我國(guó)鋁板帶箔冷軋生產(chǎn)及其工藝潤(rùn)滑劑的現(xiàn)狀與發(fā)展

姚鈞耀 楊蘭

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海研究院

經(jīng)歷了改革開(kāi)放以來(lái)的快速發(fā)展期，如今中國(guó)的鋁加工產(chǎn)業(yè)體系完備，體量龐大，增速可觀，消費(fèi)旺盛。中國(guó)已連續(xù)多年保持全球最大鋁材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)地位[1]。鋁材中鋁平軋產(chǎn)品（板、帶、箔）是重要的一部分，在國(guó)內(nèi)其產(chǎn)量可占到鋁材總產(chǎn)量的近40%，通常鋁板帶箔的生產(chǎn)都需要經(jīng)過(guò)冷軋軋制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)鋁板帶材產(chǎn)量1185萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)4.2%，約占全球鋁板帶總產(chǎn)量的45%；2020年中國(guó)鋁箔材產(chǎn)量415萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)3.8%，約占全球鋁箔總產(chǎn)量的65%[2]。

鋁材廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、電子電力、機(jī)械裝備、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)鋁板帶箔的年消費(fèi)總量近幾年已超過(guò)1000萬(wàn)t。國(guó)內(nèi)鋁軋制行業(yè)經(jīng)過(guò)快速發(fā)展，裝備水平日趨先進(jìn)，材料牌號(hào)不斷豐富，同時(shí)為了適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展的需求，對(duì)軋制精度、板面質(zhì)量、生產(chǎn)效率等的要求也在逐步提升，這必然對(duì)鋁冷軋的潤(rùn)滑工藝和潤(rùn)滑介質(zhì)提出了更高的要求[3]。軋制油作為工藝潤(rùn)滑介質(zhì)，在鋁板帶箔的冷軋過(guò)程中起到冷卻、潤(rùn)滑、清洗的關(guān)鍵性作用，直接影響鋁材的表面質(zhì)量。不同的鋁合金材質(zhì)、軋制厚度、生產(chǎn)方式等對(duì)工藝潤(rùn)滑的要求不盡相同，因此需要選用合適的軋制油。具有潤(rùn)滑高功效、板面低污染，同時(shí)兼具穩(wěn)定性和環(huán)保性的鋁冷軋軋制油是當(dāng)前的主要發(fā)展方向。

國(guó)內(nèi)鋁冷軋生產(chǎn)行業(yè)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)的鋁板帶箔冷軋行業(yè)呈現(xiàn)出產(chǎn)量規(guī)模世界第一、技術(shù)裝備水平世界領(lǐng)先、產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展、龍頭企業(yè)不斷壯大等特點(diǎn)。

中國(guó)鋁平軋產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)已超過(guò)500家，超過(guò)世界其他國(guó)家同類(lèi)企業(yè)的總和。截至2019年，中國(guó)在鋁板帶箔冷軋方面的總產(chǎn)能超過(guò)2200萬(wàn)t/a，約占全球的50%以上[4]。但同時(shí)也暴露出產(chǎn)能全面過(guò)剩、同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)加劇的問(wèn)題，這也在一定程度上制約了行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。在2018年之前的10年里，我國(guó)鋁板帶產(chǎn)量的年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)10%，但隨著國(guó)內(nèi)建筑、汽車(chē)等重點(diǎn)消費(fèi)領(lǐng)域增長(zhǎng)放緩，比如2018年全國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量首次出現(xiàn)了下降，鋁材產(chǎn)量增速也開(kāi)始放緩。受新冠疫情影響，全球經(jīng)濟(jì)大幅萎縮，國(guó)內(nèi)疫情已基本得到控制，預(yù)計(jì)未來(lái)兩年我國(guó)鋁板帶箔產(chǎn)量將保持小幅增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。我國(guó)近五年的鋁板帶、鋁箔產(chǎn)量見(jiàn)表1[2]。

表1 近五年中國(guó)鋁板帶、鋁箔產(chǎn)量

中國(guó)的先進(jìn)鋁冷軋裝備大部分是本世紀(jì)引進(jìn)建設(shè)的，裝備水平國(guó)際領(lǐng)先，且數(shù)量全球最多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已建成引進(jìn)技術(shù)的鋁板帶冷連軋產(chǎn)線9條、CVC-6 plus六輥鋁帶單軋機(jī)近30臺(tái)，寬幅鋁箔專(zhuān)用軋機(jī)40臺(tái)以上，這些軋機(jī)設(shè)備大多數(shù)來(lái)自德國(guó)西馬克集團(tuán)[5]。雖然先進(jìn)的大型冷軋機(jī)（輥面寬度大于1800 mm）多數(shù)還依賴(lài)進(jìn)口，但中小型冷軋機(jī)已可基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，且以中色科技、中國(guó)重工院、上海天重等為代表的國(guó)產(chǎn)裝備水平在不斷提高，與國(guó)際先進(jìn)設(shè)備間的差距也在縮小。不過(guò)同時(shí)也應(yīng)該看到，雖然國(guó)內(nèi)鋁冷軋行業(yè)規(guī)模龐大、裝備先進(jìn)，但航空用鋁材等高端鋁平軋產(chǎn)品仍需要進(jìn)口，這就要求進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，走更高質(zhì)量發(fā)展的道路，增長(zhǎng)方式也需由要素驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。

集群化已成為中國(guó)鋁材加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要特點(diǎn)，鋁板帶箔的冷軋生產(chǎn)作為其中重要一環(huán)參與整個(gè)產(chǎn)業(yè)布局。其分布主要呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是圍繞上游電解鋁生產(chǎn)布局，主要在山東、河南、內(nèi)蒙古等地；二是圍繞下游消費(fèi)中心布局，主要是長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。在產(chǎn)業(yè)集群區(qū)，龍頭企業(yè)可帶領(lǐng)行業(yè)爬坡過(guò)坎、突破短板，在引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的作用不可或缺。由中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)評(píng)審出的2019年（第三屆）中國(guó)鋁板帶材十強(qiáng)企業(yè)和2018年（第三屆）中國(guó)鋁箔材十強(qiáng)企業(yè)見(jiàn)表2。產(chǎn)業(yè)集群帶動(dòng)了地區(qū)內(nèi)中小企業(yè)的發(fā)展，但各企業(yè)間技術(shù)裝備、產(chǎn)品質(zhì)量、創(chuàng)新能力等均層次不齊，且易造成混亂的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，因此需加強(qiáng)上下游、企業(yè)間的合作，形成集約化的產(chǎn)業(yè)管理。

表2 中國(guó)鋁板帶材、箔材十強(qiáng)企業(yè)

鋁冷軋工藝潤(rùn)滑劑現(xiàn)狀與發(fā)展

鋁板帶箔冷軋的工藝潤(rùn)滑劑一般是純油型的軋制油，以軋制基礎(chǔ)油為主體，輔以適量的添加劑。按照鋁冷軋行業(yè)的現(xiàn)行特點(diǎn)，鋁軋制油所用的基礎(chǔ)油和添加劑通常是分開(kāi)采購(gòu)的，鋁材廠在生產(chǎn)時(shí)按比例添加使用。根據(jù)往年的用油需求量以及近幾年鋁材增產(chǎn)量估算，目前我國(guó)的年耗鋁冷軋基礎(chǔ)油約為10萬(wàn)t，而添加劑用量約為冷軋基礎(chǔ)油的5% ～10%。

鋁冷軋基礎(chǔ)油

鋁冷軋基礎(chǔ)油是鋁板帶箔生產(chǎn)過(guò)程中的重要輔料，在軋制油中的比例占到90%以上，其對(duì)冷軋工藝以及鋁材成品質(zhì)量有重要影響。目前國(guó)內(nèi)的鋁冷軋基礎(chǔ)油主要選用的是采用加氫精制技術(shù)生產(chǎn)的輕質(zhì)白油，是由原油經(jīng)過(guò)常壓蒸餾、加氫精制、分餾切割而得的不同餾分的基礎(chǔ)油。其中，如果不飽和烴以及硫、氮等非烴類(lèi)物質(zhì)的脫除程度越高，則基礎(chǔ)油的穩(wěn)定性能和清凈性能就越好[6]。優(yōu)良的鋁冷軋基礎(chǔ)油應(yīng)當(dāng)滿足低硫低芳烴、無(wú)毒低氣味、低黏度、高閃點(diǎn)、窄餾程等要求，同時(shí)還需具備良好的退火清凈性和氧化安定性。

最早開(kāi)發(fā)鋁冷軋基礎(chǔ)油的是?？松梨诘葒?guó)外石油公司，其產(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)更新到了第4代[7]。從開(kāi)始的工業(yè)煤油到普通礦物油，再到正構(gòu)烷烴油，直至現(xiàn)在廣泛采用的深度加氫精制礦物油，如今的鋁冷軋基礎(chǔ)油其安全環(huán)保性、退火清凈性、軋制潤(rùn)滑性、添加劑相溶性都有了很大提升。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始，使用進(jìn)口正構(gòu)烷烴基礎(chǔ)油應(yīng)用于鋁材軋制。隨著國(guó)內(nèi)鋁加工業(yè)的發(fā)展和石油煉化技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前鋁冷軋基礎(chǔ)油已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)的煉化企業(yè)以輕質(zhì)石蠟基原油為原料，生產(chǎn)高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的鋁冷軋基礎(chǔ)油，已占有了我國(guó)70%以上的市場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)鋁冷軋基礎(chǔ)油多為混合烷烴基礎(chǔ)油，一般包含70% ～80%的鏈烷烴和20% ～30%的環(huán)烷烴。鏈烷烴的氧化安定性好，油品黏度低，退火清凈性好，適于用作鋁冷軋基礎(chǔ)油；而混合一定比例的環(huán)烷烴，可以提高基礎(chǔ)油對(duì)添加劑的溶解能力，加大對(duì)金屬表面的黏附力，充分發(fā)揮添加劑的潤(rùn)滑效果[8]。

鋁冷軋基礎(chǔ)油在應(yīng)用時(shí)需根據(jù)軋機(jī)設(shè)備、所軋鋁材、生產(chǎn)工藝等因素做出差異化的選擇，油品的理化指標(biāo)是評(píng)判其使用性能以及做出選擇的重要依據(jù)[9]。我國(guó)的石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0913—2015《輕質(zhì)白油》對(duì)相關(guān)系列油品的技術(shù)指標(biāo)做出了要求，目前國(guó)內(nèi)的大多數(shù)煉化企業(yè)在生產(chǎn)可用作鋁冷軋基礎(chǔ)油的輕質(zhì)白油時(shí)也都遵照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油品的運(yùn)動(dòng)黏度、餾程、閃點(diǎn)、芳烴含量、硫含量等關(guān)鍵指標(biāo)做出了規(guī)定，其中閉口閃點(diǎn)是區(qū)分基礎(chǔ)油牌號(hào)的直接依據(jù)，而其本質(zhì)則是根據(jù)不同的餾程和黏度進(jìn)行的劃分。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的兩種典型基礎(chǔ)油牌號(hào)是W1-100和W1-80，它們的關(guān)鍵理化指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 鋁冷軋基礎(chǔ)油關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

W1-100應(yīng)用于鋁板帶生產(chǎn)，因加工過(guò)程中需要較大的油膜強(qiáng)度，故選用黏度相對(duì)大一些的基礎(chǔ)油。而W1-80應(yīng)用在鋁箔生產(chǎn)上，由于鋁箔軋制速度較快，要求油品的揮發(fā)性能要好，因此選用的基礎(chǔ)油黏度低一些。當(dāng)然，隨著板帶箔產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷細(xì)分，鋁冷軋基礎(chǔ)油的選擇不局限于此，比如生產(chǎn)電子鋁箔可選擇介于兩者之間的W1-90基礎(chǔ)油，而生產(chǎn)硬合金系列產(chǎn)品則可使用油膜強(qiáng)度更高的W1-110基礎(chǔ)油。

此外，人們也在不斷探索和研制新型的鋁冷軋基礎(chǔ)油。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[10]，有石化企業(yè)利用ISOSIV分子篩工藝裝置的生成油或產(chǎn)品為主要原料開(kāi)發(fā)鋁冷軋基礎(chǔ)油，結(jié)果表明，雖然原料中的芳烴含量較高，但經(jīng)過(guò)餾分切割、高壓加氫后，也成功制得窄餾分、低芳烴的高檔鋁冷軋基礎(chǔ)油。還有的企業(yè)利用費(fèi)托合成工藝生產(chǎn)的煤制油開(kāi)發(fā)鋁冷軋基礎(chǔ)油[11]，該型基礎(chǔ)油具有高飽和度、高異構(gòu)化、低密度、不含硫、極低芳烴含量、低揮發(fā)性等特點(diǎn)。2014年開(kāi)始，煤制工藝基礎(chǔ)油開(kāi)始在鋁冷軋行業(yè)量產(chǎn)應(yīng)用，取得了一定的業(yè)內(nèi)認(rèn)可和市場(chǎng)份額，甚至有應(yīng)用表明其具有降低油耗的作用，因此也有人將煤制合成油稱(chēng)為新一代的鋁冷軋基礎(chǔ)油。

鋁冷軋?zhí)砑觿?/h3>

相對(duì)于鋁冷軋基礎(chǔ)油，國(guó)產(chǎn)化鋁冷軋?zhí)砑觿┑难邪l(fā)稍顯滯后，國(guó)外進(jìn)口品牌仍占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額，尤其是在大型的鋁加工生產(chǎn)企業(yè)中，在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的同時(shí)，配套購(gòu)買(mǎi)了進(jìn)口的工藝潤(rùn)滑用油。近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)不少潤(rùn)滑油廠家也相繼推出了自己的鋁冷軋?zhí)砑觿┊a(chǎn)品，例如中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司的M0729系列鋁冷軋?zhí)砑觿┊a(chǎn)品，隨著國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的應(yīng)用和更新，目前也逐步得到了市場(chǎng)認(rèn)可，尤其是在中小型鋁冷軋生產(chǎn)企業(yè)中占有了一定份額。

添加劑是提高軋制油性能最經(jīng)濟(jì)有效的途徑之一。由于鋁冷軋基礎(chǔ)油是非極性的石油餾分產(chǎn)品，僅依靠其自身提供的油膜附著能力無(wú)法滿足鋁冷軋所需的潤(rùn)滑需求，所以必須添加一定量的極性添加劑，這樣不僅可以減少摩擦、降低磨損，而且可以提高油膜強(qiáng)度。

由于鋁材質(zhì)地相對(duì)偏軟，而且對(duì)退火表面質(zhì)量要求較高，因此鋁軋制油中通常只添加油性劑，而很少使用極壓劑，以避免引入易引起退火油斑的硫、磷等元素。對(duì)鋁軋工藝來(lái)講，常用的油性添加劑主要是能與金屬表面發(fā)生物理吸附的長(zhǎng)鏈脂肪酸、脂肪醇和脂肪酸酯。由于他們的碳鏈長(zhǎng)度和官能團(tuán)極性各不相同，因此表現(xiàn)出不同的潤(rùn)滑性能特點(diǎn)。對(duì)同一類(lèi)添加劑，其碳鏈越長(zhǎng)，潤(rùn)滑性能越好，但碳鏈過(guò)長(zhǎng)又容易產(chǎn)生退火油斑；而在碳鏈長(zhǎng)度相同的情況下，減摩效果最好的是酸，但酸在退火時(shí)的污染亦最嚴(yán)重，要謹(jǐn)慎使用。此外，添加劑的碳鏈長(zhǎng)度還應(yīng)與基礎(chǔ)油中的鏈烴長(zhǎng)度相匹配，以達(dá)到理想的適應(yīng)性。鋁冷軋?zhí)砑觿┏Ｓ玫闹舅?、醇、酯三?lèi)物質(zhì)的主要特點(diǎn)比較[12]見(jiàn)表4。

表4 不同類(lèi)型添加劑的特點(diǎn)

有研究學(xué)者[13]對(duì)此進(jìn)行了理論研究，提出了鋁材軋制潤(rùn)滑劑吸附自由能的求解方法，結(jié)果顯示在同系物中碳鏈較長(zhǎng)者，吸附自由能也大，相應(yīng)飽和吸附最小濃度小，與金屬之間的吸附強(qiáng)度也就越強(qiáng)。同時(shí)，其依據(jù)基團(tuán)電負(fù)性和氫鍵作用原理，證實(shí)不同極性基團(tuán)在金屬表面吸附強(qiáng)度的順序?yàn)椋呼人?醇>甲酯>乙酯>丁酯。

潤(rùn)滑性和退火清凈性是鋁冷軋?zhí)砑觿┻x型上需要重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)方面，在研發(fā)和選用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮添加劑單體的極性和碳鏈長(zhǎng)度。有研究表明，綜合效果較佳的添加劑單體是C12～C14脂肪醇及脂肪酸甲酯。

此外，鋁冷軋?zhí)砑觿┱咝?fù)合型發(fā)展，兩種或多種添加劑復(fù)合使用時(shí)會(huì)達(dá)到更佳的效果。例如冷軋板帶材多以醇酯型復(fù)合添加劑為主，兩者的有機(jī)組合能夠最大限度發(fā)揮醇、酯各自的潤(rùn)滑特性，達(dá)到潤(rùn)滑減磨效果最大化的目的，同時(shí)，醇和酯添加劑也具有較好的退火清凈性。但在醇酯型復(fù)合添加劑的實(shí)際使用過(guò)程中，醇和酯的消耗速率往往是不同的，鋁加工企業(yè)有時(shí)還需要根據(jù)各自軋機(jī)的工況來(lái)調(diào)整醇、酯比例。

區(qū)別于鋁板帶的加工特點(diǎn)，在鋁箔材軋制時(shí)，由于冷軋鋁箔基礎(chǔ)油的黏度比冷軋板材的要低，且軋制油用量相對(duì)較小，因此對(duì)添加劑的潤(rùn)滑性能要求反而較高。另外，鋁箔軋制時(shí)的道次加工率較大，軋制壓力較高，所以對(duì)潤(rùn)滑劑的油膜強(qiáng)度要求也較高。鑒于酯類(lèi)具有較高的承載能力，故鋁箔用冷軋?zhí)砑觿┏Ｒ怎ヮ?lèi)為主。

鋁冷軋軋制油的發(fā)展趨勢(shì)

在鋁冷軋基礎(chǔ)油方面，未來(lái)的主要發(fā)展方向是清潔和高效。清潔一方面要求更低的芳烴含量和氣味、對(duì)人體和環(huán)境友好，另一方面要求對(duì)板面的污染腐蝕更少、具有更好的退火清凈性。而高效不僅要求基礎(chǔ)油具有較高的油膜強(qiáng)度，適應(yīng)高速、寬幅、連軋、硬質(zhì)合金的軋制生產(chǎn)需要，而且要求更低的使用成本和更低的油耗。

在鋁冷軋?zhí)砑觿┓矫?，隨著鋁材產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升，客戶對(duì)表面質(zhì)量也越發(fā)挑剔，對(duì)添加劑的性能要求也越來(lái)越高，未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：更優(yōu)秀的摩擦學(xué)性能；更好的潤(rùn)濕性能；更好的軋制承載能力；更佳的抗腐蝕性能；更優(yōu)良的退火清凈性。

結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)的鋁冷軋行業(yè)在改革放開(kāi)以來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，規(guī)模已然是世界第一，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮產(chǎn)能裝備優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，謀求高質(zhì)量的發(fā)展，并結(jié)合國(guó)家“一帶一路”等國(guó)際戰(zhàn)略，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和品牌影響力。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)鋁板帶箔產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，鋁軋配套產(chǎn)品的市場(chǎng)將會(huì)快速發(fā)展，市場(chǎng)容量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，并隨著板帶箔產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的細(xì)分，鋁冷軋基礎(chǔ)油及其添加劑會(huì)逐漸形成多規(guī)格、系列化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。