極薄板軋制中上下表面均勻潤(rùn)滑控制技術(shù)的開發(fā)

李貴賓，李秀軍，石曉東，胡葆福

（1.寶鋼股份 冷軋薄板廠，上海 200431；2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

近年來，國內(nèi)食品包裝、制罐等行業(yè)發(fā)展迅速，因此對(duì)原材料極薄板的需求量大幅增加，同時(shí)對(duì)板材的質(zhì)量和產(chǎn)量提出了更高的要求［1，2］。二次冷軋是極薄板的主要生產(chǎn)方式，二次冷軋的典型特性是壓下率可達(dá)15%～40%，且主要集中在第一機(jī)架，一般采用直噴系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑。工藝潤(rùn)滑最重要的功能是減小軋制變形區(qū)接觸弧表面上的摩擦系數(shù)和摩擦力，降低總軋制壓力和能量消耗，增大道次壓下量和減小可軋厚度；同時(shí)減緩軋輥磨損，防止擦傷、改善板形和獲得良好的表面質(zhì)量。乳化液整體組成是基礎(chǔ)油和脫鹽水，一般按體積分?jǐn)?shù)2.0%～15.0%的基礎(chǔ)油配兌脫鹽水，外加適量的表面活性劑（潤(rùn)滑劑或彌散劑）形成的半穩(wěn)態(tài)潤(rùn)滑劑，呈油水兩相平衡體系。乳化液從噴嘴中高速噴出后，與鋼板表面撞擊，通過其離水展著性使油水發(fā)生分離，油滴附著在接觸表面上形成油膜。隨后，油膜被帶入變形前區(qū)而產(chǎn)生油楔效應(yīng)，這種油楔效應(yīng)使軋輥與軋件之間的流體壓力增加，平衡了外部載荷，降低了軋制總壓力和摩擦磨損。其中，軋制區(qū)摩擦系數(shù)大小主要決定于構(gòu)成潤(rùn)滑層的油膜厚度［3］。

在直噴系統(tǒng)中，一般通過同一條管路的分支分別向帶鋼上、下表面噴射乳化液。理論上，只要帶鋼上、下表面的乳化液流量相等就可實(shí)現(xiàn)均等潤(rùn)滑。實(shí)際上，當(dāng)乳化液噴淋到帶鋼下表面時(shí)，在重力作用下，一部分乳化液產(chǎn)生滴落和飛濺，這就導(dǎo)致帶鋼上、下表面所形成的油膜厚度不等，從而造成軋制過程中帶鋼上、下表面摩擦系數(shù)的差異，進(jìn)而引起軋制區(qū)域上、下表面不均勻變形，使帶鋼容易出現(xiàn)上、下翹等問題，同時(shí)軋制過程變得不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響冷軋產(chǎn)品質(zhì)量和正常工業(yè)生產(chǎn)，是現(xiàn)場(chǎng)亟待解決的問題之一。

1 帶鋼上下表面均勻潤(rùn)滑控制技術(shù)的開發(fā)

1.1 技術(shù)方案的選擇

以往實(shí)踐中，為了克服帶鋼下表面油膜厚度較上表面薄的問題，常規(guī)措施是適當(dāng)增加噴淋總流量，這樣下表面油膜厚度會(huì)增大，可部分緩解潤(rùn)滑不足問題。但同時(shí)上表面油膜厚度也會(huì)增加，上、下表面油膜厚度仍有一定差異，且流量過大也會(huì)加重乳化液飛濺，影響帶鋼表面質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)所用另一措施是調(diào)整噴淋架的位置，即縮短噴淋架與軋機(jī)中心的距離來減少滴落損失，而這樣做會(huì)減少乳化液在帶鋼表面的停留時(shí)間，從而降低乳化液的離水展著率，因此也不太可取。另外，也有在帶鋼的下表面再增加一排乳化液噴淋架，將乳化液噴射到下工作輥表面，希望對(duì)下表面流量進(jìn)行補(bǔ)償。但是，由于機(jī)架中增加了一排噴淋架，設(shè)備比較擁擠，維護(hù)困難，同時(shí)調(diào)整幅度有限。而現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)希望設(shè)備改造規(guī)模盡可能小，同時(shí)又方便調(diào)整。這樣，結(jié)合以上分析，本文在大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析基礎(chǔ)上，通過在上、下表面乳化液管路上分別增設(shè)流量閥的方法，實(shí)現(xiàn)上、下表面乳化液流量分別控制，并以上表面噴嘴DA的流量和到軋機(jī)中心距離為參照目標(biāo)，建立了綜合考慮乳化液滴落損失和離水展著率的下表面噴嘴DB到軋機(jī)中心距離的優(yōu)化計(jì)算模型，通過計(jì)算得到噴嘴DB最佳布置位置，隨后計(jì)算下表面噴嘴DB合適的噴淋流量。

1.2 具體技術(shù)方案

該方案由三個(gè)部分組成：①乳化液分支管路上流量閥的配置；②帶鋼下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DB到軋機(jī)中心的最優(yōu)距離的計(jì)算，該值計(jì)算確定后，不再隨帶鋼規(guī)格等變動(dòng)；③帶鋼下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DB流量的計(jì)算。

1.2.1 乳化液分支管路上流量閥的配置

此部分屬于硬件改造，針對(duì)原乳化液直噴系統(tǒng)中帶鋼上、下表面乳化液噴淋流量相同的問題，分別在其管路上增設(shè)流量閥，實(shí)現(xiàn)上、下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DA和DB的乳化液流量分別控制。改造前、后乳化液噴淋系統(tǒng)對(duì)比如圖1所示。

圖1 改造前、后乳化液噴淋系統(tǒng)

1.2.2 噴嘴DB到軋機(jī)中心最優(yōu)距離的計(jì)算

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，乳化液在帶鋼表面形成的油膜厚度ζk（n m）［4］為：

其中：k為帶鋼上、下表面編號(hào)，k＝1表示帶鋼上表面，k＝2表示帶鋼下表面；αk為帶鋼表面的乳化液離水展著率；βk為帶鋼表面的乳化液剩余率；Fk為帶鋼表面單位寬度上單位時(shí)間內(nèi)的乳化液流量，（m3·s－1）／m；C為乳化液濃度；vs為入口帶鋼速度，m／s。

帶鋼表面乳化液的離水展著率αk與噴淋架噴嘴到軋機(jī)中心的距離sk密切相關(guān)，其函數(shù)關(guān)系如下：其中：th表示雙曲正切函數(shù)；ak為模型系數(shù)，一般情況下，a1＝a2。

對(duì)于帶鋼上表面，由于乳化液沒有重力影響造成的損失，因此剩余率較高，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，帶鋼上表面乳化液剩余率β1約為80%～90%。對(duì)于帶鋼下表面，乳化液滴落損失后的剩余率β2也與噴嘴到軋機(jī)中心的距離s2有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系如下：

其中：γ為乳化液流失指數(shù)，γ取值范圍為0～1。圖2和圖3分別為αk和β2與噴嘴到軋機(jī)中心的距離的關(guān)系曲線。

圖2 αk與s k的關(guān)系曲線

圖3 β2與s 2的關(guān)系曲線

由式（2）、式（3）可以看出，隨著乳化液噴嘴DB到軋機(jī)中心距離s2的減小，帶鋼下表面乳化液的離水展著率α2逐漸減小，而乳化液的剩余率β2卻逐漸增大；由公式（1）帶鋼表面油膜厚度計(jì)算公式可以看出，對(duì)于帶鋼下表面噴嘴DB，油膜厚度ζ2大小與乳化液離水展著率α2和乳化液剩余率β2的乘積密切相關(guān)，在調(diào)整乳化液噴嘴DB到軋機(jī)中心距離s2時(shí)，以上兩個(gè)因素變化趨勢(shì)相反，因此可通過尋優(yōu)方法找到最佳的距離s2設(shè)定值，使乳化液離水展著率α2和乳化液剩余率β2的乘積最大。

距離s2的優(yōu)化計(jì)算方案如下：首先，收集帶鋼上表面對(duì)應(yīng)噴嘴DA到軋機(jī)中心的距離s1，給定帶鋼下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DB到軋機(jī)中心的距離s2的取值范圍及其調(diào)整步長(zhǎng)Δs2（其中，s2min＜s2＜s2max，s2min、s2max分別為考慮機(jī)組設(shè)備空間布置所允許的最小、最大距離，一般取s2min≤0.5s1、s2max≤1.5s1）；然后，令過程參數(shù)i＝0，噴嘴DB到軋機(jī)中心的距離初始調(diào)整值s20＝s2max，帶鋼下表面乳化液離水展著率α2和乳化液剩余率β2乘積的初值ω0＝0；隨后，分別計(jì)算帶鋼下表面乳化液的離水展著率α2i和剩余率β2i，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算兩者的乘積ωi＝α2i·β2i。判斷ωi＞ωi－1是否成立，若成立，則令帶鋼下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DB到軋機(jī)中心的最優(yōu)距離設(shè)定值s＊2＝s2i，i＝i＋1，然后重新計(jì)算s2i＝s2max－i·Δs2；若不成立，則令i＝i＋1，再計(jì)算s2i。具體計(jì)算流程如圖4所示。

1.2.3 帶鋼下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DB的噴淋流量計(jì)算

本技術(shù)方案的目的是使帶鋼上、下表面所形成的油膜厚度均等，即：

在噴嘴DA到軋機(jī)中心距離s1、乳化液剩余率β1和乳化液流量F1等條件已知的前提下，利用式（1）、式（2）、式（3）、式（4），并將最優(yōu)距離設(shè)定值s＊2代入計(jì)算，可得到下表面對(duì)應(yīng)噴嘴DB的噴淋流量F2，表達(dá)式為：

圖4 乳化液噴嘴DB到軋機(jī)中心距離優(yōu)化計(jì)算流程圖

2 帶鋼上下表面均勻潤(rùn)滑控制技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

國內(nèi)某冷軋廠二次冷軋機(jī)組為提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善潤(rùn)滑條件，特利用本文所述相關(guān)技術(shù)對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑設(shè)備進(jìn)行了一定程度改造，分別在帶鋼上、下表面對(duì)應(yīng)的乳化液管路上增設(shè)流量閥，并將下噴淋架到軋機(jī)中心距離由原0.74 m增加至優(yōu)化后的1.13 m，流量提高至0.51（m3·s－1）／m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，已完全投入使用，有效改善了因帶鋼下表面乳化液滴落損失而導(dǎo)致的潤(rùn)滑不足和上、下表面潤(rùn)滑特性差異等問題，同時(shí)，由于下噴淋架到軋機(jī)中心距離增大，減小了帶鋼下表面乳化液滴落和飛濺對(duì)軋制區(qū)域的影響，有效改善了帶鋼的軋制穩(wěn)定性和表面質(zhì)量，給企業(yè)創(chuàng)造了較大經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于極薄板軋制過程中帶鋼上、下表面潤(rùn)滑狀態(tài)的差異，本文在大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析基礎(chǔ)上，通過在上、下表面乳化液管路上分別增設(shè)流量閥的方法，實(shí)現(xiàn)上、下表面乳化液流量分別控制，并以上表面噴嘴的流量和到軋機(jī)中心距離為參照目標(biāo)，建立了綜合考慮乳化液滴落損失和離水展著率的下表面噴嘴到軋機(jī)中心距離的優(yōu)化計(jì)算模型，通過計(jì)算得到下表面噴嘴的最佳布置位置，隨后對(duì)其噴淋流量進(jìn)行了計(jì)算。

（2）該套技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，實(shí)際效果良好，帶鋼上下表面潤(rùn)滑效果均勻，有效改善了帶鋼的軋制穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］ 李秀軍.二次冷軋技術(shù)應(yīng)用研究［J］.寶鋼技術(shù)，2006（z1）：61－63.

［2］ 李秀軍.寶鋼1220二次冷軋機(jī)組極薄鍍錫板核心生產(chǎn)工藝的開發(fā)［J］.上海金屬，2007，29（5）：41－46.

［3］ 李秀軍.寶鋼二次冷軋（DCR）機(jī)組極薄產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)踐［C］.北京：中國金屬學(xué)會(huì)，2006：392－395.

［4］ Legrand N，Masson P，Amranne L，et al.Cold double reduction rolling f or packaging steels：towards a better lubrication control by emulsion ［J］. Revue de Métallur gie，2007，104（1）：43－50.