一步合成金屬加工的活性硫添加劑機理研究

所超，周洋，趙磊

一步合成金屬加工的活性硫添加劑機理研究

所超，周洋，趙磊

（沈陽廣達化工有限公司， 遼寧 沈陽 110141）

金屬加工的活性硫添加劑合成研究主要目的為了驗證小試合成工藝的可能性，確定前期工藝參數及后期處理方法，為中試乃至大生產提供必要的依據。通過小試對金屬切削油含硫添加劑的一系列實驗，其性能指標完全匹配國外德國萊茵公司所生產的RC250的相應產品，同時實驗室通過對工藝優化改進、調整反應溫度及原材料配比，同時將過程產生的低組分返回高壓反應體系進行分子再重排，反應得到產品的性能無差異。不但促使了廢物再利用，從當今的環保理念對該產品的產業化奠定了結實的基礎。

高壓釜；添加劑；小試；金屬切削油

金屬加工的活性硫添加劑在金屬加工油中不可缺少的一項添加劑，但目前國內無該添加劑的生產企業，全部依托于國外進口（目前以德國萊茵公司生產的金屬加工的活性硫添加劑RC2540為主），隨著國內的需求量大大提高，此項添加劑的國內生產的趨勢越來越強烈，所以公司現階段正積極通過小試試驗機理的研究，匹配德國萊茵公司RC2540的各項指標，最終能夠達到批量生產為目的。

金屬切削油添加劑目前是能夠取代元素硫對基礎油硫化得到非常好的硫化劑,另外,同時該產品的活性硫含量高, 隨溫度上升而穩步增加,因此,只要是緩慢的升溫, (大約升溫在55～60 ℃左右), 就有顯著的極壓性能, 而且, 極壓性能將會進一步提高.該項目的金屬切削油添加劑可與其他的含硫添加劑有非常有效的復合效應, 增加極壓活性, 而且該產品與二硫代磷酸鋅鹽, 磷酸單酯, 或無灰的硫磷添加劑復合使用, 可進一步改善抗磨性能。該產品在金屬切削油中的應用, 其活性硫是能夠迅速和鐵金屬表面反應形成具有非常穩定性的硫化金屬膜。也正是因為該硫化膜的形成可以使能防止兩種介質直接相互接觸，行程咬合后的硫化膜的強度取決于所用產品中的活性硫的含量。

該產品是非常適合用潤滑油的高效切削能力的最重要因素——在金屬加工過程。在伴隨著溫度的增加，該產品的活性硫含量穩定增加，在金屬加工過程伴隨著溫度的增加其活性硫也同比提高，進而生成的硫化膜的效果同比提高。

通過德國萊茵公司RC2540技術數據指標分析：

表1 德國萊茵公司RC2540技術數據指標

1 小試試驗部分

1.1 原材料準備及設備的選型

小試試驗原材料的選擇有：硫磺、烯烴、硫化氫。

主要設備選型及流程如下：

1）高壓反應釜：實驗室選用了新元化工機械廠專為試驗加工訂做的CJ-3型高壓反應釜。設計壓力10 MPa，設計溫度220 ℃。

2）高壓計量泵：選用了航天科技集團北京衛星制造廠生產的專門應用于高科技領域的精密高壓平流泵，產品型號2PB1040，最大流量30 mL·min-1，最高壓力40 MPa。

3）烯烴計量罐：烯烴的計量使用（材質：白鋼，設計壓力1.0 MPa）。

4）四口燒瓶、玻璃冷凝器、加熱套、干式真空泵、抽濾瓶等。

5）分析儀器

測硫儀、黏度檢測儀、閉口閃點檢測儀、銅片腐蝕檢測儀

1.2 工藝的簡易流程概述

打開小高壓釜釜蓋，將稱重好的催化劑及硫磺加入反應釜內，垂直放好密封釜蓋檢查咬合是否規整，然后封閉反應釜同時氮氣置換3次（每次充氮氣壓力至0.3～0.4 MPa），一次性加入適量的硫化氫，然后啟動高壓釜電加熱系統進行加熱，檢查反應釜冷卻水量及流量是否正常，補充足量的烯烴入計量罐內，控制好入罐流速，流速過快會使異丁烯汽化過快，因此要緩慢補充烯烴。烴烯計量罐補滿后，將反應釜烯烴進料管線補充滿（影響計量），待反應釜溫度達到設定溫度，調節烯烴進料泵的進料速率緩慢開始通入烯烴，使其壓力控制在一定的范圍內，通料結束保溫2～5 h，降溫冷卻至室溫，打開尾氣吸收系統，將未反應完全的殘留尾氣有組織的排入尾氣吸收內，然后打開反應釜釜蓋倒出溶液，前期高壓反應結束。

高壓反應得出的粗品油然后通過堿洗、水洗、精制過濾得到最終產品。

2 小試試驗結果概述

2.1 小試試驗的影響條件

1）反應壓力對產品的影響

通過調整烯烴的進料泵來控制烯烴進料速度，可以較好地控制反應釜內的壓力高低。壓力控制在3.0～5.0 MPa，并針對壓力控制做過幾次破壞性試驗，試驗壓力控制在6、6.5、7 MPa，最后檢測對產率及產品其他指標沒有顯著變化。

2）反應時間對產品的影響

經一系列的小試試驗驗證，通料及保溫時間對產品的收率及各項指標有很大程度的變化，針對工藝的時間處理上得出表2數據。

表2 小試試驗反應時間與產能對比

此表得出結論在反應時間上，2、3 h未能達到理想的產能，而大于4 h是試驗產能幾乎相同的，因此反應時間的掌握是非常關鍵性的。

3）反應溫度

整個體系反應溫度的高低，對產品的收率顏色有明顯變化，在（150±2）℃比較適宜，低于或高于（150±2）℃收率、顏色、壓力有明顯不同（詳見表3）。

表3 反應溫度與產率、顏色的統計表

4）堿洗的硫化鈉加入量對產品的影響

實驗室配置不同濃度的硫化鈉溶液對產品粗油進行堿洗操作，使其過量的活性硫堿洗掉，不擇影響其產品額穩定性。具體數據如表4。

表4 硫化鈉加入量對產品質量影響

數據分析得出結論：在實驗室中，堿洗配置的硫化鈉濃度很大程度上的制約了產品的各項指標，尤其對硫、活性硫及銅片腐蝕影響尤為突出，實驗室中理想的堿洗配比的確定——硫化鈉的加入量在8g，并配置成質量分數為10%～15%的溶液，即可達到理想指標，同時原材料用量小，油水分離效果佳，很大程度上會滿足今后中式乃至工業化生產條件。

5）堿洗過程溫度對產品質量的影響

實驗室在同一原材料及配置濃度統一的前提下，不同溫度下的堿洗操作對后續的產品指標的影響。詳情見表5。

表5 不同堿洗溫度對產品指標對照表

數據分析得出結論：在實驗室里，相同的堿洗配比在不同溫度下的堿洗操作，產品的硫及活性硫指標均會隨溫度的升高而降低，銅片腐蝕會隨溫度的升高而效果更好，理想堿洗反應溫度的確定——在實驗過程中，堿洗溫度控制在50 ℃左右，得出的金屬切削活性硫添加劑產品的各項指標即可達到理想值。

2.2 小試試驗指標分析

小試試驗指標分析見表6。

表6 產品分析指標

備注：活性硫分析：取20 g油，30 g石蠟稀釋2.5倍活性硫為28.7% 取5 g油，45 g石蠟稀釋10倍活性硫為38%，該產品分析最好有標準樣品來確定分析方法。

通過上述表中可見公司金屬加工的活性硫小試工作已完成預期目標，產品的各項指標均可達到或高于德國萊茵公司所生產的RC2540各項指標。小試試驗的成功對今后中試生產及大生產提供了充足的實驗依據及工藝條件。

2.3 前輕組分的再利用

高壓反應結束后，首先將使反應釜冷卻至室溫，打開釜蓋將粗產品取出進行堿洗+水洗處理，堿洗后的產品再通過蒸餾精制——即進行負壓精餾處理，精餾過程中產出少部分的前輕組分（低沸點硫醚），將這部分前輕組分按照比例返回至高壓反應體系內進行分子重排再合成工藝，最終生產理想產品。具體試驗結果如表7。

表7 使用輕組分參與反應的數據對照表

3 物料平衡

一步法合成金屬加工油的活性硫添加劑，其反應前后物料平衡如表8。

表8 物料平衡表

4 結論

1）公司金屬切屑活性硫添加劑小試試驗產品可以完全匹配德國萊茵公司所生產的RC2540的各項指標參數。

2）實驗過程中生成的前輕組分回用結果非常理想，完全匹配正常試驗出來的產品各項指標。

3）該小試試驗的成功為中式乃至大生產奠定基礎。

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Study on the Mechanism of One-step Synthesis of Active Sulfur Additives for Metal Processing

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(Shenyang Guangda Chemical Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110141, China)

The main purpose of active sulfur additive synthesis research is to verify the possibility of small trial synthesis process, to determine the preliminary process parameters and post-processing methods, and to provide the necessary basis for pilot test and even mass production.

Autoclaves; Additives; Small test; Metal cutting oil

TQ113.26+6.1

A

1004-0935（2022）02-0186-04

2021-06-15

所超（1987-），男，錫伯族，遼寧省沈陽市人，中級工程師，2009年畢業于沈陽化工學院化學工程與工藝專業，研究方向：潤滑油添加劑。