何建鋒,潘勛平,胡 斌,李慶勝

(寶鋼日鐵汽車板有限公司,上海 201900)

1 概述

眾所周知,鋼鐵冷軋產(chǎn)品通常會經(jīng)歷平整工序,即帶鋼再結(jié)晶退火后以0.5%～3.0%壓下率進行的小變形量軋制,平整決定了帶鋼成品的表面狀態(tài)、板形、力學(xué)性能[1]?，F(xiàn)有平整工藝分為濕平整和干平整。濕平整是將平整液體噴射到帶鋼和軋輥上生產(chǎn)的工藝,采用此工藝可以保持平整機、輥面和帶鋼的清潔,同時軋輥壽命也顯著提升,最后由于帶鋼表面還殘留有濕平整液,因此帶鋼的防銹性能也得到提升?；谝陨蟽?yōu)點,現(xiàn)有絕大部分平整均采用濕平整工藝[2]。

現(xiàn)有的濕平整工藝使用直噴工藝[3],詳細如圖1所示。將水和平整原液配制成平整液,使用一次后,全部平整液徹底排放。

伴隨我國經(jīng)濟與城市化發(fā)展,國家對鋼鐵生產(chǎn)過程的環(huán)保要求也不斷提升。自2018年以來,最新的環(huán)保法律規(guī)定平整液類污染物的COD排放值在30 mg/L以下,而平整廢液實際值在10 000～20 000 mg/L間,因此環(huán)保升級后處理平整液的技術(shù)難度越來越大,同時整治資源的耗費也越來越高。環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)有進一步升級的趨勢,現(xiàn)有化學(xué)及生化處理措施可能面臨廢液排放超標(biāo)的局面[4-5]。

圖1 直噴平整液系統(tǒng)組成簡圖Fig.1 The diagram of direct-spraytemper lubricant system

2 平整液作用及循環(huán)生產(chǎn)工藝

如圖2所示,生產(chǎn)時平整液的有效成分會在帶鋼和軋輥上析出,形成薄的吸附膜,在輥縫內(nèi)起到各種作用。

圖2 平整液的使用機理及作用Fig.2 The mechanism and function of temper lubricant

平整液的性能要求極為嚴苛,主要滿足潤滑性、防銹性、抗斑跡性、清洗性、表面處理性和環(huán)保及安全性等,否則就會給生產(chǎn)的帶鋼產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險[6-8]。

目前,全世界除日本制鐵公司君津制鐵所的連退平整機之外,已知的所有濕平整中均采用直噴工藝。君津連退平整中,采用類似冷軋乳化液的操作模式,即將配置的平整液噴射使用后,收集起來再次使用,如此不但可顯著降低平整液用量,而且直接減少廢液的排放,環(huán)保優(yōu)勢也極顯著,但日本制鐵公司嚴格控制相關(guān)技術(shù)的機密。

由于平整工藝位于冷軋成品階段,循環(huán)收集的平整液難免會發(fā)生變化和產(chǎn)生臟污,由此會帶來帶鋼產(chǎn)品表面缺陷。所以,循環(huán)平整液的生產(chǎn)工藝和使用要非常謹慎和小心;其次,考慮到循環(huán)工藝特殊性,需要開發(fā)一種具有全新性質(zhì)的循環(huán)平整液;最后,平整液的循環(huán)生產(chǎn)工藝面臨著諸多現(xiàn)場使用技術(shù)困難。以上諸多難點均需開展細致研究工作。

表1是直噴型平整液和循環(huán)型平整液基本的理化性能測試結(jié)果。

從表1的檢測性能來看,循環(huán)平整液與直噴平整液的密度、表面張力基本相同,其原液COD值略微增加,考慮由于化學(xué)成分的變化,可能是循環(huán)平整液調(diào)整了添加劑等造成的。

表1 兩種平整液的部分理化性能對比Table 1 The comparison of physical and chemical propeties of two kinds of temper lubricant

3 實驗室模擬研究

為了更好研究循環(huán)平整液性能的可能變化和對帶鋼的質(zhì)量影響,為現(xiàn)場生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo),本項目設(shè)計研究了相應(yīng)的模擬裝置,如圖3。

3.1 平整液的循環(huán)模擬試驗研究

如圖3的模擬試驗設(shè)備,在其內(nèi)裝有一個帶下壓力的小模擬輥,并置于鋼板上,鋼板會隨著單側(cè)電動機左右移動,平整液噴射后再循環(huán)回收,根據(jù)生產(chǎn)時單位寬度帶鋼和平整時間的當(dāng)量設(shè)置等效噴淋狀態(tài)。裝置的流量范圍為0.8～1.5 L/min,試驗時用質(zhì)量分數(shù)5%的平整液在室溫(14～26 ℃)下開展8 d模擬平整,得到如下的結(jié)果。

3.1.1 細菌/霉菌/酵母菌繁殖

由于平整液是常溫下進行生產(chǎn)使用,因此在使用時會迅速產(chǎn)生各種細菌和真菌,結(jié)果如表2。

圖3 平整液循環(huán)模擬裝置Fig.3 The simulation device of temper lubricant recycling

表2 平整液循環(huán)生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)的細菌/真菌繁殖情況Table 2 Reproduction of bacteria/fungi in the recycling process fortemper lubricant 個

在室溫下長期循環(huán)流動平整時,酵母菌少量出現(xiàn);但很短時間細菌數(shù)會達到103個,其后迅速達到104個的污染,并在一周左右細菌達105～106個范圍,此時已到較重污染;到第7、8天細菌數(shù)變?yōu)?07個,平整液已被嚴重污染。試驗細菌詳情如圖4。

圖4 試驗第一天至第八天的細菌情況Fig.4 The bacteria experiment from the first day to the eighth day

3.1.2 平整液的折光率

圖5是循環(huán)平整液的折光率變化趨勢圖。

在循環(huán)過程中,觀察會有少量泡沫,平整液也會散發(fā)刺激氣味,說明使用后平整液成分有損失。且如圖5(b),在循環(huán)生產(chǎn)時,平整液會從澄清轉(zhuǎn)為混黃色,同步的折光率會逐步增加,說明隨著生產(chǎn)進行其化學(xué)組分發(fā)生了變化,同時平整液也逐步變臟。

3.1.3 電導(dǎo)率

圖6是循環(huán)平整液的電導(dǎo)率變化趨勢圖。

平整液在循環(huán)使用過程中的電導(dǎo)率顯著增加,原因是平整中產(chǎn)生大量細菌,不斷消耗平整液,產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì),此外循環(huán)時產(chǎn)生的鐵粉、鐵銹雜質(zhì)也生成離子,導(dǎo)致電導(dǎo)率線性增加。

3.1.4 pH值

圖7是循環(huán)平整液的pH值變化曲線。

新配平整液pH值為8.72,循環(huán)多次后pH值會迅速降低至8.50左右,其后呈波動并緩慢下降。上述試驗說明,循環(huán)后平整液中的堿性化學(xué)物質(zhì)極快消耗,然后隨著細菌出現(xiàn),也會分解化學(xué)物質(zhì),影響pH值不斷下降。

圖5 試驗期間循環(huán)平整液折光率變化和顏色變化趨勢Fig.5 The trend of the refractive index and the color during the experiment

圖6 模擬循環(huán)平整時循環(huán)平整液電導(dǎo)率的變化曲線Fig.6 The curve of the conductivity during the simulated recycling temper

圖7 模擬循環(huán)平整時循環(huán)平整液的pH值變化曲線Fig.7 The curve of the pH value during the simulated recycling temper

3.1.5 鐵粉

圖8是循環(huán)平整液的鐵粉生成情況。

圖8 模擬條件下循環(huán)平整液的鐵粉生成的情況Fig.8 The formation of the iron powder during thesimulated recycling temper

循環(huán)過程的另一個特點是平整液內(nèi)出現(xiàn)了很多細小但肉眼可見的鐵粉。分析這些鐵粉主要來自軋輥和帶鋼的摩擦磨損,其平均顆粒度為7.5 μm左右,在電鏡下發(fā)現(xiàn)鐵粉大部分呈片狀,少量呈粒狀,而且非常容易聚集在一起,懸浮在平整液內(nèi)。

3.2 循環(huán)平整液的使用性能變化

在試驗?zāi)M設(shè)備上,對試驗鋼板和平整液取樣進行了摩擦和防銹性試驗,獲得圖9的結(jié)果。

圖9 循環(huán)平整液生產(chǎn)鋼板表面的微觀照片及銹點情況Fig.9 The micrographs and rust spot on the surface of steel plate during the simulated recycling temper

在三維共聚焦顯微鏡下對試驗鋼板進行微觀形貌的測量,發(fā)現(xiàn)帶鋼表面殘留許多鐵粉和微小銹點。這些鐵粉在帶鋼表面與帶鋼材料基體形成電位差,出現(xiàn)原電池銹蝕反應(yīng),因此大量鐵粉除影響帶鋼清潔度外,還會影響帶鋼的防銹性。

對試驗過程中不同階段的平整液進行了摩擦和防銹性能試驗,發(fā)現(xiàn)細菌在大量繁殖后,平整液的潤滑和防銹性會大幅降低,如表3。這主要是由于細菌會分解消耗有效的化學(xué)物,所以生產(chǎn)現(xiàn)場必須要嚴控細菌繁殖。

表3 循環(huán)平整液內(nèi)細菌對平整液使用性能的影響Table 3 The effect of bacteria on the propeties of lubricant during the simulated recycling temper

4 平整液循環(huán)使用設(shè)備及工藝開發(fā)

以上循環(huán)試驗表明,循環(huán)流動模式下,軋輥和帶鋼首先會產(chǎn)生大量鐵粉,然后會有大量細/真菌繁殖,平整液內(nèi)化學(xué)物質(zhì)會發(fā)生變化,出現(xiàn)平整液的性能隨之變化,對帶鋼的質(zhì)量產(chǎn)生了隱患。

為此,本項目組通過以下工作,有效保障了循環(huán)平整液的生產(chǎn)工藝的開發(fā):①研究平整液凈化處理技術(shù),并設(shè)計了整個回收循環(huán)系統(tǒng);②與供應(yīng)商一起研發(fā)了具有特殊化學(xué)性能的新型循環(huán)平整液;③研發(fā)了全套平整液循環(huán)過程的使用工藝,包括濃度、流量、平整液的添加及替換等;④開發(fā)了全套的循環(huán)平整液理化性能分析檢測方法,并研發(fā)了循環(huán)平整液的工藝參數(shù)控制范圍及檢測頻率等管理規(guī)范;⑤對現(xiàn)場的生產(chǎn)進行連續(xù)質(zhì)量跟蹤,對平整液循環(huán)工藝生產(chǎn)帶鋼進行質(zhì)量對比,改進和形成了一系列的平整液循環(huán)生產(chǎn)工藝。

5 循環(huán)平整液生產(chǎn)帶鋼的評估

通過上面的研究,寶鋼日鐵汽車板有限公司改造現(xiàn)場設(shè)備,新增了自主研發(fā)的平整液循環(huán)系統(tǒng),并自2020年5月使用至今,期間經(jīng)過了多次的系統(tǒng)升級、調(diào)整和生產(chǎn)工藝的改進,也遭遇了產(chǎn)品質(zhì)量問題,最終經(jīng)過多次優(yōu)化,成功開發(fā)了平整液的生產(chǎn)循環(huán)工藝。

考慮到循環(huán)平整液的管理和帶來的質(zhì)量風(fēng)險,第一階段暫時按照只循環(huán)一次的方式使用,即新鮮的平整液平整后不排進行收集,然后再循環(huán)使用一次后排空。下面對直噴和循環(huán)平整液生產(chǎn)的帶鋼進行試驗對比,評估循環(huán)平整液生產(chǎn)帶鋼的質(zhì)量。

5.1 帶鋼的表面形貌參數(shù)的測試

采用EDT毛化輥生產(chǎn)的直噴帶鋼的表面粗糙度為Ra=1.120 μm,循環(huán)帶鋼的表面粗糙度Ra=1.156 μm。兩種方式下的表面粗糙度對比見圖10,考慮到生產(chǎn)過程中的軋輥差異,這兩者基本處于相同的水平。

兩種方式下的表面形貌參數(shù)見表4。

圖10 直噴生產(chǎn)平整帶鋼及循環(huán)生產(chǎn)帶鋼的表面粗糙度Fig.10 The comporison of surface roughness of steel plate for direct-spray and recycling temper

表4 直噴、循環(huán)噴淋平整帶鋼的表面形貌參數(shù)Table 4 The comporison of surface morphology parameters of steel plate for two kinds of temper μm

從表4的形貌參數(shù)來看,相應(yīng)的表面形貌參數(shù)基本都相差不大?？紤]到毛化軋輥的差異及在使用中的摩損差異,從上述的測量值分析,循環(huán)平整生產(chǎn)技術(shù)并不會對帶鋼的表面形貌參數(shù)帶來顯著的影響。

5.2 不同生產(chǎn)工藝對帶鋼的表面銹蝕性影響

5.2.1 1 h鹽霧試驗結(jié)果

對現(xiàn)場機組兩種噴淋方式生產(chǎn)的帶鋼進行取樣,剪切成同樣大小的鋼板進行1 h鹽霧防銹性試驗,結(jié)果如圖11。

圖11 直噴生產(chǎn)鋼板和循環(huán)生產(chǎn)鋼板的鹽霧防銹試驗結(jié)果Fig.11 The result of salt spray rust prevention test of steel plate for direct-spray and recycling temper

可以發(fā)現(xiàn)循環(huán)平整方式生產(chǎn)的帶鋼鹽霧防銹能力稍強于傳統(tǒng)直噴方式生產(chǎn)的帶鋼。

5.2.2 35 d濕熱試驗結(jié)果

對現(xiàn)場機組兩種噴淋方式生產(chǎn)的帶鋼進行取樣,剪切成同樣大小的鋼板進行35 d濕熱防銹性試驗,如圖12。

通過不同方式和時間的防銹試驗對比,發(fā)現(xiàn)使用循環(huán)平整液生產(chǎn)的鋼板的防銹性能稍強于原來的直噴平整液的,這主要依托現(xiàn)場平整液的有效管理,使得雜質(zhì)和細菌等污染均得到有效控制;同時,為最小化帶鋼的防銹性風(fēng)險,在循環(huán)平整液開發(fā)的初期,即與平整液供應(yīng)商廠家共同開發(fā)了高防銹性產(chǎn)品,有效控制了循環(huán)平整液的銹蝕缺陷。

圖12 直噴生產(chǎn)鋼板和循環(huán)生產(chǎn)鋼板的濕熱防銹試驗結(jié)果Fig.12 The result of 35 days damp heat test of steel plate for direct-spray and recycling temper

5.3 不同生產(chǎn)工藝對帶鋼表面涂鍍性能的影響

5.3.1 涂層附著力試驗

對兩種生產(chǎn)方式的帶鋼產(chǎn)品進行電泳試驗,以了解循環(huán)平整液對涂層附著性能的影響,結(jié)果見表5。

表5 不同生產(chǎn)方式下鋼板試樣電泳漆結(jié)果Table 5 The result of electrophoretic paint of steel plate samples under different production modes

通過試驗結(jié)果可以看出,所有鋼板試樣經(jīng)過百格法測試后電泳漆均無脫落,說明涂層附著力良好。

5.3.2 鋼板磷化試驗

通過鋼板磷化試驗,以了解循環(huán)平整液對磷化加工性能的影響,結(jié)果見表6。

通過上述試驗,發(fā)現(xiàn)使用兩種平整液生產(chǎn)的帶鋼在涂漆和磷化處理膜質(zhì)量方面均無明顯差異,兩種樣板上的磷化膜在致密性、結(jié)晶形狀和尺寸上均基本一致。所研發(fā)的平整液循環(huán)使用工藝對現(xiàn)場帶鋼表面質(zhì)量和后續(xù)加工均不會產(chǎn)生顯著影響,生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量達到了傳統(tǒng)工藝的水平。

表6 不同生產(chǎn)方式下鋼板磷化處理結(jié)果分析Table 6 The analysis of phosphating treatment result of steel plate samples under different production modes

連退機組循環(huán)平整液自2020年10月起正式投入使用以來,板面質(zhì)量正常,通過循環(huán)使用大幅降低平整液排放總量,平整液單耗下降了30.3%,大大減輕了廢液處理的壓力,取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

(1) 寶鋼日鐵汽車板有限公司經(jīng)過大量離線和在線試驗,成功開發(fā)出了連退平整液循環(huán)回用生產(chǎn)工藝。

(2)平整液在循環(huán)使用過程中,會逐漸滋生大量細菌/真菌、摩擦鐵粉和臟污,平整液的內(nèi)部化學(xué)成分發(fā)生極大改變,對平整液的外觀和使用性能等造成極大負面影響,帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量也存在極大隱患。

(3) 為了開發(fā)平整液循環(huán)生產(chǎn)工藝并有效保障生產(chǎn)帶鋼的質(zhì)量,需研發(fā)做好如下幾點:研究平整液凈化處理技術(shù),設(shè)計全新的回收循環(huán)系統(tǒng);研發(fā)具有特殊化學(xué)性能的新型循環(huán)平整液;研發(fā)全套平整液循環(huán)回用生產(chǎn)工藝,包括濃度、流量、平整液的添加及替換等;開發(fā)全套的循環(huán)平整液理化性能分析檢測方法,并研發(fā)與之配套的循環(huán)平整液的工藝參數(shù)控制范圍及檢測頻率等管理規(guī)范。

(4) 通過生產(chǎn)實踐和不斷改進,平整液循環(huán)回用工藝產(chǎn)出的帶鋼產(chǎn)品各項性能基本均達到原有的直噴生產(chǎn)的帶鋼,后續(xù)隨著平整液循環(huán)生產(chǎn)過程的不斷推進,預(yù)計可以取得良好的環(huán)保效果和顯著的經(jīng)濟效益。