鋁及鋁合金熱軋用乳化液應用技術

王誠海，劉曉娟

（中鋁河南鋁業有限公司，河南 洛陽 471000）

鋁及鋁合金熱軋用乳化液應用技術

王誠海，劉曉娟

（中鋁河南鋁業有限公司，河南 洛陽 471000）

熱軋產品的質量很大程度上取決于起冷卻和潤滑作用的乳液的性能。通過分析乳液在鋁及鋁合金熱軋過程中的主要作用及原理，介紹了常見的幾種潤滑形式及熱軋粘鋁形成機理，同時通過對乳液的重點指標控制，闡述了鋁及鋁合金熱軋產品表面質量的控制手段。此外還介紹了使用Mastersizer顆粒度儀器檢測乳化液顆粒度及其維護管理。

熱軋；潤滑；乳化液；粘鋁；檢測

0 前言

鋁及鋁合金熱軋產品的質量很大程度上取決于起冷卻和潤滑作用的乳化液的性能，乳化液是油分布在水中形成的宏觀均勻的兩相體系，一般情況下水相是連續相，起冷卻作用，油相是分散相體現和承載了潤滑性能。正常情況下，油不“溶于”水，但在乳化劑的作用下，使油能夠分散在水中（溶于水），有時乳化液也叫可溶性油。乳化劑具有獨特的分子結構，可以分為陰離子、陽離子和非離子類型，鋁熱軋用乳化液中乳化劑一般為陰離子型，其分子一端為親油基，另一端為親水基，分別與油水結合起來形成穩定的油水平衡體系。

1 鋁及鋁合金熱軋的潤滑

鋁及鋁合金熱軋的開坯溫度一般為370～540℃，高溫下鋁對軋輥表面具有很強的吸附性，因而熱軋時很容易在軋輥表面形成粘鋁層。因此，鋁及鋁合金熱軋用乳液必須具有良好的冷卻、潤滑、洗滌及減少軋輥磨損等作用，并能保證軋制產品具有良好的表面質量。

熱軋鋁及鋁合金時，一般使用冷卻及潤滑性能良好的乳化液作為工藝潤滑劑?，F在所用的乳化劑一般是水包油的，濃度在3%～7%。在軋制過程中，乳液噴射到軋輥和軋件上后受熱，基礎油被分離出來，在軋輥上形成一層油膜，正因為乳液的這一特點—熱分離性，分離出來的水主要起冷卻作用，油則在軋件與軋輥之間建立一層潤滑膜，將軋件與軋輥隔離，起潤滑作用。

對于鋁材熱軋乳化液而言，基礎油一般采用礦物油，添加劑有油性劑和極壓添加劑。乳化液的粒徑大小與粒徑分布對軋制時的摩擦因數、軋輥輥面粘鋁、鋁板表面的附著油量都有很大影響，較大的粒徑有利于油水兩相分離，提高潤滑能力；乳化液的濃度，也就是基礎油的黏度，決定油析出后形成的油膜厚度，影響著動力潤滑能力的高低；添加劑的種類和含量決定著邊界潤滑的效果，特別是在高溫下減摩抗磨效果特別顯著。另外，水的硬度對乳化液的穩定性和使用效果也有很大影響，主要是水中的鈉、鈣、鎂離子會對離子型乳化劑產生影響進而影響乳化液的穩定性，因此在配制乳化液時一般選擇去離子水。乳液潤滑性能的控制主要包括以下幾點：

（1）乳液的熱分離性：熱分離是指乳液和溫度較高的軋輥接觸時所分離出的純油量。乳液的熱分離性能與乳液中油粒尺寸大小相關，油粒重乳液中的分離速度可以用 Stokes 公式來表達。

從上式可以看出乳液中油粒的析出速度與乳粒尺寸大小密切相關，乳粒尺寸越大，油粒分離速度越大。換言之，乳液的 ESI 數值越低，乳液越不穩定，乳液的熱分離性能越好，潤滑能力越好；反之， 乳液的 ESI 數值越高，乳液越穩定，乳液的熱分離性能越差，潤滑能力越差。

外部因素對乳液的熱分離性能也有突出的影響。軋輥的溫度越高，熱分離性能越好。所以，在軋制時注意和經常測量工作輥的溫度，對了解和穩定軋制有重要的促進作用。例如，良好表面的軋制工作輥的溫度應該至少在70℃以上，對軋制軟合金，最好在80～90℃，而對硬合金，則需要在 90～100℃。開始軋制時，工作輥溫度較低，可采用事先通蒸汽預熱的辦法有一定的幫助，但也有工廠通過開始干軋的辦法，這是不推薦的方法，因為這會使軋輥磨損加劇，影響隨后的軋制。比較好的做法是先軋制幾卷不重要的軟合金，使軋輥溫度提高，進入穩定軋制，然后再軋制重要的合金。

（2）邊界潤滑劑：邊界潤滑劑由乳化劑和自由脂肪酸構成。邊界潤滑劑是影響軋制性能和軋件表面質量的重要因素。由于脂肪酸或油酸具有化學活性，很容易吸附在金屬的表面。軋制過程中，懸浮在乳液中的大量鋁粉是脂肪酸或油酸的最大消耗劑。另一方面，脂肪酸或油酸與金屬離子反應生成金屬皂，也使其不斷消耗。游離脂肪酸的含量大幅度減少，使邊界潤滑劑的作用降低，導致乳液的潤滑性能變差，致使軋件表面質量變壞。因此，對游離脂肪酸的含量必須進行控制，定期檢測。

（3）乳液的粘度：乳液在使用過程中，難免有各種機械潤滑油漏入。這些雜油的進入，必然會改變乳液的粘度，從而影響到乳液的潤滑性能。

熱軋用乳化液的潤滑效果主要表現在降低摩擦系數、軋制力。乳化液的濃度主要影響其潤滑、冷卻性能，濃度過低，潤滑性差，極易粘鋁；相反濃度過高，容易打滑，影響咬入。熱粗軋乳液濃度一般控制在3%～4%，精軋一般控制在5%～7%。

熱軋過程中，在變形區入口，軋輥和軋件表面形成楔形縫隙，乳化液填充其間，建立了具有一定承載能力的油膜楔。流體動力學研究表明，當固體表面運動時，與其連接的液體層被帶動以相同的速度運動，即固體和液體接觸層之間幾乎不產生相對滑動。因此旋轉的軋輥表面和軋制鋁材表面應使乳化液進入變形區。

因此，在前區形成了特殊形式的流體動力學泵，使乳化液增壓進入變形區，咬入時，鋁板和軋輥表面的粗糙度有利于乳化液進入變形區。實際上，金屬表面凹凸不平，乳化液填充此凹凸之間，被帶入變形區，起潤滑作用。變形區內的油膜厚度基本和乳液的濃度成線性關系，并隨軋制速度和后張力的增加而增加。

按照進入摩擦表面借出去的乳化油的數量，摩擦分為三種形式：干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦。

本文主要介紹邊界摩擦。當接觸表面存在極薄油膜時，（厚度為0.01μm～0.1μm）稱為邊界摩擦。如潤滑劑中存在表面活性物質（如脂肪、脂肪酸、醇及其衍生物）時，在金屬表面就形成很薄且牢固的油膜，這些物質的機型分子具有很長的長鏈形狀，它們垂直金屬表面排列，形成具有一定數量密集層列，脂肪酸分子以其羧基COOH和金屬連接，并成對稱排列。因此邊界油膜具有類似晶體的有序排列結構，其性質和普通的潤滑劑有很大的區別，這種結果有利于承載很大的法向載荷。

鋁合金在熱軋狀態下比較認可的是極壓潤滑，主要有以下兩種機理：物理吸附和化學吸附。

2 熱軋粘鋁形成機理及控制

2.1 鋁及鋁合金熱軋的粘鋁機理

在鋁的熱軋中，最具特色的就是形成輥面粘鋁。軋輥粘鋁是指在軋制過程中，部分鋁在高溫高壓下敷于軋輥上，在軋輥表面形成鋁和其氧化物構成的薄膜。由于軋制是在帶有粘鋁的輥面進行，所以軋制板帶的表面質量主要取決于輥面的粘鋁狀態。輥面粘鋁可在軋輥表面重疊一些厚度為微米的鋁薄膜。當軋輥表面粘鋁太薄時，就會引起咬入不良和產生滑動。相反，輥面粘鋁過厚或不均勻時，粘鋁機會部分脫落，造成嚴重缺陷。繼續軋制時，鋁材表面的一部分粘在軋輥表面上并被撕裂下來，這就形成了粘鋁。軋輥表面粘鋁過厚時，其中一部分就會不斷的脫落并壓入板帶表面。一般認為應經過以下幾個過程：

（1）邊界潤滑膜、污染膜、氣體吸附膜以及金屬氧化膜等表面膜的局部破裂。

（2）基體金屬間相互直接接觸產生粘結。

（3）表面膜破裂部分擴大。

（4）表面粘附層的產生、發展或脫落。

（5）由于表面粘附層的產生或脫落，使制品表面損傷或工具磨損。

2.2 鋁及鋁合金熱軋粘鋁的控制方法

2.2.1 提高乳化液的潤滑性

如果乳液的潤滑性不足，則軋輥與軋件之間的摩擦增大，輥面粘鋁變得不穩定，因此，使用性能優良的乳化液，提供有效的冷卻與潤滑，主要通過控制乳化液中乳油的粒子尺寸來實現的。乳油粒子尺寸太小，乳化液太緊，油水分離性太差，油不易析出。相反，乳油尺寸過大，乳化液的穩定性太差，容易打滑。

另外，通過添加一些酯類、脂肪酸等增加油膜的厚度，增加潤滑性能，防止粘鋁的產生，確保有足夠的油膜強度。

2.2.2 使用清輥器

為了使軋輥表面的粘鋁保持適當的厚度，通常要安裝清輥器，控制粘鋁層的厚度。目前國內外使用的清輥器材質主要有兩種：

一是鋼絲清輥器，耐高溫，清刷能力強，特別對于5系等較硬合金，清刷效果較尼龍清輥器好，但由于鋼絲特性，不能正反轉動兩方向都清刷，否則鋼絲刷上的鋼絲容易脫落，主要用于粗軋及熱連軋機的前幾個機架。

另一種是尼龍清輥器，其特點是不掉毛，可正反兩方向轉動，不損傷軋輥，但不耐高溫，需使用乳液冷卻，清刷能力較鋼絲刷要弱，主要用于精軋機最后一個機架。

清輥器一般安裝在軋機的出口側。使用過程中，轉速控制在400～900r／min，與工作輥轉向相反，并由液壓馬達帶動在輥面方向往返移動，頻率約為40～60次/min，一般位于軋機出口側，防止清刷下來的鋁粉等臟物被帶進軋制區，進而被壓入表面；壓力控制在1.5～2.0kg/cm2，壓力太小，清刷不干凈，太大則使粘鋁層完全脫落，產生新的問題。

3 乳液檢測項目及日常維護管理

3.1 檢測項目

乳液的檢測項目包括： 濃度、疏水粘度、pH值、電導率、ESI( 乳液穩定性) 、灰分、F.T.I.R.、顆粒度等。鑒于濃度、疏水黏度、pH 值、電導率、灰分等的檢測均采取通用的方法和儀器檢測,在此不再贅述，簡單介紹下乳液顆粒度的檢測。

3.2 乳液顆粒度檢測方法

乳液顆粒度檢測是利用Mastersizer儀器進行測量的，它是通過光學元件去收集一部分顆粒的散射光，利用光學儀器和Mie理論先從顆粒場中推出衍射模式，計算出顆粒體積的大小，然后根據等效球形理論計算出顆粒的大小。

由于乳化液中乳油粒徑的大小受循環、溫度等因素的影響相當大，因此顆粒度的測量必須及時、快速。對于每次測量的時間、取樣地點應固定；另外取樣時間到檢測時間間隔不能太久，最好不超過一分鐘，否則得出檢測結果差異性很大，缺乏對比性。取樣時，應用保溫瓶對乳化液樣品進行保溫，這樣有利于現場到化驗室的溫度基本保持不變，最佳的方案是能夠現場取樣現場檢測。

乳液顆粒的大小直接反映出乳液的松緊程度。通常粗軋乳液顆粒尺寸控制在1.10～1.40μm，精軋乳液顆粒尺寸控制在2.10～2.40μm范圍內，當然這是指平均粒徑。

3.3 乳液的日常管理與維護

乳液是一個水包油的緩沖體系，需要控制許多重要的參數，如濃度、疏水粘度、pH值、電導率、ESI( 乳液穩定性) 、灰分、F.T.I.R.、顆粒度等，這些都需要靠日常的維護達到系統的平衡。

3.3.1 定期適量加入以補充消耗

當乳液濃度低于指標要求時，乳液的潤滑能力下降，軋制時將會產生粘鋁，因此必須及時補充原液，可以按照噸耗補充。一般粗軋噸耗在0.7～0.8/L，精軋在0.8～1.0/L。按照噸耗補充，有效成分如OS、UA、E1、TE等同時進行補充。濃度過高時，需及時添加去離子水，并充分循環，防止打滑、咬入困難等問題。

3.3.2 定期撇油和置換

由于軋機所使用的液壓油、潤滑油的粘度低于軋制油的粘度，它們會不斷泄漏到乳液系統，影響系統的平衡，尤其是對疏水粘度和pH值的影響很大。疏水粘度反應出油膜強度和厚度，疏水粘度太低，動力潤滑提供不足，產生粘鋁或咬入困難。潤滑油中含的P、S以及細菌會導致乳液pH值下降, 嚴重時將導致乳液酸敗。而乳油的疏水粘度和設計與基礎油的粘度有關，因此，日常必須加強撇油，將浮油撇除。乳液箱中上浮層實際上是金屬皂、鋁粉和油的混合物，它是乳液自凈化的一種體現。如能在撇油前靜置30min左右，使乳液中臟物充分上浮，效果更好。

乳液的pH 值跟乳液的成分有關, 一般鋁合金熱軋乳液呈弱堿性。pH值降低時，可加入胺類添加劑，提高乳液的pH 值。同時使乳液溫度保持在60～65℃約2～4h以便殺死在低溫生長的細菌，可抑制菌類滋生，防止酸敗。pH值較高時，乳液較緊，防銹性能較好，能抑制細菌生長，但pH值太高時，會降低乳液的潤滑能力。因此，必須嚴格控制乳液的pH值在7.5～8.5的范圍內。如遇疏水粘度和pH值急劇下降應采取部分換液的方法來維持系統的穩定。

3.3.3 常見問題及對策

軋制表面缺陷實際上是與軋制有關的眾多參數的綜合反映，乳液只是其中眾多因素之一，表1中僅列出乳液方面可能的一些原因，供參考。

表1 熱軋乳液常見問題及對策

4 結束語

本文具體分析了鋁及鋁合金熱軋過程中潤滑的特點以及粘鋁形成的機理，并提出了解決措施，同時提出了乳液顆粒度的檢測方法，并對乳液的維護提出了管理措施，同時就生產中的一些常見質量缺陷提出解決措施。從實踐及生產來看，這些措施有效地解決了產品表面的粘鋁等質量問題，為生產高表面產品奠定了扎實的基礎。

（編輯：余東梅）

Emulsion Technology for Aluminum and Aluminum Alloy

WANG Cheng-hai, LIU Xiao-juan
( CHINALCO Henan Aluminum Co.,Ltd., Luoyang 471000,China)

The quality of hot-rolled products are based on the of property of cooling and lubrication of emulsion. The main role and the principles of the emulsion during hot rolling for aluminum and aluminum alloy are discussed. Several common lubricating forms and hot-rolled sticky aluminum forming mechanism are introduced. Surface quality of hot rolled products for aluminum alloy are controlled by control of key indexs of emulsion.

hot-rolling; lubrication; emulsion; sticky aluminum; detection

TG339，TH117.2+2

A

1005-4898(2014)04-0027-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.07

王誠海（1986-），男，江西贛州人，助理工程師。

2014-03-28