淺析乳化液在冷軋帶鋼生產中的應用

周玉軍 周光升

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900）

引言

冷軋薄板是汽車制造和家電產品非常重要的原材料。據統計，2017年我國全年冷軋薄板產量3227.3萬噸，居世界第一。在早期的冷軋板生產中，使用軋制油進行潤滑和冷卻。隨著科技的進步和對生產工藝的優化，逐漸采用乳化液替代全軋制油。乳化液的定義是，把兩種互不相容的液體采用一定的方式混合于另一種液體中，并形成相對平衡的系統狀態。分散相通常以小直徑的液滴形式存在于連續相中。在冷軋帶鋼生產中，將軋制油投加至脫鹽水中并進行攪拌和加熱，使其混合均勻，供軋機使用。

1 乳化液簡述

根據乳化液的定義可知，若分散相為油，連續相為水，形成O/W型乳化液（水包油型）；若分散相為水，反之形成油包水型乳化液（W/O）。冷軋軋機生產中的乳化液，通常由基礎油、乳化劑和添加劑等組成。其中，基礎油以礦物油為主。添加劑包括乳化穩定劑、極壓機、防銹劑、防腐劑、抗氧劑和殺菌劑等。常用的冷軋乳化液分為穩定型乳化液、半穩定型乳化液和不穩定性乳化液三大類。

（1）穩定型乳化液，穩定指數ESI一般大于0.6，特點是乳化效率高、乳化液顆粒分布均勻、穩定性好，且退火后帶鋼板面清潔性好。

（2）半穩定型乳化液，特點是潤滑性較好，清潔性較穩態型差，在退火前需要進行脫脂清洗。軋制油在水中具有顆粒度較大、鐵粉分散性好等特點。

（3）非穩定型乳化液。乳化液中的油顆粒能很好地吸附在軋輥和帶鋼上，形成的油膜鋪展性好，能有效降低摩察系數。軋后板帶殘碳多，退火清潔性比較差，退火前需要對帶鋼進行電解脫脂處理。

2 乳化液在冷軋帶鋼生產中的應用

2.1 乳化液的作用

乳化液系統運行的穩定性和關鍵參數控制對軋制工藝十分重要。主要作用有以下四點。一是對帶鋼和軋輥潤滑作用。可降低軋制力，降低能耗，延長軋輥使用壽命。二是冷卻作用。在軋制過程中，軋輥和帶鋼由于變形會產生大量的變形熱，需要對軋輥和帶鋼進行噴射冷卻，降低軋輥和帶鋼溫度，減少帶鋼表面的熱劃傷，便于控制板型。三是清洗作用。在軋制過程中會產生金屬顆粒雜質和灰分，如不及時清洗會被壓入軋輥和帶鋼，影響板面質量。四是防銹作用。乳化液中的軋制油顆粒展鋪在帶鋼表面，軋制油中所含有的防銹劑在帶鋼表面形成一層膜，可防止帶鋼與空氣、水接觸產生腐蝕，對帶鋼起到保護作用。

2.2 乳化液系統設計

寶鋼以往軋機乳化液系統都是由軋機供應商進行設計和供貨。為了降低工程投資，提高國產化率掌握關鍵技術，寶鋼工程對連軋機組乳化液系統進行了技術系統集成和設備國產化工作。對已有機組的不足之處進行了優化和完善。通過幾條機組的實踐，現已完全掌握乳化液系統設計，在單體設備、系統調試和電器功能需求說明書編寫方面積累了豐富經驗。乳化液系統流程示意圖，如圖1所示。

圖1 乳化液系統流程示意圖

乳化液系統主要由供液系統、噴射系統、回液系統、過濾系統及輔助系統等組成。

（1）供液系統。供液系統的主要設備有循環箱、蒸汽加熱器、供液泵、反沖洗過濾器、板式冷卻器、循環加熱泵、撇油機以及攪拌機等。經過凈化處理的乳化液存儲在循環箱中，并進行攪拌和加熱。循環箱的溫度一般設置為50～60℃，防止乳化液變質。利用撇油機去除混入乳化液中的雜油，并進行油水分離處理，下層清液回流至循環箱中供再次使用。乳化液經供液泵提升至軋機噴射裝置，在供液泵出口管路設置自動反沖洗過濾器，截留大顆粒雜質，起保安過濾作用。板式冷卻器對乳化液進行冷卻，一般軋機要求乳化液噴射溫度40～50℃。循環箱采用外置式加熱方式，即利用循環加熱泵將乳化液抽出，經蒸汽加熱器后回到循環箱。外置式加熱方式的優點是加熱效率高、操作維護方便，杜絕了加熱盤管泄露造成的乳化液變質和設備檢修維護困難。

（2）噴射系統。乳化液噴射到帶鋼和軋輥表面，對其進行潤滑和冷卻。通常，五機架軋機最后一道次設置精細冷卻（常稱之為點冷，與板型輥配套使用），使用后的乳化液經軋機收集盤回流至回液箱。當軋機不需要噴射乳化液時，此時供液泵以低轉速運行（一般為25%～30%轉速運行），乳化液經過旁通管直接進入回液箱進行循環，便于系統能夠再次快速啟動。

（3）回液系統。回液箱中的乳化液由回液泵輸送至真空過濾機。回液泵為變頻泵，與模擬量液位計聯鎖，通過調節泵的轉速控制液位。回液箱的運行液位一般控制在1m左右。

（4）過濾系統。回液泵將乳化液提升至真空過濾機，主要去除乳化液中的鐵粉、灰分及其他雜質。過濾機一般采用壓差自動走紙和時間走紙兩種模式控制，過濾精度一般為80～120μm。常用的真空紙帶過濾有風機式和泵抽吸式兩種型式，而風機式又稱為霍夫曼式紙帶過濾機。

過濾后的乳化液進入磁性過濾機去除鐵粉。磁性過濾機間歇式運行，一般每隔1h運行20min。與較早機組不同的是，磁性過濾機不再設置在循環箱中（簡稱內置式），而是獨立設置，優點是操作維護方便。外置式磁性過濾機的結構較內置式更為合理，去除效果優于內置式，自動化程度較內置式磁性過濾機高，在本地和遠程（HMI）均可對磁性過濾機進行操作。磁性過濾機根據磁性產生的機理，分為永磁式過濾機和電磁式過濾器兩大類。劉興祥[1]等人通過對比外置式永磁過濾機和電磁式過濾器認為，永磁式過濾機具有性價比高、性能穩定、操作維護方便和投資省等優點。目前，電磁式過濾器在國內主要應用于硅鋼軋機乳化液系統，為離線過濾、日本進口成套設備。

（5）輔助系統。乳化液輔助系統主要有原油、脫鹽水存儲及配液和廢水排放兩大部分。化液原油、脫鹽水以及混合液需要進行加熱，以減少投加的乳化液或脫鹽水對循環箱乳化液溫度的沖擊，同時確保原油和混合箱乳化液品質。為了沖洗軋機，一般設置沖洗水箱和沖洗泵。沖洗水一般為冷凝水。

2.3 乳化液系統運行維護管理

乳化液系統運行維護管理主要包括三方面內容。一是系統運行參數管理，如系統溫度、壓力和流量等參數。二是乳化液品質控制指標，如油濃度、皂化值、鐵粉含量和pH等。三是如何提高乳化液的清潔性。

2.3.1 乳化液系統運行管理

對乳化液系統日常運行管理來說，壓力、流量和溫度必須實時監測控制，確保滿足軋機使用需求。

（1）壓力。乳化液系統的噴射壓力一般在5～7bar，對帶鋼和軋輥一定的打擊力，便于帶走熱量和沖洗雜質。過大的噴射壓力會形成乳化液飛濺，過小的噴射壓力無法滿足潤滑、冷卻和沖洗要求。

（2）流量。乳化液的流量必須滿足潤滑和冷卻要求。流量不足會造成熱劃傷等板面質量問題；乳化液流量過大不僅會增大設備能力，而且會增加設備投資。此外，軋機乳化液吹掃難度也會增加，軋后板面會殘留較多的乳化液，給后續工藝生產帶來困難。王永昌[2]等人針對單機架可逆軋機歸納整理，得到乳化液的流量公式為：

式中，Q乳為單位時間所需乳化液流量，min/L；N電為驅動電機功率，kW；N張為張力功率，kW；M為軋機軋制時的負荷系數，一般取0.8；C乳為乳化液比熱，C乳=1 kcal/kg ℃；r乳為乳化液比重，r乳=1kg/L；Δt乳為乳化液經軋制后板帶的升溫，取值4℃。

（3）溫度。乳化液系統的溫度控制包括循環箱乳化液溫度、乳化液噴射溫度和原油箱溫度。過高或過低的噴射溫度，對潤滑性和軋后帶鋼清潔性都有影響，不利于板形控制。不同軋制油對溫度要求略有差異。噴射溫度為了滿足軋制對乳化液潤滑和冷卻功能的要求，一般為40～50℃。循環箱的乳化液溫度控制目標依據是防止乳化液因生長細菌而變質，溫度一般維持在50～60℃。原油箱的溫度一般控制在40～45℃。2.3.2 乳化液品質控制管理

（1）油濃度。乳化液含油濃度是影響潤滑性能的主要因素，濃度過低會造成潤滑不足，影響帶鋼表面質量。孫橋等人[3]對比了無潤滑劑、2%、5%和8%四種工況軋后帶鋼的表面質量結果，發現無潤滑劑軋后帶鋼表面質量最差。隨著濃度升高，軋后帶鋼的表面質量提高。當濃度超過5%時，盡管軋后帶鋼表面質量有所提高，但提升效果不明顯，因此認為5%濃度已能滿足生產要求，這與實際生產經驗基本一致。目前，很多機組都在探索在不影響生產的情況下降低噸鋼油耗，降低軋制原油耗量，減少廢水排放，提高清潔生產水平。

（2）皂化值。皂化值表征乳化液中活性油含量，直觀表現是軋制的潤滑性。皂化值高，潤滑性好。一般在軋制高強鋼時，采用皂化值較高的乳化液。乳化液中混入的雜油會使皂化值降低，影響其潤滑性，原因雜油中含有的破乳劑會使乳化液的穩定性受到影響。在乳化液系統中，一般采用撇除表層浮油的方式去除雜油，調節皂化值。乳化液的皂化值一般控制在150mgKOH/g。

（3）鐵粉含量。在軋制過程中的變形前滑區形成滑動摩擦，由此會產生大量的鐵粉微粒，其粒徑一般不大于1μm。當乳化液潤滑能力不足時，會產生大量的鐵粉進入后續機架，并被壓入帶鋼或軋輥。對生產來說，并不是鐵粉含量越低越好，適量的鐵粉有助于軋制，增加摩擦力，防止帶鋼打滑。但是，鐵粉含量如果較高，則影響帶鋼表面質量。不同的軋制產品，對鐵粉含量要求也不同，需要在生產中探索適合機組的最佳鐵粉含量值。

（4）pH值。pH值是乳化液日常管理的重要指標之一，反應了乳化液中油的顆粒度大小。何建明[4]認為，pH＜5時，乳化液中油顆粒度會過大，乳化液穩定性差，比較易出現破乳分層現象；當pH＞8時，油顆粒度過小，對潤滑有一定的影響。從現場實際使用情況來看，乳化液的pH值過低或過高，對于乳化液系統設備將產生嚴重的腐蝕問題，尤其是乳化液管道。在工程建設初期，為了降低工程投資，管道一般采用壁厚較厚的碳鋼管。但是，隨著系統的運行，由于高壓力、高流速對管道的沖刷，會加快乳化液對管道的腐蝕速度，出現管道因腐蝕發生泄露的現象。發生上述情況比較明顯的是供液管道。目前，已有冷軋機組乳化液管道更換為不銹鋼管道，提高了它的使用壽命。

2.3.3 提高乳化液的清潔性

乳化液的清潔性對軋后帶鋼表面質量影響很大。結合實際生產經驗，可通過以下幾方面來維持和提高乳化液清潔性。

（1）加強乳化液系統各設備維護，確保其穩定工作，尤其是凈化處理設備，如真空過濾機、磁性過濾機等設備。過濾設備可控制鐵粉、灰分等的含量。攪拌機可以使乳化液混合均勻，防止油水分層。

（2）確保各主要溫度控制點的溫度，滿足工藝要求，避免對軋制生產造成影響，同時杜絕因溫度而導致的乳化液變質，需要排放乳化液而造成的浪費。

（3）確保乳化液撇油器正常工作，有效控制雜油含量，確保皂化值在工藝控制范圍內。

（4）加強對軋機稀油潤滑和液壓的設備、管路維護工作，盡量減少因軋機相關設備和管道漏油對乳化液的影響。

（5）減少人為因素對乳化液的污染，如將生產過程中的碎布頭、木屑等其他雜物進入乳化液系統。

（6）定期對機架進行清洗，避免軋機表面污物對乳化液清潔性的影響。

（7）嚴格執行乳化液的檢化驗制度，確保乳化液各指標在控制范圍內。

3 結 語

（1）乳化液在冷軋帶鋼生產中的主要作用為潤滑、冷卻，而不同的產品規格和軋制工藝對乳化液的要求也不盡相同。例如，穩定型、半穩定型和非穩定性的乳化液適用不同的軋制技術要求。

（2）目前，常見的乳化液系統工藝主要由供液系統、噴射系統、回液系統、過濾系統以及輔助系統組成。主要的設備有循環箱、供液泵、反沖洗過濾器、板式冷卻器、噴射裝置、回液箱、回液泵、真空過濾機、磁性過濾機、蒸汽加熱器、循環加熱泵、攪拌機以及輔助系統的泵和槽體等。

（3）乳化液日常運行管理中，乳化液系統的溫度、壓力和流量是非常重要的參數。乳化液的噴射溫度一般在40～50℃，乳化液循環箱溫度50～60℃，原油箱溫度為40～45℃。

（4）乳化液的清潔性對軋后板面質量至關重要。乳化液油濃度含量一般在1%～5%，不同產品對乳化液有著不同的要求。適量的鐵粉可防止帶鋼打滑和熱劃傷。通過撇除浮油的方式降低雜油對乳化液皂化值的影響，可滿足軋制對乳化液潤滑性的要求。pH值的大小和原油性質有關，過低的pH值對管路系統腐蝕嚴重。

（5）提高乳化液的清潔性，需要加強對設備的巡檢和維護，嚴格按照乳化液檢驗項目制度執行，及時掌握乳化液的狀態并做出調整，確保乳化液滿足軋制工藝需求。保持軋機機架的清潔性，減少人為因素對乳化液的污染。

[1]劉興祥，周光升，周玉軍，等.磁性過濾機在冷軋軋機乳化液系統中的應用和改進[J].寶鋼技術，2010，（1）：24-26.

[2]王永昌，王智勇，陳玉明.冷軋工藝潤滑劑消耗量的優化計算[J].河北工業科技，2002，19（5）：8-19.

[3]孫橋，戈曉達，孫建林.乳化液濃度對板帶鋼冷軋潤滑性能的影響研究[J].礦冶，2013，（22）：98-101.

[4]何建明.工藝潤滑在攀鋼冷軋HC軋機的應用[J].四川冶金，2002，（4）：17-20.