روغن های عملیاتی حرارتی

روغن های عملیات حرارتی قابل کاربرد در دامنه وسیعی از دما هستند. حرارت دادن و آلودگی هایی نظیر نمک، آب، سیالات هیدرولیک و خاکستر می توانند اثرات نامطلوبی بر کارآیی این روغن ها داشته باشند و موجب عدم یکپارچگی انتقال حرارت شده و در نهایت به کاهش طول عمر روغن حرارتی منجر شوند. بنابراین برای کنترل دقیق عملیات حرارتی لازم است تا تغییرات کیفیت روغن کوئینچینگ در مدت زمان استفاده ثبت و بررسی شود که این امر با انجام آزمایش هایی جهت تعیین مشخصات فیزیکی روغن از جمله ویسکوزیته، حجم آب، نقطه اشتعال، عدد اسیدی (AN) ، عدد رسوب، آنالیز عنصری و یا مطالعه سرعت خنک کنندگی روغن قابل انجام است.

مطالعه مشخصات فیزیکی روغن ویسکوزیته : کارآیی یک روغن کوئینچینگ به تغییرات ویسکوزیته آن ارتباط مستقیم دارد. تجزیه روغن به دلیل حرارت و اکسید اسیون موجب تغییر ویسکوزیته روغن می شود و به دنبال آن میزان سرعت انتقال حرارت با کاهش ویسکوزیته افزایش و با افزایش آن، کاهش می یابد. در بررسی پروسه رفع نقص سیستم، می بایست تغییرات ویسکوزیته سیال کوئینچینگ به عنوان تابعی از دما در مدت زمان استفاده از آن ثبت و سپس داده ها به صورت نمودار رسم گردد که نمونه ای از آن در شکل ۱ آورده شده است. هم چنین می بایست ویسکوزیته را در دمای تقریبی ۴۰ درجه سانتی گراد جهت پیدا کردن اولین نقطه نمودار در زمان صفر بر اساس استاندارد ASTM-D-445 تخمین زد.

حجم آب: آب حاصل از تجزیه و یا آلودگی روغن در حدود ۰/۱ درصد ممکن است موجب بروز پدیده Soft Spot ،

سختی غیریکنواخت، لکه، کف و در نهایت آتش سوزی شود. زمانی که روغن آلوده به آب حرارت داده شود صدایی نظیر شکسته شدن از آن به گوش می رسد که این امر اساس تست کیفیت برای شناسایی آب در روغن است. اغلب آزمایشگاه ها، آنالیز کارل- فیشر را بر اساس استاندارد ASTM-D-6304 و یا تقطیر را بر اساس استاندارد ASTM-D-95 به همین منظور انجام می دهند.

نقطه اشتعال: نقطه اشتعال دمایی است که روغن و بخار آن در تعادل با یکدیگر تولید گاز قابل احتراق می کنند، که در کنار منبع اشتعالی محترق می شود. تغییر در این پارامتر نشان دهنده آلودگی موجود در روغن و یا تجزیه آن است. دو نوع آزمایش جهت تعیین این مشخصه قابل استفاده است : Open Cup ، Closed Cup

در روش Closed Cup بر اساس استاندارد ASTM-D-93 ، مایع و بخار در یک محفظه بسته حرارت داده می شوند. حضور مقدار کمی آلودگی با دمای جوش پایین در فاز بخار موجب می شود تا نقطه اشتعال پایین تری به ثبت برسد. ولی در روش Open Cup محصولات جانبی در زمان حرارت دادن از بین می رود.

معمول ترین روش Open Cup ، آزمایش «Cleveland» بر اساس استاندارد ASTM-D-92 است. کمترین نقطه اشتعال یک روغن در شرایط معمولی می بایست ۹۰ درجه سانتی گراد بالاتر از دمایی باشد که روغن مورد استفاده قرار می گیرد.

عدد اسیدی: محصولات جانبی تولید شده حاصل از تجزیه روغن توسط آنالیز شیمیایی قابل شناسایی و اندازه گیری است. تعیین عدد اسیدی (AN) یکی از معمول ترین روش ها بر اساس استاندارد D-974 و ASTM-D-664 است که در آن این پارامتر، با استفاده از تیتراسیون KOH به صورت mg(KOH)/g3(samp) گزارش می شود. با اکسید شدن روغن عموماً این عدد افزایش یافته و روغن خاصیت اسیدی بیشتری پیدا می کند.

تشکیل رسوب: یکی از مشکلات مهم موجود در روغن های عملیات حرارتی تشکیل رسوب است. وجود رسوب باعث عدم یکپارچگی انتقال حرارت، افزایش گرادیان های حرارتی و تجزیه ملکول ها می شود. هم چنین رسوب موجب انسداد فیلترها و کثیف شدن سطوح مبدل حرارتی شده و به این ترتیب نرخ انتقال حرارت کاهش یافته و تجمع حرارت در سیستم موجب آتش سوزی می شود.

رسوب ها اغلب توسط تجزیه حرارتی و اکسیداسیون روغن ها ایجاد می شوند. واکنش های اکسیداسیون موجب پلیمریزه شدن و تجزیه ملکول های غیر محلول در روغن می شود. به طور کلی میزان متوسط رسوب در روغن توسط اضافه کردن برش نفتا به روغن و تخمین کاهش حجم بعد از سانتریفوژ کردن تعیین می شود. هم چنین با مقایسه تشکیل رسوب در روغن تازه و کارکرده، عمر باقیمانده روغن محاسبه می شود.

روش های آزمایشگاهی قابل استفاده عبارتند از:

-Conradson Carbon Number

-Hot-Panel Coker Test

-Rotary Pressure Vessel Oxidation Test(RPVOT)

آنالیز عنصری: زمانی که ادتیوهای فلزی آلی مانند نمک های فلزی در ترکیبات روغن های عملیات حرارتی استفاده می شود سرعت انتقال حرارت این روغن ها تسریع می شود. یکی از روش های معمول، اسپکتروسکوپی پلاسمای القایی زوج بر اساس استاندارد، ASTM-D-4951 or D-6595 است که معمولاً غلظت عناصر را برحسب PPM در روغن اندازه گیری می کند:

Al-Ba-B-Ca-Cd-Co-Cr-Cu-Fe-Mg-Mn-Mo-Ni-P-Ag-Pb-S-Sb-Si-Sn-Ti-V-Zn

مطالعه سرعت خنک کنندگی

یکی از قدیمی ترین آزمایش های کمی در تعیین کیفیت خنک کنندگی روغن، انتقال حرارت روش GM تست»Nickel ball « بر اساس استاندارد ASTM-D-3520 است(شکل ۲). در این آزمایش یک توپ نیکلی تا دمای ۸۸۵ درجه سانتی گراد حرارت داده می شود و سپس در یک ظرف حاوی روغن کوئینچینگ با دمای ۲۷-۲۱ درجه سانتی گراد رها می شود.

دمایی که در آن توپ نیکلی خاصیت پیدا می کند حدود ۳۵۴ درجه سانتی گراد است که در این زمان، این توپ

جذب آهنربای موجود در کنار ظرف می شود. به این ترتیب زمانی که لازم است تا توپ نیلکی از دمای ۸۸۵ به ۳۵۴ درجه سانتی گراد برسد ثبت می شود. بر اساس این زمان روغن های کوئینچینگ به چهار دسته تقسیم می شوند. (جدول ۱)

کوئینچ متر GM به مدت ۴۰ سال برای تخمین و تقسیم بندی روغن های عملیات حرارتی مورد استفاده بوده است ولی چنانچه در نمودار شکل ۳ ملاحظه می شود این روش هیچ نوع اطلاعاتی در زمینه مکانیسم خنک کنندگی و جزئیات آن ارائه نمی دهد.

در شرایط بحرانی برای مشخص نمودن جزئیات، بجای استفاده از روش GM باید بر اساس استاندارد ISO-9950 و یا ASTM-D-6200 و آنالیز منحنی خنک کنندگی، تغییرات ایجاد شده را بررسی کرد. شکل ۴ نشان دهنده تغییرات سرعت خنک کنندگی بعد از اکسیداسیون روغن در زمان های متفاوت و شکل ۵ نشان دهنده اثر آب با درصدهای متفاوت بر روی سرعت خنک کنندگی روغن عملیات حرارتی می باشد.

نکته قابل توجه این است که گرچه آنالیزمنحنی خنک کنندگی وسیله ای با ارزش جهت ثبت و رفع نقص کارآیی روغن کوئینچینگ است ولی هنوز تعیین مشخصات فیزیکی جهت شناسایی علت و رفتارهای متفاوت خنک کنندگی مورد نیاز است.