回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦油的研制

梁依經(jīng)，伏喜勝，張遂心，華秀菱，周 康，劉 革

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司)

回轉(zhuǎn)窯是氧化鋁及水泥企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)裝置，托輪作為回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)動(dòng)支撐點(diǎn)，如果潤(rùn)滑不良，就會(huì)造成軸瓦摩擦、磨損、發(fā)熱、拉絲、膠合、抱瓦，甚至翻瓦現(xiàn)象，直接影響到水泥企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)窯窯體的質(zhì)量超過(guò)800 t，整個(gè)窯體由多檔托輪支撐，平均每塊托輪瓦承重50 t以上，回轉(zhuǎn)窯的表面溫度在190 ℃左右，燒結(jié)溫度在1 300 ℃左右，其負(fù)荷重、溫度高、粉塵大、潮濕，運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣，因此對(duì)潤(rùn)滑的要求十分苛刻[2-6]。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)門(mén)用于托輪軸瓦的潤(rùn)滑油較少，國(guó)內(nèi)主要以進(jìn)口專(zhuān)用托輪軸瓦油為主。為了解決回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦的潤(rùn)滑問(wèn)題，許多水泥廠采用含瀝青質(zhì)的重油或重負(fù)荷車(chē)輛齒輪油來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑[7]。但是由于該類(lèi)油品黏溫性、黏附性都較差，在邊界潤(rùn)滑條件下，易因油膜破裂而形成干摩擦，從而發(fā)熱頻繁，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了回轉(zhuǎn)窯的正常運(yùn)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(jì)的合理性、制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量、工藝操作水平和維護(hù)狀況等，而油品性能對(duì)潤(rùn)滑的影響也是不容忽視的。潤(rùn)滑油的黏度、黏溫特性、極壓性能、氧化性能等對(duì)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(rùn)滑油進(jìn)行合理潤(rùn)滑極為重要。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究以聚α-烯烴和聚異丁烯等為原料，研制了一種專(zhuān)用于回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦的潤(rùn)滑油。

1 試驗(yàn)方法

本研究中用到的非標(biāo)試驗(yàn)方法如下：①黏附性試驗(yàn)。取相同規(guī)格的2個(gè)方形鋼片(5 cm×5 cm)，分別稱(chēng)量相同質(zhì)量的試驗(yàn)油和參比油，均勻涂于鋼片表面，然后垂直懸掛，24 h后觀察鋼片表面殘留的試驗(yàn)油量，來(lái)判斷油品的黏附性。②儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)。將油品置于100 mL特制的錐形瓶中，在70 ℃下放置30 d，觀察并記錄沉淀量。

2 托輪軸瓦潤(rùn)滑油的研制

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

對(duì)于托輪軸瓦油來(lái)說(shuō)，其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(yùn)行速度的計(jì)算，要求油品的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)不小于80 mm2/s，一般基礎(chǔ)油無(wú)法達(dá)到要求，必須選用高黏度的基礎(chǔ)油，加入一定的黏度指數(shù)改進(jìn)劑進(jìn)行稠化。由于高黏度的聚α-烯烴[8-10]黏溫性能好、溫升小、抗氧化性能好，非常適用于低速重載的工況，因此，本研究中選擇聚α-烯烴PAO40為基礎(chǔ)油。

2.2 添加劑的選擇

2.2.1 黏度指數(shù)改進(jìn)劑黏度指數(shù)改進(jìn)劑的選擇主要取決于單位黏度增加能力和剪切安定性，常用的有3類(lèi)：聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙丙共聚物(OCP)、聚異丁烯(PIB)，它們的性能對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，PIB的稠化能力較高，尤其是剪切穩(wěn)定性最好，適合作高黏度油品的稠化劑，因此本研究選擇PIB作為黏度指數(shù)改進(jìn)劑。

表1 3類(lèi)黏度指數(shù)改進(jìn)劑性能比較

PIB有不同種類(lèi)，本研究選擇3種不同生產(chǎn)廠家具有代表性的PIB，將其以不同比例與PAO40調(diào)合，得到的托輪軸瓦油基礎(chǔ)油的黏度見(jiàn)表2。從表2可以看出：加入50%(w)平均相對(duì)分子質(zhì)量為1 000的PIB時(shí)，基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)才達(dá)到76.61 mm2/s，而加入20%～30%(w)平均相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB或 20%～25%(w)平均相對(duì)分子質(zhì)量為3 300的PIB時(shí)，基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)就可以稠化到90 mm2/s以上。因此選擇稠化能力好的平均相對(duì)分子質(zhì)量分別為2 300與3 300的PIB進(jìn)行剪切穩(wěn)定性測(cè)定。

表2 不同調(diào)合托輪軸瓦油基礎(chǔ)油的黏度

注：M代表PIB的平均相對(duì)分子質(zhì)量。

將兩種PIB以一定比例加入到同一種基礎(chǔ)油中進(jìn)行FZG剪切穩(wěn)定性測(cè)定，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出：相對(duì)分子質(zhì)量為3 300的PIB稠化能力略優(yōu)于相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB，剪切穩(wěn)定性略差于相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB，但由于相對(duì)分子質(zhì)量為3 300的PIB單劑價(jià)格高于相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB，單位調(diào)合成本也高，因此選用相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB作為本研究的黏度指數(shù)改進(jìn)劑。

表3 兩種PIB的FZG 剪切穩(wěn)定性對(duì)比

2.2.2 極壓抗磨劑托輪軸瓦油要求具有好的黏附能力和極壓抗磨性能，本研究重點(diǎn)對(duì)硫磷劑進(jìn)行了考察。在實(shí)驗(yàn)室主要通過(guò)測(cè)定油品的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB)、燒結(jié)負(fù)荷(PD)和綜合磨損值(ZMZ)來(lái)評(píng)價(jià)其承載性。將硫化異丁烯(T321H)、P-1(硫代磷酸酯)、P-2(磷酸酯胺鹽)、P-3(硫代磷酸酯胺鹽)和P-4(酸性亞磷酸酯)分別以1.0%(w)的加劑量加入到99.0%(w)的托輪軸瓦油基礎(chǔ)油中進(jìn)行極壓抗磨性能考察，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 極壓抗磨劑考察

從表4可以看出：T321H的PB、PD均較高，含磷劑P-4的PB最高。油品的PB和PD從不同角度反映了油品的承載能力，托輪軸瓦油要求具有高承載能力，對(duì)油品的PB、PD都有較高的要求。因此，綜合考慮選擇T321H和P-4作為極壓抗磨劑組分。

對(duì)T321H與P-4的復(fù)合比例進(jìn)行考察，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，T321H與P-4在配方中的較佳調(diào)合質(zhì)量比為2∶1。

表5 T321H與P-4的復(fù)合比例考察結(jié)果

2.2.3 油性劑托輪作為支撐著運(yùn)動(dòng)中回轉(zhuǎn)窯的支點(diǎn)，承受著熱負(fù)荷、物料負(fù)荷和窯自重三大載荷，由于齒輪接觸壓力高，承受高沖擊；齒面間的滑動(dòng)方向和速率急劇變化，并帶有沖擊負(fù)荷，連續(xù)性的滑動(dòng)，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(huì)加速油膜破壞，因此托輪軸瓦專(zhuān)用油除了對(duì)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(qiáng)度，以防齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)中被擠出或甩掉。為此，托輪軸瓦油中除了極壓抗磨劑的加入，還需加入一些油性劑。

油性劑的作用機(jī)理是其分子中的極性基團(tuán)牢固地吸附在金屬表面上，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%(w)的加劑量加入到99.0%(w)托輪軸瓦油基礎(chǔ)油中，進(jìn)行PB的考察，結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出：相比于其他幾種油性劑，F(xiàn)1在托輪軸瓦油中的PB較好，因此選擇F1作為油性劑。

表6 不同油性劑油膜強(qiáng)度的考察結(jié)果

2.2.4 抗氧化劑潤(rùn)滑油的抗氧化性能是反映其品質(zhì)好壞的重要標(biāo)志，決定著潤(rùn)滑油的使用壽命，并影響其使用性能。目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)用于水泥廠回轉(zhuǎn)窯軸承軸瓦潤(rùn)滑的油品不多，許多水泥廠采用瀝青質(zhì)重油或氣缸油進(jìn)行潤(rùn)滑，氧化性能相對(duì)較差，出現(xiàn)使用后積炭嚴(yán)重、油泥及沉積物多等現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，本研究通過(guò)在配方體系中加入一定量的抗氧劑來(lái)提高油品的抗氧化性能，并進(jìn)一步確定油性劑F1的加量，結(jié)果見(jiàn)表7。從表7結(jié)果可以看出，和T501、T502相比，烷基二苯胺在托輪軸瓦油配方中具有更好的抗氧化性能。且當(dāng)油性劑F1和烷基二苯胺抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%和0.1%時(shí)，托輪軸瓦油具有較好的抗氧化性能。

表7 不同抗氧化劑在托輪軸瓦油中抗氧化性能考察結(jié)果

1)抗氧劑為T(mén)501。
2)抗氧劑為T(mén)502。
3)抗氧劑為烷基二苯胺。

2.2.5 固體添加劑水泥廠軸瓦的工況主要是低速重載，軸瓦溫度容易升高，油品黏附性不好時(shí)，油膜很容易破裂導(dǎo)致潤(rùn)滑不良，因此本研究擬加入固體潤(rùn)滑劑，一方面是為了提高油品的黏附性，另一方面則是防止油膜破裂后，仍然能夠提供有效潤(rùn)滑[11-12]。但是，如固體添加劑選擇不當(dāng)，則不能均勻地分散在油品中，容易團(tuán)聚形成較大顆粒，反而影響其使用性能。

本研究選擇納米石墨作為固體添加劑，進(jìn)行黏附性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性考察，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。從表8可以看出，當(dāng)固體添加劑加劑量(w)大于2.5%時(shí)，油品具有很好的黏附性；但當(dāng)加劑量(w)達(dá)3.5%時(shí)，油品儲(chǔ)存時(shí)有微量沉淀出現(xiàn)，說(shuō)明過(guò)多的固體添加劑不能均勻分散在油品中。因此，選擇固體添加劑加劑量(w)為2.5%～3.0%。

表8 固體添加劑考察結(jié)果

3 性能和應(yīng)用

3.1 性能評(píng)價(jià)

根據(jù)前面對(duì)各添加劑的選擇，調(diào)制托輪軸瓦油，對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，并與市售某國(guó)外油品對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表9。從表9可以看出，研制的托輪軸瓦油具有適宜的黏度，較好的黏溫性能，良好的極壓性能和抗氧化性能，與市售某國(guó)外油品相比，具有更加優(yōu)異的低溫性能和承載能力。

表9 托輪軸瓦油性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 應(yīng) 用

研制的托輪軸瓦油產(chǎn)品，在習(xí)水賽德水泥有限公司回轉(zhuǎn)窯上得到應(yīng)用，目前已使用兩年，用戶反饋使用效果較好，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，且認(rèn)為油品黏附性優(yōu)異，解決了原用油在低速重載工況下軸瓦溫度升高的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

選用PAO40為基礎(chǔ)油、PIB(相對(duì)分子質(zhì)量2 300)為黏度指數(shù)改進(jìn)劑，以硫化異丁烯與酸性亞磷酸酯(質(zhì)量比2∶1)的復(fù)合劑為極壓抗磨劑、F1為油性劑、烷基二苯胺為抗氧劑，并添加納米石墨固體添加劑，研制的托輪軸瓦油黏溫性能好，具有良好的極壓性能和抗氧化性能，能夠滿足水泥廠回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦的潤(rùn)滑要求。