高性能不銹鋼冷軋軋制油的研制：Ⅰ基礎(chǔ)油和助劑的篩選*

(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，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。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

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)。

1.2 性能測試

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)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

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、高燃點和高黏度指數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性和氧化安定性等優(yōu)點，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。可見，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與中海基礎(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

2.2 助劑的選擇2.2.1 抗氧劑的選擇

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。基于抗老化性和黏度2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。總之，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

3.2.2 油性劑的選擇

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

3.2.3 抗磨劑選擇

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。抗磨劑多為含硫、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。

3.2.4 冷軋油配方篩選

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

3 結(jié)論

(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。