王士庭，孫建林，趙永濤，王一助

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

板帶鋼冷軋乳化液穩(wěn)定性與潤(rùn)滑性研究

王士庭，孫建林，趙永濤，王一助

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

研究了影響乳化液穩(wěn)定性的幾個(gè)因素，包括乳化液的HLB值、乳化劑的種類(lèi)與復(fù)配類(lèi)型、乳化劑的用量及乳化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)油的相似程度等。結(jié)果表明，乳化液的HLB值等于油品被乳化所需的HLB值，乳化劑總量占12%～15%，所選乳化劑的HLB值越接近乳化液的總體HLB值，且其化學(xué)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)越相似，乳化液的穩(wěn)定性越好；乳化液的均一性與乳化液的總體穩(wěn)定性具有一致性；在一定的范圍內(nèi)，乳化液的穩(wěn)定性越好，潤(rùn)滑性能越差。

冷軋乳化液 穩(wěn)定性 HLB值 ESI值 潤(rùn)滑性

1 前 言

乳化液在鋼冷軋過(guò)程中具有良好的潤(rùn)滑性能，可降低軋制壓力、降低軋制能耗及軋輥輥耗、冷卻軋輥及帶鋼、控制板形，與軋制油相比，乳化液具有良好的軋后及退火表面清潔度，具有一定的工序防銹能力。軋制工藝潤(rùn)滑技術(shù)正是通過(guò)乳化液的以上作用來(lái)滿足當(dāng)前軋鋼生產(chǎn)中節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量之需要[1]。隨著現(xiàn)代軋機(jī)軋制速度及用戶對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)冷軋乳化液的潤(rùn)滑性能提出了更高的要求，乳化液穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)已成為調(diào)整軋制乳化液潤(rùn)滑性能的重要手段之一。穩(wěn)定性作為乳化液的最基本性能，對(duì)乳化液的潤(rùn)滑、防銹等使用性能有著重要影響[2-3]。因此，對(duì)乳化液的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究具有重要意義。本課題主要以棕櫚油基乳化液為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究影響乳化液穩(wěn)定性的各種因素，并通過(guò)冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)考察乳化液的穩(wěn)定性與潤(rùn)滑性之間的關(guān)系。對(duì)新型軋制乳化液的研究開(kāi)發(fā)以及根據(jù)實(shí)際的冷軋生產(chǎn)工況選擇合適的軋制乳化液提供參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 軋制乳化油的配制

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 棕櫚油、菜籽油、椰子油為基礎(chǔ)油；硫系極壓抗磨劑、磷系極壓抗磨劑；石油磺酸鹽類(lèi)防銹劑；Span，Tween，OP系列乳化劑，乳化劑的HLB值（Hydrophile Lipophile Balance）見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用乳化劑的HLB值

2.1.2 軋制乳化油的實(shí)驗(yàn)室制備流程 將基礎(chǔ)油、防銹劑、極壓抗磨劑依次加入燒杯中，放入恒溫電磁攪拌器上邊攪拌邊加熱至90 ℃，恒溫?cái)嚢?0 m in；冷卻至80 ℃，加入乳化劑，恒溫?cái)嚢?0 m in；冷卻至60 ℃，加入助乳化劑，恒溫?cái)嚢?0 m in后，冷卻至室溫即得到板帶鋼冷軋乳化油。

2.2 乳化液穩(wěn)定性及均一性試驗(yàn)

乳化液的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)參照石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH／T0579—94[4]。

乳化液的均一性試驗(yàn)即乳化液ESI（Emulsion Stability Index）的測(cè)試試驗(yàn)方法：將乳化油配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的乳化液倒入分液漏斗，靜置30 min，上、下各取100 m L乳化液后，采用鹽析破乳法測(cè)定其含油量[5]。

乳化液的ESI值按下式計(jì)算：式中，v2為分液漏斗中下層100 m L乳化液的析油析皂體積；v1為分液漏斗中上層100 m L乳化液的析油析皂體積。ESI值越大，則乳化液的均一性越好，反之ESI值越小，則乳化液的均一性越差。

2.3 摩擦學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，采用GB/T12583—1998方法測(cè)試軋制乳化液的承載能力（PB值）。在載荷為392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/m in的條件下，進(jìn)行10 m in長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)，采用四球機(jī)的隨機(jī)軟件計(jì)算出各軋制乳化液的平均摩擦系數(shù)，以評(píng)價(jià)軋制乳化液的減摩性能。

2.4 冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)

在Φ130 mm×200 mm二輥冷軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行軋制潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)，軋輥的轉(zhuǎn)速為10 r/m in。實(shí)驗(yàn)用帶鋼為某鋼廠生產(chǎn)的IF鋼（退火狀態(tài)），規(guī)格為150 mm×50 mm×2 mm。軋制前，先用丙酮清洗軋輥，再用醫(yī)用棉擦干。在更換乳化液時(shí)重復(fù)上述清洗過(guò)程。軋制時(shí)，將乳化液噴射到軋輥和軋件表面，每道次輥縫調(diào)節(jié)相同的預(yù)壓下量，測(cè)定不同乳化液軋制時(shí)，每道次帶鋼的軋后厚度，同時(shí)軋機(jī)自動(dòng)采集軋制壓力及軋機(jī)消耗功率等參數(shù)，用來(lái)比較各冷軋乳化液的潤(rùn)滑效果。

3 結(jié)果與分析

由水與油組成的乳化液為熱力學(xué)不穩(wěn)定分散體系，由于該體系的表面能過(guò)大，使得體系的自由能較高。因此，水和油會(huì)有各自積聚分離分層的趨勢(shì)。但加入乳化劑后，乳化劑會(huì)吸附在油水的界面上成膜，顯著降低界面自由能，使分散體系的自由能保持在較低的水平，使得乳化液暫時(shí)穩(wěn)定[6-7]。乳化液中油水界面膜的機(jī)械強(qiáng)度是決定乳狀液穩(wěn)定性的主要因素。其具體的作用因素為：乳化劑的HLB值、乳化劑的種類(lèi)、用量及乳化劑與基礎(chǔ)油的分子結(jié)構(gòu)的相似性[8]。

3.1 HLB值對(duì)乳化液穩(wěn)定性的影響

HLB值即親水親油平衡值，每一種乳化劑都有一個(gè)處在0～20的無(wú)量綱數(shù)。HLB值在0～9的為油溶性憎水乳化劑，HLB值在11～20的為水溶性親水乳化劑[9]。其計(jì)算公式如下：式中，ωi為各乳化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；HLBi為各乳化劑的HLB值。

采用Span-80分別與Tween-60、Tween-20配制成不同HLB值乳化油后，與去離子水配制成體積分?jǐn)?shù)為5%的乳化液，靜置24 h。通過(guò)觀察乳化液的析油析皂情況，來(lái)評(píng)價(jià)乳化液的穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，采用相同基礎(chǔ)油，不同乳化體系的兩組乳化液有一個(gè)共同的特征，隨著HLB值的增大，乳化液在HLB值為8～10時(shí)析油析皂量最少，穩(wěn)定性最好。HLB值為5時(shí)，漂浮量雖少但全部為析油即不乳化。因此，乳化液穩(wěn)定時(shí)的HLB值的范圍由被乳化的物質(zhì)決定，而不受乳化體系的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，隨著HLB值增大，乳化油從清澈透明逐漸變渾濁，且放置一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖1 HLB值對(duì)乳化液析油析皂的影響

3.2 乳化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)乳化液穩(wěn)定性的影響

采用Span-20與Tween-20作為乳化劑，分別以菜籽油（含油酸約60%）、椰子油（含月桂酸約50%）為基礎(chǔ)油，配制乳化油后，加去離子水配制成體積分?jǐn)?shù)為5%的乳化液，放置24 h，觀察其穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，與Span-20、Tween-20含有相同月桂酸的椰子油基乳化液的穩(wěn)定性優(yōu)于菜籽油基乳化液，且這種優(yōu)勢(shì)不因乳化劑含量的改變而改變。因此，采用乳化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與被乳化油品的化學(xué)結(jié)構(gòu)越接近，所得的乳化液穩(wěn)定性越好。

3.3 乳化劑的復(fù)配類(lèi)型及用量對(duì)乳化液穩(wěn)定性的影響

每種乳化劑都有固定的HLB值，而每種油品被乳化所需的HLB值范圍是確定的。單一乳化劑很難與油品被乳化所需的HLB值相符，且形成的界面膜致密性差，機(jī)械強(qiáng)度不高。因此，通常將一種水溶性乳化劑和一種油溶性乳化劑組成復(fù)合乳化劑使用[10]。實(shí)驗(yàn)所采用的乳化劑5種復(fù)配系列組合情況見(jiàn)表2。

圖2 乳化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)乳化液析油析皂的影響

表2 實(shí)驗(yàn)采用的乳化劑復(fù)配組合

以棕櫚油為基礎(chǔ)油，采用上述5種乳化劑復(fù)配體系配置HLB為10、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%，9%，12%，15%，18%的乳化油后，加去離子水配制成體積分?jǐn)?shù)為5%的乳化液靜置24 h，觀察其析油析皂量，結(jié)果見(jiàn)圖3。乳化劑的HLB值代表著乳化劑自身親水性與親油性的平衡能力，其自身親水親油性的平衡使得乳化劑所形成的界面膜更加致密，機(jī)械強(qiáng)度更高，乳化液的穩(wěn)定更好。因此，復(fù)合乳化體系中的兩種乳化劑的HLB值越接近油品被乳化所需的HLB值，乳化液的穩(wěn)定性越好。由圖3可見(jiàn)，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%~15%時(shí)，乳化液的穩(wěn)定性較好，且不會(huì)因乳化劑的量過(guò)大而減少基礎(chǔ)油與其它添加劑的含量，從而降低乳化液的潤(rùn)滑性能。

圖3 乳化劑復(fù)配類(lèi)型及用量對(duì)乳化液析油析皂的影響

3.4 乳化液的均一性實(shí)驗(yàn)分析

乳化液的均一性作為衡量乳化液穩(wěn)定性的一個(gè)重要方面，影響著乳化液潤(rùn)滑效果的穩(wěn)定性。而潤(rùn)滑效果不穩(wěn)定，則軋制張力不恒定，從而影響軋件的板形甚至整個(gè)軋制生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。乳化劑的復(fù)配類(lèi)型及用量對(duì)乳化液ESI值的影響見(jiàn)圖4。由圖3和圖4可見(jiàn)，乳化液的均一性與總體的穩(wěn)定性相一致。ESI值越接近于1，乳化液顆粒分布越均勻即穩(wěn)定性越高。乳化液的均一穩(wěn)定性越好，則潤(rùn)滑效果越穩(wěn)定，從而有利于軋制生產(chǎn)線的穩(wěn)定與板形的控制。

圖4 乳化劑的復(fù)配類(lèi)型及用量對(duì)乳化液ESI值的影響

乳化液的穩(wěn)定性主要與乳化液的組成（基礎(chǔ)油與乳化劑）有關(guān)。同時(shí)，乳化液的穩(wěn)定性還受乳化油的配制工藝（加料順序、加熱溫度、攪拌速度與強(qiáng)度等）及乳化液的使用條件（乳化液濃度、乳化液使用溫度等）的影響[11]。

3.5 乳化液的穩(wěn)定性對(duì)其潤(rùn)滑效果的影響

一般軋制乳化液分為穩(wěn)定型、半穩(wěn)定型和不穩(wěn)定型乳化液。隨著高強(qiáng)度板帶鋼的研制與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，對(duì)冷軋過(guò)程中乳化液的潤(rùn)滑性提出了更高的要求。除了改變軋制油的皂化值外，還可以對(duì)乳化液的穩(wěn)定性調(diào)整與控制來(lái)滿足潤(rùn)滑性能的要求[2]。采用兩種析油析皂量不同的乳化液，在四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。由于四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)為模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，其摩擦副的接觸形式為點(diǎn)接觸，而軋制過(guò)程中為鋼板與軋輥之間的弧面接觸。因此，為了更全面地研究乳化液穩(wěn)定性對(duì)其潤(rùn)滑性能的影響，采用以上兩種乳化液進(jìn)行冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)，兩種乳化液軋制潤(rùn)滑效果對(duì)比見(jiàn)圖5。由表3和圖5可以看出，析油析皂為6%乳化液的摩擦學(xué)性能及軋制潤(rùn)滑效果都優(yōu)于析油析皂為3%的乳化液。原因主要在于潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果主要由摩擦副表面的油膜厚度和油膜強(qiáng)度決定。在一定范圍內(nèi)，乳化液的穩(wěn)定性越差，乳化液的離水展著性越好，則乳化油在摩擦副表面的吸附量越多即在摩擦副表面形成潤(rùn)滑油膜的厚度越大，所以潤(rùn)滑效果越好。因此，可以通過(guò)調(diào)整乳化液的穩(wěn)定性來(lái)提高軋制乳化液的潤(rùn)滑性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，軋件的規(guī)格越薄，使用的乳化液越不穩(wěn)定。但是乳化液穩(wěn)定性差，使得軋件表面殘油量增大，不但增加軋制油耗，且使軋件表面退火清凈性變差[12]。一般要求乳化液的析油析皂量控制在5%左右，但并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和硬性要求[13]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量要求選擇穩(wěn)定性合適的乳化液，而不是一味地追求穩(wěn)定的乳化液。

圖5 乳化液穩(wěn)定性對(duì)其潤(rùn)滑效果的影響

表3 乳化液穩(wěn)定性對(duì)其摩擦學(xué)性能參數(shù)的影響

4 結(jié) 論

（1）影響乳化液穩(wěn)定性的因素主要有乳化劑的HLB值、種類(lèi)及復(fù)配類(lèi)型、用量及與基礎(chǔ)油性質(zhì)的相關(guān)性。當(dāng)乳化液的HLB接近油品被乳化所需的HLB值，用量在12%～15%，且乳化劑與油品的化學(xué)結(jié)構(gòu)越相似，乳化液的穩(wěn)定性越好。

（2）乳化液的均一性與乳化液的總體穩(wěn)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勻，乳化液的潤(rùn)滑效果就越穩(wěn)定。

（3）乳化液的穩(wěn)定性對(duì)乳化液的潤(rùn)滑效果、軋制油耗、軋件表面軋后及退火清凈性有顯著的影響。在一定范圍內(nèi)，軋制乳化液的穩(wěn)定性與潤(rùn)滑性成反向關(guān)系。因此，在板帶鋼軋制生產(chǎn)過(guò)程中，乳化液穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)已成為調(diào)整軋制乳化液潤(rùn)滑性能的重要手段之一。為了協(xié)調(diào)乳化液的穩(wěn)定性與潤(rùn)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

福建煉油乙烯一體化合資項(xiàng)目正式投產(chǎn)

2009年11月11日，福建煉油乙烯一體化合資項(xiàng)目在福建泉州市泉港區(qū)正式投產(chǎn)，標(biāo)志著這一世界級(jí)、一體化的煉油化工項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)，同時(shí)中國(guó)首套高度集成的汽電聯(lián)產(chǎn)大型環(huán)保節(jié)能項(xiàng)目——IGCC也宣告建成。據(jù)稱該一體化項(xiàng)目是我國(guó)首個(gè)中外合資的煉油化工一體化石化項(xiàng)目，其總投資384億元人民幣，由中國(guó)石化股份公司、福建省、ExxonMobil 和Saudi Aramco公司各持股25%，聯(lián)合項(xiàng)目包括煉油能力從4 M t/a擴(kuò)大至12 M t/a，主要加工沙特原油。同時(shí)包括新建一套800 kt/a乙烯裂解裝置、一套800 kt/a聚乙烯裝置、一套400 k/a聚丙烯裝置和一套700 kt/a芳烴聯(lián)合裝置。此外，還建設(shè)了配套的公用工程和30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭。

[中國(guó)石化有機(jī)原料科技情報(bào)中心站供稿]

Shell公司首套采用“Omega”技術(shù)的單乙二醇生產(chǎn)裝置成功投運(yùn)

Shell公司位于新加坡裕廊島的東方石化聯(lián)合項(xiàng)目（SEPC）中的一套750 kt/a單乙二醇（MEG）生產(chǎn)裝置已成功投運(yùn)。

這套MEG裝置的投產(chǎn)對(duì)于完成2010年初東方石化聯(lián)合項(xiàng)目具有重要意義，該新裝置中的絕大多數(shù)產(chǎn)品將被運(yùn)往中國(guó)。該裝置是全球產(chǎn)能最大的裝置之一，也是Shell公司采用高收率“Omega”工藝技術(shù)的首套生產(chǎn)裝置。這項(xiàng)新技術(shù)以乙烯為原料，MEG收率高。

SEPC項(xiàng)目還包括在布孔島新建一套800 kt/a乙烯裝置、一套155 kt/a丁二烯裝置以及對(duì)當(dāng)?shù)氐臒捰蛷S進(jìn)行改造，這些項(xiàng)目都預(yù)定于2010年初投產(chǎn)。該聯(lián)合項(xiàng)目也包括一套450 kt/a丙烯生產(chǎn)裝置和一套230 kt/a苯生產(chǎn)裝置。當(dāng)SEPC項(xiàng)目全部投運(yùn)后，它將成為Shell公司最大的、全方位的煉化一體化中心。

Shell公司估計(jì)，目前亞洲對(duì)MEG的需求占全球總量的約70%。

[中國(guó)石化有機(jī)原料科技情報(bào)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，在讀碩士研究生，主要從事板帶鋼軋制工藝潤(rùn)滑技術(shù)及乳化液的研究工作。