連續鑄造潤滑劑的發展

2004-04-05

早期天然的物質如油菜子油提供作為工業上高溫運作的潤滑用油。這方面的成功應用經驗被廣為認可，所以相關業者在研發方面都著重於操作技術的提昇，而對於潤滑劑的替代品並無多大的進展。

過去大部分歐美國家油菜子油的供應量足以自足，隨著食品工業的使用成長，及法令油酸含量限制在5%以下(雖然通常是1-2%)，供需情況日益緊迫。連續鑄造工業用的油菜子油規範也較過去有更大的起伏變化，各種產品級數的選擇控制不易，且對於效能的監控評估也大受影響。事實上油酸變動的幅度達1-50%之間，當然這種狀況對於連續鑄潤滑的應用大為不利。

另外影響油菜子油作為連續鑄造潤滑的因素是油菜子油有下列幾項缺點：
●油煙
●模具積碳
●低溫貯存的結晶生成
●流動性問題
●安全衛生問題

上述的困擾造成了貯存及應用上的不便，使得業界開始正視這問題的改善。除了要求潤滑劑能適合各種運作條件之外，更須考慮到種類日增的合金材料鑄件對潤滑劑更高的效能要求。為了克服這些困難並改善品質及生產效率，替代性潤滑劑的研發更具其迫切的必要性。

潤滑劑的要求特性
研發新的油品之前先要暸解連續鑄造油品的基本要求重點：
●物理特性：考慮貯運的方便性，流動點及粘度是主要的參考系數，而閃火點在這高達1500℃的鋼鐵接觸溫度的應用上，則非嚴苛要求的地方。
●濕潤性：這是選用適當潤滑劑時的重要指標。當潤滑劑和液狀並逐漸凝固的鋼鐵接觸時，濕潤性有著極大的影響。
●熱交換：油品在高溫熱交換時的蒸發，熱裂解狀況影響火花、油煙、濕潤性及積碳的形成甚鉅。
●積碳形成：在潤滑和積碳兩方面的控制要求時，均勻平順的積碳層及積碳量的多寡是重要的因素。

替代性油品：選擇可能替代油菜子油的油品
在研發可能的替代性潤滑劑時，礦油、合成油及礦油加上合成基添加劑的產品都是選擇的對象。純合成油因成本的關係，不具有真正開發的條件。礦物系油品因此成為開發的重點，同時也嘗試選用加上合成基及添加劑技術的產品，觀察其成效。

在過濾了多項可能的油品配方後，中等粘度的高精煉石臘系油品成了最佳首選，這類油品具有：優異的氧化安定性、高溫熱裂化安定性、確保低溫運作的低流動點及高比熱和熱導率，以保証初期接觸時最大的熱傳效率。

初步的結果
早期著重在低碳合金鋼材的替代使用，其表面品質、金屬結構、油煙及流動性都能達到滿意的使用效果，而成本則是大幅的降低。進一步將深入的研究在高合金的連續鑄造過程中，礦物系潤滑劑的適用性和對品質控制上的影響。

改善方案探討
由研發的經驗得知，高合金的連鑄的確對潤滑劑要求較嚴苛，尤其是油品對於模具和凝固鋼材的長效濕潤性是最主要的考量。礦物油在高合金連鑄熱交換階段的濕潤性有負面的影響，如果可改善熱交換時的濕潤效果則有助於形成一平順的均勻碳層。

基於這個理由所以使用含酯類的物質可改善潤滑劑的效用，油菜子油係酯類之一，被用來以不同的比例摻配於礦油中。其中某些最佳的成分組合明確的証實這方面的理論。但是油菜子油在應用上原有的缺點仍舊存在，所以這種以比例方式摻配油菜子油於礦物油中的研究並不是可行的問題解決方案。

對於其它極端溫度狀況如平板熱軋的潤滑，這些實驗同樣有參考的價值。雖然這些操作狀況的物理特性和扁鋼胚的連鑄全然不同，但從潤滑角度而言，仍有相似點存在。因為在這兩種的狀況下，潤滑劑都必須有效的濕潤高熱的金屬表層，再經熱轉化形成碳層而最終被清除乾淨。其它特性如貯存泵送能力也同樣有特別的要求。

從品質的觀點來看，潤滑劑對於金屬表面品質所造成的影響是最常被提及的問題，這些問題當中，針孔是多數生產主管最頭痛的。許多因素都可能導致針孔的發生，要証明潤滑劑是主要的禍源尚是十分困難的。另外，含氧的氣體如一氧化碳、二氧化碳，甚至是氫氣都被認為是可能的禍源。所以在鑄造相關過程中克服上述問題的技術運是最常見的，尤其對鋁材的製程上運用更為廣泛。

對潤滑劑而言，儘量降低配方中可能產生氧氣的化學物質，有助於控制針孔現象，同時這樣的組分配方調整又不能影響到潤滑劑其它的特性。實驗室的研發選用油菜子油、礦油和含有合成基的礦油以氮封在1000℃以下作熱分解，從而分析其產生的氣體內容。分析氣體的內容結果顯示，礦油和含合成基的礦油之間大部分的氣體含量相當接近，唯一氧化碳及二氧化碳的含量在合成基的礦油中含量稍高。比較油菜子油和礦油系之間的氣體差異，油菜子油中產生氣體的一氧化碳及二氧化碳明顯偏高，是礦油系和合成基礦油系的4—20倍，而H2及CH4就僅為礦油系的一半而已。

新產品的效能
根據上述研究結果為基礎，得以配製一個含合成基的配方，除了可以抑制含氧及含碳氣體，並加上添加劑以助均勻碳層的形成。這項新配方試用於不同類型的貯存、應用、操作、設備或鋼材上，其效能至少都和油菜子油的效果相當。

其整體的效能表現整理如下：
●效能至少和油菜子油及其它研發中的參考油品類似
●用量和油菜子油的使用量相似，當然用量按不同的應用技術會有高低差異
●油煙狀況大為改善
●無儲存及泵動問題
●積碳狀況控制良好，部分工廠反應積碳量降低，模具較乾淨
●無其它特別的故障或針孔產生
●模具壽命和油菜子油的使用相當

使用效益的量化
從技術的角度而言，這項新產品使用效能和油菜子油「相當或類似」，但這些效益並不容易以量化的數值呈現來說服業界。對於一個以生產合理品質的工廠而言，他們是能夠接受並享有這項油品帶來的利基。只是要生產廠家能接受享受到的效益量化是相當的困難，除非他們能花上一些時間精力，詳細記錄分析結果。隨著工業界需求日益嚴苛，客戶對於品質水準的要求愈高，工廠也因應市場的需求而努力提昇水準。潤滑劑相關的問題成為關注的重點之一，鑄造業界和油公司才有機會協力模擬一個分析追蹤的操作狀況，以取得更有代表性的試驗結果。

針孔的影響
再來談談連鑄時的潤滑劑對金屬表面品質的影響，尤其是針孔的產生。部分潤滑劑在工作過程中，可能形成液動蒸氣壓力的阻礙，氣體得以深入凝固中的金屬表面生成汽泡，進而在冷卻過程造成凹陷，這些氣體如前所述可能含有氧和碳的氣體組分。

在仔細的實測追蹤偵測中，以120釐米厚的中碳鋼胚選用A.油菜子油B.油菜子油和礦油混合C.合成基和礦油混合的潤滑劑，在完全相同的材料／溫度／時間／模具狀況／油量下，以營造潤滑劑更好的比對基礎。結果顯示出，使用合成基和礦油混合潤滑劑的鋼胚在針孔方面減少了40%。
對照前所述實驗結果，將這40%針孔現象的減少解釋為合成基礦油CO及CO2含量遠低於油菜子油的結果。那純礦油的CO及CO2更低於合成基礦油，是否可下定論說針孔的減少會更高於40%呢？可惜的是以實測的數據和現有資料經驗，並無法支持這種量化的歸納。

結論
綜合整個研究的結果，應該廣泛的由整體潤滑機制的探討來深入改善的可行性及效果。可以確定的是合成基礦油或礦油系的連鑄潤滑劑可改善模具內的濕潤效果，進而避免潤滑劑的局部聚集，從而免除蒸汽壓過高的局部障礙，最終限制蒸汽汽泡深入凝固過程中的金屬表面而造成針孔。所以整個潤滑劑的控制涵蓋濕滑效果、熱交換及不同類型的碳形成，其中每一階段步驟都很重要並且環環相扣。

吳世榮