一步合成金属加工的活性硫添加剂机理研究

所超，周洋，赵磊

一步合成金属加工的活性硫添加剂机理研究

所超，周洋，赵磊

（沈阳广达化工有限公司， 辽宁 沈阳 110141）

金属加工的活性硫添加剂合成研究主要目的为了验证小试合成工艺的可能性，确定前期工艺参数及后期处理方法，为中试乃至大生产提供必要的依据。通过小试对金属切削油含硫添加剂的一系列实验，其性能指标完全匹配国外德国莱茵公司所生产的RC250的相应产品，同时实验室通过对工艺优化改进、调整反应温度及原材料配比，同时将过程产生的低组分返回高压反应体系进行分子再重排，反应得到产品的性能无差异。不但促使了废物再利用，从当今的环保理念对该产品的产业化奠定了结实的基础。

高压釜；添加剂；小试；金属切削油

金属加工的活性硫添加剂在金属加工油中不可缺少的一项添加剂，但目前国内无该添加剂的生产企业，全部依托于国外进口（目前以德国莱茵公司生产的金属加工的活性硫添加剂RC2540为主），随着国内的需求量大大提高，此项添加剂的国内生产的趋势越来越强烈，所以公司现阶段正积极通过小试试验机理的研究，匹配德国莱茵公司RC2540的各项指标，最终能够达到批量生产为目的。

金属切削油添加剂目前是能够取代元素硫对基础油硫化得到非常好的硫化剂,另外,同时该产品的活性硫含量高, 随温度上升而稳步增加,因此,只要是缓慢的升温, (大约升温在55～60 ℃左右), 就有显著的极压性能, 而且, 极压性能将会进一步提高.该项目的金属切削油添加剂可与其他的含硫添加剂有非常有效的复合效应, 增加极压活性, 而且该产品与二硫代磷酸锌盐, 磷酸单酯, 或无灰的硫磷添加剂复合使用, 可进一步改善抗磨性能。该产品在金属切削油中的应用, 其活性硫是能够迅速和铁金属表面反应形成具有非常稳定性的硫化金属膜。也正是因为该硫化膜的形成可以使能防止两种介质直接相互接触，行程咬合后的硫化膜的强度取决于所用产品中的活性硫的含量。

该产品是非常适合用润滑油的高效切削能力的最重要因素——在金属加工过程。在伴随着温度的增加，该产品的活性硫含量稳定增加，在金属加工过程伴随着温度的增加其活性硫也同比提高，进而生成的硫化膜的效果同比提高。

通过德国莱茵公司RC2540技术数据指标分析：

表1 德国莱茵公司RC2540技术数据指标

1 小试试验部分

1.1 原材料准备及设备的选型

小试试验原材料的选择有：硫磺、烯烃、硫化氢。

主要设备选型及流程如下：

1）高压反应釜：实验室选用了新元化工机械厂专为试验加工订做的CJ-3型高压反应釜。设计压力10 MPa，设计温度220 ℃。

2）高压计量泵：选用了航天科技集团北京卫星制造厂生产的专门应用于高科技领域的精密高压平流泵，产品型号2PB1040，最大流量30 mL·min-1，最高压力40 MPa。

3）烯烃计量罐：烯烃的计量使用（材质：白钢，设计压力1.0 MPa）。

4）四口烧瓶、玻璃冷凝器、加热套、干式真空泵、抽滤瓶等。

5）分析仪器

测硫仪、黏度检测仪、闭口闪点检测仪、铜片腐蚀检测仪

1.2 工艺的简易流程概述

打开小高压釜釜盖，将称重好的催化剂及硫磺加入反应釜内，垂直放好密封釜盖检查咬合是否规整，然后封闭反应釜同时氮气置换3次（每次充氮气压力至0.3～0.4 MPa），一次性加入适量的硫化氢，然后启动高压釜电加热系统进行加热，检查反应釜冷却水量及流量是否正常，补充足量的烯烃入计量罐内，控制好入罐流速，流速过快会使异丁烯汽化过快，因此要缓慢补充烯烃。烃烯计量罐补满后，将反应釜烯烃进料管线补充满（影响计量），待反应釜温度达到设定温度，调节烯烃进料泵的进料速率缓慢开始通入烯烃，使其压力控制在一定的范围内，通料结束保温2～5 h，降温冷却至室温，打开尾气吸收系统，将未反应完全的残留尾气有组织的排入尾气吸收内，然后打开反应釜釜盖倒出溶液，前期高压反应结束。

高压反应得出的粗品油然后通过碱洗、水洗、精制过滤得到最终产品。

2 小试试验结果概述

2.1 小试试验的影响条件

1）反应压力对产品的影响

通过调整烯烃的进料泵来控制烯烃进料速度，可以较好地控制反应釜内的压力高低。压力控制在3.0～5.0 MPa，并针对压力控制做过几次破坏性试验，试验压力控制在6、6.5、7 MPa，最后检测对产率及产品其他指标没有显著变化。

2）反应时间对产品的影响

经一系列的小试试验验证，通料及保温时间对产品的收率及各项指标有很大程度的变化，针对工艺的时间处理上得出表2数据。

表2 小试试验反应时间与产能对比

此表得出结论在反应时间上，2、3 h未能达到理想的产能，而大于4 h是试验产能几乎相同的，因此反应时间的掌握是非常关键性的。

3）反应温度

整个体系反应温度的高低，对产品的收率颜色有明显变化，在（150±2）℃比较适宜，低于或高于（150±2）℃收率、颜色、压力有明显不同（详见表3）。

表3 反应温度与产率、颜色的统计表

4）碱洗的硫化钠加入量对产品的影响

实验室配置不同浓度的硫化钠溶液对产品粗油进行碱洗操作，使其过量的活性硫碱洗掉，不择影响其产品额稳定性。具体数据如表4。

表4 硫化钠加入量对产品质量影响

数据分析得出结论：在实验室中，碱洗配置的硫化钠浓度很大程度上的制约了产品的各项指标，尤其对硫、活性硫及铜片腐蚀影响尤为突出，实验室中理想的碱洗配比的确定——硫化钠的加入量在8g，并配置成质量分数为10%～15%的溶液，即可达到理想指标，同时原材料用量小，油水分离效果佳，很大程度上会满足今后中式乃至工业化生产条件。

5）碱洗过程温度对产品质量的影响

实验室在同一原材料及配置浓度统一的前提下，不同温度下的碱洗操作对后续的产品指标的影响。详情见表5。

表5 不同碱洗温度对产品指标对照表

数据分析得出结论：在实验室里，相同的碱洗配比在不同温度下的碱洗操作，产品的硫及活性硫指标均会随温度的升高而降低，铜片腐蚀会随温度的升高而效果更好，理想碱洗反应温度的确定——在实验过程中，碱洗温度控制在50 ℃左右，得出的金属切削活性硫添加剂产品的各项指标即可达到理想值。

2.2 小试试验指标分析

小试试验指标分析见表6。

表6 产品分析指标

备注：活性硫分析：取20 g油，30 g石蜡稀释2.5倍活性硫为28.7% 取5 g油，45 g石蜡稀释10倍活性硫为38%，该产品分析最好有标准样品来确定分析方法。

通过上述表中可见公司金属加工的活性硫小试工作已完成预期目标，产品的各项指标均可达到或高于德国莱茵公司所生产的RC2540各项指标。小试试验的成功对今后中试生产及大生产提供了充足的实验依据及工艺条件。

2.3 前轻组分的再利用

高压反应结束后，首先将使反应釜冷却至室温，打开釜盖将粗产品取出进行碱洗+水洗处理，碱洗后的产品再通过蒸馏精制——即进行负压精馏处理，精馏过程中产出少部分的前轻组分（低沸点硫醚），将这部分前轻组分按照比例返回至高压反应体系内进行分子重排再合成工艺，最终生产理想产品。具体试验结果如表7。

表7 使用轻组分参与反应的数据对照表

3 物料平衡

一步法合成金属加工油的活性硫添加剂，其反应前后物料平衡如表8。

表8 物料平衡表

4 结论

1）公司金属切屑活性硫添加剂小试试验产品可以完全匹配德国莱茵公司所生产的RC2540的各项指标参数。

2）实验过程中生成的前轻组分回用结果非常理想，完全匹配正常试验出来的产品各项指标。

3）该小试试验的成功为中式乃至大生产奠定基础。

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Study on the Mechanism of One-step Synthesis of Active Sulfur Additives for Metal Processing

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(Shenyang Guangda Chemical Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110141, China)

The main purpose of active sulfur additive synthesis research is to verify the possibility of small trial synthesis process, to determine the preliminary process parameters and post-processing methods, and to provide the necessary basis for pilot test and even mass production.

Autoclaves; Additives; Small test; Metal cutting oil

TQ113.26+6.1

A

1004-0935（2022）02-0186-04

2021-06-15

所超（1987-），男，锡伯族，辽宁省沈阳市人，中级工程师，2009年毕业于沈阳化工学院化学工程与工艺专业，研究方向：润滑油添加剂。