水泥厂用特种油品的研制及其应用

2019-06-14华秀菱梁云龙

润滑油 2019年3期

华秀菱，梁云龙

(中国石油上海润滑油产品设计分公司,上海 200135)

0 引言

水泥生产设备投资巨大，润滑条件苛刻，修理维护困难，损坏后维护费用较高，这就要求所用润滑剂不但抗磨性好、承载能力强，而且可靠性高、耐高温性能好，使用周期长。此外，由于水泥生产线自动化程度高，设备的开机率对企业的生产和经营效率的影响很大。因此，水泥企业需要有更加可靠的润滑系统，以保证设备得到合理的润滑，进而提高设备运行效率，从而提高企业效益。

回转窑是水泥行业重要的关键性设备，其负荷重、温度高、粉尘大、潮湿，运转环境十分恶劣。对于托轮轴瓦油，许多水泥厂采用沥青质重油或气缸油或选用220～460等牌号不同的重负荷极压工业齿轮油来进行润滑。使用后造成轴瓦发热、拉丝、抱瓦、甚至翻瓦现象，经常出现发热故障，有时发热频繁，持续时间较长，严重影响了回转窑的正常运转。引起托轮轴瓦发热的因素有很多方面，诸如设备设计的合理性、制造质量、安装质量、工艺操作水平和维护状况等等，而油品性能对润滑的影响也是不容忽视的。油品的黏度、黏温特性、极压性能、氧化性能等对轴瓦的发热都有一定影响，因此选择适宜的回转窑托轮轴瓦润滑油进行合理润滑极为重要。

轮带是回转窑的重要部件，对窑的稳定运行起着非常关键的作用。轮带一方面是联系托轮支撑窑筒体的桥梁和纽带，另一方面又是提高筒体刚度的加固圈。目前轮带润滑产品大多为含有固体润滑材料的润滑剂。此类润滑产品具有一定流动性，可通过喷嘴喷到轮带间隙中，形成润滑膜。随着温度的升高，润滑油中的基础油组分被蒸发形成一层固体润滑膜，可起到抗磨和润滑的作用。目前国外西班牙老鹰、克虏伯、倍可均有此类产品。

开式齿轮油适用于开式、半闭式齿轮箱以及低速重负荷齿轮装置的润滑系统，广泛应用于水泥、冶金、矿业等行业的作业机械上，特别是应用在一些特大型的旋转设备上，如球磨机、干燥机、回转窑等。在国外，开式齿轮油以AGMA 251.02规格为代表，包括抗氧防锈型、极压型和溶剂稀释型。国内开式齿轮油(润滑脂除外)目前只有普通开式齿轮油一个标准(SH/T 0363-92)，其黏度等级相当于AGMA 10～13号油，质量水平介于AGMA 251.02抗氧防锈型齿轮油与极压型齿轮油之间，属于沥青型产品。多年来,国内众多企业对开式齿轮的润滑一直不太重视,使用性能不高的沥青型润滑剂或其他代用品,造成各种事故的现象时有发生。为满足工业需求,开发新型、性能较高的开式齿轮润滑剂迫在眉睫。

为此，本研究通过对组分油、添加剂复配的研究，研制开发了一种适用于水泥厂托轮轴瓦专用的油品——大瓦油，一种具有良好的流动性、耐高温性能以及黏附性能的KLD1000高性能轮带润滑剂，一种不含沥青、不含溶剂、可以用于自动喷雾装置、价格适中的M系列重负荷开式齿轮油，达到了相应的指标要求，油品具有突出的高极压性、防腐防锈性以及抗氧化性能，可满足大型水泥厂不同装置的润滑需求。

1 试验方法

本研究所用标准分析评定方法见表1。

表1 标准分析评定方法

表1(续)

2 试验结果与讨论

2.1 基础油的选择

对于大瓦油来说，油品对低温性能以及流动性没有太高要求。它的使用工况属于低速重载，这要求油品具有较高的黏度，以保证其足够的黏附性。根据其运行速度的计算，要求油品的100 ℃运动黏度≥80 mm2/s，一般基础油无法达到要求，必须选用高黏度的基础油，加入一定的稠化剂进行稠化。

同理，普通开式齿轮油一般选用矿物油、沥青再加添加剂调合，而极压型开式齿轮油基础油的选择却有很大的区别，必须满足黏度大，具有一定的吸附能力，并与添加剂有较好的感受性等要求。较高的黏度是保证其黏附性能的重要因素，要达到开式齿轮油的高黏度要求，也必须加入一定的稠化剂进行稠化。

稠化剂的选择主要取决于单位黏度增加和剪切稳定性，常用的稠化剂有3类：PMA(聚甲基丙烯酸酯)、OCP(乙丙共聚物)、PIB(聚异丁烯), 它们的性能对比见表2。

表2 3类黏度指数改进剂性能比较

通过表2对3类黏度指数改进剂各种性能的比较， PIB(聚异丁烯)的稠化能力较高，尤其是剪切稳定性最好，适合作为高黏度油品的稠化剂。另外从以往PIB在高黏度润滑油中的应用也证明其不仅具有较强的黏附能力，还具有良好的剪切能力和氧化安定性，因此选择PIB作为大瓦油和重负荷开式齿轮油的稠化剂。

轮带润滑油使用在一个开放的环境，属于消耗型油品，因此要求基础油对环境污染小。而酯类油毒性极低，具有可生物降解性，生物降解率可达90%以上，可减少对生态环境的污染，此外还具有：(1)良好的高低温性能、热氧化安定性；(2)残炭低、溶融性好，保持润滑系统的高清净度；(3)酯类油具有极性，与金属表面形成的油膜强度高，因而摩擦系数低，具有良好的润滑性能；(4)酯类油的导热系数高，其导热率比矿物油高15%，同时比热较大，热容量比矿物油高5%～10%，因而散热性好，可有效降低油箱及润滑系统的温度。酯类油主要有A和B两种，其主要理化性能见表3。

表3 两种酯类油的理化性能比对

从表3结果可知，酯类油B除倾点更低外，其他性能和酯类油A基本相当。而油品成膜能力的强弱，在极端工况下，对摩擦副润滑的保护作用，减少摩擦磨损，起到减摩作用非常重要，因此对酯类基础油A和B进行了极压抗磨性考察，考察结果见表4。

表4 两种酯类油的极压性能比对

从表4结果可知，酯类基础油B相对A有更好的极压性能，因此选择酯类油B作为轮带油的基础油。

2.2 黏附剂的选择

黏附剂A是由多元有机酸、多元醇经交联酯化形成的大分子聚合酯化产物，其分子结构中含有大量的强极性基团，表面能较高，在与固体表面接触时需通过在表面的铺展及吸附来降低体系能量，从而对固体表面产生强的浸润性与黏附力。因此选用黏附剂A可使油品在普通油相完全蒸发前提供具有吸附力和优良抗负载的油膜；而由于黏附剂A的表面能较高，在普通油相完全蒸发后，固体润滑剂也能均匀地铺展到摩擦副上，保证对轴承轴瓦、大齿轮以及轮带和垫板的润滑。

2.3 固体润滑剂的选择

大瓦油、M系列开式齿轮油、轮带润滑油均属于开式齿轮油范畴，主要应用在低速重负荷的特大型旋转设备上，传动齿轮齿面的单位面积负荷高，齿面成线接触，容易产生噪音和振动，因此不仅要求油品具有较高的承载能力，而且还要求降低摩擦副的摩擦系数。调查显示：日本油或脂中的固体润滑剂含量一般为1%～4%，欧美为6%～8%[1]。

固体石墨与基础油是不相溶的,从一定意义上讲加有石墨的润滑油是一个胶体溶液,其稳定程度的高低将直接受到石墨粒度大小的影响。因此,选择较小粒度的石墨是保证油品良好稳定性的重要条件[2]。对不同粒径石墨的稳定性进行了考察，结果见表5。

表5 石墨粒度对油品性能影响

从表5的结果可见:石墨粒径小于4000 nm的润滑剂加入油品中具有较好的稳定性。

通过市场咨询收集了几种粒径范围在4000 nm以内的产品并对其稳定性及极压性进行了考察，结果见表6。

表6 几种胶体石墨产品的稳定性及极压性能

从表6的试验结果得知： LHS201与其他3种产品相比，具有较好的承载力且价格适中，已商品化，特别适合用于调制开式齿轮油。它不仅具有较好的承载能力、减轻摩擦磨损，而且具有较好的防漏性。

2.4 齿轮油复合剂的选择

RHY4026是一种通用型工业用油复合剂，选用优质的含硫含磷添加剂、防锈防腐剂、摩擦改进剂等配制而成，采用不含活性硫的体系，赋予油品良好抗擦伤性和极压性，做到了环保、清洁、无灰。使用该复合剂以2.0%剂量调制的合成型工业齿轮油不仅通过了FZG齿轮机试验台架，还通过了FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架和10000 h的D943试验，并且通过了FZG微点蚀试验台架。该复合剂具有抗微点蚀作用，而对于开式齿轮来说，其最主要的失效形式是微点蚀。因此，研究选择RHY4026复合剂作为这3种油品的添加剂主要成分。

表7列出了RHY4026复合剂以2.0%剂量在合成齿轮油中的应用结果。

表7 RHY4026复合剂调制油品的评价结果

表7(续)

从表7可以看出：RHY4026复合剂调制的油品具有优异的抗微点蚀性能和抗磨性能，但由于配方中硫含量低，尽管PB值高，具有很强的油膜厚度，但同时油品的烧结负荷较低，只有1961.3 N，考虑到开式齿轮的工况是低速、高负荷，要求油品具有较高的烧结负荷，只靠RHY4026和基础油提供的承载能力远远不能满足使用要求，必须对油品的极压性能进行补强。

2.5 补强添加剂的考察

传统的齿轮油极压抗磨添加剂主要是含高活性硫、磷、氯类化合物的活性添加剂，随着环保、健康的要求越来越高，非活性(惰性)极压润滑添加剂的使用越来越受到人们的重视。其中高碱值磺酸盐是一种惰性极压抗磨剂，它不仅具有优良的极压抗磨性，而且还具有防锈性能。根据C-F3参比油的元素含量分析，重点对硫化物和磺酸盐类添加剂进行了极压抗磨性能的考察，结果见表8。

表8 不同极压抗磨剂考察结果

从表8可以看出，含硫剂R与T321H极压性能基本相当。气味方面，含硫剂R最低。由于开式齿轮油是在开放的环境中使用，故选择气味较低的含硫剂R作为极压剂。高碱值磺酸盐类添加剂考察了磺酸盐B及磺酸盐C，这两个添加剂碱值基本相当，在极压性能上的差别来看，磺酸盐C随着添加剂浓度的变化，油品磨斑直径值较磺酸盐B更小，因此选择磺酸盐C作为辅助的极压抗磨剂。

2.6 油性剂的选择

开式齿轮油由于齿轮接触压力高，承受高冲击；齿面间的滑动方向和大小急剧变化，并带有冲击负荷，连续性的滑动，使每次齿合需重新建立新油膜；负荷高，产生摩擦热大，使油温上升，会加速油膜破坏。因此除了对极压抗磨性要求高外，还必须具备好的黏附性和油性，易于黏附在齿面上，产生较好的油膜强度，以防齿轮运转中被挤出或甩掉。为此，除了极压抗磨剂的加入，还需加入一些酯类油性剂。

在对电力系统变电站运行管理的过程中，应该结合国家的相关要求，与电气企业的发展现状，做好科学合理的规划工作，从而保证电力变电系统的顺利运行。在这个基础上，应该落实各工作人员的工作职责，要求每一个工作人员都需要遵守相关的制度，按时完成工作任务，做好变电运行的保证工作。

油性剂的作用机理是其分子中的极性基团，牢固地吸附在金属表面，形成物理、化学吸附膜而达到减摩抗磨作用。选择不同的油性剂以1.0%的加剂量加入到99.0%M150基础油中进行油膜强度PB的考察，结果见表9。

表9 不同油性剂油膜强度的考察

表9(续)

从表9可以看出： F1、F2、F3相比于其他几种油性剂在油品中的油膜强度更好，因此选择这3种油性剂进行与极压抗磨剂的复合效应研究。

2.7 油性剂与极压抗磨剂的复合效应研究

油性剂具有一定承载能力,能够达到减摩抗磨作用。但是当载荷增大时,温度升高,油膜破裂而失效。因此,油性剂通常只能用在载荷不大,即摩擦部位温度不高的情况下[3-4]。单独使用极压剂作用时,由于极压剂分子是活性分子,无油性基团,它们的吸附能力很差,几乎不能吸附在摩擦表面,因而参与摩擦化学反应的量少,不能形成润滑油膜, 油性剂与极压剂复配后的抗磨性能比油性剂或极压剂单独作用时要高[5]。为此，在极压抗磨剂不变的情况下，进行了油性剂与极压抗磨剂复合效应研究，结果见表10。

表10 同一油性剂与极压抗磨剂的复合效应研究

从表10可以看出：随着油性剂加量的增大，油品的烧结负荷PD值变化不大，但油膜强度有一定变化，加量为0.5%～1.5%时均可满足PB指标要求，在超过1%后，PB明显下降。油性剂为0.5%时，油性剂与极压抗磨剂的协和作用较好，油品的极压抗磨性突出。

为了对3种不同的油性剂进行进一步选择，将3种油性剂以1%剂量与极压抗磨剂复合，其研究结果见表11。

表11 不同油性剂与极压抗磨剂的复合效应研究

从表11可以看出：F1与极压抗磨剂复合，其油品的Timken试验达不到200.2 N；F2与极压抗磨剂复合，其油品的PB达不到指标要求(小于1100 N)；F3油性剂与极压抗磨剂进行复合效应研究，可以满足油品的PB、PD以及Timken指标要求。

2.8 复合配方的确定

通过以上各类齿轮油添加剂的复配性能研究，确定了水泥厂用昆仑特种油品的复合配方。

2.9 油品总体性能评价

将以推荐剂量添加剂调制的大瓦油与市售的同类参比油进行了性能对比，结果见表12。

表12 大瓦油分析评定结果

从大瓦油总体性能评价结果可知：对研制油的实验室产品以及中试产品进行总体性能评定，研制油的黏度适中，各项性能均优于市售油。与市售油相比，其黏度指数高，倾点低，低温性能好；防锈防腐性优异，油品的铜片腐蚀(100 ℃，3 h)评级达到了1级，不仅蒸馏水锈蚀试验达到无锈，而且海水锈蚀试验也达到无锈；具有高的烧结负荷PD和油膜强度PB，极压性突出；另外该油品具有良好的抗氧化性以及热氧化安定性，相对于一般的重负荷工业齿轮油，增加了对旋转氧弹的评价，这也是其优异特性之一。

将加入RHY4026复合剂、胶体石墨调制的M220重负荷开式齿轮油与市场上国内220开式齿轮油参比油进行了性能对比，结果见表13。

表13 M220重负荷开式齿轮油分析评定结果

表13(续)

从表13可以看出:调制的M220重负荷开式齿轮油的某些性能超过了AGMA 251.02 EP极压开式齿轮油规格。与国内参比油相比，完全达到了其产品质量水平，且研制油闪点高，黏度指数高，具有更优异的防锈性以及热氧化安定性。

将研制的KLD1000轮带润滑油进行总体性能评价，产品的性能评价见表14 。

表14 KLD1000轮带润滑油产品性能

2.10 使用试验

研制的大瓦油、M系列开式齿轮油先后在不同的水泥厂进行了使用，水泥厂给出以下评价结果：油品表现出了良好的黏附性、润滑冷却性和优异的抗氧防锈性，降低了设备噪音和振动，保证了在恶劣工况下设备的安全平稳运行，反映效果非常不错。产品得到了厂家的质量认可，并作为其回转窑、大齿轮专用油品采购材料。

某回转窑设计水泥熟料日产量5000 t，规格为4.8 m×72 m(筒体内径×长度)，转速为0.4～4.4 r/min，斜度为4%，重量约为850 t，功率约为710 kW。窑体表面温度为260 ℃左右，使用轮带润滑油的轮带垫板表面温度约为330 ℃，轮带直径约5.9 m，重量约50 t。经过近1年的使用后设备运行状况良好，对方对油品的效果比较认可，同时开具了对昆仑KLD1000轮带润滑油的认可证书并进行了产品的正式应用。