JP2007216246A - 熱間圧延における金属帯の形状制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属帯の熱間圧延に際して、常温まで冷却後の金属帯の形状を全長にわたり目標範囲内にすることを可能とする金属帯の形状制御方法を提供する。
【解決手段】熱間圧延後に発生する金属帯の長手方向の各位置における形状変化を予測モデルにより求め、熱間圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向の各位置に応じて設定して金属帯の形状を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属帯の熱間圧延に際して、常温まで冷却後の金属帯の形状を全長にわたり目標範囲内にすることを可能とする金属帯の形状制御方法に関するものである。

近年、金属帯はよりフラットに近いものが需要家から要求されており、図２に示すような、金属帯１における（ａ）耳伸び、（ｂ）腹伸び等の金属帯製品の形状も許容限度が厳しくなり、形状についての品質保証は非常に大きな課題となっている。また、製造途中の工程においても、金属帯の形状が著しく悪い場合には通板阻害や連続処理ラインでの溶接部における破断などが問題となるため、最終製品以外でもフラットな形状が金属帯には要求されている。

熱間圧延直後の金属帯の形状が所定の目標精度に制御できるように、６重圧延機やクロスミルのようなクラウン・形状制御性の良い圧延機が開発され、その中間ロールシフト位置やクロス角、ロールベンディング量を適切に初期設定し、さらに動的に制御することにより高精度の形状・クラウン制御を実現した。

しかし、仕上圧延機直後の形状がフラットになるように制御しても、ランナウトテーブル以降で形状が変化する場合がある。すなわち、仕上圧延機直後の形状測定時点では金属帯の形状が許容範囲内であっても、常温までの冷却過程において金属帯の形状が悪化して許容値を超えることがある。次工程での通板阻害や形状不良コイルの出荷といった問題が発生しないように、形状不良部の切り捨てや精整ラインでの形状矯正といった対策を取っているが、歩留りの低下や工程追加による納期延長およびコスト増加といった生産性の低下が生じてしまう。

かかる問題に対して特許文献１では、金属帯の形状制御方法として仕上圧延機最終段の入側あるいは出側において金属帯の表面温度を測定し、測定した温度分布に基づき常温時に発生する熱応力残留応力を推定し、その残留応力が形状不良を発生させないように仕上圧延機によって歪を付与することにより金属帯の形状を制御している。

なお、［発明を実施するための最良の形態］の欄において、本出願人の未公開先行出願を引用するので、その出願番号をここに記載しておく。すなわち、特願２００５−０４４０２０（未公開出願１）である。
特開２００２−４５９０７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の金属帯の形状制御方法では、仕上圧延機最終段の入側あるいは出側での幅方向の温度分布に起因する熱応力による形状変化しか計算しておらず、ランナウトテーブル上での冷却過程における幅方向の冷却ムラや相変態の挙動によって生じるクリープ変形および塑性変形の発生を考慮していない。さらに、コイラでの巻取りに際してマンドレルへの巻締りによる変形や、巻取り後のコイル冷却時におけるコイル中心部と内外周部の温度偏差に伴う熱収縮差に起因する変形についても考慮していない。

本発明は、上述した従来技術の有する問題点を解決するためになされたものであり、金属帯の熱間圧延に際して、常温まで冷却後の金属帯の形状を全長にわたり目標範囲内にすることを可能とする金属帯の形状制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、熱間圧延において、金属帯を仕上圧延機出側の冷却帯で冷却した後にコイル状に巻取り、常温まで冷却する際に、その過程で生じる形状変化を補償するような目標形状を長手方向位置に応じて随時設定して形状制御を行うことにより、金属帯の全長にわたる形状不良の抑制を実現するものである。

本発明の要旨とするところは以下の通りである。

［１］熱間圧延後に金属帯に発生する形状不良を抑制する金属帯の熱間圧延における形状制御方法であって、熱間圧延後の金属帯を常温まで冷却した際に発生する形状変化を予測する工程と、熱間圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向位置に応じて随時設定して金属帯の形状を制御する工程とを備えていることを特徴とする金属帯の形状制御方法。

［２］熱間圧延において、仕上圧延後に金属帯に発生する形状不良を抑制する金属帯の熱間圧延における形状制御方法であって、金属帯の情報を取得する工程と、常温まで冷却後の金属帯の形状分布に関して仕上圧延機出側での板面温度および平坦度を初期値として、ランナウトテーブルでの冷却、コイラ巻取り、コイル冷却の各過程での温度および応力・歪分布を相変態とともに順次解析していくことにより、仕上圧延後に金属帯の長手方向の各位置に発生する形状変化を予測する工程と、仕上圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような仕上圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向位置に応じて随時設定して金属帯の形状を制御する工程とを備えていることを特徴とする金属帯の形状制御方法。

［３］熱間圧延において、仕上圧延後に金属帯に発生する形状不良を抑制する金属帯の熱間圧延における形状制御方法であって、金属帯の情報を取得する工程と、常温まで冷却後の金属帯の形状分布に関してこれまでデータベースに蓄積した実績情報に基づいて仕上圧延後に金属帯の長手方向の各位置に発生する形状変化を予測する工程と、仕上圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような仕上圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向位置に応じて随時設定して金属帯の形状を制御する工程とを備えていることを特徴とする金属帯の形状制御方法。

［４］前記圧延後の金属帯に発生する形状変化を予測する工程において、熱間圧延以降の１つ以上の工程に設置された形状計により金属帯全長にわたって測定した形状データを利用して、形状変化予測モデルを更新することを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の金属帯の形状制御方法。

本発明により、熱間圧延完了後の金属帯が、ランナウトテーブル上での冷却過程を経てコイラで巻き取られた後にコイルの状態で常温まで冷却された際の、最終的な形状を全長にわたり目標範囲内に制御することが可能となる。これにより、形状不良部の切り捨て量削減による歩留りの向上と、精整ライン通過材の削減による納期短縮やコスト削減が実現できる。

本発明者らは、金属帯の形状悪化のメカニズム及び形状を向上させるための方策について種々の検討を行った。以下、その検討結果に基づいて、熱間圧延の仕上圧延機以降での金属帯の形状変化のメカニズムおよび形状を向上させるための方策（本発明の形状制御方法）の概要について説明する。

図３は熱間圧延による金属帯の製造工程における仕上圧延機以降の製造設備概要図である。まず、金属帯１は仕上圧延機２を経て所定の製造サイズに圧延され、ランナウトテーブルを通板中に所定の材質に作り込むために冷却装置５によって所定の温度まで冷却され、コイラ８によってドラム７にコイル状に巻き取られる。コイル状に巻き取られた金属帯（コイル）６はコイルヤード９にて常温まで冷却される。種々の検討を行った結果、常温まで冷却後の金属帯の形状を決定する要因は以下のように分離されることがわかった。

（１）仕上圧延機出側における金属帯の形状（形状計３にて測定）
（２）仕上圧延機出側における幅方向の温度ムラ（温度計４にて測定）に起因する幅方向の熱収縮差
（３）ランナウトテーブル上の冷却帯５における冷却ムラにより熱収縮差や相変態ムラが発生し、そこにランナウトテーブル通板張力が作用することによって生じる金属帯の変形（ここで、変形とはクリープ変形および塑性変形のことであり、以下、単に変形と記述する）
（４）コイラ８での巻取り時におけるコイル６のマンドレル７への巻締りによる金属帯の変形
（５）コイルヤード９においてコイル６を冷却時に、コイル中心部と外周部の冷却速度差に起因する温度偏差よって生じる金属帯の変形
（６）コイル外周部の巻締りにより圧縮変形を受けたコイル中心部が、コイル内周部に対して巻き締まることによって生じる金属帯の変形
である。

熱間圧延された金属帯の最終形状は上記の要因が複雑に影響したものであり、全ての項目を考慮して仕上圧延機出側での目標形状を決定する必要がある。

前記（２）による形状変化では、例えば端から１００〜２００ｍｍの部分の温度が高いＭ型分布と呼ばれる温度分布がある場合には、高温部分の熱収縮量が大きくなるために板幅中央部の熱収縮が相対的に小さくなり腹伸び形状となる。

前記（３）による形状変化では、一般に端部の温度が低下して熱収縮し、金属帯の先尾端を除いたランナウトテーブル上での通板張力が作用する部分において端部に引張変形が生じて耳伸び形状となる。

前記（４）による形状変化では、巻取り時のマンドレルへの巻締りによって内径部が幅方向全体にわたって引張変形を受ける。さらに、板クラウンの存在により板幅中央部に接触面圧が集中し、より巻締りの強い内周部において引張変形が生じて腹伸び形状となる。

前記（５）による形状変化では、金属帯が接触する板幅中央部において温度低下の遅いコイル中心部に対して温度低下の早いコイル外周部が熱収縮量の違いによって巻締り、コイル中心部で圧縮変形が生じて耳伸び形状となり、コイル外周部では引張変形が生じて腹伸び形状となる。腹伸び形状は外側へ行くほど大きくなる。

前記（６）による形状変化では、前記（５）によって圧縮変形を受けたコイル中心部がコイル内周部に遅れて熱収縮する際にコイル内周部に巻締り、コイル内周部で圧縮変形が生じて耳伸び形状となり、コイル中心部では引張変形が生じて耳伸び形状が緩和される。

仕上圧延機出側における目標形状をフラットとして前記（１）の形状分布を何も与えない場合には、常温まで冷却後の金属帯の最終形状はコイル内周部から中心部までが耳伸び形状で、コイル外周部が腹伸び形状となる傾向が高い。

上記の変形過程を経ての常温まで冷却後の最終形状を予測する手法としては、金属帯に発生する変形を順次解析していく数値解析モデルや実績情報蓄積データベースが考えられる。

まず、数値解析モデルとしては、本発明者らが開発した形状変化予測モデル（未公開出願１に記載）を用いることができる。その形状変化予測モデルの概要（解析手順のフローチャート）は図４に示す通りである。

すなわち、始めに、材料条件（金属帯の寸法、降伏関数、機械物性値、熱物性値、相変態挙動を示すパラメータ 等）、通板条件（板速度、通板張力 等）、冷却条件（熱伝達係数、冷却媒体温度、冷却帯の長さ 等）、巻取り条件（巻取り張力、ドラム径 等）を設定する。しかるのちに、仕上圧延機最終スタンド２の出側に設置された温度計４および形状計３により測定された板幅方向温度分布および板幅方向形状分布に基づいて（あるいは、それらの推定計算値に基づいて）、冷却帯５を備えるランナウトテーブルでの伝熱モデル、相変態モデルおよび応力・歪モデルを解析するステップと、コイラ８におけるコイラ巻取りでの伝熱モデル、相変態モデルおよび応力・歪モデルを解析するステップと、コイルヤード９等におけるコイル冷却での伝熱モデル、相変態モデルおよび応力・歪モデルを解析するステップを実行して、常温での最終形状を出力する。

フローチャート上の各モデルの概要について以下に示す。

板断面の温度分布は、下記の熱伝導方程式（１）と境界条件式（２）を解くことにより計算される。伝熱モデルとしては、例えば式（１）と式（２）を離散化した陽解法差分モデルを用いることによりオンラインでの使用に耐えうるような短時間での計算が可能となる。

相変態モデルとしては、高精度の解析を行うために温度履歴を考慮した相変態解析法の導入が望ましい。伝熱モデルおよび相変態モデルで用いる材料定数は温度および変態率に依存するため、２つのモデルを連成して解く必要がある。

応力・歪解析モデルには、ランナウトテーブル上での板の状態、コイラでの巻取り中のコイル状態および巻取り後（抜き取り後）の冷却中のコイル状態についてそれぞれ別のモデルが必要となる。正確な形状予測解析を行うために、熱収縮、相変態に伴う体積膨張、クリープ変形および塑性変形を考慮したモデルとする必要がある。ただし、それらのモデルの詳細については、ここでは説明を省略する。

以上の伝熱モデル、相変態モデル、応力・歪モデルを用いて常温まで解析していくことにより、熱収縮（相変態に伴う体積膨張を含む）、クリープ変形および塑性変形の和として永久変形が求まる。最終的な形状は永久変形の幅方向分布より求まる幅方向伸び歪差によって評価する。

そして、上記のような形状予測方法を金属帯全長（コイル全長）に対して適用することにより、冷却後の最終形状がコイル全長にわたり予測可能となる。

次に、実績情報蓄積データベースについては、後工程に設置された形状計によって全長にわたって測定した冷却後の金属帯の形状についての操業データを蓄積する実績情報蓄積データベースを構築し、実績情報蓄積データベースに基づいた形状変化予測モデルを作成する。実績情報蓄積データベースに保存する金属帯の長手方向の形状分布としては、例えば折れ線や２次〜６次の近似式が挙げられる。

そして、上記の数値解析モデルや実績情報蓄積データベースの手法を用いて、常温まで冷却後の金属帯の最終形状を予測し、その予測形状を補償するような仕上圧延機出側での目標形状を逆算して形状制御システムの目標値として設定することにより、金属帯の形状を全長にわたり目標範囲内にすることが可能となる。

なお、金属帯の圧延時に実施する具体的な形状制御については、圧延工程で適用されているロールベンド、ロールクロス等の一般的な形状制御手法を用いることで容易に実現可能であり、ここでの詳細説明は省略する。

以上をまとめた本発明の形状制御方法を図１のフローチャートに基づき説明する。

まず、圧延する金属帯の情報を取得する（１００）。例えば情報としては、金属帯の板厚・板幅・板長さ・材質等の材料条件、仕上圧延機出側における温度・板速・板クラウン等の仕上条件、コイラにおける温度・張力・内径等の巻取り条件が挙げられる。

次に、これらの取得データから常温まで冷却後の金属帯に生じる形状変化を予測して、予測形状を補償するために設定すべき仕上圧延機出側での目標形状の長手方向分布を算出する（１１０）。

そして、仕上圧延に際し、金属帯の仕上圧延機通過長さを取得し（１５０）、長手方向の各位置に応じた目標形状を随時設定しながら（２１０）、形状制御を行う（２２０）。

さらに、形状制御実施後の金属帯の常温まで空冷後の形状実績は後工程に設置された形状計により全長にわたって測定し（３１０）、そこで取得した操業データを基に形状変化の予測モデルを更新する（１１０）。形状計の設置位置としては、例えば、図５に示すスキンパスラインの圧延機前や、図６に示す酸洗ラインの入側におけるシャーの前または後ろあるいはウェルダーの前または後ろや、図７に示すシャーラインの入側におけるコイル払出し直後あるいはレベラ前などが挙げられる。冷間圧延ライン、連続焼鈍ライン、クリーニングライン、スリッターライン、コーティングラインなどの後工程に設置した形状計を形状変化予測モデルのために利用することも可能である。また形状計としては、張力分布を測定して形状を測定する接触式や、レーザ距離計を用いて形状を測定する非接触式などが挙げられる。

本発明の長手方向位置に応じた目標形状を設定する形状制御方法について、具体例に基づいて従来の形状制御方法と対比させて示す。

〔実施例１〕
形状制御実験の供試材として中炭素鋼を用い、仕上圧延後の板厚３．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍ、板長さ７００ｍとなるように熱間圧延を行った。なお、金属帯の許容形状範囲は急峻度で±１％とした。従来例としては仕上圧延機出側以降の変形を考慮せずに、図８に破線で示すような仕上圧延機出側での目標形状がフラットとなるように形状制御を実施した。しかし実際に常温まで冷却後にコイルを巻き戻してみると、コイルの冷却時の温度偏差による変形により図８の実線で示すようなコイル内径側で大きな耳伸びコイル外径側で大きな腹伸び形状となり、形状不良部が発生してしまった。一方、本発明例では数値解析による形状変化予測モデルによって図９に示す形状変化の予測値を求め、この形状変化を補償するように図１０に破線で示すような仕上圧延機出側での目標形状を設定して形状制御を行った。その結果、図１０に実線で示すように全長にわたって金属帯の形状を許容範囲内に収めることができた。

〔実施例２〕
形状制御実験の供試材としてブリキ材を用い、仕上圧延後の板厚２．０ｍｍ、板幅１２００ｍｍ、板長さ１０００ｍとなるように熱間圧延を行った。なお、金属帯の許容形状範囲は急峻度で±１％とした。従来例としては仕上圧延機出側での板幅方向の温度ムラのみを考慮して、図１１に破線で示すような仕上圧延機出側での目標形状がわずかに腹伸びとなるように形状制御を実施した。しかし実際に常温まで冷却後にコイルを巻き戻してみると、コイルの冷却時の温度偏差による変形により図１１の実線で示すようなコイル内径側で大きな耳伸びコイル外径側で大きな腹伸び形状となり、形状不良部が発生してしまった。一方、本発明例では実績情報蓄積Ｄ／Ｂに基づいた形状変化予測モデルによって図１２に示す形状変化の予測値を求め、この形状変化を補償するように図１３に破線で示すような仕上圧延機出側での目標形状を設定して形状制御を行った。その結果、図１３に実線で示すように全長にわたって金属帯の形状を許容範囲内に収めることができた。

以上の結果によって明らかなように、形状変化予測モデルを用いて常温まで冷却後の金属帯に対して冷却過程で生じる形状変化を補償するような仕上圧延機出側での目標形状を設定して形状制御を行うことにより、金属帯の全長にわたって許容形状範囲内に収めることが可能であることが立証された。これにより、精整工程の適用材を１５％から１０％へと削除することができ、納期短縮とコスト削減が可能となった。さらに、冷却後に発現する目標値を超える形状不良部の次工程での切り捨てが削減でき、歩留りが０．５％向上した。

本発明の実施形態の構成を示すフローチャートである。 金属帯の波形状を示す模式図で、（ａ）耳伸び図、（ｂ）腹伸び図 である。 ランナウトテーブル〜コイラ〜コイルヤードでの冷却の各工程を示す概略図である。 形状変化の予測モデルの概要を示すフローチャート図である。 形状データを収集する後工程の例であり、スキンパスラインを示す概略図である。 形状データを収集する後工程の例であり、酸洗ラインの入側を示す概略図である。 形状データを収集する後工程の例であり、シャーラインの入側を示す概略図である。 実施例１において従来方法による仕上圧延機出側での目標形状の設定値と冷却後の最終形状を示す図である。 実施例１において数値解析に基づいた形状変化予測モデルによる予測形状を示す図である。 実施例１において本発明による仕上圧延機出側での目標形状の設定値と冷却後の最終形状を示す図である。 実施例２において従来方法による仕上圧延機出側での目標形状の設定値と冷却後の最終形状を示す図である。 実施例２において実績情報蓄積Ｄ／Ｂに基づいた形状変化予測モデルによる予測形状を示す図である。 実施例２において本発明による仕上圧延機出側での目標形状の設定値と冷却後の最終形状を示す図である。

符号の説明

１… 金属帯
２… 仕上圧延機の最終スタンド
３… 形状計
４… 温度計
５… 冷却帯
６… コイル
７… ドラム
８… コイラ
９… コイルヤード

Claims (4)

1. 熱間圧延後に金属帯に発生する形状不良を抑制する金属帯の熱間圧延における形状制御方法であって、熱間圧延後の金属帯を常温まで冷却した際に発生する形状変化を予測する工程と、熱間圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向位置に応じて随時設定して金属帯の形状を制御する工程とを備えていることを特徴とする金属帯の形状制御方法。
2. 熱間圧延において、仕上圧延後に金属帯に発生する形状不良を抑制する金属帯の熱間圧延における形状制御方法であって、金属帯の情報を取得する工程と、常温まで冷却後の金属帯の形状分布に関して仕上圧延機出側での板面温度および平坦度を初期値として、ランナウトテーブルでの冷却、コイラ巻取り、コイル冷却の各過程での温度および応力・歪分布を相変態とともに順次解析していくことにより、仕上圧延後に金属帯の長手方向の各位置に発生する形状変化を予測する工程と、仕上圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような仕上圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向位置に応じて随時設定して金属帯の形状を制御する工程とを備えていることを特徴とする金属帯の形状制御方法。
3. 熱間圧延において、仕上圧延後に金属帯に発生する形状不良を抑制する金属帯の熱間圧延における形状制御方法であって、金属帯の情報を取得する工程と、常温まで冷却後の金属帯の形状分布に関してこれまでデータベースに蓄積した実績情報に基づいて仕上圧延後に金属帯の長手方向の各位置に発生する形状変化を予測する工程と、仕上圧延を行うに際し前記の予測した形状変化を補償するような仕上圧延機出側での目標形状を金属帯の長手方向位置に応じて随時設定して金属帯の形状を制御する工程とを備えていることを特徴とする金属帯の形状制御方法。
4. 前記圧延後の金属帯に発生する形状変化を予測する工程において、熱間圧延以降の１つ以上の工程に設置された形状計により金属帯全長にわたって測定した形状データを利用して、形状変化予測モデルを更新することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属帯の形状制御方法。

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