冶金炉渣作为非晶态热轧润滑剂的废弃物再利用及润滑机理研究

The blast furnace (BF) slag produced in the steel-making process causes severe pollution to the environment and significant waste of natural resources. With the environment protection being increasingly strict and natural resources growingly shortage, it is progressively urgent to recycle the solid waste. This study plans to use BF slag as hot rolling lubricant by adopting hydrothermal hot-pressing (HHP) technique to reduce the glass transformation temperature and re-organize the glassy structure. By optimizing the HHP process, investigating the corrosion mechanism of BF slag to the roll surface at high temperature and adding low melting point glass improving the comprehensive performances, it is expected to prepare the ideal hot rolling lubricant with weak corrosion. High temperature tribological and hot rolling experiments are conducted to test the lubricant under different lubrication methods and tribological parameters. The study innovatively adopts a quick cooling method by using a special organic cooling liquid to preserve the original high-temperature boundary lubrication (BL) film, it can avoid the damage of oxidation in the air cooling and water dissolve to the BL film. Then, FIB, TEM, XPS etc. are used to elucidate the phase constitutes, microstructure, physical and chemical properties of the BL film under different tribological conditions, as well as to study their influence on the wear, friction and oxidation at the rolling interface. The study not only contributes to the elucidation of boundary lubrication mechanism in hot rolling and providing a low-cost hot rolling lubricant, but also is of vital importance to the “zero” emission of pollutants in steel-making industry.

钢铁冶炼过程中产生的高炉渣堆弃会带来严重的环境污染和资源浪费，随着环保的日趋严苛和资源的日益匮乏，对高炉渣进行综合循环利用已刻不容缓。本申请拟采用水热热压法对高炉渣进行改性处理，以降低玻璃转变温度和疏松组织结构，实现其作为非晶态热轧润滑剂的循环利用。通过优化水热热压处理参数，揭示改性炉渣对轧辊表面的高温腐蚀机理，并辅以引入低熔点玻璃体系优化其综合性能，实现弱高温腐蚀性润滑剂的可控制备。利用高温摩擦和热轧试验阐明润滑方法和工艺参数对润滑行为的影响规律，创新性地使用有机冷却介质快冷高温边界润滑膜，以避免空冷氧化和冷却水冲刷溶解对其的破坏。利用FIB、TEM、XPS等阐明边界润滑膜在不同工艺条件下的物相组成、组织形貌和物化性质，并阐释其对热轧界面摩擦磨损和辊面氧化的影响机理。本课题研究的成功不仅将阐明改性炉渣的热轧润滑机理和提供一种廉价的热轧润滑剂，还对推动钢铁工业污染物“零”排放具有重要意义

本项目针对金属热轧工序阶段轧辊与高温轧件界面的摩擦润滑进行研究，旨在开发出适宜于对润滑剂有特殊要求的热轧润滑剂。目前使用的传统油/水乳液热轧润滑剂具有在轧制咬入阶段易打滑、易造成环境污染且不稳定易絮凝等缺点。而非晶态玻璃具有优异的高温润滑性、抗氧化、工作温度范围宽且无污染等优点。本项目首先研究了合作热轧企业提供的失效的工作轧辊，分析其主要失效机制。使用高温摩擦试验机，在不同温度、载荷以及速度下，高速钢轧辊在无润滑干摩擦的主要摩擦磨损机理。为了降低轧辊的磨损，本项目开展了两条技术路线的研究：第一条测试化学惰性陶瓷材料，研究结果发现其较低的断裂韧性严重影响其使用。第二条为利用高温熔融聚合反应开发低熔点无机玻璃，结果表明随着温度升高，改性玻璃润滑效果越明显，当温度升高至780oC时，其摩擦系数可低至0.1。改性的玻璃态润滑剂低温时呈现高摩擦、高温时呈现低摩擦特性，并且温度越高润滑效果越好，非常适合热轧工艺对润滑剂的特殊要求。此外，形成的润滑膜具有优异的抗氧化效果，可降低约89%氧化膜厚度。利用热轧试验机进行中试验证实验，结果与高温摩擦试验机的结果一致，充分证明了无机玻璃态润滑剂高温下优异的润滑性能和抗氧化性能。此外，本研究还利用FIB和TEM对摩擦润滑界面进行了较为详细和深入的研究，揭示了摩擦界面的摩擦副材料的转移规律以及在高温和氧气工作作用下，摩擦界面的演变规律。本研究的成果揭示了使用非晶态无机玻璃作为高温润滑剂，润滑界面的工作机理，并且深入探索了其作为金属材料热轧润滑剂的润滑行为，可为金属热轧工序提供一种高效、环境友好且低廉的高温润滑剂。