熱重法分析金屬軋制油的退火潔凈性

馬樹俠

熱重法分析金屬軋制油的退火潔凈性

馬樹俠

（中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司分析檢測中心，山東 青島 266500）

金屬軋制工藝的特點(diǎn)要求金屬軋制油在退火后能完全分解或揮發(fā)，退火后表面不存在油斑等缺陷，即金屬軋制油要有良好的退火潔凈性。用熱重分析儀模擬工業(yè)退火程序，分析鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油加熱狀態(tài)下的揮發(fā)情況，通過實驗建立了熱重法分析金屬軋制油退火潔凈性的評價方法。結(jié)果顯示：所選鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油的結(jié)束揮發(fā)熱解溫度遠(yuǎn)低于鋁箔和不銹鋼軋制的退火溫度，可滿足鋁箔和不銹鋼軋制的安全生產(chǎn)要求，且有良好的退火潔凈性。

熱重法：金屬軋制油：退火潔凈性

在金屬軋制加工工藝的發(fā)展中，軋制工藝潤滑起到了非常重要的作用。軋制工藝潤滑可以有效降低和控制軋制過程中的摩擦磨損，提高軋制效率，保證軋材有良好的表面質(zhì)量，降低能源消耗[1]。金屬軋制油用于金屬軋制生產(chǎn)過程的潤滑和冷卻，根據(jù)不同金屬軋制需求，主要分銅材軋制油、鋁材軋制油和不銹鋼軋制油，鋁材軋制油又分為鋁箔軋制油和鋁板軋制油[2]。根據(jù)金屬軋制的工藝特點(diǎn)，尤其是對軋制板表面質(zhì)量要求較高的，要求金屬軋制油具有如下性能：適中的黏度、較高的閃點(diǎn)、較高的抗氧化性能、良好的退火潔凈性、較強(qiáng)的極壓抗磨性等。其中良好的退火潔凈性，即金屬軋制油在退火后能完全分解或揮發(fā)，退火后表面不存在油斑等缺陷[3]。軋制油特別是軋制油中的添加劑，在金屬軋制退火時容易在金屬表面形成油斑，影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量[4]，退火除油比改善力學(xué)性能更為困難[5]。目前可用退火盒法、現(xiàn)場快速退火法定性分析軋制油退火油斑[6]，但這些方法需要有經(jīng)驗的人員根據(jù)表面殘留判斷油品是否合格，退火性能的判斷尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，缺乏通用性和可比性。本文選取鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油為研究對象，嘗試用熱重法分析金屬軋制油加熱狀態(tài)下的揮發(fā)情況，以分析不同軋制油的退火潔凈性。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

金屬軋制加工過程基礎(chǔ)油的選擇至關(guān)重要。動植物油具有良好的潤滑性且油膜強(qiáng)度高，但氧化安定性差，退火時容易在金屬表面留下油斑，影響產(chǎn)品質(zhì)量。礦物油氧化安定性好，對金屬腐蝕性弱，退火易揮發(fā)，對金屬表面污染小[7]。因此金屬軋制油經(jīng)常選用礦物油作為基礎(chǔ)油，添加適量油性劑、極壓劑、抗磨劑、乳化劑等添加劑調(diào)制而成[8]。熱重分析法可模擬工業(yè)爐退火環(huán)境，通過揮發(fā)熱解溫度和最終殘留量來定性分析軋制油的退火潔凈 性[9]。熱重（TG）分析是在設(shè)定好的程序控制溫度下，測量樣品的質(zhì)量隨溫度變化關(guān)系的熱分析技術(shù)，所得的曲線為熱重曲線（即TG曲線），可用來研究材料的熱穩(wěn)定性。TG曲線以溫度為橫坐標(biāo)，質(zhì)量為縱坐標(biāo)[10-11]。

1.2 儀器與試劑

熱重儀，TGA 550，TA公司生產(chǎn)；氮?dú)?，純度?9.99%，調(diào)整至0.1 MPa。

1.3 實驗材料

本文選取市售鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油為研究對象，對市售鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油樣品進(jìn)行測試，其理化性能見表1。

鋁箔軋制油初餾點(diǎn)低，易引起火災(zāi)等安全生產(chǎn)問題，因此初餾點(diǎn)一般不低于200 ℃；終餾點(diǎn)太高，退火時容易產(chǎn)生油斑，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，因此終餾點(diǎn)一般不高于退火溫度300 ℃。目前，國外鋁箔軋制油餾程寬度控制在30 ℃以內(nèi)，國內(nèi)一般要求餾程寬度為30～40 ℃[7]。

不銹鋼軋制油初餾點(diǎn)過低，生產(chǎn)過程中存在安全隱患，同時重組分較多可能造成退火潔凈性變差，因此要求餾程范圍要窄，不超過200 ℃為宜。從安全生產(chǎn)的角度講，閃點(diǎn)過低，容易發(fā)生火災(zāi)等安全問題，因此閃點(diǎn)要保證在160 ℃以上。

表1 市售鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油的理化性能

由表1數(shù)據(jù)可以看出，所選鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油能滿足安全和退火潔凈性要求。

1.4 實驗步驟

金屬軋制油退火工序中，一般退火溫度越高，殘留越少，退火潔凈性越好，即軋制油如能滿足低溫退火潔凈性，則一定能滿足高溫退火潔凈性[12]。參照金屬軋制過程實際退火流程，設(shè)定程序升溫溫度段為室溫至500 ℃，實驗升溫速率10 ℃·min-1，樣品質(zhì)量為5～15 mg。實驗在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，氮?dú)饬髁繛?00 mL·min-1。在此實驗條件下，分別對市售鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油進(jìn)行分析，考察油品在程序升溫下的揮發(fā)熱解情況，得到鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油的TG曲線。

2 結(jié)果與討論

按照設(shè)定的實驗條件，分別對市售鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油進(jìn)行分析，得到鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油的TG曲線，分別為圖1、圖2。

由于金屬軋制時，軋制能大多轉(zhuǎn)換為摩擦熱和金屬塑性變形熱，導(dǎo)致軋件表面溫度和軋輥表面溫度升高。如果軋制油起始熱解溫度太低，不僅造成油品損失，而且容易起火，存在嚴(yán)重的安全隱患。若結(jié)束揮發(fā)熱解溫度高于退火溫度，退火后軋制油在金屬表面有殘余，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，因此可以通過結(jié)束揮發(fā)熱解溫度和殘留量反映軋制油的清潔性能[13-14]。鋁箔軋制時，軋件表面溫度上升到70～80 ℃，軋輥表面溫度上升到60～70 ℃；退火處理時退火溫度一般為300～530 ℃。不銹鋼軋制工藝退火溫度較高，至少在700 ℃以上。

圖1 鋁箔軋制油TG 曲線圖

圖2 不銹鋼軋制油TG 曲線圖

分別對圖1、圖2進(jìn)行處理，得到鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油的起始揮發(fā)熱解溫度、熱解速率最大溫度、結(jié)束揮發(fā)熱解溫度、殘留量，結(jié)果見表2。

表2 鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油TG曲線處理數(shù)據(jù)

結(jié)果表明，鋁箔軋制油65 ℃時開始揮發(fā)熱解，在131 ℃熱解速率達(dá)到最大值，在142 ℃時幾乎完全揮發(fā)熱解，遠(yuǎn)低于退火溫度300～530 ℃。揮發(fā)熱解后殘留量0.011%，為天平正常波動范圍，可認(rèn)為260 ℃后無殘留。揮發(fā)熱解后的樣品盤表面用電子顯微鏡觀察，光亮無油斑，說明鋁箔軋制油具有良好的退火潔凈性。

不銹鋼軋制油138 ℃時開始揮發(fā)熱解，在244 ℃時熱解速率達(dá)到最大值，在260 ℃時幾乎完全揮發(fā)熱解，遠(yuǎn)低于700 ℃以上的退火溫度。揮發(fā)熱解后殘留量-0.004%，為天平正常波動范圍，即260 ℃后無殘留。揮發(fā)熱解后的樣品盤表面用電子顯微鏡觀察，光亮無油斑，說明不銹鋼軋制油具有良好的退火潔凈性。

據(jù)鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油使用情況反饋,鋁箔和不銹鋼經(jīng)軋制后表面光亮無油斑，未出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，無粘輥現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)品表面質(zhì)量良好，合格率高。實驗用鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油具有良好的退火潔凈性，可滿足軋制工藝生產(chǎn)要求。

由實驗可知，軋制油的TG曲線能反映油品的揮發(fā)特性與溫度的關(guān)系，因此可以采用TG熱重法分析金屬軋制油的揮發(fā)熱解溫度，進(jìn)而評價金屬軋制油的退火潔凈性。

3 結(jié) 論

1）用熱重分析儀模擬工業(yè)退火程序，分析鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油加熱狀態(tài)下的揮發(fā)情況，通過實驗建立了熱重法分析金屬軋制油退火潔凈性的評價方法。

2）由TG曲線得到鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油的揮發(fā)熱解溫度及殘留量，結(jié)果顯示軋制油的結(jié)束揮發(fā)熱解溫度遠(yuǎn)低于鋁箔和不銹鋼軋制的退火溫度，可滿足鋁箔和不銹鋼軋制的安全生產(chǎn)要求，且有良好的退火潔凈性。

3）本文僅對鋁箔軋制油和不銹鋼軋制油進(jìn)行實驗，且所選樣本量較少，是否對所有金屬軋制油均適用，尚有待進(jìn)一步驗證。

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Analysis on Annealing Cleanliness of Metal Rolling Oil by Thermogravimetry

(Analysis and Detection Center of CNOOC (Qingdao) Heavy Oil Processing Engineering Research Center Co., Ltd.,Qingdao Shandong 266500, China）

The characteristics of metal rolling process require that the metal rolling oil can be completely decomposed or volatilized after annealing, and there are no defects such as oil spots on the surface after annealing, that is, the metal rolling oil should have good annealing cleanliness. In this paper, the volatilization of aluminum foil rolling oil and stainless steel rolling oil under heating was analyzed by using thermogravimetric analyzer to simulate industrial annealing program. An evaluation method for the annealing cleanliness of metal rolling oil by thermogravimetric method was established through experiments. The results showed that the end volatilization pyrolysis temperatures of the selected aluminum foil rolling oil and stainless steel rolling oil were much lower than the annealing temperature of aluminum foil and stainless steel rolling, meeting the safety production requirements of aluminum foil and stainless steel rolling, and having good annealing cleanliness.

Thermogravimetry; Metal rolling oil; Annealing cleanliness

O657.99

A

1004-0935（2022）02-0206-03

2021-12-24

馬樹俠（1987-），女，山東省青島市人，中級工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：油品分析檢測。