JP2007268566A - 冷間圧延における形状制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バックアップロールが摩耗しても、広範囲な圧延条件に対応して良好な形状の鋼帯を製造する。
【解決手段】摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係を定式化するとともに、バックアップロールのプロフィール変化量及びワークロールクラウンの変更量を変数とし、板端から距離が異なる複数の箇所について板幅中央に対する伸び率差の変化量を表す数式モデルを予め作成し、バックアップロール使用時の圧延長に対応して前記バックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係式から予測されるバックアップロールのプロフィール変化量を前記伸び率差の変化量を表す数式モデルに代入し、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化に応じて伸び率差が変化しないように、適正なワークロールクラウンの変更量を算出し、ワークロールを交換する。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧延された金属帯の板形状がバックアップロールの摩耗に応じて変化しないようにワークロールクラウン量を補正する方法に関する。

冷間圧延では、圧延機出側に配置された形状検出器で圧延中の圧延材形状を測定し、測定結果に基づいてロールベンダー，ロールシフト等の形状制御手段の制御量を補正する方法が一般的に採用されている。しかし、圧延機から離れた位置に配置された形状検出器で圧延材の形状を測定することが多く、そのため検出遅れが生じ、応答性の高い制御が困難なこともある。
高速応答性で形状制御するため、圧延荷重の変動が圧延材の形状変化に影響を及ぼしているとの前提に立って、板形状の直接測定に代えて圧延荷重を測定し、圧延荷重の測定値に基づいて各形状制御手段の制御量を補正する種々の方式が提案されている（特許文献１，特許文献２，特許文献３）。何れの方式も、圧延形状を圧延荷重の関数で表わした圧延形状予測式に基づいて形状制御しているが、圧延形状予測式では板幅方向の１ヶ所の形状のみで圧延形状を評価している。そのため、圧延荷重が大きく変動する場合、板幅全体にわたって良好な形状を得がたい。

このような問題を解消するため、本発明者等は、板幅方向に沿った複数箇所で伸び率差を取り込んだ数式モデルを使用することにより、圧延荷重の変動に応じて形状制御手段の制御量を補正し、板幅全体にわたって良好な形状をもつ鋼帯を製造する方法を開発し、特許文献４で紹介した。
この方法は、圧延中の形状制御を対象にしているが、圧延開始時に形状制御手段を初期設定するプリセット制御についても数式モデルをそのまま適用できる。

特許文献４による方法は、形状制御手段の仕様範囲が広く、広範囲な圧延条件にわたって目標形状に制御できることを前提としたものであり、形状制御手段の能力が十分な場合には良好な形状が得られる。しかし、形状制御手段の仕様範囲が狭い場合には広範囲な圧延条件への対応が困難となり、良好な形状が得られない場合がある。特に、圧延荷重が大きく、形状制御手段の能力が不足する場合には、大きな耳伸び形状を生じる。
そこで、本発明者等は、ワークロールクラウン量の影響を取り込んだ数式モデルを用いて適正なワークロールクラウン量を算出し、ワークロールに付与することにより、広範囲な圧延条件に対応して圧延開始時よりコイル全長にわたって良好な形状をもつ鋼帯を製造する方法を開発し、特許文献５で提案した。
特公昭５２−２３８７３号公報 特開昭５７−７３０９号公報 特開平８−２５７６１２号公報 特開平１１−２６７７２７号公報 特願２００６−０２１３１４号

一般に圧延においては、圧延材の粗度調整やロールに生じた疵の圧延材への転写を防止する観点から、バックアップロールに比べてワークロールの交換頻度が高い。すなわち、摩耗したバックアップロールを使用し続ける間に複数回ワークロールを交換するのが一般的である。バックアップロールが摩耗すれば、バックアップロールのプロフィールが変化するため、ワークロールの撓み量が変化し、圧延形状も変化する。

しかし、特許文献５で提案した方法では、バックアップロールのプロフィール変化が考慮されていないため、ワークロールクラウン量が適正値からずれ、形状制御手段の仕様範囲が狭い場合には広範囲な圧延条件への対応が困難となり、良好な形状が得られない場合がある。特にバックアップロールにテーパが付与されている場合には、テーパ部が大きく摩耗することになるため、バックアップロールの使用時間の増加とともに形状制御手段による制御範囲が中伸び側に偏り、大きな中伸び形状を生じる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化に対応した適正なワークロールクラウン量を算出し、ワークロールを交換することにより、形状制御手段の能力不足を補い、形状精度に優れた圧延材を高生産性で製造できる制御方法を提供することを目的とする。

本発明の形状制御方法は、その目的を達成するため、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係を定式化するとともに、バックアップロールのプロフィール変化量及びワークロールクラウンの変更量を変数とし、板端から距離が異なる複数の箇所について板幅中央に対する伸び率差の変化量を表す数式モデルを予め作成し、バックアップロール使用時の圧延長に対応して前記バックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係式から予測されるバックアップロールのプロフィール変化量を前記伸び率差の変化量を表す数式モデルに代入し、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化に応じて伸び率差が変化しないように、適正なワークロールクラウンの変更量を算出し、ワークロールを交換することを特徴とする。

本発明においては、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量の影響を考慮した数式モデルを用いて適正なワークロールクラウンの変更量を算出し、ワークロールを交換している。そのため、バックアップロールの摩耗が進行しても、広範囲な圧延条件に対応して形状制御手段の能力不足を補い、圧延開始からコイル全長にわたって良好な形状の圧延材が得られる。

本発明者らは、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量の影響を考慮した数式モデルを用いて適正なワークロールクラウンの変更量を算出し、ワークロールを交換することにより、広範囲な圧延条件に対応して良好な形状が得られるような冷間圧延の形状制御方法を種々調査検討した。
その結果、板端から距離が異なる複数の箇所について板幅中央に対する伸び率差がそれぞれバックアップロールのプロフィール変化量と比例関係にあることに着目し、伸び率の差にバックアップロールのプロフィール変化量が与える影響を取り込んだ数式モデルを使用すると、広範囲な圧延条件に対応した適正なクラウン量を有するワークロールを使用することが可能となり、良好な形状をもつ圧延材が製造されることを見出した。
以下、４段圧延機のバックアップロールの摩耗の影響を対象に本発明の形状制御方法について説明するが、６段以上の多段圧延機のバックアップロールや中間ロールの摩耗の影響に対しても同様に本発明が適用されることは勿論である。

耳伸び，中伸び等の単純な形状不良だけでなく、クォータ伸びや各種伸びが複雑に組み合わさった複合伸びを防止するためには、圧延形状を複数の指標で評価し制御することが要求される。
そこで、本発明においては、圧延形状を板端から距離が異なる複数の箇所における伸び率と板幅中央の伸び率との差で評価する。具体的には、板端部及びクォータ部の板幅中央に対する伸び率差ε_e，ε_qで圧延形状を定義する。伸び率差ε_e，ε_qは板端部の伸び率をｅｌ_e，クォータ部の伸び率をｅｌ_q，板幅中央の伸び率をｅｌ_cとするとき、それぞれ式（１）及び（２）で表される。
ε_e＝ｅｌ_e−ｅｌ_c （１）
ε_q＝ｅｌ_q−ｅｌ_c （２）
なお、板端部及びクォータ部の測定位置については、形状を適切に表し、且つ精度の良い数式モデルが得られるように経験的に定められる。

摩耗前のバックアップロールのプロフィールに関しては、バックアップロールの中央部と端部及びクォータ部との直径差Ｓ_e ⁰，Ｓ_q ⁰で定義する。なお、バックアップロールの胴長がワークロールの胴長よりも長い場合には、Ｓ_e ⁰，Ｓ_q ⁰をワークロールの中央部におけるバックアップロールの直径とワークロールの端部及びクォータ部におけるバックアップロールの直径との差とする。端部，クォータ部及び中央部における摩耗前のバックアップロールの直径をそれぞれ、Ｄ_e ⁰，Ｄ_q ⁰，Ｄ_c ⁰とするとき、摩耗前の直径差Ｓ_e ⁰，Ｓ_q ⁰は、それぞれ式（３）及び（４）で表される。
Ｓ_e ⁰＝Ｄ_c ⁰−Ｄ_e ⁰ （３）
Ｓ_q ⁰＝Ｄ_c ⁰−Ｄ_q ⁰ （４）
なお、端部及びクォータ部の位置については、バックアップロールのプロフィール変化を適切に表し、且つ精度の良い数式モデルが得られるように経験的に定められる。

同様に、摩耗後のバックアップロールのプロフィールを、バックアップロールの中央部と端部及びクォータ部との直径差Ｓ_e ¹，Ｓ_q ¹で定義する。なお、バックアップロールの胴長がワークロールの胴長よりも長い場合には、Ｓ_e ¹，Ｓ_q ¹をワークロールの中央部におけるバックアップロールの直径とワークロールの端部及びクォータ部におけるバックアップロールの直径との差とする。端部，クォータ部及び中央部における摩耗後のバックアップロールの直径をそれぞれ、Ｄ_e ¹，Ｄ_q ¹，Ｄ_c ¹とするとき、摩耗後の直径差Ｓ_e ¹，Ｓ_q ¹は、それぞれ式（５）及び（６）で表される。
Ｓ_e ¹＝Ｄ_c ¹−Ｄ_e ¹ （５）
Ｓ_q ¹＝Ｄ_c ¹−Ｄ_q ¹ （６）

そして、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qは、端部及びクォータ部における直径差の変化量として、それぞれ式（７）及び（８）で表される。
ΔＳ_e＝Ｓ_e ¹−Ｓ_e ⁰ （７）
ΔＳ_q＝Ｓ_q ¹−Ｓ_q ⁰ （８）
バックアップロールのプロフィールが変化すれば、バックアップロールに接するワークロールの撓み量が変化するが、バックアップロールのプロフィール変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qとロール撓みの変化量との関係は弾性領域における変形を対象としていることからほぼ線形的な関係にある。
したがって、バックアップロールのプロフィール変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qと伸び率差ε_e，ε_qの変化量Δε_e，Δε_qとの間も、図１，２に示すように線形関係にある。

ワークロールクラウン量はワークロール端とワークロール中央との直径差で定義した。図３に示すようにワークロールクラウン量Ｗｒの変更量ΔＷｒと伸び率差ε_e，ε_qの変化量Δε_e，Δε_qとの間も線形関係にある。
以上の各要因相互の関係から、a_e，b_e，c_e，a_q，b_q，c_qを影響係数として、式（９），（１０）で圧延形状変化の予測式を表すことができる。
Δε_e＝a_e・ΔＳ_e＋b_e・ΔＳ_q＋c_e・ΔＷｒ （９）
Δε_q＝a_q・ΔＳ_e＋b_q・ΔＳ_q＋c_q・ΔＷｒ （１０）

影響係数a_e，b_e，c_e，a_q，b_q，c_qは、板幅，板厚及び材質等の製造品種によって定まる定数であり、実験又はロールの弾性変形解析と素材の塑性変形解析とを連成させた解析モデルによるシミュレーションからそれぞれ求められる。各影響係数は、板幅，板厚，材質等の各区分毎にテーブル設定し、或いは板幅，板厚，材質等の関数として数式化される。

摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係については、図４に示すように各圧延長毎にバックアップロールのプロフィールを測定し、端部及びクォータ部における直径差の変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qを求め、回帰式等により定式化すればよい。
摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化に応じて伸び率差が変化しないような適正なワークロールクラウンの変更量ΔＷｒの算出に際しては、板幅，板厚，材質等の各テーブル区分毎に式（１１）で示す評価関数Ｊが最小となるようにワークロールクラウンの変更量の適正値を算出し、その平均値をとる。

各テーブル区分毎のワークロールクラウン変更量の適正値算出については、バックアップロール使用時の圧延長に対応してバックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係式から予測されるバックアップロールのプロフィール変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qを式（９），（１０）に代入し、式（１１）で示す評価関数が最小となるようにワークロールクラウンの変更量を算出する。
そして、各テーブル区分毎のワークロールクラウン変更量の適正値を平均化し、その平均値ΔＷｒだけクラウンを変更したワークロールと交換する。
Ｊ＝w_e・Δε_e ²＋w_q・Δε_q ² （１１）
式中、w_e，w_qは、重み係数を示す。

以上の説明では、板端部及びクォータ部の２点における板幅中央に対する伸び率差ε_e，ε_qで圧延形状を定義し、適正なワークロールクラウンの変更量ΔＷｒを算出し、ワークロールを交換している。しかし、本発明はこれに拘束されるものではなく、板幅方向に沿った３点以上について板幅中央に対する伸び率差を用いて圧延形状を定義した場合にも同様にワークロールクラウンの変更量を適正化できる。
また、摩耗前後のバックアップロールのプロフィールに関しては、バックアップロールの中央部と端部及びクォータ部との直径差Ｓ_e ⁰，Ｓ_q ⁰，Ｓ_e ¹，Ｓ_q ¹で定義しているが、バックアップロールの中央部と胴長方向に沿った３点以上の位置との直径差で定義することも可能である。

図５に示す４段圧延機を用いた冷間圧延に本発明を適用した例を説明する。４段圧延機１は、ワークロール５にワークロールベンダー２を形状制御手段として備えている。また、上位コンピュータ３には圧延条件が入力されおり、プロセスコンピュータ４では板幅，板厚及び材質の区分毎に予め算出した影響係数a_e，b_e，c_e，a_q，b_q，c_qを取り込んでいる。
摩耗によるバックアップロール７のプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係については、各圧延長毎にバックアップロールのプロフィールを測定し、図６に示すように端部及びクォータ部における直径差の変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qを求め、式（１２）及び式（１３）に示す回帰式により定式化した。そして、式（１２）及び式（１３）をプロセスコンピュータ４に取り込んでいる。
ΔＳ_e＝−0.74×10^-10・Ｌ²＋0.39×10^-3・Ｌ （１２）
ΔＳ_q＝ 0.19×10^-10・Ｌ²＋0.44×10^-4・Ｌ （１３）
ここで、Ｌはバックアップロール使用時の圧延長である。

まず、特許文献５で提案した方法によりバックアップロール使用開始直後の適正なワークロールクラウン量を算出し、９０μｍを適正なクラウン量としてワークロール５に付与した。そして、各コイルについて、同じく特許文献５で提案した方法により適正なワークロールベンダー力を算出し設定した。そして、圧延開始後は形状検出器６の出力値に基づいて制御しながら圧延した。
ワークロール交換の各タイミングで式（９），（１０），（１１）に基づいてワークロールクラウン変更量の適正値ΔＷｒを算出し、図７に示すように、ΔＷｒだけクラウンを変更したワークロール５と交換した。ワークロール交換後も、特許文献５で提案した方法により適正なワークロールベンダー力を算出し設定し、圧延開始後は形状検出器６の出力値に基づいて制御しながら圧延した。比較のため、バックアップロールの摩耗を考慮せずにクラウン量９０μｍのワークロールを使用し続ける場合について、特許文献５で提案した方法により適正なワークロールベンダー力を算出し設定し、圧延開始後は形状検出器６の出力値に基づいて制御しながら圧延した。

本発明により、バックアップロール使用時の圧延長が９×１０⁵ｍのときにクラウン量４０μｍのワークロールを使用し、板幅１０００ｍｍ，板厚２.０ｍｍで伸び率２.０％のスキンパス圧延を行った鋼帯は、図８に示すように圧延開始からコイル全長にわたって急峻度が０.５％以内に収められており、良好な形状に圧延されていた。
これに対し比較例として、バックアップロール使用時の圧延長が９×１０⁵ｍのときにクラウン量９０μｍのワークロールを使用し、同じく板幅１０００ｍｍ，板厚２.０ｍｍで伸び率２.０％のスキンパス圧延を行った鋼帯は、圧延開始からコイル全長にわたって急峻度が１.０％以上と大きな中伸びを生じていた。

バックアップロールのプロフィール変化量ΔＳ_eが伸び率差の変化量に及ぼす影響を表したグラフ バックアップロールのプロフィール変化量ΔＳ_qが伸び率差の変化量に及ぼす影響を表したグラフ ワークロールクラウンの変更量が伸び率差の変化量に及ぼす影響を表したグラフ バックアップロールの摩耗前後のプロフィールを表したグラフ 実施例で使用した４段圧延機及び制御系統の概略図 バックアップロール使用時の圧延長と端部及びクォータ部における直径差の変化量ΔＳ_e，ΔＳ_qの関係を示すグラフ 実施例におけるバックアップロール使用時の圧延長とワークロールクラウン量の関係を示すグラフ 実施例で圧延された鋼帯の急峻度を示すグラフ

符号の説明

１：４段圧延機 ２：ワークロールベンダー
３：上位コンピュータ ４：プロセスコンピュータ
５：ワークロール ６：形状検出器
７：バックアップロール

Claims (1)

1. 摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係を定式化するとともに、バックアップロールのプロフィール変化量及びワークロールクラウンの変更量を変数とし、板端から距離が異なる複数の箇所について板幅中央に対する伸び率差の変化量を表す数式モデルを予め作成し、バックアップロール使用時の圧延長に対応して前記バックアップロールのプロフィール変化量とバックアップロール使用時の圧延長の関係式から予測されるバックアップロールのプロフィール変化量を前記伸び率差の変化量を表す数式モデルに代入し、摩耗によるバックアップロールのプロフィール変化に応じて伸び率差が変化しないように、適正なワークロールクラウンの変更量を算出し、ワークロールを交換することを特徴とする冷間圧延における形状制御方法。

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