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(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心,河北 秦皇島 066004)
退火后的平整軋制是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)薄板,確保冷軋帶鋼成品質(zhì)量的最后一道工序,它對于控制帶鋼延伸率,進(jìn)而控制板形以及表面狀態(tài)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(dāng)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(shè)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(shù)實現(xiàn)帶鋼延伸率的控制[5-11],但是在控制的同時工藝參數(shù)變化會導(dǎo)致帶鋼表面出現(xiàn)其他缺陷[12]。國內(nèi)外專家學(xué)者開展了平整過程缺陷、控制系統(tǒng)、工藝優(yōu)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(dá)標(biāo)、屈服平臺未消除等質(zhì)量缺陷,通過改善控制系統(tǒng)與彎輥力,有效降低了特有缺陷的發(fā)生量;干思權(quán)[14]等針對帶鋼厚度對延伸率的影響,提出延伸率閉環(huán)控制的3種調(diào)節(jié)方法:軋制力調(diào)節(jié)模式、張力調(diào)節(jié)模式以及軋制力+張力調(diào)節(jié)模式;白振華[15]等針對VC輥平整機濕平整軋制過程中的產(chǎn)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(guān)鍵軋制工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定技術(shù);計江[16]、李建強[17]、王海濤[18]通過在雙機架平整機組中應(yīng)用采用油氣潤滑技術(shù),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(shù),分析了平整液的品質(zhì)、流量、濃度、溫度等條件與摩擦系數(shù)之間一一對應(yīng)的關(guān)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(guān)系。
平整液的組成成分主要包括基礎(chǔ)油、水與添加劑,其中,水占比達(dá)到95%以上,基礎(chǔ)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(xù)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(qū)形成穩(wěn)定厚度的潤滑油膜,平整液進(jìn)入到平整變形區(qū)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(chǎn)生浸潤的效果。
平整液中的少量極性物質(zhì)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(fù)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(qū)通常處于如圖1所示的邊界潤滑狀態(tài)。
圖1 變形區(qū)邊界潤滑狀態(tài)
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(yè)乳化液、改進(jìn)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(shù)影響較大,無法維持穩(wěn)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。
為進(jìn)一步探究平整液工藝參數(shù)對帶鋼表面摩擦系數(shù)的影響,本實驗試樣選擇梅鋼冷軋連退平整機組生產(chǎn)的高溫料,其化學(xué)成分如表2所示。采用線切割設(shè)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(zhì)的為3 mm的摩球。在CMS TRB摩擦磨損設(shè)備進(jìn)行摩擦系數(shù)測量,設(shè)備自帶加熱功能,平整液流量通過噴霧泵與回收系統(tǒng)進(jìn)行控制,CMS TRB摩擦磨損設(shè)備參數(shù)如表3所示,平整液參數(shù)如表4所示。
表2 高溫料化學(xué)成分 %
表3 CMS TRB摩擦磨損設(shè)備參數(shù)
表4 平整液參數(shù)
圖2 CMS TRB摩擦磨損設(shè)備
根據(jù)表4平整液參數(shù),選定平整液濃度為4%,平整液溫度為25 ℃進(jìn)行平整液流量與摩擦系數(shù)關(guān)系影響趨勢分析,其結(jié)果如圖3所示。
圖3 平整液流量對摩擦系數(shù)的影響曲線
結(jié)合圖3與現(xiàn)場生產(chǎn)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(shù);另一方面改善了帶鋼平整過程中的冷卻效果,進(jìn)而提高潤滑油的動力粘度,從而降低摩擦系數(shù),但是隨著流量的增加,帶鋼與軋輥表面平整液達(dá)到飽和,摩擦系數(shù)將不會改變。
在上述實驗的基礎(chǔ)上為進(jìn)一步分析平整液濃度與摩擦系數(shù)關(guān)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(jié)果如圖4所示。
圖4 平整液濃度對摩擦系數(shù)的影響曲線
結(jié)合圖4與現(xiàn)場生產(chǎn)實際分析,當(dāng)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(xiàn)場生產(chǎn)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(qū)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(xù)增加,接觸區(qū)的摩擦系數(shù)會有所升高。
為進(jìn)一步分析平整液流量溫度與摩擦系數(shù)關(guān)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(jié)果如圖5所示。
圖5 平整液溫度對摩擦系數(shù)的影響曲線
根據(jù)圖5平整液溫度對摩擦系數(shù)的影響曲線,結(jié)合表1中平整液動力粘度與溫度關(guān)系可以看出,隨著溫度的升高使得平整液中極性物質(zhì)分子間的引力小于斥力,宏觀表現(xiàn)為平整液粘度的降低,粘度的降低,導(dǎo)致平整液潤滑能力的下降,從而引起摩擦系數(shù)的增加。
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(diào)整平整液的潤滑性所能達(dá)到的最小延伸率。對于雙機架平整機組而言,在相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上[20],根據(jù)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(shù)模型(式2),并結(jié)合已知工藝參數(shù)得出延伸率影響工藝模型(式3),在此基礎(chǔ)上根據(jù)雙機架平整機組總延伸率與工藝潤滑制度的關(guān)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(guān)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(shù)降低,延伸率增加;隨著平整液流量的增加,摩擦因數(shù)降低,延伸率增加;隨著平整液溫度的增加,摩擦因數(shù)增加,延伸率降低。工藝潤滑制度與最小延伸率的關(guān)系可由式(6)表示。
εmin=f5(η0min,Cmin,Wmin,tmax)
(6)
根據(jù)冷軋連退平整機組的設(shè)備與高溫料生產(chǎn)工藝特點,結(jié)合平整軋制穩(wěn)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(shè)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(wěn)定性以及平整液的防銹能力,在此基礎(chǔ)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(shù)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(shù)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(wěn)定所需要的最小延伸率。
(1)分析了平整軋制過程中平整液的動力粘度與溫度、基礎(chǔ)油的濃度關(guān)系,確定了平整軋制過程中變形區(qū)潤滑狀態(tài)。
(2)研究了平整軋制過程中摩擦系數(shù)隨平整液流量、平整液濃度、平整液濃度的變化關(guān)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(guān)系,并提出了延伸率控制能力評估技術(shù)。