IF鋼冷軋潤滑對帶鋼可軋厚度和電機功率的影響

李 巖，夏 壘，王科強，王 青

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院；3.遼寧科技大學材料與冶金學院)

在全球倡導低碳經濟的大環境下,“節能減排”已經成為我國的基本國策之一和國家加強宏觀調控的重點[1]。鋼鐵行業是我國主要的高能耗行業之一,據統計,中國鋼鐵工業的能耗占全國總能耗的16.3%,而鋼鐵工業總產值只占國內生產總值的3.2%[2-3]。為了響應國家政策、順應經濟發展潮流,鋼鐵行業需要加大技術升級力度,提高工業用能效率[4-6]。

冷軋帶鋼是重要的鋼材品種之一,其產量占鋼材總產量的10%以上,且由于存在巨大的市場需求,其產量占比呈不斷增長的趨勢。因此,在冷軋帶鋼生產過程中采用節能技術是鋼鐵工業節能減排,發展低碳經濟的重要組成部分。

研究發現,采用合適的潤滑工藝可以降低冷軋過程中的摩擦因數和軋制壓力,降低軋制能耗及軋輥輥耗,增強軋機軋制能力,改善產品表面質量[7-9]。基于此,本研究分別采用某商品金屬加工液和自研軋制液對無間隙原子(IF)鋼薄板的冷軋過程進行潤滑,并通過理論計算與試驗相結合的方法對比分析有無金屬加工液潤滑情況下的過程能耗,以探究潤滑技術對帶鋼冷軋過程節能降耗和軋機軋制能力的影響及其內在作用原理。

1 實 驗

1.1 冷軋試驗

冷軋試驗鋼板材質為IF鋼,試樣尺寸為200 mm×50 mm×1 mm,主要元素組成如表1所示。冷軋試驗在四輥軋機上進行,軋機的工作輥直徑為95 mm,支撐輥直徑為200 mm,輥身長度為200 mm,軋制轉速為60 r/min。

表1 IF鋼的化學元素組成

分別將鞍山珂潤有限公司生產的商用金屬軋制油(P-1)和自研軋制油(P-2)與自來水按質量比1∶19配制成乳化液LP-1和LP-2,用于IF鋼冷軋過程的潤滑。乳化油的主要性能指標如表2所示。

表2 乳化油主要性能參數

記錄冷軋試驗中的主電機功率和試樣軋制后的厚度,考察使用不同乳化液潤滑時IF鋼板的最小可軋厚度和加工耗能情況。在軋制前以及更換乳化液時,軋制試樣及軋輥表面先用丙酮(國藥集團化學試劑有限公司,純度99.0%以上)清洗干凈,再用醫用棉擦干,以免軋輥和軋件表面污染物和殘留乳化液影響試驗結果[10]。

1.2 摩擦學性能測試試驗

采用濟南時代試金試驗機有限公司生產的MRS-10A型四球摩擦磨損試驗機,在載荷為(392±5)N,轉速為1 200 r/min的條件下進行摩擦磨損長磨試驗[10],試驗時間為30 min,測定試驗過程中的摩擦因數,比較不同乳化液的減摩性能。試驗所用鋼球為上海鋼球廠生產的一級GCr15標準鋼球,鋼球直徑為12.7 mm,洛氏硬度為61～65 HRC[11]。

2 結果與討論

2.1 潤滑劑的摩擦學性能

在實際工程應用中,實測的鋼-鋼之間接觸的平均滑動摩擦因數為0.15左右[12],為了研究2種乳化液的減摩性能,采用四球摩擦磨損試驗分別測定了2種乳化液的摩擦因數隨時間的變化,結果如圖1所示。從圖1可以看出,使用乳化液LP-1進行潤滑時,摩擦因數從0.095迅速降低到0.080,之后在0.072～0.088范圍內上下波動;使用LP-2潤滑時,摩擦因數在0.068～0.076范圍內波動。整體來看,使用LP-1潤滑時的摩擦因數較LP-2的更大,兩者的平均摩擦因數分別為0.079 5 和0.071 7,說明兩種乳化液均能夠降低鋼-鋼之間的接觸滑動摩擦因數,并且LP-2的減摩性能比LP-1更優異。此外,使用LP-2潤滑時摩擦因數的變化幅度相對較小,說明其減摩性能更加穩定。

圖1 不同乳化液潤滑時的摩擦因數

2.2 潤滑劑使用對軋件最小可軋厚度的影響

在四輥軋機上對IF鋼板進行軋制試驗,分別使用乳化液LP-1和LP-2作為潤滑劑,并與無潤滑劑的情況進行了對比,鋼板厚度隨軋制道次的變化如圖2所示,不同條件下軋件最小可軋厚度如表3所示。從圖2可以看出,隨著軋制道次的增加,不同條件下軋制后鋼板的厚度均逐漸降低;初始6個軋制道次鋼板厚度下降較快,之后鋼板厚度下降趨于平緩;與無潤滑條件相比,使用乳化液潤滑時每個軋制道次后鋼板的厚度都相對更小。此外,在兩種乳化液潤滑情況下,初始2個軋制道次二者作用效果相同;隨著軋制道次增加,LP-2的潤滑作用效果比LP-1更好,軋制后鋼板厚度更小。無潤滑、LP-1潤滑、LP-2潤滑情況下,軋制后IF鋼的最小厚度分別為0.115,0.095,0.080 mm。由此可見,使用乳化液LP-1和LP-2潤滑,軋件最小可軋厚度分別降低了17.4%和30.4%。若以無潤滑劑時鋼板的最小可軋厚度作為終軋厚度,使用LP-1和LP-2進行潤滑可以分別節省1個和2個軋制道次,從而提高了生產效率。

圖2 不同軋制道次后的鋼板厚度

表3 不同軋制狀態鋼板的最小可扎厚度

由Stone平均單位壓力公式可以推導出軋輥彈性軋制時材料最小可軋厚度(hp)的計算式[12-13],見式(1)。從式(1)可知,材料最小可軋厚度與摩擦因數、軋輥直徑、軋輥彈性模量、材料變形抗力和平均單位張力有關。

(1)

上述試驗中,3種軋制情況下采用相同的軋機,因此軋輥直徑和軋輥彈性模量均相同;本試驗采用單機架軋制,軋制過程中不設置張力參數。因此在其他參數相同的情況下,軋件的最小可軋厚度與軋制過程中的摩擦因數和材料變形抗力均呈正比例關系。一般情況下,材料的變形抗力在冷軋過程中隨著壓下率的增加而逐漸升高[14]。無潤滑條件下IF鋼的壓下率最小,LP-2潤滑時的壓下率最大(圖2),因此3種軋制情況下材料變形抗力的大小順序為LP-2潤滑>LP-1潤滑>無潤滑。然而,采用乳化液潤滑時軋件的最小可軋厚度變小。由此可知,使用LP-1和LP-2潤滑時軋件最小可軋厚度降低的原因在于:乳化液的使用降低了軋制過程中的摩擦因數,并且摩擦因數降低對軋件最小可軋厚度的影響超過了軋件變形抗力提高造成的影響。采用LP-2潤滑時摩擦副間的摩擦因數比LP-1潤滑時更低,因此得到的軋件最小可軋厚度也更小。

2.3 潤滑劑使用對主電機功率的影響

軋制過程中使用潤滑劑降低了摩擦副間的摩擦因數,從而減少了軋制過程界面摩擦的能量消耗,因此在軋制過程中使用潤滑劑可以實現節能效果。為了探究軋制過程中使用潤滑劑的節能效果,在軋制過程中收集了各軋制道次的主電機功率數據,結果如圖3所示。從圖3可知:與無潤滑劑時相比,采用乳化液潤滑后各軋制道次的主電機功率總體更低(第6道次較為異常)。統計9個道次的主電機功率結果可知:使用LP-1和LP-2潤滑時的電機總功率較無潤滑劑工況分別降低了2.63%和3.35%;而若以無潤滑時鋼板最小可軋厚度作為終軋厚度,使用LP-1和LP-2潤滑時電機總功率可分別降低8.61%和15.31%。

圖3 不同軋制道次的主電機功率

為了探究潤滑劑的使用對軋制過程能量消耗的影響,需要分析軋制過程中影響能量消耗的因素。研究表明[14],軋制過程中的主電機功率(N)與軋制功率的關系如式(2)所示。由于電機傳動到軋機過程中會有一定的能量損失,因此一般情況下主電機功率大于軋制功率。

(2)

式中:N為主電機功率,W;N軋為軋制功率,W;η為電機傳動到軋機的效率。一般情況下,電機齒輪傳動的效率η為0.96～0.98,皮帶傳動的效率η為0.85～0.90。

而軋制功率的計算利用式(3)進行[14],其主要與軋件寬度、軋輥半徑、材料變形抗力、軋制前后軋件的厚度、軋制過程中的摩擦因數和軋輥的角速率有關。

(3)

在上述3種軋制工況下,式(3)中軋件寬度(B)、軋輥半徑(R)和軋制過程中軋輥的角速率(ω)是相同的,因此綜合式(2)和式(3)可知,軋制過程中主電機功率與材料變形抗力(K)呈正比例關系,而摩擦因數對主電機功率的影響則無法直接得到。

圖4 不同摩擦因數情況下的理論主電機功率

由圖4可知,軋制過程中降低摩擦因數有利于降低主電機功率,從而降低能耗。圖4中的主電機功率計算結果與軋制試驗測定結果(圖3)有一定差異,其原因主要是計算中沒有考慮材料寬度和變形抗力隨軋件厚度和壓下率的變化;同時,試驗測得的摩擦因數只是表征不同乳化液潤滑時摩擦因數的相對大小,與實際摩擦因數并不相同。因此,由以上參數計算得到的結果可以定性分析摩擦因數對主電機功率的影響趨勢。由圖4可知,軋制過程中的摩擦因數越小,主電機功率越低。

圖3中第6道次使用LP-1和LP-2潤滑時的主電機功率較無潤滑時更大,原因可能是:雖然采用LP-1和LP-2潤滑時的摩擦因數較無潤滑時更低,但是軋件的壓下率更大,從而導致材料的變形抗力增加的更多;由以上分析可知,主電機功率與材料變形抗力和摩擦因數均呈正相關,在第6道次中材料變形抗力對主電機功率的影響超過了摩擦因數的影響。在圖3的第5和第6軋制道次中,LP-2潤滑時的主電機功率比LP-1潤滑時更大,主要是因為在2個道次的實際軋制過程中LP-2潤滑時材料的壓下量更大,導致材料的變形抗力增大,進而使主電機功率升高。但對比整個軋制過程,LP-2較LP-1潤滑時的主電機功率更小,節能效果更好。

3 結 論

(1)采用工藝潤滑可以降低軋件的最小可軋厚度,提高軋機的軋制能力和軋制效率;同時還可以降低主電機功率,降低能耗。

(2)采用乳化液LP-1和LP-2進行工藝潤滑,最小可軋厚度分別從0.115 mm降低到0.095 mm和0.080 mm。通過9個道次的軋制,采用LP-1和LP-2潤滑時主電機總功率分別降低了2.63%和3.35%。若以無潤滑時鋼板的最小可軋厚度作為終軋厚度,采用LP-1和LP-2潤滑可分別減少1個和2個軋制道次,總功率可分別降低8.61%和15.31%。

(3)通過理論計算和試驗得出:LP-2潤滑比LP-1潤滑時具有更低的最小可軋厚度和更小的主電機功率,其主要原因在于采用LP-2潤滑時軋制過程中的摩擦因數更小。