热轧工艺润滑与粘铝的关系

变形区 轧辊表面润滑层
转变区
热轧工艺润滑与粘铝的关系
作者：谢仁泽
我们厂的热轧运转已经三年了，表面质量一直是影响我们产品质量的主要瓶颈。

热轧工序控制表面质量至关重要，性能良好的热轧润滑液对表面质量的控制具有十分重要的意义。

通常热轧都是在300℃以上的温度下进行的，由于铝的熔点低，屈服强度低，极易粘附，在轧制过程中容易产生粘铝的表面缺陷。

经阳极氧化后显露为黑斑。

严重影响产品质量，经冷轧轧制后也难以消除。

1. 铝合金热轧特点与乳液润滑机理
1.1 铝合金热轧特点
铝合金热轧的一个显著特点是在轧辊上覆盖一层“铝膜”的情况下进行。

从John
A.Schey,<<LIGHT METAL AGE>>上可知这种“铝膜”主要由三氧化二铝和10%∽15%的铝粉及润滑剂及残渣的碳素物组成。

正因为轧制是在带有“铝膜”的辊面间进行，所以轧铝油性能的好坏和乳液的日常管理对铝材表面质量的控制具有十分重要的意义，它决定了辊面铝膜状态。

1.2 乳液润滑之物理分析
热轧乳液的基本功能是减少摩擦，防止轧辊与轧件粘结，同时控制工作辊
辊形与温度。

在轧制过程中乳液作为冷却润滑剂喷向轧辊和轧件，均匀而充足的乳液
在变形区入口处形成楔形油楔（如图1）。

由流体动力学基本原理可知，当固体表面运动时，粘附于轧辊和轧件表面的润滑
剂分别随运动的轧辊与轧件同步运动，中间流体作层流运动。

因此旋转的轧辊表面和运动的轧件表面使润滑剂增压进入楔形前区，越接近变形区入口平面润滑楔内产生的压力就越大。

当压力达到轧件发生塑性变形压力时，则有一定厚度的乳化液被带入变形区，还有轧辊与轧件的显微不平也将乳液带入变形区。

带入变形区的乳液受高温高压和剪切力作用而使油水分离，水蒸发带走热量，冷却轧辊轧件；分离出来的油相和添加剂与金属表面和金属屑反应，形成一层细密的辊面涂层，有效地隔离摩擦面而达到润滑的目的。

1.3乳液润滑之分子分析
我们目前使用的热轧润滑剂是由合成油和多种添加剂与水混合而成的一
种牛奶状液体，实际上是油以细小油滴形式分布于水中的水包油型乳化剂。

大家都知道油是由C 2n H 2n+2,CH 2n ,C n H 2n-x 等非极性烃类组成。

它们与金属表面接触时这种非极性
分子与金属之间仅靠瞬时偶极相互吸引形成物理吸附膜，其吸附能力仅为8.4—42千焦/摩尔。

（参考焦明山译的《金属压力加工中的摩擦与润滑》，董浚修写的《润滑原理及润滑油》等书）在变形区高温,高压,剪切力的苛刻条件下物理吸附膜易破坏或被挤走形成局部干摩擦。

这说明乳液没有良好的润滑性能，需加入油性剂加以改善。

油性剂分子带有极性基团，具有永久偶极。

与金属接触时，这些极性基团的价电子与金属表面的电子交换而产生化学结合力，呈定向排列吸附在金属表面上，吸附能力可达到42—420千焦/摩尔，被吸附分子相互间有吸引力从而以二聚体形式呈现紧密的定向排列分子栅。

非极性端在相反方向靠色散力与上层分子的非极性端吸引，形成定向排列的双分子层。

如此下去形成多分子层，将轧辊与轧件隔开。

从上述分析可知，轧制变形区处于流体润滑和边界润滑共存的半流体润滑状态。

2.热轧轧制中的粘铝分析
在轧制过程中变形区内的高温,高压及乳化液的化学活性使油从乳化液中分离出来,并在工作辊面上形成一层均匀的油膜，它防止了工作辊与轧件直接接触。

轧辊通过这层油膜向轧件施压使金属产生塑性变形。

同时轧制时的铝微粒从轧件向轧辊表面转移，在变形区内发生反应形成一层“铝膜”，组成粘铝层。

如果润滑剂性能好，工作辊上的粘铝层就薄。

但即使粘铝层很薄，也不能保证轧辊表面的粘铝不反映到轧件上。

生产过程中由于轧辊频繁地接触和碾压轧件，这时如果润滑控制不当，就会造成轧辊表面严重粘附的铝微粒显露在轧件上。

随着生产的延续，整个工作辊面的粘铝层就会越来越厚，随之增加了铝微粒的不稳定性而渐渐从辊面脱落，同时，又会有更多的新的铝微粒贴附上去，形成新的铝膜。

如此下去贴附在轧辊表面的粘铝层逐渐呈现出严重条痕。

在关铝的1300热轧机上由于个别地方的润滑不足使轧件表面轻者形成色差，重者造成粘铝缺陷的原因就是如此。

在现场轧制软铝时，我们常常会看到在轧制到4块料左右时粘铝缺陷就会越来越明显。

这时，如果我们不处理粘铝层区域的铝微粒就会在轧制过程中从轧辊表面脱落被压入铝材表面，形成金属压入。

这种由粘铝引起的金属压入呈无规则性。

它经过冷轧轧制后会出现表面起皮，孔洞等缺陷。

3. 影响热轧工艺润滑的因素
3.1 乳化液的热分离程度
乳化液的热分离指的是当乳化液和热的轧辊表面接触时所分离出的纯油量，是乳液最重要的性能指标。

乳液的稳定性实际上就是指它的热分离程度。

它关系到我们经常检测的ESI（既乳粒尺寸大小和分布）。

当ESI=1时润滑效果不好，说明稳定性太好，乳粒平均直径小，不易热分离，降低了润滑性能。

在生产中通常根据轧制合金的不同选用不同的 ESI值，在ESI一定时一般通过温度的控制使乳粒直径变大，增大热分离从而获得良好的润滑性能，减少轧辊粘铝改善轧件表面质量。

乳液稳定性的控制目的是调整乳粒尺寸大小及分布，它可以通过乳化剂的化学性质及HLB（既表面活性的亲油亲水平衡值）来调节。

在生产过程中我们也可以提高乳液库中乳液的温度增大乳液的热分离。

但是这个方法不可取，因温度升高冷却效果就会下降，不利于轧辊的降温，从而影响辊型。

辊温的升高又会导致辊面粘铝趋于严重。

所以生产中要根据具体情况调节乳液的稳定性。

3.2外来杂油的污染
3..2.1 外来杂油的危害
使乳液粘度不断增加，破坏了乳液的平衡，影响了乳液的流动性和润滑性能，增加了轧辊的粘铝倾向。

3.2.2 外来杂油的来源
轧机本体的液压油，齿轮油，润滑脂等。

3.2.3 外来杂油的控制
A. 首先必须有效地解决轧机本体的漏油问题，要勤检查，随时发现随时解决。

对发现了又无法解决的漏油点应采取相关措施把漏出的杂油引入收集装置中。

B. 将乳液静止一定的时间，使杂油充分地浮到液面上，然后进行撇油，使乳液中的杂油将至最少。

降低乳液中的灰份和疏水粘度。

4. 油中的金属铝屑
轧制时会产生许多金属铝屑，这些铝屑会粘附在油相上发生化学反应消耗添加剂。

乳液中的主要添加剂边界润滑剂，具有较高的化学活性，很易吸附于金属表面，对轧制性能和轧件表面的好坏起着关键作用。

大量细小铝屑在乳液中还会消耗有机酸直致逐渐耗尽。

因此轧机的过滤系统一定要经常开，选用好的过滤纸尽量滤掉乳液中的金属铝屑。

另外可定期对乳化液中的自由脂肪酸进行检测，发生表面质量问题或润滑问题时更需要频繁的检测。

5.乳化液配制用水
我们平常使用的自来水和地下水中含有较多的金属离子，如镁离子，钙离子等。

它们要与乳液中的自由脂肪酸反应生成金属皂，这就相当于减少了边界润滑剂的可使用量，使乳液变的不稳定。

所以配制乳液时一定要用去离子水。

总结：
通过分析乳液润滑和粘铝机理可知，要想获得高表面的热轧产品，首先必须控制轧辊表面粘铝层，使其变的薄而均匀。

为此我们可以使用清刷辊减轻工作辊辊面粘铝。

但是要根本解决辊面粘铝，使之保持理想的辊面状态，还得依靠润滑控制。

要切实保证热轧润滑的良好效果，就必须对乳化液的热分离程度，外来杂油的污染，油中的金属铝屑，乳化液的配制用水等关键因素严格控制。

由此就必须加强乳液的日常维护，采用合理的轧制润滑剂及其添加剂，严格控制轧机本体的漏油，保证良好的乳液过滤。

从而既保证了乳液良好的润滑性，又保证了乳液良好的清洁性，提高了生产效率，保证了产品表面质量，降低了生产成本，提高了经济效益。