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
(2014-05-05 14:49:54)
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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
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。

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表２一些元素的电子亲和力
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
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
（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-ou t）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
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
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用效果；当轧制油的油颗粒直径超过6.5μm时，乳化液变得极不稳定，油水分离现象加剧，油耗增加；当轧制油的油颗粒直径小于3.5μm时，乳化液变得较为稳定，在轧制变形区内油水分离困难，无法形成铺展均匀的润滑油膜，严重影响轧后带钢表面的清净性。

国产油与进口油在14天的循环时间内的油颗粒平均直径分布情况见表7.
表7 轧制油的油颗粒度平均直径分布情况
由表7可见，在14天的循环时间内，国产油和进口油的油颗粒平均直径的分布都较为稳定。

三、冷轧轧制油的应用与轧制后及退火后带钢表面清净性关系
轧后及退火后的板面残留物主要来自冷轧过程。

在高温、高压的轧制变形区内，带钢与轧辊发生磨损，产生大量直径在纳米级的铁粉微粒。

这些铁粉微粒的存在既加剧了磨粒磨损，又增加了在带钢表面的吸附面积，进而吸附更多的轧制油及其他形式的碳氢化合物，形成表面残留物。

在工业应用现场，影响带钢表面清净性的因素除了轧制油的性能、现场的操作工艺、轧辊、热轧原料、酸洗后带钢的表面质量、乳化液流量等之外，乳化液的使用及其维护是最关键的因素。

轧后带钢表面清净性不佳主要是由润滑不足造成的。

润滑性能主要由以下因素决定：
◆乳化液的浓度。

◆乳化液的皂化值
◆乳化液中杂油含量。

◆乳化液温度。

◆乳化液中氯离子含量。

◆PH值
◆铁含量；
◆箱体容量的大小；
◆乳化液颗粒度直径的大小；
◆箱体中磁过滤及撇油系统的状态及位置等。

1、乳化液的浓度
在现场，乳化液浓度是保证润滑的最重要因素。

在一定范围内提高系统浓度，加强润滑，可改善带钢表面的清净性。

对双系统的乳化液循环体系，若B系统对润滑的要求很低，则乳化液浓度应远低于A系统，以减少板面的残油。

2、乳化液的皂化值
皂化值是反映乳化液中活性油含量的指标，皂化值高说明乳化液中轧制油含量高而杂油少，这样的乳化液较同浓度下低皂化值的乳化液润滑性能好，故在清洁度上也明显高于后者。

3、乳化液中杂油含量
轧机上的液压润滑，齿轮轴承的稀油润滑和油膜轴承润滑系统都不同程度地存在泄漏。

这些油多为抗乳化油，含有破乳剂或影响HLB（水油两亲平衡）的表面活性剂，如侵入乳化液中会破坏乳化液的稳定性，其中灰分、残炭含量均远高于轧制油。

大量杂油的侵入必然造成乳化液中的灰分、残炭增加，影响清洁度。

杂油侵入还会造成润滑不良，产生更大量的铁粉，使乳化液呈灰色，稳定性差，是影响带钢表面清洁度的主要因素。

油膜轴承油粘度大，也具有破乳特性，它的侵入增大了乳化液的颗粒度，同时由于粘度大，易在板面上附着。

液压油不含表面活性剂，其组分主要是粘度与轧制油较接近的矿物油，所含灰分也较少，故一般认为乳化液中可以包容15%左右的液压油而不至于造成太大的影响。

杂油的侵入量可以通过皂化值来判断。

当皂化值下降较快时，就应怀疑有杂油漏入。

此时应加强撇除浮油，开启磁性过滤器除去铁粉及所吸的油。

若泄漏量较大时，应考虑乳化液部分排放甚至全部排放后重新配制。

4、乳化液温度
温度在工艺润滑中具有举足轻重的地位，乳化液温度必须严格控制在工艺要求范围内，温度过高或过低都不利于润滑和清洁度的保持。

温度过低有利于细菌繁殖，造成乳化液腐败，但较低的温度也不利于轧制油中的极压添加剂等成分发挥作用，从而影响润滑；温度过高则分子热运动加剧，乳化液颗粒度会逐渐增大，稳定性下降，老化过程加快。

辊面温度同样起着重要作用。

现场发现，刚换辊后轧制的带钢普遍较黑，而在轧制300 -400吨以后，辊面温度及状态均较为理想，带钢表面也亮起来。

对润滑油的有关理论普遍认为，变形区温度存在五最佳范围有利于轧制油润滑性能的发挥，冷辊刚上机时温度过低，影响润滑，故清洁度较低。

5、乳化液中氯离子含量
酸洗来料、厂房环境、水源都可能引起乳化液的污染，其中以酸洗来料和水带入的氯离子影响最大。

若乳化液中氯离子含量高，则会影响乳化液颗粒度，还会引起板面腐蚀，情况严重时还会造成乳化液破乳，故对酸洗来料表面状况和水质应严加控制。

6、乳化液PH值
若乳化液PH值过高，会引起乳化液颗粒度减小，乳化液过于稳定，造成润滑不良，从而影响带钢表面的清净性。

一般来说，系统的PH值在5-7范围内较为合适。

7、乳化液铁含量
一般情况下，乳化液中的铁粉含量高，其铁皂量必然增高。

乳化液中铁粉及铁皂量若不能降下来，则会随着乳化液一起重新进入供油区，当再次喷射到机架内时，易粘附在带钢表面，使带钢表面清净性下降。

8、乳化液箱体容量的大小
乳化液箱体容量的大小对带钢表面度也有较明显的影响。

在同等条件下，箱体的容积越大，对应的钢板表面度也较高。

对容量较大的乳化系统，乳化液从回流至箱中到重新输送至机架之间的相对静止时间较长，这可起到以下作用：
◆润滑成分在辊缝中的老化损失可以有相对长的时间进行补充，经强烈剪切作用而变小的乳化液颗粒平均直径大小能够得以恢复；
◆杂油等外来物质有相对较长的时间可以上浮；
◆铁粉、灰分、机械杂质等有时间沉淀，以保持乳化液的清洁。

在实际生产中，一般要求乳化液在箱体的停留时间在20-25分钟为宜。

9、乳化液颗粒度直径的大小
乳化液良好的颗粒度分布是实现良好润滑的基础。

颗粒度过大，则乳化液不稳定，油易析出；颗粒度过小，则乳化液过于稳定，油膜不易形成，造成润滑不足。

乳化液中的PH值、杂油、剪切作用、铁粉含量等因素均可影响颗粒度分布，进而影响润滑和清洁度。

新配制的乳化液颗粒度往往较大，需要1个班以上的连续运行才能够获得理想的颗粒度分布，在这之前轧出的带钢清洁度一般都不能让人满意。

在大量加油后，乳化液的颗粒度同样会有所增大，轧出的带钢表面残油量大，板面较黑。

采用泵前小流量的加油方式可减小一次大量加油对乳化液颗粒度的影响。

10、箱体中磁过滤器及撇油系统的状态及安装位置
箱体中磁过滤器的结构、运行及安装位置主要影响乳化液中的铁粉、铁皂和杂油含量。

磁过滤器的有效过滤面积越大越好，其运行速度越慢越好，这样有利于减少轧制油有效组分的带出量。

磁过滤器及撇油器的安装位置应处于相对静止的区域，有利于铁皂及杂质油的浮出。

四、结束语
冷轧轧制油的组成和相关性能对轧后及退火后带钢表面的清净性有极大的影响，主要体现在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指标上。

现场使用条件的改善是冷轧轧制油获得良好应用效果的保证。

聊城瑞捷化学有限公司专业生产合成酯类基础油、油性剂，三羟甲基丙烷油酸酯、季戊四醇油酸酯、油酸异辛酯、偏苯三酸酯、饱和多元醇酯、双季戊四醇酯等合成酯，欢迎国内外客户致电咨询洽谈业务。

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