Применение нейлонового щёточного вала и нетканого мельничного вала при производстве алюминиевых листов и полос

0 Предисловие

С быстрым развитием промышленных технологий использование алюминиевого листа и полосы в качестве базового материала современной промышленности становится всё более широким, а требования к их поверхности — всё выше. В последние годы нейлоновые щёточные ролики широко применяются для очистки, обезжиривания, чистки валков, полировки и других операций при производстве алюминиевых полос. Нетканые ролики используются на этапах обезжиривания и отжима воды, что позволяет добиться качественного скачка в качестве поверхности полос. В данной статье рассматриваются принцип работы, классификация и характеристики нейлоновых щёточных роликов и нетканых мельничных роликов, а также их применение в производстве алюминиевых листов и полос и сопутствующие вопросы, что может служить справочным материалом для производителей листов и полос, а также предприятий‑изготовителей соответствующего оборудования.

1 Характеристики и классификация нейлоновых щёточных роликов

1.1 Особенности нейлонового щёточного ролика

Химическое название нейлона — полиамид (PA). Будучи кристаллическим полимером с высокой степенью кристалличности, он обладает большей прочностью на разрыв, твёрдостью, упругостью и износостойкостью по сравнению с другими пластиками. Кроме того, нейлон отличается хорошей химической стойкостью: в частности, он прекрасно сопротивляется маслам, слабым кислотам, слабым щелочам и обычным растворителям. Поэтому именно нейлон является предпочтительным материалом для изготовления щёточных волокон в производстве алюминиевых полос, что обусловлено как рациональностью, так и объективной необходимостью.

1.2 Классификация и характеристики нейлоновых волокон

1.2.1 Нейлоновое волокно 66

В настоящее время для изготовления промышленных щёток используются в основном нейлоновые волокна марок 6, 66, 610, 1010, 612 и другие. В процессе холодной прокатки алюминиевых листов и полос трение между валками и поверхностью полосы приводит к образованию микроскопических оксидных частиц и их оседанию; кроме того, на поверхности остаётся смазочно‑охлаждающая жидкость и связанные с ней взвешенные компоненты. Если эти загрязнения своевременно не удалить, они будут накапливаться на поверхности валков стана вытяжного разравнивания, вызывая их износ и повреждение поверхности полосы. Поэтому операция мойки горячей водой при высокой температуре становится неотъемлемой частью процесса. Однако большинство нейлоновых материалов имеют температуру плавления около 210 °C, что приводит к их деградации и деформации при длительном использовании при температуре воды выше 80 °C; нейлон 66, напротив, плавится при 250 °C и сохраняет форму даже в воде свыше 80 °C. Поэтому для очистки алюминиевых полос преимущественно применяют волокна из нейлона 66. Однако главный недостаток нейлона 6 — слишком высокое водопоглощение (1,5%): при работе в воде волокна размягчаются, теряют жёсткость, что снижает эффективность обезжиривания. Кроме того, нейлон плохо переносит воздействие сильных щелочей, что также сокращает срок службы щёточного ролика.

1.2.2 Волокно DT-Belon

Учитывая указанные недостатки, некоторые зарубежные компании добавили в основу нейлона 66 наномонтмориллонит и другие материалы, разработав волокно DT-Bellon, которое имеет значительно меньшее водопоглощение, чем нейлон 66, а также существенно повышенную щелочестойкость и прочность на разрыв, полностью решив проблему очистки алюминиевых полос. По результатам испытаний, его полировальная способность вдвое превышает показатели нейлона 66, а срок службы щёточного ролика увеличивается в 3–5 раз.

1.2.3 Абразивная проволока

Абразивные щёточные волокна представляют собой абразивные нити различной толщины, получаемые путём добавления примерно 30% карбида кремния и других абразивов в нейлоновую матрицу методами смешивания, экструзии и вытягивания. Среди нейлоновых материалов предпочтителен нейлон 612: помимо свойств полиамида, он характеризуется относительно малой шириной, низким водопоглощением (0,1%), хорошей плотностью и стабильностью размеров, а также высокой прочностью на разрыв. Нейлон 610 также используется для изготовления волокон, однако его соотношение цены и качества невысоко. В зависимости от используемых материалов в настоящее время выделяют следующие типы щёточных волокон:

(1) Карбидокремниевые абразивные волокна получают путём добавления порошка карбида кремния в нейлон. Благодаря многогранной структуре карбида кремния такие волокна обеспечивают яркий блеск; в алюминиевой промышленности обычно применяют зернистость 180#–800#.

(2) Глинозёмные абразивные волокна изготавливают добавлением глинозёмного порошка в нейлон. Их многогранная структура обеспечивает матовый эффект; чаще всего используют зернистость 180#–800#.

(3) Алмазная щёточная проволока изготавливается из нейлона с добавлением алмазного порошка. Благодаря своей уникальной остроте и твёрдости она применяется преимущественно для зеркальной полировки и других операций при производстве алюминиевых полос; обычно используют зернистость 320#–3000#.

(4) Высокотемпературная специальная абразивная проволока
Высокотемпературная абразивная проволока изготавливается из синтетических смол PPS или PEEK с последующим вытягиванием абразивных нитей. Её температура плавления достигает 300 °C и 355 °C, поэтому её применяют в процессах сухой полировки или обработки горячими валками. При тех же условиях высокоскоростной сухой полировки обычные абразивные волокна уже расплавились и деформировались, тогда как высокотемпературные продолжают работать без потерь.

(5) Многожильная щёточная проволока
Хотя для очистки прецизионных алюминиевых полос обычно используются тонкие щёточные волокна, одиночные нити всё равно могут оставлять царапины, заметные при внимательном осмотре. Поэтому в Германии, Японии и Южной Корее начали применять многожильные щёточные волокна: в одной нити диаметром 0,5 мм содержится множество тонких волокон, которые вместе образуют щёточную поверхность, эффективно решая эту проблему.

1.3 Выбор щёточных роликов для производства алюминиевых листов и полос

(1) Машина для вытяжного разравнивания и очистки: машина для вытяжного разравнивания и очистки обычно выполняет заключительную операцию в производстве алюминиевых листов, где требования к поверхности крайне высоки. Поэтому для конструкции щёточного ролика выбирают внутренний распылительный тип; в качестве щёточной проволоки используют многожильные волокна немецкой фирмы Haar или японской фирмы Hotan, либо нейлоновые волокна толщиной менее 0,15 мм. Для очистки толстолистовой алюминиевой полосы допускается применение нейлоновой проволоки толщиной 0,3–0,5 мм.

(2) Щёточный ролик для очистки валков горячей прокатки: основное назначение этого ролика — комплексная очистка валков с помощью проволочных щёток. Однако стальная проволока хрупка, легко ломается и может царапать поверхность валков. На сегодняшний день наиболее эффективны внутренние распылительные абразивные щёточки; обычно применяют абразивное нейлоновое волокно зернистостью 180#, при этом плотность щёточных нитей должна быть не ниже 50%. Из‑за низкой температуры плавления нейлона при недостатке воды иногда происходит подгорание щёточных нитей. Многие производители переходят на высокотемпературные абразивные волокна, однако их стоимость заметно выше.

(3) Щёточный ролик для очистки валков холодной прокатки: в последние годы очистка валков холодной прокатки привлекает всё больше внимания производителей. Помимо удаления загрязнений с поверхности валков, важно не повредить их рабочую поверхность. Компания Mingtai Aluminum провела многолетние совместные испытания и установила: оптимально использовать абразивные волокна толщиной до 0,5 мм, контролировать длину нитей в определённых пределах, поддерживать плотность щёточных нитей выше 60% и выполнять многоступенчатую полировку — от грубой к тонкой.

(4) Полировка зеркальных поверхностей: липкость и склонность к окислению алюминиевых листов и полос долгое время были серьёзной проблемой для производителей. После многолетних совместных испытаний с компанией Henan Mingmingtai Aluminum было установлено, что алмазные щёточные ролики зернистости 320#–3000# являются эффективным решением.

(5) Зеркальная полировка валков: полировка валков — одна из ключевых задач алюминиевой промышленности. Большинство производителей до сих пор пользуются абразивными лентами, что требует значительных затрат времени и усилий. Эффективный подход — использовать PEEK в качестве основы, добавить абразив зернистости 5000# и изготовить дисковую щётку, которую затем обрабатывают на специальном оборудовании. Раньше на полировку уходило 5 дней, теперь же за 2 часа можно достичь зеркальной шероховатости Rz 0,001.

1.4 Переточка щёточного ролика

После длительной эксплуатации на поверхности щёточного ролика могут образоваться два характерных «гантели» (или «собачьи кости»). Вовремя произвести подрезку можно следующими способами:

(1) Как чистый нейлон, так и абразивные волокна можно обрезать специальным инструментом; держатель инструмента прост и легко устанавливается на токарном станке;

(2) Щёточный ролик с абразивными волокнами можно закрепить на круглошлифовальном или токарном станке и выполнить повторную шлифовку; в качестве шлифовального круга подходит карбидокремниевый круг зернистости 46#.

2 Особенности и области применения многофункциональных нетканых мельничных роликов

Многофункциональный нетканый ролик представляет собой нетканый мельничный материал, спрессованный в цилиндрическую форму особым способом и затем насаженный на стальной вал; он отличается от традиционных резиновых и стальных роликов. Главная особенность такого ролика — использование специального нетканого материала с сетчатой внутренней структурой, который хорошо впитывает масло, воду и задерживает остаточные частицы на поверхности листа, а также обладает высоким коэффициентом трения.

2.1 Отжим воды на линии мойки

На завершающем этапе линии очистки обычно устанавливают резиновый отжимной ролик. Однако из‑за того, что резина сама по себе не впитывает воду, значительное количество влаги приходится удалять в последующем сушильном туннеле, что требует больших энергозатрат. При недостаточной аккуратности на поверхности листов и полос остаются водяные разводы, что негативно сказывается на внешнем виде продукции. Расчёты показывают, что значительная часть расходов на линию очистки приходится на последующую сушку. Как правило, каждое увеличение сухости на 1% означает сокращение испаряемой влаги в сушильном туннеле на 5%, то есть потребление электроэнергии возрастает примерно на 5%. Особенно серьёзной проблемой является износ старых роликов: остатки загрязнений не отжимаются полностью, что приводит к появлению дополнительных линий на поверхности, а отражательная способность снижается примерно до 30%.

Отжимной эффект нетканого ролика в 5 и более раз превосходит резиновый аналог, что значительно экономит энергию. Поверхность листов становится чистой и блестящей, отражательная способность превышает 90%. Раньше резиновые ролики приходилось менять раз в месяц при производстве 1200 тонн алюминиевых листов и полос; теперь же один ролик рассчитан на 4000 тонн и служит более двух лет, что существенно снижает затраты.

2.2 Усовершенствование технологии обезжиривания рифлёных листов

Обезжиривание рифлёных листов — одна из сложных задач в производстве полос. После множества исследований на основе нетканых роликов была разработана вакуумная отжимная роликовая установка для рифлёных листов. Её принцип заключается в покрытии вала вакуумного ролика эластичными материалами различной твёрдости, чтобы адаптироваться к неровной поверхности рифлёного листа, и всасывании масла внутрь ролика, обеспечивая эффективное обезжиривание. В настоящее время эта разработка получила широкое признание у многих производителей, включая Mingtai Aluminum, заполнив пробел в этой области в Китае (см. рис. 4).

Рис. 4. Вакуумная отжимная установка для рифлёных листов

2.3 Улучшение функций направляющего приводного ролика

В традиционных технологиях большинство направляющих и S‑образных роликов в производстве алюминиевых листов и полос изготавливаются из полиуретановой резины, однако из‑за недостаточного коэффициента трения полосы периодически проскальзывают и смещаются. Нетканый многофункциональный мельничный ролик благодаря своей волокнистой структуре обладает высоким коэффициентом трения, что обеспечивает стабильный привод и надёжное управление движением; см. таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, коэффициент трения нетканого ролика в 20–40 раз превышает значения для стальных и резиновых роликов. Этот высокий коэффициент трения одновременно повышает натяжение в 20–40 раз, обеспечивая стабильную работу натяжного ролика и предотвращая такие нежелательные явления, как провисание полосы во время работы.

Благодаря своим выдающимся характеристикам нетканый ролик, помимо вышеупомянутых применений, широко используется в процессах алюминиевых полос, глажения фольги и продольной резки. Срок службы ролика в 8–10 раз превышает резиновый аналог, что существенно снижает затраты и время, необходимое пользователю для замены ролика, а также повышает производственную эффективность.

В настоящее время нетканые мельничные ролики DT занимают значительную долю рынка в производстве отечественных медных и алюминиевых полос; их также начинают применять производители стальных полос. Продукция постепенно совершенствуется и формирует определённый объём, замещая импортные аналоги. Международно известный производитель прокатных станов, итальянская компания MINO, подтвердила, что технические показатели и соотношение цена/эффективность роликов DT превосходят импортные аналоги.
Нетканые ролики DT высоко ценятся пользователями за высокую экономическую эффективность, короткий срок поставки и удобство обслуживания, что делает их продукцию весьма перспективной для широкого внедрения.

3 Вакуумная отжимная установка

Вакуумная отжимная установка — это новая модификация оригинального многофункционального нетканого ролика. Её принцип заключается в замене сплошного сердечника ролика на вакуумный вал с рядом отверстий на поверхности. Во время работы жидкость с поверхности листов и полос отжимается внутрь ролика, после чего циркуляционный насос системы вакуумирования откачивает её. Очищенная жидкость проходит через систему разделения газа и воды и может быть повторно использована. Рабочий принцип показан на рисунке 5.

Эта установка активно применяется и тщательно испытывается многими производителями, включая Aluminum Co., Ltd., Mingtai Aluminum и Sanfeng Copper. По сравнению с обычным нетканым роликом скорость сушки вакуумной установки увеличивается более чем на 30%. Практика подтверждает, что использование вакуумной отжимной установки является наиболее эффективным способом удаления жидкости в производстве листов и полос. Проект получил национальный патент на полезную модель и был одобрен экспертной комиссией, организованной Бюро науки и технологий города Сяньян провинции Шэньси. Единогласно признано, что проект достиг передового уровня в Китае и заслуживает широкого распространения.

4 Заключение

В процессе производства алюминиевых листов и полос очистка, обезжиривание, чистка валков, отжим воды, полировка и другие операции являются одними из ключевых мер, обеспечивающих высокое качество их поверхности. Нейлоновые щёточные ролики и многофункциональные нетканые ролики обладают целым рядом выдающихся характеристик и играют важную роль в повышении качества поверхности алюминиевых листов и полос, заслуживая широкого внедрения и применения.