JP4705466B2

JP4705466B2 - 冷間タンデム圧延における板厚制御方法

Info

Publication number: JP4705466B2
Application number: JP2005367754A
Authority: JP
Inventors: 義久高濱; 利幸白石; 茂小川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007167887A

Description

本発明は、冷間タンデム圧延の板厚形状制御において、マスフローＡＧＣに基づく制御方法に関するものである。

冷間タンデム圧延においては第１スタンドで圧下制御を行い、第２スタンド以降のスタンドについては最終スタンド出側板厚計に基づく張力制御による板厚制御を行うのが一般的である。第1スタンドでは、ロールバイト直下の板厚を推定して制御する方法と第1スタンド出側板厚計によるモニター制御を併用することが多いが、ロールバイト内の板厚の推定方法として、マスフロー方式やＢＩＳＲＡ方式が採用されることが多い。マスフロー方式は入側の板厚計と板速計及び出側の板速計からマスフロー一定則に従って板厚を推定する方法である。板厚計を用いることから板厚計のフィルター等の影響を受けるため、急激な板厚変化を捉えるには限界があるものの、板厚推定方法が単純で定常部の板厚推定は安定して高精度であることから多く使用されている。

ＢＩＳＲＡ方式は、予めミル定数を得ておき、圧延中の荷重からミルストレッチを推定する方式である。ミルストレッチの非線形性を考慮していないので、板厚を絶対値で推定することはできないものの、この方式も板厚推定方法が単純で、モニター制御と併用することにより定常部では安定して高精度な推定ができることから多く採用されている。しかし、接合部を挟んで板厚が大きく変化するような場合には、ミルストレッチの非線形性の影響が大きくなるため、マスフロー方式と比較しても精度が悪くなる。

また、マスフロー方式の推定板厚を用いて中間スタンド中の１つもしくは複数のスタンドのロールバイト直下の板厚を推定して、それに基づいてロール周速度による張力制御を適用する場合もある。（非特許文献１）

高精度板厚制御ができる方式としては、ミルストレッチの非線形性を考慮した絶対値ゲージメータＡＧＣがあり、特許文献１等に開示されている。

また、絶対値ＡＧＣを使用した方法として最終スタンドまたは第１スタンドと最終スタンドに絶対値ＡＧＣを用いる方法（特許文献２）等が技術的には開示されている。

また、特許文献３には、このモデルを熱延で使用する際に限定して本モデルから圧延荷重とロールベンディング力の影響係数を算出して、影響係数を用いた板厚制御方法に関する技術が開示されている。

なお、冷間タンデム圧延では第１スタンド以外で圧下制御を行うことはほとんどない。これは第１スタンド以外は圧下制御がほとんど効かないという経験的な知見とそれを裏付ける解析例（非特許文献２）による。

特開昭６０−３０５０８号公報特開２００３−１６４９０４号公報特開平６−２８５５２５号公報「板圧延の理論と実際」日本鉄鋼協会共同研究会圧延理論部会編、社団法人日本鉄鋼協会、昭和５９年９月１日発行（ｐ２９５〜３０２）「圧延百話」鈴木弘著養賢堂２０００年３月３０日発行（ｐ４９７）

非特許文献２において開示されているように、冷間タンデム圧延では第１スタンド以外で圧下制御をおこなっても、圧下位置を変化した際に張力変化が生じ圧下位置変更の影響がキャンセルされて板厚変化が生じないという問題がある。

従来技術のマスフローＡＧＣやＢＩＳＲＡ−ＡＧＣでは板厚制御のみが対象である。この技術では板厚を高精度に制御することは可能であるが、板厚を圧下位置を変更することによって制御すると、荷重変化が必ず生じ、それによって形状が変化するのは必然である。形状の乱れは製品の歩留を低下させるだけでなく、極端な場合は絞りや破断の原因になることが問題である。

ミルストレッチの非線形性を考慮した絶対値ゲージメータＡＧＣによる制御は板厚の高精度化のみならず、板厚やメカニカル板クラウンに対する影響係数を用いて非干渉制御を行うことができるため有用であるが、本方式による板厚推定ではサーマルクラウンの影響を別途見積もる必要があるなど、モデルが複雑になるという問題がある。
本発明はこのような点を考慮して、取り扱いが簡易で、高精度な板厚形状制御が可能な冷間タンデム圧延における板厚制御方法を提供することを課題としている。

本発明は上記したような従来法の問題点を解決するためのものであり、
第一の発明は、（１）冷間タンデム圧延の第１スタンドにおける板厚制御方法において、第1スタンド出側板厚をマスフロー一定則に従って推定し、第１スタンド出側板厚の目標値と前記推定値との出側板厚偏差に基づいて圧下位置を変更して板厚を制御する際に、別途予め算出しておいた第１スタンド出側板厚に及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数並びに任意のクラウン定義点のメカニカル板クラウンに及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数に基づき、第１スタンドの圧下位置を変更する際のメカニカル板クラウン変化を補償するワークロールベンディング力変更量を算出し、当該ワークロールベンディング力変更量を考慮して目標板厚を実現する第１スタンドの圧下位置を算出し、第１スタンドの圧下位置変更と同時にワークロールベンディング力を変更するとともに、圧下位置を変更する前に任意の一定周期毎に第１スタンド出側張力を測定しておき、第１スタンド出側板厚偏差が特定の範囲内の定常圧延状態であるときの張力を目標値として前記第１スタンド出側張力を保持するために第２スタンドのロール周速度の変更をも同時に行うことを特徴とする冷間タンデム圧延における板厚制御方法である。

第二の発明は、（２）冷間タンデム圧延の最終スタンドにおける板厚制御方法において、最終スタンド出側板厚をマスフロー一定則に従って推定し、最終スタンド出側板厚の目標値と前記推定値との出側板厚偏差に基づいて圧下位置を変更して板厚を制御する際に、別途予め算出しておいた最終スタンド出側板厚に及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数並びに任意のクラウン定義点のメカニカル板クラウンに及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数に基づき、最終スタンドの圧下位置を変更する際のメカニカル板クラウン変化を補償するワークロールベンディング力変更量を算出し、当該ワークロールベンディング力変更量を考慮して目標板厚を実現する最終スタンドの圧下位置を算出し、最終スタンドの圧下位置変更と同時にワークロールベンディング力を変更することを特徴とする冷間タンデム圧延における板厚制御方法である。

第三の発明は、（３）圧下位置を変更する前に任意の一定周期毎に最終スタンド入側張力を測定しておき、最終スタンド出側板厚偏差が特定の範囲内の定常圧延状態であるときの張力を目標値として最終スタンド入側張力を保持するために最終スタンドの１つ前スタンドのロール周速度の変更をも同時に行うことを特徴とする前記（２）記載の冷間タンデム圧延における板厚制御方法である。

第１発明の板厚制御方法によれば、第1スタンドで圧下位置変更による形状の乱れを抑制することができるようになるため、第1スタンドの板厚および形状の高精度化が図られて安定圧延が可能となる。特に形状変動に起因した圧延トラブルが減少することから、高生産性を実現できると共に、歩留向上およびコスト削減が可能となる。

さらに、第１の発明の板厚制御方法によれば、張力変動に起因した圧延トラブルも回避することができるようになることから高生産性を実現できると共に、歩留向上およびコスト削減が可能となる。また、張力変動が小さいので、圧下ＡＧＣによる板厚への影響が大きく、板厚の制御効果が大きいため高応答かつ高精度な制御が可能である。また、張力制御をロール周速度で行えば、現在のミル構成のハードを変更する必要がなくソフト変更だけで本発明が実現できるので、低コストで高精度制御が実現できる。

第２発明の板厚制御方法によれば、最終スタンドで板厚と形状を最適に作り込めるようになることから、最も重要な最終製品の創形が高精度に行える。最終スタンドは目標板厚への精度を確保するのに最も重要な圧延機であり、そこで高精度に板厚および形状を制御できる利点は大きい。

第３の発明の板厚制御方法によれば、最終スタンドで張力が安定するので、張力変動が抑えられ安定圧延が実現される。また、最終スタンドは高速であるので、張力が安定せず板厚変動が大きくなると狙い板厚や許容範囲から外れる長さも長くなってしまうが，張力が安定化すれば板厚のオフゲージも短くなり効果も大きい。

マスフローＡＧＣは、圧延機入側の板厚と板速度および出側の板速度を測定して圧延機のロールバイト直下の板厚を推定し、推定値と目標値との差に基づいて圧下位置もしくは張力を変化させる制御方法である。入側板厚は予め測定でき、板速度は瞬間的に変化を検知することができるので、原理上トラッキングがうまくいけばロールバイト直下の板厚を時間遅れなく推定することができる。

マスフローＡＧＣは、入側板厚Ｈ、入側板速度Ｖｉ、出側板速度Ｖｏとすると、マスフロー一定則により出側板厚ｈ＝Ｈ×Ｖｉ／Ｖｏを求めるが、このように非常に単純な設備構成と単純な計算式で板厚を推定することができるので、投資額も小さいことから広く使用されている。第１スタンドにマスフローＡＧＣを適用する場合、冷間タンデム圧延機では圧下ＡＧＣとして用いることが多い。

マスフローＡＧＣではマスフロー一定則によって圧延機出側の板厚を推定するが、それを用いて圧下位置を変化させた場合、荷重変化が大きくなり、形状の変化を誘発する。それを補償するためにメカニカル板クラウンを一定に保つようにワークロールベンディング力を変化させる方法を考えなければならない。この方法ができれば、圧下位置変化の応答性とワークロールベンディング力変化の応答性が異なる場合にはメカニカル板クラウンを完全に一定に保つことは難しいが、装置の性能の範囲内でメカニカル板クラウン変化が最小になるようにワークロールベンディング力を変化させるだけでも形状変化を抑えることが可能となり、形状制御の効果が現れる。

図３を用いて板厚と形状それぞれを干渉させずに両者を同時に目標値に制御する方法を定常状態から板厚を変更する場合において説明する。
まず、圧下位置の変更量ΔＳ₀は推定板厚と目標板厚およびミル定数と塑性定数を用いて一般に知られている図４の原理から計算することができる。この時ΔＳ₀は分を締め込めば荷重変化によって形状変化が生じるはずである。

次にこの形状変化を補償するようにメカニカル板クラウン変化が零となるようなベンディング力ΔＦ₀を算出する。メカニカル板クラウン変化は荷重変化による影響とワークロールベンディング力変化による影響の和であるから、メカニカル板クラウン変化を零と置くと影響係数と荷重変化から必要なベンディング力を算出することができる。これらは板厚制御・形状制御を独立に考えたときの変更量であるから、そのままの値で制御を行うとお互いが干渉し合って所望の板厚とメカニカル板クラウンを得ることはできない。

そこで、独立に計算したワークロールベンディング力による板厚変化量を加算した板厚変化量Δｈ₁と、独立に計算した板厚変化に起因した荷重変化によって誘発されるメカニカル板クラウン変化量を加算したメカニカル板クラウン変化量ΔＣ₁を算出し、その干渉項があっても目標の板厚とメカニカル板クラウンになるように、圧下位置とワークロールベンディング力を逆算してΔＳ₂とΔＦ₂を求めれば、それが板厚形状非干渉制御を実現するための圧下位置変更量とワークロールベンディング力変更量となる。

影響係数は荷重やロール径・胴長等を含めた圧延機構成や圧延材、特に板幅によって変化するので、圧延材毎に算出するのが望ましい。計算機に余裕がないようであれば、予めテーブルを作っておいたり、テーブルから重回帰モデルを作っておけばよい。以上により形状の乱れの少ないマスフローＡＧＣが実現できる。この考え方はマスフローＡＧＣのためのハードを有し、かつワークロールベンダーを有するスタンドであれば第１スタンドでも最終スタンドでも有効である。

冷間タンデム圧延機の第１スタンドで圧下ＡＧＣが適用されている理由の一つは、第１スタンドは圧下位置を変化しても入側の張力変化が少ないので、圧下位置変化に起因する荷重変化が小さく、圧下位置変化の影響が板厚変化に表れやすいからである。マスフローＡＧＣ時の荷重変化は式(1)のように各要因によって算出できる。

ここで、Pは荷重、h₀は入側板厚、h₁は出側板厚、T_fは前方張力、T_bは後方張力、k_fは変形抵抗で、Δ付きはそれぞれ変化量を示す。

第1スタンドの場合、後方張力は数kgf/mm²程度と元々小さく、圧下位置を変化させてもΔT_bが小さい。しかし、ΔT_fの方は変化するため、このΔT_fを小さくするようにすれば荷重変化は小さくなり、板厚精度の向上が期待される。そのためにはスタンド出側の張力を一定に保つように第２スタンドのロール周速度を変化させればよい。圧下位置が変化し、張力が変化する場合には先進率等も変化しているので、正確には圧延条件変化を反映した先進率モデルに基づいてロール周速度を変化させる必要があるが、単純には板厚変化の割合だけロール周速度を変化させればよい。

例えば板厚を１％減少させる場合には、第２スタンドのロール周速度を１％増速すればよい。第２スタンドより後段のスタンドのロール周速度をそのままにすると、第２スタンドより後段のスタンド間張力が変化して板厚も変化してしまうので、第２スタンドのロール周速度を変化させる場合にはそれを考慮して第２スタンドより後段スタンドのロール周速度も変化させるのがよい。

このように板厚形状張力非干渉制御を考慮したマスフローＡＧＣを第１スタンドに適用した冷間タンデム圧延機を図１に示す。また、図５にはこの張力一定制御も考慮したフローを図示している。このように、後段まで張力制御を行うことにより、後段での張力変動がより小さくなるので板厚変動も小さくなる。

同様にして、最終スタンドに板厚形状張力非干渉制御を考慮したマスフローＡＧＣを適用した冷間タンデム圧延機を図２に示す。ごく一般的な形状・張力制御を含まないマスフローＡＧＣを示しているが、ＢＩＳＲＡ−ＡＧＣでもよいし、他のＡＧＣでもよい。最終スタンド出側の圧延材形状は、そのまま最終製品となるので、板厚の高精度化はもちろんのこと、形状の高精度化も必要である。形状が乱れていると、エッジを多めにトリムしなければならなかったり、最悪の場合には売却できない場合もある。それを回避するためにも板厚だけでなく、形状も高精度化するための板厚形状張力制御技術を含むマスフローＡＧＣを最終スタンドに適用することは重要である。

最終スタンドでは出側の張力変動ΔT_fは小さいので、第１スタンドの場合とは異なり、ΔT_bを考慮して入側の張力変化を極小化させるように最終スタンドの１つ前スタンドのロール周速度を変化させる。更に、第１スタンドの場合に第２スタンド以降のスタンドの張力変動を抑えるために第２スタンド以降のロール周速度を変化させたのと同様に、最終スタンドの１つ前スタンドのロール周速度を変化させるのと同時にそれよりも前スタンド群のロール周速度を変化させるのがよい。これにより前段の張力変動が極小化され、板厚変動が抑えられる。

本発明の効果を確認するために図１、２に示した６段・４スタンドの冷間タンデム圧延機を使用した圧延実験を行った。
圧延機は４スタンドとも同じで、ロール径は、バックアップロール径１２９１〜１３４０ｍｍ、中間ロール径４９１〜５１９ｍｍ、ワークロール径４２５〜４３０ｍｍのものを使用した。ワークロール径については上下差がほとんど無く、０．３ｍｍ以内である。コイルは１２１０ｍｍ、入側板厚は４．８００ｍｍのものを用い、以降第１スタンド出側以降のスケジュールは３．４２６ｍｍ、２．３１９ｍｍ、１．７０８ｍｍ、１．６０３ｍｍとした。更に、定常圧延状態から第１スタンドで出側板厚の目標値を３．３００ｍｍとする場合、最終スタンド出側板厚を１．５５０ｍｍとする場合を実験し、本発明の効果を確認した。表１に実験結果を示す。以下の本発明と記述した実験に関しては、第１スタンド出側や最終スタンド入側の張力制御も適用している。

まず第１スタンドで目標値を変更した場合、本発明を適用しなければ、第１スタンドの板厚が目標値になるまで２．３秒の時間が必要であり、荷重が高くなったことから形状パラメータλ₂が８．８ＭＰａ悪化した。本発明を適用した場合には目標値になるまでに１．７秒の時間が必要で、形状の悪化は０．０ＭＰａであった。形状の改善については本発明の（１）の形状制御の効果に依っており、板厚変化が高応答であったのは張力制御による効果であることは言うまでもない。以上により本発明の効果が確認された。更に両者の圧延後の圧延材の板厚を接触式板厚計にて詳細に調査した結果、本発明を適用した場合には板厚精度は平均値は目標値どおり３．３００ｍｍであり、板厚変動は最高で０．１％であったのに対し、本発明を適用しなかった場合には平均値が目標値からずれて３．３１０ｍｍで板厚変動が０．９％であった。張力一定制御の効果であると考えられる。

次に最終スタンドで目標値を変更した場合、本発明を適用しなれば最終スタンドの板厚画目標値になるまで４．３秒の時間が必要であり、荷重が高くなったことから形状パラメータλ₂が１１．８ＭＰａ悪化した。本発明を適用した場合には目標値になるまでに２．８秒の時間が必要で、形状の悪化は第１スタンドと同様に０．０ＭＰａであった。以上により本発明の効果が確認された。最終スタンド出側でも第１スタンド出側と同様に板厚精度を検証したところ、本発明を適用した場合には平均値は目標値どおり１．５５０ｍｍで板厚変動は０．３％だったが、本発明を適用しなかった場合平均値が１．５６５ｍｍ、板厚変動は１．４％であり、本発明の効果が確認された。

第1スタンドに本発明のマスフローＡＧＣを適用した圧延機及び制御系の構成図である。最終スタンドに本発明のマスフローＡＧＣを適用した圧延機及び制御系の構成図である。第二の発明における、板厚・形状非干渉制御の制御フローである。板厚と圧下の関係を示した一般に知られている原理を示した図である。第一及び第三の発明における、板厚・形状非干渉制御の制御フローである。

符号の説明

１ａ上ワークロール
１ｂ下ワークロール
２ａ上中間ロール
２ｂ下中間ロール
３ａ上バックアップロール
３ｂ下バックアップロール
４熱延鋼板
５板厚計
７荷重検出器
８油圧圧下装置
９板速度計
１０加算器
１１ワークロールベンダー
１２マスフローＡＧＣ制御装置
１３張力ＡＧＣ制御装置
Ｍモーター

Claims

冷間タンデム圧延の第１スタンドにおける板厚制御方法において、第1スタンド出側板厚をマスフロー一定則に従って推定し、第１スタンド出側板厚の目標値と前記推定値との出側板厚偏差に基づいて圧下位置を変更して板厚を制御する際に、別途予め算出しておいた第１スタンド出側板厚に及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数並びに任意のクラウン定義点のメカニカル板クラウンに及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数に基づき、第１スタンドの圧下位置を変更する際のメカニカル板クラウン変化を補償するワークロールベンディング力変更量を算出し、当該ワークロールベンディング力変更量を考慮して目標板厚を実現する第１スタンドの圧下位置を算出し、第１スタンドの圧下位置変更と同時にワークロールベンディング力を変更するとともに、圧下位置を変更する前に任意の一定周期毎に第１スタンド出側張力を測定しておき、第１スタンド出側板厚偏差が特定の範囲内の定常圧延状態であるときの張力を目標値として前記第１スタンド出側張力を保持するために第２スタンドのロール周速度の変更をも同時に行うことを特徴とする冷間タンデム圧延における板厚制御方法。
冷間タンデム圧延の最終スタンドにおける板厚制御方法において、最終スタンド出側板厚をマスフロー一定則に従って推定し、最終スタンド出側板厚の目標値と前記推定値との出側板厚偏差に基づいて圧下位置を変更して板厚を制御する際に、別途予め算出しておいた最終スタンド出側板厚に及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数並びに任意のクラウン定義点のメカニカル板クラウンに及ぼす荷重及びワークロールベンディング力の影響係数に基づき、最終スタンドの圧下位置を変更する際のメカニカル板クラウン変化を補償するワークロールベンディング力変更量を算出し、当該ワークロールベンディング力変更量を考慮して目標板厚を実現する最終スタンドの圧下位置を算出し、最終スタンドの圧下位置変更と同時にワークロールベンディング力を変更することを特徴とする冷間タンデム圧延における板厚制御方法。
圧下位置を変更する前に任意の一定周期毎に最終スタンド入側張力を測定しておき、最終スタンド出側板厚偏差が特定の範囲内の定常圧延状態であるときの張力を目標値として最終スタンド入側張力を保持するために最終スタンドの１つ前スタンドのロール周速度の変更をも同時に行うことを特徴とする請求項２記載の冷間タンデム圧延における板厚制御方法。