JP3930846B2 - 板形状制御方法および板圧延機 - Google Patents

Description

本発明は、圧延機における板形状制御方法、特に少なくとも上下いずれかのロールアセンブリーが、軸方向に３分割以上に分割した分割バックアップロールによってワークロールを支持する機構を有する分割バックアップロール型板圧延機を用いた板形状制御方法および板圧延機に関する。

最近、分割バックアップロールの荷重分布を測定し、圧延材とワークロール間の荷重分布を推定し、これにより圧延後の板クラウン・板形状を高精度で推定し得る分割バックアップロール型板圧延機が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

また、上記板圧延機おいて、高精度で板形状を制御する方法が提案されている。この板形状制御方法は、前記板圧延機において各分割バックアップロールの測定荷重から推定される圧延材〜ワークロール間の幅方向荷重分布が所望の値となるように幅方向板厚板分布・形状制御装置を制御する（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−６９０１０号公報（第３頁、図１および図３） 特開平６−２６２２２８号公報（第２頁、第３頁、図１および図２）

板圧延の場合、圧延前の圧延材は長手方向に幅変動やキャンバー（横曲がり）が発生しており、圧延中に圧延材両側のエッジ位置は大きく変化する。この結果、圧延材のエッジと圧延材エッジの直上（または直下）に位置する分割バックアップロールのエッジとの位置関係、例えば図３に示す分割バックアップロール２１、２７の圧下有効幅（圧延材Ｓの両エッジと分割バックアップロール２１、２７のエッジとの間の水平距離）δｗ、δｄが常に変動している。このような場合、分割バックアップロール２１、２７の荷重は、圧下有効幅δｗ、δｄの影響を顕著に受ける。このため、上記従来の板形状制御方法では、圧延荷重分布推定および目標荷重値の決定に少なからず誤差を生じ、所望の寸法、形状を得られず、特に板エッジ近傍の板形状や板厚が不良となるおそれがあった。

本発明は、上記問題点を解消することを課題とし、高精度の寸法、形状制御および圧延操業の安定化を図ることが可能な分割バックアップロール型板圧延機による板形状制御方法および板圧延機を提供するものである。

本発明の板形状制御方法は、少なくとも上、下いずれか一方のロールアセンブリーが軸方向に３分割以上に分割された分割バックアップロールによって上、下ワークロールを支持する機構を有し、各分割バックアップロールはそれぞれ独立した荷重測定装置を配備し、さらに板形状制御装置を備えた板圧延機で、板圧延時に測定した各分割バックアップロールの荷重および圧下位置に基づいて板圧延時の板形状を推定し、推定結果に基づいて目標形状となるように該板形状制御装置を制御する板形制御方法において、圧延中の圧延材の幅方向両エッジ位置を測定または推定し、この測定値または推定値に基づきエッジ部を含む圧延材全幅にわたり圧延材・ワークロール間に作用する単位幅当たり圧延荷重を求め、該単位幅当たり圧延荷重に基づいて各分割バックアップロールの圧下位置を制御することを特徴としている。

本発明の板圧延機は、上記板形状制御方法を実施するための圧延機であって、板両エッジの板幅方向の位置をそれぞれ測定する板両エッジ測定装置、または板幅測定装置および板片エッジの板幅方向の位置を測定する板片エッジ測定装置を、前記圧延機の入側または出側の少なくとも一方に設けたことを特徴としている。

本発明では、圧延材の幅方向両エッジ位置の測定値または推定値に基づき各分割バックアップロールの圧下位置を制御するので、高精度の寸法、形状制御および圧延操業の安定化を図ることができる。

図１および図２は本発明の実施の形態を示すもので、図１は板形状制御方法を実施する板圧延機の側面図であり、図２は上ワークロールおよび分割バックアップロールの配置を示す平面図である。

板圧延機８は、主圧下装置１７および主荷重測定装置１８がハウジング９に設けられている。ハウジング９内に上インナーハウジング１５および下インナーハウジング４５が設けられている。上インナーハウジング１５は、主圧下装置１７により昇降可能に配されている。

上インナーハウジング１５に、上ロールアセンブリー１０が設けられている。上ロールアセンブリー１０には分割バックアップロール２１〜２７が配され、上ワークロール１３を支持している。また、各々の分割バックアップロール２１〜２７には独立した荷重測定装置３２１〜３２７が配備されている。図中３０１〜３０７は、各分割バックアップロール２１〜２７に独立に配した圧下装置の例である。図２に示すように、３個の入側分割バックアップロール２２、２４、２６と４個の出側分割バックアップロール２１、２３、２５、２７とがロール軸方向に交互に配置されている。

下インナーハウジング４５にも、同様に下ロールアセンブリー４０が設けられ、下ワークロール４３を支持している。下ロールアセンブリー４０は、分割バックアップロール５１〜５７、圧下装置６０１〜６０７、および荷重測定装置６２１〜６２７を備えている。入側分割バックアップロール５２、５４、５６と出側分割バックアップロール５１、５３、５５、５７の配置は、上インナーハウジング１５のものと同じである。また、上分割バックアップロール２１〜２７と下分割バックアップロール５１〜５７とは上下対称となっている。

圧延機入側に、両エッジ位置測定装置７０が配置されている。圧延機が板幅測定装置を備えている場合は、片エッジ位置測定装置であってもよい。また、これらエッジ位置測定装置を、圧延機出側に設けてもよい。

板圧延機８はまた、分割バックアップロール２１〜２７、５１〜５７の圧下パターン制御機構やワークロールベンダー等をアクチュエータとする板形状制御装置（いずれも図示しない）を有する。板形状制御装置には、各荷重測定装置３２１〜３２７、６２１〜６２７および両エッジ位置測定装置７０の測定値が入力される。また、各分割バックアップロール圧下装置３０１〜３０７、６０１〜６０７は板形状制御装置からの指令に基づいて作動する。

なお、上記板圧延機８は上、下とも各分割バックアップロール２１〜２７、５１〜５７に圧下装置３０１〜３０７、６０１〜６０７および、荷重測定装置３２１〜３２７、６２１〜６２７を装備するものであったが、上、下の何れか片側に両装置が装備されていればよい。分割バックアップロールは、軸方向に３分割以上であればよく、入側、出側で対向するように配置されていてもよい。また、上、下の何れか片側のバックアップロールは非分割バックアップロールであってもよい。

以上のように構成された板圧延機８において、板形状を次のように制御する。
圧延中に、各荷重測定装置３２１〜３２７、６２１〜６２７で各分割バックアップロール２１〜２７、５１〜５７に作用する荷重を、両エッジ位置測定装置７０で圧延材Ｓの幅方向両エッジ位置を測定する。両エッジ位置測定装置７０とワークロール１３、４３間が離れている場合には、板速度等を用いてエッジ位置測定時刻と圧延時刻の時間差の補正などを行うことが望ましい。なお、圧延材Ｓのエッジ位置の測定値の代わりに推定値を用いてもよい。この場合には、圧延前の板幅、キャンバー形状、サイドガイドの設定位置などから圧延材Ｓのエッジ位置を推定する。

圧延材の両エッジ位置の測定値または推定値に基づき、各分割バックアップロールの圧下位置を次のように制御する。

第ｉ分割バックアップロールに作用する荷重をｑ_ｉ、その位置に対応する圧延材〜ワークロール間荷重をｐ_ｉとし、ワークロール軸心たわみの変形マトリクスをＫ^Ｗ _ｉｊ、分割バックアップロール系の変形マトリクスをＫ^Ｂ _ｉｊ、ロールクラウンの型式で表現したワークロールプロフィルをＣ^Ｗ _ｉ 、分割バックアップロールプロフィルをＣ^Ｂ _ｉ、ワークロール軸心たわみをｙ^Ｗ _ｉとすると、分割バックアップロールとワークロールの適合条件より、式（１）が得られる。
ｙ^Ｗ _ｉ＝Ｋ^Ｂ _ｉｊｑ_ｊ＋Ｃ^Ｗ _ｉ＋Ｃ^Ｂ _ｉ （１）
なお、本明細書の数式では、同添字の繰り返しがある場合にはアインシュタインの総和規約を用いて表現する。また、Ｋ^Ｂ _ｉｊは第ｊ分割バックアップロールに単位荷重が負荷された時の第ｉ分割バックアップロールの変位を表す影響係数マトリクスであるが、ここでは、ハウジングの変数およびワークロール〜分割バックアップロールの接触による両ロールの偏平変形を含めた変形マトリクスとしている。

一方、ワークロールたわみは、変形マトリクスＫ^Ｗ _ｉｊおよび圧延材〜ワークロール間に作用する圧延荷重分布ｐ_ｉを用いて、式（２）で表される。
ｙ^Ｗ _ｉ＝Ｋ^Ｗ _ｉｊ（ｐ_ｊ−ｑ_ｊ） （２）

式（１）、式（２）よりｙ^Ｗ _ｉを消去し、整理すると圧延荷重分布ｐ_ｉを求める式（３）が得られる。
ｐ_ｉ＝ｑ_ｉ＋［Ｋ^Ｗ］^−１ _ｉｊ（Ｋ^Ｂ _ｊｋｑ_ｋ＋Ｃ^Ｗ _ｊ＋Ｃ^Ｂ _ｊ）（３）
上記の右辺で、［Ｋ^Ｗ］^−１ _ｉｊはＫ^Ｗ _ｉｊの逆マトリクスであり、Ｋ^Ｂ _ｊｋとともに予め計算できる量である。また、Ｃ^Ｂ _ｊおよびＣ^Ｗ _ｊも測定あるいは推定可能な量であるので、本発明の圧延機によってｑ_ｉの測定値が得られれば式（３）により圧延材〜ワークロール間の圧延荷重分布ｐ_ｉは直ちに計算することが可能である。

ところで、単位幅当たりの圧延荷重ｐ^＊ _ｉは、一般に、入側板厚Ｈ、出側板厚ｈ、変形抵抗ｋ、摩擦係数μ、入側張力σ_０、出側張力σ_１の関数であり、式（４）で与えられる。
ｐ^＊ _ｉ＝ｐ^＊（Ｈ，ｈ，ｋ，μ，σ_０，σ_１） （４）
以上の要因の内、圧延材の板幅方向の位置によって大きく変動し、しかも圧延荷重分布に大きな影響を与える可能性のあるものは、入側張力、出側張力であり、これらは板形状を表現する伸び歪差Δεと圧延材のヤング率Ｅを通じて張力フィードバック効果と呼ばれる次のような関係を有することが判っている。

σ_０＝σ^＊ _０−ＥΔε （５）
σ_１＝σ^＊ _１−ＥΔε （６）
ここで、σ^＊ _０、σ^＊ _１は平均張力であり、式（５）、（６）中の伸び歪差Δεは、板幅方向に積分した時に零となるように相対値のみを取り出している。

式（５）、（６）を式（４）に代入することにより式（７）を得る。
ｐ^＊ _ｉ＝ｐ^＊（Ｈ，ｈ，ｋ，μ，σ^＊ _０，σ^＊ _１，Δε） （７）
式（７）右辺括弧内のΔε以外の全ての因子は既知か、あるいは推定可能な量であるので圧延荷重ｐ_ｉを分割バックアップロール荷重ｑ_ｉ（測定値）から演算し、さらに式（７）を逆算することによって、伸び歪差Δεを演算算出することができる。その際、圧延材エッジの直上（または直下）に位置する分割バックアップロール（ｉ＝ｗおよびｉ＝ｄ）においては、図４に示すように圧延荷重ｐ_ｗとｐ_ｄが同値の場合でも圧下有効幅δｗ、δｄに応じて単位幅当たりの圧延荷重ｐ^＊ _ｗ、ｐ^＊ _ｄが変化するため、測定もしくは推定した圧延材の両エッジ位置から圧下有効幅δｗ、δｄを算出した上で式（８）、（９）によりｐ^＊ _ｗ、ｐ^＊ _ｄを演算算出する。
ｐ^＊ _ｗ＝ｐ_ｗ／δｗ （８）
ｐ^＊ _ｄ＝ｐ_ｄ／δｄ （９）
その他の分割バックアップロール（ｉ≠ｗ、ｄ）については各分割バックアップロールの胴長ｗ_ｉを用いて式（１０）で演算算出する。
ｐ^＊ _ｉ＝ｐ_ｉ／ｗ_ｉ （１０）
伸び歪差Δε、即ち、現在の板形状が演算算出されれば、これを所望の板形状とするべく板形状制御装置を操作すればよい。例えば、所望の板形状に相当する伸び歪差Δε^ｏｐｔを式（７）に代入して目標とすべき単位幅当たりの圧延荷重分布ｐ^＊ｏｐｔ _ｉを求め、さらに式（８）〜式（１０）を逆算して所望の板形状に相当する圧延荷重分布ｐ^ｏｐｔ _ｉを算出しておき、これと現在の圧延荷重分布ｐ_ｉの差分を解消するべく式（１１）により各分割バックアップロールの圧下位置の操作量δｕ_ｉを演算算出し、これに基づいて板形状制御装置を操作する。

δｕ_ｉ＝Ｆ（δｐ_ｉ） （１１）
ここで、δｐ_ｉは、所望の板形状に相当する圧延荷重分布ｐ^ｏｐｔ _ｉと現在の圧延荷重分布ｐ_ｉの差分であり、式（１２）で求められる。
δｐ_ｉ＝ｐ^ｏｐｔ _ｉ−ｐ_ｉ （１２）
以上の手順を実行するためのフローチャート例を図５に示す。

図４に示したように、圧延材エッジの直上（または直下）に位置する分割バックアップロール（ｉ＝ｗおよびｉ＝ｄ）では、分割バックアップロール荷重ｑ_ｗ、ｑ_ｄと圧延荷重ｐ_ｗ、ｐ_ｄの作用する位置がワークロール１３の胴長方向に異なるため、前述した式（２）、式（３）に代えて下記の式（２’）、式（３’）を用いることが望ましい。
ｙ^Ｗ _ｉ＝Ｋ^Ｗｅ _ｉｊｐ_ｊ−Ｋ^Ｗ _ｉｊｑ_ｊ （２’）
ｐ_ｉ＝［Ｋ^Ｗｅ］^−１ _ｉｊ｛（Ｋ^Ｗ _ｊｋ＋Ｋ^Ｂ _ｊｋ）ｑ_ｋ＋Ｃ^Ｗ _ｊ＋Ｃ^Ｂ _ｊ｝ （３’）
ここで、Ｋ^Ｗｅ _ｉｊは圧延荷重ｐ_ｗ、ｐ_ｄの作用位置を考慮したワークロールたわみ変形マトリクスであり、［Ｋ^Ｗｅ］^−１ _ｉｊはその逆マトリクスである。図３、図４から明らかなように、圧延荷重ｐ_ｗ、ｐ_ｄの作用位置は圧延材の両エッジ位置の測定値もしくは推定値から容易に求められ、変形マトリクスＫ^Ｗｅ _ｉｊおよびその逆マトリクス［Ｋ^Ｗｅ］^−１ _ｉｊを算出することができる。

また、本発明により圧延材の幅方向板厚分布の制御も為し得ることは、例えば特許文献２の第６頁、第７頁を参照すれば、容易に想到できる。

本発明の方法を実施する上、下分割バックアップロールを備えた板圧延機を示す側面図である。 図１に示す板圧延機の分割バックアップロールの配置を示す平面図である。 圧延材のエッジと圧延材エッジの直上に位置する分割バックアップロールのエッジとの位置関係を説明する模式図である。 ワークロール〜分割バックアップロール間に作用する荷重ｑ_ｗ，ｑ_ｉ，ｑ_ｄ，ワークロール〜圧延材間に作用する圧延荷重ｐ_ｗ，ｐ_ｉ，ｐ_ｄ，および単位幅当たりの圧延荷重ｐ^＊ _ｗ，ｐ^＊ _ｉ，ｐ^＊ _ｄの関係を説明する模式図である。 本発明の方法を実施するための手順を例示したフローチャート図である。

符号の説明

８ 分割バックアップロール型板圧延機
９ ハウジング １０、４０ ロールアセンブリー
１３、４３ ワークロール １５、４５ インナーハウジング
１７ 主圧下装置 １８ 主荷重測定装置
２１〜２７ 上分割バックアップロール
３０１〜３０７ 上分割バックアップロール圧下装置
３２１〜３２７ 上分割バックアップロール荷重測定装置
５１〜５７ 下分割バックアップロール
６０１〜６０７ 下分割バックアップロール圧下装置
６２１〜６２７ 下分割バックアップロール荷重測定装置
７０ 圧延材エッジ位置測定装置
Ｓ 圧延材

Claims (2)

1. 少なくとも上、下いずれか一方のロールアセンブリーが軸方向に３分割以上に分割された分割バックアップロールによって上、下ワークロールを支持する機構を有し、各分割バックアップロールはそれぞれ独立した荷重測定装置を配備し、さらに板形状制御装置を備えた板圧延機で、板圧延時に測定した各分割バックアップロールの荷重および圧下位置に基づいて板圧延時の板形状を推定し、推定結果に基づいて目標形状となるように該板形状制御装置を制御する板形制御方法において、圧延中の圧延材の幅方向両エッジ位置を測定または推定し、この測定値または推定値に基づきエッジ部を含む圧延材全幅にわたり圧延材・ワークロール間に作用する単位幅当たり圧延荷重を求め、該単位幅当たり圧延荷重に基づいて各分割バックアップロールの圧下位置を制御することを特徴とする板圧延機における板形状制御方法。
2. 請求項１に記載した板形状制御方法を実施するための圧延機であって、板両エッジの板幅方向の位置をそれぞれ測定する板両エッジ測定装置、または板幅測定装置および板片エッジの板幅方向の位置を測定する板片エッジ測定装置を、前記圧延機の入側または出側の少なくとも一方に設けたことを特徴とする板圧延機。

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