帶鋼平整潤滑工藝與最小延伸率關系研究

王天順，王 濤，陳駿生

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，江蘇 南京 210039；2.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 前言

退火后的平整軋制是生產優質薄板，確保冷軋帶鋼成品質量的最后一道工序，它對于控制帶鋼延伸率，進而控制板形以及表面狀態起著重要作用[1]。此外平整機延伸率問題也分兩個方面，一方面硬料的延伸率需要拓展[2]，軟料的延伸率需要降低，當前控制平整工藝帶鋼延伸率的方法大致分為兩個方向，一方面通過控制軋機設備的控制模型，提高延伸率的控制精度[3-4]，一方面通過控制平整工藝參數實現帶鋼延伸率的控制[5-11]，但是在控制的同時工藝參數變化會導致帶鋼表面出現其他缺陷[12]。國內外專家學者開展了平整過程缺陷、控制系統、工藝優化研究。其中，杭永梅[13]針對四輥雙機架平整機組存在打滑印、延伸率不達標、屈服平臺未消除等質量缺陷，通過改善控制系統與彎輥力,有效降低了特有缺陷的發生量；干思權[14]等針對帶鋼厚度對延伸率的影響，提出延伸率閉環控制的3種調節方法：軋制力調節模式、張力調節模式以及軋制力+張力調節模式；白振華[15]等針對VC輥平整機濕平整軋制過程中的產品板形與表面粗糙度控制問題，提出一套適用于VC輥平整機組濕平整軋制過程的關鍵軋制工藝參數的優化設定技術;計江[16]、李建強[17]、王海濤[18]通過在雙機架平整機組中應用采用油氣潤滑技術，提高了潤滑效果、改善了帶鋼表面的缺陷。本文主要研究了高溫料平整軋制過程中延伸率控制能力評估技術，分析了平整液的品質、流量、濃度、溫度等條件與摩擦系數之間一一對應的關系，提出了在保證平整液除銹功能前提下，平整軋制過程的工藝潤滑制度與最小延伸率的關系。

1 平整軋制過程變形區潤滑狀態研究

平整液的組成成分主要包括基礎油、水與添加劑，其中，水占比達到95%以上，基礎油廣泛采用礦物油，占比大約1.5%左右，添加劑里面主要包括表面活性劑、緩蝕劑、消泡劑等。采用Taylor提出的乳化液粘度計算公式。

(1)

式中，ηe為平整液的動力粘度；ηd為連續相的動力粘度；ηf為分散相的動力粘度；φ為分散相體積和平整液總體積之比，取分散相粘度為5，即ηf=5，平整液的粘度如表1所示。

表1 平整液不同濃度下的粘度(10-3 Pa·s)

由表1可以看出，50 ℃下平整液的動力粘度與純水基本處于同一水平。因此，平整液的作用不同于冷連軋過程乳化液是在各機架變形區形成穩定厚度的潤滑油膜，平整液進入到平整變形區后只是存留于工作輥與帶鋼表面的凹坑中，對軋輥和帶鋼僅產生浸潤的效果。

平整液中的少量極性物質分子或原子間形成的范德華力吸附在金屬表面形成的吸附膜，將摩擦表面分開，有效地防止了軋輥與帶材表面之間的粘附，又使得軋輥表面粗糙度就能較好地復印到帶材表面上，其中輥子的粗糙度不僅影響成品帶鋼表面的粗糙度，同時也會影響帶鋼的延伸率[19]。金屬材料成型時變形區通常處于如圖1所示的邊界潤滑狀態。

圖1 變形區邊界潤滑狀態

2 平整液工藝參數對摩擦系數的影響

平整軋制過程中所使用的潤滑劑潤滑能力不同，按照水、平整液、工業乳化液、改進的乳化液、未稀釋的濃縮液、乳化液、棕櫚油等順序依次增強。平整機組使用平整液而不使用水或乳化液的主要原因是：乳化液對摩擦系數影響較大，無法維持穩定的小壓下率；水沒有平整液的防銹功能、清潔功能不如平整液、潤滑性能不如平整液，無法滿足接近成品的平整帶鋼的要求。

2.1 平整液工藝參數對摩擦系數的影響實驗

為進一步探究平整液工藝參數對帶鋼表面摩擦系數的影響，本實驗試樣選擇梅鋼冷軋連退平整機組生產的高溫料，其化學成分如表2所示。采用線切割設備將高溫料鋼板剪切為幾何尺寸為60 mm×30 mm×0.82 mm的試樣，其中摩擦頭采用直徑與軋輥同材質的為3 mm的摩球。在CMS TRB摩擦磨損設備進行摩擦系數測量，設備自帶加熱功能，平整液流量通過噴霧泵與回收系統進行控制，CMS TRB摩擦磨損設備參數如表3所示,平整液參數如表4所示。

表2 高溫料化學成分 %

表3 CMS TRB摩擦磨損設備參數

表4 平整液參數

圖2 CMS TRB摩擦磨損設備

2.2 平整液流量對摩擦系數的影響

根據表4平整液參數，選定平整液濃度為4%，平整液溫度為25 ℃進行平整液流量與摩擦系數關系影響趨勢分析，其結果如圖3所示。

圖3 平整液流量對摩擦系數的影響曲線

結合圖3與現場生產實際分析，平整液流量的增加一方面提高了帶鋼與軋輥表面的潤滑油，從而降低摩擦系數；另一方面改善了帶鋼平整過程中的冷卻效果，進而提高潤滑油的動力粘度，從而降低摩擦系數，但是隨著流量的增加，帶鋼與軋輥表面平整液達到飽和，摩擦系數將不會改變。

2.3 平整液濃度對摩擦系數的影響

在上述實驗的基礎上為進一步分析平整液濃度與摩擦系數關系影響趨勢分析，選定平整液流量為10 L/min，平整液溫度為25 ℃，其實驗結果如圖4所示。

圖4 平整液濃度對摩擦系數的影響曲線

結合圖4與現場生產實際分析，當平整液的流量不變時，其帶鋼表面潤滑油附著量也不變，而只取決于平整液的濃度?，F場生產實踐證明，平整液濃度較低時，隨著平整液濃度的增加，軋輥與帶鋼接觸區摩擦力會不斷的減小，平整液的濃度較大時，隨著濃度的繼續增加，接觸區的摩擦系數會有所升高。

2.4 平整液溫度對摩擦系數的影響

為進一步分析平整液流量溫度與摩擦系數關系影響趨勢分析，選定平整液流量為6 L/min，平整液濃度為4.5%，其實驗結果如圖5所示。

圖5 平整液溫度對摩擦系數的影響曲線

根據圖5平整液溫度對摩擦系數的影響曲線，結合表1中平整液動力粘度與溫度關系可以看出，隨著溫度的升高使得平整液中極性物質分子間的引力小于斥力，宏觀表現為平整液粘度的降低，粘度的降低，導致平整液潤滑能力的下降，從而引起摩擦系數的增加。

3 工藝潤滑制度與最小延伸率的關系

對于高溫料而言，從工藝潤滑角度來說，所謂的最小延伸率是指在給定平整軋制壓力、前后張力情況下，通過調整平整液的潤滑性所能達到的最小延伸率。對于雙機架平整機組而言，在相關文獻基礎上[20]，根據平整軋制工藝模型可得任意第i機架帶鋼的延伸率與摩擦系數模型(式2)，并結合已知工藝參數得出延伸率影響工藝模型(式3)，在此基礎上根據雙機架平整機組總延伸率與工藝潤滑制度的關系式(式4)，得出雙機架平整機組總延伸率與工藝潤滑制度的關系可表示為式(5)。

(2)

εi=f3(η0,C,wi,t)

(3)

(4)

ε=f4(η0,C,W,t)

(5)

隨著平整液的隨著平整液濃度的增加，摩擦因數降低，延伸率增加；隨著平整液流量的增加，摩擦因數降低，延伸率增加；隨著平整液溫度的增加，摩擦因數增加，延伸率降低。工藝潤滑制度與最小延伸率的關系可由式(6)表示。

εmin=f5(η0min,Cmin,Wmin,tmax)

(6)

4 延伸率控制能力評估技術的研究

根據冷軋連退平整機組的設備與高溫料生產工藝特點，結合平整軋制穩定性、板形、帶材的表面粗糙度、平整液的防銹能力等，延伸率的設定不僅要消除板形缺陷、傳遞粗糙度，同時保證平整軋制的穩定性以及平整液的防銹能力，在此基礎上，選擇高溫料平整軋制過程中延伸率最小值，其延伸率控制技術流程圖如圖6所示，其延伸率模型如式7所示。

圖6 高溫料平整軋制過程中延伸率控制技術流圖

εmin=max{ε1min,ε2min,ε3min}

(7)

式中,ε1min為消除板形缺陷所需要的最小延伸率;ε2min為保證帶鋼表面粗糙度所需要的最小延伸率;ε3min為保證平整軋制穩定所需要的最小延伸率。

5 結論

(1)分析了平整軋制過程中平整液的動力粘度與溫度、基礎油的濃度關系，確定了平整軋制過程中變形區潤滑狀態。

(2)研究了平整軋制過程中摩擦系數隨平整液流量、平整液濃度、平整液濃度的變化關系趨勢。

(3)建立了高溫料平整軋制過程中工藝潤滑制度與最小延伸率的關系，并提出了延伸率控制能力評估技術。