CN109825357A - 用于铝冷轧的水溶液润滑剂 - Google Patents

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Abstract

涉及用于铝冷轧的水基润滑剂流体的组合物，其不含可测量的粒子或可被应用于现场生产的油滴。一种单相润滑剂流体可以包括水溶性聚合物、润滑添加剂、防锈添加剂、抗氧化剂添加剂、pH调节添加剂或其组合。

Description

用于铝冷轧的水溶液润滑剂
本申请为一项发明专利申请的分案申请，其母案的申请日为2012年12月28日、申请号为201210582369.9、发明名称为“用于铝冷轧的水溶液润滑剂”。
发明背景
铝冷轧是铝应用的最重要的工艺之一。润滑剂对于连续生产和良好的品质来说是很关键的。传统上，主要有两类用于冷轧工艺的的润滑方法：1)用纯油来润滑，和2)用水包油乳液来润滑。第一代润滑剂是纯油。纯油产品提供了良好的板表面品质，但是也具有严重缺陷：1)易燃；和2)较高的消耗速率。第二代产品是水包油乳液产品。与纯油相比，乳液避免了使用纯油产品所带来的问题。乳液潜在的缺点包括：1)由于过高的蒸发温度导致退火之后带材的清洁度有限；和2)污油容易乳化，这降低了轧制性能。
本发明的一些实施方案的用于铝冷轧的水溶液润滑剂已经解决了传统润滑的缺点。
US4,828,737公开了水性产品在铝冷轧中的应用。然而，根据该专利，这些水性产品需要达到360℃的温度之后才蒸发。本发明的实施方案中的水溶液润滑剂可在240℃完全蒸发，由此允许对铝合金(部分)退火时施加的所有工艺条件。
发明内容
根据一些实施方案，用于铝冷轧的润滑剂流体包括具有水溶性聚合物的单相水基溶液。在一些实施方案中，该聚合物包括至少一种亲水性基团，如环氧乙烷(ethyleneoxide)。在一些实施方案中，该聚合物的分子量为约200或更大。在某些实施方案中，该润滑剂流体包括大约5wt%-大约99wt%的水溶性聚合物。在一些实施方案中，该润滑剂流体包括至少一种润滑剂添加剂，其可以是水溶性的。在一些实施方案中，该润滑剂添加剂包括一种或多种碳链结构、一种或多种亲水性基团或者其组合。润滑剂流体可以包括大约0.1wt%-大约10.0wt%的润滑剂添加剂。在某些实施方案中，该润滑剂流体包括至少一种功能添加剂例如防锈添加剂、抗氧化剂添加剂、pH调节添加剂或者其组合。该润滑剂流体可以包括大约0.05wt%-大约5wt%的功能添加剂。
附图说明
图1显示了润滑剂流体在不同温度的蒸发。
图2显示了使用参照配方的轧制带材。
图3显示了使用本发明的配方的轧制带材。
具体实施方式
本发明一些实施方案的组合物和方法涉及使用单相水基润滑剂流体的铝冷轧工艺。本发明的组合物和方法可以包括用于铝冷轧的水基润滑剂流体，其不含或者基本上不含可测量的粒子或者油滴。在一些实施方案中，润滑剂流体包括一种或多种水溶性聚合物。润滑剂流体还可以包括一种或多种的润滑剂添加剂和各种功能添加剂。
传统上，水包油乳液是在铝冷轧过程中施用到带材上的。但是，使用水包油乳液会有缺点，例如在退火后有限的带材清洁度、不足的过滤性、波动的乳液特性导致在冷轧机上的不一致性、高油耗等。在一些实施方案中，这样的缺点可以通过使用根据本发明的一些实施方案的单相水基润滑剂流体来避免。根据本发明的一些实施方案的单相水基润滑剂流体可以用于任何类型的铝和合金的冷轧应用中。
根据传统的冷轧润滑理论和工业经验，在轧制工艺中存在两种润滑状态(regime)：边界润滑和弹性流体动力润滑(“EHD”)。许多铝轧制工艺可以以混合润滑状态来进行，包括边界润滑和EHD润滑二者的特性。所以，在一些实施方案中，本发明的润滑剂流体可以提供润滑-边界润滑和/或弹性流体动力润滑。由于铝变形应力，润滑倾向于边界润滑。在一些实施方案中，本发明的润滑剂流体可以提供以下特性：1)提供良好的表面品质，没有明显的水污印记；2)退火之后在铝板上不表现出残留，其中全部的材料都应当在240℃之前消除；和3)排斥污油，其应当易于与溶液分离。
所以，在本发明的一些实施方案中，单相水基润滑剂流体可以提供足够用于冷轧工艺中的边界润滑的润滑性能。
润滑剂流体组合物
在一些实施方案中，本发明的润滑剂流体包括单相水基润滑剂流体。在一些实施方案中，单相水基润滑剂流体可以包括水溶性聚合物和任选的一种或多种润滑剂添加剂，以及各种功能添加剂。
水溶性聚合物
本发明的润滑剂流体可以包括一种或多种水溶性聚合物。在一些实施方案中，该聚合物可以溶解或者分散在一定体积的水中。
在一些实施方案中，合适的水溶性聚合物包括一种或多种亲水性基团。合适的亲水性基团的例子包括但不限于环氧乙烷、环氧丙烷(propylene oxide)、羟基、羧基、酰基胺及其组合。在一些实施方案中，这些聚合物的蒸发温度满足使最终产物在低于240℃的温度完全蒸发。
在一些实施方案中，润滑剂流体包括处于以下量的一种或多种水溶性聚合物：大约5wt%-大约99wt%；大约10wt%-大约95wt%；大约15wt%-大约90wt%；大约20wt%-大约85wt%；大约25wt%-大约80wt%；大约30wt%-大约75wt%；大约35wt%-大约70wt%；大约40wt%-大约65wt%；大约45wt%-大约60wt%；大约50wt%-大约55wt%；大约5wt%；大约10wt%；大约15wt%；大约20wt%；大约25wt%；大约30wt%；大约35wt%；大约40wt%；大约45wt%；大约50wt%；大约55wt%；大约60wt%；大约65wt%；大约70wt%；大约75wt%；大约80wt%；大约85wt%；大约90wt%；大约95wt%或者大约99wt%。
润滑剂添加剂
本发明的润滑剂流体可以任选地包括一种或多种润滑剂添加剂。任何合适的润滑剂添加剂都可以用于本发明的润滑剂流体中。在一些实施方案中，合适的润滑剂添加剂包括一种或多种类型的碳链结构。合适的润滑剂添加剂的例子可以包括但不限于水溶性C6-C18磷酸酯(phosphoric ester)、亚磷酸酯、磷酸酯(phosphate ester)，和有机酸。
在一些实施方案中，合适的润滑剂添加剂包括一种或多种亲水性基团。合适的亲水性基团的例子包括但不限于环氧乙烷、环氧丙烷、羟基、羧基和酰基胺基团。
在一些实施方案中，润滑剂流体包括以下量的一种或多种润滑剂添加剂：占该润滑剂流体的大约0.05wt%-大约10wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%-大约8wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%-大约6wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%-大约4wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%-大约2wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%；占该润滑剂流体的大约0.5wt%；占该润滑剂流体的大约1wt%；占该润滑剂流体的大约2wt%；占该润滑剂流体的大约3wt%；占该润滑剂流体的大约4wt%；占该润滑剂流体的大约5wt%；占该润滑剂流体的大约6wt%；占该润滑剂流体的大约7wt%；占该润滑剂流体的大约8wt%；占该润滑剂流体的大约9wt%；或者占该润滑剂流体的大约10wt%。
功能添加剂
本发明的润滑剂流体可以包括一种或多种功能添加剂。任何合适的功能添加剂都可以包括在本发明一些实施方案的润滑剂流体中。在一些实施方案中，可以选择这样的功能添加剂来覆盖铝冷轧的边界润滑和其他工艺要求。合适的添加剂的例子包括但不限于防锈添加剂、抗氧化剂添加剂、pH调节添加剂等。可以包括任何合适的功能添加剂来实现期望的结果。合适的腐蚀抑制剂添加剂的例子包括但不限于三唑的衍生物、甲基苯并三唑、有机和无机磷化合物以及有机和无机磷酸盐化合物。合适的抗氧化剂添加剂的例子包括但不限于烷基化的氨基酚。合适的pH调节添加剂的例子包括但不限于氨、烷胺和烷醇胺，如三乙醇胺。
在一些实施方案中，润滑剂流体包括以下量的一种或多种功能添加剂：占该润滑剂流体的大约0.01wt%-大约10wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%-大约9wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%-大约8wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%-大约7wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%-大约6wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%-大约5wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%-大约4wt%；占该润滑剂流体的大约0.5wt%-大约3wt%；占该润滑剂流体的大约1wt%-大约2wt%；占该润滑剂流体的大约0.01wt%；占该润滑剂流体的大约0.05wt%；占该润滑剂流体的大约0.1wt%；占该润滑剂流体的大约0.5wt%；占该润滑剂流体的大约1wt%；占该润滑剂流体的大约2wt%；占该润滑剂流体的大约3wt%；占该润滑剂流体的大约4wt%；占该润滑剂流体的大约5wt%；占该润滑剂流体的大约6wt%；占该润滑剂流体的大约7wt%；占该润滑剂流体的大约8wt%；占该润滑剂流体的大约9wt%；或者占该润滑剂流体的大约10wt%。
在一些实施方案中，润滑剂流体的pH是大约4.0-大约9.0；大约5.0-大约8.0；大约6.0-大约7.0；大约4.0；大约5.0；大约6.0；大约7.0；大约8.0或者大约9.0。在一些实施方案中，润滑剂流体包含的pH调节添加剂的量使得该润滑剂流体在25℃的pH为大约4.0-大约9.0。
在一些实施方案中，本发明的润滑流体在不同类型的铝带上的典型边界测试中显示的摩擦系数为大约0.05-大约0.15；大约0.06-大约0.14；大约0.07-大约0.13；大约0.08-大约0.12；大约0.09-大约0.11；大约0.05；大约0.06；大约0.07；大约0.08；大约0.09；大约0.10；大约0.11；大约0.12；大约0.13；大约0.14；或者大约0.15。
在一些实施方案中，润滑剂流体还包括水，如软化水。
提供下面的实施例仅仅用于更详细的描述代表本发明的一些润滑剂组合物，绝不能被认为是对本发明范围的限制。
实施例
使用一系列试验来评价单相水基润滑剂流体的，当用于铝冷轧工艺时，这些实验在工业上被认为能够很好地预测润滑剂包的性能，包括：
a)用边界润滑测试来评价固有润滑性能；
b)用热重分析(TGA)装置来评价热稳定性和蒸发性能；
c)用堆叠沾污(stack staining)和能谱分析(EDS)测试来评价抗污性；和
d)用二辊单机架可逆式测试轧机来测试轧制性能特征，采用与不同的工业轧制工艺相对应的测试步骤。
制备了两种典型的配方，用于实施例中：
配方1：
EO-PO聚合物：10.0wt%
磷酸酯：1.0wt%
三乙醇胺：0.5wt%
软化水：88.5wt%
配方2：
PEG200：90.0wt%
磷酸酯：1.0wt%
甲基苯并三氮唑：5.0wt%
三乙醇胺：1.5wt%
软化水：3.5wt%。
一种油溶性常规乳液润滑剂包(其广泛的用于多机架工业高速可逆式轧机中，具有良好的性能结果)为基于煤油的产品。将该产品用作参照产品。
实施例1：边界润滑
在边界测试机中评价润滑剂包的固有润滑性能。采用通常用于评价铝冷轧中所用润滑剂的润滑性能的规定测试步骤。
参照物(通常用于工业轧机中)在不同类型的铝带中具有大约0.08-0.13的摩擦系数。如上表所示，配方1证实了CoF成功地处于这个标准范围内，而配方2的CoF更低。
实施例2：抗污性能
抗污性能是轧制和退火后的带材清洁度的关键参数。润滑剂流体的抗污性能是通过堆叠沾污测试来评价的。这是一个关键的参数，其评价了轧制和退火后的带材清洁度。为了测试润滑剂流体，将流体施用到两个铝面板(panel)的表面之间，并且用胶带紧紧缠绕。然后将该缠绕的板置于大约90℃的烘箱中，同时以大约4.5kg的负荷加压。24小时后，取出包裹的板，并观察表面。使用能谱分析(EDS)来测量沾污表面上不同元素的量。氧元素被作为评价水污程度的对象(subject matter)。
O含量% Al含量%
参照物 14.30 85.70
配方1 10.05 89.95
配方2 16.52 83.48
结果的氧含量表明，两种单相水基润滑剂流体(配方1-2)表现出与传统的产品(参照物)相当的抗污性能。
实施例3：TGA
对于没有清洗作业线的轧机来说，水溶液润滑剂的蒸发性能是很重要的。为了能够轧制所有的铝合金，铝表面上的所有材料都必须在低于240℃除去。因此，根据TGA曲线，产品应当在到达该温度之前挥发。水溶液润滑剂包的热稳定性和蒸发性能是通过热重分析(“TGA”)来评价的，来显示在退火后带表面的清洁度。
上述测试结果是在空气条件中获得的。这样的测试还可以在氧环境中进行。
从图1所示的结果可以看出，配方1-2的单相水基润滑剂流体在比参照物更高的温度蒸发。不过，它们在低于240℃完全蒸发。基于此性能，当使用单相水基润滑剂流体时，在(分批)退火之后预期也可以得到清洁的板表面。
实施例4：污油排斥性能
润滑剂流体的污油排斥性能是通过抗污油测试来评价的。这是评价润滑剂对污染的敏感性的一个关键参数。为了测试润滑剂流体，将1%污油混入参照物和配方1和2中。然后将该混合物置于大约60℃的烘箱中。在1小时后，测定浮在所述产品上面的污油的量。
从上表所示的结果可以看出，与参照物相比，配方1-2的单相水基润滑剂流体表现出优异的污油排斥性，因为在配方1和2中的每一个中，都有大约80%的污油被排斥。
实施例5：小规模轧机测试
水溶液润滑剂包的轧制性能是通过来自Southwest Aluminium Factory的二辊单机架可逆式轧制测试机来评价的。喷洒系统是其上具有若干孔(间距10cm，孔径<2mm)的PE管，其悬挂于辊子(平行)上方。液体从10L料筒(其位置高于所述管)流出，然后穿过所述的管，并在入口侧附近滴到铝带上。在出口侧没有吹扫(blown-off)。
该铝带的原始厚度是0.57mm。以用相同的力轧过一道之后的厚度表示在下表中。
1道轧制后的厚度 降低率%
参照物 0.408 28
配方1 0.405 29
配方2 0.405 29
上面的结果表明，可以使用配方1和2来轧制铝，并且出口厚度与使用参照物所获得的相当。并且使用所述溶液辊制的铝带的表面表现出均匀的金属颜色，其与用参照物辊制的表面相当。该结果表明表面品质很好。
实施例6：工业轧机试验
在四辊单机架可逆式工业轧机上测试水溶液润滑剂包的轧制性能。轧机宽度为 1400mm，工作辊的直径为300 mm。最大轧制速度为约4.0 m/s ，最大轧制力为1000吨。
轧制结果如下：
参照物：
入口厚度 mm 出口厚度 mm 降低率 % 宽度 mm 速度 m/s 轧制力(Ton)
第1道 4.50 3.10 31% 1000 2.0 450
第2道 3.10 2.20 29% 1000 4.0 500
第3道 2.20 1.55 30% 1000 2.0 500
配方1：
入口厚度 mm 出口厚度 mm 降低率 % 宽度 mm 速度 m/s 轧制力(Ton)
第1道 4.50 3.10 31% 1000 2.4 460
第2道 3.10 2.20 29% 1000 4.0 490
第3道 2.20 1.55 30% 1000 3.3 480
这些结果表明，使用配方1时可以在与使用参照物时相同的条件下轧制铝。
带的质量与使用参照物产品轧制的相当。表面上没有明显缺陷。
没有在该轧机上测试配方 2或其水稀释物。基于上述实验，可以预期轧制性能将与配方1相当。

Claims (16)

1.用于铝冷轧的润滑剂流体，其包含单相水基溶液，其中该溶液包含水溶性聚合物。
2.权利要求1的润滑剂流体，其中该聚合物包含至少一种亲水性基团。
3.权利要求2的润滑剂流体，其中至少一种亲水性基团包含环氧乙烷。
4.权利要求1的润滑剂流体，其中该聚合物在等于或低于240℃下蒸发。
5.权利要求1的润滑剂流体，其包含大约10wt%-大约99wt%的水溶性聚合物。
6.权利要求1的润滑剂流体，其中该溶液进一步包含至少一种润滑剂添加剂。
7.权利要求6的润滑剂流体，其中至少一种润滑剂添加剂是水溶性的。
8.权利要求6的润滑剂流体，其中至少一种润滑剂添加剂包括有机酸或具有C6-C18碳链的有机磷酸酯。
9.权利要求6的润滑剂流体，其包含大约0.1wt%-大约10.0wt%的润滑剂添加剂。
10.权利要求1的润滑剂流体，其中该溶液进一步包含至少一种功能添加剂。
11.权利要求1的润滑剂流体，其中至少一种功能添加剂包括防锈添加剂、抗氧化剂添加剂、pH调节添加剂或其组合。
12.权利要求11的润滑剂流体，其中该防锈添加剂包括无机或有机磷化合物，或三唑的衍生物。
13.权利要求11的润滑剂流体，其中该pH调节添加剂包括氨、烷胺或烷醇胺。
14.权利要求11的润滑剂流体，其中该润滑剂流体包含的pH调节添加剂的量使得该润滑剂流体的pH值在25℃是大约4.0-大约9.0。
15.权利要求11的润滑剂流体，其包含大约0.05wt%-大约5.0wt%的功能添加剂。
16.一种冷轧铝的方法，其包含将权利要求1的润滑剂流体施用到铝带上。
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