聚醚合成油氣潤滑油的研制

于海 周康 范豐奇 張春光 蒲麗娜

中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心

油氣潤滑是利用壓縮空氣在管道內的流動帶動潤滑油沿管道內壁連續(xù)不斷的流動將油氣混合并輸送至各個潤滑點。近年來，油氣潤滑技術作為一種新型、高效的氣液兩相流體潤滑技術，在國內外冶金行業(yè)應用越來越廣泛。有數(shù)據(jù)顯示[1]，國外2010年時，已有80%以上高速線材軋機滾動軸承采用油氣潤滑系統(tǒng)，2020年至今，國外公司關于油氣潤滑技術的研究和應用已接近完善，許多潤滑設備品牌均有自己的專利產品，且占據(jù)的市場份額更大。我國雖然油氣潤滑系統(tǒng)的應用起步較晚，但發(fā)展迅速。目前大型鋼鐵企業(yè)的冷熱軋、連鑄線及平整機組等大多采用了油氣潤滑系統(tǒng)。

油氣潤滑相比于傳統(tǒng)的稀油潤滑、干油潤滑，它的特點體現(xiàn)在[2]：

◇潤滑效率高，供油精確，可以精確計算油量，按照不同的需要輸送到每一個潤滑點；

◇優(yōu)異的冷卻效果，可以降低軸承的運行溫度，從而延長軸承的使用壽命；

◇良好的密封作用，通過進入軸承內部的壓縮空氣，使?jié)櫥课槐３质滓欢ǖ恼龎?，防止外界污染物和水侵入?/p>

◇耗油量微少，對于相同的潤滑點，油耗量僅為潤滑脂的4%～6%，稀油潤滑的30%～40%；

◇環(huán)保，周圍環(huán)境不會受到污染，有利于環(huán)境保護；

◇特別適用于惡劣工況，如高溫、重載、高速、多水的傳動運行場合。

油氣潤滑技術具有高效、節(jié)能、環(huán)保等突出優(yōu)點，滿足了冶金等行業(yè)在高溫、高速、重載工況下的苛刻潤滑要求。

我國油氣潤滑裝置從初期應用至今，大多采用普通的中、重負荷工業(yè)齒輪油潤滑劑，這些產品雖然能滿足一般的油氣潤滑裝置對油品潤滑性能的要求，但對高溫環(huán)境和低溫環(huán)境等惡劣工況的適應性較差。原因在于：普通中、重負荷工業(yè)齒輪油的基礎油多為APIⅠ類礦物油，由于精制深度不夠，在某些高溫系統(tǒng)尤其是連鑄系統(tǒng)長期處于高溫、烘烤的部位易產生膠質、瀝青質等沉積物，造成分配器輸送管路堵塞，導致潤滑點潤滑不良，出現(xiàn)干摩擦、軸承抱死等情況。近年來，聚醚型合成油氣潤滑油成功解決了礦物油氣潤滑油因結焦引起連鑄系統(tǒng)拉矯機軸承卡死、堵塞油管等問題，因而在鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速。典型產品有國外 PG系列、國內 YBS油氣潤滑油、4410 OA-3合成油氣潤滑油等。但主要以國外產品為主，國內品牌產品市場占有率較低。

供圖/于海

隨首鋼鐵行業(yè)設備用油升級和降本增效國產化需求的深入，開發(fā)自主技術的聚醚合成油氣潤滑油，對于我國高端裝備潤滑技術的配套與升級，具有重要意義。本文重點介紹了 KOA/P聚醚合成油氣潤滑油的研制過程。

聚醚合成油氣潤滑油的研制

基礎油的選擇

油氣潤滑系統(tǒng)多數(shù)應用于冶金行業(yè)高溫、高速、重載的工況條件，如連鑄機組一些輥組或軸承的環(huán)境溫度高達1 400～1 500 ℃，軸承本身溫度也達100～300 ℃，個別部位甚至更高，油氣輸送管路及潤滑點長期處于高溫及強熱幅射狀態(tài)下，普通礦物型油品極易氧化，生成膠質、瀝青質等物質，長期積累會造成輸送管路、油氣分配器堵塞等狀況，因此用于高溫系統(tǒng)的油氣潤滑油基礎油必須選擇熱穩(wěn)定性好的合成基礎油[3]。

個人的喜樂與哀愁，很快又卷進市井擾攘、廟堂鼎食、鄉(xiāng)野山歌、深山梵唄，由一群人到另外一群人，或散或聚，或分或合，之后鼓聲點點，越擂越響，如急風飄雨，好像要將萬事萬物都召集到戰(zhàn)場之上，兩陣對圓，車轔轔，馬蕭蕭，長風浩蕩中，將帥兵卒長槍橫刀，巨锏實錘，各自奮力向前，殺伐決戰(zhàn)，馬鳴箭嘯，血突骨折，輾轉號啕，以命搏命，以血換血，決定生死。

聚醚又稱聚亞烷基二醇，是由環(huán)氧化合物及其衍生物共聚或均聚而成的主鏈中含有醚鍵結構的高分子聚合物，其主要結構單元由環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷( PO)、環(huán)氧丁烷(BO)或四氫呋喃(THF)組成，分為3種類型：油溶性聚醚、水溶性聚醚、水不溶性聚醚。聚醚相較于傳統(tǒng)的基礎油，如礦物油、合成烴、酯類油等具有許多優(yōu)良性能，其中包括良好的潤滑性能，黏溫性能以及高低溫性能等。聚醚與礦物油、合成烴、酯類油在油氣潤滑油相關特性的對比見表1[4]。

表1 聚醚與礦物油、合成烴、酯類油在油氣潤滑油相關特性的對比

從表1中可以看出，聚醚基礎油在黏溫特性、抗老化、摩擦系數(shù)上較為出色，尤其是抗結焦性上非常優(yōu)異，高溫下使用，生成的氧化產物能夠完全溶解在聚醚液體中或者揮發(fā)掉，設備中不留下沉積物，是油氣潤滑油理想的基礎油組分。酯類油也具有非常好的高溫性能，其抗結焦性也較優(yōu)異，經常用作高溫潤滑油的基礎油。而油氣潤滑油由于經常接觸高溫環(huán)境，需要特別考慮高溫性能，因而酯類油也是很理想的油氣潤滑油基礎油組分。

在 KOA/P合成油氣潤滑油的研制過程中，試驗對國內外同類產品進行了剖析發(fā)現(xiàn)，目前國內外產品中，基礎油體系大多采用水不溶性聚醚基礎油。同時，試驗結合油氣潤滑裝置的工況特點以及兼顧添加劑相容性的考慮，在多款水不溶性聚醚和酯類油的篩選中，優(yōu)選了水不溶性聚醚基礎油A和合成酯基礎油B混合組分作為基礎油。所選2種基礎油的主要理化指標分別見表2、表 3。

表2 水不溶性聚醚基礎油A質量指標及實測值

表3 合成酯基礎油B質量指標及實測值

抗磨劑的選擇

由于油氣潤滑系統(tǒng)每次的給油量很少，且在高溫、高速、高負荷工況下，需要油品保持一定的油膜厚度，因此要求油品具有優(yōu)異的極壓抗磨性能，以減少設備磨損和延長設備的使用壽命[3]。

由于聚醚基礎油的分子結構中含有大量的烷氧基團，使得常用的抗磨添加劑在聚醚基礎油中與在石油基礎油如礦物油、合成烴以及酯類油中的相容性存在較大的差異，部分的添加劑不能直接用于聚醚的潤滑油配方中[5]。因此，試驗首先對幾種抗磨劑以一定量[加劑量小于1%（質量分數(shù)）]與水不溶性聚醚基礎油A和合成酯基礎油B的相容性進行了考察（50 ℃～60 ℃加熱攪拌后，降溫靜置后，目測觀察是否有渾濁、分層、沉淀等現(xiàn)象）。此外，不同抗磨劑在高溫下的抗結焦性也不同，試驗同時結合現(xiàn)場工況參數(shù)按照要求開展了成焦板結焦性（自建RH01ZB4111成焦板方法，板溫316 ℃，油溫106 ℃，4 h）考察，試驗結果見表4。

表4 幾種減摩劑與聚醚油的相容性和高溫下結焦性考察

從表4中可以看出，10種抗磨劑中，6款單劑（磷酸三甲酚酯、異構磷酸酯混合胺鹽、短鏈亞磷酸酯、硫代磷酸酯、中性磷酸酯和雜環(huán)/亞磷酸酯胺鹽）對混合基礎油的相容性良好。結合結焦性的考察結果，試驗優(yōu)選異構磷酸酯混合胺鹽、短鏈亞磷酸酯和中性磷酸酯作為抗磨劑摩擦學試驗的考察對象。

將相容性和結焦性良好的3種抗磨劑以一定量[加劑量小于1%(質量分數(shù)）]按不同組合加入到水不溶性聚醚基礎油A和合成酯基礎油B的調和基礎油中，考察各油樣在四球試驗（1 450 r/min，25 ℃）GB/T 3142—2019中的摩擦學性能，結果見表5。

表5 抗磨劑四球摩擦性能考察

從表5可以看出，采用異構磷酸酯混合胺鹽和中性磷酸酯的復配方案相較于單一組分對于油品的最大無卡咬負荷PB值和燒結負荷PD值提升最大。故試驗確定抗磨劑方案為異構磷酸酯混合胺鹽和中性磷酸酯的復配組合。

防銹劑的選擇

連鑄系統(tǒng)需要大量冷卻水冷卻鋼坯及輥子軸承，使得油氣潤滑油在潤滑過程中易受到水蒸氣的侵蝕，引起設備腐蝕和銹蝕，所以油品的防銹性能非常重要。在石油基基礎油中，一般防銹劑僅需要很低的加劑量就能有效地抑制銹蝕，而在極性基礎油中尤其是聚醚中，同樣的防銹劑在更高的加劑量下，往往都不能發(fā)揮作用[6]。因此，需要對防銹劑的進行篩選考察，防銹劑的加劑量為0.1%（質量分數(shù)），考察結果見表6。

表6 各防銹劑的考察

從表6中可以看出，采用咪唑林衍生物和磺酸鈣的復配方案相較于其他防銹劑，具有很好的防銹效果，故試驗優(yōu)選咪唑林衍生物和磺酸鈣的復配方案。

抗氧劑的選擇

由于油氣潤滑油的潤滑點溫度高，極易氧化變質，且氧化后生成各種膠質等會堵塞分配器，導致供油不足，使設備產生過量磨損，甚至嚴重損壞[3]，因此要求油品具有優(yōu)良的熱氧化安定性和抗結焦性能。聚醚基礎油雖然在高溫下能抑制油泥的生成，但其本身的抗氧化性能較差[7]。試驗對多種抗氧劑組合通過旋轉氧彈法（SH/T 0193）和成焦板試驗（自建RH01ZB4111成焦板方法）進行了考察，抗氧劑加劑量為0.2%（質量分數(shù)），結果見表7。

表7 各抗氧劑的考察

從表7中可以看出，采用不同結構胺型抗氧劑組合或者酚胺組合的抗氧體系均可有效提高油品的抗氧化性能，其中，雖然不同結構胺型抗氧劑組合的旋轉氧彈值最高，但結焦性略大于T501和辛基苯基α-萘胺的組合方案，故綜合各氧化試驗結果，試驗優(yōu)選T501和辛基苯基α-萘胺的組合方案。

研制油綜合性能考察

實驗室通過抗磨劑、防銹劑、抗氧劑等添加劑的篩選，并對配方中各添加劑之間的配比進行了平衡，形成了 KOA/P聚醚合成油氣潤滑油配方技術，并對調和油品的各項性能進行了考察，結果見表8。

表8 KOA/P100、KOA/P150、KOA/P220聚醚合成油氣潤滑油典型值

從表8中可以看出，研制的KOA/P系列聚醚合成油氣潤滑油各牌號產品具有良好的黏溫性能、低溫性能、防銹性能、抗氧化性能以及極壓抗磨性能。

對研制油與國外同類有代表性的競品進行了各項理化性能的對比，以黏度牌號為150號和220號為例，見表9。

表9 KOA/P150、KOA/P220與同牌號國外競品理化性能對比

從表9中可以看出，研制的KOA/P150、KOA/P220聚醚合成油氣潤滑油產品與同牌號國外同類產品相比，具有更優(yōu)的黏溫性能、蒸發(fā)損失、抗氧化性能以及極壓性能。

除卻常規(guī)理化性能分析以外，抗結焦性是聚醚合成油氣潤滑油最重要的指標之一。開展了 KOA/P合成油氣潤滑油成焦板結焦性（自建RH01ZB4111成焦板方法）考察試驗并與同類競品進行了對比，結果見表10、圖1。

圖1 研制油與競品成焦板試驗鋼片外觀對比

表10 成焦板結焦性結果

從表10和圖1可以看出，研制油的結焦量遠低于同類競品質量水平，說明研制油具有優(yōu)異的抗氧化性能，可抑制結焦生成。對應實際工況，可以防止連鑄系統(tǒng)因油品結焦問題，造成分配器輸送管路堵塞，導致潤滑點潤滑不良，出現(xiàn)干摩擦、軸承抱死等情況。

2018年底以來，KOA/P系列合成油氣潤滑油在山西某特鋼有限公司成功應用，應用四年期間，軋輥軸承潤滑良好，無缺油、少油現(xiàn)象，油氣分配器內部無高溫結膠現(xiàn)象，設備運行正常，客戶無問題反饋，使用效果良好。

結論

以聚醚為基礎油輔以抗磨劑、抗氧劑、防銹劑等多種添加劑研制而成的 KOA/P聚醚合成油氣潤滑油具有優(yōu)異的氧化安定性、抗結焦性、極壓抗磨性以及黏溫性能和低溫性能，可滿足冶金工業(yè)大型連鑄機和連軋機組的油氣潤滑裝置的潤滑系統(tǒng)，如各式冷熱軋板帶軋機、線材及棒材軋機、連鑄機及附屬設備的軸承等的潤滑需求。該系列產品達到國外同類產品質量水平，在抗氧化性、抗結焦性方面更有優(yōu)勢。