钢冷轧乳化液离水展着性试验装置建立与测试

火鹏飞，杜恭，陈志忠，郎需进

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心,甘肃 兰州 730060 ；2.中国石油兰州润滑油厂，甘肃 兰州 730060)

0 引言

钢冷轧是以热轧钢卷为原料，常温下在再结晶温度以下将钢板进一步轧制成目标厚度钢板的一种加工方式，冷轧工艺在我国迅速发展，冷轧产品结构向着高强钢和板型控制更好的高品质钢种方向进一步调整。客户对冷轧工艺的总体需求是：更薄的厚度、更快的速度、更低的轧制力、更洁净的带钢、更低的成本，同时对冷轧乳化液也提出更高的要求：稳定的润滑性、更好的退火清净性、使用环保性、低气味的多功能添加剂，其中润滑性、退火清净性均和冷轧乳化液的离水展着性有关系[1]。

乳化液润滑剂的离水展着(Plate-out)性能是指乳化液中油相组分在金属表面的附着能力。它是由油相组分在金属表面的吸附行为所决定的，受到范德华引力、静电吸附力 (对离子型活性剂)、化学吸附力、氢键等因素的影响，并与固体表面油对水的置换能力直接相关[2]。乳化液润滑剂在金属表面离水展着是其发挥润滑作用的前提，离水展着性对润滑性能有重要影响，尤其是在进行钢冷轧乳化液产品替换的过程中，为保证不会出现大的问题，替换品与原样品需要在各个性能方面保持一致，离水展着性能作为轧制液的核心指标更是如此，因此需要建立合适的离水展着性评价方法。

1 试验

1.1 原材料

本钢在用冷轧样品A；

马钢在用冷轧样品B；

马钢在用冷轧样品C；

涟钢在用冷轧样品D；

曹妃甸在用冷轧样品E；

自制样品F；

目标替换产品G；

电子天平(0.1 mg)，梅特勒-托利多公司；

测试板，10.16 cm×15.24 cm，型号为Q-panel公司R46钢片测试板；

控温烘箱，可控(90±5) ℃；

干燥器，秒表；

去离子水，符合GB/T 6682中三级水的规格；

变色硅胶干燥剂；

压缩空气，0.3～0.4 MPa；

泵，型号1ZDB45自吸清水泵，功率0.55 kW，流量3 m3/h，转速2860 r/min，扬程45 m，吸程9 m；

榨汁机, 博朗(BRAUN)品牌电器，型号4184，功率525 W，频率50/60 Hz。

1.2 离水展着性试验设备(见图1)

图1 离水展着性试验装置原理

1.3 试验过程

(1)配置6 kg待测轧制油乳化液于乳化液箱中(浓度可依需检测条件自定)；

(2)使用搅拌器将乳化液搅拌均匀；

(3)称量测试板重量，记为W0，装于测试箱内(勿使用手直接碰触测试板)；

(4)打开循环泵，喷射30 s，吹气角度为45°，关闭循环泵；

(5)取出测试板，使用压缩空气吹扫表面水渍，放入(90±5) ℃控温烘箱，烘干30 min；

(6)烘干后，取出测试板，马上放置于干燥器中冷却至室温；

(7)称量冷却后测试板重量，记为W1；

(8)计算残油量 W=W1-W0，同一待测轧制油乳化液需平行测试5块测试板，报告5次检测结果W及平均结果，精确至0.1 mg。

(9)报告:根据所用测试板面积，换算1 m2的残油量(mg)。

1.4 分析方法

常规理化数据分析方法见表1。

表1 主要分析评定方法

2 试验条件与讨论

钢冷轧乳化液离水展着性评价装置试验条件原则上应该与钢冷轧乳化液的实际应用条件相一致，也就是实际生产过程中的各种条件。不同的条件也对试验结果有很大影响，使用自制样品F，对各条件进行区别讨论。

2.1 反应温度影响

乳化液配置浓度为3%，乳化液循环温度变化范围为20～60 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间为30 s，压缩空气吹扫次数为3次，角度为45°，见表2。

表2 循环温度考察

由表2可以看出，在测试温度范围内随着温度升高，研制样品的离水展着性增强，但通过查阅文献[3]，温度对由不同类型乳化剂配制的乳化液影响程度不同。一方面当温度升高时，乳化液胶团热运动加强，彼此碰撞机会增多, 从而促使胶团发生聚集、长大；大的胶团易发生破坏，并易被金属表面捕捉。另一方面由于水分子的热运动加剧，水分子与聚氧乙烯中氧结合的氢键易断裂，胶团逃离水的趋势增强；在温度上升到浊点附近时，非离子表面活性剂分子聚集数将达到很大数目，易被金属表面捕捉。对于阴离子型乳化剂，温度升高时阴离子乳化剂在水中的溶解度增加，与水的亲合性增大，分子(或胶团)从水介质中逃离而吸附于固体上的趋势减小。

对于配方中同时存在非离子和阴离子表面活性剂的情况，则需要针对具体数据进行比较，实际上目前轧制液多用高聚物型表面活性剂来控制乳化液颗粒度稳定，同时复配能快速扩散到体系中的非离子型表面活性剂。试验条件选择40 ℃是因为这是最贴近钢厂实际生产工况的温度(实际会高一些)。

2.2 乳化液浓度影响

试验考察了乳化液浓度对离水展着性的影响。其中乳化液配置浓度变化范围为2%～8%，循环温度为40 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间为30 s，压缩空气吹扫次数为3次，角度为45°，见表3。

表3 乳化液浓度考察

从表3可看出随着乳化液浓度增大，离水展着性也增强乳化液的离水展着性可以认为是油相组分在金属表面的吸附过程，单纯阴离子型乳化剂和非离子型乳化剂配制的乳化液吸附随等温曲线和浓度变化的趋势是有差异性的，表3的趋势代表非离子表面活性剂复配体系的自制样品离水展着性数据随乳化液浓度增大一直升高，这与乳化剂的比例以及复配有关，对不同乳化体系的产品不具有通用性，评价试验选择3%浓度是因为钢冷轧乳化液在现场使用的浓度一般为3%。

2.3 循环泵喷射时间影响

试验考察了循环泵喷射时间对离水展着性数据的影响。其中乳化液配置浓度为3%，循环温度为40 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间范围为15～60 s，压缩空气吹扫次数为3次，角度为45°，见表4。

表4 循环泵喷射时间考察

由表4数据发现，循环泵喷射时间对反应结果有一定影响，但程度并不大。随着喷射时间延长,离水展着性数据展示出增大的倾向，但在超过30 s后基本没有变化，对比数据要求统一喷射时间，规定喷射时间为30 s。

2.4 压缩空气吹扫次数影响

试验考察了压缩空气吹扫次数对离水展着性测定结果的影响。其中乳化液配置浓度为3%，循环温度为40 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间为30 s，压缩空气吹扫次数变化，角度为45°,见表5。

表5 压缩空气吹扫次数考察

由表5数据发现，空气吹扫次数对反应结果有影响。随着空气吹扫次数增多，离水展着性数据逐渐变小并趋于平缓，但在超过3次后基本没有变化，因此作为对比数据需要统一喷射次数，规定为吹扫3次。

2.5 压缩空气吹扫角度影响

试验考察了压缩空气吹扫角度对离水展着性测定结果的影响。其中乳化液配置浓度为3%，循环温度为40 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间为30 s，压缩空气吹扫次数为3次，角度变化，见表6。

表6 压缩空气吹扫角度考察

由表6数据发现，空气吹扫角度对反应结果有一定影响，但并不显著，这说明不同的吹扫角度会引起不同的测试板表面的乳化液残留，作为对比数据需要统一喷射角度，规定为45°。

在钢冷轧乳化液离水展着性测试这个自建试验中，还有很多试验因素都会对试验结果产生影响，如下：

(1)喷口规格，指的是乳化液喷射到测试板时候的喷口形状，有雾状、扇形、圆形、一字型、蓬头形等不同形状，都会对产品结果产生影响，因此试验建议统一喷口规格、型号进行测试。

(2)乳化液循环时间为3 h，原液榨汁机20000 r/min搅拌10 min，这个试验条件是根根据乳化液现场使用情况及剪切强度来确定的，符合乳化液现场使用条件。

2.6 自制样品和目标替代品的离水展着性数据比较

乳化液的作用是通过离水展着性使油滴能均匀地分布在轧辊和带钢的表面形成油膜。从冷却角度来讲，这样会降低热传导系数起到绝热作用，对冷却是不利的；但是从润滑角度来说，油膜越多越厚，才能满足润滑性能的要求，如果油滴分布太少，油膜过薄或者出现破裂，则会使冷轧钢板上出现划痕或者泡状缺陷。离水展着性试验的数据意义在于可以指导轧制液配方开发过程中兼顾冷却性和润滑性的要求，满足特定工况条件下的性能要求。

通过实验室建立的离水展着性方法，对目标替换轧制液产品和实验室自制样品进行性能对比。其中乳化液配置浓度为3%，乳化液循环温度为40 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间为30 s，压缩空气吹扫次数为3次，角度为45°，重复6次，见表7和表8。

表7 目标替换产品离水展着性

表8 自制样品离水展着性

本试验方法的精密度要求为重复性不低于90%，单次测量误差小于15%。从表7、表8可以看出目标产品的离水展着性相比自制样品的数据要好一些，但基本处于同一档次，在进行替换工作时，需要使自制样品在润滑和极压性能方面适当增强一些。

有一个因素分别会用两个不同的形式来表征，也可以影响到钢冷轧乳化液的润滑性能，这就是乳化液稳定性，分别可以用PSD(乳化液颗粒度)和ESI(乳化液稳定性)来表征，通常可以说 ESI越大，PSD越小，乳化液越稳定。一般性的规律为：在稳定的乳化液体系中，PSD越大，ESI越小，离水展着性越好，这样的乳化液润滑性能优于冷却性能；反之PSD越小，ESI越大，离水展着性越差，这样的乳化液冷却性能优于润滑性能[4]。

2.7 国内现有商业品离水展着性数据

对目前国内几个典型冷轧钢厂在用产品的理化性能进行对比，常规理化数据分析方法表1已经给出，离水展着性试验条件如下：乳化液配置浓度为3%，乳化液循环温度为40 ℃，循环时间为3 h，原液榨汁机以20000 r/min搅拌10 min，循环泵喷射时间为30 s，压缩空气吹扫次数为3次，角度为45°，见表9。

表9 竞品数据与性能对比

表9为产品的部分理化数据，冷轧乳化液的性能评价数据大部分是由各公司制定的非标准方法进行的，从理化数据我们可以推出以下内容：皂化值较低的产品其相应的使用浓度应该略高，各产品的黏度指数也一定程度反映了原材料选择上的不同。表中未列出的残铁、残炭方法的数据结果可以辅助判断产品冷轧退火后的板面清洁度，离水展着性数据也可以用来比较轧制液的吨钢消耗量，这是很重要的经济型数据，同时通过PDSC和TGA来模拟钢冷轧退火过程可以得到更有意义的数据：(1)通过TGA热重分析仪可以模拟不同气氛条件下的冷轧乳化液热失重和热氧降解曲线；(2)通过PDSC扫描差示量热仪可以衡量冷轧乳化液及其高聚物氧化过程中的放热量。通过以上两种模拟方法，并结合乳化液的离水展着性试验数据，可以在满足产品润滑性能、冷却性能和退火清净性的同时，全面地区分出针对不同轧机、不同环境和不同材质钢板时冷轧乳化液的使用性能[5]。

3 结论

(1)离水展着性是钢冷轧乳化液的重要性能数据，与现场使用效果关联。

(2)实验室自制的冷轧乳化液离水展着性数据随使用温度升高而增大，随乳化液浓度升高而增大。

(3)建立的钢冷轧乳化液离水展着性试验结果受多种因素影响，因此如果要获得准确的试验数据，需要固定试验条件和装置，并且尽量由同一个人进行操作，空气吹扫手法等不宜考察的因素对结果也有较大影响。

(4)尽量采用平行试验比较不同产品的离水展着性，对于试验结果变动比较大的情况，应该提前确定一个标准样品，并且在每次测试时平行进行一次标准样的测试。

(5)离水展着性试验和通过TGA、PDSC模拟的退火试验，可以用来评价钢冷轧过程中的板面清净性和退火清净性，对钢冷轧乳化液的配方开发起到指导意义。