JP5211802B2 - 冷延鋼板の形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷延鋼板の形状測定方法に関するものであり、特に厚みが0.4mm以下の冷延鋼板の表面形状を距離計を用いて測定する形状測定方法に関する。

鋼板、特に冷延鋼板において、平坦度などの表面形状は品質上極めて重要な要素である。ここで、一般に平坦度不良は、図１に示すように、鋼板（以下、鋼帯を含めて鋼板と総称する）１に、（a）耳伸びおよび（b）腹伸び等、局部的に波状で、しかも、その程度が一定以上の変形がある場合をいう。
この図１に示すような、耳伸びや腹伸びなどの平坦度不良は、たわみや熱膨張などの圧延ロールの弾性変形に起因して発生することが知られている。ここで、鋼板の形状を測定するための測定方法あるいは測定装置（平坦度検出器ともいう）については、非特許文献1に開示されているように、接触式や非接触式などが広く実用化されている。

例えば、接触式の形状測定装置は、幅方向に分割された測定ロールにより鋼板の幅方向張力分布を測定する。そして、測定した張力分布を鋼板のヤング率で除して幅方向の伸び差分布を算出するものである。この測定方式では、耳伸びや腹伸びなどの形状が測定可能である。

また、非接触式の形状測定装置では、レーザなどの光学式センサーを用いて鋼板の特定方向での変位から形状を測定するが、鋼板のパスラインの変動や振動による影響が問題となるため、その影響を除くための方法も開示されている。

特許文献1には、金属製帯状物の移動方向と交差する幅方向の複数箇所で金属製帯状物表面との距離を測定し、この測定値からパスライン変動量を周波数解析により分離除去した後、平坦度を算出する平坦度測定方法が開示されている。

特許文献２には、レーザ距離計を用いた鋼板の平坦度測定装置において、前記レーザ距離計の出力から鋼板の振動の影響を除去するローパスフィルタを設け、該ローパスフィルタを通過したレーザ距離計の出力に基づき、鋼板の平坦度に関する歪の演算を行う、平地度測定装置が開示されている。

ところで、厚みが0.4mm以下の極薄の冷延鋼板では、図２に示すような、微小凹凸２が鋼板1の全面に発生する形状不良が存在する。特に、厚みが0.4mm以下の冷延鋼板に大きな需要がある建材の分野では、この微小凹凸２による形状不良が品質管理上重要となってきている。ここで、微小凹凸とは、鋼板１において局所的な凹部または凸部が全面にわたって発生する形状不良である。
「板圧延の理論と実際」（日本鉄鋼協会、P．164−177） 特開平３−81605号公報 特開平４−143608号公報

上述のように、製品鋼板における平坦度品質の重要性は増す一方であり、平坦度品質を確保することが要求されている。特に、厚みが0.4mm以下の極薄の冷延鋼板では、耳伸びや腹伸びなどの平坦度不良を抑制するだけでは不十分であり、鋼板全面に発生する微小凹凸の形状不良についても把握し、その表面形状の良否を判定することが必要となってきている。

しかしながら、微小凹凸が鋼板の全面に発生する形状不良については、幅方向の張力分布には現れないため、従来の接触式の形状測定方法のように、鋼板の幅方向張力分布から形状を算出する方法では、測定が不可能である。

なお、上記した特許文献１および特許文献２に記載の技術は、非接触式の形状測定方法において、鋼板のパスラインの変動や振動による影響を除去するものであり、微小な凹凸の測定に適用することはできないものである。

本発明は、冷延鋼板の形状測定方法に関するものであり、特に厚みが0.4mm以下の冷延鋼板に発生する、微小凹凸を判定することが可能な形状測定方法について提案することを目的とする。

本発明の要旨は次のとおりである。
（１）厚みが0.4ｍｍ以下の冷延鋼板の表面形状を、冷間圧延のロールバイト内の鋼板における幅方向圧縮応力が該ロールバイト出側にて開放されて生じる、局所的な幅広がりが座屈してなる鋼板表面の微小凹凸について測定して判定するに当り、
前記冷延鋼板を定盤上に静置し、非接触レーザー距離計を用いて、該冷延鋼板の表面との距離を該鋼板の長手方向の一定長さにわたって測定し、該測定値から、フーリエ変換によるスペクトル解析を行って、前記微小凹凸の調査による、前記冷延鋼板の厚みに対して１０００倍以上２０００倍以下の循環の周期の長さを有する成分を抽出し、該抽出結果における前記定盤上を基準とする山の個数および山高さに基づいて、鋼板表面の微小凹凸を検知することを特徴とする冷延鋼板の形状測定方法。

（２）前記山の個数および山高さに基づいて、微小凹凸の程度は、微小凹凸における山の単位長さ当たりの個数および山高さの平均値から、冷延鋼板の用途に応じた表面形状の良否を判定することを特徴とする前記（１）に記載の冷延鋼板の形状測定方法。

本発明によれば、特に厚みが0.4mm以下の冷延鋼板に見られる、鋼板全面に発生する微小凹凸を測定することが可能になる。従って、冷延鋼板について、微小凹凸に起因した形状不良の有無を判定することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
さて、冷延鋼板の形状不良には、図１に示した耳伸びや腹伸びなどの平坦度不良と、図２に示した鋼板全面に発生する微小な凹凸の形状不良の２形態がある。
耳伸び腹や伸びなどの平坦度不良は、たわみや熱膨張などの圧延ロールの弾性変形に起因して発生する。耳伸びや腹伸びなどの鋼板の平坦度不良の程度を示す指標としては、急峻度と呼ばれるものを使う。急峻度λは、例えば図１に示した鋼板１を端面から見た場合に、図３に示すように、耳伸びや腹伸びによる板厚方向の波の周期をＬ、波の高さをｄとした場合に、
λ＝ｄ÷Ｌ×100 （％）・・・（1）
と表される。

このような、耳伸びや腹伸びなどの鋼板形状を測定するための測定方法あるいは測定装置（平坦度検出器ともいう）については、前述したように接触式や非接触式などが広く実用化されている。
接触式の形状測定装置では、幅方向に分割された測定ロールにより鋼板の幅方向張力分布を測定し、該張力分布を鋼板のヤング率で除して幅方向の伸び差分布を算出するものである。さらに、伸び差分布を正弦曲線などで近似して、耳伸びや腹伸びなどの形状を急峻度として算出している。
また、非接触式の形状測定では、鋼板の長手方向での変位を測定し、変位の山と谷からピッチあたりの山高さを算出し急峻度を求める方法や、幅方向での伸び差（長さの差）から急峻度を求める方法などがある。

しかしながら、本発明で対象とする、厚みが0.4mm以下の冷延鋼板において鋼板全面に発生する微小な凹凸による形状不良を把握するのは、従来の形状測定方法あるいは形状測定装置では不可能である。

発明者らは、厚さ0.4mm以下の冷延鋼板で見られるような、鋼板全面に発生する微小な凹凸による形状不良について鋭意検討した結果、その特徴的な発生形態を見出すことに成功し、本発明を成すに至った。
まず、微小凹凸の発生メカニズムであるが、これは鋼板が圧延中に上下ロールで挟まれた部分、つまりロールバイト内での鋼板に作用する応力に起因していることを、実験および解析的な検討により見出した。

すなわち、ロールバイト内の鋼板には、上下ロールからの垂直方向の圧縮応力が作用して、鋼板は入側から出側にかけて徐々に厚みが減少しているが、このときロールバイト内において、上下から圧縮された材料は幅方向にも広がろうとし、幅方向に圧縮応力が発生する。この幅方向の圧縮応力は、ロールバイト出側にて開放されて、局所的な幅広がりが発生し、厚みの小さい極薄冷延鋼板の場合には、この局所的な幅広がりが座屈して、鋼板全面にわたる微小な凹凸形状となるのである。

そこで、この微小な凹凸形状を有する冷延鋼板において、非接触式の距離計を鋼板長手方向に走査して鋼板表面の変位を測定し、その測定データから微小な凹凸形状の形態を調査した。ここに、厚み0.15mm、幅1000mmの冷延鋼板について、非接触レーザ式の距離計を鋼板の長手方向へ長さ1500mmにわたって走査させ、表面の変位を測定した結果について、図４に示す。この図４において、Ｌは鋼板の長手方向1500mm、Ｗは幅方向1000mmおよびＨは厚み方向10mmのスケールを示している。

ついで、図４に示した変位の測定データについて、フーリエ変換によるスペクトル解析を行ったところ、微小な凹凸の循環の周期の長さは190mmであることが判明した。
同様に、種々の厚みの冷延鋼板について、微小凹凸の循環の周期の長さを調査したところ、図５に示すような分布となることがわかった。すなわち、冷延鋼板の厚みと微小凹凸の循環の周期の長さには相関があり、微小凹凸の循環の周期の長さは鋼板厚みの1000倍以上2000倍以下の大きさであることが新たに判明した。また、微小凹凸による形状不良の度合いは、微小凹凸の循環の周期の長さは変わらずに、その山高さが大きくなることで高まることもわかった。

かように、冷延鋼板の表面形状の良否を判断するためには、冷延鋼板の厚みに応じて、変位測定データから微小凹凸の循環の周期の長さに相当する成分を抽出し、抽出した成分の変位データから微小凹凸の程度を判断すれば良い。すなわち、微小凹凸の程度は、微小凹凸における山の単位長さ当りの個数および山高さの平均値から適宜判断すれば良い。山高さについては、平均値を用いることにより、測定範囲の大きさに関係なく安定した評価が可能となる。

以下に、本発明の方法について、厚み0.15mmおよび幅1000mmの冷延鋼板を例に、さらに詳細に説明する。
本発明では、まず、冷延鋼板の形状を、好ましくは非接触式の距離計を用いて測定する。このとき、幅方向での測定位置については、図４に示したように、幅方向に多数の位置で詳細に測定してもよいが、本発明が対象とする微小凹凸は、鋼板の全面に発生することが特徴であることから、任意の一位置での一定の長さにわたる測定で十分である。ここでは鋼板の幅方向中央において、長手方向1500mmにわたって変位を測定した。その測定結果を、図６に示す。

次に、冷延鋼板の長手方向での一定長さ、ここでは1500mmの長さについての距離計の測定値から、微小凹凸に相当する成分として、冷延鋼板の厚みに対して1000倍以上2000倍以下の循環の周期の長さの成分を抽出する。すなわち、鋼板の厚みが0.15mmであるから、微小凹凸成分の循環の周期の長さは150mm以上300mm以下である。なお、図６に示した測定値データから特定の循環の周期の長さの成分を抽出するためには、フーリエ変換など一般的な信号処理手法を用いればよい。
かくして抽出された循環の周期の長さ150mm以上300mm以下の凹凸成分について、山の個数と山高さから、鋼板の形状の良否を判定することとした。図６に示した測定データの例では、長さ1500mm当りの個数は９個、山高さの平均は0.8mm並びに最大は1.4mmであった。このような仕様の微小凹凸が鋼板表面に存在することになる。

さて、製品鋼板として許容される形状不良の程度は、その鋼板の用途によって異なってくるのが一般的である。ここでは、建材用途の一つであるパネル材（鋼板を断熱材に接着貼付けしたもの）での表面形状の良否判定に用いる事例を説明する。すなわち、パネル材用途において、鋼板に微小凹凸による形状不良があると、断熱材との接着不良が発生する。この観点から、種々の冷延鋼板の表面形状について、断熱材との接着性を、面積１m^２あたりに接着不良がない場合：良好（○）、接着不良が１〜２個の場合：やや不良（△）、接着不良が３個以上の場合：不良（×）の判定を行った。

図７に、前述した方法で算出した微小凹凸の山個数（長さ1500mmあたり）および微小凹凸の平均山高さと、冷延鋼板の表面形状の判定結果との関係を示す。図７より、表面形状の良否は、微小凹凸の山個数および微小凹凸の平均山高さによって判定できることがわかる。この事例では、微小凹凸の山個数（長さ1500mmあたり）が２個未満かつ平均山高さが0.5mm未満のときに、前記接着性に関する評価は良好（○）になり、山個数（長さ1500mmあたり）が６個未満かつ平均山高さが1.0mm未満のときに、表面形状はやや不良（△）となり、山個数（長さ1500mmあたり）が６個以上または平均山高さが1.0mm以上のときに表面形状は不良（×）であった。
従って、前記接着性に関しては、以上の山の個数および山高さの基準値をもって、各冷延鋼板の測定結果から得られた、山の個数および山高さから判定すればよいことになる。

なお、微小凹凸による形状不良が発生しやすいのは、厚みが0.4mm以下の冷延鋼板であるため、本発明で対象とする冷延鋼板は厚みを0.4mm以下とする。一方、厚みの下限は特に設ける必要はないが、冷延鋼板として商業的に生産ニーズがあるのは0.07mm以上である。

また、該冷延鋼板の表面との距離を測定する「一定長さ」は、少なくとも微小凹凸の一山が測定できる長さは必要であり、本発明で対象とする鋼板の厚みが0.4mm以下であり、かつ微小凹凸成分の上限が鋼板厚の2000倍であるから、0.4×2000＝800(mm)以上の長さが必要になる。一方、上限はとくに定める必要はないが、2000mm程度で十分である。

本発明の方法を、図８に示す冷間タンデム圧延機を用いた冷間圧延の製造に適用した。図８において、50は５スタンドからなる冷間タンデム圧延機であり、第１スタンドから第４スタンドまでは４段ミル、最終スタンドの第５スタンドは６段ミルである。第５スタンドの出側には、接触ロール式の形状測定器（幅方向の張力分布測定器）40が設置されている。最終スタンドで圧延された冷延鋼板は、コイル60として巻き取られる。

かような冷間タンデム圧延機に、熱間圧延後に酸洗を施したSPCC鋼からなる母板を供給し、厚み2.0mmの母板に、0.07mmから0.4mmの範囲まで減厚する冷間圧延を行った。ここで、形状測定器（幅方向の張力分布測定器）40で測定された耳伸びや腹伸びなどの平坦度の程度に基づいて、第５スタンドのロールベンディング装置およびゾーンクーラント装置を適宜制御した。ロールベンディング装置による形状制御では、測定した形状にて腹伸び形状が大きいようであれば、ロール端部へ作用させる垂直荷重を大きくし、耳伸び形状が大きいようであれば、垂直荷重を小さくするように制御した。ゾーンクーラント装置による形状制御では、幅方向での伸びが大きくなった部分について、その位置に相当するロール部分にクーラントによる冷却を施した。

［発明例１］
次いで、冷間圧延後に巻き取られたコイル60を、図９に示すように定盤上に冷延鋼板の一部を切り取り静置した。図９において、70は定盤および１は冷延鋼板である。冷延鋼板１における測定長さＬは1500mmとした。次いで、非接触レーザ式距離計を用いて、幅Ｗの中心上の測定ライン３に沿って、長さ1500mmの変位を測定した。この距離計の測定値から、微小凹凸に相当する成分として、冷延鋼板の厚みに対して1000倍以上2000倍以下の循環の周期の長さの成分を抽出する。特定の循環の周期の長さの成分を抽出するために、フーリエ変換を用いた。次に、抽出された凹凸成分において、山の個数と山高さを算出したところ、山の個数：６個および山高さの平均値：0.5mmであり、実際の鋼板観察による微小凹凸の発生状況との差はなかった。

鋼板製品の耳伸びおよび腹伸びの形状を示す図である。 極薄鋼板に特有の微小凹凸の形状を示す図である。 急峻度の定義を示す図である。 冷延鋼板の形状を非接触式距離計にて測定した例を示す図である。 鋼板の厚みと微小凹凸の周期との関係を示す図である。 鋼板の幅方向の中央について長手方向1500mmの変位を測定した例を示す図である。 微小凹凸の個数および平均山高さと冷延鋼板表面の判定結果との関係を示す図である。 本発明の実施例に用いた冷間タンデム圧延機を模式的に示す図である。 定盤上に静置した冷延鋼板を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 微小凹凸
３ 測定ライン

Claims (2)

1. 厚みが0.4ｍｍ以下の冷延鋼板の表面形状を、冷間圧延のロールバイト内の鋼板における幅方向圧縮応力が該ロールバイト出側にて開放されて生じる、局所的な幅広がりが座屈してなる鋼板表面の微小凹凸について測定して判定するに当り、
   前記冷延鋼板を定盤上に静置し、非接触レーザー距離計を用いて、該冷延鋼板の表面との距離を該鋼板の長手方向の一定長さにわたって測定し、該測定値から、フーリエ変換によるスペクトル解析を行って、前記微小凹凸の調査による、前記冷延鋼板の厚みに対して１０００倍以上２０００倍以下の循環の周期の長さを有する成分を抽出し、該抽出結果における前記定盤上を基準とする山の個数および山高さに基づいて、鋼板表面の微小凹凸を検知することを特徴とする冷延鋼板の形状測定方法。
2. 前記山の個数および山高さに基づいて、微小凹凸の程度は、微小凹凸における山の単位長さ当たりの個数および山高さの平均値から、冷延鋼板の用途に応じた表面形状の良否を判定することを特徴とする請求項１に記載の冷延鋼板の形状測定方法。