姚鈞耀 楊蘭

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

經(jīng)歷了改革開放以來的快速發(fā)展期，如今中國的鋁加工產(chǎn)業(yè)體系完備，體量龐大，增速可觀，消費旺盛。中國已連續(xù)多年保持全球最大鋁材生產(chǎn)國和消費國地位[1]。鋁材中鋁平軋產(chǎn)品（板、帶、箔）是重要的一部分，在國內(nèi)其產(chǎn)量可占到鋁材總產(chǎn)量的近40%，通常鋁板帶箔的生產(chǎn)都需要經(jīng)過冷軋軋制。據(jù)統(tǒng)計，2020年中國鋁板帶材產(chǎn)量1185萬t，比上年增長4.2%，約占全球鋁板帶總產(chǎn)量的45%；2020年中國鋁箔材產(chǎn)量415萬t，比上年增長3.8%，約占全球鋁箔總產(chǎn)量的65%[2]。

鋁材廣泛應用于建筑、包裝、電子電力、機械裝備、交通運輸、航空航天等領域，國內(nèi)鋁板帶箔的年消費總量近幾年已超過1000萬t。國內(nèi)鋁軋制行業(yè)經(jīng)過快速發(fā)展，裝備水平日趨先進，材料牌號不斷豐富，同時為了適應高質(zhì)量發(fā)展的需求，對軋制精度、板面質(zhì)量、生產(chǎn)效率等的要求也在逐步提升，這必然對鋁冷軋的潤滑工藝和潤滑介質(zhì)提出了更高的要求[3]。軋制油作為工藝潤滑介質(zhì)，在鋁板帶箔的冷軋過程中起到冷卻、潤滑、清洗的關(guān)鍵性作用，直接影響鋁材的表面質(zhì)量。不同的鋁合金材質(zhì)、軋制厚度、生產(chǎn)方式等對工藝潤滑的要求不盡相同，因此需要選用合適的軋制油。具有潤滑高功效、板面低污染，同時兼具穩(wěn)定性和環(huán)保性的鋁冷軋軋制油是當前的主要發(fā)展方向。

國內(nèi)鋁冷軋生產(chǎn)行業(yè)現(xiàn)狀

目前，我國的鋁板帶箔冷軋行業(yè)呈現(xiàn)出產(chǎn)量規(guī)模世界第一、技術(shù)裝備水平世界領先、產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展、龍頭企業(yè)不斷壯大等特點。

中國鋁平軋產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)已超過500家，超過世界其他國家同類企業(yè)的總和。截至2019年，中國在鋁板帶箔冷軋方面的總產(chǎn)能超過2200萬t/a，約占全球的50%以上[4]。但同時也暴露出產(chǎn)能全面過剩、同質(zhì)化競爭加劇的問題，這也在一定程度上制約了行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。在2018年之前的10年里，我國鋁板帶產(chǎn)量的年均復合增長率超過10%，但隨著國內(nèi)建筑、汽車等重點消費領域增長放緩，比如2018年全國汽車產(chǎn)量首次出現(xiàn)了下降，鋁材產(chǎn)量增速也開始放緩。受新冠疫情影響，全球經(jīng)濟大幅萎縮，國內(nèi)疫情已基本得到控制，預計未來兩年我國鋁板帶箔產(chǎn)量將保持小幅增長態(tài)勢。我國近五年的鋁板帶、鋁箔產(chǎn)量見表1[2]。

表1 近五年中國鋁板帶、鋁箔產(chǎn)量

中國的先進鋁冷軋裝備大部分是本世紀引進建設的，裝備水平國際領先，且數(shù)量全球最多。據(jù)不完全統(tǒng)計，已建成引進技術(shù)的鋁板帶冷連軋產(chǎn)線9條、CVC-6 plus六輥鋁帶單軋機近30臺，寬幅鋁箔專用軋機40臺以上，這些軋機設備大多數(shù)來自德國西馬克集團[5]。雖然先進的大型冷軋機（輥面寬度大于1800 mm）多數(shù)還依賴進口，但中小型冷軋機已可基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，且以中色科技、中國重工院、上海天重等為代表的國產(chǎn)裝備水平在不斷提高，與國際先進設備間的差距也在縮小。不過同時也應該看到，雖然國內(nèi)鋁冷軋行業(yè)規(guī)模龐大、裝備先進，但航空用鋁材等高端鋁平軋產(chǎn)品仍需要進口，這就要求進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，走更高質(zhì)量發(fā)展的道路，增長方式也需由要素驅(qū)動轉(zhuǎn)為創(chuàng)新驅(qū)動。

集群化已成為中國鋁材加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要特點，鋁板帶箔的冷軋生產(chǎn)作為其中重要一環(huán)參與整個產(chǎn)業(yè)布局。其分布主要呈現(xiàn)兩個特點：一是圍繞上游電解鋁生產(chǎn)布局，主要在山東、河南、內(nèi)蒙古等地；二是圍繞下游消費中心布局，主要是長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。在產(chǎn)業(yè)集群區(qū)，龍頭企業(yè)可帶領行業(yè)爬坡過坎、突破短板，在引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的作用不可或缺。由中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會評審出的2019年（第三屆）中國鋁板帶材十強企業(yè)和2018年（第三屆）中國鋁箔材十強企業(yè)見表2。產(chǎn)業(yè)集群帶動了地區(qū)內(nèi)中小企業(yè)的發(fā)展，但各企業(yè)間技術(shù)裝備、產(chǎn)品質(zhì)量、創(chuàng)新能力等均層次不齊，且易造成混亂的市場競爭，因此需加強上下游、企業(yè)間的合作，形成集約化的產(chǎn)業(yè)管理。

表2 中國鋁板帶材、箔材十強企業(yè)

鋁冷軋工藝潤滑劑現(xiàn)狀與發(fā)展

鋁板帶箔冷軋的工藝潤滑劑一般是純油型的軋制油，以軋制基礎油為主體，輔以適量的添加劑。按照鋁冷軋行業(yè)的現(xiàn)行特點，鋁軋制油所用的基礎油和添加劑通常是分開采購的，鋁材廠在生產(chǎn)時按比例添加使用。根據(jù)往年的用油需求量以及近幾年鋁材增產(chǎn)量估算，目前我國的年耗鋁冷軋基礎油約為10萬t，而添加劑用量約為冷軋基礎油的5% ～10%。

鋁冷軋基礎油

鋁冷軋基礎油是鋁板帶箔生產(chǎn)過程中的重要輔料，在軋制油中的比例占到90%以上，其對冷軋工藝以及鋁材成品質(zhì)量有重要影響。目前國內(nèi)的鋁冷軋基礎油主要選用的是采用加氫精制技術(shù)生產(chǎn)的輕質(zhì)白油，是由原油經(jīng)過常壓蒸餾、加氫精制、分餾切割而得的不同餾分的基礎油。其中，如果不飽和烴以及硫、氮等非烴類物質(zhì)的脫除程度越高，則基礎油的穩(wěn)定性能和清凈性能就越好[6]。優(yōu)良的鋁冷軋基礎油應當滿足低硫低芳烴、無毒低氣味、低黏度、高閃點、窄餾程等要求，同時還需具備良好的退火清凈性和氧化安定性。

最早開發(fā)鋁冷軋基礎油的是?？松梨诘葒馐凸荆洚a(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)更新到了第4代[7]。從開始的工業(yè)煤油到普通礦物油，再到正構(gòu)烷烴油，直至現(xiàn)在廣泛采用的深度加氫精制礦物油，如今的鋁冷軋基礎油其安全環(huán)保性、退火清凈性、軋制潤滑性、添加劑相溶性都有了很大提升。國內(nèi)于20世紀90年代開始，使用進口正構(gòu)烷烴基礎油應用于鋁材軋制。隨著國內(nèi)鋁加工業(yè)的發(fā)展和石油煉化技術(shù)的不斷進步，目前鋁冷軋基礎油已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，國內(nèi)的煉化企業(yè)以輕質(zhì)石蠟基原油為原料，生產(chǎn)高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的鋁冷軋基礎油，已占有了我國70%以上的市場。目前國內(nèi)鋁冷軋基礎油多為混合烷烴基礎油，一般包含70% ～80%的鏈烷烴和20% ～30%的環(huán)烷烴。鏈烷烴的氧化安定性好，油品黏度低，退火清凈性好，適于用作鋁冷軋基礎油；而混合一定比例的環(huán)烷烴，可以提高基礎油對添加劑的溶解能力，加大對金屬表面的黏附力，充分發(fā)揮添加劑的潤滑效果[8]。

鋁冷軋基礎油在應用時需根據(jù)軋機設備、所軋鋁材、生產(chǎn)工藝等因素做出差異化的選擇，油品的理化指標是評判其使用性能以及做出選擇的重要依據(jù)[9]。我國的石油化工行業(yè)標準NB/SH/T 0913—2015《輕質(zhì)白油》對相關(guān)系列油品的技術(shù)指標做出了要求，目前國內(nèi)的大多數(shù)煉化企業(yè)在生產(chǎn)可用作鋁冷軋基礎油的輕質(zhì)白油時也都遵照此標準執(zhí)行。該標準對油品的運動黏度、餾程、閃點、芳烴含量、硫含量等關(guān)鍵指標做出了規(guī)定，其中閉口閃點是區(qū)分基礎油牌號的直接依據(jù)，而其本質(zhì)則是根據(jù)不同的餾程和黏度進行的劃分。目前市場上應用較多的兩種典型基礎油牌號是W1-100和W1-80，它們的關(guān)鍵理化指標見表3。

表3 鋁冷軋基礎油關(guān)鍵技術(shù)指標

W1-100應用于鋁板帶生產(chǎn)，因加工過程中需要較大的油膜強度，故選用黏度相對大一些的基礎油。而W1-80應用在鋁箔生產(chǎn)上，由于鋁箔軋制速度較快，要求油品的揮發(fā)性能要好，因此選用的基礎油黏度低一些。當然，隨著板帶箔產(chǎn)品市場的不斷細分，鋁冷軋基礎油的選擇不局限于此，比如生產(chǎn)電子鋁箔可選擇介于兩者之間的W1-90基礎油，而生產(chǎn)硬合金系列產(chǎn)品則可使用油膜強度更高的W1-110基礎油。

此外，人們也在不斷探索和研制新型的鋁冷軋基礎油。據(jù)文獻報道[10]，有石化企業(yè)利用ISOSIV分子篩工藝裝置的生成油或產(chǎn)品為主要原料開發(fā)鋁冷軋基礎油，結(jié)果表明，雖然原料中的芳烴含量較高，但經(jīng)過餾分切割、高壓加氫后，也成功制得窄餾分、低芳烴的高檔鋁冷軋基礎油。還有的企業(yè)利用費托合成工藝生產(chǎn)的煤制油開發(fā)鋁冷軋基礎油[11]，該型基礎油具有高飽和度、高異構(gòu)化、低密度、不含硫、極低芳烴含量、低揮發(fā)性等特點。2014年開始，煤制工藝基礎油開始在鋁冷軋行業(yè)量產(chǎn)應用，取得了一定的業(yè)內(nèi)認可和市場份額，甚至有應用表明其具有降低油耗的作用，因此也有人將煤制合成油稱為新一代的鋁冷軋基礎油。

鋁冷軋?zhí)砑觿?/h3>

相對于鋁冷軋基礎油，國產(chǎn)化鋁冷軋?zhí)砑觿┑难邪l(fā)稍顯滯后，國外進口品牌仍占據(jù)了較大的市場份額，尤其是在大型的鋁加工生產(chǎn)企業(yè)中，在引進國外先進設備的同時，配套購買了進口的工藝潤滑用油。近年來，隨著國產(chǎn)化進程的推進，國內(nèi)不少潤滑油廠家也相繼推出了自己的鋁冷軋?zhí)砑觿┊a(chǎn)品，例如中國石化潤滑油有限公司的M0729系列鋁冷軋?zhí)砑觿┊a(chǎn)品，隨著國產(chǎn)化產(chǎn)品的應用和更新，目前也逐步得到了市場認可，尤其是在中小型鋁冷軋生產(chǎn)企業(yè)中占有了一定份額。

添加劑是提高軋制油性能最經(jīng)濟有效的途徑之一。由于鋁冷軋基礎油是非極性的石油餾分產(chǎn)品，僅依靠其自身提供的油膜附著能力無法滿足鋁冷軋所需的潤滑需求，所以必須添加一定量的極性添加劑，這樣不僅可以減少摩擦、降低磨損，而且可以提高油膜強度。

由于鋁材質(zhì)地相對偏軟，而且對退火表面質(zhì)量要求較高，因此鋁軋制油中通常只添加油性劑，而很少使用極壓劑，以避免引入易引起退火油斑的硫、磷等元素。對鋁軋工藝來講，常用的油性添加劑主要是能與金屬表面發(fā)生物理吸附的長鏈脂肪酸、脂肪醇和脂肪酸酯。由于他們的碳鏈長度和官能團極性各不相同，因此表現(xiàn)出不同的潤滑性能特點。對同一類添加劑，其碳鏈越長，潤滑性能越好，但碳鏈過長又容易產(chǎn)生退火油斑；而在碳鏈長度相同的情況下，減摩效果最好的是酸，但酸在退火時的污染亦最嚴重，要謹慎使用。此外，添加劑的碳鏈長度還應與基礎油中的鏈烴長度相匹配，以達到理想的適應性。鋁冷軋?zhí)砑觿┏Ｓ玫闹舅?、醇、酯三類物質(zhì)的主要特點比較[12]見表4。

表4 不同類型添加劑的特點

有研究學者[13]對此進行了理論研究，提出了鋁材軋制潤滑劑吸附自由能的求解方法，結(jié)果顯示在同系物中碳鏈較長者，吸附自由能也大，相應飽和吸附最小濃度小，與金屬之間的吸附強度也就越強。同時，其依據(jù)基團電負性和氫鍵作用原理，證實不同極性基團在金屬表面吸附強度的順序為：羧酸>醇>甲酯>乙酯>丁酯。

潤滑性和退火清凈性是鋁冷軋?zhí)砑觿┻x型上需要重點關(guān)注的兩個方面，在研發(fā)和選用過程中應當綜合考慮添加劑單體的極性和碳鏈長度。有研究表明，綜合效果較佳的添加劑單體是C12～C14脂肪醇及脂肪酸甲酯。

此外，鋁冷軋?zhí)砑觿┱咝秃闲桶l(fā)展，兩種或多種添加劑復合使用時會達到更佳的效果。例如冷軋板帶材多以醇酯型復合添加劑為主，兩者的有機組合能夠最大限度發(fā)揮醇、酯各自的潤滑特性，達到潤滑減磨效果最大化的目的，同時，醇和酯添加劑也具有較好的退火清凈性。但在醇酯型復合添加劑的實際使用過程中，醇和酯的消耗速率往往是不同的，鋁加工企業(yè)有時還需要根據(jù)各自軋機的工況來調(diào)整醇、酯比例。

區(qū)別于鋁板帶的加工特點，在鋁箔材軋制時，由于冷軋鋁箔基礎油的黏度比冷軋板材的要低，且軋制油用量相對較小，因此對添加劑的潤滑性能要求反而較高。另外，鋁箔軋制時的道次加工率較大，軋制壓力較高，所以對潤滑劑的油膜強度要求也較高。鑒于酯類具有較高的承載能力，故鋁箔用冷軋?zhí)砑觿┏Ｒ怎ヮ悶橹鳌?/p>

鋁冷軋軋制油的發(fā)展趨勢

在鋁冷軋基礎油方面，未來的主要發(fā)展方向是清潔和高效。清潔一方面要求更低的芳烴含量和氣味、對人體和環(huán)境友好，另一方面要求對板面的污染腐蝕更少、具有更好的退火清凈性。而高效不僅要求基礎油具有較高的油膜強度，適應高速、寬幅、連軋、硬質(zhì)合金的軋制生產(chǎn)需要，而且要求更低的使用成本和更低的油耗。

在鋁冷軋?zhí)砑觿┓矫?，隨著鋁材產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升，客戶對表面質(zhì)量也越發(fā)挑剔，對添加劑的性能要求也越來越高，未來發(fā)展的趨勢主要有以下幾個方面：更優(yōu)秀的摩擦學性能；更好的潤濕性能；更好的軋制承載能力；更佳的抗腐蝕性能；更優(yōu)良的退火清凈性。

結(jié)束語

中國的鋁冷軋行業(yè)在改革放開以來取得了長足的發(fā)展，規(guī)模已然是世界第一，應當充分發(fā)揮產(chǎn)能裝備優(yōu)勢，強化創(chuàng)新驅(qū)動，謀求高質(zhì)量的發(fā)展，并結(jié)合國家“一帶一路”等國際戰(zhàn)略，提高國際競爭力和品牌影響力。同時，隨著國內(nèi)鋁板帶箔產(chǎn)品應用領域不斷擴大，鋁軋配套產(chǎn)品的市場將會快速發(fā)展，市場容量會持續(xù)增長，并隨著板帶箔產(chǎn)品應用領域的細分，鋁冷軋基礎油及其添加劑會逐漸形成多規(guī)格、系列化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。