鋼冷軋乳化液離水展著性試驗裝置建立與測試

火鵬飛，杜恭，陳志忠，郎需進

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心,甘肅 蘭州 730060 ；2.中國石油蘭州潤滑油廠，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一步軋制成目標厚度鋼板的一種加工方式，冷軋工藝在我國迅速發(fā)展，冷軋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向著高強鋼和板型控制更好的高品質(zhì)鋼種方向進一步調(diào)整?？蛻魧滠埞に嚨目傮w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，同時對冷軋乳化液也提出更高的要求：穩(wěn)定的潤滑性、更好的退火清凈性、使用環(huán)保性、低氣味的多功能添加劑，其中潤滑性、退火清凈性均和冷軋乳化液的離水展著性有關系[1]。

乳化液潤滑劑的離水展著(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 (對離子型活性劑)、化學吸附力、氫鍵等因素的影響，并與固體表面油對水的置換能力直接相關[2]。乳化液潤滑劑在金屬表面離水展著是其發(fā)揮潤滑作用的前提，離水展著性對潤滑性能有重要影響，尤其是在進行鋼冷軋乳化液產(chǎn)品替換的過程中，為保證不會出現(xiàn)大的問題，替換品與原樣品需要在各個性能方面保持一致，離水展著性能作為軋制液的核心指標更是如此，因此需要建立合適的離水展著性評價方法。

1 試驗

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；

目標替換產(chǎn)品G；

電子天平(0.1 mg)，梅特勒-托利多公司；

測試板，10.16 cm×15.24 cm，型號為Q-panel公司R46鋼片測試板；

控溫烘箱，可控(90±5) ℃；

干燥器，秒表；

去離子水，符合GB/T 6682中三級水的規(guī)格；

變色硅膠干燥劑；

壓縮空氣，0.3～0.4 MPa；

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

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

1.2 離水展著性試驗設備(見圖1)

圖1 離水展著性試驗裝置原理

1.3 試驗過程

(1)配置6 kg待測軋制油乳化液于乳化液箱中(濃度可依需檢測條件自定)；

(2)使用攪拌器將乳化液攪拌均勻；

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

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

(5)取出測試板，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，取出測試板，馬上放置于干燥器中冷卻至室溫；

(7)稱量冷卻后測試板重量，記為W1；

(8)計算殘油量 W=W1-W0，同一待測軋制油乳化液需平行測試5塊測試板，報告5次檢測結(jié)果W及平均結(jié)果，精確至0.1 mg。

(9)報告:根據(jù)所用測試板面積，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 主要分析評定方法

2 試驗條件與討論

鋼冷軋乳化液離水展著性評價裝置試驗條件原則上應該與鋼冷軋乳化液的實際應用條件相一致，也就是實際生產(chǎn)過程中的各種條件。不同的條件也對試驗結(jié)果有很大影響，使用自制樣品F，對各條件進行區(qū)別討論。

2.1 反應溫度影響

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)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間為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，但通過查閱文獻[3]，溫度對由不同類型乳化劑配制的乳化液影響程度不同。一方面當溫度升高時，乳化液膠團熱運動加強，彼此碰撞機會增多, 從而促使膠團發(fā)生聚集、長大；大的膠團易發(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動加劇，水分子與聚氧乙烯中氧結(jié)合的氫鍵易斷裂，膠團逃離水的趨勢增強；在溫度上升到濁點附近時，非離子表面活性劑分子聚集數(shù)將達到很大數(shù)目，易被金屬表面捕捉。對于陰離子型乳化劑，溫度升高時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)從水介質(zhì)中逃離而吸附于固體上的趨勢減小。

對于配方中同時存在非離子和陰離子表面活性劑的情況，則需要針對具體數(shù)據(jù)進行比較，實際上目前軋制液多用高聚物型表面活性劑來控制乳化液顆粒度穩(wěn)定，同時復配能快速擴散到體系中的非離子型表面活性劑。試驗條件選擇40 ℃是因為這是最貼近鋼廠實際生產(chǎn)工況的溫度(實際會高一些)。

2.2 乳化液濃度影響

試驗考察了乳化液濃度對離水展著性的影響。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)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間為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，離水展著性也增強乳化液的離水展著性可以認為是油相組分在金屬表面的吸附過程，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是有差異性的，表3的趨勢代表非離子表面活性劑復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配有關，對不同乳化體系的產(chǎn)品不具有通用性，評價試驗選擇3%濃度是因為鋼冷軋乳化液在現(xiàn)場使用的濃度一般為3%。

2.3 循環(huán)泵噴射時間影響

試驗考察了循環(huán)泵噴射時間對離水展著性數(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)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間范圍為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)泵噴射時間考察

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

2.4 壓縮空氣吹掃次數(shù)影響

試驗考察了壓縮空氣吹掃次數(shù)對離水展著性測定結(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)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間為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)對反應結(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3次后基本沒有變化，因此作為對比數(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

試驗考察了壓縮空氣吹掃角度對離水展著性測定結(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)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間為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)，空氣吹掃角度對反應結(jié)果有一定影響，但并不顯著，這說明不同的吹掃角度會引起不同的測試板表面的乳化液殘留，作為對比數(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試這個自建試驗中，還有很多試驗因素都會對試驗結(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試板時候的噴口形狀，有霧狀、扇形、圓形、一字型、蓬頭形等不同形狀，都會對產(chǎn)品結(jié)果產(chǎn)生影響，因此試驗建議統(tǒng)一噴口規(guī)格、型號進行測試。

(2)乳化液循環(huán)時間為3 h，原液榨汁機20000 r/min攪拌10 min，這個試驗條件是根根據(jù)乳化液現(xiàn)場使用情況及剪切強度來確定的，符合乳化液現(xiàn)場使用條件。

2.6 自制樣品和目標替代品的離水展著性數(shù)據(jù)比較

乳化液的作用是通過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。從冷卻角度來講，這樣會降低熱傳導系數(shù)起到絕熱作用，對冷卻是不利的；但是從潤滑角度來說，油膜越多越厚，才能滿足潤滑性能的要求，如果油滴分布太少，油膜過薄或者出現(xiàn)破裂，則會使冷軋鋼板上出現(xiàn)劃痕或者泡狀缺陷。離水展著性試驗的數(shù)據(jù)意義在于可以指導軋制液配方開發(fā)過程中兼顧冷卻性和潤滑性的要求，滿足特定工況條件下的性能要求。

通過實驗室建立的離水展著性方法，對目標替換軋制液產(chǎn)品和實驗室自制樣品進行性能對比。其中乳化液配置濃度為3%，乳化液循環(huán)溫度為40 ℃，循環(huán)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，重復6次，見表7和表8。

表7 目標替換產(chǎn)品離水展著性

表8 自制樣品離水展著性

本試驗方法的精密度要求為重復性不低于90%，單次測量誤差小于15%。從表7、表8可以看出目標產(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，在進行替換工作時，需要使自制樣品在潤滑和極壓性能方面適當增強一些。

有一個因素分別會用兩個不同的形式來表征，也可以影響到鋼冷軋乳化液的潤滑性能，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)來表征，通?？梢哉f 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)于潤滑性能[4]。

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

對目前國內(nèi)幾個典型冷軋鋼廠在用產(chǎn)品的理化性能進行對比，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)時間為3 h，原液榨汁機以20000 r/min攪拌10 min，循環(huán)泵噴射時間為30 s，壓縮空氣吹掃次數(shù)為3次，角度為45°，見表9。

表9 競品數(shù)據(jù)與性能對比

表9為產(chǎn)品的部分理化數(shù)據(jù)，冷軋乳化液的性能評價數(shù)據(jù)大部分是由各公司制定的非標準方法進行的，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)品其相應的使用濃度應該略高，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)也可以用來比較軋制液的噸鋼消耗量，這是很重要的經(jīng)濟型數(shù)據(jù)，同時通過PDSC和TGA來模擬鋼冷軋退火過程可以得到更有意義的數(shù)據(jù)：(1)通過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程中的放熱量。通過以上兩種模擬方法，并結(jié)合乳化液的離水展著性試驗數(shù)據(jù)，可以在滿足產(chǎn)品潤滑性能、冷卻性能和退火清凈性的同時，全面地區(qū)分出針對不同軋機、不同環(huán)境和不同材質(zhì)鋼板時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)場使用效果關聯(lián)。

(2)實驗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結(jié)果受多種因素影響，因此如果要獲得準確的試驗數(shù)據(jù)，需要固定試驗條件和裝置，并且盡量由同一個人進行操作，空氣吹掃手法等不宜考察的因素對結(jié)果也有較大影響。

(4)盡量采用平行試驗比較不同產(chǎn)品的離水展著性，對于試驗結(jié)果變動比較大的情況，應該提前確定一個標準樣品，并且在每次測試時平行進行一次標準樣的測試。

(5)離水展著性試驗和通過TGA、PDSC模擬的退火試驗，可以用來評價鋼冷軋過程中的板面清凈性和退火清凈性，對鋼冷軋乳化液的配方開發(fā)起到指導意義。