冷軋軋制油與帶鋼表面清凈性關系研究

萬福成（河南信陽職業技術學院）

胡深國（中國石化洛陽石油化工工程公司）

【內容提要】冷軋軋制油在冷軋過程中起著非常重要的作用，能夠潤滑板帶和軋輥，降低摩擦力，帶走熱量，并起到沖洗作用，從而得到較好的帶鋼表面質量。本文對冷軋軋制油與帶鋼表面清凈性的關系進行了研究，指出冷軋軋制油的組成和性能是影響冷軋軋制后及退火后帶鋼表面清凈性的主要因素，而現場使用條件的完善是冷軋軋制油獲得良好應用的保證。

隨著市場競爭的日趨激烈，用戶對產品的內在性能及表面質量提出了更高的要求。在汽車、家電等行業對于板型、性能、表面質量的幾項要求中，冷軋帶鋼的表面質量占有越來越受到關注。帶鋼表面的清凈性一般以帶鋼表面的殘鐵量、殘油量、油燒斑量和退火后的殘炭量的多少來衡量。帶鋼表面的清凈性對鍍鋅產品的影響更為明顯，軋后帶鋼表面的殘留物過多不但要消耗大量的清洗性化工原料，而且如果帶鋼表面的清凈性達不到要求，還易形成鋅粒、鋅疤、鋅層脫落等缺陷。因此，提高軋后帶鋼表面的清凈性是提高產品表面質量的關鍵環節。

冷軋帶鋼表面殘留物的數量除了與熱軋原料組成、熱軋原料的酸洗質量、軋輥的粗糙度、機架乳化液的流量、軋制速度、道次壓下量、軋制溫度、乳化液系統的構成等因素有關外，與軋制工藝潤滑劑的組分、軋制油的相關性能和現場應用條件也有密切的關系。

近年來，隨著對軋制油及軋制變形區內潤滑狀況的研究不斷深入，軋制油的使用應盡可能地在軋制變形區內形成連續且厚度均勻的潤滑膜，這不僅有利于降低磨損，減小軋制負荷，更有利于提高軋后帶鋼的表面清凈性。

一、冷軋軋制油的組成對軋后及退火后帶鋼表面清凈性的影響

冷軋軋制油主要有抗氧劑、油性添加劑、極壓添加劑、防銹劑、表面活性劑和消泡劑等組分組成。

1、抗氧劑及其作用

氧化是使油品質量變壞和消耗增大的原因之一。氧化產生的酸性物質、水及油泥等會造成金屬的嚴重腐蝕。由于軋制過程常處于高溫、高壓條件下，會加速油品的氧化過程。

軋制油中所使用的抗氧劑一般為鏈反應終止劑。自由基鏈反應終止的原理是：通過一個活潑氫原子給過氧基一個氫原子，生成較穩定的化合物而使鏈反應終止。軋制油在儲存、循環使用以及軋后在鋼板表面上的殘留油必須有良好的抗氧化效果，以利于避免軋后油燒和退火時鋼板表面高分子聚合物的形成。抗氧劑的使用還可有效提高軋制油的初始氧化溫度（２０~５０℃）。軋制油中所使用的抗氧劑一般為酚類和胺類化合物。

2、油性劑及其作用

油性劑的作用主要是對金屬表面有一種吸附力。油性劑靠物理吸附或化學吸附定向地排列在金屬表面，生成牢固的吸附膜，并且２個分子的極性團吸在一起成為一對。

油性劑的種類很多，常用的有動植物油脂、高級脂肪酸，高級脂肪醇、合成型的脂肪酸酯等。蓖麻油、棕櫚油、牛脂、豬油、菜籽油、棉籽油、大豆油、鯨魚油等部屬于動植物油脂。動植物油脂具有良好的潤滑性能和負承載能力，但抗氧化性能及低溫流性能較差，易水解，不經過電解脫脂直接退火后鋼板表面清凈性差；動植物油脂的氧化安定性也較差，這主要是其脂分子中甘油部分的第二羥基所致。一般高皂化值、分散型冷軋軋制油使用該類油性劑。這類軋制油一般用于具有電解脫脂工序且對潤滑性要求極高的極薄板軋制過程中。

酯類油性劑與其它油性劑相比，其耐高溫性能、抗氧化性能、抗水解性能、黏溫性能，黏壓性能及潤滑性能良好。因此，酯類油性劑是用于軋制油中性能最好、發展最快的油性劑之一。在一般的軋制油配方中所采用的油性劑均為合成酯類油性劑，根據反應產物的酯基含量可分為單酯、雙酯、多元醇酯和復酯等。由于單酯及雙酯均含有β-氫原子，耐高溫及抗氧化能力較差，因此在軋制油中極少使用這類油性劑。如果用烷基取代β—碳原子上的氫，就可以獲得高溫性能較好的合成酯。β—碳原子上無氫的醇類主要指新戊基多元醇類，如三羥甲基丙烷、三羥甲基乙烷、季戊四醇等。

用上述新戊基多元醇與Ｃ５-Ｃ１８的直鏈或支鏈脂肪酸合成的阻化酯在高溫下不會出現環狀中間產物，它們分解時按自由基的機理進行。這種阻化酯在分解時所需能量較高，因此具有較好的耐高溫、抗氧化及抗熱分解性能。在軋制油中經常使用這類多元醇酯。

用于軋制油中的多元醇油性劑的典型數據見表１。

表１　用于軋制油中的多元醇酯油性劑的典型

由表１可以看出，隨著合成酯黏度的增大，殘炭量略有增加，潤滑性變好，但退火漬凈性有明顯下降的趨勢。所以在選用合成酯類油性劑時，除了要考慮潤滑性以外，必須滿足清凈性的要求。

3、極壓劑及其作用

鋼材在重負荷下工作時，摩擦部件由于受到高溫、高壓作用，經常處于邊界潤滑條件下，摩擦點的溫度和壓力都比較高。在這種情況下，單純靠油性劑不能保證可靠的極壓性和潤滑性，往往要加入一些極性化合物，使其與金屬發生化學反應，生成熱穩定性高的邊界油膜，以改善潤滑狀態，降低摩擦磨損，防止擦傷、燒結，保證在苛刻條件下有良好的潤滑作用。

含有硫、磷、氯等活性元素的極壓劑在高溫、高壓條件下與金屬表面發生化學反應，在金屬表面凸處生成化合膜。該化合膜擴展至凹處，可形成一層平滑的極壓膜，該極壓膜具有較低的剪切強度，是不易大面積擦傷的無機膜。

由于冷軋軋制過程是塑性變形，而塑性變形可產生低能電子的釋放，因此，在鋼板冷軋過程中，在鋼板表面會產生正、負電荷點，正電荷形成正Fe離子，而負電荷則形成外逸的低能電子。外逸電子與靠近摩擦新生表面上的添加劑組分形成陰離子或自由基：
M（添加劑分子）+e——(MR)-1+R·(自由基)

產生的陰離子與鋼鐵表面反應，自由基R·的反應可以生成聚合物覆蓋在帶鋼表面上。

用于冷軋軋制油中的一些元素的電子親和力見表２。.

表２一些元素的電子親和力

由表２可以看出，一種元素的電子親和力越大，越容易陰離子化，對鋼板表面的反應性越強。由于含氯化合物會使乳化液出現破乳問題，因此在軋制油中很少使用含氯極壓劑。

極壓劑對軋制油性能的影響見表３。

表３　極壓劑對軋制油性能的影響

注：①清凈性０級最好，５級最差；②油燒A級最好，C級最差。

由表３可見，極壓劑的極壓潤滑性都較好，但對軋制油的抗油燒性能有較大的影響，它直接影響冷硬卷和退火后鋼板的表面質量；極壓劑的退火清凈性也都不理想。因此，在選擇極壓劑時，應綜合考慮其各方面的性能。

4、防銹劑及其作用

鋼板軋制后會有一部分乳化液夾帶到帶卷中，在溫度（80~130℃）、空氣、水分和鐵粉及其它因素的作用下，在鋼板表面形成塊狀銹斑即油燒。油燒部位在后續道次的軋制和退火時逐漸延伸、擴大，加劇退火后在板帶表面形成黑斑。

要減少油燒的產生，一方面，軋機末機架的吹掃系統應盡量吹走殘留的水分，使油膜鋪展得更均勻，不產生殘留油的積聚；另一方面，可在軋制油中加入一定量的不影響其退火清凈性的防銹劑，以減少思后鋼板表面產生油燒的可能性。

5、表面活性劑及其作用

為了制備穩定的油/水乳化液，必須加入表面活性劑。表面活性劑的分子由親油基和親水基兩部分組成。當表面活性劑溶于水中時，每個分子的親水基與水面接觸，親油基向上，一個一個地豎在水面上。

為了制成良好的乳化油和軋制油，對乳化劑的要求是乳化率高、用量小、對金屬無腐蝕，同時最好要有一定的緩蝕性。

乳化劑種類繁多，按離子結構可分為非離子型乳化劑（如聚氧乙烯醚類、聚氧乙烯酯類等）、陰離子型乳化劑（如季銨鹽類）等。傳統的表面活性劑對乳化液中的油粒子保護性差，油粒子的尺寸變化范圍大，影響軋制過程的穩定性。另外，傳統的表面活性劑對軋制過程中產生的鐵粉分散性不好，極易污染軋機和鋼板表面，嚴重影響軋機清凈性和鋼板的退火清凈性。乳化體系除使用非離子型高分子表面活性劑外，又配合使用非離子型高分子表面活性劑，對穩定乳化液中油粒子的大小和鐵粉的分散具有良好的效果，對軋制過程的穩定和對軋后鋼板的表面清凈性起到非常重要的作用。乳化劑的作用情況見圖１。

圖1 乳化劑的作用情況

6、抗泡劑及其作用

抗泡劑又稱消泡劑。軋制油在長時間的使用過程中，由于噴嘴和機械攪拌不斷剪切，同時由于鐵粉及其它雜質的混入，使乳化液的表面張力下降，在乳化液的上層表面產生大量的氣泡。這些氣泡會使操作工序變得困難，造成乳化液箱常常產生溢流．使得軋制油的消耗上升，濃度控制波動大，操作環境惡化。乳化液中大量氣泡的存在還會使噴涂到鋼板上的乳化液的均勻性和連續性變差，從而影響鋼板的表面清凈性。

目前軋制油中最常用的抗泡劑是硅油，它是無色透明的油狀液體，由無機質的Ｓi-O鍵和有機基組成。

二、冷軋軋制油的性能與軋后退火后帶鋼表面清凈性的關系

由不同組分組成的軋制油，其組分之間的配伍性能相當重要，如軋制油的抗油燒性能、退火清凈性等。但軋制油的熱揮發性能，離水展著性能、潤滑性能、乳化液顆粒大小分布等性能也非常重要，它們是直接影響軋制油獲得良好應用效果的關鍵。

1、熱揮發性能

由于在軋制過程中變形區的正常溫度在150~250℃，因而要求軋制油在150℃以前盡可能不揮發。如果揮發度太低，在變形區內的軋制油組分在沒有發揮其作用以前就已經揮發掉了。但軋制油的最大揮發溫度也不能太高，否則會影響鋼板的退火清凈性能。一般來說，軋制油的初始揮發溫度應大于180℃，揮發度最大時的溫度在390-420℃之間，500℃時的殘留物應小于0.5%。軋制油的這些指標基本與現場退火工藝要求一致，從性能組成上滿足了生產的實際要求。

國內市場上使用的相關軋制油的熱揮發性能指標見表４。

表4 軋制油的熱揮發性能

（1）離水展著性能

軋制油經加水乳化后用于軋制鋼板，其潤滑性能和冷卻性能不是孤立的，而是以離水展著性能（plate-out）來表征。其現象是噴射到軋輥及帶鋼上乳化液開始為水包油型，當溫度超過100℃時，隨著水的汽化，軋制乳化液本身發生變化，使油鋪展在鋼板表面上。這時，軋制乳化液潤滑門頭溝能的好壞直接與相變后的成膜情況、分子層極性及油膜強度密切相關。因此，合適的離水展著性能是控制軋制油潤滑性和冷卻性的關鍵。

選用冷軋軋制油，除了要考慮軋制油的分子層厚度（膜重量）、極性及油膜強度，還要考慮它的成膜情況。國產及進口軋制油在50℃時用5%乳化液測定的分子膜重及成膜情況見表5.

表5 軋制油的分子膜重及成膜情況

由表5可見，無論國產還是進口軋制油，都有合適的分子層厚度和較好的成膜性。

（2）潤滑性能

軋制油在軋制變形區內的潤滑狀態主要是邊界潤滑和流體潤滑的混合潤滑狀態，要求根據軋機的實際工況條件，大幅度提高潤滑性，減小摩擦力。一般來說，軋制油的油膜強度強（PB值）應大于850N，磨痕直徑應小于0.45mm，Falex 值應大于11120N，軋制油的潤滑性能才能滿足要求。

國產軋制油與進口軋制油的潤滑性能指標見表6.

表6 軋制油的潤滑性指標

由表6 可以看出，國產軋制油及進口軋制油均有良好的極壓抗磨性能，這是獲得良好的軋后帶鋼表面清凈性的保證。

2、乳化液的顆粒度分布

一般來說，軋制油在工業應用過程中的油顆粒平均直徑在3.5~6.5μm 之間時，軋制油的狀態為亞穩定狀態，只要系統中的循環及攪拌運行良好，這種狀態的軋制油能獲得良好的使用效果；當軋制油的油顆粒直徑超過6.5μm時，乳化液變得極不穩定，油水分離現象加劇，油耗增加；當軋制油的油顆粒直徑小于3.5μm時，乳化液變得較為穩定，在軋制變形區內油水分離困難，無法形成鋪展均勻的潤滑油膜，嚴重影響軋后帶鋼表面的清凈性。國產油與進口油在14天的循環時間內的油顆粒平均直徑分布情況見表7.

表7 軋制油的油顆粒度平均直徑分布情況

由表7可見，在14天的循環時間內，國產油和進口油的油顆粒平均直徑的分布都較為穩定。

三、冷軋軋制油的應用與軋制后及退火后帶鋼表面清凈性關系

軋后及退火后的板面殘留物主要來自冷軋過程。在高溫、高壓的軋制變形區內，帶鋼與軋輥發生磨損，產生大量直徑在納米級的鐵粉微粒。這些鐵粉微粒的存在既加劇了磨粒磨損，又增加了在帶鋼表面的吸附面積，進而吸附更多的軋制油及其他形式的碳氫化合物，形成表面殘留物。

在工業應用現場，影響帶鋼表面清凈性的因素除了軋制油的性能、現場的操作工藝、軋輥、熱軋原料、酸洗后帶鋼的表面質量、乳化液流量等之外，乳化液的使用及其維護是最關鍵的因素。

軋后帶鋼表面清凈性不佳主要是由潤滑不足造成的。潤滑性能主要由以下因素決定：

◆乳化液的濃度。

◆乳化液的皂化值

◆乳化液中雜油含量。

◆乳化液溫度。

◆乳化液中氯離子含量。

◆PH值

◆鐵含量；

◆箱體容量的大小；

◆乳化液顆粒度直徑的大小；

◆箱體中磁過濾及撇油系統的狀態及位置等。

1、乳化液的濃度

在現場，乳化液濃度是保證潤滑的最重要因素。在一定范圍內提高系統濃度，加強潤滑，可改善帶鋼表面的清凈性。對雙系統的乳化液循環體系，若B系統對潤滑的要求很低，則乳化液濃度應遠低于A系統，以減少板面的殘油。

2、乳化液的皂化值

皂化值是反映乳化液中活性油含量的指標，皂化值高說明乳化液中軋制油含量高而雜油少，這樣的乳化液較同濃度下低皂化值的乳化液潤滑性能好，故在清潔度上也明顯高于后者。

3、乳化液中雜油含量

軋機上的液壓潤滑，齒輪軸承的稀油潤滑和油膜軸承潤滑系統都不同程度地存在泄漏。這些油多為抗乳化油，含有破乳劑或影響HLB（水油兩親平衡）的表面活性劑，如侵入乳化液中會破壞乳化液的穩定性，其中灰分、殘炭含量均遠高于軋制油。大量雜油的侵入必然造成乳化液中的灰分、殘炭增加，影響清潔度。雜油侵入還會造成潤滑不良，產生更大量的鐵粉，使乳化液呈灰色，穩定性差，是影響帶鋼表面清潔度的主要因素。

油膜軸承油粘度大，也具有破乳特性，它的侵入增大了乳化液的顆粒度，同時由于粘度大，易在板面上附著。液壓油不含表面活性劑，其組分主要是粘度與軋制油較接近的礦物油，所含灰分也較少，故一般認為乳化液中可以包容15%左右的液壓油而不至于造成太大的影響。雜油的侵入量可以通過皂化值來判斷。當皂化值下降較快時，就應懷疑有雜油漏入。此時應加強撇除浮油，開啟磁性過濾器除去鐵粉及所吸的油。若泄漏量較大時，應考慮乳化液部分排放甚至全部排放后重新配制。

4、乳化液溫度

溫度在工藝潤滑中具有舉足輕重的地位，乳化液溫度必須嚴格控制在工藝要求范圍內，溫度過高或過低都不利于潤滑和清潔度的保持。溫度過低有利于細菌繁殖，造成乳化液腐敗，但較低的溫度也不利于軋制油中的極壓添加劑等成分發揮作用，從而影響潤滑；溫度過高則分子熱運動加劇，乳化液顆粒度會逐漸增大，穩定性下降，老化過程加快。輥面溫度同樣起著重要作用。現場發現，剛換輥后軋制的帶鋼普遍較黑，而在軋制300-400噸以后，輥面溫度及狀態均較為理想，帶鋼表面也亮起來。對潤滑油的有關理論普遍認為，變形區溫度存在五最佳范圍有利于軋制油潤滑性能的發揮，冷輥剛上機時溫度過低，影響潤滑，故清潔度較低。

5、乳化液中氯離子含量

酸洗來料、廠房環境、水源都可能引起乳化液的污染，其中以酸洗來料和水帶入的氯離子影響最大。若乳化液中氯離子含量高，則會影響乳化液顆粒度，還會引起板面腐蝕，情況嚴重時還會造成乳化液破乳，故對酸洗來料表面狀況和水質應嚴加控制。

6、乳化液PH值

若乳化液PH值過高，會引起乳化液顆粒度減小，乳化液過于穩定，造成潤滑不良，從而影響帶鋼表面的清凈性。一般來說，系統的PH值在5-7范圍內較為合適。

7、乳化液鐵含量

一般情況下，乳化液中的鐵粉含量高，其鐵皂量必然增高。乳化液中鐵粉及鐵皂量若不能降下來，則會隨著乳化液一起重新進入供油區，當再次噴射到機架內時，易粘附在帶鋼表面，使帶鋼表面清凈性下降。

8、乳化液箱體容量的大小

乳化液箱體容量的大小對帶鋼表面度也有較明顯的影響。在同等條件下，箱體的容積越大，對應的鋼板表面度也較高。對容量較大的乳化系統，乳化液從回流至箱中到重新輸送至機架之間的相對靜止時間較長，這可起到以下作用：

◆潤滑成分在輥縫中的老化損失可以有相對長的時間進行補充，經強烈剪切作用而變小的乳化液顆粒平均直徑大小能夠得以恢復；

◆雜油等外來物質有相對較長的時間可以上浮；

◆鐵粉、灰分、機械雜質等有時間沉淀，以保持乳化液的清潔。

在實際生產中，一般要求乳化液在箱體的停留時間在20-25分鐘為宜。

9、乳化液顆粒度直徑的大小

乳化液良好的顆粒度分布是實現良好潤滑的基礎。顆粒度過大，則乳化液不穩定，油易析出；顆粒度過小，則乳化液過于穩定，油膜不易形成，造成潤滑不足。乳化液中的PH值、雜油、剪切作用、鐵粉含量等因素均可影響顆粒度分布，進而影響潤滑和清潔度。

新配制的乳化液顆粒度往往較大，需要1個班以上的連續運行才能夠獲得理想的顆粒度分布，在這之前軋出的帶鋼清潔度一般都不能讓人滿意。在大量加油后，乳化液的顆粒度同樣會有所增大，軋出的帶鋼表面殘油量大，板面較黑。采用泵前小流量的加油方式可減小一次大量加油對乳化液顆粒度的影響。

10、箱體中磁過濾器及撇油系統的狀態及安裝位置

箱體中磁過濾器的結構、運行及安裝位置主要影響乳化液中的鐵粉、鐵皂和雜油含量。磁過濾器的有效過濾面積越大越好，其運行速度越慢越好，這樣有利于減少軋制油有效組分的帶出量。磁過濾器及撇油器的安裝位置應處于相對靜止的區域，有利于鐵皂及雜質油的浮出。

四、結束語

冷軋軋制油的組成和相關性能對軋后及退火后帶鋼表面的清凈性有極大的影響，主要體現在軋制油的熱揮發性能、離水展著性能、潤滑性能、乳化液顆粒大小分布等性能指標上。現場使用條件的改善是冷軋軋制油獲得良好應用效果的保證。