板帶鋼冷軋乳化液穩定性與潤滑性研究

王士庭，孫建林，趙永濤，王一助

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083）

板帶鋼冷軋乳化液穩定性與潤滑性研究

王士庭，孫建林，趙永濤，王一助

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083）

研究了影響乳化液穩定性的幾個因素，包括乳化液的HLB值、乳化劑的種類與復配類型、乳化劑的用量及乳化劑化學結構與基礎油的相似程度等。結果表明，乳化液的HLB值等于油品被乳化所需的HLB值，乳化劑總量占12%～15%，所選乳化劑的HLB值越接近乳化液的總體HLB值，且其化學結構與基礎油的結構越相似，乳化液的穩定性越好；乳化液的均一性與乳化液的總體穩定性具有一致性；在一定的范圍內，乳化液的穩定性越好，潤滑性能越差。

冷軋乳化液 穩定性 HLB值 ESI值 潤滑性

1 前 言

乳化液在鋼冷軋過程中具有良好的潤滑性能，可降低軋制壓力、降低軋制能耗及軋輥輥耗、冷卻軋輥及帶鋼、控制板形，與軋制油相比，乳化液具有良好的軋后及退火表面清潔度，具有一定的工序防銹能力。軋制工藝潤滑技術正是通過乳化液的以上作用來滿足當前軋鋼生產中節能降耗、清潔生產、提高產品質量之需要[1]。隨著現代軋機軋制速度及用戶對產品表面質量要求的不斷提高，對冷軋乳化液的潤滑性能提出了更高的要求，乳化液穩定性的調節已成為調整軋制乳化液潤滑性能的重要手段之一。穩定性作為乳化液的最基本性能，對乳化液的潤滑、防銹等使用性能有著重要影響[2-3]。因此，對乳化液的穩定性進行系統深入的研究具有重要意義。本課題主要以棕櫚油基乳化液為研究對象，系統研究影響乳化液穩定性的各種因素，并通過冷軋潤滑實驗考察乳化液的穩定性與潤滑性之間的關系。對新型軋制乳化液的研究開發以及根據實際的冷軋生產工況選擇合適的軋制乳化液提供參考。

2 實 驗

2.1 軋制乳化油的配制

2.1.1 實驗材料 棕櫚油、菜籽油、椰子油為基礎油；硫系極壓抗磨劑、磷系極壓抗磨劑；石油磺酸鹽類防銹劑；Span，Tween，OP系列乳化劑，乳化劑的HLB值（Hydrophile Lipophile Balance）見表1。

表1 實驗用乳化劑的HLB值

2.1.2 軋制乳化油的實驗室制備流程 將基礎油、防銹劑、極壓抗磨劑依次加入燒杯中，放入恒溫電磁攪拌器上邊攪拌邊加熱至90 ℃，恒溫攪拌20 m in；冷卻至80 ℃，加入乳化劑，恒溫攪拌10 m in；冷卻至60 ℃，加入助乳化劑，恒溫攪拌10 m in后，冷卻至室溫即得到板帶鋼冷軋乳化油。

2.2 乳化液穩定性及均一性試驗

乳化液的穩定性實驗參照石油化工行業標準SH／T0579—94[4]。

乳化液的均一性試驗即乳化液ESI（Emulsion Stability Index）的測試試驗方法：將乳化油配制質量分數為5%的乳化液倒入分液漏斗，靜置30 min，上、下各取100 m L乳化液后，采用鹽析破乳法測定其含油量[5]。

乳化液的ESI值按下式計算：式中，v2為分液漏斗中下層100 m L乳化液的析油析皂體積；v1為分液漏斗中上層100 m L乳化液的析油析皂體積。ESI值越大，則乳化液的均一性越好，反之ESI值越小，則乳化液的均一性越差。

2.3 摩擦學性能測試實驗

在MRS-10A四球摩擦磨損試驗機上，采用GB/T12583—1998方法測試軋制乳化液的承載能力（PB值）。在載荷為392 N、轉速1 200 r/m in的條件下，進行10 m in長磨實驗，采用四球機的隨機軟件計算出各軋制乳化液的平均摩擦系數，以評價軋制乳化液的減摩性能。

2.4 冷軋潤滑實驗

在Φ130 mm×200 mm二輥冷軋實驗軋機上進行軋制潤滑實驗，軋輥的轉速為10 r/m in。實驗用帶鋼為某鋼廠生產的IF鋼（退火狀態），規格為150 mm×50 mm×2 mm。軋制前，先用丙酮清洗軋輥，再用醫用棉擦干。在更換乳化液時重復上述清洗過程。軋制時，將乳化液噴射到軋輥和軋件表面，每道次輥縫調節相同的預壓下量，測定不同乳化液軋制時，每道次帶鋼的軋后厚度，同時軋機自動采集軋制壓力及軋機消耗功率等參數，用來比較各冷軋乳化液的潤滑效果。

3 結果與分析

由水與油組成的乳化液為熱力學不穩定分散體系，由于該體系的表面能過大，使得體系的自由能較高。因此，水和油會有各自積聚分離分層的趨勢。但加入乳化劑后，乳化劑會吸附在油水的界面上成膜，顯著降低界面自由能，使分散體系的自由能保持在較低的水平，使得乳化液暫時穩定[6-7]。乳化液中油水界面膜的機械強度是決定乳狀液穩定性的主要因素。其具體的作用因素為：乳化劑的HLB值、乳化劑的種類、用量及乳化劑與基礎油的分子結構的相似性[8]。

3.1 HLB值對乳化液穩定性的影響

HLB值即親水親油平衡值，每一種乳化劑都有一個處在0～20的無量綱數。HLB值在0～9的為油溶性憎水乳化劑，HLB值在11～20的為水溶性親水乳化劑[9]。其計算公式如下：式中，ωi為各乳化劑的質量分數；HLBi為各乳化劑的HLB值。

采用Span-80分別與Tween-60、Tween-20配制成不同HLB值乳化油后，與去離子水配制成體積分數為5%的乳化液，靜置24 h。通過觀察乳化液的析油析皂情況，來評價乳化液的穩定性，結果見圖1。由圖1可見，采用相同基礎油，不同乳化體系的兩組乳化液有一個共同的特征，隨著HLB值的增大，乳化液在HLB值為8～10時析油析皂量最少，穩定性最好。HLB值為5時，漂浮量雖少但全部為析油即不乳化。因此，乳化液穩定時的HLB值的范圍由被乳化的物質決定，而不受乳化體系的影響。實驗過程中還發現，隨著HLB值增大，乳化油從清澈透明逐漸變渾濁，且放置一段時間會出現分層現象。

圖1 HLB值對乳化液析油析皂的影響

3.2 乳化劑化學結構對乳化液穩定性的影響

采用Span-20與Tween-20作為乳化劑，分別以菜籽油（含油酸約60%）、椰子油（含月桂酸約50%）為基礎油，配制乳化油后，加去離子水配制成體積分數為5%的乳化液，放置24 h，觀察其穩定性，結果見圖2。由圖2可見，與Span-20、Tween-20含有相同月桂酸的椰子油基乳化液的穩定性優于菜籽油基乳化液，且這種優勢不因乳化劑含量的改變而改變。因此，采用乳化劑的化學結構與被乳化油品的化學結構越接近，所得的乳化液穩定性越好。

3.3 乳化劑的復配類型及用量對乳化液穩定性的影響

每種乳化劑都有固定的HLB值，而每種油品被乳化所需的HLB值范圍是確定的。單一乳化劑很難與油品被乳化所需的HLB值相符，且形成的界面膜致密性差，機械強度不高。因此，通常將一種水溶性乳化劑和一種油溶性乳化劑組成復合乳化劑使用[10]。實驗所采用的乳化劑5種復配系列組合情況見表2。

圖2 乳化劑化學結構對乳化液析油析皂的影響

表2 實驗采用的乳化劑復配組合

以棕櫚油為基礎油，采用上述5種乳化劑復配體系配置HLB為10、乳化劑質量分數分別為6%，9%，12%，15%，18%的乳化油后，加去離子水配制成體積分數為5%的乳化液靜置24 h，觀察其析油析皂量，結果見圖3。乳化劑的HLB值代表著乳化劑自身親水性與親油性的平衡能力，其自身親水親油性的平衡使得乳化劑所形成的界面膜更加致密，機械強度更高，乳化液的穩定更好。因此，復合乳化體系中的兩種乳化劑的HLB值越接近油品被乳化所需的HLB值，乳化液的穩定性越好。由圖3可見，乳化劑質量分數為12%~15%時，乳化液的穩定性較好，且不會因乳化劑的量過大而減少基礎油與其它添加劑的含量，從而降低乳化液的潤滑性能。

圖3 乳化劑復配類型及用量對乳化液析油析皂的影響

3.4 乳化液的均一性實驗分析

乳化液的均一性作為衡量乳化液穩定性的一個重要方面，影響著乳化液潤滑效果的穩定性。而潤滑效果不穩定，則軋制張力不恒定，從而影響軋件的板形甚至整個軋制生產線的穩定性。乳化劑的復配類型及用量對乳化液ESI值的影響見圖4。由圖3和圖4可見，乳化液的均一性與總體的穩定性相一致。ESI值越接近于1，乳化液顆粒分布越均勻即穩定性越高。乳化液的均一穩定性越好，則潤滑效果越穩定，從而有利于軋制生產線的穩定與板形的控制。

圖4 乳化劑的復配類型及用量對乳化液ESI值的影響

乳化液的穩定性主要與乳化液的組成（基礎油與乳化劑）有關。同時，乳化液的穩定性還受乳化油的配制工藝（加料順序、加熱溫度、攪拌速度與強度等）及乳化液的使用條件（乳化液濃度、乳化液使用溫度等）的影響[11]。

3.5 乳化液的穩定性對其潤滑效果的影響

一般軋制乳化液分為穩定型、半穩定型和不穩定型乳化液。隨著高強度板帶鋼的研制與開發應用，對冷軋過程中乳化液的潤滑性提出了更高的要求。除了改變軋制油的皂化值外，還可以對乳化液的穩定性調整與控制來滿足潤滑性能的要求[2]。采用兩種析油析皂量不同的乳化液，在四球摩擦磨損實驗機上進行摩擦學性能測試，結果見表3。由于四球摩擦磨損實驗機為模擬實驗機，其摩擦副的接觸形式為點接觸，而軋制過程中為鋼板與軋輥之間的弧面接觸。因此，為了更全面地研究乳化液穩定性對其潤滑性能的影響，采用以上兩種乳化液進行冷軋潤滑實驗，兩種乳化液軋制潤滑效果對比見圖5。由表3和圖5可以看出，析油析皂為6%乳化液的摩擦學性能及軋制潤滑效果都優于析油析皂為3%的乳化液。原因主要在于潤滑劑的潤滑效果主要由摩擦副表面的油膜厚度和油膜強度決定。在一定范圍內，乳化液的穩定性越差，乳化液的離水展著性越好，則乳化油在摩擦副表面的吸附量越多即在摩擦副表面形成潤滑油膜的厚度越大，所以潤滑效果越好。因此，可以通過調整乳化液的穩定性來提高軋制乳化液的潤滑性能。在實際生產中，軋件的規格越薄，使用的乳化液越不穩定。但是乳化液穩定性差，使得軋件表面殘油量增大，不但增加軋制油耗，且使軋件表面退火清凈性變差[12]。一般要求乳化液的析油析皂量控制在5%左右，但并沒有統一的標準和硬性要求[13]。在實際生產過程中，應根據生產工藝及產品質量要求選擇穩定性合適的乳化液，而不是一味地追求穩定的乳化液。

圖5 乳化液穩定性對其潤滑效果的影響

表3 乳化液穩定性對其摩擦學性能參數的影響

4 結 論

（1）影響乳化液穩定性的因素主要有乳化劑的HLB值、種類及復配類型、用量及與基礎油性質的相關性。當乳化液的HLB接近油品被乳化所需的HLB值，用量在12%～15%，且乳化劑與油品的化學結構越相似，乳化液的穩定性越好。

（2）乳化液的均一性與乳化液的總體穩定性一致。乳化液的ESI值越接近1，乳化液中的油滴分布越均勻，乳化液的潤滑效果就越穩定。

（3）乳化液的穩定性對乳化液的潤滑效果、軋制油耗、軋件表面軋后及退火清凈性有顯著的影響。在一定范圍內，軋制乳化液的穩定性與潤滑性成反向關系。因此，在板帶鋼軋制生產過程中，乳化液穩定性的調節已成為調整軋制乳化液潤滑性能的重要手段之一。為了協調乳化液的穩定性與潤滑性，乳化液的析油析皂量一般控制在5%左右。

[1] 孫建林. 軋制工藝潤滑原理技術與應用[M]. 北京:冶金工業出版社，2004:13-17

[2] 孫建林，張軍，蔡文通，等. 鋼冷軋乳化液穩定性及對冷軋潤滑的影響[J]. 北京科技大學學報，2007，29（12）:99-101

[3] 胡漢國. 國內外冷軋寬帶鋼軋制油的現狀及發展趨勢[J].石油商技，2001，19（5）:11-15

[4] 秦鶴年. 乳化型軋制液的質量標準研究[J]. 潤滑油，2003，18（6）:50-54

[5] 韓旭東，羅文欽，陳銳紅. FR-156軋制油品性能的測試與評價[J]. 上海鋼研，2005,（4）:27-31

[6] AHMAD K，HO C C,FONG W K. Properties of palm oil-inwater emulsions stabilized by nonionic emulsifiers[J]. Journal of Colloid and Interface Science，1996，181:595–604

[7] 漢斯. 莫利特，阿諾德. 顧本門著. 楊光譯. 乳液、懸浮液、固體配合技術與應用[M]. 北京:化學工業出版社， 2004:76-80

[8] Musa Kaleem Baloch，Gulzar Hameed.Emulsification of oil in water as affected by different parameters[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2005，285:804–813

[9] Weirong Liul，Dejun Sun，Qian Liu.Formation and stability of paraffin oil-in-water nano-emulsions prepared by the emulsion inversion point method[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2006，55:1-7

[10] Gonglun Chen，Daniel Tao. An experimental study of stability of oil–water emulsion[J]. Fuel Processing Technology，2005，86（5）:499-508

[11] T Kawamura. Developments in the emulsion technique[J]. Nuclear Physics B（Proc.Suppl），2000，85:105-110

[12] 孫建林，張軍，蔡文通，等. 冷軋乳化油對帶鋼表面清潔度的影響[J]. 石油煉制與化工，2008，39（11）:45-48

[13] 秦鶴年，羅宇. 冷軋鋼板軋制乳化液的研制[J]. 潤滑與密封，2009，34（8）:79-83

Abstract Factors affecting the stability of emulsions， such as HLB （hydrophile lipophile balance）value of emulsions， the types of emulsifiers and their combinations， the amount of emulsifiers and the structure sim ilarity between emulsifier and base oil， are investigated. The results show that good stability of an emulsion could be obtained when the HLB value of an emulsion is equal to that of the oil being emulsified， the total amount of emulsifiers is in the range of 12%—15%， the HLB value of selected emulsifier is close to that of the emulsion， and the chem ical structures of the emulsifiers are quite sim ilar to those of the base oil. The homogeneous emulsions usually have good stability， yet in a certain extent， the emulsions having good stability exhibit bad lubricity.

Key Words：cold-rolling emulsion; stability; hydrophile lipophile balance; emulsion stability index; lubrication

福建煉油乙烯一體化合資項目正式投產

2009年11月11日，福建煉油乙烯一體化合資項目在福建泉州市泉港區正式投產，標志著這一世界級、一體化的煉油化工項目全面建成投產，同時中國首套高度集成的汽電聯產大型環保節能項目——IGCC也宣告建成。據稱該一體化項目是我國首個中外合資的煉油化工一體化石化項目，其總投資384億元人民幣，由中國石化股份公司、福建省、ExxonMobil 和Saudi Aramco公司各持股25%，聯合項目包括煉油能力從4 M t/a擴大至12 M t/a，主要加工沙特原油。同時包括新建一套800 kt/a乙烯裂解裝置、一套800 kt/a聚乙烯裝置、一套400 k/a聚丙烯裝置和一套700 kt/a芳烴聯合裝置。此外，還建設了配套的公用工程和30萬噸級原油碼頭。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]

Shell公司首套采用“Omega”技術的單乙二醇生產裝置成功投運

Shell公司位于新加坡裕廊島的東方石化聯合項目（SEPC）中的一套750 kt/a單乙二醇（MEG）生產裝置已成功投運。

這套MEG裝置的投產對于完成2010年初東方石化聯合項目具有重要意義，該新裝置中的絕大多數產品將被運往中國。該裝置是全球產能最大的裝置之一，也是Shell公司采用高收率“Omega”工藝技術的首套生產裝置。這項新技術以乙烯為原料，MEG收率高。

SEPC項目還包括在布孔島新建一套800 kt/a乙烯裝置、一套155 kt/a丁二烯裝置以及對當地的煉油廠進行改造，這些項目都預定于2010年初投產。該聯合項目也包括一套450 kt/a丙烯生產裝置和一套230 kt/a苯生產裝置。當SEPC項目全部投運后，它將成為Shell公司最大的、全方位的煉化一體化中心。

Shell公司估計，目前亞洲對MEG的需求占全球總量的約70%。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]

AN INVESTIGATION OF THE STABILITY AND LUBRICITY OF EMULSIONS FOR STRIP COLD ROLLING

Wang Shiting，Sun Jianlin，Zhao Yongtao，Wang Yizhu
（School of Materials and Engineering， Beijing University of Science and Technology， Beijing 100083）

2009-09-14；修改稿收到日期：2009-12-16。

王士庭，男，在讀碩士研究生，主要從事板帶鋼軋制工藝潤滑技術及乳化液的研究工作。