PL162975B1 - Lubricating agent for cold steel rolling and a method for cold rolling of steel - Google Patents

Abstract

1. Srodek smarowy do walcowania stali na zimno, znamienny tym, ze zawiera jeden lub kilka organicznych weglanów o ogólnym wzorze R O /C = O /O R ', którym R i R' moga byc takie same lub rózne i kazdy niezaleznie oznacza C6-C 3 0 liniowy lub rozgaleziony alkil, cykloalkil albo cykloalkilo-alkil, ewentualnie w mieszaninie z olejem m ineralnym w ilosci zapewniajacej kom - pozycji zdolnosc smarowa niezbedna w poszczególnych zastosowaniach. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest środek smarowany do walcowania stali na zimno i sposób walcowania stali na zimno.

Wybór płynu smarowego do walcowania stali, a zwłaszcza do procesów związanych z walcowaniem na zimno stał się problemem zasadniczym wraz z pojawieniem się walcarek o dużej prędkości walcowania. Istnieje wiele powodów aby wprowadzać płyn smarowy pomiędzy walcowany materiał i walce wytwarzające plastyczne odkształcenie (zmniejszenie tarcia, zmniejszenie zużycia, uzyskanie pożądanego wykończenia powierzchni i temu podobne) i wybór najodpowiedniejszego płynu smarowego w odniesieniu do tych czynników musi być starannie rozważony z uwzględnieniem stosowanego procesu, materiału walcowanego i pożądanego produktu.

Spośród płynów smarowych odpowiednich do tych procesów, obecnie najpowszechniej stosowane są tłuszcze naturalne i syntetyczne estry tłuszczowe, zarówno jak takie lub, korzystnie rozcieńczone w podstawie z oleju mineralnego. Takie smary stosuje się zarówno same, lub z dodatkiem odpowiedniej ilości emulgatorów w celu wytworzenia wodnych emulsji o różnym stężeniu.

Wodne emulsje stosuje się w przypadku kiedy głównym czynnikiem jest cel związany z obniżeniem temperatury, natomiast sam olej jeśli najważniejszy jest efekt smarowy lub jeśli obecność wody może stwarzać szczególne problemy korozyjne.

162 975

W wyborze odpowiedniego smaru do walcowania stali na zimno trzeba brać pod uwagę inny jeszcze czynnik niezwykle ważny z technicznego punktu widzenia, a mianowicie to, że smar nie może barwić produktu. Z tego względu, jeśli pożądany produkt po walcowaniu na zimno ma być wykończony z połyskiem lub jeśli ma być następnie powlekany, użyty smar po wysokotemperaturowym wyżarzaniu nie może pozostawiać żadnych pozostałości, które mogłyby uszkadzać lub niszczyć wygląd powierzchni.

Całkowite usunięcie oleju smarowego przed wyżarzaniem z zastosowaniem specjalnych metod czyszczenia czy odtłuszczania byłby tu dodatkowym etapem oczywistym, lecz wiąże się to ze wzrostem kosztów wytwarzania, a ponadto jeśli taśmę o zbyt czystej powierzchni poddaje się wysokotemperaturowemu wyżarzaniu sąsiadujące zwoje mogą przywierać do siebie.

W normalnej praktyce szuka się możliwości zmniejszenia tego problemu na tyle o ile jest to możliwe przez usuwanie nadmiaru smaru przez tarcie lub przy pomocy dysz powietrznych, pozostawiając następnie resztki smaru do odparowania bądź podczas przerwy w procesie bezpośrednio przed wyżarzaniem lub podczas początkowego okresu wyżarzania.

Ponieważ nigdy nie osiąga się kompletnego usunięcia smaru w ten sposób oczywistym staje się fakt dlaczego w ciągu ostatnich dwudziestu lat prowadzono liczne badania zmierzające do opracowania i doskonalenia płynów smarowych do zimnego walcowania stali, które bądź rozwiązałyby albo co najmniej w miarę możności zmniejszyłyby problem barwienia. Stąd tradycyjne oleje zwierzęce lub roślinne, takie jak olej łojowy czy palmowy ewentualnie zmieszane z olejem mineralnym zastąpione zostały przez mieszaniny oleju mineralnego z dodatkami syntetycznymi, a zwłaszcza z syntetycznymi estrami tłuszczowymi, co spowodowało zmniejszenie zjawiska.

Obecnie stwierdzono, że możliwe jest wytworzenie płynnego środka smarowego nadającego się do walcowania stali na zimno, który poza posiadaniem wszelkich typowych właściwości płynu do walcowania metalu, zdolny jest zminimalizować tworzenie się pozostałości węgla i osadów podczas następującego potem wyżarzania.

Przedmiotem wynalazku jest płynny środek smarowy do walcowania stali na zimno, który zawiera jeden lub kilka organicznych węglanów o wzorze RO/C = O/OR', w którym R i R' mogą być takie same lub różne i każdy niezależnie oznacza Ce - C30 liniowy lub rozgałęziony alkil, cykloalkil albo cykloalkiloalkil, ewentualnie w mieszaninie z olejem mineralnym, w ilości zapewniającej kompozycji zdolność smarową niezbędną w poszczególnym zastosowaniu.

W praktyce „ilość zapewniającą wyraża się w procentach wagowych w odniesieniu do całości kompozycji, przeważnie wynosi ona więcej niż 5% wagowych, korzystnie więcej niż 10% wagowych, a najkorzystniej więcej niż 15%.

W powyższym wzorze R i R' oznaczają liniowe lub rozgałęzione rodniki Ce - C30 alkilowe, cykloalkilowe lub cykloalkilo-alkilowe z pierwszorzędowym, drugorzędowym lub trzeciorzędowym rodnikowym atomem węgla.

Korzystnie R i R' oznaczają liniowy lub rozgałęziony rodnik Ce - C30 alkilowy, a bardziej korzystnie Cd - C20 liniowy lub rozgałęziony rodnik alkilowy.

Estry kwasu węglowego z wyższymi alifatycznymi lub cykloalifatycznymi alkoholami o wzorze RO/C = O/OR' są związkami znanymi i łatwo się je wytwarza bądź przez transestryfikację węglanów niższych alkoholi takich jak węglan dimetylowy lub dietylowy wyższymi alkoholami w obecności odpowiednich katalizatorów transestryfikacji, bądź w reakcji wyższych alkoholi lub mieszaniny, takich alkoholi z fosgenem w podwyższonej temperaturze, korzystnie w obecności organicznych lub nieorganicznych zasad.

Działanie smarowe estrów kwasu węglowego z wyższymi alkoholami znane jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 2 758 975, w którym zastrzega się odrębną kompozycję węglanów organicznych i trikrezylofosforanu, oraz z Europejskiego zgłoszenia patentowego nr 89709, które odnosi się do stosowania węglanów organicznych w formach smarów do silników z wewnętrznym spalaniem i/lub do maszyn przemysłowych.

Stwierdzono jednak, że charakterystyki smarowe tych organicznych węglanów mogą być wykorzystane w specyficznej dziedzinie smarowania w walcowaniu stali, które jak stwierdzono różni się w sposób zasadniczy od konwencjonalnego smarowania ze względu zarówno na wyłożoną

162 975 wyżej złożoność jak i występujący typ deformacji (plastycznej a nie jedynie elastycznej). Ponadto stwierdzono, że charakterystyki stabilności termicznej organicznych węglanów o wzorze RO/CO/OR'i ich lotność powodują że są one szczególnie przydatne jako środki smarowe do walcowania stali na zimno. Zwłaszcza wyniki analizy termograwimetrycznej wykazują, że organiczne węglany o wyżej wymienionym wzorze RO/CO/OR' mają dobrą stabilność cieplną w temperaturach występujących szczytowo podczas walcowania (250-270°C) i są w stanie całkowicie odparować w temperaturach o wiele niższych stosowane standardowo podczas wyżarzania (które typowo wynoszą 650 i 750°C). Związki te mają również specyficzną właściwość odparowywania bez nadmiernego rozkładu w stosunkowo wąskim zakresie temperatur.

Środek smarowy zawierający jeden lub kilka węglanów o wzorze RO/C = O/OR', ewentualnie zmieszany z podstawą z oleju mineralnego, która może być typu parafinowego, aromatycznego lub naftenowego może być z powodzeniem stosowany w pełni do walcowania na zimno każdego typu stali od stali normalnej niskowęglowej aż do stali nierdzewnych. Ponadto środek ten może być stosowany po dodaniu do niego odpowiedniej ilości środka emulgującego w celu wytworzenia mikroemulsji koncentratu olejowego lub małej ilości tego koncentratu z większą ilością wody w celu wytworzenia trwałej emulsji. Do wytwarzania takich emulsji lub mikroemulsji, które samo przez się jest znane, korzystne jest stosowanie mieszaniny jednego lub kilku węglanów o wzorze RO/C = O/OR' z olejem mineralnym zawierającej odpowiednie emulgatory w ilości wystarczającej do wytworzenia wodnej emulsji lub mikroemulsji o pożądanym stężeniu.

Do odpowiednich emulgatorów należą wszelkie normalne bezpopiołowe, niejonowe lub anionowe środki powierzchniowo czynne takie jak etery i estry polioksyetylenowe, a zwłaszcza etoksylowane alkilofenole takie jak sprzedawane przez Hoechsta pod fabryczną nazwą Emulsogen ® lub Sapogenat ®, albo przez Huls'a pod fabryczną nazwą Marlophen ®.

Olejowy koncentrat zawiera organiczny węglan o wzorze RO/C = O/OR' w ilości 5 do 65%, a korzystniej 10 do 50%.

Emulsja lub mikroemulsja mogą również zawierać inne konwencjonalne dodatki jak środki antykorozyjne, środki przeciwścierne i tym podobne znane w tej dziedzinie.

Na ogół stężenie fazy olejowej w wodzie zmienia się w zakresie 1 do 5%, a korzystnie 2 do 3%.

Korzystne jest zwłaszcza stosowanie środka według wynalazku w postaci emulsji lub mikroemulsji do smarowania stali walcowanej w szybkich czterowalcarkach lub walcarkach tandemowych, podczas gdy środek w postaci olejowej stosuje się korzystnie raczej do walcowania na zimno w walcarkach zwrotnych typu Sędzimira.

Następujące przykłady mają za zadanie bliższe zilustrowanie środka smarowego reprezentującego wynalazek i nie mogą być traktowane jako zawężające wynalazek.

Przykład I. Synteza estrów o wzorze RO/C = O/OR'.

Metoda ogólna.

Do syntezy służy trójszyjna kolba z płaszczem zasilanym od zewnątrz płynem do regulacji temperatury, przyłączona do kolumny destylacyjnej wypełnionej perforowanymi płytkami wyposażona w skraplacz i zaopatrzona w termometr i mieszadło magnetyczne.

Węglan niskowrzącego alkoholu (węglan dimetylowy) w stechniometrycznej ilości w stosunku do mieszaniny wysokowrzących alkoholi, to jest w ilości dwóch moli w stosunku do węglanu niskowrzącego alkoholu, a korzystnie w pewnym nadmiarze wraz z katalizatorem transestryfikacji w postaci organicznego lub nieorganicznego związku o charakterze silnej zasady umieszczono w kolbie. Reakcję prowadzono w neutralnej atmosferze, ogrzewając mieszaninę reakcyjną do wrzenia i usuwając tworzący się niskowrzący alkohol przez szczyt kolumny.

W pewnych przypadkach reakcję prowadzono w obecności neutralnego rozpuszczalnika zdolnego do tworzenia azeotropu z niskowrzącym alkoholem w celu ułatwienia jego usuwania drogą destylacji. Po zakończeniu reakcji katalizator można było usunąć (przez przemywanie wodą, przesączenie lub neutralizację), a produkt reakcji wydzielano przez oddestylowanie niepożądanych produktów ubocznych i nieprzereagowanego nadmiaru wyższego alkoholu.

W taki sposób wychodząc z następujących mieszanin wyższych alkoholi otrzymano odpowiednie mieszaniny organicznych węglanów o wzorze RO/C = O/OR', których ciężar cząsteczkowy podano w nawiasach:

162 975

A) mieszanina alkoholi izodecylowych (342,6);

B) alkohol n-decylowy (342,6);

C) 50% mieszanina rozgałęzionych C14 - C15 alkoholi (468);

D) mieszanina alkoholi izo-tridecylowych (50% wag.) i mieszanina alkoholi Ci2 - Ci 3 zawierająca 40% alkoholi liniowych i 60% alkoholi rozgałęzionych (50% wag.) (430,2 - średnio);

E) mieszanina C12 - C15 keto-alkoholi (442,0 - średnio).

Przykład II. Wytworzono środek składający się z 30% estru węglowego według przykładu I A w parafinowym oleju mineralnym o niskiej lepkości do stosowania jako olej do walcowania stali w walcarce zwrotnej Sędzimira.

Siłę smarowania tego środka w urządzeniu Almen-Wieland'a określono na 1850 kg, a siła ekstremalnego nacisku (EP) określona metodą czterech kul według ASTM. D-2783 wynosiła 400 daN, z maksymalnym ładunkiem bez zacięcia 80 daN.

Przykład III. Wytworzono środek składający się z 35% estru węglowego według przykładu IB w parafinowym oleju mineralnym o niskiej lepkości do stosowania jako olej do walcowania stali w walcarce zwrotnej Sędzimira.

Siłę smarowania tego środka w urządzeniu Almen-Wieland'a określono na 1500 kg, a siła ekstremalnego nacisku (EP) określona metodą czterech kul wynosiła 420 daN, z maksymalnym ładunkiem bez zacięcia 90 daN.

Przykład IV. Wytworzono środek w postaci przezroczystej mikroemulsji 2-3% fazy olejowej w wodzie, przy czym faza olejowa składała się z 35% estru węglowego według przykładu IC, 45% oleju parafinowego i 20% anionowego emulgatora klasy etoksylowanych alkilofenoli. Wytworzony środek użyto do walcowania stali na zimno w tamdemowych walcarkach.

Siłę smarowania tej emulsji w urządzeniu Almen-Wieland'a określono na 2750 kg, a siła ekstremalnego nacisku (EP) określona metodą czterech kul wynosiła 110 daN, z maksymalnym ładunkiem bez zacięcia 60daN.

Stopień czystości taśmy po walcowaniu w każdym przypadku przewyższał 90% (próba szkocka), a ilość pyłu węglowego po wyżarzaniu wynosiła średnio 2,5 mg/m².

Przykład V. Wytworzono środek w postaci mlecznej emulsji 2-3% fazy olejowej w wodzie, przy czym faza olejowa składała się z 45% estru węglowego według przykładu ID, 37% oleju parafinowego i 18% emulgatora jak w przykładzie IV. Wytworzony środek użyto do walcowania stali na zimno na szybkich czterowalcarkach.

Siłę smarowania tej emulsji w urządzeniu Almen-Wieland'a określono na 1950 kg, a siła ekstremalnego nacisku (EP) określona metodą czterech kul wynosiła 160 daN, z maksymalnym ładunkiem bez zacięcia 75 daN. Stopień czystości taśm po walcowaniu w każdym przypadku przewyższał 90% (próba szkocka) a ilość pyłu węglowego po wyżarzaniu wynosiła średnio 4 mg/m2. Skoncentrowany olej poddano analizie termograwimetrycznej przed użyciem do walcowania w celu zmierzenia strat wagi oleju jako funkcji temperatury określając przy tym zarówno szybkość jego odparowania jak i termiczną stabilność. W tym celu niewielką ilość oleju umieszczono w platynowym mikrotyglu, połączonym z wagą i ogrzewano z wstępnie zadaną szybkością w celu wykreślenia zmian ciężaru jako funkcji temperatury.

Podczas badania wyliczono pierwszą pochodną wykresu ciężar (temperatura i wykreślono jako wykres przedstawiający odparowanie substancji.

Termogram tego oleju przedstawia rysunek fig. la. Wykres ten wykazuje, że temperatura, przy której cały olej zanika (Ta) jest zdecydowanie nizsza niż temperatura wyżarzania stali (455°C wobec ogólnie stosowanej temperatury wyżarzania pomiędzy 650 i 730°C) i, że temperatura przy której występuje największa szybkość odparowania (Tb) jest o wiele wyższa niż szczyt temperatury występujący podczas walcowania (300°C wobec 250-270°C występującej podczas walcowania na zimno), a tym samym demonstruje dobrą stabilność termiczną wroboczych temperaturach estrów węglowych zawartych w emulsji.

Przykład VI. Stabilność termiczną mieszaniny węglanów według przykładu IE określono w analizie termograwimetrycznej, sposobem opisanym w poprzednim przykładzie.

Odpowiedni termogram przedstawia rysunek fig. lb. Tu również widać, że Ta (425°C) jest temperaturą o wiele niższą niż temperatura wyżarzania i że Tb (310°C), jest temperaturą o wiele wyższą niż szczytowa temperatura występująca podczas walcowania na zimno.

162 975

Przykład VII-VIII (porównanie).

Termiczną stabilność konwencjonalnych smarów stosowanych do walcowania określano w analizie termograwimetrycznej sposobem opisanym w przykładzie V.

Poszczególne użyte smary należały do klasy naturalnych estrów tłuszczowych, zwłaszcza był to olej łojowy i do klasy syntetycznych estrów tłuszczowych, zwłaszcza były to olejany. Odpowiednie termogramy przedstawiają rysunki fig. 2a i 2b.

Jak widać wartości Tb są niższe w obu przypadkach (205 i 220°C) niż szczytowe temperatury występujące przy walcowaniu na zimno, przy których mógłby wystąpić częściowy rozkład smaru podczas pracy. Jeśli chodzi o wartości Ta dla naturalnych estrów tłuszczowych (655°C) to faktycznie leży ona w zakresie temperatur wyżarzania, co wskazuje na możliwość znacznych osadów węgla, tworzących się na powierzchni materiału podczas przejść, natomiast dla syntetycznych estrów tłuszczowych jest ona wprawdzie nie wyższa (520°C) ale leżąca bardzo blisko temperatur konwencjonalnego wyżarzania.

Z porównania wykresów przedstawionych na rysunkach fig. la i lb z wykresami przedstawionymi na rysunkach fig. 2a i 2b widać, że w przypadku estrów węglowych występuje tylko jedno maksimum zróżniczkowanej krzywej szybkości i że jest to zakres bardzo wąski, podczas gdy w przypadku naturalnych lub syntetycznych estrów tłuszczowych występują dwa o większej szerokości.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Środek smarowy do walcowania stali na zimno, znamienny tym, że zawiera jeden lub kilka organicznych węglanów o ogólnym wzorze RO/C — O/OR', którym R i R' mogą być takie same lub różne i każdy niezależnie oznacza C6-C30 liniowy lub rozgałęziony alkil, cykloalkil albo cykloalkilo-alkil, ewentualnie w mieszaninie z olejem mineralnym w ilości zapewniającej kompozycji zdolność smarową niezbędną w poszczególnych zastosowaniach.
2. 2. Środek według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera organiczny węglan lub węglany o wzorze RO/C = O/OR' w ilości większej niż 5% wagowych.
3. 3. Środek według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera organiczny węglan lub węglany o wzorze RO/C — O/OR' w ilości większej niż 10% wagowych.
4. 4. Środek według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera organiczny węglan lub węglany o wzorze RO/C = O/OR' w ilości większej niż 15% wagowych.
5. 5. Środek według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera związek o wzorze RO/C — O/OR' w postaci emulsji lub mikroemulsji fazy olejowej, składającej się ponadto z oleju mineralnego z udziałem odpowiednich emulgatorów.
6. 6. Środek według zastrz. 1 lub 5 znamienny tym, że zawiera fazę olejową w ilości 1-5%.
7. 7. Środek według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera fazę olejową w ilości 2-3%.
8. 8. Sposób walcowania stali na zimno, znamienny tym, że do smarowania stosuje się smar zawierający jeden lub kilka węglanów organicznych o ogólnym wzorze RO/C — O/OR', w którym R i R' mogą być takie same lub różne i każdy niezależnie oznacza C6-C30 liniowy lub rozgałęziony alkil, cykloalkil albo cykloalkoli-alkil, ewentualnie w mieszaninie z olejem mineralnym w ilości zapewniającej kompozycji zdolność smarowania niezbędną w poszczególnych zastosowaniach.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że do smarowania stosuje się smar zawierający związek lub związki o wzorze RO/C — O/OR' w oleju mineralnym, w postaci oleju lub w postaci emulsji lub mikroemulsji w wodzie.