热轧不锈钢润滑轧制技术研究

热轧不锈钢润滑轧制技术研究1立项背景及国内外发展情况不锈钢在民用领域一般用作表面装饰、冲压制品等表面用途，所有相对于普碳钢而言，不锈钢对表面质量要求更为严格。为保证冷轧后的板面质量，必须从热轧工序开始控制产品其表面质量。而由于钢种特性，应用领域最为广泛的奥氏体不锈钢，热轧时的负荷为普碳钢的1.5～1.8倍，轧辊磨损大且易出现轧辊表面粗糙、带钢边部与轧辊粘连等现象，严重影响热轧带钢表面质量。某1450mm热连轧线自从2009年投产以来，在生产300系不锈钢时，精轧机工作辊普遍存在表面磨损严重不均匀、带钢接触边部粗糙等现象，成为不锈钢表面质量提升的瓶颈。太钢、宝钢等不锈钢行业领先企业在2007年前后开始采用润滑轧制工艺来改善热轧不锈钢卷的表面质量，并取得了一定的效果。后期介入不锈钢生产领域的一些国内民营不锈钢厂也尝试采用润滑轧制工艺，但由于设备选型、润滑轧制工艺、控制技术等综合原因，取得的实际效果不甚理想。为保证不锈钢热轧带钢的表面质量和降低轧制成本，从2011年初开始，组织相关专业技术人员对不锈钢润滑轧制设备、控制技术等进行了深入研究，在近四年的工业试验及使用中，在轧制稳定性控制、油品选型、边部质量控制、减少轧辊磨损等方面取得了良好效果。2研制开发的技术难点2.1解决润滑轧制的稳定控制难题热连轧自动化系统是通过恒定微张力来控制带钢轧制的整个过程。由于氧化皮的组成及轧制负荷的差别，不锈钢轧制在同等润滑条件下，轧制力下降幅度为普碳钢的2倍左右，这也意味着润滑轧制对自动化系统的扰动也远大于普碳钢，一旦破坏了微张力恒定控制边界，将导致堆钢或轧烂事故，严重影响生产顺行和质量控制。这需要工作时序的优化改进，轧制油喷射量的精确控制、活套-张力系统与AGC系统的控制调整等一系列难题。2.2减轻轧辊不均匀性磨损难题不锈钢基本都是以冷轧状态使用，规格以1.0mm以下为主，对热轧原始板型要求很高。由于轧制负荷大及钢种与轧辊的材质接近，轧制不锈钢时，工作辊边部的猫耳形磨损比普碳钢更为严重。为了保证热轧带钢的原始板型，轧制公里数我司控制在35km以下。减轻轧辊边部磨损，保证热轧带钢的原始板型同时延长轧制公里数是轧制润滑技术研究的重要难点。2.3选择适合不锈钢热轧的润滑油品难奥氏体不锈钢的精轧温度在1000～1100℃，比普碳钢高80～100℃，轧制时辊温表面温度也比普碳钢高40℃以上，轧制负荷也为普碳钢的1.5倍以上，因此对润滑油品的理化性能有更高要求，以保证其附着性和润滑性。另一方面要结合我司使用的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊材质（普碳钢F1-F4工作辊一般采用高铬铸铁材质），由于在轧制过程中不易生成氧化膜，要调整相应的成分以保证辊面的表面质量。轧制润滑油系统工作于高温高水条件下，流量小又是间断性工作，油品必须保证在此环境中保持良好的油水分离性以避免挂壁现象，导致油路、喷嘴堵塞，影响系统的稳定运行。因此在经济、环保的前提下找到符合上述要求的不锈钢润滑轧制油品是一项困难的工作。2.4润滑系统设计难润滑轧制设备设计直接影响最终的效果。大多数应用润滑轧制不好的厂家，其系统普遍存在设备设计缺陷，造成设备运行不稳定、维护困难等问题。运行良好的系统要求油量控制精确度高，油水混合乳化效果好，无油路喷嘴结焦现象及油膜均匀性好。如何将控制上述问题的技术集成到润滑系统中是轧制润滑工艺正常运行的基础。3轧制润滑系统的设计在参考了国内多家使用热轧润滑的经验，根据自身的工艺及设备条件对润滑轧制系统与相关厂商进行了合作设计。3.1轧制润滑集管的形式研究常见的的轧制润滑集管布置方式有以下三种：第一种将集管放在入口切水板下方，这是一种比较常见的布置，设备改动不大。但这种布置缺点工作辊油膜的生成并不均匀，且润滑油路和集管都暴露于轧件的高温烘烤下，非常容易造成管道和喷头内润滑油结焦，实际应用效果较差。第三种是将油喷到支承辊上，通过支承辊将油传递到工作辊上。其优点是形成的油膜比较均匀，但由于支承辊都有倒角，会造成轧制宽带钢边部无油润滑，且容易因工作辊与支承辊打滑出现啃辊事故。第二种方式形成的油膜均匀性良好。因被切水板保护，集管和油路不会出现结焦的情况，且切水板的擦拭器还可以起均匀油膜的作用。而油膜过轧制区后会被钢带迅速烧掉，不会出现工作辊与支承辊打滑的情况。这种方式要求润滑轧制时入口端轧辊冷却水关闭，需增加轧辊防剥落水防止辊温过高造成轧辊出现裂纹。综合考虑后，最终确定了第二种方案：将集管放在切水板后，并加装轧辊防剥落水。图1润滑轧制集管的主要布置形式3.2润滑轧制及防剥落水的布置3.2.1喷嘴的布置各机架沿辊身长度方向均匀分布11个90°喷嘴，保证油-水混合物喷出后将辊面全部覆盖。因使用轧制润滑时，入口端轧辊冷却水关闭，工作辊温上升较多，为防止工作辊表面出现裂纹，在轧件温度最高的F1-F4入口端增加防剥落水。在机架内布置如下图：图2润滑轧制喷嘴及防剥落水喷嘴布置3.2.2防剥落水的设计防剥落水的设计基础是基于小水量直接冷却贴近变形区轧件接触处，以降低轧件表面温度来降低轧辊的表面温度，避免轧辊出现裂纹。图3、图4是国外S公司对304钢种在实验轧机上开启入口冷却水和开启放剥落水时带钢和轧辊温度的分布对比（防剥落水水量约为入口冷却水的1/3）。可见使用防剥落水后到带钢入口表面附近温度下降幅度较大，但进入变形区及出口温度降幅变小。但轧辊表面却从525℃下降至437℃。因轧件温度下降引起的轧制负荷上升可以依靠轧制润滑予以解决。图3两种冷却条件下轧辊温度分度分布借鉴该公司经验，考虑到其实验轧制规格均远小于（7mm*400mm*1000mm）精轧机组前四架轧制过钢规格（10mm～30mm*1250mm*70～300m），我们将入口经调整后精轧机组防剥落水和工作辊冷却水调整布置如下，防剥落水量加大约为入口冷却水量的50%。表1防剥落水及工作辊冷却水的布置入口喷嘴流量l/min出口喷嘴流量l/minF1～F4防剥落水17.95/F1～F4冷却水35.7855.9F5～F7防剥落水13.45/F1～F4冷却水27.9535.783.2.3运行后的效果及改进在实际投用润滑轧制后，发现F1～7工作辊下机后温度与未投用润滑轧制时相差不大，而F5～7尾部轧制稳定性受到较大影响。分析：在轧件较薄的F5～7机架，防剥落水温降效应太大，叠加在温度已比较的尾部，造成尾部轧制稳定性严重下降。而F5～7轧件温度已比前四架低（40～80℃），相应辊温也低于前四架，且轧制负荷比前四架低1000～1500吨，工作辊发生剥落的机会相应小很多。改进：关闭F5～7防剥落水，并增大出口冷却水量。改进后，F5～7工作辊下机后温度与未投用润滑轧制时上升5℃左右，而机架尾部轧制稳定性得到明显改善。表2防剥落水及轧辊冷却水量修改入口喷嘴流量l/min出口喷嘴流量l/minF1～F4防剥落水17.95/F1～F4冷却水35.7855.9F5～F7防剥落水//F1～F4冷却水27.9545.33.3系统的控制3.3.1系统工作原理润滑轧制系统由供油系统、供水系统、喷射系统和控制系统等组成。供油系统和供水系统分别经增压、过滤、计量和控制阀进入混合器，混合后的油水机械混合液通过喷射系统送到工作辊面进行润滑。轧制油通过计量泵增压后泵入混合器进油口处雾化喷嘴，将高压油雾化分散成细小的油珠，再进入蜂巢式静态混合器，与冷却水充分混合。混合均匀的油-水混合物通过特殊的喷嘴从机架入口方向喷射到接近变形区的工作辊表面。再经过擦辊器均匀擦拭，高速旋转的轧辊将油-水混合物迅速地拽入变形区的同时，在钢带及轧辊高温的作用下，混合物中的水被汽化而挥发，仅剩轧制油进入变形区。MSameasrightSameasrightSameasrightSameasrightSameasrightF2F3F4F5F6oilwater轧制润滑控制示意图SameasrightF1图4系统工作原理3.3.2工作回路图5系统工作回路工作回路主要由计量油泵-电机组、流量、压力调节及控制、油-水混合装置、水系统、喷嘴系统、油温控制及流量压力显示装置等几部分组成。喷射在工作辊表面的油-水混合物，轧制油和水的压力，流量都是可以调控的。轧制油是计量泵组定量加压后通过工作回路中的混合箱内溢流阀调整油压，冷却水是工作回路中的混合箱内截止阀调整流量，通过供水系统调整压力。经过调试可调整出最适合本厂使用的油量、油压、水量、水压。3.3.3自动控制系统组成图6自动化系统构成数据记录分析系统可以通过Profibus接口或TCP/IP接口与PLC相连，实时获取并对生产过程中和轧制力相关的参数（如阀门的开关、咬抛钢、水流量、油流量等）进行分析记录。当设备出现故障情况时，该系统还可以捕获故障数据并实时分析，而不必采用事后分析的方法，减少了故障处理时间，从而可以有效保证现场设备的安全、稳定运行。同时，该系统还可以对钢板分钢卷号进行记录，方便用户对不同批次钢板的数据进行查询和跟踪。管理系统通过对轧制润滑相关的图纸和技术资料的收集，以及对现场工艺进行分析，了解工艺流程并提炼流程中的关键逻辑和控制算法，生成和轧辊使用周期、钢板质量、轧制成本等相关的经验值，并可以将经验值上升为经验模型并形成历史库，方便现场人员实际操作和历史查询。3.3.4关键设备选型3.3.4.1计量泵及流量计的选择整个系统的正常运行依赖整个油路供油的稳定性及准确性。为了灵活调整上下辊的油量分布，为每个机架采用两组计量增压泵（美国VIKING）与流量计（GPI）分别控制上下工作辊油量，两组单向阀(西班牙VYC)与流量计（美国GPI）分别控制上下工作辊水量。3.3.4.2油水混合器混合器在轧制润滑系统中属于关键元气件。它的混合速度，混合粒径大小，和轧制润滑的使用效果息息相关。国内大部分公司油水混合器采用的是简单将油水进行混合后，然后经雾化喷嘴喷射到轧辊表面。在这种情况下，油滴的直径在50～200μm，在轧辊表面形成的油膜厚度均匀度差。故此采用了一种新型（SHYS-1012-1）油水混合装置。图7新式油水混合器示意图（白色背景）工作原理：N1是进水口：水压一般控制在4～5bar，流量根据现场的辊径，电机转数等来确定。N2是进油口：油压一般控制8～10bar，进油口装配有雾化喷嘴，以确保能够把油分割成颗粒状，并抢入水中，并形成水包油形式。然后再经过填充分割物，达到最终的粒径需求。N3是混合液出口：混合液经过填充物后，达到设计的粒径喷出。采用这种油水混合器后，油滴的大小可控制在20～80μm，可在辊面上形成均匀稳定的油膜层，并且可以节省约30%的油料。3.3.5应用效果本系统在四年的工业运行过程中，始终保持着管路通畅，轧制油流量控制准确，调节方便灵活，维护简单，完全能够满足润滑轧制工艺要求。