CN1398291A - 轧铝和铝合金板材的热轧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝和铝合金的热轧方法，包括使用有效量的一种含水和一种水溶性油组合物的水包油型乳液，该水溶性油组合物包含基础油和基于该组合物总重的1－80％重量的己二酸二(2－乙基己基)酯。本发明还涉及水溶性的铝和铝合金热轧油组合物，用该油组合物制备的水包油乳液以及所述水包油乳油在热轧方法中的用途。

Description

轧铝和铝合金板材的热轧方法
本发明涉及轧铝和铝合金板材的一种热轧方法。
本发明还涉及水溶性铝和铝合金热轧的一种油组合物，由此制备的水包油型乳液，以及所述水包油型乳液在热轧方法中的用途。
铝和铝合金的轧制工业对轧制金属的制造方法提出了生产效率最大化的需求。一般来说，这意味着需要更高的轧制速度和需要在每次换班(operating shift)时生产出更多的可出售的产品。另外，还需要为达到给定的压下量最小化通过轧机的道次。这两种途径都要求不得有损于产品的质量和表面光洁度。
本发明因此提供一种应用于热轧机的油组合物，它可以满足如下的客户要求：
-较高的压缩比：在多数情况下都能实现一道压缩；
-与使用现有技术的油组合物获得的轧制能力相比，具有更好的轧制能力(即更低的轧制力和减少轧制功率的消耗)；
-改善轧制的表面光洁度质量；
-更短的乳液磨合(break-in)时间，即获得最佳粒子粒径分布所需要的时间；
-优异的耐腐蚀性能；和
-更好的润滑性能(压析(plate-out)性能，辊涂(rollcoating))。
本发明对于任何形式的热轧都有效，不论可逆与否，在开坯轧机、串列式轧机和串列-横列联合式轧机上都适用。
特别地，本发明表现出了较大的压下量和轧制能力，同时在高速轧制过程中可以提供优异的带材表面光洁度。
现有技术并没有教导本发明甚至未对本发明提出任何建议。
因此，本发明提供了一种轧制铝和铝合金板材的热轧方法，包括使用有效量的一种水包油型的含水乳液以及一种水溶性油组合物，该油组合物包含基础油和基于该组合物总重的1-80％，优选3-30％重量的己二酸二(2-乙基己基)酯。
根据一种实施方案，该油组合物还包括基于该组合物总重的0.05-20％，优选0.1-5％重量的非离子表面活性剂，如一种环氧乙烷加成聚合物。这种环氧乙烷加成聚合物的实例可以是由ICI公司出售的商品名为HypermerA60的环氧乙烷加成聚合物。
根据另一种实施方案，该油组合物还包括于该组合物总重的1-30％，优选5-20％的油酸。游离的油酸被实际上认为可以使铝或铝合金带材获得更好的表面光洁度。
本发明还提供了一种水溶性铝合铝合金热轧油组合物。
本发明还提供了一种该水溶性油组合物的制备方法。
本发明还提供了一种含有该油组合物的水包油型乳液以及制备这种乳液的方法。
另外，本发明提供了本发明的水溶性油组合物在制备用于铝或铝合金热轧过程的乳液的用途。
最后，本发明提供了该乳液在热轧过程中的用途。
本发明更多的详细内容将在如下的说明书中得以公开：
图1显示的是，在分别使用现有技术的乳液和本发明的乳液的条件下，施加的轧制力和道次数量之间的关系图。
图2显示的是，在分别使用现有技术的乳液和本发明的乳液的条件下，施加的净轧制功率和道次数量之间的关系图。
本发明的水溶性油组合物是纯净的油浓缩物，通常要在水中稀释制成水包油型乳液。
基础油可以是任意一种在热轧过程中典型使用的油料。可以是链烷烃或是环烷烃。
石蜡族基础油是由含有相对高的烷烃含量(高含量石蜡烃和异石蜡烃)的原油制备而来。典型的原油产自中东、北海、美国中部。其生产方法需要进行芳烃的去除(通常采用溶剂萃取)和脱蜡。石蜡族基础油具有良好的粘度/温度特性，即高粘度指数、合适的低温性能以及良好的稳定性。它们通常称作溶剂中性油，此处的溶剂是指基础油经过溶剂精制，而中性是指该油的pH值呈现中性。可替代的方案是高粘度指数(HVI)基础油，它们的粘度指数可以遍及所有的范围，从轻质锭子油到重质高粘度润滑油料。
环烷烃基础油本身具有较低的倾点，不含蜡，具有优异的溶解能力。经过溶剂萃取和加氢处理可以减少多环芳烃的含量。
优选的基础油是一种石蜡烃及环烷烃的混合物。
基础油典型的粘度范围为40℃下7-150cSt、优选40℃下20-50cSt。
水溶性油组合物优选包含三链烷醇胺(C2-C4)、优选三乙醇胺，其含量使得所有可结合的三链烷醇胺仅与部分油酸相结合。这种实施的目的是使油组合物中含有游离的油酸。
三链烷醇胺与油酸的反应物用作表面活性剂。
该水溶性油组合物还可以含有经典的添加剂，如表面活性剂、偶联剂或助表面活性剂、减摩剂或润滑剂、缓蚀剂或抗氧剂，极压剂和抗摩蚀添加剂，杀细菌剂和杀真菌剂、消泡剂、防锈剂。
消泡剂的实例可以基于硅氧烷，特别是聚二甲基硅氧烷。
缓蚀剂的实例可以是受阻酚和二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)。
极压剂和抗摩蚀添加剂的实例可以分别是磷酸二月桂基酯，亚磷酸双十二烷基酯，磷酸三烷基酯，如磷酸三(2-乙基己基)酯、磷酸三甲苯酯(TCP)、二烷基(或二芳基)二硫代磷酸锌(ZDDP)，磷-硫化脂肪油，二烷基二硫代氨基甲酸锌，硫醇基苯并噻唑，硫化脂肪油，硫化萜烯，硫化油酸，烷基和芳基多硫化物，硫化鲸蜡油，硫化矿物油，氯化硫处理过的脂肪油，黄原酸氯化石脑油酯(chlornaphta xanthane)，十六烷基氯化物，氯化石蜡油，氯化石蜡硫化物，氯化石蜡，和二烷基(或二芳基)二硫代磷酸锌(ZDDP)，磷酸三甲苯酯(TCP)，磷酸三(二甲苯酯)(TXP)，磷酸二月桂基酯。
缓蚀剂或抗氧剂的实例可以是自由基捕获剂如酚类抗氧剂(空间位阻的)，胺类抗氧剂，有机铜盐，氢过氧化物分解剂，丁基化羟基甲苯。
防锈剂的实例可以是链烯基琥珀酸酐的胺衍生物。
减摩剂或润滑剂的实例可以是脂肪酸(C12-20)如月桂酸、油酸、棕榈酸，烷基酸(C12-20)烷基(C6-10)酯如己二酸二(2-乙基己基)酯。
基础油和添加剂的更多组成元素可以参阅R.M.Mortier和S.T.Orszulic著作的“Chemistry And Technology of Lubricants”一书，由VCH Publishers出版，1992年第一次出版。
以下是本发明中水溶性油组合物含量(所有的百分含量都是基于组合物总重的重量百分比)：
-0.1-0.5％的三烷基(C1-4)酚；
-0.5-4.0％的三烷基(C3-10)磷酸酯；
-5-15％的己二酸二(2-乙基己基)酯；
-5-15％的有机脂肪酸(C12-20)；
-0.5-2％的5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸；
-1-3％的烷撑(C2-6)二醇；
-0.3-1％的乙氧基化醇类(C5-14，含有2-10个CH2O基团)
-2-5％的三链烷醇胺(C2-4)；
-余量可以是环烷基和石蜡基润滑油基础油的混合物。
该油组合物是由基础油和其它组分混合，优选在搅拌或在任何混合设备下，同时温度控制不超过50℃、更优选35℃下混合而成的。
水包油型乳液是将本发明的油组合物于水中在搅拌下稀释而制备的。优选去离子水，并且使用前要加热至35℃左右。
该乳液一般含有水和基于乳液总体积的0.5-30％的，优选1-15％体积的油组合物。
本发明应用的铝合金可以是任何一种铝合金，包括1000、2000、3000、5000、6000和7000系列。
热轧方法是经典的方法。被轧制金属的温度在开坯轧机上一般为600-650℃左右、在串列式轧机上为400-500℃左右。
方法优选在开坯轧机、串列式轧机或是串列-横列联合式轧机上进行。本发明的水包油型组合物可以显著减少道次。用现有技术的常规乳液，道次数目典型为13道。而采用本发明的乳液，可以减少2个道次，这是一个显著的改进。
当热轧方法在开坯轧机上进行时，乳液优选含有基于该乳液总体积的2-4％体积的油组合物。
当热轧方法在精轧机或串列式轧机上进行时，乳液优选含有基于该乳液总体积的5-7％体积的油组合物。
下述的实施例说明了本发明，但并不限制本发明。如若不加以声明，所有份数和比例都是基于重量的。
实施例
组合物可由表1中的组分按照该表中显示的次序混合制备而成。温度维持在最高35℃，以保证各种组分完全溶解和均化，而不损及乳液的各种性质。
                            表1
组分   含量(重量％)
基础油(环烷族的，600SUS)   27.00
基础油(石蜡族的，40℃下粘度为9cSt)   44.60
二tertiobutyl对甲酚(抗氧剂)   0.20
磷酸三辛酯(极压剂)   2.00
己二酸二(2-乙基己基)酯(润滑剂)   8.00
油酸(润滑剂/辅助表面活性剂)   11.6
5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸(缓蚀剂)   1.00
二甘醇(偶联剂)   2.10
环氧乙烷加成聚合物*   0.50
三乙醇胺(缓冲剂/辅助表面活性剂)   3.00
*：ICI公司以商品名为HypermerA60出售
表1中组合物的特性列于表2之中。
                        表2
稀释前的乳油 单位 方法     典型特征值
色度(ASTM)  ISO 2049     L 1.0
15℃时的密度 g/ml  ASTM D1298 0.8908
倾点   ℃  ISO 3016     -27
40℃时的粘度   cSt  ASTM D 445     32.6
中和值   KOH mg/g  ASTM D 974     25.6
皂化值   KOH mg/g  ASTM D 94     51.6
总碱值   KOH mg/g  ISO 3771     11.5
乳液是将表1中的油组合物用预先加热至35℃的去离子水进行搅拌稀释而制备。所得到的乳液的特性如表3所示。
                               表3
乳液 方法     典型特征值
6％浓度(体积比)乳液的稳定性(室温下，持续20小时)     Mobil1)     1％乳油
20℃下，新的制备的6％浓度(体积比)乳液的pH值     ASTM E70-90 8.3
1)：乳液的稳定性由如下步骤测定。在室温下或在测试温度下，将470ml的蒸馏水称量于一个800ml的烧杯中。将一个50ml的带有四个桨叶的搅拌器连接在搅拌马达上，使桨叶距烧杯底部25mm。将一个50ml的滴液漏斗置于烧杯中，使漏斗口离烧杯壁15mm。启动搅拌器进行搅拌，调节搅拌速度为1000rpm。然后将该试验样品加热至35±1℃。将滴液漏斗中的30ml的测试油开始滴加入烧杯，滴加速度控制在120±20秒内将全部的油都滴入水中。滴液完成之后继续搅拌60秒，并同时保持试样的温度为35±1℃。再将得到的乳液倒入一个500ml的量筒内，并将之存放在室温下持续20个小时。20小时之后，从刻度中读出上层(黄色乳油+油)的体积百分比。
试验测试
先准备一个空白试样，由现有技术的油组合物稀释制备而成，该现有技术油组合物的成分如表4所示：
                       表4
组分   含量(重量％)
石蜡基础油(40℃下粘度为25cSt)   48.5
环烷基础油(40℃下粘度为115cSt)   13.0
环烷基础油(40℃下粘度为8cSt)   20.0
二tertiobutyl对甲酚   0.2
有机脂肪酸(C12-18)   11.6
二甘醇   2.1
三链烷醇胺(C2-C4)   2.6
磷酸三烷基酯(C3-C10)   2.0
制备两个乳液，分别用去离子水稀释本发明的油组合物及现有技术的油组合物。
用Sephyζ电势仪测量的结果显示，两种乳液的ζ电势(电动电势)都为-62mV，这说明这两种乳液都具有很好的稳定性。
这两种乳液都在一台工业测试轧机上进行试验。轧制条件如下所示：
-轧机型号：2high
-电动机输出功率：45kW或67kW
-辊身直径：760mm
-辊身硬度：58-61洛氏C硬度
-金属最大宽幅：685m
-金属典型宽幅：305mm
-最大速度：30m/min
-入口温度(铸锭)：450℃
-铸锭尺寸：305×610×1650mm
-最终厚度：25.4mm
-乳液体积：400l
-乳液温度：50℃
-乳液浓度：5％
采用如下程序对每种油进行轧制测试：
1.先将AA5182型号的铸锭轻轻刮去表皮，用甲乙酮脱脂并加热至454℃。
2.将轧辊用稀释的氢氧化钠清洗以去除轧辊上以前轧制时的涂层并漂洗干净。检测漂洗水的残余碱性。用表面光度仪测量轧辊表面的粗糙度。
3.用石英管加热器将轧辊预加热至77℃。
4.冷却剂喷淋流量调整到200l/min，喷淋头顶顶部的压力为6.9×104牛顿/平方米(10psig)，喷淋头底部的压力为4.1×105牛顿/平方米(60psig)。
5.将一100厘米(4英寸)厚的AA5182型铸锭采用如下额定的道次设计轧制5个道次。轧机速度为18.3米/分钟。所有的道次轧制方向都是从东向西。在第一种的乳液测试时，记录下轧机跨度(mill gap)的设定值，然后在测试剩余乳液时仍重复使用同样的跨度。在每道次上，这些设定的数值要比额定的所需轧后厚度低1.27mm。
额定的道次设计：
道次1                            100mm-83mm
道次2                            83mm-65mm
道次3                            65mm-50mm
道次4                            50mm-37mm
道次5                            37mm-25mm
6.从中等长度的25mm厚的试样上剪切下一条600mm长的试样，用于后面的阳极氧化处理。剩余两试样放回炉中重新加热。
7.将第二块铸锭按照第5、6项所示进行同样处理。将油浓缩物加入乳液以获得7％的体积浓度。
8.从最初的铸锭得到的两样条，在重新加热后在18.3米/分钟的轧制速度下进行轧制，采用如下额定的道次设计：
道次6                       25mm-16mm
道次7                       16mm-9.5mm
道次8                       9.5mm-5mm
9.在经过最后的道次后，每个轧制的试样都经热剪切后成为两条600mm长的样条。将这种金属存放起来，随后准备在轧制状态下和阳极氧化条件下进行检验测试。在轧辊上刻画的两条标记线的间距，在样条通过最后的道次后，可在样条表面进行标记距离的测试，从而用于测算前滑。
10.工作辊而后已知区域通过碱液的萃取采样，之后测量沉积在其上的铝的含量。
图1显示的是，在AA5182型铝合金上施加的轧制力(吨)和道次数量之间的关系图。
图2显示的是，施加的净轧制功率(总功率减去轴损耗，kW)和道次数量之间的关系图。
使用本发明的乳液比现有技术的乳液平均改善效果达6.4％。
用一条阳极氧化实验线进行阳极氧化处理，对长约150mm、厚25mm及厚5mm的试样(参见上面的第6条)进行阳极氧化处理，以突出吸收性能及外观性能。其过程是：
1.用非侵蚀性碱洗剂清洗3分钟。
2.漂洗两次。
3.用硝酸desmut 2分钟。
4.漂洗两次。
5.在15伏特电压下，置于15％浓度的硫酸中阳极氧化10分钟。
6.漂洗两次。
7.干燥。
结果显示，在采用本发明乳液轧制后，铝或铝合金板材的表面光洁度的光亮度和均匀性，与使用现有技术的乳液所获得的光亮度相类似。
辊涂的测量可按照下述步骤进行。
1.将一有机玻璃、装有垫圈的夹具粘附并密封在上工作轧辊的中央。该夹具包括一个占轧辊表面20.26平方厘米的容槽(reseroir)。
2.将15毫升1N浓度的氢氧化钠注射入该容槽，并使之与轧辊表面的铝辊涂层反应约5分钟。
3.碱性液体随后从容槽中由注射器取出，置于一个采样瓶中。
4.将两次使用的各15毫升去离子水漂洗液由注射器提取出，并置于该采样瓶中。
5.采样中铝的总含量将通过ICP进行测定。
6.辊涂的重量随后可以计算出，并被表述成毫克铝每平方厘米辊表面。
采用本发明的乳液与现有技术的乳液相比，辊涂的效果要更好。

Claims (15)

1.轧制铝和铝合金板材的热轧方法，包括使用有效量的一种含水和一种水溶性油组合物的水包油型乳液，该水溶性油组合物包含基础油和基于该组合物总重1-80％重量的己二酸二(2-乙基己基)酯。
2.根据权利要求1的热轧方法，其中水溶性油组合物还含有基于该组合物总重的0.05-20％，优选0.1-5％重量的非离子表面活性剂，优选环氧乙烷加成聚合物。
3.根据权利要求1或2的热轧方法，其中水溶性油组合物含有基于该组合物总重的3-30％重量的己二酸二(2-乙基己基)酯。
4.根据权利要求1至3中任一项的热轧方法，其中水溶性油组合物还含有基于该组合物总重的1-30％、优选5-20％重量的油酸。
5.根据权利要求1至4中任一项的热轧方法，其中水溶性油组合物还含有一种三链烷醇胺(C2-4)，优选三乙醇胺，其用量使得所有可结合的三链烷醇胺仅与部分油酸相结合。
6.根据权利要求1至5中任一项的热轧方法，其中水包油型乳液含有水和0.5-30％，优选1-15％体积的所述水溶性油组合物。
7.根据权利要求1至6中任一析项的热轧方法，其中热轧方法在开坯轧机上进行，并且使用的乳液含有基于该乳液总体积的2-4％体积的所述水溶性油组合物。
8.根据权利要求11中的热轧方法，此处的热轧方法在精轧机或串列式轧机上进行，使用的乳液含有基于该乳液总体积的5-7％体积的所述水溶性油组合物。
9.水溶性铝和铝合金热轧油组合物，含有基于该组合物总重的如下重量百分比的：
-0.1-0.5％的三烷基(C1-4)酚；
-0.5-4.0％的三烷基(C3-10)磷酸酯；
-5-15％的己二酸二(2-乙基己基)酯；
-5-15％的有机脂肪酸(C12-20)；
-0.5-2％的5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸；
-1-3％的烷撑(C2-6)二醇；
-0.3-1％的乙氧基化醇类(C5-14，含有2-10个CH2O基团)
-2-5％的三链烷醇胺(C2-4)；
-余量可以是环烷基和石蜡基润滑油基础油的混合物。
10.根据权利要求9的水溶性油组合物，其中基础油在40℃下的粘度范围为7-150cSt，优选40℃下粘度范围为20-50cSt。
11.制备根据权利要求9或10的水溶性油组合物的方法，包括在搅拌下或在任何混合设备下，将基础油和其他组分混合。
12.水包油型乳液，包含水和0.5-30％体积比、优选1-15％体积比的根据权利要求9或10的水溶性油组合物。
13.根据权利要求12的水包油型乳液的制备方法，包括在搅拌下将油组合物稀释于水中。
14.根据权利要求9或10的水溶性油组合物的用途，其用来制备用于铝和铝合金热轧方法的乳液。
15.根据权利要求12的水包油型乳液在热轧方法中的用途。
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