當(dāng)pH值和電導(dǎo)率突然同時上升，這表明含堿性物質(zhì)進入冷軋軋制液，當(dāng)pH值突然下降而電導(dǎo)率上升則可能是無機酸或其鹽類進入冷軋軋制液。冷軋軋制液的電導(dǎo)率指標(biāo)應(yīng)定時檢測，及時跟蹤乳化液狀態(tài)，同時應(yīng)控制冷軋軋制液的電導(dǎo)率≤400 μs/cm。當(dāng)電導(dǎo)率>400 μs/cm時，應(yīng)及時更換軋制液或批量排放，以免影響其正常使用。

5.3 濃度的影響

冷軋軋制液的使用濃度一般控制在1.0%～5.0%，根據(jù)軋制工藝和軋件材質(zhì)的不同，使用濃度也會有所不同。冷軋軋制液濃度過低，由于離水展著性差而造成潤滑不足，容易產(chǎn)生熱劃傷以及軋后帶鋼表面清潔性差等問題。通常隨著冷軋軋制液濃度的提升，離水展著性也隨之提升(見圖8自研配方濃度與離水展著性的關(guān)系)，并改善軋制區(qū)的潤滑狀態(tài)。但也不能一味地提升冷軋軋制液的濃度，濃度過高，離水展著性好，容易出現(xiàn)過潤滑現(xiàn)象，同時帶鋼表面的殘留也會過高，導(dǎo)致油耗高、經(jīng)濟性差。因此，建議在生產(chǎn)中先確定冷軋軋制液的最佳使用濃度，在滿足正常軋制生產(chǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，采用最低的使用濃度進行軋制。

圖8 自研配方濃度與離水展著性的關(guān)系

6 結(jié)論

結(jié)合1420 mm單機架六輥可逆軋機的工況，通過對基礎(chǔ)油、極壓潤滑劑、斑跡缺陷改進劑及乳化劑等添加劑進行篩選及考察，開發(fā)出高性能的普碳鋼冷軋軋制液。與進口冷軋軋制液進行性能評價，結(jié)果表明自研配方具有更好的潤滑性、抗斑跡缺陷性能和退火清凈性。最后，考察了pH值、電導(dǎo)率、濃度等使用工藝指標(biāo)對軋制液性能的影響，pH值的變化會對軋制液的粒徑分布和潤滑性產(chǎn)生直接影響，電導(dǎo)率的提升直接導(dǎo)致軋制液防銹性的降低，濃度的高低則直接影響軋制液的潤滑性能。