随着电子、电气产业向精密化和微型化方向的不断发展,铜板带加工材的薄型化也越来越明显,薄带乃至箔材的需求在不断地增加.对于铜板带材而言,薄带的概念比较模糊,一般带材厚度＜0.5 mm的情况下,可以称为薄带;而箔材的概念可根据国家产品标准的分类来确定,带材厚度≤0.15 mm的称为箔材.

生产宽幅(带宽600 mm及以上)铜及铜合金薄带的精轧机主要有六辊轧机、十二辊轧机和二十辊轧机等类型.四辊轧机已很少用来生产宽幅薄带的成品精轧.目前情况下,上述高精度铜板带冷轧机基本仍依赖国外引进或采用国外技术在国内配套制造.在这些引进的高精度薄带轧机的实际使用中,存在较多轧制速度不达标的情况,即轧机的实际轧制速度远达不到其设计速度,严重影响了轧制生产效率的提高.

影响轧机轧制速度的因素有很多方面,成因也十分复杂.但通过操作人员的反映和对轧制生产、产品质量的统计分析后,可以得出轧制过程中轧机的润滑-冷却系统对轧制速度有明显影响的结论.轧机操作人员普遍认为,通过轧机的实际轧制速度,会明显增加板型控制的难度,会严重影响轧制的稳定性,容易造成卷取不齐甚至滑卷,增加轧制断带的几率.而造成上述操作质量问题的起因都与轧机的润滑-冷却系统有着不可分割的联系.本文通过对铜及铜合金薄带润滑-冷却系统的分析和讨论,提出改进和完善意义,以期能够使轧机的操作更稳定、轧制质量更好,轧制效率获得有效的提升.

现代铜板带冷轧机的工艺润滑-冷却系统,特别是成品精轧机组,主要采用以矿物油为基础油的专用轧制油,并采用循环供给方式,来满足轧机的润滑-冷却要求.

整个循环供油方式包括:

(1) 轧机的供油系统(也称轧制油润滑喷淋系统).

(2) 轧制油回收及储油系统,包括轧制油的冷却或加热系统.

(3) 轧制油过滤系统等.而与之密切相关联的是轧机的带材除油系统,轧后带材的除油系统的除油效率和除油质量在很大程度上影响了轧制润滑冷却系统的功能发挥,也是保证轧制稳定和轧制效率的关键.

工艺润滑主要有以下三个作用:减小轧制变形区接触表面的摩擦系数,从而降低轧制压力和轧制功率消耗,使轧件易于延伸;防止带材黏在轧辊上,以减少轧辊的磨损,保证轧件表面的最佳粗糙度和清洁度;附着在轧材表面上的油膜,能部分地保护轧材在卷取成卷时免受损坏.

铜板带在润滑条件下轧制存在以下几种不同的摩擦状态:流体摩擦、边界摩擦、干摩擦和混合摩擦等.冷轧铜板带时的润滑模型见图 1.

(1) 流体摩擦

轧辊与轧件表面之间存在一层厚度在1.5～2.0 μm的润滑油膜,依靠润滑油的油膜来平衡外界载荷;在润滑油膜中的油分子大部分不受金属表面应力场的作用,可自由地移动,这种状态称为流体润滑状态,此种摩擦现象也称为流体摩擦.此时由于轧辊与轧件表面不直接接触,产生的摩擦是在油液分子之间发生的,所以它是液体的内摩擦.在此情况下,摩擦因数仅为0.001～0.008.

图 1

Fig. 1

图 1 冷轧铜板带时的润滑模型Fig. 1 Lubrication model of cold rolled copper belt

(2) 边界摩擦

相对运动的轧辊和轧件表面被极薄的润滑剂吸附层隔开,此吸附层不服从流体动力学定律,而主要取决于轧辊和轧件表面的性质和润滑剂的化学特性.在边界润滑状态下,摩擦面间存在厚度0.1 μm以下的吸附膜,能够起到降低摩擦和减少磨损的作用.

(3) 干摩擦

运动轧辊和轧件之间润滑油膜破裂,轧辊与轧件金属表面完全接触,形成干摩擦.干摩擦状态下,摩擦系统大幅上升,发热严重且金属表面摩擦形成破坏性的损伤.轧制过程应极力避免干摩擦状态的产生.

(4) 混合摩擦

在实际生产中,轧辊和金属表面具有一定的显微起伏,因此接触表面润滑层的厚度很不均匀,既有大量润滑剂富集区,也有表面最接近的区域.如果润滑剂中有能形成牢固边界膜的活性物质,则在表面最近各点仍能保持极薄的隔离润滑层.在此种情况下,整个接触区将由交替的边界摩擦区和流体摩擦区组成.如果变形区轧制压力很大,当表面滑动时边界层可能局部破裂,结果产生金属表面的直接接触.此种情况下,混合摩擦包括流体摩擦、边界摩擦和干摩擦三部分.在混合摩擦条件下,润滑剂的化学成分对决定极薄层的结构和强度具有重要的意义.

工艺冷却的主要作用为:在轧制过程中,轧件发生塑性变形时,会产生大量的变形热,轧件与轧辊、轧辊与轧辊质检的接触摩擦,要产生巨大的摩擦热;背衬轴承的转动,也会产生摩擦热.据相关资料报道,轧机轧制运行时,大致有20%的主电机功率被转化为热能,从而使轧件、轧辊以及轧机机架等部件的温度升高;假如在不好的冷却润滑的情况下,这些轧制产生的热能将引起轧辊和带材温度急剧上升,使轧辊辊型发生变化,不仅影响轧材质量(板形、厚度差及表面粗糙度等),而且有可能损坏轧辊及背衬轴承或造成断带.这种情况在多辊轧机(特别是二十辊轧机)中,轧制薄带时更容易发生.二十辊轧机由于其结构的特点,机架内部空间狭小,热交换受到很大限制,冷却效果的好坏在很大程度上决定了轧制速度的高低和生产效率的高低.

轧制油喷射容量的确定,取决于带材的性质、宽度、轧制速度和压下变形量等因素.这些因素最终都反映到轧机的主电机容量上,因此可根据主电机容量来确定轧制润滑油的喷射容量.根据经验,轧制所需的润滑油喷射量为3L/(min·kW)左右.

铜板带冷轧用润滑剂包括油性润滑剂和乳化液两大类.油性润滑剂也称润滑油,主要包括矿物油、动植物油和合成润滑油等.在实际生产中,特别是薄带轧制和成品精轧部分,绝大部分采用矿物润滑油.矿物润滑油由纯的矿物油(基础油)加上添加剂组成,添加剂根据其作用可分为:抗氧化剂、腐蚀抑制剂、油性增强剂、极压添加剂、增稠剂、降凝剂和消泡剂等.

对工艺润滑油的使用要求包括以下7个方面:

(1) 对工具与变形金属表面有较强的黏附能力和耐压性能,在高压下,润滑油膜仍能吸附于接触表面上,保持润滑效果.

(2) 要有适当的黏度,既能保证润滑层有一定的厚度和较小的流动剪切应力,又能获得较光滑的制品表面.

(3) 轧辊及轧件表面要有一定的化学稳定性,以避免对轧辊和产品表面产生腐蚀,并保证产品在后续退火加工中不出现各种残留斑痕等.

(4) 润滑油要有适当的闪点及着火点,以保证安全生产.

(5) 要有良好的冷却性能,以利于对轧辊和轧件起冷却、调节与控制(如辊型)作用.

(6) 润滑油不应有对人体有害,轧制过程中产生的少量气体应无毒性、无难闻气味,废油环境污染小和处置简单.

(7) 成本低廉、资源丰富.

以上是对轧制润滑油的一些基本要求,实际上不存在一种能完全满足上述全部要求,并适合各种塑性加工过程或条件的润滑剂.对于不同类型和不同用途的轧制条件和过程,应选择不同的基础油,配以不同的添加剂,来满足其特定的要求.

轧制油的评价主要包括润滑油品质评价和工艺润滑效果评价两个部分.润滑油的品质主要反映润滑油性能的理化指标及其组成与结构,它对轧制工艺润滑效果具有决定性作用.工艺润滑效果主要是评价在工艺润滑投入后轧制时的力能参数、变形参数以及产品表面质量的实际情况.

对加工条件-变形区油膜-润滑效果三维关系的研究可以帮助确定取得最佳润滑效果时的最佳加工条件(包括润滑剂的选择).

润滑油品质的评价指标主要包括:黏度、闪点、馏程、油膜强度、凝固点、表面张力、酸值、密度、硫含量、芳烃含量、水分及机械杂质.

润滑效果反映了润滑条件下力能参数(摩擦系统、轧制压力)、变形参数(最小可轧厚度)和表面质量(表面粗糙度、表面光亮度、表面纤维形貌)等特征.

轧制油在循环使用过程中,其性能和组成成分会发生一些变化,需要进行必要的维护和控制.

(1) 轧制油使用中的污染.主要包括轧制过程中掉下的金属颗粒、过滤时助滤剂的混入、轴承润滑和液压系统用油的泄漏等.

(2) 轧制油使用过程中组分的消耗和变化.轧制过程中,基础油中低温组分会更多地以油气的形式挥发;同时各种添加剂浓度也会发生变化.因此在对使用过程中的轧制油进行评价的基础上,需要进行过滤、添加与更换等维护工作.

过滤:从轧机返回的轧制油通过油泵输送回脏油箱,脏油箱的轧制油再进入过滤器进行过滤,过滤清洁后的润滑油进入清洁油箱,准备再次使用.图 2为板式过滤器的示意图.

图 2

Fig. 2

图 2 板式过滤系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of plate filter system

添加:实际生产中,由于轧制过程中,轧后带卷会带走部分润滑油,同时还有部分轧制润滑油通过挥发而有所减少,因此周期性的添加是一项日常的维护性工作.经过油样的检测和评价,当发现在用轧制润滑油总量减少或润滑油的理化性能指标有偏离时,可以进行有针对性的添加,来保证轧制的正常使用.

更换:只有当轧制润滑油的部分理化指标与标准值发生了很大的偏差,而且无法通过添加新油或者针对性地通过添加部分添加剂,使在用轧制润滑油恢复到正常的指标时,或者这种调整和添加变得不十分经济的情况下,需要对轧机的整个油箱进行清理和更换.

一般情况下,铜材薄带轧制采用进行特别处理的窄流程低黏度基础油,其黏度(40 ℃时)约为8 mm²/s.此种铜板带轧制油最先主要从国外进口,世界上各大油品公司都有系列化的标准产品,其中使用最广泛的、也是通用型较强的是黏度为8 mm²/s的铜板带轧制油.例如:Mobil公司的Genrex 26系列、Esso公司的Somentor N60等,后国内油品厂家研制的替代产品也主要参照上述产品,其黏度大致在7.6～8.2 mm²/s.

在实际生产中,此类黏度为8 mm²/s的轧制油具有较好的润滑性能,但也存在着黏度较高、冷却性能不好的问题,特别是高速轧制时,其冷却性能明显不足;同时,由于油品黏度较高,实际生产中,还存在着轧后除油效果差的问题,影响了轧制速度的提高.

在基础油中加入油性添加剂(包括酸、醇和脂三大类)可以大幅改善油品的综合性能,并改善轧件表面的光亮度.通常情况下,油性添加剂采用复合使用的方式,醇类和脂类的添加剂的使用性能和效果更好一些,使用面也更广一些.

轧制润滑油的选择,其最终目的就是力求在轧制变形区内形成连续、牢固、薄质的润滑油膜.当变形区内形成较薄的混合润滑油膜时,能有效防止黏辊,又能实现光滑辊面对轧件表面微凸体的压烫作用,从而获得光滑、光亮的轧件表面.为实现这一目标采取的原则是:采用表面粗糙度低的轧辊轧制;采用低黏度的基础油和最佳含量的添加剂,同时润滑剂黏度与轧制速度匹配;采用最佳压下率轧制.

(1) 轧制润滑冷却系统对于轧制生产和产品质量的影响是十分重要的,是稳定轧制和保证轧制产品质量的重要保证.

(2) 轧制润滑冷却系统的合理设计、轧制润滑油的正确选择应以实际轧制条件为基础;铜板带轧制,特别是薄带和箔材轧制,应借鉴和参考铝加工的技术和经验.

(3) 轧制润滑冷轧系统的正确使用、定期评价和经常性维护是确保轧制生产稳定、高效的必要条件,也具有较高的经济效益预期.