宽带钢热连轧机轧制工艺润滑油组合物

摘要

一种宽带钢热连轧机轧制工艺润滑油组合物，其特征在于：该组合物中含有组分(d)，组分(d)是以二烷基二硫代磷酸或单羧基脂肪酸为表面层内核是二氧化钛的纳米颗粒，纳米颗粒的直径为5～50nm。该润滑油组合物用在宽带钢热连轧机热轧工艺上，润滑性优异，抗乳化能力强，产生的油雾少，环境清洁，且该润滑油组合物溶液澄清透明，无沉淀和分层。

说明书

发明领域

本发明涉及润滑油组合物，特别适用于一种普碳钢宽带钢热连轧机组的轧制润滑剂。

背景技术

在宽带钢热轧过程中，轧辊要与高达1000℃左右的轧件相接触，并喷以大量冷却水进行冷却，同时承受由于钢板的塑性变形而产生的巨大轧制压力，在这种条件下，工作辊表面极易产生龟裂和严重磨损，甚至会发生剥落掉皮等缺陷。为保证产品质量，实现润滑轧制可获得以下益处：

1)改善了轧辊的表面状况

在热轧条件下，工作辊与带钢同冷却轧辊的冷却水接触生成Fe₃O₄、Fe₂O₃等硬性很大的氧化物，此氧化物粘在轧辊表面，称之为“黑皮”，这种不稳定的“黑皮”是造成轧辊表面异常磨损的重要原因。实现润滑轧制后，轧辊表面与轧件之间被一层润滑油膜所隔开，从而防止了轧辊表面“黑皮”的产生，提高了轧辊的使用寿命。

由于润滑轧制，改善了轧辊的表面状况，减少了轧辊的磨损，同时也减少了轧辊的磨削量，组装量，即大大减少磨辊车间备辊的工作量。

由于润滑轧制，降低了轧辊的磨损量，从而提高了轧辊每换一次辊的轧出量。减少了换辊次数，提高了轧机的生产能力。

由于改善了轧辊表面状况，从而也改善了带钢的表面质量，提高了带钢的平坦度，减少了带钢表面的氧化铁皮。对于去冷轧厂酸洗的热轧板来说，酸洗速度有较大的提高。

2)降低了轧制压力

由于润滑轧制，使变形区内摩擦力下降，从而使轧制压力大幅度下降。这对于轧制大负荷规格带钢，可以避免过负荷跳闸，减少事故，减少废品。

3)降低了电能消耗

由于润滑轧制，降低了摩擦能耗，从而降低了轧制压力，节约了电能。

钢材热轧时，冷却水一直是唯一的冷却和润滑介质。人们曾在型钢轧机上采用过工艺润滑，即在轧制复杂端面钢材(如钢轨)时，涂抹沥青，但使用沥青会产生大量的黑烟和难闻的有毒气体。

1957年，热轧工艺润滑油在美国获得成功应用，当时使用的润滑剂为水溶性的油，应用在精轧机组的支撑辊上，但由于那时钢铁市场的行情为卖方市场，并且没有现在的钢铁市场所具有的各种产品质量标准。因此，轧制润滑技术并未受到钢铁厂的青睐。近十几年来，由于钢铁市场对薄带材的质量要求日益提高。同时热带钢轧机向连续、高速、大型、自动化的方向发展，轧辊的使用周期明显地相对缩短，频繁地换辊造成了作业时间的损失，从而对轧机产量有很大的影响。因此，以减少轧辊磨损，提高热轧带钢的表面质量为主要出发点的热轧工艺润滑的研究逐步引起重视。随后日本、西欧、俄罗斯等一些国家也相继开展了热轧工艺润滑的试验研究，并达到实际应用。发展到现在，世界上已有数十套热轧带钢轧机应用了工艺润滑油。

钢板带热轧时，流体动力学因素对润滑剂进入变形区起很大作用。润滑油层厚度随轧辊圆周速度增加的程度比冷轧时更为明显，因为随着轧制速度的增加，在前润滑区润滑油和热带钢的接触时间短，因此，润滑油的粘度减低得少。

热轧工艺润滑是一个动态过程，在变形区高温、高速、高压状态下，润滑油所发生的变化难以实验摸拟，因此，对热轧的润滑机理尚无统一的认识。通常认为热轧润滑油以三种状态起润滑作用。

一部分润滑油被燃烧，燃烧残留物主要是残碳，将轧辊与金属表面隔开，残碳与金属和轧辊之间的摩擦系数小于金属与轧辊之间的固体摩擦系数。

一部分润滑油在变形区内高温、高压下迅速汽化和分解，在封闭区内，汽化的润滑油形成高温高压气垫，将金属与轧辊表面隔开而起润滑作用，这种气体间的摩擦远小于流体间的摩擦。

一部分润滑油可能保持原有状态，以流体形式或形成润滑膜的形式通过变形区而起润滑作用。

由于现代热轧工艺特点是高温、高压，工作辊辊面瞬间温度可达600～700℃，经冷却散热而稳定在50～80℃之间，因此，为适应热轧工艺特点，热轧润滑油应满足下列要求：

具有良好的润滑性，降低摩擦，减少磨损；具有良好的吸附性能和润湿性能，以便在轧辊表面形成连续牢固的润滑膜；粘度适中，易于输送和喷涂，不易从变形区内挤出；具有良好的抗乳化性能，不会对冷却轧辊的冷却水造成污染；具有较高的闪点和热分解稳定性；润滑剂燃烧生成气体量少，燃烧物应无毒，对环境污染少。

传统的热轧油按其使用状态可分为：乳化液、固体润滑剂以及油和油—水混合物。

乳化液通常是以水为溶剂，它的冷却能力比油大得多，可循环长期使用，油耗量也较低。但在热轧工艺中，乳化液的附着性，润滑性能都很差，同时乳化液和冷却轧辊的高压冷却水混合在一起，对冷却水产生严重的污染。所以目前乳化液在热轧工艺中很少应用。

固体润滑剂为固体形状，通常将固体润滑剂制成块状，以1.5～30Kg/cm²压力紧压在轧辊表面。这些固体润滑剂通常是有机玻璃、石墨和固体蜡为基础的润滑剂，由于应用时较为繁琐，同时阻碍了冷却水对轧辊的冷却效果，所以，固体润滑剂目前在热轧工艺中也很少应用。

油和油—水混合物热轧润滑油，通常是以动植物油如棉籽油、菜子油、棕榈油、牛脂等为油性剂与矿物油混合在特殊装备的热轧工艺系统中应用。由于对吸附性、抗水淋性以及抗乳化性能的要求越来越苛刻，很多高级脂肪酸的醇酯如季戊四醇油酸酯、季戊四醇二癸酸酯、季戊四醇四癸酸酯等都逐渐用在热轧轧制工艺润滑上来。

目前市场上使用的宽带钢热连轧机热轧工艺润滑油多以金属盐为主要成分，再辅以其它功能性添加剂而成。如：US5437802介绍了一种热轧润滑剂，它主要由10-40％的无机化合物或无机材料(如锂基脂、钙基脂、硅酸钠、磷酸钾等)、分散剂(如矿物油、菜子油、花生油、棉籽油等)、含硫极压剂(如ZDDP等)、无机润滑剂(如石墨、二硫化钼、云母等)等组成。该热轧润滑剂具有良好的电绝缘性能，可以避免热轧材料的热量向工作辊的传播，从而避免了工作辊的热变形，提高了轧后板材的表面质量。但这种热轧润滑剂是液-固混合的润滑剂，对固体润滑剂(如石墨、二硫化钼)的添加量及颗粒大小均有严格的限制，否则，润滑剂本身会出现沉淀和分层。由于沉淀和分层的存在，应用时会堵塞喷油系统，出现供油故障。

US5372736介绍了一种合成型热轧润滑油，它是由40～70％大于18碳的饱和或非饱和的二元或多元酸与脂肪醇的酯化物，30～60％的基础油和其它添加剂所组成。该种润滑剂用于热轧过程中具有极好的防粘辊性能和良好的离水展着性能。US5352373报道了一种钢板热轧润滑剂，它的组成主要是30～60％的高碱值金属磺酸盐(如高碱值磺酸钙、高碱值磺酸镁等)，金属磺酸盐的碱值不低于200mgkoH/g；40～60％的基础油。此种热轧油不仅可以轧制普碳钢，而且可以轧制不锈钢和高铬钢，它具有较好的润滑性，可避免热轧后钢板表面的缺陷和轧辊咬伤。但是这两篇专利的共同缺点是在高温高压热轧条件下，润滑能力差，在水中容易出现乳化，出现轧辊或带钢表面擦伤和对冷却水污染现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带钢热连轧机轧制工艺润滑油组合物，该组合物为澄清透明的液体，在宽带钢热轧过程中提供良好的润滑性，防止轧辊产生热变形及擦伤，防止钢板表面缺陷，提供良好的抗乳化性能，防止冷却水的污染。

本发明提供一种宽带钢热连轧机轧制工艺润滑油组合物，其特征在于：该组合物中含有组分(d)，组分(d)是以二烷基二硫代磷酸或单羧基脂肪酸为表面层内核是二氧化钛的纳米颗粒，纳米颗粒的直径为5～50nm。所述组分(d)的含量是1～8％，最好是3～5％。

组分(d)是极压抗磨剂，可以是十八烷基二硫代磷酸作为表面层的二氧化钛纳米颗粒或油酸、亚油酸、异辛酸、正辛酸、庚酸、癸酸、棕榈酸或椰油酸等作为表面层的二氧化钛纳米颗粒，其二氧化钛纳米颗粒的直径大小为5-50nm。

所述组分(d)中的纳米颗粒的制作方法是利用溶胶-凝胶表面修饰法，使用单羧基脂肪酸或二烷基二硫代磷酸与钛酸四丁酯在水的存在下反应得到的产物。

本发明组合物中，还含有本领域常用的基础油、油性剂、防锈剂和抗氧剂等。除上述组分(d)外，推荐本发明组合物中其他组分和含量如下：

(a)45～80％的基础油；

(b)0.5～5％的磷酸酯；

(c)10～40％的动植物油脂或合成酯；

(e)0.5～5％的防锈剂；

(f)0.2～0.5％的抗氧剂。

其中组分(a)是基础组分，作为其它添加剂的稀释剂或携带剂，可以是中性油、矿物油、汽缸油或光亮油。如500SN、150BS等。该组分在组合物中所占的比例为45～80％，最好为50～72％。

组分(b)可以是磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯、硫代磷酸酯的金属盐、氯代磷酸酯和磷酸酯的含氮衍生物中的一种或一种以上的组合物，如：磷酸三甲苯酯、亚磷酸二正丁酯或二烷基二硫代磷酸锌等。该组分在组合物中所占的比例为0.5～5％，最好为1～3％。

组分(c)中所述的动植物油脂可以是棉籽油、花生油、菜子油、精制菜子油、精制大豆油或精制猪油；所述的合成酯是由C₁₂～C₁₈的脂肪酸与多元醇酯化生成的酯化物，如：油酸三羟甲基丙烷酯、油酸季戊四醇酯、椰油酸三羟甲基丙烷酯或油酸新戊二醇酯等。该组分在组合物中所占比例为10～40％，最好为20～37％。

组分(e)是防锈剂，可以是石油磺酸钠、石油磺酸钡、二壬基萘磺酸钡、环烷酸锌和十二烯基丁二酸中的一种或一种以上的组合物。该组分在组合物中所占的比例为0.5～5％，最好为1～3％。

组分(f)是抗氧剂。可以是酚类或胺类，如2.6-二叔丁基对甲酚、苯基-α-萘胺、N，N`-二仲丁基对苯胺或4，4`-亚甲基-联2，6-叔丁基苯酚等，该组分在组合物中所占的比例为0.2～0.5％，最好为0.3～0.5％。

本发明所涉及的百分含量均是重量百分含量。

本发明所提供的组合物的制备方法是将组分(a)、(b)、(c)、(d)混合后，加热到70～90℃，恒温搅拌20～40分钟，后加入组分(e)、(f)，继续恒温搅拌至固体物质完全溶解，即得到均匀透明的液体产品。

本发明与现有技术相比，由于其组分(d)是一种表面为有机层，内核为二氧化钛的纳米颗粒，具有这种结构的纳米颗粒在相对较低温度、较低压力下，纳米颗粒的表面有机层类似于油性剂的作用机理而起润滑作用，而在高温、高压、高速的条件下，纳米颗粒的表面有机层遭到破坏，这时二氧化钛的纳米颗粒起润滑作用，即使在高温、高压、高速热轧状态下也不分解，而是均匀地铺展在轧辊及带钢表面而起到良好的润滑作用，因而本发明组合物在高温高压下具有很好的润滑性。本发明组合物的优越性还在于，由于其组分(d)中的纳米颗粒能完全溶解在石蜡基或环烷基基础油中，所以溶液澄清透明，无沉淀和分层，避免了普通固体润滑剂(如石墨、二硫化钼、云母等)在基础油中出现浑浊、沉淀和分层现象。

本发明组合物可以原液形态使用，也可以稀释使用。

具体实施方式

下面用具体的实施例来详细说明本发明，但这些实施例并不限制本发明。

                    实施例1

取64克500SN中性油，2克磷酸三甲苯酯，28克油酸二聚酸新戊二醇酯，4克异辛酸的二氧化钛纳米颗粒置于同一容器中，加热至75℃搅拌25分钟，待溶液混合均匀后，再加入1.5克石油磺酸钡，0.3克2.6-二叔丁基对甲酚，维持75℃温度，继续搅拌至固体物质完全溶解，得透明溶液，即为产品。

                    实施例2

取60克150BS光亮油，2克亚磷酸二正丁酯，32克精制菜子油，4克油酸的二氧化钛纳米颗粒，置于同一容器中加热至85℃，搅拌30分钟，待溶液混合均匀后，再加入1.5克二壬基萘磺酸钡，0.5克苯基-α-萘胺，继续加热搅拌至固体物溶解，溶液透明。

以实施例1，实施例2作为本发明的组合物，为对比的目的，参比物是宽带钢热连轧机正在使用的润滑剂，规定为组合物B。组合物B的主要组成为：矿物油、合成酯、含硫极压剂和酚类抗氧剂所组成。其物理性能与本发明的组合物的物理性能相类似。

Falex润滑性评价(GB/T0187-92)

该方法是由ASTMD3233-86衍生而来的，它是测定流体润滑剂极压性能的标准方法，实验过程采用原液和浓度为0.5％的稀释液来进行。实验结果如表1。

       表1执轧油的Falex值

样品    状态    Falex(N)实施例1    原液    11120    0.5％溶液    12899实施例2    原液    11342    0.5％溶液    13344组合物B    原液    9786    0.5％溶液    12010

由表1所示的Falex值可知，实施例1和实施例2原液的Falex值大于11100N，稀释成0.5％浓度后均大于12800N，其极压性能均优于组合物B。MQ-800四球承载能力测定(GB/T3142-82)

利用该方法测定润滑油的油膜强度。实验过程采用原液和浓度为0.5％的稀释液来进行。实验结果如表2。

           表2热轧油的油膜强度

样品    状态    PB值(N)实施例1    原液    862    0.5％溶液    745实施例2    原液    902    0.5％溶液    794组合物B    原液    745    0.5％溶液    647

由表2可以看出，实施例1和实施例2的油膜强度均优于组合物B。抗乳化性能测试

热轧油在实际应用过程中的抗乳化性能直接反映出热轧油对钢板表面的粘附力大小以及对冷却水的污染程度。一般来说，热轧油的抗乳化能力越差，对钢板的粘附力越小，润滑性越差，同时对冷却水的污染程度越强，严重影响热轧生产的正常进行。质量优异的热轧油，经高速搅拌后，很均匀地分散于水中，极少乳化或乳化能力很弱。抗乳化性能测试方法如下：

a：原料：  自来水       待测热轧油

b：设备：  300ml量筒    恒温水浴

           恒速搅拌器   秒表

c：实验方法：

在300ml的量筒中，用自来水分别配制200克，0.5％的溶液，分别置于54℃，82℃的恒温水浴中，恒温10分钟后，分别用2000转/分的恒速搅拌器恒速搅拌5分钟，肉眼观察搅拌后的溶液状况，30分钟后溶液的状况以及24小时后溶液的状况。实验结果如表3，表4所示。

表3热轧油的抗乳化性能

样  品  54℃停止搅拌后状态30分钟后状态  24小时后状态实施例1油水迅速分离，水层乳白水层半透明水层透明，无乳化层实施例2油水迅速分离，水层乳白水层半透明水层透明，无乳化层组合物B油水迅速分离，水层乳白水层半透明水层透明，油层轻微乳化

表4热轧油的抗乳化性能

样  品  82℃停止搅拌后状态30分钟后状态24小时后状态实施例1油水快速分离，水层乳白水层半透明，乳白水层透明，无乳化层实施例2油水快速分离，水层乳白水层半透明，乳白水层透明，无乳化层组合物B油水快速分离，水层乳白水层半透明，乳白水层透明，油层严重乳化

由表3，表4可以看出，实施例1，实施例2有良好的抗乳化性能，组合物B(对比样)则表现出较差的抗乳化性能。