高ESIブリキ用冷間圧延油の開発

Abstract

In the previous study, a cationic rolling oil containing cationic and non-ionic emulsifiers was developed and was used for sheet gauge rolling in a tandem mill.

In this study, the previously developed cationic rolling oil was further improved and applied to tinplate rolling, and it generated higher friction and pressure in the roll-bite than in sheet gauge rolling.

The improved oil was formulated with a special agent to enhance its lubricity during high-speed rolling, and its emulsion stability was also improved by adjusting the emulsifier. The emulsification stabilities and plate-out properties of conventional non-ionic, the previously developed cationic, and the improved cationic rolling oils were investigated on a laboratory scale. In the emulsification stability test, the average particle size of the improved cationic oil solution was found to be reduced to less than half that of the previously developed cationic oil. In addition, the amount of plate-out film of the improved oil was three times higher than that of the conventional non-ionic rolling oil at 170°C. The plate-out properties on high-temperature specimens at 200°C with and without the special agent were also verified.

Furthermore, the effectiveness of the improved oil was verified in an actual mill. The maximum rolling speed of improved oil was faster than that of the current rolling oil with nonionic emulsifier. Based on this result, the improved oil having better lubricity was confirmed.

In conclusion, the improved oil can be used for tinplate production to maintain stable coolant with a high level of ESI.

1. 緒言

水溶性冷間圧延油の供給方式には，ダイレクト方式(直接方式)とリサーキュレーション方式(循環方式)の2種類がある。このうちリサーキュレーション方式では，供給システム内にクーラントを循環させてロールバイトに安定供給せねばならないので，圧延により発生した鉄粉の混入やクーラントの温度変化といった外乱因子に対して，その平均粒子径を20 µm程度で安定化させる必要がある。クーラントの管理項目には濃度，酸価，ケン化価，鉄分量，油溶鉄分量，粒子径とその分布等多くの項目があり，これらを測定管理することにより安定な圧延操業を維持している。管理項目中にクーラントの乳化安定性を指す指標としてESI(乳化安定性:Emulsion Stability Index)¹⁾と呼ばれる指標がある。この指標はクーラントの油滴粒子径を測定する装置が高価であることから，粒子径測定の代替として用いられており，下式で定義される。

$$\text{ESI}\left(\%\right)=\frac{\text{15分静置後のクーラント下層濃度}}{\text{クーラントの全濃度}}*100$$

小さい粒子径でクーラント中に油滴が分散している場合，粒子径が小さいため浮上しにくく，クーラント採取直後の測定濃度と15分間静置後のクーラント下層濃度の差が小さくなるので，ESIは高くなる。反対に大きい粒子径が分散している場合，油滴の浮力が大きくなるので油は浮上しやすくなる。その結果，下層濃度が低くなるためにESIは低くなる。このようにESIを測定することで，ある程度の粒子径を知ることができる。

本報では3種類の圧延油を比較検討しており，それら圧延油組成および一般性状をTable 1に示した。前報²⁾では，外乱因子に対しての乳化安定性が，ノニオン系圧延油①と同等のカチオン系圧延油②を開発し，シートゲージ用タンデムミルに適用した。その結果，潤滑性，耐ミル汚れ性，原単位などの諸性能が，①と比べて良好な結果が得られたことを報告した。しかし，長期間現場で使用するにあたり，圧延操業に関しては問題ないものの，一部のクライアントからESIの変動幅が比較的大きいため，その変動幅が小さい圧延油の供給を要望されるようになった。ESIの変動幅が小さい圧延油は，乳化性が良好なため，濃度応答性が良く，浮上油も発生しにくいため，原単位に対しても有利に働く。また，ESIの変動幅が大きい圧延油に比べてクーラントの管理が容易であるという点もこの圧延油を要望される一因となっている。

Table 1. Composition of conventional and improvement oil.

	①	②	③
Base Oil	Synthetic Ester Vegetable oil	Vegetable oil	Synthetic Ester Vegetable oil
Nonionic Emulsifier	〇	〇	◎
Cationic Emulsifier	─	〇	〇
Extreme Pressure Agent	〇	〇	〇
Special Agent	─	─	〇
Others	〇	〇	〇
Viscosity 50°C cSt	39	33	33
Acid Value mgKOH/g	9	4	4
Saponification Value mgKOH/g	180	180	180

Fig.1には各種冷間圧延油のクーラントに分散する油滴の平均粒子径とESIの関係を示した。左上から小径ロールであるゼンジミアミル用圧延油，次に上に示したノニオン系冷間圧延油①とシートゲージ用カチオン系冷間圧延油②，最後にリサーキュレーション型或いはダイレクト型ブリキ用冷間圧延油と右下に向かって並ぶのが一般である。最近では，リサーキュレーション型のブリキ用冷間圧延油で2000 m/minを超える高速圧延を実現するために，ハイブリッド循環方式の潤滑方式も提案されている³⁾。Fig.1では右下に向かうほど，含有する乳化剤量が少なくなる傾向にあるため，平均粒子径は大きくなり，油滴表面に配位している乳化剤の間隔は広くなる。そのため，スプレー噴霧後の鋼板に対してプレートアウトされる油膜量⁴⁾が増え，圧延時ロール・鋼板間に導入される油膜量も増加し，良好な潤滑性が得られる⁵⁾。

Fig. 1.

Relationship between mean particle size and ESI. (Online version in color.)

タンデムミルでのブリキ材の圧延では，後段スタンドに進むに従って鋼板が高速になるため，鋼板へのエマルション噴霧効率が低下する。その結果エマルション噴霧による鋼板冷却性が低下することと，圧延での加工熱，ロール・鋼板間の摩擦熱とにより，鋼板の表面温度が上昇し150°Cを超えることもある⁶⁾。鋼板温度が鋼板へプレートアウトされる油膜量に及ぼす影響は非常に大きく，一般にノニオン系冷間圧延油では，100~150°Cまでは比較的効率良くプレートアウトされるが，150°Cを超えるとプレートアウト性は極端に悪くなる⁷⁾。このため，乳化性が安定である高ESIの圧延油では，後段スタンドでのロール・鋼板間には十分な油膜量が供給できず，鋼板損傷であるヒートスクラッチ⁸⁾が発生するためにブリキ材圧延を高速で安定操業することが難しかった。

本報では，前報で開発した圧延油②をベースとし，その乳化安定性を更に向上させ，より高いESIを示し，かつシートゲージ材よりも総圧下率が大きく高速域で圧延されるブリキ材まで圧延鋼種を広げて使用できるように圧延油③に改良した。改良後，実際にブリキ用タンデムミルに適用したので，その結果も併せて報告する。

2. 乳化安定性試験

緒言でも触れたように，実機で使用するにあたっては ESIの変動幅のより小さい乳化安定な圧延油が望まれる。そこでTable 1に示すサンプル③を用いてホモミキサーで乳化安定性試験を行い，外乱因子に対しての平均粒子径変化をサンプル②と比較した。乳化安定性試験条件をTable 2に示した。乳化試験は最初の30分間は新液のみで撹拌を行い，その後鉄粉(株式会社高純度化学研究所製「酸化鉄(Ⅱ Ⅲ)1 µm以下」)を500 ppm投入した後，さらに30分間撹拌を続けて，実験開始から5，15，30，60分後の平均粒子径を測定した。平均粒子径は，ホモミキサー(プライミクス株式会社製，「T.K.HOMOMIXIER MARKⅡ Model 2.5」)で強制撹拌し，コールターカウンター(BECKMANCOULTER社製「Multisizer 3」)にて測定された。外乱因子として希釈水の電気伝導度を0，100 µS/cmにそれぞれ調整したもの，クーラント温度を50°C，70°Cに変化させた場合について行った。用いた希釈水は，電気伝導度が0 µS/cmの場合は，イオン交換水を用い，100 µS/cmの場合は，イオン交換水と大和郡山工業用水(電気伝導度約200 µS/cm)を用いて調整した。

Table 2. Conditions for emulsification stability test.

Coolant Conc.	3%
Coolant Temp.	50°C
Electric Conductive	0, 100 μs/cm
Number of Rotation	5000 rpm
Fine Iron	500 ppm

クーラント温度が50°Cと70°Cの場合の攪拌時間に対する平均粒子径の関係をFig.2と3にそれぞれ示した。クーラント温度が50°Cの場合，Fig.2よりこれまでのカチオン系冷間圧延油②と比べると特殊添加剤を含む改良品③は，実験開始後5分で6~7 µmになり，その後鉄粉を加えて攪拌を続けても大きな変化はなく5 µm程度で安定し，乳化安定性が良好であった。クーラント温度が70°Cの場合でも，実験開始後5分で50°Cよりもやや小さい平均粒子径を示し，鉄粉を投入してから30分経った後でもその平均粒子径は5~6 µmで安定していた。改良品のESIは，電気伝導度0 µS/cmの希釈水の場合，クーラント温度が50°C，70°Cのいずれの場合でも90(%)以上の高い値であった。これは，ノニオン乳化剤の種類と量および特殊添加剤を添加して粒子径をコントロールした結果と考えられる。

Fig. 2.

Relationship between mean particle size and stirring time with homogenized mixer at 50°C.

Fig. 3.

Relationship between mean particle size and stirring time with homogenized mixer at 70°C.

3. プレートアウト性試験

ブリキ材のような非常に薄い鋼板を圧延するとき，その生産性を上げるために，最終スタンドに近づくほど鋼板速度は速くなる。そのため鋼板に噴霧されるクーラントの噴霧時間は非常に短くなるので，短時間噴霧のプレートアウト性を測定する必要がある⁹⁾。

短時間プレートアウト性を調べる試験機は，クーラントタンク(8 L)，ポンプ，エマルションを噴霧する部分からなり，クーラントは循環使用することができる。クーラント噴霧部には，シャッターが設置されており，シャッター部には窓があり(縦45 mm横115 mm)，ピンでとめたシャッターを落下させることにより，一定時間クーラントを鋼板に噴霧することができる⁸⁾。また，エマルションタンクにはヒーターが設置されており，クーラントの温度を一定に維持することができる。試験に用いた鋼板は，材質SPCC-SDで，その寸法は，厚み0.8 mm，幅80 mm，長さ100 mmのもので，試験前に中性洗剤にて洗浄し，メタノールとエチルエーテルに通したものを使用した。

従来型のノニオン系冷間圧延油①とカチオン系冷間圧延油②，特殊添加剤を含むカチオン系冷間圧延油③の3種類を用いて，鋼板温度を100，140，170°Cと変化させて短時間噴霧のプレートアウト性試験を行った。実験条件をTable 3に示す。希釈水にはイオン交換水を用いた。クーラント温度は50°Cで一定であった。スプレー噴霧圧と噴霧時間はそれぞれ0.2 MPa，0.1秒であった。鋼板にクーラントを噴霧した後，ただちにエアーブローをおこないプレートアウトせずに鋼板に残ったエマルションは除去した。実験時の圧延油①，②，③の平均粒子径は，それぞれ6.5 µm，7.3 µm，4.6 µmであった。

Table 3. Conditions for amount of plate-out oil film test.

Coolant Conc.	3%
Coolant Temp.	50°C
Spray Time	0.1 sec
Spray Pressure	0.2 MPa
Specimen Temp.	100, 140, 170°C

実験は各条件5回行い，中間値3点の平均値を算出した。その結果を Fig.4に示した。100°Cでは①と③の平均付着油量に差は見られない。140°Cでは②と③の2つの平均付着油量は増加している一方で，①の平均付着油量は若干減少している。170°Cでの平均付着油量の差が最も顕著で，③は平均付着油量が非常に多く，①と②の約3倍程度の平均付着油量となっている。このことから③を用いることで，後段スタンドで，シートゲージ材よりも鋼板温度が上昇すると考えられるブリキ材でも安定に圧延出来ると考えられる。

Fig. 4.

Relationship between amount of plate out film and specimen temperature.

4. 高温鋼板へのプレートアウト性について

これまでにも高温固体面上のO/Wエマルション液滴の挙動を観察したものがあり¹⁰⁾，改良油③の特殊添加剤を添加した系と添加していない系に関しても，高温の鋼板に対してプレートアウトする様子の違いを調査した。比較試験方法は，Fig.5に示したように試験片を加熱し，注射器で一滴クーラントを滴下させたときのプレートアウト挙動を調べた。クーラント作製等の試験条件をTable 4に示した。クーラントを滴下した鋼板の温度は，150，200°Cであり，温度測定には表面温度計を用いた。実験時の改良油③の特殊添加剤を添加した系と添加していない系の平均粒子径は，それぞれ5.2 µm，10.5 µmであった。

Fig. 5.

Observation method of plate-out behavior to high temperature specimen. (Online version in color.)

Table 4. Conditions for emulsion preparation in observing plate-out behavior.

Dilution Water	Ion-exchange water
Coolant Temp.	50°C
Coolant Volume	800 ml
Coolant Conc.	3%
Rolling Oil	With special emulsifier Without special emulsifier
Number of Rotation	6000 rpm
Mixing Time	10 min.
Amount of Dripping Coolant	A drop with syringe

鋼板温度が150，200°Cの場合にクーラントを滴下した時の連続写真をそれぞれFig.6，7に示した。プレートアウトの完了はFig.6，7共に写真右端の滴下したクーラント中の水分がほぼ蒸発した時点とした。鋼板温度が150°Cの場合，特殊添加剤を添加していないクーラントは，鋼板上で泡が膨らんだり縮んだりしながらプレートアウトしたため，その時間が10秒以上かかったのに対して，特殊添加剤を添加したクーラントは，滴下後，短時間でプレートアウトが完了した。

Fig. 6.

Compared “Without Special Agent” and “With Special Agent” at 150°C. (Online version in color.)

Fig. 7.

Compared “Without Special Agent” and “With Special Agent” at 200°C. (Online version in color.)

鋼板温度が200°Cの場合，特殊添加剤を含まないクーラントは滴下された後，水蒸気膜発生の影響で球状となり，鋼板上をあちらこちらに転がり，一定の場所に留まることが出来なかった。一方，特殊添加剤を含むクーラントは，その場に留まり，短時間で鋼板にプレートアウトしている様子が見て取れる。

Fig.8に実験後の鋼板写真を示した。クーラントを一滴滴下する試験を二度行ったため，滴下跡は二カ所観察され，同様の結果が得られた。特殊添加剤を含まないものは，どちらの温度でも鋼板上に油が偏在して付着していた。一方，特殊添加剤を含むものは，どちらの温度でも均一に鋼板付着していることが観察できた。

Fig. 8.

Comparison of plate out film in 150°C and 200°C. (Online version in color.)

Fig.6，7の結果から特殊添加剤を含まないクーラントがプレートアウトされる様子は，鋼板裏面に噴霧されたクーラントが鋼板に接触後，プレートアウトされる前に落下するため，油膜量が少なくなることを示唆していると考えられ，Fig.8の結果からは，特殊乳化剤を含むクーラントが，高温でのプレートアウト性，濡れ性が良好になることで，鋼板上に均一に付着することを示唆していると考えられる。

5. 改良油の実機への適用

5・1　圧延油組成

実機でのテストは南米の鉄鋼メーカーで行われた。圧延機は4Hi-4STD(4STDロール最高速度:1000 m/min)で主にブリキ材と亜鉛めっき材を圧延加工している。圧延可能な鋼板厚みは入側で1.8~4.8 mm，出側で0.18~2.5 mmで最大板幅は1320 mmあった。各スタンドの最高荷重はいずれも1600 tonであり，ロール径は495~545 mmであった。各スタンドのクーラント最大噴霧量は1スタンドでは700 L/minで，2スタンドから4スタンドでは3000~4000 L/minであった。クーラントシステム中に鉄粉除去装置はなく，圧延材の変更ごとにダンプアウトをしている。クーラントタンク容量は90000 Lであった。テストに用いた圧延油組成と新油での一般性状をTable 5に示した。基本的な添加剤の組み合わせは，これまでに述べた乳化安定性試験やプレートアウト性試験を行ってきた特殊添加剤を含む圧延油③と同一となっているが，この圧延油③のノニオン乳化剤に微調整を加え，さらに極圧剤を増量し¹¹⁾，実機テストに臨んだ。

Table 5. Composition of rolling oil used in an actual mill test.

	③	Test ④
Base Oil	Synthetic Ester Vegetable oil	Vegetable oil
Nonionic Emulsifier	◎	〇 ~ ◎
Cationic Emulsifier	〇	〇
Extreme Pressure Agent	〇	◎
Special Agent	〇	〇
Others	〇	〇
Viscosity 50°C cSt	33	40
Acid Value mgKOH/g	4	4.5
Saponification Value mgKOH/g	180	175

5・2　実機テスト結果

実機テスト時にESIを測定した結果，Test油④のESIは70~88%で乳化は非常に安定していた。また，クーラントの一般性状は濃度6.0~6.5%，ケン化価173~182 mgKOH/g，圧延により発生したクーラント中の鉄粉量の最高値は1588 ppmであった。

次に現行油(ノニオン牛脂系圧延油)とTest油④の潤滑性をブリキ材(板厚:1.8→0.187 mm，板幅:821 mm)の圧延で比較した場合，現行油の圧延平均速度は795 m/minで，Test油④の圧延平均速度は876 m/minであり，平均速度は10%程度Test油④の方が速く，現行油とTest油④の最高圧延速度は，それぞれ830 m/min，909 m/minであった。更にTest油④は，濃度を5.2%まで落としても(板厚:1.8→ 0.187 mm，板幅:821 mm)を850 m/minで安定に圧延することができており，現行油よりも耐ヒート性が良好であると推定出来る。このことから，Test油④はクライアントの生産性要求を満たしており，ブリキ材の圧延に問題なく使用出来ると判断された。

実機テスト終了後のミル内写真をFig.9に示した。試験前後でスカムなどの堆積物は見られず，良好な耐ミル汚れ性を示した。

Fig. 9.

Photograph after rolling test in an actual mill. (Online version in color.)

これまでに硬質ブリキ原板の圧延が可能となった報告では¹²⁾，良好な潤滑性と耐加水分解性をもつ合成エステルをベース油に使用している。一方，今回のTest油④は，油脂がベース油となっているが，カチオン乳化剤を使用することで，鉄粉を触媒とする加水分解を大幅に減らすことができたため，クーラント性状の経時変化が非常に安定し，特に酸価(新油の酸価は4.5 mgKOH/g)は使用中に10 mgKOH/g以上になることはなかった。

6. 結言

シートゲージ用冷間圧延油として開発したカチオン系冷間圧延油に特殊添加剤を添加し，乳化調整と極圧剤を増量することで，高ESIを示し，かつ鋼板種類をブリキ材にまで広げて使用できるように圧延油を改良した。

この改良油に関して，外乱因子を変化させた乳化安定性試験と鋼板温度を変えた場合のプレートアウト性試験をラボ試験でおこない，改良前に比べて優れていることを確認した。

また，実機テストにおいてもクーラントのESIを高く保った状態で，ブリキ材の圧延を行うことが出来た。今後はさらに圧延可能な鋼種を増やすべく，鋭意研究を重ねる。

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