JP4355279B2 - 冷間圧延における潤滑油供給方法 - Google Patents

Description

冷間圧延における潤滑油供給方法、特にエマルション潤滑による潤滑油供給方法に関する。

例えば、鋼板の冷間圧延では、圧延操業の安定化、製品の形状および表面品質、焼付き防止、ロールの寿命などの点から圧延材（鋼板）とワークロールとの間の摩擦係数を適正な値に維持する必要がある。適正な摩擦係数を得るために、圧延板の材質、寸法および圧延条件に適応する潤滑油を選択し、圧延機入側で圧延材やロールに供給している。

鋼板の冷間圧延では、一般にエマルション潤滑が用いられており、適正な摩擦係数を得るために、モデルを用いてエマルション供給量やエマルション濃度を制御することが行なわれている場合もある。

モデルによって潤滑制御する方法として、
（１）焼付き限界の供給量を圧延条件ごとに存在する定数・濃度・圧延速度等から推定して、制御する方法（例えば、特許文献１参照）
（２）潤滑油が鋼板等に付着(プレートアウト)する際の油水分離に要する時間(転相時間)を考慮して潤滑油供給ノズル位置を決定する方法（例えば、特許文献２参照）
などがある。
特開２００２−２２４７３１号公報（第３頁） 特開２０００−０９４０１３号公報（第３頁）

従来、エマルション潤滑時の油膜厚を推定または測定することができなかった。油膜厚計を圧延機出側に配置し、圧延機出側の油膜厚を測定することはできるが、ある時点のロールバイト直下の油膜厚を知ることはできない。この結果、前記従来の潤滑方法ではロールバイト直下での適切な油膜厚を得ることはできず、高精度で潤滑制御を行なうことはできなかった。

したがって、例えば前記方法（１）については、対象が焼付き限界なので低速域では適用できず、低速域での潤滑油の歩留りに向上の余地があった。また、方法（２）についてはエマルション潤滑油のプレートアウトに転相時間が必要であり、潤滑油供給端の位置を転相時間を考慮して設定することは確かに有効であるが、転相時間を決定する方法が定まっていないため、位置を正確に決定することができないという問題がある。

この発明は上記問題を解決するものであって、高精度の潤滑制御が可能な冷間圧延における潤滑油供給方法を提供することを課題としている。

（１） この発明の冷間圧延における潤滑油供給方法は、エマルション潤滑による冷間圧延における潤滑油供給方法において、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる定数（供給効率）と、前記特定圧延潤滑条件時に実現されるニート潤滑時の油膜厚とから、前記特定圧延潤滑条件時のエマルション潤滑で実現される油膜厚を推定し、前記推定油膜厚が目標油膜厚に一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御する。

（２）この発明の他の潤滑油供給方法は、エマルション潤滑による冷間圧延における潤滑油供給方法において、圧延中の荷重、出側板速度、ロール速度を検出し、圧下スケジュールから得られる入側板厚と出側板厚と荷重と出側板速度とロール速度から摩擦係数を逆算し、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度、プレートアウト長、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる定数（供給効率）と前記摩擦係数との関係を圧延材材質毎に予めテーブル化しておき、前記特定圧延潤滑条件時の摩擦係数を前記供給効率から求め、摩擦係数が目標値と一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御する。

（３）この発明の更に他の潤滑油供給方法は、エマルション潤滑による冷間圧延における潤滑油供給方法において、出側板速度、ロール速度を検出して先進率を算出し、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度、プレートアウト長、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる定数（供給効率）と前記先進率との関係を圧延材材質毎に予めテーブル化しておき、前記特定圧延潤滑条件時の先進率を前記供給効率から求め、先進率が目標値と一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御する。

（４）前記（１）の潤滑油供給方法において、圧延機出側に油膜厚計を設置し、油膜厚計測定値と前記油膜厚推定値との差を検出し、差が存在するときに当該圧延潤滑条件によって特定される前記供給効率を周期的に補正しながらエマルション潤滑の油膜厚を推定することが可能である。

（５） 上記（１）〜（４）の潤滑油供給方法において、前記特定圧延潤滑条件時に得られる供給効率を、圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の関数としてもよい。

（６） 前記上記（１）〜（５）の潤滑油供給方法において、供給効率を、
α=ｈemu／ｈneat
ただし、α：供給効率（圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレトアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはワークロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の関数）
ｈemu：特定の圧延潤滑条件のもとで実現されるエマルション潤滑の油膜
厚
ｈneat：特定の圧延潤滑条件のもとで実現されるニート潤滑の油膜厚
としてもよい。

この発明の潤滑油供給方法は、ある特定の圧延潤滑条件によって定まる供給効率とニート潤滑時の油膜厚とから、エマルション潤滑時の油膜厚を推定し、この推定油膜厚に基づいてエマルション供給量などを制御する。供給効率は圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の関数となっているので、高い精度で潤滑制御を行なうことができる。

高精度の潤滑制御により、ロールバイト直下に過不足のない適切な油膜厚が形成され、圧延材とワークロールとの間の摩擦係数は圧延条件に適応した値に維持される。この結果、圧延材とワークロールとの間のスリップや圧延材の焼付きが防止され、安定した圧延を行なうことができる。さらには、圧延コストの低減および製品品質の向上を図ることができる。

この発明では、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる供給効率と、前記特定圧延潤滑条件時に実現されるニート潤滑時の油膜厚とから、前記特定圧延条件時のエマルション潤滑で実現される油膜厚を推定する。そして、前記推定油膜厚が目標油膜厚に一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御する。

ここで、「ある特定の」は、種々の圧延潤滑条件ごとに特定されたという意味である。プレートアウト長は、走行中の鋼板面に供給されたエマルション中の潤滑油が水と分離して鋼板面に付着するに十分な時間を確保できる、エマルション供給位置からロールバイト入口までの距離をいう。また、ロールに潤滑油を供給する場合も同様に考えて、プレートアウト長を設定することができる。供給効率は、モデル化により前記圧延速度、エマルション供給量、その他の関数として算出可能である。供給効率は、例えば下記のようにして決定することができる。

ある圧延条件でニート潤滑の場合に導入される油膜厚をｈneat、同じ圧延条件でエマルション潤滑（濃度任意）の場合に導入される油膜厚をｈemuとする。同じ圧延潤滑条件ではニート潤滑時の油膜厚が最大であり、エマルション潤滑ではニート潤滑より油膜厚が小さくなる。そこで、供給効率α＝ｈemu／ｈneatと定義する。ここで、ｈemuは圧延中の油膜厚を測定すれば得ることができる。ｈneatは実際にニート潤滑実験を行って、あらかじめ測定しておいても良いし、潤滑理論等で計算しておいても良い。

ニート潤滑では、圧延速度の増加と共に油の引き込み効果によって導入油量が増加して摩擦係数が減少していく。これに対し、エマルション潤滑では、低速域では潤滑油の引き込み効果で導入油量が増加するものの、ある圧延速度以上で潤滑不足を生じて油膜厚は減少し、摩擦係数は増加する。定義に従って供給効率を各圧延速度ごとに計算すると図１のようになる。この曲線はエマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類ごとに異なるが、これらの圧延潤滑条件が同じであれば常時等しいことを知見した。そこで、操業範囲内であらかじめ供給効率をモデル化しておくことにより、この供給効率とニート潤滑時の油膜厚を介してエマルション潤滑時のロールバイト直下の油膜厚を推定することが可能である。したがって、上記推定油膜厚が目標値に一致するようにエマルション濃度やエマルション供給量を制御すれば、当該圧延潤滑条件で潤滑油を過不足なく供給することが可能となる。

さらに、供給効率が圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類から推定されることを知見した。供給効率の推定式は実験によって得た値に対して適当な関数でフィッティングで設定すれば良い。発明者等は、少なくとも低速域・高速域個別の指数関数で表せることを確認した。他に適切にフィッティングできる関数があれば、それでも良いことは言うまでもない。ただし、低速域・高速域の区別は供給効率の極大値を境に定義している。αがモデル式によって推定できることがわかったので、この関係（ｈemu＝α×ｈneat）を用いるとエマルション潤滑時の潤滑油供給条件（エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長）と同じ条件のニート潤滑時の油膜厚（実験にて測定するか、潤滑の流体理論の数値を利用）からエマルション潤滑時の油膜厚を推定できる。したがって、オンラインで常時供給効率を推定してある特定時点でのエマルション潤滑時の油膜厚を推定し、潤滑制御することが可能となる。制御端として最も簡便なのはエマルション供給量であり、潤滑タンクの数等によってはエマルション濃度を変更することも可能である。同様にノズル向きを変化させてプレートアウト長を変化させることも可能である。

図２は、この発明の潤滑油供給方法を実施する圧延設備の一例を模式的に示す設備構成図である。圧延設備は例えば５スタンドからなっており、図２にはそのうちの１基の圧延機１０のみを示している。圧延機１０は、ワークロール１２およびバックアップロール１４を備えた４段圧延機である。

上記圧延設備は、エマルションを貯蔵するエマルションタンク２０A、２０Bおよび冷却水タンク４０を備えている。貯蔵されるエマルションは潤滑油の種類および／または濃度が異なっており、種類および濃度は特定の圧延潤滑条件に従ってあらかじめ設定されている。エマルションタンク２０A、２０Bにそれぞれ接続されたエマルション管２１A、２１Bに、エマルションポンプ２２A、２２Bおよびエマルション流量調節弁２３A、２３Bがそれぞれ取り付けられている。また、エマルション管２１A、２１Bは、主管２５に接続されている。

圧延機１０の入側に、エマルションヘッダー３０が配置されている。エマルションヘッダー３０には、板幅方向に沿って複数のエマルションノズル３４が回転継手３２を介して設けられている。エマルションノズル３４は、回転継手３２により水平かつ板幅方向に延びる回転軸回りに回転可能となっている。エマルションノズル３４を回転して破線で示すようにエマルション噴射方向を変え、プレートアウト長を調節できるようになっている。

前記冷却水タンク４０から延びる冷却水管４１に、冷却水ポンプ４２および冷却水流量調節弁４３が取り付けられている。一方、冷却水ヘッダー４５が圧延機１０の出側に配置されている。冷却水ヘッダー４５には、冷却水管４１が接続されているとともに、板幅方向に沿って複数の冷却ノズル４６が取り付けられている。

圧延設備は、コンピューターからなる潤滑制御装置５０を備えている。潤滑制御装置５０には、圧延潤滑条件および供給効率αのモデル式などのデータが格納されている。潤滑制御装置５０は、与えられた圧延潤滑条件に基づいてモデル式により供給効率αを計算する。

上記のように構成された圧延設備において、圧延潤滑条件および供給効率αに基づき、例えばエマルションＥAが選択されたとすると、エマルションポンプ２２Aが駆動され、エマルションＥAがエマルションタンク２０Aからエマルション管２１Aを経て主管２５に送られる。潤滑制御装置５０からの操作信号によりエマルション流量調節弁２３Aの流量が調節される。このとき、エマルションポンプ２２Bは停止しており、エマルション流量調節弁２３Bは閉じられている。エマルションＥAは、主管２５、エマルションヘッダー３０および回転継手３２を経てエマルションノズル３４から圧延機入側の鋼板１に供給される。また、ワークロール１２は、冷却水ノズル４６から散布された冷却水で冷却される。

圧延潤滑条件は時々刻々変化するので、新たな供給効率αが計算されると、例えば他の条件は一定のままプレートアウト長のみを変更して油膜厚を変更することができる。変更するパラメーターはプレートアウト長でなく、エマルション供給量であってもよいし、エマルション温度でもよい。また、それらのパラメーターのうち複数を変更しても良い。

さらに、圧延潤滑条件が変わり、新たな供給効率αが設定されると、エマルションポンプ２２Aを停止し、エマルション流量調節弁２３Aを閉じる場合もある。そして、エマルションポンプ２１Bを駆動し、エマルション流量調節弁２３BによりエマルションＥBの流量を調整する。エマルションの供給は、エマルションＥAからエマルションＥBに切り換わるとともに、エマルション供給量も変更される。なお、この場合、潤滑油は同種または異種であってもよく、エマルション供給量は同じであってもよい。また、プレートアウト長を変更してもよい。

供給効率を周期的に補正する（学習機能）場合、圧延機出側に油膜厚計５２を設置する。油膜厚計で検出した測定値は潤滑制御装置５０に送られ、ここで油膜厚計測定値と油膜厚推定値との差を演算する。そして、検出差に基づいて当該圧延潤滑条件における供給効率を周期的に補正しながらエマルション潤滑の油膜厚を推定する。これにより、潤滑制御の精度を更に高めることができる。補正の周期は、圧延潤滑条件に応じて任意に変えることできる。

供給効率αは潤滑状態を表すパラメーターであるので、摩擦係数や先進率と直接的に相関がある。これら摩擦係数および先進率は、潤滑油がロールバイト内へどれだけ導入されたかによって左右され、導入油量は供給される時の形態、すなわちエマルション濃度・供給量・プレートアウト長等に影響されるため、供給効率αとの関係が深い。予め摩擦係数や先進率と供給効率の関係を調査しておき、供給効率を潤滑油供給条件から計算することによって摩擦係数や先進率を推定することが可能である。計算された摩擦係数や先進率が目標値と一致しない場合には供給量やプレートアウト長等のパラメーターを変化させることによって、狙いの潤滑状態にすることが可能となる。

そこで、この発明では圧延中の荷重、出側板速度、ロール速度を検出し、圧下スケジュールから得られる入側板厚と出側板厚と上記パラメータから摩擦係数を逆算し、摩擦係数と供給効率の関係を圧延材材質毎に予めテーブル化しておき、特定の圧延条件時の摩擦係数を供給効率係数から求め、摩擦係数が目標値と一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御する。また、出側板速度、ロール速度を検出して先進率を算出し、先進率と供給効率の関係を圧延材材質毎に予めテーブル化しておき、特定の圧延条件時の先進率を供給効率から求め、先進率が目標値と一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御する。但し、同じ潤滑油供給条件であっても摩擦係数や先進率はロール摩耗や圧延材材質等によって変化することが知られている。ロール摩耗についてはロール組み替え後からの圧延材の圧延トン数によって補正を加えればよく、圧延材材質は例えば変形抵抗３５０ＭＰａ以下、３５０〜６００ＭＰａ、６００〜８００ＭＰａ、８００〜１２００ＭＰａ、１２００ＭＰａ以上のように分類し、それぞれに対して摩擦係数や先進率と供給効率の関係をテーブル化しておけば問題ない。

この発明は上記実施の形態に限られるものではない。例えば、圧延材は鋼以外にチタン、アルミニウム、マグネシウム、銅など金属およびこれら各金属の合金
であっても良い。エマルションタンクは、３基以上であってもよい。また、潤滑油を貯蔵したタンク１基とし、タンクから送り出した潤滑油を配管途中で加熱水と混合し、エマルションを調製するようにしてもよい。この場合、圧延潤滑条件に応じて潤滑油と加熱水との混合割合を変えてエマルション濃度を調整および／またはエマルション供給量を変えるようにしてもよい。

単スタンド４Ｈｉの実験ミルを用いてコイル圧延を実施した。今回の実験では潤滑油基油としてパーム油を用い（エマルション濃度２％、プレートアウト長０．３ｍ、供給量片面１Ｌ／ｍｉｎ、板幅５０ｍｍ）、実験の条件範囲内であらかじめ予備実験にて供給効率を算出しておいた。圧延は加速して１５００ｍｐｍで１０分間の定常圧延を行い、減速して終了した。１本目のコイルに対して本モデルを適用（計算周期１秒）したところ、αは０．１１〜０．２３の間であった。推定油膜厚（今回は０．３８から０．４８μｍ）が目標油膜厚に一致するように供給量を変化させながら圧延した。目標油膜厚はこれまでの操業で得られた焼付き疵発生限界時の油膜厚とした。本モデルを用いた場合、焼付き疵等の問題もなく圧延できた。

通常圧延でも圧延速度毎に供給量を変化させているが、テーブル値による大まかな制御を行っており、そのため本モデルのように常時焼き付き限界に近い状態で圧延を行っているわけではない。通常の操業で用いられているテーブル値で計算すると今回の実験による供給量は通常操業の９２％（板幅補正後）であることが判明し、本モデルによりトラブルなくコスト削減可能であることが確認された。

次に、供給効率を圧延中に計算しながら同様の実験を行った。供給効率推定モデルの精度検証も兼ねて圧延条件は板厚・板幅の組み合わせを変化させて２３本のコイルを圧延した。全コイルに関して焼付き疵の発生を含め圧延トラブルは生じなかった。前回と同様に通常操業時の供給量と比較すると、今回の実験では通常操業の９３%の供給量であったことが確認できた。圧延中の供給効率推定の場合についても効果が確認された。

エマルション供給量およびエマルション濃度をパラメーターとし、圧延速度と供給効率との関係の一例を示す線図である。 この発明の潤滑油供給方法を実施する圧延設備の一例を模式的に示す設備構成図である。

符号の説明

１ 鋼板
１０ 圧延機
１２ ワークロール
１４ バックアップロール
２０ エマルションタンク
２１ エマルション管
２２ エマルションポンプ
２３ エマルション流量調節弁
２５ 主管
３０ エマルションヘッダー
３２ 回転継手
３４ エマルションノズル
４０ 冷却水タンク
４１ 冷却水管
４２ 冷却水ポンプ
４３ 冷却水流量調節弁
４５ 冷却水ヘッダー
４６ 冷却水ノズル
５０ 潤滑制御装置
５２ 油膜厚計

Claims (6)

1. エマルション潤滑による冷間圧延における潤滑油供給方法において、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度、プレートアウト長、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる定数（供給効率）と、前記特定圧延潤滑条件時に実現されるニート潤滑時の油膜厚とから、前記特定圧延潤滑条件時のエマルション潤滑で実現される油膜厚を推定し、前記推定油膜厚が目標油膜厚に一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御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. エマルション潤滑による冷間圧延における潤滑油供給方法において、圧延中の荷重、出側板速度、ロール速度を検出し、圧下スケジュールから得られる入側板厚と出側板厚と荷重と出側板速度とロール速度から摩擦係数を逆算し、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度、プレートアウト長、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる定数（供給効率）と前記摩擦係数との関係を圧延材材質毎に予めテーブル化しておき、前記特定圧延潤滑条件時の摩擦係数を前記供給効率から求め、摩擦係数が目標値と一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御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。
3. エマルション潤滑による冷間圧延における潤滑油供給方法において、出側板速度、ロール速度を検出して先進率を算出し、ある特定の圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度、プレートアウト長、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の時に得られる定数（供給効率）と前記先進率との関係を圧延材材質毎に予めテーブル化しておき、前記特定圧延潤滑条件時の先進率を前記供給効率から求め、先進率が目標値と一致するようにエマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度およびプレートアウト長のうちの少なくとも１つを制御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。
4. 圧延機出側に油膜厚計を設置し、油膜厚計測定値と前記油膜厚推定値との差を検出し、差が存在するときに当該圧延潤滑条件によって特定される前記供給効率を周期的に補正しながらエマルション潤滑の油膜厚を推定する請求項１記載の潤滑油供給方法。
5. 前記特定圧延潤滑条件時に得られる供給効率が、圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、エマルション温度、プレートアウト長、圧延材幅またはロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の関数である請求項１〜４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。
6. 前記供給効率が、
   α=ｈemu／ｈneat
   ただし、α：供給効率（圧延速度、エマルション供給量、エマルション濃度、プレートアウト長、エマルション温度、圧延材幅またはワークロール胴長、圧延荷重、圧延材の材質および潤滑油の種類の関数）
   ｈemu：特定の圧延潤滑条件のもとで実現されるエマルション潤滑の油膜
   厚
   ｈneat：特定の圧延潤滑条件のもとで実現されるニート潤滑の油膜厚
   である請求項５記載の冷間圧延における潤滑油供給方法。

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