乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液的研制及應(yīng)用

熊星 王靖宇 謝任遠(yuǎn)

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海研究院

冷軋薄鋼板是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼冷軋薄鋼板是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼冷軋板的簡(jiǎn)稱，也稱冷軋板。冷軋板是由普通碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼帶，經(jīng)過進(jìn)一步冷軋制成厚度小于4 mm的鋼板。由于在常溫下軋制，不產(chǎn)生氧化鐵皮，因此冷軋板的表面質(zhì)量好，尺寸精度高，再加之經(jīng)過了退火處理，其機(jī)械性能和工藝性能都優(yōu)于熱軋薄鋼板，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電器產(chǎn)品、機(jī)車車輛等行業(yè)。

冷軋板在軋制生產(chǎn)過程中需要使用冷軋軋制液作為工藝潤(rùn)滑介質(zhì)。軋制液在冷軋板軋制過程中起到潤(rùn)滑、冷卻、清洗和防銹的作用，具體體現(xiàn)為降低軋制力、延長(zhǎng)軋輥壽命、控制帶鋼表面質(zhì)量和板型等［1］，是軋制過程必不可少的潤(rùn)滑助劑。目前市場(chǎng)上使用的冷軋板軋制液多為半穩(wěn)態(tài)的乳化型產(chǎn)品，使用去離子水配液，攪拌條件下均勻分散，使用溫度一般為45～60 ℃，軋制液在接觸軋輥和板面的瞬間油水分離，起潤(rùn)滑和冷卻的作用。

在產(chǎn)品推廣應(yīng)用中，許多鋼廠軋制液系統(tǒng)不具備攪拌、加熱等設(shè)備，且配制水未經(jīng)處理，部分地區(qū)水硬度較高，半穩(wěn)態(tài)和彌散型軋制液不大適合此類工況。針對(duì)此類工況，軋制液需具備良好的乳化穩(wěn)定性，確保在沒有攪拌的情況下乳液不分層；其次，需具備良好的防銹性，確保軋制后產(chǎn)品的工序間防銹；最后，產(chǎn)品還需具有較好的抗硬水性能，能夠滿足不同地區(qū)水質(zhì)硬度波動(dòng)要求。針對(duì)上述市場(chǎng)需求，本文研發(fā)了一種乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液，主要應(yīng)用于普碳鋼窄帶的冷軋加工工藝，產(chǎn)品目前已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

乳化穩(wěn)定型冷軋板軋制液的性能要求

針對(duì)上述部分鋼廠的情況，結(jié)合普碳鋼冷軋工藝對(duì)軋制液的使用要求，確定所研制乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液的性能要求如下：

◇良好的潤(rùn)滑性能：軋制液能夠在軋輥和鋼板表面形成邊界油膜，起到降低摩擦阻力及金屬變形抗力的作用，降低軋輥的磨損，延長(zhǎng)軋輥組件的使用壽命；

◇良好的冷卻性：能最大限度帶走軋制過程產(chǎn)生的熱量，控制軋件和軋輥因?yàn)闇厣斐傻膽?yīng)力影響，確保軋輥在適合的溫度下工作［2］；

◇良好的乳化穩(wěn)定性和較好的抗硬水性能，確保在沒有攪拌的情況下乳液不分層，并能夠滿足不同地區(qū)水質(zhì)硬度波動(dòng)要求；

◇清洗性能好：消除鐵粉、雜質(zhì)和污物對(duì)軋件及軋輥的污染，能夠起到清潔軋件和軋輥的作用，有效提高軋件的質(zhì)量；

◇良好的防銹性和腐蝕抑制性：防止軋件和軋輥在使用過程中出現(xiàn)銹蝕，對(duì)系統(tǒng)中接觸到的鋼、銅等金屬部件均無腐蝕。

研制過程

軋制乳化液屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，制備的關(guān)鍵是各功能添加劑和基礎(chǔ)油的合理選擇和復(fù)配，解決濃縮液存儲(chǔ)穩(wěn)定性和稀釋液乳化穩(wěn)定性兩大平衡，同時(shí)賦予產(chǎn)品潤(rùn)滑性、冷卻性、防銹等良好的性能。試驗(yàn)過程中，首先搭建基礎(chǔ)配方，然后進(jìn)行乳化劑、防銹劑等各種添加劑的選擇和評(píng)價(jià)，最后微調(diào)完成配方。

基礎(chǔ)油的選擇

基礎(chǔ)油不僅作為添加劑的載體，同時(shí)起到潤(rùn)滑作用。根據(jù)產(chǎn)品要求，乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液選用深度精制的礦物油作為基礎(chǔ)油，同時(shí)，可選用不同黏度基礎(chǔ)油混兌調(diào)整到合適黏度。

乳化劑的篩選與復(fù)配

對(duì)于乳化穩(wěn)定型軋制液來說，乳化劑是確保軋制液穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此乳化劑的類型及選用尤為重要。另外，軋制液體系的穩(wěn)定性在確保乳化劑的HLB（親水親油平衡）值總和平衡的條件下，要同時(shí)兼顧酸堿平衡。乳化劑可分為陰離子、陽離子、非離子等類型。陰離子型乳化劑為在水中電離生成帶有烷基或芳基的負(fù)離子親水基團(tuán)的乳化劑，如羧酸鹽、硫酸鹽和磺酸鹽等，該類乳化劑可提升軋制液的防銹能力，但抗硬水性能欠佳；非離子型乳化劑在水中不電離，它的親水部分是各種極性基團(tuán)，常見的有聚氧乙烯醚類，它的親油部分(烷基或芳基)直接與氧乙烯醚鍵結(jié)合，該類乳化劑對(duì)防銹不利，但具有良好的抗硬水性能；陽離子型乳化劑為在水中電離生成帶有烷基或芳基的正離子親水基團(tuán)，這類乳化劑的品種較少，都是胺的衍生物。

普碳鋼冷軋軋制液要求有較好的防銹性，故多選用既有防銹性能，又有乳化作用的陰離子乳化劑作為主乳化劑，比如酸和堿反應(yīng)形成的皂；同時(shí)，非離子乳化劑抗硬水能力較好，故可選擇陰離子和非離子乳化劑復(fù)配的方法提高乳化液的穩(wěn)定性［3］。考察乳化劑的同時(shí)還需兼顧體系的酸堿平衡。調(diào)配過程中通過有機(jī)胺和脂肪酸反應(yīng)生成的陰離子乳化劑作為體系的主乳化劑，以非離子乳化劑醚羧酸類和酯類搭配調(diào)節(jié)體系的抗硬水性能和穩(wěn)定性，同時(shí)輔以堿性較強(qiáng)的胺類調(diào)整體系的酸堿平衡，獲得所需產(chǎn)品。不同乳化劑配方的濃縮液外觀及乳化液穩(wěn)定性見表1。

由表1可見， 1號(hào)配方雖堿性較高，但在體系中易產(chǎn)生渾濁，濃縮液不穩(wěn)定，因此選擇2號(hào)配方作為主乳化劑；將主乳化劑與非離子乳化劑復(fù)配（3～5號(hào)配方），產(chǎn)品的乳化性能和抗硬水性能均得到改善，其中5號(hào)配方的綜合性能最佳，故選擇其作為產(chǎn)品的乳化劑配方組成。

防銹劑的篩選與復(fù)配

防銹劑多是一些極性物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：一端是極性很強(qiáng)的基團(tuán)，可吸附到金屬表面；一端是非極性的烷基，具有疏水性質(zhì)。當(dāng)含有防銹劑的油品與金屬接觸時(shí)，防銹劑分子中的極性基團(tuán)對(duì)金屬表面有很強(qiáng)的吸附力，在金屬表面形成緊密的單分子或多分子保護(hù)層，阻止腐蝕介質(zhì)與金屬接觸，起到防銹作用。常用的防銹劑按結(jié)構(gòu)可分為磺酸鹽、羧酸及羧酸衍生物、酯類、有機(jī)磷酸及鹽類和有機(jī)胺及雜環(huán)化合物等。開發(fā)的乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液采用磺酸鹽和羧酸衍生物進(jìn)行復(fù)配，達(dá)到優(yōu)異的防銹效果。

在含有乳化劑的基礎(chǔ)配方上，添加復(fù)配的防銹劑，并配成5%的乳化液，采用單片防銹性試驗(yàn)（GB/T 6144）進(jìn)行防銹性評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖1。

表1 乳化劑配方的篩選

由圖1可見，試驗(yàn)后試片表面5滴全無銹（A級(jí)），說明配方具有良好的防銹性能，可滿足普碳鋼冷軋工藝現(xiàn)場(chǎng)的防銹需求。

全性能分析

通過乳化劑、防銹劑的篩選得到乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液，產(chǎn)品具有優(yōu)異的乳化性能和防銹性能，同時(shí)具備良好的抗硬水性能。研制的乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液的主要性能見表2。

由表2可見，乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液具有良好的乳化性、防銹性和抗硬水性能。

產(chǎn)品應(yīng)用

研制的乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液具有良好的乳化性、防銹性和抗硬水性能，已在國(guó)內(nèi)多條普碳鋼單機(jī)架和連軋產(chǎn)線應(yīng)用，產(chǎn)品性能得到客戶認(rèn)可。

廣東地區(qū)某鋼廠主要進(jìn)行不銹鋼板、普碳板的壓延加工生產(chǎn)，產(chǎn)品用于不銹鋼制品、五金制品、建筑用金屬制品和家具配件等。該鋼廠冷軋產(chǎn)線為多條單機(jī)架可逆軋機(jī)，乳化液系統(tǒng)無攪拌和加熱設(shè)備。2017年初開始使用乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液作為軋制過程的潤(rùn)滑劑，很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)工況要求。吉林地區(qū)某鋼廠主要進(jìn)行普碳鋼窄帶生產(chǎn)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于焊管、農(nóng)機(jī)、汽車、日用五金、建筑等行業(yè)。該鋼廠冷軋產(chǎn)線為五連軋軋機(jī)組，乳化液系統(tǒng)無攪拌和加熱設(shè)備，且乳化液使用河水配液，硬度較高。2017年8月開始，使用研制的乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液作為冷軋生產(chǎn)線配套工藝用油，產(chǎn)品潤(rùn)滑性、防銹性和清洗性滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，使用效果良好。

圖1 單片防銹性試驗(yàn)照片

上述客戶的使用結(jié)果表明，乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液潤(rùn)滑性、冷卻性優(yōu)良，軋制過程中軋制力小，軋后板面整潔光亮，且不易生銹，滿足現(xiàn)場(chǎng)加工要求。在生產(chǎn)過程中，定期開展數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示在用軋制液指標(biāo)正常，使用穩(wěn)定。和抗硬水性能。

☆研發(fā)的穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液可用于普碳鋼窄帶的單機(jī)架和連軋產(chǎn)線冷軋加工，尤其適用于不具備攪拌、加熱設(shè)備的軋制液系統(tǒng)。

結(jié)論

☆通過防銹劑、乳化劑等添加劑的篩選和復(fù)配，研制出適用于普碳鋼冷軋軋制過程所用的乳化穩(wěn)定型普碳鋼冷軋軋制液，產(chǎn)品具有良好的乳化穩(wěn)定性、防銹性、潤(rùn)滑性