再生鋁材軋制潤滑油的性能研究

周亞軍，蔣艷紅

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083）

在鋁材軋制加工過程中，需消耗大量的工藝潤滑油（軋制油），初步估計(jì)全國鋁加工行業(yè)每年消耗軋制油100～200kt。造成軋制油報(bào)廢的主要原因是液壓油或軸承油的泄漏，污染的軋制油導(dǎo)致退火處理時(shí)鋁板帶箔表面出現(xiàn)深褐色油斑，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，因此必須定期全部更換。如1臺鋁箔軋機(jī)每3～6個(gè)月?lián)Q油一次［1］，一次換下的廢油為10～40t。近年來，我國鋁材軋制加工業(yè)快速發(fā)展，鋁板帶箔的產(chǎn)量多年穩(wěn)居世界首位，廢軋制油的數(shù)量也顯著增加。多數(shù)企業(yè)對廢軋制油沒有加以循環(huán)利用，而是當(dāng)廢油出售［2］或作為燃料燃燒，廢軋制油燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害的物質(zhì)，既浪費(fèi)能源，又污染環(huán)境。鋁軋制油的基礎(chǔ)油是由石油加工而成，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油資源日趨緊張，因此進(jìn)行廢軋制油再生循環(huán)利用具有重要意義。軋制油再生主要采用減壓蒸餾工藝，去掉廢軋制油中的膠質(zhì)、瀝青等高碳不良組分，以提高軋制油的退火清潔性，保證鋁材產(chǎn)品質(zhì)量。本研究采用色譜－質(zhì)譜［3］聯(lián)用分析、差熱分析、四球摩擦磨損試驗(yàn)和氧化安定性實(shí)驗(yàn)等手段，對某鋁加工企業(yè)廢軋制油和再生軋制油的理化性能、化學(xué)組成、摩擦學(xué)性能和氧化安定性進(jìn)行評定，并與現(xiàn)用軋制油和基礎(chǔ)油對比，全面評價(jià)再生軋制油的性能；通過添加抗氧劑提高再生軋制油的氧化安定性，保證再生軋制油能夠滿足鋁軋制工藝的需要，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括某大型鋁加工企業(yè)的現(xiàn)用軋制油、廢軋制油、再生軋制油、軋制油基礎(chǔ)油、軋制油潤滑添加劑。將軋制油潤滑添加劑以6%的添加量加入到軋制油基礎(chǔ)油中，配制成新軋制油。

1.2 分析儀器與方法

1.2.1 軋制油組成分析 采用氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對鋁材軋制油組成進(jìn)行分析。選用GCMSQP2010型氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀，GC分析條件：OV－1通用型毛細(xì)管色譜柱（30m×0.25mm×1.0μm），載氣為He，汽化室溫度280℃，分流比150∶1，進(jìn)樣量0.5μL，柱溫100℃，以3℃/min的速率升溫至180℃；MS分析條件：電離能70eV，離子源溫度200℃，掃描范圍（m/z）40～350u，質(zhì)量分析器為四極桿分析器。

1.2.2 熱重－差熱分析 熱重－差熱分析在SDTQ600型TG－DSC分析儀上進(jìn)行，樣品用量為10mg。在程序控制溫度下測量物質(zhì)質(zhì)量與溫度的關(guān)系［4］，并測試樣品與基準(zhǔn)之間溫度差隨溫度的變化。測試條件：溫度區(qū)域20～500℃，升溫速率10℃/min，在動(dòng)態(tài)空氣氣氛下進(jìn)行，空氣流速100mL/min。

1.2.3 摩擦學(xué)性能 在MRS－10A四球摩擦試驗(yàn)機(jī)上用上海鋼球廠生產(chǎn)的符合GB308Ⅱ級軸承鋼球的一級GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑為12.7mm，按照GB/T 12583標(biāo)準(zhǔn)方法測定最大無卡咬負(fù)荷PB值，參照SH/T 0189標(biāo)準(zhǔn)測定軋制油的抗磨性能，測試條件為：轉(zhuǎn)速1 200r/min，載荷196N，運(yùn)行時(shí)間30min。實(shí)驗(yàn)完畢，測試3個(gè)下球的磨痕直徑，測量精度為0.01mm，每個(gè)鋼球測2次，將6次測量的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.4 氧化安定性 參照SH/T 0206—1992變壓器油氧化安定性測定法，在銅催化劑存在的條件下，將25g試樣置于100℃的油浴中，通入氧氣，連續(xù)氧化48h后測定酸值和黏度，并以酸值和黏度的變化量來表示油品的氧化安定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化性能

軋制油基礎(chǔ)油、軋制油潤滑添加劑、現(xiàn)用軋制油、廢軋制油、再生軋制油、新軋制油的主要理化性能見表1。從表1可以看出，廢軋制油的酸值、羥值、皂化值、色度都為再生軋制油的2倍以上，再生軋制油的酸值、皂化值、黏度、色度都較現(xiàn)用軋制油有所降低，說明廢軋制油經(jīng)過減壓蒸餾后，軋制過程中泄漏的液壓油或軸承油以及氧化產(chǎn)生的酯、酸等高碳有機(jī)物大部分已被除掉。但再生軋制油的酸值仍大于新軋制油，即再生軋制油中還存在部分有機(jī)酸，且再生軋制油的羥值比現(xiàn)用軋制油高，說明再生軋制油中有一些含有羥基的有機(jī)物（比如醇），羥基比較容易氧化，如果羥值較大，則油品的氧化安定性較差。

表1 油品的主要理化性能

2.2 化學(xué)組成

再生軋制油和現(xiàn)用軋制油的總離子圖譜見圖1。從圖1可以看出，現(xiàn)用軋制油比再生軋制油的分離時(shí)間要晚幾分鐘（現(xiàn)用軋制油的升溫速率稍慢），除了時(shí)間的差異，再生軋制油和現(xiàn)用軋制油的總離子譜圖很相似，主要成分都比較集中而且分離出的時(shí)間都較早，說明兩者的碳原子分布比較集中，碳原子數(shù)比較低。從圖1還可以看出，現(xiàn)用軋制油總離子譜圖比再生軋制油多兩個(gè)小峰（22min以后的兩個(gè)小峰），其原因是現(xiàn)用軋制油中存在一些高碳有機(jī)物，而再生軋制油卻在減壓蒸餾過程中將其除去。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所作出的判斷，對油品進(jìn)行了質(zhì)譜分析，得到油品的化學(xué)組成（見表2）。從表2可以看出，再生軋制油和現(xiàn)用軋制油的碳原子數(shù)集中在13～15之間，較高的低碳烴含量和集中的分布使軋制油的黏度處在一個(gè)平衡狀態(tài)，既保證了油膜的強(qiáng)度又保證了油膜的減磨降壓效果［5］。再生軋制油的低碳烴稍多，高碳烴（碳原子數(shù)大于15）幾乎沒有，正十二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.91%；現(xiàn)用軋制油中的高碳烴（正十六烷，正十七烷）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.21%，正十二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.06%，這與由圖1和表1所作出的判斷相符。再生軋制油的黏度為2.74mm2/s，現(xiàn)用軋制油的黏度為2.98mm2/s（表1），主要是由于隨著烴分子中碳原子數(shù)的增加，分子鏈間的側(cè)向相互作用增加［6］，增大了油品的內(nèi)摩擦力，從而使黏度增大。

圖1 軋制油的總離子圖譜

表2 油品的主要化學(xué)組成 w，%

2.3 熱重－差熱分析

新軋制油和再生軋制油的熱重－差熱分析（TG－DSC）曲線見圖2和圖3。TG－DSC的曲線解析見表3。由圖2和圖3可以看出：再生軋制油和新軋制油的TG曲線斜率都很大，且新軋制油的斜率更大，表明新軋制油的退火清潔性能比再生軋制油好；再生軋制油的DSC曲線大部分在0以上，通過計(jì)算，放熱面積達(dá)92.63%，說明再生軋制油在實(shí)驗(yàn)過程中一直處于氧化放熱狀態(tài)，而新軋制油的DSC曲線在0以上部分只有14.1%，大部分是揮發(fā)吸熱狀態(tài)，說明再生軋制油的氧化安定性較差。從表3可以看出，再生軋制油的揮發(fā)結(jié)束溫度為200.70℃，失重率達(dá)99.1%；新軋制油的揮發(fā)結(jié)束溫度為165.27℃，失重率達(dá)98.88%，說明新軋制油的退火性能優(yōu)于再生軋制油。一般鋁箔的退火溫度為280℃，鋁板的退火溫度為400℃，再生軋制油的退火性能已達(dá)到鋁軋制的要求。

圖2 新軋制油的TG－DSC曲線

圖3 再生軋制油的TG－DSC曲線

表3 TG－DSC曲線解析

2.4 摩擦學(xué)性能

摩擦學(xué)性能是軋制油的重要性能之一，對于提高鋁箔的軋制質(zhì)量至關(guān)重要，再生軋制油、現(xiàn)用軋制油和新軋制油的摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。由表4可以看出，再生軋制油、現(xiàn)用軋制油、新軋制油的PB值和磨斑直徑十分接近，其差值都在試驗(yàn)方法規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)，說明再生軋制油的極壓抗磨性能已達(dá)到新軋制油的水平，可以在鋁軋制過程中使用。

表4 油品的摩擦學(xué)性能

2.5 氧化安定性

再生軋制油和新軋制油氧化安定性實(shí)驗(yàn)前后的酸值［7］和黏度的測試結(jié)果見表5。從表5可以看出，再生軋制油的酸值比新軋制油的酸值高，但黏度差別很小，說明再生軋制油中的酯和酸等大分子有機(jī)物在減壓蒸餾過程中被除去了一部分，但仍有少量的殘余。

在沒有沉淀物的情況下，氧化前后油品酸值和黏度的變化在很大程度上反映其抗氧化性能的強(qiáng)弱［8］。表5中再生軋制油的酸值和黏度在氧化前后變化較大，新軋制油的酸值和黏度在氧化前后變化很小，說明再生軋制油的氧化安定性較差。從表5還可以看出，添加抗氧劑后再生軋制油的氧化前后酸值和黏度的變化量都有明顯的減小，說明添加抗氧劑后再生軋制油的氧化安定性提高，可以滿足鋁軋制油的要求。

表5 氧化安定性測試結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）通過對廢軋制油減壓蒸餾去掉其中大部分的高碳物質(zhì)后得到的再生軋制油，其摩擦學(xué)性能、退火清潔性均達(dá)到鋁軋制油的要求，理化性能也較廢軋制油有了較大改善，除羥值外其它性能都接近新軋制油的水平。

（2）再生軋制油的羥值較大，且大部分處于氧化放熱狀態(tài)，氧化安定性實(shí)驗(yàn)前后再生軋制油的酸值和黏度變化比新軋制油大，說明再生軋制油的氧化安定性較差。

（3）在再生軋制油中添加抗氧劑后，其抗氧性能得到明顯的改善，能達(dá)到鋁軋制油的要求，可循環(huán)使用。

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