汽车板冷轧乳化液润滑技术的发展

孙建林，程紫旋

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

2017年，国内汽车生产量总计已超过了2 900万辆，其中钢铁材料占到了汽车用材的70%～80%。汽车板除了对钢的强度、延展、耐蚀、焊接等性能有严格要求，还对表面质量有着非常苛刻的控制要求，如表面均匀光滑，无孔洞、凹坑、锈斑、擦划伤和压痕等缺陷。其冷轧后表面质量的优劣，直接影响到下道工序对表面进行的后续处理，包括涂油、镀锌、磷化、钝化、耐指纹、彩涂等工艺［1］。而冷轧润滑状态对轧后表面质量至关重要，若冷轧过程乳化液润滑工艺设置不当，会导致轧后表面出现诸如黑斑、乳化液斑、锈斑等表面缺陷［2］。随着用户对表面质量要求的提高，冷轧润滑已成为钢铁企业提高产品表面质量的一个关键技术。

1 乳化液的性能要求

表面质量是衡量板带钢质量水平的重要方面，对汽车板尤为重要［3］。冷轧汽车板产品必须满足两方面最重要的基本质量精度检验指标：一是几何精度，包括板厚精度、板凸度、平直度、平坦度和平面形状；二是表面质量精度，包括表面缺陷控制、粗糙度、纹理形貌和清洁度［4］。冷轧润滑状态对汽车板的几何精度和表面质量精度都有很大影响，如生产中出现的轧机振颤、热划伤和复杂浪形等问题，都和冷轧润滑状态有直接关联，润滑状态对轧件、轧制工艺和轧辊的影响如表1所示。

表1 润滑状态对轧件、轧制工艺和轧辊的影响

乳化液除了要满足其工艺要求外，往往还要实现多种功能，而这些要求可能是矛盾或相互制约的，因此选择乳化液要多方面权衡利弊，乳化液的主要功能要求如下：

（1）润滑性能好，能够有效降低或调控摩擦系数。

（2）冷却能力强，具有较高的导热系数和传热系数。

（3）性能稳定，在高温、高压环境下循环使用不变质，润滑效果不变，具有较长的使用周期。

（4）使用方便，作为乳化液应在乳化温度、时间、水质等方面无特殊要求，乳化液管理维护方便，破乳方法简单。

（5）清净性强，在使用过程中能随时带走轧辊和板带表面的磨削和粉尘，轧后板面无油渍，退火后表面无油斑。

（6）防锈性好，能有效地防止与其长期接触的轧机与板带材锈蚀。

（7）无毒、无味，排放或者板带材表面残留物符合环保要求。

为了使乳化液满足工艺润滑和另一些特定的要求，需要在配方中引入一些有特定功能的成分［5］，这会使乳化液的配方变得相对复杂，典型冷轧乳化油的成分见表2。

表2 典型冷轧乳化油的成分（质量分数） %

2 乳化液轧制润滑机理及其影响因素

2.1 乳化液润滑机理

针对乳化液在冷轧过程中的润滑机理，目前主要存在 Plate-out和Dynamic concentration两种理论。这两种理论分别对乳化液中油滴在金属表面的捕获、吸附成膜以及入口处的动态浓度变化作出了很好的解释。

Plate-out理论［6］认为，乳化液的润滑效果主要取决于进入轧制变形区前，乳化液中的油滴颗粒在金属表面的吸附情况，其与油滴从乳化液中析出并吸附于金属表面形成油膜的难易程度有关。Plate-out油膜形成示意图如图1所示。

图1 Plate-out油膜形成示意图

Dynamic concentration 理论［7］指出，在供给区域，乳化液中油滴相互独立存在，在浓度集中区域，由于乳化液的油水分离，越来越多的水相随着辊缝的进一步减小被挤压出来，乳化液中的油相浓度逐渐增大，乳化液将由O/W型逐渐转换成W/O型，在增压区域，乳化液里的水相基本被挤压完全，只有少量的细小水滴被包裹在油相里，乳化液会在带钢和轧辊表面形成连续的油膜，防止轧辊和带钢的直接接触，以起到抗磨减摩的作用［8］。轧制入口区乳化液润滑区域划分见图2。

图2 轧制入口区乳化液润滑区域划分

2.2 影响乳化液润滑性能的主要因素

在实际生产中，轧制润滑条件复杂，影响乳化液润滑性能因素众多。了解乳化液的使用性能的影响因素并合理控制，对提高其轧制润滑效果，改善轧后表面质量十分重要，下面简述了影响乳化液润滑性能的几个因素。

（1）浓度

乳化液浓度质量分数一般控制在1.5%～5.0%，根据轧件的不同，乳化液有不同的适中值。浓度高，离水展着量增大，油膜厚度增加，容易出现过润滑，造成轧件和轧辊之间打滑，板形不良，同时轧件表面乳化液残留也会过高，增加乳化液消耗，提高了生产成本；浓度低，则离水展着量减少，会导致润滑不足，容易产生热划伤，造成轧后带钢表面发黑等问题［9］。在使用过程中，轧制变形区内温度急剧升高，对乳化液的浓度变化产生影响，进而影响润滑性能。乳化液皂化值在合理区间时，其浓度值判定方可认为有效，如液压油的泄漏也会造成乳化液浓度检测值的变化。

（2）pH 值

乳化液的pH值一般呈弱酸性，稳定在4.5～7.0范围内，过酸性或者过碱性对乳化液性能都有不利影响。乳化液pH值过低，乳化液粒径偏大，稳定性降低，导致乳化液有效浓度降低，从而增大了摩擦系数，使乳化液润滑效果减弱；但乳化液pH值过高，容易发生皂化，甚至形成铁皂，铁皂值不断增加会造成轧后表面脏污。

新配制的乳化液pH值呈弱碱性，在轧制使用过程中，pH值不断下降，最后达到平衡，乳化液pH值变化情况如图3所示［10］。此外，细菌也会引起pH值下降，特别是停机不使用乳化液时，这种情况经常发生，乳化液受到细菌侵害后，会散发出难闻的气味。

图3 乳化液pH值变化情况

（3）电导率

一般情况下电导率会随着轧制周期的延长而缓慢上升。电导率过高，使pH值升高，生成钙皂、镁皂，破坏乳化液体系，导致乳化液的润滑性能下降。电导率不仅与水中的钙、镁等离子含量有关，也与乳化液系统循环过滤有关。轧制乳化液电导率的分布与铁含量有直接关系。铁含量过高容易和 H+、 OH-、 Cl-、 SO42-结合， 而不容易与 Ca2+、Mg2+及有机酸结合。

（4）铁粉含量

乳化液中铁粉会破坏乳化液的稳定性，恶化乳化液的润滑性能，导致轧后表面质量差，引发严重的生产事故，同时铁粉会与乳化液中油分反应，生成轧制油泥［11］。油泥粘度大，处理困难，易粘附在轧件和轧辊表面，腐蚀生产设备，大大降低了轧件的轧后表面质量，造成巨大的资源浪费和环境污染。尽管现场采用的乳化液过滤系统尽可能地过滤掉了乳化液中的铁粉颗粒，但依然有大量的铁粉残留其中对乳化液润滑性能造成影响。

随着近年来“微纳米颗粒润滑”和“液-固二相流体润滑”理论的发展，研究发现，在乳化液中添加一定粒径大小和含量的固体颗粒能够有效提高乳化液的油膜强度，降低摩擦系数，改善乳化液的润滑性能［12-14］。而粒径较小的铁粉颗粒进入乳化液体系后即类似于“液-固二相流体”，铁粉颗粒可以起到微纳米颗粒添加剂的作用，对乳化液的综合润滑性能产生积极影响。企业可以通过控制乳化液中铁粉，达到提高乳化液润滑性能的目的。

尺寸较小的铁粉在轧辊和轧件之间产生相对运动，由于其尺寸小，在变形区以滚动运动的方式减小摩擦系数，与轧件的相对运动能够对轧件表面的凸峰进行抛光磨削。越往接触区运动，铁粉逐渐聚集，铁粉浓度增大，抛光磨削作用越明显［15］。因此，轧件表面的凸峰逐渐被磨削而变得平坦，轧件的粗糙度降低而表面质量得到提高。小尺寸铁粉在轧制变形区作用机理分析示意图见图4。

图4 小尺寸铁粉在轧制变形区作用机理分析示意图

3 乳化液对冷轧板带表面质量影响的控制

3.1 冷轧润滑效果评价指标

采用乳化液进行冷轧润滑时，需要对乳化液的使用效果进行检测评价，现场常见评价指标包括轧后反射率、残油、残铁、油耗、锈蚀及轧辊损耗等，由于轧制工艺与产品不同，如连轧、单机可逆，或者光辊、毛辊等，相关评价指标也有较大变动。根据普遍使用的乳化液产品应用效果及现场对冷轧板带表面质量的一般要求，表征冷轧乳化液润滑效果的常见指标与范围见表3。

表3 冷轧乳化液润滑效果常见评价指标与范围

3.2 冷轧板带常见问题与解决方法

在冷轧过程中，乳化液参数、轧制工艺参数、设备工况、轧辊状态、退火工艺、平整工艺等任何一个情况发生变化，都会对轧件的表面质量产生影响。一旦出现问题，首先要分析产生问题的原因，是出自乳化液系统、轧制工艺参数还是轧机工况（如液压、电力、机械故障等），有的放矢地提出正确解决方案。常见的冷轧板带润滑表面问题如下［16-18］：

（1）热划伤

热划伤产生原因主要包括乳化液浓度过低、辊温过低或异物进入轧机等，导板或开卷带钢之间摩擦也会导致热划伤缺陷的产生，提高乳化液浓度、预热轧辊、酸洗涂油或增大轧制张力可以避免热划伤的产生。

（2）乳化液斑

乳化液斑是由轧件表面残留的O/W型乳化液浓缩形成W/O型乳化液引起的，若轧件表面出现乳化液斑缺陷，可以通过增加轧机吹扫压力、减少杂油含量或改善存放条件来减少乳化液斑的产生。

（3）锈蚀

乳化液浓度过低、酸值过高或钢板表面铁粉含量增加，容易导致锈蚀缺陷的产生，出现锈蚀缺陷后，应检测乳化液浓度、pH值、氯含量、铁粉过滤装置等，并及时进行调整。

（4）碳化边

如果连轧机组末机架乳化液浓度偏高，加之出口吹扫效果不佳，或者乳化液中杂油含量高等，将会导致轧后板面残油量较高，在退火时易在轧件表面形成碳化边，同时退火制度设计和气氛控制也对碳化边缺陷的形成有很大影响。

（5）其他

乳化液泡沫多、生长霉菌等因素也会导致轧后表面质量变差，在使用乳化液进行轧制润滑时，按照乳化液的使用管理规程，对乳化液的各项指标进行定期检测，从而减少由于乳化液系统问题而产生的轧件表面缺陷。

3.3 冷轧润滑效果对汽车板后续涂镀质量的影响

在汽车板后续表面处理过程中，钢板的化学成分、平整工艺、热处理工艺等都会对涂镀质量产生重要影响。除此之外，乳化液润滑不当造成的轧后表面质量问题也会影响其涂镀效果。

（1）表面缺陷和表面粗糙度

由于轧制润滑不当而在轧后表面产生划伤、凹坑、粗糙度大小与分布不均等缺陷，在合金化过程中，缺陷处的Fe-Zn合金与正常部位的锌反应并生长，使缺陷处Fe-Zn合金的生成量增加［19］，在退火时改变了冷轧钢板合金元素的富集状态，从而影响钢板的可镀性。此外，轧后表面粗糙度越大，涂镀越容易，但消耗的涂镀层金属量也越大。

（2）表面清净性

随着冷轧乳化液中基础油含量的提高，粘度的增大，在预热炉中残留在带钢表面的乳化液越不易被除尽，热镀锌时干扰正常Fe-Zn合金层的形成，从而恶化镀层的粘附性能。

（3）带钢表面张力

根据Young方程（式1），热镀锌时，带钢表面张力会影响液态镀层金属在带钢表面的润湿铺展，从而对涂镀效果产生影响。

式中，γsg为固体的表面张力，N/m；γsl为固液界面的界面张力，N/m；γlg为液体的表面张力，N/m。

液体在固体表面接触角示意图如图5所示，其中，θ为液体表面切线与固液界面的夹角；h为液滴高度；d为固液接触面直径。带钢的表面张力越大，液态镀层金属在钢板表面的接触角越小，越有利于其在钢板表面的铺展，从而提高涂镀效果。

图5 液体在固体表面接触角示意图

3.4 乳化液的应用与发展趋势

国内对乳化液润滑的研究工作己经取得了一定的研究成果。例如：油品配方,油膜厚度计算与控制，添加剂的作用，铁粉对乳化液使用的影响以及润滑系统的研究等。目前冷轧乳化液的发展呈现如下趋势：

（1）改变乳化体系

除了对新型的油性剂、极压剂、抗氧化剂等添加剂的作用机理进行研究外，也有将重心放在更具体、更有效的改变乳化体系工作上，通过对复配型乳化剂进行进一步研究，探索乳化液体系的转变。

（2）改良冷轧乳化液的性能

主要是研究乳化液的皂化值，酸值等与轧制工艺的匹配关系，还有冷轧油的成分对防锈性、退火清净性、抗氧化性和润湿性等的影响。

（3）延长乳化液使用寿命

乳化液可循环使用，但使用一段时间后，如果不妥善管理，就会出现变质发臭的现象，变质的乳化液会造成轧件锈蚀，影响轧后的表面质量，还会腐蚀润滑系统，污染环境，导致不得不经常更换新的乳化液。因此，延长乳化液的使用寿命具有重要意义。

（4）环保安全

2015年1月1日，新环保法开始实施，加大了对违法排放的处罚力度［20］。响应国家节能减排及环保方面的政策，开发环境友好的乳化液是今后轧制润滑液发展的一个重要方向。

4 结语

近年来，随着用户对冷轧汽车板表面质量要求的不断提高，乳化液的润滑作用日益显著。在冷轧过程中，乳化液润滑效果控制一直是困扰高表面质量钢板生产的难题。为了高效、经济地控制冷轧汽车板的表面质量，必须对冷轧乳化油进行深入研究，通过制备新型环保乳化液，并优化使用与管理，精准控制润滑效果，以保证冷轧生产平稳高效进行，改善和提高冷轧汽车板表面质量。