冷軋薄鋼板生產及軋制油發展

張旭（中國石油化工股份有限公司潤滑油研發（上海）中心）

【內容提要】概述了國內外冷軋薄板的生產歷史及我國冷軋薄板的生產現狀。介紹了冷軋過程對冷軋軋制油的要求、冷軋軋制油的發展及組成，預測了未來冷軋軋制發展趨勢。

一、國內外冷軋薄板的發展歷程

1、國外軋鋼業發展歷程

鋼的冷軋始于19世紀中葉的德國，當時只能生產寬度為20~25mm的冷軋鋼帶。1859年，美國建立了25mm的冷軋機，至1887年，已經能生產寬度為150mm的低碳鋼帶。1880年以后，冷軋鋼帶的生產在美國、德國發展很快，不但產品寬度不斷擴大，還逐步建立了附屬設備，如剪切、矯直、平整和熱處理等設備，產品質量也不斷提高。

寬的冷軋薄板（鋼帶）是在熱軋帶鋼的基礎上發展起來的。1920年，美國首先成功軋制出寬帶鋼，并很快由單機架不可逆軋制跨入單機架可逆軋制。1926年，阿姆柯公司巴特勒廠建成四機架冷連軋機。

原蘇聯于20世紀30年代中期開始生產冷軋板。其第一個冷軋車間建在伊里奇冶金廠，采用四輥軋機，用單張熱軋板作原料。1938年，查波羅什工廠開始引進三機架1680mm冷連軋機及1680mm可逆式冷軋機，生產厚度為0.5~2.5mm、寬度為1500mm的鋼板。以后，為了滿足汽車工業發展的需要，該廠又建立了一臺2180mm可逆式冷軋機。1951年，原蘇聯建設了一套2030mm全連續式五機架冷連軋機，產能2.5×106t/a，安裝在新利佩茨克。

日本于1938年在東洋鋼板松下工廠安裝了第一臺可逆式冷軋機，開始生產冷軋薄板。1940年，日本在新日鐵廣佃廠建立了第一套四機架1420mm以連軋機。

2、我國軋鋼業發展歷程及現狀

1962年，鞍鋼冷軋廠建成，成為我國冷軋板生產發源地。當時從前蘇聯引進了1700mm和1200mm單機架四輥可逆冷軋機，冷軋板卷設計生產能力約為3.0×10(5)t/a。

1978年，武鋼冷軋廠建成。武鋼冷軋廠有我國第一套1700mm五機架串列式冷軋機，其工藝設備和技術全部由德國引進，生產冷軋板卷、熱鍍鋅板卷及鍍錫板，設計產能為1.0×106t/a。1987年，武鋼冷軋廠又增建了彩涂板生產線，使我國冷軋薄板生產技術得到很大改觀。

20世紀80年代末至今，我國軋薄板生產有了空前發展。1989年，寶鋼建成2030冷軋廠。該廠建有2030mm五機架無頭軋制冷連軋機，主要工藝設備和技術由德國、日本、美國引進，生產冷軋板卷及熱鍍鋅、電鍍鋅、彩涂板卷，設計產能為2.1×10(6)t/a，使我國冷軋薄板生產邁上新臺階。

到2007年底，全國40多家企業共建成55套冷軋寬帶鋼生產線，年生產能力達6.0×107t左右。其中，冷軋機組30多套，產能5.0×10(7)t左右；單機架可逆軋機20多套，產能1.0×10(7)t左右。

經過40多年的發展，我國冷軋薄鋼板生產能力增加了20多倍，生產裝備技術水平已由只能生產低碳薄板發展到能生產高碳鋼、合金鋼、高合金鋼、不銹鋼等不同材質以及冷軋薄板、鍍鋅板、涂層鋼板、塑料復合薄板和硅鋼片等不同類型的板材。

二、冷軋薄板生產工藝的發展

冷軋廠生產工藝流程基本類似，但冷軋方式、方法發生了根本性變化。冷軋廠生產工藝主要有5種，其中第1、第2種方法國內外都有，但已逐漸被淘汰。

第1種方法采用單機架單張鋼板生產，從原料到成品生產的全過程以單張鋼板方式進行。這種生產方法產量低，質量差，成材率低。

第2種方法是成卷生產方法。這種生產方法產量較高，但軋后工藝比較落后。

第3種方法是成卷生產方法，目前國內較多的單 機架四輥可逆軋機采用的就是這種方法。

第4種方法是現代冷軋生產方法，出現于20世紀60年代。在冷軋機上裝有2臺拆卷機、2臺軋后張力卷取機和自動穿帶裝置，并采用了快速換輥、液壓壓下、彎輥裝置、計算機自動控制等新技術。我國武鋼鞍鋼、攀鋼、首鋼等均擁有此類軋機。

第5種方法是完全連續式冷軋生產方法，又可分為3種類型：

1、單一全連續軋機。在常規的冷連軋機前面設置焊接機、活套等機電設備，使冷軋帶鋼實現不間斷軋制。

2、聯合式全連續軋機。單一全連續軋機與酸洗機組聯合，稱為酸洗聯合式全連軋機；單一全連續軋機與連續退火機組聯合，稱為退火聯合式全連軋機。

3、全聯合式全連續軋機。即將單一全連續軋機與酸洗機組及連續退火機組（包括清洗、退火、冷卻、平整、檢查工序）全部聯合起來，是最新的冷軋生產工藝流程。采用全聯合式全連續軋機，可將冷軋板帶從投料到產出成品由原來的12天縮短至20min.

三、薄鋼板冷軋軋制油

1、鋼板在冷軋過程中的摩擦與潤滑
在冷軋鋼板生產過程中，材質硬度更大的工作輥對鋼板進行碾壓，使其發生塑性變形，在工作輥及支承輥之間會產生很大的摩擦。其摩擦形式有2 種：

（1）鋼帶變形，鋼質點分子內摩擦，導致變形抗力；

（2）帶鋼和軋輥表面、工作輥和支承輥之間產生外摩擦。

研究發現，在冷軋薄鋼板時，軋輥和軋材之間的摩擦系數界于發生邊界摩擦時的摩擦系數和存在流體潤滑膜時的流體潤滑摩擦系數之間。因此通常認為，在鋼板軋制過程中，流體潤滑和邊界潤滑并存，屬混合摩擦狀態，同時還存在局部干摩擦。

2、冷軋軋制油的作用及性能要求

冷軋軋制油在冷軋軋制過程中具有重要作用，具體表現為潤滑和冷卻兩大作用。在軋制過程中，由于壓力的作用，軋制在變形區會產生彈性變形，而帶材則產生塑性變形。由冷軋軋制油配制的乳化液通過帶材的楔入作用進入變形區，在變形區受到高達1000MPa的壓力和200℃的高溫作用，以及帶材、軋輥的機械破壞作用等，乳化液發生相變，導致油水分離，油核呈裸露狀態附著在鋼板及軋輥上，起到潤滑作用，水和蒸汽則帶走熱量，起到冷卻作用。乳化液的這種變化與冷軋軋制油的離水展著性能有關。

冷軋軋制油的離水展著性能是指從乳化液中游離出油的能力，從而使油能均勻地分布在軋輥和帶鋼表面，并形成油膜。由于油膜可通過降低表面熱傳導系數而起絕熱作用，所以從冷軋的角度來看，期望這種效果應盡可能減少，以保證軋輥和帶鋼的有效冷卻。然而從潤滑角度而言，則希望借助游離油來形成連續的油膜，以滿足潤滑性要求。為了兼顧潤滑和冷卻性能，必須控制冷軋軋制油具有適度的離水展著性。

冷軋軋制油的使用性能直接影響到軋制過程的穩定性和板面質量。為了保證冷軋軋制油能發揮其正常的功能，其應具備以下性能：

◆良好的潤滑性能;

◆良好的冷卻性能;

◆良好的防銹性能；

◆適宜的乳液穩定性；

◆軋后、退火后清凈性好；

◆乳化液維護方便，工作性能穩定；

◆健康環保。

四、鋼板冷軋軋制油的發展歷程及其組成

鋼板冷軋軋制油早在20世紀30年代應得到了應用。早期使用的冷軋潤滑劑是水。由于水的潤滑能力不足，且存在嚴重的銹蝕問題，因此，到二次世界大戰前，冷軋廠改用棕櫚油作為軋制潤滑劑。由于棕櫚油資源有限，促使人們不斷尋找新的代用材料，從而促進了包括動、植物油脂及“代用棕櫚油”等大批其他有機材料的發展。

“代用棕櫚油”的油性組分是由多羥基醇類與諸如C12~C18的飽和或非飽和脂肪酸合成的酯類物質。這些材料具有優異的潤滑性能，可極大地提高冷軋薄板的表面質量。但隨著軋制速度越來越高以及鋼板厚度逐漸減小，該類潤滑劑在冷卻性能方面存在著致命的缺陷，由此誕生了乳化液，乳化技術隨之得以發展。

縱觀近幾十年的專利文獻，鋼板冷軋軋制油的成分基本上選用動、植物油脂、礦物油、合成酯為基礎油，并復配其他各種所需的功能性添加劑，如極壓劑、乳化劑、防銹劑、抗氧化劑和消泡劑等。

不同類型的軋機以及軋制不同規格的帶材，其冷軋軋制油的要求是不一樣的，所使用的軋制油組成也不同。

對于冷軋成品厚度小于0.3mm的鍍錫原板和鍍鋅原板，其所使用的極薄板冷軋軋制油是以動、植物油脂為基本組分，以脂肪酸酯作為油性添加劑，以磷酸酯作為抗磨劑，并添加聚合酸、合成酯、氧化石蠟等添加劑以提高其潤滑性。極薄板冷軋軋制油可直接使用或循環使用，以良好的潤滑性為特征，但通常要經脫脂工序后才能進行退火。

對于軋制成品厚度小于0.4mm的帶材，其所使用的冷軋軋制油是以礦物油、油脂或合成酯為基本組分，添加與極薄板冷軋軋制油類似的添加劑，再輔以表面活性劑等各種功能添加劑。該類冷軋軋制油以軋后帶材不經脫脂而直接進入罩式退火爐退火為特征，要求鋼板表面附著的殘油在退火條件下不污染板面，即要求冷軋軋制油具有良好的軋機清凈性和退火清凈性，但潤滑性要求低于極薄板冷軋軋制油，適用于循環方式。

五、冷軋軋制油發展趨勢

冷軋軋制油在冷軋過程中的作用日益明顯，并隨著冷軋技術、化工原材料制造技術的發展而發展。預測今后冷軋軋制油將呈現下列發展趨勢。

1、健康環保

隨著環保法規的日益嚴格和人們環保意識的不斷加強，要求冷軋軋制油不僅要有實用性，還要有環保性，不對環境以及操作者的健康產生危害。這需要通過煉油技術和潤滑油生產技術的進步，以提高冷軋軋制油基礎油及添加劑的性能，降低其中的雜質和有害物質含量。

2、研發高性能添加劑

為適應冷軋軋制油的發展，未來需研制開發性能優異的功能性添加劑，特別是油性劑、高分子乳化分散劑、極壓抗磨劑及無灰防銹清凈劑等。

在冷軋軋制油中使用的油性劑趨向于性能優良的合成酯類，其具有良好的潤滑性能和清凈性能，在保證潤滑性的同時，盡量降低其揮發溫度，以期獲得退火優異的鋼板表面。目前，油性劑的發展趨勢是使用新戊基多元醇與C10~C16的混合脂肪酸的復合酯。
開發硫含量高、氣味小、活性硫含量低、油溶性好、防腐性能佳且環境友好的高硫添加劑是用于冷軋軋制油的極壓抗磨劑的發展趨勢。

3、開發多功能添加劑

由于在金屬表面油性劑、極壓劑、防銹劑、乳化劑等極性分子之間存在競爭吸附，因此在軋制過程中，冷軋軋制油的潤滑性、極壓抗磨性、防銹性與退火清凈性相互影響，彼此制約。因此，要研制具有多種功能的添加劑來提高冷軋軋制油的使用性能。

4、開發顆粒度控制技術

未來冷軋軋制油的研究將由宏觀轉向微觀，如研究加水后乳化液的乳化特性、顆粒分布、電荷狀態、熱安定性、化學安定性、水解安定性等。使用特殊結構的高分子乳化分散劑和乳化技術，能夠使乳化液既保持較大的顆粒度，又有較高的乳化安定性，使冷軋軋制油同時具有良好的潤滑性和清凈性。

六、結束語

2007年，全球67個主要產鋼國家和地區的粗鋼總產量達1.3435×109t,中國以4.89×108t再次成為全球第一大粗鋼生產國，且粗鋼產量超過第2～8位的總和，占全球總產量的36.4%。鋼鐵產業的發展必將促進冷軋技術的發展。隨著冷軋技術的進步以及鋼板用戶對板面質量要求的提升。化工材料制備技術發展和環保要求的日益提高，也是未來冷軋軋制油發展的驅動力。

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