JP2009506891A - 金属ストリップの圧延時、特に、冷間圧延時におけるロールと金属ストリップの潤滑及び冷却方法 - Google Patents
金属ストリップの圧延時、特に、冷間圧延時におけるロールと金属ストリップの潤滑及び冷却方法 Download PDFInfo
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Abstract
金属ストリップ（２）の圧延時、特に、冷間圧延時におけるロール（３，４，５，６）と金属ストリップ（２）の潤滑及び冷却方法において、入側（７ａ）では、水の含有量が大きくなく粘度を制御された最小限の量の清浄な潤滑剤（９）を、物理的な計算モデル（２２）にもとづき、多数のプロセスデータ（２３）に従って、持続的にオンラインで計量して塗布することと、出側（８ａ）では、同じく物理的な計算モデル（２２）に対して、前記と同じプロセスデータ（２３）をオンラインで採用することを提案する。
Description
本発明は、金属ストリップの圧延時、特に、冷間圧延時におけるロールと金属ストリップの潤滑及び冷却方法であって、少なくとも入側での潤滑剤と出側での冷却剤が噴射により塗布され、潤滑、洗浄、不活性化作用を有する材料又はガス（媒体）、或いはそれらを組み合わせた物が圧延ストリップの下側と圧延ストリップの上側、及び／又は下方のワークロール又は上方のワークロールに供給される方法に関する。
特許文献１により、そのような冷間圧延時におけるロールと圧延材の冷却及び潤滑方法が周知である。その場合、圧延ストリップにおける部分的な引張応力又はロールと圧延ストリップ間の挟持条件に応じて、特殊な乳化技術によるオイル相を含むオイルと水の乳濁液を投入するとともに、乳化媒体を投入する量と種類を調整している。この欠点は、水の含有量が大きく多くのオイルを塗布し過ぎて、そのため完成した鋼鉄ストリップに錆が出るか、或いは非鉄金属ストリップに被膜が出来る虞が有ることである。多くのオイルを塗布し過ぎることは、追加の作業工程によって、再び除去しなければならない程の量のオイルが金属ストリップ上に残留することを意味する。更に、廃棄物の処理によって、環境汚染も起こる場合、製造コストが一層増大することとなる。
更に、特許文献２により、塑性変形させるために室温で逆方向に駆動されているロール間のロール間隙を通して圧延材を通過させる金属製圧延材の冷間圧延方法が周知であり、その場合ロール間隙の領域には、冷却液の代わりに不活性ガスが吹き付けられおり、不活性ガスの温度は、例えば、液体窒素の場合のように、室温を下回っており、圧延材の温度よりも低い。
ドイツ特許第０３６７９６７号明細書
ドイツ特許第１９９５３２３０号明細書
本発明の課題は、プロセス工程の削減によって、より高い品質の金属製圧延ストリップのより多くの生産を達成し、安定した圧延プロセス、特に、ロール間隙における摩擦調整によって、ストリップ品質の改善を可能とすることである。
この設定された課題は、本発明にもとづき、入側では、水の含有量が大きくなく粘度を制御された最小限の量の清浄な潤滑剤を、物理的な計算モデル（２２）にもとづき、次のプロセスデータ、即ち、
圧延ストリップの速度、
圧延ストリップの品質、
圧延ストリップの平坦性、
圧延ストリップの表面品質（例えば、オンラインで測定した圧延ストリップの表面粗さ）、
圧延ストリップの引張応力、
（ワークロールと中間ロールの曲げ応力を含む）圧延力、
ワークロールの直径、
ワークロールの表面粗さ、
ロールの材料、
に従って、持続的にオンラインで計量して塗布することと、出側では、同じく物理的な計算モデルに対して、前記と同じプロセスデータをオンラインで採用することとによって解決される。
圧延ストリップの速度、
圧延ストリップの品質、
圧延ストリップの平坦性、
圧延ストリップの表面品質（例えば、オンラインで測定した圧延ストリップの表面粗さ）、
圧延ストリップの引張応力、
（ワークロールと中間ロールの曲げ応力を含む）圧延力、
ワークロールの直径、
ワークロールの表面粗さ、
ロールの材料、
に従って、持続的にオンラインで計量して塗布することと、出側では、同じく物理的な計算モデルに対して、前記と同じプロセスデータをオンラインで採用することとによって解決される。
これらの利点は、安定した圧延プロセスによってストリップの品質が改善されることであり、特に、ロール間隙における摩擦を調整することが可能となる。更に、その後のオイルの除去がもはや不要であり、それにより更なるプロセス工程が削減されることが有利である。最小限の潤滑とは、所望の製造品質を達成するのに必要なだけの潤滑剤を入側で塗布することを意味する。更に、オイル乳濁液のための廃棄物処理設備とそのコストが不要となる。入側でのオンラインによる潤滑剤の計量によって、固定のプロセス量（例えば、材料、ストリップ幅等）とパスの間に変化するプロセス量（例えば、ストリップ速度、圧延力、圧延トルク、先進率、ストリップ引張応力、ストリップ幅に渡るストリップ引張応力分布、ストリップ温度、ロール温度、ストリップ厚、圧下率）を持続的に考慮することが可能となる。更に、出側において、直ちに防腐剤（錆及びストリップへの付着物に対抗するための材料）を投入することができる。
本発明の改善構成は、物理的な計算モデルにおいて、次の事柄に関する量、即ち、
パス計画の構成に関する予測と最適化、
摩擦モデルによる潤滑剤の膜の評価、
温度モデル、
ロールの塑性変形、
機械的なロール間隙モデル、
表面品質を最適化するためのモデル、
圧延ロール、スキンパスロール、（様々なストリップ厚を形成する）可変ロールによる圧延プロセスに対する摩擦の調整、
流体力学モデル、
金属ストリップとワークロール間の表面粗さ形成モデル、
に関する量を考慮することである。
パス計画の構成に関する予測と最適化、
摩擦モデルによる潤滑剤の膜の評価、
温度モデル、
ロールの塑性変形、
機械的なロール間隙モデル、
表面品質を最適化するためのモデル、
圧延ロール、スキンパスロール、（様々なストリップ厚を形成する）可変ロールによる圧延プロセスに対する摩擦の調整、
流体力学モデル、
金属ストリップとワークロール間の表面粗さ形成モデル、
に関する量を考慮することである。
これらの量は、機械的な効果と熱及び摩擦による効果を含む圧延プロセスの物理特性にもとづく計算モデルを用いて、それらからロール間隙でのロールと金属ストリップ上への媒体の塗布を目的通りオンラインで調整するために使用することができる。
別の実施形態は、計算モデルによる制御にもとづき、液体又は気体の潤滑剤及び冷却剤を塗布するために、圧延プロセスの間、次の可変の制御量、即ち、
体積流量、
圧力、
温度、
圧延ストリップ幅に渡っての投入量、
場合によっては、圧延ストリップの下側と圧延ストリップの上側に対する異なる投入量、
を与えるものと規定する。
体積流量、
圧力、
温度、
圧延ストリップ幅に渡っての投入量、
場合によっては、圧延ストリップの下側と圧延ストリップの上側に対する異なる投入量、
を与えるものと規定する。
これらの利点は、媒体を塗布するための制御量の速い調整の他に、例えば、相異なる作用を奏する媒体の混合比の変更、例えば、ロール間隙での摩擦を大幅に低下させる作用を奏する材料とロール間隙での摩擦に対する影響は小さいが、洗浄作用が大きい材料の混合を行うことができることである。
この場合、更に、物理特性にもとづくモデルのコンピュータプログラムに応じて、液体又は気体の媒体の混合比を変化させるのが有利である。
それに対して、別の実施形態は、圧延プロセスを開始する前に、コンピュータプログラムで処理するパス計画に対して、プロセスデータ、例えば、圧延力、ストリップ引張応力、ストリップ厚などを与えるものと規定する。
更に、本発明は、制御ループの設定のために、ストリップ厚、圧延材の延伸率、ストリップの平坦性、ストリップの表面粗さ、ストリップの表面品質の中の一つ以上に関するプロセスデータを採用するように構成される。
更に、改善構成は、金属ストリップ及び／又はワークロールにおける熱膨張を最適化するための予測を行うものと規定する。
製造設備の形式、粘度、温度挙動に応じて、潤滑剤の選定を行うことも有利である。
そして、金属ストリップの品質を改善するには、ワークロールの表面粗さを選定することによって、圧延ストリップの表面の最適化を行うことも有効である。
部分的な期間の間圧延速度を変化させる形で、前述の計算モデルを用いた措置を適用することも可能である。そうすることによって、
ストリップの（例えば、表面粗さ、光沢、その他の品質特性に関する）所望の表面の設定と、
ストリップの所望の平坦性の設定、
プロセスの安定性の保証（ストリップの破断防止）、並びに
媒体の有効活用、
が達成される。
ストリップの（例えば、表面粗さ、光沢、その他の品質特性に関する）所望の表面の設定と、
ストリップの所望の平坦性の設定、
プロセスの安定性の保証（ストリップの破断防止）、並びに
媒体の有効活用、
が達成される。
（例えば、ストリップ長に渡って異なるストリップ厚を達成するための冷間圧延法としての）所謂可変ロールに関して、潤滑が一定の場合、ストリップ長に渡って圧下率が変化するために、通常プロセス状態を大幅に変更することを考慮する。圧延力を大きく変化させることでは、ストリップの所望の平坦性を限定的にしか設定することができない。従って、圧下率が大きいフェーズにおいて、場合によっては、ストリップ引張応力を高めることと組み合わせて、ロール間隙における摩擦係数を小さく設定して、圧延力の低下によって、これらの効果を少なくとも部分的に補償することは有意義である。このプロセスは、物理特性にもとづく計算モデル（コンピュータプログラム）を用いて、前述した通り、別のプロセスパラメータへの依存性を考慮して行うことができる。
以下において、本発明の実施例を図面に図示して、詳しく説明する。
（例えば、様々な合金の重金属又は軽金属から成る）金属ストリップ２用の圧延スタンド１（図１）は、軸箱内でバックアップロール５，６の間に軸支された上方と下方のワークロール３，４を有する。図１は、四段式圧延スタンドを図示している。ここで述べる使用法は、例えば、六段式圧延スタンド、二十個のロールを用いたスタンド、二重圧延スタンドなどの全ての種類の圧延スタンドに適用することが可能である。金属ストリップ２は、入側７ａの巻き戻し機７から出側８ａの巻き取り機８に移送される。入側７ａでは化学的な合成物としての清浄な潤滑剤９が塗布され、出側８ａでは、冷却剤１０が噴射によって塗布される。潤滑剤９と冷却剤１０は、潤滑、洗浄及び不活性化作用を有する材料又はガス、或いはそれらを組み合わせた物から構成され、圧延ストリップの上側２ａと圧延ストリップの下側２ｂに供給される。入側７ａでの潤滑作用を有する物質は、水の含有量が大きくない、基油、圧延油、添加物を含む乳濁液で構成される。洗浄及び不活性化作用を有する材料は、低温不活性ガス、例えば、窒素や窒素とその他の材料を組み合わせた物から構成される。
この場合に使用される機器（図１）は、入側７ａの平坦性測定器１１ａと出側８ａの平坦性測定器１１ｂから構成される。
金属ストリップが通過する間、速度測定器１２を用いて、圧延ストリップの速度１３を計測するとともに、別の測定器を用いて、作用する力を計測しており、その結果例えば、アルミニウム、鋼鉄、真鍮、銅などのそれぞれ加工される金属の特性に対応して、圧延ストリップの品質１４を検知することができる。ストリップ厚１５は、金属ストリップ２の幅に渡って持続的に計測される。入側７ａには、圧延ストリップの下側２ｂと圧延ストリップの上側２ａに対して、潤滑剤９を目的通りの量と最小限の潤滑のための分布１７で供給するための噴射ノズル列１６が配置されている。圧延スタンド１には、そのような噴射ノズル列１６が、上方と下方のワークロール３，４及び上方と下方のバックアップロール５，６の潤滑のために配置されている。
出側８ａには、上方の噴射ノズル列１８と下方の噴射ノズル列１９が、冷却及び不活性化用窒素の塗布２０、場合によっては、それに代わって潤滑剤９の塗布２１のために配備されている。
全ての潤滑及び冷却用材料は、計算又は経験により算出される計算モデル２２のモデル計算値に応じて変更可能な量として決定され、それに対応する信号が、測定器と接続された制御機器内の各アクチュエーターに転送される。それによって、圧延プロセス、特に、冷間圧延プロセスは、摩擦状況の調整によって極めて柔軟なものとなる。変化するプロセスパラメータに潤滑剤の量を依存させることは、短い時間間隔で更新する形で実行することができる。そうすることによって、全体としてロール間隙における摩擦の調整が上手く実行されることとなる。この最小限の潤滑は、圧延プロセスで必要なだけの潤滑剤９を塗布することを特徴とする。この場合、所謂基油は、様々な化学的な基質から構成することができ、最小限の潤滑１７のための「媒体１」は、様々な等級ｘ，ｙの「媒体２」と混合して、例えば、粘度や潤滑能力などの最小限の潤滑１７に必要な特性を達成した「媒体ｎ」とすることができる。このプロセスに続いて、出側８ａでは、窒素の塗布及びそれに代わる潤滑剤の塗布が行われる。
図２には、これらに適したプロセスデータ２３が集約されており、「丸１」は、左から右に見て、速度測定器１２からのストリップ速度、その次にストリップ品質（例えば、抗張力）等々を纏めて含むことを示す。
ストリップ厚１５、ストリップ幅２４、平坦性測定器１１ａからのストリップの平坦性２５、ストリップの表面品質（表面粗さ）２６、ストリップの引張応力分布２７が有る。ストリップ引張応力２８は、平坦性測定器１１ａにより検出される。
圧延力２９のパラメータは、ロールの直径３０、ロールの表面粗さ３１、ロールの材料３２、圧延トルク３３、ロールの温度３４及び金属ストリップ２の圧下率３５から得られる。出側８ａにおいて、同様の値が規定される。
図３には、計算モデル２２に関して考慮される個々の独立した設定パラメータが集約されており、それらにもとづく物理量からプロセスデータ２３が得られ、計算モデル２２では、別のサブ計算モデル（コンピュータプログラム）を援用している。
基本モデルによって、パス計画の構成３６を最適化する。潤滑剤の膜を評価するために、摩擦モデル３７を援用する。従来の知識にもとづき、温度モデル３８とロール３，４，５，６の塑性変形３９を取り入れる。同様に、機械的なロール間隙モデル４０（コンピュータプログラム）を考慮する。更に、表面品質を最適化するためのモデル４１を計算モデル２２に取り入れる。圧延プロセス４２に対する摩擦調整は、圧延ロールを考慮する場合、スキンパス時、或いは可変ロールの場合に対して行われる。更に、潤滑剤９の分布の流体力学モデル４３と（金属ストリップ２に対するロール表面の）表面粗さ形成モデル（コンピュータプログラム）４４を取り入れる。
計算モデル２２に対して与えられるパラメータから、圧延力２９とストリップ引張応力２８に関する設定パラメータ４５を演算する（図３の左部分）。ストリップ厚１５、ストリップの平坦性２５、及び表面粗さ、光沢、その他の表面特性に関するストリップの表面品質２６に対して、制御ループの個々の設定４６が行われるとともに、個々の圧延プロセスに対する摩擦を調整することによって、パス計画の最適化４７が行われる。
図３（右部分）には、出側８ａにおけるワークロール３，４と金属ストリップ２の熱膨張の予測４８と最適化を図示している。形式、粘度及び温度に応じた潤滑剤の決定４９を行っている。更に、ストリップの表面品質の最適化５０とワークロールの表面粗さに関する値の選定を取り入れている。
１ 圧延スタンド
２ 金属ストリップ
２ａ 金属ストリップの上側
２ｂ 金属ストリップの下側
３ 上方のワークロール
４ 下方のワークロール
５ 上方のバックアップロール
６ 下方のバックアップロール
７ 巻き戻し機
７ａ 入側
８ 巻き取り機
８ａ 出側
９ 清浄な潤滑剤
１０ 冷却剤
１１ａ （入側の）平坦性測定器
１１ｂ （出側の）平坦性測定器
１２ 速度測定器
１３ 圧延ストリップの速度
１４ 圧延ストリップの品質
１５ ストリップ厚
１６ 噴射ノズル列
１７ 最小限の潤滑の量、組成及び分布
１８ 上方の噴射ノズル列（窒素の塗布）
１９ 下方の噴射ノズル列（窒素の塗布）
２０ 窒素の塗布
２１ 代替潤滑剤の塗布
２２ 計算モデル（コンピュータプログラム）
２３ プロセスデータ
２４ ストリップ幅
２５ ストリップの平坦性
２６ ストリップの表面品質
２７ ストリップの引張応力分布
２８ ストリップの引張応力
２９ 圧延力
３０ ロールの直径
３１ ロールの表面粗さ
３２ ロールの材料
３３ 圧延トルク
３４ ロールの温度
３５ 圧下率
３６ パス計画の構成
３７ 摩擦モデル（コンピュータプログラム）
３８ 温度モデル（コンピュータプログラム）
３９ ロールの塑性変形
４０ 機械的なロール間隙モデル（コンピュータプログラム）
４１ モデル／表面品質
４２ 圧延プロセスに対する摩擦調整
４３ 流体力学モデル（コンピュータプログラム）
４４ 表面粗さ形成モデル
４５ 圧延力／ストリップ引張応力の設定パラメータ
４６ 第一レベルの制御システムの設定
４７ パス計画の最適化／調整
４８ 熱膨張の予測
４９ 潤滑剤の決定
５０ ストリップの表面／ワークロールの表面粗さの最適化
２ 金属ストリップ
２ａ 金属ストリップの上側
２ｂ 金属ストリップの下側
３ 上方のワークロール
４ 下方のワークロール
５ 上方のバックアップロール
６ 下方のバックアップロール
７ 巻き戻し機
７ａ 入側
８ 巻き取り機
８ａ 出側
９ 清浄な潤滑剤
１０ 冷却剤
１１ａ （入側の）平坦性測定器
１１ｂ （出側の）平坦性測定器
１２ 速度測定器
１３ 圧延ストリップの速度
１４ 圧延ストリップの品質
１５ ストリップ厚
１６ 噴射ノズル列
１７ 最小限の潤滑の量、組成及び分布
１８ 上方の噴射ノズル列（窒素の塗布）
１９ 下方の噴射ノズル列（窒素の塗布）
２０ 窒素の塗布
２１ 代替潤滑剤の塗布
２２ 計算モデル（コンピュータプログラム）
２３ プロセスデータ
２４ ストリップ幅
２５ ストリップの平坦性
２６ ストリップの表面品質
２７ ストリップの引張応力分布
２８ ストリップの引張応力
２９ 圧延力
３０ ロールの直径
３１ ロールの表面粗さ
３２ ロールの材料
３３ 圧延トルク
３４ ロールの温度
３５ 圧下率
３６ パス計画の構成
３７ 摩擦モデル（コンピュータプログラム）
３８ 温度モデル（コンピュータプログラム）
３９ ロールの塑性変形
４０ 機械的なロール間隙モデル（コンピュータプログラム）
４１ モデル／表面品質
４２ 圧延プロセスに対する摩擦調整
４３ 流体力学モデル（コンピュータプログラム）
４４ 表面粗さ形成モデル
４５ 圧延力／ストリップ引張応力の設定パラメータ
４６ 第一レベルの制御システムの設定
４７ パス計画の最適化／調整
４８ 熱膨張の予測
４９ 潤滑剤の決定
５０ ストリップの表面／ワークロールの表面粗さの最適化
Claims (10)
- 金属ストリップ（２）の圧延時、特に、冷間圧延時におけるロール（３，４，５，６）と金属ストリップ（２）の潤滑及び冷却方法であって、少なくとも入側（７ａ）での潤滑剤（９）と出側（８ａ）での冷却剤（１０）が噴射により塗布され、潤滑、洗浄、不活性化作用を有する材料又はガス（媒体）、或いはそれらを組み合わせた物が圧延ストリップの下側（２ｂ）と圧延ストリップの上側（２ａ）、及び／又は下方のワークロール（４）又は上方のワークロール（３）に供給される方法において、
入側（７ａ）では、水の含有量が大きくなく粘度を制御された最小限の量の清浄な潤滑剤（９）を、物理的な計算モデル（２２）にもとづき、次のプロセスデータ（２３）、即ち、
圧延ストリップの速度（１３）、
圧延ストリップの品質（１４）、
圧延ストリップの平坦性（１１ａ，１１ｂ）、
圧延ストリップの表面品質（２６）、
圧延ストリップの引張応力（２８）、
圧延力（２９）、
ワークロールの直径（３０）、
ワークロールの表面粗さ（３１）、
ロールの材料（３２）、
に従って、持続的にオンラインで計量して塗布することと、
出側（８ａ）では、同じく物理的な計算モデル（２２）に対して、前記と同じプロセスデータ（２３）をオンラインで採用することと、
を特徴とする方法。 - 物理的な計算モデル（２２）に対して、次の事柄に関する量、即ち、
パス計画の構成に関する予測と最適化、
摩擦モデル（３７）による潤滑剤の膜の評価、
温度モデル（３８）、
ロール（３，４，５，６）の塑性変形、
機械的なロール間隙モデル（４０）、
表面品質を最適化するためのモデル（４１）、
圧延ロール、スキンパスロール、可変ロールによる圧延プロセスに対する摩擦調整（４２）、
流体力学モデル（４３）、
金属ストリップ（２）とワークロール（３，４）間の表面粗さ形成モデル（４４）、
に関する量を考慮することを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 計算モデル（２２）による制御にもとづき、液体又は気体の潤滑剤（９）及び冷却剤（１０）を塗布するために、圧延プロセスの間、次の可変の制御量、即ち、
体積流量、
圧力、
温度、
圧延ストリップの幅（２４）に渡っての投入量、
場合によっては、圧延ストリップの下側（２ｂ）と圧延ストリップの上側（２ａ）に対する異なる投入量、
を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 - 物理特性にもとづくモデルのコンピュータプログラム（２２）に応じて、液体又は気体の媒体の混合比を変化させることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
- 圧延プロセスを開始する前に、パス計画に対して、プロセスデータ（２３）、例えば、圧延力（２９）、ストリップ引張応力（２８）、ストリップ厚（１５）などを与えることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
- 制御ループの設定のために、ストリップ厚（１５）、圧延材の延伸率、ストリップの平坦性（２５）、ストリップの表面粗さ、ストリップの表面品質（２６）の中の一つ以上に関するプロセスデータ（２３）を採用することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
- 金属ストリップ（２）及び／又はワークロール（３，４）における熱膨張を最適化するための予測（４８）を行うことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
- 製造設備の形式、粘度、温度挙動に応じて、潤滑剤の選定を行うことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
- ワークロールの表面粗さを選定することによって、圧延ストリップの表面の最適化（５０）を行うことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法。
- 部分的な期間の間圧延速度を変化させる形で、当該の計算モデル（２２）を用いた措置を適用することを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
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