(1.廣州科盧斯流體科技有限公司,廣東省傳動潤滑流體工程技術(shù)研究中心 廣東廣州 510700; 2.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院 廣東廣州 510006;3.廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院 廣東茂名 525000)
我國鋼鐵行業(yè)飛速發(fā)展,鋼鐵產(chǎn)量已躍居世界第一,國內(nèi)對精品鋼鐵板帶材的市場需求不斷擴(kuò)大,軋制生產(chǎn)線和產(chǎn)能也不斷擴(kuò)大(不銹鋼冷軋總產(chǎn)能達(dá)1.714×107t /a[1]),導(dǎo)致對軋制工藝用潤滑材料需求量急劇增加。目前,軋制速度越來越快,對軋制板面的質(zhì)量要求越來越高,因而對軋制工藝用潤滑材料的性能也提出更加嚴(yán)格的要求。軋制潤滑材料是精品鋼鐵軋制(主要指冷軋)過程中的關(guān)鍵因素[2],對精品鋼鐵板帶材的軋制效果起決定性作用。
目前國產(chǎn)軋制潤滑材料的質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品還存在一定差距,因此諸多鋼鐵廠或者研究機(jī)構(gòu)對高效優(yōu)質(zhì)的冷軋潤滑材料進(jìn)行了初步探索[3-7]。就軋制油而言,基礎(chǔ)油是根本,對品質(zhì)和性能起決定的作用,而添加劑是關(guān)鍵,能有效提升油品的特定指標(biāo)[2]。根據(jù)不銹鋼冷軋軋制生產(chǎn)工藝、工況(高速、高溫、高壓),以及對軋制不銹鋼板帶質(zhì)量苛刻的要求,不銹鋼軋制油需要具有優(yōu)異的潤滑性能,良好的抗氧性、冷卻性、退火清凈性、潤濕性,適中的黏度,較高的閃點(diǎn),較小的腐蝕性等。上述性能的實現(xiàn)有賴于選擇合適的基礎(chǔ)油(如礦物油、二類基礎(chǔ)油、三類基礎(chǔ)油、合成油或合成酯)和添加劑(如油性劑、抗磨劑、抗氧劑、防腐劑、鈍化劑、分散劑等)。本文作者主要通過研究基礎(chǔ)油和添加劑的配伍性,開發(fā)了一種高性能不銹鋼冷軋軋制油。
實驗用基礎(chǔ)油、添加劑等原料都來自于商業(yè)市場,使用時并未做任何提純處理。
主要儀器有:A1200型自動表面張力測定儀,得利特(北京)科技有限公司生產(chǎn);JSR1104運(yùn)動黏度測定儀,湖南津市市石油化工儀器有限公司生產(chǎn);MM-200型磨損試驗機(jī),MRS-10A型四球摩擦磨損試驗機(jī)。
采用表面張力測定儀在常溫下測試油品的表面張力;通過濃硫酸測試基礎(chǔ)油的抗氧化性,基礎(chǔ)油與濃硫酸的比例為3∶1,并震蕩均勻,觀察底層顏色變化;采用運(yùn)動黏度測定儀在常溫下測試油品的黏度。
按SH/T 0189-1992測試磨斑直徑。在MM-200型磨損試驗機(jī)上,按SH/T 0190-1992測試摩擦因數(shù)。在MRS-10A型四球摩擦磨損試驗機(jī)上,按GB/T 3142-1982測試最大無卡咬負(fù)荷(pB值)和燒結(jié)負(fù)荷(pD值)。
依據(jù)美國石油協(xié)會的基礎(chǔ)油分類方法,基礎(chǔ)油分成Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ類。其中礦物油(Ⅰ類基礎(chǔ)油)的硫、氮、芳烴、不飽和烴含量高,且含有雜質(zhì),這限制了其應(yīng)用;加氫基礎(chǔ)油(Ⅱ、Ⅲ類基礎(chǔ)油)的硫、氮、芳烴含量低,飽和烴含量高,黏度指數(shù)高,低溫性和黏溫性好,熱、氧化安定性好,揮發(fā)低。合成油(PAO)和合成酯,完全不含硫、氮、芳烴,具有高閃點(diǎn)、高燃點(diǎn)和高黏度指數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性和氧化安定性等優(yōu)點(diǎn),但是其潤滑性差,而且價格昂貴。
根據(jù)不銹鋼冷軋軋制生產(chǎn)工藝,一般冷軋時條件比較苛刻,軋輥與板帶的接觸區(qū)處于高速、高溫(約700 ℃)、高壓狀態(tài)下,同時又要求軋制的不銹鋼板帶的板形好、精度高、表面光澤,因而對不銹鋼冷軋軋制油提出了很高的要求。首先,因不銹鋼的導(dǎo)熱性能差,軋制油需要及時將冷軋過程產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移;此外,不銹鋼冷軋板帶的退火溫度一般在900~1 080 ℃之間,要求退火過程中軋制油無殘留;另外,冷軋生產(chǎn)時,不銹鋼塑性變形的瞬時溫度高,考慮到安全生產(chǎn),要求軋制油不能著火。這些均要求基礎(chǔ)油的黏度要適中,閃點(diǎn)要高,抗氧性要好,餾程要窄,并且無毒。因此,文中選擇了加氫基礎(chǔ)油(Ⅱ、Ⅲ類基礎(chǔ)油)為研究對象。
經(jīng)初步篩選,選擇了市場上S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8等8種基礎(chǔ)油作為研究對象,并基于揮發(fā)性、表面張力和抗氧化能力3個指標(biāo)來進(jìn)一步篩選。
表1給出了8種基礎(chǔ)油揮發(fā)性能??梢?,8種基礎(chǔ)油揮發(fā)量從大到小的順序為S8、S5、S4、S7、S2、S3、S6、S1。表2給出了8種基礎(chǔ)油的表面張力。表面張力越小潤濕性越好,可見,8種基礎(chǔ)油潤濕性從小到大的順序為S6、S4、S1、S5、S3、S2、S7、S8。
從表1、2可以看出:S1的揮發(fā)量最低,但潤濕性一般,且揮發(fā)性試驗后剩余油品的顏色由無色變成了淺黃色,表明其抗老化性差;S8與S7的潤濕性好,但揮發(fā)快,而且抗老化稍差;S5與S4不僅揮發(fā)快,而且抗老化與潤濕性均處于劣勢;S6的揮發(fā)性低,但潤濕性差,而且黏度偏高;S2與S3二者的綜合理化性能最好,即揮發(fā)性低、抗老化性好,潤濕性亦較好。因此,進(jìn)口基礎(chǔ)油S2與中?;A(chǔ)油S3是性能比較優(yōu)異的基礎(chǔ)油。
表1 不同基礎(chǔ)油的揮發(fā)性能
實驗條件:150 ℃,3 h,揮發(fā)皿直徑為60 mm。
表2不同基礎(chǔ)油的表面張力
Table 2 The surface tension of base oils
10-3N·m-1
S1S2S3S4S5S6S7S829.8129.2729.4930.0129.6330.0828.7428.13
通過濃硫酸試驗測試基礎(chǔ)油的抗氧化性,即定性分析基礎(chǔ)油的不飽和程度。由圖1可見,經(jīng)過濃硫酸試驗,進(jìn)口加氫石蠟基基礎(chǔ)油S2底層的顏色明顯比中海加氫石蠟基礎(chǔ)油S3的淺,說明進(jìn)口S2的加氫飽和程度更高,抗氧性優(yōu)于S3。
圖1 基礎(chǔ)油S2與S3的抗氧性試驗結(jié)果
為了保證油品的使用周期,在配方中輔以抗氧劑是必須的。為考察不同抗氧劑的抗老化性,同時考慮不銹鋼軋制現(xiàn)場苛刻工藝(高溫、油煙大)條件,首先將實驗室考察抗氧劑的試驗條件定為150 ℃鼓風(fēng),并放置不同時間觀察?;诳估匣院宛ざ?個指標(biāo),試驗考察了A1、A2、A3、A4、A5、A6在基礎(chǔ)油S2中抗氧性能,結(jié)果如表3所示。
由表3可知:經(jīng)過168 h的高溫烘烤后,油樣4的黏度增長幅度最小,油樣6與1次之,然后依次為油樣2、5、3;比較168 h后油樣損失量,油樣6最少,油樣5次之,然后依次為油樣2、3、4;比較168 h后油樣的顏色,油樣6顏色最淺,油樣1與4次之,然后依次為油樣2、5、3??傊?,隨時間的延長,油樣3與5的顏色越來越深,由無色變成深紅棕色,而且最終的黏度增長幅度大,即產(chǎn)生油膠多,老化嚴(yán)重,不宜采用;油樣4的失重較多,顏色變化小,但黏度增長幅度最小,說明其抗氧性最好,而油樣1與6的抗氧性次之。
表3 不同抗氧劑在S2中的性能
續(xù)表 3
為滿足不銹鋼軋制工藝對較高潤滑性要求,進(jìn)一步篩選油性劑,以降低邊界摩擦因數(shù),進(jìn)而降低軋制負(fù)荷,提高軋制速度。一般而言,經(jīng)常采用的油性劑主要是脂肪酸、脂肪醇、酯(脂)。隨碳鏈增長,其潤滑性變好,但同時退火清凈性變差,而少于10個碳原子的油性劑在軋制中通常無油性,碳原子太多的油性劑在退火時又容易殘留而板面產(chǎn)生褐色,一般選擇碳原子數(shù)在12~18間的油性劑。
選擇了B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8作為潤滑劑,基于磨斑直徑、摩擦因數(shù)、溫升幅度來評價油性劑的潤滑性優(yōu)劣。由表4可知:R-9的磨斑直徑與摩擦因數(shù)最小,而且長磨的溫升幅度小,說明R-9的潤滑性最好,其次是R-3與R-8,即潤滑劑B1與B8復(fù)合最好。
表4 不同油性劑性能的研究
由于不銹鋼強(qiáng)度高、加工硬化快,但塑性好、變形過程中黏輥傾向大。為了防止黏輥,降低軋制力,需加入抗磨劑??鼓┒酁楹?、磷、氯或金屬元素的油基化合物,往往帶來腐蝕、安定性差和氣味重等問題。根據(jù)軋制工藝的要求,選用了磷化合物作為抗磨劑。初步篩選的6種磷化合物為P1、P2、P3、P4、P5、P6,采用四球試驗進(jìn)行表征,結(jié)果如表5所示。
表5 對不同抗磨劑的抗磨性能
由表5可知:添加磷化合物P2、P3、P4、P6后,油樣都有較好的油膜強(qiáng)度,但添加P4的油樣的pD值偏低,摩擦因數(shù)大;此外,添加P2、P3的油樣的摩擦因數(shù)也偏大;而添加P6的油樣,不僅油膜強(qiáng)度強(qiáng)、抗燒結(jié)負(fù)荷高,而且摩擦因數(shù)低,因此,磷化物P6具有優(yōu)異的抗磨性。
針對上述試驗篩選出的基礎(chǔ)油、抗氧劑、油性劑、抗磨劑進(jìn)行配伍,實現(xiàn)配方篩選試驗,采用四球試驗進(jìn)行初次篩選配方的潤滑性,具體試驗結(jié)果如表6所示。從表6中的四球試驗測試數(shù)據(jù)可知:與F6樣品相比,F(xiàn)5樣品的摩擦因數(shù)雖然略大,但是其磨斑直徑更小,且F5具有更大的pD和pB值,長磨條件下的發(fā)熱量也較少;F3樣品的摩擦因數(shù)與F5相當(dāng),但是其pD和pB值較之F5略小。
綜上,配方F5具有最大的pD和pB值,較為合適的摩擦因數(shù)和較小的磨斑直徑,展現(xiàn)出了良好的潤滑性,因此是最佳的配方組分,F(xiàn)3是性能略微遜色的配方組分。
表6 不同配方體系潤滑性能篩選
(1)針對一種高性能不銹鋼冷軋軋制油,對其配方進(jìn)行了研究,首先對基礎(chǔ)油進(jìn)行了篩選,得出最佳的基礎(chǔ)油是進(jìn)口S2或者中海S3。
(2)從6種抗氧劑,8種油性劑和6種抗磨劑中篩選出了最佳的助劑。在此基礎(chǔ)上,篩選得到了最佳的不銹鋼冷軋軋制油配方。