冷轧轧制油与带钢表面清净性关系研究

冷轧轧制油与带钢表面清净性关系研究(2014-05-0514:49:54)转载▼万福成（河南信阳职业技术学院）胡深国（中国石化洛阳石油化工工程公司）【内容提要】冷轧轧制油在冷轧过程中起着非常重要的作用，能够润滑板带和轧辊，降低摩擦力，带走热量，并起到冲洗作用，从而得到较好的带钢表面质量。本文对冷轧轧制油与带钢表面清净性的关系进行了研究，指出冷轧轧制油的组成和性能是影响冷轧轧制后及退火后带钢表面清净性的主要因素，而现场使用条件的完善是冷轧轧制油获得良好应用的保证。随着市场竞争的日趋激烈，用户对产品的内在性能及表面质量提出了更高的要求。在汽车、家电等行业对于板型、性能、表面质量的几项要求中，冷轧带钢的表面质量占有越来越受到关注。带钢表面的清净性一般以带钢表面的残铁量、残油量、油烧斑量和退火后的残炭量的多少来衡量。带钢表面的清净性对镀锌产品的影响更为明显，轧后带钢表面的残留物过多不但要消耗大量的清洗性化工原料，而且如果带钢表面的清净性达不到要求，还易形成锌粒、锌疤、锌层脱落等缺陷。因此，提高轧后带钢表面的清净性是提高产品表面质量的关键环节。冷轧带钢表面残留物的数量除了与热轧原料组成、热轧原料的酸洗质量、轧辊的粗糙度、机架乳化液的流量、轧制速度、道次压下量、轧制温度、乳化液系统的构成等因素有关外，与轧制工艺润滑剂的组分、轧制油的相关性能和现场应用条件也有密切的关系。近年来，随着对轧制油及轧制变形区内润滑状况的研究不断深入，轧制油的使用应尽可能地在轧制变形区内形成连续且厚度均匀的润滑膜，这不仅有利于降低磨损，减小轧制负荷，更有利于提高轧后带钢的表面清净性。一、冷轧轧制油的组成对轧后及退火后带钢表面清净性的影响冷轧轧制油主要有抗氧剂、油性添加剂、极压添加剂、防锈剂、表面活性剂和消泡剂等组分组成。1、抗氧剂及其作用氧化是使油品质量变坏和消耗增大的原因之一。氧化产生的酸性物质、水及油泥等会造成金属的严重腐蚀。由于轧制过程常处于高温、高压条件下，会加速油品的氧化过程。轧制油中所使用的抗氧剂一般为链反应终止剂。自由基链反应终止的原理是：通过一个活泼氢原子给过氧基一个氢原子，生成较稳定的化合物而使链反应终止。轧制油在储存、循环使用以及轧后在钢板表面上的残留油必须有良好的抗氧化效果，以利于避免轧后油烧和退火时钢板表面高分子聚合物的形成。抗氧剂的使用还可有效提高轧制油的初始氧化温度（２０~５０℃）。轧制油中所使用的抗氧剂一般为酚类和胺类化合物。2、油性剂及其作用油性剂的作用主要是对金属表面有一种吸附力。油性剂靠物理吸附或化学吸附定向地排列在金属表面，生成牢固的吸附膜，并且２个分子的极性团吸在一起成为一对。油性剂的种类很多，常用的有动植物油脂、高级脂肪酸，高级脂肪醇、合成型的脂肪酸酯等。蓖麻油、棕榈油、牛脂、猪油、菜籽油、棉籽油、大豆油、鲸鱼油等部属于动植物油脂。动植物油脂具有良好的润滑性能和负承载能力，但抗氧化性能及低温流性能较差，易水解，不经过电解脱脂直接退火后钢板表面清净性差；动植物油脂的氧化安定性也较差，这主要是其脂分子中甘油部分的第二羟基所致。一般高皂化值、分散型冷轧轧制油使用该类油性剂。这类轧制油一般用于具有电解脱脂工序且对润滑性要求极高的极薄板轧制过程中。酯类油性剂与其它油性剂相比，其耐高温性能、抗氧化性能、抗水解性能、黏温性能，黏压性能及润滑性能良好。因此，酯类油性剂是用于轧制油中性能最好、发展最快的油性剂之一。在一般的轧制油配方中所采用的油性剂均为合成酯类油性剂，根据反应产物的酯基含量可分为单酯、双酯、多元醇酯和复酯等。由于单酯及双酯均含有β-氢原子，耐高温及抗氧化能力较差，因此在轧制油中极少使用这类油性剂。如果用烷基取代β—碳原子上的氢，就可以获得高温性能较好的合成酯。β—碳原子上无氢的醇类主要指新戊基多元醇类，如三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇等。用上述新戊基多元醇与Ｃ５-Ｃ１８的直链或支链脂肪酸合成的阻化酯在高温下不会出现环状中间产物，它们分解时按自由基的机理进行。这种阻化酯在分解时所需能量较高，因此具有较好的耐高温、抗氧化及抗热分解性能。在轧制油中经常使用这类多元醇酯。用于轧制油中的多元醇油性剂的典型数据见表１。表１用于轧制油中的多元醇酯油性剂的典型多元醇酯运动粘度（４０℃）/mm2·s-1退火清净性/级残炭/%Falex值/N酯-１３３.２２１０.２１８００７酯-２４１.２３２０.３５８２２９酯-３４７.９４２０.３８８２２９酯-４５４.６６１０.３７９１１９酯-５６５.１４４０.３７９３４１酯-６１５７.２３５０.４５１０２３１由表１可以看出，随着合成酯黏度的增大，残炭量略有增加，润滑性变好，但退火渍净性有明显下降的趋势。所以在选用合成酯类油性剂时，除了要考虑润滑性以外，必须满足清净性的要求。3、极压剂及其作用钢材在重负荷下工作时，摩擦部件由于受到高温、高压作用，经常处于边界润滑条件下，摩擦点的温度和压力都比较高。在这种情况下，单纯靠油性剂不能保证可靠的极压性和润滑性，往往要加入一些极性化合物，使其与金属发生化学反应，生成热稳定性高的边界油膜，以改善润滑状态，降低摩擦磨损，防止擦伤、烧结，保证在苛刻条件下有良好的润滑作用。含有硫、磷、氯等活性元素的极压剂在高温、高压条件下与金属表面发生化学反应，在金属表面凸处生成化合膜。该化合膜扩展至凹处，可形成一层平滑的极压膜，该极压膜具有较低的剪切强度，是不易大面积擦伤的无机膜。由于冷轧轧制过程是塑性变形，而塑性变形可产生低能电子的释放，因此，在钢板冷轧过程中，在钢板表面会产生正、负电荷点，正电荷形成正Fe离子，而负电荷则形成外逸的低能电子。外逸电子与靠近摩擦新生表面上的添加剂组分形成阴离子或自由基：M（添加剂分子）+e——(MR)-1+R·(自由基)产生的阴离子与钢铁表面反应，自由基R·的反应可以生成聚合物覆盖在带钢表面上。用于冷轧轧制油中的一些元素的电子亲和力见表２。.表２一些元素的电子亲和力元素电子亲和力/evH0.75C1.25O1.47S2.07Cl3.61由表２可以看出，一种元素的电子亲和力越大，越容易阴离子化，对钢板表面的反应性越强。由于含氯化合物会使乳化液出现破乳问题，因此在轧制油中很少使用含氯极压剂。极压剂对轧制油性能的影响见表３。表３极压剂对轧制油性能的影响极压剂添加剂加入量/%其它物料/%退火清净性/级油烧/级Falex值/NT2024.0965A12010T3074.0965B11565T4045955B10898硫化矿物油5955C11342硫化猪油5955B11565T3223.0975B11120注：①清净性０级最好，５级最差；②油烧A级最好，C级最差。由表３可见，极压剂的极压润滑性都较好，但对轧制油的抗油烧性能有较大的影响，它直接影响冷硬卷和退火后钢板的表面质量；极压剂的退火清净性也都不理想。因此，在选择极压剂时，应综合考虑其各方面的性能。4、防锈剂及其作用钢板轧制后会有一部分乳化液夹带到带卷中，在温度（80~130℃）、空气、水分和铁粉及其它因素的作用下，在钢板表面形成块状锈斑即油烧。油烧部位在后续道次的轧制和退火时逐渐延伸、扩大，加剧退火后在板带表面形成黑斑。要减少油烧的产生，一方面，轧机末机架的吹扫系统应尽量吹走残留的水分，使油膜铺展得更均匀，不产生残留油的积聚；另一方面，可在轧制油中加入一定量的不影响其退火清净性的防锈剂，以减少思后钢板表面产生油烧的可能性。5、表面活性剂及其作用为了制备稳定的油/水乳化液，必须加入表面活性剂。表面活性剂的分子由亲油基和亲水基两部分组成。当表面活性剂溶于水中时，每个分子的亲水基与水面接触，亲油基向上，一个一个地竖在水面上。为了制成良好的乳化油和轧制油，对乳化剂的要求是乳化率高、用量小、对金属无腐蚀，同时最好要有一定的缓蚀性。乳化剂种类繁多，按离子结构可分为非离子型乳化剂（如聚氧乙烯醚类、聚氧乙烯酯类等）、阴离子型乳化剂（如季铵盐类）等。传统的表面活性剂对乳化液中的油粒子保护性差，油粒子的尺寸变化范围大，影响轧制过程的稳定性。另外，传统的表面活性剂对轧制过程中产生的铁粉分散性不好，极易污染轧机和钢板表面，严重影响轧机清净性和钢板的退火清净性。乳化体系除使用非离子型高分子表面活性剂外，又配合使用非离子型高分子表面活性剂，对稳定乳化液中油粒子的大小和铁粉的分散具有良好的效果，对轧制过程的稳定和对轧后钢板的表面清净性起到非常重要的作用。乳化剂的作用情况见图１。图1乳化剂的作用情况6、抗泡剂及其作用抗泡剂又称消泡剂。轧制油在长时间的使用过程中，由于喷嘴和机械搅拌不断剪切，同时由于铁粉及其它杂质的混入，使乳化液的表面张力下降，在乳化液的上层表面产生大量的气泡。这些气泡会使操作工序变得困难，造成乳化液箱常常产生溢流．使得轧制油的消耗上升，浓度控制波动大，操作环境恶化。乳化液中大量气泡的存在还会使喷涂到钢板上的乳化液的均匀性和连续性变差，从而影响钢板的表面清净性。目前轧制油中最常用的抗泡剂是硅油，它是无色透明的油状液体，由无机质的Ｓi-O键和有机基组成。二、冷轧轧制油的性能与轧后退火后带钢表面清净性的关系由不同组分组成的轧制油，其组分之间的配伍性能相当重要，如轧制油的抗油烧性能、退火清净性等。但轧制油的热挥发性能，离水展着性能、润滑性能、乳化液颗粒大小分布等性能也非常重要，它们是直接影响轧制油获得良好应用效果的关键。1、热挥发性能由于在轧制过程中变形区的正常温度在150~250℃，因而要求轧制油在150℃以前尽可能不挥发。如果挥发度太低，在变形区内的轧制油组分在没有发挥其作用以前就已经挥发掉了。但轧制油的最大挥发温度也不能太高，否则会影响钢板的退火清净性能。一般来说，轧制油的初始挥发温度应大于180℃，挥发度最大时的温度在390-420℃之间，500℃时的残留物应小于0.5%。轧制油的这些指标基本与现场退火工艺要求一致，从性能组成上满足了生产的实际要求。国内市场上使用的相关轧制油的热挥发性能指标见表４。表4轧制油的热挥发性能项目初始挥发温度/℃最大挥发度时温度/℃残留物（500℃）/%国产油1884120.29进口油1824010.13（1）离水展着性能轧制油经加水乳化后用于轧制钢板，其润滑性能和冷却性能不是孤立的，而是以离水展着性能（plate-out）来表征。其现象是喷射到轧辊及带钢上乳化液开始为水包油型，当温度超过100℃时，随着水的汽化，轧制乳化液本身发生变化，使油铺展在钢板表面上。这时，轧制乳化液润滑门头沟能的好坏直接与相变后的成膜情况、分子层极性及油膜强度密切相关。因此，合适的离水展着性能是控制轧制油润滑性和冷却性的关键。选用冷轧轧制油，除了要考虑轧制油的分子层厚度（膜重量）、极性及油膜强度，还要考虑它的成膜情况。国产及进口轧制油在50℃时用5%乳化液测定的分子膜重及成膜情况见表5.表5轧制油的分子膜重及成膜情况项目国产油进口油离水展着性/mg.m-226432852成膜情况国产油进口油四周较好一般中间好好由表5可见，无论国产还是进口轧制油，都有合适的分子层厚度和较好的成膜性。（2）润滑性能轧制油在轧制变形区内的润滑状态主要是边界润滑和流体润滑的混合润滑状态，要求根据轧机的实际工况条件，大幅度提高润滑性，减小摩擦力。一般来说，轧制油的油膜强度强（PB值）应大于850N，磨痕直径应小于0.45mm，Falex值应大于11120N，轧制油的润滑性能才能满足要求。国产轧制油与进口轧制油的润滑性能指标见表6.表6轧制油的润滑性指标项目国产油进口油油膜强度PB/N886~950886~100Falex值/N12677~1334512677~13345磨痕直径D（392N,60min）/min0.39~0.420.41~0.45由表6可以看出，国产轧制油及进口轧制油均有良好的极压抗磨性能，这是获得良好的轧后带钢表面清净性的保证。2、乳化液的颗粒度分布一般来说，轧制油在工业应用过程中的油颗粒平均直径在3.5~6.5μm之间时，轧制油的状态为亚稳定状态，只要系统中的循环及搅拌运行良好，这种状态的轧制油能获得良好的使