回轉窯托輪軸瓦油的研制

2019-12-06 08:14:56梁依經伏喜勝張遂心華秀菱

石油煉制與化工 2019年12期

梁依經，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中心，蘭州 730060；2.中國石油潤滑油公司)

回轉窯是氧化鋁及水泥企業的關鍵生產裝置，托輪作為回轉窯的運動支撐點，如果潤滑不良，就會造成軸瓦摩擦、磨損、發熱、拉絲、膠合、抱瓦，甚至翻瓦現象，直接影響到水泥企業的正常生產和經濟效益[1]。目前國內回轉窯窯體的質量超過800 t，整個窯體由多檔托輪支撐，平均每塊托輪瓦承重50 t以上，回轉窯的表面溫度在190 ℃左右，燒結溫度在1 300 ℃左右，其負荷重、溫度高、粉塵大、潮濕，運轉環境惡劣，因此對潤滑的要求十分苛刻[2-6]。

國內外專門用于托輪軸瓦的潤滑油較少，國內主要以進口專用托輪軸瓦油為主。為了解決回轉窯托輪軸瓦的潤滑問題，許多水泥廠采用含瀝青質的重油或重負荷車輛齒輪油來進行潤滑[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，從而發熱頻繁，且持續時間較長，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，而油品性能對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。

針對上述問題，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窯托輪軸瓦的潤滑油。

1 試驗方法

本研究中用到的非標試驗方法如下：①黏附性試驗。取相同規格的2個方形鋼片(5 cm×5 cm)，分別稱量相同質量的試驗油和參比油，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油量，來判斷油品的黏附性。②儲存穩定性試驗。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 基礎油的選擇

對于托輪軸瓦油來說，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。根據其運行速度的計算，要求油品的運動黏度(100 ℃)不小于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，加入一定的黏度指數改進劑進行稠化。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為基礎油。

2.2 添加劑的選擇

2.2.1 黏度指數改進劑黏度指數改進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)，它們的性能對比見表1。由表1可知，PIB的稠化能力較高，尤其是剪切穩定性最好，適合作高黏度油品的稠化劑，因此本研究選擇PIB作為黏度指數改進劑。

表1 3類黏度指數改進劑性能比較

PIB有不同種類，本研究選擇3種不同生產廠家具有代表性的PIB，將其以不同比例與PAO40調合，得到的托輪軸瓦油基礎油的黏度見表2。從表2可以看出：加入50%(w)平均相對分子質量為1 000的PIB時，基礎油的運動黏度(100 ℃)才達到76.61 mm2/s，而加入20%～30%(w)平均相對分子質量為2 300的PIB或 20%～25%(w)平均相對分子質量為3 300的PIB時，基礎油的運動黏度(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分子質量分別為2 300與3 300的PIB進行剪切穩定性測定。

表2 不同調合托輪軸瓦油基礎油的黏度

注：M代表PIB的平均相對分子質量。

將兩種PIB以一定比例加入到同一種基礎油中進行FZG剪切穩定性測定，其對比結果見表3。從表3可以看出：相對分子質量為3 300的PIB稠化能力略優于相對分子質量為2 300的PIB，剪切穩定性略差于相對分子質量為2 300的PIB，但由于相對分子質量為3 300的PIB單劑價格高于相對分子質量為2 300的PIB，單位調合成本也高，因此選用相對分子質量為2 300的PIB作為本研究的黏度指數改進劑。

表3 兩種PIB的FZG 剪切穩定性對比

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，本研究重點對硫磷劑進行了考察。在實驗室主要通過測定油品的最大無卡咬負荷(PB)、燒結負荷(PD)和綜合磨損值(ZMZ)來評價其承載性。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)的托輪軸瓦油基礎油中進行極壓抗磨性能考察，結果見表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T321H與P-4的復合比例進行考察，結果見表5。由表5可知，T321H與P-4在配方中的較佳調合質量比為2∶1。

表5 T321H與P-4的復合比例考察結果

2.2.3 油性劑托輪作為支撐著運動中回轉窯的支點，承受著熱負荷、物料負荷和窯自重三大載荷，由于齒輪接觸壓力高，承受高沖擊；齒面間的滑動方向和速率急劇變化，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，因此托輪軸瓦專用油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，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。

油性劑的作用機理是其分子中的極性基團牢固地吸附在金屬表面上，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%(w)的加劑量加入到99.0%(w)托輪軸瓦油基礎油中，進行PB的考察，結果見表6。從表6可以看出：相比于其他幾種油性劑，F1在托輪軸瓦油中的PB較好，因此選擇F1作為油性劑。

表6 不同油性劑油膜強度的考察結果

2.2.4 抗氧化劑潤滑油的抗氧化性能是反映其品質好壞的重要標志，決定著潤滑油的使用壽命，并影響其使用性能。目前國內外專用于水泥廠回轉窯軸承軸瓦潤滑的油品不多，許多水泥廠采用瀝青質重油或氣缸油進行潤滑，氧化性能相對較差，出現使用后積炭嚴重、油泥及沉積物多等現象。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，并進一步確定油性劑F1的加量，結果見表7。從表7結果可以看出，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。且當油性劑F1和烷基二苯胺抗氧劑質量分數分別為1.0%和0.1%時，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，油膜很容易破裂導致潤滑不良，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，則不能均勻地分散在油品中，容易團聚形成較大顆粒，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，進行黏附性和儲存穩定性考察，試驗結果見表8。從表8可以看出，當固體添加劑加劑量(w)大于2.5%時，油品具有很好的黏附性；但當加劑量(w)達3.5%時，油品儲存時有微量沉淀出現，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%。