金属轧制设备与工艺润滑的挑战与创新

,孙建林sjl新材料技术研究院北京科技大学建龙集团2015，12，25,金属轧制设备与工艺润滑的挑战与创新,背景,2014年以来，中国经济告别过去30多年的高增长，经济发展进入新常态。伴随经济新常态，中国钢铁工业正面临“三低一高”的新常态：低增长、低价格、低效益、高压力。高压力，着重表现为环保和资金方面，其中环保治理保持高压力作用突出显现。2015年1月1日，新环保法开始实施，加大了对违法排放的处罚力度，钢铁企业须全面执行2012年环保部发布的8项与钢铁工业相关的污染物排放系列标准。如何实现冶金生产节能减排，资源利用效率最大化、污染物排放最小化、废物循环再利用，是钢铁企业降本增效，摆脱当前困境，进入可持续绿色发展通道亟需解决的关键科学和技术问题之一。在广泛调研的基础上，本文对当前新常态下钢铁企业的金属加工工艺与设备润滑的特点，轧制润滑技术的发展及面临的挑战与创新进行了深入的思考。,主要内容,1.轧制工艺润滑的作用FunctionoflubricationinrollingprocessA2.工艺润滑对轧制过程影响Effectoflubricationonrollingprocess3.热轧工艺润滑Lubricationinhotrolling4.润滑管理Lubricatingmanagement5.面临的挑战与技术创新ChallengesandInnovatinginrollinglubrication,1.轧制工艺润滑的作用,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战1.2轧制过程中摩擦的特点和作用1.3工艺润滑与节能减排,轧制工艺始于15世纪，16世纪开始轧制窄带，用来制作货币，据说最早的轧机草图是在DVLeonardo的记录中发现。1728年法国首先使用带孔型的轧辊。在约一百多年后才轧出较规则的金属棒材。1862年连轧机开始出现在英国的曼彻斯特。18世纪中期，开始热轧较宽钢板，而薄板热轧未采用润滑油。1892年在Teplite建成第一套带钢连轧机组。此时，还没有采用工艺润滑，不久轧制有色金属，同时轧制的厚度范围也扩大了,直到19世纪才开始使用合成润滑油涂抹轧辊进行润滑。润滑油通常是以矿物油（1860年以后才大量获得）和动、植物油为基础油。20世纪初铝板轧制过程中由于铝对轧辊的粘附以及表面质量的要求，促使轧制工艺润滑的发展，对矿物油也提出了更高的要求。为提高润滑效果，添加活性物质，与此同时，低速轧制窄带钢问世，用水冷却轧辊,但钢的热轧工艺润滑却到上世纪3040年代才出现。19351936年间，苏联最早在型钢轧机上用动物油（牛油、猪油）润滑轧辊。1968年美国大湖（GreatLake）分厂在热带轧机上采用工艺润滑。后来许多国家在板带、型材轧机上获得成功。我国始于1979年，在1700炉卷轧机上取得良好润滑效果。,镀锡钢板18世纪才改为轧制生产，由于镀锡板需求增加，促进了宽带冷轧机发展。由于润滑问题未解决使生产受到限制，直到1930年，由AJCostle建议，开始使用棕榈油作润滑剂获得优良效果，并一直沿用到今天。由于轧制速度不断提高，因而迫切要求解决轧辊的冷却问题，于是，出现了冷却性能良好的乳化液来润滑以代替纯油润滑。,润滑的历史回顾,1968年QAUAKER-CHEMICAL的热轧润滑油在美国National钢铁公司GREAT-LAKE分厂热连轧机组上应用并取得成功日本应用此项技术也有35年历史，国外板带钢热连轧机的精轧机组都已采用了工艺润滑技术。1980年开始太钢炉卷轧机、武钢1700mm热连轧机、宝钢2050mm热连轧机，随后鞍钢1780mm精轧机热轧生产线、珠钢CSP生产线、攀钢1450mm生产线、宝钢梅山钢铁热轧厂以及唐钢800mm热轧带钢等已使用了这一技术并取得了成功，获得了良好的经济效益。经过50多年的发展，轧制工艺润滑技术已经在钢铁生产领域获得广泛应用。,润滑的历史回顾,7,1节能减排和绿色生产的趋势据统计：冶金行业总能耗占全国总能耗的15%17%，而全国家庭总能耗只占10%左右。我国钢铁冶金行业的能耗总体水平与国际先进水平的差距超过了10%。且平均吨钢耗新水量高出国际先进水平2倍以上2技术发展与产品质量的需求钢铁大国向钢铁强国转变；金属加工过程自动化、连续化和高速化发展；高精尖薄产品逐年增多轧制产品板带比提高,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战,钢铁生产过程工艺流程长，设备多、复杂工况条件苛刻,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战,冶金企业各种机械设备众多，用油情况复杂，分为设备润滑和工艺润滑，每年要消耗数千吨润滑油，直接价值上亿元。现代化钢铁联合企业每年消耗的润滑油种大致为:齿轮油20%;轴承油20%;液压油20%;工艺油33%;其余油品7%。,9,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战,由于润滑油在使用过程中的维护管理普遍存在问题，导致企业存在过度润滑（油品浪费）和润滑不当（设备磨损）。这主要表现在：（1）设备与工艺用油的选型优化问题，许多企业没有规范的用油管理，没有科学的选油方法，导致用油牌号众多，造成用错油、乱用油的现象，导致设备故障和油品浪费；（2）工艺润滑未受到应有的重视，或使用效果不佳，影响到应用效果和积极效益，例如热轧润滑油耗高。（3）设备存在用油污染严重，导致润滑油易劣化变质，影响润滑效果，使得不少优质润滑油使用周期短，浪费严重；（4）设备润滑系统维护重视不够，润滑故障缺乏深入分析，例如影响冶金设备润滑效果的除了润滑油脂自身的质量外，还受设备温度、水分、粉尘等因素影响，冷却循环系统、各种滤器的质量及日常维护都直接影响冶金设备的正常润滑。（5）企业设备管理人员润滑知识匮乏、相关润滑管理制度滞后，一方面存在设备润滑不良，导致设备异常磨损现象，另一方面也存在设备过度润滑，导致油品浪费现象。,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战,摩擦损耗造成润滑油（脂）消耗费用大，据2003年调查统计，钢铁工业每万吨钢需润滑油（脂）8吨左右，其中国外油脂占实际消耗量的21.2%;轧辊辊耗高，国内冶金行业的辊耗平均为2.46kg/t，是发达国家的两倍多金属加工油液消耗量大（轧制、挤压、切削、拉拔）；金属加工油液的生产管理较为混乱无序。,11,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战,我国在油品循环再利用方面与国际先进水平存在较大差距。资料表明，近些年欧美等国家每年的油品循环量占使用量的2135%，而我国仅占413%，并且目前废油再生所采用的工艺效率低、能耗高或不能满足环保要求。例如建龙集团润滑油脂消耗占总油品消耗的43%以上，润滑油脂的损耗率在2040%之间，循环再利用也较低。大量的废油品不仅存在污染环境隐患，也影响企业降本增效。因此，我国在油品循环再生方面还有很大的潜力可挖,表32010年我国钢铁联合企业工艺油消耗量,12,1.1钢铁企业设备与工艺润滑现状与挑战,1.2轧制过程中摩擦的特点和作用,乔斯特报告估计：应用当年现有的摩擦学知识，在英国通过摩擦学实践，减少不必要的摩擦磨损，减少有关设备故障和能源消耗等，一年可节约约5.15亿英镑，相当于当年英国国民总产值的1.1%左右。同样，美国能源部确认，摩擦磨损导致的能源损失使美国经济每年损失达160亿美元，占美国能源总消耗的11%，或国民生产总产值的1.1%。,1986年中国机械工程学会在一份调查报告中指出：通过摩擦学研究和实践节约的消耗费用为我国国民生产总产值的1.8%，而所投入的研究和开发费用却很低，即煤炭工业为1:40；冶金工业为1:76。另外报告认为：全部节约的20%利用现有的知识即可获得，也就是说不需要任何投资。,未润滑辊面润滑辊面,钢铁生产过程能耗(最先进水平,不含烧结和焦化):炼铁:91%炼钢:1%热轧:5%冷轧:3%,应用轧制工艺润滑技术:节能降耗与生产效率直接收益:5060亿/年产品质量与成材率提高收益:5060亿/年装置与润滑剂支出:10亿/年,1.2轧制过程中摩擦的特点和作用,轧制工艺润滑的作用鉴于摩擦磨损对轧制过程的影响，采用轧制工艺润滑可以有效地降低和控制轧制过程中的摩擦磨损，进而达到以下目的：降低轧制过程的力能参数（轧制力、轧制力矩、主电机功率）提高轧机轧制能力，可实现低温、大压下轧制；实现高速轧制；提高轧辊使用寿命；提高轧制作业率；减少轧件的不均匀变形；减少轧制过程氧化生成数量，防止氧化铁皮的压入;改善轧后制品质量（板形控制、尺寸精度、表面粗糙度与清洁性等）,1.2轧制过程中摩擦的特点和作用,表1热轧和冷轧工艺过程轧制工艺润滑作用效果统计,1.2轧制过程中摩擦的特点和作用,1-原始辊面；2-润滑辊面；3-无润滑辊面,1.2轧制过程中摩擦的特点和作用,除此之外采用工艺润滑还可使轧件在物理和冶金特征性上发生如下变化：控制和改善晶粒组织；减低屈服点、极限拉伸强度和缺口强度；提高塑性应变比r值，提高延伸率；控制轧制织构形成，提高板带深冲性能,1.2轧制过程中摩擦的特点和作用,（1）减少轧制过程能耗2008年我国重点钢铁企业大型轧机工序能耗为69.52kgce/T，平均轧机工序能耗可达80100kgce/T，而轧制摩擦能耗一般占轧制能耗总量的30以上，若采用工艺润滑，轧制吨能耗可降低10%20%。2008年中国钢产量5.0亿吨，钢铁生产板带比按50%计算，粗略估计每年可节约100万吨150万吨标准煤。,（2）减少金属损失采用轧制工艺润滑可以减少热轧过程中氧化铁皮厚度15%20%，进而降低金属损耗15%20%，相当于节约金属消耗1kg/T。按2008年钢铁产量与板带比计算，相当增加2500万吨热轧材，同时，轧制产品表面质量的提高，表面缺陷率降低30%50%，相当提高成材率0.5%1.0%。,（3）节水由于热轧过程中氧化铁皮厚度的减少，得使高压水除鳞用水水压减少，同时轧辊循环冷却水的利用率进一步提高，而冷轧时由于能够有效地减少轧制变形区的摩擦，使得轧辊表面温升得到控制，轧辊冷却水用量也随之减少。,（4）酸液使用减少热轧氧化皮厚度的降少，酸洗过程中酸洗速度可以相应提高10%40%，酸液消耗降低10%20%，若按酸洗机组每吨钢酸耗35kg计算，可降低酸耗0.31.0kg/T。这样可以降低酸洗对空气的污染。,1.3工艺润滑与节能减排,1.清洁生产,清洁生产是一种全新的生产发展模式，它借助于各种相关理论和技术，在产品的整个生产周期的各个环节采取“预防”措施，将生产技术、生产过程、经营管理等环节有机结合起来，并优化运行方式，从而实现资源和能源使用最小、对环境影响最小的、管理模式最佳以及最优化的经济发展水平。,1.3工艺润滑与节能减排,对金属加工润滑而言，首先要求产品的原材料及生产、管理等本身符合“清洁生产”的前提，而在使用过程中，则要全盘考虑到生产工艺、生产操作和管理、直接废弃物的回收利用。总之，要将相关的环境因素都纳入整个过程中去。这与以往的废水末端处理是完全不同的概念。,清洁生产最终的目的是实现“节能、降耗、减污、增效”。其包括清洁生产过程、清洁产品和服务三个方面。对生产过程：要求节约原材料和能源，淘汰有毒原料，减少所有废弃物的数量和毒性；对产品：要求减少从原料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务：要求将环境因素纳入设计和所提供的服务。所谓清洁生产主要是1.用无污染、少污染的产品替代毒性大、污染重的产品；2.用无污染、少污染的能源和原材料替代毒性大、污染重的能源和原材料3.用消耗少、效率高、无污染、少污染的工艺和设备替代消耗高、效率低、产污量大、污染重的工艺和设备；4.最大限度地利用能源和原材料，实现物料最大限度的厂内循环；5.强化组织管理，减少跑、冒、滴、漏和物料流失；6.对必须排放的污染物，采用低费用、高能效的净化处理设备和“三废”综合利用措施进行最终的处理和处置。,1.3工艺润滑与节能减排,2.环境友好润滑剂,目前对环境友好润滑剂国际上并无统一标准，但各个国家都开始着手指定自己的环境友好润滑剂德规定或标准，其中德国对800多个润滑剂制造商的91个品种，4200个产品提出可生物降解要求。瑞典通过SS155434标准，以SP列表为产品提供了环境运行数据，并对其进行控制和评估的标准。欧盟对金属加工液亦作了规定，如禁止使用甲醛、酚及其衍生物，禁止使用氯乙酰胺、氯酚及其衍生物以及含锌的添加剂。钡含量小于0.1%。亚硝酸钠含量小于5g/g，硼酸及其衍生物最多量为8%。另外，国外许多公司已经开始生产环境友好润滑剂产品，如Mobil、Shell、Fuchs、Bp、Texaco等品牌公司。环境友好润滑剂在2006年以后，每年将以增加15%的趋势上升。,1.3工艺润滑与节能减排,基础油的生物降解性高于60%70%；没有水污染、无氯、低毒；添加剂无致癌物、无致基因诱变、畸变物，不含氯和亚硝酸盐、不含金属（钙除外）；最大允许使用7%具有潜在可生物降解性添加剂（按OECO302B法生物降解大于20%）；添加剂应对水生系统低毒，不一定具备生物降解性；可添加2%不可生物降解的添加剂，但必须是低毒的；可生物降解类添加剂其添加量不受限制；产品不可危害人体健康。,综合各国对可生物降解润滑剂的基本要求是：,1.3工艺润滑与节能减排,尤其是金属加工润滑剂多在开放空间使用，而且是在高温、高压、高水的环境中，润滑剂的泄露、蒸发对环境容易造成破坏。例如：在矿物油型加工用油中，含S、P、Cl的极压剂也影响环境。氯化石蜡即为毒性、致癌物质，含氯废物只有靠焚烧才能排放。在不完全燃烧时，可能形成联苯基氯等毒性物。为此在轧制润滑剂的生产中要尽量选择容易生物降解的基础油和添加剂，表5-9列举了一些常用的基础油和添加剂的生物降解性能,1.3工艺润滑与节能减排,1.3工艺润滑与节能减排,3.环境保护,1.3工艺润滑与节能减排,随着人们环境保护意识增加，轧制过程清洁化生产的呼声越来越高。虽然轧制工艺润滑在降低力能消耗、减少电耗、降低酸液消耗和提高成品率等方面对清洁生产和环境保护起到积极作用，但同时也带来一些对环境的负面影响，如润滑剂毒性、油烟、废液等。而且这些负面影响必须引起高度重视，否则就会阻碍轧制工艺润滑技术的应用。,润滑剂的毒性与防护由于轧制润滑剂是由有机和无机化合物组成，特别是添加剂如抗氧剂、防腐杀菌剂、极压剂等可能会对人身健康造成一些危害，由于每个人对润滑剂中的一些化学成分敏感性不同，因此对引起的症状也不尽相同。一般对于长期接触轧制工艺润滑剂的人，可能引起下列疾病：接触性皮炎。水、溶剂、乳化剂、洗涤剂都可能使皮肤脱脂，导致干裂，引发接触性皮炎。尤其是一些乳化液呈现弱碱性，若人手长期接触可能造成皮炎。另外如果皮肤被润滑剂中的金属碎屑划伤也可能引发皮炎。毛囊炎。如果长期接触轧制油皮肤上的毛孔就会被油分堵塞，进而使皮肤长出黑头粉刺导致发炎。皮肤表面的细菌也能引起毛囊炎，特别是在手背、小臂和脸部容易出现症状。肿瘤。医学上怀疑芳烃，特别是稠环芳烃可能引起皮肤角质层鳞状化，进而导致良性或恶性肿瘤发生。但是现在一般都对轧制油中芳烃含量作了限制，如美国食品与药品管理局（FDA）对轧制食品与药品包装用铝箔轧制油中芳烃含量限制小于1%。,1.3工艺润滑与节能减排,润滑剂对水生环境毒性的影响，可参照德国水污染分类WGK（WassergeGahrdungKlasse）进行。其水污染分类的规定是以水污染数值WEN为基础的，而WEN值是从大量试验基础上或从配方的推算中得出。润滑剂的毒性包括对哺乳动物、鱼类和细菌三部分构成。对哺乳动物的毒性（AOMT）为基础的WEN致死量见表9-14，水污染分类与润滑剂污染评价见表9-15。,表9-14WEN的致死量,1.3工艺润滑与节能减排,表9-15水污染分类与润滑剂污染评价,1.3工艺润滑与节能减排,目前无论是热轧机还是冷轧机，轧机上方都有抽油烟换气设备及时把轧制油油烟排出。轧制油除了气味外一般不会对人身造成伤害。值得注意的是在热轧润滑中残留在轧件表面的轧制油可能会逐渐热分解生产有害物质，而此时已远离轧机，通风不畅造成新的污染。因此加强车间内的换气通风，控制一些物质在空气中的饱和浓度低于表9-16中的规定。,另外，虽然轧机操作人员不与轧制润滑剂直接接触，但是在轧制过程中高温条件下润滑剂会大量挥发、热分解或燃烧，使得车间内空气中的各种杂质含量和气味增加。当混有大量轧制油蒸汽的空气进入人体呼吸系统和血液时，可能会引起较严重的头痛和痉挛现象，甚至发生中毒。这重要是由于矿物油中挥发的碳氢化合物和氧、硫、氮等非烃类化合物所致。,1.3工艺润滑与节能减排,表6一些物质允许的饱和浓度,1.3工艺润滑与节能减排,2.工艺润滑对轧制过程的影响,2.1轧制工艺过程的摩擦学系统2.2对轧制过程的影响2.3对轧辊的影响,2.1轧制工艺过程的摩擦学系统,可以把轧制过程视为一个由轧辊、工艺润滑剂与轧件组成的摩擦学系统。在该系统内通过摩擦学各要素之间相互作用，相互影响，但最终目的是满足轧制工艺的需要。该系统之间的相互关系见图。,具体到轧制过程，工艺润滑对轧辊、轧件及轧制工艺的影响见表1-2。当然，对于不同的轧机、轧制工艺及轧制不同的产品品种，轧制工艺润滑作用效果也是不同的。,2.1轧制工艺过程的摩擦学系统,轧制过程摩擦的特点,图7-6滑动摩擦条件下摩擦系数对轧制压力的影响。,2.2对轧制工艺过程的影响,最小可轧厚度板带材最小可轧厚度一般使指在轧制条件一定，即在轧辊直径、张力和摩擦系数等条件不变的情况下，由于轧辊的弹性压扁量达到了比较大的程度，无论如何再调小辊缝都不可能把轧件压薄，这个极限厚度被称为最小可轧厚度。根据Stone平均单位压力公式可以导出轧辊弹性压扁时的最小可轧厚度计算公式，即,2.2对轧制工艺过程的影响,图1不同润滑条件热轧制道次与轧件厚度的关系,轧制过程的磨损,粘附磨损、磨粒磨损与疲劳磨损在轧制过程磨损中起主要作用。粘附磨损主要是在轧制粘附性强的金属，如不锈钢、钛、铝及其合金等极易发生粘附，结果造成轧件表面出现啄印（Pick-up），更严重者轧辊粘附金属后，粘附物在轧制过程中被重新被压入轧件表面形成新的表面缺陷，或者硬化后在轧辊上形成“结疤”，划伤轧件表面，或在轧件表面形成压痕。轧辊及轧件表面上一些硬的凸起物、氧化皮脱落等也易引起磨粒磨损。如果轧辊上的“结疤”脱落，则在辊缝间形成磨粒产生磨粒磨损。特别是轧制有色金属时磨粒磨损占主导地位。而热轧板带钢时，氧化皮的脱落在辊缝间形成的磨粒造成板面出现麻点。轧辊报废的主要原因是剥落，剥落是疲劳效应的结果。有时剥落层很深，致使轧辊表面硬化层只留下很少的一层。由局部磨损而产生的应力不均匀分布、氧化层过厚引起的龟裂、研磨裂纹以及轧辊上的残余应力都是导致剥落的原因。,2.3对轧辊磨损的影响,表2-2热粗轧、精轧的工作辊负荷和磨损情况统计,2.3对轧辊磨损的影响,影响轧辊磨损的因素（1）轧辊的材质：这主要表现在轧辊硬度与磨损的关系上，硬度大的磨损小，硬度小的磨损大。中厚板轧机的轧辊肖氏硬度应大于五十八，硬度落差不大于5HS。（2）轧件的化学成分：随着钢中的含碳量及合金元素的增加，轧件的塑性变低，变形抗力增大，造成轧辊磨损增大。（3）轧件的温度：轧件的变形温度高，塑性好，易于变形，轧辊磨损小，轧件温度低，变形抗力大，轧辊磨损大，开轧温度不得低于1050。（4）轧辊与轧件表面状态：轧辊与轧件表面粗糙，轧辊磨损大。（5）压下量的大小，轧制时压下量大，轧辊磨损大，压下量小、轧辊磨损小。因此，规定轧制钢锭时，纵轧三道次压下量不得超过60mm，其他道次最大压下量不得超过40mm。（6）轧辊冷却：轧制时轧辊受到交替冷热的作用，在表面产生了网状裂纹，若冷却不当，会加剧裂纹的扩展、延伸；另外，由于轧辊冷却水水质过滤不佳，杂质或沉积物堵塞了冷却水管路和喷嘴，水量减小，如未及时处理，轧辊得不到及时冷却，其表面温度升高，硬度降低，耐磨性降低造成磨损加速。,2.3对轧辊磨损的影响,图2-8热轧带钢过程中轧制参数对轧辊疲劳磨损和磨粒磨损的影响。1-轧件温度；2-轧制力；3-轧件硬度；4-轧制速度；5-轧制接触时间,2.3对轧辊磨损的影响,41,未润滑辊面润滑辊面,CSP钢热轧工艺润滑技术,F1和成品F6机架没有投入润滑，F2F5机架生产中都在使用轧制润滑，轧制力最大降幅达到40%，轧制力降幅在30%左右时轧制较稳定；,2.3对轧辊磨损的影响,3.热轧工艺润滑及应用,3.1热轧工艺润滑机理3.2热轧润滑油3.3热轧工艺润滑效果3.4热轧工艺润滑实例3.5CSP热轧工艺润滑3.6炉卷热轧工艺润滑3.7轧机润滑故障的表现形式,热轧润滑,热轧工艺润滑的效果和影响,热轧工艺润滑特点,43,北京科技大学博士生论文答辩,3.1热轧工艺润滑机理,44,3.1热轧工艺润滑机理(热轧润滑剂状态),润滑油被燃烧，燃烧残留物主要是残炭，使轧辊与金属表面隔开；热轧油在变形区高温、高压下急剧气化和分解，形成高温、高压的气垫，将金属与轧辊表面隔开，起到润滑作用；轧制油保持原来的状态，以油膜的形式均匀地覆盖在轧辊与轧件的接触弧上以流体形式通过变形区。,工作辊温度分布情况,热轧变形区分析：,汽化燃烧区示意图,45,北京科技大学博士生论文答辩,轧辊经过变形区时间为,北京科技大学博士生论文答辩,45,轧辊经过汽化燃烧区的时间为,3.1热轧工艺润滑机理,各机架轧辊在汽化燃烧区和变形区停留时间,46,北京科技大学博士生论文答辩,46,CSP线各机架轧辊在汽化燃烧区和变形区停留时间,3.1热轧工艺润滑机理,根据以上的计算分析结果可知：无论在热轧变形区入口，还是在变形区，油水混合液都来不及燃烧，其润滑状态仍为传统的液态润滑状态。,工艺润滑剂基本功能,控制摩擦；减少磨损；降低成形过程力能参数；改善成形制品表面质量；隔热性；冷却性；化学稳定性性；不同工况的适应性；使用方便与可控制性；10使用安全性；11残留物易清除；12符合环保要求,这里特别需要指出的是近年来对工艺润滑剂的环保要求越来越高，其中对润滑剂的环保要求包括（10）、（11）和（12）三个方面内容。,3.2热轧润滑油,由于现有热轧机组都用水进行冷却，但事先没有设计供油系统，所以尽管热轧油有水基和油基两种形式，但水基热轧油使用条件复杂，同时又不便废水处理，所以目前大部分采用油基热轧油。油基热轧油的组成见表4-2，主要性能见表4-3。,3.2热轧润滑油,3.2热轧润滑油,3.3热轧工艺润滑效果,不同润滑条件下热轧Q235B钢各道次轧制力与轧制力降低百分率,3.3热轧工艺润滑效果,可见1号样和2号样钢板颜色显红色，氧化现象严重，表面氧化物以Fe3O4和Fe2O3，冷却后触摸粗糙感明显。3号样和4号样钢板颜色发蓝，氧化不明显，表面光洁度较好，触摸感觉较平滑，其表面光亮，对光线有一定程度的镜面发射，可见表面粗糙度较小。,热轧润滑对Q235B板带钢表面质量的影响,3.3热轧工艺润滑效果,53,热轧润滑与终轧板带钢宏观形貌及表面轮廓的关系,53,干摩擦热轧条件终轧板带钢垂直轧制方向表面轮廓,纯水冷却热轧条件终轧板带钢垂直轧制方向表面轮廓,热轧油使用浓度0.5时终轧板带钢垂直轧制方向表面轮廓,热轧油使用浓度2时终轧板带钢垂直轧制方向表面轮廓,3.3热轧工艺润滑效果,图5.2压下率为37.8%时不同润滑条件下的钢板表面形貌,（无润滑）（水）（热轧油）,3.3热轧工艺润滑效果,55,热轧润滑与终轧板带钢微观形貌及氧化层厚度的关系,55,干摩擦轧制时终轧Q235B板带钢的氧化层厚度,纯水冷却轧制时终轧Q235B板带钢的氧化层厚度,热轧油使用浓度0.5时终轧Q235B板带钢的氧化层厚度,热轧油使用浓度2时终轧Q235B板带钢的氧化层厚度,3.3热轧工艺润滑效果,56,热轧润滑与Q235B板带钢酸洗后表面质量的影响关系,56,干摩擦轧制时终轧Q235B板带钢酸洗后表面质量,纯水冷却轧制时终轧Q235B板带钢酸洗后表面质量,热轧油使用浓度0.5时终轧Q235B板带钢酸洗后表面质量,热轧油使用浓度2时终轧Q235B板带钢酸洗后表面质量,3.3热轧工艺润滑效果,无润滑和润滑轧制GCr15钢板表面颜色比较,3.3热轧工艺润滑效果,在油水混合液润滑条件下，轧制后的钢板表面氧化层厚度大致在47m左右。比无润滑平均减薄7m左右，比有水条件下的氧化层厚度平均减薄3m左右。,热轧润滑对轧制力与表面质量的影响,工艺润滑可有效降低轧制力。工艺润滑对中厚板粗轧阶段轧制力降低贡献比精轧阶段更明显。可以更好地利用工艺润滑提高粗轧阶段压下率，促进再结晶，以消除混晶。工艺润滑可有效地改善钢板的表面质量。,58,3.3热轧工艺润滑效果,热轧润滑对轧后表面组织的影响,表面,表面处断面,中心,钢板中心部位组织基本相同，都是基本为贝氏体的组织,在接近钢板表面处，随着热轧油浓度增大，表面处铁素体量增多，贝氏体量减少，热轧油浓度为0.01kg/L时表面处大部分都为铁素体组织，且组织较为均匀。这是热轧油的冷却和减摩共同作用的效果。,浓度0.01kg/L,浓度210-3kg/L,无润滑,未加润滑时，组织沿轧向呈带状分布，组织大小不均匀；热轧油浓度为210-3kg/L时，表面处带状组织基本消失，但组织大小不均；热轧油浓度为0.01kg/L时，带状组织彻底消失，表面处组织均匀细小，组织状态非常理想。,59,举例:热轧薄宽带板形问题上、下轧辊润滑效果相同;宽度方向均匀供油;供油，停油迅速;,3.3热轧工艺润滑效果,3.4热轧工艺润滑应用实例,(1)主要工序,（2）热轧油热轧油选用高级脂肪酸的醇脂(如季戊四醇四癸酸酯)和矿物油组成合成油。（3）供油方式使用油水混合喷的供油方法，即：将轧制油中途加入配合管，使油水混合，将乳化后的油用喷嘴向轧辊表面喷射。一般来说，当油与水混合时，油的浓度为0.1%0.8%左右。热轧油供油方式见图1。热精轧机组热轧油供油装置技术参数表1,3.4热轧工艺润滑应用实例,3.4热轧工艺润滑应用实例,表3-3油水控制参数,喷油量少(100150克/吨钢)，而且易调节浓度，稳定性好供油，停油迅速。宽度方向均匀供油。上、下轧辊润滑效果相同。由于喷油量少而且燃烧充分，水中油残留少。对水处理系统无特别要求也无需进行额外处理。,3.4热轧工艺润滑应用实例,（4）工艺润滑效果应用热轧油，降低了变形区内的摩擦系数，使轧制压力比未用轧制油降低8%15%左右，因此可加大压下量，容易轧制薄规格带钢。表2为工艺润滑前后轧辊磨损情况对比。,3.4热轧工艺润滑应用实例,3.4热轧工艺润滑应用实例,（5）热轧工艺润滑中应注意的问题润滑对咬入条件的影响轧钢时必须满足tan才能时轧件顺利咬入轧辊。在喷水情况下=0.20.3，最大咬入角为1217。应用轧制油后=0.12左右。咬入角仅为78。,3.4热轧工艺润滑应用实例,在板带轧制过程中，为保证板形，精轧机组的前几个架压下量较大,咬入角较大，没有富裕量，过剩的润滑易使咬入困难；而后几机架轧件较薄，压下量不大，咬入是没有困难的。表5.为某热轧厂用30mm的中间坯轧制2.3mm规格时精轧机组的轧制规程,表5.,图3.停供油时间示意图,由表5.看出如果对此品种使用轧制油，则F1、F2机架会造成带钢在穿带时咬入困难。为防止咬入时打滑，可行的办法是正确控制供油和停油时间来保证。经过延时Fi机架才开始供油。这样就避免了带钢咬入前喷射轧制油造成带钢咬入时打滑。由于轧辊上油膜的存在，易使轧件咬入打滑，因而在下一轧件咬入前，要保证轧辊上油膜在临界值以下或无油膜，有效的办法是轧制时，轧件的尾部进入Fi机架前停止供油，使轧件的尾部把轧辊上的油膜烧掉。如图3。,3.4热轧工艺润滑应用实例,对板厚的影响经验表明，板厚在1.8mm以上范围，并使用AGC系统控制板厚时，对钢板厚度无影响。在没有轧制油的头尾和用热轧油的中段仅相差5m左右。对板宽的影响机架间张力的变化，要引起板宽的波动，尤其对薄规格的带钢影响更大，在轧制油喷射或停止时，由于影响到轧制状态，因此造成张力的变化。所以，在减少轧辊磨损有效范围内，要尽量减少给油量，使张力控制在20%以下，这时对轧制薄规格带钢影响很小。轧制厚规格带钢时，热轧油对板宽影响不大。对操作环境的影响根据国内某厂统计平均每机架吨钢消耗轧制油分别为30克(F1F3)和15克(F4F7)，用量低并且绝大部分被燃烧掉，应用轧制油在废水中仅增加13ppm废油，而一般的机械液压油的漏损带来的废油在废水中的为2090ppm。所以，应用热轧油不会污染环境。,3.4热轧工艺润滑应用实例,CSP薄板坯连铸连轧是目前先进的板带钢生产技术之一，截至2009年，我国14条薄板坯连铸连轧生产线全部采用了热轧工艺润滑技术，总产能达到3750万吨。其热轧工艺润滑水平也具有广泛的代表性和先进性，,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（1）热轧工艺流程,以SMS-Demug年产200万吨CSP薄板坯连铸连轧为例，整条生产线配备有两机两流连铸机、两座辊底式加热炉、六机架连轧机、层流冷却装置、两台地下卷取机以及其他配套设施。其连铸拉速为2.8-6.0m/min，板坯宽度为850-1680mm，板坯厚度为50-70mm，板坯出炉温度为1050-115010，带钢厚度为1.0-12.7mm。6架轧机全部配备有独立的热轧工艺润滑系统，该系统采用油水管路直接混合法，具有独立的油水供给系统，轧制油和水按一定比例混合后喷射到带钢和轧辊的接触面，以达到润滑目的。其系统组成示意图见图1,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,(2)CSP热轧工艺润滑系统,图1热轧工艺润滑系统示意图,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,CSP生产线热轧工艺润滑系统可分为供油系统，供水系统和混合及喷射系统三部分。,5,2,3,4,1,（1）供油系统供油系统由以下部件组成：20m3油箱，螺杆泵,溢流阀，加热器，过滤器，流量分配，润滑油计量泵等组成,图8润滑油泵站1.润滑油箱，2.螺杆泵，3.溢流阀，4.加热器，5.过滤器,3.4CSP热轧工艺润滑应用实例,（2）供水系统水泵站由冷却水箱、水泵、过滤器和流量阀组成。冷却水由水泵水箱吸入水泵，经过滤器过滤后送入混合器与润滑油混合。由于该CSP热轧工艺润滑系统中油水混合比为0.2左右，所以供水系统的压力决定了轧机喷处的喷射压力。供水系统的输出压力为0.56MPa，据现场调研，由于系统内的压力损耗，最终轧机喷嘴处的压力约为0.3MPa。,（3）混合及喷射系统CSP生产线热轧工艺润滑装置的混合及喷射系统安装于轧机机架上，上下工作辊处各一套，分别负责上下两个工作辊的工艺润滑。该系统主要包括，静态混合器、电磁阀，气控阀、喷嘴等部件。润滑油经过电磁阀后和水分别通入静态混和器，由静态混合器混合后的乳化液进入气控阀组。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,每架轧机共有20个润滑油喷嘴，上下轧辊处各分布10个。上轧辊处热轧工艺润滑喷嘴的安装位置位于冷却水喷嘴的上方，远离轧件的一侧。在下轧辊处，为了保证有足够的润滑剂能够进入工作区，润滑油喷嘴安装于冷却水喷嘴与轧件之间的区域内。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,两种形式,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,刮水板、冷却水喷嘴和润滑油喷嘴均固定在一个悬臂上；当轧机更换轧辊时，液压缸缩回，带动悬臂以及其上的机构远离轧辊，以便于保护喷嘴不会在更换轧辊的过程中遭到损坏。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,两外侧喷油嘴的开闭由气控阀组控制。在进行热轧工艺润滑时，喷射位置为轧机入口侧工作辊中线附近。当润滑喷嘴喷射时，喷嘴下方轧机入口处的冷却水停止喷射以保证润滑油膜不被冷却水破坏，当喷嘴关闭时喷射冷却水对工作辊进行冷却。故工艺润滑时，工作辊在与支承辊接触后，轧件咬入后入口处工作辊面实际上是干的，有利于油水混合液中油滴的附着。而在未咬入轧件时工作辊表面有冷却水，辊面实际上不附着轧制油，这样有利于轧件的咬入,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（3）热轧油QUAKEROL-NHB-1053型润滑油,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,喷油量少(100克/吨钢)，而且易调节浓度，稳定性好供油，停油迅速。宽度方向均匀供油。上、下轧辊润滑效果相同。由于喷油量少而且燃烧充分，水中油残留少。对水处理系统无特别要求也无需进行额外处理。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,以CSP生产线为例，采用工艺润滑后其轧制力矩明显降低。CSP生产线热轧工艺润滑系统通过PC可编程控制器来控制供油系统的电磁阀动作，以实现“头尾不润滑”的润滑方式。F1机架和F6机架不进行润滑。在其余机架，轧件头部进入轧机时没有润滑，保证轧辊与轧件间适当的摩擦力，以使轧件咬入顺利，防止打滑。（轧制时必须满足tan才能使轧件顺利咬入轧辊）当轧件通过该轧机并被下一台轧机咬入后，即两台轧机间建立张力关系后前台轧机开始润滑。在轧件尾部，为了避免残余润滑油对轧件表面的污染，以及下一轧件咬入的影响，一般通过计算机控制在轧件尾端剩余5m左右没有进入轧机时，计算机控制轧机停止润滑油喷射，利用轧辊残余润滑油进行润滑。,（4）工艺润滑应用,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,CSP生产线生产2.751500mmQ235B钢板时F3机架处轧制力矩同润滑油喷射的即时曲线，生产该规格产品时仅有F2,F2机架喷射润滑油，设定喷油量为68ml/min,油水浓度为0.2%。在曲线中，曲线中段的轧制力矩明显低于曲线头尾处，曲线头部、曲线尾部与曲线中部相比高18%左右。两端轧制力矩较高区域正是没有润滑的区域，但曲线两端较高也有可能是由于轧件头部通过该轧机时没有建立张力关系，当下一轧机咬入后轧件上建立张力关系后，根据轧制公式，张力的提高也会造成轧制力及力矩的降低。忽略张力对曲线影响后可近似认为曲线的波动是由于热轧工艺润滑造成的，则可认为经过润滑后轧制力矩降低约18%。,（1）轧制力波动,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（2）降低轧辊磨损采用轧制润滑，可减小轧辊与轧件之间的摩擦系数，从而降低轧辊的磨损，下表列出了投用轧制润滑前后各机架轧辊磨损及磨削量的下降情况。投用时的轧制量为2147t，轧制公里数46.8km；未投用时的轧制量2064t，轧制公里数44.7km。平均磨损量、磨削量各下降32.1%、24.3%，辊耗总的平均下降率为27.7%。下图是在同一轧制单位下投用润滑油和不投用润滑油时轧辊辊面状况比较，由图中可看出，在喷油情况下，轧辊表面光亮，磨损轻微；在不喷油情况下，轧辊磨损严重，表面橘皮状痕严重。,3.4CSP热轧工艺润滑应用实例,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,85,CSP钢热轧工艺润滑技术,F1和成品F6机架没有投入润滑，F2F5机架生产中都在使用轧制润滑，轧制力最大降幅达到40%，轧制力降幅在30%左右时轧制较稳定；,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,使用热轧油的轧辊辊面状况对比,a)使用热轧油（一个轧制单位）,b)不使用热轧油（一个轧制单位）,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（4）改善带钢表面质量影响带钢表面质量的主要原因是在轧制过程中出现的氧化铁皮被压入带钢表面造成的，随着轧制的进行，轧辊表面逐渐磨损，轧辊越粗糙，氧化铁皮被压入的状况越严重。使用热轧工艺润滑减少了轧辊磨损和精轧机架工作辊氧化膜的剥落，防止氧化铁皮细孔的发生，氧化铁皮压入的表面缺陷减少25%，从而改善带钢表面质量，减少表面清理工作量30%。此外对冷轧料也缩短了下道工序的酸洗时间，减少了酸液的消耗和金属的损耗。同时，由于辊面条件的改善，使产品质量得到显著提高，废品率大大降低。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,从照片可以看出：无润滑条件下钢板表面有明显的凹凸感且麻点遍布于整个板面。随着润滑机架增多，润滑越来越充分，表面质量明显得到改善，当F2-F5都采用润滑后，表面麻点基本消失，板面平整光滑。,图8-5不同润滑工艺条件下钢板表面质量对比(a)无润滑;(b)F2-F3润滑;(c)F2-F5润滑,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,对酸洗后的样品到CambrigeS-360扫描电镜观察，从扫描照片可以看出：酸洗后钢板在无润滑情况下表面凹凸不平，有明显的麻点、不连续的点线状表面夹层、表面凹坑和表面孔洞等；F2F3采用热轧润滑后表面质量明显好于无润滑的情况，表面致密度明显增加，空洞与夹杂减少；F2F5都采用润滑的情况下钢板表面致密均匀，大尺寸的缺陷基本消失，这种表面质量对于冷轧产品的成材率及表面质量十分有利。,图8-6酸洗后不同润滑工艺下扫描照片对比(a)无润滑;(b)F2-F3润滑;(c)F2-F5润滑,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（4）力学性能对比采用热轧润滑对降低屈服强度的作用并不明显，但由于热轧润滑后晶粒更加均匀化，故延伸率有明显提高。从机理分析热轧润滑确实可以粗化晶粒，而且在其它企业得到很好的印证与应用，但该作用与热轧润滑油的种类用量等工艺条件密切相关，因此需要作进一步试验来寻求合适的工艺条件来使热轧润滑发挥最大的作用。,表8-3不同润滑工艺下的力学性能对比,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（5）轧制力降低采用轧制润滑后，降低了变形区的摩擦系数，使轧制压力比未用轧制油时要降低。下表列举了在轧制Q235A、成品规格为3.75mm1250mm时，不投润滑油与投用润滑油时各机架的轧制力。轧制力平均下降了13.96%，对各机架来说，轧制力越大，则投用后下降的幅度也就越大。F6轧机下降不多是因考虑到轧制稳定性及板形问题而减少了道次变形量，同时也减少了喷油量。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（6）能耗降低采用轧制润滑后，轧制力降低，轧机主电机电流相应降低，下表中列举了不投润滑油与投用润滑油时各机架的电流数据，平均下降率11.64%。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,3.6CSP热轧工艺润滑应用实例,（7）吨钢油耗量评价热轧工艺润滑系统的另一项指标是油耗。在不影响润滑效果的情况下，降低油耗就是降低成本。系统采用特殊设计的小孔径喷嘴，在达到预定润滑效果前提下，不同品种规格的实际油耗指标在6070g/t，在国内外同行业中领先。目前国内外热轧厂的油耗在120200g/t，单机架在1530g/t范围内，有些热轧厂油耗甚至达到300g/t。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,（8）综合经济效益1）不同钢厂润滑系统的效果、吨钢油耗量不尽相同。在润滑油消耗上，能节省一倍或更高的运行成本，一年中这部分节省的成本（年产100万吨）基本等同于系统造价。2）按生产线年产100万吨计，投资回收期为4个月；按年产200万吨计，投资回收期为2个月。,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,降低轧辊总消耗20-30%，如现辊耗按0.8kg/t，降低辊耗按25%，轧辊单价按25元/kg，年产量按200万吨计，则可节省0.80.2525元200万=1000万元降低电能消耗通常每架轧机吨钢电能单耗6KWh，节电按10%，电价按0.6元/KWh，共6架轧机用润滑，年产量按200万吨计，则可节省60.10.66元200万吨=432万元油耗吨钢油耗按80g，油单价按21元/kg，年产量按200万吨计，则消耗油价0.08200万t21元=336万元,具体经济效益分析如下,由上述可看出，使用润滑系统节约的电能能够抵消润滑油的消耗。年产量按200万吨，使用润滑系统年经济效益合计为1000万+432万336万=1096万元,3.5CSP热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机热轧不锈钢,以奥地利奥钢联公司的技术和工艺为例：炉卷轧机设计年生产不锈钢板带60万吨。主要装备有一座加热炉、高压水除鳞机、立辊轧机、粗轧机、炉卷精轧机、两座卷取炉、层流冷却装置、一台地下卷取机以及其他配套设施组成。,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机润滑装置的设计其润滑装置由国内厂家设计制造，斯图尔特公司提供润滑轧制油。采用的是工作辊润滑，当轧件小于1300mm时，中间的七个喷嘴起作用，当轧件大于1300mm时，九个喷嘴同时起润滑作用。炉卷轧机热轧工艺润滑油理化性能：,北京科技大学博士生论文答辩,100,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,马氏体不锈钢SUS410S的化学成分,为了研究炉卷轧机的润滑轧制效果，对马氏体不锈钢SUS410S钢种进行了轧制润滑实验，挑选的六个钢卷都是在连续稳定时间段生产的,实验钢种SUS410S精轧的轧制规程和润滑油的流量,101,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机轧制速度工艺特点分析,SUS410S钢种成品3.7mm规格的轧制速度,北京科技大学博士生论文答辩,102,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机轧制温度分析,板带头尾与本体的轧制温度差值大，轧件越薄板带头尾与本体的轧制温差越大。第一道次温差最小在30以内，第二、三道次温差在4060，第四、五道次温差达到了100120。,103,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,工艺润滑对炉卷轧机轧制过程参数的影响,板带头尾与本体的各道次轧制力波动较大。轧件越薄板带头尾与本体的轧制温差越大，板带头尾轧制力波动越大，造成轧件厚度波动较大、头尾板形难以控制，引起头尾轧制不稳定、事故率高。无论润滑油是否投入，总体上轧制力的变化趋势相同，润滑油的投入并没有使轧制力明显的降低,104,轧制SUS410S钢种第五道次的轧制力,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机的轧辊磨损与板形控制研究,轧制SUS304钢种轧辊的粗糙度,轧制SUS304钢种轧辊的磨损,北京科技大学博士生论文答辩,105,上辊粗糙度中间磨损大两边磨损小，磨损比较对称；下辊的粗糙度从轧辊操作侧(OS)向传动侧(DS)方向呈现逐渐减小的趋势，单辊役里上辊要比下辊平均磨损大。,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机的轧辊磨损与板形控制研究,SUS304钢种投入润滑前后轧辊的磨损比较,北京科技大学博士生论文答辩,106,在相同的轧制润滑条件下，大辊径的工作辊要比小辊径的更要耐磨，越靠近外层轧辊的热处理越充分，轧辊的硬度越高，耐磨性越好，润滑油的使用不能够改变和影响轧辊的硬度分布。采用润滑后上辊的磨损降低了29.8，下辊的磨损降低了30.9,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,炉卷轧机的轧辊磨损与板形控制研究,SUS430钢种润滑轧制的轧辊磨削和消耗,采用轧制润滑后轧辊的磨削量降低了17.1；辊耗能够降低22.8,北京科技大学博士生论文答辩,107,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,采用了不同流量润滑油轧制之后轧辊的磨损都有不同程度的降低，低流量润滑油对轧辊抗磨损能力还是较强的,北京科技大学博士生论文答辩,108,不同润滑油流量的轧辊磨损（轧制SUS410S）,3.6炉卷热轧工艺润滑应用实例,北京科技大学博士生论