В представленной статье рассматриваются условия работы подшипников жидкостного трения и роликовых подшипников прокатных станов. Рассмотрены основные свойства циркуляционного масла, необходимые для обеспечения безотказной работы этих узлов трения.

В представленной статье рассматриваются условия работы подшипников жидкостного трения и роликовых подшипников прокатных станов. Рассмотрены основные свойства циркуляционного масла, необходимые для обеспечения безотказной работы этих узлов трения. Освещены требования производителей прокатных станов, методики некоторых лабораторных тестов, лежащих в основе спецификаций DANIELI и SMS SIEMAG.

Автор Дмитрий Соболь,
            канд. техн. наук, технический специалист ООО «ТОТАЛ ВОСТОК»


ПРОКАТНЫЕ СТАНЫ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Прокатный стан – это совокупность оборудования, предназначенного для получения готового изделия пластической деформацией в процессе прокатки металлической заготовки между валками.

Прокатные станы предприятий черной металлургии работают в чрезвычайно влажной среде. В  централизованную систему смазки (ЦСС) подшипников жидкостного трения (ПЖТ) валков клетей попадает вода, применяемая для охлаждения металлической заготовки в процессе прокатки, а также конденсат, образующийся во время простоев производства. Охлаждение водой необходимо для снижения температуры заготовки, т. к. в процессе пластической деформации металла происходит интенсивное выделение энергии.

При этом вода негативно влияет на свойства циркуляционного масла системы смазки ПЖТ, образуя эмульсию воды в масле, эмульсию масла в воде и просто «свободную воду». Прежде всего наличие воды в масле приводит к возникновению коррозии на поверхностях металлических элементов системы, образованию оксида металла, который, в свою очередь, ускоряет деградацию циркуляционного масла, являясь катализатором окисления.

При постоянном присутствии воды процесс разложения интенсифицируется независимо от качества выбранного циркуляционного масла и интервалов замены смазочного материала. Все наиболее ответственные узлы клетей прокатного стана подвержены отрицательному влиянию загрязнения водой, включая шейки прокатных валков, роликовые подшипники.

Смазочный материал, в свою очередь, является конструктивно заложенным элементом, основные характеристики которого должны поддерживаться в строгом, установленном конструктором подшипникового узла в частности и системы в целом, диапазоне. От поддержания рабочих характеристик смазочного материала зависит работоспособность и надежность

ПЖТ опорных валков, следовательно, и всего прокатного стана в целом.


ЭМУЛЬСИИ

В процессе прокатки валки подвержены воздействию тысяч литров постоянно поступающей воды. Следовательно, в подшипники через уплотнения может постоянно поступать значительное количество воды. Интенсивное перемешивание воды и масла между собой приводит к образованию эмульсии. Эмульсия (от лат. emulgeo – «дою, выдаиваю») – дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой, в которой капли одной диспергированы в другой. Эмульсии состоят из несмешиваемых жидкостей. Например, молоко – одна из первых изученных эмульсий, в нем капельки жира распределены в водной среде.

Эмульсии низкой концентрации – неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии – структурированные системы.

Основные типы эмульсий:

• Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»).
• Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»).

Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот. Четыре ключевых элемента, необходимых для образования эмульсии в циркуляционном масле системы смазки ПЖТ: вода, масло, интенсивное перемешивание и эмульгатор.
Перемешивание приводит к переходу воды в дисперсную фазу, а масло служит дисперсной средой. Эмульгатор стабилизирует эмульсию и, как правило, представлен в малых концентрациях как поверхностно-активное вещество, находящееся на границе фаз вода-масло.

Как барьер он препятствует коалесценции (объединению капелек воды и нарушению эмульсии). Множество веществ, находящихся в циркуляционном масле, могут быть эмульгаторами: асфальтены – высокомолекулярные соединения, содержащие металлы, серу, азот, кислород; фенолы и другие циклические спирты; продукты коррозии и загрязнения, такие как осадки, глины, сульфиды и кальций.

Формирование эмульсии в циркуляционном масле ЦСС приводит к:

• Нарушению циркуляции смазочногомасла.
• Снижению эффективности системы фильтрации.
• Интенсификации процесса окислениямасла как результат образованию шлама.
• Снижению вязкости, а соответственнонесущей способности масляного клина – повышенному износу подшипников.
• Повышению вероятности размножения бактерий.
• Пенообразованию в результате попадания воздуха.
• Интенсификации процессов коррозии.
• Дестабилизации некоторых присадок в результате их гидролитической нестабильности (например, диалкил-дитиофосфата цинка, противоизносной и антиокислительной присадок), осаждению их на поверхностях шеек валков, работающих при высоких температурах.
• Адсорбции (за счет сил межмолекулярного взаимодействия), хемосорбции (химического взаимодействия) полярно активных присадок на металлических поверхностях.
• Как результат, наблюдается повышенный износ и преждевременный отказ различных пар трения, в том числе критичных для работоспособности прокатного стана.

ДЕЭМУЛЬГИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ЦИРКУЛЯЦИОННОГО МАСЛА

Существует множество технических решений, направленных на предотвращение попадания воды в ЦСС и образования эмульсии, но, так как присутствие воды неизбежно, циркуляционное масло ЦСС ПЖТ должно быстро и эффективно отделять воду и противостоять формированию эмульсии, т. е. обладать высоким уровнем деэмульгирующих свойств, противостоять окислению и связанному с ним резкому снижению показателей качества.

Деэмульгирующие свойства определяются применяемым при производстве базовым маслом, эффективностью пакета присадок (в т. ч. деэмульгаторов) и наличием загрязнений. Деэмульгаторы, специальные присадки направлены на нарушение эмульсии, т. е. объединение мелких капель в крупные, образование тем самым суспензии. В процессе коалесценции вода опускается на дно бака, где может  быть отобрана.
СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ЭМУЛЬСИЯМИ И СВОБОДНОЙ ВОДОЙ

Подшипники жидкостного трения (ПЖТ) начали применяться в прокатном оборудовании с 1930-х гг. В течение долгого времени проблема присутствия воды в масле решалась конструктивным путем. Прямые и обратные эмульсии вода-масло неустойчивы, поэтому простым отстаиванием циркуляционного масла в течение некоторого продолжительного времени вода может быть частично удалена.

С повышением температуры скорость отделения воды увеличивается. Установка двух одинаковых по объему масляных баков позволяет оператору переключиться на второй бак, с отстоявшимся маслом. При этом количество воды в масле рабочего бака должно регулярно отслеживаться с помощью стандартных тестов (титрованием по методу Карла Фишера). Повышение содержания воды выше 2 % служит

сигналом к переключению. Для ускорения отделения воды в баках предусматриваются системы подогрева, повышающие температуру масла выше рабочей. Однако температура масла должна внимательно отслеживаться, т. к. с ее повышением на каждые 10 °С после Т = 80 °С скорость окисления увеличивается приблизительно вдвое, во столько же сокращая срок службы смазочного материала.

Более эффективным решением может быть установка сепаратора. Сепарирование ускоряет отделение воды и загрязнений от масла, не удаляя их из системы. Вакуумный дегидратор предполагает нагрев масла до умеренной температуры и выпаривание воды при создании разряжения, т. е. вода удаляется, а нелетучие загрязнения остаются в системе.

Применение циркуляционного масла, способного отделять воду с высокой скоростью при рабочей температуре, решило бы проблему без соответствующих конструктивных усложнений системы в целом, повысив ее надежность. Применение второго масляного бака также стало бы излишним. Эта задача была
решена в начале 1990-х гг. с появлением так называемых «супердеэмульгирующих воду» масел, способных быстро отделять воду даже без подогрева, т. е. при рабочей температуре. За счет природных высоких деэмульгирующих и антиокислительных свойств интервал замены такого циркуляционного масла расширяется в два-три раза. В совокупности вышеперечисленные свойства приводят к сокращению потребления циркуляционного масла прокатным цехом.


СПЕЦИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ПРОКАТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПОДШИПНИКОВ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ (ПЖТ), SMS GROUP, MORGAN CONSTRUCTION COMPANY (MORGOIL BEARINGS), DANIELI

Как было указано выше, ПЖТ и роликовые подшипники являются наиболее ответственными узлами прокатного стана. Циркуляционные масла тщательно выбираются производителями прокатных станов, проверяются и заносятся в соответствующие списки. Бюллетени обновляются регулярно и предоставляются пользователям по требованию. Часто в таких бюллетенях можно видеть предостережения: «Поставщик смазочного материала должен осознавать ответственность за работоспособность оборудования. Смазочный материал должен быть совместим с применяемым на текущий момент и не привести к повреждению оборудования…».

Общей рекомендацией является то, что циркуляционное масло для ЦСС ПЖТ должно быть совместимо с ныне применяемым, соответствовать характеристикам, требуемым производителем оборудования, и приобретаться у надежных, всемирно известных производителей, таких как SHELL, TOTAL, MOBIL.

Morgan Construction Company установила два стандарта, разделяющие циркуляционные масла систем ПЖТ на стандартные (Standard Lubricant) и улучшенные («супердеэмульгирующие воду», Advanced Lubricant). Для оценки свойства деэмульгировать воду применяются стандартные и модифицированные тесты.

1. ASTM D 2711, деэмульгирующие свойства. Масло (405 мл) и вода (45 мл) помещаются в камеру, где перемешиваются лопатками ротора со скоростью 4500 об/мин в течение 5 мин. Для улучшенных циркуляционных масел тест проводится при температуре 52 °С вместо 82 °С, как для стандартных масел. Полученная смесь отстаивается 5 часов. Затем оценивают количество отделившейся воды. Ее должно
быть более 30 мл (строка 4 табл. 1).

2. ASTM D 1401, свойство отделять воду. Масло и вода помещаются в камеру в пропорции 40 мл и 40 мл и перемешиваются лопаткой. Температура выбирается от 52 до 82 °С. Оцени-вается промежуток времени, за который объем эмульсии снизится до 3 мл (строка 5 табл. 1).

В тесте ASTM D 2711 (модификация MORGOIL) для измерения динамической стойкости к эмульгированию масло постоянно циркулирует через камеру с ротором. Тест проводится в течение 30 мин. Эта методика наиболее близка к рабочим условиям. Интересно, что оценивается количество воды в масле (табл. 2) и количество масла в воде (т. е. эмульсия).

На сегодняшний день одну из лидирующих позиций занимают циркуляционные масла CORTIS MS производства компании TOTAL LUBRIFIANTS S. A. По результатам тестов на динамическую стойкость к эмульгированию ASTM D 2711 и способность отделять воду ASTM D 1401 CORTIS MS (табл. 2, 3) превосходят продукты других производителей. Упоминание продукта в технических бюллетенях производителей прокатного оборудования гарантирует, что продукт был протестирован.

Отзывы клиентов TOTAL, таких как ARCELOR MITTAL, подтверждают результаты лабораторных тестов на практике. Как результат, отмечены снижение затрат на ремонты и обслуживание оборудования, снижение издержек на приобретение смазочных материалов.

Далеко не все производители смазочных материалов указывают исчерпывающий перечень характеристик в паспорте. Дополнительно запросив результаты стандартных тестов у производителя циркуляционного масла, можно сравнить продукты и определить смазочный материал, выделяющийся по своим свойствам в лучшую сторону и наиболее подходящий соответствующему прокатному стану.

 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. – М.: Химия, 1984. – 592 с.
2. «Грег С., Синг К.» Адсорбция, удельная поверхность, пористость. – М.: Мир, 1984. – 310 с.
3. Химическая энциклопедия НИ «Большаяроссийская энциклопедия». – М.,1998.
4. Gregory J. Sedelmeier, «Managing Water Contamination to Maintain Effective Steel MillLubrication», Machinery lubrication № 7, 2008.
5. Classification of Lubricants DANIELI standard revision №001 REV-14.
6. SMS SIEMAG. MORGOIL–Lubricant Specification. Advanced Lubricant SN 180; Part 4; 07/2009.
7. SMS SIEMAG. MORGOIL–Lubricant Specification. Standard Lubricant SN 180; Part 3; 07/2009.