板带钢冷轧乳化液稳定性与润滑性研究

王士庭，孙建林，赵永涛，王一助

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）

板带钢冷轧乳化液稳定性与润滑性研究

王士庭，孙建林，赵永涛，王一助

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）

研究了影响乳化液稳定性的几个因素，包括乳化液的HLB值、乳化剂的种类与复配类型、乳化剂的用量及乳化剂化学结构与基础油的相似程度等。结果表明，乳化液的HLB值等于油品被乳化所需的HLB值，乳化剂总量占12%～15%，所选乳化剂的HLB值越接近乳化液的总体HLB值，且其化学结构与基础油的结构越相似，乳化液的稳定性越好；乳化液的均一性与乳化液的总体稳定性具有一致性；在一定的范围内，乳化液的稳定性越好，润滑性能越差。

冷轧乳化液 稳定性 HLB值 ESI值 润滑性

1 前 言

乳化液在钢冷轧过程中具有良好的润滑性能，可降低轧制压力、降低轧制能耗及轧辊辊耗、冷却轧辊及带钢、控制板形，与轧制油相比，乳化液具有良好的轧后及退火表面清洁度，具有一定的工序防锈能力。轧制工艺润滑技术正是通过乳化液的以上作用来满足当前轧钢生产中节能降耗、清洁生产、提高产品质量之需要[1]。随着现代轧机轧制速度及用户对产品表面质量要求的不断提高，对冷轧乳化液的润滑性能提出了更高的要求，乳化液稳定性的调节已成为调整轧制乳化液润滑性能的重要手段之一。稳定性作为乳化液的最基本性能，对乳化液的润滑、防锈等使用性能有着重要影响[2-3]。因此，对乳化液的稳定性进行系统深入的研究具有重要意义。本课题主要以棕榈油基乳化液为研究对象，系统研究影响乳化液稳定性的各种因素，并通过冷轧润滑实验考察乳化液的稳定性与润滑性之间的关系。对新型轧制乳化液的研究开发以及根据实际的冷轧生产工况选择合适的轧制乳化液提供参考。

2 实 验

2.1 轧制乳化油的配制

2.1.1 实验材料 棕榈油、菜籽油、椰子油为基础油；硫系极压抗磨剂、磷系极压抗磨剂；石油磺酸盐类防锈剂；Span，Tween，OP系列乳化剂，乳化剂的HLB值（Hydrophile Lipophile Balance）见表1。

表1 实验用乳化剂的HLB值

2.1.2 轧制乳化油的实验室制备流程 将基础油、防锈剂、极压抗磨剂依次加入烧杯中，放入恒温电磁搅拌器上边搅拌边加热至90 ℃，恒温搅拌20 m in；冷却至80 ℃，加入乳化剂，恒温搅拌10 m in；冷却至60 ℃，加入助乳化剂，恒温搅拌10 m in后，冷却至室温即得到板带钢冷轧乳化油。

2.2 乳化液稳定性及均一性试验

乳化液的稳定性实验参照石油化工行业标准SH／T0579—94[4]。

乳化液的均一性试验即乳化液ESI（Emulsion Stability Index）的测试试验方法：将乳化油配制质量分数为5%的乳化液倒入分液漏斗，静置30 min，上、下各取100 m L乳化液后，采用盐析破乳法测定其含油量[5]。

乳化液的ESI值按下式计算：式中，v2为分液漏斗中下层100 m L乳化液的析油析皂体积；v1为分液漏斗中上层100 m L乳化液的析油析皂体积。ESI值越大，则乳化液的均一性越好，反之ESI值越小，则乳化液的均一性越差。

2.3 摩擦学性能测试实验

在MRS-10A四球摩擦磨损试验机上，采用GB/T12583—1998方法测试轧制乳化液的承载能力（PB值）。在载荷为392 N、转速1 200 r/m in的条件下，进行10 m in长磨实验，采用四球机的随机软件计算出各轧制乳化液的平均摩擦系数，以评价轧制乳化液的减摩性能。

2.4 冷轧润滑实验

在Φ130 mm×200 mm二辊冷轧实验轧机上进行轧制润滑实验，轧辊的转速为10 r/m in。实验用带钢为某钢厂生产的IF钢（退火状态），规格为150 mm×50 mm×2 mm。轧制前，先用丙酮清洗轧辊，再用医用棉擦干。在更换乳化液时重复上述清洗过程。轧制时，将乳化液喷射到轧辊和轧件表面，每道次辊缝调节相同的预压下量，测定不同乳化液轧制时，每道次带钢的轧后厚度，同时轧机自动采集轧制压力及轧机消耗功率等参数，用来比较各冷轧乳化液的润滑效果。

3 结果与分析

由水与油组成的乳化液为热力学不稳定分散体系，由于该体系的表面能过大，使得体系的自由能较高。因此，水和油会有各自积聚分离分层的趋势。但加入乳化剂后，乳化剂会吸附在油水的界面上成膜，显著降低界面自由能，使分散体系的自由能保持在较低的水平，使得乳化液暂时稳定[6-7]。乳化液中油水界面膜的机械强度是决定乳状液稳定性的主要因素。其具体的作用因素为：乳化剂的HLB值、乳化剂的种类、用量及乳化剂与基础油的分子结构的相似性[8]。

3.1 HLB值对乳化液稳定性的影响

HLB值即亲水亲油平衡值，每一种乳化剂都有一个处在0～20的无量纲数。HLB值在0～9的为油溶性憎水乳化剂，HLB值在11～20的为水溶性亲水乳化剂[9]。其计算公式如下：式中，ωi为各乳化剂的质量分数；HLBi为各乳化剂的HLB值。

采用Span-80分别与Tween-60、Tween-20配制成不同HLB值乳化油后，与去离子水配制成体积分数为5%的乳化液，静置24 h。通过观察乳化液的析油析皂情况，来评价乳化液的稳定性，结果见图1。由图1可见，采用相同基础油，不同乳化体系的两组乳化液有一个共同的特征，随着HLB值的增大，乳化液在HLB值为8～10时析油析皂量最少，稳定性最好。HLB值为5时，漂浮量虽少但全部为析油即不乳化。因此，乳化液稳定时的HLB值的范围由被乳化的物质决定，而不受乳化体系的影响。实验过程中还发现，随着HLB值增大，乳化油从清澈透明逐渐变浑浊，且放置一段时间会出现分层现象。

图1 HLB值对乳化液析油析皂的影响

3.2 乳化剂化学结构对乳化液稳定性的影响

采用Span-20与Tween-20作为乳化剂，分别以菜籽油（含油酸约60%）、椰子油（含月桂酸约50%）为基础油，配制乳化油后，加去离子水配制成体积分数为5%的乳化液，放置24 h，观察其稳定性，结果见图2。由图2可见，与Span-20、Tween-20含有相同月桂酸的椰子油基乳化液的稳定性优于菜籽油基乳化液，且这种优势不因乳化剂含量的改变而改变。因此，采用乳化剂的化学结构与被乳化油品的化学结构越接近，所得的乳化液稳定性越好。

3.3 乳化剂的复配类型及用量对乳化液稳定性的影响

每种乳化剂都有固定的HLB值，而每种油品被乳化所需的HLB值范围是确定的。单一乳化剂很难与油品被乳化所需的HLB值相符，且形成的界面膜致密性差，机械强度不高。因此，通常将一种水溶性乳化剂和一种油溶性乳化剂组成复合乳化剂使用[10]。实验所采用的乳化剂5种复配系列组合情况见表2。

图2 乳化剂化学结构对乳化液析油析皂的影响

表2 实验采用的乳化剂复配组合

以棕榈油为基础油，采用上述5种乳化剂复配体系配置HLB为10、乳化剂质量分数分别为6%，9%，12%，15%，18%的乳化油后，加去离子水配制成体积分数为5%的乳化液静置24 h，观察其析油析皂量，结果见图3。乳化剂的HLB值代表着乳化剂自身亲水性与亲油性的平衡能力，其自身亲水亲油性的平衡使得乳化剂所形成的界面膜更加致密，机械强度更高，乳化液的稳定更好。因此，复合乳化体系中的两种乳化剂的HLB值越接近油品被乳化所需的HLB值，乳化液的稳定性越好。由图3可见，乳化剂质量分数为12%~15%时，乳化液的稳定性较好，且不会因乳化剂的量过大而减少基础油与其它添加剂的含量，从而降低乳化液的润滑性能。

图3 乳化剂复配类型及用量对乳化液析油析皂的影响

3.4 乳化液的均一性实验分析

乳化液的均一性作为衡量乳化液稳定性的一个重要方面，影响着乳化液润滑效果的稳定性。而润滑效果不稳定，则轧制张力不恒定，从而影响轧件的板形甚至整个轧制生产线的稳定性。乳化剂的复配类型及用量对乳化液ESI值的影响见图4。由图3和图4可见，乳化液的均一性与总体的稳定性相一致。ESI值越接近于1，乳化液颗粒分布越均匀即稳定性越高。乳化液的均一稳定性越好，则润滑效果越稳定，从而有利于轧制生产线的稳定与板形的控制。

图4 乳化剂的复配类型及用量对乳化液ESI值的影响

乳化液的稳定性主要与乳化液的组成（基础油与乳化剂）有关。同时，乳化液的稳定性还受乳化油的配制工艺（加料顺序、加热温度、搅拌速度与强度等）及乳化液的使用条件（乳化液浓度、乳化液使用温度等）的影响[11]。

3.5 乳化液的稳定性对其润滑效果的影响

一般轧制乳化液分为稳定型、半稳定型和不稳定型乳化液。随着高强度板带钢的研制与开发应用，对冷轧过程中乳化液的润滑性提出了更高的要求。除了改变轧制油的皂化值外，还可以对乳化液的稳定性调整与控制来满足润滑性能的要求[2]。采用两种析油析皂量不同的乳化液，在四球摩擦磨损实验机上进行摩擦学性能测试，结果见表3。由于四球摩擦磨损实验机为模拟实验机，其摩擦副的接触形式为点接触，而轧制过程中为钢板与轧辊之间的弧面接触。因此，为了更全面地研究乳化液稳定性对其润滑性能的影响，采用以上两种乳化液进行冷轧润滑实验，两种乳化液轧制润滑效果对比见图5。由表3和图5可以看出，析油析皂为6%乳化液的摩擦学性能及轧制润滑效果都优于析油析皂为3%的乳化液。原因主要在于润滑剂的润滑效果主要由摩擦副表面的油膜厚度和油膜强度决定。在一定范围内，乳化液的稳定性越差，乳化液的离水展着性越好，则乳化油在摩擦副表面的吸附量越多即在摩擦副表面形成润滑油膜的厚度越大，所以润滑效果越好。因此，可以通过调整乳化液的稳定性来提高轧制乳化液的润滑性能。在实际生产中，轧件的规格越薄，使用的乳化液越不稳定。但是乳化液稳定性差，使得轧件表面残油量增大，不但增加轧制油耗，且使轧件表面退火清净性变差[12]。一般要求乳化液的析油析皂量控制在5%左右，但并没有统一的标准和硬性要求[13]。在实际生产过程中，应根据生产工艺及产品质量要求选择稳定性合适的乳化液，而不是一味地追求稳定的乳化液。

图5 乳化液稳定性对其润滑效果的影响

表3 乳化液稳定性对其摩擦学性能参数的影响

4 结 论

（1）影响乳化液稳定性的因素主要有乳化剂的HLB值、种类及复配类型、用量及与基础油性质的相关性。当乳化液的HLB接近油品被乳化所需的HLB值，用量在12%～15%，且乳化剂与油品的化学结构越相似，乳化液的稳定性越好。

（2）乳化液的均一性与乳化液的总体稳定性一致。乳化液的ESI值越接近1，乳化液中的油滴分布越均匀，乳化液的润滑效果就越稳定。

（3）乳化液的稳定性对乳化液的润滑效果、轧制油耗、轧件表面轧后及退火清净性有显著的影响。在一定范围内，轧制乳化液的稳定性与润滑性成反向关系。因此，在板带钢轧制生产过程中，乳化液稳定性的调节已成为调整轧制乳化液润滑性能的重要手段之一。为了协调乳化液的稳定性与润滑性，乳化液的析油析皂量一般控制在5%左右。

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Abstract Factors affecting the stability of emulsions， such as HLB （hydrophile lipophile balance）value of emulsions， the types of emulsifiers and their combinations， the amount of emulsifiers and the structure sim ilarity between emulsifier and base oil， are investigated. The results show that good stability of an emulsion could be obtained when the HLB value of an emulsion is equal to that of the oil being emulsified， the total amount of emulsifiers is in the range of 12%—15%， the HLB value of selected emulsifier is close to that of the emulsion， and the chem ical structures of the emulsifiers are quite sim ilar to those of the base oil. The homogeneous emulsions usually have good stability， yet in a certain extent， the emulsions having good stability exhibit bad lubricity.

Key Words：cold-rolling emulsion; stability; hydrophile lipophile balance; emulsion stability index; lubrication

福建炼油乙烯一体化合资项目正式投产

2009年11月11日，福建炼油乙烯一体化合资项目在福建泉州市泉港区正式投产，标志着这一世界级、一体化的炼油化工项目全面建成投产，同时中国首套高度集成的汽电联产大型环保节能项目——IGCC也宣告建成。据称该一体化项目是我国首个中外合资的炼油化工一体化石化项目，其总投资384亿元人民币，由中国石化股份公司、福建省、ExxonMobil 和Saudi Aramco公司各持股25%，联合项目包括炼油能力从4 M t/a扩大至12 M t/a，主要加工沙特原油。同时包括新建一套800 kt/a乙烯裂解装置、一套800 kt/a聚乙烯装置、一套400 k/a聚丙烯装置和一套700 kt/a芳烃联合装置。此外，还建设了配套的公用工程和30万吨级原油码头。

[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]

Shell公司首套采用“Omega”技术的单乙二醇生产装置成功投运

Shell公司位于新加坡裕廊岛的东方石化联合项目（SEPC）中的一套750 kt/a单乙二醇（MEG）生产装置已成功投运。

这套MEG装置的投产对于完成2010年初东方石化联合项目具有重要意义，该新装置中的绝大多数产品将被运往中国。该装置是全球产能最大的装置之一，也是Shell公司采用高收率“Omega”工艺技术的首套生产装置。这项新技术以乙烯为原料，MEG收率高。

SEPC项目还包括在布孔岛新建一套800 kt/a乙烯装置、一套155 kt/a丁二烯装置以及对当地的炼油厂进行改造，这些项目都预定于2010年初投产。该联合项目也包括一套450 kt/a丙烯生产装置和一套230 kt/a苯生产装置。当SEPC项目全部投运后，它将成为Shell公司最大的、全方位的炼化一体化中心。

Shell公司估计，目前亚洲对MEG的需求占全球总量的约70%。

[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]

AN INVESTIGATION OF THE STABILITY AND LUBRICITY OF EMULSIONS FOR STRIP COLD ROLLING

Wang Shiting，Sun Jianlin，Zhao Yongtao，Wang Yizhu
（School of Materials and Engineering， Beijing University of Science and Technology， Beijing 100083）

2009-09-14；修改稿收到日期：2009-12-16。

王士庭，男，在读硕士研究生，主要从事板带钢轧制工艺润滑技术及乳化液的研究工作。