JP2001246407A

JP2001246407A - 形鋼の圧延装置

Info

Publication number: JP2001246407A
Application number: JP2000058824A
Authority: JP
Inventors: Tadatsugu Yoshida; 忠継吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2001-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】オンライン形状計により形鋼の形状を特徴付
ける基準曲線を測定し、これを目標値に近付けるごとく
制御して圧延することにより複雑な断面形状の形鋼の寸
法精度を向上させる。【解決手段】図示しない寸法制御を行う圧延機に近接
して、オンライン形状計２０１が設置されており、形鋼
の表面の形状を測定するとともにこれを形状信号に変換
する。この形状信号を基準曲線演算装置２０２に取り込
んでその計測データに基づき演算することにより形鋼の
垂直断面の基準曲線を得る。この基準曲線を制御装置２
０３に取り込み、予め設定した目標基準曲線と比較する
ことにより偏差を求めて圧延機２０４のロール間隙の調
整量を演算するとともに寸法制御を実施する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は形鋼の寸法精度を向
上させるための圧延技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】軌条や鋼矢板、Ｈ形鋼など複雑な断面を
有する形鋼は図４に示すような圧延工程で製造される。
加熱炉２３１にて所定の温度に加熱された素材（スラブ
やビームブランク）は分塊圧延機２３２で粗鋼片に圧延
された後、ユニバーサル圧延機およびエッジャー圧延機
からなる中間圧延機列２３３、２３４、２３５および仕
上げ圧延機列２３６で圧延されて所定の寸法形状に加工
された後、後工程２３７に送られる。図５は軌条の圧延
工程における圧延材の垂直断面（Ｃ断面）の形状変化を
示す。図中の番号は各圧延パスに対応しており、この場
合は、全圧延パスが２２パスで１〜１４パスは粗圧延工
程、１５〜１７パスは中間圧延工程、１７′〜１９パス
は仕上げ圧延工程である。また、図６は圧延後の軌条製
品の垂直断面形状を示す。軌条の場合は製品の寸法精度
の確保が重要であり、図中のＡのウェブ高さ、Ｄのウェ
ブ厚さ、ＣとＢのフランジ幅、ＥとＦのフランジ厚さ、
ＧおよびＲによるウェブ形状などの寸法を公差の中に入
れるために種々の工夫がなされてきた。しかし近年、顧
客での工程省略や仕様の高度化などから形鋼製品に対す
る厳しい寸法形状の要求が出される傾向である。

【０００３】これらの要求に対して圧延工程にオンライ
ン寸法計を導入して圧延中の形鋼の寸法を制御する方法
が実施されており、Ｈ形鋼の場合に開示例がある。図７
はＨ形鋼の垂直断面の寸法形状を示す。Ｈ形鋼は図６の
軌条と異なり、断面が３枚の板の組み合わせ形状である
特徴がある。

【０００４】特許公報２９５３７８４号公報では形鋼の
オンライン寸法測定装置が開示されている。図８はオン
ライン寸法測定装置の構成を示す説明図である。３は形
鋼１を搬送する搬送ローラ２の間に設置されるセンサ台
車であり、レール４上を車輪５を介して形鋼の搬送方向
に対して直角な方向に移動自在とされる。６は、センサ
台車３の上部に取り付けられる上部センサフレームであ
る。７ａ、７ｂは、形鋼１の上部フランジに対応して上
部センサフレーム６に設けられて、フランジ幅上端およ
びその厚さを同時に測定し得るフランジ幅上端距離測定
装置であり、カップリング８で結合される反対勝手のス
クリュー軸９ａ、９ｂをモーター１０で回転駆動するこ
とにより互いの間隔が調整される。なお、フランジ幅上
端距離測定装置７ａ、７ｂには帯状レーザー光を発振す
るようにＨｅ−Ｎｅレーザ発振器にコリメータを組み合
わせて、その形鋼１からの乱反射光を２次元イメージセ
ンサで検出する２次元レーザ距離計などを用いてフラン
ジ厚さの最大値を測定する。１２ａ、１２ｂは、形鋼１
のウエブの上面までの距離を測定する１次元レーザ距離
計のウエブ上面距離測定装置であり、フランジ幅上端距
離測定装置７ａ、７ｂの側部に一端が回動自在に片持ち
で指示されるスクリュー軸１３ａ、１３ｂをモータ１４
ａ、１４ｂで回転駆動することによってフランジ幅上端
距離測定装置７ａ、７ｂとの間隔が調整される。同様に
２３は下部センサフレーム、２４ａ、２４ｂはフランジ
幅下端距離測定装置、２９ａ、２９ｂはウエブ下面距離
測定装置で形鋼１の下面の寸法を測定する。図９は寸法
測定装置の動作の説明図である。フランジ幅Ｂ₁、Ｂ₂、
センサ位置Ｄ、ウエブ厚さＴ_w1、Ｔ_w2、および各フラン
ジ付け根部における中心偏りＳ₁（＝（Ｈ₅−Ｈ₁−Ｈ₆＋
Ｈ₂）／２）、Ｓ₂（＝（Ｈ₇−Ｈ₃−Ｈ₈＋Ｈ₄）／２）を
図示しない演算装置により求める。

【０００５】特許公報２９５３３３７号では図４のよう
なＨ形鋼圧延用ユニバーサル圧延機群による圧延方法に
おいて、前記ユニバーサル圧延機に近接した位置に少な
くとも１台の熱間寸法計を配置し、造形圧延機後の粗鋼
片を素材としてＨ形鋼を圧延する際に、前記熱間寸法計
により図７に示すように少なくともフランジ厚４カ所
（ｔ₂₁、ｔ₂₂、ｔ₂₃、ｔ₂₄）、ウェブ厚（ｔ₁）、及び
左右フランジ幅２カ所（Ｂ₁、Ｂ₂）をそれぞれ測定し、
この測定結果に基づき各目的寸法との偏差を演算し、そ
して、寸法変更時の圧延反力と、フランジとウェブとの
相互作用とを考慮して、前記ユニバーサル圧延機の水平
ロール間隙、水平ロール軸方向の移動量、垂直ロールと
水平ロールとの間隙、垂直ロールの胴長方向中心位置に
対する水平ロール間隙中心の位置及びエッジャ圧延機の
ドライブ側とフリー側のフランジ幅圧下間隙を以降の１
パス以上の圧延にて変更することを特徴とするＨ形鋼の
圧延方法を開示している。そしてこのＨ形鋼の圧延方法
により要求されるフランジ４ヶ所の厚み均一性、左右フ
ランジ幅の均一性双方を同時に満足し、かつこれら寸法
の絶対値も高精度に実現し、さらに歩留り及び圧延能率
の向上をも可能にしたＨ形鋼の圧延方法を得るとしてい
る。

【０００６】しかし、上記の従来技術は図７や図９に示
すＨ形鋼の場合であり、図６に示す軌条のような複雑な
断面形状では適用されていない。Ｈ形鋼の場合、測定量
が図７のｔ₂₁、ｔ₂₂、ｔ₂₃、ｔ₂₄、ｔ₁、Ｂ₁、Ｂ₂で示
すように板厚や板幅など寸法計で物理的に直接測定出来
る量を対象としており、またＨ形鋼が３枚の板を組み合
わせたような単純な形状であること（一部のＨ形鋼は板
を３枚溶接して製造するものもある）、コーナー部が直
角に近く計測時に角部を基準として測定しやすいことな
どの理由で実用化出来たと考えられる。一方、軌条の場
合には図６のように単純な板の組み合わせ形状でないこ
と、厚さを測る場合に場所によって肉厚が変化するので
ピンポイントの測定が必要になること、角部にコーナー
Ｒが加工されているため寸法の基準が明瞭でないことな
どの特徴がある。また、図６のＥやＦおよびＲなどは作
図上の寸法であって板厚のように必ずしも物理的に直接
測定することが出来ないという困難性があった。

【０００７】一方、棒鋼や線材などの丸断面形状の圧延
工程では圧延材の垂直断面の形状を測定するプロフィル
メータが実用化されている。これは図１０に示すように
圧延材６２の垂直断面上で圧延材を中心に、一対の光電
管６０とその受光素子６１により圧延材を一定間隔で挟
んで、光電管と受光素子が被加工材の周囲を回転動する
もので、光電管からのバー光源が受光素子上に投射され
る際に生じる圧延材の影の部分を測定して圧延材の直径
を測定する。現状、圧延材の断面が円の場合、即ち丸棒
や丸線の測定に実用化されているが、形鋼のように円断
面と異なる場合は適用されていない。特に軌条のように
垂直断面形状で凹部が存在する場合には本方式のプロフ
ィルメータでは原理的に凹部を測定出来ない。これらの
理由で、軌条のオンライン寸法計は実用化されていな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】形鋼のオンライン寸法
計測技術およびこれに基づく寸法制御技術として、従来
技術はＨ形鋼の寸法制御技術に関するものであった。し
かし、軌条のように複雑な曲線から構成される場合の形
鋼では従来技術の適用は困難である。また、作図上の寸
法を高精度に造り込む際に、何を計測し何を制御するの
かという基準がないため、システムを構築出来ないとい
う問題があった。即ち、現状軌条のような複雑形状形鋼
の寸法計測システムが無いため、その切実な要求に反し
て、現状軌条のオンライン寸法計は実用化されていな
い。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来、軌条の
ような複雑断面形状のオンライン寸法計測技術に関し
て、何を計測し何を制御するかという基準の構築と、実
機で測定出来るようにするためのシステム化を検討する
ことにより全く新しい技術を知見したものである。

【００１０】本発明の形鋼の圧延装置は、単数または複
数の圧延機とオンライン形状計から成る形鋼の圧延装置
であって、形鋼の表面の形状を測定し、それを形状信号
に変換する形状計と、該形状信号を入力して該形鋼の垂
直断面形状の基準曲線を計算する演算装置と、該基準曲
線と目標基準曲線との偏差から該圧延機のロール間隙の
調整量を演算し、それをもとにロール位置を制御する制
御装置とからなることを特徴としている。

【００１１】また、上記圧延装置において、オンライン
形状計が形鋼の表面の形状測定装置と製品の特定部位の
素材厚さを測定する装置とからなることを特徴としてい
る。さらに、隣り合う基準曲線を結ぶ際に曲線の多項式
を用いることを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明である形鋼の圧延装
置の構成を示す説明図である。圧延機２０４は図４に示
す形鋼の圧延工程で寸法制御を行う圧延機２３４、２３
５および２３６などを示す。寸法制御を行う圧延機に近
接して、オンライン形状計２０１が設置されており、形
鋼の表面の形状を測定するとともにこれを形状信号に変
換する。この形状信号を基準曲線演算装置２０２に取り
込んでその計測データに基づき演算することにより形鋼
の垂直断面の基準曲線を得る。この基準曲線を制御装置
２０３に取り込み、予め設定した目標基準曲線と比較す
ることにより偏差を求めて圧延機２０４のロール間隙の
調整量を演算するとともに寸法制御を実施する。

【００１３】以下に各構成要素に関して詳細に説明す
る。図２は代表的な形鋼である軌条の垂直断面形状を太
線で示す。軌条は頭部２０５、腹部２０６と底部２０７
に大別される。また図中の細線１０１〜１１２は形鋼の
垂直断面形状を特徴付けるために本発明で考案した基準
曲線を軌条に適用した例を示す。即ち、頭部２０５に関
して、頭頂部を１０１、頭側部を１０２および１０３、
頭底部を１０４および１０５で、また底部２０７に関し
て、底上部を１０８および１０９、底側部を１１０およ
び１１１、底下部を１１２で、さらに腹部２０６につい
ては１０６および１０７の基準曲線で表す。即ち、太線
の閉曲線を細線で示す複数の基準曲線で近似する。この
特徴は複雑な形鋼の垂直断面形状を複数の基準曲線に分
解することにより、各基準曲線としては数式表現が容易
なプリミティブな曲線としてあつかえることにある。特
に図２の軌条の場合で、従来法の板厚による標記法では
管理出来ない１０４、１０５、１０８、１０９のような
傾斜した部分や１０６、１０７の湾曲した部分の数式表
現が極めて容易であることが分かる。また、基準曲線の
数式表現に際しては、直線、円弧、放物線、双曲線など
多項式を用いれば計算機での取り扱いが容易になり好ま
しい。

【００１４】本発明では、目標基準曲線に対して実測に
より圧延材の実績基準曲線を算出し、両者が一致するよ
うに圧延制御する。そこで、目標基準曲線の導出方法を
説明する。図５のように形鋼の圧延では使用するロール
の円周面にカリバーと呼称される円周溝を加工し、圧延
中に圧延材に溝の凹凸を転写することにより寸法を付与
する。一般に図５のような圧延スケジュールを計画する
際に、各圧延機で使用するロールの寸法形状を設計す
る。そこで、ロール設計において計画された各圧延パス
での目標形状、具体的には設計図面に基づき、二次元デ
カルト座標を設定して、各基準曲線を図面の読み値に近
似して求める。例えば垂直断面形状の外形線から複数の
点を求め、この回帰式として目標基準曲線を定義する。
回帰式の関数形と回帰により求めた係数を図１の制御装
置２０３（計算機）に記憶させて目標基準曲線とする。

【００１５】次に、実績基準曲線の導出法を説明する。
図３は本発明によるオンライン形状計の構成を示す説明
図である。２１１は形鋼２００を搬送する搬送ローラ２
１５の間に設置されるセンサ台車であり、レール２１７
上を車輪２１６を介して形鋼の搬送方向に対して直角な
方向に移動自在とする。２１２はセンサ台車の上下左右
のフレームに取り付けられたセンサ位置決め装置であ
り、距離測定装置（センサ）２１３が圧延材の側に取り
付けられている。そして各距離測定装置２１３は圧延材
の形状を測定するために適した位置にセンサ位置決め装
置により上下左右に移動するとともに、センサのプロー
ブ２１４の照射方向を距離測定装置２１３の角度を変更
して制御する。圧延材の形状を測定するためにはプロー
ブ２１４を圧延材の表面に沿って走査しなければならな
い。その方法としてプローブ２１４照射角度を一定にし
て（例えばフレームに垂直）センサ位置決め装置２１２
をフレームに平行に移動する方法と、センサ位置決め装
置２１２をフレームに固定して距離測定装置２１３の角
度を連続的に変化させながら走査する方法がある。本発
明では圧延材２００の形状に合わせて両者を単独または
組み合わせて使用することにより、圧延材の表面を隈無
く走査する。例えば、各基準曲面毎にセンサ位置決め装
置２１２を最適位置に移動し、プローブ２１４を走査す
る際に死角が無いようにする。圧延材が走査中に上下左
右に振動すると計測誤差となるので、圧延材はオンライ
ン形状計の前後でピンチロールなどにより拘束すること
が望ましい。本発明の形状計ではプローブ２１４の走査
中に圧延材が移動するので、プローブ２１４は概略圧延
材の表面の長手方向に螺旋状の軌跡を走査することにな
る。長手方向に圧延材の形状が変化するような場合はプ
ローブ２１４の走査速度を向上するなどで走査する長手
方向距離を短縮する。

【００１６】図１に示す基準曲線演算装置２０２はオン
ライン形状計の信号を基に、プローブ２０１の照射角度
と距離またはプローブ２０１の平行移動量と距離の情報
から幾何学的に（土木における三角測量法の応用）圧延
材の形状を演算する。そして目標基準曲線と同じように
二次元デカルト座標を設定して、各基準曲線を実測形状
に近似して求める。例えば演算して得られた垂直断面形
状の外形線から複数の点を求め、この回帰式として実績
基準曲線を定義する。回帰式の関数形と回帰により求め
た係数を図１の制御装置２０３（計算機）に伝送して実
績基準曲線とする。

【００１７】形鋼の肉厚などの寸法公差が厳しい場合に
は、前述の形状測定手段に加えて素材厚さを測定する手
段を併用する。図２に示す軌条について、腹部２０６の
最小厚みＤを公差内に入れるために、腹部２０６の任意
の場所で肉厚を１箇所以上測定し、その肉厚と前記の実
績基準曲線の対応する肉厚を一致させるように実績基準
曲線を平行移動して修正後の実績基準曲線を求める。こ
の修正基準曲線から最小厚みＤを演算で求めてこれを実
測値として、目標最小厚みに制御する。

【００１８】図３により前記素材厚みの測定手段につい
て説明する。距離測定装置２１３と同軸または距離測定
装置２１３の軸と圧延方向の軸を含む平面上で距離測定
装置２１３の軸に近接してこの軸に平行になるよう厚み
測定手段を設置する。そして圧延材の厚みを測定したタ
イミングで前記形状測定位置に信号を発信するととも
に、基準曲線演算装置で対応する実績基準曲線の位置と
して記憶し、前記最小厚みＤの演算に供する。圧延材の
測定タイミングとしては距離測定装置２１３の軸の角度
が厚さ測定のプローブが有意な肉厚を測定する時期が好
ましい。図３の場合は距離測定装置２１３の軸の角度が
フレームに垂直の時期が良い。

【００１９】図１の制御装置２０３は実績基準曲線と設
定された目標基準曲線の偏差を、各回帰式の対応する係
数の差をとることにより演算する。これにより目標基準
曲線に対する実績基準曲線の修正量を求めるとともに、
これに対応する圧延機のロール間隙量に変換する。以上
の一連の操作により寸法制御対象の圧延機のロール間隙
修正量が得られるのでこれに基づき図１の圧延機２０４
のロール間隙を修正する。その際、ロール間隙修正によ
り当該圧延機の圧延荷重が変化して圧延機のロールやハ
ウジングが弾性変形するので誤差が生じる。これを予め
考慮してその影響を含めて圧延機２０４のロール間隙を
修正する方法が一般的である。本発明においても制御装
置２０３に対象とする圧延機２０４のミル剛性を記憶
し、上流の圧延での実績荷重から変形抵抗を推定する手
段、および制御対象の圧延機における圧延荷重を推定す
る手段、さらに推定荷重からゲージメータ式により最適
な設定ロール間隙量を求める手段を有する。しかし、こ
れらの制御方法に関しては公知であり、例えば（社）日
本塑性加工学会編塑性加工シリーズ「棒線・形・管圧延
−世界をリードする圧延技術−」、発行所（株）コロ
ナ社、１９９１や同シリーズの「板圧延」などに紹介さ
れているので詳細説明は省略する。

【００２０】本発明の実施の形態に関して、大別してセ
ットアップとダイナミックコントロールが有る。セット
アップは制御対象の当該圧延機に圧延材が噛み込む前に
当該圧延機で圧延後の圧延材の寸法形状が目標値に近づ
くように予め当該圧延機のロール間隙を最適値に設定す
る機能である。図４で２３２〜２３６の圧延機のロール
間隙を最適値にセットアップするには工程２３３、２３
４間に本発明のオンライン形状計を設置し、工程２３３
後の寸法と工程２３３の圧延荷重から工程２３４以降の
圧延機のロール間隙を最適値に制御する。これを図１で
説明すると、前記の工程２３３後に圧延材がオンライン
形状計２０１を通材する際に先端部の形状を測定し、そ
の後圧延材が圧延機２０４に噛み込むまでの時間に基準
曲線演算装置２０２、制御装置２０３を経て圧延機２０
４のロール間隙を設定する。その間数〜１０数sec程度
であるから、数sec程度で図１の処理を行う。また、図
示しない形状計で圧延機２０４の圧延後の形鋼の測定を
実施し、その結果から制御装置２０３のロール間隙の開
度制御変数を最適なものに逐次更新する学習制御にも本
発明のオンライン形状計が利用出来る。

【００２１】一方、ダイナミックコントロールの一種で
あるモニターＡＧＣでは制御対象の当該圧延機に圧延材
が噛み込んだ直後から尻抜けするまでの間を連続的に制
御する機能である。図４で工程２３６を対象に寸法制御
をする場合に本発明のオンライン形状計を工程２３６、
２３７間に設置する。圧延材が工程２３６の直後に形状
測定され目標値との寸法偏差量が検出される。その寸法
偏差量を制御対象である工程２３６の圧延機のロール間
隙調整装置にフィードバックして形鋼の寸法を目標値に
制御する。フィードバック制御は最も実績のある古典制
御のロジックであるから、寸法測定精度が高ければ非常
に強力な制御システムが構築出来る。

【００２２】

【実施例】図４の工程により軌条（５０ｋｇＮ）、Ｈ形
鋼、鋼矢板の圧延を行った。軌条については図５のよう
なパススケジュールである。本発明の場合には実施形態
のように構成した。また、距離測定装置にはレーザープ
ローブ式を、特定部位としては腹部の最小厚さＤとし、
厚さ計にはγ線厚さ計を用いた。基準曲線に関しては、
腹部を円弧近似、他の部分を直線近似した。形鋼および
鋼矢板は一部傾斜したものを含む直線で近似した。

【００２３】表１に実施例と比較例による結果を示す。
断面形状が複雑な軌条の場合、従来法では精度が悪いの
に対して、本発明の方法では精度が格段に良いことが分
かる。また、Ｈ形鋼および鋼矢板でも本発明の方法は高
精度であることが分かる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【発明の効果】本発明は従来と異なる寸法測定装置を確
立したので圧延により複雑な断面の形鋼の寸法精度を向
上させることに効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明である形鋼の圧延装置の構成を示す説明
図である。

【図２】本発明の形鋼断面形状の基準曲線を示す説明図
である。

【図３】本発明の形状測定装置（オンライン形状計）の
構成を示す説明図である。

【図４】形鋼の圧延による製造工程を示す説明図であ
る。

【図５】代表的な形鋼である軌条の圧延工程を示す説明
図である。

【図６】軌条の断面形状と寸法を示す説明図である。

【図７】従来技術のＨ形鋼の寸法測定部位を示す説明図
である。

【図８】従来技術でＨ形鋼の寸法計の構成を示す説明図
である。

【図９】従来技術でＨ形鋼の寸法測定機構を示す説明図
である。

【図１０】従来技術で軌条の寸法測定機構を示す説明図
である。

【符号の説明】

６０光電管６１受光素子６２棒または線材１０１〜１１２形鋼の基準曲線２０１オンライン形状計２０２基準曲線演算装置２０３制御装置２０４圧延機２０５軌条の頭部２０６軌条の腹部２０７軌条の底部２１１形状測定装置のセンサ台車２１２センサ位置決め装置２１３距離測定装置２１４プローブ２１５搬送ローラー２１６車輪２１７レール２３１〜２３７形鋼圧延の製造工程

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単数または複数の圧延機とオンライン形
状計から成る形鋼の圧延装置であって、形鋼の表面の形
状を測定し、それを形状信号に変換する形状計と、該形
状信号を入力して該形鋼の垂直断面形状の基準曲線を計
算する演算装置と、該基準曲線と目標基準曲線との偏差
から該圧延機のロール間隙の調整量を演算し、それをも
とにロール位置を制御する制御装置とからなることを特
徴とする形鋼の圧延装置。
【請求項２】オンライン形状計が形鋼の表面の形状測
定装置と製品の特定部位の素材厚さを測定する装置とか
らなることを特徴とする請求項１記載の形鋼の圧延装
置。
【請求項３】前記演算装置が隣り合う基準曲線を結ぶ
際に曲線の多項式を用いることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２記載の形鋼の圧延装置。