JP4705275B2 - 非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの最適位置設定・制御方法 - Google Patents
非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの最適位置設定・制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌条や不等辺山形鋼などの断面形状が非対称の形鋼の圧延方法に関し、特にこれらの形鋼を圧延する際に発生する被圧延材の反り及び曲がりに起因した次パス圧延時の噛み込み不良、搬送不良およびミスロールなどを防止するための圧延変形予測モデルを用いた圧延ガイドおよび圧延ロールの最適位置設定・制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に本発明が対象とする非対称形鋼の一つである軌条の熱間圧延工程のブロック図を示す。一般に、軌条の熱間圧延では、矩形断面の鋼片を加熱炉３１で１２５０℃程度の加熱温度で均一加熱した後、ブレークダウン圧延機３２（リバース圧延）で矩形断面の鋼片から製品形状に近い形状に粗圧延して、次ぎに、粗圧延機３３（リバース圧延）、エッジャー中間圧延機３４（リバース圧延）、エッジャー仕上圧延機３５によりさらに製品サイズに近いサイズまで中間圧延し、最終的に、ユニバーサル仕上圧延機３６により製品サイズの軌条に仕上げられる。通常、ブレークダウン圧延機３２、粗圧延機３３、エッジャー中間圧延機３４およびエッジャー仕上圧延機３５の２Ｈｉ圧延機には、ロール幅方向に複数のカリバー（穴型）を有する一対の作業ロールが配置され、粗圧延では圧延パス毎に被圧延材を横送りして孔形を変えてリバース圧延する。また、ユニバーサル仕上圧延機３６には、それぞれ所定のカリバーを有する一対の水平ロールと一対の竪ロールが配置され、中間圧延では、圧延パス毎に各ロール対の間隙を変えることにより実質孔形を調整してリバース圧延する。
【０００３】
図３には、軌条の鋼片から最終製品までの圧延過程における被圧延材の断面形状の推移を示した。圧延パス１〜１１はブレークダウン圧延工程、圧延パス１２〜１４は粗圧延工程、圧延パス１５〜１７は中間圧延工程、圧延パス１５′〜１６′はエッジャー圧延工程、圧延パス１７′〜１９は仕上圧延工程のそれぞれにおける圧延断面形状を示す。粗圧延工程では、２Ｈｉ圧延機を用いて矩形断面の鋼片を圧延パス１〜１０で徐々に減面した後、被圧延材をパスラインの周りに９０度回転し、さらに、圧延パス１１〜１４で軌条の幅方向を上下から一対のカリバーロールで挟圧しながら圧延して、軌条の頭部、胴部および脚部の各部位に相当する断面形状に圧延する。この際、軌条の頭部、脚部および胴部のそれぞれに相当する圧延部位で圧下率が大きく異なるため、その各部位の圧下率の違いは、各部で相互に拘束されながら圧延する過程でロール幅方向および長手方向への被圧延材の延伸の違いとして吸収される。その結果、例えば、頭部の圧下率が脚部に比べて大きい場合は、頭部の長手方向の延伸が脚部に比べて大きくなり、圧延機の出側で材料の延伸の少ない脚部側への曲がりが発生しやすくなる。
【０００４】
このような理由から、軌条などの断面形状が非対称の形鋼（以下、非対称形鋼とする）の圧延の場合には、圧延ロールの孔型設計の自由度の制約の下、Ｈ形鋼やＩ形鋼などの断面形状が対称の形鋼（以下、対称形鋼とする。）に比べて、圧延時の各部位の圧下率（減面率）の非対称性に起因して被圧延材の反り及び曲がりの程度およびそれらの発生頻度が高くなる傾向にあり、これに起因した次パス圧延における噛み込み不良や搬送不良、さらにミスロール等の圧延トラブルが発生しやすいという問題があった。
【０００５】
従来からこのような形鋼圧延時の被圧延材の反りや曲がりを防止する方法やそれに起因した製品品質不良等を防止する方法が検討されている。
例えば、特開平８−２５７６１８号公報には、Ｈ形鋼などのフランジを有する形鋼をユニバーサル圧延機およびエッジャー圧延機からなる圧延機列で圧延する際に、その圧延機列の前面、後面または中間に、図４（ａ）に示されるＨ形鋼１４の各フランジ１５の端部（４箇所）に当接するように配置された上下方向反り防止ガイドローラ１６と、図４（ｂ）に示されるＨ形鋼１４の各フランジ１５の外側面中央部（２箇所）に当接するように配置された左右曲がり防止ガイドローラ１７とを有する反り及び曲がりの防止装置を配置することにより、特に被圧延材の先後端部に発生する反り及び曲がりを完全に防止する技術が開示されている。
【０００６】
この特開平８−２５７６１８号公報に開示された技術は、上下左右の断面形状が対称である対称形鋼の圧延を対象とし、主に圧延時の各部位の温度差や各部位の板厚偏差に起因した圧下率の変動による被圧延材の反り及び曲がりを防止するものであり、その各部位の板厚偏差による圧下率の変動は、非対称形鋼に比べて小さいため被圧延材の反り及び曲がり量も非対称形鋼に比べて小さい。そのため、特開平８−２５７６１８号公報では、図４（ａ）に示される上下方向反り防止ガイドローラ１６のギャップとフランジ幅との隙間、および図４（ｂ）に示される左右曲がり防止ガイドローラ１７のギャップとウエブの外寸法、つまりフランジの外側面との隙間をそれぞれ無くするか、小さくすることにより上下方向の反り及び左右曲がりを効果的に防止することが記載されている。
【０００７】
このようなガイド方法および装置は、Ｈ形鋼などの対称形鋼の圧延時には、被圧延材の反り及び曲がり量が比較的小さく、被圧延材の先端部がローラガイドに浅い角度で進入しガイドローラに接触するため、通材トラブルが無く被圧延材の反りおよび曲がりを効果的に矯正できる。しかしながら、軌条や不等辺山形鋼などの非対称形状の圧延では、Ｈ形鋼などの対称形鋼に比べて被圧延材の曲り量が大きい傾向にあり、特開平８−２５７６１８号公報に示されるように被圧延材の反りおよび曲がりの効果的な矯正のためにローラガイドと被圧延材の各部位とのギャップを小さくすると、ガイド装置への進入時または進入後に被圧延材の先端部がガイドローラ間に入り込むなどの通材トラブル、さらにはミスロールが発生する可能性が大きくなる。
【０００８】
従来、特開平８−２５７６１８号公報などに示されるような形鋼圧延時に発生する被圧延材の反りや曲がりを拘束または矯正するために、当該圧延機の入側及び出側のうちの一方または両方に設置するガイドプレートまたはガイドロール （以下、これらを単にガイドとする）の設定および調整は、圧延作業者の経験則に基づいて手動で行われていた。
特に、Ｈ形鋼などの対称形鋼に比べて圧延時の反りや曲がり量が大きい軌条等の非対象形鋼圧延時に、被圧延材の反りや曲がりをより効果的に矯正するためのガイドの調整は、熟練作業者でも難しく、圧延ロット変更時などのように圧延条件が変わった後の最初の圧延では、ガイド調整不良により被圧延材がガイドと干渉してミスロールが発生しやすく、これを避けるために最初の圧延ではラフな設定とし、数パスの試圧延を行いながら試行錯誤で最適な設定を行っていた。
そのため、圧延条件が変わる毎にガイド調整のための試圧延を行う都合上、圧延の生産性と歩留りが低下するという問題があった。
【０００９】
これらの問題を改善するために、例えば、特開平９−２１６０１０号公報には、ブレークダウンミル、粗ユニバーサルミルおよび粗エジャーミルによる粗圧延工程、中間ユニバーサルミルおよび中間エッジャーミルによる中間圧延工程、仕上ユニバーサルミルによる仕上圧延工程を経た後、仕上圧延材をローラー矯正機により矯正する形鋼の製造方法において、中間ユニバーサルミルの少なくとも入側と仕上ユニバーサルミルの入側にそれぞれ被圧延材を誘導するガイド装置を設け、仕上ユニバーサルミルの出側に被圧延材を拘束しつつ誘導する拘束ガイド装置を設け、中間ユニバーサルミルの入出側の一方または両方と仕上ユニバーサルミルの出側とローラー矯正機の入出側の一方または両方にそれぞれ被圧延材または矯正材の形状を測定するための寸法計を設け、各寸法計による測定データを基に圧延工程の各圧延機およびガイド装置の設定と圧延後のローラー矯正機の設定をそれぞれ制御する方法が開示されている。
【００１０】
特開平９−２１６０１０号公報に開示の形鋼の製造方法は、Ｈ形鋼やＩ形鋼等の対称形鋼の製品の圧延寸法精度向上と各種形状不良の低減を目的とし、圧延過程または圧延完了後の寸法実測データを基に、プロセスコンピュータにより圧延機および矯正機をオンラインで最適制御する方法である。つまり、特開平９−２１６０１０号公報に開示の技術は、寸法実測データを基にした圧延中の圧延制御および圧延後の矯正機による仕上材の形状不良の矯正方法であり、圧延過程でガイドにより反りや曲がりを矯正する技術ではない。また、この技術は、圧延過程および圧延後の形状を測定することを前提とした技術であるが、Ｈ形鋼やＩ形鋼等の対称形鋼に比べて、軌条や不等辺山形鋼等の非対称形鋼の圧延形状は複雑であるため、その形状をオンラインで精度良く測定する技術および装置は未だ実用化されておらず、このような技術を非対称形鋼の圧延過程での反り及び曲がりの矯正設定制御に適用することは実質的に困難である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、軌条や不等辺山形鋼など非対称形鋼を圧延する際に発生する被圧延材の反りや曲がりおよびそれに起因する搬送不良および品質不良を低減するために、被圧延材の反りや曲がり量を予測し圧延ロールおよびガイドの位置設定を高精度かつ効率的に行うことが可能な圧延ロール及びガイドの最適位置設定・制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法において、圧延条件に関する各種設定データと、圧延ロール位置およびガイド位置の各測定データを基に、圧延変形予測モデルにより各種の予測値を計算し、これらの予測値から被圧延材の反りおよび曲がり量を求め、この被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が、前記圧延データベースに記憶されている許容値以下であるかどうかを判定し、被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が許容値を超える場合には、当該圧延機の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの位置を変更し、再度、圧延変形予測モデルにより被圧延材の反りおよび曲がり量を求め、この計算値が前記許容値以下になるまでこれらの操作を繰り返し、当該圧延機の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの最適位置を決定し、調整することを特徴とする非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（２）前記の被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が予め設定した制限演算回数内で、前記許容値以下とならずに収束しない場合には、被圧延材の反りおよび曲がり量が最も小さい場合の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの位置の設定条件をもって最適設定条件とするとともに、演算が未収束である旨の警告を発することを特徴とする上記（１）に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（３）前記圧延条件に関する各種設定データが当該圧延パス入側の被圧延材の各部寸法、当該圧延パスの圧延ロールカリバーの各部寸法、当該圧延パスの変形抵抗、圧延ロールと被圧延材との摩擦係数、圧延ロール間隙（測定値）、圧延ロール回転数（測定値）、ガイドの各部寸法（測定値）、ガイド位置（測定値）からなり、圧延変形予測モデルにより計算する予測値が圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値からなることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（４）前記被圧延材の反りおよび曲がり量は、前記圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値と前記ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値から求められることを特徴とする上記（３）に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（５）前記圧延変形予測モデルにより計算される予測値のうちで、実測可能である、前記圧延ロールに作用する圧延反力の予測値、前記圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値、前記ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値のうちの何れか１種または２種以上について、先行材の圧延ロールギャップ・圧延負荷センサおよびガイド位置・接触負荷センサによる測定値と前記予測値の差異をもとに、圧延変形予測モデルの予測誤差を算出、学習し、それらの学習係数を用いて、実測できない被圧延材の反りおよび曲がり量の予測誤差を間接的に補正し、後行材の予測計算に用いることを特徴とする上記（３）または（４）に記載の非対称形鋼の圧延設定方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の圧延変形予測モデルを用いた圧延ロール位置およびガイド位置の最適設定制御方法について詳細に説明する。
図１に本発明を実施するための装置の概念図を示す。図１において、計測制御装置９は、圧延パススケジュールなどの圧延条件に関するデータが記憶されたデータベース（圧延データベース）１０、圧延変形予測モデル１１、最適設定条件判定モデル１２、学習モデル１３からなる。
【００１４】
また、各圧延機には、当該圧延ロール２のロール間隙、圧延反力および圧延トルクを測定するためのセンサ（圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ）３、当該圧延ロール２のロール間隙を調整するためのアクチュエータ（ロールギャップ調整用アクチュエータ）４が設置され、各圧延機の入側および出側に配置された入側ガイド５および出側ガイド６には、ガイド位置および被圧延材との接触による負荷を測定するためのセンサ（ガイド位置及び接触負荷センサ）７、ガイド位置を調整するためのアクチュエータ（ガイド位置調整用アクチュエータ）８が設置されている。
【００１５】
圧延変形予測モデル１１では、圧延データベース１０に記憶されている圧延条件に関する各種設定データを読み込むとともに、圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ３およびガイド位置及び接触負荷センサ７により測定された現時刻での圧延ロールとガイドのそれぞれの位置および負荷の測定データをパラメータとして入力し、これらのパラメータを基にガイドおよび圧延ロールの最適位置を設定するために必要となる各種予測値が計算される。
【００１６】
本発明では、圧延変形予測モデル１１を特に限定する必要はないが、オンラインでの実用上、各圧延パス間の短時間に演算結果が得られるための演算速度が必要である。
このような圧延変形予測モデル１１としては、例えば、圧延条件に関するデータに相当する各パラメータｘj （ｊ＝１〜Ｎ）を独立変数とし、ガイドおよび圧延ロールの最適位置を設定するために必要な各予測値ｙi （ｉ＝１〜Ｍ）を従属変数とする（１）式のような関数式ｆi （ｉ＝１〜Ｍ）を用いることにより実用上、取り扱いが便利である。
ｙi ＝ｆi （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘj ，・・・，ｘN ） （１）
【００１７】
本発明において、圧延変形予測モデル１１に入力される各パラメータ（独立変数）ｘj としては、当該圧延パス入側の被圧延材の各部寸法Ｘ1 、当該圧延パスの圧延ロールカリバーの各部寸法Ｘ2 、当該圧延パスの変形抵抗Ｘ3 、圧延ロールと被圧延材との摩擦係数Ｘ4 、圧延ロール間隙（測定値）Ｘ5 、圧延ロール回転数（測定値）Ｘ6 、ガイドの各部寸法（測定値）Ｘ7 、ガイド位置（測定値）Ｘ8 などであり、これらのパラメータ（独立変数）のうち、Ｘ1 〜Ｘ4 は圧延データベース１０から読み込み、Ｘ5 〜Ｘ8 は、圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ３およびガイド位置及び接触負荷センサ７による測定値が入力される。
【００１８】
また、入力された各パラメータ（独立変数）ｘj を基に圧延変形予測モデル１１により計算される各予測値（従属変数）ｙi としては、圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値ｙ1 、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値ｙ2 、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値ｙ3 、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値ｙ4 、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値ｙ5 、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値ｙ6 などであり、各予測値（従属変数）ｙi は、上記（１）式の関係から次式で記述される。
圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値：
ｙ1 ＝ｆ1 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （２）
被圧延材のガイドとの接触位置の予測値：
ｙ2 ＝ｆ2 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （３）
ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値：
ｙ3 ＝ｆ3 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （４）
圧延ロールに作用する圧延反力の予測値：
ｙ4 ＝ｆ4 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （５）
圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値：
ｙ5 ＝ｆ5 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （６）
ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値：
ｙ6 ＝ｆ6 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （７）
【００１９】
本発明では、入力された各パラメータ（独立変数）ｘj を基に圧延変形予測モデル１１により上記の各予測値（従属変数）ｙi を計算し、その結果から、当該圧延パスの出側における被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 を、圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値ｙ1 とガイドとの接触による曲がり修正量の予測値ｙ3 から次式により求める。
ｙ7 ＝ｙ1 −ｙ3 （１４）
【００２０】
さらに、本発明では、最適設定条件判定モデル１２により、上記の被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 が、圧延データベース１０に記憶されている当該圧延パススケジュールでの反りおよび曲がり量の許容値以下であるかどうかを判定し、ｙ7 が許容値以下であれば当該圧延機の圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置が最適設定条件とし、ｙ7 が許容値を超える場合は当該圧延機の圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置を変更後、再度、圧延変形予測モデル１１によりｙ7 を演算し、このｙ7 が許容値以下になるまでこれらの操作を繰り返す。
【００２１】
その結果、該圧延パスの出側における被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 が許容値以下になった場合は、その圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置の設定条件をもって最適設定条件とし、一方、予め設定した制限演算回数内でｙ7 が許容値以下とならずに収束しない場合には、最も被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 が小さい場合の圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置の設定条件をもって最適設定条件とするとともに、演算が未収束である旨の警告を発する。
【００２２】
以上の圧延変形予測モデル１１により計算された圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置の最適設定条件に基づき計測制御装置９から、当該圧延ロール２、入側ガイド５および出側ガイド６にそれぞれ設置された圧延ロールギャップ調整用アクチュエータ４およびガイド位置調整用アクチュエータ８に圧延ロールおよびガイド位置制御信号を発信してそれぞれの位置を最適位置に調整することができる。
【００２３】
なお、圧延ロール２、入側ガイド５および出側ガイド６それぞれの調整は、上記のように圧延ロールギャップ調整用アクチュエータ４およびガイド位置調整用アクチュエータ８を用いても、圧延変形予測モデル１１の計算結果で得られた最適設定条件に基づいてオペレータが手動で設定してもよく、いずれの場合にも従来のオペレータの経験則によるそれらの位置調整に比べて、高精度でかつ効率的な自動または半自動の圧延ロールおよびガイドの位置調整が可能となる。
【００２４】
本発明の圧延変形予測モデル１１において、上記の（２）〜（７）式に示されるｆ1 〜ｆ6 の関数形は、実際の圧延現象を的確に予測出来るものであれば良く特に限定する必要はなく、実圧延プロセスの操業条件をカバーする範囲でオフラインでの高い精度のシミュレーションを多数回実施し、オンラインで使えるように回帰計算などで近似式とすることにより作成できる。
【００２５】
このような圧延変形予測モデルを作成する際に用いられるオフラインシミュレーションとしては、近年の計算機技術の発展とともに急速に実用化が図られている有限要素法（ＦＥＭ）を適用することが可能である。この手法を用いれば、複雑な断面形状の形鋼の圧延挙動を実際の工程の条件でほぼ忠実に再現出来るとされている。尚、圧延に関する有限要素法については、鉄鋼協会偏の『圧延の有限要素法による理論解析の実際（平成１０年）』等に詳しい解説がある。
【００２６】
例えば、有限要素法（ＦＥＭ）によるオフラインシミュレーションを用いることにより、上記（２）〜（７）式を、例えば、以下に示すような近似パラメータαk （ｋ＝１〜Ｌ）と独立変数ｘｉからなる多項式に近似できる。
ｙ1 ＝α11＊ｘ1 ＋α12＊ｘ2 ＋・・・＋α1N＊ｘN （８）
ｙ2 ＝α21＊ｘ1 ＋α22＊ｘ2 ＋・・・＋α2N＊ｘN （９）
ｙ3 ＝α31＊ｘ1 ＋α32＊ｘ2 ＋・・・＋α3N＊ｘN （１０）
ｙ4 ＝α41＊ｘ1 ＋α42＊ｘ2 ＋・・・＋α4N＊ｘN （１１）
ｙ5 ＝α51＊ｘ1 ＋α52＊ｘ2 ＋・・・＋α5N＊ｘN （１２）
ｙ6 ＝α61＊ｘ1 ＋α62＊ｘ2 ＋・・・＋α6N＊ｘN （１３）
ここで、近似パラメータαik（ｉ＝１〜５、ｋ＝１〜Ｎ）は、有限要素法（ＦＥＭ）によるオフラインのシミュレーション結果を回帰することにより求めた係数である。
【００２７】
以上のように、本発明の圧延変形予測モデルに基づいた圧延ロールおよびガイドの最適位置設定および制御により、従来のオペレータの経験則によるそれらの位置調整に比べて、高精度でかつ効率的な自動または半自動の圧延ロールおよびガイドの位置調整が可能となる。
【００２８】
一方、一般に力学的なロジックに基づく予測モデル式は、実プロセスの種々の条件変化に対して、予測の絶対値は、プロセスパラメータの精度如何でかなり変動する。このため、圧延変形予測モデルのプロセスパラメータ精度を向上させるために、膨大な種類の製品毎にオフラインシミュレーション実験等の実施によりプロセスパラメータの同定を行う必要があり、そのために人件費などのコストが生じる可能性があるという問題がある。
【００２９】
本発明では、このような圧延変形予測モデル作成時の作業負荷およびコストを軽減するために、または、圧延ロールおよびガイドの最適位置設定制御の精度をさらに向上させるために、上記の圧延変形予測モデル１１とオンライン実測データを基にした学習モデル１３とを組み合わせた制御を行う。
【００３０】
本発明の圧延変形予測モデルによる（２）〜（６）式に示される予測値のうち、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値ｙ4 、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値ｙ5 、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値ｙ6 は、圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ３およびガイド位置及び接触負荷センサ７により測定が可能であるが、圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値ｙ1 、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値ｙ2 、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値ｙ3 、および（１４）式に示される被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 は、実際の非対称形鋼の圧延時には実測できない。
【００３１】
したがって、本発明において、圧延変形予測モデル１１にオンライン実測データを基にした学習モデル１３を適用する場合は、圧延変形予測モデルにより計算される予測値のうちで、実測可能な予測値ｙ4 〜ｙ6 のうちの何れか１種または２種以上について、先行材の測定値と予測値の差異をもとに、圧延変形予測モデルの予測誤差を算出、学習し、それらの学習係数を用いて、実測できない予測値ｙ1 〜ｙ3 および被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 の予測誤差を間接的に補正し、後行材の予測計算に用いる。これにより、圧延ロールおよびガイドの最適位置設定制御の精度をさらに向上できる。
本発明で用いられる学習モデルは、特に限定するものではないが、一般的に用いられる忘却パラメータを設定して古いデータを使わず（忘れ）、最新データに基づき誤差を補正する学習方式が望ましい。
【００３２】
尚、図５〜図８に本発明方法の各実施例のフローチャートを示す。図５および図６は、学習しない場合であり、図６はまた収束判定をする例を示す。また、図７および図８は、学習がある場合のフローを示している。
【００３３】
【実施例】
図１に示す本発明の装置を用いて軌条の圧延を行った。圧延変形予測モデルには、有限要素法（ＦＥＭ）によるオフラインシミュレーションを用いて作成した上記（８）〜（１３）式に示す近似パラメータαk （ｋ＝１〜Ｌ）と独立変数ｘi からなる回帰式を用いた。
【００３４】
＜実施例１＞
ＪＩＳ６０kg軌条の中間圧延工程において、図１に示すシステムを適用して当該スタンドで計３パスの熱間リバース圧延を実施した。圧延１パス目は頭部の圧下率が脚部に比べて大のためガイド無しでは脚部側に大曲がりする条件である。被圧延材先端を脚部側のサイドガイドに接触させて曲げ矯正することにより、出側で真直になるようにサイドガイド位置を調節する。
従来のオペレータの経験則による設定方法では、計３回の試圧延が必要であった。即ち、圧延１本目は軽く接触させる条件、圧延２本目は圧延１本目の結果から判断して設定を追い込む条件、３本目は微調整の条件であった。
【００３５】
一方、本発明のシステムおよび方法を適用して圧延１パス目の設定を実施した。圧延変形予測モデルによる計算結果ではサイドガイドを最初から追い込んで設定する結果であった。この結果に対してオペレータの判断はサイドガイドを破壊する可能性があるとのことだったが、計算結果のように設定して圧延した。その結果、やや曲がりは残るが次パスでの通材性には問題の無い結果であった。
【００３６】
＜実施例２＞
ＪＩＳ５０Ｎ軌条の熱間圧延の直後に、ＪＩＳ６０kg軌条の中間圧延工程において、図１に示す学習有りの場合のシステムを適用して当該スタンドで計３パスの熱間リバース圧延を実施した。圧延１パス目は頭部の圧下率が脚部に比べて大のためガイド無しでは脚部側に大曲がりする条件である。被圧延材先端を脚部側のサイドガイドに接触させて曲げ矯正することにより、出側で真直にするようにサイドガイド位置を調節する。
先ず、ＪＩＳ５０Ｎ軌条の圧延から本発明のシステムを適用して学習を行った。そして、ＪＩＳ６０kg軌条圧延に交換後の圧延１本目に圧延変形予測モデル＋学習モデルによる計算を行った。計算結果のように設定して圧延した結果、圧延１本目でほぼ真直に矯正され次パスでの通材性に問題の無い結果であった。
【００３７】
＜実施例３＞
ＪＩＳ６０kg軌条の中間及び仕上圧延工程において、図１に示すシステムを適用して中間圧延のサイドガイド負荷を基に、引き続く仕上げスタンドで熱間圧延を実施した。中間圧延のサイドガイド負荷より仕上げ圧延の入側形状を予測し、仕上げの入り及び出側のサイドガイドに被圧延材を接触させて曲げ矯正することにより、出側で真直になるようにサイドガイド位置をアクチュエータで瞬時に調節する。中間圧延後の被圧延材に曲がり発生し仕上げ圧延での外乱になる条件であったが、本システムを適用することにより真直な矯正が可能であった。
【００３８】
＜実施例４＞
対称断面形状であるＨ形鋼圧延の中間圧延工程に本発明のシステムを適用した。圧延１本目から真直の圧延が可能であった。対称断面形状の場合でも本システムが有害であることはなかった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、軌条や不等辺山形鋼など非対称形鋼を圧延する際に、オペレータの熟練度に依存しないで、圧延ロールおよびガイドの位置設定を高精度かつ高効率で行うことができ、それにより圧延過程で発生する被圧延材の反りや曲がりを矯正し、反りや曲がりによる搬送不良および品質不良の発生を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧延ロールおよびガイドの位置設定装置の基本構成を示す概念図。
【図２】軌条の熱間圧延工程の流れを示す図。
【図３】軌条の熱間圧延における被圧延材の断面形状の推移を示す図。
【図４】Ｈ形鋼用圧延ガイドロールの一例を示す図。
【図５】本発明方法を１実施例を示すフローチャート。
【図６】本発明方法を他の実施例を示すフローチャート。
【図７】本発明方法を他の実施例を示すフローチャート。
【図８】本発明方法を他の実施例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ 被圧延材
２ 圧延ロール
３ 圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ
４ 圧延ロールギャップ調整用アクチュエータ
５ 入側ガイド
６ 出側ガイド
７ ガイド位置及び接触負荷センサ
８ ガイド位置調整用アクチュエータ
９ 計測制御装置
１０ 圧延データベース
１１ 圧延変形予測モデル
１２ 最適設定条件判定モデル
１３ 学習モデル
１４ Ｈ形鋼
１５ Ｈ形鋼のフランジ
１６ 上下方向反り防止ガイドローラ
１７ 左右曲り防止ガイドローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌条や不等辺山形鋼などの断面形状が非対称の形鋼の圧延方法に関し、特にこれらの形鋼を圧延する際に発生する被圧延材の反り及び曲がりに起因した次パス圧延時の噛み込み不良、搬送不良およびミスロールなどを防止するための圧延変形予測モデルを用いた圧延ガイドおよび圧延ロールの最適位置設定・制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に本発明が対象とする非対称形鋼の一つである軌条の熱間圧延工程のブロック図を示す。一般に、軌条の熱間圧延では、矩形断面の鋼片を加熱炉３１で１２５０℃程度の加熱温度で均一加熱した後、ブレークダウン圧延機３２（リバース圧延）で矩形断面の鋼片から製品形状に近い形状に粗圧延して、次ぎに、粗圧延機３３（リバース圧延）、エッジャー中間圧延機３４（リバース圧延）、エッジャー仕上圧延機３５によりさらに製品サイズに近いサイズまで中間圧延し、最終的に、ユニバーサル仕上圧延機３６により製品サイズの軌条に仕上げられる。通常、ブレークダウン圧延機３２、粗圧延機３３、エッジャー中間圧延機３４およびエッジャー仕上圧延機３５の２Ｈｉ圧延機には、ロール幅方向に複数のカリバー（穴型）を有する一対の作業ロールが配置され、粗圧延では圧延パス毎に被圧延材を横送りして孔形を変えてリバース圧延する。また、ユニバーサル仕上圧延機３６には、それぞれ所定のカリバーを有する一対の水平ロールと一対の竪ロールが配置され、中間圧延では、圧延パス毎に各ロール対の間隙を変えることにより実質孔形を調整してリバース圧延する。
【０００３】
図３には、軌条の鋼片から最終製品までの圧延過程における被圧延材の断面形状の推移を示した。圧延パス１〜１１はブレークダウン圧延工程、圧延パス１２〜１４は粗圧延工程、圧延パス１５〜１７は中間圧延工程、圧延パス１５′〜１６′はエッジャー圧延工程、圧延パス１７′〜１９は仕上圧延工程のそれぞれにおける圧延断面形状を示す。粗圧延工程では、２Ｈｉ圧延機を用いて矩形断面の鋼片を圧延パス１〜１０で徐々に減面した後、被圧延材をパスラインの周りに９０度回転し、さらに、圧延パス１１〜１４で軌条の幅方向を上下から一対のカリバーロールで挟圧しながら圧延して、軌条の頭部、胴部および脚部の各部位に相当する断面形状に圧延する。この際、軌条の頭部、脚部および胴部のそれぞれに相当する圧延部位で圧下率が大きく異なるため、その各部位の圧下率の違いは、各部で相互に拘束されながら圧延する過程でロール幅方向および長手方向への被圧延材の延伸の違いとして吸収される。その結果、例えば、頭部の圧下率が脚部に比べて大きい場合は、頭部の長手方向の延伸が脚部に比べて大きくなり、圧延機の出側で材料の延伸の少ない脚部側への曲がりが発生しやすくなる。
【０００４】
このような理由から、軌条などの断面形状が非対称の形鋼（以下、非対称形鋼とする）の圧延の場合には、圧延ロールの孔型設計の自由度の制約の下、Ｈ形鋼やＩ形鋼などの断面形状が対称の形鋼（以下、対称形鋼とする。）に比べて、圧延時の各部位の圧下率（減面率）の非対称性に起因して被圧延材の反り及び曲がりの程度およびそれらの発生頻度が高くなる傾向にあり、これに起因した次パス圧延における噛み込み不良や搬送不良、さらにミスロール等の圧延トラブルが発生しやすいという問題があった。
【０００５】
従来からこのような形鋼圧延時の被圧延材の反りや曲がりを防止する方法やそれに起因した製品品質不良等を防止する方法が検討されている。
例えば、特開平８−２５７６１８号公報には、Ｈ形鋼などのフランジを有する形鋼をユニバーサル圧延機およびエッジャー圧延機からなる圧延機列で圧延する際に、その圧延機列の前面、後面または中間に、図４（ａ）に示されるＨ形鋼１４の各フランジ１５の端部（４箇所）に当接するように配置された上下方向反り防止ガイドローラ１６と、図４（ｂ）に示されるＨ形鋼１４の各フランジ１５の外側面中央部（２箇所）に当接するように配置された左右曲がり防止ガイドローラ１７とを有する反り及び曲がりの防止装置を配置することにより、特に被圧延材の先後端部に発生する反り及び曲がりを完全に防止する技術が開示されている。
【０００６】
この特開平８−２５７６１８号公報に開示された技術は、上下左右の断面形状が対称である対称形鋼の圧延を対象とし、主に圧延時の各部位の温度差や各部位の板厚偏差に起因した圧下率の変動による被圧延材の反り及び曲がりを防止するものであり、その各部位の板厚偏差による圧下率の変動は、非対称形鋼に比べて小さいため被圧延材の反り及び曲がり量も非対称形鋼に比べて小さい。そのため、特開平８−２５７６１８号公報では、図４（ａ）に示される上下方向反り防止ガイドローラ１６のギャップとフランジ幅との隙間、および図４（ｂ）に示される左右曲がり防止ガイドローラ１７のギャップとウエブの外寸法、つまりフランジの外側面との隙間をそれぞれ無くするか、小さくすることにより上下方向の反り及び左右曲がりを効果的に防止することが記載されている。
【０００７】
このようなガイド方法および装置は、Ｈ形鋼などの対称形鋼の圧延時には、被圧延材の反り及び曲がり量が比較的小さく、被圧延材の先端部がローラガイドに浅い角度で進入しガイドローラに接触するため、通材トラブルが無く被圧延材の反りおよび曲がりを効果的に矯正できる。しかしながら、軌条や不等辺山形鋼などの非対称形状の圧延では、Ｈ形鋼などの対称形鋼に比べて被圧延材の曲り量が大きい傾向にあり、特開平８−２５７６１８号公報に示されるように被圧延材の反りおよび曲がりの効果的な矯正のためにローラガイドと被圧延材の各部位とのギャップを小さくすると、ガイド装置への進入時または進入後に被圧延材の先端部がガイドローラ間に入り込むなどの通材トラブル、さらにはミスロールが発生する可能性が大きくなる。
【０００８】
従来、特開平８−２５７６１８号公報などに示されるような形鋼圧延時に発生する被圧延材の反りや曲がりを拘束または矯正するために、当該圧延機の入側及び出側のうちの一方または両方に設置するガイドプレートまたはガイドロール （以下、これらを単にガイドとする）の設定および調整は、圧延作業者の経験則に基づいて手動で行われていた。
特に、Ｈ形鋼などの対称形鋼に比べて圧延時の反りや曲がり量が大きい軌条等の非対象形鋼圧延時に、被圧延材の反りや曲がりをより効果的に矯正するためのガイドの調整は、熟練作業者でも難しく、圧延ロット変更時などのように圧延条件が変わった後の最初の圧延では、ガイド調整不良により被圧延材がガイドと干渉してミスロールが発生しやすく、これを避けるために最初の圧延ではラフな設定とし、数パスの試圧延を行いながら試行錯誤で最適な設定を行っていた。
そのため、圧延条件が変わる毎にガイド調整のための試圧延を行う都合上、圧延の生産性と歩留りが低下するという問題があった。
【０００９】
これらの問題を改善するために、例えば、特開平９−２１６０１０号公報には、ブレークダウンミル、粗ユニバーサルミルおよび粗エジャーミルによる粗圧延工程、中間ユニバーサルミルおよび中間エッジャーミルによる中間圧延工程、仕上ユニバーサルミルによる仕上圧延工程を経た後、仕上圧延材をローラー矯正機により矯正する形鋼の製造方法において、中間ユニバーサルミルの少なくとも入側と仕上ユニバーサルミルの入側にそれぞれ被圧延材を誘導するガイド装置を設け、仕上ユニバーサルミルの出側に被圧延材を拘束しつつ誘導する拘束ガイド装置を設け、中間ユニバーサルミルの入出側の一方または両方と仕上ユニバーサルミルの出側とローラー矯正機の入出側の一方または両方にそれぞれ被圧延材または矯正材の形状を測定するための寸法計を設け、各寸法計による測定データを基に圧延工程の各圧延機およびガイド装置の設定と圧延後のローラー矯正機の設定をそれぞれ制御する方法が開示されている。
【００１０】
特開平９−２１６０１０号公報に開示の形鋼の製造方法は、Ｈ形鋼やＩ形鋼等の対称形鋼の製品の圧延寸法精度向上と各種形状不良の低減を目的とし、圧延過程または圧延完了後の寸法実測データを基に、プロセスコンピュータにより圧延機および矯正機をオンラインで最適制御する方法である。つまり、特開平９−２１６０１０号公報に開示の技術は、寸法実測データを基にした圧延中の圧延制御および圧延後の矯正機による仕上材の形状不良の矯正方法であり、圧延過程でガイドにより反りや曲がりを矯正する技術ではない。また、この技術は、圧延過程および圧延後の形状を測定することを前提とした技術であるが、Ｈ形鋼やＩ形鋼等の対称形鋼に比べて、軌条や不等辺山形鋼等の非対称形鋼の圧延形状は複雑であるため、その形状をオンラインで精度良く測定する技術および装置は未だ実用化されておらず、このような技術を非対称形鋼の圧延過程での反り及び曲がりの矯正設定制御に適用することは実質的に困難である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、軌条や不等辺山形鋼など非対称形鋼を圧延する際に発生する被圧延材の反りや曲がりおよびそれに起因する搬送不良および品質不良を低減するために、被圧延材の反りや曲がり量を予測し圧延ロールおよびガイドの位置設定を高精度かつ効率的に行うことが可能な圧延ロール及びガイドの最適位置設定・制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法において、圧延条件に関する各種設定データと、圧延ロール位置およびガイド位置の各測定データを基に、圧延変形予測モデルにより各種の予測値を計算し、これらの予測値から被圧延材の反りおよび曲がり量を求め、この被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が、前記圧延データベースに記憶されている許容値以下であるかどうかを判定し、被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が許容値を超える場合には、当該圧延機の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの位置を変更し、再度、圧延変形予測モデルにより被圧延材の反りおよび曲がり量を求め、この計算値が前記許容値以下になるまでこれらの操作を繰り返し、当該圧延機の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの最適位置を決定し、調整することを特徴とする非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（２）前記の被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が予め設定した制限演算回数内で、前記許容値以下とならずに収束しない場合には、被圧延材の反りおよび曲がり量が最も小さい場合の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの位置の設定条件をもって最適設定条件とするとともに、演算が未収束である旨の警告を発することを特徴とする上記（１）に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（３）前記圧延条件に関する各種設定データが当該圧延パス入側の被圧延材の各部寸法、当該圧延パスの圧延ロールカリバーの各部寸法、当該圧延パスの変形抵抗、圧延ロールと被圧延材との摩擦係数、圧延ロール間隙（測定値）、圧延ロール回転数（測定値）、ガイドの各部寸法（測定値）、ガイド位置（測定値）からなり、圧延変形予測モデルにより計算する予測値が圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値からなることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（４）前記被圧延材の反りおよび曲がり量は、前記圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値と前記ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値から求められることを特徴とする上記（３）に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
（５）前記圧延変形予測モデルにより計算される予測値のうちで、実測可能である、前記圧延ロールに作用する圧延反力の予測値、前記圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値、前記ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値のうちの何れか１種または２種以上について、先行材の圧延ロールギャップ・圧延負荷センサおよびガイド位置・接触負荷センサによる測定値と前記予測値の差異をもとに、圧延変形予測モデルの予測誤差を算出、学習し、それらの学習係数を用いて、実測できない被圧延材の反りおよび曲がり量の予測誤差を間接的に補正し、後行材の予測計算に用いることを特徴とする上記（３）または（４）に記載の非対称形鋼の圧延設定方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の圧延変形予測モデルを用いた圧延ロール位置およびガイド位置の最適設定制御方法について詳細に説明する。
図１に本発明を実施するための装置の概念図を示す。図１において、計測制御装置９は、圧延パススケジュールなどの圧延条件に関するデータが記憶されたデータベース（圧延データベース）１０、圧延変形予測モデル１１、最適設定条件判定モデル１２、学習モデル１３からなる。
【００１４】
また、各圧延機には、当該圧延ロール２のロール間隙、圧延反力および圧延トルクを測定するためのセンサ（圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ）３、当該圧延ロール２のロール間隙を調整するためのアクチュエータ（ロールギャップ調整用アクチュエータ）４が設置され、各圧延機の入側および出側に配置された入側ガイド５および出側ガイド６には、ガイド位置および被圧延材との接触による負荷を測定するためのセンサ（ガイド位置及び接触負荷センサ）７、ガイド位置を調整するためのアクチュエータ（ガイド位置調整用アクチュエータ）８が設置されている。
【００１５】
圧延変形予測モデル１１では、圧延データベース１０に記憶されている圧延条件に関する各種設定データを読み込むとともに、圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ３およびガイド位置及び接触負荷センサ７により測定された現時刻での圧延ロールとガイドのそれぞれの位置および負荷の測定データをパラメータとして入力し、これらのパラメータを基にガイドおよび圧延ロールの最適位置を設定するために必要となる各種予測値が計算される。
【００１６】
本発明では、圧延変形予測モデル１１を特に限定する必要はないが、オンラインでの実用上、各圧延パス間の短時間に演算結果が得られるための演算速度が必要である。
このような圧延変形予測モデル１１としては、例えば、圧延条件に関するデータに相当する各パラメータｘj （ｊ＝１〜Ｎ）を独立変数とし、ガイドおよび圧延ロールの最適位置を設定するために必要な各予測値ｙi （ｉ＝１〜Ｍ）を従属変数とする（１）式のような関数式ｆi （ｉ＝１〜Ｍ）を用いることにより実用上、取り扱いが便利である。
ｙi ＝ｆi （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘj ，・・・，ｘN ） （１）
【００１７】
本発明において、圧延変形予測モデル１１に入力される各パラメータ（独立変数）ｘj としては、当該圧延パス入側の被圧延材の各部寸法Ｘ1 、当該圧延パスの圧延ロールカリバーの各部寸法Ｘ2 、当該圧延パスの変形抵抗Ｘ3 、圧延ロールと被圧延材との摩擦係数Ｘ4 、圧延ロール間隙（測定値）Ｘ5 、圧延ロール回転数（測定値）Ｘ6 、ガイドの各部寸法（測定値）Ｘ7 、ガイド位置（測定値）Ｘ8 などであり、これらのパラメータ（独立変数）のうち、Ｘ1 〜Ｘ4 は圧延データベース１０から読み込み、Ｘ5 〜Ｘ8 は、圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ３およびガイド位置及び接触負荷センサ７による測定値が入力される。
【００１８】
また、入力された各パラメータ（独立変数）ｘj を基に圧延変形予測モデル１１により計算される各予測値（従属変数）ｙi としては、圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値ｙ1 、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値ｙ2 、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値ｙ3 、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値ｙ4 、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値ｙ5 、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値ｙ6 などであり、各予測値（従属変数）ｙi は、上記（１）式の関係から次式で記述される。
圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値：
ｙ1 ＝ｆ1 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （２）
被圧延材のガイドとの接触位置の予測値：
ｙ2 ＝ｆ2 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （３）
ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値：
ｙ3 ＝ｆ3 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （４）
圧延ロールに作用する圧延反力の予測値：
ｙ4 ＝ｆ4 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （５）
圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値：
ｙ5 ＝ｆ5 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （６）
ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値：
ｙ6 ＝ｆ6 （ｘ1 ，ｘ2 ，・・・，ｘN ） （７）
【００１９】
本発明では、入力された各パラメータ（独立変数）ｘj を基に圧延変形予測モデル１１により上記の各予測値（従属変数）ｙi を計算し、その結果から、当該圧延パスの出側における被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 を、圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値ｙ1 とガイドとの接触による曲がり修正量の予測値ｙ3 から次式により求める。
ｙ7 ＝ｙ1 −ｙ3 （１４）
【００２０】
さらに、本発明では、最適設定条件判定モデル１２により、上記の被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 が、圧延データベース１０に記憶されている当該圧延パススケジュールでの反りおよび曲がり量の許容値以下であるかどうかを判定し、ｙ7 が許容値以下であれば当該圧延機の圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置が最適設定条件とし、ｙ7 が許容値を超える場合は当該圧延機の圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置を変更後、再度、圧延変形予測モデル１１によりｙ7 を演算し、このｙ7 が許容値以下になるまでこれらの操作を繰り返す。
【００２１】
その結果、該圧延パスの出側における被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 が許容値以下になった場合は、その圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置の設定条件をもって最適設定条件とし、一方、予め設定した制限演算回数内でｙ7 が許容値以下とならずに収束しない場合には、最も被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 が小さい場合の圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置の設定条件をもって最適設定条件とするとともに、演算が未収束である旨の警告を発する。
【００２２】
以上の圧延変形予測モデル１１により計算された圧延ロール２のロール間隙、入側ガイド５および出側ガイド６の位置の最適設定条件に基づき計測制御装置９から、当該圧延ロール２、入側ガイド５および出側ガイド６にそれぞれ設置された圧延ロールギャップ調整用アクチュエータ４およびガイド位置調整用アクチュエータ８に圧延ロールおよびガイド位置制御信号を発信してそれぞれの位置を最適位置に調整することができる。
【００２３】
なお、圧延ロール２、入側ガイド５および出側ガイド６それぞれの調整は、上記のように圧延ロールギャップ調整用アクチュエータ４およびガイド位置調整用アクチュエータ８を用いても、圧延変形予測モデル１１の計算結果で得られた最適設定条件に基づいてオペレータが手動で設定してもよく、いずれの場合にも従来のオペレータの経験則によるそれらの位置調整に比べて、高精度でかつ効率的な自動または半自動の圧延ロールおよびガイドの位置調整が可能となる。
【００２４】
本発明の圧延変形予測モデル１１において、上記の（２）〜（７）式に示されるｆ1 〜ｆ6 の関数形は、実際の圧延現象を的確に予測出来るものであれば良く特に限定する必要はなく、実圧延プロセスの操業条件をカバーする範囲でオフラインでの高い精度のシミュレーションを多数回実施し、オンラインで使えるように回帰計算などで近似式とすることにより作成できる。
【００２５】
このような圧延変形予測モデルを作成する際に用いられるオフラインシミュレーションとしては、近年の計算機技術の発展とともに急速に実用化が図られている有限要素法（ＦＥＭ）を適用することが可能である。この手法を用いれば、複雑な断面形状の形鋼の圧延挙動を実際の工程の条件でほぼ忠実に再現出来るとされている。尚、圧延に関する有限要素法については、鉄鋼協会偏の『圧延の有限要素法による理論解析の実際（平成１０年）』等に詳しい解説がある。
【００２６】
例えば、有限要素法（ＦＥＭ）によるオフラインシミュレーションを用いることにより、上記（２）〜（７）式を、例えば、以下に示すような近似パラメータαk （ｋ＝１〜Ｌ）と独立変数ｘｉからなる多項式に近似できる。
ｙ1 ＝α11＊ｘ1 ＋α12＊ｘ2 ＋・・・＋α1N＊ｘN （８）
ｙ2 ＝α21＊ｘ1 ＋α22＊ｘ2 ＋・・・＋α2N＊ｘN （９）
ｙ3 ＝α31＊ｘ1 ＋α32＊ｘ2 ＋・・・＋α3N＊ｘN （１０）
ｙ4 ＝α41＊ｘ1 ＋α42＊ｘ2 ＋・・・＋α4N＊ｘN （１１）
ｙ5 ＝α51＊ｘ1 ＋α52＊ｘ2 ＋・・・＋α5N＊ｘN （１２）
ｙ6 ＝α61＊ｘ1 ＋α62＊ｘ2 ＋・・・＋α6N＊ｘN （１３）
ここで、近似パラメータαik（ｉ＝１〜５、ｋ＝１〜Ｎ）は、有限要素法（ＦＥＭ）によるオフラインのシミュレーション結果を回帰することにより求めた係数である。
【００２７】
以上のように、本発明の圧延変形予測モデルに基づいた圧延ロールおよびガイドの最適位置設定および制御により、従来のオペレータの経験則によるそれらの位置調整に比べて、高精度でかつ効率的な自動または半自動の圧延ロールおよびガイドの位置調整が可能となる。
【００２８】
一方、一般に力学的なロジックに基づく予測モデル式は、実プロセスの種々の条件変化に対して、予測の絶対値は、プロセスパラメータの精度如何でかなり変動する。このため、圧延変形予測モデルのプロセスパラメータ精度を向上させるために、膨大な種類の製品毎にオフラインシミュレーション実験等の実施によりプロセスパラメータの同定を行う必要があり、そのために人件費などのコストが生じる可能性があるという問題がある。
【００２９】
本発明では、このような圧延変形予測モデル作成時の作業負荷およびコストを軽減するために、または、圧延ロールおよびガイドの最適位置設定制御の精度をさらに向上させるために、上記の圧延変形予測モデル１１とオンライン実測データを基にした学習モデル１３とを組み合わせた制御を行う。
【００３０】
本発明の圧延変形予測モデルによる（２）〜（６）式に示される予測値のうち、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値ｙ4 、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値ｙ5 、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値ｙ6 は、圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ３およびガイド位置及び接触負荷センサ７により測定が可能であるが、圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値ｙ1 、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値ｙ2 、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値ｙ3 、および（１４）式に示される被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 は、実際の非対称形鋼の圧延時には実測できない。
【００３１】
したがって、本発明において、圧延変形予測モデル１１にオンライン実測データを基にした学習モデル１３を適用する場合は、圧延変形予測モデルにより計算される予測値のうちで、実測可能な予測値ｙ4 〜ｙ6 のうちの何れか１種または２種以上について、先行材の測定値と予測値の差異をもとに、圧延変形予測モデルの予測誤差を算出、学習し、それらの学習係数を用いて、実測できない予測値ｙ1 〜ｙ3 および被圧延材の反りおよび曲がり量ｙ7 の予測誤差を間接的に補正し、後行材の予測計算に用いる。これにより、圧延ロールおよびガイドの最適位置設定制御の精度をさらに向上できる。
本発明で用いられる学習モデルは、特に限定するものではないが、一般的に用いられる忘却パラメータを設定して古いデータを使わず（忘れ）、最新データに基づき誤差を補正する学習方式が望ましい。
【００３２】
尚、図５〜図８に本発明方法の各実施例のフローチャートを示す。図５および図６は、学習しない場合であり、図６はまた収束判定をする例を示す。また、図７および図８は、学習がある場合のフローを示している。
【００３３】
【実施例】
図１に示す本発明の装置を用いて軌条の圧延を行った。圧延変形予測モデルには、有限要素法（ＦＥＭ）によるオフラインシミュレーションを用いて作成した上記（８）〜（１３）式に示す近似パラメータαk （ｋ＝１〜Ｌ）と独立変数ｘi からなる回帰式を用いた。
【００３４】
＜実施例１＞
ＪＩＳ６０kg軌条の中間圧延工程において、図１に示すシステムを適用して当該スタンドで計３パスの熱間リバース圧延を実施した。圧延１パス目は頭部の圧下率が脚部に比べて大のためガイド無しでは脚部側に大曲がりする条件である。被圧延材先端を脚部側のサイドガイドに接触させて曲げ矯正することにより、出側で真直になるようにサイドガイド位置を調節する。
従来のオペレータの経験則による設定方法では、計３回の試圧延が必要であった。即ち、圧延１本目は軽く接触させる条件、圧延２本目は圧延１本目の結果から判断して設定を追い込む条件、３本目は微調整の条件であった。
【００３５】
一方、本発明のシステムおよび方法を適用して圧延１パス目の設定を実施した。圧延変形予測モデルによる計算結果ではサイドガイドを最初から追い込んで設定する結果であった。この結果に対してオペレータの判断はサイドガイドを破壊する可能性があるとのことだったが、計算結果のように設定して圧延した。その結果、やや曲がりは残るが次パスでの通材性には問題の無い結果であった。
【００３６】
＜実施例２＞
ＪＩＳ５０Ｎ軌条の熱間圧延の直後に、ＪＩＳ６０kg軌条の中間圧延工程において、図１に示す学習有りの場合のシステムを適用して当該スタンドで計３パスの熱間リバース圧延を実施した。圧延１パス目は頭部の圧下率が脚部に比べて大のためガイド無しでは脚部側に大曲がりする条件である。被圧延材先端を脚部側のサイドガイドに接触させて曲げ矯正することにより、出側で真直にするようにサイドガイド位置を調節する。
先ず、ＪＩＳ５０Ｎ軌条の圧延から本発明のシステムを適用して学習を行った。そして、ＪＩＳ６０kg軌条圧延に交換後の圧延１本目に圧延変形予測モデル＋学習モデルによる計算を行った。計算結果のように設定して圧延した結果、圧延１本目でほぼ真直に矯正され次パスでの通材性に問題の無い結果であった。
【００３７】
＜実施例３＞
ＪＩＳ６０kg軌条の中間及び仕上圧延工程において、図１に示すシステムを適用して中間圧延のサイドガイド負荷を基に、引き続く仕上げスタンドで熱間圧延を実施した。中間圧延のサイドガイド負荷より仕上げ圧延の入側形状を予測し、仕上げの入り及び出側のサイドガイドに被圧延材を接触させて曲げ矯正することにより、出側で真直になるようにサイドガイド位置をアクチュエータで瞬時に調節する。中間圧延後の被圧延材に曲がり発生し仕上げ圧延での外乱になる条件であったが、本システムを適用することにより真直な矯正が可能であった。
【００３８】
＜実施例４＞
対称断面形状であるＨ形鋼圧延の中間圧延工程に本発明のシステムを適用した。圧延１本目から真直の圧延が可能であった。対称断面形状の場合でも本システムが有害であることはなかった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、軌条や不等辺山形鋼など非対称形鋼を圧延する際に、オペレータの熟練度に依存しないで、圧延ロールおよびガイドの位置設定を高精度かつ高効率で行うことができ、それにより圧延過程で発生する被圧延材の反りや曲がりを矯正し、反りや曲がりによる搬送不良および品質不良の発生を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧延ロールおよびガイドの位置設定装置の基本構成を示す概念図。
【図２】軌条の熱間圧延工程の流れを示す図。
【図３】軌条の熱間圧延における被圧延材の断面形状の推移を示す図。
【図４】Ｈ形鋼用圧延ガイドロールの一例を示す図。
【図５】本発明方法を１実施例を示すフローチャート。
【図６】本発明方法を他の実施例を示すフローチャート。
【図７】本発明方法を他の実施例を示すフローチャート。
【図８】本発明方法を他の実施例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ 被圧延材
２ 圧延ロール
３ 圧延ロールギャップ及び圧延負荷センサ
４ 圧延ロールギャップ調整用アクチュエータ
５ 入側ガイド
６ 出側ガイド
７ ガイド位置及び接触負荷センサ
８ ガイド位置調整用アクチュエータ
９ 計測制御装置
１０ 圧延データベース
１１ 圧延変形予測モデル
１２ 最適設定条件判定モデル
１３ 学習モデル
１４ Ｈ形鋼
１５ Ｈ形鋼のフランジ
１６ 上下方向反り防止ガイドローラ
１７ 左右曲り防止ガイドローラ
Claims (5)
- 非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法において、圧延条件に関する各種設定データと、圧延ロール位置およびガイド位置の各測定データとに基づいて、圧延変形予測モデルにより各種の予測値を計算し、これらの予測値から被圧延材の反りおよび曲がり量を求め、この被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が、設定されている許容値以下であるかを判定し、被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が許容値を超える場合には、当該圧延機の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの位置を変更し、再度、圧延変形予測モデルにより被圧延材の反りおよび曲がり量を求め、この計算値が前記許容値以下になるまでこれらの操作を繰り返し、当該圧延機の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの最適位置を決定し、調整することを特徴とする非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
- 前記の被圧延材の反りおよび曲がり量の計算値が予め設定した制限演算回数内で、前記許容値以下とならずに収束しない場合には、被圧延材の反りおよび曲がり量が最も小さい場合の圧延ロールのロール間隙、入側ガイドおよび出側ガイドの位置の設定条件をもって最適設定条件とするとともに、演算が未収束である旨の警告を発することを特徴とする請求項１に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
- 前記圧延条件に関する各種設定データが当該圧延パス入側の被圧延材の各部寸法、当該圧延パスの圧延ロールカリバーの各部寸法、当該圧延パスの変形抵抗、圧延ロールと被圧延材との摩擦係数、圧延ロール間隙（測定値）、圧延ロール回転数（測定値）、ガイドの各部寸法（測定値）、ガイド位置（測定値）からなり、圧延変形予測モデルにより計算する予測値が圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値、被圧延材のガイドとの接触位置の予測値、ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値、圧延ロールに作用する圧延反力の予測値、圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値、ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値からなることを特徴とする請求項１または２に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
- 前記被圧延材の反りおよび曲がり量は、前記圧延による被圧延材の反り・曲がり量の予測値と前記ガイドとの接触による曲がり修正量の予測値から求められることを特徴とする請求項３に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
- 前記圧延変形予測モデルにより計算される予測値のうちで、実測可能である、前記圧延ロールに作用する圧延反力の予測値、前記圧延に必要な圧延ロール軸トルクの予測値、前記ガイドに作用する被圧延材からの荷重の予測値のうちの何れか１種または２種以上について、先行材の圧延ロールギャップ・圧延負荷センサおよびガイド位置・接触負荷センサによる測定値と前記予測値の差異をもとに、圧延変形予測モデルの予測誤差を算出、学習し、それらの学習係数を用いて、実測できない被圧延材の反りおよび曲がり量の予測誤差を間接的に補正し、後行材の予測計算に用いることを特徴とする請求項３または４に記載の非対称形鋼圧延時の圧延ロールおよびガイドの位置設定・制御方法。
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