水泥廠用特種油品的研制及其應用

華秀菱，梁云龍

(中國石油上海潤滑油產品設計分公司,上海 200135)

0 引言

水泥生產設備投資巨大，潤滑條件苛刻，修理維護困難，損壞后維護費用較高，這就要求所用潤滑劑不但抗磨性好、承載能力強，而且可靠性高、耐高溫性能好，使用周期長。此外，由于水泥生產線自動化程度高，設備的開機率對企業的生產和經營效率的影響很大。因此，水泥企業需要有更加可靠的潤滑系統，以保證設備得到合理的潤滑，進而提高設備運行效率，從而提高企業效益。

回轉窯是水泥行業重要的關鍵性設備，其負荷重、溫度高、粉塵大、潮濕，運轉環境十分惡劣。對于托輪軸瓦油，許多水泥廠采用瀝青質重油或氣缸油或選用220～460等牌號不同的重負荷極壓工業齒輪油來進行潤滑。使用后造成軸瓦發熱、拉絲、抱瓦、甚至翻瓦現象，經常出現發熱故障，有時發熱頻繁，持續時間較長，嚴重影響了回轉窯的正常運轉。引起托輪軸瓦發熱的因素有很多方面，諸如設備設計的合理性、制造質量、安裝質量、工藝操作水平和維護狀況等等，而油品性能對潤滑的影響也是不容忽視的。油品的黏度、黏溫特性、極壓性能、氧化性能等對軸瓦的發熱都有一定影響，因此選擇適宜的回轉窯托輪軸瓦潤滑油進行合理潤滑極為重要。

輪帶是回轉窯的重要部件，對窯的穩定運行起著非常關鍵的作用。輪帶一方面是聯系托輪支撐窯筒體的橋梁和紐帶，另一方面又是提高筒體剛度的加固圈。目前輪帶潤滑產品大多為含有固體潤滑材料的潤滑劑。此類潤滑產品具有一定流動性，可通過噴嘴噴到輪帶間隙中，形成潤滑膜。隨著溫度的升高，潤滑油中的基礎油組分被蒸發形成一層固體潤滑膜，可起到抗磨和潤滑的作用。目前國外西班牙老鷹、克虜伯、倍可均有此類產品。

開式齒輪油適用于開式、半閉式齒輪箱以及低速重負荷齒輪裝置的潤滑系統，廣泛應用于水泥、冶金、礦業等行業的作業機械上，特別是應用在一些特大型的旋轉設備上，如球磨機、干燥機、回轉窯等。在國外，開式齒輪油以AGMA 251.02規格為代表，包括抗氧防銹型、極壓型和溶劑稀釋型。國內開式齒輪油(潤滑脂除外)目前只有普通開式齒輪油一個標準(SH/T 0363-92)，其黏度等級相當于AGMA 10～13號油，質量水平介于AGMA 251.02抗氧防銹型齒輪油與極壓型齒輪油之間，屬于瀝青型產品。多年來,國內眾多企業對開式齒輪的潤滑一直不太重視,使用性能不高的瀝青型潤滑劑或其他代用品,造成各種事故的現象時有發生。為滿足工業需求,開發新型、性能較高的開式齒輪潤滑劑迫在眉睫。

為此，本研究通過對組分油、添加劑復配的研究，研制開發了一種適用于水泥廠托輪軸瓦專用的油品——大瓦油，一種具有良好的流動性、耐高溫性能以及黏附性能的KLD1000高性能輪帶潤滑劑，一種不含瀝青、不含溶劑、可以用于自動噴霧裝置、價格適中的M系列重負荷開式齒輪油，達到了相應的指標要求，油品具有突出的高極壓性、防腐防銹性以及抗氧化性能，可滿足大型水泥廠不同裝置的潤滑需求。

1 試驗方法

本研究所用標準分析評定方法見表1。

表1 標準分析評定方法

表1(續)

2 試驗結果與討論

2.1 基礎油的選擇

對于大瓦油來說，油品對低溫性能以及流動性沒有太高要求。它的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。根據其運行速度的計算，要求油品的100 ℃運動黏度≥80 mm2/s，一般基礎油無法達到要求，必須選用高黏度的基礎油，加入一定的稠化劑進行稠化。

同理，普通開式齒輪油一般選用礦物油、瀝青再加添加劑調合，而極壓型開式齒輪油基礎油的選擇卻有很大的區別，必須滿足黏度大，具有一定的吸附能力，并與添加劑有較好的感受性等要求。較高的黏度是保證其黏附性能的重要因素，要達到開式齒輪油的高黏度要求，也必須加入一定的稠化劑進行稠化。

稠化劑的選擇主要取決于單位黏度增加和剪切穩定性，常用的稠化劑有3類：PMA(聚甲基丙烯酸酯)、OCP(乙丙共聚物)、PIB(聚異丁烯), 它們的性能對比見表2。

表2 3類黏度指數改進劑性能比較

通過表2對3類黏度指數改進劑各種性能的比較， PIB(聚異丁烯)的稠化能力較高，尤其是剪切穩定性最好，適合作為高黏度油品的稠化劑。另外從以往PIB在高黏度潤滑油中的應用也證明其不僅具有較強的黏附能力，還具有良好的剪切能力和氧化安定性，因此選擇PIB作為大瓦油和重負荷開式齒輪油的稠化劑。

輪帶潤滑油使用在一個開放的環境，屬于消耗型油品，因此要求基礎油對環境污染小。而酯類油毒性極低，具有可生物降解性，生物降解率可達90%以上，可減少對生態環境的污染，此外還具有：(1)良好的高低溫性能、熱氧化安定性；(2)殘炭低、溶融性好，保持潤滑系統的高清凈度；(3)酯類油具有極性，與金屬表面形成的油膜強度高，因而摩擦系數低，具有良好的潤滑性能；(4)酯類油的導熱系數高，其導熱率比礦物油高15%，同時比熱較大，熱容量比礦物油高5%～10%，因而散熱性好，可有效降低油箱及潤滑系統的溫度。酯類油主要有A和B兩種，其主要理化性能見表3。

表3 兩種酯類油的理化性能比對

從表3結果可知，酯類油B除傾點更低外，其他性能和酯類油A基本相當。而油品成膜能力的強弱，在極端工況下，對摩擦副潤滑的保護作用，減少摩擦磨損，起到減摩作用非常重要，因此對酯類基礎油A和B進行了極壓抗磨性考察，考察結果見表4。

表4 兩種酯類油的極壓性能比對

從表4結果可知，酯類基礎油B相對A有更好的極壓性能，因此選擇酯類油B作為輪帶油的基礎油。

2.2 黏附劑的選擇

黏附劑A是由多元有機酸、多元醇經交聯酯化形成的大分子聚合酯化產物，其分子結構中含有大量的強極性基團，表面能較高，在與固體表面接觸時需通過在表面的鋪展及吸附來降低體系能量，從而對固體表面產生強的浸潤性與黏附力。因此選用黏附劑A可使油品在普通油相完全蒸發前提供具有吸附力和優良抗負載的油膜；而由于黏附劑A的表面能較高，在普通油相完全蒸發后，固體潤滑劑也能均勻地鋪展到摩擦副上，保證對軸承軸瓦、大齒輪以及輪帶和墊板的潤滑。

2.3 固體潤滑劑的選擇

大瓦油、M系列開式齒輪油、輪帶潤滑油均屬于開式齒輪油范疇，主要應用在低速重負荷的特大型旋轉設備上，傳動齒輪齒面的單位面積負荷高，齒面成線接觸，容易產生噪音和振動，因此不僅要求油品具有較高的承載能力，而且還要求降低摩擦副的摩擦系數。調查顯示：日本油或脂中的固體潤滑劑含量一般為1%～4%，歐美為6%～8%[1]。

固體石墨與基礎油是不相溶的,從一定意義上講加有石墨的潤滑油是一個膠體溶液,其穩定程度的高低將直接受到石墨粒度大小的影響。因此,選擇較小粒度的石墨是保證油品良好穩定性的重要條件[2]。對不同粒徑石墨的穩定性進行了考察，結果見表5。

表5 石墨粒度對油品性能影響

從表5的結果可見:石墨粒徑小于4000 nm的潤滑劑加入油品中具有較好的穩定性。

通過市場咨詢收集了幾種粒徑范圍在4000 nm以內的產品并對其穩定性及極壓性進行了考察，結果見表6。

表6 幾種膠體石墨產品的穩定性及極壓性能

從表6的試驗結果得知： LHS201與其他3種產品相比，具有較好的承載力且價格適中，已商品化，特別適合用于調制開式齒輪油。它不僅具有較好的承載能力、減輕摩擦磨損，而且具有較好的防漏性。

2.4 齒輪油復合劑的選擇

RHY4026是一種通用型工業用油復合劑，選用優質的含硫含磷添加劑、防銹防腐劑、摩擦改進劑等配制而成，采用不含活性硫的體系，賦予油品良好抗擦傷性和極壓性，做到了環保、清潔、無灰。使用該復合劑以2.0%劑量調制的合成型工業齒輪油不僅通過了FZG齒輪機試驗臺架，還通過了FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架和10000 h的D943試驗，并且通過了FZG微點蝕試驗臺架。該復合劑具有抗微點蝕作用，而對于開式齒輪來說，其最主要的失效形式是微點蝕。因此，研究選擇RHY4026復合劑作為這3種油品的添加劑主要成分。

表7列出了RHY4026復合劑以2.0%劑量在合成齒輪油中的應用結果。

表7 RHY4026復合劑調制油品的評價結果

表7(續)

從表7可以看出：RHY4026復合劑調制的油品具有優異的抗微點蝕性能和抗磨性能，但由于配方中硫含量低，盡管PB值高，具有很強的油膜厚度，但同時油品的燒結負荷較低，只有1961.3 N， 考慮到開式齒輪的工況是低速、高負荷，要求油品具有較高的燒結負荷，只靠RHY4026和基礎油提供的承載能力遠遠不能滿足使用要求，必須對油品的極壓性能進行補強。

2.5 補強添加劑的考察

傳統的齒輪油極壓抗磨添加劑主要是含高活性硫、磷、氯類化合物的活性添加劑，隨著環保、健康的要求越來越高，非活性(惰性)極壓潤滑添加劑的使用越來越受到人們的重視。其中高堿值磺酸鹽是一種惰性極壓抗磨劑，它不僅具有優良的極壓抗磨性，而且還具有防銹性能。根據C-F3參比油的元素含量分析，重點對硫化物和磺酸鹽類添加劑進行了極壓抗磨性能的考察，結果見表8。

表8 不同極壓抗磨劑考察結果

從表8可以看出，含硫劑R與T321H極壓性能基本相當。氣味方面，含硫劑R最低。由于開式齒輪油是在開放的環境中使用，故選擇氣味較低的含硫劑R作為極壓劑。高堿值磺酸鹽類添加劑考察了磺酸鹽B及磺酸鹽C，這兩個添加劑堿值基本相當，在極壓性能上的差別來看，磺酸鹽C隨著添加劑濃度的變化，油品磨斑直徑值較磺酸鹽B更小，因此選擇磺酸鹽C作為輔助的極壓抗磨劑。

2.6 油性劑的選擇

開式齒輪油由于齒輪接觸壓力高，承受高沖擊；齒面間的滑動方向和大小急劇變化，并帶有沖擊負荷，連續性的滑動，使每次齒合需重新建立新油膜；負荷高，產生摩擦熱大，使油溫上升，會加速油膜破壞。因此除了對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，產生較好的油膜強度，以防齒輪運轉中被擠出或甩掉。為此，除了極壓抗磨劑的加入，還需加入一些酯類油性劑。

在對電力系統變電站運行管理的過程中，應該結合國家的相關要求，與電氣企業的發展現狀，做好科學合理的規劃工作，從而保證電力變電系統的順利運行。在這個基礎上，應該落實各工作人員的工作職責，要求每一個工作人員都需要遵守相關的制度，按時完成工作任務，做好變電運行的保證工作。

油性劑的作用機理是其分子中的極性基團，牢固地吸附在金屬表面，形成物理、化學吸附膜而達到減摩抗磨作用。選擇不同的油性劑以1.0%的加劑量加入到99.0%M150基礎油中進行油膜強度PB的考察，結果見表9。

表9 不同油性劑油膜強度的考察

表9(續)

從表9可以看出： F1、F2、F3相比于其他幾種油性劑在油品中的油膜強度更好，因此選擇這3種油性劑進行與極壓抗磨劑的復合效應研究。

2.7 油性劑與極壓抗磨劑的復合效應研究

油性劑具有一定承載能力,能夠達到減摩抗磨作用。但是當載荷增大時,溫度升高,油膜破裂而失效。因此,油性劑通常只能用在載荷不大,即摩擦部位溫度不高的情況下[3-4]。 單獨使用極壓劑作用時,由于極壓劑分子是活性分子,無油性基團,它們的吸附能力很差,幾乎不能吸附在摩擦表面,因而參與摩擦化學反應的量少,不能形成潤滑油膜, 油性劑與極壓劑復配后的抗磨性能比油性劑或極壓劑單獨作用時要高[5]。為此，在極壓抗磨劑不變的情況下，進行了油性劑與極壓抗磨劑復合效應研究，結果見表10。

表10 同一油性劑與極壓抗磨劑的復合效應研究

從表10可以看出：隨著油性劑加量的增大，油品的燒結負荷PD值變化不大，但油膜強度有一定變化，加量為0.5%～1.5%時均可滿足PB指標要求，在超過1%后，PB明顯下降。油性劑為0.5%時，油性劑與極壓抗磨劑的協和作用較好，油品的極壓抗磨性突出。

為了對3種不同的油性劑進行進一步選擇，將3種油性劑以1%劑量與極壓抗磨劑復合，其研究結果見表11。

表11 不同油性劑與極壓抗磨劑的復合效應研究

從表11可以看出：F1與極壓抗磨劑復合，其油品的Timken試驗達不到200.2 N；F2與極壓抗磨劑復合，其油品的PB達不到指標要求(小于1100 N)；F3油性劑與極壓抗磨劑進行復合效應研究，可以滿足油品的PB、PD以及Timken指標要求。

2.8 復合配方的確定

通過以上各類齒輪油添加劑的復配性能研究，確定了水泥廠用昆侖特種油品的復合配方。

2.9 油品總體性能評價

將以推薦劑量添加劑調制的大瓦油與市售的同類參比油進行了性能對比，結果見表12。

表12 大瓦油分析評定結果

從大瓦油總體性能評價結果可知：對研制油的實驗室產品以及中試產品進行總體性能評定，研制油的黏度適中，各項性能均優于市售油。與市售油相比，其黏度指數高，傾點低，低溫性能好；防銹防腐性優異，油品的銅片腐蝕(100 ℃，3 h)評級達到了1級，不僅蒸餾水銹蝕試驗達到無銹，而且海水銹蝕試驗也達到無銹；具有高的燒結負荷PD和油膜強度PB，極壓性突出；另外該油品具有良好的抗氧化性以及熱氧化安定性，相對于一般的重負荷工業齒輪油，增加了對旋轉氧彈的評價，這也是其優異特性之一。

將加入RHY4026復合劑、膠體石墨調制的M220重負荷開式齒輪油與市場上國內220開式齒輪油參比油進行了性能對比，結果見表13。

表13 M220重負荷開式齒輪油分析評定結果

表13(續)

從表13可以看出:調制的M220重負荷開式齒輪油的某些性能超過了AGMA 251.02 EP極壓開式齒輪油規格。與國內參比油相比，完全達到了其產品質量水平，且研制油閃點高，黏度指數高，具有更優異的防銹性以及熱氧化安定性。

將研制的KLD1000輪帶潤滑油進行總體性能評價，產品的性能評價見表14 。

表14 KLD1000輪帶潤滑油產品性能

2.10 使用試驗

研制的大瓦油、M系列開式齒輪油先后在不同的水泥廠進行了使用，水泥廠給出以下評價結果：油品表現出了良好的黏附性、潤滑冷卻性和優異的抗氧防銹性，降低了設備噪音和振動，保證了在惡劣工況下設備的安全平穩運行，反映效果非常不錯。產品得到了廠家的質量認可，并作為其回轉窯、大齒輪專用油品采購材料。

某回轉窯設計水泥熟料日產量5000 t，規格為4.8 m×72 m(筒體內徑×長度)，轉速為0.4～4.4 r/min，斜度為4%，重量約為850 t，功率約為710 kW。窯體表面溫度為260 ℃左右，使用輪帶潤滑油的輪帶墊板表面溫度約為330 ℃，輪帶直徑約5.9 m，重量約50 t。經過近1年的使用后設備運行狀況良好，對方對油品的效果比較認可，同時開具了對昆侖KLD1000輪帶潤滑油的認可證書并進行了產品的正式應用。

3 結論

(1)通過基礎油與添加劑的篩選和復合配方研究，研制出水泥廠特種油品：回轉窯軸承軸瓦專用油——大瓦油，M系列開式齒輪油以及KLD1000高性能輪帶潤滑油等油品，具有適宜的黏度，突出的高極壓性、防腐防銹性以及熱氧化安定性。

(2)通過使用試驗驗證，產品完全可以滿足使用要求，性能優越，在多家水泥廠使用效果好。