JP2009214164A - 金属ストリップの変形抵抗予測方法および冷間タンデム圧延機のセットアップ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間タンデム圧延機で圧延する材料の変形抵抗を高精度かつ簡単に予測することができる金属ストリップの変形抵抗予測方法、および予測した変形抵抗を用いた冷間タンデム圧延機セットアップ修正方法を提供する。
【解決手段】冷間タンデム圧延前に、熱間圧延後の金属ストリップコイル又は熱間圧延・酸洗後の金属ストリップコイルを全板幅にわたってせん断すると同時にせん断荷重を測定し、板厚、板幅、及びせん断荷重から前記金属ストリップの変形抵抗を求める。また、求めた変形抵抗により修正セットアップ荷重を求め、この修正セットアップ荷重に基づいて各圧延スタンドのプリセット値を修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷間タンデム圧延機で圧延する材料の変形抵抗を予測する方法、および予測した変形抵抗を用いて冷間タンデム圧延機のセットアップを修正する方法に関する。

冷間タンデム圧延機では目標とする板厚および良好な板形状の金属ストリップを製造するために、あらかじめ圧延荷重の予測を行い、その結果に基づいて各圧延機の圧下位置、圧延速度、およびベンダー力等の設定が行われる。圧延荷重の予測精度が悪いと、オフゲージと呼ばれる板厚不良部や形状不良部が発生し、不良部の長さは圧延荷重の予測精度に依存する。また、圧延荷重の予測精度が悪いとスタンド間張力も予測値と大きくかけ離れ、板破断や蛇行による絞りが発生し、生産性の低下をもたらす。

したがって、圧延荷重の予測およびセットアップ方法については積極的な開発が行われている。圧延荷重の予測には、ワークロール径や圧下率等のあらかじめ既知の圧延条件と、摩擦係数および変形抵抗が必要となる。摩擦係数はロールの粗度落ちの影響を受けるため摩擦係数モデルが開発されている。摩擦係数のロールの粗度落ちは比較的緩やかなので、前コイルの実績を用いて学習することが比較的容易にできる。また、変形抵抗に関しては、成分や熱間圧延条件を考慮したモデルが開発されているものの、同一成分でかつ同一熱間圧延条件であるにもかかわらず、変形抵抗はばらつくという問題があり、変形抵抗を精度良く予測する方法が望まれている。

上述した変形抵抗を予測するする方法として、硬度計を用いる方法（例えば、特許文献１参照）や、曲げロールを用いる方法（例えば、特許文献２参照）が開示されているものの、硬度計では金属ストリップの一部分の測定であり、必ずしも板幅方向全体を代表するものとは言い難い、また、硬度は金属ストリップの表層部の硬度であるので必ずしも板厚方向全体を代表するものでもない。曲げロールを用いる方法は板幅および板厚方向全体を代表するもので精度は高いが、曲げ曲率および荷重を精度良く測定する必要があり、特に曲げ曲率の測定は張力や板形状の影響を受けやすいので簡単ではない。
特開昭６０−２５０８１６号公報 特開平０６−１４２７２６号公報

本発明は、冷間タンデム圧延機で圧延する材料の変形抵抗を高精度かつ簡単に予測することができる金属ストリップの変形抵抗予測方法、および予測した変形抵抗を用いた冷間タンデム圧延機のセットアップ修正方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
（１）冷間タンデム圧延前に、熱間圧延後の金属ストリップコイル又は熱間圧延・酸洗後の金属ストリップコイルを全板幅にわたってせん断すると同時にせん断荷重を測定し、板厚、板幅、及びせん断荷重から前記金属ストリップの変形抵抗を求めることを特徴とする金属ストリップの変形抵抗予測方法。
（２）前記金属ストリップコイルをせん断するせん断機を冷間タンデム圧延機の上流に配置し、該せん断機に前記せん断荷重を測定するせん断荷重測定器を設け、せん断時のせん断荷重を測定する(１)記載の金属ストリップの変形抵抗予測方法。
（３）先行金属ストリップコイルの後端部と後行金属ストリップの先端部とを接合する接合機を冷間タンデム圧延機の上流に配置し、該接合機に前記せん断荷重測定器を備えたせん断機を設け、少なくとも接合する後行金属ストリップの先端部をせん断すると同時にせん断荷重を測定する(２)に記載の金属ストリップの変形抵抗予測方法。
（４）前記（１）、（２）又は（３）記載の変形抵抗予測方法で予測した前記金属ストリップの変形抵抗Ｋｅと、セットアップ時の素材の変形抵抗Ｋｏとの比α＝Ｋｅ／Ｋｏを求め、セットアップ時の各圧延スタンドのセットアップ荷重Ｐｓｉ（ｉは上流側からのスタンド番号）に前記比αを乗じて求めた各圧延スタンドの修正セットアップ荷重Ｐｅｉ＝αＰｓｉを求め、この修正セットアップ荷重に基づいて各圧延スタンドのプリセット値を修正することを特徴とする冷間タンデム圧延セットアップ修正方法。

本発明は、鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属ストリップに適用される。接合方法として、溶接（レーザ、フラッシュバット、超音波）、圧接（振動溶着）などが用いられる。

本発明は上記のように構成されたことにより、金属ストリップの板幅方向および板厚方向の全体の変形抵抗を、板形状や張力の影響を受けずに高精度で、かつ簡単に推定することができる。さらに、前記予測した変形抵抗を用いてセットアップを適正値に修正できるので、オフゲージが短く、破断や蛇行による絞りを防止でき、良好な板形状の金属ストリップを製造することができる。その結果、冷間タンデム圧延における生産性を向上することができる。

図１は、本発明の変形抵抗予測方法および予測した変形抵抗を用いた冷間タンデム圧延機のセットアップ修正方法を実施する冷間タンデム圧延設備の一例を示している。冷間タンデム圧延設備は、主として巻戻し機１、接合機２、ルーパー３、冷間タンデム圧延機４、巻取り機５、および計算機８を備えている。接合機２はこの形態の例では溶接機であり、以下接合機２は溶接機として説明する。以下、圧延材の材質は鋼とし、金属ストリップコイルは単にコイルとして説明する。

巻戻し機１は、熱間圧延後に酸洗されたコイルが順次セットされ、圧延が開始されるとコイルを溶接機２に送り出す。溶接機２で、先行コイルの後端部と後行コイルの先端部とが溶接され連続したコイルになる。この溶接機２には、先行金属ストリップコイルの後端部と後行コイルの先端部とをせん断するせん断機６が兼ね備えられている。せん断機６はプレスせん断機であって、上下１対の直線刃でストリップＳを全幅にわたってせん断する。せん断により、コイル先、後端の接合部の形状が整えられる。せん断機６には、コイルせん断時の荷重を測定するせん断荷重測定器７、例えばロードセルが設置されている。なお、この実施の形態では、熱間圧延後に酸洗されたコイルを溶接していたが、熱間圧延コイルを酸洗入側でせん断すると同時にせん断荷重を測定し、溶接してもよい。溶接接合された酸洗後の熱間圧延コイルは、そのまま冷間タンデム圧延機４に送られる。

ルーパー３は、溶接機２の下流に配置されている。ルーパー３は、先、後行金属コイルを接合する際に、接合部位置のコイルを停止させる時間を確保する。冷間タンデム圧延機４はルーパー３の下流に配置されており、すべて６重の５スタンドからなっている。巻取り機５はカローゼルリール型であって、冷間タンデム圧延機４の下流に配置されており、コイルをせん断し、巻き取る。巻取り機５は、せん断・巻き取られたコイルを順次払い出す。

計算機８は、前記せん断荷重測定器７から後行コイル先端部のせん断荷重の実測値が電送されてくる。この計算機８には、後行コイルの板厚、板幅、鋼種コード、次に述べる計算式、式中の定数αおよびｎなどが電送され、これらに基づいて変形抵抗ｋｅが計算される。一方、セットアップ計算結果（セットアップ時に計算された素材の変形抵抗、各スタンドの圧延荷重および圧延速度、各スタンドの圧下位置、各スタンドの塑性常数およびミル定数、中間およびワークロールベンダー力、中間ロールシフト位置）もこの計算機８に電送さる。

ここで、せん断荷重の実測値から変形抵抗を求める方法について説明する。一般にせん断荷重（Ｐ）は、板厚（ｔ）、板幅（Ｗ）、せん断抵抗（ｋ）、シャー角（θ）、クリアランス（ｃ）等の影響を受けることが知られている（例えば、「せん断加工」日本塑性加工学会編、コロナ社発行１９９２年７月１０日発行、第１８頁〜第２１頁参照）。シャー角（鉛直方向から測定したシャーの傾き角度で、水平な場合は０度）およびクリアランスは一定値に管理されているので、一定値として取り扱うことができる。板厚および板幅は、事前に測定されているので、既知として取り扱うことができる。せん断抵抗（ｋ）は変形抵抗(ｋｅ)と比例するので、次式が成立する。なお、式（１）のｎ乗項は、上記非特許文献には明記されていないが、発明者らが予め実験を行い追加した項である。
ｋｅ＝α・Ｐ／Ｗ／ｔ^ｎ （１）
ここで、αおよびｎは定数であり、以下に述べる方法により決定される。

圧延実績から、理論モデルを介して変形抵抗の実績が得られる。理論もモデルとしては一般的に使用され、例えば、「板圧延の理論と実際」（日本鉄鋼協会発行、発行日；昭和５９年９月１日、第３５頁〜第４０頁）に記載されている、Ｈｉｌｌの荷重式やＢＬＡＮＤ＆ＦＯＲＤの先進率式等を用いる。その結果から、実績の変形抵抗式モデル式
ｋ＝ａ（ε＋ε_０）^ｍ （２）
が求められる。なお、上式でａ、ε_０、ｍは定数である。この式（２）にひずみε＝０を代入することによって素材の変形抵抗値（ｋ_０）が得られる。精度がよい場合には、Keとｋ_０は当然ながら一致する。

一方、上記変形抵抗モデル式（２）の定数は、鋼種ごとにテーブルに保管され、さらに成分や熱延条件の影響を考慮（重回帰）して、回帰式の形になっており、これをセットップ用変形抵抗モデルと記す。接断時荷重および板厚、鋼種の異なるデータを蓄積し、式（１）と素材の変形抵抗値ｋ_０に関しての重回帰を行い、式（１）の定数αおよびｎを求める。回帰精度が悪い場合には上記重回帰を鋼種ごとに求め、その値をテーブルにとして記憶させる。この結果、せん断荷重から素材の変形抵抗を求めることが可能となる。

一般に、セットアップに使用される変形抵抗は上記変形抵抗モデル式（２）が使用される。セットアップ計算が行われるタイミングは、工場によって異なる。したがって、金属ストリップをせん断する際の荷重を測定する荷重測定器の配置場所によっては、セットアップ計算の時間的余裕がないためにセットアップ時にこの測定された変形抵抗式（１）を用いることができない場合がある。このような場合に、あらかじめ上記変形抵抗モデル式（２）により計算された各スタンドの圧延荷重を以下に示す方法で修正する。

圧延荷重に及ぼす変形抵抗の影響は比例関係があるので、セットアップ計算時に使用したセットップ用変形抵抗モデル式の値が例えば１０％高く予測された場合には、圧延荷重は１０％高く予測されることになる。したがって、セットアップ時の圧延荷重修正は変形抵抗の比を用いることで可能となる。

すなわち、上述したせん断荷重からの変形抵抗の予測方法で予測された金属ストリップの変形抵抗ｋeと、セットアップ時に予想していた素材の変形抵抗ｋｏとの比α＝ｋe／ｋoを求める。セットアップ時に予想していた各圧延スタンドのセットアップ荷重Ｐｓｉに比αを乗じて求めた各圧延スタンドの修正セットアップ荷重Ｐｅｉ（＝αＰｓｉ）を求める。そして、この修正セットアップ荷重Ｐｅｉに基づいて、各圧延スタンドのプリセット値（圧下、ベンダー力）を修正する。

基準とする条件から、圧延荷重ＰｓｉにおいてΔＰ荷重が変化した場合、板厚ｈｐは
Δｈｐ＝ΔＰ／Ｋ （３）
ここで、ΔＰ＝（Ｐｅｉ−Ｐｓｉ）＝（α−１）Ｐｓｉ、Ｋ；ミル定数
変化する。一方、基準とする条件から、ギャップを△Ｓ変化した場合の板厚変化Δｈｓは
Δｈｓ＝ΔＳ・Ｋ／（Ｋ＋Ｍ） （４）
ここで、Ｋ；ミル定数、Ｍ；塑性定数
以上のことから、圧延荷重が変動した際のギャップの修正量ΔＳは
ΔＳ＝ΔＰ・（Ｋ＋Ｍ）／Ｋ^２ （５）
で求まる。ベンダー（Ｆ）はほぼ線形に変化するので、セットアップから求めたベンダー力（Ｆ_Ｏ）を用いて
Ｆ＝Ｆ_Ｏ（１＋ΔＰ／Ｐｓｉ） （６）
で求めればよい。

図１に示す冷間タンデム圧延機にて本発明を実施した。材料は、質量％でＣ：０．０８％、Ｓｉ:１．３％、Ｍｎ:１．７％、Ｐ：０．０１％、Ｓ:０．０２％の高張力鋼板の熱間圧延・酸洗後の金属ストリップである。板厚は３．０mm、板幅は１２４０ｍｍである。冷延率は約６７％で、５スタンド出側板厚は１ｍｍである。スタンド間張力は１４７〜２４５ＭＰａであり、後段に行くに従って高くなるように設定されている。

セットアップ計算は、該金属ストリップコイルが溶接機２で溶接される前に完了している。従来技術としては、このセットアップ値を採用し圧延を行った。本発明では、せん断荷重から変形抵抗を実測し、この実測値とセットアップ時の素材の変形抵抗予測値の比を求め、この比に基づいて各スタンドの圧延荷重を修正して、圧下位置およびベンダー力修正を行う。従来方法および本発明にて、各１００コイルの圧延を行いその効果を比較した。

従来技術では、変形抵抗の予測値と実績値とでは、±２０％内のバラツキがみられ、平均としてオフゲージ（板厚精度±５％外）は８．５ｍ程度、板破断７回であった。本発明では、セットアップ計算の変形抵抗の予測値と実績値とでは、±２０％内のバラツキがみられたものの、平均としてオフゲージ（板厚精度±５％外）は２．１ｍ程度、板破断０回であった。以上の結果から、本発明により歩留りは７５％向上した。従来技術では、オフゲージの発生や板破断に生産性の低減を余儀なくさせられていたが、本発明によりオフゲージは減少し、板破断も無くなり、生産性の向上を図ることができる。

本発明の変形抵抗予測方法および冷間タンデム圧延機のセットアップ修正方法を実施する冷間タンデム圧延設備の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 巻戻し機
２ 接合機
３ ルーパー
４ 冷間タンデム圧延機
５ 巻取り機
６ せん断機
７ せん断荷重測定器
８ 計算機
Ｓ 金属ストリップ

Claims (4)

1. 冷間タンデム圧延前に、熱間圧延後の金属ストリップコイル又は熱間圧延・酸洗後の金属ストリップコイルを全板幅にわたってせん断すると同時にせん断荷重を測定し、板厚、板幅、及びせん断荷重から前記金属ストリップの変形抵抗を求めることを特徴とする金属ストリップの変形抵抗予測方法。
2. 前記金属ストリップコイルをせん断するせん断機を冷間タンデム圧延機の上流に配置し、該せん断機に前記せん断荷重を測定するせん断荷重測定器を設け、せん断時のせん断荷重を測定する請求項１記載の金属ストリップの変形抵抗予測方法。
3. 先行金属ストリップコイルの後端部と後行金属ストリップの先端部とを接合する接合機を冷間タンデム圧延機の上流に配置し、該接合機に前記せん断荷重測定器を備えたせん断機を設け、少なくとも接合する後行金属ストリップの先端部をせん断すると同時にせん断荷重を測定する請求項２に記載の金属ストリップの変形抵抗予測方法。
4. 請求項１、２又は３記載の変形抵抗の予測方法で予測した前記金属ストリップの変形抵抗Ｋｅと、セットアップ時の素材の変形抵抗Ｋｏとの比α＝Ｋｅ／Ｋｏを求め、セットアップ時の各圧延スタンドのセットアップ荷重Ｐｓｉ（ｉは上流側からのスタンド番号）に前記比αを乗じて求めた各圧延スタンドの修正セットアップ荷重Ｐｅｉ＝αＰｓｉを求め、この修正セットアップ荷重に基づいて各圧延スタンドのプリセット値を修正することを特徴とする冷間タンデム圧延セットアップ修正方法。

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