不銹鋼冷軋潤滑油的研制與應用

馬永宏 鄭延波 曹 進 郭 槐 王 超

摘要:介紹了不銹鋼冷軋工藝的特點,同時對該過程使用的冷軋油性能進行了要求;剖析了廣泛使用的不銹鋼冷軋油S-60,暫定了研制質量指標。通過對基礎油及添加劑的篩選,確定了適合制備冷軋油使用的基礎油及添加劑。最后通過退火清凈性、潤濕性能、儲存穩定性及軋機實驗,對產品綜合性能進行了考察與評價。結果表明:研制的昆侖不銹鋼冷軋潤滑油與S-60的理化及使用性能相當。

關鍵詞:不銹鋼;冷軋;潤滑油

中圖分類號:TE626.39 文獻標識碼:A

The Development and Application of Cold-Rolling Oil for Stainless Steel

MA Yong-hong1, ZHENG Yan-bo1, CAO Jin2, GUO Huai3, WANG Chao3

(1.PetroChina DaLian Lubricating Oil R&D Institute,Dalian 116032,China;2. PetroChina East China Lubricant Marketing Company,Shanghai 200122,China;3. PetroChina Centre-South China Lubricant Marketing Company,Guangzhou 510⁶20,China)

Abstract:The characteristic of cold-rolling process for stainless steel is described, and the properties demand of the oil used in the cold-rolling process are put forward. The cold-rolling oil (S-60) widely used for stainless steel is analyzed, the quality index is temporarily made. At the same time, the appropriate base oil and additive were selected to prepare the cold-rolling oil. Finally, the comprehensive properties of the product were investigated, such as annealing detergence, wettability, stability and lubricating property for rolling experiment. The result showed that Kunlun cold-rolling lubricating oil for stainless steel is a match for S-60 in the physical property, chemical property and serviceability.

Key words:stainless steel; cold-rolling; lubricating oil

0 前言

不銹鋼冷軋油是不銹鋼板冷軋工藝過程中使用的潤滑、冷卻介質,其主要是在不銹鋼冷軋過程中起冷卻、潤滑、防銹等作用。

相對于普通的鋼板軋制,不銹鋼冷軋的工藝特點主要有三點:(1)對軋后鋼板表面質量要求較高,尤其是光亮退火后的鋼板表面,不但要求板形好、精度高,而且要求表面光澤;(2)不銹鋼強度高、加工硬化快,但塑性好、變形過程中粘輥傾向大;(3)不銹鋼的導熱性能差,如321不銹鋼的導熱性僅為碳鋼的27%,因此需要及時將冷軋過程產生的熱量轉移。

根據不銹鋼冷軋的工藝特點,不銹鋼冷軋油應具有如下性能:

(1)較強的極壓抗磨性:由于不銹鋼冷軋軋制壓力高,軋制油必須具有較強的極壓性能,減少摩擦,降低軋制壓力,同時對支撐輥及傳動裝置進行潤滑。

(2)良好的退火清凈性:對不銹鋼板面質量要求較高,要求其冷軋油在退火后能完全分解或揮發,退火后的鋼板表面光亮性較好。

(3)良好的抗氧化性:不銹鋼軋制油在循環使用過程中,在周期性的高溫、高壓作用下,以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下,易發生油品氧化變質,所以應具備較高的抗氧化性能。

(4)適中的粘度,確保其冷卻性能,同時盡量減少退火時軋制油對不銹鋼表面的污染,而其潤滑性能可通過添加劑進行調劑。

(5)較高的閃點,以保證高速軋制時的油品安全性。

目前我國冷軋不銹鋼的年產量已超過300萬t,不銹鋼冷軋時噸鋼所消耗的冷軋油量約2 kg,因此全國不銹鋼冷軋油年需求量將達到6000 t左右。

我國不銹鋼軋制潤滑油研制工作起步較晚,目前國內多數不銹鋼軋制需要依賴國外公司相關的產品,如Mobile的Genrex 26、ESSO的Somentor N系列和日本大同公司的dai roll系列,但進口油價格昂貴,造成生產成本高,削弱了產品的市場競爭力,所以開展不銹鋼冷軋潤滑油的研制工作是十分必要和緊迫的。

1 研制產品暫定質量指標

不銹鋼冷軋潤滑油在國內外一直沒有統一標準,各生產廠家都是按照自己的企業標準進行生產。參照不銹鋼冷軋工藝特點和潤滑要求,并結合不銹鋼冷軋生產廠常用的國外公司產品S-60性能指標,制定研制產品的暫定技術指標,見表1。

2 研制部分

2.1 基礎油的篩選

不銹鋼冷軋工藝要求其冷軋潤滑油要有良好的退火清凈性。如果所用基礎油餾程過大,可能閃點偏低導致生產過程的安全性不能得到有效保護,同時重組分可能較多造成冷軋油的退火清凈性變差。

要求研制產品所選基礎油的餾程要窄,以不超過200 ℃為宜,并且從安全生產角度來講,所選基礎油閃點要保證在160 ℃以上。

綜上所述,并結合中國石油潤滑油公司相應的基礎油資源,選擇了三種可用基礎油進行篩選,分別為A基礎油、B基礎油、C基礎油,具體理化分析結果見表2。

由表2基礎油分析結果來看,基礎油C的粘度指數過低,在實際使用過程中粘度變化相對大而影響到冷軋工藝的潤滑,且其40 ℃粘度為9.872 mm²/s,大于9.5 mm²/s的暫定指標,不符合基礎油的要求;基礎油B的粘度超出軋制油的粘度范圍;基礎油A的粘度、餾程、閃點都較為適中,適宜做不銹鋼冷軋油的基礎油。

2.2 添加劑的篩選

2.2.1 抗磨、油性劑的篩選

由于不銹鋼冷軋潤滑油需要較好的防粘輥性能,所以要求所用油性、抗磨劑要有適中的油膜強度,該性能可通過評價四球機的P_B來表征,P_B值不能過高,原因有三點:

(1)考慮到軋后產品表面質量,若油膜過厚,使得油膜產生 “屏蔽效應”,即過厚的油膜保護了軋板原始粗糙表面,阻礙了軋輥對軋件的輥光,會造成軋后產品表面光亮度下降;

(2)過高的潤滑性會使得摩擦力變小,軋制過程中鋼板與軋輥無法咬入,使得軋制無法正常進行;

(3)過高的潤滑性可能需要加入較多的極壓抗磨劑,過多極壓劑的引入可能會導致軋輥腐蝕,造成軋機的損壞。

由于極壓劑多為含硫、磷、氯或金屬元素的有機化合物,在高溫、重負荷下與金屬表面反應生成無機物膜,防止燒結和減少磨損。但這類化合物通常為活性物質,往往帶來腐蝕和安定性問題,且不銹鋼軋制油不僅作為不銹鋼軋制的工藝用油,同時也是不銹鋼冷軋機的軋輥軸承的潤滑劑,所以對極壓劑的選擇較為慎重。

油性劑可有效降低邊界摩擦系數,進而降低軋制負荷,提高軋制速度。脂肪酸、脂肪醇、酯(脂)是軋制油配方中常用的油性添加劑,脂肪酸類油性劑的退火清凈性較差,所以本次配方的研制不考慮引入脂肪酸類油性劑。本配方的油性劑考察以脂肪醇類和酯類油性劑為主。當添加劑類型一定時,隨碳鏈增長,其潤滑性能變好,但同時退火清凈性變差,少于10個碳的醇和酯在軋制中通常無油性,而碳原子太多在退火時又容易產生褐色沉淀,一般認為,碳原子數在12~18之間時作用效果最佳[1]。

根據以上依據考察復配出與參比油相當的極壓、油性劑組成,見表3。

由表3油性、抗磨劑考察結果數據可以看出,醇-1與酯-7和AW-2復配后,降低酯-7的加劑量,P_B值小于暫定指標392 N(配方z-80、z-81、z-82、z-83)。添加劑醇-1的加劑量增加對體系的潤滑性能提高并無貢獻;AW-2的加劑量從加劑量增加對潤滑性能的影響并不大,所以確定配方z-64為最適宜的潤滑劑復配方案。

2.2.2 其他添加劑的選擇

不銹鋼冷軋潤滑油作為一種循環用油,在換油期內循環使用,在周期性的高溫、高壓作用下,以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下,油品易氧化變質,所以要求具備較好的抗氧化能力,為了有效提高油品抗氧化性,需加入一定量抗氧化劑。

由于不銹鋼冷軋潤滑油同時還起到對軋輥軸承的潤滑作用,要求油品具有一定的防銹性能,故研制油中需加入一定的防銹劑。

經過上述實驗研究,最終確定了不銹鋼冷軋油的配方,見表4。

不銹鋼冷軋潤滑油的總加劑量大約6%左右。

3 產品綜合性能評價

3.1 退火清凈性考察

不銹鋼冷軋鋼板的退火溫度一般在10⁵0~1080 ℃之間,目前不銹鋼冷軋廠家通常采用光亮退火,即在氮氣和氫氣保護下退火,以消除軋制過程中由于板面塑性變形產生的殘余應力,退火時,殘余在板面的冷軋油可能會在板面形成殘留,影響板面的表面光潔度,因此要求冷軋油具有良好的退火清凈性。利用熱重分析來模擬工業爐退火環境,通過最終軋制油殘留量來定性分析它的退火清凈性[2]。 具體方法如下:模擬實際工況條件,將帶油坩堝放入加熱爐中,在氮氣保護下加熱到一定溫度,考察基礎油與添加劑在高溫下的分解情況及坩堝的表面狀況,從而評價基礎油與添加劑的高溫清凈性,實驗結果與實際有較好的關聯。對冷軋油來說,一般退火溫度越高,清凈性就越好,即滿足低溫退火清凈性要求的冷軋油,一定能滿足高溫退火清凈性[2]。熱重分析儀退火清凈性試驗條件如下:

溫度:加熱至500 ℃;

樣品量:(20±1) mg;

氣體流速:(50±5) mL/min;

升溫速率:10 ℃/min[2]。

研制油與S-60參比油TGA考察結果見圖1。

從圖1看出,研制油與參比油在400 ℃時分解殘余量都≤0.2%,且分解后坩堝表面用電子顯微鏡觀察均光亮無油斑,所以研制油也具有優良的退火清凈性。

3.2 潤濕性能的考察

冷軋油在噴淋到軋板的瞬間要求能立即鋪展在軋板表面,從而起到潤滑、冷卻等的作用。鋪展是少量液體在固體表面上自動展開并形成一層薄膜的現象。用鋪展系數S作為衡量液體在固體表面能否鋪展的判據,其與液體滴落在固體表面前后的表(界)面張力關系有關:

S=γ^s-γ^1s-γ¹

γ^s、γ^1s、γ¹分別表示在一定溫度下的固-氣、固-液及氣-液之間的表(界)面張力。S≥0則液體能在固體表面上發生鋪展;若S<0則不能鋪展。由上式可見,γ¹越小則S越大,也就是液體越容易在固體表面鋪展開,而一般來說液體的表面張力越小,液氣與液固的界面張力也會相對較小,所以只要測量γ¹的數值,就能比較出冷軋油在金屬表面的鋪展性能。

用圓環法測量考察配方與參比油表面張力的對比見表5。

研制油與參比油表面張力相當,因此潤濕性相當。

3.3 儲存穩定性的考察

將研制油在常溫下靜置四個月,無沉淀、無變色;將研制油與參比油以1∶1比例常溫混兌四個月后,無沉淀、無變色。

3.4 軋機實驗

在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室進行軋機實驗,分別對研制油和參比油在直拉式四輥可逆冷軋機上進行固定軋制厚度和恒定軋制壓力的試驗,實驗用不銹鋼板規格為(800×200×2.8) mm,材質為1Gr18Ni9Ti。

3.4.1 固定軋制厚度的試驗

在相同的道次厚度、前張力、后張力、軋制速度、工作輥直徑等條件下,對兩種油品進行固定壓下率的軋制,測出各油品、各道次軋制壓力的變化,如表6所示。

由表6看出,在相同壓下率條件下,研制油比參比油的軋制壓力明顯降低,說明具有更加適宜的潤滑等綜合性能。

3.4.2 恒定軋制壓力試驗

在材料、前張力、后張力、支撐輥型、軋制速度、工作輥直徑、軋制壓力試驗相同的條件下,對油品進行固定軋制壓力的軋制,測出每道次帶鋼厚度的變化,如表7所示。

由表7試驗結果可以看出,在相同軋制壓力條件下,研制油和參比油每道次的鋼板壓下率相近,說明兩種油品的性能相當。

綜合軋機實驗,研制油的軋機潤滑性優于參比油。

3.5 現場工業使用情況

研制的不銹鋼冷軋潤滑油在佛山晨曦不銹鋼有限公司使用兩個月時間,應用情況良好。

工業使用條件:

軋機類型:二十輥可逆軋機;

工作輥直徑:50 mm;

冷軋材質:各種型號不銹鋼板;

最大軋制壓力:4.41×10⁶N;

最大軋制速度:300 m/min;

可軋板寬:540~750 mm;

壓下率:80%(8~9道次);

過濾精度:<10 μm;

退火方式:光亮退火。

目前冷軋油的使用狀況:冷軋板經冷軋后,表面光亮,軋機未出現振動或油膜破裂現象,鋼板表面未出現缺陷,無粘輥現象發生,產品表面狀況良好,合格率高。經光亮退火后,鋼板表面退火清凈性良好,根據現場操作人員反映,不銹鋼冷軋潤滑油的刺激氣味低,操作人員容易接受。

3.6 經濟性評價

研發的不銹鋼冷軋潤滑油成本價遠低于參比油的市場價格,且性能與之相當,有較為明顯的市場優勢。

4 結論

通過對研制的不銹鋼冷軋潤滑油的潤滑性能、退火清凈性、經濟性及軋機試驗以及工業使用情況等綜合考察,結果表明所研制的不銹鋼冷軋潤滑油產品質量已經達到或優于參比油性能,可以滿足不銹鋼帶(板)冷軋工藝的潤滑要求,有效地替代進口油,并且其成本要遠遠低于進口產品,經濟效益明顯。

參考文獻:

[1] 馬育體.銅及銅合金軋制油的研制[J].潤滑油,2001,16(2):36-38.

[2] 琚正川.熱重分析評價銅軋制油的退火清凈性[J].合成潤滑材料,2007,34(2):17-19.

收稿日期:2008-08-06。

作者簡介:馬永宏(1978- ),女,工程師,2002年畢業于蘭州大學化學化工學院應用化學專業,現主要從事工業用油的研發工作。