鋼冷軋乳化液離水展著性試驗(yàn)裝置建立與測(cè)試

火鵬飛，杜恭，陳志忠，郎需進(jìn)

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心,甘肅 蘭州 730060 ；2.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油廠，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

鋼冷軋是以熱軋鋼卷為原料，常溫下在再結(jié)晶溫度以下將鋼板進(jìn)一步軋制成目標(biāo)厚度鋼板的一種加工方式，冷軋工藝在我國(guó)迅速發(fā)展，冷軋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向著高強(qiáng)鋼和板型控制更好的高品質(zhì)鋼種方向進(jìn)一步調(diào)整?？蛻魧?duì)冷軋工藝的總體需求是：更薄的厚度、更快的速度、更低的軋制力、更潔凈的帶鋼、更低的成本，同時(shí)對(duì)冷軋乳化液也提出更高的要求：穩(wěn)定的潤(rùn)滑性、更好的退火清凈性、使用環(huán)保性、低氣味的多功能添加劑，其中潤(rùn)滑性、退火清凈性均和冷軋乳化液的離水展著性有關(guān)系[1]。

乳化液潤(rùn)滑劑的離水展著(Plate-out)性能是指乳化液中油相組分在金屬表面的附著能力。它是由油相組分在金屬表面的吸附行為所決定的，受到范德華引力、靜電吸附力 (對(duì)離子型活性劑)、化學(xué)吸附力、氫鍵等因素的影響，并與固體表面油對(duì)水的置換能力直接相關(guān)[2]。乳化液潤(rùn)滑劑在金屬表面離水展著是其發(fā)揮潤(rùn)滑作用的前提，離水展著性對(duì)潤(rùn)滑性能有重要影響，尤其是在進(jìn)行鋼冷軋乳化液產(chǎn)品替換的過(guò)程中，為保證不會(huì)出現(xiàn)大的問(wèn)題，替換品與原樣品需要在各個(gè)性能方面保持一致，離水展著性能作為軋制液的核心指標(biāo)更是如此，因此需要建立合適的離水展著性評(píng)價(jià)方法。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本鋼在用冷軋樣品A；

馬鋼在用冷軋樣品B；

馬鋼在用冷軋樣品C；

漣鋼在用冷軋樣品D；

曹妃甸在用冷軋樣品E；

自制樣品F；

目標(biāo)替換產(chǎn)品G；

電子天平(0.1 mg)，梅特勒-托利多公司；

測(cè)試板，10.16 cm×15.24 cm，型號(hào)為Q-panel公司R46鋼片測(cè)試板；

控溫烘箱，可控(90±5) ℃；

干燥器，秒表；

去離子水，符合GB/T 6682中三級(jí)水的規(guī)格；

變色硅膠干燥劑；

壓縮空氣，0.3～0.4 MPa；

泵，型號(hào)1ZDB45自吸清水泵，功率0.55 kW，流量3 m3/h，轉(zhuǎn)速2860 r/min，揚(yáng)程45 m，吸程9 m；

榨汁機(jī), 博朗(BRAUN)品牌電器，型號(hào)4184，功率525 W，頻率50/60 Hz。

1.2 離水展著性試驗(yàn)設(shè)備(見圖1)

圖1 離水展著性試驗(yàn)裝置原理

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1)配置6 kg待測(cè)軋制油乳化液于乳化液箱中(濃度可依需檢測(cè)條件自定)；

(2)使用攪拌器將乳化液攪拌均勻；

(3)稱量測(cè)試板重量，記為W0，裝于測(cè)試箱內(nèi)(勿使用手直接碰觸測(cè)試板)；

(4)打開循環(huán)泵，噴射30 s，吹氣角度為45°，關(guān)閉循環(huán)泵；

(5)取出測(cè)試板，使用壓縮空氣吹掃表面水漬，放入(90±5) ℃控溫烘箱，烘干30 min；

(6)烘干后，取出測(cè)試板，馬上放置于干燥器中冷卻至室溫；

(7)稱量冷卻后測(cè)試板重量，記為W1；

(8)計(jì)算殘油量 W=W1-W0，同一待測(cè)軋制油乳化液需平行測(cè)試5塊測(cè)試板，報(bào)告5次檢測(cè)結(jié)果W及平均結(jié)果，精確至0.1 mg。

(9)報(bào)告:根據(jù)所用測(cè)試板面積，換算1 m2的殘油量(mg)。

1.4 分析方法

常規(guī)理化數(shù)據(jù)分析方法見表1。

表1 主要分析評(píng)定方法

2 試驗(yàn)條件與討論

鋼冷軋乳化液離水展著性評(píng)價(jià)裝置試驗(yàn)條件原則上應(yīng)該與鋼冷軋乳化液的實(shí)際應(yīng)用條件相一致，也就是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種條件。不同的條件也對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，使用自制樣品F，對(duì)各條件進(jìn)行區(qū)別討論。

2.1 反應(yīng)溫度影響

乳化液配置濃度為3%，乳化液循環(huán)溫度變化范圍為20～60 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，見表2。

表2 循環(huán)溫度考察

由表2可以看出，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)隨著溫度升高，研制樣品的離水展著性增強(qiáng)，但通過(guò)查閱文獻(xiàn)[3]，溫度對(duì)由不同類型乳化劑配制的乳化液影響程度不同。一方面當(dāng)溫度升高時(shí)，乳化液膠團(tuán)熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，彼此碰撞機(jī)會(huì)增多, 從而促使膠團(tuán)發(fā)生聚集、長(zhǎng)大；大的膠團(tuán)易發(fā)生破壞，并易被金屬表面捕捉。另一方面由于水分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，水分子與聚氧乙烯中氧結(jié)合的氫鍵易斷裂，膠團(tuán)逃離水的趨勢(shì)增強(qiáng)；在溫度上升到濁點(diǎn)附近時(shí)，非離子表面活性劑分子聚集數(shù)將達(dá)到很大數(shù)目，易被金屬表面捕捉。對(duì)于陰離子型乳化劑，溫度升高時(shí)陰離子乳化劑在水中的溶解度增加，與水的親合性增大，分子(或膠團(tuán))從水介質(zhì)中逃離而吸附于固體上的趨勢(shì)減小。

對(duì)于配方中同時(shí)存在非離子和陰離子表面活性劑的情況，則需要針對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)際上目前軋制液多用高聚物型表面活性劑來(lái)控制乳化液顆粒度穩(wěn)定，同時(shí)復(fù)配能快速擴(kuò)散到體系中的非離子型表面活性劑。試驗(yàn)條件選擇40 ℃是因?yàn)檫@是最貼近鋼廠實(shí)際生產(chǎn)工況的溫度(實(shí)際會(huì)高一些)。

2.2 乳化液濃度影響

試驗(yàn)考察了乳化液濃度對(duì)離水展著性的影響。其中乳化液配置濃度變化范圍為2%～8%，循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，見表3。

表3 乳化液濃度考察

從表3可看出隨著乳化液濃度增大，離水展著性也增強(qiáng)乳化液的離水展著性可以認(rèn)為是油相組分在金屬表面的吸附過(guò)程，單純陰離子型乳化劑和非離子型乳化劑配制的乳化液吸附隨等溫曲線和濃度變化的趨勢(shì)是有差異性的，表3的趨勢(shì)代表非離子表面活性劑復(fù)配體系的自制樣品離水展著性數(shù)據(jù)隨乳化液濃度增大一直升高，這與乳化劑的比例以及復(fù)配有關(guān)，對(duì)不同乳化體系的產(chǎn)品不具有通用性，評(píng)價(jià)試驗(yàn)選擇3%濃度是因?yàn)殇摾滠埲榛涸诂F(xiàn)場(chǎng)使用的濃度一般為3%。

2.3 循環(huán)泵噴射時(shí)間影響

試驗(yàn)考察了循環(huán)泵噴射時(shí)間對(duì)離水展著性數(shù)據(jù)的影響。其中乳化液配置濃度為3%，循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間范圍為15～60 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，見表4。

表4 循環(huán)泵噴射時(shí)間考察

由表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)泵噴射時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果有一定影響，但程度并不大。隨著噴射時(shí)間延長(zhǎng),離水展著性數(shù)據(jù)展示出增大的傾向，但在超過(guò)30 s后基本沒(méi)有變化，對(duì)比數(shù)據(jù)要求統(tǒng)一噴射時(shí)間，規(guī)定噴射時(shí)間為30 s。

2.4 壓縮空氣吹掃次數(shù)影響

試驗(yàn)考察了壓縮空氣吹掃次數(shù)對(duì)離水展著性測(cè)定結(jié)果的影響。其中乳化液配置濃度為3%，循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)變化，角度為45°,見表5。

表5 壓縮空氣吹掃次數(shù)考察

由表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，空氣吹掃次數(shù)對(duì)反應(yīng)結(jié)果有影響。隨著空氣吹掃次數(shù)增多，離水展著性數(shù)據(jù)逐漸變小并趨于平緩，但在超過(guò)3次后基本沒(méi)有變化，因此作為對(duì)比數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一噴射次數(shù)，規(guī)定為吹掃3次。

2.5 壓縮空氣吹掃角度影響

試驗(yàn)考察了壓縮空氣吹掃角度對(duì)離水展著性測(cè)定結(jié)果的影響。其中乳化液配置濃度為3%，循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度變化，見表6。

表6 壓縮空氣吹掃角度考察

由表6數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，空氣吹掃角度對(duì)反應(yīng)結(jié)果有一定影響，但并不顯著，這說(shuō)明不同的吹掃角度會(huì)引起不同的測(cè)試板表面的乳化液殘留，作為對(duì)比數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一噴射角度，規(guī)定為45°。

在鋼冷軋乳化液離水展著性測(cè)試這個(gè)自建試驗(yàn)中，還有很多試驗(yàn)因素都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，如下：

(1)噴口規(guī)格，指的是乳化液噴射到測(cè)試板時(shí)候的噴口形狀，有霧狀、扇形、圓形、一字型、蓬頭形等不同形狀，都會(huì)對(duì)產(chǎn)品結(jié)果產(chǎn)生影響，因此試驗(yàn)建議統(tǒng)一噴口規(guī)格、型號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

(2)乳化液循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)20000 r/min攪拌10 min，這個(gè)試驗(yàn)條件是根根據(jù)乳化液現(xiàn)場(chǎng)使用情況及剪切強(qiáng)度來(lái)確定的，符合乳化液現(xiàn)場(chǎng)使用條件。

2.6 自制樣品和目標(biāo)替代品的離水展著性數(shù)據(jù)比較

乳化液的作用是通過(guò)離水展著性使油滴能均勻地分布在軋輥和帶鋼的表面形成油膜。從冷卻角度來(lái)講，這樣會(huì)降低熱傳導(dǎo)系數(shù)起到絕熱作用，對(duì)冷卻是不利的；但是從潤(rùn)滑角度來(lái)說(shuō)，油膜越多越厚，才能滿足潤(rùn)滑性能的要求，如果油滴分布太少，油膜過(guò)薄或者出現(xiàn)破裂，則會(huì)使冷軋鋼板上出現(xiàn)劃痕或者泡狀缺陷。離水展著性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)意義在于可以指導(dǎo)軋制液配方開發(fā)過(guò)程中兼顧冷卻性和潤(rùn)滑性的要求，滿足特定工況條件下的性能要求。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室建立的離水展著性方法，對(duì)目標(biāo)替換軋制液產(chǎn)品和實(shí)驗(yàn)室自制樣品進(jìn)行性能對(duì)比。其中乳化液配置濃度為3%，乳化液循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，重復(fù)6次，見表7和表8。

表7 目標(biāo)替換產(chǎn)品離水展著性

表8 自制樣品離水展著性

本試驗(yàn)方法的精密度要求為重復(fù)性不低于90%，單次測(cè)量誤差小于15%。從表7、表8可以看出目標(biāo)產(chǎn)品的離水展著性相比自制樣品的數(shù)據(jù)要好一些，但基本處于同一檔次，在進(jìn)行替換工作時(shí)，需要使自制樣品在潤(rùn)滑和極壓性能方面適當(dāng)增強(qiáng)一些。

有一個(gè)因素分別會(huì)用兩個(gè)不同的形式來(lái)表征，也可以影響到鋼冷軋乳化液的潤(rùn)滑性能，這就是乳化液穩(wěn)定性，分別可以用PSD(乳化液顆粒度)和ESI(乳化液穩(wěn)定性)來(lái)表征，通?？梢哉f(shuō) ESI越大，PSD越小，乳化液越穩(wěn)定。一般性的規(guī)律為：在穩(wěn)定的乳化液體系中，PSD越大，ESI越小，離水展著性越好，這樣的乳化液潤(rùn)滑性能優(yōu)于冷卻性能；反之PSD越小，ESI越大，離水展著性越差，這樣的乳化液冷卻性能優(yōu)于潤(rùn)滑性能[4]。

2.7 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有商業(yè)品離水展著性數(shù)據(jù)

對(duì)目前國(guó)內(nèi)幾個(gè)典型冷軋鋼廠在用產(chǎn)品的理化性能進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)理化數(shù)據(jù)分析方法表1已經(jīng)給出，離水展著性試驗(yàn)條件如下：乳化液配置濃度為3%，乳化液循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時(shí)間為3 h，原液榨汁機(jī)以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時(shí)間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，見表9。

表9 競(jìng)品數(shù)據(jù)與性能對(duì)比

表9為產(chǎn)品的部分理化數(shù)據(jù)，冷軋乳化液的性能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)大部分是由各公司制定的非標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行的，從理化數(shù)據(jù)我們可以推出以下內(nèi)容：皂化值較低的產(chǎn)品其相應(yīng)的使用濃度應(yīng)該略高，各產(chǎn)品的黏度指數(shù)也一定程度反映了原材料選擇上的不同。表中未列出的殘鐵、殘?zhí)糠椒ǖ臄?shù)據(jù)結(jié)果可以輔助判斷產(chǎn)品冷軋退火后的板面清潔度，離水展著性數(shù)據(jù)也可以用來(lái)比較軋制液的噸鋼消耗量，這是很重要的經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)PDSC和TGA來(lái)模擬鋼冷軋退火過(guò)程可以得到更有意義的數(shù)據(jù)：(1)通過(guò)TGA熱重分析儀可以模擬不同氣氛條件下的冷軋乳化液熱失重和熱氧降解曲線；(2)通過(guò)PDSC掃描差示量熱儀可以衡量冷軋乳化液及其高聚物氧化過(guò)程中的放熱量。通過(guò)以上兩種模擬方法，并結(jié)合乳化液的離水展著性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在滿足產(chǎn)品潤(rùn)滑性能、冷卻性能和退火清凈性的同時(shí)，全面地區(qū)分出針對(duì)不同軋機(jī)、不同環(huán)境和不同材質(zhì)鋼板時(shí)冷軋乳化液的使用性能[5]。

3 結(jié)論

(1)離水展著性是鋼冷軋乳化液的重要性能數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)使用效果關(guān)聯(lián)。

(2)實(shí)驗(yàn)室自制的冷軋乳化液離水展著性數(shù)據(jù)隨使用溫度升高而增大，隨乳化液濃度升高而增大。

(3)建立的鋼冷軋乳化液離水展著性試驗(yàn)結(jié)果受多種因素影響，因此如果要獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要固定試驗(yàn)條件和裝置，并且盡量由同一個(gè)人進(jìn)行操作，空氣吹掃手法等不宜考察的因素對(duì)結(jié)果也有較大影響。

(4)盡量采用平行試驗(yàn)比較不同產(chǎn)品的離水展著性，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果變動(dòng)比較大的情況，應(yīng)該提前確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，并且在每次測(cè)試時(shí)平行進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)樣的測(cè)試。

(5)離水展著性試驗(yàn)和通過(guò)TGA、PDSC模擬的退火試驗(yàn)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)鋼冷軋過(guò)程中的板面清凈性和退火清凈性，對(duì)鋼冷軋乳化液的配方開發(fā)起到指導(dǎo)意義。