JP2008030079A

JP2008030079A - 熱間圧延方法

Info

Publication number: JP2008030079A
Application number: JP2006204795A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Takebayashi; 克浩竹林; Kenji Matsumura; 賢司松村; Yasuyuki Baba; 康之馬場
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】熱間圧延における被圧延材の穴あきを特別な設備や計測器を付加することなく、より簡易かつ確実に防止できる熱間圧延方法を提供する。
【解決手段】各圧延スタンドにおけるトルク／荷重比を検出し、その比の増加変動によって被圧延材の形状不良を検知するとともに、被圧延材の形状不良を検知した場合には、当該圧延スタンドについて、形状制御手段を中伸びが解消する方向に操作すること、入側張力を増加させること、出側張力を減少させることの三つの手段に基づいて被圧延材の穴あきを防止する。
【選択図】図９

Description

本発明は熱間圧延方法に関し、特に、熱間圧延中の被圧延材に穴あきが生じるのを防止することができる熱間圧延方法に関する。

熱間圧延では図１に示すように、被圧延材１は、加熱炉２から抽出後、粗圧延機列３にて粗圧延され、仕上圧延機列４にて製品厚まで仕上圧延された後に、巻き取り機５にてコイル状に巻き取られる。このとき、仕上圧延機列４では、圧延時に図２に示すような穴あき６が被圧延材１の（ａ）板幅方向中央部や（ｂ）クォーター部に発生する場合がある。この被圧延材の穴あきは、圧延ロールや設備の損傷、稼働率や製品歩留まりの低下等の様々な問題をもたらす。

このような諸問題をもたらす被圧延材の穴あきは、板幅方向中央部やクォーター部が局所的に中伸びとなるような形状不良状態になった時に発生する。このような形状不良が発生する原因は、クラウン低減制御や、ワークロールのサーマルクラウンの発達などである。

近年、熱延鋼板には厳しい板厚精度が要求されており、板幅方向の板厚偏差である板クラウンを低減すべく、クロスミル、ＣＶＣミルあるいは強力ベンダーといったクラウン制御能力の高いミルが導入されるようになってきた。これらにより板クラウンの著しい低減が図れる反面、クラウンを低減するために板幅中央部を強圧下することによって板形状が中伸びとなる傾向が生じた。また、熱間圧延ミルは高生産性が求められることから、単位時間あたりの圧延量も増加の一途を辿っている。これに伴ってワークロールへの熱負荷が増大し、板道部のワークロールの熱膨張、すなわちサーマルクラウンも従来よりも大きくなり、中伸びを招く要因となっている。サーマルクラウンの形状はミル形式や操業条件によっても異なるため、中伸びが発生する位置は板幅方向中央部に限定されず、クォーター部に発生する場合もある。

これらの要因によって局所的な中伸びが発生すると、その部分においては図３（ａ）に示すようにロールバイトの入側にも中伸び７が発生する。この中伸び７が大きくなると、図３（ｂ）に示すようにロールや被圧延材の冷却水８が波底に溜まり、これが封じ込められてロールバイト内に引き込まれることによって穴あきが発生するか、または、図３（ｃ）に示すように入側で被圧延材１が三枚状に折れ重なる（三枚折れ９）ことにより、ロールバイト内に引き込まれにくくなることによって穴あきの発生に至る。

このような被圧延材の穴あきを防止するべく、特許文献１には、スタンドの入側で被圧延材の板幅方向中央部の上下振幅を測定し、その振幅の大きさに応じて当該スタンドの被圧延材の急峻度を制御する技術が、特許文献２には、被圧延材に張力が確立されていない通板、尻抜け時に冷却水の供給を止める技術が、特許文献３には、被圧延材の中伸びが発生する幅方向位置を冷却する技術が記載されている。
特開平１１−３１９９２６号公報特開平０７−１９５１０２号公報特開２００５−２７１０５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、全スタンドに新たに振幅を測定するための装置を設置しなければならないという問題点があった。また、仕上圧延機内では大量の冷却水を使用しており、被圧延材の振幅を十分精度良く測定できない場合がある、という問題点があった。

特許文献２に記載の方法では、図３（ｃ）に示したような三枚折れ（多重噛み）によって起こる穴あきについては効果がないという問題点があった。また、定常部で起こる穴あきに対応するためには圧延材全長に亘ってロール冷却水を停止しなくてはならないという問題点もあった。

特許文献３に記載の方法では、被圧延材に対して冷却を加えるため、材質が幅方向で変動してしまうという問題点があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、熱間圧延における被圧延材の穴あきを特別な設備や計測器を付加することなく、より簡易かつ確実に防止できる熱間圧延方法を提供することを目的とする。

本発明者らは被圧延材の穴あきが発生する際の圧延特性を詳細に調査した結果、穴あきの発生に先立って圧延トルクが上昇する現象を見出すとともに、種々の圧延条件が穴あきの発生に及ぼす影響を調査した結果、本発明をするに至った。すなわち、本発明は、以下のような特徴を有している。

［１］熱間スラブを粗圧延した後、仕上圧延機に送給して熱間仕上圧延を行うに際し、
各仕上圧延スタンドにおける圧延トルクと圧延荷重との比を検出し、
その比の増加変動によって被圧延材の形状不良を検知することを特徴とする熱間圧延方法。

［２］被圧延材の形状不良を検知した場合には、当該圧延スタンドについて、形状制御手段の操作、入側張力の増加、出側張力の減少の三つのうちのいずれか一つ以上を行うことを特徴とする前記［１］に記載の熱間圧延方法。

［３］圧延トルク／圧延荷重の比について、定常圧延時の１．２倍以上の増加変動を検知した場合に、被圧延材の形状不良が発生したと判断することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の熱間圧延方法。

本発明では、被圧延材の形状不良の検出手段として、通常の熱間圧延機にて検出が可能な圧延トルクと圧延荷重を用い、また、被圧延材の穴あきの防止手段として、形状制御手段や入側・出側張力を用いるため、特別な設備や計測器を必要とせず、より簡易かつ確実に被圧延材の穴あきを防止することができる。

まず、本発明者らは実機ミル（仕上圧延機列）にて被圧延材に穴あきが発生する際の圧延特性を詳細に調査した。

図４は、その調査結果の一例を示すものであり、この例の場合には、噛み込み後１８秒経過時点で穴あきが発生し、次第に拡大して２２秒経過時点で板破断という重大事故となった。

図４（ａ）および（ｂ）は、その際の圧延荷重および圧延トルク（和トルク）の変化を示したものである。横軸の時間は対象ミル噛み込みからの時間を示している。また、和トルクは上下ロールトルクの合計であり、ミルモータの電流・回転数などから計算される。図４（ａ）に示すように圧延荷重は全長を通じて大きな変動は見られないが、図４（ｂ）に示すようにトルクは圧延の進行とともに増加することがわかる。

そして、図４（ｃ）は和トルク２Ｇと荷重Ｐとの比２Ｇ／Ｐ（以降、トルク／荷重比と称す）を示したものであり、いわゆるトルクアームの２倍の量に相当する。また、図４（ｄ）は前記トルク／荷重比の変化比率（トルク／荷重変動比）を先端定常圧延部での値を１として示したものである。トルク／荷重比は噛み込み後１０秒程度までは一定となっているが、その後増加を示し、穴あきの発生した噛み込み後１８秒経過時点では定常圧延時の約１．５倍となっていることがわかる。トルク／荷重比はその後も増加を続け、板破断となった２２秒経過時には定常圧延時の約３倍もの値となった。

このようなトルク／荷重比の増加は、図３に示したように、中伸びによってロールバイトの入側に被圧延材が滞留してロールに接するために生じるものである。したがって、トルク／荷重比を監視することによって、形状計などの特別な検出器を新たに設置することなく形状不良を検出することが可能となる。さらに、熱間圧延においてはロールバイト前後で形状不良が発生していたとしても、ロールバイトから離れた場所ではスタンド間張力によって被圧延材がクリープ変形を生じるために形状が平坦化してしまい、形状計では検出できないという問題があるが、このトルク／荷重比に基づく方法においてはロールバイト直近での形状不良に伴うロールへの接触状態の変化を負荷特性の変化によって把握できるため、穴あきにつながるような形状不良を確実に検出することができるのである。また、トルク単独ではなく、トルク／荷重比を監視する理由は、被圧延材の長手方向温度変動による変形抵抗変動や、張力の変動によってトルク自体は変化してしまうためである。

この知見より、トルク／荷重比を監視することによって、穴あきとなるような形状不良の予兆を検出できることが明らかとなった。

次に、発明者らはかような形状不良の発生に対して種々の圧延条件が及ぼす影響をモデル実験（ラボ実験）にて調査した。モデル実験装置は実機の約１／８規模の４Ｈｉミルであり、ワークロールクロスによる形状制御機能を有している。また、被圧延材には純アルミを用いた。

本モデルミルを用い、まずは、ワークロールのクロス角を０．３度、入側張力を１ｋｇｆ／ｍｍ^２、出側張力を２ｋｇｆ／ｍｍ^２に設定し、中伸びが発生しない条件にて圧延を行ったところ、図５に示すようにトルク／荷重比は一定であり、穴あきも発生しなかった。次に、入側張力および出側張力は図５と同じ条件のまま、クロス角を０．７度に設定し、中伸びとなる条件で圧延したところ、図６に示すように実機とほぼ同様のトルク／荷重比の増加現象が再現され、穴あきが発生した。

そして、上記の中伸びとなる条件において、入側および出側の張力の影響を調査した。図７は入側張力の影響を示したもので、穴あき発生までの距離で評価を行った。なお、出側張力は２ｋｇｆ／ｍｍ^２一定である。入側張力が低いと圧延後即座に穴あきが発生するが、入側張力を高くするほど穴あきは発生しにくくなり、図７にプロットはないが、入側張力を２ｋｇｆ／ｍｍ^２とした場合には穴あきは発生しなかった。図８は出側張力の影響を示したもので、同様に穴あき発生までの距離で評価を行った。なお、入側張力は図７において穴あきの発生する条件である１ｋｇｆ／ｍｍ^２とした。入側張力の影響とは反対に、出側張力が高いほど穴あきは発生しやすくなる。

これは、張力の付加により、張力が加わる側の形状不良は緩和されるが、その結果、張力の加わる側の先進率あるいは後進率は幅方向均一となり、逆に張力の加わらない側の後進率あるいは先進率の幅方向分布が大きくなるためであると考えられる。すなわち、入側張力を増加させた場合は入側の急峻度を緩和させるため、穴あきの原因となる入側の被圧延材の局所的な滞留を抑止するが、出側張力を増加させた場合は出側形状は緩和するものの、入側の被圧延材の局所的な滞留を促進し、穴あきが発生しやすくなるのである。したがって、一般には形状不良が生じた場合には張力を増加させる対応がとられるが、穴あき防止の観点からは出側張力を減少させなくてはならない。

図９は、図９（ｅ）に示すように、図６と同じ条件で圧延を開始し、圧延途中から出側張力を２ｋｇｆ／ｍｍ^２から０．７ｋｇｆ／ｍｍ^２に減少させた例である。図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、いったん先端定常圧延部での値の１．５倍まで増加したトルク／荷重比が出側張力を減少させることによってほぼ先端定常圧延部での値に減少し、穴あきも防止された。

また、図６と同じ条件で圧延を開始し、圧延途中から入側張力を１ｋｇｆ／ｍｍ^２から１．８ｋｇｆ／ｍｍ^２に増加させたところ、上記と同様にいったん先端定常圧延部での値の１．５倍程度まで増加したトルク／荷重比が入側張力を増加させることによってほぼ先端定常圧延部での値に減少し、穴あきも防止された。

さらに、図６と同じ条件で圧延を開始し、圧延途中からクロス角を０．７度から０．３度に減少させたところ、上記と同様にいったん先端定常圧延部での値の１．５倍程度まで増加したトルク／荷重比が耳伸び側に形状制御を行うことによってほぼ先端定常圧延部での値に減少し、穴あきも防止された。

以上のように、トルク／荷重比を検出し、その比の増加変動によって被圧延材の形状不良を検知することができるとともに、被圧延材の形状不良を検知した場合には、当該圧延スタンドについて、形状制御手段を中伸びが解消する方向に操作すること、入側張力を増加させること、出側張力を減少させることの三つの手段によって穴あきを防止することができるのである。

これら三つの手段はそれぞれ単独で行っても効果があるが、組み合わせで行ってもなんら問題はない。

なお、形状制御手段に関しては、板幅中央部が中伸びであるような形状不良である場合は耳伸びとなるように操作すればよいのであるが、クォーター部が中伸びとなる場合には必ずしも耳伸び側の制御では穴あきが防止できず、反対に形状不良を悪化させることもあるので注意が必要である。形状不良の形態が板幅中央部の中伸びであるのか、クォーター部の中伸びであるのか判断できない場合には張力の制御手段を優先させることが望ましい。なお、形状制御の手段としては、一般にワークロールベンディングが用いられ、この場合にはディクリーズ側にベンディング力を変更することにより耳伸び側に形状を制御できる。ワークロールベンディング以外にも、圧延中に変更しうるクロス角やロールシフトなどの形状制御手段を有している場合は、それらを用いても同様な効果が得られることはもちろんである。

また、張力制御（張力変更）に関しては、被圧延材の寸法や張力制御の精度および通板性などの観点から張力の許容値が定められている場合が多いが、目安としては当該スタンドの被圧延材の変形抵抗の１〜１０％の範囲で変更することが望ましい。たとえば、当該スタンドの変形抵抗が２０ｋｇｆ／ｍｍ^２とした場合には、張力の制御範囲（上下限値）は０．２〜２ｋｇｆ／ｍｍ^２とすればよい。

そして、前述の重大事故例に示したように、トルク／荷重比がおおむね定常圧延時の１．５倍程度になると穴あきが発生する可能性が高くなるため、制御の応答性も加味すると、１．２倍程度になった時点で形状制御あるいは張力制御（張力変更）を講じることが望ましい。

本発明を７スタンド（Ｆ１〜Ｆ７）の四重式圧延機からなる熱延仕上圧延機列に適用した。なお、形状制御機能はワークロールベンディング機能のみであり、Ｆ１〜Ｆ４が２００ｔｆ／チョック、Ｆ５〜Ｆ７が１００ｔｆ／チョックである。

本発明の実施にあたっては、まず定常圧延トルクおよび定常圧延荷重を把握する必要がある。定常圧延状態は少なくとも対象スタンドの次スタンドまで被圧延材が噛み込み、スタンド間張力が静定した状態であり、定常圧延状態となった時点で圧延トルク２Ｇ_０および圧延荷重Ｐ_０を取り込んでおく。あるいは簡単には被圧延材の先端が最終スタンドを抜けて数秒経過した段階で全スタンド一括で取り込んでもよい。また、圧延トルクはモータの電流および回転数などから算出した値でもよいし、１本分のトルクＧ_０でもよい。

このようにして記憶された定常圧延トルク２Ｇ_０と定常圧延荷重Ｐ_０との比２Ｇ_０／Ｐ_０を基準として、時々刻々の圧延トルク２Ｇと圧延荷重Ｐとの比２Ｇ／Ｐの相対比較を行う。すなわち、次式のトルク／荷重変動比
Ａ＝（２Ｇ／Ｐ）／（２Ｇ_０／Ｐ_０）
を監視することにより、当該スタンドに形状不良が発生していることを検知することができるので、Ａの値（Ａ値）がある値を越えた場合に、形状不良を解消すべく、本発明の形状制御あるいは張力制御を行うのである。

形状制御あるいは張力制御を行う期間はＡ値が１を上回る範囲であるが、トルク／荷重比は板厚変動や摩擦係数の変化でも若干の変動を示すため、穴あきの発生しない範囲において適用することが望ましい。すなわち、穴あきが発生し始めるＡ値は被圧延材の材質、寸法や形状不良の形態などによっても異なるが、前述のように概ね１．５程度であるので、例えばＡ値が１．２になった時点で制御を開始すればよい。また、制御をＡ値が完全に１となるまで継続する必要はなく、例えば１．１以下となった時点で終了してもよい。

なお、形状制御および張力制御の方法は、操作者による手動介入でも、計算機による自動制御でもよいが、ここでは後者の例を示す。

図１０は、シートバー厚（仕上入側板厚）３０ｍｍ、仕上寸法１．６３ｍｍ厚×１３２５ｍｍ幅の被圧延材を表１に示すような圧下スケジュールおよびスタンド間張力で仕上圧延を行うに際し、Ｆ４にて形状不良が発生した場合の例を示したものである。なお、この例では制御を開始するＡ値を１．２、制御を終了するＡ値を１．０５とした。

まず、被圧延材先端が仕上最終スタンドＦ７を通過した後、Ｆ４噛み込みから８秒の点において定常圧延荷重Ｐ_０および定常圧延トルク２Ｇ_０を取り込んだ。表１に、各スタンドにおける定常圧延荷重、定常圧延トルクおよび被圧延材の変形抵抗を併記する。Ｆ４においてはＰ_０＝１５５０ｔｆ、２Ｇ_０＝３３．７ｔｆ・ｍであったので、定常状態でのトルク／荷重比２Ｇ_０／Ｐ_０は２１．７ｍｍである。

その後、時々刻々の圧延トルク２Ｇと圧延荷重Ｐとの比２Ｇ／Ｐを監視し続けたところ、図１０（ｄ）に示すように、噛み込み後２５秒を経過した時点からトルク／荷重変動比（Ａ値）は増加し始めた。そこで、Ａ値が制御開始の閾値である１．２を越えた噛み込み後４０秒経過時点で、図１０（ｅ）に示すように、入側張力を＋０．５ｋｇｆ／ｍｍ^２・ｓの割合で増加するとともに、図１０（ｆ）に示すように、出側張力を−０．５ｋｇｆ／ｍｍ^２・ｓの割合で減少させ、さらに、図１０（ｇ）に示すように、ワークロールベンダーを−２ｔｆ／ｓの割合で減少させた。なお、張力の制御範囲（制御リミット）は、該当スタンドＦ４での変形抵抗が２４ｋｇｆ／ｍｍ^２であるので、下限０．２４ｋｇｆ／ｍｍ^２、上限２．４ｋｇｆ／ｍｍ^２とした。また、ベンダー力の制御範囲（制御リミット）は、下限２５ｔｆ／チョック、上限１００ｔｆ／チョックとした。

この結果、図１０（ｄ）に示すように、トルク／荷重変動比（Ａ値）は減少に転じ、噛み込み後４８秒経過時点でトルク／荷重変動比（Ａ値）は制御終了の閾値である１．０５となったため、張力およびベンダー力とも制御リミットにかかることなく、制御を終了した。この後、Ａ値は漸減し、噛み込み後６０秒経過時点でほぼ１に回復した。全長を通じて穴あきが発生することもなく、安定に圧延が可能であった。

以上のように、本発明によれば、特別な設備を付加することなく、簡易かつ確実に被圧延材の穴あきを防止することができる熱間圧延が可能となる。

熱間圧延の工程を示す模式図。穴あきの形態を示す模式図。ロールバイト前後の形状不良形態を示す模式図。穴あき現象発生時の圧延特性を示すグラフ。モデル実験において形状不良が発生しない条件での圧延特性を示すグラフ。モデル実験において穴あき現象が発生した条件での圧延特性を示すグラフ。入側張力が穴あきに及ぼす影響を示したグラフ。出側張力が穴あきに及ぼす影響を示したグラフ。モデル実験において本発明を適用した場合の圧延特性を示すグラフ。本発明の実施例における圧延特性を示すグラフ。

符号の説明

１被圧延材
２加熱炉
３粗圧延機列
４仕上圧延機列
５巻き取り機
６穴
７中伸び
８冷却水
９三枚折れ

Claims

熱間スラブを粗圧延した後、仕上圧延機に送給して熱間仕上圧延を行うに際し、
各仕上圧延スタンドにおける圧延トルクと圧延荷重との比を検出し、
その比の増加変動によって被圧延材の形状不良を検知することを特徴とする熱間圧延方法。
被圧延材の形状不良を検知した場合には、当該圧延スタンドについて、形状制御手段の操作、入側張力の増加、出側張力の減少の三つのうちのいずれか一つ以上を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延方法。
圧延トルク／圧延荷重の比について、定常圧延時の１．２倍以上の増加変動を検知した場合に、被圧延材の形状不良が発生したと判断することを特徴とする請求項１または２に記載の熱間圧延方法。