JP2011201959A - 冷間圧延用クーラント - Google Patents

Abstract

【課題】 エマルション圧延油と同程度の潤滑性を発揮するとともに、安定したクーラント特性を有し、洗浄性能に優れたソリューション型の冷間圧延用クーラントを提供する。
【解決手段】クーラントに、平均分子量が500〜5000であり、分子中のエチレンオキシドの総分子量が全体の分子量の5.0〜15.0質量％であるポリアルキレングリコールを、2.0〜30.0質量％含有させる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、金属帯の冷間圧延に用いるソリューション型クーラントに関する。

冷間圧延では、圧延ロールと金属帯の潤滑および冷却の２つの性能が重要である。潤滑は、ワークロールと金属帯との間（ロールバイト）の摩擦係数を下げて、圧延荷重を低減する性能である。また、冷却は、ロールバイトでの摩擦発熱や加工発熱によって圧延ロールや金属帯の過度な温度上昇を防止するために必要な性能である。
これらの潤滑・冷却性能を発揮させるために、鋼板等の金属帯の冷間圧延においては、鉱物油、天然油脂、合成エステル等の不水溶性油剤基油（圧延油）を、界面活性剤で水に希釈したエマルションが、クーラントとして広く用いられている。このエマルションは、O/W型（水中油滴型）のエマルションとして使用され、例えば、上記の不水溶性油剤基油と水とを予め混合・攪拌することにより、不水溶性油剤基油を平均粒径が5〜15μm程度の油滴として1〜10質量％程度含有するエマルション（以下、圧延油エマルションともいう）とし、クーラントタンクから金属帯やロールバイトに供給される。

圧延油エマルションを、金属帯やロールバイトにスプレー等により供給すると、金属帯表面やロールバイト入口において水が排除され且つ油膜を形成し（このような現象をプレートアウトという）、この油膜がロールバイトにおける潤滑性能を向上させる。また、ロールバイトに形成される油膜が厚いほど潤滑性能は向上し、たとえ硬質な金属帯であっても高圧下の圧延が可能となる。

しかしながら、圧延油エマルションは、潤滑性能を確保する上では有効であるものの、劣化腐敗、スラッジ発生、圧延設備の汚れ、冷却効果の低下等の問題が避けられない。
圧延油の使用量ならびに廃液量の低減化を図るため、クーラントタンクから金属帯やロールバイトに供給された圧延油エマルションは循環使用されることが多いが、金属帯やロールバイトに供給された圧延油エマルションには冷間圧延によって発生する摩耗粉等が混入し、また、加工熱により加熱される。そのため、循環使用される圧延油エマルションは、乳化状態等が経時的に変化し、その特性が劣化する。また、油分を栄養源とする微生物が発生することにより、圧延油エマルションが腐敗する場合がある。
更に、圧延油エマルションを、スプレー等により金属帯やロールバイトに供給すると、圧延油エマルションに摩耗粉等が混入してスラッジを発生させるとともに、スプレーした圧延油エマルションやスラッジが圧延設備およびその周辺に飛散して付着する。そのため、圧延設備およびその周辺を定期的に洗浄する必要があるが、劣化した圧延油エマルションやスラッジは粘性が高いため、圧延設備等に付着したこれらの圧延油エマルションやスラッジは、容易に洗浄することができず、作業環境の悪化を招く。加えて、圧延油エマルションが圧延ロールなどに油膜を形成するため、冷却効果が阻害される。

圧延油エマルション以外の冷間圧延用のクーラントとしては、例えば特許文献１に開示されているようなソリューション型のクーラントが知られている。ソリューション型のクーラントは、潤滑成分が水に溶解したものであるため、摩耗粉等との分離性が高い。すなわち、冷間圧延によって発生する摩耗粉等がソリューション型のクーラントに混入しても、クーラントと摩耗粉等とは容易に分離するため、スラッジの発生が抑制されるとともに、クーラント特性の安定性に優れる。また、ソリューション型のクーラントは、洗浄性能にも優れているため、圧延により発生する摩耗粉、スラッジや余分な潤滑剤を洗い流す作用を有し、圧延後の金属帯表面に残留する潤滑成分を極めて少なくすることもできる。更に、クーラントが圧延設備およびその周辺に飛散した場合であっても、圧延油エマルションとは異なりソリューション型のクーラントは粘性が低いため、容易に除去することができる。

特開平１０−６０４６８号公報

しかしながら、従来のソリューション型のクーラントは、圧延油エマルションに比べて潤滑性能が著しく劣り、金属帯の冷間圧延を行うに際し、圧延荷重を十分に低減することができない。そのため、従来のソリューション型のクーラントは、調質圧延等の軽圧下圧延には適用可能であるものの、通常のタンデム圧延等、高圧下圧延を伴う冷間圧延に適用する上では改善の余地が見られた。

本発明は、上記した従来技術が抱える課題を有利に解決するものであり、冷間圧延用クーラントに関し、圧延油エマルションと同程度の潤滑性能を発揮するとともに、安定したクーラント特性を有し、洗浄性能に優れたソリューション型のクーラントを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明者らは、ソリューション型のクーラントの潤滑性能向上を図る手段について鋭意検討した。その結果、ソリューション型のクーラントに関し、水溶液に含有される潤滑剤の種類、分子量、並びに、その含有量の適正化を図ることにより、ソリューション型のクーラント特有の有利な特性を損なうことなく、圧延油エマルションと同程度の潤滑性能が得られることを知見した。また、上記潤滑剤の曇点を適正範囲とすることにより、クーラント特性の変化を有効に利用した冷間圧延が可能であることを知見した。

本発明は上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は次のとおりである。
（１）平均分子量が500〜5000であり、分子中のエチレンオキシドの総分子量が全体の分子量の5.0〜15.0質量％であるポリアルキレングリコールを、2.0〜30.0質量％含有することを特徴とする冷間圧延用クーラント。
（２）（１）において、前記ポリアルキレングリコールの1.0質量％水溶液における曇点が30〜80℃であることを特徴とする冷間圧延用クーラント。

本発明によれば、金属帯等の冷間圧延において、ソリューション型のクーラントを用いた場合であっても、十分な潤滑性能が発揮される。そのため、圧延油エマルションで問題とされたスラッジ発生や圧延設備の汚れを起こすことなく、圧延油エマルションと同様に薄鋼板等の高圧下圧延が可能となり、産業上格段の効果を奏する。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、タンデム圧延機、リバース圧延機等、通常公知の冷間圧延をはじめ、あらゆる冷間圧延を対象とする。また、本発明における冷間圧延の対象（金属帯）は、主として普通鋼、高炭素鋼、ステンレス鋼等の鉄系材料からなる薄鋼板であるが、アルミニウム、銅などの非鉄金属の冷間圧延に適用することもできる。

クーラントとは、冷間加工における加工発熱や摩擦発熱に起因する金属帯や圧延ロールの温度上昇を抑制し、ヒートスクラッチ等の欠陥を防止するための冷却液であるが、冷間圧延においては冷却性能だけでなく、潤滑性能をも併せ持ったものを意味する。
冷間圧延では圧延油エマルションを用いるのが一般的であるが、本発明では、潤滑剤が水に溶解するソリューション型のクーラントを対象とする。先述のとおり、ソリューション型のクーラントによると、圧延油エマルションが抱える劣化腐敗、スラッジ発生、圧延設備の汚れ等の問題を有利に解決できるためである。

本発明のクーラントは、水溶液中に、潤滑剤としてポリアルキレングリコールを含有するものである。
ポリアルキレングリコールは、ポリグリコール、ポリエーテル、ポリアルキレンオキサイドとも呼ばれ、エチレンオキシド(EO)やプロピレンオキシド(PO)などのアルキレンオキシド(AO)を開環重合させることにより得られる重合物である。この重合物は、主としてブレーキ液や難燃性作動油等に使用されている合成潤滑剤であって、その重合度やアルキル基等を変化させることによって、各種の粘度グレードに調整可能であり、水溶性のものから非水溶性のものまで、幅広い特徴を有する重合物を得ることができるものである。

本発明においては、クーラントに含有されるポリアルキレングリコールの平均分子量を500〜5000とする。ポリアルキレングリコールは、一般に平均分子量が大きいほど粘度が増加し、粘度指数も高くなる傾向を示す。そのため、ポリアルキレングリコールの平均分子量が大きいほど、クーラントの粘度が上昇し、金属帯への付着量が向上して圧延荷重の低減効果を発揮する。ポリアルキレングリコールの平均分子量が500未満である場合には、上記効果を十分に発現することができない。一方、ポリアルキレングリコールの平均分子量が5000を超えると、ロールバイトに導入される潤滑剤が過剰となり、スリップが生じて圧延の安定性が妨げられる。したがって、ポリアルキレングリコールの平均分子量を500〜5000とする。好ましくは、1000〜2500である。

なお、本発明におけるポリアルキレングリコールの種類は特に限定されず、例えば、オキシプロピレン単位からなるブロック部分の両端にオキシエチレン単位からなるブロック部分が結合された構造を有するもの（ノーマルブロック型共重合体）や、オキシエチレン単位からなるブロック部分の両端にオキシプロピレン単位からなるブロック部分が結合された構造を有するもの（リバースブロック型共重合体）を用いることができる。

本発明において特記すべき点は、上記ポリアルキレングリコールとして、その分子中のエチレンオキシドの総分子量が、ポリアルキレングリコール全体の分子量の5.0〜15.0質量％であるポリアルキレングリコールを用いる点である。ポリアルキレングリコール中のエチレンオキシドは親水基として機能し、洗浄性能の向上を図る上で有効に作用する。そのため、ポリアルキレングリコールに占めるエチレンオキシドの割合を適正化することにより、クーラントが圧延設備およびその周辺に飛散した場合であっても、容易に洗浄することができる。
エチレンオキシドの総分子量がポリアルキレングリコール全体の分子量の5.0質量％未満の場合には、ソリューション型クーラントとしての優れた洗浄性能、脱脂性能が低下し、上記効果を十分に発現することができない。一方、エチレンオキシドの総分子量がポリアルキレングリコール全体の分子量の15.0質量％を超えると、冷間圧延のように高速高面圧の厳しい条件下では十分な潤滑膜を形成することができない。よって、本発明においては、ポリアルキレングリコール分子中のエチレンオキシドの総分子量を、ポリアルキレングリコール全体の分子量の5.0〜15.0質量％とする。好ましくは7.0〜13.0質量％である。

本発明のクーラントは、上記ポリアルキレングリコールを2.0〜30.0質量％含有する水溶液とする。潤滑剤としてのポリアルキレングリコール濃度が2.0質量％未満と低くなると、冷間圧延に必要な潤滑性能を十分に確保することができないためである。一方、ポリアルキレングリコール濃度が高まるにつれて潤滑性能は向上するが、その濃度が30.0質量％超と過剰になると潤滑剤の消費量が増加して経済的に不利となる。そのため、ポリアルキレングリコール濃度は30.0質量％以下とする。好ましくは10.0〜20.0質量％である。

クーラントには、上記ポリアルキレングリコール以外の添加成分として、潤滑性能の向上を目的としたカルボン酸またはその塩を適宜添加してもよい。また、酸化防止剤、極圧添加剤、水溶性防錆剤等を添加することもできる。酸化防止剤としては、フェノール系酸化防止剤、アミン系酸化防止剤等を用いることができる。極圧添加剤としては、塩素化油脂、塩素化脂肪酸エステル等の塩素化化合物、硫化油脂、アルキルポリサルファイド等の合成硫黄化合物やリン化合物、有機金属塩化合物等を用いることができる。水溶性防錆剤としては、脂肪族モノカルボン酸等の脂肪酸類に、塩基性物質としてアルカノールアミン等を加えたものを用いることができる。更に、必要に応じて防腐剤や界面活性剤を添加したものを用いてもよい。なお、クーラント中に含有されるポリアルキレングリコール以外の前記添加成分は、合計で0.1〜5.0質量％程度とすることが好ましい。より好ましくは合計で0.2〜2.0質量％程度である。

本発明においては、ポリアルキレングリコールとして、1.0質量％水溶液における曇点が30〜80℃であるものを用いることが好ましい。
曇点とは、溶液温度を上昇させた場合において、急激に溶解度が低下して白濁化する温度である。本発明においては、ポリアルキレングリコールを1.0質量％含有する水溶液の温度を変化させ、目視によって白濁を確認した温度を曇点とする。

本発明において、曇点を有する水溶液を冷間圧延用クーラントに用いるのは、曇点未満の温度域と曇点以上の温度域とではクーラント特性が異なる特徴、すなわち、曇点を堺にクーラント特性が変化する特徴を利用するためである。
曇点未満の温度域においては、ポリアルキレングリコールが水に溶解している。そのため、潤滑剤の金属帯表面への付着性は低下し、ロールバイトへ導入される潤滑剤の量は抑制されるものの、優れた洗浄性能を発揮する。また、潤滑剤が圧延ロールに付着する現象が抑制され、圧延ロールを効率的に冷却することが可能となる。
一方、曇点以上の温度域においては、ポリアルキレングリコールの水への溶解度が低下し、潤滑剤の金属帯表面への付着性が向上することから、ロールバイトへ導入される潤滑剤の量を増加させることができ、高速圧延や高圧下圧延時の焼付きを抑制することが可能となる。特に、生産性を高めるために圧延速度を高めると、加工発熱等による金属帯の温度上昇が顕著になり、圧延ロールと金属帯との焼付きが生じ易くなる。しかしながら、係る場合においても、金属帯からの熱伝達により、ロールバイトへ導入されたクーラントの温度が上記曇点以上の温度に上昇すれば、ロールバイトへ導入される潤滑剤の量も増加するため、焼付きの発生を抑制する効果が得られるという利点がある。

上記曇点が30℃未満である場合には、通常の圧延速度を行う場合の加工発熱による温度域においても大量の潤滑剤がロールバイトへ導入され、金属帯とロールとのスリップによる表面欠陥を発生させる危険性が高くなる。一方、曇点が80℃を超えると、高速圧延によって金属帯の温度が上昇した場合においても、ロールバイトへ導入される潤滑剤の量が増加しないため、焼付きの発生を効果的に抑制することができない。よって、本発明に用いるポリアルキレングリコールとしては、その1.0質量％水溶液における曇点が30〜80℃であるものが好ましい。より好ましくは30〜65℃である。

タンデム圧延機を用いて冷間圧延を行った。
冷間圧延は、板厚1mmの普通鋼を被圧延材とし、ワークロール径：φ500mm、ワークロール素材：5％Cr鍛鋼、ワークロール表面粗さRa：0.2μm、最終スタンドの圧延速度：1200m/minの条件で、ソリューション型のクーラントをロールバイトに供給しながら行い、圧延荷重の大小により潤滑性能を評価した。
用いたクーラントに含有されたポリアルキレングリコールの種類、平均分子量、ポリアルキレングリコール分子中のエチレンオキシド(EO)の総分子量がポリアルキレングリコール全体の分子量に占める割合（質量％）、並びに、ポリアルキレングリコール1.0質量％水溶液における曇点を表１に示す。クーラントは、表１に示す各種ポリアルキレングリコールを、表１に示す濃度（クーラント中のポリアルキレングリコール含有量（質量％））、で水と混合し、温度65℃に加熱してロールバイトに向けてスプレー供給した。

一方、本発明の効果を確認するために、冷間圧延において通常使用されている圧延油エマルションを用いて冷間圧延を行った。使用した圧延油エマルションは、合成エステル60％、天然油脂30％、高級脂肪酸5％から構成された基油に、ノニオン系界面活性剤2％および極圧添加剤等3％を含む原液を、濃度2〜10％で65℃の水に希釈して、攪拌機によって攪拌し、エマルション平均粒径が8μmになるように調整したものである。なお、圧延油エマルションを使用した以外は、ソリューション型のクーラントを用いた場合と同様の条件で冷間圧延を行った。

上記圧延油エマルションを用いて冷間圧延を行った結果、鋼板（普通鋼の被圧延材）の単位幅あたりの圧延荷重は6.0〜8.0kN/mmであった。したがって、ソリューション型のクーラントを用いた実施例において、圧延油エマルションを用いた場合における圧延荷重（6.0〜8.0kN/mm）と同程度の圧延荷重であれば、十分な潤滑性能を有するものと評価した。評価結果を表１に示す。
更に、上記冷間圧延により得られた圧延後の鋼板表面を目視観察し、焼付きの有無を確認した結果を表１に示す。

また、溶剤で脱脂して表面を清浄化した普通鋼板表面に、摩耗粉の混入したスラッジ：5g/m²をほぼ均一に塗布し、表１に示す各種クーラントを流量：0.4L/minで板面垂直方向（板面垂線に平行な方向）から1分間噴射した後、金属帯表面を目視で観察した。金属帯表面にスラッジが確認されなかったものを「洗浄性能：良好」と評価した。評価結果を表１に示す。

表１から明らかであるように、本発明例では、ソリューション型のクーラントを用いた場合であっても、圧延油エマルションを用いた場合と同等の圧延荷重であり、焼付きが効果的に抑制され、優れた潤滑性能を具えていることが確認された。また、本発明例が、ソリューション型のクーラント特有の優れた洗浄性能を有することも確認された。

Claims (2)

1. 平均分子量が500〜5000であり、分子中のエチレンオキシドの総分子量が全体の分子量の5.0〜15.0質量％であるポリアルキレングリコールを、2.0〜30.0質量％含有することを特徴とする冷間圧延用クーラント。
2. 前記ポリアルキレングリコールの1.0質量％水溶液における曇点が30〜80℃であることを特徴とする請求項１に記載の冷間圧延用クーラント。