有色金屬軋制油新發(fā)展

2015-08-13   來源：潤滑油情報

有色金屬軋制潤滑油，通常是根據(jù)使用在其他金屬加工應用過程中類似化學品而生產(chǎn)的，最終用于有色金屬軋制。然而，這些技術并不能真正對有色金屬進行全面保護，因為這些產(chǎn)品不能提供最佳的潤滑性，并生產(chǎn)出令人滿意的表面光潔度高的產(chǎn)品。

軋制基礎

軋制是一種成型過程，過程中金屬原料通過一對輥子后形成了片狀物、金屬薄片、桿或棒狀物。軋制有兩個主要的分類方法，扁平孔型軋制的最終產(chǎn)品是典型的片狀產(chǎn)品，而軋輥軋制的最終產(chǎn)品是典型的桿狀或棒狀產(chǎn)品。片的定義是任何平板產(chǎn)品，厚度從0.20-6.3毫米，但是金屬薄片不超過0.20毫米厚。

軋制還可以根據(jù)金屬的承受溫度來進行分類。如果溫度高于金屬的再結晶溫度，這一過程被稱為熱軋；如果溫度低于金屬的再結晶溫度，這一過程則被稱為冷軋。軋制過程可以使用乳化液或不加添加劑的礦物油。乳化液具有良好的冷卻性能和較低的火災風險。然而，需要連續(xù)監(jiān)控油液的配方，否則油液只有較短的生命周期，生產(chǎn)出的產(chǎn)品除了表面質量差外，還會帶來較高的健康風險。

軋制油很容易維護，因為配方簡單，并且有更長的使用壽命。生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有優(yōu)異的表面質量和較低的健康風險。消極的一面則是，軋制油具有較低的冷卻性和較高的火災危險性。

良好的軋制油性能

熱性能良好是軋制油所有性能中的關鍵指標。熱軋流體中潤滑性添加劑在高溫下需要保持足夠的膜厚。這些添加劑控制軋輥力度、輥面磨損和產(chǎn)品的表面質量。這些添加劑還必須在退火過程中燒干凈以防止染色。在冷軋過程中，高揮發(fā)性是必不可少的，可以減少表面染色。因此，在金屬軋制過程中，軋制油需要揮發(fā)掉以及添加劑中的金屬需要燃燒掉。另外，如果添加劑的揮發(fā)性不足，可能會導致油滴的斜向滑落，使安全性和清潔性方面出現(xiàn)問題。

加工液的配方可以定制，是滿足特定軋機需求的一種方法，采用熱重分析方法，來確定哪些因素可以影響添加劑的拐點。熱重分析是一種熱分析方法，是衡量材料的物理和化學性質的變化作為溫度增加（恒定加熱速率）的函數(shù)，或作為時間的函數(shù)（恒定溫度或恒定的質量損失）的熱分析方法。

在分析過程中，一階導數(shù)的峰值，被稱為拐點，表明是減重率變化最大的點。通常，拐點越高，在測試條件下的熱穩(wěn)定性越好。

研究人員在軋制油和乳化液添加劑方面進行了超過60次的熱重分析，來測定其穩(wěn)定性及沉積物的形成趨勢。包括檢測了酯類、乳化劑、磷酸酯、醚羧酸鹽、脂肪胺聚氧乙烯醚和腐蝕抑制劑等。結果表明，該類型的酯類對沉積物無影響。并且，更高的分子量對拐點也沒有影響。然而，較高的酯類基團的數(shù)目（多元醇）和更高的不飽和度，使產(chǎn)品拐點更高，因此，其穩(wěn)定性也更強。

乳化劑的種類對大量沉積物沒有影響。然而，較高的乙氧基化合物在脂肪酸的存在下，增加了拐點的高度及產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

對于磷酸酯，乙氧基化合物使用量越高，則拐點越高，沉積物越少。醇類的大小對沉積物沒有影響，但是更大的醇類會增加拐點高度和提高穩(wěn)定性。

對醚羧酸鹽，乙氧基化合物和醇類的大小對拐點和沉積物都沒有任何影響。但是，對于脂肪胺聚氧乙烯醚，較高的乙氧基化合物和較大的胺分子使拐點升高，但對沉積物沒有影響。最后，對于腐蝕抑制劑而言，分子量增加，則拐點升高。

最后的結論是，多元醇酯產(chǎn)生的拐點最高，其次是醚羧酸鹽、脂肪胺聚氧乙烯醚和醇乙氧基化合物。脂肪胺聚氧乙烯醚產(chǎn)生的沉積物最少，然后依次是醇氧基化合物、醚羧酸鹽和磷酸酯類。

乳化液和油脂

在有色金屬軋制過程中使用可溶性油基乳化液的主要原因是，將水溶性成分以統(tǒng)一的、一致的和具有成本效益的方式傳遞到工作輥表面，乳化液的水相部分可以冷卻軋機設備，特別是工作輥、支承輥。不溶于水的成分，有助于降低軋制力、減小工作輥磨損和生產(chǎn)出所需的光潔度表面和質量都令人滿意的產(chǎn)品。

多年來，有色金屬軋制使用的產(chǎn)品已逐步從簡單分子的簡單混合物到簡單分子的復雜混合物。未來有色金屬軋制潤滑劑的發(fā)展正朝著多功能分子的簡單混合物的使用方向發(fā)展。這展示出乳化液控制以及發(fā)展新的或不同的控制模式的創(chuàng)新途徑。

許多早期的有色熱軋乳化液，是簡單的油溶性化合物。這些乳化液往往含有乳化劑的比例很高，而且通常是以堿皂為基礎。這些乳化液的油滴粒徑分布通常低于1微米或在0.5微米以下。但當這些成分形成了穩(wěn)定的乳化液，其往往不能提供良好的潤滑作用。

新一代有色金屬熱軋產(chǎn)品使用陰離子化合物與醇胺皂作為主要乳化劑。這些產(chǎn)品往往依靠天然油脂還有脂肪酸共同作為乳化成分和潤滑劑。潤滑性能可以通過控制和改變乳化液粒徑的分布而得到。

隨著時間的推移，合成潤滑材料取代天然油脂。合成潤滑材料提供了更好的乳化控制能力和更加穩(wěn)定的潤滑性能。但是傳統(tǒng)技術方面，仍然是采用陰離子鏈烷醇胺皂，來對乳化液粒徑分布進行控制，以保持所需的潤滑性能。

其中最大的問題是，陰離子鏈烷醇胺皂在軋制過程中與鋁的碎片在乳化液中與羧酸產(chǎn)生反應形成金屬皂。這些皂形成后，就改變了乳化液的穩(wěn)定性，以及乳化液的粒徑分布的情況，在軋輥中改變了乳化液的粘度以及改變了其潤滑性能。這將使乳化液的性能失控，需要大量或頻繁地部分倒掉原有產(chǎn)品，并且要添加新油來重新控制。

加入極少量的游離羧酸陰離子化合物就能解決這個問題。然而，該技術仍然需要依賴乳化液粒徑大小來進行乳化液的控制。

穩(wěn)定性衡量法

軋制乳化油必須滿足兩個看似矛盾的要求。它必須是不穩(wěn)定到足以通過與金屬反應來提供良好的減摩作用，然而還要足夠穩(wěn)定到長期儲存在罐中備用，以及長時間停機時儲存在油槽中而不變質。

乳化液的穩(wěn)定性取決于其化學性質和乳化劑的濃度，其他化學成分、污染物以及物理條件，如溫度、剪切類型以及剪切時間長短。管理一臺軋機乳化液的穩(wěn)定性最好的方式也是最值得討論的事情。一臺典型的軋機，乳化液在靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)之間的變化，取決于它在哪里工作。

主要的問題是在哪測量乳化液的穩(wěn)定性：在噴霧棒上，在油罐中，還是其他地方。穩(wěn)定性在整個系統(tǒng)中不是恒定的，有幾種方法來衡量它。

傳統(tǒng)的方法是測量顆粒物粒徑分布，其可以提供一個總值并且很容易獲得。然而，顆粒物粒徑分析獲取信息的一個特定的操作條件或時間點，乳化液樣品待在一個靜態(tài)的環(huán)境沒有發(fā)生剪切，顆粒大小變化的時間越長。因此，粒徑分布并不能持續(xù)提供乳化穩(wěn)定性等相關信息。

乳液穩(wěn)定性指標測試簡單的形式已被用于跟蹤乳化特性的變化，但是，乳液穩(wěn)定性指標測試不能夠判定用于有色金屬軋制的眾多乳化液體系。新的分析技術，用測量光密度的變化來確定乳化液隨著時間推移的變化，在一個靜態(tài)的樣品中可以提供更好的乳化穩(wěn)定性信息。例如，配方通過Turbiscan儀器，可以提供發(fā)生在樣品中更詳細的變化情況，可以與粒徑分布情況結合分析。

另一個方法是測量乳化劑濃度；然而，這個值不能表明物理條件的影響，如剪切、能量、溫度、時效性等。

第三個方法是所謂的析出試驗，這試驗很微妙，不能提供直接測量的穩(wěn)定性。

第四個方法，乳化液濃度變化的測量，隨時間流逝，由沉降時間給出的穩(wěn)定性指示，但是很難執(zhí)行。

軋制油新技術

許多新的有色金屬軋制產(chǎn)品的潤滑劑，是在綠色技術倡議下開發(fā)的。這些添加劑使用的是天然或可再生成分。但是，與以往的技術相比，許多乳化液是建立在陰離子鏈烷醇胺皂和依靠粒徑大小的變化來控制乳化液的穩(wěn)定性和潤滑性的。新的植物油衍生物或改性的化學物質，表明了其改進的性能遠遠超過天然油脂，但乳化系統(tǒng)依然難以控制。

新的軋制油技術已經(jīng)開發(fā)出來了，不是基于羧酸或陰離子皂。它最大限度地減少軋制乳化液中金屬皂的形成，因此大大減少了負面影響。

除去陰離子鏈烷醇胺皂，需要研發(fā)新的乳化配方，作為一個創(chuàng)新的軋制油研發(fā)項目的一部分。當可以保持所需的金屬特性時，這項新技術提供了一致的潤滑性。它在高、低溫下還提供了一個潔凈、均勻的表面光潔度。在新的乳化系統(tǒng)中，其性能不取決于粒徑的大小，粒徑大小分布在乳化液控制中是次要因素。

總而言之，新的乳化液的控制機制出現(xiàn)了一個挑戰(zhàn)，許多配方曾與傳統(tǒng)的陰離子化學配方共存多年，現(xiàn)在將不得不學習新的乳化液粒徑性能，以及乳化控制機制，因為現(xiàn)在粒徑分布可以獨立控制潤滑性能了。