冷軋平整液循環回用技術研發與應用

何建鋒,潘勛平,胡 斌,李慶勝

(寶鋼日鐵汽車板有限公司,上海 201900)

1 概述

眾所周知,鋼鐵冷軋產品通常會經歷平整工序,即帶鋼再結晶退火后以0.5%～3.0%壓下率進行的小變形量軋制,平整決定了帶鋼成品的表面狀態、板形、力學性能[1]。現有平整工藝分為濕平整和干平整。濕平整是將平整液體噴射到帶鋼和軋輥上生產的工藝,采用此工藝可以保持平整機、輥面和帶鋼的清潔,同時軋輥壽命也顯著提升,最后由于帶鋼表面還殘留有濕平整液,因此帶鋼的防銹性能也得到提升。基于以上優點,現有絕大部分平整均采用濕平整工藝[2]。

現有的濕平整工藝使用直噴工藝[3],詳細如圖1所示。將水和平整原液配制成平整液,使用一次后,全部平整液徹底排放。

伴隨我國經濟與城市化發展,國家對鋼鐵生產過程的環保要求也不斷提升。自2018年以來,最新的環保法律規定平整液類污染物的COD排放值在30 mg/L以下,而平整廢液實際值在10 000～20 000 mg/L間,因此環保升級后處理平整液的技術難度越來越大,同時整治資源的耗費也越來越高。環保標準有進一步升級的趨勢,現有化學及生化處理措施可能面臨廢液排放超標的局面[4-5]。

圖1 直噴平整液系統組成簡圖Fig.1 The diagram of direct-spraytemper lubricant system

2 平整液作用及循環生產工藝

如圖2所示,生產時平整液的有效成分會在帶鋼和軋輥上析出,形成薄的吸附膜,在輥縫內起到各種作用。

圖2 平整液的使用機理及作用Fig.2 The mechanism and function of temper lubricant

平整液的性能要求極為嚴苛,主要滿足潤滑性、防銹性、抗斑跡性、清洗性、表面處理性和環保及安全性等,否則就會給生產的帶鋼產生質量風險[6-8]。

目前,全世界除日本制鐵公司君津制鐵所的連退平整機之外,已知的所有濕平整中均采用直噴工藝。君津連退平整中,采用類似冷軋乳化液的操作模式,即將配置的平整液噴射使用后,收集起來再次使用,如此不但可顯著降低平整液用量,而且直接減少廢液的排放,環保優勢也極顯著,但日本制鐵公司嚴格控制相關技術的機密。

由于平整工藝位于冷軋成品階段,循環收集的平整液難免會發生變化和產生臟污,由此會帶來帶鋼產品表面缺陷。所以,循環平整液的生產工藝和使用要非常謹慎和小心;其次,考慮到循環工藝特殊性,需要開發一種具有全新性質的循環平整液;最后,平整液的循環生產工藝面臨著諸多現場使用技術困難。以上諸多難點均需開展細致研究工作。

表1是直噴型平整液和循環型平整液基本的理化性能測試結果。

從表1的檢測性能來看,循環平整液與直噴平整液的密度、表面張力基本相同,其原液COD值略微增加,考慮由于化學成分的變化,可能是循環平整液調整了添加劑等造成的。

表1 兩種平整液的部分理化性能對比Table 1 The comparison of physical and chemical propeties of two kinds of temper lubricant

3 實驗室模擬研究

為了更好研究循環平整液性能的可能變化和對帶鋼的質量影響,為現場生產提供技術指導,本項目設計研究了相應的模擬裝置,如圖3。

3.1 平整液的循環模擬試驗研究

如圖3的模擬試驗設備,在其內裝有一個帶下壓力的小模擬輥,并置于鋼板上,鋼板會隨著單側電動機左右移動,平整液噴射后再循環回收,根據生產時單位寬度帶鋼和平整時間的當量設置等效噴淋狀態。裝置的流量范圍為0.8～1.5 L/min,試驗時用質量分數5%的平整液在室溫(14～26 ℃)下開展8 d模擬平整,得到如下的結果。

3.1.1 細菌/霉菌/酵母菌繁殖

由于平整液是常溫下進行生產使用,因此在使用時會迅速產生各種細菌和真菌,結果如表2。

圖3 平整液循環模擬裝置Fig.3 The simulation device of temper lubricant recycling

表2 平整液循環生產工藝中出現的細菌/真菌繁殖情況Table 2 Reproduction of bacteria/fungi in the recycling process fortemper lubricant 個

在室溫下長期循環流動平整時,酵母菌少量出現;但很短時間細菌數會達到103個,其后迅速達到104個的污染,并在一周左右細菌達105～106個范圍,此時已到較重污染;到第7、8天細菌數變為107個,平整液已被嚴重污染。試驗細菌詳情如圖4。

圖4 試驗第一天至第八天的細菌情況Fig.4 The bacteria experiment from the first day to the eighth day

3.1.2 平整液的折光率

圖5是循環平整液的折光率變化趨勢圖。

在循環過程中,觀察會有少量泡沫,平整液也會散發刺激氣味,說明使用后平整液成分有損失。且如圖5(b),在循環生產時,平整液會從澄清轉為混黃色,同步的折光率會逐步增加,說明隨著生產進行其化學組分發生了變化,同時平整液也逐步變臟。

3.1.3 電導率

圖6是循環平整液的電導率變化趨勢圖。

平整液在循環使用過程中的電導率顯著增加,原因是平整中產生大量細菌,不斷消耗平整液,產生新的化學物質,此外循環時產生的鐵粉、鐵銹雜質也生成離子,導致電導率線性增加。

3.1.4 pH值

圖7是循環平整液的pH值變化曲線。

新配平整液pH值為8.72,循環多次后pH值會迅速降低至8.50左右,其后呈波動并緩慢下降。上述試驗說明,循環后平整液中的堿性化學物質極快消耗,然后隨著細菌出現,也會分解化學物質,影響pH值不斷下降。

圖5 試驗期間循環平整液折光率變化和顏色變化趨勢Fig.5 The trend of the refractive index and the color during the experiment

圖6 模擬循環平整時循環平整液電導率的變化曲線Fig.6 The curve of the conductivity during the simulated recycling temper

圖7 模擬循環平整時循環平整液的pH值變化曲線Fig.7 The curve of the pH value during the simulated recycling temper

3.1.5 鐵粉

圖8是循環平整液的鐵粉生成情況。

圖8 模擬條件下循環平整液的鐵粉生成的情況Fig.8 The formation of the iron powder during thesimulated recycling temper

循環過程的另一個特點是平整液內出現了很多細小但肉眼可見的鐵粉。分析這些鐵粉主要來自軋輥和帶鋼的摩擦磨損,其平均顆粒度為7.5 μm左右,在電鏡下發現鐵粉大部分呈片狀,少量呈粒狀,而且非常容易聚集在一起,懸浮在平整液內。

3.2 循環平整液的使用性能變化

在試驗模擬設備上,對試驗鋼板和平整液取樣進行了摩擦和防銹性試驗,獲得圖9的結果。

圖9 循環平整液生產鋼板表面的微觀照片及銹點情況Fig.9 The micrographs and rust spot on the surface of steel plate during the simulated recycling temper

在三維共聚焦顯微鏡下對試驗鋼板進行微觀形貌的測量,發現帶鋼表面殘留許多鐵粉和微小銹點。這些鐵粉在帶鋼表面與帶鋼材料基體形成電位差,出現原電池銹蝕反應,因此大量鐵粉除影響帶鋼清潔度外,還會影響帶鋼的防銹性。

對試驗過程中不同階段的平整液進行了摩擦和防銹性能試驗,發現細菌在大量繁殖后,平整液的潤滑和防銹性會大幅降低,如表3。這主要是由于細菌會分解消耗有效的化學物,所以生產現場必須要嚴控細菌繁殖。

表3 循環平整液內細菌對平整液使用性能的影響Table 3 The effect of bacteria on the propeties of lubricant during the simulated recycling temper

4 平整液循環使用設備及工藝開發

以上循環試驗表明,循環流動模式下,軋輥和帶鋼首先會產生大量鐵粉,然后會有大量細/真菌繁殖,平整液內化學物質會發生變化,出現平整液的性能隨之變化,對帶鋼的質量產生了隱患。

為此,本項目組通過以下工作,有效保障了循環平整液的生產工藝的開發:①研究平整液凈化處理技術,并設計了整個回收循環系統;②與供應商一起研發了具有特殊化學性能的新型循環平整液;③研發了全套平整液循環過程的使用工藝,包括濃度、流量、平整液的添加及替換等;④開發了全套的循環平整液理化性能分析檢測方法,并研發了循環平整液的工藝參數控制范圍及檢測頻率等管理規范;⑤對現場的生產進行連續質量跟蹤,對平整液循環工藝生產帶鋼進行質量對比,改進和形成了一系列的平整液循環生產工藝。

5 循環平整液生產帶鋼的評估

通過上面的研究,寶鋼日鐵汽車板有限公司改造現場設備,新增了自主研發的平整液循環系統,并自2020年5月使用至今,期間經過了多次的系統升級、調整和生產工藝的改進,也遭遇了產品質量問題,最終經過多次優化,成功開發了平整液的生產循環工藝。

考慮到循環平整液的管理和帶來的質量風險,第一階段暫時按照只循環一次的方式使用,即新鮮的平整液平整后不排進行收集,然后再循環使用一次后排空。下面對直噴和循環平整液生產的帶鋼進行試驗對比,評估循環平整液生產帶鋼的質量。

5.1 帶鋼的表面形貌參數的測試

采用EDT毛化輥生產的直噴帶鋼的表面粗糙度為Ra=1.120 μm,循環帶鋼的表面粗糙度Ra=1.156 μm。兩種方式下的表面粗糙度對比見圖10,考慮到生產過程中的軋輥差異,這兩者基本處于相同的水平。

兩種方式下的表面形貌參數見表4。

圖10 直噴生產平整帶鋼及循環生產帶鋼的表面粗糙度Fig.10 The comporison of surface roughness of steel plate for direct-spray and recycling temper

表4 直噴、循環噴淋平整帶鋼的表面形貌參數Table 4 The comporison of surface morphology parameters of steel plate for two kinds of temper μm

從表4的形貌參數來看,相應的表面形貌參數基本都相差不大。考慮到毛化軋輥的差異及在使用中的摩損差異,從上述的測量值分析,循環平整生產技術并不會對帶鋼的表面形貌參數帶來顯著的影響。

5.2 不同生產工藝對帶鋼的表面銹蝕性影響

5.2.1 1 h鹽霧試驗結果

對現場機組兩種噴淋方式生產的帶鋼進行取樣,剪切成同樣大小的鋼板進行1 h鹽霧防銹性試驗,結果如圖11。

圖11 直噴生產鋼板和循環生產鋼板的鹽霧防銹試驗結果Fig.11 The result of salt spray rust prevention test of steel plate for direct-spray and recycling temper

可以發現循環平整方式生產的帶鋼鹽霧防銹能力稍強于傳統直噴方式生產的帶鋼。

5.2.2 35 d濕熱試驗結果

對現場機組兩種噴淋方式生產的帶鋼進行取樣,剪切成同樣大小的鋼板進行35 d濕熱防銹性試驗,如圖12。

通過不同方式和時間的防銹試驗對比,發現使用循環平整液生產的鋼板的防銹性能稍強于原來的直噴平整液的,這主要依托現場平整液的有效管理,使得雜質和細菌等污染均得到有效控制;同時,為最小化帶鋼的防銹性風險,在循環平整液開發的初期,即與平整液供應商廠家共同開發了高防銹性產品,有效控制了循環平整液的銹蝕缺陷。

圖12 直噴生產鋼板和循環生產鋼板的濕熱防銹試驗結果Fig.12 The result of 35 days damp heat test of steel plate for direct-spray and recycling temper

5.3 不同生產工藝對帶鋼表面涂鍍性能的影響

5.3.1 涂層附著力試驗

對兩種生產方式的帶鋼產品進行電泳試驗,以了解循環平整液對涂層附著性能的影響,結果見表5。

表5 不同生產方式下鋼板試樣電泳漆結果Table 5 The result of electrophoretic paint of steel plate samples under different production modes

通過試驗結果可以看出,所有鋼板試樣經過百格法測試后電泳漆均無脫落,說明涂層附著力良好。

5.3.2 鋼板磷化試驗

通過鋼板磷化試驗,以了解循環平整液對磷化加工性能的影響,結果見表6。

通過上述試驗,發現使用兩種平整液生產的帶鋼在涂漆和磷化處理膜質量方面均無明顯差異,兩種樣板上的磷化膜在致密性、結晶形狀和尺寸上均基本一致。所研發的平整液循環使用工藝對現場帶鋼表面質量和后續加工均不會產生顯著影響,生產出的產品質量達到了傳統工藝的水平。

表6 不同生產方式下鋼板磷化處理結果分析Table 6 The analysis of phosphating treatment result of steel plate samples under different production modes

連退機組循環平整液自2020年10月起正式投入使用以來,板面質量正常,通過循環使用大幅降低平整液排放總量,平整液單耗下降了30.3%,大大減輕了廢液處理的壓力,取得了顯著的社會經濟效益。

6 結論

(1) 寶鋼日鐵汽車板有限公司經過大量離線和在線試驗,成功開發出了連退平整液循環回用生產工藝。

(2)平整液在循環使用過程中,會逐漸滋生大量細菌/真菌、摩擦鐵粉和臟污,平整液的內部化學成分發生極大改變,對平整液的外觀和使用性能等造成極大負面影響,帶鋼產品的質量也存在極大隱患。

(3) 為了開發平整液循環生產工藝并有效保障生產帶鋼的質量,需研發做好如下幾點:研究平整液凈化處理技術,設計全新的回收循環系統;研發具有特殊化學性能的新型循環平整液;研發全套平整液循環回用生產工藝,包括濃度、流量、平整液的添加及替換等;開發全套的循環平整液理化性能分析檢測方法,并研發與之配套的循環平整液的工藝參數控制范圍及檢測頻率等管理規范。

(4) 通過生產實踐和不斷改進,平整液循環回用工藝產出的帶鋼產品各項性能基本均達到原有的直噴生產的帶鋼,后續隨著平整液循環生產過程的不斷推進,預計可以取得良好的環保效果和顯著的經濟效益。