JP4869127B2 - 圧延方向に板厚がテーパ状に変化するテーパ鋼板の板厚制御方法 - 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を圧延する際の板厚制御方法に関する。

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−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、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、切り板等のように圧延長が短く、熱膨張等の影響によりロール径が変化しないとともに、制御のサンプリングタイムが短く、隣接するサンプリング点であるｉ点とｉ−１点との圧延荷重差が小さい場合には目標通りのテーパ勾配を有するテーパ鋼板が得られる。
しかし、同一テーパ形状のテーパ鋼板を繰り返し圧延するテーパ鋼板の連続成形においては、圧延長が長くなると、ロールの温度が上昇し、熱膨張等の影響によりロール径が大きくなり、出側板厚に誤差を生じる場合があった。また、制御系のプロセスコンピュータの容量等の観点から、制御のサンプリングタイムを短くすることができず、サンプリングタイムが長くなる場合には、隣接するサンプリング点であるｉ点とｉ−１点との圧延荷重差が大きくなり、目標通りのテーパ勾配を有するテーパ鋼板が得られない場合があった。

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、同一テーパ形状のテーパ鋼板を繰り返し圧延するテーパ鋼板の連続成形において圧延長が長くなる場合においても、制御のサンプリングタイムにかかわらず板厚精度の高いテーパ鋼板の圧延が可能な方法を提供することを目的とする。

本発明の圧延方向に板厚がテーパ状に変化するテーパ鋼板の板厚制御方法は、その目的を達成するため、予測圧延荷重と圧延荷重，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設定し板厚制御を行う制御系を用い、目標出側板厚を圧延長に従ってテーパ状に変更することにより出側板厚を圧延方向に連続的に変化させるテーパ鋼板の板厚制御方法において、隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差予測値及び板厚測定値に基づいてロールギャップ設定値を補正することを特徴とする。
また、同一テーパ形状のテーパ鋼板を繰り返し圧延するテーパ鋼板の圧延において、繰り返しの１サイクル内で隣接する制御のサンプリング点間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するとともに、サイクル間で板厚測定値に基づいてロールギャップ設定値を補正することを特徴とする。

本発明においては、繰り返しのサイクル間で板厚測定値に基づいてロールギャップ設定値を補正した板厚制御式を用いるとともに１サイクル内で隣接する制御のサンプリング点間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た板厚制御式を用いているので、同一テーパ形状のテーパ鋼板を繰り返し圧延するテーパ鋼板の連続成形において圧延長が長くなる場合においても、サンプリングタイムにかかわらず板厚精度の高いテーパ鋼板の圧延が可能となる。

本発明者らは、ロール径の変化の影響を考慮した板厚制御式を用いることにより同一テーパ形状のテーパ鋼板を繰り返し圧延するテーパ鋼板の連続成形において圧延長が長くなり、熱膨張等の影響によりロール径が変化する場合においても、板厚精度の高いテーパ鋼板の圧延が可能な板厚制御方法を種々調査検討した。
その結果、繰り返しのサイクル間で板厚測定値に基づいてロールギャップ設定値を補正した板厚制御式を用いることにより、ロール径変化の影響が考慮され、出側板厚の誤差が少なくなることを見出した。また、制御のサンプリングタイムにかかわらず板厚精度の高いテーパ鋼板の圧延が可能な板厚制御方法について種々調査検討した結果、繰り返しの１サイクル内で隣接する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た板厚制御式を用いることにより、サンプリングタイムが長く、隣接するサンプリング点間の圧延荷重差が大きくなる場合にも、目標通りのテーパ勾配を有するテーパ鋼板が得られことを見出した。

以下に、本発明の実施の形態について、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ｈ₀、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、同一テーパ形状のテーパ鋼板の繰り返し圧延における１サイクル内で、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。

また、繰り返し圧延におけるサイクル間で、繰り返しの１サイクルの終わりのサンプリング点におけるロールギャップＳ_mを（１２）式で補正する。
Ｓ_m＝Ｓ₀−１／Ｍ・(Ｐ_m-1−Ｐ₀ ^c)−１／Ｍ・(Ｐ_m ^c−Ｐ_m-1 ^c)・Ｐ_m-1／Ｐ_m-1 ^c
＋Δｈ_m＋（ｈ_j−ｈ_j ^m）・α （１２）
ここで、ｍ点は繰り返しの１サイクルの終わりのサンプリング点、ｊ点は繰り返しの１サイクルにおける任意のサンプリング点を示す。Ｐ_m ^c，Ｐ_m-1 ^cはそれぞれ制御しようとしているサンプリング点であるｍ点と１つ前のサンプリング点であるｍ−１点の圧延荷重予測値、Ｐ_m-1はｍ−１点の圧延荷重測定値、Δｈ_mはｍ点の基準位置に対する目標出側板厚差、ｈ_j，ｈ_j ^mはそれぞれｊ点における目標出側板厚と出側板厚測定値，αは板厚測定値に基づいたロールギャップ設定値補正における補正係数である。

圧延中にはロールの温度が上昇し、熱膨張等の影響によりロール径が変化するが、本発明を構成する（１２）式は第５項である（ｈ_j-ｈ_j ^m）・αで出側板厚の目標値と測定値の差を考慮しており、ロール径変化に伴う出側板厚誤差をサイクル間で補正するところに特徴がある。

図１は（１０）式，（１１）式及び（１２）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、パルス発生器６によりロール周速を、さらに板厚計７により出側板厚を検出し、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、同一テーパ形状のテーパ鋼板の繰り返し圧延における１サイクル内で、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。

さらに、繰り返し圧延におけるサイクル間では、１サイクル内でのロールギャップＳ_ｉ算出時の入力データに加えて、繰り返しの１サイクルにおける任意のサンプリング点であるｊ点における目標出側板厚と出側板厚測定値ｈ_ｊ，ｈ_j ^mに基づき、前述の（１２）式を用いて繰り返しの１サイクルの終わりのサンプリング点であるｍ点におけるロールギャップＳ_m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の形状を繰り返し圧延し、テーパ鋼板を連続成形した。圧延素材として、板厚１.６ｍｍ，板幅２５０ｍｍのコイル状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１.４ｍｍ，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のテーパ鋼板を繰り返し８００枚圧延した。なお、圧延荷重式としては、Hillの式を用い、板厚測定値に基づいたロールギャップ設定値補正における補正係数αを０.７として圧延を行った。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圧延における板厚制御を行った場合と、本発明により板厚制御を行った場合の板厚精度を比較した。その結果は表１に示すとおりである。
従来法では、熱膨張等によるロール径変化の影響や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、平均偏差が３４μｍであったが、本発明法では平均偏差が１３μｍと改善されている。また、従来法では、圧延長が長くなるにつれてロール径変化が大きくなるため、最大偏差が８２μｍであったが、本発明法では最大偏差が２５μｍと改善されている。

本発明の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. 予測圧延荷重と圧延荷重，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設定し板厚制御を行う制御系を用い、目標出側板厚を圧延長に従ってテーパ状に変更することにより出側板厚を圧延方向に連続的に変化させるテーパ鋼板の板厚制御方法において、隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差予測値及び板厚測定値に基づいてロールギャップ設定値を補正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板厚制御方法。
2. 同一テーパ形状のテーパ鋼板を繰り返し圧延するテーパ鋼板の圧延において、繰り返しの１サイクル内で隣接する制御のサンプリング点間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するとともに、サイクル間で板厚測定値に基づいてロールギャップ設定値を補正することを特徴とする請求項１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板厚制御方法。