JP4547845B2

JP4547845B2 - 管路内におけるエマルジョンの流速設定方法

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Publication number: JP4547845B2
Application number: JP2001275511A
Authority: JP
Inventors: 雄介飯田; 謙岡本; 浩治川島; 克彦加藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2003080307A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油を水で希釈してなるエマルジョンが管路内を流れ、前記エマルジョンの一部が前記管路に設けられたノズルから噴射されるようになっているる管路内におけるエマルジョンの流速設定方法、特に、冷間圧延において圧延油を水で希釈してエマルジョン状態で供給する際に用いられるスプレーヘッダの外管と内管との間の管路内を流れるエマルジョンの流速設定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷間圧延における圧延機の圧延ロールと被圧延材との間の摩擦を低減させて被圧延材の加工を容易にしたり、被圧延材の表面をきれいな製品となるように仕上たりするため、例えば、図５に示す圧延油供給装置が使用される（特公平７−９０２５１号公報参照）。
【０００３】
この圧延油供給装置において、圧延油は給油配管１０４から給油制御ポンプ１０６，１０６’を介してスプレーヘッダ１０２，１０２’の内管１０９，１０９’の中央部へ直接供給されるようになっている。一方、希釈水は、給水配管１０５から給水制御ポンプ１１１を介してスプレーヘッダ１０２，１０２’の内管１０９，１０９’の両端へ直接供給されるようになっている。
【０００４】
そして、このようにスプレーヘッダ１０２，１０２’に供給された希釈水は、図６に示すように、端部１１３、エジェクタ部１１４、胴部１１８、絞り部１１６を通って中央拡大部１１７に至る。一方、圧延油は、絞り部１１６を経由して中央拡大部１１７に至り、ここで希釈水と混合されてエマルジョンとなるようになっている。
【０００５】
このエマルジョンは、中央拡大部１１７に形成された連通孔１１０を通って外管１０８，１０８’と内管１０９，１０９’との間の管路内に至り、管路内を流れてその一部が各ノズル１０３，１０３’から被圧延材１０１の表面や裏面に噴射される。又、ノズル１０３，１０３’から噴射されなかったエマルジョンは、エジェクタ部１１４の機能により、孔１１５を通って胴部１１８へ導かれる。胴部１１８へ導かれたエマルジョンは、希釈水と混合され、その後、絞り部１１６を経由して再び中央拡大部１１７へ導かれ、ここで圧延油と混合されて新たなエマルジョンとなる。以後、同様の循環動作が繰り返され、スプレーヘッダ１０２，１０２’に装着されている全てのノズル１０３，１０３’から略同一濃度のエマルジョンが噴出されるようになっている。全てのノズル１０３，１０３’から略同一濃度のエマルジョンを噴出することにより、被圧延材１０１の幅方向において圧延油の塗布量が均一になり、被圧延材１０１の形状が適切になるように圧延できるとともに、被圧延材１０１と圧延ロールの焼付き疵の発生を防止することができる。なお、図５において、符号１０７，１０７’は給油制御モータ、１１２は給水制御モータである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の圧延油供給装置にあっては、以下の問題点があった。
即ち、エマルジョンが、中央拡大部１１７に形成された連通孔１１０を通って外管１０８，１０８’と内管１０９，１０９’との間の管路内の中央部から端部へ流れるに際して、エマルジョンの一部が各ノズル１０３，１０３’から噴射されるため、エマルジョンの流速が中央部から端部にかけて低下し、このエマルジョンの流速の低下に起因して内管１０９，１０９’及び外管１０８，１０８’の端部管壁に油成分に起因する異物が付着し、配管詰まりを起こすことがあった。この配管詰まりが発生すると、エマルジョンの循環動作が円滑に行われず、ノズル１０３，１０３’からのエマルジョンを均一濃度で噴射することが困難となっていた。
【０００７】
従って、本発明は上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、油を水で希釈してなるエマルジョンが流れる管路内におけるエマルジョンの流速を所定条件で調整して、油成分に起因する管壁への異物の付着を防止することができる、管路内におけるエマルジョンの流速設定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、流速の低下に起因する管壁への異物の付着を良好に防止できる、管路内におけるエマルジョンの流速の条件の設定に先立って、流速の低下による何に起因して異物が管壁に付着するかを鋭意研究した。その結果、油と希釈水とを混合し、油を水で希釈してなるエマルジョンが流れる管路内の流速の低下した端部において、管壁付近の層流底層厚みがエマルジョン中の油粒子径よりも厚い場合に異物が管壁に付着することを知見した。
【０００９】
即ち、図７に示すように、エマルジョンが、連通孔１１０を通って外管１０８と内管１０９との間の管路内の中央部から端部へ流れるに際して、エマルジョンの一部が各ノズル１０３から噴射されるため、エマルジョンの流速は中央部から端部にかけて低下する。即ち、エマルジョンの流速Ｖは、スプレーヘッダ中央部のノズル１０３₁に対応する長手方向位置Ｐ₁におけるＶ₁から端部に向かうに従って低下し、最端部のノズル１０３₂、１０３₃に対応する長手方向位置Ｐ₂、Ｐ₃においてＶ₂、Ｖ₃となる。このエマルジョンの流速Ｖが低下すると、逆に層流底層の厚みδは厚くなり、この厚みδは、スプレーヘッダ中央部のノズル１０３₁に対応する長手方向位置Ｐ₁におけるδ₁から端部に向かうに従って厚くなり、最端部のノズル１０３₂、１０３₃に対応する長手方向位置Ｐ₂、Ｐ₃においてδ₂、δ₃となる。ここで、「層流底層」とは、配管内壁付近の流速低下により、層流が保たれる領域をいう。この流速Ｖの低下した長手方向位置Ｐ₂、Ｐ₃において、図７（Ｂ）に示すように、層流底層厚みδ₂、δ₃がエマルジョン中の油粒子径Ｒよりも厚い場合に異物が管壁に付着したのである。ここで、「油粒子径」とは、水エマルジョンとして管路に供給された油（圧延油）のエマルジョン粒径をいう。
【００１０】
従って、本発明はこの知見に基づいてなされ、請求項１に係る発明は、油を水で希釈してなるエマルジョンが管路内を流れ、前記エマルジョンの一部が前記管路に設けられたノズルから噴射されるようになっている管路内におけるエマルジョンの流速設定方法であって、前記エマルジョンの流速を、前記管路内の層流低層厚みが油粒子径よりも薄くなるように調整することを特徴としている。
【００１１】
この流速設定方法によれば、管路内のあらゆる部分、特に流速の低下する管路内の端部において、管路内の層流低層厚みが油粒子径よりも薄くなるようにエマルジョンの流速が調整され、油成分に起因する異物の管壁への付着が防止され、配管詰まりが回避される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る管路内におけるエマルジョンの流速設定方法が適用される圧延油供給装置の構成図である。図２は図１に示す圧延油供給装置に使用されるスプレーヘッダの断面図である。図３（Ａ）は図２に示したスプレーヘッダの概略図、図３（Ｂ）は本発明によるスプレーヘッダの長手方向位置に対するエマルジョンの流速及び層流底層厚さの関係と、層流底層厚さと油粒子径との関係とを示したグラフである。
【００１３】
図１に示した圧延油供給装置は、冷間圧延における圧延機の圧延ロール（図示せず）と被圧延材１との間の摩擦を低減させて被圧延材１の加工を容易にしたり、被圧延材１の表面をきれいな製品となるように仕上げたりするために使用されるものであり、この圧延油供給装置において、圧延油は給油配管４から給油制御ポンプ６，６’を介してスプレーヘッダ２，２’の内管１１，１１’の中央部へ直接供給されるようになっている。一方、希釈水は、給水配管５から給水制御ポンプ８を介してスプレーヘッダ２，２’の内管１１，１１’の両端へ直接供給されるようになっている。
【００１４】
そして、このようにスプレーヘッダ２，２’に供給された希釈水は、図２に示すように、端部１３、エジェクタ部１４、胴部１６、絞り部１７を通って中央拡大部１８に至る。一方、圧延油は、絞り部１７を経由して中央拡大部１８に至り、ここで希釈水と混合されてエマルジョンとなるようになっている。
このエマルジョンは、中央拡大部１８に形成された連通孔１２を通って外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内に至り、管路２０内を流れてその一部が各ノズル３，３’から被圧延材１の表面や裏面に噴射される。又、ノズル３，３’から噴射されなかったエマルジョンは、エジェクタ部１４の機能により、孔１５を通って胴部１６へ導かれる。胴部１６へ導かれたエマルジョンは、希釈水と混合され、その後、絞り部１７を経由して再び中央拡大部１８へ導かれ、ここで圧延油と混合されて新たなエマルジョンとなる。以後、同様の循環動作が繰り返され、スプレーヘッダ２，２’に装着されている全てのノズル３，３’から略同一濃度のエマルジョンが噴出されるようになっている。
【００１５】
ここで、エマルジョンが、中央拡大部１８に形成された連通孔１２を通って外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内の中央部から端部へ流れるに際して、エマルジョンの一部が各ノズル３，３’から噴射されるため、管路２０内のエマルジョンの流速は中央部から端部にかけて低下する。このため、このエマルジョンの流速の低下に起因して内管１１，１１’及び外管１０，１０’の端部管壁に油成分に起因する異物が付着し、配管詰まりを起こす虞れがある。
【００１６】
しかし、本実施形態にあっては、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内のエマルジョンの流速Ｖを、管路内の層流低層厚みδが長手方向のいずれにおいても油粒子径Ｒよりも薄くなるように調整するようにしている。
即ち、エマルジョンの流速Ｖは、スプレーヘッダ中央部のノズル３₁に対応する長手方向位置Ｐ₁におけるＶ₁から端部に向かうに従って低下し、最端部のノズル３₂、３₃に対応する長手方向位置Ｐ₂、Ｐ₃においてＶ₂、Ｖ₃となり、このエマルジョンの流速Ｖが低下すると、逆に層流底層の厚みδは厚くなり、この厚みδは、スプレーヘッダ中央部のノズル３₁に対応する長手方向位置Ｐ₁におけるδ₁から端部に向かうに従って厚くなり、最端部のノズル３₂、３₃に対応する長手方向位置Ｐ₂、Ｐ₃においてδ₂、δ₃となるが、この最も厚い層流低層厚みδ₂、δ₃であっても油粒子径Ｒよりも薄くなるように流速Ｖを調整する。
【００１７】
このエマルジョンの流速Ｖの調整は、給油制御ポンプ６，６’の給油制御モータ７，７’及び給水制御ポンプ８の給水制御モータ８’に接続された流速制御装置１９が、給油制御ポンプ６，６’及び給水制御ポンプ８の回転数を制御することにより、達成される。
以下、流速制御装置１９によるエマルジョンの流速Ｖの調整につき詳細に説明する。
【００１８】
一般に、「層流底層」とは、配管の内壁付近の流速の低下により層流が保たれる領域と定義され、図４の配管内の流速分布に示すように、層流底層厚さ（配管２０の内壁からの距離）δは、
【００１９】
【数１】

【００２０】
で表される。ここで、ａは流体平均深さ（ｍ）/ ４、Ｒｅはレイノズル数である。なお、図４中、符号ｖは配管内における流体の流速である。
そして、図２及び図３に示すようにスプレーヘッダが外管１０と内管１１とを有する二重管構造の場合には、前述のａ及びＲｅは、以下のように表される。
ａ：流体平均深さ（ｍ）/ ４
二重管において、ｍ＝（Ｄ−ｄ）/ ４ …（２）
従って、ａ＝（（Ｄ−ｄ）/ ４）/ ４＝（Ｄ−ｄ）/ １６ …（３）
ここで、Ｄは外管１０の直径、ｄは内管１１の直径である。
【００２１】
Ｒｅ：（Ｖ・Ｌ）/ ν
二重管において、Ｌ＝（Ｄ−ｄ） …（４）
従って、Ｒｅ＝（Ｖ・（Ｄ−ｄ））/ ν …（５）
ここで、Ｖは流れの代表速度（管路の場合、断面上の平均速度、いわゆる平均流速として可能）、Ｌは代表長さ（管路の場合、流体平均深さの４倍）、νは流体の動粘性係数である。
【００２２】
従って、図２及び図３に示すようにスプレーヘッダが外管１０と内管１１とを有する二重管構造の場合には、前述の層流底層厚さδは、
【００２３】
【数２】

【００２４】
となり、層流底層厚さδは平均流速Ｖ（この平均流速Ｖは、前述のエマルジョンの流速Ｖと同等である）の関数で表すことができる。
一方、「油粒子径」は、水エマルジョンとして管路に供給された油（圧延油）のエマルジョン粒径で定義され、このエマルジョン粒径の測定は、エマルジョン粒径測定装置、例えば、コールターカウンターなどを用いて粒径分布を測定することにより達成される。
【００２５】
流速制御装置１９は、前記（６）式で表された層流底層厚さδがエマルジョン粒径測定装置により測定された粒径分布における平均粒径の値よりも薄くなるようなエマルジョンの平均流速Ｖを決定し、この決定された平均流速Ｖでエマルジョンが外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内を流れるように、給油制御ポンプ６，６’及び給水制御ポンプ８の回転数を制御する。なお、エマルジョンの平均流速Ｖの決定に必要な外管１０，１０’の直径Ｄ、内管１１，１１’の直径ｄ、及び流体の動粘性係数νは、予め流速制御装置９に入力される。
【００２６】
これにより、外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内のあらゆる部分、特に流速の低下する管路２０内の端部において、層流低層厚みδが油粒子径Ｒ（前述の平均粒径の値）よりも薄くなるようにエマルジョンの平均流速Ｖが調整され、油成分に起因する異物の管壁への付着が防止され、配管詰まりが回避される。このため、エマルジョンの循環動作が円滑に行われ、ノズル３，３’からのエマルジョンを均一濃度で確実に噴射することができる。
【００２７】
なお、測定された粒径分布における油粒子径Ｒの範囲は、３〜５０μｍ程度であり、平均粒径は２５μｍである。このため、流速制御装置１９は、前記（６）式で表された層流底層厚さδが２５μｍよりも薄くなるようなエマルジョンの平均流速Ｖを決定し、この決定された平均流速Ｖでエマルジョンが外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内を流れるように、給油制御ポンプ６，６’及び給水制御ポンプ８の回転数を制御することが好ましく、これにより油成分に起因する異物の管壁への付着が防止され、配管詰まりが回避される。より好ましくは、最小粒径近傍の値である３μｍよりも薄くなるエマルジョンの平均流速Ｖとなるように前記給油制御ポンプ６，６’及び給水制御ポンプ８の回転数を制御する。これにより、外管１０，１０’と内管１１，１１’との間の管路２０内のあらゆる部分、特に流速の低下する管路２０内の端部において、層流低層厚みδが油粒子径Ｒの最小粒径近傍の値である３μｍよりも薄くなるようにエマルジョンの平均流速Ｖが調整され、油成分に起因する異物の管壁への付着が確実に防止される。
【００２８】
以上、本発明の実施実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、種々の変更を行うことができる。
例えば、本実施形態にあっては、油を水で希釈したエマルジョンが流れる管路は、外管１０と内管１１との間の管路２０、即ち二重管の管路としてあるが、単一の配管内の管路としてもよい。
【００２９】
また、流速制御装置１９によるエマルジョンの流速Ｖの調整に際しては、管路２０内のエマルジョンの流速、特に管路２０の端部におけるエマルジョンの流速を流速測定装置により測定し、この流速測定装置により測定された流速と前記決定された平均流速Ｖとを比較し、流速測定装置により測定された流速の前記決定された平均流速Ｖに対する偏差分をなくすようなフィードバック制御を行ってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る管路内におけるエマルジョンの流速設定方法によれば、エマルジョンの流速を、管路内の層流底層厚みが油粒子径よりも薄くなるように調整するので、管路内のあらゆる部分、特に流速の低下する管路内の端部において、管路内の層流低層厚みが油粒子径よりも薄くなるようにエマルジョンの流速が調整され、油成分に起因する異物の管壁への付着を防止し、配管詰まりを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る管路内におけるエマルジョンの流速設定方法が適用される圧延油供給装置の構成図である。
【図２】図１に示す圧延油供給装置に使用されるスプレーヘッダの断面図である。
【図３】（Ａ）は図２に示したスプレーヘッダの概略図、（Ｂ）は本発明によるスプレーヘッダの長手方向位置に対するエマルジョンの流速及び層流底層厚さの関係と、層流底層厚さと油粒子径との関係とを示したグラフである。
【図４】（Ａ）は配管内の流速分布を示す模式図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ａ部分の拡大図である。
【図５】従来の圧延油供給装置の構成図である。
【図６】図５に示す圧延油供給装置に使用されるスプレーヘッダの断面図である。
【図７】（Ａ）は図６に示したスプレーヘッダの概略図、（Ｂ）は従来技術によるスプレーヘッダの長手方向位置に対するエマルジョンの流速及び層流底層厚さの関係と、層流底層厚さと油粒子径との関係とを示したグラフである。
【符号の説明】
１被圧延材
２，２’ スプレーヘッダ
３，３’ ノズル
３₁ 中央部のノズル
３₂ 最端部のノズル
３₃ 最端部のノズル
４給油配管
５給水配管
６，６’ 給油制御ポンプ
７，７’ 給油制御モータ
８給水制御ポンプ
９給水制御モータ
１０，１０’ 外管
１１，１１’ 内管
１２連通孔
１３端部
１４エジェクタ部
１５孔
１６胴部
１７絞り部
１８中央拡大部
１９流速制御装置
２０管路
２１配管
δ 層流底層厚み
Ｒ油粒子径

Claims

油を水で希釈してなるエマルジョンが管路内を流れ、前記エマルジョンの一部が前記管路に設けられたノズルから噴射されるようになっている管路内におけるエマルジョンの流速設定方法であって、
前記エマルジョンの流速を、前記管路内の層流底層厚みが油粒子径よりも薄くなるように調整することを特徴とする管路内におけるエマルジョンの流速設定方法。