鋁板帶軋制乳化液作用分析

段麗娟，賈 宇

目前，國內外的鋁板帶熱軋機多選擇單機架四輥可逆軋制或多機架四輥軋機連續(xù)軋制的方式。與鋼鐵軋制不同的是，鋁及鋁合金在軋制過程中，易發(fā)生輥面粘鋁現象，鋁粉先粘附在軋輥表面，在軋制過程中再粘附到鋁材表面上，使軋輥表面與軋制板材表面產生熱膠著等表面損傷，這些表面缺陷將影響后續(xù)鋁板帶深加工的表面質量。因此，軋制鋁及鋁合金時，必須使用乳化液作為工藝冷卻潤滑劑，其作用如下：

（1）防止粘輥，改善軋后板材表面質量。

（2）冷卻軋輥，控制輥形。

（3）降低摩擦力和軋制力。

（4）提高軋輥使用壽命。

（5）清洗軋輥。

1 乳化液的特性

該類乳化液由兩種互不相溶的液相組成，其中的一種液相以0.1～100 μm微小液滴形式均勻分布于另一種液相中形成兩相平衡體系。乳化液的組成主要是基礎油、水、乳化劑和各種添加劑等。在乳化液的兩相平衡體系中，含量少的稱為分散相，含量多的稱為連續(xù)相。若分散相是油，連續(xù)相是水，則形成O/W型乳化液，反之則形成W/O型乳化液。鋁板熱軋一般使用O/W型乳化液,其基本性能如下：

（1）無毒、無味，維護管理方便，使用周期長，并且破乳容易，排放達標，對環(huán)境無污染。

（2）對軋輥的洗滌作用強，軋后鋁粉分離性好，對軋輥及設備無腐蝕。

（3）具有良好的穩(wěn)定性和熱分離性。

乳化液的穩(wěn)定性主要是由穩(wěn)定性指數和乳粒的尺寸大小決定的。

乳化液是基礎油和水在高速攪拌下形成的乳狀液體，由于油和水是兩種互不相溶的液體，這種乳狀液體混合時不能形成穩(wěn)定的平衡體系，極易分離，需要在油水混合體系中加入表面活性劑，即乳化劑以后，才能形成相對穩(wěn)定的乳化液。乳化液的穩(wěn)定性指數是在熱力學上不安定的乳化液的安定性指標，數值越高，乳化液越穩(wěn)定。鋁板熱軋用乳化液的穩(wěn)定性指數一般在0.4～0.8之間，指數過高會影響乳化液的熱分離性，過低則會增加乳化液消耗量，嚴重者甚至會影響乳化液的正常使用。乳粒的尺寸越小，則乳液越穩(wěn)定。乳化液的乳粒尺寸取決于乳化體系的HLB值及乳化液循環(huán)系統(tǒng)的攪拌力和溫度等因素。隨著使用時間的增加，乳化液的粒徑逐漸粗化長大，乳化液的穩(wěn)定性也隨之下降。

在軋制過程中，乳化液被噴射到溫度很高的鋁板和軋輥上以后，其平衡狀態(tài)遭到破壞，油水迅速分離，隨著水分蒸發(fā)帶走了大量的熱量，對軋輥和鋁板起到冷卻的作用，剩下的水和油形成的反乳均勻地分散在金屬的表面上形成潤滑油膜，對軋制起到潤滑作用（見圖1）。

圖1 熱分離原理圖

熱分離過程越短的乳化液對軋輥的冷卻潤滑作用越強，反之越差。該過程與軋輥和軋件的溫度及乳液本身的性質有關。另外，基礎油的黏度、添加劑、乳化液中油滴的尺寸及分布、乳化液的使用時間等也都會影響乳化液的熱分離性。從濃度為8%的乳化液在軋輥不同溫度下的分離情況上可以看出，軋輥和軋件的溫度越高，乳化液的熱分離性就越好（見圖2）。從濃度為8%的標準乳化液和濃縮乳化液的對比中可以看出，在相同濃度下油滴大小均一，分布均勻的標準乳化液熱分離性好，能夠形成一層明顯的油膜，而油滴分布不均勻的乳化液油水分離不徹底，沒有形成明顯的油膜（見圖3）。而從新舊乳化液的對比中可以看出，使用一段時間后的乳化液乳液乳粒變大，在油滴水中分布不均，熱分離性下降，無法形成明顯的油膜（見圖4）。

圖2 熱分離性和溫度的關系

圖3 不同乳粒的乳化液熱分離性對比

圖4 新舊乳化液熱分離性對比

乳化液處于一種脆弱的油水平衡狀態(tài)，其穩(wěn)定性和熱分離性都是有條件限制的，溫度、水質、外界污染、生物行為等因素都能夠對其發(fā)生影響，乳化液的溫度最好應控制在40～60℃之間，如果低于40℃，容易滋生各種微生物，乳化液容易變質，導致乳化液的熱分離性變差，潤滑性能也隨之下降；隨著溫度升高，大多數微生物將被殺死，乳化液的熱分離性也逐漸變好，但當溫度高于75℃時，乳化液中的添加劑就會析出，反而會影響乳化液的穩(wěn)定性。在生產時，乳化液的溫度應控制在55～65℃之間，此時乳化液的穩(wěn)定性和熱分離性都較好；停機時乳化液的溫度應控制在40～50℃之間，既減少熱能損耗，又可以防止細菌的滋生。乳化液對水的PH值、電導率、硬度等都有明確要求，其中，PH值最好在6～8.5之間，電導率應低于50 μs/cm，硬度應在100～200 ppm之間，硬度過大的水不但會影響乳化液的穩(wěn)定性和防銹性能，還會加快細菌的繁殖。

2 乳化液的作用

（1）潤滑作用

乳化液在與高溫的鋁板和軋輥接觸時其穩(wěn)定的乳化狀態(tài)將被破壞，使油水發(fā)生分離，吸附在鋁板和軋輥表面的油滴鋪成油膜并進入軋制變形區(qū)起潤滑作用，減小軋輥表面粘鋁現象，此外，還能起到降低軋制力，減少能耗，降低軋輥的磨損，有利于板形控制，清潔帶材表面，提高成品質量等作用。皂化值是軋制潤滑劑潤滑性能的標志性指標，皂化值越高則潤滑性越好。此外，乳化液的潤滑性還受潤滑液離水展著性的制約，離水展著性是潤滑液游離油的能力，是乳化液中顆粒大小分布的一種宏觀表現，隨著乳化液穩(wěn)定性的提高，其離水展著性會有所降低。

（2）冷卻作用

乳化液受熱后平衡狀態(tài)將遭到破壞，油水迅速分離，水分蒸發(fā)帶走了大量的熱量以冷卻軋輥和鋁板，并且還能控制軋輥熱凸度，進而控制板形。

（3）洗滌作用

乳化液的洗滌作用包括對軋件表面和軋輥的清洗，在軋制過程中，軋輥表面粘附的鋁粉及在軋件表面殘留的各種油液，都將被乳化液帶走，提高軋后板材的表面質量。在提高乳化液的清洗能力的同時，乳化液的穩(wěn)定性也會提高，但乳化液的潤滑性則會有所降低。

3 乳化液性質與工藝性的關系

（1）乳化液的冷卻性和潤滑性與乳化液的濃度有關，乳液的濃度越高，潤滑性越好，但是冷卻性就越差，相反，如果乳化液的濃度過小，潤滑性下降（見圖5）。隨著濃度的增加，軋輥和帶材表面油的附著量增大，軋制時的摩擦系數、軋制壓力均呈下降趨勢，然而，乳化液的濃度過大，其冷卻性能就會變差；相反，如果乳化液濃度太小，乳化液對軋輥的粘附性將明顯變差。根據不同的軋制產品和軋制工藝，乳化液的使用濃度一般應在2%～10%之間，鋁板帶熱粗軋軋制時，一般用2%～5%的水包油乳化液，鋁板帶熱精軋或連續(xù)軋制時，一般用4%～10%的水包油乳化液。

圖5 乳化液冷卻潤滑規(guī)律

（2）乳化液的冷卻性和潤滑性還和乳粒的大小有關，乳化液的組成一定時，乳粒尺寸偏大的乳化液，油的附著量也大，因而潤滑性優(yōu)于冷卻性。對鋁材熱軋過程中常出現軋輥表面粘有鋁屑層來說，潤滑效果的好壞與鋁屑厚薄關系密切，因而軋鋁潤滑劑采用冷卻性能好的乳化液進行工藝潤滑時可以減少軋輥表面粘鋁現象。通常鋁及鋁合金熱粗軋采用細密型乳化液，平均粒徑小于2 μm，熱精軋采用粗散型乳化液，平均粒徑小于5 μm。

（3）通過控制乳化液的用量還可以保持或改變軋輥的熱凸度進而起到控制板形的作用，尤其是在軋制板厚＜1 mm的帶材時，乳化液對板形控制效果的作用更加明顯。在這里需要特別說明的是，軋輥的熱凸度是在軋制時由于鋁板本身的溫度、金屬的塑性變形熱和摩擦熱累積等傳導到軋輥上，使軋輥受熱膨脹產生凸度，軋輥中間部分由于散熱不足，產生的熱凸度較大。高速旋轉過程中的軋輥與乳化液之間將進行熱量交換，但這個過程主要集中在軋輥表層，在乳化液噴射到軋輥上的瞬間，軋輥表面的溫度迅速下降，相當于在軋輥表面形成了一層冷隔，將會阻礙進一步的熱量交換，所以不能只靠增大乳化液的噴射量控制軋輥的熱凸度。比如某鋼廠工作輥的乳化液采用噴射梁分段控制，在正常生產過程中根據板形情況，調控軋輥不同位置乳化液的噴淋量，再配合彎輥實現板形控制。

4 結語

總之，對濃度相同的乳化液來說，熱分離性越好，潤滑冷卻作用越強；而對于同一種乳化液來說，濃度較高者潤滑效果會更好。

[1]孫建林，軋制工藝潤滑原理技術與應用，北京：冶金工業(yè)出版社，2004，ISBN7-5021-3377-5.