于海 周康 范豐奇 張春光 蒲麗娜

中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心

油氣潤(rùn)滑是利用壓縮空氣在管道內(nèi)的流動(dòng)帶動(dòng)潤(rùn)滑油沿管道內(nèi)壁連續(xù)不斷的流動(dòng)將油氣混合并輸送至各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)。近年來(lái)，油氣潤(rùn)滑技術(shù)作為一種新型、高效的氣液兩相流體潤(rùn)滑技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外冶金行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。有數(shù)據(jù)顯示[1]，國(guó)外2010年時(shí)，已有80%以上高速線材軋機(jī)滾動(dòng)軸承采用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，2020年至今，國(guó)外公司關(guān)于油氣潤(rùn)滑技術(shù)的研究和應(yīng)用已接近完善，許多潤(rùn)滑設(shè)備品牌均有自己的專利產(chǎn)品，且占據(jù)的市場(chǎng)份額更大。我國(guó)雖然油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的應(yīng)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(jī)組等大多采用了油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)。

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

◇潤(rùn)滑效率高，供油精確，可以精確計(jì)算油量，按照不同的需要輸送到每一個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)；

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

◇良好的密封作用，通過(guò)進(jìn)入軸承內(nèi)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(duì)于相同的潤(rùn)滑點(diǎn)，油耗量?jī)H為潤(rùn)滑脂的4%～6%，稀油潤(rùn)滑的30%～40%；

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

◇特別適用于惡劣工況，如高溫、重載、高速、多水的傳動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)合。

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

我國(guó)油氣潤(rùn)滑裝置從初期應(yīng)用至今，大多采用普通的中、重負(fù)荷工業(yè)齒輪油潤(rùn)滑劑，這些產(chǎn)品雖然能滿足一般的油氣潤(rùn)滑裝置對(duì)油品潤(rùn)滑性能的要求，但對(duì)高溫環(huán)境和低溫環(huán)境等惡劣工況的適應(yīng)性較差。原因在于：普通中、重負(fù)荷工業(yè)齒輪油的基礎(chǔ)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(zhǎng)期處于高溫、烘烤的部位易產(chǎn)生膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等沉積物，造成分配器輸送管路堵塞，導(dǎo)致潤(rùn)滑點(diǎn)潤(rùn)滑不良，出現(xiàn)干摩擦、軸承抱死等情況。近年來(lái)，聚醚型合成油氣潤(rùn)滑油成功解決了礦物油氣潤(rùn)滑油因結(jié)焦引起連鑄系統(tǒng)拉矯機(jī)軸承卡死、堵塞油管等問(wèn)題，因而在鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速。典型產(chǎn)品有國(guó)外 PG系列、國(guó)內(nèi) YBS油氣潤(rùn)滑油、4410 OA-3合成油氣潤(rùn)滑油等。但主要以國(guó)外產(chǎn)品為主，國(guó)內(nèi)品牌產(chǎn)品市場(chǎng)占有率較低。

供圖/于海

隨首鋼鐵行業(yè)設(shè)備用油升級(jí)和降本增效國(guó)產(chǎn)化需求的深入，開(kāi)發(fā)自主技術(shù)的聚醚合成油氣潤(rùn)滑油，對(duì)于我國(guó)高端裝備潤(rùn)滑技術(shù)的配套與升級(jí)，具有重要意義。本文重點(diǎn)介紹了 KOA/P聚醚合成油氣潤(rùn)滑油的研制過(guò)程。

聚醚合成油氣潤(rùn)滑油的研制

基礎(chǔ)油的選擇

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)多數(shù)應(yīng)用于冶金行業(yè)高溫、高速、重載的工況條件，如連鑄機(jī)組一些輥組或軸承的環(huán)境溫度高達(dá)1 400～1 500 ℃，軸承本身溫度也達(dá)100～300 ℃，個(gè)別部位甚至更高，油氣輸送管路及潤(rùn)滑點(diǎn)長(zhǎng)期處于高溫及強(qiáng)熱幅射狀態(tài)下，普通礦物型油品極易氧化，生成膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等物質(zhì)，長(zhǎng)期積累會(huì)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(rùn)滑油基礎(chǔ)油必須選擇熱穩(wěn)定性好的合成基礎(chǔ)油[3]。

個(gè)人的喜樂(lè)與哀愁，很快又卷進(jìn)市井?dāng)_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(diǎn)點(diǎn)，越擂越響，如急風(fēng)飄雨，好像要將萬(wàn)事萬(wàn)物都召集到戰(zhàn)場(chǎng)之上，兩陣對(duì)圓，車轔轔，馬蕭蕭，長(zhǎng)風(fēng)浩蕩中，將帥兵卒長(zhǎng)槍橫刀，巨锏實(shí)錘，各自?shī)^力向前，殺伐決戰(zhàn)，馬鳴箭嘯，血突骨折，輾轉(zhuǎn)號(hào)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(jié)構(gòu)的高分子聚合物，其主要結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(rùn)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(rùn)滑油相關(guān)特性的對(duì)比見(jiàn)表1[4]。

表1 聚醚與礦物油、合成烴、酯類油在油氣潤(rùn)滑油相關(guān)特性的對(duì)比

從表1中可以看出，聚醚基礎(chǔ)油在黏溫特性、抗老化、摩擦系數(shù)上較為出色，尤其是抗結(jié)焦性上非常優(yōu)異，高溫下使用，生成的氧化產(chǎn)物能夠完全溶解在聚醚液體中或者揮發(fā)掉，設(shè)備中不留下沉積物，是油氣潤(rùn)滑油理想的基礎(chǔ)油組分。酯類油也具有非常好的高溫性能，其抗結(jié)焦性也較優(yōu)異，經(jīng)常用作高溫潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油。而油氣潤(rùn)滑油由于經(jīng)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(rùn)滑油基礎(chǔ)油組分。

在 KOA/P合成油氣潤(rùn)滑油的研制過(guò)程中，試驗(yàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行了剖析發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品中，基礎(chǔ)油體系大多采用水不溶性聚醚基礎(chǔ)油。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)合油氣潤(rùn)滑裝置的工況特點(diǎn)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(chǔ)油A和合成酯基礎(chǔ)油B混合組分作為基礎(chǔ)油。所選2種基礎(chǔ)油的主要理化指標(biāo)分別見(jiàn)表2、表 3。

表2 水不溶性聚醚基礎(chǔ)油A質(zhì)量指標(biāo)及實(shí)測(cè)值

表3 合成酯基礎(chǔ)油B質(zhì)量指標(biāo)及實(shí)測(cè)值

抗磨劑的選擇

由于油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)每次的給油量很少，且在高溫、高速、高負(fù)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(shè)備磨損和延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[3]。

由于聚醚基礎(chǔ)油的分子結(jié)構(gòu)中含有大量的烷氧基團(tuán)，使得常用的抗磨添加劑在聚醚基礎(chǔ)油中與在石油基礎(chǔ)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(rùn)滑油配方中[5]。因此，試驗(yàn)首先對(duì)幾種抗磨劑以一定量[加劑量小于1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）]與水不溶性聚醚基礎(chǔ)油A和合成酯基礎(chǔ)油B的相容性進(jìn)行了考察（50 ℃～60 ℃加熱攪拌后，降溫靜置后，目測(cè)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(jié)焦性也不同，試驗(yàn)同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)按照要求開(kāi)展了成焦板結(jié)焦性（自建RH01ZB4111成焦板方法，板溫316 ℃，油溫106 ℃，4 h）考察，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 幾種減摩劑與聚醚油的相容性和高溫下結(jié)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(gòu)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(duì)混合基礎(chǔ)油的相容性良好。結(jié)合結(jié)焦性的考察結(jié)果，試驗(yàn)優(yōu)選異構(gòu)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(xué)試驗(yàn)的考察對(duì)象。

將相容性和結(jié)焦性良好的3種抗磨劑以一定量[加劑量小于1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）]按不同組合加入到水不溶性聚醚基礎(chǔ)油A和合成酯基礎(chǔ)油B的調(diào)和基礎(chǔ)油中，考察各油樣在四球試驗(yàn)（1 450 r/min，25 ℃）GB/T 3142—2019中的摩擦學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)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(gòu)磷酸酯混合胺鹽和中性磷酸酯的復(fù)配方案相較于單一組分對(duì)于油品的最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB值和燒結(jié)負(fù)荷PD值提升最大。故試驗(yàn)確定抗磨劑方案為異構(gòu)磷酸酯混合胺鹽和中性磷酸酯的復(fù)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?zhàn)虞S承，使得油氣潤(rùn)滑油在潤(rùn)滑過(guò)程中易受到水蒸氣的侵蝕，引起設(shè)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)防銹劑的進(jìn)行篩選考察，防銹劑的加劑量為0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），考察結(jié)果見(jiàn)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(fù)配方案相較于其他防銹劑，具有很好的防銹效果，故試驗(yàn)優(yōu)選咪唑林衍生物和磺酸鈣的復(fù)配方案。

抗氧劑的選擇

由于油氣潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑點(diǎn)溫度高，極易氧化變質(zhì)，且氧化后生成各種膠質(zhì)等會(huì)堵塞分配器，導(dǎo)致供油不足，使設(shè)備產(chǎn)生過(guò)量磨損，甚至嚴(yán)重?fù)p壞[3]，因此要求油品具有優(yōu)良的熱氧化安定性和抗結(jié)焦性能。聚醚基礎(chǔ)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(yàn)對(duì)多種抗氧劑組合通過(guò)旋轉(zhuǎn)氧彈法（SH/T 0193）和成焦板試驗(yàn)（自建RH01ZB4111成焦板方法）進(jìn)行了考察，抗氧劑加劑量為0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 各抗氧劑的考察

從表7中可以看出，采用不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)胺型抗氧劑組合的旋轉(zhuǎn)氧彈值最高，但結(jié)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(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室通過(guò)抗磨劑、防銹劑、抗氧劑等添加劑的篩選，并對(duì)配方中各添加劑之間的配比進(jìn)行了平衡，形成了 KOA/P聚醚合成油氣潤(rùn)滑油配方技術(shù)，并對(duì)調(diào)和油品的各項(xiàng)性能進(jìn)行了考察，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 KOA/P100、KOA/P150、KOA/P220聚醚合成油氣潤(rùn)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(rùn)滑油各牌號(hào)產(chǎn)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(duì)研制油與國(guó)外同類有代表性的競(jìng)品進(jìn)行了各項(xiàng)理化性能的對(duì)比，以黏度牌號(hào)為150號(hào)和220號(hào)為例，見(jiàn)表9。

表9 KOA/P150、KOA/P220與同牌號(hào)國(guó)外競(jìng)品理化性能對(duì)比

從表9中可以看出，研制的KOA/P150、KOA/P220聚醚合成油氣潤(rùn)滑油產(chǎn)品與同牌號(hào)國(guó)外同類產(chǎn)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(jié)焦性是聚醚合成油氣潤(rùn)滑油最重要的指標(biāo)之一。開(kāi)展了 KOA/P合成油氣潤(rùn)滑油成焦板結(jié)焦性（自建RH01ZB4111成焦板方法）考察試驗(yàn)并與同類競(jìng)品進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表10、圖1。

圖1 研制油與競(jìng)品成焦板試驗(yàn)鋼片外觀對(duì)比

表10 成焦板結(jié)焦性結(jié)果

從表10和圖1可以看出，研制油的結(jié)焦量遠(yuǎn)低于同類競(jìng)品質(zhì)量水平，說(shuō)明研制油具有優(yōu)異的抗氧化性能，可抑制結(jié)焦生成。對(duì)應(yīng)實(shí)際工況，可以防止連鑄系統(tǒng)因油品結(jié)焦問(wèn)題，造成分配器輸送管路堵塞，導(dǎo)致潤(rùn)滑點(diǎn)潤(rùn)滑不良，出現(xiàn)干摩擦、軸承抱死等情況。

2018年底以來(lái)，KOA/P系列合成油氣潤(rùn)滑油在山西某特鋼有限公司成功應(yīng)用，應(yīng)用四年期間，軋輥軸承潤(rùn)滑良好，無(wú)缺油、少油現(xiàn)象，油氣分配器內(nèi)部無(wú)高溫結(jié)膠現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行正常，客戶無(wú)問(wèn)題反饋，使用效果良好。

結(jié)論

以聚醚為基礎(chǔ)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(rùn)滑油具有優(yōu)異的氧化安定性、抗結(jié)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(jī)和連軋機(jī)組的油氣潤(rùn)滑裝置的潤(rùn)滑系統(tǒng)，如各式冷熱軋板帶軋機(jī)、線材及棒材軋機(jī)、連鑄機(jī)及附屬設(shè)備的軸承等的潤(rùn)滑需求。該系列產(chǎn)品達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品質(zhì)量水平，在抗氧化性、抗結(jié)焦性方面更有優(yōu)勢(shì)。