馬永宏 鄭延波 曹 進(jìn) 郭 槐 王 超

摘要:介紹了不銹鋼冷軋工藝的特點(diǎn),同時(shí)對該過程使用的冷軋油性能進(jìn)行了要求;剖析了廣泛使用的不銹鋼冷軋油S-60,暫定了研制質(zhì)量指標(biāo)。通過對基礎(chǔ)油及添加劑的篩選,確定了適合制備冷軋油使用的基礎(chǔ)油及添加劑。最后通過退火清凈性、潤濕性能、儲存穩(wěn)定性及軋機(jī)實(shí)驗(yàn),對產(chǎn)品綜合性能進(jìn)行了考察與評價(jià)。結(jié)果表明:研制的昆侖不銹鋼冷軋潤滑油與S-60的理化及使用性能相當(dāng)。

關(guān)鍵詞:不銹鋼;冷軋;潤滑油

中圖分類號:TE626.39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

The Development and Application of Cold-Rolling Oil for Stainless Steel

MA Yong-hong1, ZHENG Yan-bo1, CAO Jin2, GUO Huai3, WANG Chao3

(1.PetroChina DaLian Lubricating Oil R&D Institute,Dalian 116032,China;2. PetroChina East China Lubricant Marketing Company,Shanghai 200122,China;3. PetroChina Centre-South China Lubricant Marketing Company,Guangzhou 510⁶20,China)

Abstract:The characteristic of cold-rolling process for stainless steel is described, and the properties demand of the oil used in the cold-rolling process are put forward. The cold-rolling oil (S-60) widely used for stainless steel is analyzed, the quality index is temporarily made. At the same time, the appropriate base oil and additive were selected to prepare the cold-rolling oil. Finally, the comprehensive properties of the product were investigated, such as annealing detergence, wettability, stability and lubricating property for rolling experiment. The result showed that Kunlun cold-rolling lubricating oil for stainless steel is a match for S-60 in the physical property, chemical property and serviceability.

Key words:stainless steel; cold-rolling; lubricating oil

0 前言

不銹鋼冷軋油是不銹鋼板冷軋工藝過程中使用的潤滑、冷卻介質(zhì),其主要是在不銹鋼冷軋過程中起冷卻、潤滑、防銹等作用。

相對于普通的鋼板軋制,不銹鋼冷軋的工藝特點(diǎn)主要有三點(diǎn):(1)對軋后鋼板表面質(zhì)量要求較高,尤其是光亮退火后的鋼板表面,不但要求板形好、精度高,而且要求表面光澤;(2)不銹鋼強(qiáng)度高、加工硬化快,但塑性好、變形過程中粘輥傾向大;(3)不銹鋼的導(dǎo)熱性能差,如321不銹鋼的導(dǎo)熱性僅為碳鋼的27%,因此需要及時(shí)將冷軋過程產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移。

根據(jù)不銹鋼冷軋的工藝特點(diǎn),不銹鋼冷軋油應(yīng)具有如下性能:

(1)較強(qiáng)的極壓抗磨性:由于不銹鋼冷軋軋制壓力高,軋制油必須具有較強(qiáng)的極壓性能,減少摩擦,降低軋制壓力,同時(shí)對支撐輥及傳動裝置進(jìn)行潤滑。

(2)良好的退火清凈性:對不銹鋼板面質(zhì)量要求較高,要求其冷軋油在退火后能完全分解或揮發(fā),退火后的鋼板表面光亮性較好。

(3)良好的抗氧化性:不銹鋼軋制油在循環(huán)使用過程中,在周期性的高溫、高壓作用下,以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下,易發(fā)生油品氧化變質(zhì),所以應(yīng)具備較高的抗氧化性能。

(4)適中的粘度,確保其冷卻性能,同時(shí)盡量減少退火時(shí)軋制油對不銹鋼表面的污染,而其潤滑性能可通過添加劑進(jìn)行調(diào)劑。

(5)較高的閃點(diǎn),以保證高速軋制時(shí)的油品安全性。

目前我國冷軋不銹鋼的年產(chǎn)量已超過300萬t,不銹鋼冷軋時(shí)噸鋼所消耗的冷軋油量約2 kg,因此全國不銹鋼冷軋油年需求量將達(dá)到6000 t左右。

我國不銹鋼軋制潤滑油研制工作起步較晚,目前國內(nèi)多數(shù)不銹鋼軋制需要依賴國外公司相關(guān)的產(chǎn)品,如Mobile的Genrex 26、ESSO的Somentor N系列和日本大同公司的dai roll系列,但進(jìn)口油價(jià)格昂貴,造成生產(chǎn)成本高,削弱了產(chǎn)品的市場競爭力,所以開展不銹鋼冷軋潤滑油的研制工作是十分必要和緊迫的。

1 研制產(chǎn)品暫定質(zhì)量指標(biāo)

不銹鋼冷軋潤滑油在國內(nèi)外一直沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),各生產(chǎn)廠家都是按照自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。參照不銹鋼冷軋工藝特點(diǎn)和潤滑要求,并結(jié)合不銹鋼冷軋生產(chǎn)廠常用的國外公司產(chǎn)品S-60性能指標(biāo),制定研制產(chǎn)品的暫定技術(shù)指標(biāo),見表1。

2 研制部分

2.1 基礎(chǔ)油的篩選

不銹鋼冷軋工藝要求其冷軋潤滑油要有良好的退火清凈性。如果所用基礎(chǔ)油餾程過大,可能閃點(diǎn)偏低導(dǎo)致生產(chǎn)過程的安全性不能得到有效保護(hù),同時(shí)重組分可能較多造成冷軋油的退火清凈性變差。

要求研制產(chǎn)品所選基礎(chǔ)油的餾程要窄,以不超過200 ℃為宜,并且從安全生產(chǎn)角度來講,所選基礎(chǔ)油閃點(diǎn)要保證在160 ℃以上。

綜上所述,并結(jié)合中國石油潤滑油公司相應(yīng)的基礎(chǔ)油資源,選擇了三種可用基礎(chǔ)油進(jìn)行篩選,分別為A基礎(chǔ)油、B基礎(chǔ)油、C基礎(chǔ)油,具體理化分析結(jié)果見表2。

由表2基礎(chǔ)油分析結(jié)果來看,基礎(chǔ)油C的粘度指數(shù)過低,在實(shí)際使用過程中粘度變化相對大而影響到冷軋工藝的潤滑,且其40 ℃粘度為9.872 mm²/s,大于9.5 mm²/s的暫定指標(biāo),不符合基礎(chǔ)油的要求;基礎(chǔ)油B的粘度超出軋制油的粘度范圍;基礎(chǔ)油A的粘度、餾程、閃點(diǎn)都較為適中,適宜做不銹鋼冷軋油的基礎(chǔ)油。

2.2 添加劑的篩選

2.2.1 抗磨、油性劑的篩選

由于不銹鋼冷軋潤滑油需要較好的防粘輥性能,所以要求所用油性、抗磨劑要有適中的油膜強(qiáng)度,該性能可通過評價(jià)四球機(jī)的P_B來表征,P_B值不能過高,原因有三點(diǎn):

(1)考慮到軋后產(chǎn)品表面質(zhì)量,若油膜過厚,使得油膜產(chǎn)生 “屏蔽效應(yīng)”,即過厚的油膜保護(hù)了軋板原始粗糙表面,阻礙了軋輥對軋件的輥光,會造成軋后產(chǎn)品表面光亮度下降;

(2)過高的潤滑性會使得摩擦力變小,軋制過程中鋼板與軋輥無法咬入,使得軋制無法正常進(jìn)行;

(3)過高的潤滑性可能需要加入較多的極壓抗磨劑,過多極壓劑的引入可能會導(dǎo)致軋輥腐蝕,造成軋機(jī)的損壞。

由于極壓劑多為含硫、磷、氯或金屬元素的有機(jī)化合物,在高溫、重負(fù)荷下與金屬表面反應(yīng)生成無機(jī)物膜,防止燒結(jié)和減少磨損。但這類化合物通常為活性物質(zhì),往往帶來腐蝕和安定性問題,且不銹鋼軋制油不僅作為不銹鋼軋制的工藝用油,同時(shí)也是不銹鋼冷軋機(jī)的軋輥軸承的潤滑劑,所以對極壓劑的選擇較為慎重。

油性劑可有效降低邊界摩擦系數(shù),進(jìn)而降低軋制負(fù)荷,提高軋制速度。脂肪酸、脂肪醇、酯(脂)是軋制油配方中常用的油性添加劑,脂肪酸類油性劑的退火清凈性較差,所以本次配方的研制不考慮引入脂肪酸類油性劑。本配方的油性劑考察以脂肪醇類和酯類油性劑為主。當(dāng)添加劑類型一定時(shí),隨碳鏈增長,其潤滑性能變好,但同時(shí)退火清凈性變差,少于10個(gè)碳的醇和酯在軋制中通常無油性,而碳原子太多在退火時(shí)又容易產(chǎn)生褐色沉淀,一般認(rèn)為,碳原子數(shù)在12~18之間時(shí)作用效果最佳[1]。

根據(jù)以上依據(jù)考察復(fù)配出與參比油相當(dāng)?shù)臉O壓、油性劑組成,見表3。

由表3油性、抗磨劑考察結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出,醇-1與酯-7和AW-2復(fù)配后,降低酯-7的加劑量,P_B值小于暫定指標(biāo)392 N(配方z-80、z-81、z-82、z-83)。添加劑醇-1的加劑量增加對體系的潤滑性能提高并無貢獻(xiàn);AW-2的加劑量從加劑量增加對潤滑性能的影響并不大,所以確定配方z-64為最適宜的潤滑劑復(fù)配方案。

2.2.2 其他添加劑的選擇

不銹鋼冷軋潤滑油作為一種循環(huán)用油,在換油期內(nèi)循環(huán)使用,在周期性的高溫、高壓作用下,以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下,油品易氧化變質(zhì),所以要求具備較好的抗氧化能力,為了有效提高油品抗氧化性,需加入一定量抗氧化劑。

由于不銹鋼冷軋潤滑油同時(shí)還起到對軋輥軸承的潤滑作用,要求油品具有一定的防銹性能,故研制油中需加入一定的防銹劑。

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)研究,最終確定了不銹鋼冷軋油的配方,見表4。

不銹鋼冷軋潤滑油的總加劑量大約6%左右。

3 產(chǎn)品綜合性能評價(jià)

3.1 退火清凈性考察

不銹鋼冷軋鋼板的退火溫度一般在10⁵0~1080 ℃之間,目前不銹鋼冷軋廠家通常采用光亮退火,即在氮?dú)夂蜌錃獗Ｗo(hù)下退火,以消除軋制過程中由于板面塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,退火時(shí),殘余在板面的冷軋油可能會在板面形成殘留,影響板面的表面光潔度,因此要求冷軋油具有良好的退火清凈性。利用熱重分析來模擬工業(yè)爐退火環(huán)境,通過最終軋制油殘留量來定性分析它的退火清凈性[2]。 具體方法如下:模擬實(shí)際工況條件,將帶油坩堝放入加熱爐中,在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱到一定溫度,考察基礎(chǔ)油與添加劑在高溫下的分解情況及坩堝的表面狀況,從而評價(jià)基礎(chǔ)油與添加劑的高溫清凈性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有較好的關(guān)聯(lián)。對冷軋油來說,一般退火溫度越高,清凈性就越好,即滿足低溫退火清凈性要求的冷軋油,一定能滿足高溫退火清凈性[2]。熱重分析儀退火清凈性試驗(yàn)條件如下:

溫度:加熱至500 ℃;

樣品量:(20±1) mg;

氣體流速:(50±5) mL/min;

升溫速率:10 ℃/min[2]。

研制油與S-60參比油TGA考察結(jié)果見圖1。

從圖1看出,研制油與參比油在400 ℃時(shí)分解殘余量都≤0.2%,且分解后坩堝表面用電子顯微鏡觀察均光亮無油斑,所以研制油也具有優(yōu)良的退火清凈性。

3.2 潤濕性能的考察

冷軋油在噴淋到軋板的瞬間要求能立即鋪展在軋板表面,從而起到潤滑、冷卻等的作用。鋪展是少量液體在固體表面上自動展開并形成一層薄膜的現(xiàn)象。用鋪展系數(shù)S作為衡量液體在固體表面能否鋪展的判據(jù),其與液體滴落在固體表面前后的表(界)面張力關(guān)系有關(guān):

S=γ^s-γ^1s-γ¹

γ^s、γ^1s、γ¹分別表示在一定溫度下的固-氣、固-液及氣-液之間的表(界)面張力。S≥0則液體能在固體表面上發(fā)生鋪展;若S<0則不能鋪展。由上式可見,γ¹越小則S越大,也就是液體越容易在固體表面鋪展開,而一般來說液體的表面張力越小,液氣與液固的界面張力也會相對較小,所以只要測量γ¹的數(shù)值,就能比較出冷軋油在金屬表面的鋪展性能。

用圓環(huán)法測量考察配方與參比油表面張力的對比見表5。

研制油與參比油表面張力相當(dāng),因此潤濕性相當(dāng)。

3.3 儲存穩(wěn)定性的考察

將研制油在常溫下靜置四個(gè)月,無沉淀、無變色;將研制油與參比油以1∶1比例常溫混兌四個(gè)月后,無沉淀、無變色。

3.4 軋機(jī)實(shí)驗(yàn)

在東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軋機(jī)實(shí)驗(yàn),分別對研制油和參比油在直拉式四輥可逆冷軋機(jī)上進(jìn)行固定軋制厚度和恒定軋制壓力的試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)用不銹鋼板規(guī)格為(800×200×2.8) mm,材質(zhì)為1Gr18Ni9Ti。

3.4.1 固定軋制厚度的試驗(yàn)

在相同的道次厚度、前張力、后張力、軋制速度、工作輥直徑等條件下,對兩種油品進(jìn)行固定壓下率的軋制,測出各油品、各道次軋制壓力的變化,如表6所示。

由表6看出,在相同壓下率條件下,研制油比參比油的軋制壓力明顯降低,說明具有更加適宜的潤滑等綜合性能。

3.4.2 恒定軋制壓力試驗(yàn)

在材料、前張力、后張力、支撐輥型、軋制速度、工作輥直徑、軋制壓力試驗(yàn)相同的條件下,對油品進(jìn)行固定軋制壓力的軋制,測出每道次帶鋼厚度的變化,如表7所示。

由表7試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在相同軋制壓力條件下,研制油和參比油每道次的鋼板壓下率相近,說明兩種油品的性能相當(dāng)。

綜合軋機(jī)實(shí)驗(yàn),研制油的軋機(jī)潤滑性優(yōu)于參比油。

3.5 現(xiàn)場工業(yè)使用情況

研制的不銹鋼冷軋潤滑油在佛山晨曦不銹鋼有限公司使用兩個(gè)月時(shí)間,應(yīng)用情況良好。

工業(yè)使用條件:

軋機(jī)類型:二十輥可逆軋機(jī);

工作輥直徑:50 mm;

冷軋材質(zhì):各種型號不銹鋼板;

最大軋制壓力:4.41×10⁶N;

最大軋制速度:300 m/min;

可軋板寬:540~750 mm;

壓下率:80%(8~9道次);

過濾精度:<10 μm;

退火方式:光亮退火。

目前冷軋油的使用狀況:冷軋板經(jīng)冷軋后,表面光亮,軋機(jī)未出現(xiàn)振動或油膜破裂現(xiàn)象,鋼板表面未出現(xiàn)缺陷,無粘輥現(xiàn)象發(fā)生,產(chǎn)品表面狀況良好,合格率高。經(jīng)光亮退火后,鋼板表面退火清凈性良好,根據(jù)現(xiàn)場操作人員反映,不銹鋼冷軋潤滑油的刺激氣味低,操作人員容易接受。

3.6 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

研發(fā)的不銹鋼冷軋潤滑油成本價(jià)遠(yuǎn)低于參比油的市場價(jià)格,且性能與之相當(dāng),有較為明顯的市場優(yōu)勢。

4 結(jié)論

通過對研制的不銹鋼冷軋潤滑油的潤滑性能、退火清凈性、經(jīng)濟(jì)性及軋機(jī)試驗(yàn)以及工業(yè)使用情況等綜合考察,結(jié)果表明所研制的不銹鋼冷軋潤滑油產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到或優(yōu)于參比油性能,可以滿足不銹鋼帶(板)冷軋工藝的潤滑要求,有效地替代進(jìn)口油,并且其成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口產(chǎn)品,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

參考文獻(xiàn):

[1] 馬育體.銅及銅合金軋制油的研制[J].潤滑油,2001,16(2):36-38.

[2] 琚正川.熱重分析評價(jià)銅軋制油的退火清凈性[J].合成潤滑材料,2007,34(2):17-19.

收稿日期:2008-08-06。

作者簡介:馬永宏(1978- ),女,工程師,2002年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè),現(xiàn)主要從事工業(yè)用油的研發(fā)工作。