我国铝板带箔冷轧生产及其工艺润滑剂的现状与发展

姚钧耀 杨兰

中国石化润滑油有限公司上海研究院

经历了改革开放以来的快速发展期，如今中国的铝加工产业体系完备，体量庞大，增速可观，消费旺盛。中国已连续多年保持全球最大铝材生产国和消费国地位[1]。铝材中铝平轧产品（板、带、箔）是重要的一部分，在国内其产量可占到铝材总产量的近40%，通常铝板带箔的生产都需要经过冷轧轧制。据统计，2020年中国铝板带材产量1185万t，比上年增长4.2%，约占全球铝板带总产量的45%；2020年中国铝箔材产量415万t，比上年增长3.8%，约占全球铝箔总产量的65%[2]。

铝材广泛应用于建筑、包装、电子电力、机械装备、交通运输、航空航天等领域，国内铝板带箔的年消费总量近几年已超过1000万t。国内铝轧制行业经过快速发展，装备水平日趋先进，材料牌号不断丰富，同时为了适应高质量发展的需求，对轧制精度、板面质量、生产效率等的要求也在逐步提升，这必然对铝冷轧的润滑工艺和润滑介质提出了更高的要求[3]。轧制油作为工艺润滑介质，在铝板带箔的冷轧过程中起到冷却、润滑、清洗的关键性作用，直接影响铝材的表面质量。不同的铝合金材质、轧制厚度、生产方式等对工艺润滑的要求不尽相同，因此需要选用合适的轧制油。具有润滑高功效、板面低污染，同时兼具稳定性和环保性的铝冷轧轧制油是当前的主要发展方向。

国内铝冷轧生产行业现状

目前，我国的铝板带箔冷轧行业呈现出产量规模世界第一、技术装备水平世界领先、产业集群化发展、龙头企业不断壮大等特点。

中国铝平轧产品的生产企业已超过500家，超过世界其他国家同类企业的总和。截至2019年，中国在铝板带箔冷轧方面的总产能超过2200万t/a，约占全球的50%以上[4]。但同时也暴露出产能全面过剩、同质化竞争加剧的问题，这也在一定程度上制约了行业的高质量发展。在2018年之前的10年里，我国铝板带产量的年均复合增长率超过10%，但随着国内建筑、汽车等重点消费领域增长放缓，比如2018年全国汽车产量首次出现了下降，铝材产量增速也开始放缓。受新冠疫情影响，全球经济大幅萎缩，国内疫情已基本得到控制，预计未来两年我国铝板带箔产量将保持小幅增长态势。我国近五年的铝板带、铝箔产量见表1[2]。

表1 近五年中国铝板带、铝箔产量

中国的先进铝冷轧装备大部分是本世纪引进建设的，装备水平国际领先，且数量全球最多。据不完全统计，已建成引进技术的铝板带冷连轧产线9条、CVC-6 plus六辊铝带单轧机近30台，宽幅铝箔专用轧机40台以上，这些轧机设备大多数来自德国西马克集团[5]。虽然先进的大型冷轧机（辊面宽度大于1800 mm）多数还依赖进口，但中小型冷轧机已可基本实现国产化，且以中色科技、中国重工院、上海天重等为代表的国产装备水平在不断提高，与国际先进设备间的差距也在缩小。不过同时也应该看到，虽然国内铝冷轧行业规模庞大、装备先进，但航空用铝材等高端铝平轧产品仍需要进口，这就要求进行产业结构升级，走更高质量发展的道路，增长方式也需由要素驱动转为创新驱动。

集群化已成为中国铝材加工产业发展的重要特点，铝板带箔的冷轧生产作为其中重要一环参与整个产业布局。其分布主要呈现两个特点：一是围绕上游电解铝生产布局，主要在山东、河南、内蒙古等地；二是围绕下游消费中心布局，主要是长江三角洲和珠江三角洲地区。在产业集群区，龙头企业可带领行业爬坡过坎、突破短板，在引领产业发展方面的作用不可或缺。由中国有色金属加工工业协会评审出的2019年（第三届）中国铝板带材十强企业和2018年（第三届）中国铝箔材十强企业见表2。产业集群带动了地区内中小企业的发展，但各企业间技术装备、产品质量、创新能力等均层次不齐，且易造成混乱的市场竞争，因此需加强上下游、企业间的合作，形成集约化的产业管理。

表2 中国铝板带材、箔材十强企业

铝冷轧工艺润滑剂现状与发展

铝板带箔冷轧的工艺润滑剂一般是纯油型的轧制油，以轧制基础油为主体，辅以适量的添加剂。按照铝冷轧行业的现行特点，铝轧制油所用的基础油和添加剂通常是分开采购的，铝材厂在生产时按比例添加使用。根据往年的用油需求量以及近几年铝材增产量估算，目前我国的年耗铝冷轧基础油约为10万t，而添加剂用量约为冷轧基础油的5% ～10%。

铝冷轧基础油

铝冷轧基础油是铝板带箔生产过程中的重要辅料，在轧制油中的比例占到90%以上，其对冷轧工艺以及铝材成品质量有重要影响。目前国内的铝冷轧基础油主要选用的是采用加氢精制技术生产的轻质白油，是由原油经过常压蒸馏、加氢精制、分馏切割而得的不同馏分的基础油。其中，如果不饱和烃以及硫、氮等非烃类物质的脱除程度越高，则基础油的稳定性能和清净性能就越好[6]。优良的铝冷轧基础油应当满足低硫低芳烃、无毒低气味、低黏度、高闪点、窄馏程等要求，同时还需具备良好的退火清净性和氧化安定性。

最早开发铝冷轧基础油的是埃克森美孚等国外石油公司，其产品发展到现在，已经更新到了第4代[7]。从开始的工业煤油到普通矿物油，再到正构烷烃油，直至现在广泛采用的深度加氢精制矿物油，如今的铝冷轧基础油其安全环保性、退火清净性、轧制润滑性、添加剂相溶性都有了很大提升。国内于20世纪90年代开始，使用进口正构烷烃基础油应用于铝材轧制。随着国内铝加工业的发展和石油炼化技术的不断进步，目前铝冷轧基础油已基本实现了国产化，国内的炼化企业以轻质石蜡基原油为原料，生产高品质、高稳定性的铝冷轧基础油，已占有了我国70%以上的市场。目前国内铝冷轧基础油多为混合烷烃基础油，一般包含70% ～80%的链烷烃和20% ～30%的环烷烃。链烷烃的氧化安定性好，油品黏度低，退火清净性好，适于用作铝冷轧基础油；而混合一定比例的环烷烃，可以提高基础油对添加剂的溶解能力，加大对金属表面的黏附力，充分发挥添加剂的润滑效果[8]。

铝冷轧基础油在应用时需根据轧机设备、所轧铝材、生产工艺等因素做出差异化的选择，油品的理化指标是评判其使用性能以及做出选择的重要依据[9]。我国的石油化工行业标准NB/SH/T 0913—2015《轻质白油》对相关系列油品的技术指标做出了要求，目前国内的大多数炼化企业在生产可用作铝冷轧基础油的轻质白油时也都遵照此标准执行。该标准对油品的运动黏度、馏程、闪点、芳烃含量、硫含量等关键指标做出了规定，其中闭口闪点是区分基础油牌号的直接依据，而其本质则是根据不同的馏程和黏度进行的划分。目前市场上应用较多的两种典型基础油牌号是W1-100和W1-80，它们的关键理化指标见表3。

表3 铝冷轧基础油关键技术指标

W1-100应用于铝板带生产，因加工过程中需要较大的油膜强度，故选用黏度相对大一些的基础油。而W1-80应用在铝箔生产上，由于铝箔轧制速度较快，要求油品的挥发性能要好，因此选用的基础油黏度低一些。当然，随着板带箔产品市场的不断细分，铝冷轧基础油的选择不局限于此，比如生产电子铝箔可选择介于两者之间的W1-90基础油，而生产硬合金系列产品则可使用油膜强度更高的W1-110基础油。

此外，人们也在不断探索和研制新型的铝冷轧基础油。据文献报道[10]，有石化企业利用ISOSIV分子筛工艺装置的生成油或产品为主要原料开发铝冷轧基础油，结果表明，虽然原料中的芳烃含量较高，但经过馏分切割、高压加氢后，也成功制得窄馏分、低芳烃的高档铝冷轧基础油。还有的企业利用费托合成工艺生产的煤制油开发铝冷轧基础油[11]，该型基础油具有高饱和度、高异构化、低密度、不含硫、极低芳烃含量、低挥发性等特点。2014年开始，煤制工艺基础油开始在铝冷轧行业量产应用，取得了一定的业内认可和市场份额，甚至有应用表明其具有降低油耗的作用，因此也有人将煤制合成油称为新一代的铝冷轧基础油。

铝冷轧添加剂

相对于铝冷轧基础油，国产化铝冷轧添加剂的研发稍显滞后，国外进口品牌仍占据了较大的市场份额，尤其是在大型的铝加工生产企业中，在引进国外先进设备的同时，配套购买了进口的工艺润滑用油。近年来，随着国产化进程的推进，国内不少润滑油厂家也相继推出了自己的铝冷轧添加剂产品，例如中国石化润滑油有限公司的M0729系列铝冷轧添加剂产品，随着国产化产品的应用和更新，目前也逐步得到了市场认可，尤其是在中小型铝冷轧生产企业中占有了一定份额。

添加剂是提高轧制油性能最经济有效的途径之一。由于铝冷轧基础油是非极性的石油馏分产品，仅依靠其自身提供的油膜附着能力无法满足铝冷轧所需的润滑需求，所以必须添加一定量的极性添加剂，这样不仅可以减少摩擦、降低磨损，而且可以提高油膜强度。

由于铝材质地相对偏软，而且对退火表面质量要求较高，因此铝轧制油中通常只添加油性剂，而很少使用极压剂，以避免引入易引起退火油斑的硫、磷等元素。对铝轧工艺来讲，常用的油性添加剂主要是能与金属表面发生物理吸附的长链脂肪酸、脂肪醇和脂肪酸酯。由于他们的碳链长度和官能团极性各不相同，因此表现出不同的润滑性能特点。对同一类添加剂，其碳链越长，润滑性能越好，但碳链过长又容易产生退火油斑；而在碳链长度相同的情况下，减摩效果最好的是酸，但酸在退火时的污染亦最严重，要谨慎使用。此外，添加剂的碳链长度还应与基础油中的链烃长度相匹配，以达到理想的适应性。铝冷轧添加剂常用的脂肪酸、醇、酯三类物质的主要特点比较[12]见表4。

表4 不同类型添加剂的特点

有研究学者[13]对此进行了理论研究，提出了铝材轧制润滑剂吸附自由能的求解方法，结果显示在同系物中碳链较长者，吸附自由能也大，相应饱和吸附最小浓度小，与金属之间的吸附强度也就越强。同时，其依据基团电负性和氢键作用原理，证实不同极性基团在金属表面吸附强度的顺序为：羧酸>醇>甲酯>乙酯>丁酯。

润滑性和退火清净性是铝冷轧添加剂选型上需要重点关注的两个方面，在研发和选用过程中应当综合考虑添加剂单体的极性和碳链长度。有研究表明，综合效果较佳的添加剂单体是C12～C14脂肪醇及脂肪酸甲酯。

此外，铝冷轧添加剂正朝着高效复合型发展，两种或多种添加剂复合使用时会达到更佳的效果。例如冷轧板带材多以醇酯型复合添加剂为主，两者的有机组合能够最大限度发挥醇、酯各自的润滑特性，达到润滑减磨效果最大化的目的，同时，醇和酯添加剂也具有较好的退火清净性。但在醇酯型复合添加剂的实际使用过程中，醇和酯的消耗速率往往是不同的，铝加工企业有时还需要根据各自轧机的工况来调整醇、酯比例。

区别于铝板带的加工特点，在铝箔材轧制时，由于冷轧铝箔基础油的黏度比冷轧板材的要低，且轧制油用量相对较小，因此对添加剂的润滑性能要求反而较高。另外，铝箔轧制时的道次加工率较大，轧制压力较高，所以对润滑剂的油膜强度要求也较高。鉴于酯类具有较高的承载能力，故铝箔用冷轧添加剂常以酯类为主。

铝冷轧轧制油的发展趋势

在铝冷轧基础油方面，未来的主要发展方向是清洁和高效。清洁一方面要求更低的芳烃含量和气味、对人体和环境友好，另一方面要求对板面的污染腐蚀更少、具有更好的退火清净性。而高效不仅要求基础油具有较高的油膜强度，适应高速、宽幅、连轧、硬质合金的轧制生产需要，而且要求更低的使用成本和更低的油耗。

在铝冷轧添加剂方面，随着铝材产品质量的不断提升，客户对表面质量也越发挑剔，对添加剂的性能要求也越来越高，未来发展的趋势主要有以下几个方面：更优秀的摩擦学性能；更好的润湿性能；更好的轧制承载能力；更佳的抗腐蚀性能；更优良的退火清净性。

结束语

中国的铝冷轧行业在改革放开以来取得了长足的发展，规模已然是世界第一，应当充分发挥产能装备优势，强化创新驱动，谋求高质量的发展，并结合国家“一带一路”等国际战略，提高国际竞争力和品牌影响力。同时，随着国内铝板带箔产品应用领域不断扩大，铝轧配套产品的市场将会快速发展，市场容量会持续增长，并随着板带箔产品应用领域的细分，铝冷轧基础油及其添加剂会逐渐形成多规格、系列化的产品结构。