全球科學(xué)家勠力攻關(guān)鋁帶冷軋水基潤滑工藝

在當(dāng)今全世界生產(chǎn)鋁板帶時(shí)，熱軋用的潤滑冷卻劑是乳液，而冷軋帶材用的是礦物潤滑油，由基礎(chǔ)油和添加劑組成，基礎(chǔ)油是經(jīng)過精煉的天然礦物油，常用的添加劑有油性添加劑、極壓添加劑、防腐劑、抗氧化劑、增黏劑、降凝劑、抑泡劑等。潤滑冷卻劑在冷軋過程中起著非常重要的作用，不用它真是寸步難行，溫度可上升到260 ℃以上，帶材的表面品質(zhì)(粗糙度、光潔度、顯微形貌等)根本無法控制。使用潤滑冷卻劑后方可順利地進(jìn)行軋制，軋件(帶材)溫度可保持在50 ℃以下，帶材表面品質(zhì)和各項(xiàng)工藝參數(shù)都可以得心應(yīng)手的控制，可以高品質(zhì)與高效率地進(jìn)行生產(chǎn)。

潤滑劑在帶材與軋輥之間起中間作用，軋輥表面和其他加工條件對帶材表面的影響都是通過變形區(qū)內(nèi)的潤滑油膜才得以實(shí)現(xiàn)。潤滑劑必須有利于變形區(qū)內(nèi)形成一層連續(xù)、牢固的薄薄油膜，才能軋出表面品質(zhì)上乘的鋁帶材。一定要按照這一目標(biāo)選擇潤滑劑黏度、添加劑種類及含量、用量與潤滑方式等。

潤滑劑油膜不能過厚，也不能太薄，通常選用低黏度的基礎(chǔ)油，同時(shí)用量應(yīng)適當(dāng)，還要選用合適的油添加劑(酸、醇、酯)，添加量也應(yīng)恰如其分，不但可以獲得優(yōu)質(zhì)的帶材，同時(shí)生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟(jì)效益好。

2019年，全球生產(chǎn)了約34 000 kt鋁板帶材(含鋁箔毛料)，扣除約6%的熱軋板材，其余的約32 000 kt板帶都是冷軋的，都是以軋制油作為潤滑冷卻劑一卷一卷軋制的，用這種方式生產(chǎn)鋁板帶已延續(xù)了約125年。

在生產(chǎn)中往往把潤滑冷卻劑稱為工藝潤滑油，簡稱潤滑油，其消耗量可按0.4 kg / t帶材估算。在俄羅斯和中國的鋁軋制廠，潤滑油成分：

需特別指出，火油可用一部分再生油取代，同時(shí)其量可為總油量的50%～60%，不過加入再生油后應(yīng)分析油的酸值和機(jī)械雜質(zhì)含量，酸值應(yīng)大于1.0 mg KOH/g，機(jī)械雜質(zhì)應(yīng)小于0.005%。

1 潤滑油的致命弱點(diǎn)

在冷軋鋁帶時(shí)必須用礦物油基潤滑冷卻劑，在今后一段時(shí)間內(nèi)全球冷軋鋁帶的年復(fù)合增長率約為4.2%，因此油基潤滑冷卻劑消費(fèi)量也將按比例同步上升，大家知道，礦物油存在著三大弱點(diǎn)：一是著火危險(xiǎn)性大，由此促使社會成本、保險(xiǎn)費(fèi)、停產(chǎn)費(fèi)用上升，使產(chǎn)品附加成本增大；二是著火概率大，需要有強(qiáng)大的有效的CO2滅火系統(tǒng)，據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計(jì)，中國自1956年東北輕合金有限責(zé)任公司大規(guī)模冷軋鋁帶以來，在這60多年期間共發(fā)生火災(zāi)340多樁，其中大的是秦皇島某鋁加工公司的2 350 mm冷軋機(jī)10多年前的一場大火，把軋機(jī)燒的“體無完膚”，至今未修復(fù)，因?yàn)樾迯?fù)費(fèi)用太高，幸好沒有殃及鄰近的另一臺冷軋機(jī)，現(xiàn)在該公司用這臺好冷軋機(jī)每年生產(chǎn)約120 kt罐料(can stock)，冷軋潤滑油著火大多是靜電引起的，但根本還是油的存在，即使火不大,熄滅后車間內(nèi)還存在著大量CO2，必須清理干凈，以確保人員安全，這也是費(fèi)錢費(fèi)時(shí)的工作；礦物油蒸氣與帶有懸浮粒子的氣體(aerosol)對人體健康與環(huán)境不利，如用水基潤滑劑，就不存在這個(gè)問題，或者很輕微了。

2 聯(lián)合起來共同攻關(guān)

如上所述，礦物油基潤滑冷卻劑存在著諸多的固有缺點(diǎn)，鋁加工業(yè)始終在不遺余力解決此問題，但收效甚微，20世紀(jì)30年代美國鋁業(yè)公司有一個(gè)鋁軋制廠的冷軋機(jī)用水基潤滑冷卻劑冷軋帶材，一直到2005年全球僅此一廠采用這種工藝，以后該工藝也沒有實(shí)際應(yīng)用了。

2018年意大利達(dá)涅利公司(Danieli)牽頭世界上一些知名企業(yè)、大學(xué)、研究組織等對水基乳液(WBE,water-based emulsion)聯(lián)合攻關(guān)，同時(shí)有著明顯分工，各司其職：

?美國好富頓國際公司(Houghton International Inc.)，負(fù)責(zé)乳液配方。好富頓是世界上大名鼎鼎的軋制油和乳液解決方案和現(xiàn)場服務(wù)專家，在中國上海設(shè)有分公司，名為好富頓(上海)高級工業(yè)介質(zhì)有限公司，中國不少鋁加工廠用的軋制油與乳液配方都是該公司提供的。

?德國特韋集團(tuán)(TWE Group), 是一個(gè)工業(yè)伙伴(industrial partner)，負(fù)責(zé)非移動型紙質(zhì)過濾系統(tǒng)的超微米(sub-micron)過濾介質(zhì)的研發(fā)，特別是水包油型乳液。

?德國的埃普礦產(chǎn)品歐洲公司(EPM inerals Europe),是一個(gè)工業(yè)伙伴，負(fù)責(zé)研發(fā)超微米過濾土，專注于水包油的過濾。

?德國貝加卡代米·弗賴堡技術(shù)大學(xué)(Technische Universitat Bergakademie Freiberg)，是一個(gè)研究伙伴，負(fù)責(zé)軋制試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室工作。

在此攻關(guān)計(jì)劃組織實(shí)施之前，德國尤迪內(nèi)大學(xué)(University of Udine)在實(shí)驗(yàn)室做過不少工作。

3 水基乳液技術(shù)

鋁冷軋采用水基乳液技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多：著火危險(xiǎn)幾乎不會發(fā)生；乳液中僅含15%軋制油，85%為軟化水；相關(guān)的一切成本都大大下降，社會成本、保險(xiǎn)費(fèi)都大為減少；工作環(huán)境改善了，對工人健康影響的因素幾乎不復(fù)存在；水的導(dǎo)熱性能比石油的大得多，生產(chǎn)效率會有相應(yīng)的提高，不會發(fā)生過熱現(xiàn)象；產(chǎn)品品質(zhì)至少會與油潤滑時(shí)的相等，產(chǎn)量會有所上升。

煙氣處理系統(tǒng)可以免建，因而與此相關(guān)的建設(shè)投資(capex)可減少90%，只要有一套與浮液相關(guān)的平板過濾器即可。達(dá)涅利公司認(rèn)為，由于不需要滅火系統(tǒng)，消防費(fèi)用可減少30%，項(xiàng)目的總投資可下降10%。

關(guān)于冷軋潤滑油的運(yùn)轉(zhuǎn)成本(opex)，目前是1歐元/L，1臺冷軋機(jī)目前潤滑油用量為好幾百kL/a，如果改用水基潤滑劑，生產(chǎn)成本可以大大下降，只有石油基潤滑劑的10 %。由石油潤滑系統(tǒng)改為水基乳液潤滑系統(tǒng)需要的停產(chǎn)時(shí)間也很短，只不過五六天或更短。

4 中間試驗(yàn)

至2019年4月工作已進(jìn)入中試階段，在貝加卡代米·弗賴堡技術(shù)大學(xué)中試廠進(jìn)行了接近于工業(yè)生產(chǎn)的中間試驗(yàn)，用的是一臺非可逆式的單機(jī)架冷軋機(jī)，帶坯是熱軋的。這臺冷軋機(jī)原來是軋鎂的，現(xiàn)在達(dá)涅利把它改為軋鋁的，乳液系統(tǒng)做了較多的改進(jìn)，圖1為所用的水基乳液中間試驗(yàn)四輥冷軋機(jī)正在進(jìn)行軋制。

圖1 以水基乳液試軋鋁帶、試軋順利

中試試驗(yàn)冷軋機(jī)如圖2所示，是一臺四輥不可逆式冷軋機(jī)。試驗(yàn)表明，所軋帶材1.0 mm厚，共軋3道，每軋一道剪取試樣，檢驗(yàn)產(chǎn)品的表面品質(zhì)、乳液殘留與力學(xué)性能，結(jié)果相當(dāng)令人滿意。后來用5052鋁合金與5005鋁合金進(jìn)行試軋，均取得滿意的結(jié)果。下一步準(zhǔn)備進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)，對所有常用的鋁合金如包裝鋁帶材、5005鋁合金、3004鋁合金、3104鋁合金、5052鋁合金、1×××系鋁合金等進(jìn)行軋制，以確定最佳的乳液配方。

圖2 以水基潤滑劑冷軋5005鋁合金帶材

5 結(jié)束語

中國當(dāng)前鋁及鋁合金熱軋板帶用的乳液與冷軋帶材用的軋制油配方不是60多年前從蘇聯(lián)引進(jìn)的，就是近30年來從工業(yè)發(fā)達(dá)國家引進(jìn)的或購買的基油，幾乎沒有自己的潤滑冷卻劑配方，成為鋁加工業(yè)一塊長期存在的短板，或多或少地制約了軋制工業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的一些企業(yè)、大學(xué)與研究單位正在聯(lián)合研究鋁帶冷軋的水基潤滑劑，看來離成功已不遠(yuǎn)了，希望我國一些大企業(yè)能對此項(xiàng)前沿技術(shù)關(guān)注，不要等到人家大規(guī)模應(yīng)用了才在后面追趕。