CN1398293A - 水溶性铝和铝合金热轧的组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水溶性的铝和铝合金热轧油混合物，包含基础原料油和基于该组合物总重的1－80％重量的下列混合物：脂肪酸与多元醇的单酯，和脂肪酸与季戊四醇的四酯；所述组合物的单酯∶四酯的重量比为1∶20至10∶1。本发明还涉及一种水包油乳液，一种热轧方法和该水包油乳液在热轧方法中的用途。

Description

水溶性铝和铝合金热轧的组合物
本发明涉及一种水溶性铝和铝合金的热轧组合物，还涉及一种热轧铝和铝合金的方法。
铝和铝合金的轧制工业对轧制金属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；
-更容易维护乳液：更好的pH值控制、改善的氧化稳定性和耐细菌侵蚀；以及
-更低的油耗。
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、串列式轧机还是在串列-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，本发明提供了一种水溶性铝和铝合金的热轧油组合物，该油组合物包含一种基础原料油和，基于该组合物总重的1-80％，优选1-30％重量的下述混合物：
·一种脂肪酸与多元醇的单酯，和
·一种脂肪酸与季戊四醇的四酯；
所述组合物的单酯∶四酯的重量比为1∶20至10∶1，优选1∶10至5∶1。
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0.1-20％的乙氧基化的醇(带有5至15个碳原子，优选12至15个碳原子)的混合物。作为该混合物组成的实例，可以使用ICI公司出售的商品名为SynperonicA7和HypermerA60的乙氧基化醇混合物，SynperonicA7∶HypermerA60的重量比优选1∶10至10∶1。
根据另一种实施方案，该油组合物还包含基于该组合物总重的1-30％的、优选5-20％重量的油酸。游离的油酸被实际认为可以使铝或铝合金带材获得更好的表面光洁度。
本发明还提供了制备该油组合物的方法。
本发明还提供了含有该油组合物的乳液和制备该乳液的方法。
另外，本发明提供了本发明的油组合物在制备用于铝或铝合金热轧过程的乳液的用途。
本发明还提供了一种热轧铝或铝合金板材的方法，包括使用有效量的本发明的乳液。
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、和相关的附图中得以公开：
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之间的关系图。
图3显示的是，现有技术的乳液和本发明的乳液的蒸发温度对应于各自乳液中油含量的关系图。
本发明的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。
基础原料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。可代替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。
优选的基础油是经过加氢处理的环烷烃油。
基础油的粘度在40℃下典型为7至150厘沲(cSt)，优选40℃下粘度为20-50厘沲。
在单酯和四酯的混合物中，单酯的脂肪酸具有16至20个碳原子，优选油酸。单酯中的多元醇优选甘油。
四酯中的脂肪酸具有16至20个碳原子，优选油酸。
水溶性油组合物优选包含三链烷醇胺(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。这种实施方案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。
不过，本发明的一项重要特性就是该油组合物、以及乳液，并不含有被认为会增加环境问题的壬基酚表面活性剂。
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，有机铝盐，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。
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的一个实例(所有的百分含量都是基于组合物总重的重量百分比)：
-0.1-1.0％的三烷基(C1-4)酚；
-0.5-4.0％的三烷基(C3-10)磷酸酯；
-1-4％的石油磺酸盐；
-0.1-10％的有机脂肪酸(C16-20)；
-0.1-0.5％的氨烷基(C2-4)链烷二醇(C2-5)；
-1-4％的三链烷醇(C2-4)胺；
-2-10％的单脂肪酸(C16-20)甘油酯；
-5-15％的四脂肪酸(C16-20)季戊四醇酯；
-0.5-1.0％的5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸；
-3-6％的乙氧基化醇类(C5-15，含有2-10个CH2O基团)
-0.05-0.4％的硅氧烷基聚合物；
-余量可以是环烷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，在搅拌或在任何混合设备下，同时优选温度控制不超过50℃、更优选45℃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，并且使用前可加热至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1-20％体积的所述油组合物。
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。
热轧法可以是经典的方法。轧制金属的温度通常在开坯轧机上为600-650℃左右，在串列式轧机上为400-450℃左右。
热轧方法优选在开坯轧机上进行。本发明的水包油型组合物可以显著减少道次的数目。用现有技术的常规乳液，道次典型为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。
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50℃，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％)
氢化处理的环烷基础油(40℃下粘度为20cSt)     31.30
氢化处理的环烷基础油(40℃下粘度为110cSt)     36.65
聚二甲基硅氧烷分散的二氧化硅化合物(消泡剂)     0.10
二tertiobutyl对甲酚(抗氧剂)     0.20
磷酸三辛酯(极压剂)     3.00
石油磺酸盐(表面活性剂)     2.80
油酸(润滑剂/辅助表面活性剂)     5.00
氨基乙基丙二醇(缓冲剂)     0.30
三乙醇胺(辅助表面活性剂)     2.00
甘油单油酸酯(润滑剂)     5.00
季戊四醇四油酸酯(润滑剂)     8.40
5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸(缓蚀剂)     0.70
乙氧基化醇类*(表面活性剂)     4.50
*：C12-15醇的混合物：
-由ICI公司出售的商品名为SynperonicA7的产品：0.6％
-由ICI公司出售的商品名为HypermerA60的环氧乙烷加成聚合物产品：3.90％
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 2.0
15℃时的密度   g/ml  ASTM D 1298   0.9231
倾点   ℃  ISO 3016   -24
40℃时的粘度   cSt  ASTM D 445   49
中和值   KOH mg/g  ASTM D 974   12.3
皂化值   KOH mg/g  ASTM D 94   36.2
总碱值   KOH mg/g  ISO 3771   8.9
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) 2.0％乳油
20℃下，新的制备的5％(体积比)乳液的pH值 ASTM E 70-90 8.4
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％)
环烷基础油(40℃下粘度为100cSt)     39.00
环烷基础油(40℃下粘度为22cSt)     36.0
自来水     0.5
石油磺酸盐     3.0
氨基乙基丙二醇(C3-C6)     0.3
磷酸三辛酯     3.0
三链烷醇胺(C2-C4)     1.0
5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸     0.7
乙氧基化壬基酚(5个氧化乙烷基团)     0.7
乙氧基化壬基酚(10个氧化乙烷基团)     2.4
链烷醇(*)油酸酯(C2-C12)     13.4
(*)：该链烷醇是甘油和季戊四醇的混合物
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。
这两个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：685mm
-金属典型宽幅：305mm
-最大速度：30m/min
-入口温度(锭料)：450℃
-锭料尺寸：305×610×1650mm
-最终厚度：25.4mm
-乳液体积：400l
-乳液温度：50℃
-乳液浓度：5％
采用如下步骤对每种油进行轧制测试：
1.先将AA5182型号的铸锭进行轻轻刮去表皮，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辊涂层(roll coating)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型铸锭采用如下的额定的道次设计轧制5个道次。轧制速度为18.3米/分钟。所有的道次轧制方向都是从东向西。在第一次的乳液测试时，记录下轧机跨(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.将中等长度的25mm厚的试样剪切为600mm长的试样，用于后面的阳极氧化处理。剩余两条放回炉中重新加热。
7.将第二块铸锭按照第5、6条所示进行同样处理。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.工作辊而后在已知区域通过碱液的提取进行取样，用于之后测量沉积在其上的铝的含量。
辊涂的测量可按照下述步骤进行。
1.将一普莱克希耐热有机玻璃、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(reservoir)。
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，辊涂层更好。
图1显示的是，施加于AA5182型铝合金上的轧制力(吨)与道次数量之间的关系。
可以看出，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％。
图2显示的是，施用的净轧制功率(总轧制功率减去轴损耗，kW)与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6.0％。
也对这两种乳液的压析性质(plate-out properties)进行测定。此处，一种乳液的压析性质被定义为从铝表面上的一种乳液中析出的油膜的性质。在铝表面上形成的油膜约越大，辊涂层的润滑性能和效果越好。
压析性质可按如下步骤测定。将一预热的铝板材浸没入一种乳液中持续给定的时间，然后放置成40°角度。在烘箱中干燥后，沉积的油量可以根据前后铝板材的重量差异计算出。
现有技术的乳液的值为650毫克/平方米，而本发明的乳液的值为1150毫克/平方米。因此，与现有技术的乳液相比，本发明乳液的压析性质的较高数值，反应出润滑性能更好。
一种乳液的淬火效果被定义为其散热能力。从铝表面向乳液进行的热传导取决于乳化剂体系和乳液的浓度。
因此，应该致力于获得尽可能高的蒸发温度从而改善热量的释放并因此获得更好的冷却效果。
现有技术的乳液和本发明乳液的蒸发温度的测定，可通过采用Mettler Toledo公司提供的METTLER FP-82HT HOT STAGE仪器进行测量。将一种含有油组合物的水乳液试样夹在玻璃板之间，玻璃板位于两台加热器中间，并保持两台加热器温度一致。试样的温度由遥控装置控制，乳液的运动则通过偏光显微镜或透射式电子显微镜观察。在某一特定温度下，乳液不再能维持油滴分散在水中的状态，而且乳液体系瞬间瓦解。由显微镜观测到的分散相的变化，被记录为体系的蒸发温度。
由此绘制蒸发温度对应于测试乳液油含量的关系图。图3显示的就是得到的相应的曲线。
从图3可知，对于6％油浓缩物浓度的乳液，本发明乳液的水相在130℃时蒸发，而现有技术乳液的水相在103℃时就蒸发了。因此，使用本发明的乳液，轧辊与冷却剂之间的蒸汽相明显减少了，使得热交换提高。
本发明的乳液，其蒸汽相的热导率和液相的焓更高。换句话说，在使用本发明乳液时，可以得到更好的冷却效果，因此油耗也更低。

Claims (18)

1.水溶性的铝和铝合金热轧油组合物，包含基础油料和基于该组合物总重的1-80％重量的下列混合物：
-脂肪酸与多元醇的单酯，和
-脂肪酸与季戊四醇的四酯；
所述组合物的单酯∶四酯的重量比为1∶20至10∶1。
2.根据权利要求1的水溶性油组合物，包含基于该组合物总重的0.1-20％的带有5-15个碳原子、优选12-15个碳原子的乙氧基化的醇的混合物。
3.根据权利要求1或2的水溶性油组合物，包含基于该组合物总重的3-30％重量的所述的混合物。
4.根据权利要求1至3中任一项的水溶性油组合物，其中所述的单酯与四酯的重量比为1∶10至5∶1。
5.根据权利要求1至4中任一项的水溶性油组合物，其中单酯的脂肪酸带有16-20个碳原子，且优选油酸。
6.根据权利要求1至5中任一项的水溶性油组合物，其中单酯的多元醇为甘油。
7.根据权利要求1至6中任一项的水溶性油组合物，其中四酯的脂肪酸带有16-20个碳原子，且优选油酸。
8.根据权利要求1至7中任一项的水溶性油组合物，还包含基于该组合物总重的1-30％的、优选5-20％重量的油酸。
9.根据权利要求8中的水溶性油组合物，还包含三链烷醇胺(C2-C4)、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结合。
10.根据权利要求1至9中任一项的水溶性油组合物，包含(基于该组合物总重的重量百分比)：
-0.1-1.0％的三烷基(C1-4)酚；
-0.5-4.0％的三烷基(C3-10)磷酸酯；
-1-4％的石油磺酸盐；
-0.1-10％的有机脂肪酸(C16-20)；
-0.1-0.5％的氨烷基(C2-4)链烷二醇(C2-5)；
-1-4％的三链烷醇(C2-4)胺；
-2-10％的单脂肪酸(C16-20)甘油酯；
-5-15％的四脂肪酸(C16-20)季戊四醇酯；
-0.5-1.0％的5-羰基4-己基2-环己烯1-辛酸；
-3-6％的乙氧基化醇(C5-15，含有2-10个CH2O基团)的混合物；
-0.05-0.4％的硅氧烷基聚合物；
-余量是环烷基润滑油基础油的混合物。
11.根据权利要求1至10中任一项的水溶性油组合物，其中基础油在40℃下的粘度在7-150cSt范围内，优选在40℃下为20-50cSt。
12.水包油型乳液，含有水和0.5-30％，优选1-15％体积比的根据权利要求1至11中任一项的水溶性油组合物。
13.制备根据权利要求1至11中任一项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。
14.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。
15.用于铝和铝合金板材的热轧方法，包括使用有效量的根据权利要求12的乳液。
16.根据权利要求15的热轧方法，其中轧制方法在可逆式热轧机上进行。
17.根据权利要求1至10中任一项的水溶性油组合物的用途，其用来制备用于铝和铝合金的热轧方法的乳液。
18.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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