Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Смазочные материалы для процессов прокатки
Главная страницаКарта сайтаe-mail

23.11.2012
Смазочные материалы для процессов прокатки

1. Обзор

Процессы формования классифицируют в соответствии со способом приложения деформирующей силы по стандарту DIN 8582. Соответственно, процессы прокатки относятся к формованию в условиях сжатия. Основываясь на количестве производимых полупродуктов, прокатка является одним из наиболее важных процессов в технологии формования. Прокатка позволяет перерабатывать стальной сляб, блюм, круглый или квадратный пруток в готовую продукцию или полуфабрикаты.
   Основное формование происходит при высокой температуре, что позволяет использовать более низкие усилия, возникающие при прокатке, а также получать полуфабрикаты с мягкой структурой, приемлемые для дальнейшей обработки. Полугорячее формование в значительной степени используют только в области прокатки. С другой стороны, холодная прокатка является особым процессом, особенно с точки зрения возрастающих требований к качеству получаемой поверхности.
   Важнейшим видом продукции как холодной, так и горячей прокатки является листовой прокат. Горячекатанный лист используют для производства труб, проволоки, монтажа конструкций, а холоднокатанный лист — для производства труб и конструкций навивкой. Применяется также накатывание зубьев и резьбы на заготовки, а также многочисленные методы «мягкой» прокатки для окончательной доводки поверхности. Более 90% материалов для производства листа и ленты составляют сплавы на основе железа, примерно 5—8% — сплавы из алюминия и от 2 до 3% — из меди. Ленты шириной > 650 мм называются «широкой лентой» [в соответствии с DIN EN 10130 (ранее DIN 1623)], а ленты шириной < 650 мм — «узкой лентой» [в соответствии с DIN E EN 10 139 (ранее DIN 1624) или ISO].
   В последние годы при производстве стальных листов стремятся как к увеличению прочности, так и к улучшению качества поверхности при производстве горячекатанной ленты. В настоящее время возможна замена холодной прокатки листов на горячую прокатку ленты, так как стоимость процесса в этом случае ниже. Так, листы толщиной порядка 1,5 мм, получаемые горячей прокаткой, широко используются в автомобильной промышленности. Использование высококачественных масел для горячей прокатки в качестве охлаждающего агента вместо воды позволяет в значительной степени улучшить качество поверхности и формуемость производимых лент. Исследование и подбор соответствующих смазочных материалов — это длительный процесс, особенно для процессов формования в условиях сжатия. Несмотря на большие различия между смазочными материалами, предназначенными для различных процессов, они имеют и общие черты с точки зрения технологии и трибологии прокатки, особенно с учетом поведения смазочных материалов в промежутках между валами. В данном разделе будет кратко рассмотрен ряд критериев, оказывающих решающее влияние на разработку смазочных материалов, особенно эмульсий, для прокатки.

1.1 Скорость вращения валков при прокатке

До 1930-х гг. стандартными прокатными станами являлись станы с четырьмя быстро вращающимися реверсивными валками для холодной прокатки. Затем стали применять три последовательно расположенных высокоскоростных четырехвалковых прокатных стана, в 1950-е гг. на смену им пришли прокатные линии из четырех, а в 60-е из пяти и шести подобных прокатных станов. В 40-е гг. максимальная скорость вращения реверсивных валков составляла около 500 м/мин, для четырехстановых линий скорость была уже 1000 м/мин, а для современных пяти- шестистановых линий скорость составляет 1500—2000 м/мин. Современные прокатные станы на всех технологических стадиях обладают высокой скоростью прокатки, сочетающейся с высокой степенью безопасности. Это стало возможным в результате проведенных многочисленных исследований, испытаний и контроля соблюдения технологии. Немаловажный вклад в улучшение рассматриваемых показателей внесли разработки новых смазочных материалов, учитывающие:
   • скорость и крутящий момент, давление прокатки и регулировку давления валков при прокатке;
   • толщину и профиль ленты, скорость и тестируемую поверхность, ширину до и после прокатки, определение промежуточных ошибок и контроль температуры;
   • натяжение и гладкость ленты при сматывании в рулон.

1.2. Рационализация производства

Выход продукции увеличивается не только за счет соединения прокатных станов, но и за счет увеличения количества валковых пар в каждом стане. При этом должна снижаться себестоимость продукции, для чего необходимо, в том числе, улучшать смазочные материалы для соответствия новым требованиям. К примеру, очевидно, что при определении дисперсности эмульсии нужно учитывать параметры валков и промежуточный объем.

1.3. Качество материала и поверхности

Новые последовательные прокатные линии обеспечивают качество поверхности недорогого листа и возможность ее значительного улучшения. В то же время постоянно появляются новые материалы, что требует усовершенствования смазочных материалов, особенно в отношении удаления остатков при отжиге.

1.4. Требования охраны труда

Стандартные смазочные материалы при высоких скоростях прокатки образуют аэрозоли, вследствие чего для снижения вреда, наносимого организму человека, желательна их замена на легкоудаляемые смазочные вещества, обычно на водной основе.

2. Трение и смазка при прокатке

Ниже рассмотрены наиболее важные процессы прокатки листа и ленты. Как и в других процессах формования, при прокатке трение между инструментом (рабочие валки) и деталью (прокатываемым материалом) должно находиться в определенном интервале между предельно допустимыми низкими и высокими значениями. Выполнение этого условия осложняется тем, что при прокатке листа давление распределяется между рабочими валками, а при прокатке ленты основная доля давления приходится на барабан натяжения. На рис. 1 представлена простая модель процесса прокатки. Прокатываемый лист движется со скоростью v1, между валками, вращающимися со скоростью v3. На этой стадии толщина листа уменьшается с s1 до s2.

Принцип процесса прокатки

Уменьшение толщины листа обычно выражают в процентах:

        ε = [(s1- s2) • 100]/s1.

Уменьшение промежутка между валками приводит к увеличению длины, но не ширины прокатываемого листа. Начальная скорость листа должна быть меньше, а конечная скорость — больше скорости вращения валков, вследствие чего возникает трение скольжения. Разница между скоростями v1(скорость на входе) и v3(скорость вращения валков), выраженная в процентах, называется обратным сдвигом

        [(v3- v1) • 100]/v1

а разница между скоростями v2 (скорость на выходе) и v3 (скорость вращения валков), выраженная в процентах, называется передним сдвигом

       [(v2- v3) •100]/v3.

   На дуге трения в области контакта есть точка, в которой скорости валков и листа равны, — так называемая мертвая точка N, в которой нет сдвига. В результате изменения трения, например при использовании различных смазочных материалов, положение точки N может изменяться. Скорость листа и распределение давления не должны быть равномерными, но изменяться в зависимости от положения точки (Рис. 2).

Распределение скорости и давления между валками в процессе прокатки

В примере 1 точка N расположена ближе к выходу, чем в примере 2. В примере 2 область слабого скольжения шире, что приводит к увеличению доли статического трения (заедания) вместо трения скольжения и к усилению трения в целом, т. е. увеличению энергии, необходимой для преодоления трения. Для работы валков в таких неблагоприятных условиях необходим более сильный захват. При применении смазочного материала точка N может переместиться к выходу из межвалкового зазора. Это позволяет уменьшить напряжение давления за счет увеличения значения натяжения (натяжение на барабане). Трибологические соотношения улучшаются, что позволяет избежать нежелательного увеличения ширины прокатываемой ленты за счет увеличения эффективности деформации.
   Было проведено большое число исследований трения в процессах металлообработки, однако все они описывают только процессы, происходящие в зазоре между валками, однако для определения всей роли смазочных материалов в прокатке этого недостаточно.
   Эластогидродинамическая теория и эластогидродинамические модели описывают гидродинамическое трение в межвалковом зазоре, в частности влияние гидродинамических сил и вязкости смазывающей эмульсии на трение при вхождении прокатываемой ленты в промежуток между валками. Специфические свойства смазывающей эмульсии лучше всего проявляются в условиях высокого давления и высоких скоростей. Для обеспечения нормальной работы процесса прокатки необходимо, чтобы смазывающая эмульсия в кратчайший срок в условиях высокой нагрузки и скорости создавала смазочную пленку в зазоре между валками.
   Снижение трения позволяет снизить трение и избегнуть перегрева ленты и связанного с этим возможного брака. Чтобы операции прокатки шли с минимальным трением, в первую очередь необходимо избежать возможного залипания в начале операций и предотвратить заедание, вызывающие огрубление поверхности прокатываемого материала. На практике для определения влияния смазывающего материала на процесс прокатки замеряют значение усилия прокатки на трехвалковых стендах. Снижение толщины и качество поверхности определяют по случайно выбранным точкам (рис. 3).

Влияние эффективности смазки на толщину металла и число проходов

Однако из-за отсутствия корреляции между результатами лабораторные методы не позволяют определить эффективностьсмазочных материалов для прокатки. Эффективность используемого смазочного материала зависит от типа прокатного стана. На рис. 4 приведены наиболее распространенные типы прокатных станов. Для многовалкового прокатного стана смазочный материал должен обеспечивать смазку всех валков.

Типы прокатных станов

Двухвалковый стенд не позволяет получать строго прямоугольное поперечное сечение проката из-за дрейфа валков при нагрузке. Лучшее качество проката дает мультивалковый стенд конструкции Сандзимира. Небольшие рабочие валки обеспечивают эффективную степень деформации прокатываемого материала. Недостатком этого метода является неровность положения ленты при использовании 18 валков для однократного проката, которую выравнивают за счет натяга.

3. Листовой прокат

3. 1. Горячий прокат

Сляб производят методом непрерывного розлива. Для производства высококачественной ленты на широких станах (рис. 5) для горячего проката используют специальные масла.

Устройство распылительных форсунок для горячего проката


   Эти смазочные материалы отличаются высокой термической стабильностью основы и, в отличие от смазочных материалов для холодного проката, не смешиваются с водой. Смазочные материалы для горячего проката вместе с небольшим количеством воды для охлаждения подаются на валки через систему распыления для снижения трения между рабочими валками и прокатом, а также между рабочими и вспомогательными валками. В этом случае трибологические характеристики улучшаются, что приводит к снижению износа. Эффективное уменьшение толщины проката при меньшей нагрузке на валки, т. е. процесс формования, становится менее энергоемким. Главное требование к смазочным материалам для горячего проката — улучшение качества поверхности по всей длине проката. Смазочные материалы для горячего проката содержат в качестве основы не толь о минеральные масла, но и противозадирные компоненты, образующие противоизносную защитную пленку на рабочих валках. Эта пленка должна выдерживать смывание и контакт с горячим прокатом. Расход смазочных материалов для стали находится в диапазоне 15-80 г/т. Использование смазочных материалов горячего проката предполагает модернизацию систем применения, эффективное удаление паров и хорошее охлаждение.

3.2. Холодный прокат

Толщина листа находится в интервале 0,35—3,0 мм (готовый лист). Производимая лента широко используется для автомобильной промышленности. Поскольку окончательная толщина листа, как правило, составляет 0,4—1,1 мм, к охлаждающим эмульсиям предъявляются очень высокие требования. Ширина прокатной полосы находится в пределах 600-1800 мм.
   Скорость проката составляет от 600 до 2000 м/мин, а иногда, в индивидуальных случаях, бывает даже выше и зависит от используемых прокатных линий. Горячая полоса, используемая для холодной прокатки, обычно имеет 6,0 мм толщины. Перед холодной прокаткой поверхность горячей полосы обрабатывают соляной или серной кислотами, после чего промывают для их удаления. Горячую полосу, которая в дальнейшем не подвергается холодной прокатке, часто покрывают стандартным антикоррозионным маслом и продают как полупродукт. Выбор травильного раствора и смазочного материала имеет огромное значение для последующих процессов холодной прокатки; для данной цели широко используются эмульсии для прокатки или соответствующие смазочные материалы. Для непрерывных процессов охлаждение не требуется; в этом случае смазочный материал или эмульсия используется непосредственно перед входом полосы в холодный прокатный стан.
   Смазочное масло, применяемое после протравки или непосредственно перед холодной прокаткой, во время прокатки должно подвергаться небольшому эмульгированию и обеспечивать смазку до окончательного прохода прокатываемой полосы даже при использовании мультивалкового стана. После прокатки полосу отжигают в атмосфере инертного газа. При непрерывных процессах отжиг проводят непосредственно после прокатки в специальных печах барабанного типа. Хотя отмывка остающегося масла или эмульсии перед отжигом невозможна, масло не должно содержать остатков отжига. Если полосу промывают перед отжигом, то во избежание использования дополнительной стадии удаления остатков отжига используемый смазочный материал должен обладать высокой смазочной способностью.

Эмульсии для прокатки
При прокатке эмульсия должна обеспечивать не только смазку, но и отвод тепла, что является очень важным фактором. Состав смазочного материала для прокатки зависит от используемой циркуляционной системы, условий и параметров процесса прокатки.
   Масла для прокатки представляют собой смазочные материалы на основе минерального масла или синтетических углеводородов в сочетании с полярными и активными EP-компонентами, специально разработанные для эмульсионных систем. Число омыления эмульсионного концентрата указывает на присутствие полярных компонентов. Число омыления смазочных масел для прокатки находится в пределах 60—180 мг КОН/г. Различные используемые синтетические сложные эфиры представляют собой полиэфиры растительного или животного происхождения.
   Хотя свободные жирные кислоты обладают высокими смазывающими свойствами, они не находят широкого применения из-за возможного взаимодействия с растворимыми мылами. Используемые эфиры должны обладать высокой устойчивостью к гидролизу для предотвращения образования мыл. Кислотное число (или число нейтрализации) указывает на количество присутствующих свободных кислот. Значение 3 мг КОН/г соответствует содержанию свободных кислот около 1,5%. Эмульсии для прокатки смешиваются с абсолютно мягкой водой в количестве 1—3%. Температура эмульсии — 35—55 °С. Расход смазочного масла и концентрата эмульсии вместе составляет 0,25-1,00 кг/т листа. Стабильность эмульсии является очень важной характеристикой для процессов прокатки. Устойчивые эмульсии применяются в циркуляционных системах большого объема, а метастабильные — малого. В случае метастабильных эмульсий преимуществом является флотация вытекшего масла, абразивов и грязи и легкость контроля. Стабильность свежих эмульсий определяется в соответствии с ASTM D 3342 и часто используется как показатель стабильности. Определение этих показателей часто используют в качестве входного контроля смазочного материала для прокатки. В ходе процесса предпочтительнее определять степень дисперсности эмульсии (распределение частиц по размеру) фотометрическим или дифрактометрическим методом. Получаемые результаты позволяют определять время, когда необходимо вводить новые порции масла, и корректировать соотношение между эмульгатором и полярными компонентами. В табл. 1 приведены наиболее часто определяемые показатели для эмульсий, используемых при прокатке.

 Таблица 1. Часто измеряемые показатели эмульсии для прокатки

 Показатели

Свежая эмульсия

 Отработанная эмульсия

 Содержание жиров

*

*

 Новое масло (утечка масла)

*

 

 Стабильность эмульсии после простоя

*

*

 Распределение частиц (степень дисперсии)

*

*

 Термостабильность

*

 

 Значение рН

*

*

 Электролитическая стабильность

*

 
 Электропроводимость

*

*

 Способность к пенообразованию

*

 
 Антикоррозионная устойчивость (железо)

*

*

 Содержание железа

 

*

 Содержание хлоридов  

*

 Содержание сульфатов  

*


   Как правило, эмульсии подвергаются контролю несколько раз в течение всей операции прокатки, и особенное внимание уделяется степени дисперсии, чистоте и коррозии поверхности листа. Значения рН обычно находятся в пределах 6,0—7,0, содержание хлоридов не должно превышать 20 мг/л, сульфатов — 40 мг/л, а содержание железа — 100 мг/л.

Циркуляционные системы для эмульсий
Объем используемой эмульсии определяется количеством стендов, их мощностью и типом эмульсии. Существуют многостендовые установки с собственной эмульсионной системой до 100 м3. Однако обычно требуются системы с гораздо большим количеством циркулирующей эмульсии. На рис. 6 представлены схемы гибких систем: стенд 1 имеет собственную емкость примерно 100—150 м3, стенды 2, 3 и 4 снабжены большой емкостью — примерно 600 м3, а стенд 5 имеет свою собственную систему объемом 100 м3.

Система подачи эмульсии на пятистендовом  четырехвалковом  высокоскоростном прокатном стане

Каждая индивидуальная система снабжена скиммером (устройством для удаления эмульсии) и системой фильтрации (например, бумажными и магнитными фильтрами). С такими устройствами можно использовать эмульсии различных концентраций в каждой отдельной емкости: например, последний стенд оснащен очистительным устройством для лучшей очистки. В больших циркуляционных системах могут применяться несколько различных масел с удалением загрязнений непосредственно в процессе работы, однако в случае малых циркуляционных систем данный подход неэффективен из-за высокой скорости циркуляции. В этом случае используют специальные приспособления и устанавливают вторую емкость, которая выступает в качестве задерживающего резервуара. В небольших установках с прокатными станами малой ширины обычно используют стабильные эмульсии с рН в интервале от 8,5 до 9,3. Эмульсии должны обеспечивать высокую защиту от коррозии.

Очистка и отжиг полосы
Отжиг всегда производят в среде инертного газа. Во всех случаях при отсутствии предварительной промывки перед отжигом для обеспечения необходимой чистоты металлической полосы после отжига необходимо производить ее тщательную очистку эмульсией, не содержащей остатков отжига (базовое масло, сложные эфиры, эмульгаторы). Кроме того, необходимо учитывать ряд факторов, оказывающих влияние на отжиг, в частности состояние барабана (является он затянутым или нет). С другой стороны, при непрерывном отжиге поверхность полосы очищается лучше, поскольку при этом происходит более полное испарение или разложение веществ.
   Для оценки степени чистоты полосы используют спектроскопические и стандартные методы, например определение остатков углеводородов. По сравнению со стандартными процессами отжига, которые длятся несколько дней и могут включать такие стадии, как электролитическая очистка (дополнительная, но не обязательная), периодический отжиг, охлаждение на барабане, дрессировка листов (холодная прокатка листов с малой степенью обжатия для улучшения плоскостности) и осмотр полосы на выходе, в непрерывном процессе все эти стадии (включая очистку) осуществляются в одном цехе, а время прогона занимает только 10 мин. Продукция после непрерывного отжига выгодно отличается по чистоте, гладкости и постоянству механических свойств по всей длине и ширине прокатываемой полосы. Различие между непрерывными процессами отжига заключается, прежде всего, в достигаемой скорости охлаждения с использованием газовой струи, закалки с поворотом на роликах, разбрызгивания воды и/или горячей воды при закалке. Известные процессы отжига приведены в табл. 2.

Таблипа 2.   Процессы отжига

 CAPL (непрерывный отжиг и технологическая линия)  Разработчик: Nippon Steel Corp. (Япония)
 NKK—CAL (непрерывный отжиг на линии Nippon Kokan)  Разработчик: Nippon Kokan (Япония)
 KM—CAL (многоцелевая линия непрерывного отжига Kawasasi)  Разработчик: Kawasasi Steel Corp. (Япония)
 HOWAQ (закалка горячей водой)  Разработчик: Исследовательский Металлургический центр (Бельгия)


Варьирование температурного режима непрерывного отжига и регулирование скорости охлаждения позволяют установить зависимость качества производимой продукции от цикла отжига, например при производстве полос для волочения и глубокого волочения, высоконапряженной стали, двухфазной стали, отожженной твердой стали.

Повторная прокатка
После отжига полосы подвергают повторной прокатке на так называемых дрессировочных прокатных стендах в целях улучшения качества поверхности и получения требуемых свойств (при формовании изменяется предел прочности на разрыв, предел текучести и т. д.). Узкие полосы подвергают дрессировке на двухвалковом скоростном стенде, а широкие — на четырехвалковом скоростном стенде. Уменьшение толщины составляет от 1 до 3%. Полосу прокатывают в сухом или влажном виде со специальным маслом для дрессировки, которое улучшает чистоту заготовки. Жидкости для дрессировки должны облегчать образование однородного поверхностного слоя, а поверхность дрессированного проката медленнее загрязняется частицами износа.
   Жидкости для дрессировки представляют собой водные растворы синтетических соединений, содержащие активные компоненты — производные органических и неорганических кислот в качестве антикоррозионных компонентов. Они не содержат нитрита натрия и должны быть совместимы с используемыми антикоррозионными маслами и соединениями, применяемыми для предварительной смазки.



Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com