JP4102356B2

JP4102356B2 - 冷間圧延設備および冷間圧延方法

Info

Publication number: JP4102356B2
Application number: JP2004325779A
Authority: JP
Inventors: 利幸白石; 義久高濱; 茂小川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP2006136888A

Description

本発明は、エマルション圧延潤滑油を用いて金属ストリップを冷間圧延する冷間圧延設備および冷間圧延方法に関する。

近年、ユーザーのさまざまな製品要求に応じるため、冷間タンデム圧延機では小ロット多品種の製造を余儀なくされるようになった。通常、このような小ロット多品種は厚手系ミルと呼ばれるタンデム冷間圧延機で顕著であり、一般に厚手系ミルはリサーキュレーション潤滑が採用されている。一方、ブリキに代表される薄手系ミルと呼ばれるタンデム冷間圧延機では生産性の向上や製造コストの低減が要求されており、一般にこのような薄手系ミルはダイレクト潤滑が採用されている。いずれのミルにおいても水と圧延潤滑油とを混合したエマルション圧延潤滑油が使用されている。

図４は、一般的なリサーキュレーション潤滑を行なう冷間圧延機を示している。圧延機は図４に示すように上、下ワークロール１、１’および上、下バックアップロール２、２’からなる４重圧延機である。これらのワークロール１、１’にはスピンドルが連結されており、電動機（いずれも図示しない）によって駆動されている。金属ストリップ３は、例えば鋼板である。

また、図示してはいないが形状制御手段として上、下ワークロールチョックを支点として上、下ワークロール１、１’の垂直方向の撓みを制御するためのインクリースおよびディクリースベンダー力を付与することが可能なベンダー装置が具備されている。

この４重圧延機の入側に、入側第１ノズル５、５’および入側第２ノズル４、４’がそれぞれ金属ストリップ３の上、下に配置されている。入側第１ノズル５、５’は、エマルション潤滑油をワークロール１、１’および金属ストリップ３に供給する。入側第１ノズル５、５’からのエマルション潤滑油はロールバイト入口に向けて供給されおり、ワークロール１、１’と金属ストリップ３との間の潤滑、およびこれらの冷却を行なう。従って潤滑供給装置である入側第１ノズルは圧延機の入側のロールバイト入口から上流に０ｍｍの位置で金属ストリップ３の表裏面にエマルション潤滑油を供給するように配置されている。入側第２ノズル４、４’は、エマルション潤滑油をワークロール１、１’およびバックアップロール２、２’に供給する。入側第２ノズル４、４’からのエマルション潤滑油は、ワークロール１、１’とバックアップロール２、２’の潤滑や清浄およびこれらの冷却を行なう。

４重圧延機の出側に、出側第１ノズル６、６’および出側第２ノズル７、７’がそれぞれ金属ストリップ３の上、下に配置されている。出側第１ノズル６、６’は、エマルション潤滑油をワークロール１、１’および金属ストリップ３に供給する。出側第１ノズル６、６’からのエマルション潤滑油は、ワークロール１、１’および金属ストリップ３を冷却する。出側第２ノズル７、７’は、エマルション潤滑油をワークロール１、１’およびバックアップロール２、２’に供給する。出側第２ノズル７、７’からのエマルション潤滑油は、ワークロール１、１’およびバックアップロール２、２’を洗浄、冷却する。

エマルション潤滑油は上述のように冷却作用以外に潤滑油供給箇所によって潤滑及び／または洗浄など異なる作用を果たすが、供給箇所にかかわらずそれぞれ同じエマルション潤滑油を用いている。

リサーキュレーション潤滑による従来の冷間圧延方法で、異なる多品種の製品を圧延する場合、多様な潤滑条件に応えるために多量のエマルション潤滑油を供給する必要がある。特に変形抵抗が高い金属ストリップを高速度で圧延する場合や、変形抵抗が高くない金属ストリップでも高圧下かつ高速度で圧延する場合などには、ヒートスクラッチと呼ばれる焼き付き傷が発生する。このヒートスクラッチを防止するために、合成エステル等を基油とした圧延潤滑油が開発されているが、一般にこのような圧延潤滑油は高価であり製造コストの上昇をもたらす。また、ダイレクト潤滑による従来の圧延方法で、高速度で圧延する場合にもヒートスクラッチが問題となり、これを防止するために高価な耐焼き付き性に優れた添加剤を混入することを余儀なくさせられている。

上記の問題を解決するために、既存の圧延潤滑油でもその効果を十二分に発揮させることできれば油原単位を向上でき製造コストは低減できるため、潤滑供給技術の検討が行われている。例えば、特許文献１では、エマルション潤滑油の温度をスプレ−ノズルの直近に設置された熱交換器により制御する方法は有効であるものの、リサーキュレーション潤滑で鋼のような金属ストリップを高速で圧延する場合には通常１スタント゛当たり数ｍ³/minもの大量のエマルション潤滑油の温度を制御する必要があるので適用が困難であり、かつ非常に大がかりな設備になるものと予想される。また、ダイレクト潤滑の場合にはリサーキュレーション潤滑に比べて潤滑油のエマルション圧延潤滑油の供給量は少なく上記の問題は小さいものの、やはり設備コストの増大およびメンテナンスのため作業の煩雑さを新たに招くこととなる。
一方、特許文献２ではエマルション潤滑油を圧延入側の離れたところで板面に供給する方法が開示されている。この技術では潤滑油の油膜が圧延前に除去されてしまうことがあり、必ずしも安定して摩擦係数を下げられなかった。
特開平０７−３０３９０３号公報特開２０００−９４０１３号公報

本発明は上述した問題を解決するものであって、エマルション潤滑において既存のエマルション潤滑油の濃度および温度条件でもその効果を十二分に発揮することができる冷間圧延設備および冷間圧延方法を提供することを課題としている。

本発明の第１の冷間圧延設備は、圧延機入側において少なくとも金属ストリップに圧延潤滑油を供給しながら冷間圧延する３スタンド以上の冷間タンデム圧延設備において、各スタンドの圧延機入側のロールバイト入口から上流に１００ｍｍ以上７００ｍｍ以下の位置で金属ストリップ表裏面にエマルション潤滑油を供給する潤滑供給装置を配置するとともに後スタンドほどその距離を長くしたことを特徴としている。

本発明の第２の圧延設備は、上記本発明の第１の冷間圧延設備において、前記潤滑供給装置が圧延方向に移動が可能及び／または前記潤滑供給装置が圧延方向に回転が可能な装置であることを特徴としている。

本発明の第１の圧延方法は、上記本発明の第１または第２の冷間圧延設備における冷間圧延方法において、金属ストリップを冷間圧延する際、該金属ストリップの先進率を測定または推定し、該先進率の測定値または推定値が予め設定する先進率の範囲内に収まるように、前記潤滑供給装置の移動量、回転角度、潤滑油供給量のうち１つまたは２つ以上を制御する前記潤滑供給装置が圧延方向に移動が可能及び／または前記潤滑供給装置が圧延方向に回転が可能な装置であることを特徴とする冷間圧延設備することを特徴としている。

本発明の第２の圧延方法は、圧延機入側において少なくとも金属ストリップに圧延潤滑油を供給しながら冷間圧延する冷間圧延方法において、圧延機の入側のロールバイト入口から上流に１００ｍｍ以上７００ｍｍ以下の位置で金属ストリップ表裏面にエマルション潤滑油を供給する潤滑供給装置を配置し、前記潤滑供給装置が圧延方向に移動が可能及び／または前記潤滑供給装置が圧延方向に回転が可能な装置であるとし、金属ストリップを冷間圧延する際、該金属ストリップの先進率を測定または推定し、該先進率の測定値または推定値が予め設定する先進率の範囲内に収まるように、前記潤滑供給装置の移動量及び回転角度のいずれかまたは両方を制御することを特徴としている。

本発明では、金属ストリップを冷間圧延する際に、圧延機の入側のロールバイト入口から上流に１００ｍｍ以上７００ｍｍ以下の位置で金属ストリップ表裏面にエマルション潤滑油を供給する潤滑供給装置を配置する。これにより、ロールバイトに導入される圧延潤滑油の効率が大幅に向上するため、高価な圧延潤滑油や添加剤を用いることなく、焼付きやすい金属ストリップでも、潤滑油の種類、エマルション潤滑油の濃度および温度が同一の潤滑条件のもとで、種々の製品を安価で安定的に圧延、製造することができる。また、圧延時の金属ストリップの先進率を測定または推定し該先進率の測定値または推定値が予め設定する先進率の範囲内に収まるように、前記潤滑供給装置の移動量または回転角度を制御することによって、潤滑過多によるスリップ及びチャタリング等並びに潤滑不足によるヒートスクラッチを防止することができる。
なお、通常の圧延条件では接触弧張は１０〜２０mm程度で圧延条件によって変化するが上記値（１００ｍｍ以上７００ｍｍ以下）に対しては小さいので、上ワークロール中心と下ワークロール中心とを結ぶ直線からの距離で代用しても良い。

図２は、本発明の冷間圧延設備の1実施の形態を示す構成図である。図２において、図４に示す装置、部材と同じものには同一の参照符号を付け、その詳細な説明は省略する。

入側第１ノズル５、５’は図２に示すように圧延機の入側のロールバイト入口から上流にＬｍｍ離れた位置で金属ストリップ表裏面にエマルション潤滑油を供給するように配置されている。

図示はしていないが、上記ノズルは圧延方向に移動または圧延方向に回転可能であり、移動量または回転角を制御することによって金属ストリップ表裏面にエマルションを供給する位置Ｌを変えることが可能である。

上記圧延設備を用いて、圧延実験を行い。エマルション供給位置と圧延荷重の関係を調査した。実験条件を表１に実験結果を図３にそれぞれ示す。図３において、荷重変化比とは各圧延速度で上記距離Ｌが零すなわちロールバイト入口に圧延潤滑油を供給する従来の技術の圧延荷重で上記距離Ｌ離れた際の圧延荷重を除した値である。従って、荷重変化比が１よりも小さいことは、従来よりも潤滑性が向上し圧延荷重が低下したことを示している。

図３より明らかなように、エマルション潤滑を金属ストリップ表裏面に供給する距離Ｌによって荷重変化比が変わっていることがわかる。すなわち距離Ｌが１００ｍｍ未満に短くても７００ｍｍ超に長くても圧延荷重は従来とあまり変わらないものの、適正な距離を確保すると圧延荷重は従来よりも低下する。低下する効果は圧延速度が高いほど大きく、また、荷重変化比の最小点を示す距離Ｌは圧延速度が高くなるにつれ長くなって行く。荷重変化比が１よりも小さい範囲は圧延速度にあまり関係すること無く、Ｌが１００〜７００mmの範囲である。この発見に基づいて本発明はなされた。

Ｌが短い場合に荷重変化比が小さくならない原因は主としてプレートアウトの形成時間の影響が考えられる。プレートアウト時間が長いほどエマルション中の油がストリップ表面に転着する効率が良くなるため潤滑性が向上するのである。
Ｌが長い場合に荷重変化比が小さくならない原因は主としてストリップ表面にのっているエマルション流体とプレートアウトした油膜との間の速度差に起因するせん断抵抗によってプレートアウトされた油が除去されるためである。
従って、プレートアウト形成効果とプレートアウトされた油の除去効果の組み合わせによってＬが０mmのように短かくても、８００ｍｍのように長くても圧延荷重低減効果が得られなくなり、最適値が生じる。

上記荷重変化比を制御する場合、すなわちプレートアウト量を制御する場合において、ロールバイトに導入された潤滑油の量またはプレートアウト量を直接測定することは非常に困難である。プレートアウト量に代わり潤滑性を推定できる測定値として、摩擦係数または先進率がある。しかしながら摩擦係数を求めるためには板厚や張力や圧延荷重等の多くの実測値と理論モデルを介しての計算が必要となり煩雑となる。先進率は摩擦係数にほぼ比例するが、摩擦係数そのものを表しておらず、同じ摩擦係数でも圧延条件によって先進率の値は変化するため、全ての圧延条件に単純には適用できないけれども、鋼種、圧延速度、圧下率に応じて好ましい先進率の範囲は容易に設定できるという利点がある。

先進率はワークロール周速および出側板速度の測定値により簡単に測定することができる。また、出側板速度の測定値がない場合でも入り側板速度とゲージメータ厚さから出側板速度を計算して先進率を推定することができる。この先進率を介して摩擦係数が好ましい範囲（先進率の範囲）に収まるように、上記距離Ｌまたは距離Ｌ及び潤滑供給量を制御する。ただしこの場合、上述したように鋼種や圧延スケジュールによって好ましい先進率は異なる。したがって、あらかじめ実験や操業実績などで求めたデータに基づいて、好ましい先進率を鋼種・圧下スケジュールごとにテーブルとして持つ必要がある。

本発明は、上記実施の形態に限られるものではない。例えば、金属ストリップは鋼板のみに限られるものではなく、電磁鋼、純チタン、ステンレス鋼などであってもよい。

使用した冷間タンデム圧延機は５スタンドの圧延機から構成されており、図１に示す、すべて同じ型式の４重圧延機である。ワークロール（1a〜1e、1a’〜1e’）は、直径が５００〜５６０ｍｍ（上、下ワークロールのペア差は０．１ｍｍ未満）、胴長が２２００ｍｍの鍛鋼ロールでヤング率は２０６kN/ｍｍ²である。ベンダー装置の最大ベンダー力は、４９０kN/chockである。バックアップロール（２〜２e、２a’〜２e’）は、直径が１４５０〜１５００ｍｍ（上下バックアップロールのペア差は１ｍｍ未満）、胴長が２２００ｍｍの鍛鋼ロールである。ロールバイト入口から距離Ｌ１〜Ｌ５ｍｍ離れた位置にノズル（５a〜５ｅ、５ａ’〜５e’）が鋼板３の表裏面にエマルションが供給するように配置されている。また、Ｌ１〜Ｌ５は後スタンドになるにつれて長くなるように配置され、その距離は順に２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００mm、３５０mm、４００ｍｍである。なお図示してはいないが最終スタンドのノズル（５ｅ、５ｅ‘）は圧延方向に移動可能（１００mmから７００ｍｍ）である。

鋼板３は１スタンド入側の耐力が２００MPa程度の低炭素鋼と呼ばれる金属ストリップである。エマルション潤滑油は、粘度が４０℃で６０cStの牛脂を基油とした圧延潤滑油を３％エマルションとし、５０℃で使用した。従来技術としては、上記圧延潤滑油と上記圧延潤滑油に焼き付き防止用の高価な添加剤を５％添加した圧延潤滑油を同じ条件で使用した。ただし、従来技術の場合にはＬ１〜Ｌ５は0mmすなわちロールバイト入口にエマルション潤滑油は供給された。

圧延時のワークロール周速度は、ワークロールを駆動する電動機に取り付けたパルスジェネレーターで電動機の回転数を検出し、ギア比およびワークロール径を用いて計算した。また、圧延機出側に配置したレーザードップラー方式の板速度計で圧延機出側の板速度を検出し、これら２つの検出値からリアルタイムで圧延時の先進率を計算した。
基準圧延条件を表２に示す。

従来技術：高価な添加剤が加えられた圧延潤滑油でＬが０ｍｍの場合、圧延速度１９００m/minまで焼き付きは発生しなかった。また、添加剤が無い場合には圧延速度１７００ｍ／ｍｉｎまで焼き付きは発生しなかった。

本発明：添加剤がない圧延潤滑油でＬが２００〜４００mmの場合、圧延速度2000m/minでも焼き付きは発生しなかった。しかしながら、同一コイルを同一スケジュールで多量に圧延すると特に最終スタンドのワークロール粗度落ちにより摩擦係数が低下して行き、コイル本数８２本目でスリップが生じた。そこで、最終スタンドの先進率の設定値を０．１〜３．０％とし、最終スタンドの先進率の測定値がこの目標値に入るように最終スタンドの潤滑供給装置の位置と潤滑油の流量を制御した。すなわち、スリップが生じるようなときは、摩擦係数を上げるために潤滑供給装置の位置を前にずらし、摩擦係数を上げ過ぎた時は元の位置まで戻し、これ以上に制御量が必要なときは潤滑油量を調整した。流量と位置の関係は予めこの鋼種で実験を行い、潤滑油供給ポンプの能力や洗浄性や潤滑性および出側の板温度等を考慮し最低の供給量（Ｑ_L）を決定した。潤滑油供給ポンプの最大供給量（Ｑ_H）と、距離をΔＬ（mm）移動する際に流量は
ΔＱ＝α＊（Ｑ_H−Ｑ_L）／６００＊ΔＬ（α：鋼種や圧延スケジュールによって実験から決定される定数：０．１〜０．６程度）だけ変化させた。
これにより、同一コイルを同一スケジュールで多量に圧延しても摩擦係数が低下しないので、コイル本数１５０本目でもスリップは生じなかった。

以上のことから明らかなように、従来技術では焼き付きのため圧延速度を規制するか、またはその規制を緩和するために高価な添加剤を添加する必要があったがヒートスクラッチそのものを防止することは困難であった。これに対し、本発明では高価な添加剤を添加しなくてもエマルション潤滑油を供給する位置を最適化することによって上記問題を解決することができ、生産性の向上および油原単位の低減を実現できた。さらに、本発明で先進率が目標値に入るように位置および流量を制御することによってスリップの発生も防止することができた。

本発明の冷間圧延設備を模式的に示す設備概略構成図である。本発明の入側第１ノズルの配置を示す模式図である。エマルション供給位置と圧延荷重の関係を示す関係図である。従来の冷間圧延設備を模式的に示す設備概略構成図である。

符号の説明

１、１’ 上、下ワークロール
２、２’ 上、下バックアップロール
３金属ストリップ
４、４’ 入側第２ノズル
５、５’ 入側第１ノズル
６、６’ 出側第１ノズル
７、７’ 出側第２ノズル

Claims

圧延機入側において少なくとも金属ストリップに圧延潤滑油を供給しながら冷間圧延する３スタンド以上の冷間タンデム圧延設備において、各スタンドの圧延機入側のロールバイト入口から上流に１００ｍｍ以上７００ｍｍ以下の位置で金属ストリップ表裏面にエマルション潤滑油を供給する潤滑供給装置を配置するとともに後スタンドほどその距離を長くしたことを特徴とする冷間圧延設備。
請求項１に記載の冷間圧延設備において、前記潤滑供給装置が圧延方向に移動が可能及び／または前記潤滑供給装置が圧延方向に回転が可能な装置であることを特徴とする冷間圧延設備。
請求項１または請求項２に記載の冷間圧延設備における冷間圧延方法において、金属ストリップを冷間圧延する際、該金属ストリップの先進率を測定または推定し、該先進率の測定値または推定値が予め設定する先進率の範囲内に収まるように、前記潤滑供給装置の移動量、回転角度、潤滑油供給量のうち１つまたは２つ以上を制御することを特徴とする冷間圧延方法。
圧延機入側において少なくとも金属ストリップに圧延潤滑油を供給しながら冷間圧延する冷間圧延方法において、圧延機の入側のロールバイト入口から上流に１００ｍｍ以上７００ｍｍ以下の位置で金属ストリップ表裏面にエマルション潤滑油を供給する潤滑供給装置を配置し、前記潤滑供給装置が圧延方向に移動が可能及び／または前記潤滑供給装置が圧延方向に回転が可能な装置であるとし、金属ストリップを冷間圧延する際、該金属ストリップの先進率を測定または推定し、該先進率の測定値または推定値が予め設定する先進率の範囲内に収まるように、前記潤滑供給装置の移動量及び回転角度のいずれかまたは両方を制御することを特徴とする冷間圧延方法。