極薄板軋制中上下表面均勻潤滑控制技術的開發

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 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

近年來，國內食品包裝、制罐等行業發展迅速，因此對原材料極薄板的需求量大幅增加，同時對板材的質量和產量提出了更高的要求［1，2］。二次冷軋是極薄板的主要生產方式，二次冷軋的典型特性是壓下率可達15%～40%，且主要集中在第一機架，一般采用直噴系統進行潤滑。工藝潤滑最重要的功能是減小軋制變形區接觸弧表面上的摩擦系數和摩擦力，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；同時減緩軋輥磨損，防止擦傷、改善板形和獲得良好的表面質量。乳化液整體組成是基礎油和脫鹽水，一般按體積分數2.0%～15.0%的基礎油配兌脫鹽水，外加適量的表面活性劑（潤滑劑或彌散劑）形成的半穩態潤滑劑，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而產生油楔效應，這種油楔效應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，軋制區摩擦系數大小主要決定于構成潤滑層的油膜厚度［3］。

在直噴系統中，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現均等潤滑。實際上，當乳化液噴淋到帶鋼下表面時，在重力作用下，一部分乳化液產生滴落和飛濺，這就導致帶鋼上、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、下表面摩擦系數的差異，進而引起軋制區域上、下表面不均勻變形，使帶鋼容易出現上、下翹等問題，同時軋制過程變得不穩定，嚴重影響冷軋產品質量和正常工業生產，是現場亟待解決的問題之一。

1 帶鋼上下表面均勻潤滑控制技術的開發

1.1 技術方案的選擇

以往實踐中，為了克服帶鋼下表面油膜厚度較上表面薄的問題，常規措施是適當增加噴淋總流量，這樣下表面油膜厚度會增大，可部分緩解潤滑不足問題。但同時上表面油膜厚度也會增加，上、下表面油膜厚度仍有一定差異，且流量過大也會加重乳化液飛濺，影響帶鋼表面質量。現場所用另一措施是調整噴淋架的位置，即縮短噴淋架與軋機中心的距離來減少滴落損失，而這樣做會減少乳化液在帶鋼表面的停留時間，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，希望對下表面流量進行補償。但是，由于機架中增加了一排噴淋架，設備比較擁擠，維護困難，同時調整幅度有限。而現場生產希望設備改造規模盡可能小，同時又方便調整。這樣，結合以上分析，本文在大量現場試驗與理論分析基礎上，通過在上、下表面乳化液管路上分別增設流量閥的方法，實現上、下表面乳化液流量分別控制，并以上表面噴嘴DA的流量和到軋機中心距離為參照目標，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到軋機中心距離的優化計算模型，通過計算得到噴嘴DB最佳布置位置，隨后計算下表面噴嘴DB合適的噴淋流量。

1.2 具體技術方案

該方案由三個部分組成：①乳化液分支管路上流量閥的配置；②帶鋼下表面對應噴嘴DB到軋機中心的最優距離的計算，該值計算確定后，不再隨帶鋼規格等變動；③帶鋼下表面對應噴嘴DB流量的計算。

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，針對原乳化液直噴系統中帶鋼上、下表面乳化液噴淋流量相同的問題，分別在其管路上增設流量閥，實現上、下表面對應噴嘴DA和DB的乳化液流量分別控制。改造前、后乳化液噴淋系統對比如圖1所示。

圖1 改造前、后乳化液噴淋系統

1.2.2 噴嘴DB到軋機中心最優距離的計算

根據相關文獻，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，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間內的乳化液流量，（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中心的距離sk密切相關，其函數關系如下：其中：th表示雙曲正切函數；ak為模型系數，一般情況下，a1＝a2。

對于帶鋼上表面，由于乳化液沒有重力影響造成的損失，因此剩余率較高，根據生產經驗，帶鋼上表面乳化液剩余率β1約為80%～90%。對于帶鋼下表面，乳化液滴落損失后的剩余率β2也與噴嘴到軋機中心的距離s2有關，其函數關系如下：

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

圖2 αk與s k的關系曲線

圖3 β2與s 2的關系曲線

由式（2）、式（3）可以看出，隨著乳化液噴嘴DB到軋機中心距離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算公式可以看出，對于帶鋼下表面噴嘴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，在調整乳化液噴嘴DB到軋機中心距離s2時，以上兩個因素變化趨勢相反，因此可通過尋優方法找到最佳的距離s2設定值，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的優化計算方案如下：首先，收集帶鋼上表面對應噴嘴DA到軋機中心的距離s1，給定帶鋼下表面對應噴嘴DB到軋機中心的距離s2的取值范圍及其調整步長Δs2（其中，s2min＜s2＜s2max，s2min、s2max分別為考慮機組設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i＝0，噴嘴DB到軋機中心的距離初始調整值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，并在此基礎上計算兩者的乘積ωi＝α2i·β2i。判斷ωi＞ωi－1是否成立，若成立，則令帶鋼下表面對應噴嘴DB到軋機中心的最優距離設定值s＊2＝s2i，i＝i＋1，然后重新計算s2i＝s2max－i·Δs2；若不成立，則令i＝i＋1，再計算s2i。具體計算流程如圖4所示。

1.2.3 帶鋼下表面對應噴嘴DB的噴淋流量計算

本技術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），并將最優距離設定值s＊2代入計算，可得到下表面對應噴嘴DB的噴淋流量F2，表達式為：

圖4 乳化液噴嘴DB到軋機中心距離優化計算流程圖

2 帶鋼上下表面均勻潤滑控制技術現場應用

國內某冷軋廠二次冷軋機組為提高產品質量、改善潤滑條件，特利用本文所述相關技術對機組潤滑設備進行了一定程度改造，分別在帶鋼上、下表面對應的乳化液管路上增設流量閥，并將下噴淋架到軋機中心距離由原0.74 m增加至優化后的1.13 m，流量提高至0.51（m3·s－1）／m。經現場調試，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致的潤滑不足和上、下表面潤滑特性差異等問題，同時，由于下噴淋架到軋機中心距離增大，減小了帶鋼下表面乳化液滴落和飛濺對軋制區域的影響，有效改善了帶鋼的軋制穩定性和表面質量，給企業創造了較大經濟效益。

3 結論

（1）對于極薄板軋制過程中帶鋼上、下表面潤滑狀態的差異，本文在大量現場試驗與理論分析基礎上，通過在上、下表面乳化液管路上分別增設流量閥的方法，實現上、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中心距離為參照目標，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中心距離的優化計算模型，通過計算得到下表面噴嘴的最佳布置位置，隨后對其噴淋流量進行了計算。

（2）該套技術在現場應用后，實際效果良好，帶鋼上下表面潤滑效果均勻，有效改善了帶鋼的軋制穩定性和產品質量。

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

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

［3］ 李秀軍.寶鋼二次冷軋（DCR）機組極薄產品生產實踐［C］.北京：中國金屬學會，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.