軋制工藝乳化液的行為及作用機(jī)理的基礎(chǔ)研究.pdf

1、乳化液以其優(yōu)異的潤滑及冷卻性能被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、金屬材料加工等領(lǐng)域，在軋制過程中采用乳化液進(jìn)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(zhì)量及機(jī)械性能，對(duì)軋制生產(chǎn)過程節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)，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(duì)軋制變形區(qū)潤滑及傳

2、熱效果的發(fā)揮至關(guān)重要，這些不僅與乳化液的組成成分有關(guān)，同時(shí)也受軋制工藝參數(shù)的影響。為了對(duì)軋制工藝潤滑及傳熱過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而降低軋制能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量，有必要針對(duì)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(dǎo)。
　　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(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)、介觀/分子模擬和模型計(jì)算相結(jié)合的方法，以乳化液在軋制過程中的潤滑及傳熱為核心，結(jié)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(jī)理，為乳化液成分設(shè)計(jì)以及軋制工藝過程優(yōu)化提供理論依據(jù)。具體研究結(jié)果如下：
　　①采用靜置實(shí)驗(yàn)及耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)乳化液的穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究，獲得了穩(wěn)定性能與乳化劑HLB值、濃度、機(jī)械攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間之間的關(guān)系，分析了油水界面膜特性對(duì)乳化液穩(wěn)定性的作用機(jī)理。當(dāng)非離子型乳化劑HLB值為13，濃度為1.6％時(shí)，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(guān)系，當(dāng)界面張力最低時(shí)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(jié)構(gòu)以及親水基團(tuán)與親油基團(tuán)的體積比有關(guān)。
　?、趯?duì)乳化液“Plate-out”性能進(jìn)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(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建添加劑分子的吸附模型以及“Plate-out”多層吸附構(gòu)型，研究了添加劑分子在“Plate-out”過程中的行為及作用機(jī)理；發(fā)現(xiàn)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(lián)系。通過對(duì)“Plate-out”多層吸附膜的分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)：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(duì)“Plate-out”性能產(chǎn)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(nèi)聚能計(jì)算結(jié)果相一致。
　?、刍谖⑼贵w扁平化理論及平均流動(dòng)模型，建立了軋制變形區(qū)混合潤滑模型，并通過該模型對(duì)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(shí)接觸面積、油膜厚度變化）進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)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(shí)接觸面積，但對(duì)

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(shí)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(duì)正壓力、摩擦力和摩擦系數(shù)的影響。結(jié)果表明：限制層間壓力的提高有利于將剪切動(dòng)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(shù)。穩(wěn)定的層狀吸附結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在距離墻面3nm內(nèi)，當(dāng)油膜厚度超過6nm時(shí)，中間區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)出潤滑劑液相特性

8、；油膜厚度與摩擦系數(shù)之間存在一個(gè)臨界值厚度，只有當(dāng)實(shí)際油膜厚度時(shí)，摩擦系數(shù)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(shù)；溫度的升高不僅提高了正壓力，同時(shí)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(shù)。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(dāng)油水體積比為1:1時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最低。
　?、轂榱丝紤]變形區(qū)內(nèi)部任意點(diǎn)的微凸體扁平化

9、及油膜厚度變化對(duì)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停瑢?duì)軋制變形區(qū)的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及其變化特征進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明：微凸體界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布存在兩個(gè)峰值，一個(gè)出現(xiàn)在入口區(qū)，另一個(gè)出現(xiàn)在中性面位置；越接近出口處，潤滑油傳熱系數(shù)越高，當(dāng)潤滑油導(dǎo)熱系數(shù)較高時(shí)，其傳熱系數(shù)甚至超過微凸體接觸傳熱系數(shù)；在考慮金屬表面氧化層熱阻時(shí)，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將以數(shù)量級(jí)程度降低；變形區(qū)內(nèi)部界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布可以劃分為三個(gè)變化區(qū)間，其變化趨勢主要