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铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

2017/04/20 16:24:44 来源:中国铝业网   作者:小吕 点击数: 2958

中国铝业网合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

随着现代工业技术的发展,对铝合金薄板带的质量要求越来越高。在中国经济发展进入“新常态”下,高附加值、高技术含量的铝合金薄板带市场潜力巨大,特别是汽车轻量化用铝板,航空航天用铝合金薄板,食品饮料罐用铝板带、消费电子和建筑领域用铝板带[1]PS版基铝板带等。铝合金薄板带通过热、冷轧轧制达到相应尺寸规格、性能和表面质量的要求,可以概括为“尺寸精确板形好,表面光洁性能高”[2],要有效地达到这些要求,对轧制工艺润滑技术提出了较高要求,需要选择合适的轧制工艺润滑剂,同时要对工艺润滑剂进行合理的维护和管理,使润滑剂的功能得到有效及稳定地发挥。

本文就部分铝合金薄板带轧制的特点,对相关工艺润滑技术做简要论述,同时对铝薄板带轧制工艺润滑技术面临的挑战也做简要说明。

一、铝合金薄板带轧制产品、特点和质量要求

铝合金薄板铝是铝板带中的主要产品,主要应用于易拉罐,汽车航空、PS版基,建筑幕墙等方面。其中,铝罐体为3104,3004等合金,罐料为5083,5182等合金。铝罐料要求非常严格,要求内在质量,深冲性能好,同时有很好的表面质量,热轧终轧温度高,基本在320℃以上,冷轧终轧厚度0.28——0.32mm,厚度公差和板型等要求高[3]。PS版用电解磨板常用1050铝合金,国内外刷磨板常采用3103铝合金。PS版对铝板基的质量要求很高,铝板基的表观质量,平整度,厚差等会影响PS版的砂目状态等质量指标,印刷对PS版的质量要求很高,特别是高档彩印要求印版不允许有一点弊病,要保证印刷版质量,PS板用铝板表观质量是最重要的[4]。汽车用铝合金板材,尤其是汽车外板是铝合金板材生产中的顶级产品,目前铝合金汽车板主要有两个系列,5xxx和6xxx系[5],5xxx系铝合金具有中等强度、加工性能好等,6xxx系铝合金具有成形性好,强度较高等特性,在其研发中重点解决的是其成形性、表面光鲜均匀性、表面处理等7点性能要求[6]氧化铝薄板用途广,适用于天花板,幕墙板,电器面板,家具面板等多种,氧化铝板具有装饰性强,硬度适中,无需再进行复杂的表面处理等特点,氧化铝薄板中1xxx,5xxx,6xxx系列合金较多,1xxx合金在光亮和保护性氧化具有好的特性,6xxx可阳极氧化着色,适用做建筑装饰材料等。

铝合金薄板带除了对性能等方面有各自的高要求外,都对板带表面质量提出很高要求,对表面缺陷如粘伤、划伤、印痕、松枝花纹、金属及非金属压入、油污、退火油斑、色差、亮条、桔皮等都有明确的要求和规定[7][8],这对工艺润滑技术也就提出了较高要求。

二、铝合金薄板带轧制工艺润滑技术

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术主要有三大类,水基润滑技术、油基润滑技术、油水分施两相润滑技术。

1、水基润滑技术

水基润滑技术分为乳化液技术、弥散液技术和合成液技术。

乳化液技术是通过引入乳化剂,乳化剂是表面活性物质,亲油部分汇聚在油中,而亲水端面在水中,形成油珠之间的保护屏障,大大地降低了油珠聚集长大的速率,降低了油珠表面的自由能,防止油珠之间聚集长大,维持了乳化液的动态平衡[9],如图1所示。

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

铝轧制乳化液常选用阴离子及非离子乳化技术。其中阴离子乳化技术在铝轧制中应用较成熟和稳定,是应用较广泛的技术,由于铝板在轧制过程中表面常显正电,采用阴离子技术有助于润滑成分吸附,而且弱碱性条件,也有助于更好的清洗,防锈和防菌功能。

好富顿在水基工艺润滑领域做了大量研发和应用工作,其中的Tandemol技术得到广泛应用,Tandemol 62xx,63xx,68xx,67xx,69xx,5xxx系列产品分别在铝热轧和冷轧上有较好的使用。除了润滑剂必须提供的润滑,冷却和清洗等特性外,在自净化,可控性和稳定性等方面也有独到的地方。

弥散液技术是乳化液技术的一种,该技术使用阳离子乳化剂。阳离子乳化剂除具有抑菌作用外,在一定的pH范围内,油珠尺寸大且分布较均匀,如图2所示。油粒的这一分布特点,不仅大幅地提高了弥散液的润滑能力(因为油从乳液中析出是润滑的前提),而且能够提高润滑均匀性和油珠在铝板表面的润湿能力,有助于改善轧后表面质量。

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

弥散液技术在铝轧制方面应用较少,主要是阳离子技术的乳液稳定性差,润滑和乳液较难控制,维护管理压力大等原因。不过,好富顿的弥散液技术在钢冷连轧方面已得到大量的运用。

合成液技术和乳化液技术不同,如图3所示。合成液是单相产品,它非常稳定,清澈透明,清净性较好,但合成液表面张力低,侵蚀性较强。水溶性聚合物常和水通过形成氢键而溶于水,氢键在温度升高时消失,聚合物析出提升润滑,这和乳化液在咬入区的润滑机制有所不同[10],该技术在铝轧制中基本没有应用。

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

2、油基润滑技术

油基铝冷轧油通常以溶剂为基础油,配以添加剂(醇、酯及酸),是铝冷轧最主要的工艺润滑应用产品。油基轧制油技术成熟,基础油和添加剂选择、冷却系统设置、维护管理及相关的设备工艺参数如轧制速度,压下量,张力设置上等都有丰富的经验和成熟的案例可资借鉴。

当前大多铝冷轧添加剂技术基本上还是维持着使用C12-C18的醇、酯或酸。醇,酯按照一定比例混合后使用,有时轧制过程会辅助添加少量酸以求表面光亮或者提高润滑。添加剂的设计和选择关键在于平衡确定醇酯酸的碳链长短。碳链短,清洁性能好,但润滑性能差,碳链长,润滑性能好,但残留多,如图4所示。现代铝冷轧机的轧制速度越来越高,对轧制油的冷却和润滑能力要求较高,同时对表面残留、退火油斑方面提出更高需求,如何保证润滑和冷却,同时保证表面清净性是一个重要课题。

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在解决润滑和清净性的矛盾方面,好富顿公司做了很多探索工作,并取得了很好的效果。例如引入Carrier技术、使用长链醇酯却不会恶化表面清洁性、引入抗磨剂、使用短链醇酯在保证清洁性下,润滑能力得到加强等。好富顿冷轧添加剂技术在全球得到广泛使用,在中国Cindol 9xxx系列添加剂产品已在多个铝冷轧机上得到好的应用,在铝冷轧高速轧制、大压下量、高表面要求、降低添加剂消耗等方面都有上佳表现。

3、油水分施两相技术

综合水基和油基技术的优点,尽量避免相应的不足,开发出了水油两相分施技术,油相和水相分别施加在轧辊上,水冷却,油相提供润滑。图5是两相介质的供液示意图[11],红色代表供油,在入口供给,蓝色代表水,入口和出口都有供给。该技术的突出优点是可根据需要通过改变油相数量和压力调整润滑,或者通过调整水相供给量改变冷却。测试表明该种控制方法更能实现润滑优化,提高轧制速度,更容易进行板形控制。

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

好富顿拥有该技术,特别是在钢板带轧制方面得到非常广泛的应用。

三、铝合金薄板带轧制工艺润滑技术的挑战

1、如何选择合适的工艺润滑技术和产品

铝合金薄板带生产需要经过热轧和冷轧轧制过程,热轧和冷轧一般都采用工艺润滑,对轧件和轧辊表面进行润滑。轧机,工艺和工艺润滑是保证生产和质量最重要的三个因素。轧机和工艺参数受限因素较多,而工艺润滑剂作为一个动态的变量,需要设法与轧机和工艺参数相匹配。如何选择合适的工艺润滑技术和产品非常重要。面临挑战,如下几个方面需重点考虑

考虑工艺润滑的作用,润滑、冷却、清洗、改善表面质量、承担载荷等。

考虑轧制重点,热轧,冷轧重点不同,分别是降低内阻(板带本身变形抗力)和降低外阻(减少外摩擦对金属变形的阻力)[12]。其中热轧轧辊和轧件表面状态,轧制温度,工艺润滑剂等,冷轧辊径,张力,润滑液等需重点考虑。

考虑轧制难点,热轧包括表面缺陷,高温轧制,终轧温度,铝粉去除等,冷轧包括表面清洁,速度和温度,压下率,板型,安全等需重点考虑。

考虑不同合金和工艺,如1xxx合金强度低,压下率大,易粘铝,3xxx合金强度不高,温度高,易产生粗大晶粒,5xxx合金中镁含量高的板强度高,轧制较困难,镁含量低的板强度较低[5],终轧温度范围较宽等,6xxx合金中等强度,对退火性能要求高等也需充分考虑。

考虑轧机、工艺及润滑的匹配,每个轧机、轧制工艺和工艺润滑系统都有所不同,合金品种,生产质量,工艺润滑液的运行状况,管理和维护条件,需求都有所不同。

2、如何解决应用中面临的一些问题与挑战(如下列举几个)

如何提高表面清净性:使用水基和油基产品都有可能出现残留和退火油斑的问题。例如使用水基产品,水基介质和板面间有一层蒸汽障膜如图6,,当温度较低,蒸汽膜无法继续维持,水基介质会直接润湿板面,与板带表面结合力大增,容易带来残留,也给吹扫带来很大困难,这是挑战之一。

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

如何提高自净化和抗污染能力:轧制过程中存在着设备油泄露,氧化变质,铝粉产生,铝粉等固体污染,金属皂基其它污染,水基还有乳化状态,菌类滋生等情况,也是面临的挑战之一。

冷轧水基润滑液:铝冷轧油闪点低,有着火危险,安全性不好,若使用水基产品能弥补油基的不足,消除着火危险并提高冷却能力,但水基冷轧液使用还不广泛,有一些缺点或风险,如1)表面残留多,2)微生物滋生风险,3)铝板变色危险,4)润滑和冷却均匀性不如油,5)维护管理难度大,以上风险是水基产品的共同不足之处[13]及面临的挑战。

面对挑战,好富顿公司充分考虑并了解各方面因素,选择最适合的工艺润滑产品(做到量体裁衣),加之良好的服务和解决问题的能力,丰富的产品和应用经验等,让用户达到满意的生产和质量需要,好富顿众多用户是一个很好的说明。

四、小结

1、铝合金薄板带对性能等方面有各自的特点,但对表面质量都提出高要求,这也为工艺润滑技术提出更高要求。

2、目前铝合金薄板带轧制工艺润滑技术主要有水基润滑技术(乳化液,弥散液,合成液)、油基润滑技术、油水两相分施技术等,它们各有特点,据需选择。

3、好富顿在工艺润滑领域做了大量的研发和应用工作,其中水基Tandemol技术(Tandemol 6xxx,5xxx系列产品)和油基Cindol技术(Cindol 9xxx系列添加剂产品)及其它配套产品在铝热轧和冷轧上都得到广泛和较好的应用。除了提供好的润滑,冷却和清洗性能外,在自净化、可控性和稳定性、大压下量、高表面质量、降低消耗等方面都有上佳和独特的表现。

4、铝合金薄板带轧制工艺润滑技术面临很多挑战,如何选择合适的工艺润滑技术和产品,如何解决应用中的问题等都非常重要,好富顿通过工艺润滑技术和产品选择,应用,过程控制,问题解决,服务等方面做成努力,配合用户在生产和质量上获得满意的结果。

(作者系好富顿(上海)高级工业介质有限公司王建宁)

参考文献

1、铝合金薄板带生产技术论坛通知 中色加协轻字【2016】3号

2、谢水生,刘静安,王国军. 铝及铝合金产品生产技术与装备. 长沙:中南大学出版社,2015,7:51-52

3、陈策,铝薄板带的生产技术及其发展趋势,铝加工高新技术文集,中国有色金属加工工业协会

4、姚群,王世勤,王怀功,PS版对铝板基的质量要求,轻合金加工技术,2006,Vol,34, No9

5、马鸣图,毕祥玉,游江海,路洪州,铝合金汽车板性能及其应用的研究进展,机械工程材料,2010,6,Vol 34, No. 6

6、孙爱民,程晓农,汽车面板用铝合金的研究现状,轻合金及其加工,轻金属,2008,9

7、一般工业用铝及铝合金板、带材,GBT 3880.1-2012;

8、汽车用铝合金板材,行业标准送审稿编制说明,2009-07-06

9、谢水生,刘静安,王国军. 铝及铝合金产品生产技术与装备. 长沙:中南大学出版社,2015,7:51-52

10、周耀华 张广林.金属加工润滑剂[M]:北京:中国石化出版社,2010:164-177

11、Method and device for cooling and lubricating rollers on a rolling stand United States Patent 7159433

12、白星良,有色金属压力加工,冶金工业出版社

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