水溶性鋁和鋁合金熱軋的組合物的製作方法

2023-06-22 17:30:36

專利名稱：水溶性鋁和鋁合金熱軋的組合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水溶性鋁和鋁合金的熱軋組合物，還涉及一種熱軋鋁和鋁合金的方法。
鋁和鋁合金的軋制工業對軋制金屬製造方法提出了生產效率最大化的需求。一般來說，這意味著需要更高的軋制速度和需要在每次換班(operating shift)時生產出更多的可出售的產品。另外，還需要為達到給定的壓下量最小化通過軋機的道次。這兩種途徑都要求不得有損於產品的質量和表面光潔度。
本發明因此提供一種用於熱軋機的油組合物，它可以滿足如下的客戶要求-較高的壓縮比在多數情況下都能實現一道壓縮；-與使用現有技術的油組合物獲得的軋制能力相比，具有更好的軋制能力(即更低的軋制力和減少軋制功率的消耗)；-改善軋制的表面光潔度；-更容易維護乳液更好的pH值控制、改善的氧化穩定性和耐細菌侵蝕；以及-更低的油耗。
本發明對於任何形式的熱軋都有效，不論可逆與否，在開坯軋機、串列式軋機還是在串列-橫列聯合式軋機上都適用。
特別地，本發明表現出了較大的壓下量和軋制能力，同時在高速軋制過程中可以提供優異的帶材表面光潔度。
現有技術並沒有教導本發明甚至未對本發明提出任何建議。
因此，本發明提供了一種水溶性鋁和鋁合金的熱軋油組合物，該油組合物包含一種基礎原料油和，基於該組合物總重的1-80％，優選1-30％重量的下述混合物·一種脂肪酸與多元醇的單酯，和
·一種脂肪酸與季戊四醇的四酯；所述組合物的單酯∶四酯的重量比為1∶20至10∶1，優選1∶10至5∶1。
根據一種實施方案，該油組合物還包括基於該組合物總重的0.1-20％的乙氧基化的醇(帶有5至15個碳原子，優選12至15個碳原子)的混合物。作為該混合物組成的實例，可以使用ICI公司出售的商品名為SynperonicA7和HypermerA60的乙氧基化醇混合物，SynperonicA7∶HypermerA60的重量比優選1∶10至10∶1。
根據另一種實施方案，該油組合物還包含基於該組合物總重的1-30％的、優選5-20％重量的油酸。游離的油酸被實際認為可以使鋁或鋁合金帶材獲得更好的表面光潔度。
本發明還提供了製備該油組合物的方法。
本發明還提供了含有該油組合物的乳液和製備該乳液的方法。
另外，本發明提供了本發明的油組合物在製備用於鋁或鋁合金熱軋過程的乳液的用途。
本發明還提供了一種熱軋鋁或鋁合金板材的方法，包括使用有效量的本發明的乳液。
最後，本發明提供了該乳液在熱軋過程中的用途。
本發明更多的詳細內容將在如下的說明書中、和相關的附圖中得以公開

圖1顯示的是，在分別使用現有技術的乳液和本發明的乳液的條件下，施加的軋制力和道次之間的關係圖。
圖2顯示的是，在分別使用現有技術的乳液和本發明的乳液的條件下，施加的淨軋制功率和道次之間的關係圖。
圖3顯示的是，現有技術的乳液和本發明的乳液的蒸發溫度對應於各自乳液中油含量的關係圖。
本發明的油組合物是純淨的油濃縮物，通常要在水中稀釋製成水包油型乳液。
基礎原料油可以是任意一種在熱軋過程中典型使用的油料。可以是鏈烷烴或是環烷烴。
石蠟族基礎油是由含有相對高的烷烴含量(高含量石蠟烴和異石蠟烴)的原油製備而來。典型的原油產自中東、北海、美國中部。其生產方法需要進行芳烴的去除(通常採用溶劑萃取)和脫蠟。石蠟族基礎油具有良好的粘度/溫度特性，即高粘度指數、合適的低溫性能以及良好的穩定性。它們通常稱作溶劑中性油，此處的溶劑是指基礎油經過溶劑精製，而中性是指該油的pH值呈現中性。可代替的方案是高粘度指數(HVI)基礎油，它們的粘度指數可以遍及所有的範圍，從輕質錠子油到重質高粘度潤滑油料。
環烷烴基礎油本身具有較低的傾點，不含蠟，具有優異的溶解能力。經過溶劑萃取和加氫處理可以減少多環芳烴的含量。
優選的基礎油是經過加氫處理的環烷烴油。
基礎油的粘度在40℃下典型為7至150釐沲(cSt)，優選40℃下粘度為20-50釐沲。
在單酯和四酯的混合物中，單酯的脂肪酸具有16至20個碳原子，優選油酸。單酯中的多元醇優選甘油。
四酯中的脂肪酸具有16至20個碳原子，優選油酸。
水溶性油組合物優選包含三鏈烷醇胺(C2-4)、優選三乙醇胺，其用量使得所有可結合的三鏈烷醇胺僅與部分油酸相結合。這種實施方案的目的是使油組合物中含有游離的油酸。
三鏈烷醇胺與油酸的反應物用作表面活性劑。
該油組合物還可以含有經典的添加劑，如表面活性劑、偶聯劑或助表面活性劑、減摩劑或潤滑劑、緩蝕劑或抗氧劑，極壓劑和抗摩蝕添加劑，殺細菌劑和殺真菌劑、消泡劑、防鏽劑。
不過，本發明的一項重要特性就是該油組合物、以及乳液，並不含有被認為會增加環境問題的壬基酚表面活性劑。
消泡劑的實例可以基於矽氧烷，特別是聚二甲基矽氧烷。
緩蝕劑的實例可以是受阻酚和二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)。
極壓劑和抗摩蝕添加劑的實例可以分別是磷酸二月桂基酯，亞磷酸雙十二烷基酯，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)二硫代磷酸鋅(ZDDP)，磷-硫化脂肪油，二烷基二硫代氨基甲酸鋅，硫醇基苯並噻唑，硫化脂肪油，硫化萜烯，硫化油酸，烷基和芳基多硫化物，硫化鯨蠟油，硫化礦物油，氯化硫處理過的脂肪油，黃原酸氯化石腦油酯(chlornaphta xanthane)，十六烷基氯化物，氯化石蠟油，氯化石蠟硫化物，氯化石蠟，和二烷基(或二芳基)二硫代磷酸鋅(ZDDP)，磷酸三甲苯酯(TCP)，磷酸三(二甲苯酯)(TXP)，磷酸二月桂基酯。
緩蝕劑或抗氧劑的實例可以是自由基捕獲劑如酚類抗氧劑(空間位阻的)，胺類抗氧劑，有機鋁鹽，氫過氧化物分解劑，丁基化羥基甲苯。
防鏽劑的實例可以是鏈烯基琥珀酸酐的胺衍生物。
基礎油和添加劑的更多組成元素可以參閱R.M.Mortier和S.T.Orszulic著作的「Chemistry And Technology of Lubricants」一書，由VCH Publishers出版，1992年第一次出版。
以下是本發明中水溶性油組合物含量的一個實例(所有的百分含量都是基於組合物總重的重量百分比)-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％的石油磺酸鹽；-0.1-10％的有機脂肪酸(C16-20)；-0.1-0.5％的氨烷基(C2-4)鏈烷二醇(C2-5)；-1-4％的三鏈烷醇(C2-4)胺；-2-10％的單脂肪酸(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-環己烯1-辛酸；-3-6％的乙氧基化醇類(C5-15，含有2-10個CH2O基團)-0.05-0.4％的矽氧烷基聚合物；-餘量可以是環烷基潤滑油基礎油的混合物。
該油組合物是由基礎油和其它組分，在攪拌或在任何混合設備下，同時優選溫度控制不超過50℃、更優選45℃下混合而成的。
水包油型乳液是將本發明的油組合物於水中在攪拌下稀釋而製備的。優選去離子水，並且使用前可加熱至35℃左右。
該乳液一般含有水和基於乳液總體積的0.5-30％的，優選1-20％體積的所述油組合物。
本發明應用的鋁合金可以是任何一種鋁合金，包括1000、2000、3000、5000、6000和7000系列。
熱軋法可以是經典的方法。軋制金屬的溫度通常在開坯軋機上為600-650℃左右，在串列式軋機上為400-450℃左右。
熱軋方法優選在開坯軋機上進行。本發明的水包油型組合物可以顯著減少道次的數目。用現有技術的常規乳液，道次典型為13道。而採用本發明的乳液，可以減少2個道次，這是一個顯著的改進。
下述的實施例說明了本發明，但並不限制本發明。如若不加以聲明，所有份數和比例都是基於重量的。
實施例組合物可由表1中的組分按照該表中顯示的次序混合製備而成。溫度維持在最高50℃，以保證各種組分完全溶解和均化，而不損及乳液的各種性質。
*C12-15醇的混合物-由ICI公司出售的商品名為SynperonicA7的產品0.6％
-由ICI公司出售的商品名為HypermerA60的環氧乙烷加成聚合物產品3.90％表1中組合物的特性列於表2之中。
乳液是將表1中的油組合物用預先加熱至35℃的去離子水進行攪拌稀釋而製備。所得到的乳液的特性如表3所示。
1)乳液的穩定性由如下步驟測定。在室溫下或在測試溫度下，將470ml的蒸餾水稱量於一個800ml的燒杯中。將一個50ml的帶有四個槳葉的攪拌器連接在攪拌馬達上，使槳葉距燒杯底部25mm。將一個50ml的滴液漏鬥置於燒杯中，使漏鬥口離燒杯壁15mm。啟動攪拌器進行攪拌，調節攪拌速度為1000rpm。然後將該試驗樣品加熱至35±1℃。將滴液漏鬥中的30ml的測試油開始滴加入燒杯，滴加速度控制在120±20秒內將全部的油都滴入水中。滴液完成之後繼續攪拌60秒，並同時保持試樣的溫度為35±1℃。再將得到的乳液倒入一個500ml的量筒內，並將之存放在室溫下持續20個小時。20小時之後，從刻度中讀出上層(黃色乳油+油)的體積百分比。
試驗測試先準備一個空白試樣，由現有技術的油組合物稀釋製備而成，該現有技術油組合物的成分如表4所示
(*)該鏈烷醇是甘油和季戊四醇的混合物製備兩個乳液，分別用去離子水稀釋本發明的油組合物及現有技術的油組合物。
這兩個乳液都在一臺工業測試軋機上進行試驗。軋制條件如下所示-軋機型號2high-電動機輸出功率45kW或67kW-輥身直徑760mm-輥身硬度58-61洛氏C硬度-金屬最大寬幅685mm-金屬典型寬幅305mm
-最大速度30m/min-入口溫度(錠料)450℃-錠料尺寸305×610×1650mm-最終厚度25.4mm-乳液體積400l-乳液溫度50℃-乳液濃度5％採用如下步驟對每種油進行軋制測試1.先將AA5182型號的鑄錠進行輕輕刮去表皮，用甲乙酮脫脂並加熱至454℃。
2.將軋輥用稀釋的氫氧化鈉清洗以去除軋輥上以前軋制時的輥塗層(roll coating)並漂洗乾淨。檢測漂洗水的殘餘鹼性。用表面光度儀測量軋輥表面的粗糙度。
3.用石英管加熱器將軋輥預加熱至77℃。
4.冷卻劑噴淋流量調整到200l/min，噴淋頭頂頂部的壓力為6.9×104牛頓/平方米(10psig)，噴淋頭底部的壓力為4.1×105牛頓/平方米(60psig)。
5.將一100釐米(4英寸)厚的AA5182型鑄錠採用如下的額定的道次設計軋制5個道次。軋制速度為18.3米/分鐘。所有的道次軋制方向都是從東向西。在第一次的乳液測試時，記錄下軋機跨(mill gap)的設定值，然後在測試剩餘乳液時仍重複使用同樣的跨度。在每道次上，這些設定的數值要比額定的所需軋後厚度低1.27mm。
額定的道次設計道次1 100mm-83mm道次2 83mm-65mm道次3 65mm-50mm道次4 50mm-37mm道次5 37mm-25mm6.將中等長度的25mm厚的試樣剪切為600mm長的試樣，用於後面的陽極氧化處理。剩餘兩條放回爐中重新加熱。
7.將第二塊鑄錠按照第5、6條所示進行同樣處理。將油濃縮物加入乳液以獲得7％的體積濃度。
8.從最初的鑄錠得到的兩樣條，在重新加熱後在18.3米/分鐘的軋制速度下進行軋制，採用如下額定的道次設計道次6 25mm-16mm道次7 16mm-9.5mm道次8 9.5mm-5mm9.在經過最後的道次後，每個軋制的試樣都經熱剪切後成為兩條600mm長的樣條。將這種金屬存放起來，隨後準備在軋制狀態下和陽極氧化條件下進行檢驗測試。在軋輥上刻畫的兩條標記線的間距，在樣條通過最後的道次後，可在樣條表面進行標記距離的測試，從而用於測算前滑。
10.工作輥而後在已知區域通過鹼液的提取進行取樣，用於之後測量沉積在其上的鋁的含量。
輥塗的測量可按照下述步驟進行。
1.將一普萊克希耐熱有機玻璃、裝有墊圈的夾具粘附並密封在上工作軋輥的中央。該夾具包括一個佔軋輥表面20.26平方釐米的容槽(reservoir)。
2.將15毫升1N濃度的氫氧化鈉注射入該容槽，並使之與軋輥表面的鋁輥塗層反應約5分鐘。
3.鹼性液體隨後從容槽中由注射器取出，置於一個採樣瓶中。
4.將兩次使用的各15毫升去離子水漂洗液由注射器提取出，並置於該採樣瓶中。
5.採樣中鋁的總含量將通過ICP進行測定。
6.輥塗的重量隨後可以計算出，並被表述成毫克鋁每平方釐米輥表面。
採用本發明的乳液與現有技術的乳液相比，輥塗層更好。
圖1顯示的是，施加於AA5182型鋁合金上的軋制力(噸)與道次數量之間的關係。
可以看出，使用本發明的乳液比現有技術的乳液平均改善效果達6.4％。
圖2顯示的是，施用的淨軋制功率(總軋制功率減去軸損耗，kW)與道次數量之間的關係圖。
使用本發明的乳液比現有技術的乳液平均改善效果達6.0％。
也對這兩種乳液的壓析性質(plate-out properties)進行測定。此處，一種乳液的壓析性質被定義為從鋁表面上的一種乳液中析出的油膜的性質。在鋁表面上形成的油膜約越大，輥塗層的潤滑性能和效果越好。
壓析性質可按如下步驟測定。將一預熱的鋁板材浸沒入一種乳液中持續給定的時間，然後放置成40°角度。在烘箱中乾燥後，沉積的油量可以根據前後鋁板材的重量差異計算出。
現有技術的乳液的值為650毫克/平方米，而本發明的乳液的值為1150毫克/平方米。因此，與現有技術的乳液相比，本發明乳液的壓析性質的較高數值，反應出潤滑性能更好。
一種乳液的淬火效果被定義為其散熱能力。從鋁表面向乳液進行的熱傳導取決於乳化劑體系和乳液的濃度。
因此，應該致力於獲得儘可能高的蒸發溫度從而改善熱量的釋放並因此獲得更好的冷卻效果。
現有技術的乳液和本發明乳液的蒸發溫度的測定，可通過採用Mettler Toledo公司提供的METTLER FP-82HT HOT STAGE儀器進行測量。將一種含有油組合物的水乳液試樣夾在玻璃板之間，玻璃板位於兩臺加熱器中間，並保持兩臺加熱器溫度一致。試樣的溫度由遙控裝置控制，乳液的運動則通過偏光顯微鏡或透射式電子顯微鏡觀察。在某一特定溫度下，乳液不再能維持油滴分散在水中的狀態，而且乳液體系瞬間瓦解。由顯微鏡觀測到的分散相的變化，被記錄為體系的蒸發溫度。
由此繪製蒸發溫度對應於測試乳液油含量的關係圖。圖3顯示的就是得到的相應的曲線。
從圖3可知，對於6％油濃縮物濃度的乳液，本發明乳液的水相在130℃時蒸發，而現有技術乳液的水相在103℃時就蒸發了。因此，使用本發明的乳液，軋輥與冷卻劑之間的蒸汽相明顯減少了，使得熱交換提高。
本發明的乳液，其蒸汽相的熱導率和液相的焓更高。換句話說，在使用本發明乳液時，可以得到更好的冷卻效果，因此油耗也更低。
權利要求
1.水溶性的鋁和鋁合金熱軋油組合物，包含基礎油料和基於該組合物總重的1-80％重量的下列混合物-脂肪酸與多元醇的單酯，和-脂肪酸與季戊四醇的四酯；所述組合物的單酯∶四酯的重量比為1∶20至10∶1。
2.根據權利要求1的水溶性油組合物，包含基於該組合物總重的0.1-20％的帶有5-15個碳原子、優選12-15個碳原子的乙氧基化的醇的混合物。
3.根據權利要求1或2的水溶性油組合物，包含基於該組合物總重的3-30％重量的所述的混合物。
4.根據權利要求1至3中任一項的水溶性油組合物，其中所述的單酯與四酯的重量比為1∶10至5∶1。
5.根據權利要求1至4中任一項的水溶性油組合物，其中單酯的脂肪酸帶有16-20個碳原子，且優選油酸。
6.根據權利要求1至5中任一項的水溶性油組合物，其中單酯的多元醇為甘油。
7.根據權利要求1至6中任一項的水溶性油組合物，其中四酯的脂肪酸帶有16-20個碳原子，且優選油酸。
8.根據權利要求1至7中任一項的水溶性油組合物，還包含基於該組合物總重的1-30％的、優選5-20％重量的油酸。
9.根據權利要求8中的水溶性油組合物，還包含三鏈烷醇胺(C2-C4)、優選三乙醇胺，其用量使得所有可結合的三鏈烷醇胺僅與部分油酸結合。
10.根據權利要求1至9中任一項的水溶性油組合物，包含(基於該組合物總重的重量百分比)-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％的石油磺酸鹽；-0.1-10％的有機脂肪酸(C16-20)；-0.1-0.5％的氨烷基(C2-4)鏈烷二醇(C2-5)；-1-4％的三鏈烷醇(C2-4)胺；-2-10％的單脂肪酸(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-環己烯1-辛酸；-3-6％的乙氧基化醇(C5-15，含有2-10個CH2O基團)的混合物；-0.05-0.4％的矽氧烷基聚合物；-餘量是環烷基潤滑油基礎油的混合物。
11.根據權利要求1至10中任一項的水溶性油組合物，其中基礎油在40℃下的粘度在7-150cSt範圍內，優選在40℃下為20-50cSt。
12.水包油型乳液，含有水和0.5-30％，優選1-15％體積比的根據權利要求1至11中任一項的水溶性油組合物。
13.製備根據權利要求1至11中任一項的水溶性油組合物的方法，包括在攪拌下或在任何混合設備下，將基礎油和其他組分混合。
14.根據權利要求12的水包油型乳液的製備方法，包括在攪拌下將油組合物稀釋於水中。
15.用於鋁和鋁合金板材的熱軋方法，包括使用有效量的根據權利要求12的乳液。
16.根據權利要求15的熱軋方法，其中軋制方法在可逆式熱軋機上進行。
17.根據權利要求1至10中任一項的水溶性油組合物的用途，其用來製備用於鋁和鋁合金的熱軋方法的乳液。
18.根據權利要求12的水包油型乳液在熱軋方法中的用途。
全文摘要
本發明涉及一種水溶性的鋁和鋁合金熱軋油混合物，包含基礎原料油和基於該組合物總重的1－80％重量的下列混合物脂肪酸與多元醇的單酯，和脂肪酸與季戊四醇的四酯；所述組合物的單酯∶四酯的重量比為1∶20至10∶1。本發明還涉及一種水包油乳液，一種熱軋方法和該水包油乳液在熱軋方法中的用途。
文檔編號C10M137/04GK1398293SQ01804598
公開日2003年2月19日 申請日期2001年2月7日 優先權日2000年2月8日
發明者F·普林斯, J－Y·克萊爾 申請人:美孚石油法國公司