乳液喷射对热轧铝合金带材表面质量的影响
时间：2023-05-28 18:30:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
路纪轩，黄东海
(好富顿(上海)高级工业介质有限公司，奎克好富顿集团成员，上海 201613)
铝合金热轧用的乳液主要起冷却、润滑和清洗作用。乳液可以控制辊形，减少轧制时能量消耗，减轻轧辊表面的磨损及金属碎屑的粘结，改善轧制产品的表面质量[1]。乳液喷射均匀性对轧制变形区的润滑和冷却至关重要，不适当的乳液喷射是造成轧辊表面涂层厚度不均，降低带材表面质量的直接因素[2]。本试验利用某铝厂1 850 mm单机架双卷取热轧机，研究了乳液喷射对其带材表面质量的影响。
1.1 乳液喷射梁的布置
通常铝合金热轧机的出、入口均有乳液喷射横梁，按照喷射到工作辊表面的位置不同，初步划分为辊缝润滑排和轧辊冷却排。轧辊冷却排主要是将乳液喷射在轧辊表面，对工作辊或支撑辊进行冷却清洗；
而辊缝润滑排主要是将乳液喷射在咬入辊缝区的上方，对带材进行冷却润滑。因为各喷射排的功能设置不同，加上轧制不同合金、规格的产品对润滑条件的要求不同，所以各喷射排是独立控制的。
本试验均在四辊1 850 mm单机架双卷取热轧机上进行，工作辊直径为850 mm，喷射梁为莱克勒公司生产，其布置如图1所示。由图1可以看出，出、入口上下工作辊各3排乳液喷射梁，其中2排冷却工作辊(图中标号2、3)、1排润滑辊缝(图中标号1)。出、入口各1排冷却上支撑辊(图中标号4)。每排均有26个喷嘴，喷嘴间距为75 mm，喷射压力为250 kPa～800 kPa。
图1 乳液喷射梁的布置图Fig.1 Layout of emulsion spray beam
1.2 轧制过程乳液喷射要素
1)乳液喷射压力
正常喷射乳液时需系统保持一定的供液压力，合理的乳液系统压力能保证在喷嘴处形成扇形的水雾。因为喷嘴到辊面有一定距离，需考虑相邻喷嘴射流在辊面冲击区域治轧辊轴线方向的重叠量[3](由于喷嘴的喷雾形状受到地球重力的影响，会有“边缘效应”产生，所以在多个喷嘴进行布置时，需要射流冲击区域有一定的重叠，以使整个辊身轴向的乳液喷射均匀[4])，射流在轧辊表面宽度方向上均布成一定斜度，且又互不干涉，如图2所示。乳液喷射压力分为喷嘴打开时的最低压力、正常工作压力、管道承受的最高压力。
2)喷嘴的流量
每个喷嘴的开关都能单独控制，并用脉冲模式调节流量大小，实现调整乳液喷射量的需求。每个
图2 均匀的喷射覆盖面Fig.2 Uniform spray cover
喷嘴有11个流量控制等级，如表1所示。10级为乳液喷嘴设计流量的100%喷射量，从0级～10级喷嘴流量依次递增，递增量为最大流量的10%，0级时喷嘴流量为0%，喷嘴处于关闭状态。
表1 喷嘴流量等级控制Table 1 Nozzle flow level control
3)喷嘴的旋转角度
因为喷嘴射流之间有重叠，所以为防止重叠缺失或互相干扰，喷嘴应有少许旋转角(如图3所示)，根据喷射梁到轧辊之间距离不同，旋转角有差异，一般为10°～20°[5]。
图3 喷嘴旋转角度示意图Fig.3 Schematic diagram of nozzle rotation angle
4)喷射模式
为保证轧辊良好的冷却，稳定轧辊热凸度，整个轧制过程中出、入口的轧辊冷却排的乳液喷射应都打开，轧制的每个道次相对应的入口侧为同一等级喷射模式。出口侧沿带材宽度方向采用抛物线形式的喷射模式，即从带材中间位置向两侧喷射流量依次减小。
出口侧辊缝润滑排的乳液始终关闭。而入口侧要根据合金种类确定是否打开辊缝润滑排的乳液喷射：轧制硬合金发热量较大、对润滑要求较高，为保证带材表面质量，辊缝润滑排的乳液喷射需打开；
轧制软合金发热量相对较少，辊缝润滑排的乳液喷射可以关闭。
1)乳液喷射压力对带材表面的影响
在其他使用要素固定统一的条件下，试验对比乳液喷射压力分别为250 kPa、350 kPa、450 kPa时的轧辊和带材表面，如图4所示。
图4 不同喷射压力对轧辊及带材表面的影响Fig.4 Influence of different injection pressure on the surface of roll and strip
由图4a可见，当乳液喷射压力较低(250 kPa)时，喷嘴刚能打开，乳液喷射的流量较小，到达轧辊表面的乳液量也就相对较少，在高温高压轧制时产生大量的变形热在轧辊表面聚集，较少乳液量不能有效带走热量，轧辊表面温度持续上升，实测辊面温度105 ℃，润滑失效，促使带材与轧辊粘结，形成较厚的轧辊沾铝涂层，对应到的带材表面形成严重的表面粘铝(图4b)；
同时辊面温度升高也会使轧辊热膨胀，实际的辊缝比设定值小，使轧制出的带材厚度偏薄；
并且容易引起带材在宽度方向上延伸不均，造成严重的板形不良。当乳液喷射压力继续上升至350 kPa，此时乳液流量及射流的扇形面有所增大，乳液喷到轧辊表面时，在单个喷嘴射流冲击区域的边缘位置乳液喷射量相对较少，且在此压力下相邻两喷嘴喷射的边缘区域乳液相互覆盖有限，这就造成了单个喷嘴喷射的边缘位置辊面乳液量相对不足，此处的变形热不能有效被带走，使其正对喷嘴位置的辊面温度要略低于两喷嘴之间位置的，实测正对喷嘴位置辊面温度87 ℃，而两喷嘴间的辊面温度94 ℃(图4c)。辊面温度的不同影响了局部的润滑状态，从而在轧辊和带材上显现出不同的色差带(图4d)。当乳液喷射压力继续上升且稳定至450 kPa时，乳液能均匀的喷射到轧辊表面，此时乳液带走的热量与轧件变形产生的热量达到动态平衡，轧辊辊面温度保持稳定，促使乳液的油水分离效果最佳，润滑良好，在轧辊表面形成厚度适中、坚固的铝粉涂层(如图4e所示)，从而轧制出较均匀细腻的带材表面(图4f)。
2)喷嘴流量对带材表面的影响
在其他要素正常情况下，当喷射梁中间某个喷嘴堵塞没有乳液流出时，对应的轧辊表面温度持续上升，热膨胀加大，润滑失效，导致轧辊与带材粘接(如图5a所示)，对应带材位置形成严重的黑点、黑条缺陷(图5b)，且此处带材的厚度要薄于其他正常位置的，生产时肉眼能观察到轻微波浪；
当此处堵塞的喷嘴恢复正常的乳液喷射量时，对应带材位置的黑点、黑条消失。说明通过对喷嘴喷射流量的单独控制，可以改善带材局部的平整度和表面缺陷。
生产过程中轧辊及带材的边部与空气接触相对多，热量散失比中间的快。当在正常喷射压力下，各喷嘴乳液流量相同时，轧辊两边部温度较低，热膨胀较小，边部辊缝比中间辊缝大，乳液的油水分离相对较弱，边部的润滑较中间要差一些[6]，会导致带材边部有轻微粘铝发白的迹象，且带材边部较厚，卷取后有翘边的现象，如图6所示。
图6 带材边部粘铝和翘边Fig.6 Aluminum sticking and warped edge of strip
当把与带材两边部所对应的喷嘴的乳液流量由10级调整至9级(图7a)，两边部喷出的乳液量明显减少后，轧辊及带材两边部温度有一定上升，边部的润滑能力有所提升，带材两边部粘铝发白情况消失(图7b)；
同时轧辊边部热膨胀增加，边部的辊缝相对原来有所减小，促使带材边部厚度有所减薄，消除了翘边现象。通过喷射流量的分段控制，也可以改善带材边部的表面质量及平整度。
3)喷嘴旋转角度对带材表面的影响
在其他要素正常情况下，当两个喷嘴的旋转角度出现偏差时，在两喷嘴射流之间的部分辊面上乳液喷射出现缺失(如图8a所示)，乳液缺失位置的辊面温度较高，对应带材表面出现严重色差带(图8b)。只有精准一致的喷嘴旋转角度，才能使喷射的乳液覆盖辊面更均匀，润滑效果更佳，轧出的带材表面更细腻。
图7 边部喷嘴流量等级减小后的带材表面Fig.7 Strip surface with reduced flow level of edge nozzle
图8 喷嘴旋转角度对轧辊及带材表面的影响Fig.8 Effect of nozzle rotation angle on roll and strip surface
现场应用实例说明乳液喷射直接影响热轧铝合金带材表面的粘铝状态、色差、板形等。在实际生产中要综合考虑影响乳液喷射的各种因素，只有将各种因素合理地控制在一个稳定状态，才能保证轧制带材表面质量。
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