CN103567237A - 一种冷轧直喷乳化液喷淋方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷轧直喷乳化液喷淋方法，设在带钢上表面的上喷嘴和设于带钢下表面的下喷嘴分别向带钢上表面和下表面喷淋乳化液，先将上喷嘴距离轧机中心的距离s₁和上喷嘴的喷淋量F₁为参照目标，然后根据参照目标来确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*和下喷嘴的喷淋量F₂，最后通过设置在上喷嘴和下喷嘴分支管路上的流量阀来分别控制乳化液的流量。本发明的技术方案通过模型计算和流量阀的设置使得带钢上下表面油膜厚度均等，解决了带钢下表面乳化液滴落损失而导致的润滑不足和上下表面润滑特性差异等问题，实现了上下工作辊对应轧制区域的润滑条件相同，提高轧制过程稳定性，并且改造规模小，便于现场操作使用。

Description

一种冷轧直喷乳化液喷淋方法

技术领域

本发明涉及一种乳化液喷淋方法，尤其涉及一种冷轧过程中的乳化液喷淋方法。

背景技术

对于冷轧工序而言，良好的工艺润滑是确保轧制稳定性的基础。在轧制规格薄、表面质量要求高的冷轧板带时，直喷乳化液方法被广泛应用。尤其是二次冷轧领域，直喷系统中乳化液通过喷淋架上的喷嘴喷涂到带钢表面，形成均匀、厚度适中的油膜，是二次冷轧带钢生产的关键。

生产过程中，工艺润滑最重要的功能是减小变形区接触弧表面上的摩擦系数和摩擦力，降低总轧制压力和能量消耗，增大道次压下量和减小可轧厚度；同时减缓轧辊磨损，防止擦伤、改善板形和获得良好的表面质量。进行工艺润滑的乳化液整体组成是基础油和脱盐水。一般是按2.0～10.0%的基础油配兑脱盐水，外加适量的表面活性剂（润滑剂或弥散剂）形成的半稳态润滑—冷却剂，呈油水两相平衡体系。水是连续相，油是分散相。

图1显示了现有的乳化液喷淋系统。如图1所示，该系统包括乳化液罐1，泵2，3，三通阀4，机架5，6，收集槽7，8和上喷嘴9及下喷嘴10。乳化液罐1用于存储由轧制油和脱盐水配兑而成的乳化液体，乳化液罐1通过管路与三通阀3相连，通过泵2，3将乳化液从乳化液罐1输送到三通阀4；三通阀4通过管路与上喷嘴1和下喷嘴2相连，其可以同时控制上喷嘴1和下喷嘴2喷淋在带钢上下表面的乳化液流量；机架5，6设置在上喷嘴和下喷嘴2的下游，用来轧制带钢材料；收集槽7，8分别设置在机架5，6下方用来收集润滑滴落的乳化液。

使用该乳化液喷淋系统时，上喷嘴9和下喷嘴10喷出等量的乳化液，高速喷出的乳化液与钢板表面撞击，并发生油水分离，油滴附着在钢板接触表面上形成油膜。随后，油膜被带入了变形前区而产生油楔效应，这种油楔效应使轧辊与轧件之间的流体压力增加，平衡了外部载荷，降低了轧制总压力和摩擦磨损。其中，轧制区摩擦系数大小主要决定于构成润滑层的油膜厚度，冷轧时变形区的油膜厚度数量级在0.01～0.1μm之间，一般属于混合摩擦状态。

在现有的直喷系统中，一般是通过同一条管路的分支分别对钢板的上下表面进行润滑，从喷嘴中喷射出的乳化液撞击钢板上下表面后，油滴附着在带钢表面，对轧制进行润滑。理论上，在带钢上下表面喷射相同的乳化液流量就可实现均等润滑。但是，实际上，当乳化液喷淋到带钢下表面时，在重力作用下，一部分乳化液滴落损失。这就导致带钢上下表面所形成的油膜厚度不等，从而造成轧制过程中带钢上下表面摩擦系数的差异，进而引起轧制区域上下表面不均匀变形，使带钢容易出现上下翘起等问题，同时使轧制过程变得不稳定，严重影响冷轧产品质量和正常工业生产。图2就显示了采用现有乳化液喷淋系统进行喷淋润滑的带钢上、下表面油膜厚度分布曲线。从图2可以看出，代表带钢上、下表面油膜厚度的两条曲线分离，表明带钢上、下表面油膜厚度存在一定的差异。

在已有的技术中，为了克服钢板下表面油膜厚度较其上表面油膜厚度薄的问题，其中一种措施是适当增加喷淋总流量，这样下表面油膜厚度会增大，可部分缓解下表面润滑不足问题。但同时上表面油膜厚度也会增加，上下表面油膜厚度仍存在一定差异。喷淋流量过大也会造成上表面乳化液飞溅，影响带钢表面质量。另一措施是调整直喷系统中喷淋架的位置，即缩短喷淋架与轧机中心的距离来减少滴落损失，但是这样做会降低乳化液的离水展着率。

此外，也有采用在带钢的下表面再增加一排乳化液喷淋架的方法，这种设置方法将乳化液喷射到下工作辊表面，希望对下表面流量进行补偿。但是，由于机架中增加了一排喷淋架，设备比较拥挤，维护困难，同时调整幅度有限。通常现场生产希望设备改造规模尽量小，同时又方便调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷轧直喷乳化液喷淋方法用来确保轧制区域钢板上下表面具有均等油膜厚度，使轧制区域具有相同的润滑条件。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种冷轧直喷乳化液喷淋方法，其通过设于带钢上表面的上喷嘴和设于带钢下表面的下喷嘴分别向带钢上表面和下表面喷淋乳化液，并且根据上喷嘴距离轧机中心的距离s₁和上喷嘴的喷淋量F₁确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*和下喷嘴的喷淋量F₂，包括下列步骤：

（1）按照下述步骤确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*：

（a）收集上喷嘴到轧机中心的距离s₁；

（b）设定下喷嘴到轧机中心的距离s₂的取值范围：s_2min≤s₂≤s_2max；

（c）给定距离s₂的调整步长△s₂；

（d）令过程参数i＝0；

（e）令带钢下表面乳化液离水展着率α₂和带钢下表面乳化液剩余率β₂乘积的初值ω₀＝0；

（f）计算下喷嘴到轧机中心的距离s_2i=s_2max-i·△s₂；

（g）判断不等式s_2i>s_2min是否成立：若成立，则转入步骤（h）；否则，转入步骤（l）；

（h）计算带钢下表面乳化液的离水展着率α_2i：

${\mathrm{\α}}_{2i}=\frac{e^{a_2{s}_{2i}}-e^{-a_2{s}_{2i}}}{e^{a_2{s}_{2i}}+e^{-a_2{s}_{2i}}}$

式中，a₂为模型系数，其取值范围为1～5；e为自然对数的底数，e≈2.71828；

（i）计算带钢下表面乳化液的剩余率β_2i：

${\mathrm{\β}}_{2i}=e^{-\mathrm{\γ}\·s_{2i}}$

式中，e为自然对数的底数，e≈2.71828；γ为乳化液流失指数；

（j）计算带钢下表面乳化液离水展着率和乳化液剩余率的乘积

ω_i=α_2i·β_2i；

（k）判断ω_i>ω_i-1是否成立：若成立，则令s₂ ^*＝s_2i，i＝i+1，转入步骤（f）；否则，令i＝i+1，转入步骤（f）；

（l）输出下喷嘴到轧机中心的最优距离值s₂ ^*；

（2）确定下喷嘴的喷淋量F₂：

$F_2=\frac{\mathrm{th}\left(a_1{s}_1\right){\mathrm{\β}}_1{F}_1}{\mathrm{th}\left(a_2{s_2}^{*}\right)e^{-\mathrm{\γ}\·s_2^{*}}}$

式中，a₁、a₂为模型系数，a₁=a₂；s₁为上喷嘴到轧机中心的距离；β₁为带钢上表面的乳化液剩余率；F₁为上喷嘴的喷淋量；γ为乳化液流失指数；e为自然对数的底数，e≈2.71828。

在本发明的优选技术方案中，相应地设置：s_2min≤0.5·s₁，s_2max≤1.5·s₁。

本发明的技术方案所涉及的模型公式及其设计原理阐述如下：

1）计算带钢表面油膜的厚度

乳化液在带钢表面形成的油膜厚度公式为：

${\mathrm{\ζ}}_k={\mathrm{\α}}_k\frac{{\mathrm{\β}}_k{F}_{k}C}{v_s}\·{10}^9---\left(1\right)$

其中，k—带钢上下表面编号，k=1表示带钢上表面，k=2表示带钢下表面。

ξ_k—带钢表面油膜厚度，单位：nm。

α_k—带钢表面的乳化液离水展着率。

β_k—带钢表面的乳化液剩余率。

F_k—带钢表面单位宽度上、单位时间内的乳化液流量，单位：m³/s/m。

C—乳化液浓度。

v_s—入口带钢速度，单位：m/s。

在本公式中，引入了乳化液剩余率β_k这一参数，使得油膜计算结构与实际情况相符。

2）计算带钢表面乳化液的离水展着率

带钢表面乳化液的离水展着率α_k与喷淋架喷嘴到轧机中心的距离s_k密切相关，其函数关系可用式（2）表示：

${\mathrm{\α}}_k=\mathrm{th}\left(a_k{s}_k\right)=\frac{e^{a_k{s}_k}-e^{-a_k{s}_k}}{e^{a_k{s}_k}+e^{-a_k{s}_k}}---\left(2\right)$

式中，th—双曲正切函数；

s_k—喷嘴到轧机中心的距离，单位：m；

a_k—模型系数，一般情况下，a₁＝a₂，a_k取值范围为1~5；

e—自然对数的底数，为常数，e≈2.71828。

3）计算乳化液的剩余率

对于带钢上表面，由于乳化液没有重力影响造成的损失，因此剩余率较高。根据生产经验，带钢上表面乳化液剩余率β₁约为80~90%，下表面乳化液剩余率β₂通过公式计算得到。

对于带钢下表面，乳化液滴落损失后的剩余率β₂也与喷嘴到轧机中心的距离s₂有关，其函数关系可用式（3）表示：

${\mathrm{\β}}_2=e^{-\mathrm{\γ}\·s_2}---\left(3\right)$

式中，β₂—带钢下表面乳化液的剩余率；

γ—乳化液流失指数，γ取值范围为0~1；

s₂—下表面喷嘴到轧机中心的最优距离通过计算得到。

4）计算下喷嘴到轧机中心的最优距离

由公式（2）、（3）可以看出，随着乳化液下喷嘴到轧机中心距离s₂的减小，带钢下表面乳化液的离水展着率α₂逐渐减小，而乳化液的剩余率β₂却逐渐增大；由公式（1）带钢表面油膜厚度计算公式可以看出，对于下喷嘴而言，油膜厚度ξ₂大小与乳化液离水展着率α₂和乳化液剩余率β₂的乘积密切相关。在调整乳液下喷嘴到轧机中心距离s₂时，中心距离s₂对于乳化液离水展着率α₂和乳化液剩余率β₂均产生影响，但是这两个因素变化趋势相反。因此可通过寻优方法找到最佳距离s₂ ^*的设定值，使乳化液离水展着率α₂和乳化液剩余率β₂的乘积最大。

5）计算下喷嘴的喷淋流量

本发明所提供的技术方案是为了确保轧制区域钢板上下表面具有均等油膜厚度，使轧制区域具有相同的润滑条件是使带钢上下表面所形成的油膜厚度均等，即：

ξ₁=ξ₂                                                    （4）

将（1）式代入（4）可得：α₁β₁F₁=α₂β₂F₂                  （5）

将（2）、（3）式代入（5）可得： $\mathrm{th}\left(a_1{s}_1\right){\mathrm{\β}}_1{F}_1=\mathrm{th}\left(a_2{s}_2\right)e^{-\mathrm{\γ}\·s_2}{F}_2---\left(6\right)$

由于本发明是以上喷嘴的距离轧机中心的距离s₁和上喷嘴的喷淋量F₁作为参照目标，所以在上喷嘴到轧机中心距离s₁、及其乳化液剩余率β₁和乳化液流量F₁等条件已知的前提下，结合计算下喷嘴到轧机中心的最优距离优化方案中所得的最优距离s₂ ^*，代入公式（6）可得到下嘴的喷淋流量F₂的表达式：

$F_2=\frac{\mathrm{th}\left(a_1{s}_1\right){\mathrm{\β}}_1{F}_1}{\mathrm{th}\left(a_2{s_2}^{*}\right)e^{-\mathrm{\γ}\·s_2^{*}}}---\left(7\right)$

本发明的技术方案中，仅需要在乳化液分支管路上增设相应的流量阀，就可分别调控上喷嘴和下喷嘴的乳化液流量对于带钢上下表面进行润滑。

与现有技术相比，本发明所述的冷轧直喷乳化液喷淋方法通过对上喷嘴和下喷嘴乳化液流量的分别控制，使得带钢上下表面油膜厚度均等，解决了带钢下表面乳化液滴落损失而导致的润滑不足和上下表面润滑特性差异等问题，实现了上下工作辊对应轧制区域的润滑条件相同，提高轧制过程稳定性，有利于提高产品质量和精度，为企业带来较大经济效益。同时，仅通过增设流量阀这一有限的设备便达到了相应的效果，使得改造规模小，成本低，调整方便，维护简单，适于现场使用。

附图说明

图1为现有乳化液喷淋系统的结构示意图。

图2为采用现有乳化液喷淋方法，带钢上、下表面油膜厚度分布图。

图3为本发明所述的冷轧直喷乳化液喷淋方法所采用的乳化液喷淋系统的结构示意图。

图4为本发明所述的冷轧直喷乳化液喷淋方法中确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*的流程图。

图5为本技术方案中，下喷嘴到轧机中心距离s_2i与乳化液的离水展着率α_2i之间的关系图。

图6为下喷嘴到轧机中心距离s_2i与带钢下表面乳化液的剩余率b_2i之间的关系图。

图7为本发明的一种实施例中，下喷嘴到轧机中心各距离值s_2i与对应ω_i的变化趋势图。

图8为采用本发明所述的冷轧直喷乳化液喷淋方法后带钢上、下表面油膜厚度分布图。

具体实施方式

现根据本发明的具体实施例，对本技术方案的应用过程作进一步的说明：

1）本实施例中的乳化液喷淋系统如图3所示，该系统的设备装置与图2所示的现有的设备装置基本保持一致，仅在三通阀4与上喷嘴9和下喷嘴10连接的分支管路上分别流量阀11，12用来分别控制上喷嘴9和下喷嘴10喷淋在带钢上下表面的乳化液流量，从而实现上喷嘴9与下喷嘴10的分别控制，以使得上喷嘴9和下喷嘴10具有不同的喷淋量；

2）按照图4所示的步骤确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*：

（a）收集上喷嘴到轧机中心的距离s₁；

（b）设定下喷嘴到轧机中心的距离s₂的取值范围：s_2min≤s₂≤s_2max；

（c）给定距离s₂的调整步长△s₂；

（d）令过程参数i＝0；

（e）令带钢下表面乳化液离水展着率α₂和带钢下表面乳化液剩余率β₂乘积的初值ω₀＝0；

（f）计算下喷嘴到轧机中心的距离s_2i=s_2max-i·△s₂；

（g）判断不等式s_2i>s_2min是否成立：若成立，则转入步骤（h）；否则，转入步骤（l）；

（h）计算带钢下表面乳化液的离水展着率α_2i：

${\mathrm{\α}}_{2i}=\frac{e^{a_2{s}_{2i}}-e^{-a_2{s}_{2i}}}{e^{a_2{s}_{2i}}+e^{-a_2{s}_{2i}}}$

式中，a₂为模型系数，其取值范围为1～5；e为自然对数的底数，e≈2.71828；

图5显示了带钢下表面乳化液的离水展着率α_2i与下喷嘴到轧机中心的距离s_2i的关系，从图5可以看出，随着下喷嘴到轧机中心距离s_2i的减小，乳化液的离水展着率α_2i逐渐减小；

（i）计算带钢下表面乳化液的剩余率β_2i：

${\mathrm{\β}}_{2i}=e^{-\mathrm{\γ}\·s_{2i}}$

式中，e为自然对数的底数，e≈2.71828；γ为乳化液流失指数；

步骤（i）中的乳化液滴落损失后的剩余率b_2i与轧机中心的距离s_2i密切相关，其函数关系曲线如图6。带钢下表面乳化液由于受到自身重力和带钢振动影响而存在大量滴落现象，并且带钢下表面乳化液的剩余率b_2i与喷嘴到轧机中心的距离s_2i有关。从图6可以看出，随着下喷嘴到轧机中心距离s_2i的减小，乳化液的剩余率b_2i逐渐增大。

（j）计算带钢下表面乳化液离水展着率和乳化液剩余率的乘积

ω_i＝α_2i·β_2i，在本实施例中，各距离值s_2i与对应ω_i的变化趋势如图7所示；

（k）判断ω_i>ω_i-1是否成立：若成立，则令s₂ ^*＝s_2i，i＝i+1，转入步骤（f）；

否则，令i＝i+1，转入步骤（f）；

（l）输出下喷嘴到轧机中心的最优距离值s₂ ^*；

在本实施例中，上喷嘴到轧机中心的距离s₁＝0.632m，下喷嘴到轧机中心的距离s₂的取值范围为0.482≤s₂≤0.7，即s_2min=0.482m，s_2max=0.7m；距离s₂的调整步长△s₂＝0.001m，a₁=a₂=2.6，γ=0.63，将以上数值带入上述模型后，通过计算可以获得下喷嘴到轧机中心的最优距离设定值s₂ ^*=0.54m。

3）计算下喷嘴的喷淋流量，下喷嘴的喷淋量F₂的计算公式为：

$F_2=\frac{\mathrm{th}\left(a_1{s}_1\right){\mathrm{\β}}_1{F}_1}{\mathrm{th}\left(a_2{s_2}^{*}\right)e^{-\mathrm{\γ}\·s_2^{*}}},$

在本实施例中，上喷嘴到轧机中心距离s₁=0.632m、乳化液剩余率β₁=84%、乳化液流量F₁=0.42L/min/m，且模型系数a₁=a₂=2.6、下喷嘴到轧机中心的最优距离设定值s₂ ^*=0.54m，则下喷嘴的喷淋流量F₂计算式为：

$F_2=\frac{\mathrm{th}\left(a_1{s}_1\right){\mathrm{\β}}_1{F}_1}{\mathrm{th}\left(a_2{s_2}^{*}\right)e^{-\mathrm{\γ}\·{s_2}^{*}}}=\frac{\frac{e^{2.6\×0.632}-e^{-2.6\×0.632}}{e^{2.6\×0.632}+e^{-2.6\×0.632}}\×0.84\×0.42}{\frac{e^{2.6\×0.540}-e^{-2.6\×0.540}}{e^{2.6\×0.540}+e^{-2.6\×0.540}}\×e^{-0.63\×0.54}}=0.51L/\min /m$

图8显示了本实施例中采用本发明所述的冷轧直喷乳化液喷淋方法后带钢上、下表面油膜厚度分布图。从图8中可以看出，代表带钢上、下表面油膜厚度的两条曲线重合在一起，表明带钢上、下表面油膜厚度均等一致。由此可见，本发明所述的技术方案有效地改善了因带钢下表面乳化液滴落损失而导致的润滑不足和上下表面润滑特性差异等问题，极大提高了带钢的表面质量和轧制过程稳定性。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种冷轧直喷乳化液喷淋方法，设于带钢上表面的上喷嘴和设于带钢下表面的下喷嘴分别向带钢上表面和下表面喷淋乳化液，其特征在于，根据上喷嘴距离轧机中心的距离s₁和上喷嘴的喷淋量F₁确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*和下喷嘴的喷淋量F₂，包括下列步骤：

（1）按照下述步骤确定下喷嘴到轧机中心的最优距离s₂ ^*：

（a）收集上喷嘴到轧机中心的距离s₁；

（b）设定下喷嘴到轧机中心的距离s₂的取值范围：s_2min≤s₂≤s_2max；

（c）给定距离s₂的调整步长△s₂；

（d）令过程参数i＝0；

（e）令带钢下表面乳化液离水展着率α₂和带钢下表面乳化液剩余率β₂的乘积的初值ω₀＝0；

（f）计算下喷嘴到轧机中心的距离s_2i=s_2max-i·△s₂；

（g）判断不等式s_2i>s_2min是否成立：若成立，则转入步骤（h）；否则，转入步骤（l）；

（h）计算带钢下表面乳化液的离水展着率α_2i：

${\mathrm{\α}}_{2i}=\frac{e^{a_2{s}_{2i}}-e^{-a_2{s}_{2i}}}{e^{a_2{s}_{2i}}+e^{-a_2{s}_{2i}}}$

式中，a₂为模型系数，其取值范围为1～5；e为自然对数的底数，e≈2.71828；

（i）计算带钢下表面乳化液的剩余率β_2i：

${\mathrm{\β}}_{2i}=e^{-\mathrm{\γ}\·s_{2i}}$

式中，e为自然对数的底数，e≈2.71828；γ为乳化液流失指数；

（j）计算带钢下表面乳化液离水展着率和乳化液剩余率的乘积ω_i=α_2i·β_2i；

（k）判断ω_i>ω_i-1是否成立：若成立，则令s₂ ^*＝s_2i，i＝i+1，转入步骤（f）；否则，令i＝i+1，转入步骤（f）；

（l）输出下喷嘴到轧机中心的最优距离值s₂ ^*；

（2）确定下喷嘴的喷淋量F₂：

$F_2=\frac{\mathrm{th}\left(a_1{s}_1\right){\mathrm{\β}}_1{F}_1}{\mathrm{th}\left(a_2{s_2}^{*}\right)e^{-\mathrm{\γ}\·s_2^{*}}}$

式中，a₁、a₂为模型系数，a₁=a₂；s₁为上喷嘴到轧机中心的距离；

β₁为带钢上表面的乳化液剩余率；F₁为上喷嘴的喷淋量；γ为乳化液流失

指数；e为自然对数的底数，e≈2.71828。

2.如权利要求1所述的冷轧直喷乳化液喷淋方法，其特征在于，所述步骤（b）中，s_2min≤0.5·s₁，s_2max≤1.5·s₁。

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