JP2000042631A - 鋼板形状の予測方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱間圧延後冷却された鋼板を条切断加工する
際の、切断加工して得られる鋼板の形状を予測する方法
と装置を提供する。 【解決手段】 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前か
ら直後の間で、鋼板の表面および裏面の板長手方向にお
ける少なくとも一ヶ所の板幅方向温度分布を測定し、次
いでその板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算
し、次いで前記板幅方向温度分布と板厚方向温度分布よ
り前記鋼板冷却後の残留応力分布を演算し、次いでその
残留応力分布より鋼板切断後の鋼板形状を予測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間圧延後冷却さ
れた鋼板を条切断加工する際の切断加工して得られる鋼
板の形状を予測する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱間圧延鋼板、特に厚鋼板の製造におい
ては、加熱炉でのスラブ加熱、デスケーリングのための
高圧水噴射、制御圧延時の鋼板水冷、特に、圧延後に実
施される加速冷却によって鋼板の温度分布が不均一にな
り、冷却後の鋼板に残留応力が発生する。

【０００３】この残留応力の発生は、条切断加工、すな
わち鋼板を幅方向に数条に分割切断する際に生じる条切
りキャンバと呼ばれる横曲がりの原因となる。条切りキ
ャンバのある鋼板では、溶接作業が困難になる等の問題
があるため形状修正作業が必要となり、作業能率の低下
やコストの増大をもたらす。

【０００４】鋼板に生じた残留応力は、熱処理等で除去
することができるが、切断加工をおこなう全ての鋼板に
ついて熱処理等の残留応力除去処理を施すことは生産性
および製造コストの点からも実用的でない。

【０００５】したがって、条切り後に得られる鋼板のキ
ャンバ量を事前に推定することによって、所定量以下の
キャンバ量を持った製品か否かを判定する必要がある。
そこで、条切り後のキャンバ量を推定する種々の方法が
提案されている。

【０００６】例えば、特公平５−１６９２７号公報に
は、熱間圧延後の注水冷却制御工程の直後で鋼板表面の
２次元温度分布を測定し、板幅方向温度分布より少なく
とも板中央部と両端縁部の高、低温度差を示す特徴値を
求め、また板長手方向で複数区分に分割した各領域にお
ける２次元温度分布より鋼板表面温度の分散を示す特徴
値を求め、これらの特徴値より鋼板冷却後かつ条切り後
の板形状を推定する方法が提示されている。

【０００７】また、特公平４−８１２８号公報や特公平
４−８１２９号公報には、鋼板の温度分布を２次元的に
測定し、この測定した温度分布と、鋼板温度分布が均一
化した後の鋼板残留応力とを取り込んだ所定の推定式を
用いて、鋼板の複数の条切り位置についての条切り後の
変形量を推定演算し、得られた変形量の最大値が許容範
囲にあるか否かを判定する方法が提示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の特公平５−１６
９２７号公報、特公平４−８１２８号公報や特公平４−
８１２９号公報に開示された方法により、条切り後の鋼
板形状であるキャンバ量を推定することが可能となった
が、その推定値は必ずしも十分な精度ではない。特に、
鋼板の板厚が大きい場合や、加速冷却あるいは搬送速度
が大きい条件においては、キャンバ量の推定精度が悪
く、問題となることがある。

【０００９】本発明の課題は、上記の問題を踏まえ、切
断加工して得られる鋼板の形状を正確に推定する鋼板形
状の予測方法およびその装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱間矯正
の前後における鋼板の温度を詳細に調査し、鋼板は表面
と裏面および板厚方向に温度偏差が生じており、特に、
鋼板の板厚が大きく（例えば板厚が２０ｍｍ以上、特に
４０ｍｍ以上）、加速冷却や搬送速度が大きい条件で
は、その温度偏差が大きく、表面温度のみを条件として
キャンバ量を推定する従来の方法では限界があることが
判った。すなわち、鋼板を冷却すると、鋼板の表面と裏
面とは、その冷却履歴、すなわち水乗りの有無、冷却方
法や冷却設備の相違等の影響により温度差が生じ、板厚
方向においても温度偏差が生じる。搬送時においても、
搬送ロール等の設備との接触が無い鋼板表面と、搬送ロ
ールに絶えず接触する鋼板裏面とでは鋼板の表面粗さや
スケールの厚さや性状に差が生じ、鋼板の表面と裏面と
では冷却履歴に差が生じる。鋼板の厚さが増加した場
合、厚さ方向の温度偏差が複熱により均一化されるため
の時間が長くなるため、加速冷却などで板厚方向温度偏
差が大きいとき、ホットレベラでの熱間矯正後において
も復熱が十分ではなく、鋼板の表裏面および厚さ方向に
大きな温度偏差が残ることがある。

【００１１】本発明は、上記知見に基づき、切断加工し
て得られる鋼板の形状を正確に推定するためには、鋼板
の表裏面および板厚方向の温度偏差を考慮することが重
要であるとの認識に立ち、本発明を完成させた。

【００１２】本発明の要旨は、以下の(1) および(2) 項
の通りである。 (1) 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前から直後の間
で、該鋼板の表面および裏面の板長手方向における少な
くとも一ヶ所の板幅方向温度分布を測定し、次いで該板
幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算し、次いで
前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼
板冷却後の残留応力分布を演算し、次いで該残留応力分
布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測することを特徴
とする鋼板形状の予測方法。

【００１３】(2) 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前
から直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板幅方向温
度分布を測定する温度測定機構と、該板幅方向温度分布
より板厚方向温度分布を演算し、次いで前記板幅方向温
度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留
応力分布を演算し、次いで該残留応力分布より前記鋼板
切断後の鋼板形状を予測する解析装置を備えたことを特
徴とする鋼板形状の予測装置。

【００１４】上記(1) 項あるいは(2) 項で、「熱間矯正
の直前から直後の間」とは、鋼板温度が熱間矯正時の温
度とほぼ同じである時間をいい、具体的には熱間矯正の
前後３０秒程度以内を指す。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の方法および装置
の構成を説明する概要図である。図１において、本発明
方法では、熱間圧延された鋼板８は、熱間矯正の直前か
ら直後の間で、その表面および裏面の板長手方向におけ
る少なくとも一ヶ所の板幅方向温度分布が、熱間矯正を
おこなうホットレベラ１１の入側および／または出側に
設置した温度計１ａ、１ｂ（図示例では、出側に設置）
により測定される。次いで、測定された板幅方向温度分
布のデータは、解析装置３に送られ、板厚方向温度分布
が演算され、さらに、前記板幅方向温度分布と該板厚方
向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布が演算さ
れ、続いて、この残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼
板形状、すなわち鋼板変形量である鋼板曲がり量が予測
される。この鋼板曲がり量と残留応力分布は、モニタ５
に表示され操業オペレータに示されるとともに、プロセ
スコンピュータ６に出力される。また温度測定データお
よび計算結果はバックアップのために記録媒体４に保存
される。

【００１６】鋼板温度の測定は、温度計制御装置２を用
い、パスラインの上下に設けた走査型の温度計１ａ、１
ｂの近傍の鋼板搬送ローラ７の回転数から鋼板移動距離
を求める等の方法により前記温度計１ａ、１ｂを板幅方
向に走査制御しておこなう。なお、温度計１ａ、１ｂの
設置場所は、その場所での鋼板温度が矯正時とほぼ同じ
であれば、特に限定せずホットレベラ１１の入側でも良
いが、熱間圧延や加速冷却工程において鋼板に生じた内
部応力や平坦不良が除去される熱間矯正の直後が好まし
い。

【００１７】次に、板厚方向温度分布の計算方法につい
て説明する。温度計により測定された鋼板表裏面温度よ
り、表面から裏面にかけて板厚方向に直線的に温度が変
化すると仮定し、板厚方向温度分布を求める。板厚を厚
さ方向にｎ層に分割したときのｋ番目の層の温度T(y,k)
は、表面温度を T_F (y) 、裏面温度を T_B (y) とすると
次式となる。

【００１８】

【数１】

【００１９】 ここで、 T(y,1)＝ T_F (y) （２−１） T(y,n)＝ T_B (y) （２−２） 次に、残留応力の計算方法について説明する。

【００２０】図２は、本発明に係る計算に用いるモデル
であり、鋼板を厚さ方向に層厚Δｔのｎ層に分割し、幅
方向には微小幅 ｙのスリットの集合であるモデルとす
る。熱間矯正によりそれ以前のプロセスで鋼板に生じた
内部応力は除去されるものとし、また板厚方向の各層で
は厚さ方向の温度は均一とすると、冷却により板厚方向
の各層に生じる長手方向歪εx は、弾性歪みをε_E 、塑
性歪みをε_P 、熱歪みをε_T 、変態歪みをε_TRとすると
板幅方向の各位置ｙにおいて次式で与えられる。

【００２１】 εx ＝ε_E ＋ε_P ＋ε_T ＋ε_TR （３） ただし、

【００２２】

【数２】

【００２３】

【数３】

【００２４】 α：熱線膨張係数 R_T ：冷却速度 T：冷却前の温度 T0：冷却後の温度 ξ_K：変態Ｋの変態率 β_K：変態Ｋの線膨張係数 なお、（３−２）式で、右辺のΣは、各種の変態のそれ
ぞれの変態歪みの総和を表す。

【００２５】材料は弾完全塑性体と仮定すると、応力−
歪み関係より次式が与えられる。 σ_X (T,y) ＝σ_E （ただしσ_E ＜σ_Yield ） （４） σ_X (T,y) ＝σ_Yield （ただしσ_E ≧σ_Yield ） （５） σ_E ＝Ｅ・(εx −ε_P −ε_T −ε_TR) （６） ただし、 σ_X ：各層の長手方向応力 σ_E ：長手方向の弾性歪みから計算される応力 σ_Yield ：材料の降伏応力 Ｅ：ヤング率 長手方向歪εx は鋼板横断面内で均一と仮定すると、下
記の（７）式に示す横断面内の長手方向応力の釣合条件
から繰り返し計算により、冷却により発生する各層の長
手方向応力σx （すなわち残留応力）が求まる。

【００２６】

【数４】

【００２７】 ただし、 ｎ＝ｔ／Δｔ （７−１） ｍ＝ｗ／Δｙ （７−２） ｔ：鋼板板厚 ｗ：鋼板板幅 次に、条切断後の鋼板形状の計算方法について説明す
る。

【００２８】上記のように計算された残留応力におい
て、板厚方向分割層ｋ、長手方向位置ｉ、幅方向位置ｙ
における残留応力をσ_i (y,k) とする。

【００２９】図３は、条切断の模式図であり、図中に、
残留応力σ_i (y,k) の幅方向分布を例示して示す。

【００３０】図３において、条ｊ( 切断位置ｙ_j 、ｙ
_j+1)切断時の残留応力の開放によって生じる曲げモーメ
ントは次式のようになる。

【００３１】

【数５】

【００３２】長手方向の各位置ｉにおける上記Ｍ_ijk よ
り、曲げモーメントの長手方向分布を、距離ｘの多項関
数で次式のように近似する。 Ｍ_jk( ｘ) ＝ａ₁ ｘ＋ａ₂ ｘ² ＋ａ₃ ｘ³ ＋ａ₄ ｘ⁴ ＋ａ₅ ｘ⁵ （９） ここで、係数ａ_k （ｋ＝１〜５）は、上記Ｍ_ijk より最
小二乗法により決定される。したがって、条切断時に生
じる横曲がり方向の曲げモーメントＳＭ_j ( ｘ) は、各
層での曲げモーメントＭ_j ( ｘ) の総和として次式のよ
うに求まる。

【００３３】

【数６】

【００３４】上記曲げモーメントＳＭ_j ( ｘ) より、次
式の梁のたわみ方程式を積分することにより条のたわみ
曲線ｕ_j ( ｘ) が計算される。

【００３５】

【数７】

【００３６】ここで、Ｉ：断面２次モーメント 上記（１１）式から得られる条のたわみ曲線ｕ_j ( ｘ)
より、条切断後の横曲がり量を求めることができる。

【００３７】次に、本発明の装置について説明する。図
１に示すように、本発明の装置は、熱間圧延された鋼板
の熱間矯正の直前から直後の間で、該鋼板の表面および
裏面の板幅方向温度分布を測定する温度測定機構１２
と、該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を計算
し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布
より前記鋼板冷却後の残留応力分布を計算し、該残留応
力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測する解析装
置３を備える。

【００３８】温度測定機構１２は、鋼板の表面と裏面の
温度を計測する温度計１ａ、１ｂと温度計制御装置２か
ら構成され、温度計制御装置２は、下記のａ〜ｄに示す
機能を有する。

【００３９】ａ．温度測定の開始・終了等の自動動作、
ならびに放射率の設定や測定レンジの変更などの手動動
作の管理。 ｂ．上下の温度計１ａ、１ｂの測定タイミングの同期。 ｃ．鋼板搬送ローラ７の回転数から鋼板長手方向におけ
る測温位置を指示。 ｄ．測温後の温度データを解析装置３へ転送。

【００４０】図４は、解析装置の動作例を示すフローチ
ャートであり、解析装置は、以下に示す動作によって条
切断後の横曲がり量を推定する。

【００４１】すなわち、解析装置では、図４に示すよう
に、測定された表裏面の板幅方向温度 T_F (y) および T
_B (y) から板厚方向各分割層の温度を（１）式から求
め、次いで、冷却により発生する長手方向応力すなわち
残留応力を、（３）式、弾完全塑性体と仮定した応力−
歪み条件（４）〜（６）式および釣り合い条件（７）式
とから繰り返し計算により求めた後、（８）〜（１０）
式より残留応力の解放により生じる曲げモーメントを求
め、（１１）式よりたわみ曲線が求まり、横曲がり量が
計算される。

【００４２】なお、本発明は、従来方法では推定精度が
悪く問題となる板厚が２０ｍｍ以上、特に４０ｍｍ以上
の鋼板に適用し、横曲がり量を高精度に推定できる。

【００４３】

【実施例】図１に示す構成で、図４に示すフローチャー
トに従い鋼板形状を予測する本発明の装置を製作し、本
発明の方法により条切断後の横曲がり量を予測した。

【００４４】図１において、温度計制御装置により板幅
方向に走査制御される走査型放射式の温度計をホットレ
ベラの出側（ホットレベラから約３ｍ下流の位置）に設
け、熱間圧延後加速冷却（水冷開始時の鋼板温度：７０
０〜８００℃、水冷終了時の鋼板温度：５００〜６００
℃）された鋼板（板厚：４０ｍｍ、板幅２８００ｍｍ、
板長１０ｍ、４０キロ級鋼）の鋼板表裏面の幅方向温度
分布を熱間矯正の５〜１０秒後に測定した。表１に温度
計の主仕様を示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】図５は、鋼板長手方向中央部における表裏
面の幅方向温度分布の測定結果の一例を示すグラフであ
る。同図に示すように、表面と裏面で最大３０℃程度の
温度差が発生した。

【００４７】次いで、上記幅方向温度分布のデータを解
析装置に転送し、図４に示すように、板厚方向の温度分
布、残留応力分布が順次計算され、条切断後のたわみ曲
線が求まり、横曲がり量を予測した。なお、計算モデル
の板厚方向の分割数は５とした。

【００４８】上記鋼板を常温に空冷した後、ガスにて条
切断をおこない横曲がり量を調査した。条切断条件は、
板幅両端部に各５０mmの捨代を設け、切断幅４５０mmの
６条切りとした。

【００４９】図６は、本発明方法による条切断後の横曲
がり量の予測精度を表すグラフで、比較例と共に示す。
比較例は、板厚方向の温度を一定と仮定し、鋼板表面温
度のみから条切断後の横曲がり量を推定したもので、具
体的には、本発明の計算モデルにおいて、板厚方向の分
割数を１として計算した。なお、横曲がり量は、同図に
示すようにキャンバ量で定義し、曲がり方向を (＋) 、
(−) で示した。

【００５０】図６に示すように、本発明方法による予測
精度は、比較例に比べ、大幅に向上した。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば熱間圧延鋼板、特に厚鋼
板について、従来方法では正確に予測できない条切断後
の横曲がり量を高精度に予測することが可能である。具
体的には、加速冷却工程等の製造条件の調整、残留応力
除去等の作業工程の効率化、および品質管理等に寄与す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法および装置の構成を説明する概要
図である。

【図２】本発明に係る計算に用いるモデルである。

【図３】条切断の模式図である。

【図４】解析装置の動作例を示すフローチャートであ
る。

【図５】鋼板長手方向中央部における表裏面の幅方向温
度分布の測定結果の一例を示すグラフである。

【図６】本発明方法による条切断後の横曲がり量の予測
精度を表すグラフである。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ：温度計 ２：温度計制御装置 ３：解析装置 ４：記録媒体 ５：モニタ ６：プロセスコンピュータ ７：鋼板搬送ローラ ８：鋼板 ９：圧延機 １０：加速冷却装置 １１：ホットレベラ １２：温度測定機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡村 一男 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金 属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E003 AA01 BA25 BA27

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前か
   ら直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板長手方向に
   おける少なくとも一ヶ所の板幅方向温度分布を測定し、
   次いで該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算
   し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布
   より前記鋼板冷却後の残留応力分布を演算し、次いで該
   残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測する
   ことを特徴とする鋼板形状の予測方法。
2. 【請求項２】 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前か
   ら直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板幅方向温度
   分布を測定する温度測定機構と、該板幅方向温度分布よ
   り板厚方向温度分布を演算し、次いで前記板幅方向温度
   分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応
   力分布を演算し、次いで該残留応力分布より前記鋼板切
   断後の鋼板形状を予測する解析装置を備えたことを特徴
   とする鋼板形状の予測装置。