【技术】冷轧薄钢板生产及轧制油发展

  【内容提要】概述了国内外冷轧薄板的生产历史及我国冷轧薄板的生产现状。介绍了冷轧过程对冷轧轧制油的要求、冷轧轧制油的发展及组成，预测了未来冷轧轧制发展趋势。

  钢的冷轧始于19世纪中叶的德国，当时只能生产宽度为20~25mm的冷轧钢带。1859年，美国建立了25mm的冷轧机，至1887年，已经能生产宽度为150mm的低碳钢带。1880年以后，冷轧钢带的生产在美国、德国发展非常迅速，不但产品宽度逐步扩大，还逐步建立了附属设备，如剪切、矫直、平整和热处理等设备，产品质量也不断提高。

  宽的冷轧薄板（钢带）是在热轧带钢的基础上发展起来的。1920年，美国首先成功轧制出宽带钢，并很快由单机架不可逆轧制跨入单机架可逆轧制。1926年，阿姆柯公司巴特勒厂建成四机架冷连轧机。

  原苏联于20世纪30年代中期开始生产冷轧板。其第一个冷轧车间建在伊里奇冶金厂，采用四辊轧机，用单张热轧板作原料。1938年，查波罗什工厂开始引进三机架1680mm冷连轧机及1680mm可逆式冷轧机，生产厚度为0.5~2.5mm、宽度为1500mm的钢板。以后，为满足汽车工业发展的需要，该厂又建立了一台2180mm可逆式冷轧机。轧钢之家1951年，原苏联建设了一套2030mm全连续式五机架冷连轧机，产能2.5×106t/a，安装在新利佩茨克。

  日本于1938年在东洋钢板松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始生产冷轧薄板。1940年，日本在新日铁广佃厂建立了第一套四机架1420mm以连轧机。

  1962年，鞍钢冷轧厂建成，成为中国冷轧板生产发源地。当时从前苏联引进了1700mm和1200mm单机架四辊可逆冷轧机，冷轧板卷设计生产能力约为3.0×10(5)t/a。

  1978年，武钢冷轧厂建成。武钢冷轧厂有我国第一套1700mm五机架串列式冷轧机，其工艺设备和技术全部由德国引进，生产冷轧板卷、热镀锌板卷及镀锡板，设计产能为1.0×106t/a。1987年，武钢冷轧厂又增建了彩涂板生产线，使我国冷轧薄板生产技术获得很大改观。

  20世纪80年代末至今，我国轧薄板生产有了空前发展。1989年，宝钢建成2030冷轧厂。该厂建有2030mm五机架无头轧制冷连轧机轧钢之家，主要工艺设备和技术由德国、日本、美国引进，生产冷轧板卷及热镀锌、电镀锌、彩涂板卷，设计产能为2.1×10(6)t/a，使我国冷轧薄板生产迈上新台阶。

  到2007年底，全国40多家企业共建成55套冷轧宽带钢生产线t左右。其中，冷轧机组30多套，产能5.0×10(7)t左右；单机架可逆轧机20多套，产能1.0×10(7)t左右。

  经过40多年的发展，我国冷轧薄钢板生产能力增加了20多倍，生产装备技术水平已由只能生产低碳薄板发展到能生产高碳钢、合金钢、高合金钢、不锈钢等不一样的材质以及冷轧薄板、镀锌板、涂层钢板、塑料复合薄板和硅钢片等不一样的板材。

  冷轧厂生产的基本工艺流程基本类似，但冷轧方式、方法发生了根本性变化。冷轧厂生产工艺主要有5种，其中第1、第2种方法国内外都有，但已逐渐被淘汰。

  第1种方法采用单机架单张钢板生产，从原料到成品生产的全过程以单张钢板方式来进行。这种生产方法产量低，质量差，成材率低。

  第3种方法是成卷生产方法，目前国内较多的单 机架四辊可逆轧机采用的就是这种方法。

  第4种方法是现代冷轧生产方法，出现于20世纪60年代。在冷轧机上装有2台拆卷机、2台轧后张力卷取机和自动穿带装置，并采用了快速换辊、液压压下、弯辊装置、计算机自动控制等新技术。我国武钢鞍钢、攀钢、首钢等均拥有此类轧机。

  1、单一全连续轧机。在常规的冷连轧机前面设置焊接机、活套等机电设施，使冷轧带钢实现不间断轧制。

  2、联合式全连续轧机。单一全连续轧机与酸洗机组联合，称为酸洗联合式全连轧机；单一全连续轧机与连续退火机组联合，称为退火联合式全连轧机。

  3、全联合式全连续轧机。即将单一全连续轧机与酸洗机组及连续退火机组（包括清洗、退火、冷却、平整、检查工序）全部联合起来，是最新的冷轧生产工艺流程。采用全联合式全连续轧机，可将冷轧板带从投料到产出成品由原来的12天缩短至20min。

  在冷轧钢板生产的全部过程中，材质硬度更大的工作辊对钢板进行碾压，使其发生塑性变形，在工作辊及支承辊之间会产生很大的摩擦。其摩擦形式有2 种：

  研究发现，在冷轧薄钢板时，轧辊和轧材之间的摩擦系数界于发生边界摩擦时的摩擦系数和存在流体润滑膜时的流体润滑摩擦系数之间。轧钢之家因此通常认为，在钢板轧制过程中，流体润滑和边界润滑并存，属混合摩擦状态，同时还存在局部干摩擦。

  冷轧轧制油在冷轧轧制过程中具备极其重大作用，具体表现为润滑和冷却两大作用。在轧制过程中，由于压力的作用，轧制在变形区会产生弹性变形，而带材则产生塑性变形。由冷轧轧制油配制的乳化液通过带材的楔入作用进入变形区，在变形区受到高达1000MPa的压力和200℃的高温作用，以及带材、轧辊的机械破坏作用等，乳化液发生相变，导致油水分离，油核呈状态附着在钢板及轧辊上，起到润滑作用，水和蒸汽则带走热量，起到冷却作用。乳化液的这种变化与冷轧轧制油的离水展着性能有关。

  冷轧轧制油的离水展着性能是指从乳化液中游离出油的能力，从而使油能均匀地分布在轧辊和带钢表面，并形成油膜。由于油膜可通过降低表面热传导系数而起绝热作用，所以从冷轧的角度来看，期望这种效果应尽可能减少，以保证轧辊和带钢的有效冷却。然而从润滑角度而言，则希望借助游离油来形成连续的油膜，以满足润滑性要求。为了兼顾润滑和冷却性能，必须控制冷轧轧制油具有适度的离水展着性。

  冷轧轧制油的使用性能直接影响到轧制过程的稳定性和板面质量。为了能够更好的保证冷轧轧制油能发挥其正常的功能，其应具备以下性能：

  钢板冷轧轧制油早在20世纪30年代应得到了应用。早期使用的冷轧润滑剂是水。由于水的润滑能力不够，且存在严重的锈蚀问题，因此，到二次世界大战前，冷轧厂改用棕榈油作为轧制润滑剂。由于棕榈油资源有限，促使人们不断寻找新的代用材料，从而促进了包括动、植物油脂及“代用棕榈油”等大批其他有机材料的发展。

  “代用棕榈油”的油性组分是由多羟基醇类与诸如C12~C18的饱和或非饱和脂肪酸合成的酯类物质。这些材料具备优异的润滑性能，可极大地提高冷轧薄板的表面上的质量。但随着轧制速度慢慢的升高以及钢板厚度逐渐减小，该类润滑剂在冷却性能方面存在着致命的缺陷，由此诞生了乳化液，乳化技术随之得以发展。

  纵观近几十年的专利文献，钢板冷轧轧制油的成分基本上选用动、植物油脂、矿物油、合成酯为基础油，并复配其他各种所需的功能性添加剂，如极压剂、乳化剂、防锈剂、抗氧化剂和消泡剂等。

  不同类型的轧机以及轧制不一样的规格的带材，其冷轧轧制油的要求是不一样的，所使用的轧制油组成也不同。

  对于冷轧成品厚度小于0.3mm的镀锡原板和镀锌原板，其所使用的极薄板冷轧轧制油是以动、植物油脂为基本组分，以脂肪酸酯作为油性添加剂，以磷酸酯作为抗磨剂，并添加聚合酸、合成酯、氧化石蜡等添加剂以提高其润滑性。极薄板冷轧轧制油可直接用或循环使用，以良好的润滑性为特征，但通常要经脱脂工序后才能进行退火。

  对于轧制成品厚度小于0.4mm的带材，其所使用的冷轧轧制油是以矿物油、油脂或合成酯为基本组分，添加与极薄板冷轧轧制油类似的添加剂，再辅以表面活性剂等各种功能添加剂。该类冷轧轧制油以轧后带材不经脱脂而立即进入罩式退火炉退火为特征，要求钢板表面附着的残油在退火条件下不污染板面，即要求冷轧轧制油拥有非常良好的轧机清净性和退火清净性，但润滑性要求低于极薄板冷轧轧制油，适用于循环方式。

  冷轧轧制油在冷轧过程中的作用日益明显，并随着冷轧技术、化工原材料制造技术的发展而发展。预测今后冷轧轧制油将呈现下列发展趋势。

  随着环保法规的日益严格和人们环保意识的慢慢地增加，要求冷轧轧制油不仅要有实用性，还要有环保性，不对环境和操作者的健康产生危害。这一定要通过炼油技术和润滑油生产技术的进步，以提高冷轧轧制油基础油及添加剂的性能，降低其中的杂质和有害于人体健康的物质含量。

  为适应冷轧轧制油的发展，未来需研制开发性能优异的功能性添加剂，特别是油性剂、高分子乳化分散剂、极压抗磨剂及无灰防锈清净剂等。

  在冷轧轧制油中使用的油性剂趋向于性能优良的合成酯类，其拥有非常良好的润滑性能和清净性能，在保证润滑性的同时，尽可能降低其挥发温度，以期获得退火优异的钢板表面。轧钢之家目前，油性剂的发展的新趋势是使用新戊基多元醇与C10~C16的混合脂肪酸的复合酯。

  开发硫含量高、气味小、活性硫含量低、油溶性好、防止腐烂的性能佳且环境友好的高硫添加剂是用于冷轧轧制油的极压抗磨剂的发展趋势。

  由于在金属表面油性剂、极压剂、防锈剂、乳化剂等极性分子之间有竞争吸附，因此在轧制过程中，冷轧轧制油的润滑性、极压抗磨性、防锈性与退火清净性相互影响，彼此制约。因此，要研制具有多种功能的添加剂来提高冷轧轧制油的使用性能。

  未来冷轧轧制油的研究将由宏观转向微观，如研究加水后乳化液的乳化特性、颗粒分布、电荷状态、热安定性、化学安定性、水解安定性等。使用特殊结构的高分子乳化分散剂和乳化技术，能够使乳化液既保持较大的颗粒度，又有较高的乳化安定性，使冷轧轧制油同时拥有非常良好的润滑性和清净性。