露天矿用重负荷发动机冷却液的研制

2020-07-02白飞飞王玉超

露天采矿技术 2020年3期

白飞飞，王玉超

（1.煤炭科学技术研究院有限公司矿用油品分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

目前，我国露天煤矿大型关键设备及零配件仍主要依赖进口[1]，但用于进口设备的冷却液已逐步国产化替代，有效避免国际贸易供货周期对露天矿山生产效率的影响。重负荷发动机冷却液通常用于露天矿山移动式非公路工程机械上，该类机械发动机具有功率大、运转负荷高、产热量高的特点[2]。露天矿常用的大型关键设备有装载机、平路机、电动轮自卸车[3]等，该类车辆长期在满负荷的工况下运转，若发动机散热不及时，会导致行车无力、“拉缸”或“抱瓦”等现象[4]，严重缩短其使用寿命[5]，大型设备效率直接关系到矿山的生产效率，为减少设备停工时间，需做好设备的管理和运营维护[6]，用于矿山工程机械的Cummins 发动机其理想的工作温度范围为84～93℃[7]，为保障发动机处于最佳工作温度，除新型高效的水箱散热器外[8]，还需加入冷却液进行冷却[9]。GB/T 29743—2013 机动车发动机冷却液标准界定了重负荷发动机冷却液对金属的腐蚀范围和消泡时间等关键指标。按添加剂的化学成分可将冷却液分为无机型和有机型2 类，无机型冷却液主要依靠氧化膜、沉淀膜对金属起到保护作用，导致其添加剂消耗量大，需定期补加腐蚀抑制剂，还存在稳定性相对较差，产生的部分沉积物覆盖在金属表面不利于发动机散热的缺点[10]；有机型冷却液主要依靠吸附膜对金属起到保护作用，其添加剂消耗量较无机型少，但存在储备碱度不高和相对容易起泡的缺点。针对上述情况，采用无机和有机复合技术对冷却液的配方进行调制，并与市售的其它冷却液进行性能对比，以期新制备的冷却液能够满足露天矿重负荷发动机在苛刻条件下的使用要求。

1 实验部分

1）试样制备。将适量的去离子水、黑色金属缓蚀剂（钼酸盐）、有色金属缓蚀剂（咪唑类）和乙二醇均匀混合，得到冷却液的基础配方。根据发动机冷却系统常用6 种金属（紫铜、黄铜、钢、铸铁、铸铝和焊锡）的特性，依次研究不同浓度下二元羧酸、芳香酸盐、硼酸盐和阻垢剂对6 种金属腐蚀的影响，得到各添加剂的适宜添加量，对基础配方进行调整，以无机碱调节溶液的pH 值，制备出重负荷发动机冷却液。参考SH/T 0085 发动机冷却液腐蚀测定法（玻璃器皿法）配制腐蚀水，即将分析纯的Na2SO4、NaCl、NaHCO3溶解于去离子水中，使水中离子的浓度均为100 mg/L。

2）腐蚀实验。将上述配制的冷却液样品用腐蚀水配成冰点为（18±1）℃的试样，其中冷却液体积约占33%，以含基础配方的腐蚀水作对照实验。参照SH/T 0085 将金属试片浸泡在试样中，实验温度（95±2）℃，实验时间（96±2）h；实验前金属试片的质量为m1，实验后金属试片的质量为m2，其中m1－m2的绝对值即为金属试片的质量变化m，每个冷却液样品做3 个实验，取平均值。

2 金属腐蚀影响因素

2.1 二元羧酸对金属腐蚀的影响

二元羧酸浓度与试片质量变化的关系见表1。

在基础配方中添加二元羧酸后，从6 种金属质量变化的合计看，二元羧酸对6 种金属均具有防腐蚀作用，当二元羧酸的添加量在0.8% 时，各金属质量变化的合计值38.3 mg 相对较小，原因在于二元羧酸能够在金属表面形成吸附膜或在腐蚀活化点吸附，因而对各种金属都有较好的腐蚀抑制作用；二元羧酸对不同金属的防腐蚀效果有一定的差异，随着二元羧酸添加量的增大，紫铜、铸铝和焊锡的质量变化显著减小，是由于二元羧酸在金属表面较强的双吸附位点，联合黑色金属缓蚀剂和有色金属缓蚀剂共同作用，有效防止金属腐蚀；当浓度高于0.8%时，各金属质量变化幅度减小，综合成本考虑，故确定加入二元羧酸的量为0.8%。

表1 二元羧酸浓度与试片质量变化的关系

2.2 芳香酸盐对金属腐蚀的影响

芳香酸盐浓度与试片质量变化的关系见表2。

表2 芳香酸盐浓度与试片质量变化的关系

由表2 可见，随芳香酸盐含量的增加，6 种金属质量变化合计值呈先减小后增大的趋势，在2%时，合计值62.3 mg 为最小值，说明芳香酸盐对金属的防腐蚀性能相对较优；随着芳香酸盐添加量的继续增大，溶液的碱性逐渐增强，因铸铝和焊锡金属活性相对较高，导致其腐蚀量增大；黄铜、钢和铸铁的质量变化显著减小，是由于芳香酸盐渗透力强和能隔绝腐蚀离子进入金属内部，从而起到防腐蚀作用。综合各金属腐蚀情况和冷却系统铸铁含量较高因素，芳香酸盐的加入量以2%为宜。

2.3 硼酸盐对金属腐蚀的影响

硼酸盐浓度与试片质量变化的关系见表3。

表3 硼酸盐浓度与试片质量变化的关系

由表3 可见，随着硼酸盐含量的增加，6 种金属的质量变化合计值（最小值42.6 mg）呈先降低后增大的趋势，主要因为硼酸盐能够促进氧气吸附在金属表面，加速金属形成钝化膜，同时硼酸盐还能够在金属表面形成吸附膜，该膜可以与金属表面形成的钝化膜协同，有效阻止腐蚀性离子向金属内部渗透，减缓金属发生电化学反应，使得金属防腐蚀性能增强；当硼酸盐的含量在0.4%以上时，6 种金属中焊锡和铸铁的质量变化较小，说明其对焊锡和铸铁的防腐蚀性能较好；随着硼酸盐添加量的增大，铸铝和黄铜的质量变化量增大，不利于铸铝和黄铜的防护，是因为硼酸盐呈碱性，除中和发动机冷却液中醇类物质氧化成的酸性物之外，还能够剥离金属上的腐蚀产物，防止继续腐蚀；综合6 种金属腐蚀情况，硼酸盐的加入量以0.4%为宜。

2.4 阻垢剂对金属腐蚀的影响

阻垢剂浓度与试片质量变化的关系见表4。

表4 阻垢剂浓度与试片质量变化的关系

由表4 可见，随着阻垢剂含量的增加，6 种金属的质量变化合计值呈逐渐降低的趋势，当添加量在0.08%～0.1%时，对6 种金属具有良好的防腐蚀作用，主要因为阻垢剂具有一定的活性碱度和较高的pH 缓冲指数，可中和冷却液酸化的产物和提高冷却液的pH 值，使得金属防腐蚀性能增强；阻垢剂同时具有一定的润湿和渗透能力，对金属表面的锈蚀产物和污垢具有去除和乳化作用，促进其分散和悬浮，防止再沉积，保持金属表面相对光亮。表中显示其对铸铝和焊锡的防腐蚀作用较其它金属好，因其具有可溶性分散基团，可以改善氧化膜层的质量，减小碱性物质对铸铝、焊锡的腐蚀。当添加量继续增大，冷却液的pH 值继续增加，不利于紫铜和黄铜的防护。综合上述情况，阻垢剂的加入量以0.08%为宜。

2.5 不同冷却液间的性能比较

通过对二元羧酸、芳香酸盐、硼酸盐和阻垢剂的研究，确定了各添加剂的适宜添加量，将其加入到基础配方后，用适量的无机碱调节冷却液的pH 值，加入适量的酸碱指示剂搅拌均匀后得到重负荷发动机冷却液，依据GB/T 29743—2013 机动车发动机冷却液标准对其进行检验，并将冷却液的关键性指标与市售的A 和B 2 个品牌重负荷发动机冷却液进行比较，不同冷却液关键指标对比见表5。

表5 不同冷却液关键指标对比

表5 显示自制的发动机冷却液对6 种金属的防腐蚀性能有一定的差异，因单一添加剂与复合添加剂对同一金属防腐蚀性能存在差异，导致每种金属均未出现筛选添加剂时质量变化的最小值，可能与添加剂间的相互作用有关，如部分添加剂对黑色金属有防腐蚀作用，而对有色金属无防腐蚀作用。二元羧酸通过吸附在铸铝的表面来实现对铸铝的缓蚀，其对铝表面的附着力较无机盐型缓蚀剂形成的沉积膜弱，对铝的防护作用较无机盐缓蚀剂弱。

由6 种金属的质量变化可知，3 种冷却液对铸铝和焊锡的防护虽然均在标准规定的±30 mg 之内，但防腐蚀均有较大的提升空间，铸铝和焊锡容易被腐蚀，与它们自身金属活性较强有关。对比发现A和B 2 个品牌冷却液对6 种金属质量的影响均有增加和减少，而自制冷却液对6 种金属质量的影响均增加，说明其防腐蚀机理存在一定差异，可能与自制冷却液采用渗透性强的硼酸盐和阻垢剂有关。

自制冷却液的pH 值和B 品牌冷却液较接近，但其储备碱度较A 和B 品牌明显增大，说明其抑制乙二醇进一步酸化的能力较强，维持冷却液弱碱性的时间更长[11]，更有利于金属的防腐蚀。自制冷却液的氯含量较低、消泡时间更短，有利于降低发动机气穴腐蚀的风险。