JP2007507354A - 金属ストリップの圧延路の運転方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの圧延スタンド（３）を有する金属ストリップ（１）の圧延路を運転するために、金属ストリップ（１）の圧延路の出口部における内在的平坦度（ｉｐ）が求められる金属ストリップ（１）の圧延路の運転方法及び制御装置に関する。圧延された金属ストリップ（１）の要求された可視的平坦度（ｖｐ）を予め定められた限界内に正しく且つ十分な精度をもって保持するために、圧延路の出口部における金属ストリップ（１）の膨らみ状態を測定し、膨らみモデル（１２）を用いて金属ストリップ（１）の内在的平坦度（ｉｐ）に変換することが提案される。全圧延路において、可視的平坦度（ｖｐ）はそうしてオンラインで膨らみモデル（１２）を利用してよりよく調節され得る。

Description

本発明は、特に熱間圧延工場、例えば仕上げ路における運転に使用するのに適する請求項１の前文に従う方法に関する。しかしながら、本発明はこのような用途に限定されない。

さらに本発明は請求項１０の前文に従う制御装置に関する。

独国特許出願公開第19851554 号明細書から、圧延路から出て来る際の金属ストリップのプロフィルおよび／または平坦度を求め、圧延路の予調節に使用することは知られている。測定された可視的平坦度は入力パラメータの形でニューラルネットワークに導かれる。

本発明の課題は、圧延された金属ストリップの要求された可視的平坦度が予め定められた限界内に確実にかつ十分な精度で保持されることを保証する制御が与えられるように金属ストリップの圧延路を運転することにある。

この課題は、冒頭に述べた方法において、圧延スタンドを制御する際、金属ストリップの可視的平坦度および内在的平坦度（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｆｌａｔｎｅｓｓ）が膨らみモデルを使用して考慮される。

金属ストリップの可視的平坦度つまり波打ち性が圧延の際に張力の作用により、従って圧延スタンド間で時として完全に消滅し、それゆえ圧延路内では多くの場合実用上測定が不可能であるにもかかわらず、本発明により膨らみモデルを使用して圧延路の可視的平坦度ならびに内在的平坦度を可能な限り考慮することによって、可視的平坦度の良さに関する非常に高い要求を満たすことができる。

膨らみモデルを用いて、金属ストリップの内在的平坦度と可視的平坦度との間の一対一に対応する関係が初めて作られる。従って、平坦度測定に基づき予調節を行うのみならず、可視的平坦度を進行する圧延過程の正確な制御ないしは調節に利用することが初めて可能になる。

可視的平坦度は膨らみパターン（ｂｕｌｇｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ）の形で求められると有利である。膨らみパターンはデータ技術的に容易に比較が可能であり、比較的低い費用で記憶可能である。

膨らみパターンは三次元的であると有利である。

金属ストリップの膨らみパターンを求めるために、金属ストリップの個々のレーンの相対的な長さのほかに、個々のレーンの波長、振幅および位相ずれといった量の少なくとも１つが評価されると有利である。そうして膨らみパターンが著しく正確に検出される。

膨らみパターンを求めるために、マルチレーン・レーザ測定器が使用されると有利であり、それによって膨らみパターンの費用のかからない検出が十分高い正確さで可能になる。

可視的平坦度はトポメトリックに測定されると有利である。そのようにストリップ表面構造および特に膨らみパターンの平面的検出が直接可能となる。

膨らみモデルを用いて可視的平坦度の値が内在的平坦度の値に、ないしは内在的平坦度の値が可視的平坦度の値に変換されると有利である。そのように材料の流れモデルを用いて計算されたストリップの内在的平坦度と圧延路の出口部において測定されたストリップの可視的平坦度とが互いに適合ないしは検証され得る。

平坦度の変換はオンラインで行われると有利である。そのようにストリップ平坦度の特に正確な制御ないしは調節が可能となる。

平坦度の変換はオンライン可能な近似関数を利用して行われると有利である。そのように可視的平坦度と内在的平坦度との間での変換の際のオンライン計算時間が節減される。

金属ストリップの内在的平坦度から出発して、その膨らみパターンが膨らみモデルを用いて金属ストリップの横方向の仮定の温度分布を造り出すことによってモデル化されると有利である。このストリップ温度分布に相応するストリップ長手方向（横方向ではない）の熱的膨張は内在的平坦度に属し得る長さ分布に相応する。そのようにただ限定された長さのセグメントがモデル化されなければならないだけで、大きなゆがみを有する弾性的板変形のモデル式が、セグメント縁部における適切な境界条件によって作成される。

材料の流れモデルを用いて、金属ストリップの内在的平坦度が、材料の流れ方向に見て、平坦度の物理的測定位置の前で決定されると有利である。

圧延路を制御するために、圧延路の内部および／または後方の自由に選択可能な点における１つ又は複数の平坦度限界値が予め与えられる。平坦度限界値は内在的平坦度および／または可視的平坦度に関連し得る。平坦度限界値が圧延路の内部ないしは後方の至る所で予め与えられ得ることによって、圧延プロセスに対する調節精度が著しく高められる。

本発明の課題はまた、少なくとも１つの調節ユニットを備え、少なくとも１つの圧延スタンドを有する金属ストリップの圧延路を、特に前述の方法に従い運転するための制御装置において、調節ユニットが膨らみモデルに結合されていることによって解決される。制御装置の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。制御装置の利点は方法の利点と類似して得られる。

その他の利点及び詳細は、図面と関連した実施例の以下の説明から明らかである。
図１は金属ストリップの圧延のためのマルチスタンド式圧延路および圧延路に付設された制御装置を示す。
図２は平坦度欠陥を有する金属ストリップの例を示す。
図３は金属ストリップをレーンへ区分する様子を示す図である。
図４はマルチスタンド式圧延路と制御装置との部分図である。

図１に従って、金属ストリップ１を圧延するための圧延路は制御コンピュータ２により制御される。金属ストリップ１は、例えば鋼ストリップ、アルミニウムストリップ、又は非鉄金属ストリップ、特に銅ストリップであり得る。圧延路は少なくとも２つの圧延スタンド３を有する。

圧延スタンド３は少なくともワークロール４及び一般にはまたバックアップロール５を有し、それらは図１では圧延スタンド３の１つに示されている。圧延スタンド３はさらに多くのロール、例えば軸線方向に変位し得る中間ロールをも有し得る。

金属ストリップ１は圧延路をその縦方向（長手方向）ｘに走行し、その際金属ストリップ１の横方向ｙはワークロール４の軸線にほとんど平行である。

図１に示された圧延路は、鋼ストリップの熱間圧延のための仕上げ路として形成されている。本発明は確かに鋼ストリップの熱間圧延のためのマルチスタンド式仕上げ路に使用するのに適しているが、それに限定されず、特に圧延路を冷間圧延路（タンデム圧延路）としても形成することができ、また鉄でない金属（例えばアルミニウム、銅または他の非鉄金属）の圧延のために形成することもできる。

制御装置２は調節ユニット１１を有する。この調節ユニット１１は、材料の流れモデル９に結合されたプロフィルおよび平坦度制御モジュール１０を有する。制御装置２は、詳細には示されていないプロフィルおよび平坦度操作部に対する目標値をスタンド調節器６に設定する。スタンド調節器６は予め定められた目標値に相応して操作部を調節する。

制御装置２に導かれた入力量は、例えば金属ストリップ１の入口厚みのような圧延工程プランデータ、並びに各圧延スタンド３に対し圧延力および圧延工程の取り去りを含む。入力量は、通例さらに圧延路の出口部における金属ストリップの最終厚み、目標プロフィル値、目標厚み輪郭経過および目標平坦度経過を含む。大抵の場合圧延された金属ストリップ１は可能な限り平坦であるべきである。

しかしながらしばしば金属ストリップ１は、図２Ａ，２Ｂ，２Ｃに模範的にかつ概略的に示されるように平坦度欠陥を有する。金属ストリップ１の平坦度欠陥は、図１に示されるように位置ｘ２において例えばマルチレーン・レーザ測定器１３を用いて測定することができる。

図２Ａは金属ストリップ１の中心部の膨らみを示す。図２Ｂは金属ストリップ１の縁部における平坦度欠陥を示す。図２Ｃは、金属ストリップ１の縦方向（長手方向）ｘに繰り返し現われしかも特に金属ストリップ１の横方向ｙの２つの範囲に現われる金属ストリップの膨らみを示す。

金属ストリップ１の膨らみは特に金属ストリップ１の内部応力によって生じる。金属ストリップ１内の内部応力はストリップの内在的平坦度ｉｐとして示される。

図３は、金属ストリップ１を仮定レーンＳ１〜Ｓｎないしは測定レーンＳ１´〜Ｓｍ´へ区分する様子を示す。金属ストリップ１を狭い長手ストリップないしはレーンＳ１〜Ｓｎに区分すると、金属ストリップ内の内部応力に起因する同じでないストリップ長さ分布（内在的ストリップ長さ分布）を測定することができる。マルチレーン・レーザ測定器１３は、測定レーンＳ１´〜Ｓｍ´ごとに金属ストリップ１の相対的な長さを検出し、個々のレーンＳ１´〜Ｓｍ´の例えば波長、振幅および／または位相ずれのような付加的な量を求めると好ましい。仮定レーンＳ１〜Ｓｎと測定レーンＳ１´〜Ｓｍ´とが一致するためには属している内在的ないしは測定された相対的長さが一致しないことが決定的である。

図４から分るように、金属ストリップ１の熱間圧延の場合、ストリップの内在的平坦度ｉｐとストリップの可視的平坦度ｖｐとは区別される。ストリップの内在的平坦度ｉｐは、先に説明されたように、レーンＳ１〜Ｓｎについてのストリップ長さ分布を特徴付ける。可視的平坦度ｖｐはストリップの膨らみ状態から生じ、ストリップの膨らみ状態はとりわけストリップ厚み、ストリップ幅、金属ストリップ１のＥモジュラス並びに金属ストリップ１にかかる全張力のような量に関係する。

図４に従って、可視的平坦度ｖｐが圧延路、特に仕上げ路の出口部の位置ｘ２で測定され、膨らみモデル１２に導かれる。可視的平坦度ｖｐの測定は本発明によれば、横方向ｙのストリップ幅についての可視的ストリップ長さ分布が測定装置の出力量であるのみならず、測定装置の出力量からストリップの三次元膨らみパターンが再構成可能であるように行われる。従って、マルチレーン・レーザ測定システムにおいては、個々の測定レーンＳ１´〜Ｓｍ´の（相対的）長さのみならず、各レーンＳ１´〜Ｓｍ´に対する波長および位相ずれが測定装置から出力される。可視的平坦度ｖｐをトポメトリックに測定すると、金属ストリップ１の表面構造は平面的および三次元的に金属ストリップ１の大きな範囲に亘って検出される。ストリップ平坦度のトポメトリックな測定は条帯投影法に基づくと有利である。条帯投影法においては条帯モデルが金属ストリップ１の表面に投影され、マトリックスカメラを使用して連続的に検出される。

内在的平坦度ｉｐは、圧延スタンド３間ないしは圧延スタンド３の後方、特に仕上げ路の圧延スタンド３間および／または圧延スタンドの後方にある位置ｘ１で計算されると有利である。その計算は、好ましくは調節ユニット１１の構成部分である材料の流れモデル９（図１参照）を用いて行うと有利である。圧延路の出口部の位置ｘ２において、可視的平坦度ｖｐが測定され、材料の流れモデル９によって計算された内在的平坦度ｉｐが、膨らみモデル１２を利用して、測定された可視的平坦度ｖｐと比較される。特に冷間圧延工場の場合、原則的に金属ストリップ１の内在的平坦度ｉｐの測定も可能であろう。

膨らみモデル１２によって、可能であるかぎり内在的平坦度ｉｐと可視的平坦度ｖｐとの間の一対一に対応する関係が作られる。例えば内在的非平坦度が僅かである非常に厚い金属ストリップの場合、膨らみ状態から内在的平坦度ｉｐを推論できない。何故ならそのような金属ストリップ１は通例ふくらまないからである。

種々の平坦度（ｉｐないしはｖｐ）の検出は以下の順序で有利に行われる。
１．金属ストリップ１の膨らみ状態に相応する可視的平坦度ｖｐは通例最後の圧延スタンド３の後方で、例えば仕上げ路の出口部で測定される。
２．膨らみモデル１２を用いて、金属ストリップ１の内在的平坦度ｉｐが可視的平坦度ｖｐの測定位置（ステップ１参照）で求められる。
３．材料の流れモデル９を用いて、内在的平坦度ｉｐが圧延スタンド３間で、従って例えば仕上げ路内で決定される。内在的平坦度ｉｐはそうして、材料の流れ方向に見て、平坦度、ここでは内在的平坦度の物理的測定位置の前に決定される。

圧延スタンド３間の内在的平坦度ｉｐと最後の圧延スタンド３の後方の内在的平坦度ｉｐとの間の関係は材料の流れモデル９を介して作られる。材料の流れモデル９には、金属ストリップ１のストリップ厚み輪郭のような入力量と圧延スタンド３の通過前および通過後の平坦度経過つまり平坦度が導かれる。材料の流れモデル９はオンラインで圧延スタンド３の通過後の金属ストリップ１の内在的平坦度経過と金属ストリップ１の横方向ｙの圧延力経過とを求め、詳細には示されていない圧延変形モデルに導く。この詳細には示されていない圧延変形モデルは調節ユニット１１の構成部分であると有利である。圧延変形モデルは圧延変形を求め、詳細には示されていない目標値検出器に導く。この目標値検出器は、求められた圧延変形とスタンド出口部側の金属ストリップ１の輪郭経過とに基づいて個々の各圧延スタンド３におけるプロフィルおよび平坦度操作部に対する目標値を求める。

膨らみモデル１２を使用することによって、材料の流れモデル９と、モジュール１０内に内蔵されたプロフィルおよび平坦度制御部（それぞれ図１参照）とは可視的平坦度ｖｐの測定データに適合され得る。可視的平坦度ｖｐないしは相応する可視的非平坦度に対して上限および下限を定めることができ、これらの限界は膨らみモデル１２を利用して内在的平坦度ｉｐないしは内在的非平坦度に対する限界に変換され得る。膨らみモデル１２は内在的非平坦度から金属ストリップ１の膨らみパターンを計算する。計算された膨らみパターンから、再び可視的非平坦度が求められる。逆の推論に対しては逆モデリングが使用される。

膨らみモデル１２は弾性的板変形の理論に基づくと有利である。内在的平坦度ｉｐは、ストリップ幅にわたる、即ち横方向yの、仮定のストリップ温度分布が造り出されることによってモデル化され、この温度分布は金属ストリップ１の長手方向ｘの熱的膨張を生じ、しかも内在的平坦度ｉｐに属する長さ分布に等しい。

ここで図５に示されたような長さａ、幅ｂおよび厚みｈを持ったストリップセグメントを考察する。図にはさらに縦方向（長手方向）ｘ、横方向ｙおよび垂直方向ｚが示されている。単に長さａを有するストリップセグメントが基本膨らみ長さの半分または全長に関して、従ってストリップセグメントの頭部および足部における周期的な境界条件で、モデル化される。ストリップ縁部における境界条件は自由な縁部である。モデル式は偏微分方程式およびそれに属する境界条件であり、それらは差分法または有限要素法を用いて解くことができる。

解決アルゴリズムの計算時間に関係して、膨らみモデル１２は直接オンラインで使用することができる。それに代えて、オフラインモデルを用いてオンライン可能な近似関数が作られ、それがオンラインで膨らみモデル１２のために使用されてもよい。

膨らみモデル１２の機能をより理解するために、例えば金属ストリップ１の熱間圧延において金属ストリップ１の膨らみに起因する金属ストリップ１の測定された偏向は、通例ストリップ厚みｈより明らかに大きい規模を持つことが先ず認識されなければならない。しかしながらその規模は、特徴的には、膨らみ状態の特徴的な波長およびストリップ幅ｂより著しく低い。偏向がストリップ厚みｈの約１／５以下である場合のみに、板変形の古典的な線形理論が有効であるのに対し、この場合には板のゆがみの非線形記述が使用されなければならない。図５に示された金属ストリップ１を記述する量のほかに、弾性係数（略してＥモジュラス）も必要で用いられ、その際通例一定のＥモジュラスから出発される。非線形の膨らみ状態は以下のように記述される。

ストリップ面に作用する力はポテンシャルΦの形で表現され、このポテンシャルは一般にエアリー（Airy）の応力関数ともいわれる。ｗは金属ストリップ１の垂直方向の変位を表わし、一方ｐは外部から垂直方向ｚに作用する圧力分布を記述する。Ｄは以下の式によって定義される。

ここでＥはＥモジュラスを表し、νは金属ストリップ１の横収縮数を表す。

さらに式（Ｉ）から項Ｌ（ｗ、Φ）に対し次式が成立する。

今さらに熱的に生ぜしめられた内部応力および歪に関して仮定すると、次式が生じる。

ここでＴは金属ストリップ１の温度、κ_xないしはκ_yは長手方向ないしは横方向（ｘないしはｙ）の熱膨張係数を示す。

式（Ｉ），（ＩＶ）は、２つの結合された非線形の偏微分方程式を形成する。そこでさらに適切な境界条件、例えばストリップセグメントの頭部および足部における自由縁ないしは周期的な境界条件を挿入すると、式（Ｉ），（ＩＶ）は数値的に反復様式で解くことができる。

本発明の根本思想は以下のようにまとめることができる。

本発明は、少なくとも１つの圧延スタンド３を有する金属ストリップ１の圧延路を運転するために、圧延路の出口部における金属ストリップ１の内在的平坦度ｉｐが求められる金属ストリップの圧延路の運転方法および制御装置に関する。圧延された金属ストリップ１の要求された可視的平坦度ｖｐを予め定められた限界内に確実に且つ十分な精度をもって保持することを保証するために、圧延路の出口部における金属ストリップ１の可視的平坦度ｖｐつまり膨らみ状態を求めつまり好ましくは測定し、また膨らみモデル１２を用いて金属ストリップ１の内在的平坦度ｉｐに変換することが提案される。そうして可視的平坦度はオンラインで膨らみモデル１２を利用して圧延路の圧延スタンドの制御に使用することができる。全圧延路において、可視的平坦度ｖｐは本発明によれば有利にオンラインで膨らみモデル１２を利用してよりよく調節され得る。

膨らみモデル１２はオンライン能力を有し、圧延された金属ストリップ１の絶対的な内在的平坦度ｉｐと金属ストリップ１の実際に測定された目に見える欠陥、従って可視的平坦度ｖｐとの間の一対一に対応する関係を作り出す。内在的平坦度に基づく材料の流れモデル９ないしはその対応するプロフィルおよび平坦度制御の実際の測定値に関して検証、適合および調整が初めて可能となる。

金属ストリップの圧延のためのマルチスタンド式圧延路および圧延路に付設された制御装置を示す図 平坦度欠陥を有する金属ストリップの例を示す図 金属ストリップをレーンへ区分する様子を示す図 マルチスタンド式圧延路と制御装置との部分図 金属ストリップの断片の形状を示す図

符号の説明

１ 金属ストリップ
２ 制御装置
３ 圧延スタンド
４ ワークロール
５ バックアップロール
６ 圧延スタンド調節器
９ 材料の流れモデル
１０ モジュール
１１ 調節ユニット
１２ 膨らみモデル
１３ マルチレーン・レーザ測定器
ｉｐ 内在的平坦度
ｖｐ 可視的平坦度
ｘ１、ｘ２ 位置

Claims (18)

1. 少なくとも１つの圧延スタンド（３）を有する金属ストリップ（１）の圧延路を運転するために、圧延路の出口部における金属ストリップ（１）の可視的平坦度（ｖｐ）が考慮される金属ストリップの圧延路の運転方法において、圧延スタンドを制御する際、金属ストリップ（１）の可視的平坦度（ｖｐ）および内在的平坦度（ｉｐ）が膨らみモデル（１２）を用いて考慮されることを特徴とする金属ストリップの圧延路の運転方法。
2. 可視的平坦度（ｖｐ）が膨らみパターンの形で求められることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 膨らみパターンが三次元であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 膨らみパターンを求めるために、金属ストリップ（１）の個々のレーン（Ｓ１〜Ｓｎ）の相対的な長さのほかに、個々のレーン（Ｓ１〜Ｓｎ）の量である波長、振幅および位相ずれの少なくとも１つが評価されることを特徴とする請求項２又は３記載の方法。
5. 内在的平坦度（ｉｐ）を求めるために、マルチレーン・レーザ測定器（１３）が使用されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 可視的平坦度（ｖｐ）がトポメトリックに測定されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
7. 膨らみモデル（１２）を用いて、可視的平坦度（ｖｐ）の値が内在的平坦度（ｉｐ）の値に変換されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 膨らみモデル（１２）を用いて、内在的平坦度（ｉｐ）の値が可視的平坦度（ｖｐ）の値に変換されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 平坦度（ｉｐないしはｖｐ）の変換がオンラインで行われることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
10. 平坦度（ｉｐないしはｖｐ）の変換がオンライン能力のある近似関数を利用して行われることを特徴とする請求項７乃至９の１つに記載の方法。
11. 金属ストリップ（１）の内在的平坦度（ｉｐ）から出発して、その膨らみパターンが膨らみモデル（１２）を用いて金属ストリップ（１）の横方向（ｙ）の仮定の温度分布を造り出すことによって求められることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
12. 材料の流れモデル（９）を用いて、平坦度の物理的測定位置の前の内在的平坦度が決定されることを特徴とする請求項１乃至１１記載の方法。
13. 圧延路を制御するために、自由に選択可能な点における１つ又は複数の平坦度限界値が予め与えられることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
14. 少なくとも１つの調節ユニット（１１）を備え、少なくとも１つの圧延スタンド（３）を有する金属ストリップ（１）の圧延路を、請求項１乃至１３の１つに記載の方法により運転するための制御装置（２）において、調節ユニット（１１）が膨らみモデル（１２）に結合されていることを特徴とする金属ストリップの圧延路の運転のための制御装置。
15. 膨らみモデル（１２）が金属ストリップ（１）の可視的平坦度（ｖｐ）の測定装置に結合されていることを特徴とする請求項１４記載の制御装置。
16. 制御装置（２）が少なくとも１つの材料の流れモデル（９）を有することを特徴とする請求項１４又は１５記載の制御装置。
17. 可視的平坦度（ｖｐ）の測定装置がマルチレーン・レーザ測定器（１３）であることを特徴とする請求項１４乃至１６の１つに記載の制御装置。
18. 膨らみモデル（１２）が金属ストリップ（１）の膨らみパターンを求めるために少なくとも１つのトポメトリックな測定システムに結合されていることを特徴とする請求項１４乃至１７の１つに記載の制御装置。

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