МАСЛО ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ И РЕДУКТОРОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
OIL FOR FILM-LUBRICATION BEARINGS AND REDUCING GEARS OF ROLLING MILLS

Изобретение относится к нефтехимии, в частности к составам масел, используемых в качестве рабочей жидкости в подшипниках жидкостного трения (ПЖТ) прокатных станов, а также к группе масел, используемых для смазки тяжелонагруженных передач.
Известны смазочные масла для ПЖТ прокатных станов по патенту РФ №1623186 С, МПК С10М 133/02, опубл. 30.09.1994 и универсальные масла для ПЖТ и редуктора по патенту РФ №1419145 С, МПК С10М 161/00, опубл. 30.10.1994, базовой жидкостью которых является нефтяное масло. Масла по этим патентам также включают в себя следующие ингредиенты:
1. 4-метил-2,6 дитрет.бутилфенол - присадка Агидол-1A.
Назначение: предохранять масло от окисления воздухом в течение длительного периода. Применяется в маслах, подверженных повышенной аэрации.
2. азотсодержащий блоксополимер окисей этилена и пропилена - деэмульгирующая присадка «Дипроксамин-157»;
3. полиметилсилоксановая жидкость - противопенная присадка ПМС-200А;
4. полиизобутилен (ПБ) - низкомолекулярный полимер с молекулярной массой ММ 9000-15000 для повышения вязкости;
5. полиметакрилат - для повышения индекса вязкости;
6. бензтриазол и октадециламин - антикоррозионные (защитные) вещества;
7. триарилфосфат - противозадирная присадка;
8. диалкилдитиофосфат цинка - противоизносная, антикоррозионная присадка;
9. сульфонат кальция - для улучшения фильтруемости.
Клейкий по природе ПБ изначально образует стойкие клейкие граничные эмульсии. Через определенное время эксплуатации под воздействием нагрузок ПБ постепенно разрушается. Испытания ультразвуком подтвердили слабую стойкость ПБ к деструкции. При сильном обводнении масла (в случае аварии на прокатном стане) разрушенные молекулы ПБ связывают водно-масляную эмульсию в стойкий гель.
Условия прокатки металлов изменились в последние годы. Возросли давления на валок и скорость прокатки, рабочие температуры масла, особенно при прокатке тонколистового металлического листа. Соответственно возросли и требования к маслам для ПЖТ. Изменившиеся условия привели к большим потерям масла, вытекающего через уплотнения ПЖТ. Масла стали быстрее окисляться, так как повышение скорости прокатки (частоты вращения опорного валка в ПЖТ) усилило насыщение масла воздухом. Увеличение давления на подкат (заготовка при прокатке листа) передается через цапфу валка на ПЖТ. Поэтому от современного прокатного масла требуется повышение несущей способности масляного клина в ПЖТ для предотвращения прямого воздействия цапфы валка на баббитовый вкладыш ПЖТ. Наибольшая опасность износа ПЖТ присутствует в момент разгона и остановки прокатного стана, когда вначале валок лежит на вкладыше и начинает «всплывать» на масляной пленке при разгоне или опускаться при остановке стана. Давление нагнетаемого масла до 700 атм поддерживает минимальную пленку масла. В работу вступает противоизносная присадка, создающая граничный тонкомолекулярный (плакирующий) слой между цапфой валка и вкладышем. Толщина масляной пленки во время прокатки составляет (20-60 мкм). Поэтому высокие требования предъявляются к чистоте масла от механических примесей.
По завершении прокатки на раскаленный лист льется для охлаждения вода или 1%-ный эмульсол на водной основе. Образующийся пар проникает в масло через уплотнения и образует водно-масляную эмульсию. Прокатное масло непрерывно циркулирует через ПЖТ и возвращается через дренаж и сливную магистраль в бак-отстойник, где вода должна быстро отделиться от масла. Присадки масла не должны образовывать с водой химических соединений (гидролиз присадок), так как кроме ослабления свойств масла за счет вымывания присадок, эмульсия масла становится химически агрессивной по отношению к баббиту вкладыша (происходит его крошение) и бронзовым уплотнениям ПЖТ. Эти соединения, включая природные примеси, засоряют масляные фильтры и сливную магистраль, что ведет к росту давления в ней и утечкам масла из ПЖТ до 6-ти объемов заполнения системы и баков за год. Конструкция ПЖТ не позволяет маслу вытекать из него при нормальном давлении в дренаже и сливной магистрали.
Антикоррозионным свойствам масла способствует его высокая очистка. Так называемые «черные масла», не прошедшие всего цикла очисток, изготавливаются с целью достижения дешевизны. При чистоте магистралей масляной системы это оборачивается коротким сроком службы масла во избежание вредного воздействия на баббит и бронзу, которое при продолжении эксплуатации приводит к поломкам ПЖТ и утечкам масла.
Импортные минеральные (нефтяные) масла для ПЖТ создаются из высокоочищенного базового масла. Сама очистка повышает индекс вязкости с 70-80 до 96-98. В масло добавляются антиокислительная, противоизносная, антикоррозионная, противопенная и деэмульгирующая присадки. Отличаются эти масла высоким сроком службы, экологичностью, низкими потерями на утечки. Уступают отечественным маслам по патенту РФ №1623186 и составу заявителя в несущей способности на 28% по результатам стендового испытания за счет отсутствия полимеров. Наиболее известные - масла компаний «Exxon-Mobil» Vacuolain-146, «SHELL» Vitrea M460, «SUNOCO» SUNVIS 800WR-460, «NESTE Oils» KIERTO-460R, «Esso» Umlaufoel M460.
Задача изобретения состоит в создании масла, повышающего несущую способность масляного клина в ПЖТ, что, в свою очередь, потенциально повышает производительность прокатного стана (за счет увеличения скорости прокатки) и качество тонколистового проката. Изобретение также обеспечивает универсальность масла без снижения свойств, повышение срока службы масла и экологичность производства.
2
Поставленная задача решается тем, что масло в качестве основы содержит компрессорное масло с индексом вязкости И.в. 90-92 и вязкостью кинематической при 100 градусах V100=21-25 мм/с, и линейный высокомолекулярный полимер (ЛВМП) с молекулярной массой ММ 75000-260000, а также функциональные присадки в мас.%:
- Противоизносная антифрикционная присадка АДТФ в количестве 0,4-1,3
- Антиоксидант Агидол-1A в количестве 0,8-1
- Многофункциональная присадка К-33 0,5-1,0
- Пеногаситель ПМС-200А 0,005.
В качестве такого ЛВМП может быть применен
а) сополимер этилена с пропиленом ММ 200000 в количестве 0,4-0,8 мас.% или б) стиролбутадиен ММ 75000 в количестве 1,5-1,8 мас.% или в) стиролизопрен ММ 150000 в количестве 0,6-1,2 мас.%.
Таких же свойств можно ожидать и от масла с ЛВМП иного химического состава в диапазоне ММ 75000-260000. Но, предварительно должно быть проведено испытание состава на прочность на УЗДН и на деэмульгацию.
Нелинейные ВМП, звездчатые, например, недостаточно прочны и ухудшают деэмульгацию.
Масло, названное ИТВ-460, может дополнительно содержать деэмульгирующую присадку Дипроксамин-157 в количестве 0,01-0,02 мас.%.
ВМП повышает индекс вязкости И.В. базового масла с 90-92 до 100 -120. Чем выше И.В., тем выше вязкость масла при нагреве, выше несущая способность масляной пленки между цапфой вала и втулкой подшипника, а также между зубьями передач.
Присадка АДТФ ТУ 38.1011005-84 (продукт взаимодействия диалкилдитиофосфорной кислоты и амина - 50%-ный раствор смеси аминной соли и амида диалкилдитиофосфорной кислоты в масле). Массовая доля азота не менее 2%, фосфора - не менее 3,3%. Ее требуется от 0,4 до 1,3% в зависимости от содержания активных элементов. Для определения конкретного % ввода присадки при производстве масла предварительно проверяются лабораторные образцы масла с нею на четырехшариковой машине трения (ЧШМ). Эта присадка не содержит металлов, в отличие от диалкилдитиофосфата цинка, не вымывается водой и не образует стойких граничных эмульсий.
Многофункциональная присадка К-33 ТУ 0257-113-400654552-00 - карбонатированный продукт взаимодействия алкилфенола с серой и гидроокисью кальция. Доля кальция - 10%, серы - 3%. Присадка обладает высокими нейтрализующими, моющими, диспергирующими, антиокислительными и противозадирными свойствами. Обязательная доля введения 0,15-0,5% повышает фильтрующие свойства масла, т.е. поддержание маслом приобретаемых в эксплуатации механических примесей в тонкодисперсном состоянии.
При доле 0,5-1,0% эта присадка повышает противозадирные свойства. Доля дополнительного применения присадки К-33 определяется по результату испытаний образца масла с присадкой АДТФ на ЧШМ. Присадка АДТФ может иметь нестабильные противозадирные свойства, что потребует усиления состава масла дополнительным введением присадки К-33. Но 0,5-1,0% присадки К-33 ухудшает деэмульгирующие свойства масла ИТВ-460. Поэтому она в таком количестве для усиления АДТФ вводится в партии, непосредственно предназначенные для использования в редукторе.
В применяемые отечественные и импортные редукторные масла вводятся противозадирные-противоизносные присадки на основе соединений серы (доля серы 18-42%) в объеме 3-5,5%. Эти присадки в соединении с водой образуют кислотные химические среды, разрушающие цветные металлы и сплавы. Они недопустимы в универсальном масле при единой системе смазки ПЖТ и редуктора прокатного стана. Присадки АДТФ и К-33 лишены этих недостатков.
Отечественная наука (авторы патентов РФ №1623186, 1419145 и разработчики ПЖТ) считала, что ЛВМП разрушаются под нагрузкой быстрее чем низкомолекулярные полимерные соединения, типа полиизобутилена. Но испытания на деструкцию с помощью ультразвука на установке УЗДН опровергли это утверждение. ЛВМП связывают своими молекулярными цепями длинные молекулы вязких базовых масел и удерживают их от выдавливания при нагрузке. Длинные молекулы углеводородов высоковязкого масла дополнительно демпфируют (защищают) каркас цепей ЛВМП от разрушения под нагрузкой. Образуется прочная конструкция. На контактирующих поверхностях под нагрузкой образуется «упругая прочная масляная пленка повышенной толщины». Этим объясняется высокая несущая способность масел с ЛВМП.
С короткими молекулами ПБ такой эффект не наблюдается и потому он подвержен сильной деструкции.
Наилучшие результаты на УЗДН показывают образцы масла с сополимером этилена с пропиленом или линейным стиролизопреном, в 9 раз лучшие, чем с ПБ и в 5-6 раз лучшие, чем с линейным стиролбутадиеном.
Подтвердилась прочность ЛВМП и в ходе промышленных испытаний состава. Ресурс масла с ЛВМП превысил ресурс масла с ПБ в 8-9 раз.
Наилучший в отношении баланса свойств (деэмульгация - несущая способность) показал состав с линейным ди-блок стиролизопреном. Молекула его представляет линейную цепь с боковыми цепочками. При полном расправлении «ствола» молекулы и боковых цепочек происходит их сцепление в особо прочный каркас, связывающий длинные молекулы высоковязкого масла.
Линейный стиролизопрен также придает маслу высокие деэмульгирующие свойства, что является неизвестным науке фактом, выявленным при испытании, и позволяет полностью отказаться от введения деэмульгирующей присадки. Так водная эмульсия масла на сополимере этилена с пропиленом с деэмульгатором разделялось полностью за 5-19 минут с образованием тонкой допустимой граничной эмульсии. Эмульсия масла на стиролбутадиене с деэмульгатором разделялась 30-35 мин. Эмульсия масла на линейном стиролизопрене без деэмульгатора разделилось за 1 минуту. Присадка Дипроксамин-157 является дорогой и дефицитной (основной потребитель - нефтедобыча, где она идет на отделение воды от нефти, добываемой выдавливанием нефти на поверхность закачиваемой в пласт горячей водой).
Время деэмульгации проверяется следующим способом: Отмеряется по 100 мл масла и дистиллированной воды в мерном стакане. Нагретые до 80°С масло и вода помещаются в сосуд, где они будут перемешиваться. Он помещается в водяную баню той же температуры. Масло с водой смешиваются миксером в эмульсию 5 мин. После смешения эмульсия переливается в мерный сосуд, помещаемый в водяную баню. Производится наблюдение за разделением эмульсии и замер времени.
Штатное масло И-460ПВ по патенту РФ №1623186 разделяется 20-40 мин, но в процессе эксплуатации это свойство постепенно утрачивается за счет вредного воздействия химических примесей малоочищенной базы масла. В воде под маслом после анализа через неделю образовались белесые комки и нити гидролизованных примесей и присадок, засоряющие фильтры и магистрали в работе.
В универсальное штатное масло ТНК ПЖТ-546 для ПЖТ и редуктора по патенту РФ №1419145 вместо ПБ введен полиметакрилат ПМА (Д), потому что нагрузки в передачах редуктора быстро разрушают ПБ. Это масло с более высокой очисткой базы.
ПМА (Д) повышает индекс вязкости, снижает температуру застывания масла, улучшает растворение других присадок, но слабо влияет на исходную вязкость базового масла при 40°С, не придает маслу упругость, ухудшает деэмульгацию (разделение составило 120 мин), выпадает в осадок при хранении. После разделения эмульсии через двое суток образовался стойкий граничный белесый слой гидратированных присадок. Это универсальное масло оказалось для ПЖТ хуже специализированного. Масло ТНК ПЖТ-546 имеет те же утечки, что и масло И-460ПВ, в 6 раз превышающие полный объем заливки масла в бак и системы стана. (Череповецкий металлургический комбинат).
Масло ИТВ-460 на стиролбутадиене и линейном ди-блок стиролизопрене не дают тонкой эмульсионной прослойки на границе сред масло-вода после их разделения на протяжении всего периода эксплуатации.
Ресурс масла поднялся с 3-6 месяцев (И-460ПВ) до 22-24 (ИТВ-460) - опыт эксплуатации на стане горячей прокатки алюминия Кватро-2800 Корпорации ALCOA.
Утечки масла сокращаются от 600% (годовой расход на долив) до 6% к объему первоначальной заливки. В масле ИТВ-460 нет примесей, выпадающих в осадок, нет и причин для засора слива. Но необходима одноразовая предварительная промывка сливной магистрали после штатных масел.
При периодической промывке сливной магистрали и продолжении эксплуатации штатных масел выявляется их низкий ресурс. Потери временно снижаются на два года, пока сильно не засорится сливная магистраль.
Выводы: Заявленный состав масла обладает новым положительным свойством - длительной высокой несущей способностью за счет высокой очистки базового масла, использования стойких линейных высокомолекулярных полимеров и функциональных присадок. Он исключает все недостатки предшествующих аналогов: низкий ресурс, образование примесей, старящих масло, вызывающих коррозию металлов и сплавов оборудования и засоряющих слив, что ведет к утечкам масла.