路紀(jì)軒，黃東海

(好富頓(上海)高級(jí)工業(yè)介質(zhì)有限公司，奎克好富頓集團(tuán)成員，上海 201613)

鋁合金熱軋用的乳液主要起冷卻、潤滑和清洗作用。乳液可以控制輥形，減少軋制時(shí)能量消耗，減輕軋輥表面的磨損及金屬碎屑的粘結(jié)，改善軋制產(chǎn)品的表面質(zhì)量[1]。乳液噴射均勻性對(duì)軋制變形區(qū)的潤滑和冷卻至關(guān)重要，不適當(dāng)?shù)娜橐簢娚涫窃斐绍堓伇砻嫱繉雍穸炔痪档蛶Р谋砻尜|(zhì)量的直接因素[2]。本試驗(yàn)利用某鋁廠1 850 mm單機(jī)架雙卷取熱軋機(jī)，研究了乳液噴射對(duì)其帶材表面質(zhì)量的影響。

1 乳液噴射梁的布置及使用要素

1.1 乳液噴射梁的布置

通常鋁合金熱軋機(jī)的出、入口均有乳液噴射橫梁，按照噴射到工作輥表面的位置不同，初步劃分為輥縫潤滑排和軋輥冷卻排。軋輥冷卻排主要是將乳液噴射在軋輥表面，對(duì)工作輥或支撐輥進(jìn)行冷卻清洗；而輥縫潤滑排主要是將乳液噴射在咬入輥縫區(qū)的上方，對(duì)帶材進(jìn)行冷卻潤滑。因?yàn)楦鲊娚渑诺墓δ茉O(shè)置不同，加上軋制不同合金、規(guī)格的產(chǎn)品對(duì)潤滑條件的要求不同，所以各噴射排是獨(dú)立控制的。

本試驗(yàn)均在四輥1 850 mm單機(jī)架雙卷取熱軋機(jī)上進(jìn)行，工作輥直徑為850 mm，噴射梁為萊克勒公司生產(chǎn)，其布置如圖1所示。由圖1可以看出，出、入口上下工作輥各3排乳液噴射梁，其中2排冷卻工作輥(圖中標(biāo)號(hào)2、3)、1排潤滑輥縫(圖中標(biāo)號(hào)1)。出、入口各1排冷卻上支撐輥(圖中標(biāo)號(hào)4)。每排均有26個(gè)噴嘴，噴嘴間距為75 mm，噴射壓力為250 kPa～800 kPa。

圖1 乳液噴射梁的布置圖Fig.1 Layout of emulsion spray beam

1.2 軋制過程乳液噴射要素

1)乳液噴射壓力

正常噴射乳液時(shí)需系統(tǒng)保持一定的供液壓力，合理的乳液系統(tǒng)壓力能保證在噴嘴處形成扇形的水霧。因?yàn)閲娮斓捷伱嬗幸欢ň嚯x，需考慮相鄰噴嘴射流在輥面沖擊區(qū)域治軋輥軸線方向的重疊量[3](由于噴嘴的噴霧形狀受到地球重力的影響，會(huì)有“邊緣效應(yīng)”產(chǎn)生，所以在多個(gè)噴嘴進(jìn)行布置時(shí)，需要射流沖擊區(qū)域有一定的重疊，以使整個(gè)輥身軸向的乳液噴射均勻[4])，射流在軋輥表面寬度方向上均布成一定斜度，且又互不干涉，如圖2所示。乳液噴射壓力分為噴嘴打開時(shí)的最低壓力、正常工作壓力、管道承受的最高壓力。

2)噴嘴的流量

每個(gè)噴嘴的開關(guān)都能單獨(dú)控制，并用脈沖模式調(diào)節(jié)流量大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)整乳液噴射量的需求。每個(gè)

圖2 均勻的噴射覆蓋面Fig.2 Uniform spray cover

噴嘴有11個(gè)流量控制等級(jí)，如表1所示。10級(jí)為乳液噴嘴設(shè)計(jì)流量的100%噴射量，從0級(jí)～10級(jí)噴嘴流量依次遞增，遞增量為最大流量的10%，0級(jí)時(shí)噴嘴流量為0%，噴嘴處于關(guān)閉狀態(tài)。

表1 噴嘴流量等級(jí)控制Table 1 Nozzle flow level control

3)噴嘴的旋轉(zhuǎn)角度

因?yàn)閲娮焐淞髦g有重疊，所以為防止重疊缺失或互相干擾，噴嘴應(yīng)有少許旋轉(zhuǎn)角(如圖3所示)，根據(jù)噴射梁到軋輥之間距離不同，旋轉(zhuǎn)角有差異，一般為10°～20°[5]。

圖3 噴嘴旋轉(zhuǎn)角度示意圖Fig.3 Schematic diagram of nozzle rotation angle

4)噴射模式

為保證軋輥良好的冷卻，穩(wěn)定軋輥熱凸度，整個(gè)軋制過程中出、入口的軋輥冷卻排的乳液噴射應(yīng)都打開，軋制的每個(gè)道次相對(duì)應(yīng)的入口側(cè)為同一等級(jí)噴射模式。出口側(cè)沿帶材寬度方向采用拋物線形式的噴射模式，即從帶材中間位置向兩側(cè)噴射流量依次減小。

出口側(cè)輥縫潤滑排的乳液始終關(guān)閉。而入口側(cè)要根據(jù)合金種類確定是否打開輥縫潤滑排的乳液噴射：軋制硬合金發(fā)熱量較大、對(duì)潤滑要求較高，為保證帶材表面質(zhì)量，輥縫潤滑排的乳液噴射需打開；軋制軟合金發(fā)熱量相對(duì)較少，輥縫潤滑排的乳液噴射可以關(guān)閉。

2 乳液噴射關(guān)鍵要素對(duì)帶材表面質(zhì)量的影響

1)乳液噴射壓力對(duì)帶材表面的影響

在其他使用要素固定統(tǒng)一的條件下，試驗(yàn)對(duì)比乳液噴射壓力分別為250 kPa、350 kPa、450 kPa時(shí)的軋輥和帶材表面，如圖4所示。

圖4 不同噴射壓力對(duì)軋輥及帶材表面的影響Fig.4 Influence of different injection pressure on the surface of roll and strip

由圖4a可見，當(dāng)乳液噴射壓力較低(250 kPa)時(shí)，噴嘴剛能打開，乳液噴射的流量較小，到達(dá)軋輥表面的乳液量也就相對(duì)較少，在高溫高壓軋制時(shí)產(chǎn)生大量的變形熱在軋輥表面聚集，較少乳液量不能有效帶走熱量，軋輥表面溫度持續(xù)上升，實(shí)測(cè)輥面溫度105 ℃，潤滑失效，促使帶材與軋輥粘結(jié)，形成較厚的軋輥沾鋁涂層，對(duì)應(yīng)到的帶材表面形成嚴(yán)重的表面粘鋁(圖4b)；同時(shí)輥面溫度升高也會(huì)使軋輥熱膨脹，實(shí)際的輥縫比設(shè)定值小，使軋制出的帶材厚度偏薄；并且容易引起帶材在寬度方向上延伸不均，造成嚴(yán)重的板形不良。當(dāng)乳液噴射壓力繼續(xù)上升至350 kPa，此時(shí)乳液流量及射流的扇形面有所增大，乳液噴到軋輥表面時(shí)，在單個(gè)噴嘴射流沖擊區(qū)域的邊緣位置乳液噴射量相對(duì)較少，且在此壓力下相鄰兩噴嘴噴射的邊緣區(qū)域乳液相互覆蓋有限，這就造成了單個(gè)噴嘴噴射的邊緣位置輥面乳液量相對(duì)不足，此處的變形熱不能有效被帶走，使其正對(duì)噴嘴位置的輥面溫度要略低于兩噴嘴之間位置的，實(shí)測(cè)正對(duì)噴嘴位置輥面溫度87 ℃，而兩噴嘴間的輥面溫度94 ℃(圖4c)。輥面溫度的不同影響了局部的潤滑狀態(tài)，從而在軋輥和帶材上顯現(xiàn)出不同的色差帶(圖4d)。當(dāng)乳液噴射壓力繼續(xù)上升且穩(wěn)定至450 kPa時(shí)，乳液能均勻的噴射到軋輥表面，此時(shí)乳液帶走的熱量與軋件變形產(chǎn)生的熱量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，軋輥輥面溫度保持穩(wěn)定，促使乳液的油水分離效果最佳，潤滑良好，在軋輥表面形成厚度適中、堅(jiān)固的鋁粉涂層(如圖4e所示)，從而軋制出較均勻細(xì)膩的帶材表面(圖4f)。

2)噴嘴流量對(duì)帶材表面的影響

在其他要素正常情況下，當(dāng)噴射梁中間某個(gè)噴嘴堵塞沒有乳液流出時(shí)，對(duì)應(yīng)的軋輥表面溫度持續(xù)上升，熱膨脹加大，潤滑失效，導(dǎo)致軋輥與帶材粘接(如圖5a所示)，對(duì)應(yīng)帶材位置形成嚴(yán)重的黑點(diǎn)、黑條缺陷(圖5b)，且此處帶材的厚度要薄于其他正常位置的，生產(chǎn)時(shí)肉眼能觀察到輕微波浪；當(dāng)此處堵塞的噴嘴恢復(fù)正常的乳液噴射量時(shí)，對(duì)應(yīng)帶材位置的黑點(diǎn)、黑條消失。說明通過對(duì)噴嘴噴射流量的單獨(dú)控制，可以改善帶材局部的平整度和表面缺陷。

生產(chǎn)過程中軋輥及帶材的邊部與空氣接觸相對(duì)多，熱量散失比中間的快。當(dāng)在正常噴射壓力下，各噴嘴乳液流量相同時(shí)，軋輥兩邊部溫度較低，熱膨脹較小，邊部輥縫比中間輥縫大，乳液的油水分離相對(duì)較弱，邊部的潤滑較中間要差一些[6]，會(huì)導(dǎo)致帶材邊部有輕微粘鋁發(fā)白的跡象，且?guī)Р倪叢枯^厚，卷取后有翹邊的現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 帶材邊部粘鋁和翹邊Fig.6 Aluminum sticking and warped edge of strip

當(dāng)把與帶材兩邊部所對(duì)應(yīng)的噴嘴的乳液流量由10級(jí)調(diào)整至9級(jí)(圖7a)，兩邊部噴出的乳液量明顯減少后，軋輥及帶材兩邊部溫度有一定上升，邊部的潤滑能力有所提升，帶材兩邊部粘鋁發(fā)白情況消失(圖7b)；同時(shí)軋輥邊部熱膨脹增加，邊部的輥縫相對(duì)原來有所減小，促使帶材邊部厚度有所減薄，消除了翹邊現(xiàn)象。通過噴射流量的分段控制，也可以改善帶材邊部的表面質(zhì)量及平整度。

3)噴嘴旋轉(zhuǎn)角度對(duì)帶材表面的影響

在其他要素正常情況下，當(dāng)兩個(gè)噴嘴的旋轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)偏差時(shí)，在兩噴嘴射流之間的部分輥面上乳液噴射出現(xiàn)缺失(如圖8a所示)，乳液缺失位置的輥面溫度較高，對(duì)應(yīng)帶材表面出現(xiàn)嚴(yán)重色差帶(圖8b)。只有精準(zhǔn)一致的噴嘴旋轉(zhuǎn)角度，才能使噴射的乳液覆蓋輥面更均勻，潤滑效果更佳，軋出的帶材表面更細(xì)膩。

圖7 邊部噴嘴流量等級(jí)減小后的帶材表面Fig.7 Strip surface with reduced flow level of edge nozzle

圖8 噴嘴旋轉(zhuǎn)角度對(duì)軋輥及帶材表面的影響Fig.8 Effect of nozzle rotation angle on roll and strip surface

3 結(jié)束語

現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例說明乳液噴射直接影響熱軋鋁合金帶材表面的粘鋁狀態(tài)、色差、板形等。在實(shí)際生產(chǎn)中要綜合考慮影響乳液噴射的各種因素，只有將各種因素合理地控制在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，才能保證軋制帶材表面質(zhì)量。