水泥廠用特種油品的研制及其應(yīng)用

華秀菱，梁云龍

(中國石油上海潤滑油產(chǎn)品設(shè)計分公司,上海 200135)

0 引言

水泥生產(chǎn)設(shè)備投資巨大，潤滑條件苛刻，修理維護困難，損壞后維護費用較高，這就要求所用潤滑劑不但抗磨性好、承載能力強，而且可靠性高、耐高溫性能好，使用周期長。此外，由于水泥生產(chǎn)線自動化程度高，設(shè)備的開機率對企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營效率的影響很大。因此，水泥企業(yè)需要有更加可靠的潤滑系統(tǒng)，以保證設(shè)備得到合理的潤滑，進而提高設(shè)備運行效率，從而提高企業(yè)效益。

回轉(zhuǎn)窯是水泥行業(yè)重要的關(guān)鍵性設(shè)備，其負(fù)荷重、溫度高、粉塵大、潮濕，運轉(zhuǎn)環(huán)境十分惡劣。對于托輪軸瓦油，許多水泥廠采用瀝青質(zhì)重油或氣缸油或選用220～460等牌號不同的重負(fù)荷極壓工業(yè)齒輪油來進行潤滑。使用后造成軸瓦發(fā)熱、拉絲、抱瓦、甚至翻瓦現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)熱故障，有時發(fā)熱頻繁，持續(xù)時間較長，嚴(yán)重影響了回轉(zhuǎn)窯的正常運轉(zhuǎn)。引起托輪軸瓦發(fā)熱的因素有很多方面，諸如設(shè)備設(shè)計的合理性、制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量、工藝操作水平和維護狀況等等，而油品性能對潤滑的影響也是不容忽視的。油品的黏度、黏溫特性、極壓性能、氧化性能等對軸瓦的發(fā)熱都有一定影響，因此選擇適宜的回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦潤滑油進行合理潤滑極為重要。

輪帶是回轉(zhuǎn)窯的重要部件，對窯的穩(wěn)定運行起著非常關(guān)鍵的作用。輪帶一方面是聯(lián)系托輪支撐窯筒體的橋梁和紐帶，另一方面又是提高筒體剛度的加固圈。目前輪帶潤滑產(chǎn)品大多為含有固體潤滑材料的潤滑劑。此類潤滑產(chǎn)品具有一定流動性，可通過噴嘴噴到輪帶間隙中，形成潤滑膜。隨著溫度的升高，潤滑油中的基礎(chǔ)油組分被蒸發(fā)形成一層固體潤滑膜，可起到抗磨和潤滑的作用。目前國外西班牙老鷹、克虜伯、倍可均有此類產(chǎn)品。

開式齒輪油適用于開式、半閉式齒輪箱以及低速重負(fù)荷齒輪裝置的潤滑系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于水泥、冶金、礦業(yè)等行業(yè)的作業(yè)機械上，特別是應(yīng)用在一些特大型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，如球磨機、干燥機、回轉(zhuǎn)窯等。在國外，開式齒輪油以AGMA 251.02規(guī)格為代表，包括抗氧防銹型、極壓型和溶劑稀釋型。國內(nèi)開式齒輪油(潤滑脂除外)目前只有普通開式齒輪油一個標(biāo)準(zhǔn)(SH/T 0363-92)，其黏度等級相當(dāng)于AGMA 10～13號油，質(zhì)量水平介于AGMA 251.02抗氧防銹型齒輪油與極壓型齒輪油之間，屬于瀝青型產(chǎn)品。多年來,國內(nèi)眾多企業(yè)對開式齒輪的潤滑一直不太重視,使用性能不高的瀝青型潤滑劑或其他代用品,造成各種事故的現(xiàn)象時有發(fā)生。為滿足工業(yè)需求,開發(fā)新型、性能較高的開式齒輪潤滑劑迫在眉睫。

為此，本研究通過對組分油、添加劑復(fù)配的研究，研制開發(fā)了一種適用于水泥廠托輪軸瓦專用的油品——大瓦油，一種具有良好的流動性、耐高溫性能以及黏附性能的KLD1000高性能輪帶潤滑劑，一種不含瀝青、不含溶劑、可以用于自動噴霧裝置、價格適中的M系列重負(fù)荷開式齒輪油，達(dá)到了相應(yīng)的指標(biāo)要求，油品具有突出的高極壓性、防腐防銹性以及抗氧化性能，可滿足大型水泥廠不同裝置的潤滑需求。

1 試驗方法

本研究所用標(biāo)準(zhǔn)分析評定方法見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)分析評定方法

表1(續(xù))

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

對于大瓦油來說，油品對低溫性能以及流動性沒有太高要求。它的使用工況屬于低速重載，這要求油品具有較高的黏度，以保證其足夠的黏附性。根據(jù)其運行速度的計算，要求油品的100 ℃運動黏度≥80 mm2/s，一般基礎(chǔ)油無法達(dá)到要求，必須選用高黏度的基礎(chǔ)油，加入一定的稠化劑進行稠化。

同理，普通開式齒輪油一般選用礦物油、瀝青再加添加劑調(diào)合，而極壓型開式齒輪油基礎(chǔ)油的選擇卻有很大的區(qū)別，必須滿足黏度大，具有一定的吸附能力，并與添加劑有較好的感受性等要求。較高的黏度是保證其黏附性能的重要因素，要達(dá)到開式齒輪油的高黏度要求，也必須加入一定的稠化劑進行稠化。

稠化劑的選擇主要取決于單位黏度增加和剪切穩(wěn)定性，常用的稠化劑有3類：PMA(聚甲基丙烯酸酯)、OCP(乙丙共聚物)、PIB(聚異丁烯), 它們的性能對比見表2。

表2 3類黏度指數(shù)改進劑性能比較

通過表2對3類黏度指數(shù)改進劑各種性能的比較， PIB(聚異丁烯)的稠化能力較高，尤其是剪切穩(wěn)定性最好，適合作為高黏度油品的稠化劑。另外從以往PIB在高黏度潤滑油中的應(yīng)用也證明其不僅具有較強的黏附能力，還具有良好的剪切能力和氧化安定性，因此選擇PIB作為大瓦油和重負(fù)荷開式齒輪油的稠化劑。

輪帶潤滑油使用在一個開放的環(huán)境，屬于消耗型油品，因此要求基礎(chǔ)油對環(huán)境污染小。而酯類油毒性極低，具有可生物降解性，生物降解率可達(dá)90%以上，可減少對生態(tài)環(huán)境的污染，此外還具有：(1)良好的高低溫性能、熱氧化安定性；(2)殘?zhí)康汀⑷苋谛院?，保持潤滑系統(tǒng)的高清凈度；(3)酯類油具有極性，與金屬表面形成的油膜強度高，因而摩擦系數(shù)低，具有良好的潤滑性能；(4)酯類油的導(dǎo)熱系數(shù)高，其導(dǎo)熱率比礦物油高15%，同時比熱較大，熱容量比礦物油高5%～10%，因而散熱性好，可有效降低油箱及潤滑系統(tǒng)的溫度。酯類油主要有A和B兩種，其主要理化性能見表3。

表3 兩種酯類油的理化性能比對

從表3結(jié)果可知，酯類油B除傾點更低外，其他性能和酯類油A基本相當(dāng)。而油品成膜能力的強弱，在極端工況下，對摩擦副潤滑的保護作用，減少摩擦磨損，起到減摩作用非常重要，因此對酯類基礎(chǔ)油A和B進行了極壓抗磨性考察，考察結(jié)果見表4。

表4 兩種酯類油的極壓性能比對

從表4結(jié)果可知，酯類基礎(chǔ)油B相對A有更好的極壓性能，因此選擇酯類油B作為輪帶油的基礎(chǔ)油。

2.2 黏附劑的選擇

黏附劑A是由多元有機酸、多元醇經(jīng)交聯(lián)酯化形成的大分子聚合酯化產(chǎn)物，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的強極性基團，表面能較高，在與固體表面接觸時需通過在表面的鋪展及吸附來降低體系能量，從而對固體表面產(chǎn)生強的浸潤性與黏附力。因此選用黏附劑A可使油品在普通油相完全蒸發(fā)前提供具有吸附力和優(yōu)良抗負(fù)載的油膜；而由于黏附劑A的表面能較高，在普通油相完全蒸發(fā)后，固體潤滑劑也能均勻地鋪展到摩擦副上，保證對軸承軸瓦、大齒輪以及輪帶和墊板的潤滑。

2.3 固體潤滑劑的選擇

大瓦油、M系列開式齒輪油、輪帶潤滑油均屬于開式齒輪油范疇，主要應(yīng)用在低速重負(fù)荷的特大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，傳動齒輪齒面的單位面積負(fù)荷高，齒面成線接觸，容易產(chǎn)生噪音和振動，因此不僅要求油品具有較高的承載能力，而且還要求降低摩擦副的摩擦系數(shù)。調(diào)查顯示：日本油或脂中的固體潤滑劑含量一般為1%～4%，歐美為6%～8%[1]。

固體石墨與基礎(chǔ)油是不相溶的,從一定意義上講加有石墨的潤滑油是一個膠體溶液,其穩(wěn)定程度的高低將直接受到石墨粒度大小的影響。因此,選擇較小粒度的石墨是保證油品良好穩(wěn)定性的重要條件[2]。對不同粒徑石墨的穩(wěn)定性進行了考察，結(jié)果見表5。

表5 石墨粒度對油品性能影響

從表5的結(jié)果可見:石墨粒徑小于4000 nm的潤滑劑加入油品中具有較好的穩(wěn)定性。

通過市場咨詢收集了幾種粒徑范圍在4000 nm以內(nèi)的產(chǎn)品并對其穩(wěn)定性及極壓性進行了考察，結(jié)果見表6。

表6 幾種膠體石墨產(chǎn)品的穩(wěn)定性及極壓性能

從表6的試驗結(jié)果得知： LHS201與其他3種產(chǎn)品相比，具有較好的承載力且價格適中，已商品化，特別適合用于調(diào)制開式齒輪油。它不僅具有較好的承載能力、減輕摩擦磨損，而且具有較好的防漏性。

2.4 齒輪油復(fù)合劑的選擇

RHY4026是一種通用型工業(yè)用油復(fù)合劑，選用優(yōu)質(zhì)的含硫含磷添加劑、防銹防腐劑、摩擦改進劑等配制而成，采用不含活性硫的體系，賦予油品良好抗擦傷性和極壓性，做到了環(huán)保、清潔、無灰。使用該復(fù)合劑以2.0%劑量調(diào)制的合成型工業(yè)齒輪油不僅通過了FZG齒輪機試驗臺架，還通過了FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架和10000 h的D943試驗，并且通過了FZG微點蝕試驗臺架。該復(fù)合劑具有抗微點蝕作用，而對于開式齒輪來說，其最主要的失效形式是微點蝕。因此，研究選擇RHY4026復(fù)合劑作為這3種油品的添加劑主要成分。

表7列出了RHY4026復(fù)合劑以2.0%劑量在合成齒輪油中的應(yīng)用結(jié)果。

表7 RHY4026復(fù)合劑調(diào)制油品的評價結(jié)果

表7(續(xù))

從表7可以看出：RHY4026復(fù)合劑調(diào)制的油品具有優(yōu)異的抗微點蝕性能和抗磨性能，但由于配方中硫含量低，盡管PB值高，具有很強的油膜厚度，但同時油品的燒結(jié)負(fù)荷較低，只有1961.3 N， 考慮到開式齒輪的工況是低速、高負(fù)荷，要求油品具有較高的燒結(jié)負(fù)荷，只靠RHY4026和基礎(chǔ)油提供的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，必須對油品的極壓性能進行補強。

2.5 補強添加劑的考察

傳統(tǒng)的齒輪油極壓抗磨添加劑主要是含高活性硫、磷、氯類化合物的活性添加劑，隨著環(huán)保、健康的要求越來越高，非活性(惰性)極壓潤滑添加劑的使用越來越受到人們的重視。其中高堿值磺酸鹽是一種惰性極壓抗磨劑，它不僅具有優(yōu)良的極壓抗磨性，而且還具有防銹性能。根據(jù)C-F3參比油的元素含量分析，重點對硫化物和磺酸鹽類添加劑進行了極壓抗磨性能的考察，結(jié)果見表8。

表8 不同極壓抗磨劑考察結(jié)果

從表8可以看出，含硫劑R與T321H極壓性能基本相當(dāng)。氣味方面，含硫劑R最低。由于開式齒輪油是在開放的環(huán)境中使用，故選擇氣味較低的含硫劑R作為極壓劑。高堿值磺酸鹽類添加劑考察了磺酸鹽B及磺酸鹽C，這兩個添加劑堿值基本相當(dāng)，在極壓性能上的差別來看，磺酸鹽C隨著添加劑濃度的變化，油品磨斑直徑值較磺酸鹽B更小，因此選擇磺酸鹽C作為輔助的極壓抗磨劑。

2.6 油性劑的選擇

開式齒輪油由于齒輪接觸壓力高，承受高沖擊；齒面間的滑動方向和大小急劇變化，并帶有沖擊負(fù)荷，連續(xù)性的滑動，使每次齒合需重新建立新油膜；負(fù)荷高，產(chǎn)生摩擦熱大，使油溫上升，會加速油膜破壞。因此除了對極壓抗磨性要求高外，還必須具備好的黏附性和油性，易于黏附在齒面上，產(chǎn)生較好的油膜強度，以防齒輪運轉(zhuǎn)中被擠出或甩掉。為此，除了極壓抗磨劑的加入，還需加入一些酯類油性劑。

在對電力系統(tǒng)變電站運行管理的過程中，應(yīng)該結(jié)合國家的相關(guān)要求，與電氣企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，做好科學(xué)合理的規(guī)劃工作，從而保證電力變電系統(tǒng)的順利運行。在這個基礎(chǔ)上，應(yīng)該落實各工作人員的工作職責(zé)，要求每一個工作人員都需要遵守相關(guān)的制度，按時完成工作任務(wù)，做好變電運行的保證工作。

油性劑的作用機理是其分子中的極性基團，牢固地吸附在金屬表面，形成物理、化學(xué)吸附膜而達(dá)到減摩抗磨作用。選擇不同的油性劑以1.0%的加劑量加入到99.0%M150基礎(chǔ)油中進行油膜強度PB的考察，結(jié)果見表9。

表9 不同油性劑油膜強度的考察

表9(續(xù))

從表9可以看出： F1、F2、F3相比于其他幾種油性劑在油品中的油膜強度更好，因此選擇這3種油性劑進行與極壓抗磨劑的復(fù)合效應(yīng)研究。

2.7 油性劑與極壓抗磨劑的復(fù)合效應(yīng)研究

油性劑具有一定承載能力,能夠達(dá)到減摩抗磨作用。但是當(dāng)載荷增大時,溫度升高,油膜破裂而失效。因此,油性劑通常只能用在載荷不大,即摩擦部位溫度不高的情況下[3-4]。 單獨使用極壓劑作用時,由于極壓劑分子是活性分子,無油性基團,它們的吸附能力很差,幾乎不能吸附在摩擦表面,因而參與摩擦化學(xué)反應(yīng)的量少,不能形成潤滑油膜, 油性劑與極壓劑復(fù)配后的抗磨性能比油性劑或極壓劑單獨作用時要高[5]。為此，在極壓抗磨劑不變的情況下，進行了油性劑與極壓抗磨劑復(fù)合效應(yīng)研究，結(jié)果見表10。

表10 同一油性劑與極壓抗磨劑的復(fù)合效應(yīng)研究

從表10可以看出：隨著油性劑加量的增大，油品的燒結(jié)負(fù)荷PD值變化不大，但油膜強度有一定變化，加量為0.5%～1.5%時均可滿足PB指標(biāo)要求，在超過1%后，PB明顯下降。油性劑為0.5%時，油性劑與極壓抗磨劑的協(xié)和作用較好，油品的極壓抗磨性突出。

為了對3種不同的油性劑進行進一步選擇，將3種油性劑以1%劑量與極壓抗磨劑復(fù)合，其研究結(jié)果見表11。

表11 不同油性劑與極壓抗磨劑的復(fù)合效應(yīng)研究

從表11可以看出：F1與極壓抗磨劑復(fù)合，其油品的Timken試驗達(dá)不到200.2 N；F2與極壓抗磨劑復(fù)合，其油品的PB達(dá)不到指標(biāo)要求(小于1100 N)；F3油性劑與極壓抗磨劑進行復(fù)合效應(yīng)研究，可以滿足油品的PB、PD以及Timken指標(biāo)要求。

2.8 復(fù)合配方的確定

通過以上各類齒輪油添加劑的復(fù)配性能研究，確定了水泥廠用昆侖特種油品的復(fù)合配方。

2.9 油品總體性能評價

將以推薦劑量添加劑調(diào)制的大瓦油與市售的同類參比油進行了性能對比，結(jié)果見表12。

表12 大瓦油分析評定結(jié)果

從大瓦油總體性能評價結(jié)果可知：對研制油的實驗室產(chǎn)品以及中試產(chǎn)品進行總體性能評定，研制油的黏度適中，各項性能均優(yōu)于市售油。與市售油相比，其黏度指數(shù)高，傾點低，低溫性能好；防銹防腐性優(yōu)異，油品的銅片腐蝕(100 ℃，3 h)評級達(dá)到了1級，不僅蒸餾水銹蝕試驗達(dá)到無銹，而且海水銹蝕試驗也達(dá)到無銹；具有高的燒結(jié)負(fù)荷PD和油膜強度PB，極壓性突出；另外該油品具有良好的抗氧化性以及熱氧化安定性，相對于一般的重負(fù)荷工業(yè)齒輪油，增加了對旋轉(zhuǎn)氧彈的評價，這也是其優(yōu)異特性之一。

將加入RHY4026復(fù)合劑、膠體石墨調(diào)制的M220重負(fù)荷開式齒輪油與市場上國內(nèi)220開式齒輪油參比油進行了性能對比，結(jié)果見表13。

表13 M220重負(fù)荷開式齒輪油分析評定結(jié)果

表13(續(xù))

從表13可以看出:調(diào)制的M220重負(fù)荷開式齒輪油的某些性能超過了AGMA 251.02 EP極壓開式齒輪油規(guī)格。與國內(nèi)參比油相比，完全達(dá)到了其產(chǎn)品質(zhì)量水平，且研制油閃點高，黏度指數(shù)高，具有更優(yōu)異的防銹性以及熱氧化安定性。

將研制的KLD1000輪帶潤滑油進行總體性能評價，產(chǎn)品的性能評價見表14 。

表14 KLD1000輪帶潤滑油產(chǎn)品性能

2.10 使用試驗

研制的大瓦油、M系列開式齒輪油先后在不同的水泥廠進行了使用，水泥廠給出以下評價結(jié)果：油品表現(xiàn)出了良好的黏附性、潤滑冷卻性和優(yōu)異的抗氧防銹性，降低了設(shè)備噪音和振動，保證了在惡劣工況下設(shè)備的安全平穩(wěn)運行，反映效果非常不錯。產(chǎn)品得到了廠家的質(zhì)量認(rèn)可，并作為其回轉(zhuǎn)窯、大齒輪專用油品采購材料。

某回轉(zhuǎn)窯設(shè)計水泥熟料日產(chǎn)量5000 t，規(guī)格為4.8 m×72 m(筒體內(nèi)徑×長度)，轉(zhuǎn)速為0.4～4.4 r/min，斜度為4%，重量約為850 t，功率約為710 kW。窯體表面溫度為260 ℃左右，使用輪帶潤滑油的輪帶墊板表面溫度約為330 ℃，輪帶直徑約5.9 m，重量約50 t。經(jīng)過近1年的使用后設(shè)備運行狀況良好，對方對油品的效果比較認(rèn)可，同時開具了對昆侖KLD1000輪帶潤滑油的認(rèn)可證書并進行了產(chǎn)品的正式應(yīng)用。

3 結(jié)論

(1)通過基礎(chǔ)油與添加劑的篩選和復(fù)合配方研究，研制出水泥廠特種油品：回轉(zhuǎn)窯軸承軸瓦專用油——大瓦油，M系列開式齒輪油以及KLD1000高性能輪帶潤滑油等油品，具有適宜的黏度，突出的高極壓性、防腐防銹性以及熱氧化安定性。

(2)通過使用試驗驗證，產(chǎn)品完全可以滿足使用要求，性能優(yōu)越，在多家水泥廠使用效果好。