我國鋁板帶箔冷軋生產及其工藝潤滑劑的現狀與發展

姚鈞耀 楊蘭

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

經歷了改革開放以來的快速發展期，如今中國的鋁加工產業體系完備，體量龐大，增速可觀，消費旺盛。中國已連續多年保持全球最大鋁材生產國和消費國地位[1]。鋁材中鋁平軋產品（板、帶、箔）是重要的一部分，在國內其產量可占到鋁材總產量的近40%，通常鋁板帶箔的生產都需要經過冷軋軋制。據統計，2020年中國鋁板帶材產量1185萬t，比上年增長4.2%，約占全球鋁板帶總產量的45%；2020年中國鋁箔材產量415萬t，比上年增長3.8%，約占全球鋁箔總產量的65%[2]。

鋁材廣泛應用于建筑、包裝、電子電力、機械裝備、交通運輸、航空航天等領域，國內鋁板帶箔的年消費總量近幾年已超過1000萬t。國內鋁軋制行業經過快速發展，裝備水平日趨先進，材料牌號不斷豐富，同時為了適應高質量發展的需求，對軋制精度、板面質量、生產效率等的要求也在逐步提升，這必然對鋁冷軋的潤滑工藝和潤滑介質提出了更高的要求[3]。軋制油作為工藝潤滑介質，在鋁板帶箔的冷軋過程中起到冷卻、潤滑、清洗的關鍵性作用，直接影響鋁材的表面質量。不同的鋁合金材質、軋制厚度、生產方式等對工藝潤滑的要求不盡相同，因此需要選用合適的軋制油。具有潤滑高功效、板面低污染，同時兼具穩定性和環保性的鋁冷軋軋制油是當前的主要發展方向。

國內鋁冷軋生產行業現狀

目前，我國的鋁板帶箔冷軋行業呈現出產量規模世界第一、技術裝備水平世界領先、產業集群化發展、龍頭企業不斷壯大等特點。

中國鋁平軋產品的生產企業已超過500家，超過世界其他國家同類企業的總和。截至2019年，中國在鋁板帶箔冷軋方面的總產能超過2200萬t/a，約占全球的50%以上[4]。但同時也暴露出產能全面過剩、同質化競爭加劇的問題，這也在一定程度上制約了行業的高質量發展。在2018年之前的10年里，我國鋁板帶產量的年均復合增長率超過10%，但隨著國內建筑、汽車等重點消費領域增長放緩，比如2018年全國汽車產量首次出現了下降，鋁材產量增速也開始放緩。受新冠疫情影響，全球經濟大幅萎縮，國內疫情已基本得到控制，預計未來兩年我國鋁板帶箔產量將保持小幅增長態勢。我國近五年的鋁板帶、鋁箔產量見表1[2]。

表1 近五年中國鋁板帶、鋁箔產量

中國的先進鋁冷軋裝備大部分是本世紀引進建設的，裝備水平國際領先，且數量全球最多。據不完全統計，已建成引進技術的鋁板帶冷連軋產線9條、CVC-6 plus六輥鋁帶單軋機近30臺，寬幅鋁箔專用軋機40臺以上，這些軋機設備大多數來自德國西馬克集團[5]。雖然先進的大型冷軋機（輥面寬度大于1800 mm）多數還依賴進口，但中小型冷軋機已可基本實現國產化，且以中色科技、中國重工院、上海天重等為代表的國產裝備水平在不斷提高，與國際先進設備間的差距也在縮小。不過同時也應該看到，雖然國內鋁冷軋行業規模龐大、裝備先進，但航空用鋁材等高端鋁平軋產品仍需要進口，這就要求進行產業結構升級，走更高質量發展的道路，增長方式也需由要素驅動轉為創新驅動。

集群化已成為中國鋁材加工產業發展的重要特點，鋁板帶箔的冷軋生產作為其中重要一環參與整個產業布局。其分布主要呈現兩個特點：一是圍繞上游電解鋁生產布局，主要在山東、河南、內蒙古等地；二是圍繞下游消費中心布局，主要是長江三角洲和珠江三角洲地區。在產業集群區，龍頭企業可帶領行業爬坡過坎、突破短板，在引領產業發展方面的作用不可或缺。由中國有色金屬加工工業協會評審出的2019年（第三屆）中國鋁板帶材十強企業和2018年（第三屆）中國鋁箔材十強企業見表2。產業集群帶動了地區內中小企業的發展，但各企業間技術裝備、產品質量、創新能力等均層次不齊，且易造成混亂的市場競爭，因此需加強上下游、企業間的合作，形成集約化的產業管理。

表2 中國鋁板帶材、箔材十強企業

鋁冷軋工藝潤滑劑現狀與發展

鋁板帶箔冷軋的工藝潤滑劑一般是純油型的軋制油，以軋制基礎油為主體，輔以適量的添加劑。按照鋁冷軋行業的現行特點，鋁軋制油所用的基礎油和添加劑通常是分開采購的，鋁材廠在生產時按比例添加使用。根據往年的用油需求量以及近幾年鋁材增產量估算，目前我國的年耗鋁冷軋基礎油約為10萬t，而添加劑用量約為冷軋基礎油的5% ～10%。

鋁冷軋基礎油

鋁冷軋基礎油是鋁板帶箔生產過程中的重要輔料，在軋制油中的比例占到90%以上，其對冷軋工藝以及鋁材成品質量有重要影響。目前國內的鋁冷軋基礎油主要選用的是采用加氫精制技術生產的輕質白油，是由原油經過常壓蒸餾、加氫精制、分餾切割而得的不同餾分的基礎油。其中，如果不飽和烴以及硫、氮等非烴類物質的脫除程度越高，則基礎油的穩定性能和清凈性能就越好[6]。優良的鋁冷軋基礎油應當滿足低硫低芳烴、無毒低氣味、低黏度、高閃點、窄餾程等要求，同時還需具備良好的退火清凈性和氧化安定性。

最早開發鋁冷軋基礎油的是埃克森美孚等國外石油公司，其產品發展到現在，已經更新到了第4代[7]。從開始的工業煤油到普通礦物油，再到正構烷烴油，直至現在廣泛采用的深度加氫精制礦物油，如今的鋁冷軋基礎油其安全環保性、退火清凈性、軋制潤滑性、添加劑相溶性都有了很大提升。國內于20世紀90年代開始，使用進口正構烷烴基礎油應用于鋁材軋制。隨著國內鋁加工業的發展和石油煉化技術的不斷進步，目前鋁冷軋基礎油已基本實現了國產化，國內的煉化企業以輕質石蠟基原油為原料，生產高品質、高穩定性的鋁冷軋基礎油，已占有了我國70%以上的市場。目前國內鋁冷軋基礎油多為混合烷烴基礎油，一般包含70% ～80%的鏈烷烴和20% ～30%的環烷烴。鏈烷烴的氧化安定性好，油品黏度低，退火清凈性好，適于用作鋁冷軋基礎油；而混合一定比例的環烷烴，可以提高基礎油對添加劑的溶解能力，加大對金屬表面的黏附力，充分發揮添加劑的潤滑效果[8]。

鋁冷軋基礎油在應用時需根據軋機設備、所軋鋁材、生產工藝等因素做出差異化的選擇，油品的理化指標是評判其使用性能以及做出選擇的重要依據[9]。我國的石油化工行業標準NB/SH/T 0913—2015《輕質白油》對相關系列油品的技術指標做出了要求，目前國內的大多數煉化企業在生產可用作鋁冷軋基礎油的輕質白油時也都遵照此標準執行。該標準對油品的運動黏度、餾程、閃點、芳烴含量、硫含量等關鍵指標做出了規定，其中閉口閃點是區分基礎油牌號的直接依據，而其本質則是根據不同的餾程和黏度進行的劃分。目前市場上應用較多的兩種典型基礎油牌號是W1-100和W1-80，它們的關鍵理化指標見表3。

表3 鋁冷軋基礎油關鍵技術指標

W1-100應用于鋁板帶生產，因加工過程中需要較大的油膜強度，故選用黏度相對大一些的基礎油。而W1-80應用在鋁箔生產上，由于鋁箔軋制速度較快，要求油品的揮發性能要好，因此選用的基礎油黏度低一些。當然，隨著板帶箔產品市場的不斷細分，鋁冷軋基礎油的選擇不局限于此，比如生產電子鋁箔可選擇介于兩者之間的W1-90基礎油，而生產硬合金系列產品則可使用油膜強度更高的W1-110基礎油。

此外，人們也在不斷探索和研制新型的鋁冷軋基礎油。據文獻報道[10]，有石化企業利用ISOSIV分子篩工藝裝置的生成油或產品為主要原料開發鋁冷軋基礎油，結果表明，雖然原料中的芳烴含量較高，但經過餾分切割、高壓加氫后，也成功制得窄餾分、低芳烴的高檔鋁冷軋基礎油。還有的企業利用費托合成工藝生產的煤制油開發鋁冷軋基礎油[11]，該型基礎油具有高飽和度、高異構化、低密度、不含硫、極低芳烴含量、低揮發性等特點。2014年開始，煤制工藝基礎油開始在鋁冷軋行業量產應用，取得了一定的業內認可和市場份額，甚至有應用表明其具有降低油耗的作用，因此也有人將煤制合成油稱為新一代的鋁冷軋基礎油。

鋁冷軋添加劑

相對于鋁冷軋基礎油，國產化鋁冷軋添加劑的研發稍顯滯后，國外進口品牌仍占據了較大的市場份額，尤其是在大型的鋁加工生產企業中，在引進國外先進設備的同時，配套購買了進口的工藝潤滑用油。近年來，隨著國產化進程的推進，國內不少潤滑油廠家也相繼推出了自己的鋁冷軋添加劑產品，例如中國石化潤滑油有限公司的M0729系列鋁冷軋添加劑產品，隨著國產化產品的應用和更新，目前也逐步得到了市場認可，尤其是在中小型鋁冷軋生產企業中占有了一定份額。

添加劑是提高軋制油性能最經濟有效的途徑之一。由于鋁冷軋基礎油是非極性的石油餾分產品，僅依靠其自身提供的油膜附著能力無法滿足鋁冷軋所需的潤滑需求，所以必須添加一定量的極性添加劑，這樣不僅可以減少摩擦、降低磨損，而且可以提高油膜強度。

由于鋁材質地相對偏軟，而且對退火表面質量要求較高，因此鋁軋制油中通常只添加油性劑，而很少使用極壓劑，以避免引入易引起退火油斑的硫、磷等元素。對鋁軋工藝來講，常用的油性添加劑主要是能與金屬表面發生物理吸附的長鏈脂肪酸、脂肪醇和脂肪酸酯。由于他們的碳鏈長度和官能團極性各不相同，因此表現出不同的潤滑性能特點。對同一類添加劑，其碳鏈越長，潤滑性能越好，但碳鏈過長又容易產生退火油斑；而在碳鏈長度相同的情況下，減摩效果最好的是酸，但酸在退火時的污染亦最嚴重，要謹慎使用。此外，添加劑的碳鏈長度還應與基礎油中的鏈烴長度相匹配，以達到理想的適應性。鋁冷軋添加劑常用的脂肪酸、醇、酯三類物質的主要特點比較[12]見表4。

表4 不同類型添加劑的特點

有研究學者[13]對此進行了理論研究，提出了鋁材軋制潤滑劑吸附自由能的求解方法，結果顯示在同系物中碳鏈較長者，吸附自由能也大，相應飽和吸附最小濃度小，與金屬之間的吸附強度也就越強。同時，其依據基團電負性和氫鍵作用原理，證實不同極性基團在金屬表面吸附強度的順序為：羧酸>醇>甲酯>乙酯>丁酯。

潤滑性和退火清凈性是鋁冷軋添加劑選型上需要重點關注的兩個方面，在研發和選用過程中應當綜合考慮添加劑單體的極性和碳鏈長度。有研究表明，綜合效果較佳的添加劑單體是C12～C14脂肪醇及脂肪酸甲酯。

此外，鋁冷軋添加劑正朝著高效復合型發展，兩種或多種添加劑復合使用時會達到更佳的效果。例如冷軋板帶材多以醇酯型復合添加劑為主，兩者的有機組合能夠最大限度發揮醇、酯各自的潤滑特性，達到潤滑減磨效果最大化的目的，同時，醇和酯添加劑也具有較好的退火清凈性。但在醇酯型復合添加劑的實際使用過程中，醇和酯的消耗速率往往是不同的，鋁加工企業有時還需要根據各自軋機的工況來調整醇、酯比例。

區別于鋁板帶的加工特點，在鋁箔材軋制時，由于冷軋鋁箔基礎油的黏度比冷軋板材的要低，且軋制油用量相對較小，因此對添加劑的潤滑性能要求反而較高。另外，鋁箔軋制時的道次加工率較大，軋制壓力較高，所以對潤滑劑的油膜強度要求也較高。鑒于酯類具有較高的承載能力，故鋁箔用冷軋添加劑常以酯類為主。

鋁冷軋軋制油的發展趨勢

在鋁冷軋基礎油方面，未來的主要發展方向是清潔和高效。清潔一方面要求更低的芳烴含量和氣味、對人體和環境友好，另一方面要求對板面的污染腐蝕更少、具有更好的退火清凈性。而高效不僅要求基礎油具有較高的油膜強度，適應高速、寬幅、連軋、硬質合金的軋制生產需要，而且要求更低的使用成本和更低的油耗。

在鋁冷軋添加劑方面，隨著鋁材產品質量的不斷提升，客戶對表面質量也越發挑剔，對添加劑的性能要求也越來越高，未來發展的趨勢主要有以下幾個方面：更優秀的摩擦學性能；更好的潤濕性能；更好的軋制承載能力；更佳的抗腐蝕性能；更優良的退火清凈性。

結束語

中國的鋁冷軋行業在改革放開以來取得了長足的發展，規模已然是世界第一，應當充分發揮產能裝備優勢，強化創新驅動，謀求高質量的發展，并結合國家“一帶一路”等國際戰略，提高國際競爭力和品牌影響力。同時，隨著國內鋁板帶箔產品應用領域不斷擴大，鋁軋配套產品的市場將會快速發展，市場容量會持續增長，并隨著板帶箔產品應用領域的細分，鋁冷軋基礎油及其添加劑會逐漸形成多規格、系列化的產品結構。