JP4355280B2 - 冷間圧延における潤滑油供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の圧延機、特に４スタンド以上の冷間圧延機群を有する冷間タンデム圧延機における、高生産性と油原単位向上を可能とするエマルション潤滑油供給方法に関するものである。

エマルション潤滑による冷間タンデム圧延では、各スタンド入側の圧延材やロールに供給されたエマルション潤滑油が水と油に分離し、ロールバイト入口部に形成されるくさび形状の効果によって、水よりも粘度の高い油が主にロールバイトに引き込まれてロールと圧延材との間に油膜を形成することが知られている。なお、以下、ロールや圧延材に供給された潤滑油は水と油に分離し、展着する現象を、プレートアウトと称することとする。

一般に、くさび形状による潤滑油の引き込み効果は、圧延速度の増加と共に顕著に向上する。従って、低速である前段スタンドでは摩擦係数が大きく、高速となる後段スタンドでは摩擦係数が小さくなる。摩擦係数が大きくなるとヒートスクラッチと呼ばれる焼き付き疵発生の可能性が高くなり、摩擦係数が小さすぎるとスリップが生じて疵の原因となるため、冷間圧延では摩擦係数を適切な範囲に制御することが重要な課題となっている。

ところで、冷間タンデム圧延を行う一つの圧延工場では、通常、１種類の潤滑油が使用される（例えば、基油、エマルション濃度、温度等が一定に管理される。）ことが多い。潤滑油タンクを２種類以上有する圧延工場の場合には、潤滑油基油やエマルション濃度等を変化させることが可能であり、例えば前段スタンドと後段スタンドで潤滑油を使い分ける等の方法が実現できるので、冷間圧延における摩擦係数の適正範囲制御を有利に行うこができる。

タンクを１つしか有しない圧延工場では、このような潤滑油の使い分けは不可能であり、また、新たにタンクを増設するには設備投資が必要となるので、当該圧延工場の圧延品種構成にもよるが、あらゆる圧延品種について、現状設備のまま圧延工場の能力をフルに発揮させ、かつ全圧延スタンドの摩擦係数を適正範囲に保つことが難しい場合がある。

このような圧延の潤滑に起因する問題を解決するための発明が、これまでに種々なされてきている。なお、摩擦係数を増加させることは、エマルション潤滑油の供給量を減少させたり、エマルション濃度を減少させたりすることによって技術的にもコスト的にも比較的容易に実現できるので、従来は、プレートアウト量を増加させて摩擦係数を減少させるための方法が主に開発されてきた。その中で、ノズルの供給圧力等を制御して摩擦係数を減少させることで摩擦係数を適正範囲に保つ発明としては、次のような例がある。すなわち、特許文献１では、凝集剤を添加した上でノズル圧力を５ｋｇ／ｃｍ^２以上、１５ｋｇ／ｃｍ^２以下（０．５ＭＰａ以上、１．５ＭＰａ以下）と規定した発明が開示されている。また、特許文献２では、粒径やノズル位置と共にノズル圧力を規定した発明が開示されている。これらの発明は、端的に言えば、ノズル圧力を増加させて運動エネルギーを増加させることにより、圧延材への潤滑油の付着効率を向上させるものである。また、圧延材に付着した潤滑油は水と油に分離しロールバイト内へ導入されるので、圧延材へのプレートアウト量が多くなれば導入油量も増加するとの考え方に基づいている。
特開平０７−００９０２１号公報 特開２００１−２６９７１０号公報

近年生産量が増加している高強度鋼板（以下、ハイテンという。）の冷間圧延における摩擦係数の適正範囲の模式図を普通鋼板のものと対比させて図１に示す。ハイテンは硬くて焼き付き易い特性を有しているので、高速圧延時に、焼き付きを生じないような小さい摩擦係数に制御する必要がある。一方、普通鋼はハイテンと比較すると焼き付きは生じにくく、高速圧延時に摩擦係数を減少させすぎると潤滑過多によるスリップを生じる危険性があるため、ハイテンよりも摩擦係数を大きめに設定する必要がある。

また、図２に、特許文献１ないし特許文献２に記載の発明に準ずる従来の操業範囲内で、従来の潤滑油を用いた場合の取り得る摩擦係数範囲を示す。従来の潤滑油は、普通鋼の条件に合わせて開発されているため、同図から分かるように、ハイテンを圧延する際には従来油の摩擦係数範囲内に収まるようにするために、圧延速度を抑えた圧延を行わなければならなかった。

本発明者らは、図３に示すようなハイテンの圧延を考慮した圧延潤滑油を開発したが、これまでの操業範囲内では普通鋼とハイテンの両者の適正摩擦係数範囲を実現することができず、さらに、高速圧延時に普通鋼に適した摩擦係数を実現できるように摩擦係数範囲の上方弾力性が要求された。

そこで、本発明は、このような状況下で圧延品種によらず、１種類の潤滑油（基油、エマルション濃度、温度等一定）で低速域から高速域までの圧延を実現することができ、ひいては、圧延トラブルを回避し高生産性を実現することが可能になるとともに、潤滑油原単位を向上させることが可能となる、冷間圧延における潤滑油供給方法を提供することを目的とするものである。

従来の冷間タンデム圧延では、エマルション潤滑油をロールや圧延材に向けてノズルで供給する方法が主流であり、摩擦係数を減少させるための発明は種々なされているが、本発明が取り組むべき課題は高速圧延時の潤滑過多の問題であるので、逆に摩擦係数を増加させる手段が必要となった。本発明者らは、まず、上述のような摩擦係数を増加させる方法の内、供給量を変化させることによって普通鋼に適する摩擦係数範囲を実現することを試みた。なお、潤滑油タンクは１つしかないため、エマルション濃度を変化させる場合には全スタンドに影響が及ぶために、濃度変更は避ける必要があり、実験も行わなかった。

潤滑油の供給量を減少させた場合、摩擦係数は増加して普通鋼の適正範囲内に収めることは可能であったが、幅方向の潤滑油供給が不均一になり、潤滑油の供給が少ない部分で発熱を生じて部分的にサーマルクラウンが成長し、形状の乱れを誘発するという問題が発生したため、この供給量を変化させる方法は採用できないことが判明した。

他の方法で摩擦係数を増加させる方法を検討した結果、本発明者らは、新たに潤滑油供給ノズルの配管圧力を増加させることによって高速圧延時の摩擦係数上方弾力性を得る方法を知見した。本発明は、この新知見に基づきなされたものであり、その要旨は次の通りである。
（１） 金属板の冷間タンデム圧延における圧延潤滑を、圧延油と水とを混合した所定の一種のエマルション潤滑油を各圧延スタンド入側でノズルから供給して行う、冷間圧延における潤滑油供給方法において、潤滑ノズル配管中の圧力（潤滑ノズル圧力）を測定もしくは推定し、少なくとも前記所定のエマルション潤滑油では潤滑過多の生じやすくなる圧延スタンドの潤滑ノズル圧力を０．５ＭＰａ以上になるように圧力制御しながら、当該スタンドのロールバイト入口へ前記潤滑油を直接噴射して供給することを特徴とする、冷間圧延における潤滑油供給方法。
（２） 各圧延スタンド毎に低圧力用ノズルと高圧力用ノズルを一対として複数対配置するとともに、各圧延スタンドの圧延速度に応じて必要となる潤滑条件を、前記所定のエマルション潤滑油を用いた場合に達成できるように、各圧延スタンド毎に低圧力用ノズルもしくは高圧力用ノズルのいずれか一方または双方を用いることを特徴とする、上記（１）に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。
（３） 前記潤滑ノズル圧力の制御に伴う潤滑油供給量の増減を相殺するように、当該スタンドで使用する潤滑ノズル本数を調整することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。
（４） 前記潤滑ノズル圧力の制御を行っても、潤滑油の供給量を一定に制御することが可能な潤滑ノズルを用いることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。
（５） 前記潤滑ノズル圧力を、被圧延材である前記金属板ストリップの上下面で別々に制御することを特徴とする、上記（１）ないし（４）のいずれか１項に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。

本発明の潤滑油供給方法によれば、圧延品種によらず、１種類の潤滑油で低速域から高速域までの圧延を実現することが可能であり、圧延トラブルを回避し高生産性を実現できると共に、潤滑油原単位向上を図ることができる。

本発明者らは、精製パーム油を用いた圧延実験を行い、圧延中の摩擦係数を計算した。その結果、潤滑油の供給量が一定であっても従来使用されている潤滑ノズル圧力以上の高圧では、潤滑ノズル圧力の増加と共に摩擦係数が増加することが判明した（図４）。図４には精製パーム油の結果を示しているが、他の実際に使用する動物油、合成エステルで同様の実験を行ったところ、摩擦係数の大小はあるものの、効果の始まる圧力にはほとんど変化は無く、０．５ＭＰａ以上であった。ここでは、潤滑油は圧延材単独・ロール単独に供給するのではなく、ロールバイト入口へ直接噴射して供給する方法を採用した。

上述したようにロールや圧延材に供給された潤滑油は水と油に分離されるが、分離しやすい潤滑油の方が摩擦係数を減少させやすく、高速圧延に適していることが知られている。逆にいえば、水と油の分離を妨げることによって潤滑性を悪化させることが可能となる。実際、高速圧延を行うと潤滑油によっては導入油量が減少し、摩擦係数が増加する場合があることが知られており、高速圧延時にはロールバイト入口部に形成される油溜まりに乱流が生じ、ロールバイトへの導入油量が減少することが一因であると考えられている。このような知見と図４の結果とを比較検討すれば、供給量一定で潤滑ノズル圧力を増加させたときに摩擦係数が増加したのは、ロールバイト入口部で乱流が生じロールバイトへの導入油量が減少したからだと考えられる。以上のことから、本発明では、乱流を生じさせなければ導入油量の減少もないので、潤滑油をロールバイト入口へ向けて直接噴射して供給するのは必須の条件となる。

請求項２に記載の本発明では、各圧延スタンド毎に低圧力用ノズルと高圧力用ノズルの２種類のノズルを一対として複数対配置することを一つの要件としているが、これにより、前記２種類のノズルを使い分けながら、各圧延スタンドの圧延速度に応じて必要となる潤滑ノズル圧力を満足させることが可能となる。ここで、低圧力用ノズルとは、従来から通常に使用しているノズルを指す。また、低圧力用ノズルと高圧力用ノズルの圧力範囲は中間圧力領域で重複している方が、中間圧力領域で移行がスムーズになるので良い。このような場合、中間の潤滑ノズル圧力については、いずれか一方を使用しても良く、低圧力用ノズルと高圧力用ノズルの両ノズルを用いて、必要潤滑条件を満たしても良い。このような請求項２に記載の本発明によれば、既存圧延設備のノズル配置から半数のノズルを高圧力用ノズルに変更するのみで良いので、設備投資を抑制することが可能となる。

次に、請求項３に記載の本発明について説明する。上述したとおり、図４等の知見から潤滑ノズル圧力を増加させることによって潤滑性を悪化させる方向にシフトさせて潤滑過多を回避することが可能であることが判明したが、ノズル圧力を増加させることによって潤滑油の供給量まで増加させては潤滑油の歩留が悪化して好ましくない。また、潤滑油供給量が増加することは潤滑性を向上させる方向にあるので、潤滑性の悪化を打ち消し合う場合も考えられる。そこで、ノズル配管圧力を増加させても供給量を一定に保つ必要がある。その手段として、潤滑ノズルの使用本数を減少させる方法を採用しようとするのが請求項３に記載の本発明である（図５参照。）。なお、通常、潤滑ノズルの本数は限られているので段階的な制御しかできないが、既存設備をそのまま用いることができるので、設備投資が不要となりコスト的に優れているといえる。

次に、請求項４に記載の本発明について説明する。設備投資を行い、高機能を付加した潤滑ノズルを用いれば、潤滑ノズル圧力を変化させたときにも潤滑油の供給量を一定に保つことが可能である。このような高機能ノズルでは、例えばノズル圧力と供給量はノズル吐出口径によって決定されるので、ノズル吐出口径をオンラインで自在に制御可能なノズルを使用することにより、上述の効果を得ることが可能となる。

次に、請求項５に記載の本発明について説明する。潤滑油をロールバイト入口に直接噴射して供給しているとはいえ、ストリップ下面ではロールからの流れ落ちもあり、潤滑状態がストリップの上下で等しくはないので、上下面別々に圧力を制御する方が、効果が大きく好ましい実施の形態である。

以上のように、本発明によれば、高圧でロールバイトに潤滑油を供給することが可能となり、圧延品種（鋼種）によらず適切な摩擦係数を実現することが可能となり、圧延トラブルもなく高生産性と油原単位向上が達成される。

なお、本発明が対象とする圧延板の金属種としては、鋼の他、チタン、アルミニウム、マグネシウム、銅等の金属およびこれら各種合金であってもよい。

本発明の効果を確認するために、潤滑ノズル圧力を変化させてコイル圧延実験を行った。実験には、図６で示すラボ圧延機を使用した。１ａ、１ｂはワークロール、２ａ、２ｂは中間ロール、３ａ、３ｂはバックアップロールである。４は圧延材で板幅３００ｍｍの普通鋼で圧下率が１１％（板厚を０．２５ｍｍから０．２２ｍｍへ減厚。）になるように設定した。５は潤滑油供給ノズルで、ワークロール径は３００ｍｍ、中間ロール径は３６０ｍｍ、バックアップロール径は６００ｍｍである。潤滑油は、タンクで６０℃に加熱した精製パーム油を基油とした１３％エマルションを用いた。圧延速度を５００ｍ／ｍｉｎから増加させていき、最高圧延速度１８００ｍ／ｍｉｎで終了した。圧延速度１２００ｍ／ｍｉｎ以下では潤滑ノズル圧力は０．３ＭＰａとし、１２００ｍ／ｍｉｎ以上では０．８ＭＰａとした。このとき潤滑油供給量は０．３ＭＰａのとき、約３０リットル／ｍｉｎで、０．８ＭＰａのとき約７０リットル／ｍｉｎとなっていた。圧延後にコイルを巻き解いて表面を観察し、さらに実測の先進率と荷重から摩擦係数を算出したが、摩擦係数は約０．０３から高速になるにつれて若干減少していたものの、スリップは生じていなかったことを確認した。

次に、比較例として、低速域で圧力０．３ＭＰａに設定したまま変化させずに同様の圧延を行ったところ、圧延速度１５００ｍ／ｍｉｎの時にスリップを生じるのを確認した。

潤滑ノズル圧力を変化させる際に総供給量を一定に保つために、（１）使用するノズル本数を減少させることによる潤滑油供給方法（図５）、（２）潤滑ノズル圧力を変化させたときにノズルの潤滑油吐出口径を変化させることによる潤滑油供給方法、（３）低圧力用ノズルと高圧力用ノズルを一対として使用する潤滑油供給方法の各潤滑油供給方法で圧延を行った。その他の条件は上述の実施例１の条件と一致させた。上記（１）の潤滑油供給方法では、予め潤滑ノズル圧力と供給量の関係を調査しておき、潤滑ノズル圧力を増加させたときには図５のように板幅方向の左右均等にノズルからの供給を停止させた。上記（３）の潤滑油供給方法では、低圧力用ノズルでは０．６ＭＰａ以下の圧力で、高圧力用ノズルでは０．３ＭＰａ以上の圧力でそれぞれ使用できるノズルとした。中間領域では高圧力用ノズルを用いた。いずれの場合も上述の実施例１の実験と同様に１８００ｍ／ｍｉｎまでスリップは生じなかった。

次に、比較例として、（４）使用するノズル本数を変化させない場合、（５）ノズルの潤滑油吐出口径制御をしない場合、（６）高速でも低圧力用ノズルを用いた場合のそれぞれの潤滑油供給方法で圧延したところ、（４）、（５）の潤滑油供給方法では、潤滑油原単位が悪化し、１．２〜１．４倍の潤滑油を使用することになった。また、（６）の潤滑油供給方法では潤滑ノズル圧力を０．６ＭＰａまでしか上げることができないので、１４００ｍ／ｍｉｎでスリップを生じた。

実施例１、２では、被圧延材の上面を基準に制御した実施例について述べてきた。ここでは、実施例２の（２）の条件、すなわち、潤滑ノズル圧力を変化させた際の潤滑油供給量を一定に保つためにノズルの潤滑油吐出口径を制御する方法で、さらに、被圧延材の上下面で別々の潤滑油供給制御を行った。

被圧延材の下面では、ノズル噴射された潤滑油が重力によって落下するため、元々被圧延材上面と比較して潤滑不足を生じ易く、スリップを生じにくいので、（１１）被圧延材下面の潤滑ノズル圧力を減少させる潤滑油供給方法と、（１２）被圧延材下面の潤滑ノズル圧力を減少させると共に潤滑油供給量も減少させる潤滑油供給方法で、潤滑ノズル圧力減の可能範囲と潤滑油原単位削減幅を調査した。その結果、上記（１１）の潤滑油供給方法では、被圧延材上面程の潤滑ノズル圧力は必要なく、現状の既設ポンプで対応可能なこと、上記（１２）の潤滑油供給方法では、実施例２の場合と比較して潤滑油原単位が１割削減可能であることが分かった。

圧延品種の代表例としてハイテンと普通鋼の摩擦係数の適正範囲を示した模式図である。 通常操業範囲で従来油のとりうる摩擦係数範囲と各鋼種の適正摩擦係数範囲を示した模式図である。 ハイテン用の開発油の通常操業範囲でとりうる摩擦係数範囲と各鋼種の適正摩擦係数範囲およびそれを実現するための高速圧延時の摩擦係数上方弾力性を示した模式図である。 摩擦係数と潤滑ノズル圧力の関係を示した図である。 本発明の圧延方法を現状設備で実現するためのノズル本数の増減方法の一例として、（ａ）ではノズル本数を減じた状態を、（ｂ）ではノズル本数を減じる前の状態を、平面図で模式的に示す図である。 本発明の実施例で使用したラボ圧延機を模式的に示す図である。 本発明の低圧用ノズルと高圧用ノズルを一対として配置するノズル配置を模式的に示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ：ワークロール
２ａ、２ｂ：中間ロール
３ａ、３ｂ：バックアップロール
４ ：圧延材
５ ：潤滑ノズル
５ａ：高圧力用ノズル
５ｂ：低圧力用ノズル
６ ：潤滑ノズル配管

Claims (5)

1. 金属板の冷間タンデム圧延における圧延潤滑を、圧延油と水とを混合した所定の一種のエマルション潤滑油を各圧延スタンド入側でノズルから供給して行う、冷間圧延における潤滑油供給方法において、潤滑ノズル配管中の圧力（潤滑ノズル圧力）を測定もしくは推定し、少なくとも前記所定のエマルション潤滑油では潤滑過多の生じやすくなる圧延スタンドの潤滑ノズル圧力を０．５ＭＰａ以上になるように圧力制御しながら、当該スタンドのロールバイト入口へ前記潤滑油を直接噴射して供給することを特徴とする、冷間圧延における潤滑油供給方法。
2. 各圧延スタンド毎に低圧力用ノズルと高圧力用ノズルを一対として複数対配置するとともに、各圧延スタンドの圧延速度に応じて必要となる潤滑条件を、前記所定のエマルション潤滑油を用いた場合に達成できるように、各圧延スタンド毎に低圧力用ノズルもしくは高圧力用ノズルのいずれか一方または双方を用いることを特徴とする、請求項１に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。
3. 前記潤滑ノズル圧力の制御に伴う潤滑油供給量の増減を相殺するように、当該スタンドで使用する潤滑ノズル本数を調整することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。
4. 前記潤滑ノズル圧力の制御を行っても、潤滑油の供給量を一定に制御することが可能な潤滑ノズルを用いることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。
5. 前記潤滑ノズル圧力を、被圧延材である前記金属板ストリップの上下面で別々に制御することを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。

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