乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液的研制及应用

熊星 王靖宇 谢任远

中国石化润滑油有限公司上海研究院

冷轧薄钢板是普通碳素结构钢冷轧薄钢板是普通碳素结构钢冷轧板的简称，也称冷轧板。冷轧板是由普通碳素结构钢热轧钢带，经过进一步冷轧制成厚度小于4 mm的钢板。由于在常温下轧制，不产生氧化铁皮，因此冷轧板的表面质量好，尺寸精度高，再加之经过了退火处理，其机械性能和工艺性能都优于热轧薄钢板，广泛应用于汽车制造、电器产品、机车车辆等行业。

冷轧板在轧制生产过程中需要使用冷轧轧制液作为工艺润滑介质。轧制液在冷轧板轧制过程中起到润滑、冷却、清洗和防锈的作用，具体体现为降低轧制力、延长轧辊寿命、控制带钢表面质量和板型等［1］，是轧制过程必不可少的润滑助剂。目前市场上使用的冷轧板轧制液多为半稳态的乳化型产品，使用去离子水配液，搅拌条件下均匀分散，使用温度一般为45～60 ℃，轧制液在接触轧辊和板面的瞬间油水分离，起润滑和冷却的作用。

在产品推广应用中，许多钢厂轧制液系统不具备搅拌、加热等设备，且配制水未经处理，部分地区水硬度较高，半稳态和弥散型轧制液不大适合此类工况。针对此类工况，轧制液需具备良好的乳化稳定性，确保在没有搅拌的情况下乳液不分层；其次，需具备良好的防锈性，确保轧制后产品的工序间防锈；最后，产品还需具有较好的抗硬水性能，能够满足不同地区水质硬度波动要求。针对上述市场需求，本文研发了一种乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液，主要应用于普碳钢窄带的冷轧加工工艺，产品目前已成功实现工业应用。

乳化稳定型冷轧板轧制液的性能要求

针对上述部分钢厂的情况，结合普碳钢冷轧工艺对轧制液的使用要求，确定所研制乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液的性能要求如下：

◇良好的润滑性能：轧制液能够在轧辊和钢板表面形成边界油膜，起到降低摩擦阻力及金属变形抗力的作用，降低轧辊的磨损，延长轧辊组件的使用寿命；

◇良好的冷却性：能最大限度带走轧制过程产生的热量，控制轧件和轧辊因为温升造成的应力影响，确保轧辊在适合的温度下工作［2］；

◇良好的乳化稳定性和较好的抗硬水性能，确保在没有搅拌的情况下乳液不分层，并能够满足不同地区水质硬度波动要求；

◇清洗性能好：消除铁粉、杂质和污物对轧件及轧辊的污染，能够起到清洁轧件和轧辊的作用，有效提高轧件的质量；

◇良好的防锈性和腐蚀抑制性：防止轧件和轧辊在使用过程中出现锈蚀，对系统中接触到的钢、铜等金属部件均无腐蚀。

研制过程

轧制乳化液属于热力学不稳定体系，制备的关键是各功能添加剂和基础油的合理选择和复配，解决浓缩液存储稳定性和稀释液乳化稳定性两大平衡，同时赋予产品润滑性、冷却性、防锈等良好的性能。试验过程中，首先搭建基础配方，然后进行乳化剂、防锈剂等各种添加剂的选择和评价，最后微调完成配方。

基础油的选择

基础油不仅作为添加剂的载体，同时起到润滑作用。根据产品要求，乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液选用深度精制的矿物油作为基础油，同时，可选用不同黏度基础油混兑调整到合适黏度。

乳化剂的筛选与复配

对于乳化稳定型轧制液来说，乳化剂是确保轧制液稳定的关键，因此乳化剂的类型及选用尤为重要。另外，轧制液体系的稳定性在确保乳化剂的HLB（亲水亲油平衡）值总和平衡的条件下，要同时兼顾酸碱平衡。乳化剂可分为阴离子、阳离子、非离子等类型。阴离子型乳化剂为在水中电离生成带有烷基或芳基的负离子亲水基团的乳化剂，如羧酸盐、硫酸盐和磺酸盐等，该类乳化剂可提升轧制液的防锈能力，但抗硬水性能欠佳；非离子型乳化剂在水中不电离，它的亲水部分是各种极性基团，常见的有聚氧乙烯醚类，它的亲油部分(烷基或芳基)直接与氧乙烯醚键结合，该类乳化剂对防锈不利，但具有良好的抗硬水性能；阳离子型乳化剂为在水中电离生成带有烷基或芳基的正离子亲水基团，这类乳化剂的品种较少，都是胺的衍生物。

普碳钢冷轧轧制液要求有较好的防锈性，故多选用既有防锈性能，又有乳化作用的阴离子乳化剂作为主乳化剂，比如酸和碱反应形成的皂；同时，非离子乳化剂抗硬水能力较好，故可选择阴离子和非离子乳化剂复配的方法提高乳化液的稳定性［3］。考察乳化剂的同时还需兼顾体系的酸碱平衡。调配过程中通过有机胺和脂肪酸反应生成的阴离子乳化剂作为体系的主乳化剂，以非离子乳化剂醚羧酸类和酯类搭配调节体系的抗硬水性能和稳定性，同时辅以碱性较强的胺类调整体系的酸碱平衡，获得所需产品。不同乳化剂配方的浓缩液外观及乳化液稳定性见表1。

由表1可见， 1号配方虽碱性较高，但在体系中易产生浑浊，浓缩液不稳定，因此选择2号配方作为主乳化剂；将主乳化剂与非离子乳化剂复配（3～5号配方），产品的乳化性能和抗硬水性能均得到改善，其中5号配方的综合性能最佳，故选择其作为产品的乳化剂配方组成。

防锈剂的筛选与复配

防锈剂多是一些极性物质，其分子结构特点为：一端是极性很强的基团，可吸附到金属表面；一端是非极性的烷基，具有疏水性质。当含有防锈剂的油品与金属接触时，防锈剂分子中的极性基团对金属表面有很强的吸附力，在金属表面形成紧密的单分子或多分子保护层，阻止腐蚀介质与金属接触，起到防锈作用。常用的防锈剂按结构可分为磺酸盐、羧酸及羧酸衍生物、酯类、有机磷酸及盐类和有机胺及杂环化合物等。开发的乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液采用磺酸盐和羧酸衍生物进行复配，达到优异的防锈效果。

在含有乳化剂的基础配方上，添加复配的防锈剂，并配成5%的乳化液，采用单片防锈性试验（GB/T 6144）进行防锈性评价，结果见图1。

表1 乳化剂配方的筛选

由图1可见，试验后试片表面5滴全无锈（A级），说明配方具有良好的防锈性能，可满足普碳钢冷轧工艺现场的防锈需求。

全性能分析

通过乳化剂、防锈剂的筛选得到乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液，产品具有优异的乳化性能和防锈性能，同时具备良好的抗硬水性能。研制的乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液的主要性能见表2。

由表2可见，乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液具有良好的乳化性、防锈性和抗硬水性能。

产品应用

研制的乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液具有良好的乳化性、防锈性和抗硬水性能，已在国内多条普碳钢单机架和连轧产线应用，产品性能得到客户认可。

广东地区某钢厂主要进行不锈钢板、普碳板的压延加工生产，产品用于不锈钢制品、五金制品、建筑用金属制品和家具配件等。该钢厂冷轧产线为多条单机架可逆轧机，乳化液系统无搅拌和加热设备。2017年初开始使用乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液作为轧制过程的润滑剂，很好地满足了现场工况要求。吉林地区某钢厂主要进行普碳钢窄带生产，产品广泛应用于焊管、农机、汽车、日用五金、建筑等行业。该钢厂冷轧产线为五连轧轧机组，乳化液系统无搅拌和加热设备，且乳化液使用河水配液，硬度较高。2017年8月开始，使用研制的乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液作为冷轧生产线配套工艺用油，产品润滑性、防锈性和清洗性满足现场要求，使用效果良好。

图1 单片防锈性试验照片

上述客户的使用结果表明，乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液润滑性、冷却性优良，轧制过程中轧制力小，轧后板面整洁光亮，且不易生锈，满足现场加工要求。在生产过程中，定期开展数据监测，结果显示在用轧制液指标正常，使用稳定。和抗硬水性能。

☆研发的稳定型普碳钢冷轧轧制液可用于普碳钢窄带的单机架和连轧产线冷轧加工，尤其适用于不具备搅拌、加热设备的轧制液系统。

结论

☆通过防锈剂、乳化剂等添加剂的筛选和复配，研制出适用于普碳钢冷轧轧制过程所用的乳化稳定型普碳钢冷轧轧制液，产品具有良好的乳化稳定性、防锈性、润滑性