浅析乳化液在冷轧带钢生产中的应用

周玉军 周光升

（宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900）

引言

冷轧薄板是汽车制造和家电产品非常重要的原材料。据统计，2017年我国全年冷轧薄板产量3227.3万吨，居世界第一。在早期的冷轧板生产中，使用轧制油进行润滑和冷却。随着科技的进步和对生产工艺的优化，逐渐采用乳化液替代全轧制油。乳化液的定义是，把两种互不相容的液体采用一定的方式混合于另一种液体中，并形成相对平衡的系统状态。分散相通常以小直径的液滴形式存在于连续相中。在冷轧带钢生产中，将轧制油投加至脱盐水中并进行搅拌和加热，使其混合均匀，供轧机使用。

1 乳化液简述

根据乳化液的定义可知，若分散相为油，连续相为水，形成O/W型乳化液（水包油型）；若分散相为水，反之形成油包水型乳化液（W/O）。冷轧轧机生产中的乳化液，通常由基础油、乳化剂和添加剂等组成。其中，基础油以矿物油为主。添加剂包括乳化稳定剂、极压机、防锈剂、防腐剂、抗氧剂和杀菌剂等。常用的冷轧乳化液分为稳定型乳化液、半稳定型乳化液和不稳定性乳化液三大类。

（1）稳定型乳化液，稳定指数ESI一般大于0.6，特点是乳化效率高、乳化液颗粒分布均匀、稳定性好，且退火后带钢板面清洁性好。

（2）半稳定型乳化液，特点是润滑性较好，清洁性较稳态型差，在退火前需要进行脱脂清洗。轧制油在水中具有颗粒度较大、铁粉分散性好等特点。

（3）非稳定型乳化液。乳化液中的油颗粒能很好地吸附在轧辊和带钢上，形成的油膜铺展性好，能有效降低摩察系数。轧后板带残碳多，退火清洁性比较差，退火前需要对带钢进行电解脱脂处理。

2 乳化液在冷轧带钢生产中的应用

2.1 乳化液的作用

乳化液系统运行的稳定性和关键参数控制对轧制工艺十分重要。主要作用有以下四点。一是对带钢和轧辊润滑作用。可降低轧制力，降低能耗，延长轧辊使用寿命。二是冷却作用。在轧制过程中，轧辊和带钢由于变形会产生大量的变形热，需要对轧辊和带钢进行喷射冷却，降低轧辊和带钢温度，减少带钢表面的热划伤，便于控制板型。三是清洗作用。在轧制过程中会产生金属颗粒杂质和灰分，如不及时清洗会被压入轧辊和带钢，影响板面质量。四是防锈作用。乳化液中的轧制油颗粒展铺在带钢表面，轧制油中所含有的防锈剂在带钢表面形成一层膜，可防止带钢与空气、水接触产生腐蚀，对带钢起到保护作用。

2.2 乳化液系统设计

宝钢以往轧机乳化液系统都是由轧机供应商进行设计和供货。为了降低工程投资，提高国产化率掌握关键技术，宝钢工程对连轧机组乳化液系统进行了技术系统集成和设备国产化工作。对已有机组的不足之处进行了优化和完善。通过几条机组的实践，现已完全掌握乳化液系统设计，在单体设备、系统调试和电器功能需求说明书编写方面积累了丰富经验。乳化液系统流程示意图，如图1所示。

图1 乳化液系统流程示意图

乳化液系统主要由供液系统、喷射系统、回液系统、过滤系统及辅助系统等组成。

（1）供液系统。供液系统的主要设备有循环箱、蒸汽加热器、供液泵、反冲洗过滤器、板式冷却器、循环加热泵、撇油机以及搅拌机等。经过净化处理的乳化液存储在循环箱中，并进行搅拌和加热。循环箱的温度一般设置为50～60℃，防止乳化液变质。利用撇油机去除混入乳化液中的杂油，并进行油水分离处理，下层清液回流至循环箱中供再次使用。乳化液经供液泵提升至轧机喷射装置，在供液泵出口管路设置自动反冲洗过滤器，截留大颗粒杂质，起保安过滤作用。板式冷却器对乳化液进行冷却，一般轧机要求乳化液喷射温度40～50℃。循环箱采用外置式加热方式，即利用循环加热泵将乳化液抽出，经蒸汽加热器后回到循环箱。外置式加热方式的优点是加热效率高、操作维护方便，杜绝了加热盘管泄露造成的乳化液变质和设备检修维护困难。

（2）喷射系统。乳化液喷射到带钢和轧辊表面，对其进行润滑和冷却。通常，五机架轧机最后一道次设置精细冷却（常称之为点冷，与板型辊配套使用），使用后的乳化液经轧机收集盘回流至回液箱。当轧机不需要喷射乳化液时，此时供液泵以低转速运行（一般为25%～30%转速运行），乳化液经过旁通管直接进入回液箱进行循环，便于系统能够再次快速启动。

（3）回液系统。回液箱中的乳化液由回液泵输送至真空过滤机。回液泵为变频泵，与模拟量液位计联锁，通过调节泵的转速控制液位。回液箱的运行液位一般控制在1m左右。

（4）过滤系统。回液泵将乳化液提升至真空过滤机，主要去除乳化液中的铁粉、灰分及其他杂质。过滤机一般采用压差自动走纸和时间走纸两种模式控制，过滤精度一般为80～120μm。常用的真空纸带过滤有风机式和泵抽吸式两种型式，而风机式又称为霍夫曼式纸带过滤机。

过滤后的乳化液进入磁性过滤机去除铁粉。磁性过滤机间歇式运行，一般每隔1h运行20min。与较早机组不同的是，磁性过滤机不再设置在循环箱中（简称内置式），而是独立设置，优点是操作维护方便。外置式磁性过滤机的结构较内置式更为合理，去除效果优于内置式，自动化程度较内置式磁性过滤机高，在本地和远程（HMI）均可对磁性过滤机进行操作。磁性过滤机根据磁性产生的机理，分为永磁式过滤机和电磁式过滤器两大类。刘兴祥[1]等人通过对比外置式永磁过滤机和电磁式过滤器认为，永磁式过滤机具有性价比高、性能稳定、操作维护方便和投资省等优点。目前，电磁式过滤器在国内主要应用于硅钢轧机乳化液系统，为离线过滤、日本进口成套设备。

（5）辅助系统。乳化液辅助系统主要有原油、脱盐水存储及配液和废水排放两大部分。化液原油、脱盐水以及混合液需要进行加热，以减少投加的乳化液或脱盐水对循环箱乳化液温度的冲击，同时确保原油和混合箱乳化液品质。为了冲洗轧机，一般设置冲洗水箱和冲洗泵。冲洗水一般为冷凝水。

2.3 乳化液系统运行维护管理

乳化液系统运行维护管理主要包括三方面内容。一是系统运行参数管理，如系统温度、压力和流量等参数。二是乳化液品质控制指标，如油浓度、皂化值、铁粉含量和pH等。三是如何提高乳化液的清洁性。

2.3.1 乳化液系统运行管理

对乳化液系统日常运行管理来说，压力、流量和温度必须实时监测控制，确保满足轧机使用需求。

（1）压力。乳化液系统的喷射压力一般在5～7bar，对带钢和轧辊一定的打击力，便于带走热量和冲洗杂质。过大的喷射压力会形成乳化液飞溅，过小的喷射压力无法满足润滑、冷却和冲洗要求。

（2）流量。乳化液的流量必须满足润滑和冷却要求。流量不足会造成热划伤等板面质量问题；乳化液流量过大不仅会增大设备能力，而且会增加设备投资。此外，轧机乳化液吹扫难度也会增加，轧后板面会残留较多的乳化液，给后续工艺生产带来困难。王永昌[2]等人针对单机架可逆轧机归纳整理，得到乳化液的流量公式为：

式中，Q乳为单位时间所需乳化液流量，min/L；N电为驱动电机功率，kW；N张为张力功率，kW；M为轧机轧制时的负荷系数，一般取0.8；C乳为乳化液比热，C乳=1 kcal/kg ℃；r乳为乳化液比重，r乳=1kg/L；Δt乳为乳化液经轧制后板带的升温，取值4℃。

（3）温度。乳化液系统的温度控制包括循环箱乳化液温度、乳化液喷射温度和原油箱温度。过高或过低的喷射温度，对润滑性和轧后带钢清洁性都有影响，不利于板形控制。不同轧制油对温度要求略有差异。喷射温度为了满足轧制对乳化液润滑和冷却功能的要求，一般为40～50℃。循环箱的乳化液温度控制目标依据是防止乳化液因生长细菌而变质，温度一般维持在50～60℃。原油箱的温度一般控制在40～45℃。2.3.2 乳化液品质控制管理

（1）油浓度。乳化液含油浓度是影响润滑性能的主要因素，浓度过低会造成润滑不足，影响带钢表面质量。孙桥等人[3]对比了无润滑剂、2%、5%和8%四种工况轧后带钢的表面质量结果，发现无润滑剂轧后带钢表面质量最差。随着浓度升高，轧后带钢的表面质量提高。当浓度超过5%时，尽管轧后带钢表面质量有所提高，但提升效果不明显，因此认为5%浓度已能满足生产要求，这与实际生产经验基本一致。目前，很多机组都在探索在不影响生产的情况下降低吨钢油耗，降低轧制原油耗量，减少废水排放，提高清洁生产水平。

（2）皂化值。皂化值表征乳化液中活性油含量，直观表现是轧制的润滑性。皂化值高，润滑性好。一般在轧制高强钢时，采用皂化值较高的乳化液。乳化液中混入的杂油会使皂化值降低，影响其润滑性，原因杂油中含有的破乳剂会使乳化液的稳定性受到影响。在乳化液系统中，一般采用撇除表层浮油的方式去除杂油，调节皂化值。乳化液的皂化值一般控制在150mgKOH/g。

（3）铁粉含量。在轧制过程中的变形前滑区形成滑动摩擦，由此会产生大量的铁粉微粒，其粒径一般不大于1μm。当乳化液润滑能力不足时，会产生大量的铁粉进入后续机架，并被压入带钢或轧辊。对生产来说，并不是铁粉含量越低越好，适量的铁粉有助于轧制，增加摩擦力，防止带钢打滑。但是，铁粉含量如果较高，则影响带钢表面质量。不同的轧制产品，对铁粉含量要求也不同，需要在生产中探索适合机组的最佳铁粉含量值。

（4）pH值。pH值是乳化液日常管理的重要指标之一，反应了乳化液中油的颗粒度大小。何建明[4]认为，pH＜5时，乳化液中油颗粒度会过大，乳化液稳定性差，比较易出现破乳分层现象；当pH＞8时，油颗粒度过小，对润滑有一定的影响。从现场实际使用情况来看，乳化液的pH值过低或过高，对于乳化液系统设备将产生严重的腐蚀问题，尤其是乳化液管道。在工程建设初期，为了降低工程投资，管道一般采用壁厚较厚的碳钢管。但是，随着系统的运行，由于高压力、高流速对管道的冲刷，会加快乳化液对管道的腐蚀速度，出现管道因腐蚀发生泄露的现象。发生上述情况比较明显的是供液管道。目前，已有冷轧机组乳化液管道更换为不锈钢管道，提高了它的使用寿命。

2.3.3 提高乳化液的清洁性

乳化液的清洁性对轧后带钢表面质量影响很大。结合实际生产经验，可通过以下几方面来维持和提高乳化液清洁性。

（1）加强乳化液系统各设备维护，确保其稳定工作，尤其是净化处理设备，如真空过滤机、磁性过滤机等设备。过滤设备可控制铁粉、灰分等的含量。搅拌机可以使乳化液混合均匀，防止油水分层。

（2）确保各主要温度控制点的温度，满足工艺要求，避免对轧制生产造成影响，同时杜绝因温度而导致的乳化液变质，需要排放乳化液而造成的浪费。

（3）确保乳化液撇油器正常工作，有效控制杂油含量，确保皂化值在工艺控制范围内。

（4）加强对轧机稀油润滑和液压的设备、管路维护工作，尽量减少因轧机相关设备和管道漏油对乳化液的影响。

（5）减少人为因素对乳化液的污染，如将生产过程中的碎布头、木屑等其他杂物进入乳化液系统。

（6）定期对机架进行清洗，避免轧机表面污物对乳化液清洁性的影响。

（7）严格执行乳化液的检化验制度，确保乳化液各指标在控制范围内。

3 结 语

（1）乳化液在冷轧带钢生产中的主要作用为润滑、冷却，而不同的产品规格和轧制工艺对乳化液的要求也不尽相同。例如，稳定型、半稳定型和非稳定性的乳化液适用不同的轧制技术要求。

（2）目前，常见的乳化液系统工艺主要由供液系统、喷射系统、回液系统、过滤系统以及辅助系统组成。主要的设备有循环箱、供液泵、反冲洗过滤器、板式冷却器、喷射装置、回液箱、回液泵、真空过滤机、磁性过滤机、蒸汽加热器、循环加热泵、搅拌机以及辅助系统的泵和槽体等。

（3）乳化液日常运行管理中，乳化液系统的温度、压力和流量是非常重要的参数。乳化液的喷射温度一般在40～50℃，乳化液循环箱温度50～60℃，原油箱温度为40～45℃。

（4）乳化液的清洁性对轧后板面质量至关重要。乳化液油浓度含量一般在1%～5%，不同产品对乳化液有着不同的要求。适量的铁粉可防止带钢打滑和热划伤。通过撇除浮油的方式降低杂油对乳化液皂化值的影响，可满足轧制对乳化液润滑性的要求。pH值的大小和原油性质有关，过低的pH值对管路系统腐蚀严重。

（5）提高乳化液的清洁性，需要加强对设备的巡检和维护，严格按照乳化液检验项目制度执行，及时掌握乳化液的状态并做出调整，确保乳化液满足轧制工艺需求。保持轧机机架的清洁性，减少人为因素对乳化液的污染。

[1]刘兴祥，周光升，周玉军，等.磁性过滤机在冷轧轧机乳化液系统中的应用和改进[J].宝钢技术，2010，（1）：24-26.

[2]王永昌，王智勇，陈玉明.冷轧工艺润滑剂消耗量的优化计算[J].河北工业科技，2002，19（5）：8-19.

[3]孙桥，戈晓达，孙建林.乳化液浓度对板带钢冷轧润滑性能的影响研究[J].矿冶，2013，（22）：98-101.

[4]何建明.工艺润滑在攀钢冷轧HC轧机的应用[J].四川冶金，2002，（4）：17-20.