梁依經(jīng)，伏喜勝，張遂心，華秀菱，周 康，劉 革

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油潤滑油公司)

回轉(zhuǎn)窯是氧化鋁及水泥企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)裝置，托輪作為回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)動(dòng)支撐點(diǎn)，如果潤滑不良，就會(huì)造成軸瓦摩擦、磨損、發(fā)熱、拉絲、膠合、抱瓦，甚至翻瓦現(xiàn)象，直接影響到水泥企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯窯體的質(zhì)量超過800 t，整個(gè)窯體由多檔托輪支撐，平均每塊托輪瓦承重50 t以上，回轉(zhuǎn)窯的表面溫度在190 ℃左右，燒結(jié)溫度在1 300 ℃左右，其負(fù)荷重、溫度高、粉塵大、潮濕，運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣，因此對(duì)潤滑的要求十分苛刻[2-6]。

國內(nèi)外專門用于托輪軸瓦的潤滑油較少，國內(nèi)主要以進(jìn)口專用托輪軸瓦油為主。為了解決回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦的潤滑問題，許多水泥廠采用含瀝青質(zhì)的重油或重負(fù)荷車輛齒輪油來進(jìn)行潤滑[7]。但是由于該類油品黏溫性、黏附性都較差，在邊界潤滑條件下，易因油膜破裂而形成干摩擦，從而發(fā)熱頻繁，且持續(xù)時(shí)間較長，嚴(yán)重影響了回轉(zhuǎn)窯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。引起托輪軸瓦發(fā)熱的因素有很多方面，諸如設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性、制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量、工藝操作水平和維護(hù)狀況等，而油品性能對(duì)潤滑的影響也是不容忽視的。潤滑油的黏度、黏溫特性、極壓性能、氧化性能等對(duì)軸瓦的發(fā)熱都有一定影響，因此選擇適宜的回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦潤滑油進(jìn)行合理潤滑極為重要。

針對(duì)上述問題，本研究以聚α-烯烴和聚異丁烯等為原料，研制了一種專用于回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦的潤滑油。

1 試驗(yàn)方法

本研究中用到的非標(biāo)試驗(yàn)方法如下：①黏附性試驗(yàn)。取相同規(guī)格的2個(gè)方形鋼片(5 cm×5 cm)，分別稱量相同質(zhì)量的試驗(yàn)油和參比油，均勻涂于鋼片表面，然后垂直懸掛，24 h后觀察鋼片表面殘留的試驗(yàn)油量，來判斷油品的黏附性。②儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)。將油品置于100 mL特制的錐形瓶中，在70 ℃下放置30 d，觀察并記錄沉淀量。

2 托輪軸瓦潤滑油的研制

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

對(duì)于托輪軸瓦油來說，其使用工況屬于低速重載，這要求油品具有較高的黏度，以保證其足夠的黏附性。根據(jù)其運(yùn)行速度的計(jì)算，要求油品的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)不小于80 mm2/s，一般基礎(chǔ)油無法達(dá)到要求，必須選用高黏度的基礎(chǔ)油，加入一定的黏度指數(shù)改進(jìn)劑進(jìn)行稠化。由于高黏度的聚α-烯烴[8-10]黏溫性能好、溫升小、抗氧化性能好，非常適用于低速重載的工況，因此，本研究中選擇聚α-烯烴PAO40為基礎(chǔ)油。

2.2 添加劑的選擇

2.2.1 黏度指數(shù)改進(jìn)劑黏度指數(shù)改進(jìn)劑的選擇主要取決于單位黏度增加能力和剪切安定性，常用的有3類：聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙丙共聚物(OCP)、聚異丁烯(PIB)，它們的性能對(duì)比見表1。由表1可知，PIB的稠化能力較高，尤其是剪切穩(wěn)定性最好，適合作高黏度油品的稠化劑，因此本研究選擇PIB作為黏度指數(shù)改進(jìn)劑。

表1 3類黏度指數(shù)改進(jìn)劑性能比較

PIB有不同種類，本研究選擇3種不同生產(chǎn)廠家具有代表性的PIB，將其以不同比例與PAO40調(diào)合，得到的托輪軸瓦油基礎(chǔ)油的黏度見表2。從表2可以看出：加入50%(w)平均相對(duì)分子質(zhì)量為1 000的PIB時(shí)，基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)才達(dá)到76.61 mm2/s，而加入20%～30%(w)平均相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB或 20%～25%(w)平均相對(duì)分子質(zhì)量為3 300的PIB時(shí)，基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)就可以稠化到90 mm2/s以上。因此選擇稠化能力好的平均相對(duì)分子質(zhì)量分別為2 300與3 300的PIB進(jìn)行剪切穩(wěn)定性測定。

表2 不同調(diào)合托輪軸瓦油基礎(chǔ)油的黏度

注：M代表PIB的平均相對(duì)分子質(zhì)量。

將兩種PIB以一定比例加入到同一種基礎(chǔ)油中進(jìn)行FZG剪切穩(wěn)定性測定，其對(duì)比結(jié)果見表3。從表3可以看出：相對(duì)分子質(zhì)量為3 300的PIB稠化能力略優(yōu)于相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB，剪切穩(wěn)定性略差于相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB，但由于相對(duì)分子質(zhì)量為3 300的PIB單劑價(jià)格高于相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB，單位調(diào)合成本也高，因此選用相對(duì)分子質(zhì)量為2 300的PIB作為本研究的黏度指數(shù)改進(jìn)劑。

表3 兩種PIB的FZG 剪切穩(wěn)定性對(duì)比

2.2.2 極壓抗磨劑托輪軸瓦油要求具有好的黏附能力和極壓抗磨性能，本研究重點(diǎn)對(duì)硫磷劑進(jìn)行了考察。在實(shí)驗(yàn)室主要通過測定油品的最大無卡咬負(fù)荷(PB)、燒結(jié)負(fù)荷(PD)和綜合磨損值(ZMZ)來評(píng)價(jià)其承載性。將硫化異丁烯(T321H)、P-1(硫代磷酸酯)、P-2(磷酸酯胺鹽)、P-3(硫代磷酸酯胺鹽)和P-4(酸性亞磷酸酯)分別以1.0%(w)的加劑量加入到99.0%(w)的托輪軸瓦油基礎(chǔ)油中進(jìn)行極壓抗磨性能考察，結(jié)果見表4。

表4 極壓抗磨劑考察

從表4可以看出：T321H的PB、PD均較高，含磷劑P-4的PB最高。油品的PB和PD從不同角度反映了油品的承載能力，托輪軸瓦油要求具有高承載能力，對(duì)油品的PB、PD都有較高的要求。因此，綜合考慮選擇T321H和P-4作為極壓抗磨劑組分。

對(duì)T321H與P-4的復(fù)合比例進(jìn)行考察，結(jié)果見表5。由表5可知，T321H與P-4在配方中的較佳調(diào)合質(zhì)量比為2∶1。

表5 T321H與P-4的復(fù)合比例考察結(jié)果

2.2.3 油性劑托輪作為支撐著運(yùn)動(dòng)中回轉(zhuǎn)窯的支點(diǎn)，承受著熱負(fù)荷、物料負(fù)荷和窯自重三大載荷，由于齒輪接觸壓力高，承受高沖擊；齒面間的滑動(dòng)方向和速率急劇變化，并帶有沖擊負(fù)荷，連續(xù)性的滑動(dòng)，使每次齒合需重新建立新油膜；負(fù)荷高，產(chǎn)生摩擦熱大，使油溫上升，會(huì)加速油膜破壞，因此托輪軸瓦專用油除了對(duì)極壓抗磨性要求高外，還必須具備好的黏附性和油性，易于黏附在齒面上，產(chǎn)生較好的油膜強(qiáng)度，以防齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)中被擠出或甩掉。為此，托輪軸瓦油中除了極壓抗磨劑的加入，還需加入一些油性劑。

油性劑的作用機(jī)理是其分子中的極性基團(tuán)牢固地吸附在金屬表面上，形成物理、化學(xué)吸附膜而達(dá)到減摩抗磨作用。選擇不同的油性劑，以1.0%(w)的加劑量加入到99.0%(w)托輪軸瓦油基礎(chǔ)油中，進(jìn)行PB的考察，結(jié)果見表6。從表6可以看出：相比于其他幾種油性劑，F(xiàn)1在托輪軸瓦油中的PB較好，因此選擇F1作為油性劑。

表6 不同油性劑油膜強(qiáng)度的考察結(jié)果

2.2.4 抗氧化劑潤滑油的抗氧化性能是反映其品質(zhì)好壞的重要標(biāo)志，決定著潤滑油的使用壽命，并影響其使用性能。目前國內(nèi)外專用于水泥廠回轉(zhuǎn)窯軸承軸瓦潤滑的油品不多，許多水泥廠采用瀝青質(zhì)重油或氣缸油進(jìn)行潤滑，氧化性能相對(duì)較差，出現(xiàn)使用后積炭嚴(yán)重、油泥及沉積物多等現(xiàn)象。為了解決這一問題，本研究通過在配方體系中加入一定量的抗氧劑來提高油品的抗氧化性能，并進(jìn)一步確定油性劑F1的加量，結(jié)果見表7。從表7結(jié)果可以看出，和T501、T502相比，烷基二苯胺在托輪軸瓦油配方中具有更好的抗氧化性能。且當(dāng)油性劑F1和烷基二苯胺抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%和0.1%時(shí)，托輪軸瓦油具有較好的抗氧化性能。

表7 不同抗氧化劑在托輪軸瓦油中抗氧化性能考察結(jié)果

1)抗氧劑為T501。
2)抗氧劑為T502。
3)抗氧劑為烷基二苯胺。

2.2.5 固體添加劑水泥廠軸瓦的工況主要是低速重載，軸瓦溫度容易升高，油品黏附性不好時(shí)，油膜很容易破裂導(dǎo)致潤滑不良，因此本研究擬加入固體潤滑劑，一方面是為了提高油品的黏附性，另一方面則是防止油膜破裂后，仍然能夠提供有效潤滑[11-12]。但是，如固體添加劑選擇不當(dāng)，則不能均勻地分散在油品中，容易團(tuán)聚形成較大顆粒，反而影響其使用性能。

本研究選擇納米石墨作為固體添加劑，進(jìn)行黏附性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性考察，試驗(yàn)結(jié)果見表8。從表8可以看出，當(dāng)固體添加劑加劑量(w)大于2.5%時(shí)，油品具有很好的黏附性；但當(dāng)加劑量(w)達(dá)3.5%時(shí)，油品儲(chǔ)存時(shí)有微量沉淀出現(xiàn)，說明過多的固體添加劑不能均勻分散在油品中。因此，選擇固體添加劑加劑量(w)為2.5%～3.0%。

表8 固體添加劑考察結(jié)果

3 性能和應(yīng)用

3.1 性能評(píng)價(jià)

根據(jù)前面對(duì)各添加劑的選擇，調(diào)制托輪軸瓦油，對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，并與市售某國外油品對(duì)比，結(jié)果見表9。從表9可以看出，研制的托輪軸瓦油具有適宜的黏度，較好的黏溫性能，良好的極壓性能和抗氧化性能，與市售某國外油品相比，具有更加優(yōu)異的低溫性能和承載能力。

表9 托輪軸瓦油性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 應(yīng) 用

研制的托輪軸瓦油產(chǎn)品，在習(xí)水賽德水泥有限公司回轉(zhuǎn)窯上得到應(yīng)用，目前已使用兩年，用戶反饋使用效果較好，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，且認(rèn)為油品黏附性優(yōu)異，解決了原用油在低速重載工況下軸瓦溫度升高的問題。

4 結(jié) 論

選用PAO40為基礎(chǔ)油、PIB(相對(duì)分子質(zhì)量2 300)為黏度指數(shù)改進(jìn)劑，以硫化異丁烯與酸性亞磷酸酯(質(zhì)量比2∶1)的復(fù)合劑為極壓抗磨劑、F1為油性劑、烷基二苯胺為抗氧劑，并添加納米石墨固體添加劑，研制的托輪軸瓦油黏溫性能好，具有良好的極壓性能和抗氧化性能，能夠滿足水泥廠回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦的潤滑要求。