JP4752764B2 - 圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置 - Google Patents
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Description
この発明は、金属素材を加熱する工程、圧延、鍛造又は矯正加工する工程、及び、冷却する工程を各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の製品を製造する圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置に関するものである。
鉄合金及びアルミニウム合金を始めとする金属材料において、機械的特性（強度、成形性、靭性等）、電磁的特性（透磁率等）などの材質は、その合金組成だけでなく、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件によっても変化する。合金組成の調整は、成分元素の添加量を制御することで行うが、成分調整時のロット単位が大きく、個々の製品ごとに添加量を変更することは不可能である。したがって、所望の材質の製品を製造するためには、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件を適正にし材質を造り込むことが極めて重要である。
従来、加熱、加工、及び、冷却の各条件に対し、加熱温度目標値、加工後の寸法目標値、冷却速度目標値などが製品仕様毎に長年に亘る経験に基づいて決められ、これを達成するように、温度制御及び寸法制御を行う方法が一般的であった。ところが、近年、製品仕様への要求の高度化、多様化が著しく、経験に基づく決め方ではこれら目標値を必ずしも適正に決めることができず、所望の材質が得られないケースが生じてきていた。
このため、近年、加熱条件、加工条件及び冷却条件から製品の材質を推定する材質モデルを用い、製品の材質が目標値に一致するように各工程の加熱条件、加工条件及び冷却条件を計算により決定する制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
更に、圧延中に板厚、材料温度の実績値を採取し、これを材質予測モデルの入力データとすることで精度向上を図る方法が知られている。この方法は、圧延開始前に鋼材の成分値、圧延後の鋼材サイズ、鋼材材質保証値に基づき、材質モデルを用いて加熱条件、圧延条件、冷却条件を決めるようになっており、さらに、加熱工程、粗圧延工程、及び、仕上圧延工程の後に板厚、材料温度、パス間時間、ロール径、ロール回転数の実績値が得られると、これら実測値に基づき、材質モデルを用いて次工程以降の圧延条件、又は、冷却条件予定を決め直すようにして、製品の材質のばらつきを抑えようとしている（例えば、特許文献２参照）。
一方、材質モデルに代えてニューラルネットワークを用いた制御方法が知られている。この方法は、加工後または熱処理後の金属材料の有する特性を調べ教示データとしてニューラルネットワークに与えることにより、ニューラルネットワークによる予測精度の向上を図っている（例えば、特許文献３参照）。
上記のような材質モデルに基づく制御方法では、材質モデルの予測精度が製品の材質を目標値に一致させるためのキーポイントとなる。ところが、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件と製品の材質の関係は極めて複雑であり、物理冶金学理論や熱力学データの活用に基づく理論式、実験式、又は、実操業データに基づく回帰式などが提案されているものの、いずれの材質モデルによっても、その予測精度は必ずしも十分ではなかった。とりわけ加熱条件、加工条件、冷却条件、又は、合金組成のいずれかが材質モデル同定の対象範囲から外れている場合（例えば合金組成について言えばＣ−Ｓｉ−Ｍｎ系鉄鋼材料以外の多元系合金など）には、精度の悪化が著しかった。また、材質モデルを構成する多数に亘るモデル式の個々の精度は良好であっても、それらの誤差が積み重ねられるため、トータルの精度を良好に保つことは困難であった。これらのため、例え前記の材質モデルに基づく制御方法を用いたとしても、材質モデル自体の精度に起因して、製品の材質を目標値に一致させることが出来ないという問題点は依然として解決され得なかった。
一方、材質モデルに変えてニューラルネットワークを用いた制御方法では、加工後または熱処理後の金属材料の有する特性を調べ教示データとしてニューラルネットワークに与えることによりニューラルネットワークによる予測精度の向上を図っているが、前記のように加熱条件、加工条件、及び、冷却条件と製品の材質の関係は極めて複雑であり、これを精度よく模擬するためには多層に亘る大規模なニューラルネットワークが必要となり、その学習のために膨大な教示データを与えなければならず精度改善に時間がかかる問題点があった。勿論小規模なニューラルネットワークを用いれば教示データが少なく済むが、この場合は適用可能な操業範囲が限定されるという問題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、材質モデルの予測精度が十分に良好でない場合にも、製品の材質を目標値に一致させることを目的としている。
この発明に係る圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法は、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサにより金属材料の材質を測定し、当該測定位置の材質が目標値に一致するように、測定値に基づき材質センサより上流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に修正を加えるようにしたものである。
また、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサにより金属材料の材質を測定し、この測定値を、当該金属材料の加熱条件、加工条件及び冷却条件の実績に基づき材質モデルにより計算した当該測定位置の材質の推定値と比較し、この比較結果に基づいて前記材質モデルに修正を加え、以降は修正後の材質モデルを用いて前記各工程の加熱条件、加工条件及び冷却条件を決定するようにしたものである。
また、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサにより金属材料の材質を測定し、前記材質センサより下流の任意位置に設けられた材質管理ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記測定値に基づき前記材質センサより下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件を材質モデルを用いて計算するようにしたものである。
また、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサにより金属材料の材質を測定し、前記材質センサより下流の任意位置に設けられた材質管理ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記測定値に基づき前記材質センサより下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に修正を加えるようにしたものである。
また、この発明に係る圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御装置は、金属材料を加熱する加熱手段、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工手段、及び、金属材料を冷却する冷却手段とを各々少なくとも１つずつ備え、所望の寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成等の情報に基づいて、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力する設定計算手段と、前記設定値に基づいて加熱装置、加工装置、及び、冷却装置を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装置において、製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質センサの測定値が目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより上流側の加熱手段、加工手段及び冷却手段に対して出力する設定値を補正する加熱補正手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたものである。
また、製造ライン内に設置され、金属材料の材質を測定する材質センサと、当該金属材料の加熱条件、加工条件及び冷却条件の実績に基づき材質モデルにより当該測定位置の材質を推定する材質モデル演算手段と、前記材質センサの測定値と前記材質モデル演算手段の演算結果を比較し材質モデルの誤差を学習する材質モデル学習手段と、前記材質モデル学習手段の学習結果に基づき、前記材質モデル演算手段の演算結果に補正を加え、前記材質モデルに補正を加える材質モデル補正手段とを備え、前記設定計算手段は前記材質モデル補正手段の出力する修正後の材質推定値に基づき、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力するようにしたものである。
また、製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質センサの測定値に基づき前記材質センサより下流の任意の位置に設けられた材質管理ポイントにおける材質を材質モデルにより推定する材質モデル演算手段とを備え、前記設定計算手段は、前記材質モデル演算手段の演算結果が上位計算機から与えられる材質目標値に一致するように、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力するようにしたものである。
また、製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質センサより下流の任意位置に設けられた材質管理ポイントにおける材質が上位計算機から与えられる目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより下流側の加熱手段、加工手段及び冷却手段に対して出力する設定値を補正する加熱補正手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたものである。
この発明によれば、材質センサの測定位置の材質が目標値に一致するように制御を行うことが可能となる。また、以降に加工される材料において、材質センサの測定位置の材質が目標値に一致するように制御を行うことが可能になる。また、材質センサ位置における材質のバラツキに起因する材質推定誤差をなくすことができ、材質制御ポイントにおける材質が目標値に一致するように制御を行うことが可能となる。さらに、材質センサ位置における材質のバラツキに起因する材質推定誤差をなくすことができ、材質制御ポイントにおける材質を一定に保つように制御を行うことが可能となる。
１ 金属素材からなる被圧延材
２ 加熱装置
３ 圧延機等の加工装置
４ 冷却装置
５ 上位計算機
６ 設定計算手段
７ 加熱コントローラ
８ 加工（圧延）コントローラ
９ 冷却コントローラ
１０ 材質センサ
１１ 加熱補正手段
１２ 加工補正手段
１３ 冷却補正手段
１４ 材質モデル
１５ 材質モデル学習手段
１６ 材質モデル補正手段
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１５ 材質モデル学習手段
１６ 材質モデル補正手段
この発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従って実施例を説明する。この実施例では、金属製品製造ラインの一例として鉄鋼材料の圧延ラインを挙げるが、金属素材に対し、加熱、加工、及び、冷却の各工程を少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の製品を製造する鍛造又は矯正等の製造ラインについても同様にこの発明を適用することが可能である。
図５は、この発明の前提となる従来の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置を示すブロック図である。図５に示すように、鉄合金やアルミニウム合金等の金属素材からなる被圧延材１は、加熱装置２で加熱された後、圧延機等の加工装置３により加工され所望の寸法形状の製品となり、その後冷却装置４で冷却され製品となる。なお、加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４は各々複数あってもよく、また配置順序も任意である。加熱装置２は燃料ガスを燃焼させて材料を加熱するのが一般的であるが、誘導加熱により材料を加熱するもの等を用いることも出来る。加熱後の材料温度は金属素材の合金組成、加工方法、及び要求される製品仕様により異なるが、例えば、鋼材を熱間又は温間で圧延し薄板を製造する場合には、５００〜１３００℃程度とする。また、アルミニウムを熱間又は温間で圧延し薄板を製造する場合には、１５０〜６００℃程度とする。加工装置３にはリバース圧延機またはタンデム圧延機を用いるが、代わりに鍛造機又は矯正機等を用いることも出来る。圧延機にはロールを駆動するモータドライブ装置、ロールの開度を変更する圧下装置などが備えられているが図示省略する。また、圧延機はそのロール回転方向を逆転させることにより、材料を複数回変形させることができる。冷却装置４は、上下に多数設置した配管から材料表面に冷却水をかけ、材料の温度を低下させる。冷却水配管には流量調整バルブがありこの開度を変更することにより冷却速度を変えることが出来る。
この圧延設備の制御にあたっては、まず、上位計算機５から設定計算手段６に対して、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成（合金成分の含有率）等の目標値が与えられる。設定計算手段６は、これら上位計算機５からの情報に基づいて、製品の寸法形状を目標値に一致させるように、種々の制約条件を考慮して、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件等を決定する。加熱条件とは、加熱温度ＴCAL、加熱時間等である。加工条件とは圧延機の各パス出側板厚（パススケジュール）ｈCAL、各パス圧延速度（ロール回転速度）ＶCAL、パス間待機期間ｔCAL等である。また、冷却条件とは圧延機下流の冷却装置４における冷却速度αCAL等である。制約条件については、例えば、圧下装置の圧延荷重定格の制約、モータパワーの制約、ロールへの噛込み角の制約、板の平坦度を良好に保つための圧延荷重に対する操業上の制約、及び、モータ最大回転数の制約等がある。制約条件下での求解の数学的手法は、線形計画法、ニュートン法など様々なものが知られており、求解の安定性、収束速度などに配慮して選定すればよい。このようなパススケジュール計算法として、例えば日本特許第２６３５７９６号に開示されている方法がある。加熱コントローラ７は、設定計算手段６の結果に基づき、加熱炉へ供給する燃料ガスの流量を操作したり、誘導加熱装置の電力量を操作したり、又は、材料の炉内滞在時間を変更することにより材料への入熱量を調整する。加工（圧延）コントローラ８は、設定計算手段６の結果に基づき、ロール開度、ロール速度などを操作する。冷却コントローラ９は、設定計算手段６の結果に基づき、冷却水の流量、圧力を操作し冷却装置の冷却速度を変化させる。
この圧延設備の制御にあたっては、まず、上位計算機５から設定計算手段６に対して、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成（合金成分の含有率）等の目標値が与えられる。設定計算手段６は、これら上位計算機５からの情報に基づいて、製品の寸法形状を目標値に一致させるように、種々の制約条件を考慮して、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件等を決定する。加熱条件とは、加熱温度ＴCAL、加熱時間等である。加工条件とは圧延機の各パス出側板厚（パススケジュール）ｈCAL、各パス圧延速度（ロール回転速度）ＶCAL、パス間待機期間ｔCAL等である。また、冷却条件とは圧延機下流の冷却装置４における冷却速度αCAL等である。制約条件については、例えば、圧下装置の圧延荷重定格の制約、モータパワーの制約、ロールへの噛込み角の制約、板の平坦度を良好に保つための圧延荷重に対する操業上の制約、及び、モータ最大回転数の制約等がある。制約条件下での求解の数学的手法は、線形計画法、ニュートン法など様々なものが知られており、求解の安定性、収束速度などに配慮して選定すればよい。このようなパススケジュール計算法として、例えば日本特許第２６３５７９６号に開示されている方法がある。加熱コントローラ７は、設定計算手段６の結果に基づき、加熱炉へ供給する燃料ガスの流量を操作したり、誘導加熱装置の電力量を操作したり、又は、材料の炉内滞在時間を変更することにより材料への入熱量を調整する。加工（圧延）コントローラ８は、設定計算手段６の結果に基づき、ロール開度、ロール速度などを操作する。冷却コントローラ９は、設定計算手段６の結果に基づき、冷却水の流量、圧力を操作し冷却装置の冷却速度を変化させる。
図１は、この発明の実施例１の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置を示すブロック図である。
設定計算手段６、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、冷却コントローラ９、加熱装置２、加工装置３及び冷却装置４の作用は、この発明の前提となる従来のものと同様である。
ライン内の加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の少なくともいずれか１つより下流側の任意の位置に材質センサ１０を設置する。なお、材質センサ１０より上流側の加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４は各々複数あってもよく、また配置順序も任意である。この材質センサ１０は耐久性等の観点から非接触、非破壊のものが望ましく、透磁率などの材質を直接測定するものの他、電気抵抗、超音波の伝播特性、放射線の散乱特性など材質と強い相関を示す物理量を検出し、結晶粒径、成形性などの材質に換算することで間接的に測定するものを用いることが出来る。このような材質センサ１０は様々なものがあり、例えば、日本特開昭５７−５７２５５号には、材料内に打ち込んだ超音波の強度変化又は伝播速度の検出値に基づいて材料の結晶粒径又は集合組織を測定する方法が開示されている。なお、超音波の送受信には近年開発されたレーザ超音波装置、又は電磁超音波装置などを用いることができ、例えば、日本特開２００１−２５５３０６号には、レーザ超音波装置の一例が開示されている。レーザ超音波装置は材料表面から材質センサまでの距離を長く取ることが出来る特徴があり、とりわけ熱間測定、及び、オンライン測定を行う必要がある場合には利用価値が高い。また、日本特開昭５６−８２４４３号には、磁束検出器で検出される磁束強度から鋼材の変態量を測定する装置が開示されている。さらに、日本特公平６−８７０５４号には、電磁超音波を利用したランクフォード値の測定方法が開示されている。
上位計算機５から設定計算手段６に対しては、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成（合金成分の含有率）等の目標値に加え、材質センサ１０による材質測定位置で達成すべき材質の目標値が与えられる。この材質とは、例えば、引張り強さ、耐力、靱性、及び、延性などの機械的特性、透磁率などの電磁気的特性、或いは、それらと強い相関を持つ結晶粒径、結晶方位の配向性、各種の結晶組織の存在比率のうちのいくつかである。
加熱補正手段１１は、材質センサ１０の測定値に基づいて加熱温度を補正し、加熱コントローラ７に出力する。この補正は、例えば次式により行う。
設定計算手段６、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、冷却コントローラ９、加熱装置２、加工装置３及び冷却装置４の作用は、この発明の前提となる従来のものと同様である。
ライン内の加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の少なくともいずれか１つより下流側の任意の位置に材質センサ１０を設置する。なお、材質センサ１０より上流側の加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４は各々複数あってもよく、また配置順序も任意である。この材質センサ１０は耐久性等の観点から非接触、非破壊のものが望ましく、透磁率などの材質を直接測定するものの他、電気抵抗、超音波の伝播特性、放射線の散乱特性など材質と強い相関を示す物理量を検出し、結晶粒径、成形性などの材質に換算することで間接的に測定するものを用いることが出来る。このような材質センサ１０は様々なものがあり、例えば、日本特開昭５７−５７２５５号には、材料内に打ち込んだ超音波の強度変化又は伝播速度の検出値に基づいて材料の結晶粒径又は集合組織を測定する方法が開示されている。なお、超音波の送受信には近年開発されたレーザ超音波装置、又は電磁超音波装置などを用いることができ、例えば、日本特開２００１−２５５３０６号には、レーザ超音波装置の一例が開示されている。レーザ超音波装置は材料表面から材質センサまでの距離を長く取ることが出来る特徴があり、とりわけ熱間測定、及び、オンライン測定を行う必要がある場合には利用価値が高い。また、日本特開昭５６−８２４４３号には、磁束検出器で検出される磁束強度から鋼材の変態量を測定する装置が開示されている。さらに、日本特公平６−８７０５４号には、電磁超音波を利用したランクフォード値の測定方法が開示されている。
上位計算機５から設定計算手段６に対しては、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成（合金成分の含有率）等の目標値に加え、材質センサ１０による材質測定位置で達成すべき材質の目標値が与えられる。この材質とは、例えば、引張り強さ、耐力、靱性、及び、延性などの機械的特性、透磁率などの電磁気的特性、或いは、それらと強い相関を持つ結晶粒径、結晶方位の配向性、各種の結晶組織の存在比率のうちのいくつかである。
加熱補正手段１１は、材質センサ１０の測定値に基づいて加熱温度を補正し、加熱コントローラ７に出力する。この補正は、例えば次式により行う。
なお、誘導加熱による加熱装置を用いると、半導体回路等によりコイルに供給する電力量を変更することにより材料の昇温量を素早く調整することができるので、ゲインＫ１を高めることができ、より精度の良い材質制御を行うことができ好適である。
次に、加工補正手段１２は、材質センサ１０の測定値に基づいて加工装置３の各パスの変形量、各パスの変形速度、及び、各パスの加工間隔等の加工条件が適正になるように、各パス出側板厚ｈCAL、各パスの圧延速度ＶCAL、又は、パス間待機時間ｔCALを補正し、加工コントローラ８に出力する。例えば、いずれかのパス間時間ｔCALを補正する場合には、次式により行う。
なお、各パス出側板厚ｈCAL、各パスの圧延速度ＶCALを補正する場合もほぼ同様である。
更に、冷却補正手段１３は、材質センサ１０の測定値に基づいて例えば冷却速度を補正し、冷却コントローラ９へ出力する。この補正は、例えば次式により行う。
ところで、熱間圧延ラインには圧延機の出側に流量可変の多数の冷却水ノズルを配列した冷却装置が配置されていることが多く、とりわけ鉄系合金、アルミニウム系合金、銅系合金、及び、チタン系合金等では、この冷却装置の各ノズルの流量を変更することにより冷却速度とそのパターンを変化させ、多様な特性を持つ製品を作り分けることが可能であり、この冷却装置の制御が極めて重要である。このような場合には、加工工程と冷却工程の間及び冷却工程の出側の両方若しくはいずれか片方に材質センサを設置することにより、制御遅れを最小限にすることができるので、より精度の良い制御ができる。勿論冷却工程の間に材質センサを設置することもできるが、この場合は冷却水の飛沫等による測定値への外乱を除く対策が必須となる。
なお、上記において材質モデルは、パススケジュール、ロール速度、材料温度等を入力条件とし、ライン内での材質変化を予測計算するもので、様々なものが提案されており、静的再結晶、静的回復、動的再結晶、動的回復、粒成長などを表す数式群からなるものが広く知られている。一例として、「塑性加工技術シリーズ７ 板圧延 」、コロナ社、ｐ.１９８−２２９に掲載されているものがある。この教科書には、理論式とその原典が記載されている。但し、このような理論式が確立されているのは多岐に亘る合金種のうちの一部に過ぎず、未だ理論式が確立されていない合金種も多い。このような場合には実操業データに基づき、統計的処理により導かれた簡易モデルで代用する。このような簡易モデルは例えば、「材料とプロセス」、財団法人日本鉄鋼協会、２００４年Ｖｏｌ.１７、ｐ.２２７に掲載されているものがある。
以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサ１０による材質の測定値に基づいて、当該測定位置の材質が目標値に一致するように加熱装置２、加工装置３及び冷却装置４を制御することが可能となる。
以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサ１０による材質の測定値に基づいて、当該測定位置の材質が目標値に一致するように加熱装置２、加工装置３及び冷却装置４を制御することが可能となる。
図２は、この発明の実施例２の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置を示すブロック図である。
材質センサ１０、加熱装置２、加工装置３、冷却装置４、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、及び冷却コントローラ９は実施例１のものと同様である。また、上位計算機５からは、実施例１と同様、金属素材の寸法、製品寸法等に加え、材質センサ１０位置における材質の目標値ＸAIMが与えられる。材質モデル１４は設定計算手段６から製造条件が与えられ、上位計算機５から出側材質基準値ＸREFが与えられる。
材質モデル学習手段１５は、材質センサ１０による測定値ＸACTを、材質モデルによる当該測定位置の材質推定値ＸMDLと比較し、この比較結果に基づいて材質モデル補正手段１６において材質モデル推定値ＸMDLに修正を加える。この材質モデルは、実施例１と同様である。
材質モデルの修正は、例えば次のように行う。
まず、材質モデルの学習による補正項（以降、学習項と記す）Ｚを用意する。Ｚの初期値はゼロとしておく。
材質センサ１０よる測定値が得られると、材質センサ１０よる測定値ＸACTと学習による補正を加える前の材質モデルによる材質推定値ＸMDLの偏差δをとる。
材質センサ１０、加熱装置２、加工装置３、冷却装置４、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、及び冷却コントローラ９は実施例１のものと同様である。また、上位計算機５からは、実施例１と同様、金属素材の寸法、製品寸法等に加え、材質センサ１０位置における材質の目標値ＸAIMが与えられる。材質モデル１４は設定計算手段６から製造条件が与えられ、上位計算機５から出側材質基準値ＸREFが与えられる。
材質モデル学習手段１５は、材質センサ１０による測定値ＸACTを、材質モデルによる当該測定位置の材質推定値ＸMDLと比較し、この比較結果に基づいて材質モデル補正手段１６において材質モデル推定値ＸMDLに修正を加える。この材質モデルは、実施例１と同様である。
材質モデルの修正は、例えば次のように行う。
まず、材質モデルの学習による補正項（以降、学習項と記す）Ｚを用意する。Ｚの初期値はゼロとしておく。
材質センサ１０よる測定値が得られると、材質センサ１０よる測定値ＸACTと学習による補正を加える前の材質モデルによる材質推定値ＸMDLの偏差δをとる。
以降、設定計算においては、材質モデルによる推定値ＸMDLを次式により補正した値を材質推定値ＸCALとして用いる。
なお、材質モデルの学習項の更新方法は前記の指数平滑法に限らず、例えば、目標板厚、目標板幅、合金種などを層別キーとするデータベースに学習結果を保存する層別学習法や、同様のパラメータと前記の材質偏差δを教示データとするニューラルネットワークによる学習法を用いることができる。
図３は、この発明の実施例３の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置を示すブロック図である。
設定計算手段６、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、冷却コントローラ９、加熱装置２、加工装置３及び冷却装置３の作用は、この発明の前提となる従来のものと同様である。
ライン内の加熱装置２、加工装置３、又は、冷却装置４の少なくともいずれか一つより上流の任意の位置に材質センサ１０を設置する。なお、材質センサ１０より下流側の加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４は各々複数あってもよく、また配置順序も任意である。
また、ライン内の材質センサ１０より下流側の任意の点を材質制御ポイントとする。なお、リバース式圧延機の場合には、材質センサ１０により材質を測定したパスよりも後のパスであれば、物理的な機器配置に関わらず、ライン上の任意の位置を材質制御ポイントとすることができる。上位計算機５から設定計算手段６に対しては、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成（合金成分の含有率）等に加え、材質制御ポイントにおいて要求される材質の目標値ＸAIMが与えられる。
なお、材質制御ポイントにおける目標材質は、材質センサ１０で検出する材質と異なる種類の材質でもよい。例えば、鉄鋼のホットストリップミルにおいて、仕上圧延機出側のオーステナイト粒径と、巻取機入側のフェライト粒径には強い相関があるので、仕上圧延機出側に設置した材質センサでオーステナイト粒径を検出し、巻取機入側の材質制御ポイントにおけるフェライト粒径を目標値に一致させるように制御するようにする。
材質モデル１４は、実施例１に示したものと同様であり、設定計算手段６から加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の操業条件が与えられると、入側材質基準値ＹACTを基点として材質制御ポイントにおける材質推定値ＸCALを計算する。
設定計算手段６は、前記諸制約条件に加えて、材質制御ポイントの材質推定値ＸCALを目標値ＸAIMに一致させるという条件を満足するように、材質モデル１４を用いて加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の設定値を決定する。
例えば、次のような修正操作を数回繰り返すことにより上記条件を満たす加熱条件、加工条件、及び、冷却条件を得ることが出来る。
まず、加熱装置の加熱温度設定値については、次のように修正する。
設定計算手段６、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、冷却コントローラ９、加熱装置２、加工装置３及び冷却装置３の作用は、この発明の前提となる従来のものと同様である。
ライン内の加熱装置２、加工装置３、又は、冷却装置４の少なくともいずれか一つより上流の任意の位置に材質センサ１０を設置する。なお、材質センサ１０より下流側の加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４は各々複数あってもよく、また配置順序も任意である。
また、ライン内の材質センサ１０より下流側の任意の点を材質制御ポイントとする。なお、リバース式圧延機の場合には、材質センサ１０により材質を測定したパスよりも後のパスであれば、物理的な機器配置に関わらず、ライン上の任意の位置を材質制御ポイントとすることができる。上位計算機５から設定計算手段６に対しては、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成（合金成分の含有率）等に加え、材質制御ポイントにおいて要求される材質の目標値ＸAIMが与えられる。
なお、材質制御ポイントにおける目標材質は、材質センサ１０で検出する材質と異なる種類の材質でもよい。例えば、鉄鋼のホットストリップミルにおいて、仕上圧延機出側のオーステナイト粒径と、巻取機入側のフェライト粒径には強い相関があるので、仕上圧延機出側に設置した材質センサでオーステナイト粒径を検出し、巻取機入側の材質制御ポイントにおけるフェライト粒径を目標値に一致させるように制御するようにする。
材質モデル１４は、実施例１に示したものと同様であり、設定計算手段６から加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の操業条件が与えられると、入側材質基準値ＹACTを基点として材質制御ポイントにおける材質推定値ＸCALを計算する。
設定計算手段６は、前記諸制約条件に加えて、材質制御ポイントの材質推定値ＸCALを目標値ＸAIMに一致させるという条件を満足するように、材質モデル１４を用いて加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の設定値を決定する。
例えば、次のような修正操作を数回繰り返すことにより上記条件を満たす加熱条件、加工条件、及び、冷却条件を得ることが出来る。
まず、加熱装置の加熱温度設定値については、次のように修正する。
次に、加工装置の各パスの変形量、各パスの変形速度、及び、各パスの加工間隔等の加工条件が適正になるように、各パスの出側板厚ｈCAL、各パスの圧延速度ＶCAL、又は、パス間待機時間ｔCALを修正する。例えば、いずれかのパス間時間ｔCALを修正する場合には、次式により行う。
なお、各パス出側板厚ｈCAL、各パスの圧延速度ＶCALを補正する場合もほぼ同様である。
更に、冷却速度を補正修正する。この修正は、例えば次式により行う。
以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサによる素材又は中間製品の材質の測定値に基づいて、材質制御ポイントにおける材質が目標値に一致するように加熱装置、加工装置及び冷却装置を制御することが可能となる。
図４は、この発明の実施例４の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置を示すブロック図である。
設定計算手段６、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、冷却コントローラ９、加熱装置２、加工装置３及び冷却装置３の作用は、この発明の前提となる従来のものと同様である。また、実施例３と同様に、入側材質基準値ＹREFが与えられる。
材質モデル１４は、実施例１に示したものと同様であり、設定計算手段６から加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の操業条件が与えられると、入側材質基準値ＹREFを基点として材質制御ポイントにおける材質推定値ＸCALを計算する。
材料が材質センサ位置に到達する以前に、設定計算手段６は、この発明の前提となる従来のものと同様に加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の設定値を決定する。材料が材質センサ位置に到達し材質センサ位置の材質実測値（以下、入側材質測定値ＹACTと記す）が得られると、これを、前記入側材質基準値ＹREFと比較する。その比較結果に基づき、加熱補正手段、加工補正手段、及び、冷却補正手段は、設定計算による加熱温度、各パス出側板厚、各パス圧延温度、及び、冷却速度などの設定値に対して補正を加える。
加熱補正手段１１は、材質センサ１０の測定値に基づいて加熱温度を補正し、加熱コントローラ７に出力する。この補正は、例えば次式により行う。
設定計算手段６、加熱コントローラ７、加工コントローラ８、冷却コントローラ９、加熱装置２、加工装置３及び冷却装置３の作用は、この発明の前提となる従来のものと同様である。また、実施例３と同様に、入側材質基準値ＹREFが与えられる。
材質モデル１４は、実施例１に示したものと同様であり、設定計算手段６から加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の操業条件が与えられると、入側材質基準値ＹREFを基点として材質制御ポイントにおける材質推定値ＸCALを計算する。
材料が材質センサ位置に到達する以前に、設定計算手段６は、この発明の前提となる従来のものと同様に加熱装置２、加工装置３、及び、冷却装置４の設定値を決定する。材料が材質センサ位置に到達し材質センサ位置の材質実測値（以下、入側材質測定値ＹACTと記す）が得られると、これを、前記入側材質基準値ＹREFと比較する。その比較結果に基づき、加熱補正手段、加工補正手段、及び、冷却補正手段は、設定計算による加熱温度、各パス出側板厚、各パス圧延温度、及び、冷却速度などの設定値に対して補正を加える。
加熱補正手段１１は、材質センサ１０の測定値に基づいて加熱温度を補正し、加熱コントローラ７に出力する。この補正は、例えば次式により行う。
次に、加工補正手段１２は、材質センサ１０の測定値に基づいて加工装置３の各パスの変形量、各パスの変形速度、及び、各パスの加工間隔等の加工条件が適正になるように、各パス出側板厚ｈCAL、各パスの圧延速度ＶCAL、又は、パス間待機時間ｔCALを補正し、加工コントローラ８に出力する。例えば、いずれかのパス間時間を補正する場合には、次式により行う。
更に、冷却補正手段１２は、材質センサ１０の測定値に基づいて例えば冷却速度を補正し、冷却コントローラ９へ出力する。この補正は、例えば次式により行う。
以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサによる素材又は中間製品の材質の測定値に基づいて、材質制御ポイントの材質が目標値に一致するように加熱装置、加工装置及び冷却装置を制御することが可能となる。
この発明の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置は、特に、レーザ超音波による結晶粒径センサと誘導加熱装置を用いた鉄鋼熱間圧延ラインの材質制御に適用することができる。
Claims (6)
- 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、ロール鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、
製造ライン内の前記工程のいずれかの下流側において、製造中の金属材料に励起用レーザー光を照射し金属材料内に超音波を発生させ、金属材料内部を伝播した前記超音波を、前記励起用レーザー光とは別途に検出用レーザー光を照射しその反射光と照射光を干渉させて検出し、検出された前記超音波の伝播特性に基づき前記金属材料の材質を測定し、
前記測定値と目標値の偏差を計算し、加熱工程、加工工程、及び、冷却工程の各工程の条件変更が前記材質測定位置における材質に及ぼす影響を示す影響係数を、パススケジュール、ロール速度、材料温度に基づき材質モデルを用いて各々計算し、
前記各工程の応答に基づき前記各工程の補正ゲインを決定し、
さらに、各工程への補正量の配分を表す重み係数を決定し、
これら、前記の材質測定値偏差、各影響係数、各補正ゲイン、及び、各重み係数に基づき、前記材質測定位置において材質が目標値に一致するように、前記材質測定位置より上流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に修正を加えることを特徴とする圧延、ロール鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。 - 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、ロール鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、
製造ライン内の前記工程のいずれかの上流側において、製造中の金属材料に励起用レーザー光を照射し金属材料内に超音波を発生させ、金属材料内部を伝播した前記超音波を、前記励起用レーザー光とは別途に検出用レーザー光を照射しその反射光と照射光を干渉させて検出し、検出された前記超音波の伝播特性に基づき前記金属材料の材質を測定し、
前記測定値と目標値の偏差を計算し、前記材質測定位置での材質の変化が前記材質測定位置より下流の任意位置に設けられた材質制御ポイントにおける材質に及ぼす影響を示す影響係数、及び、前記の加熱工程、加工工程、並びに、冷却工程の各工程の条件変更が前記材質制御ポイントにおける材質に及ぼす影響を示す影響係数を、パススケジュール、ロール速度、材料温度に基づき材質モデルを用いて各々計算し、
前記各工程の応答に基づき前記各工程の補正ゲインを決定し、
前記各工程への補正量の配分を表す重み係数を決定し、
これら、前記の材質測定値偏差、全ての影響係数、各補正ゲイン、及び、各重み係数に基づき、前記材質制御ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記材質測定位置より下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に修正を加えることを特徴とする圧延、ロール鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。 - 加熱工程では誘導加熱により材料を加熱するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧延、ロール鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
- 金属材料を加熱する加熱装置、金属材料を圧延、ロール鍛造若しくは矯正加工する加工装置、及び、金属材料を冷却する冷却装置とを各々少なくとも１つずつ備え、所望の寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成の情報に基づいて、前記の加熱装置、加工装置、及び、冷却装置の設定値を計算し出力する設定計算手段と、前記設定値に基づいて前記の加熱装置、加工装置、及び、冷却装置を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装置において、
製造ライン内の前記の各装置のいずれかの下流側に設置され、製造中の金属材料に励起用レーザー光を照射し金属材料内に超音波を発生させ、金属材料内部を伝播した前記超音波を、前記励起用レーザー光とは別途に検出用レーザー光を照射しその反射光と照射光を干渉させて検出し、検出された前記超音波の伝播特性に基づき前記金属材料の材質を測定する材質センサと、
前記測定値と目標値との偏差を計算する材質測定値偏差計算手段と、
前記の加熱装置、加工装置、及び、冷却装置の各装置の条件変更が前記材質センサ位置における材質に及ぼす影響を示す影響係数を、パススケジュール、ロール速度、材料温度に基づき材質モデルを用いて各々計算する影響係数決定手段と、
前記各装置の応答に基づき前記各装置の補正ゲインを計算するゲイン決定手段と、
前記各装置への補正量の配分を表す重み係数を決定する重み係数計算手段と、
これら、前記の材質測定値偏差、各影響係数、各補正ゲイン、及び、各重み係数に基づき、前記材質測定位置において材質が目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより上流側の少なくとも一つの加熱装置、加工装置及び冷却装置に対する設定値を補正する加熱補正手段、加工補正手段及び・又は冷却補正手段とを備えたことを特徴とする圧延、ロール鍛造又は矯正ラインの材質制御装置。 - 金属材料を加熱する加熱装置、金属材料を圧延、ロール鍛造若しくは矯正加工する加工装置、及び、金属材料を冷却する冷却装置とを各々少なくとも１つずつ備え、所望の寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成の情報に基づいて、前記の加熱装置、加工装置、及び、冷却装置の設定値を計算し出力する設定計算手段と、前記設定値に基づいて前記の加熱装置、加工装置、及び、冷却装置を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装置において、
製造ライン内の前記各装置のいずれかの上流側に設置され、金属材料に励起用レーザー光を照射し金属材料内に超音波を発生させ、金属材料内部を伝播した前記超音波を、前記励起用レーザー光とは別途に検出用レーザー光を照射しその反射光と照射光を干渉させて検出し、検出された前記超音波の伝播特性に基づき前記金属材料の材質を測定する材質センサと、
前記測定値と目標値との偏差を計算する材質測定値偏差計算手段と、
前記材質センサ位置での材質の変化が前記材質センサ位置より下流の任意位置に設けられた材質制御ポイントにおける材質に及ぼす影響を示す影響係数、及び、前記の加熱装置、加工装置、並びに、冷却装置の各装置の条件変更が前記材質制御ポイントにおける材質に及ぼす影響を示す影響係数を、パススケジュール、ロール速度、材料温度に基づき材質モデルを用いて各々計算する影響係数決定手段と、
前記各装置の応答に基づき前記各装置の補正ゲインを計算するゲイン決定手段と、
前記各装置への補正量の配分を表す重み係数を決定する重み係数計算手段と、
これら、前記の材質測定値偏差、全ての影響係数、各補正ゲイン、及び、各重み係数に基づき、前記材質制御ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記材質センサより下流側の前記の加熱装置、加工装置及び冷却装置に対する設定値を補正する加熱補正手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたことを特徴とする圧延、ロール鍛造又は矯正ラインの材質制御装置。 - 加熱装置では誘導加熱装置により材料を加熱するようにしたことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の圧延、ロール鍛造又は矯正ラインの材質制御装置。
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