不銹鋼冷軋潤滑油的研制與應(yīng)用

馬永宏 鄭延波 曹 進(jìn) 郭 槐 王 超

摘要:介紹了不銹鋼冷軋工藝的特點(diǎn),同時對該過程使用的冷軋油性能進(jìn)行了要求;剖析了廣泛使用的不銹鋼冷軋油S-60,暫定了研制質(zhì)量指標(biāo)。通過對基礎(chǔ)油及添加劑的篩選,確定了適合制備冷軋油使用的基礎(chǔ)油及添加劑。最后通過退火清凈性、潤濕性能、儲存穩(wěn)定性及軋機(jī)實(shí)驗(yàn),對產(chǎn)品綜合性能進(jìn)行了考察與評價。結(jié)果表明:研制的昆侖不銹鋼冷軋潤滑油與S-60的理化及使用性能相當(dāng)。

關(guān)鍵詞:不銹鋼;冷軋;潤滑油

中圖分類號:TE626.39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

The Development and Application of Cold-Rolling Oil for Stainless Steel

MA Yong-hong1, ZHENG Yan-bo1, CAO Jin2, GUO Huai3, WANG Chao3

(1.PetroChina DaLian Lubricating Oil R&D Institute,Dalian 116032,China;2. PetroChina East China Lubricant Marketing Company,Shanghai 200122,China;3. PetroChina Centre-South China Lubricant Marketing Company,Guangzhou 510⁶20,China)

Abstract:The characteristic of cold-rolling process for stainless steel is described, and the properties demand of the oil used in the cold-rolling process are put forward. The cold-rolling oil (S-60) widely used for stainless steel is analyzed, the quality index is temporarily made. At the same time, the appropriate base oil and additive were selected to prepare the cold-rolling oil. Finally, the comprehensive properties of the product were investigated, such as annealing detergence, wettability, stability and lubricating property for rolling experiment. The result showed that Kunlun cold-rolling lubricating oil for stainless steel is a match for S-60 in the physical property, chemical property and serviceability.

Key words:stainless steel; cold-rolling; lubricating oil

0 前言

不銹鋼冷軋油是不銹鋼板冷軋工藝過程中使用的潤滑、冷卻介質(zhì),其主要是在不銹鋼冷軋過程中起冷卻、潤滑、防銹等作用。

相對于普通的鋼板軋制,不銹鋼冷軋的工藝特點(diǎn)主要有三點(diǎn):(1)對軋后鋼板表面質(zhì)量要求較高,尤其是光亮退火后的鋼板表面,不但要求板形好、精度高,而且要求表面光澤;(2)不銹鋼強(qiáng)度高、加工硬化快,但塑性好、變形過程中粘輥傾向大;(3)不銹鋼的導(dǎo)熱性能差,如321不銹鋼的導(dǎo)熱性僅為碳鋼的27%,因此需要及時將冷軋過程產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移。

根據(jù)不銹鋼冷軋的工藝特點(diǎn),不銹鋼冷軋油應(yīng)具有如下性能:

(1)較強(qiáng)的極壓抗磨性:由于不銹鋼冷軋軋制壓力高,軋制油必須具有較強(qiáng)的極壓性能,減少摩擦,降低軋制壓力,同時對支撐輥及傳動裝置進(jìn)行潤滑。

(2)良好的退火清凈性:對不銹鋼板面質(zhì)量要求較高,要求其冷軋油在退火后能完全分解或揮發(fā),退火后的鋼板表面光亮性較好。

(3)良好的抗氧化性:不銹鋼軋制油在循環(huán)使用過程中,在周期性的高溫、高壓作用下,以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下,易發(fā)生油品氧化變質(zhì),所以應(yīng)具備較高的抗氧化性能。

(4)適中的粘度,確保其冷卻性能,同時盡量減少退火時軋制油對不銹鋼表面的污染,而其潤滑性能可通過添加劑進(jìn)行調(diào)劑。

(5)較高的閃點(diǎn),以保證高速軋制時的油品安全性。

目前我國冷軋不銹鋼的年產(chǎn)量已超過300萬t,不銹鋼冷軋時噸鋼所消耗的冷軋油量約2 kg,因此全國不銹鋼冷軋油年需求量將達(dá)到6000 t左右。

我國不銹鋼軋制潤滑油研制工作起步較晚,目前國內(nèi)多數(shù)不銹鋼軋制需要依賴國外公司相關(guān)的產(chǎn)品,如Mobile的Genrex 26、ESSO的Somentor N系列和日本大同公司的dai roll系列,但進(jìn)口油價格昂貴,造成生產(chǎn)成本高,削弱了產(chǎn)品的市場競爭力,所以開展不銹鋼冷軋潤滑油的研制工作是十分必要和緊迫的。

1 研制產(chǎn)品暫定質(zhì)量指標(biāo)

不銹鋼冷軋潤滑油在國內(nèi)外一直沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),各生產(chǎn)廠家都是按照自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。參照不銹鋼冷軋工藝特點(diǎn)和潤滑要求,并結(jié)合不銹鋼冷軋生產(chǎn)廠常用的國外公司產(chǎn)品S-60性能指標(biāo),制定研制產(chǎn)品的暫定技術(shù)指標(biāo),見表1。

2 研制部分

2.1 基礎(chǔ)油的篩選

不銹鋼冷軋工藝要求其冷軋潤滑油要有良好的退火清凈性。如果所用基礎(chǔ)油餾程過大,可能閃點(diǎn)偏低導(dǎo)致生產(chǎn)過程的安全性不能得到有效保護(hù),同時重組分可能較多造成冷軋油的退火清凈性變差。

要求研制產(chǎn)品所選基礎(chǔ)油的餾程要窄,以不超過200 ℃為宜,并且從安全生產(chǎn)角度來講,所選基礎(chǔ)油閃點(diǎn)要保證在160 ℃以上。

綜上所述,并結(jié)合中國石油潤滑油公司相應(yīng)的基礎(chǔ)油資源,選擇了三種可用基礎(chǔ)油進(jìn)行篩選,分別為A基礎(chǔ)油、B基礎(chǔ)油、C基礎(chǔ)油,具體理化分析結(jié)果見表2。

由表2基礎(chǔ)油分析結(jié)果來看,基礎(chǔ)油C的粘度指數(shù)過低,在實(shí)際使用過程中粘度變化相對大而影響到冷軋工藝的潤滑,且其40 ℃粘度為9.872 mm²/s,大于9.5 mm²/s的暫定指標(biāo),不符合基礎(chǔ)油的要求;基礎(chǔ)油B的粘度超出軋制油的粘度范圍;基礎(chǔ)油A的粘度、餾程、閃點(diǎn)都較為適中,適宜做不銹鋼冷軋油的基礎(chǔ)油。

2.2 添加劑的篩選

2.2.1 抗磨、油性劑的篩選

由于不銹鋼冷軋潤滑油需要較好的防粘輥性能,所以要求所用油性、抗磨劑要有適中的油膜強(qiáng)度,該性能可通過評價四球機(jī)的P_B來表征,P_B值不能過高,原因有三點(diǎn):

(1)考慮到軋后產(chǎn)品表面質(zhì)量,若油膜過厚,使得油膜產(chǎn)生 “屏蔽效應(yīng)”,即過厚的油膜保護(hù)了軋板原始粗糙表面,阻礙了軋輥對軋件的輥光,會造成軋后產(chǎn)品表面光亮度下降;

(2)過高的潤滑性會使得摩擦力變小,軋制過程中鋼板與軋輥無法咬入,使得軋制無法正常進(jìn)行;

(3)過高的潤滑性可能需要加入較多的極壓抗磨劑,過多極壓劑的引入可能會導(dǎo)致軋輥腐蝕,造成軋機(jī)的損壞。

由于極壓劑多為含硫、磷、氯或金屬元素的有機(jī)化合物,在高溫、重負(fù)荷下與金屬表面反應(yīng)生成無機(jī)物膜,防止燒結(jié)和減少磨損。但這類化合物通常為活性物質(zhì),往往帶來腐蝕和安定性問題,且不銹鋼軋制油不僅作為不銹鋼軋制的工藝用油,同時也是不銹鋼冷軋機(jī)的軋輥軸承的潤滑劑,所以對極壓劑的選擇較為慎重。

油性劑可有效降低邊界摩擦系數(shù),進(jìn)而降低軋制負(fù)荷,提高軋制速度。脂肪酸、脂肪醇、酯(脂)是軋制油配方中常用的油性添加劑,脂肪酸類油性劑的退火清凈性較差,所以本次配方的研制不考慮引入脂肪酸類油性劑。本配方的油性劑考察以脂肪醇類和酯類油性劑為主。當(dāng)添加劑類型一定時,隨碳鏈增長,其潤滑性能變好,但同時退火清凈性變差,少于10個碳的醇和酯在軋制中通常無油性,而碳原子太多在退火時又容易產(chǎn)生褐色沉淀,一般認(rèn)為,碳原子數(shù)在12~18之間時作用效果最佳[1]。

根據(jù)以上依據(jù)考察復(fù)配出與參比油相當(dāng)?shù)臉O壓、油性劑組成,見表3。

由表3油性、抗磨劑考察結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出,醇-1與酯-7和AW-2復(fù)配后,降低酯-7的加劑量,P_B值小于暫定指標(biāo)392 N(配方z-80、z-81、z-82、z-83)。添加劑醇-1的加劑量增加對體系的潤滑性能提高并無貢獻(xiàn);AW-2的加劑量從加劑量增加對潤滑性能的影響并不大,所以確定配方z-64為最適宜的潤滑劑復(fù)配方案。

2.2.2 其他添加劑的選擇

不銹鋼冷軋潤滑油作為一種循環(huán)用油,在換油期內(nèi)循環(huán)使用,在周期性的高溫、高壓作用下,以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下,油品易氧化變質(zhì),所以要求具備較好的抗氧化能力,為了有效提高油品抗氧化性,需加入一定量抗氧化劑。

由于不銹鋼冷軋潤滑油同時還起到對軋輥軸承的潤滑作用,要求油品具有一定的防銹性能,故研制油中需加入一定的防銹劑。

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)研究,最終確定了不銹鋼冷軋油的配方,見表4。

不銹鋼冷軋潤滑油的總加劑量大約6%左右。

3 產(chǎn)品綜合性能評價

3.1 退火清凈性考察

不銹鋼冷軋鋼板的退火溫度一般在10⁵0~1080 ℃之間,目前不銹鋼冷軋廠家通常采用光亮退火,即在氮?dú)夂蜌錃獗Ｗo(hù)下退火,以消除軋制過程中由于板面塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,退火時,殘余在板面的冷軋油可能會在板面形成殘留,影響板面的表面光潔度,因此要求冷軋油具有良好的退火清凈性。利用熱重分析來模擬工業(yè)爐退火環(huán)境,通過最終軋制油殘留量來定性分析它的退火清凈性[2]。 具體方法如下:模擬實(shí)際工況條件,將帶油坩堝放入加熱爐中,在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱到一定溫度,考察基礎(chǔ)油與添加劑在高溫下的分解情況及坩堝的表面狀況,從而評價基礎(chǔ)油與添加劑的高溫清凈性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有較好的關(guān)聯(lián)。對冷軋油來說,一般退火溫度越高,清凈性就越好,即滿足低溫退火清凈性要求的冷軋油,一定能滿足高溫退火清凈性[2]。熱重分析儀退火清凈性試驗(yàn)條件如下:

溫度:加熱至500 ℃;

樣品量:(20±1) mg;

氣體流速:(50±5) mL/min;

升溫速率:10 ℃/min[2]。

研制油與S-60參比油TGA考察結(jié)果見圖1。

從圖1看出,研制油與參比油在400 ℃時分解殘余量都≤0.2%,且分解后坩堝表面用電子顯微鏡觀察均光亮無油斑,所以研制油也具有優(yōu)良的退火清凈性。

3.2 潤濕性能的考察

冷軋油在噴淋到軋板的瞬間要求能立即鋪展在軋板表面,從而起到潤滑、冷卻等的作用。鋪展是少量液體在固體表面上自動展開并形成一層薄膜的現(xiàn)象。用鋪展系數(shù)S作為衡量液體在固體表面能否鋪展的判據(jù),其與液體滴落在固體表面前后的表(界)面張力關(guān)系有關(guān):

S=γ^s-γ^1s-γ¹

γ^s、γ^1s、γ¹分別表示在一定溫度下的固-氣、固-液及氣-液之間的表(界)面張力。S≥0則液體能在固體表面上發(fā)生鋪展;若S<0則不能鋪展。由上式可見,γ¹越小則S越大,也就是液體越容易在固體表面鋪展開,而一般來說液體的表面張力越小,液氣與液固的界面張力也會相對較小,所以只要測量γ¹的數(shù)值,就能比較出冷軋油在金屬表面的鋪展性能。

用圓環(huán)法測量考察配方與參比油表面張力的對比見表5。

研制油與參比油表面張力相當(dāng),因此潤濕性相當(dāng)。

3.3 儲存穩(wěn)定性的考察

將研制油在常溫下靜置四個月,無沉淀、無變色;將研制油與參比油以1∶1比例常溫混兌四個月后,無沉淀、無變色。

3.4 軋機(jī)實(shí)驗(yàn)

在東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軋機(jī)實(shí)驗(yàn),分別對研制油和參比油在直拉式四輥可逆冷軋機(jī)上進(jìn)行固定軋制厚度和恒定軋制壓力的試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)用不銹鋼板規(guī)格為(800×200×2.8) mm,材質(zhì)為1Gr18Ni9Ti。

3.4.1 固定軋制厚度的試驗(yàn)

在相同的道次厚度、前張力、后張力、軋制速度、工作輥直徑等條件下,對兩種油品進(jìn)行固定壓下率的軋制,測出各油品、各道次軋制壓力的變化,如表6所示。

由表6看出,在相同壓下率條件下,研制油比參比油的軋制壓力明顯降低,說明具有更加適宜的潤滑等綜合性能。

3.4.2 恒定軋制壓力試驗(yàn)

在材料、前張力、后張力、支撐輥型、軋制速度、工作輥直徑、軋制壓力試驗(yàn)相同的條件下,對油品進(jìn)行固定軋制壓力的軋制,測出每道次帶鋼厚度的變化,如表7所示。

由表7試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在相同軋制壓力條件下,研制油和參比油每道次的鋼板壓下率相近,說明兩種油品的性能相當(dāng)。

綜合軋機(jī)實(shí)驗(yàn),研制油的軋機(jī)潤滑性優(yōu)于參比油。

3.5 現(xiàn)場工業(yè)使用情況

研制的不銹鋼冷軋潤滑油在佛山晨曦不銹鋼有限公司使用兩個月時間,應(yīng)用情況良好。

工業(yè)使用條件:

軋機(jī)類型:二十輥可逆軋機(jī);

工作輥直徑:50 mm;

冷軋材質(zhì):各種型號不銹鋼板;

最大軋制壓力:4.41×10⁶N;

最大軋制速度:300 m/min;

可軋板寬:540~750 mm;

壓下率:80%(8~9道次);

過濾精度:<10 μm;

退火方式:光亮退火。

目前冷軋油的使用狀況:冷軋板經(jīng)冷軋后,表面光亮,軋機(jī)未出現(xiàn)振動或油膜破裂現(xiàn)象,鋼板表面未出現(xiàn)缺陷,無粘輥現(xiàn)象發(fā)生,產(chǎn)品表面狀況良好,合格率高。經(jīng)光亮退火后,鋼板表面退火清凈性良好,根據(jù)現(xiàn)場操作人員反映,不銹鋼冷軋潤滑油的刺激氣味低,操作人員容易接受。

3.6 經(jīng)濟(jì)性評價

研發(fā)的不銹鋼冷軋潤滑油成本價遠(yuǎn)低于參比油的市場價格,且性能與之相當(dāng),有較為明顯的市場優(yōu)勢。

4 結(jié)論

通過對研制的不銹鋼冷軋潤滑油的潤滑性能、退火清凈性、經(jīng)濟(jì)性及軋機(jī)試驗(yàn)以及工業(yè)使用情況等綜合考察,結(jié)果表明所研制的不銹鋼冷軋潤滑油產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到或優(yōu)于參比油性能,可以滿足不銹鋼帶(板)冷軋工藝的潤滑要求,有效地替代進(jìn)口油,并且其成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口產(chǎn)品,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

參考文獻(xiàn):

[1] 馬育體.銅及銅合金軋制油的研制[J].潤滑油,2001,16(2):36-38.

[2] 琚正川.熱重分析評價銅軋制油的退火清凈性[J].合成潤滑材料,2007,34(2):17-19.

收稿日期:2008-08-06。

作者簡介:馬永宏(1978- ),女,工程師,2002年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè),現(xiàn)主要從事工業(yè)用油的研發(fā)工作。