Эмульсии для горячего проката. Решения от Petrofer

За последние 35 лет произошли серьезные изменения в развитии и понимании эмульсии для проката. Предприятия, применяющие технологию горячего проката алюминия и меди, обладают четким пониманием зависимости качества эмульсии, как  на производительность прокатного стана так и на качество поверхности. В своей статье мы опишем основные цели, задачи и решения для горячего  проката  алюминия, меди и их сплавов. Поскольку отрасль требует все более высоких скоростей для повышения производительности, а трибологические характеристики, как известно, зависят от скорости, понимание зависимости механизмов трения от параметров процесса на контактных поверхностях имеет большое значение.

Технологический процесс

При изготовлении алюминиевых листов и пластин слиток при температуре от +270С до +500С пропускается через прокатный стан для уменьшения толщины слитка. После прохождения прокатного стана сляб прокатывается на многоклетьевом стане или реверсивном стане до толщины около 0,2 - 6 мм. Во время прокатки на многоклетьевом стане или реверсивном стане заготовка и рабочие валки охлаждают эмульсией типа «масло в воде». Основными функциями эмульсии являются снижение трения, предотвращение контакта металла с металлом между рабочими валками и заготовкой и контроль температуры рабочих валков.

Одна из основных проблем, возникающих с эмульсией типа «масло в воде», вызвана мелкими частицами алюминия или легирующих элементов, которые удаляются с поверхности заготовки и переносятся на рабочие поверхности прокатного валка. Частицы, которые сильно окислены, накапливаются на поверхности прокатного валка, образуя на ней покрытие, которое обычно называют покрытием прокатного валка. Частицы алюминия с покрытия прокатного валка впоследствии повторно переносятся на поверхность заготовки и внедряются в нее. Во время последующих операций проката поверхностные дефекты, как правило, скрываются, и только после последующего анодирования листового материала эти дефекты снова проявляются. Иногда дефекты становятся заметными после этапа травления, который обычно требуется перед анодированием. Увеличивая смазывающую способность эмульсии типа «масло в воде» и делая ее более селективной, можно свести к минимуму осаждение захвата. Однако смазочные свойства эмульсии типа «масло в воде» не должны быть увеличены до такой степени, чтобы алюминиевая пластина отказывалась входить в прокатные валки. Кроме того, если трение между заготовкой и прокатными валками уменьшается на чрезмерную величину, заготовка имеет тенденцию к боковому перемещению или скольжению в прокатном стане, что приводит к последующим производственным потерям или  деформации листа.

Помимо функций смазывания  и охлаждения, эмульсия должна также соответствовать другим требованиям. Эмульсия должна быстро удалять остатки высохшей эмульсии с поверхностей заготовки или валка. В противном случае остатки высохшей эмульсии ускорят образование и налипание покрытия на валке. Эмульсия также должна предотвращать ржавчину и поддерживать чистоту системы трубопроводов охлаждающей жидкости.

Образуемая трибологическая пара трения зависит от большого количества параметров. Эти параметры можно разделить на два больших класса: те, которые зависят от материала, и те которые определяются процессом. Когда рассматривается горячий прокат, то данные параметры включают:

·      температуру

·      скорость прокатки

·      степень обжатия  

·      условия смазывания

именно эти параметры являются предметом нашего обсуждения.

Процессы и типы смазочных материалов, используемые при прокате алюминия, указаны в таблице ниже:

Таблица №1. Температуры процесса

Роль прокатной эмульсии тройственная:

·                для уменьшения/предотвращения прямого контакта между валками и алюминиевыми поверхностями

·                для извлечения тепла, выделяемого трением и деформацией

·                для транспортировки металлических частиц и мусора из зоны захвата валков к фильтровальной станции

В процессе горячего проката смазывание и регулирование температуры рабочих валков достигаются путем распыления эмульсий типа «масло в воде» на валки в контролируемых зонах. Эмульсия также удаляет любые свободные частицы из зоны захвата валков и переносит их в фильтр, где они удаляются.

При разработке прокатного смазочного материала необходимо учитывать грузоподъемность, эффективность охлаждения и способность обеспечивать чистый отожженный продукт, а также важно обеспечить их химическую стабильность, чтобы минимизировать изменения во время использования. Как реологические свойства, так и состав оказывают значительное влияние на эксплуатационные характеристики смазочного материала. Присадки имеют решающее значение для контроля трения, поскольку они предотвращают проблемы проскальзывания или отказа захвата роликов, вызванные слишком низким трением, или плохого качества поверхности (задиры и царапины), вызванного слишком избыточным трением.


Рис.1  Внешний вид прокатного стана United

В процессе горячего проката терморегулирование рабочих валков достигаются путем распыления эмульсий типа «масло в воде» на валки. Эмульсия также удаляет любые свободные частицы из зоны захвата валков и переносит их в фильтровальную станцию, где они удаляются.

Прокатная эмульсия: состав и назначение

Прокатные эмульсии представляют собой сложные смеси воды, базового масла и присадок, включая улучшители смазывающей способности, антиоксиданты, эмульгаторы и смачивающие агенты. Формула может также содержать ингибиторы коррозии, биоциды и связующие агенты, которые помогают обеспечить стабильность во время хранения и эксплуатации, также присадки для улучшения процесса эмульгирования.

Эмульсии представляют собой сложные смеси воды, базового масла и добавок, включая улучшители смазывающей способности, антиоксиданты, эмульгаторы и смачивающие агенты. Формула может также содержать ингибиторы коррозии, биоциды и связующие агенты, которые помогают обеспечить стабильность во время хранения и способствуют процессу эмульгирования.

Эмульгаторы стабилизируют поверхность капель масла по отношению к водной фазе. Два наиболее распространенных типа эмульгаторов, используемых при горячей прокатке, — это анионные и неионные по своей природе. Анионные эмульгаторы — это в основном металлические или алканоламиновые мыла, в то время как неионные эмульгаторы — это продукты реакции конденсации оксида этилена. Длина полимеризованной цепи  оксида этилена  определяет степень растворимости в воде и, следовательно, количество масла, отделяемого при захвате валка.

Масляные композиции, используемые для образования эмульсии, обычно содержат 50-70% легкого углеводородного масла, в основном нафтенового происхождения, 10-15% одного или нескольких смазывающих агентов, таких как олеиновая кислота и один из обычно используемых эфиров, 20% эмульгаторов, таких как триэтаноламин, до 5% по весу связующего агента, такого как этиленгликоль, для того, чтобы сделать эмульгаторы и смазывающие агенты растворимыми в базовом масле.

Эмульгаторы стабилизируют поверхность капель масла по отношению к водной фазе. Два наиболее распространенных типа эмульгаторов, используемых при горячем  прокате  это анионные и неионные по своей природе. Анионные эмульгаторы — это в основном металлические или алканоламиновые мыла, в то время как неионные эмульгаторы — это продукты реакции конденсации оксида этилена. Длина полимеризованной цепи оксида этилена определяет степень растворимости в воде и, следовательно количество масла, отделяемого при захвате валка. Присадки полярны по своей природе, что обеспечивает физико-химическое связывание с металлом и поверхностями валков, обеспечивая несущую способность и защиту свежей алюминиевой поверхности. Как правило, увеличение полярности обеспечивает более эффективное  смазывание. Обычно используемые добавки для горячего  проката — это органические кислоты и эфиры.

Умеренные количества органических кислот в рецептурах существенно влияют на качество поверхности прокатанного листа, хотя во время использования они образуют металлические мыла, которые могут снизить стабильность эмульсии. Эфиры менее реакционноспособны, но относительно стабильны и широко используются в коммерческих рецептурах. Рецептуры также содержат противозадирные EP присадки, в частности, фосфатные эфиры, которые помогают минимизировать дефекты поверхности, вызванные локальным свариванием алюминия в условиях высокого трения.

Необходимо обеспечить и поддерживать постоянную эффективность смазки алюминиевых прокатных валков, чтобы обеспечить эффективное охлаждение и защиту свежесформированной поверхности, одновременно сводя к минимуму износ валков и предотвращая проскальзывание.

Эмульсия для горячего  проката претерпевает физические и химические изменения в процессе использования. Это происходит из-за высоких температур и давлений, испытываемых в месте захвата валков, а также из-за контакта с только что сформированной поверхностью алюминия во время деформации.

Изменения, которые могут потенциально произойти:

• окисление и полимеризация
• образование металлических мыл
• загрязнение жидкостями от прокатного оборудования
• деградация через микробное загрязнение

Рис.2   Рабочая клеть стана кварто 2840. Вверху лист толщина 20 мм, внизу сляб.

Анализ эмульсии

Прокатная эмульсия должна обладать высокой эффективностью охлаждения. Однако небольшие изменения концентрации могут оказать существенное влияние на охлаждение, испытываемое на горячем стане, а также на смазочные характеристики эмульсии.

Обычный способ определения концентрации масла — разделить эмульсию кислотой, например, соляной или серной. Для этого эмульсию и кислоту помещают в колбу с градуированным горлом и оставляют на водяной бане до полного разделения. Затем можно использовать полученную масляную фазу для анализа определенных присадок.

Эмульсия для горячего проката должна выделять масло или «выпадать» на горячих металлических поверхностях в контролируемом режиме во время проката. Это необходимо для облегчения смачивания и адсорбции функциональных добавок. Стабильность эмульсии влияет на выпадение, но ее можно контролировать путем измерения распределения размеров капель масла в эмульсии. Методы, обычно используемые в алюминиевой прокатной промышленности, основаны либо на лазерной дифракции (рис.3)

Рис.3  Распределение размеров капель масла, полученное с помощью лазерного дифракционного измерителя размеров частиц.

Когда происходит выпадение, добавки образуют тонкий, плотно упакованный слой молекул на поверхности. Это помогает выдерживать высокие нагрузки и защищать поверхность алюминия во время деформации. Инфракрасная спектроскопия контролирует основные добавки, такие как органические кислоты и эфиры в масляной фазе (рисунок 4).

Рис.4 Инфракрасный спектр смазки для горячего проката, содержащей эфирные присадки.

Контроль эмульсии

Кинематическая вязкость отделенной масляной фазы может потенциально выявить загрязнение, вызванное попаданием смазочных материалов из гидравлической  системы.  С помощью капиллярного вискозиметра в соответствии с ожидаемым диапазоном кинематической вязкости для масляной фазы. Температура испытания составляет +40 °C.

Содержание золы (ASTM D482-13) — это гравиметрический метод, применяемый к эмульсии для определения уровня неорганического остатка в ней. Остаток может быть в форме нерастворимых металлических частиц, образующихся во время проката. Это могут быть растворимые зольные материалы, которые могут присутствовать либо из смазочного материала гидравлической системы, либо из других загрязняющих веществ.

Уровень pH и электропроводность  эмульсии влияют  на ее стабильность. В частности, все, что снижает pH или увеличивает проводимость, может дестабилизировать эмульсию. Это приведет к разделению эмульсии. Уменьшение pH может произойти из-за бактериального загрязнения, в то время как увеличение проводимости может быть вызвано качеством подпиточной воды. Можно использовать простые и недорогие датчики для количественного определения pH и проводимости. Более того, эти измерения можно проводить в потоке.

Рис.5 Горячий прокат меди

Бактериальное загрязнение может привести к снижению производительности, появлению неприятных запахов и коррозии трубопроводов. Однако вы можете принять превентивные меры, например, путем добавления биоцидов, до того, как эти проблемы возникнут, если вы проанализируете биологическую активность. Для этого вы можете использовать погружные дип слайды.

Важно отслеживать изменения состава и контролировать их, чтобы обеспечить постоянную эффективность смазки во время проката. Кроме того, должны быть также регулярные ежедневные лабораторные измерения для обеспечения стабильности. Аналитический контроль следует рассматривать как неотъемлемую часть общего цикла качества, а не просто как накладные расходы. Подробный анализ может быть дорогим, а некоторые методики могут включать сложные методы и дорогостоящее оборудование, требующее квалифицированных сотрудников. Несмотря на это, такие расходы часто могут быть довольно низкими по сравнению с общими расходами, связанными с простоем производства и проблемами качества.

Мы можем помочь вам улучшить процесс проката с помощью аудита смазочных материалов/охлаждающих жидкостей и рекомендаций по мониторингу эмульсии. Кроме того, мы можем обучить ваш персонал на индивидуальной основе. Подробную информацию  о нашей технической поддержке вы можете получить, направив запрос на почту  info@alleya-ind.ru

Решения Petrofer

Компания Petrofer предлагает продукты для процессов холодного и горячего проката алюминия и меди -  высококачественные концентраты прокатных эмульсий.

ISO-MILL K9 F5 - это эмульсия для холодного и горячего проката алюминия, которая хорошо зарекомендовала себя на двух-четырех валковых обжимных прокатных станах в т.ч. для операций прокатки катанки методом Проперци (Properzi) и имеет длительный срок службы не менее 1 года. Полученные поверхности имеют чистую глянцевую безупречную финишную поверхность. Чрезвычайно низкие значения пористости и точечных отверстий могут быть достигнуты при непрерывном производстве фольги из алюминиевой полосы с использованием ISO-MILL K9 F5.

Снижение трения на поверхности валка достигается путем добавления смазывающей  присадки ISO-MILL ADDITIV T.

ISO-MILL CU 501 -  современная высокоэффективная эмульсия для обработки давлением для меди и ее сплавов. ISO-MILL CU 501 отвечает особым требованиям по защите металлов, не содержащих железа, от окисления и коррозии.  ISO-MILL CU 501 может быть использован как высокоэффективная эмульсия для проката и процессов волочения, например, при производстве медных труб, и также в процессах производства листового металла.  ISO-MILL CU 501 успешно используется на станах SMS Meer для холодного пильгрования бесшовных труб в концентрации от 10 до 20 %.

ISO-MILL RS 402 – эмульсия для обработки металла, специально разработанная для холодного проката стали и стальных сплавов. Используется в процессах формования, ребрения, профилирования и  холодного волочения. ISO-MILL RS 402 обладает отличными моющими свойствами, поверхности материалов остаются чистыми и свободными от ржавчины.

Новая технология трибологии эмульсии ISO-MILL RS 402 в сочетании с низкой стоимостью технического обслуживания обеспечивает оптимальные характеристики проката и производительности.

ООО «Аллея Групп»
Науменко М.
декабрь 2024г.
info@alleya-ind.ru