Lubricant film modelling in the inlet zone for cold strip rolling lubrication by emulsions
Modélisation du film lubrifiant dans la zone d'entrée, pour la lubrification par émulsion en laminage à froid.
Résumé
When using an emulsion as a lubricant, one often observes a speed range with stable working conditions, namely friction remains approximately constant. But at higher speeds in some cases, above a critical speed in the m/s range, accelerating increases friction. As a consequence, the rolling mill cannot reasonably work at higher speed, limiting expected productivity gains. Why does friction increase, and how to avoid it?To answer this question, we try to relate global observations in strip rolling (“average friction”, Reich et al.) and lubricant film thickness measurements by Zhu et al. in a rather different context: Elasto-Hydrodynamics (EHD). Indeed, we consider that the behaviour observed in EHD provides a viable explanation to emulsion behaviour in strip rolling.To confirm this analogy between two sharply different situations, we turned to modelling. It is necessary to analyze the mechanisms which contribute to the formation of the lubricant film in both cases. The literature offers two kinds of diphasic thin lubricant film models: Szeri's and Wilson's. We completed and coupled them, noting that each may represent correctly the conditions prevailing in the diverse parts of the contact. In lubrication, the model developed shows that emulsification-related properties, such as the size of the oil droplets and their capacity to wet the solid surfaces and form a significant "plate – out film", are much more influential than oil-related properties (viscosity).
Lors de l'utilisation d'une émulsion en tant que lubrifiant, au-delà d'une plage de fonctionnement stable où le frottement reste à peu près constant, il existe souvent une vitesse critique de quelques m/s, au-delà de laquelle accélérer provoque une hausse du frottement. En conséquence, les lamineurs ne peuvent raisonnablement laminer pour des vitesses supérieures à cette vitesse critique. Les gains de productivité se voient ainsi plafonnés. Pourquoi cette augmentation, et comment pourrait-on l'éviter ?Pour répondre à cette question, nous avons d'abord mis en relation des mesures globales en laminage (frottement moyen, Reich et al.) avec des mesures d'épaisseur de film lubrifiant faites par Zhu et al. dans un contexte assez différent : l'Elasto-HydroDynamique (EHD). En effet, le comportement observé en EHD nous a paru susceptible de fournir une bonne explication au comportement relevé en laminage.Conforter cette analogie entre deux situations nettement différentes passe par la modélisation. Il faut cerner les mécanismes qui concourent à la formation du film lubrifiant dans les deux cas. Nous avons donc repris des modèles de la littérature : celui de Szeri et celui de Wilson. Nous les avons complétés et couplés, après avoir constaté que chacun devait représenter de manière satisfaisante les conditions régnant dans les diverses parties du contact.En matière de lubrification, le modèle développé montre que la taille des gouttes d'huile et la capacité qu'elles ont de s'adsorber, de former un plate-out conséquent constituent des paramètres nettement plus influents que la viscosité.
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