JP2012000663A - 圧延材の冷却制御方法、及びこの冷却制御方法が適用された連続圧延機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の冷却制御方法は、冷却手段3による冷却で圧延材Wに生じる変態発熱量Qを予測する変態発熱予測モデルと、この変態発熱予測モデルが予測する変態発熱量Qを用いて圧延材Wの温度を予測する温度予測モデルとを用意しておき、変態発熱予測モデル及び温度予測モデルに用いられる変態発熱速度パラメータq及び熱伝達率パラメータkの値をカテゴリー毎に設定しておき、冷却対象である圧延材Wが属するカテゴリーでの変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータkの設定値を用いつつ、変態発熱予測モデル及と温度予測モデルとを使用して、圧延材Wの巻き取り温度の予測値を求め、巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように、冷却手段3を制御する。
【選択図】図1
Description
冷却手段は、冷却水の供給量を可変とするバルブを複数備えた冷却バンクが複数連なることで構成されている。冷却手段、すなわち冷却バンクは、圧延材の板温度を目標温度に一致させるために、開状態にあるバルブの本数である開バルブ本数を変更して、圧延材の温度調整や冷却制御を行う。
なお、ここで言う変態発熱量とは、組織変化に伴う発熱量と磁性状態の変化に伴う発熱量の和である。組織変化に伴う発熱量とは、最終圧延直後の鋼材はオーステナイト状態にあるが、圧延材(鋼板)を冷却するにしたがって、フェライトやパーライトといった組織に変態し、この変態時に発生する熱量のことである。磁性状態の変化に伴う発熱量とは、圧延材(鋼板)を冷却するにしたがって、常磁性体から強磁性体に変化する磁気変態がおこり、その時に発生する熱量のことである。
特許文献1は、仕上圧延機で加工された鋼板を、冷却手段で冷却する工程を経て製造される、鋼材の製造方法であって、前記冷却手段によって冷却される前の前記鋼板の温度を測定する、第1温度測定工程と、前記鋼板の表面から放出される熱量の総和を算出する、熱量算出工程と、等温変態線図を用いて前記鋼板の変態発熱量を算出する、変態発熱量算出工程と、前記第1温度測定工程によって測定された前記温度と、前記熱量算出工程によって算出された前記熱量と、前記変態発熱量算出工程によって算出された前記変態発熱量と、を用いて、前記冷却手段で冷却された前記鋼板の温度を予測する、温度予測工程と、前記冷却手段によって冷却された鋼板の冷却温度を測定する、第2温度測定工程と、前記温度予測工程によって予測された前記温度と、前記第2温度測定工程によって測定された前記冷却温度とが一致するように、前記冷却手段の動作を制御する、動作制御工程と、を備える鋼材の製造方法を開示する。
この手法の変態発熱モデルにおいては、変態発熱量が「調整ゲイン」、「フェライト体積率」、「変態に伴う潜熱」の積から成り立っており、巻き取り温度、巻き取りに要する時間の実績データ、時間に依存するフェライト体積率モデルなどを用いて、調整ゲインを決定して、変態発熱モデルの構築を行うものとなっている。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、圧延材の冷却時における変態発熱量を正確に予測できるような変態発熱予測モデルや温度予測モデルを構築し、係る予測モデルを用いた圧延材の冷却制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る圧延材の冷却制御方法は、圧延材を水冷する冷却手段を用いて、圧延後の圧延材の巻き取り温度が目標値になるように冷却するに際し、前記冷却手段による冷却で圧延材に生じる変態発熱量を予測する変態発熱予測モデルと、この変態発熱予測モデルが予測する変態発熱量を用いて圧延材の温度を予測する温度予測モデルと、を用意しておき、前記変態発熱予測モデル及び温度予測モデルに用いられる変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの値をカテゴリー毎に設定しておき、冷却対象である圧延材が属するカテゴリーでの変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの設定値を用いつつ、変態発熱予測モデルと温度予測モデルとを使用して、圧延材の巻き取り温度の予測値を求め、前記巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように、前記冷却手段を制御することを特徴とする。
前記過去の実績値として、冷却手段の下流側に設けられた巻き取り温度計の計測値及び/又は冷却手段の中途部に設けられた中間温度計の計測値を用いるとよい。
好ましくは、前記変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの設定値を設定するカテゴリーとして、圧延材の鋼種及び/又は板厚に基づく層別区分を採用するとよい。
一方、本発明に係る連続圧延機は、圧延材を圧延する複数の圧延スタンドと、前記圧延スタンドの下流側に配備されて圧延材を水冷する冷却手段と、前記冷却手段で冷却された圧延材を巻き取る巻き取り装置と、上記した圧延材の冷却制御方法を行って、巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように前記冷却手段を制御する制御部と、を有することを特徴とする。
以下、本発明にかかる圧延材の冷却制御方法及び連続圧延機を、薄鋼板の熱間連続圧延機1を例示して説明する。
[装置構成]
薄鋼板等の圧延材Wは、加熱された元板やスラブを複数の圧延スタンド2が備えられた連続圧延機1に導入され、連続的に圧延することで製造される。連続圧延機1の上流側に備えられた圧延スタンド2は粗圧延スタンドであり、下流側に備えられた圧延スタンド2は板厚などを整える仕上げ圧延スタンドである。
図1は、連続圧延機1の最終段に備えられた圧延スタンド2から冷却手段3、巻き取り装置4に至るまでの構成を示した図である。圧延材Wの移送方向において、移送されていく側(巻き取り装置4側)を下流側、その反対側(圧延スタンド2側)を上流側と呼ぶ。
圧延スタンド2の出側には、圧延材Wの温度である板温度を計測する出側板温度計8が配置されている。この出側板温度計8は、圧延材Wからの熱放射量を基に板温度を計測する放射温度計である。出側板温度計8の下流側には、γ線厚み計からなる出側板厚計12が設置されている。
冷却バンク9には、圧延材Wに向けて冷却水(冷却材)を吹き付けて圧延材Wの温度を下げる複数の冷却ノズル(図示せず)が備えられ、各冷却ノズルには冷却材の流量をオン・オフ制御可能なバルブ(図示せず)が設けられている。このバルブを開状態にすると冷却材が冷却ノズルから噴出するため、開状態のバルブ数(開バルブ本数)を変更することで、冷却ノズルから圧延材Wに吹き付けられる冷却材の全量が変わり、板温度の温度降下量が可変する。
冷却手段3の最下流側の冷却バンク9の下流側であって、巻き取り装置4の直前には、放射温度計からなる温度計が設置されており、冷却バンク9を通過した圧延材Wの板温度を計測するようになっている。以降、この温度計を巻き取り温度計11と呼ぶ。
前述した出側板温度計8や出側板速度検出器7や出側板厚計12の計測データ、すなわち圧延スタンド2出側の板温度、板速度、板厚の各実績値は、冷却手段3を制御する制御部20に入力される。この制御部20には、巻き取り温度計11や巻き取り速度検出器13からの実績値(巻き取り温度、巻き取り速度)も入力される。
このバルブパターン決定部21は、冷却手段3による冷却で圧延材Wに生じる変態発熱量を予測する変態発熱予測モデルと、この変態発熱予測モデルが予測する変態発熱量を用いて圧延材Wの温度を予測する温度予測モデルとを備えている。これらのモデルを用いて、バルブパターン決定部21は、巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように、各冷却バンク9における開バルブ本数の適切値を算出する処理を行う。
バルブパターン決定部21で算出された開バルブ本数の値は、バルブ開閉信号出力部24に送られる。バルブ開閉信号出力部24は、開バルブ本数の値に応じ各冷却バンク9のバルブの開閉を行い、冷却手段3全体の冷却状態を変更する。
[温度予測モデル]
次に、バルブパターン決定部21で実行される圧延材Wの巻き取り温度の予測について、図2〜図6に基づいて説明する。
温度降下計算に用いる温度予測モデルは、式(1)の如くである。
この式(1)には、変態発熱量Qが変数として存在するが、この変態発熱量Qは、組織変化に伴う発熱量と磁性状態の変化に伴う発熱量の和である。組織変化に伴う発熱量とは、最終圧延直後の鋼材はオーステナイト状態にあるが、圧延材W(鋼板)を冷却するにしたがって、フェライトやパーライトといった組織に変態し、この変態時に発生する熱量のことである。磁性状態の変化に伴う発熱量とは、圧延材W(鋼板)を冷却するにしたがって、常磁性体から強磁性体に変化する磁気変態がおこり、その時に発生する発熱量のことである。
図4に示す如く、熱伝達率パラメータkは、事前にカテゴリー毎に分類され(鋼種及び板厚別に分類され)、パラメータデータベース部22に固定値としてテーブル形式で格納されている。熱伝達率αを算出する際には、熱伝達率パラメータkがパラメータデータベース部22から選択され、バルブパターン決定部21に取り込まれる。
[変態発熱予測モデル]
次に、変態発熱量Qの求め方、すなわち変態発熱予測モデルについて説明する。
ところで、本実施形態においては、変態発熱量Qを求めるに際し、変態発熱速度パラメータqを用いている。変態発熱速度パラメータqは、単位時間あたりに圧延材Wに発生する変態発熱量を意味し、単位はkcal/kg・secである。
まず、冷却バンク9[A]における板温度をT(A)とおく。その後、冷却対象である圧延材Wが属するカテゴリー(鋼種など層別区分)に基づき、対応する比熱曲線を比熱曲線データベース部23から抽出する。
その上で、図6のS61に示す如く、Q(A)を式(2)で算出しておく。
式(3)で得られた変態発熱量Qを用いて、式(1)により、冷却手段3内での温度降下計算ならびに巻き取り温度の予測計算を行う。
以上まとめるならば、冷却対象である圧延材Wが属するカテゴリーにおける変態発熱速度パラメータqを用いた変態発熱予測モデル(式(2),式(3))を用いることで、冷却時の変態発熱量Qを求め、さらに、求めた変態発熱量Qや冷却対象である圧延材Wが属するカテゴリーにおける熱伝達率パラメータkを用いた温度予測モデル(式(1))を用いて、圧延材Wの巻き取り温度の予測値を求めることができる。
[開バルブ本数の決定方法]
次に、式(1)で求められた巻き取り温度の予測値と巻き取り温度の目標値との差が所定の値以下となるように、冷却手段3を制御する処理について説明する。
まず、事前準備として、S71において、過去に冷却された圧延材Wの実績値データ(以下の説明では、M本の圧延材Wの実績値)を用いて、データベースに格納する熱伝達率パラメータk、変態発熱速度パラメータqを決定するようにする。この作業は、本発明の冷却制御方法を行うにあたり、少なくとも1度実行すればよい処理である。
そして、それぞれのパラメータk,qを上限値、下限値の範囲内において、決定した変動ピッチで変動させ、最終の圧延スタンド2の出側での実績温度、実績板厚、各冷却バンク9を通過した実績の時間(実績速度を用いて換算)を用いて、最終の圧延スタンド2の出側から巻き取り位置までの温度予測計算を行い、中間温度計10(m=1,2,・・・,N、N個あることを想定)及び巻き取り温度計11における予測温度を計算する。
その後、中間温度計10(m=1,2,・・・,N)における温度予測値をMTP(m)、温度実績値をMTR(m)、巻き取り温度計11における温度予測値をCTP、温度実績値をCTRとし、式(4)で定義される評価式が最小の値をとるように、温度予測誤差計算を行う(図8のS82)。
以上の計算をカテゴリー毎(例えば、鋼種及び/又は板厚による層別区分毎)に行い、式(4)の値が最小となる熱伝達率パラメータk、変態発熱速度パラメータqの値を算出し、算出された熱伝達率パラメータk、変態発熱速度パラメータqを、図4に示される形でパラメータデータベース部22に格納する(図8のS83)。
まず上位コンピュータ25から、制御部20のバルブパターン決定部21に、冷却対象となっている圧延材Wの指令情報(鋼種や目標板厚、開バルブパターンなど)が与えられ、それに基づき、パラメータデータベース部22から、冷却対象となっている圧延材Wに対応する熱伝達率パラメータkと変態発熱速度パラメータqとを選定する。同時に、比熱曲線データベース部23から、冷却対象となっている圧延材Wに対応する比熱曲線を選定する。
S74では、S73で予測された巻き取り温度と、巻き取り温度の目標値との偏差を算出し、この偏差がある閾値温度以下(例えば、5℃)となるか判定する。
偏差が閾値温度以上であるならば、偏差の値がある閾値温度以下となるまでバルブ本数を増減させて、開バルブパターンを決定する(S76)。
図9は、高炭素鋼を圧延する場合において、当該鋼板(圧延材W)の全長に亘り、巻き取り温度が±30℃の範囲に入る確率(±30℃的中率)を示したものである。この図から明らかなように、本発明を用いることにより、巻き取り温度の±30℃的中率が、従来の制御手法での的中率92%から97%へと向上した。
図11は、高炭素鋼を圧延する場合において、当該鋼板(圧延材W)の長手方向に亘る温度分布を示したものである。従来の冷却制御では、鋼板の先端部と後端部において、巻き取り温度の実績値が許容される温度公差を逸脱する状況が発生していた。しかしながら、本発明の冷却制御方法を適用することで、鋼板の先端部では巻き取り温度の実績値が許容される温度公差内に確実に収まるようになり、巻き取り温度の公差的中率が改善していることがわかる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
2 圧延スタンド
3 冷却手段
4 巻き取り装置
5 ワークロール
6 バックアップロール
7 出側板速度検出器
8 出側板温度計
9 冷却バンク
10 中間温度計
11 巻き取り温度計
12 出側板厚計
13 巻き取り速度検出器
20 制御部
21 バルブパターン決定部
22 パラメータデータベース部
23 比熱曲線データベース部
24 バルブ開閉信号出力部
25 上位コンピュータ
W 圧延材
Claims (6)
- 圧延材を水冷する冷却手段を用いて、圧延後の圧延材の巻き取り温度が目標値になるように冷却するに際し、
前記冷却手段による冷却で圧延材に生じる変態発熱量を予測する変態発熱予測モデルと、この変態発熱予測モデルが予測する変態発熱量を用いて圧延材の温度を予測する温度予測モデルと、を用意しておき、
前記変態発熱予測モデル及び温度予測モデルに用いられる変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの値をカテゴリー毎に設定しておき、
冷却対象である圧延材が属するカテゴリーでの変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの設定値を用いつつ、変態発熱予測モデルと温度予測モデルとを使用して、圧延材の巻き取り温度の予測値を求め、
前記巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように、前記冷却手段を制御することを特徴とする圧延材の冷却制御方法。 - 前記変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの設定値を、過去の実績値から算出することを特徴とする請求項1に記載の圧延材の冷却制御方法。
- 前記過去の実績値として、冷却手段の下流側に設けられた巻き取り温度計の計測値及び/又は冷却手段の中途部に設けられた中間温度計の計測値を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧延材の冷却制御方法。
- 前記変態発熱速度パラメータ及び熱伝達率パラメータの設定値を設定するカテゴリーとして、圧延材の鋼種及び/又は板厚に基づく層別区分を採用していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧延材の冷却制御方法。
- 前記冷却手段は、開バルブ本数を変更可能な冷却バンクが複数備えられた構成を有し、
前記巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように、前記冷却バンクの開バルブ本数を変更することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧延材の冷却制御方法。 - 圧延材を圧延する複数の圧延スタンドと、
前記圧延スタンドの下流側に配備されて圧延材を水冷する冷却手段と、
前記冷却手段で冷却された圧延材を巻き取る巻き取り装置と、
請求項1〜5のいずれかに記載された圧延材の冷却制御方法を行って、巻き取り温度の予測値と目標値との差が所定の値以下となるように前記冷却手段を制御する制御部と、
を有することを特徴とする連続圧延機。
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