JP4869126B2 - 圧延方向に板厚がテーパ状に変化するテーパ鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧延方向に板厚がテーパ状に変化するテーパ鋼板の製造方法に関する。

構造物の軽量化，材料費の低減，溶接工程の省略等の観点から、圧延方向で板厚がテーパ状に変化するように圧延された鋼板が要求されている。この種のテーパ鋼板の圧延には、圧延方向に出側板厚をテーパ状に変化させる板厚制御が必要となる。
通常、平板圧延における板厚制御は、圧延荷重Ｐ，ロールギャップＳ及び鋼板の出側板厚ｈの間に成り立つ下記の（１）式で示される基本的な関係に基づいて行われる。
Ｓ＝ｈ−Ｐ／Ｍ （１）
ここで、Ｍはミル剛性係数である。

（１）式は圧延中の状態で常に成り立つ式であるが、鋼板のかみ込み前の予測計算においても、目標出側板厚ｈ^＊を得るために（１）式と同様の（２）式を用いて予測圧延荷重Ｐ^＊に基づいてロールギャップＳ^＊を設定することが行われている。
Ｓ^＊＝ｈ^＊−Ｐ^＊／Ｍ （２）
そして、（１）式で得られる鋼板の出側板厚ｈを、（２）式で得られる目標出側板厚ｈ^＊に一致させるために下記の（３）式に従ってロールギャップＳを設定制御する。
Ｓ＝Ｓ^＊−１／Ｍ・（Ｐ−Ｐ^＊） （３）

（３）式は絶対値ＡＧＣと称される制御方式であり、平板圧延の板厚制御に広く用いられているが、これをテーパ鋼板の板厚制御に適用する技術として、例えば特許文献１ではでは、上記（３）式をベースとして、目標出側板厚ｈ^*を圧延長に従って時々刻々変更していくためのロールギャップＳを（４）式で与える方法が提案されている。
Ｓ＝Ｓ^*−１／Ｍ・（Ｐ−Ｐ^*）＋Δｈ_Ｔ （４）
ここで、Δｈ_Ｔはかみ込み端を基準にして圧延長に対応した目標出側テーパ板厚変化量である。

また、特許文献２では、ミルヒステリシス等の影響により制御系が不安定になることを防止するために、絶対値ＡＧＣにおいて板厚制御系のゲインであるスケールファクタＫ_Aを使用した場合にも目標とするテーパ板厚が得られるように、目標出側テーパ板厚変化量Δｈ_Tを補正する方法が開示されている。この技術では下記（５）式に従ってロールギャップを設定することで、板厚制御系のゲインであるスケールファクタＫ_Aが１.０より小さい場合でも、出側板厚を目標出側テーパ板厚に一致させ得るようにしている。
Ｓ＝Ｓ^*−Ｋ_A／Ｍ・（Ｐ−Ｐ^*）＋η・Δｈ_T （５）
η＝（Ｍ＋Ｑ（１−Ｋ_A））／Ｍ （６）
ここで、Ｑは被圧延材の塑性係数（−∂Ｐ／∂ｈ）である。

（５），（６）式に基づく板厚制御方法は、テーパ鋼板を圧延する際に圧延荷重変動量を予測し、この予測値に基づいて板厚制御を行うものであり、（７）式と等価である。
Ｓ＝Ｓ^*−Ｋ_A／Ｍ・（Ｐ−Ｐ^*）−（１−Ｋ_A）／Ｍ・ΔＰ’＋Δｈ_T （７）
（７）式中の予測圧延荷重変動量ΔＰ’は、
ΔＰ’＝−Ｑ・Δｈ_T （８）
で示されるが、この式による圧延荷重予測に誤差がある場合、すなわち、ΔＰ’＝Ｐ−Ｐ^*の関係が成り立たない場合には、出側板厚に誤差を生じるという問題がある。

そこで、特許文献３では、被圧延材の塑性係数の長手方向分布（制御のサンプリング点に相当するｉ点圧延時における被圧延材の塑性係数）Ｑ_iを予め求めておき、（９）式によりｉ点圧延時における予測圧延荷重変動量ΔＰ_ｉ’を算出することにより目標通りのテーパ勾配を有するテーパ鋼板が得られる板厚制御方法が提案されている。
ΔＰ_i’＝−Σ（Ｑ_i・Δｈ_n） （９）
ここで、Δｈ_nは目標出側テーパ板厚変化量Δｈ_Tを制御のサンプリング区分でｎ等分したものである。
特開昭５１‐９７５６５号公報 特開平８‐９００３１号公報 特許第３０１６１１９号公報

特許文献３で提案されている方法では、圧延荷重式から得られる圧延荷重予測値を直接用いるのではなく、圧延荷重を板厚で線形近似した塑性係数Ｑ_ｉを用いている。従って、圧延荷重と板厚の関係における線形からのずれ分が板厚制御において誤差要因になりうる。また、隣接するサンプリング点の圧延荷重差が考慮されておらず、制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値に基づいて板厚制御することになり、制御しようとしているサンプリング点とその１つ前のサンプリング点の圧延荷重差分が板厚制御において誤差要因になりうる。

薄板に比べて要求されるテーパ部の板厚精度が緩い厚板では、上記の板厚制御における誤差要因の影響は小さく、問題となりにくい。しかし、冷延材のように板厚が４ｍｍ以下と薄い場合には、テーパ部の板厚精度が厳しいため、板厚制御における誤差要因の影響が無視できなくなる。特に、段差量が大きいほど圧延荷重の予測誤差量が大きくなり、板厚制御における誤差要因の影響が無視できなくなる。テーパ部の開始点と終了点を結ぶ直線からの偏差量が上下面合わせて２０μｍ以下と厳しい板厚精度が要求される場合があり、開始点と終了点の板厚差が０.１ｍｍ以上のテーパ部を有する場合には、その製造は困難である。すなわち、テーパ部を圧延する際に目標とする直線状のプロフィールが得られず、片面において少なくとも１０μｍ以上、上下面合わせて２０μｍ以上の直線からの偏差を生じてしまう。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、圧延方向に板厚が高段差でテーパ状に変化する薄板のテーパ鋼板を、テーパ部板厚を高精度で制御して製造する方法を提供することを目的とする。

本発明のテーパ鋼板の製造方法は、その目的を達成するため、板幅，接触弧長，材料の変形抵抗，圧延機入出側のユニット張力及び圧下力関数からなる圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測するとともに、出側板厚が圧延長に従ってテ−パ状に変化するように隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を変数とし、圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式に基づいてロールギャップを制御することを特徴とする。
圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式として下記（１０）式及び（１１）式を用いる。
Ｓ₀＝ｈ₀−Ｐ₀ ^c／Ｍ （１０）
Ｓ_i＝Ｓ₀−１／Ｍ・（Ｐ_i-1−Ｐ₀ ^c）−１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^c＋Δｈ_i （１１）
ただし、Ｓ₀：基準位置におけるロールギャップ
ｈ₀：基準位置の目標板厚
Ｐ₀ ^c：基準位置の圧延荷重予測値
Ｍ：ミル剛性係数
Ｓ_i：サンプリング点のロールギャップ
Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^c：サンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値
Ｐ_i-1：サンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値
Δｈ_i：サンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差

本発明においては、圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測することにより圧延中の板厚制御を行なっているので、薄板かつ高段差で高精度なテーパ部板厚精度を有するテーパ鋼板の製造が可能となる。
特に、制御しようとしているサンプリング点とその１つ前のサンプリング点の圧延荷重差の予測値によってロールギャップの設定値を補正することにより、ロールギャップの精度を向上させて従来技術と比較して高精度なテーパ部板厚精度を有するテーパ鋼板の製造が可能となる。

本発明者らは、テーパ鋼板の圧延において、圧延荷重の予測誤差量が小さくなり、薄板かつ高段差で高精度なテーパ部板厚精度を有するテーパ鋼板の製造が可能な方法を種々調査検討した。その結果、圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測することにより、高段差のテーパ鋼板の圧延におけるテーパ部板厚精度が向上し、厳しい板厚精度が要求される薄板かつ高段差のテーパ鋼板の製造が可能となることを見出した。
以下に、本発明の実施の形態について、薄板かつ高段差のテーパ鋼板を製造する際の圧延における制御式に基づいて詳しく説明する。

基準位置である先端の目標板厚をｈ_０、基準位置の圧延荷重予測値をＰ₀ ^c、ミル剛性係数をＭとして、基準位置におけるロールギャップＳ₀を（１０）式で設定する。
Ｓ₀＝ｈ₀−Ｐ₀ ^c／Ｍ （１０）
そして、制御の各サンプリング点のロールギャップＳ_ｉを（１１）式で補正する。
Ｓ_i＝Ｓ₀−１／Ｍ・（Ｐ_i-1−Ｐ₀ ^c）−１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^c＋Δｈ_i （１１）
ここで、Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^cはそれぞれ制御しようとしているサンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値、Ｐ_i-1は制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値、Δｈ_iは制御しようとしているサンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差である。

なお、従来技術で示した特許文献１〜３で提案されている方法はいずれも（１１）式における第３項である１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^cが考慮されておらず、本発明を構成する（１１）式はこの第３項により隣接する制御のサンプリング点であるｉ点とｉ−１点との圧延荷重差予測値に基づいてロールギャップ設定値を補正しているところに特徴がある。すなわち、従来技術の方法では、制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値に基づいて板厚制御することになり、制御しようとしているサンプリング点とその１つ前のサンプリング点の圧延荷重差分が板厚制御において誤差要因になりうるのに対して、本発明ではこの圧延荷重差分が板厚制御式の中で考慮されている。

また、（１０）式及び（１１）式中の各圧延荷重Ｐ₀ ^c，Ｐ_i-1 ^c，Ｐ_i ^cの計算においては、Bland ＆ Fordの式，Hillの式等の圧延荷重式を用いる。例えば、Hillの圧延荷重式を用いて圧延荷重を計算する場合には、（１２）〜（１７）式で表される。
Ｐ＝ｂ・Ｌ・（ｋ−(σｂ＋σｆ)／２）・ｆｐ （１２）
Ｌ＝√（Ｒ’・(Ｈ−ｈ)） （１３）
ｆｐ＝1.08＋1.79・μ・ｒ・√（１−ｒ）・√（Ｒ’／ｈ）−1.02・ｒ （１４）
ｒ＝(Ｈ−ｈ)／Ｈ （１５）
Ｒ’＝Ｒ・（１＋Ｃ・Ｐ／(Ｈ−ｈ)） （１６）
Ｃ＝１６・（１−ν^２）／（π・Ｅ） （１７）
ここで、Ｐは圧延荷重、ｂは板幅、Ｈ，ｈは圧延機入側及び出側板厚、ｒは圧下率、Ｒ，Ｒ’はロール半径及び扁平ロール半径、ｋは材料の変形抵抗、σｂ，σｆは圧延機入側及び出側のユニット張力、μは摩擦係数、Ｅはヤング率、νはポアソン比、Ｌは接触弧長、ｆｐは圧下力関数である。

なお、従来技術で示した特許文献１〜３で提案されている方法はいずれも、圧延荷重式から得られる圧延荷重予測値を直接用いるのではなく、圧延荷重を板厚で線形近似した塑性係数Ｑ_ｉを用いているため、圧延荷重と板厚の関係における線形からのずれ分が板厚制御において誤差要因になりうるが、本発明では直接圧延荷重式により圧延荷重を算出しているので、圧延荷重の予測誤差量が小さくなる。

図１はテーパ鋼板を製造する際に、（１０）〜（１７）式に基づいてテーパ鋼板の板厚制御方法を実施するための制御系を示すブロック図である。図中１は圧延機、２はワークロール、３は圧下装置、４は圧下位置検出器、５は圧延荷重計、６はワークロール２の回転数に応じてパルスを出力するパルス発生器、７は板厚計、８は被圧延材を示している。圧延中に圧下位置検出器４により圧下位置を、圧延荷重計５により圧延荷重を、さらにパルス発生器６によりロール周速を検出し、これらの検出結果に基づいて圧下装置３によりロールギャップを調節する。

９は圧延条件入力器、１０は目標板厚差設定器、１１は圧延荷重予測器、１２はロールギャップ設定器、１３はロールギャップ位置制御系を示す。目標板厚差設定器１０は、パルス発生器６から取り込んだパルス数より得られる被圧延材８の圧延長に基づき、制御しようとしているサンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差Δｈ_ｉを算出し、これを圧延荷重予測器１１及びロールギャップ設定器１２へ入力する。なお、被圧延材８の圧延長はパルス数から得られるロール周速に基づき、先進率予測式を用いて板速度を算出することにより得られる。
圧延荷重予測器１１は、目標板厚差設定器１０から入力された被圧延材８の目標出側板厚差Δｈ_ｉと圧延条件入力器９に入力された圧延条件に基づき、Bland ＆ Fordの式，Hillの式等の圧延荷重式により制御しようとしているサンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^cを算出し、これをロールギャップ設定器１２へ入力する。

ロールギャップ設定器１２は、基準位置である先端の目標板厚ｈ₀、圧延荷重予測器１１から入力された基準位置の圧延荷重予測値Ｐ₀ ^cに基づき、前述の（１０）式を用いて基準位置におけるロールギャップＳ₀を算出し、これをロールギャップ位置制御系１３に入力する。
また、ロールギャップ設定器１２では、基準位置におけるロールギャップＳ₀、基準位置の圧延荷重予測値Ｐ₀ ^c、目標板厚差設定器１０から入力された被圧延材８の目標出側板厚差Δｈ_i、圧延荷重予測器１１から入力された圧延荷重予測値Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^c及び制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値Ｐ_i-1に基づき、前述の（１１）式を用いて各サンプリング点のロールギャップＳ_iを算出し、これをロールギャップ位置制御系１３に入力する。

以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１に示した制御系を用いて、図２の形状を有するテーパ鋼板を製造した。圧延素材として、板厚１.６ｍｍ，板幅２５０ｍｍの普通鋼鋼板を用い、目標とするテーパ形状を薄肉部板厚１.０ｍｍ，厚肉部板厚１.３ｍｍ，薄肉部長さ１００ｍｍ，テーパ部長さ３００ｍｍ，厚肉部長さ２００ｍｍの形状とし、全長１０００ｍｍのテーパ鋼板を圧延した。なお、圧延荷重式としては、Hillの式を用いた。また、板厚制御におけるサンプリングタイムについては、圧延長20mm間隔で制御を行うようにした。

従来法として特許文献３で提案されている方法によりテーパ鋼板を製造した場合と、本発明により製造した場合のテーパ部の開始点と終了点を結ぶ直線からの偏差量を比較した。従来法では、圧延荷重を板厚で線形近似するとともに、隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差が考慮されていないため、上下面合わせた偏差量の最大値が３７μｍであったが、本発明法では上下面合わせた偏差量の最大値が１２μｍと大幅に改善されている。すなわち、本発明法により圧延方向に連続的に変化する板厚の最大値が４ｍｍ以下であり、開始点と終了点の板厚差が０.１ｍｍ以上のテーパ部を有するとともに、テーパ部の開始点と終了点を結ぶ直線からの偏差量が上下面合わせて２０μｍ以下であることを特徴とするテーパ鋼板の製造が可能となった。

本発明のテーパ鋼板の製造における板厚制御方法の制御系を示すブロック図 実施例で製造したテーパ形状

符号の説明

１：圧延機 ２：ワークロール
３：圧下装置 ４：圧下位置検出器
５：圧延荷重計 ６：パルス発生器
７：板厚計 ８：被圧延材
９：圧延条件入力器 １０：目標板厚差設定器
１１：圧延荷重予測器 １２：ロールギャップ設定器
１３：ロールギャップ位置制御系

Claims (2)

1. 板幅，接触弧長，材料の変形抵抗，圧延機入出側のユニット張力及び圧下力関数からなる圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測するとともに、出側板厚が圧延長に従ってテーパ状に変化するように隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を変数とし、圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式に基づいてロールギャップを制御することを特徴とする圧延方向に板厚がテーパ状に変化するテーパ鋼板の製造方法。
2. 圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式として下記（１０）式及び（１１）式を用いる請求項１に記載の圧延方向に板厚がテーパ状に変化するテーパ鋼板の製造方法。
   Ｓ₀＝ｈ₀−Ｐ₀ ^c／Ｍ （１０）
   Ｓ_i＝Ｓ₀−１／Ｍ・（Ｐ_i-1−Ｐ₀ ^c）−１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^c＋Δｈ_i （１１）
   ただし、Ｓ₀：基準位置におけるロールギャップ
   ｈ₀：基準位置の目標板厚
   Ｐ₀ ^c：基準位置の圧延荷重予測値
   Ｍ：ミル剛性係数
   Ｓ_i：サンプリング点のロールギャップ
   Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^c：サンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値
   Ｐ_i-1：サンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値
   Δｈ_i：サンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差