軋制工藝乳化液的行為及作用機理的基礎研究.pdf

1、乳化液以其優(yōu)異的潤滑及冷卻性能被廣泛應用于機械、金屬材料加工等領域，在軋制過程中采用乳化液進行潤滑及冷卻能夠有效降低軋制力、減小摩擦、控制磨損、改善軋材的表面質量及機械性能，對軋制生產過程節(jié)能降耗、提高產品質量具有重要意義。金屬軋制工藝一般采用水包油型（O/W）乳化液作為介質，通過將其噴射在軋制入口區(qū)并隨著軋制過程帶入變形區(qū)起到潤滑及傳熱作用；乳化液在金屬表面上的吸附成膜過程（Plate-out）以及噴射前的穩(wěn)定性能對軋制變形區(qū)潤滑及傳

2、熱效果的發(fā)揮至關重要，這些不僅與乳化液的組成成分有關，同時也受軋制工藝參數的影響。為了對軋制工藝潤滑及傳熱過程進行調節(jié)和控制，從而降低軋制能耗、提高產品質量，有必要針對軋制過程中乳化液的行為及變化規(guī)律開展研究，以期為乳化液成分優(yōu)化及軋制工藝控制提供指導。
　　本文以非離子型表面活性劑制備的水包油型乳化液為研究對象，采用實驗、介觀/分子模擬和模型計算相結合的方法，以乳化液在軋制過程中的潤滑及傳熱為核心，結合乳化液的穩(wěn)定性及“Plat

3、e-out”性能，系統(tǒng)研究了乳化液在軋制過程中的行為及作用機理，為乳化液成分設計以及軋制工藝過程優(yōu)化提供理論依據。具體研究結果如下：
　?、俨捎渺o置實驗及耗散粒子動力學方法對乳化液的穩(wěn)定性能進行了研究，獲得了穩(wěn)定性能與乳化劑HLB值、濃度、機械攪拌強度、攪拌時間之間的關系，分析了油水界面膜特性對乳化液穩(wěn)定性的作用機理。當非離子型乳化劑HLB值為13，濃度為1.6％時，制備得到的乳化液最穩(wěn)定。油水界面膜厚度隨著乳化劑HLB值的增大而

4、增大，但乳化液的穩(wěn)定性與界面膜厚度之間并非線性關系，當界面張力最低時乳化液最穩(wěn)定；油滴粒徑隨著HLB值增大而增大，這與乳化劑的分子結構以及親水基團與親油基團的體積比有關。
　?、趯θ榛骸癙late-out”性能進行了研究，提出了一種彈性控制乳化液“Plate-out”性能的方法，即在乳化液制備過程中添加短鏈醇類添加劑（丙三醇、1,2-丙二醇、乙二醇、正丙醇），作用于油滴在金屬表面的“Plate-out”行為，從而影響其“Plat

5、e-out”性能。采用分子動力學方法構建添加劑分子的吸附模型以及“Plate-out”多層吸附構型，研究了添加劑分子在“Plate-out”過程中的行為及作用機理；發(fā)現添加醇類添加劑的乳化液“Plate-out”油膜量大小遵循如下規(guī)律：丙三醇-丙二醇乙二醇正丙醇，但該規(guī)律與添加劑分子在金屬表面的吸附能大小及制備的乳化液油滴粒徑分布之間沒有必然聯系。通過對“Plate-out”多層吸附膜的分子動力學模擬發(fā)現：添加劑分子是通過影響油滴在吸附

6、油膜上的再吸附過程對“Plate-out”性能產生作用，這與油相成分在添加劑體系中的均方根位移以及添加劑分子間的內聚能計算結果相一致。
　?、刍谖⑼贵w扁平化理論及平均流動模型，建立了軋制變形區(qū)混合潤滑模型，并通過該模型對不同軋制條件下的界面潤滑特性（軋制力、流體壓力分布，真實接觸面積、油膜厚度變化）進行了計算分析。結果表明：表面粗糙度、軋制速度、潤滑劑粘度的增大均有利于提高軋輥與軋件接觸界面的油膜厚度、降低界面真實接觸面積，但對

7、軋制力分布特征沒有明顯影響；而壓下率的提高不僅提高了真實接觸面積、降低了油膜厚度，而且增大了軋制力。
　?、芑谙拗茖蛹羟心Ｐ蛷姆肿映叨妊芯苛藵櫥瑒┰诩羟羞^程中的行為以及對正壓力、摩擦力和摩擦系數的影響。結果表明：限制層間壓力的提高有利于將剪切動量從墻面向潤滑膜中間區(qū)域傳遞，雖然油膜壓力的提升了層間摩擦力，但可以有效地降低摩擦系數。穩(wěn)定的層狀吸附結構一般出現在距離墻面3nm內，當油膜厚度超過6nm時，中間區(qū)域將表現出潤滑劑液相特性

8、；油膜厚度與摩擦系數之間存在一個臨界值厚度，只有當實際油膜厚度時，摩擦系數隨膜厚的增大而逐漸減小。剪切速度的提高有利于增大正壓力，降低摩擦系數；溫度的升高不僅提高了正壓力，同時還降低了吸附膜的固化程度和剪切力，從而有效降低了摩擦系數。油水混勻體系潤滑膜潤滑過程中，油相傾向于吸附在壁面而水則傾向于聚集在中間區(qū)域；含水油膜比純油潤滑更能降低摩擦力，當油水體積比為1:1時，摩擦系數達到最低。
　?、轂榱丝紤]變形區(qū)內部任意點的微凸體扁平化

9、及油膜厚度變化對界面?zhèn)鳠徇^程的影響，將本文建立的混合潤滑模型引入界面?zhèn)鳠崮Ｐ?，對軋制變形區(qū)的界面?zhèn)鳠嵯禂导捌渥兓卣鬟M行了計算分析。結果表明：微凸體界面?zhèn)鳠嵯禂捣植即嬖趦蓚€峰值，一個出現在入口區(qū)，另一個出現在中性面位置；越接近出口處，潤滑油傳熱系數越高，當潤滑油導熱系數較高時，其傳熱系數甚至超過微凸體接觸傳熱系數；在考慮金屬表面氧化層熱阻時，界面?zhèn)鳠嵯禂祵⒁詳盗考壋潭冉档?；變形區(qū)內部界面?zhèn)鳠嵯禂捣植伎梢詣澐譃槿齻€變化區(qū)間，其變化趨勢主要