JP2012071316A - 熱延鋼帯の製造装置及び製造方法 - Google Patents

熱延鋼帯の製造装置及び製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧延直後の急速均一冷却により所望の材質が得られるとともに早期の板張力及び板形状計測により歩留り向上が可能な熱延鋼帯の製造装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】 仕上げ圧延機列１１と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された第１の冷却装置１３と、該第１の冷却装置の出側に設置されてストリップＳの上,下両面に当接するピンチロール１４と、を備えるとともに、前記第１の冷却装置とピンチロールとの間に少なくともストリップＳの上方に位置した水切りロール１５を配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間にストリップＳの張力及び形状を測定する張力／形状測定装置１６を設置した。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱延鋼帯の製造装置及び製造方法に係り、一層詳細には、圧延直後急冷で所望の材質が得られるとともに歩留りの良い生産が可能な熱延鋼帯の製造装置及び製造方法に関する。
この種の熱間圧延設備としては、例えば特許文献１及び２に開示されたものが有る。即ち、特許文献１には、高水圧、高流量の強冷却の冷却バンクを用いたとしても、圧延板を安定して搬送することができ、高歩留りの熱間圧延システム等を得ることを目的として、冷却装置の出側にピンチロールを直近配置して、張力検出手段がピンチロールの駆動モータに供給される電流値に基づいて圧延板の張力を検出することが記載されている。
また、特許文献２には、ランアウトテーブルにおける冷却効率を可能な限り高めるとともに、圧延所要時間を最短化することを目的として、仕上げ圧延機列の出側に設けた冷却装置における堰止め（水切り）ロールを鋼板に密着させる場合、所定の押力で堰止めロールを鋼板に押し付けるとともに駆動トルクを与え、堰止めロールがピンチロールを兼ねる形態とすることが記載されている。これは、鋼板に極力早く張力を作用させて安定圧延状態を早く作り上げるためと考えられる。
特開２００３−１３６１０８号公報 特開２００５−３４２７６７号公報 特開２００５−６６６１４号公報 特開２００６−３４６７１４号公報 特許第３８０１１４５号公報
S.P.Timoshenko、J.N.Goodier、『Theory of Elasticity THIRD EDITION』、McGRAW-HILL BOOK COMPANY INTERNATIONAL EDITION 1970 『板圧延の理論と実際』、社団法人 日本鉄鋼協会 昭和５９年９月１日
ところで、特許文献１にあっては、駆動モータの出力トルクから張力を換算することになるが、駆動モータの出力トルクにはピンチロールの加速減速のためのトルクやピンチロールの軸受部の回転抵抗のトルクも含まれている。通常、熱延鋼帯の先端通板時の速度は低く、その後増速して、後端が抜ける前に減速するので、この加速減速のため圧延中にピンチロール周りの機械の慣性モーメントに基づくトルク変動が生じる。そのため、このトルク変動を考慮して張力をある設定値になるように制御することが求められるが、実際に熱延鋼帯に作用する張力を目標とする張力に合せることは難しく、差が存在する。また、特許文献１ではピンチロールの慣性モーメントを小さくする対策が述べられているが、慣性モーメントを小さくしたとしても加速減速のたびに反転するトルク変化が張力変化になってしまうことに変わりはなく、実際の張力との間に差が生じている。実際の張力を正確に把握できていないため、設定張力を安定的に維持することは難しいと言える。
また、熱延鋼帯の先端通板時は冷却せずに先端がピンチロールに噛み込んだ後に冷却を行う場合、先端通板時と冷却開始後ではピンチロールと熱延鋼帯との間の摩擦係数が異なる。このような乾燥か湿潤かの他に、熱延鋼帯表面の凹凸やピンチロール表面の摩耗の影響なども摩擦係数に対して影響を与える。駆動モータの出力トルクで張力をコントロールしようとすると摩擦係数の正確な値が必要になるが、上記の各条件（外乱）それぞれにおける摩擦係数を把握することは、実質的に困難と言える。従って、ピンチロールと熱延鋼帯との間の摩擦係数が不安定な位置にあるピンチロールで張力をコントロールする場合、その把握された張力は多くの誤差を含むこととなる。そのため、ピンチロールで設定した張力は目標張力と実績張力が異なった状態で圧延が進行することとなる。そして、実績張力が極端に小さくなると冷却装置内で熱延鋼帯が上下にバタツキ均一冷却が出来なくなったり、上下のガイド装置に接触して疵付きが生じたり、通板ができなくなる問題が生じる。一方、張力が極端に大きな値になると熱延鋼帯の板厚が薄くなってしまうなどの板厚変動の要因となってしまう問題が生じる。
さらに、ピンチロールで張力を検出することの問題点を以下に詳説する。

モータ出力Trは、Tr＝Trt＋ Trd
Trtは張力分のトルク、Trdはピンチロールを回転させるためのトルク
Trt＝Tr−Trdであり、張力FtはFt＝Trt/R・・・Rはピンチロールの半径
よって、測定できるTrからTrdを引くことで張力Ftを算出できる。

しかし、Trdはピンチロールと板との間の条件の変化や加速減速などピンチロール自身を回転制御するために必要なもので大きな変動要素のあるものである。Trdを張力算出の上での外乱と表現することもできる。

外乱を以下に表現してみると、
Trd＝Trd1＋Trd2＋Trd3＋・・・

Trd1：加速減速により変動するトルク・・・通板時の速度は低く、その後増速して、後端が抜ける前に減速するので、圧延中に、このトルク変動が大きくなる。これを考慮して張力をある設定値に入れることはかなり困難であり、実際の張力の変動は避けがたい。特許文献１ではピンチロールの慣性モーメントを小さくする対策が述べられている。しかし、慣性モーメントの影響で加速減速のたびに反転するトルク変化が張力変化になってしまうことを制御的に避けることが難しく、設定張力を安定的に維持することは難しい。
Trd2：ピンチロールのころがり抵抗の変化・・・ピンチロールの押付力を一定としても、速度変化があると、ころがり抵抗も変化する。ころがり抵抗の絶対値を低くするなどの対策によって、ころがり抵抗の変化を無視するようにするなどの対策が必要と考えられる。
Trd3：圧延中に板厚変化があるとき・・・ピンチロールの上下動をともない、機械系にヒステリシスがあると正味の押付力（板を押し付ける力）に変化が生じる。そのために張力が変動する。

尚、Trについて少し考察する。
例えば、ピンチロールによって張力が作用中に摩擦係数μ（縦軸：トラクション係数、横軸：すべり速度或いはすべり率で整理されたμカーブ）の変化がある。通板時が乾燥状態で、冷却開始で湿潤状態となるがこの過程でμカーブが刻々と変化する。このμの変化に対してモータ出力トルクでコントロールしようとするとμの正確な値を必要とするが、μは、熱延鋼帯の温度や表面の状態（凹凸、乾燥か湿潤かなど）、また、ピンチロール表面の摩擦などの影響も受けることから、このμを把握することは難しいと考えられる。
このような問題は、堰止めロールをピンチロールとして使用する特許文献２においても同様に生じ、張力を正確に測定することができない。
また、冷却をきちんと行うためには、熱延鋼帯の先端部から張力を張って冷却水を噴射することが求められる。張力が張られていないと冷却水噴射によって熱延鋼帯が上下方向に（板幅方向にも圧延方向にも）不安定となり、冷却の不均一が生じる不具合があった。また、熱延鋼帯が上下のガイド装置に接触して疵付きが生じたり、通板を阻害するなどの不具合もあった。そのため、できるだけ早く熱延鋼帯の先端部に張力を与えることが求められる。
さらに、仕上げ圧延機列出側近傍に設けた冷却装置の出側に近接配置したピンチロールで単に張力を早く設定できたとしても、その時点で熱延鋼帯の板形状が分からない。板形状が悪いと冷却装置での冷却が不均一となり、冷却むらが生じるが、特許文献１及び２では、この観点での配慮がなされていない。
仕上げ圧延機では、熱延鋼帯の先端部がダウンコイラに巻きついて張力が設定される前の張力が無い状態で熱延鋼帯の外観形状を観察する板形状計測方式が一般的である。冷却装置が仕上げ圧延機列出側に近接配置され、その出側に近接ピンチロールが配置された場合、その外観形状の観察は近接ピンチロールの出側に設置されることになり、その形状観察結果に基づいて、圧延機で形状を修正することとなるが、形状観察位置が仕上げ圧延機列から離れることで、形状不良部が調整されずに生産される部分が長くなるため歩留りが悪くなる。一方、形状を早く測定しようとして、仕上げ圧延機列の出側近くを形状観察位置とすると、仕上げ圧延機列出側近傍の冷却装置を仕上げ圧延機列から離すこととなり、圧延直後急冷による材質作りこみが出来なくなる。
尚、特許文献３には、圧延機出側近傍の冷却装置におけるワイピング装置の出側近傍に形状検出器を配置する技術が開示されているが、これは冷間圧延に関するものであり、本発明の熱間圧延とは技術分野が異なるとともに、ピンチロールの記載が無いことから張力はコイラで付与するものと推察でき、ピンチロールで張力を付与する本発明とは構成が異なる。
そこで、本発明の目的は、圧延直後の急速均一冷却により所望の材質が得られるとともに早期の板張力及び板形状計測により歩留り向上が可能な熱延鋼帯の製造装置及び製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明に係る熱延鋼帯の製造装置は、
仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の張力を測定する張力測定装置を設置したことを特徴とする。
また、
前記張力測定装置は熱延鋼帯に任意の巻き付け角を設けたロールを有し、巻き付け角によって生じるロールへの押し付け力を測定して熱延鋼帯に作用した張力を求めるようにしたことを特徴とする。
また、
仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置したことを特徴とする。
また、
前記形状計は熱延鋼帯に任意の巻き付け角を設けて熱延鋼帯の板幅方向に分割された複数のロールを有し、巻き付け角によって生じる各ロールへの押し付け力の板幅方向の分布を測定して該押付力分布から張力分布を求め、該張力分布から板形状を求めるようにしたことを特徴とする。
また、
前記張力測定装置と形状計とは同一の装置であることを特徴とする。
また、
前記張力測定装置及び／又は形状計は、ロールの上部に巻き付け角が存在することを特徴とする。
また、
前記張力測定装置及び／又は形状計は、仕上げ圧延機列とピンチロールとの間の熱延鋼帯の張力が変化しようとしたときに、巻き付け角が変動して前記張力の変動が極力小さくなるようにしたことを特徴とする。
また、
前記水切りロールは駆動ロールとし、水切りロール自身の熱延鋼帯への回転抵抗が極力小さくなるようにしたことを特徴とする。
また、
仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置し、さらには水切りロールからピンチロール出側に設置した空冷ゾーンを含む領域に熱延鋼帯の板幅方向温度分布を測定する熱延鋼帯温度計測装置を設置したことを特徴とする。
また、
前記熱延鋼帯温度計測装置は、水切りロールとピンチロールとの間に設置したことを特徴とする。
前記目的を達成するための本発明に係る熱延鋼帯の製造方法は、
仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の張力を測定する張力測定装置及び／又は熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置し、前記張力測定装置及び／又は形状計のロールは熱延鋼帯の先端がピンチロールに噛み込んだ後に、熱延鋼帯に対し任意に定めた目標とする巻き付け角となるようにしたことを特徴とする。
また、
前記張力測定装置及び／又は形状計のロールは、熱延鋼帯の先端がピンチロールに噛み込んだ後に熱延鋼帯に対し任意に定めた目標とする巻き付け角に設定され、その後は巻き付け角はほぼ同様の値に維持されて圧延し、熱延鋼帯の後端が当該ロールを通過する前に巻き付け角がなくなるようにしたことを特徴とする。
また、
仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置し、前記冷却装置による冷却下の板形状を検出しながら、仕上げ圧延機列の少なくとも最終スタンドにおける圧延機の形状調整機能を動作させるようにしたことを特徴とする。
また、
前記ピンチロールの出側に空冷ゾーンを設け、前記水切りロールからピンチロール出側の空冷ゾーンを含む領域に熱延鋼帯の板幅方向温度分布を測定する熱延鋼帯温度計測装置を設置し、前記形状計で求めた板形状を、板幅方向温度分布に基づく圧延方向の伸び差分布で補正し、補正後の板形状を目標形状となるように仕上げ圧延機列の少なくとも最終スタンドにおける圧延機の形状調整機能を動作させるようにしたことを特徴とする。
前記構成の本発明に係る熱延鋼帯の製造装置及び製造方法によれば、仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置により圧延直後の急速冷却が可能となり、例えばフェライト組織の結晶粒径が３〜４μｍ以下という微細粒組織からなる熱延鋼帯が得られる。そして、水切りロールとピンチロールとの間に張力測定装置及び／又は形状計を設置したので、早期の板張力及び板形状計測により均一冷却が可能となって冷却むらを最小とするとともに安定した圧延状態が得られて歩留り向上が図れる。
本発明の実施例１を示す熱間圧延設備の全体構成図である。 板張力及び板形状測定装置の設置位置を示す図１の要部拡大図である。 板張力及び板形状測定装置の巻き付け角を示す図１の要部拡大図である。 仕上げ圧延機列最終スタンドの形状制御における各々の特性図である。 仕上げ圧延機列最終スタンドの形状制御における各々の特性図である。 非特許文献１に基づく計算モデルと各々の関係図である。 非特許文献１に基づく各々の関係図である。 本発明の実施例２を示す熱間圧延設備の要部拡大図である。
以下、本発明に係る熱延鋼帯の製造装置及び製造方法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１を示す熱間圧延設備の全体構成図、図２は板張力及び板形状測定装置の設置位置を示す図１の要部拡大図、図３は板張力及び板形状測定装置の巻き付け角を示す図１の要部拡大図、図４Ａ及び図４Ｂは仕上げ圧延機列最終スタンドの形状制御における各々の特性図、図５Ａは非特許文献１に基づく計算モデルと各々の関係図、図５Ｂは非特許文献１に基づく各々の関係図である。
図１に示すように、熱間圧延設備１０は、仕上げ圧延機列１１の最終スタンド１２の出側直後に設置された第１の冷却装置１３と、該第１の冷却装置１３の出側に設置されてストリップ（熱延鋼帯）Ｓの上,下両面に当接するピンチロール１４と、を備えるとともに、前記第１の冷却装置１３とピンチロール１４との間に水切りロール１５が配置され、かつ該水切りロール１５とピンチロール１４との間には、ストリップＳの張力及び形状を測定する接触式の張力／形状測定装置１６とストリップＳの板幅方向温度分布を測定する温度測定装置（熱延鋼帯温度計測装置）１７が設置される。
そして、ピンチロール１４の出側に空冷ゾーン（計測ゾーン）１８を介して第２の冷却装置１９が配置されるとともに、該第２の冷却装置１９の出側にコイラ前ピンチロール２０を介してダウンコイラ２１がストリップＳの搬送方向へ２段に亘って設置される。尚、空冷ゾーン（計測ゾーン）１８においては、一般的に、板厚計測、板プロファイル（板厚の幅方向分布）計測、張力作用前の板形状計測、板温度計測等が行われる。
従って、仕上げ圧延機列１１の最終スタンド１２を経たストリップＳは、第１の冷却装置１３→水切りロール１５→張力／形状測定装置１６→ピンチロール１４→空冷ゾーン１８→第２の冷却装置１９→コイラ前ピンチロール２０へと搬送された後、ダウンコイラ２１により巻き取られる。尚、この際、仕上げ圧延機列１１（特に最終スタンド１２）のパスラインをその他のパスラインとほぼ一定にすると、後述する第１の冷却装置１３における冷却水の噴射状態が良好となり好適である。
図２に示すように、第１の冷却装置１３は、ストリップＳの上,下両面に多数のノズル２２から多量の冷却水が、例えば１０００℃／Ｓ程度の冷却速度で直接噴射され、ストリップＳを急速に冷却することが可能になっている。具体的には、ストリップＳの上面は最終スタンド１２のロールと水切りロール１５とにより画成された冷却水のプール２３を介して冷却水が噴射されるとともに、ストリップＳの下面は通板エプロン２４に形成された図示しない多数の噴射孔を通して冷却水が噴射される。
図３に示すように、張力／形状測定装置１６はストリップＳの下側に設置される。そして、張力／形状測定装置１６はストリップＳの下面に任意の巻き付け角（巻き付け角θ＝θ1＋θ2）を設けてストリップＳの板幅方向に分割された複数のロール１６ａを有し、巻き付け角θによって生じる各ロール１６ａへの押し付け力の板幅方向の分布を測定して該押付力分布から張力分布を求め、該張力分布から板形状を求めるようになっている。尚、この張力／形状測定装置１６は、本出願人等による特許文献４で提案済みであるのでこれを参照して詳細な説明は省略する。該張力分布の合計をストリップＳの張力として測定する方法以外にも以下の方法がある。即ち、図１,図２で張力／形状測定装置１６は、破線の位置から旋回してストリップＳに巻き付け角θを設けているが、従来の仕上げ圧延機列１１内のルーバと同様に、この旋回の支点部に作用するトルクを利用して張力を検出することも可能である。
そして、張力／形状測定装置１６のロール１６ａは、ストリップＳの先端がピンチロール１４に噛み込んだ後に、ストリップＳに対し任意に定めた目標とする巻き付け角θとなり、その後、巻き付け角θはほぼ同様の値に維持されて圧延し、ストリップＳの後端が当該ロール１６ａを通過する前に巻き付け角θがなくなるようになっている。
また、水切りロール１５がストリップＳをピンチしないので、水切りロール１５と張力／形状測定装置１６が近接配置されたとしても、張力／形状測定装置１６により冷却部の張力を正確に測ることができるのである。後述するが、水切りロール１５の下にロールを配置してピンチしたときは、板との接触圧力の板幅方向分布や摩擦係数の板幅方向分布などによって、板幅方向で局部的に負荷分布が作用するため、水切りロール１５を張力／形状測定装置１６に近接配置すると、前記の局部的負荷分布が板形状測定上の誤差となる問題が生じる。また、ストリップＳの上面に接する水切りロール１５は駆動ロールで構成され、ロール自身のストリップＳへの回転抵抗が小さくなるようになっている。尚、この際、水切りロール１５と接するストリップＳには曲がりが作用するが、この曲がりは、ストリップＳの表裏（厚さ方向の上面と下面）で絶対値がほぼ等しい圧縮と引張として作用するので、張力へ影響するものではないから板幅方向に張力分布を発生させることがなく、張力／形状測定装置１６を水切りロール１５に近づけても板形状を正確に測定することができる。
温度測定装置１７は、水切りロール１５とピンチロール１４との間のストリップＳの上方に配置され、張力／形状測定装置１６で求めた板形状を、板幅方向温度分布に基づく圧延方向の伸び差分布で補正し、補正後の板形状を目標形状となるように仕上げ圧延機列１１の少なくとも最終スタンド１２における圧延機の形状調整機能を動作させるようになっている。圧延機の形状調整機能としては、ロールベンダーやシフト等の機械的制御手段やロールクーラントの幅方向流量分布を変更して形状制御を行うことが考えられる（特許文献３参照）。また、その他に、圧延機の少なくともワークロールをクロスする方式なども形状調整機能として考えられる。
ここで、仕上げ圧延機列１１の最終スタンド１２における圧延機の形状制御を図４Ａ及び図４Ｂの特性図に基づいて説明する。
（１）図中(ａ)の特性は、張力／形状測定装置１６で形状を測定した結果の一例を示す。クォータ部に伸びのある形状であることがわかる。一方、図中(ｂ)の特性は板幅方向の温度分布を示す。図２の温度測定装置１７で測定した結果である。温度差Δｔによる伸び歪εは、線膨張係数αsを用いて、ε＝αs×Δｔとなる。例えば、αs＝１．５×１０＾（−５）（単位１／℃）で、Δｔ＝５℃ならば、ε＝７．５×１０＾（−５）となる。この伸び歪εが伸び差率を意味するものであり、ε＝１．０×１０＾（−５）が１I−unit（平坦度の測定単位）である。図中(ｃ)の特性は図中(ｂ)の特性の温度分布から伸び差率を求めた値である。圧延及び冷却後、水切りロール１５とピンチロール１４との間で測定した結果、この幅方向温度分布があることから、この温度分布による伸び差率がすでに存在していると考えられる。その状態で形状を測定した結果が図中(ａ)の特性であるから、図中(ｄ)の特性＝図中(ａ)の特性−図中(ｃ)の特性が仕上げ圧延機列出側の冷却前形状と考えられる。図中(ｄ)の特性の冷却前形状を図中(ｅ)の特性の目標形状になるように最終スタンド１２の形状制御機能で直そうとするものである。
このように、同じ温度になったときに、幅方向の形状が目標形状になるような圧延方法とすることによって、冷却後の良好な板形状を得ることができる。
（２）一方、圧延の安定性を考えたとき、上記の方法と異なる使い方も存在する。幅方向の張力分布がほぼ対称でバランスしていれば、板は横行しにくい条件であることが言える。しかし、幅方向の張力分布が作業側と駆動側で差が大きい場合、板が横行しやすい条件となっていることが考えられる。この板の横行が問題となる場合は、張力分布が幅方向でほぼ対称になっていることが求められるため、作業側と駆動側で非対称な温度分布があったときは張力が対称になるように仕上げ圧延機列１１をコントロールすることで圧延の安定性が得られる。
このように、(１)と(２)を組み合わせた操業、つまり、(１),(２)を両立した操業が求められる。
そして、本実施例では、第１の冷却装置１３における冷却水の衝突位置から張力／形状測定装置１６までの距離Ｌ１と張力／形状測定装置１６からピンチロール１４までの距離Ｌ２が、それぞれ（０．５〜１．０）×Ｗ（ここでは、Ｗは最大板幅）に設定され、冷却水噴射完了からピンチロール１４までの距離Ｌ３が可及的に短くなるようになっている。
ここで、張力／形状測定装置１６の設置位置について、非特許文献１と非特許文献２に基づいて説明すると、先ず、非特許文献１のＰ.５８〜６０には、集中荷重が作用した場合、その荷重が作用した位置から離れるほど、幅方向の負荷分布が一様になっていく傾向が述べられており、板幅以上離れた位置では幅方向負荷分布がかなり均一な分布になっていくことが述べられている。
このことから、負荷が作用している位置から少なくとも板幅以上離れたところで板形状を測定することで、ストリップＳに対して作用する負荷の影響をかなり少なくすることができることは定性的に理解できる。ここで、板形状を測定する位置の入側あるいは出側で、板幅方向に張力分布を与えるような局部的な外力としては、第１の冷却装置１３における冷却水噴射によるストリップＳへの幅方向の局部的な衝突力とピンチロール１４によるストリップＳを挟み込むことにより生じる幅方向押付け条件の不均一性が考えられる。荷重作用位置即ち第１の冷却装置１３における冷却水の衝突位置から張力／形状測定装置１６までの距離Ｌ１及び張力／形状測定装置１６からピンチロール１４までの距離Ｌ２のそれぞれが、板幅以上の長さとすると、前記の局部的な負荷は少なくとも集中荷重よりも条件は良いと考えられることから、張力／形状測定装置１６において形状測定に対して外力の負荷の影響はかなり少なくなると考えられる。しかし、冷却完了からピンチロール１４までの距離Ｌ３（＝Ｌ１＋Ｌ２）が長くなってしまう問題があった。
これを非特許文献１のＦｉｇ.３７，３８をもとに詳細に分析すると以下のようになる。図５の（ａ）に計算モデルを示す。幅方向の中央に単位長さあたりの荷重Ｐが集中荷重として作用している。荷重Ｐが作用しているところからｃだけ離れたところをy座標＝0とする。
図５の（ｂ）には、ｃ＝０．５Ｗのときのｙ＝0における幅位置と係数Ｋの関係を示す。係数Ｋは、板幅方向の応力（σｙ）の均一応力（Ｐ／Ｗ）に対する比である。ｘ／Ｗが0のところ、すなわち、板幅中央では係数Ｋのピークがあり、ｃ＝０．５Ｗのときは、板幅中央では均一荷重の約１．４倍の応力が存在することが分かる。
図５の（ｃ）は、作用点からの距離／板幅と板幅中央におけるＫ値（Ｋ0）の関係を示す。係数Ｋ0は、板幅中央に作用するピーク応力（σｙ（0））の均一応力（Ｐ／Ｗ）に対する比である。ｃ／Ｗが１のとき、Ｋ0は１．０にかなり近い値であり、ｃ／Ｗの増加で１．０にさらに近づいていき、幅方向負荷分布の均一度が増加していく。
図５の（ｄ）は、作用点からの距離／板幅と板幅中央における換算形状Δshapeの関係を示す。図中に示すΔεｙは、板幅中央の応力σｙ（0）と均一応力Ｐ／Ｗとの応力差Δσｙ（0）＝σｙ（0）−Ｐ／Ｗに相当する伸び差率である。ΔshapeはこのΔεｙを用いて、Δshape＝Δεｙ×１０＾５として算出されるものであり、換算形状と表現した。Δshapeの単位はI−unitである。I−unitの定義は、例えば非特許文献２のＰ.２６６による。
図５の（ａ）では、荷重Ｐが圧縮の方向となっているが、引張の方向に作用しても同様の傾向となる。形状計は、圧延され、また、冷却された板に内在する板形状を測定することを目的としている。このことを考慮すると集中荷重のような局部的な負荷の作用は、板形状測定の測定上の誤差として取り扱われるものであり、前記換算形状として板形状の測定ポイントで存在することになる。
圧延において検出する板形状は、５〜１０I−unit以上が一般的である。板形状を測定する上で誤差となる換算形状Δshapeは小さいほど好ましいが、２I−unit以下であれば、５〜１０I−unit以上を検出することに対する影響は少ないとすることができる。図５の（ｄ）から、ｃ／Ｗが０．５以上ではΔshapeは２I−unit以下となる。つまり、局部的な負荷が作用しているところから、少なくとも板幅Wの０．５倍離れた位置までは、Δshapeを２I−unit以下とすることができ、測定上の実害の無い状態で板形状を測定できることとなる。また、図５の（ｄ）から、ｃ／Ｗが０．５以下になると換算形状Δshapeは急激に増加し測定上の誤差として無視できなくなる。
冷却噴射によって、例えばスプレー水のような圧力のある水が局部的に板にあたるとその部分では圧延方向の張力が局部的に増加し、板幅方向の局部的な負荷として作用する。また、ピンチロールの噛込み部でも、ピンチロールと板の接触圧力の板幅方向分布や摩擦係数の板幅方向分布などによって、板幅方向で局部的に負荷分布が作用する。この局部的な負荷分布は板に内在する形状そのものではないが、少なくとも板幅Wの０．５倍離れた位置で板形状を測定することで、換算形状Δshapeを２I−unit以下とすることができ、局部的な負荷の板形状測定に対する影響はほとんどなくなる。板幅方向で局部的な負荷から板幅Wの０．５倍以下しか離れていない位置で板形状を測定すると、局部的な負荷の影響が局部的な張力として測定上の誤差、即ち、外乱となり、板形状を正確に測定することが難しくなる。
以上から、局部的な負荷が作用した位置から（０．５〜１．０）×Ｗ離れた位置に張力／形状測定装置１６を設置することで、第１の冷却装置１３における冷却水噴射完了からピンチロール１４までの距離を短くして、かつ板形状の計測もストリップＳに作用する負荷による外乱を少なくすることができる。
本実施例によれば、ピンチロール１４を冷却装置(第１の冷却装置１３)から隔てて配置し、その間に水切りロール１５と非水冷ゾーン（ここでは、水切りロール１５とピンチロール１４の間）が設けられている。冷却装置によって噴射されたストリップＳの上面の冷却水は、水切りロール１５で切られ、非水冷ゾーンでは水が切られた状態となる。ストリップＳの下面は、冷却水が下方に落下するので、非水冷ゾーンで容易に水がない状態となり得る。水切りロール１５を設置して非水冷ゾーンを設けることで、水切り状態が安定し、ストリップＳとピンチロール１４との間の摩擦状態を安定化し、摩擦係数の変動、即ち、摩擦係数の外乱を小さくすることができる。さらに、ピンチロール１４を冷却装置から隔てて配置し、水切りロール１５とピンチロール１４との間で張力を測定することができるようにしたので、ピンチロール１４自身の慣性モーメントに基づく張力変動など装置が生み出す外乱を考慮せずに実績張力を把握できる。この張力の正確な把握により、目標張力への調整が容易となり、張力を安定的に維持することが可能となる。
また、第１の冷却装置１３を仕上げ圧延機列１１の出側直後に配置するとともに、張力／形状測定装置１６を水切りロール１５とピンチロール１４との間に配置してストリップＳの張力及び形状を早期に測定・把握できるようにしたので、圧延直後急冷による材質作りこみができ、例えばフェライト組織の結晶粒径が３〜４μｍ以下という微細粒組織からなる熱延鋼帯が得られる一方、高歩留りを確保できる。
この際、前述したように第１の冷却装置１３における冷却水の衝突位置から張力／形状測定装置１６までの距離Ｌ１と張力／形状測定装置１６からピンチロール１４までの距離Ｌ２を、（０．５〜１．０）×Ｗ（最大板幅）に設定し、冷却水噴射完了からピンチロール１４までの距離Ｌ３を可及的に短くしたので、前述した水切りロール１５による効果的な水切り作用も相まって、張力／形状測定装置１６の高い測定精度を維持しつつ歩留りを高められる。
また、水切りロール１５とピンチロール１４との間に張力／形状測定装置１６を設置したので、早期の板張力及び板形状計測により均一冷却が可能となって冷却むらを最小とするとともに安定した圧延状態が得られて歩留り向上が図れる。また、張力／形状測定装置１６は、一つの装置として纏められているので、それぞれ別個に配置することに比べて、省スペースが図れる。
また、温度測定装置１７は、張力／形状測定装置１６で求めた板形状を、板幅方向温度分布に基づく圧延方向の伸び差分布で補正し、補正後の板形状を目標形状となるように仕上げ圧延機列１１の少なくとも最終スタンド１２における圧延機の形状調整機能を動作させるようになっているので、仕上げ圧延機列１１を出たストリップＳの板形状が既に目標形状に調整されているので、より一層冷却むらが生じない。勿論、温度測定装置１７による温度測定をしないで、張力／形状測定装置１６で冷却中の板形状を検出しながら、仕上げ圧延機列１１の少なくとも最終スタンド１２における圧延機でストリップＳの形状調整を行うようにしても良い。尚、温度測定装置１７は、張力／形状測定装置１６に近い位置に設置されることで上記の補正がより正確に行われる。
また、張力／形状測定装置１６のロール１６ａは、ストリップＳの先端がピンチロール１４に噛み込んだ後に、ストリップＳに対し任意に定めた目標とする巻き付け角θとなり、その後、巻き付け角θはほぼ同様の値に維持されて圧延し、ストリップＳの後端が当該ロール１６ａを通過する前に巻き付け角θがなくなるようになっているので、ストリップＳの先端がピンチロール１４に噛み込んだ直後に任意に定めた目標とする張力及び形状に設定でき、冷却開始を早いタイミングで行うことができてより一層歩留りが向上する。また、巻き付け角θは、圧延中ほぼ一定であるので、張力／形状測定装置１６のロール１６ａは、仕上げ圧延機列１１のスタンド間のようにルーパが上下動する方式でなくても可能である。この場合、巻き付け角θを一定とするので装置が簡単なものになる。
図６は本発明の実施例２を示す熱間圧延設備の要部拡大図である。
これは、実施例１における張力／形状測定装置１６を単なる張力測定装置１６Ａに変更して形状測定は空冷ゾーン１８（図１参照）における形状測定手段で行うようにした例である。この張力測定装置１６Ａは非分割の連続する一本のロール１６ａの両端の軸受部にロードセルを内蔵し、これをパンタグラフ機構等でストリップＳの下面に付勢することでストリップＳ全体の張力を測定するものである。
また、空冷ゾーン１８における形状測定手段は、熱延鋼帯の外観形状を観察する板形状計測方式となっており、ダウンコイラ２１がストリップＳの先端部を巻き取り張力が作用するまでの、張力が作用していない間に形状を測定するものであり、該形状測定結果を用いて仕上げ圧延機列１１で形状調整を行うようにしている。
この実施例においても、実施例１と同様の作用効果が得られる。
ところで、通常、ピンチロール１４ではストリップＳを圧延しないため、ピンチロール１４にストリップＳの先端が噛み込まれた後のピンチロール１４と最終スタンド１２との間のストリップＳの張力変動は、仕上げ圧延機列１１内のスタンド間の張力変動よりも小さいと想定されるが、大きな張力変動が生じようとする場合もある。このような場合、張力／形状測定装置１６の測定結果を用いてピンチロール１４のモータドライブを制御したとしても、ピンチロール１４のモータドライブの張力に対応した制御が追付かなくなり、張力に変化が生じてしまう。
ここで、大きな張力変動が生じようとする原因としては、第１の冷却装置１３の冷却開始に伴うピンチロール１４とストリップＳとの間の摩擦係数の急変などが考えられる。このように大きな張力変動が生じようとすることがある場合には、仕上げ圧延機列１１のスタンド間で使用されているルーパと同様に、本発明のように張力／形状測定装置１６を上下動させて巻き付け角θを変動させることで、ストリップＳの張力変動を極力小さくすることが可能である。これによって、ピンチロール１４と最終スタンド１２との間のストリップＳの張力変動を極力小さくすることができる。
また、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、第１の冷却装置１３や張力／形状測定装置１６の構造変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。特に、第１の冷却装置１３として本出願人等による特許文献５に開示された冷却装置を用いると好適である。
本発明に係る熱延鋼帯の製造装置及び製造方法は、製鉄プロセスラインに適用することができる。
１０ 熱間圧延設備
１１ 仕上げ圧延機列
１２ 最終スタンド
１３ 第１の冷却装置
１４ ピンチロール
１５ 水切りロール
１６ 張力／形状測定装置
１６Ａ 張力測定装置
１６ａ ロール
１７ 温度測定装置
１８ 空冷ゾーン
１９ 第２の冷却装置
２０ コイラ前ピンチロール
２１ ダウンコイラ
２２ ノズル
２３ 冷却水のプール
２４ 通板エプロン
Ｓ ストリップ
θ 巻き付け角

Claims (14)

  1. 仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の張力を測定する張力測定装置を設置したことを特徴とする熱延鋼帯の製造装置。
  2. 前記張力測定装置は熱延鋼帯に任意の巻き付け角を設けたロールを有し、巻き付け角によって生じるロールへの押し付け力を測定して熱延鋼帯に作用した張力を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  3. 仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置したことを特徴とする熱延鋼帯の製造装置。
  4. 前記形状計は熱延鋼帯に任意の巻き付け角を設けて熱延鋼帯の板幅方向に分割された複数のロールを有し、巻き付け角によって生じる各ロールへの押し付け力の板幅方向の分布を測定して該押付力分布から張力分布を求め、該張力分布から板形状を求めるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  5. 前記張力測定装置と形状計とは同一の装置であることを特徴とする請求項１,２,３又は４に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  6. 前記張力測定装置及び／又は形状計は、ロールの上部に巻き付け角が存在することを特徴とする請求項１,２,３,４又は５に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  7. 前記張力測定装置及び／又は形状計は、仕上げ圧延機列とピンチロールとの間の熱延鋼帯の張力が変化しようとしたときに、巻き付け角が変動して前記張力の変動が極力小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１,２,３,４,５又は６に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  8. 前記水切りロールは駆動ロールとし、水切りロール自身の熱延鋼帯への回転抵抗が極力小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１,２,３,４,５,６又は７に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  9. 仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置し、さらには水切りロールからピンチロール出側に設置した空冷ゾーンを含む領域に熱延鋼帯の板幅方向温度分布を測定する熱延鋼帯温度計測装置を設置したことを特徴とする熱延鋼帯の製造装置。
  10. 前記熱延鋼帯温度計測装置は、水切りロールとピンチロールとの間に設置したことを特徴とする請求項９に記載の熱延鋼帯の製造装置。
  11. 仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の張力を測定する張力測定装置及び／又は熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置し、前記張力測定装置及び／又は形状計のロールは熱延鋼帯の先端がピンチロールに噛み込んだ後に、熱延鋼帯に対し任意に定めた目標とする巻き付け角となるようにしたことを特徴とする熱延鋼帯の製造方法。
  12. 前記張力測定装置及び／又は形状計のロールは、熱延鋼帯の先端がピンチロールに噛み込んだ後に熱延鋼帯に対し任意に定めた目標とする巻き付け角に設定され、その後は巻き付け角はほぼ同様の値に維持されて圧延し、熱延鋼帯の後端が当該ロールを通過する前に巻き付け角がなくなるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の熱延鋼帯の製造方法。
  13. 仕上げ圧延機列と、該仕上げ圧延機列の出側直後に設置された冷却装置と、該冷却装置の出側に設置されて熱延鋼帯の上,下両面に当接するピンチロールと、を備えるとともに、前記冷却装置とピンチロールとの間に少なくとも熱延鋼帯の上方に位置した水切りロールを配置し、かつ該水切りロールとピンチロールとの間に熱延鋼帯の板形状を測定する形状計を設置し、前記冷却装置による冷却下の板形状を検出しながら、仕上げ圧延機列の少なくとも最終スタンドにおける圧延機の形状調整機能を動作させるようにしたことを特徴とする熱延鋼帯の製造方法。
  14. 前記ピンチロールの出側に空冷ゾーンを設け、前記水切りロールからピンチロール出側の空冷ゾーンを含む領域に熱延鋼帯の板幅方向温度分布を測定する熱延鋼帯温度計測装置を設置し、前記形状計で求めた板形状を、板幅方向温度分布に基づく圧延方向の伸び差分布で補正し、補正後の板形状を目標形状となるように仕上げ圧延機列の少なくとも最終スタンドにおける圧延機の形状調整機能を動作させるようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の熱延鋼帯の製造方法。
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