李 巖，夏 壘，王科強(qiáng)，王 青

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院；3.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院)

在全球倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下,“節(jié)能減排”已經(jīng)成為我國(guó)的基本國(guó)策之一和國(guó)家加強(qiáng)宏觀調(diào)控的重點(diǎn)[1]。鋼鐵行業(yè)是我國(guó)主要的高能耗行業(yè)之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗占全國(guó)總能耗的16.3%,而鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值只占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3.2%[2-3]。為了響應(yīng)國(guó)家政策、順應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流,鋼鐵行業(yè)需要加大技術(shù)升級(jí)力度,提高工業(yè)用能效率[4-6]。

冷軋帶鋼是重要的鋼材品種之一,其產(chǎn)量占鋼材總產(chǎn)量的10%以上,且由于存在巨大的市場(chǎng)需求,其產(chǎn)量占比呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此,在冷軋帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中采用節(jié)能技術(shù)是鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排,發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。

研究發(fā)現(xiàn),采用合適的潤(rùn)滑工藝可以降低冷軋過(guò)程中的摩擦因數(shù)和軋制壓力,降低軋制能耗及軋輥輥耗,增強(qiáng)軋機(jī)軋制能力,改善產(chǎn)品表面質(zhì)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(duì)無(wú)間隙原子(IF)鋼薄板的冷軋過(guò)程進(jìn)行潤(rùn)滑,并通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)比分析有無(wú)金屬加工液潤(rùn)滑情況下的過(guò)程能耗,以探究潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)帶鋼冷軋過(guò)程節(jié)能降耗和軋機(jī)軋制能力的影響及其內(nèi)在作用原理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 冷軋?jiān)囼?yàn)

冷軋?jiān)囼?yàn)鋼板材質(zhì)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?jiān)囼?yàn)在四輥軋機(jī)上進(jìn)行,軋機(jī)的工作輥直徑為95 mm,支撐輥直徑為200 mm,輥身長(zhǎng)度為200 mm,軋制轉(zhuǎn)速為60 r/min。

表1 IF鋼的化學(xué)元素組成

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

表2 乳化油主要性能參數(shù)

記錄冷軋?jiān)囼?yàn)中的主電機(jī)功率和試樣軋制后的厚度,考察使用不同乳化液潤(rùn)滑時(shí)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(shí),軋制試樣及軋輥表面先用丙酮(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,純度99.0%以上)清洗干凈,再用醫(yī)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(yàn)結(jié)果[10]。

1.2 摩擦學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)

采用濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的MRS-10A型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),在載荷為(392±5)N,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的條件下進(jìn)行摩擦磨損長(zhǎng)磨試驗(yàn)[10],試驗(yàn)時(shí)間為30 min,測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦因數(shù),比較不同乳化液的減摩性能。試驗(yàn)所用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的一級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球,鋼球直徑為12.7 mm,洛氏硬度為61～65 HRC[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能

在實(shí)際工程應(yīng)用中,實(shí)測(cè)的鋼-鋼之間接觸的平均滑動(dòng)摩擦因數(shù)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(yàn)分別測(cè)定了2種乳化液的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化,結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,使用乳化液LP-1進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí),摩擦因數(shù)從0.095迅速降低到0.080,之后在0.072～0.088范圍內(nèi)上下波動(dòng);使用LP-2潤(rùn)滑時(shí),摩擦因數(shù)在0.068～0.076范圍內(nèi)波動(dòng)。整體來(lái)看,使用LP-1潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)較LP-2的更大,兩者的平均摩擦因數(shù)分別為0.079 5 和0.071 7,說(shuō)明兩種乳化液均能夠降低鋼-鋼之間的接觸滑動(dòng)摩擦因數(shù),并且LP-2的減摩性能比LP-1更優(yōu)異。此外,使用LP-2潤(rùn)滑時(shí)摩擦因數(shù)的變化幅度相對(duì)較小,說(shuō)明其減摩性能更加穩(wěn)定。

圖1 不同乳化液潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)

2.2 潤(rùn)滑劑使用對(duì)軋件最小可軋厚度的影響

在四輥軋機(jī)上對(duì)IF鋼板進(jìn)行軋制試驗(yàn),分別使用乳化液LP-1和LP-2作為潤(rùn)滑劑,并與無(wú)潤(rùn)滑劑的情況進(jìn)行了對(duì)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(gè)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(wú)潤(rùn)滑條件相比,使用乳化液潤(rùn)滑時(shí)每個(gè)軋制道次后鋼板的厚度都相對(duì)更小。此外,在兩種乳化液潤(rùn)滑情況下,初始2個(gè)軋制道次二者作用效果相同;隨著軋制道次增加,LP-2的潤(rùn)滑作用效果比LP-1更好,軋制后鋼板厚度更小。無(wú)潤(rùn)滑、LP-1潤(rùn)滑、LP-2潤(rùn)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(jiàn),使用乳化液LP-1和LP-2潤(rùn)滑,軋件最小可軋厚度分別降低了17.4%和30.4%。若以無(wú)潤(rùn)滑劑時(shí)鋼板的最小可軋厚度作為終軋厚度,使用LP-1和LP-2進(jìn)行潤(rùn)滑可以分別節(jié)省1個(gè)和2個(gè)軋制道次,從而提高了生產(chǎn)效率。

圖2 不同軋制道次后的鋼板厚度

表3 不同軋制狀態(tài)鋼板的最小可扎厚度

由Stone平均單位壓力公式可以推導(dǎo)出軋輥彈性軋制時(shí)材料最小可軋厚度(hp)的計(jì)算式[12-13],見(jiàn)式(1)。從式(1)可知,材料最小可軋厚度與摩擦因數(shù)、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(guān)。

(1)

上述試驗(yàn)中,3種軋制情況下采用相同的軋機(jī),因此軋輥直徑和軋輥彈性模量均相同;本試驗(yàn)采用單機(jī)架軋制,軋制過(guò)程中不設(shè)置張力參數(shù)。因此在其他參數(shù)相同的情況下,軋件的最小可軋厚度與軋制過(guò)程中的摩擦因數(shù)和材料變形抗力均呈正比例關(guān)系。一般情況下,材料的變形抗力在冷軋過(guò)程中隨著壓下率的增加而逐漸升高[14]。無(wú)潤(rùn)滑條件下IF鋼的壓下率最小,LP-2潤(rùn)滑時(shí)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?yàn)長(zhǎng)P-2潤(rùn)滑>LP-1潤(rùn)滑>無(wú)潤(rùn)滑。然而,采用乳化液潤(rùn)滑時(shí)軋件的最小可軋厚度變小。由此可知,使用LP-1和LP-2潤(rùn)滑時(shí)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(guò)程中的摩擦因數(shù),并且摩擦因數(shù)降低對(duì)軋件最小可軋厚度的影響超過(guò)了軋件變形抗力提高造成的影響。采用LP-2潤(rùn)滑時(shí)摩擦副間的摩擦因數(shù)比LP-1潤(rùn)滑時(shí)更低,因此得到的軋件最小可軋厚度也更小。

2.3 潤(rùn)滑劑使用對(duì)主電機(jī)功率的影響

軋制過(guò)程中使用潤(rùn)滑劑降低了摩擦副間的摩擦因數(shù),從而減少了軋制過(guò)程界面摩擦的能量消耗,因此在軋制過(guò)程中使用潤(rùn)滑劑可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。為了探究軋制過(guò)程中使用潤(rùn)滑劑的節(jié)能效果,在軋制過(guò)程中收集了各軋制道次的主電機(jī)功率數(shù)據(jù),結(jié)果如圖3所示。從圖3可知:與無(wú)潤(rùn)滑劑時(shí)相比,采用乳化液潤(rùn)滑后各軋制道次的主電機(jī)功率總體更低(第6道次較為異常)。統(tǒng)計(jì)9個(gè)道次的主電機(jī)功率結(jié)果可知:使用LP-1和LP-2潤(rùn)滑時(shí)的電機(jī)總功率較無(wú)潤(rùn)滑劑工況分別降低了2.63%和3.35%;而若以無(wú)潤(rùn)滑時(shí)鋼板最小可軋厚度作為終軋厚度,使用LP-1和LP-2潤(rùn)滑時(shí)電機(jī)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(jī)功率

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

(2)

式中:N為主電機(jī)功率,W;N軋為軋制功率,W;η為電機(jī)傳動(dòng)到軋機(jī)的效率。一般情況下,電機(jī)齒輪傳動(dòng)的效率η為0.96～0.98,皮帶傳動(dòng)的效率η為0.85～0.90。

而軋制功率的計(jì)算利用式(3)進(jìn)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(guò)程中的摩擦因數(shù)和軋輥的角速率有關(guān)。

(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(guò)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(guò)程中主電機(jī)功率與材料變形抗力(K)呈正比例關(guān)系,而摩擦因數(shù)對(duì)主電機(jī)功率的影響則無(wú)法直接得到。

圖4 不同摩擦因數(shù)情況下的理論主電機(jī)功率

由圖4可知,軋制過(guò)程中降低摩擦因數(shù)有利于降低主電機(jī)功率,從而降低能耗。圖4中的主電機(jī)功率計(jì)算結(jié)果與軋制試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果(圖3)有一定差異,其原因主要是計(jì)算中沒(méi)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(shí),試驗(yàn)測(cè)得的摩擦因數(shù)只是表征不同乳化液潤(rùn)滑時(shí)摩擦因數(shù)的相對(duì)大小,與實(shí)際摩擦因數(shù)并不相同。因此,由以上參數(shù)計(jì)算得到的結(jié)果可以定性分析摩擦因數(shù)對(duì)主電機(jī)功率的影響趨勢(shì)。由圖4可知,軋制過(guò)程中的摩擦因數(shù)越小,主電機(jī)功率越低。

圖3中第6道次使用LP-1和LP-2潤(rùn)滑時(shí)的主電機(jī)功率較無(wú)潤(rùn)滑時(shí)更大,原因可能是:雖然采用LP-1和LP-2潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)較無(wú)潤(rùn)滑時(shí)更低,但是軋件的壓下率更大,從而導(dǎo)致材料的變形抗力增加的更多;由以上分析可知,主電機(jī)功率與材料變形抗力和摩擦因數(shù)均呈正相關(guān),在第6道次中材料變形抗力對(duì)主電機(jī)功率的影響超過(guò)了摩擦因數(shù)的影響。在圖3的第5和第6軋制道次中,LP-2潤(rùn)滑時(shí)的主電機(jī)功率比LP-1潤(rùn)滑時(shí)更大,主要是因?yàn)樵?個(gè)道次的實(shí)際軋制過(guò)程中LP-2潤(rùn)滑時(shí)材料的壓下量更大,導(dǎo)致材料的變形抗力增大,進(jìn)而使主電機(jī)功率升高。但對(duì)比整個(gè)軋制過(guò)程,LP-2較LP-1潤(rùn)滑時(shí)的主電機(jī)功率更小,節(jié)能效果更好。

3 結(jié) 論

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

(2)采用乳化液LP-1和LP-2進(jìn)行工藝潤(rùn)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(guò)9個(gè)道次的軋制,采用LP-1和LP-2潤(rùn)滑時(shí)主電機(jī)總功率分別降低了2.63%和3.35%。若以無(wú)潤(rùn)滑時(shí)鋼板的最小可軋厚度作為終軋厚度,采用LP-1和LP-2潤(rùn)滑可分別減少1個(gè)和2個(gè)軋制道次,總功率可分別降低8.61%和15.31%。

(3)通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)得出:LP-2潤(rùn)滑比LP-1潤(rùn)滑時(shí)具有更低的最小可軋厚度和更小的主電機(jī)功率,其主要原因在于采用LP-2潤(rùn)滑時(shí)軋制過(guò)程中的摩擦因數(shù)更小。