金屬軋制油所需基礎(chǔ)油的來源與生產(chǎn)

秦鶴年，葛慶文

(1.中國石油華北潤滑油銷售分公司，北京 100101；2.中國石油潤滑油公司，北京 100028)

0 引言

金屬軋制油屬于油基型產(chǎn)品，與水基型軋制液相比具有潤滑效果好、軋件表面質(zhì)量好等特點，廣泛用于鋁材、銅材和不銹鋼等對表面質(zhì)量要求較高的有色金屬及合金鋼的冷軋。與常規(guī)潤滑油產(chǎn)品相比，金屬軋制油黏度較低，所需基礎(chǔ)油對餾程范圍要求很窄，雖然石油的常壓餾分和部分減壓餾分，還有加氫油與合成油中的輕組分，都可以用來提取金屬軋制油所需的基礎(chǔ)油，但需要經(jīng)過進一步的精密分餾才能得到。因缺乏相關(guān)的精餾設(shè)備，石油煉制行業(yè)通常將石油的常壓餾分段即輕油組分用來制備汽油、溶劑油、煤油和柴油等，很難用來批量生產(chǎn)金屬軋制油所需的基礎(chǔ)油，不僅造成了金屬軋制油的基礎(chǔ)油來源困難，也使得石油輕質(zhì)餾分未得到充分利用。如何充分利用石油的常壓餾分以及加氫油與合成油的輕組分制備金屬軋制油所需的輕質(zhì)基礎(chǔ)油，使其基礎(chǔ)油來源容易，同時也提高石油產(chǎn)品的附加值，就此展開討論。

1 當前金屬軋制油的發(fā)展狀況以及基礎(chǔ)油原料的來源

金屬軋制油主要有鋁材軋制油、銅材軋制油和不銹鋼軋制油等，用于板材和帶材軋制生產(chǎn)過程中的冷卻與潤滑。軋制生產(chǎn)線一般采用軋制油噴淋法潤滑軋輥和軋板，要求軋制油不僅具有良好的潤滑效果，還要具有很好的流動性和冷卻效果，尤其是軋件經(jīng)軋制后還需經(jīng)退火處理，要求表面殘留軋制油容易燃燒完全，不在軋件表面形成油斑而影響表面質(zhì)量。為滿足這些性能的要求，軋制油的黏度不宜過高，其40 ℃運動黏度一般不大于10 mm2/s，其基礎(chǔ)油主要來源于石油的輕質(zhì)餾分，此外還有加氫異構(gòu)化油的與聚α-烯烴(PAO)合成油的輕組分等，要求基礎(chǔ)油具有高閃點、窄餾程、低硫、低芳烴等特點。

對于不同的軋制材質(zhì)，所需軋制油的黏度與其硬度和熔點有關(guān)。鋁材的硬度較小，熔點較低，所需軋制力較小，要求軋制后退火溫度不宜過高，時間不宜過長，軋件表面殘留軋制油易燃燒完全，因此鋁材軋制油的黏度較低，其40 ℃運動黏度通常小于3 mm2/s。不銹鋼硬度較大，熔點較高，所需軋制力較大，軋制后退火溫度也較高，適當提高軋制油的黏度對軋制有較好的潤滑作用，因此不銹鋼軋制油的40 ℃運動黏度通常在7～10 mm2/s。銅材的硬度和熔點居于鋁材和不銹鋼之間，所需軋制油的黏度高于鋁材軋制油而低于不銹鋼軋制油，其40 ℃運動黏度通常在5～8 mm2/s。

鋁材軋制油又分為箔材軋制油和板材軋制油。目前國內(nèi)鋁材軋制油多由民營潤滑油企業(yè)生產(chǎn)，或者是鋁加工企業(yè)自行配制，通常采用航空煤油為基礎(chǔ)油原料，經(jīng)過精密分餾截取合適的餾分，然后加入功能添加劑調(diào)制而成。由于箔材厚度極小，所用軋制油要求黏度更低，而且鋁箔通常用于食品、藥品和香煙的包裝材料，因此對于軋制油的硫和芳烴等有害物質(zhì)含量控制十分嚴格。中國石油蘭州潤滑油研發(fā)中心采用聚α-烯烴(PAO)合成油的輕組分為基礎(chǔ)油，研發(fā)出了高級鋁材軋制油，分為箔材軋制油和板材軋制油[1]，產(chǎn)品具有較低的硫含量和芳烴含量，滿足食品包裝的要求，技術(shù)指標如表1所示。

表1 高級鋁材軋制油技術(shù)指標

銅材軋制油所用基礎(chǔ)油通常采用石油中的常壓重餾分或減壓輕餾分為基礎(chǔ)油，同樣經(jīng)過精密分餾對組分進行分割，再通過進一步的脫硫、脫芳烴制取[2]。目前國內(nèi)銅材軋制油以國外公司產(chǎn)品為主，具有代表性的產(chǎn)品為美孚真力士產(chǎn)品系列，同時也有部分民營潤滑油企業(yè)產(chǎn)品。中國石油蘭州潤滑油研發(fā)中心選用加氫異構(gòu)化油的輕組分作為基礎(chǔ)油原料，研發(fā)出了銅及銅合金軋制油產(chǎn)品，并在西北銅加工廠進行了使用試驗，使用效果良好，而且退火清凈性比原用油有所改善[3]，產(chǎn)品技術(shù)指標如表2所示。

表2 銅及銅合金軋制油研制指標及油品分析數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

不銹鋼軋制油采用石油輕質(zhì)減壓餾分、輕質(zhì)加氫異構(gòu)化油或合成油輕組分為原料制備基礎(chǔ)油，添加相應(yīng)的添加劑調(diào)制而成。國內(nèi)冷軋不銹鋼薄板生產(chǎn)企業(yè)早先以進口油為主，如美孚真力士產(chǎn)品系列。中國石油蘭州潤滑油研發(fā)中心采用聚α-烯烴(PAO)合成油與加氫異構(gòu)化油的輕組分油、還有石油輕質(zhì)減壓餾分油為基礎(chǔ)油，研發(fā)出了冷軋不銹鋼薄板軋制用油，產(chǎn)品在太鋼不銹剛冷軋板生產(chǎn)線上進行了使用，替代了原用的同類產(chǎn)品Mobil Genrex 26，效果很好[4]，產(chǎn)品目前繼續(xù)供應(yīng)太鋼正常使用。后經(jīng)不斷修訂完善，形成了產(chǎn)品質(zhì)量標準Q/SY RH2145-2008(2009)，如表3所示。

表3 不銹鋼冷軋油產(chǎn)品質(zhì)量標準

表3(續(xù))

2 石油餾分的利用現(xiàn)狀

石油的主要組成部分為烴類，即碳氫化合物，占原油總量的95%～99%。石油的初步加工為加熱分餾，也稱為原油的一次加工。分餾又分為常壓分餾和減壓分餾。在常壓條件下能夠蒸餾出來的餾分稱為輕質(zhì)油餾分，用于制備燃料油和溶劑油；由于烴類化合物在高溫條件下容易受熱分解，因此當在常壓條件下350 ℃時不能蒸餾出的部分，如需繼續(xù)分割組分需要在減壓條件下繼續(xù)蒸餾，這部分稱為重油，用來制備潤滑油基礎(chǔ)油和重質(zhì)燃料油，重油組分中又可分為減壓條件下能夠蒸餾出的重油餾分和不能蒸餾出的殘渣油組分，表4為石油一次加工分餾的各餾分段的沸程、碳數(shù)分布及用途[5]。

表4 原油一次加工各餾分段的沸程、碳數(shù)分布及用途

由表4可見，各餾分段并沒有嚴格的分界線，沸程和碳數(shù)分布都有重疊部分，特別是煤油餾分和柴油餾分有很大的重疊部分，因此很多煉油企業(yè)將沸程為180～350 ℃的部分統(tǒng)稱為煤油餾分或柴油餾分，用于制備溶劑油、煤油和柴油。

然而，由減壓組分(即重油組分)制備的潤滑油基礎(chǔ)油原料，40 ℃運動黏度通常大于10 mm2/s，而40 ℃運動黏度小于10 mm2/s的低黏度潤滑油基礎(chǔ)油(輕質(zhì)基礎(chǔ)油)則大部分來自常壓組分的煤油或柴油餾分。表5給出了不同黏度等級(GB/T 3141分類，即40 ℃運動黏度中心值，單位mm2/s)的潤滑油種類及基礎(chǔ)油所需的石油組分，由表5可見，石油的常壓組分黏度雖小，但同樣可以作為潤滑油使用，不僅是金屬冷軋油的主要原料，也可作為主軸油和白油等低黏度潤滑油品輕質(zhì)基礎(chǔ)油的主要來源。而石油的減壓組分及減壓殘渣油則是液壓油、汽輪機油和工業(yè)齒輪油等中等黏度和高黏度油品基礎(chǔ)油的來源。

表5 不同黏度等級潤滑油品及基礎(chǔ)油所需的石油組分

注：不同原油的餾分段其黏度是有差異的，此表僅供參考。

3 輕質(zhì)基礎(chǔ)油的制備與石油常壓餾分的綜合利用

鋁材、銅材及不銹鋼等金屬冷軋油目前面臨的主要難題就是基礎(chǔ)油制備困難，同樣基礎(chǔ)油的品質(zhì)也決定了金屬軋制油的性能。軋制基礎(chǔ)油雖然可以從石油餾分提取，但金屬冷軋油所需基礎(chǔ)油的餾程范圍較窄，需要對石油的常壓餾分和輕質(zhì)減壓餾分做進一步分餾，即精密蒸餾。目前國內(nèi)各大煉油企業(yè)缺少精密分餾裝置，無法直接提供金屬冷軋油所需的輕質(zhì)基礎(chǔ)油。我國原油輕組分偏少，而且常壓餾分中的煤油組分或柴油組分大部分又被用于生產(chǎn)航空煤油和車用柴油，進一步造成了輕質(zhì)基礎(chǔ)油的來源緊張。如何制備金屬冷軋油所需的輕質(zhì)基礎(chǔ)油，并提高石油煉制產(chǎn)品的附加值，可從以下幾方面進行研究與討論。

3.1 從石油常壓蒸餾組分中提取的方法

我國原油屬于重質(zhì)原油，常壓蒸餾組分比例較低，僅占30%～40%，而其中的煤油餾分或柴油餾分，包括部分減壓餾分還需要經(jīng)過進一步的精密分餾才能得到金屬軋制油所需的輕質(zhì)基礎(chǔ)油。由此可見，適用于制備金屬軋制油所需輕質(zhì)基礎(chǔ)油的餾分在石油中所占比例很小，而且目前金屬軋制油不同于常規(guī)潤滑油那樣形成批量生產(chǎn)與銷售，因此其開發(fā)與生產(chǎn)通常不被煉油企業(yè)所重視，多依賴于國外公司和部分民營企業(yè)。

我國的原油硫含量和金屬含量較低，用來制備金屬軋制油對環(huán)保和金屬表面質(zhì)量是非常有利的。根據(jù)碳氫組分分子結(jié)構(gòu)原油可大體分為石蠟基、中間基和環(huán)烷基三大類，其特性對比如表6所示。

表6 不同原油種類及特性對比

石蠟基原油的特性因數(shù)大于12.1，黏度指數(shù)較高，但含蠟量和凝點較高[6]，如經(jīng)適度地精制和脫蠟將得到最適用于制備金屬軋制油所需的輕質(zhì)基礎(chǔ)油。我國大多數(shù)油田所產(chǎn)原油屬于石蠟基原油，原料來源較為豐富，尤其是大慶油田所產(chǎn)的石蠟基原油，是全球公認的制備潤滑油基礎(chǔ)油的最佳原料之一。隨著石油資源的日益減少，石蠟基原油更顯珍貴，生產(chǎn)潤滑油應(yīng)成為其主要用途。

制備金屬冷軋油所需的輕質(zhì)基礎(chǔ)油，首先應(yīng)該在石油加工企業(yè)增加精密分餾裝置，以石蠟基原油常壓餾分中的煤油組分或柴油組分，即180～350 ℃的餾程部分為主要原料，還有輕質(zhì)減壓餾分，經(jīng)過脫硫、脫芳烴、脫蠟和精制，然后再進行精密分餾，獲取不同餾分段，同時考察每段餾分的40 ℃運動黏度、黏度指數(shù)、閃點、傾點、酸值、銅片腐蝕等項目，根據(jù)軋制油的要求制定相應(yīng)的技術(shù)指標。

3.2 重油組分加氫異構(gòu)化制取

重油組分通過加氫異構(gòu)化反應(yīng)，可以獲得優(yōu)質(zhì)的潤滑油基礎(chǔ)油料，已成為提高礦物型基礎(chǔ)油性能的有效手段。中國石油目前已有三套加氫異構(gòu)化裝置，可分別對石蠟基油、中間基油和環(huán)烷基油進行加氫異構(gòu)化反應(yīng)。加氫異構(gòu)化的同時也伴隨裂解反應(yīng)而產(chǎn)生輕質(zhì)油，同樣可通過分餾制取優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)基礎(chǔ)油，已用于銅材軋制油和不銹鋼軋制油的制備[7]。

3.3 合成油輕質(zhì)餾分的提取

合成油通常是聚α-烯烴類或聚酯類產(chǎn)物，其黏度與聚合物分子量有關(guān)，而分子量取決于聚合度，輕質(zhì)油聚合度較低，一般為合成油的初餾產(chǎn)物，如聚α-烯烴的拔頭油。而合成油通常選取聚合度較高、分子量較大的組分，輕質(zhì)油往往得不到有效利用。作為金屬冷軋油，輕質(zhì)合成油組分經(jīng)分餾后也同樣是理想的基礎(chǔ)油原料，尤其是聚酯類合成油還具有較好的潤滑性能，作為金屬冷軋油的基礎(chǔ)油使用可改進油品的抗磨性能。

總之，輕質(zhì)基礎(chǔ)油也分為礦物油型、加氫異構(gòu)化型與合成型產(chǎn)品，均可用于金屬冷軋油的制備，形成礦物油型產(chǎn)品與半合成型產(chǎn)品。

4 展望與建議

作為冶金行業(yè)，產(chǎn)品深加工是一大發(fā)展方向，也是提高產(chǎn)品附加值的有效手段。尤其是在當前產(chǎn)能過剩、市場競爭異常激烈的情況下，提高產(chǎn)品的加工深度是競爭取勝的有力法寶。以太鋼為例，不銹鋼冷軋薄板已成為拳頭產(chǎn)品，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大效益，在目前鋼鐵行業(yè)普遍不景氣的環(huán)境下太鋼依然能靠不銹鋼冷軋薄板保持盈利。

目前在國內(nèi)進口金屬軋制油仍占據(jù)著很大的比例，還有很多產(chǎn)品為民營企業(yè)生產(chǎn)，大型國營石油企業(yè)仍把重點放在常規(guī)潤滑油產(chǎn)品的生產(chǎn)上，對金屬加工用油的開發(fā)生產(chǎn)重視程度還不夠，因此作為石油企業(yè)，應(yīng)該充分重視金屬加工用油的研發(fā)與生產(chǎn)，滿足金屬深加工的需求，積極引進精密分餾裝置，充分利用石油常壓餾分與輕質(zhì)減壓餾分、加氫異構(gòu)化油輕組分及合成油輕組分開發(fā)生產(chǎn)輕質(zhì)潤滑油基礎(chǔ)油，為金屬軋制油的生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)基礎(chǔ)油原料，由此提高石油各組分的利用率以及產(chǎn)品的附加值，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益。