JP2018176232A - 冷間圧延の板厚制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続冷間圧延において、冷延素材である熱延鋼帯の長手方向に強度変動があった場合においても、簡便で安価な方法で鋼帯の長手方向の強度変動を測定し、該測定結果を用いて冷間圧延時の板厚変動を抑制し、板厚精度を向上させる。【解決手段】鋼帯１の連続冷間圧延において、圧延機５入側の板厚および張力の測定結果ならびに３本のロール（曲げ加工装置４）によって鋼帯に曲げ加工を加えた曲げ荷重の測定結果から鋼帯の強度変動を演算し、演算された鋼帯の長手方向強度変動に応じて、圧延機のロールギャップ量および圧延機のワークロールの回転速度のうち少なくとも一方を制御する冷間圧延の板厚制御方法。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼帯の連続冷間圧延における板厚制御方法に関する。

一般に鋼帯の連続冷間圧延においては、長手方向全域で板厚を目標値に近づけるために自動板厚制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｕｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＧＣ）が用いられている。ＡＧＣでは圧延機出側に配置された板厚計の測定結果を用いて、目標板厚との偏差を修正するように張力やロールギャップにフィードバックする制御（モニターＡＧＣ）や、圧延機出側板厚が目標値になるように圧延機入側の板厚測定結果から圧延前の板厚変動を考慮して張力やロールギャップにフィードフォワードする制御（ＦＦ−ＡＧＣ)、圧延中のロールバイト直下の板厚を圧延荷重、ミル剛性からなるゲージメータ式を用いて、操業中の実測値から随時算出し、目標値との偏差を改善するようにロールギャップを変更する制御（ゲージメータＡＧＣ）等が使用されている。

しかしながら近年、ＳｉやＭｎといった合金元素を多く含む高張力鋼板等では、熱間圧延のランアウトテーブルでの冷却ムラや、巻取り後の冷却ムラによって金属組織が変化しやすくて、鋼帯の長手方向の冷却ムラによって材質が大きく変化する場合があった。また巻取り後の鋼帯と置台とが接触する鋼帯位置での接触熱伝達による鋼帯の急激な温度低下によって大幅な硬質化が発生し、巻取り後の鋼帯周方向に特定ピッチで引張強度（以下、単に強度ということもある。）が変動する場合もある。このような鋼帯の冷間圧延を実施するとき、前述した各種のＡＧＣを適用した場合には以下の問題が生じる。

すなわち、モニターＡＧＣを用いた場合、圧延機のスタンド出側では素材強度が高い部分の板厚が厚くなり、硬い部分に続く軟らかい部分は、先行する硬い部分の板厚がフィードバックされて制御されるために、ロールギャップを閉めすぎて過薄となり、その結果、板厚変動を助長する。また、ゲージメータＡＧＣを用いた場合も、制御の動き方はモニターＡＧＣと同じであり、硬い部分での板厚増加分を補償しようとして、ロールギャップを閉めたとき、硬い部分につづく軟らかい部分で板厚が薄くなり過ぎて、特に、素材に発生する強度変動の周期が変化した場合には対応できない。またＦＦ−ＡＧＣを用いた場合、板厚計の測定結果を利用するので圧延機入側での板厚変動の影響は制御可能であるが、素材の強度変動には効果がない。

このような問題を解決する手段として、特許文献１には、圧延機の入側に、被圧延材の強度を測定する装置を設置し、強度測定装置によって測定された被圧延材の長手方向の強度変動に基づいて、圧延機のロールギャップ量および圧延機のワークロール回転速度を制御する方法が開示されている。

特許文献１に記載された被圧延材の強度を測定する方法は、磁気誘導方式によって鋼板に磁場を作用させ、鋼板内部の磁束変化を検出することによって、被圧延材の強度変動を測定する。このような磁気を用いて、鋼板の強度を測定する方法は、非特許文献１に記載されており、鋼板を磁化したときに発生するバルクハウゼンノイズおよび鋼板透過磁束を測定することにより結晶粒径を測定し、あらかじめ求めておいた結晶粒径と機械的特性の関係から機械的強度を求めるものである。

特開2016-73992号公報

田辺英也,西藤勝之：鉄と鋼,79(1993),No.7,p863-868

しかしながら、特許文献１および非特許文献１に記載される、磁気誘導方式により結晶粒径を測定する方法では、フェライト−パーライト鋼のような機械的強度に対して結晶粒径の影響が支配的である鋼帯には有効であるが、近年開発されているフェライト−マルテンサイトの複相組織鋼（Ｄｕａｌ Ｐｈａｓｅ鋼）等の変態強化鋼では単純に結晶粒径の大きさで素材強度を求めることができない。さらに通常このような磁気センサーは、測定領域が小さく、鋼帯の幅方向で広い領域のデータを採取しようとすれば多数のセンサーが必要となり、装置が高価になるといった問題もある。

本発明は上述の問題に鑑み、連続冷間圧延において、冷延素材である熱延鋼帯の長手方向に強度変動があった場合においても、簡便で安価な方法で鋼帯の長手方向の強度変動を測定し、該測定結果を用いて冷間圧延時の板厚変動を抑制し、板厚精度を向上させることを目的とした、冷間圧延の板厚制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ね、新たな冷間圧延方法を創案した。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（１） 鋼帯の連続冷間圧延において、圧延機入側の板厚および張力の測定結果ならびに３本のロールによって鋼帯に下記の式（Ａ）に従って鋼帯の降伏応力以上となり塑性変形に至るロール押込み量δを与えて、曲げ加工を加えた曲げ荷重の測定結果から、鋼帯の引張強度変動を演算し、演算された鋼帯の長手方向強度変動に応じて、圧延機のロールギャップ量および圧延機のワークロールの回転速度のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする冷間圧延の板厚制御方法。

ここで、ｔは圧延機入側の鋼帯の板厚（ｍｍ）、
Ｌは３本ロールのロールピッチ（ｍｍ）、
Ｙは鋼帯の降伏応力（ＭＰａ）、
Ｅは鋼帯の弾性係数（ＭＰａ） である。
なお、数式中の「・」（なかてん）は、「×」（かける、すなわち掛け算の演算子）を意味する。

本発明によれば、被圧延材の鋼帯に強度変動があった場合においても、連続冷間圧延での板厚変動を簡便で安価な方法で抑制し、板厚精度を向上させることが可能となるという優れた効果を奏する。

本発明の実施に用いる冷間圧延設備の一例を示す模式図である。 本発明に係る曲げ加工についての説明図である。 本発明における強度変化の検出精度を説明するグラフである。 実施例での鋼帯の幅方向の降伏応力の分布の一例を示すグラフである。

本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る冷間圧延設備の構成の一例であり、５スタンドのタンデム式冷間圧延機の入側から第５スタンドまでの設備配列の概略を示す模式図である。入側から、鋼帯１の板厚を測定する入側板厚計２、鋼帯１に作用する張力を測定する入側張力計３、鋼帯１に曲げ加工を付与する曲げ加工装置４、タンデム式冷間圧延機５である。本例では、圧延機は４段であり、ワークロール６とバックアップロール７を有している。ワークロール６にはモータ８が接続されており、ワークロールを回転駆動している。また圧延機には油圧式または電動圧下式の圧下装置９が設けられており、圧延時のロールギャップ量を調整することができる。また各圧延機には圧延荷重を測定するロードセル（荷重計）１０が設けられている。さらに圧延機の各スタンド出側には鋼帯の板厚を測定するスタンド出側板厚計１１、スタンド間には張力を測定するスタンド間張力計１２が設けられている。モータ８および圧下装置９は制御装置１３に接続されている。制御装置１３では、入側板厚計２、入側張力計３、曲げ加工装置４で検出した値から鋼帯１の強度変動を演算し、強度変動による板厚変化を補償するようにモータ８の回転速度および圧下装置９によるロールギャップ量のうち少なくとも一つを調整することで板厚を制御する。

本発明の最大の特徴は被圧延材の強度変動を測定する手段として３本ロールによる曲げ加工を行い、その加工反力から素材の強度変動を演算する点である。従来の、磁気誘導式の間接的な方法で被圧延材の強度変動を演算する手法では、前述したように被圧延材の金属組織によっては、あるいは鋼帯幅方向を含んで、十分な精度で素材の強度変動を測定することが困難であった。

これに対し、本発明では曲げ加工時の塑性変形に必要な力を測定することによって直接的に被圧延材の強度を検出するため、金属組織等の影響は受けず、また、鋼帯幅方向全体の強度変動を測定できる。また、３本ロールによる曲げ加工の構造が極めてシンプルであることから、従来の磁気誘導式の強度測定と比べて、コストや保守面等にも優れる。

図２は３本ロール曲げ加工による具体的な被圧延材の強度変動の測定方法についての説明図である。板厚ｔ、板幅Ｗ、降伏応力Ｙ、弾性係数Ｅの鋼帯１が、半径ＲのロールがピッチＬ、押込み量δで配置された３本ロールで曲げ加工されて、張力σｔで通板されている。ここで鋼帯１は中央のロールに巻付角θで巻付いており、中央のロールの押込み量δが十分に大きい場合には鋼帯１はロールに完全に巻付くため、その加工曲率半径はＲに等しくなる。

このような曲げ変形をうけた場合、中央のロールに作用する鉛直方向の力Ｐは式（１）で示される曲げ荷重Ｐｂと張力の鉛直方向成分Ｐｔが作用する。中央のロールに作用する曲げ荷重Ｐｂは曲げモーメントをＭとした場合には式（２）で求めることができる。ある加工曲率κで曲げ加工を受けた場合の曲げモーメントＭは曲率係数Ｋと最表面が降伏曲率κｅに達するときの曲げモーメントをＭｅとした場合には式（３）で示される。

ここで曲率係数Ｋ、加工曲率κ、降伏曲率κｅ、曲げモーメントＭｅはそれぞれ式（４）、（５）、（６）、（７）で記述される。

また、張力σｔの鉛直方向成分Ｐｔは式（８）で示される。

これらの式（１）〜（８）を用いて、実測した板厚、張力、曲げ荷重から材料の降伏応力を未知数として逆算することによって、直接的に被圧延材の強度変動を測定することが可能となる。

ここで重要なのは、３本ロールで測定する荷重には被圧延材の強度以外に板厚と張力の影響があるため、それらを同時に測定し演算する必要がある点である。特に被圧延材となる熱延鋼帯の先尾端部は張力が掛からない非定常圧延領域であり、板厚変動が大きくなる上、先尾端ほど冷却速度が高くなり強度変動が大きくなるため、この影響を正確に把握することが重要である。板厚計２としてはγ線やＸ線板厚計を用いることができる。また張力計としては図２の曲げ加工と同様の３本ロールの構成において、ロール間ピッチＬを大きく取り、かつ中央ロールのパスラインへの押込み量δを小さくし、ロールへの巻付き角θを小さくすることによって、鋼帯の曲げ加工曲率を小さくし、鋼帯の変形を弾性域内とすることで中央ロールに作用する反力Ｐをロードセルで検出して張力のみを測定する。具体的なロール間ピッチＬと押込み量δとしては図２の３本ロール曲げによってロール間での鋼帯の変形が円弧形状となるため、表面に付与されるひずみεは、板厚ｔ、押込み量δ、ロールピッチＬとした場合、幾何学的関係から式（９）で近似的に算出できる。このとき表面の応力σは弾性率をＥとした場合には式（１０）で表される。

ここで表面が降伏しない条件、すなわち弾性変形となる条件は、鋼帯の降伏応力をＹとした場合、押込み量δとロールピッチＬを式（１１）の関係を満足させるように設定することになる。これにより、鋼帯の変形を弾性範囲内として、張力が測定できるわけである。

一方、曲げ加工により、素材の強度変動を検出するには、３本ロールの曲げ変形で鋼帯を塑性変形させることが重要であり、ロール間ピッチＬを小さく、押込み量δを大きくして、鋼帯を中央のロール半径で決まる加工曲率にて曲げの塑性変形を与える。具体的には押込み量δとロールピッチＬが式（１２）の関係を満足させるように設定することで鋼帯に塑性変形を与えることができる。

ここでαは１以上の数値であり、αが大きくなるほど板厚方向の塑性変形領域が大きくなり最大でロール半径で決まる加工曲率となる。αの値としては、３〜６の範囲で設定するのが好ましい。

このとき、中央ロールに作用する反力Ｐは鋼帯の曲げ荷重と張力の影響の両方を含んだものとなっており、前述の板厚計、張力計の測定結果を用いて式（１）〜（８）により鋼帯の降伏応力Ｙを演算することが可能となる。

３本ロール曲げ方式での鋼帯の強度変動の検出精度を確認するため、素材強度が異なる同一板厚の鋼帯を一定張力で３本ロールにより曲げ加工した場合の曲げ荷重と素材強度の関係を調査した。素材は板厚２．４ｍｍの引張強度（ＴＳ；Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ）２７０ＭＰａ級、５９０ＭＰａ級、７８０ＭＰａ級、９８０ＭＰａ級の４種類の鋼帯を用い、張力は１００ＭＰａ一定で通板した。素材強度変動を測定する３本ロール曲げ加工はロール直径２００ｍｍ、ロールピッチ２２０ｍｍ、押込み量δは３５ｍｍの設定である。図３は、各鋼帯から引張試験片を採取して測定した降伏応力（０．２％耐力，Ｙ）の値について、最も軟質である２７０ＭＰａ級鋼の降伏応力を基準として無次元化した引張試験による降伏応力比を横軸とし、曲げ加工の中央ロールに作用する荷重を測定し、前述の方法によって鋼帯の降伏応力Ｙを演算した値を最も軟質である２７０ＭＰａ級鋼の降伏応力を基準として無次元化した３本ロール曲げ加工による降伏応力比を縦軸とし、同一引張強度級の横軸の値と縦軸の値との組に対応する点をプロットしたものである。３本ロール曲げ加工の荷重から演算した降伏応力比と引張試験による降伏応力比の誤差は±５％以内であり、高い相関があることが分かる。

具体的な制御方法としては、まず連続冷間圧延時の被圧延材の先端部が３本ロールにより曲げ加工された時点に測定した曲げ荷重から、前述の方法を用いて強度を演算し、その値を基準値としてロックオンする。次に先端部以降の鋼帯長手方向の各位置での強度変動を随時演算し、基準値で除することで鋼帯での強度変動比を演算する。鋼帯の各測定位置はトラッキングされており、演算された強度変動に応じて、圧延材の強度が高い箇所では、ロールギャップを小さくする制御、および、各スタンドのモータに速度差をつけてワークロールの回転速度を変えて張力を増加させる制御のうち少なくとも一方を実施する。逆に、被圧延材の強度が低い箇所では、ワークロールのロールギャップ量を大きくする制御、および、各スタンドのモータの速度差を設けてワークロールの回転速度を変えて張力を低減させる制御のうち少なくとも一方を実施する。

以下、本発明の効果について、実施例をもとに説明する。表１に示す成分を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるスラブを熱間圧延時し、仕上げ圧延出側温度８７０℃、巻取り温度５４０℃の条件により、板厚２．８ｍｍ、板幅１２００ｍｍ、ＴＳ９８０ＭＰａ級の熱延鋼帯とした。この熱延鋼帯を酸洗し冷延素材として、図１に示す５スタンドのタンデム式冷間圧延機によって、表２に示すように使用するＡＧＣ機能を切り替えて、板厚１．０ｍｍ（冷延総圧下率６１．５％）までの冷間圧延を行った。このとき、冷間圧延機出側の鋼帯全長の板厚はＸ線板厚計で測定し、冷間圧延後の鋼帯の板厚と目標板厚との板厚偏差の絶対値が４０μｍを超える領域は板厚公差外れとして鋼帯の該当する部分を切捨てる処理を実施し、その切捨て長さから冷間圧延での歩留を評価した。

ケース１は本発明例として、冷間圧延機の入側の板厚、張力、および３本ロール曲げ加工荷重から演算した熱延鋼帯の長手方向の強度変動を補償するように圧延機をフィードフォワード制御したものである。３本ロール曲げ加工はロール直径２００ｍｍ、ロールピッチ２２０ｍｍ、押込み量δ３５ｍｍの設定である。ケース２は比較例として、前述の３本ロール曲げ加工による強度変動を補償する制御機能を使用しなかったものである。一方、ケース３は熱延鋼帯の幅方向中央部のみについて、長手方向の強度変動を別ラインに設置した磁気式の強度測定装置であらかじめ測定し、その測定結果のみを用いて圧延機をフィードフォワード式で制御した結果である。このとき、磁気式の強度測定装置で強度を測定した領域は板幅中央部の５０ｍｍ幅の狭い領域である。

本発明例であるケース１では板厚変動が小さく、圧延後の歩留実績が９８％と非常に良好であるのに対し、ケース２の比較例では歩留が９０％と低下していることが分かる。またケース３の比較例ではあらかじめ鋼帯中央部の強度変動を磁気式センサーで測定していたにも関わらず、歩留は９２％と低くなっている。

図４は実施例と同一熱延条件で圧延した鋼帯（冷延素材）の幅方向の降伏応力（０．２％耐力）の分布を調査した結果の一例である。図４より、鋼帯の両エッジ部分で硬質な領域があり、ケース３では、幅中央部の狭い領域での強度変動しか測定しないため、鋼帯両エッジ部分を制御にとり入れられず効果が不十分であったわけである。

１ 鋼帯
２ 入側板厚計
３ 入側張力計
４ 曲げ加工装置（３本のロールによる曲げ加工装置）
５ タンデム式冷間圧延機
６ ワークロール
７ バックアップロール
８ モータ
９ 圧下装置
１０ ロードセル（荷重計）
１１ スタンド出側板厚計
１２ スタンド間張力計
１３ 制御装置

Claims (1)

1. 鋼帯の連続冷間圧延において、圧延機入側の板厚および張力の測定結果ならびに３本のロールによって鋼帯に下記の式（Ａ）に従って鋼帯の降伏応力以上となり塑性変形に至るロール押込み量δを与えて、曲げ加工を加えた曲げ荷重の測定結果から、鋼帯の引張強度変動を演算し、演算された鋼帯の長手方向強度変動に応じて、圧延機のロールギャップ量および圧延機のワークロールの回転速度のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする冷間圧延の板厚制御方法。
   

   

   ここで、ｔは圧延機入側の鋼帯の板厚（ｍｍ）、
   Ｌは３本ロールのロールピッチ（ｍｍ）、
   Ｙは鋼帯の降伏応力（ＭＰａ）、
   Ｅは鋼帯の弾性係数（ＭＰａ） である。

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