冷軋平整液循環(huán)回用技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

何建鋒,潘勛平,胡 斌,李慶勝

(寶鋼日鐵汽車(chē)板有限公司,上海 201900)

1 概述

眾所周知,鋼鐵冷軋產(chǎn)品通常會(huì)經(jīng)歷平整工序,即帶鋼再結(jié)晶退火后以0.5%～3.0%壓下率進(jìn)行的小變形量軋制,平整決定了帶鋼成品的表面狀態(tài)、板形、力學(xué)性能[1]?，F(xiàn)有平整工藝分為濕平整和干平整。濕平整是將平整液體噴射到帶鋼和軋輥上生產(chǎn)的工藝,采用此工藝可以保持平整機(jī)、輥面和帶鋼的清潔,同時(shí)軋輥壽命也顯著提升,最后由于帶鋼表面還殘留有濕平整液,因此帶鋼的防銹性能也得到提升?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),現(xiàn)有絕大部分平整均采用濕平整工藝[2]。

現(xiàn)有的濕平整工藝使用直噴工藝[3],詳細(xì)如圖1所示。將水和平整原液配制成平整液,使用一次后,全部平整液徹底排放。

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)與城市化發(fā)展,國(guó)家對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)保要求也不斷提升。自2018年以來(lái),最新的環(huán)保法律規(guī)定平整液類(lèi)污染物的COD排放值在30 mg/L以下,而平整廢液實(shí)際值在10 000～20 000 mg/L間,因此環(huán)保升級(jí)后處理平整液的技術(shù)難度越來(lái)越大,同時(shí)整治資源的耗費(fèi)也越來(lái)越高。環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)有進(jìn)一步升級(jí)的趨勢(shì),現(xiàn)有化學(xué)及生化處理措施可能面臨廢液排放超標(biāo)的局面[4-5]。

圖1 直噴平整液系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖Fig.1 The diagram of direct-spraytemper lubricant system

2 平整液作用及循環(huán)生產(chǎn)工藝

如圖2所示,生產(chǎn)時(shí)平整液的有效成分會(huì)在帶鋼和軋輥上析出,形成薄的吸附膜,在輥縫內(nèi)起到各種作用。

圖2 平整液的使用機(jī)理及作用Fig.2 The mechanism and function of temper lubricant

平整液的性能要求極為嚴(yán)苛,主要滿(mǎn)足潤(rùn)滑性、防銹性、抗斑跡性、清洗性、表面處理性和環(huán)保及安全性等,否則就會(huì)給生產(chǎn)的帶鋼產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。

目前,全世界除日本制鐵公司君津制鐵所的連退平整機(jī)之外,已知的所有濕平整中均采用直噴工藝。君津連退平整中,采用類(lèi)似冷軋乳化液的操作模式,即將配置的平整液噴射使用后,收集起來(lái)再次使用,如此不但可顯著降低平整液用量,而且直接減少?gòu)U液的排放,環(huán)保優(yōu)勢(shì)也極顯著,但日本制鐵公司嚴(yán)格控制相關(guān)技術(shù)的機(jī)密。

由于平整工藝位于冷軋成品階段,循環(huán)收集的平整液難免會(huì)發(fā)生變化和產(chǎn)生臟污,由此會(huì)帶來(lái)帶鋼產(chǎn)品表面缺陷。所以,循環(huán)平整液的生產(chǎn)工藝和使用要非常謹(jǐn)慎和小心;其次,考慮到循環(huán)工藝特殊性,需要開(kāi)發(fā)一種具有全新性質(zhì)的循環(huán)平整液;最后,平整液的循環(huán)生產(chǎn)工藝面臨著諸多現(xiàn)場(chǎng)使用技術(shù)困難。以上諸多難點(diǎn)均需開(kāi)展細(xì)致研究工作。

表1是直噴型平整液和循環(huán)型平整液基本的理化性能測(cè)試結(jié)果。

從表1的檢測(cè)性能來(lái)看,循環(huán)平整液與直噴平整液的密度、表面張力基本相同,其原液COD值略微增加,考慮由于化學(xué)成分的變化,可能是循環(huán)平整液調(diào)整了添加劑等造成的。

表1 兩種平整液的部分理化性能對(duì)比Table 1 The comparison of physical and chemical propeties of two kinds of temper lubricant

3 實(shí)驗(yàn)室模擬研究

為了更好研究循環(huán)平整液性能的可能變化和對(duì)帶鋼的質(zhì)量影響,為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo),本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究了相應(yīng)的模擬裝置,如圖3。

3.1 平整液的循環(huán)模擬試驗(yàn)研究

如圖3的模擬試驗(yàn)設(shè)備,在其內(nèi)裝有一個(gè)帶下壓力的小模擬輥,并置于鋼板上,鋼板會(huì)隨著單側(cè)電動(dòng)機(jī)左右移動(dòng),平整液噴射后再循環(huán)回收,根據(jù)生產(chǎn)時(shí)單位寬度帶鋼和平整時(shí)間的當(dāng)量設(shè)置等效噴淋狀態(tài)。裝置的流量范圍為0.8～1.5 L/min,試驗(yàn)時(shí)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的平整液在室溫(14～26 ℃)下開(kāi)展8 d模擬平整,得到如下的結(jié)果。

3.1.1 細(xì)菌/霉菌/酵母菌繁殖

由于平整液是常溫下進(jìn)行生產(chǎn)使用,因此在使用時(shí)會(huì)迅速產(chǎn)生各種細(xì)菌和真菌,結(jié)果如表2。

圖3 平整液循環(huán)模擬裝置Fig.3 The simulation device of temper lubricant recycling

表2 平整液循環(huán)生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)的細(xì)菌/真菌繁殖情況Table 2 Reproduction of bacteria/fungi in the recycling process fortemper lubricant 個(gè)

在室溫下長(zhǎng)期循環(huán)流動(dòng)平整時(shí),酵母菌少量出現(xiàn);但很短時(shí)間細(xì)菌數(shù)會(huì)達(dá)到103個(gè),其后迅速達(dá)到104個(gè)的污染,并在一周左右細(xì)菌達(dá)105～106個(gè)范圍,此時(shí)已到較重污染;到第7、8天細(xì)菌數(shù)變?yōu)?07個(gè),平整液已被嚴(yán)重污染。試驗(yàn)細(xì)菌詳情如圖4。

圖4 試驗(yàn)第一天至第八天的細(xì)菌情況Fig.4 The bacteria experiment from the first day to the eighth day

3.1.2 平整液的折光率

圖5是循環(huán)平整液的折光率變化趨勢(shì)圖。

在循環(huán)過(guò)程中,觀察會(huì)有少量泡沫,平整液也會(huì)散發(fā)刺激氣味,說(shuō)明使用后平整液成分有損失。且如圖5(b),在循環(huán)生產(chǎn)時(shí),平整液會(huì)從澄清轉(zhuǎn)為混黃色,同步的折光率會(huì)逐步增加,說(shuō)明隨著生產(chǎn)進(jìn)行其化學(xué)組分發(fā)生了變化,同時(shí)平整液也逐步變臟。

3.1.3 電導(dǎo)率

圖6是循環(huán)平整液的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)圖。

平整液在循環(huán)使用過(guò)程中的電導(dǎo)率顯著增加,原因是平整中產(chǎn)生大量細(xì)菌,不斷消耗平整液,產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì),此外循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的鐵粉、鐵銹雜質(zhì)也生成離子,導(dǎo)致電導(dǎo)率線(xiàn)性增加。

3.1.4 pH值

圖7是循環(huán)平整液的pH值變化曲線(xiàn)。

新配平整液pH值為8.72,循環(huán)多次后pH值會(huì)迅速降低至8.50左右,其后呈波動(dòng)并緩慢下降。上述試驗(yàn)說(shuō)明,循環(huán)后平整液中的堿性化學(xué)物質(zhì)極快消耗,然后隨著細(xì)菌出現(xiàn),也會(huì)分解化學(xué)物質(zhì),影響pH值不斷下降。

圖5 試驗(yàn)期間循環(huán)平整液折光率變化和顏色變化趨勢(shì)Fig.5 The trend of the refractive index and the color during the experiment

圖6 模擬循環(huán)平整時(shí)循環(huán)平整液電導(dǎo)率的變化曲線(xiàn)Fig.6 The curve of the conductivity during the simulated recycling temper

圖7 模擬循環(huán)平整時(shí)循環(huán)平整液的pH值變化曲線(xiàn)Fig.7 The curve of the pH value during the simulated recycling temper

3.1.5 鐵粉

圖8是循環(huán)平整液的鐵粉生成情況。

圖8 模擬條件下循環(huán)平整液的鐵粉生成的情況Fig.8 The formation of the iron powder during thesimulated recycling temper

循環(huán)過(guò)程的另一個(gè)特點(diǎn)是平整液內(nèi)出現(xiàn)了很多細(xì)小但肉眼可見(jiàn)的鐵粉。分析這些鐵粉主要來(lái)自軋輥和帶鋼的摩擦磨損,其平均顆粒度為7.5 μm左右,在電鏡下發(fā)現(xiàn)鐵粉大部分呈片狀,少量呈粒狀,而且非常容易聚集在一起,懸浮在平整液內(nèi)。

3.2 循環(huán)平整液的使用性能變化

在試驗(yàn)?zāi)M設(shè)備上,對(duì)試驗(yàn)鋼板和平整液取樣進(jìn)行了摩擦和防銹性試驗(yàn),獲得圖9的結(jié)果。

圖9 循環(huán)平整液生產(chǎn)鋼板表面的微觀照片及銹點(diǎn)情況Fig.9 The micrographs and rust spot on the surface of steel plate during the simulated recycling temper

在三維共聚焦顯微鏡下對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行微觀形貌的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)帶鋼表面殘留許多鐵粉和微小銹點(diǎn)。這些鐵粉在帶鋼表面與帶鋼材料基體形成電位差,出現(xiàn)原電池銹蝕反應(yīng),因此大量鐵粉除影響帶鋼清潔度外,還會(huì)影響帶鋼的防銹性。

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中不同階段的平整液進(jìn)行了摩擦和防銹性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)細(xì)菌在大量繁殖后,平整液的潤(rùn)滑和防銹性會(huì)大幅降低,如表3。這主要是由于細(xì)菌會(huì)分解消耗有效的化學(xué)物,所以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)必須要嚴(yán)控細(xì)菌繁殖。

表3 循環(huán)平整液內(nèi)細(xì)菌對(duì)平整液使用性能的影響Table 3 The effect of bacteria on the propeties of lubricant during the simulated recycling temper

4 平整液循環(huán)使用設(shè)備及工藝開(kāi)發(fā)

以上循環(huán)試驗(yàn)表明,循環(huán)流動(dòng)模式下,軋輥和帶鋼首先會(huì)產(chǎn)生大量鐵粉,然后會(huì)有大量細(xì)/真菌繁殖,平整液內(nèi)化學(xué)物質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,出現(xiàn)平整液的性能隨之變化,對(duì)帶鋼的質(zhì)量產(chǎn)生了隱患。

為此,本項(xiàng)目組通過(guò)以下工作,有效保障了循環(huán)平整液的生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā):①研究平整液凈化處理技術(shù),并設(shè)計(jì)了整個(gè)回收循環(huán)系統(tǒng);②與供應(yīng)商一起研發(fā)了具有特殊化學(xué)性能的新型循環(huán)平整液;③研發(fā)了全套平整液循環(huán)過(guò)程的使用工藝,包括濃度、流量、平整液的添加及替換等;④開(kāi)發(fā)了全套的循環(huán)平整液理化性能分析檢測(cè)方法,并研發(fā)了循環(huán)平整液的工藝參數(shù)控制范圍及檢測(cè)頻率等管理規(guī)范;⑤對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)進(jìn)行連續(xù)質(zhì)量跟蹤,對(duì)平整液循環(huán)工藝生產(chǎn)帶鋼進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比,改進(jìn)和形成了一系列的平整液循環(huán)生產(chǎn)工藝。

5 循環(huán)平整液生產(chǎn)帶鋼的評(píng)估

通過(guò)上面的研究,寶鋼日鐵汽車(chē)板有限公司改造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,新增了自主研發(fā)的平整液循環(huán)系統(tǒng),并自2020年5月使用至今,期間經(jīng)過(guò)了多次的系統(tǒng)升級(jí)、調(diào)整和生產(chǎn)工藝的改進(jìn),也遭遇了產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題,最終經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化,成功開(kāi)發(fā)了平整液的生產(chǎn)循環(huán)工藝。

考慮到循環(huán)平整液的管理和帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),第一階段暫時(shí)按照只循環(huán)一次的方式使用,即新鮮的平整液平整后不排進(jìn)行收集,然后再循環(huán)使用一次后排空。下面對(duì)直噴和循環(huán)平整液生產(chǎn)的帶鋼進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比,評(píng)估循環(huán)平整液生產(chǎn)帶鋼的質(zhì)量。

5.1 帶鋼的表面形貌參數(shù)的測(cè)試

采用EDT毛化輥生產(chǎn)的直噴帶鋼的表面粗糙度為Ra=1.120 μm,循環(huán)帶鋼的表面粗糙度Ra=1.156 μm。兩種方式下的表面粗糙度對(duì)比見(jiàn)圖10,考慮到生產(chǎn)過(guò)程中的軋輥差異,這兩者基本處于相同的水平。

兩種方式下的表面形貌參數(shù)見(jiàn)表4。

圖10 直噴生產(chǎn)平整帶鋼及循環(huán)生產(chǎn)帶鋼的表面粗糙度Fig.10 The comporison of surface roughness of steel plate for direct-spray and recycling temper

表4 直噴、循環(huán)噴淋平整帶鋼的表面形貌參數(shù)Table 4 The comporison of surface morphology parameters of steel plate for two kinds of temper μm

從表4的形貌參數(shù)來(lái)看,相應(yīng)的表面形貌參數(shù)基本都相差不大。考慮到毛化軋輥的差異及在使用中的摩損差異,從上述的測(cè)量值分析,循環(huán)平整生產(chǎn)技術(shù)并不會(huì)對(duì)帶鋼的表面形貌參數(shù)帶來(lái)顯著的影響。

5.2 不同生產(chǎn)工藝對(duì)帶鋼的表面銹蝕性影響

5.2.1 1 h鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組兩種噴淋方式生產(chǎn)的帶鋼進(jìn)行取樣,剪切成同樣大小的鋼板進(jìn)行1 h鹽霧防銹性試驗(yàn),結(jié)果如圖11。

圖11 直噴生產(chǎn)鋼板和循環(huán)生產(chǎn)鋼板的鹽霧防銹試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 The result of salt spray rust prevention test of steel plate for direct-spray and recycling temper

可以發(fā)現(xiàn)循環(huán)平整方式生產(chǎn)的帶鋼鹽霧防銹能力稍強(qiáng)于傳統(tǒng)直噴方式生產(chǎn)的帶鋼。

5.2.2 35 d濕熱試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組兩種噴淋方式生產(chǎn)的帶鋼進(jìn)行取樣,剪切成同樣大小的鋼板進(jìn)行35 d濕熱防銹性試驗(yàn),如圖12。

通過(guò)不同方式和時(shí)間的防銹試驗(yàn)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)使用循環(huán)平整液生產(chǎn)的鋼板的防銹性能稍強(qiáng)于原來(lái)的直噴平整液的,這主要依托現(xiàn)場(chǎng)平整液的有效管理,使得雜質(zhì)和細(xì)菌等污染均得到有效控制;同時(shí),為最小化帶鋼的防銹性風(fēng)險(xiǎn),在循環(huán)平整液開(kāi)發(fā)的初期,即與平整液供應(yīng)商廠家共同開(kāi)發(fā)了高防銹性產(chǎn)品,有效控制了循環(huán)平整液的銹蝕缺陷。

圖12 直噴生產(chǎn)鋼板和循環(huán)生產(chǎn)鋼板的濕熱防銹試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 The result of 35 days damp heat test of steel plate for direct-spray and recycling temper

5.3 不同生產(chǎn)工藝對(duì)帶鋼表面涂鍍性能的影響

5.3.1 涂層附著力試驗(yàn)

對(duì)兩種生產(chǎn)方式的帶鋼產(chǎn)品進(jìn)行電泳試驗(yàn),以了解循環(huán)平整液對(duì)涂層附著性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同生產(chǎn)方式下鋼板試樣電泳漆結(jié)果Table 5 The result of electrophoretic paint of steel plate samples under different production modes

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出,所有鋼板試樣經(jīng)過(guò)百格法測(cè)試后電泳漆均無(wú)脫落,說(shuō)明涂層附著力良好。

5.3.2 鋼板磷化試驗(yàn)

通過(guò)鋼板磷化試驗(yàn),以了解循環(huán)平整液對(duì)磷化加工性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)上述試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用兩種平整液生產(chǎn)的帶鋼在涂漆和磷化處理膜質(zhì)量方面均無(wú)明顯差異,兩種樣板上的磷化膜在致密性、結(jié)晶形狀和尺寸上均基本一致。所研發(fā)的平整液循環(huán)使用工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)帶鋼表面質(zhì)量和后續(xù)加工均不會(huì)產(chǎn)生顯著影響,生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了傳統(tǒng)工藝的水平。

表6 不同生產(chǎn)方式下鋼板磷化處理結(jié)果分析Table 6 The analysis of phosphating treatment result of steel plate samples under different production modes

連退機(jī)組循環(huán)平整液自2020年10月起正式投入使用以來(lái),板面質(zhì)量正常,通過(guò)循環(huán)使用大幅降低平整液排放總量,平整液?jiǎn)魏南陆盗?0.3%,大大減輕了廢液處理的壓力,取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

(1) 寶鋼日鐵汽車(chē)板有限公司經(jīng)過(guò)大量離線(xiàn)和在線(xiàn)試驗(yàn),成功開(kāi)發(fā)出了連退平整液循環(huán)回用生產(chǎn)工藝。

(2)平整液在循環(huán)使用過(guò)程中,會(huì)逐漸滋生大量細(xì)菌/真菌、摩擦鐵粉和臟污,平整液的內(nèi)部化學(xué)成分發(fā)生極大改變,對(duì)平整液的外觀和使用性能等造成極大負(fù)面影響,帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量也存在極大隱患。

(3) 為了開(kāi)發(fā)平整液循環(huán)生產(chǎn)工藝并有效保障生產(chǎn)帶鋼的質(zhì)量,需研發(fā)做好如下幾點(diǎn):研究平整液凈化處理技術(shù),設(shè)計(jì)全新的回收循環(huán)系統(tǒng);研發(fā)具有特殊化學(xué)性能的新型循環(huán)平整液;研發(fā)全套平整液循環(huán)回用生產(chǎn)工藝,包括濃度、流量、平整液的添加及替換等;開(kāi)發(fā)全套的循環(huán)平整液理化性能分析檢測(cè)方法,并研發(fā)與之配套的循環(huán)平整液的工藝參數(shù)控制范圍及檢測(cè)頻率等管理規(guī)范。

(4) 通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐和不斷改進(jìn),平整液循環(huán)回用工藝產(chǎn)出的帶鋼產(chǎn)品各項(xiàng)性能基本均達(dá)到原有的直噴生產(chǎn)的帶鋼,后續(xù)隨著平整液循環(huán)生產(chǎn)過(guò)程的不斷推進(jìn),預(yù)計(jì)可以取得良好的環(huán)保效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。