JP6056718B2 - 金属帯の圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延ラインや冷間圧延ラインなどの金属帯の圧延ラインにおいて、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備える圧延機により、この上下一対のワークロールを互いに逆向きの軸方向にシフトさせて圧延する金属帯の圧延方法に関する。

金属帯の圧延においては、ワークロールと被圧延材の接触部分（以下、「板道」と言う）にて摩擦が生じ、ワークロールの板道に相当する部分の摩耗が進行していく。また特に熱間圧延においては被圧延材が鋼材である場合、８００から１１００℃程度と高温であるため、サーマルクラウンと呼ばれるワークロールの板道に相当する部分において熱膨張が生じる。このような局所的な摩耗と熱膨張により、被圧延材の幅方向板厚分布や形状が悪化し、製品品質や通板安定性の低下を招くという問題がある。

そのため、上下ワークロールを被圧延材の圧延１本毎に軸方向に数ｍｍずつシフトするワークロールシフト方法が実用化されている。なお、圧延荷重によるロールの撓みを補償する機構としてワークロールクロスやベンダーがあるが、これらは摩耗や熱膨張のような幅方向に不均一なプロフィルを制御することはできない。

従来のワークロールシフト圧延方法は、被圧延材を圧延する毎にワークロールの軸方向位置を一定のピッチ（以下シフトピッチと呼ぶ）で数ｍｍずつずらしていき、機械設備上の限界に達したら、折り返してシフトを続けるサイクリックシフト法が広く用いられている。
この方法はシフトピッチやシフト量上限などの設備制約によって決まる固定のシフトパターンであるため、ある被圧延材とその次の被圧延材との板幅の差によっては板道端部分でのロール摩耗や熱膨張の影響により、板端部の厚みが過厚（エッジハイスポット）になったり、過薄（エッジドロップ）になったりするなどの板厚プロフィル異常となる場合がある。

一方、ワークロールシフトを活用した板クラウン制御方法として、図３に示すように、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有した上下一対のロールを軸方向に互いに逆向きに移動させる方法が特許文献１に開示されている。上下ロールをそれぞれ軸方向逆向きにシフトすると、被圧延材位置のロールギャップの形状が変化し、シフト位置によって板クラウンや形状を制御することができる。

特許文献２には、サイクリックシフト法を前提として決定した次材のシフト位置に許容範囲を設け、その許容範囲内でロールプロフィルの目標値と予測計算値からなる評価関数を最小とする最適シフト位置を決定するシフト量決定方法が提案されている。
また特許文献３では、ワークロールプロフィルの目標値と予測計算値から決まる評価関数を各被圧延材のシフト位置を仮定して計算し、評価関数が最小となるようなシフト位置を圧延サイクルで圧延予定の全被圧延材について決定する方法が提案されている。

特許文献１ 特開昭５７−０９１８０７号公報
特許文献２ 特開平０６−１５４８２３号公報
特許文献３ 特開昭６３−２６０６１５号公報

しかしながら、特許文献1に記載されている方法では、シフト位置は各被圧延材の板幅や圧延荷重によって決定されるため、ロール摩耗や熱膨張を軸方向に分散させるサイクリックシフト法を用いることは出来ない。
また、特許文献２や特許文献３に記載されている方法では、ワークロールプロフィルをロール胴長全体にわたり目標のプロフィルとすることを特徴としており、被圧延材のワークロール上での板道範囲を考慮してシフト位置を決定するものではない。つまり、シフト位置を決定する際に『ワークロールプロフィルのどの位置で被圧延材を圧延するのか』を考慮していないために、被圧延材の板幅やシフト位置によっては、エッジハイスポットやエッジドロップなどの幅方向板厚プロフィル異常が生じるという問題がある。

本発明は以上の問題を解決すべくなされたものであり、被圧延材を圧延するに際し、板幅方向での厚みが不均一、特に幅端部の厚みが過薄になったり過厚になったりする問題を解消できる金属帯の圧延方法を提供し、金属帯の製造におけるスケジュールフリー化を安定的、かつ確実に、実現することを目的とするものである。

すなわち、本発明は、以下の通りである。
［１］金属帯の圧延ラインにて、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材を、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備えた圧延機により、該ワークロールを互いに逆向きの軸方向にシフトさせて圧延する圧延方法において、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材について、ワークロールシフトピッチに上限を設け、可能なワークロールシフト位置の組合せを仮定して、これらの組合せの全てについて、組合せ毎に、被圧延材とワークロールの接触部分におけるロールギャップの予測計算値と目標値との差を、被圧延材板幅方向の１点以上の評価点について、式（１）
に基づいて、評価関数Ｊ１として求め、そして、１点以上の評価点すべてについて求めたＪ１の値を式（２）に基づいて評価関数Ｊ２として求め、次いでＪ２を当該圧延サイクルの全被圧延材について合計した値を評価関数Ｊ３として求めた後に、組合せ毎のＪ３の値の中で最小となるときの組合せのワークロールシフト位置を、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材についてのワークロールシフト位置として決定して圧延することを特徴とする金属帯の圧延方法。
［２］前記の上下一対のワークロールを備えた圧延機がタンデム型圧延機の少なくとも１つ以上のスタンドに設けられていることを特徴とする［１］に記載の金属帯の圧延方法。

圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材を、互いに逆向きの軸方向にシフト可能であって、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備えた圧延機により圧延する際に、圧延予定の全被圧延材のワークロールの軸方向のシフト位置を最適に決定することにより、金属帯の板厚分布を均一化することができる。そして、そのことにより、クラウンプロフィルの異常が発生し易い板幅が狭幅から広幅に組まれた圧延サイクルを採用することができ、板幅規制のないスケジュールフリーの工程管理が可能となる。

本発明の被圧延材の幅方向に定められた評価関数の評価点を示す。 本発明の評価関数の計算ステップを示す。 本発明において使用される圧延機のワークロールを示す。 実施例について全圧延材の板幅と板厚の圧延サイクルを示す。 実施例についてワークロールシフト位置を示す。 実施例について被圧延材の板厚プロフィルを示す。 他の実施例について全圧延材の板幅と板厚の圧延サイクルを示す。 他の実施例についてＷＲシフト位置を示す。 他の実施例について被圧延材の板厚プロフィルを示す。 ワークロールの表面プロフィル（ｒ_１）とロール軸方向座標（ｘ_１）を示す。

本発明の実施形態について以下に説明する。
本発明においては、互いに逆向きの軸方向にシフト可能であって、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備える圧延機を使用する。図３に、この圧延機の上下一対のワークロールのみを示した。
このワークロールは、図３から分かるように、ロールプロフィル（ロールバレル）が僅かにＳ字状をなしており、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状となっている。

本発明の実施形態について以下に説明する。
本発明は、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材について、被圧延材とワークロールの接触部分（板道）におけるロールギャップ形状を、目標とするロールギャップ形状とするように全被圧延材に対するワークロールシフト位置を決定することを特徴とする。

本発明では、圧延サイクルにて圧延予定の全被圧延材について、可能なワークロールシフト位置の組合せを仮定して、これらの組合せのすべてについて、組合せ毎に、被圧延材とワークロールの接触部分におけるロールギャップの予測計算値と目標値とで決まる第１の評価関数の値を、被圧延材幅方向の１点以上の評価点すべてについて計算して求め、さらに、これらの値を全評価点について合計して、１本の被圧延材について、第２の評価関数の値を求める。次いで、この第２の評価関数の値を、当該圧延サイクルの全被圧延材について合計した値を、第３の評価関数として求める。そして、可能なワークロールシフト位置の組合せのすべてについて求めたＪ３の値同士を比較して最小の値をとるＪ３のワークロールシフト位置を、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材についてのワークロールシフト位置として決定して圧延する。

本発明では、図１に示すように、第１の評価関数を被圧延材板幅方向の１点以上の評価点について求め、この第１の評価関数に基づいて、第２、第３の評価関数を求めているから、被圧延材のワークロール上での板道範囲のロールギャップを評価することができ、異常板厚プロフィル等を効果的に防止することが可能となる。
また、図１では、材板幅方向の１点以上の評価点Ａ、Ｂ、・・・、Ｆを明瞭に示すために、フラットなワークロールを示しているが、本発明では、すでに記載したように、図３に示すようなロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有しているロールが使用される。

以下において、上記の発明における評価関数の計算手法の具体的な１例を以下に示す。
本発明においては、最初に、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材について可能なワークロールシフト位置の組合せを仮定する。例えば、圧延予定の全被圧延材がＮ本である場合、１本目の被圧延材のワークロールシフト位置がＸ_１、２本目のそれがＸ_２、・・・、Ｎ本目のそれがＸ_Ｎとすると、ワークロールシフト位置の組合せは（Ｘ_１、Ｘ_２、・・・、Ｘ_Ｎ）となる。
そして、Ｘ_１、Ｘ_２、・・・、Ｘ_Ｎの各値は可能な範囲において変わりうるから、それに応じた組合せ（すなわち圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材について可能なワークロールシフト位置の組合せ）が考えられる。

本発明の評価関数の計算手法は以下のステップ１〜４からなる。
（ステップ１）
被圧延材の幅方向に１点以上の評価点Ａ、Ｂ、Ｃ・・・を定め、各評価点について、ワークロールのロールギャップの予測値と目標値とから下記の式（１）に基づいて被圧延材１本について第１の評価関数Ｊ１を計算する。

評価点は、例えば、図１のＡ（最板端から２５ｍｍ）、Ｂ（同５０ｍｍ）、Ｃ（同７５ｍｍ）、Ｄ（同１００ｍｍ）、Ｅ（同１５０ｍｍ）、Ｆ（同２００ｍｍ）という具合に、板幅方向の１点以上に仮定する。
上記評価点の最板端からの距離についても具体的な数値はあくまで一例であり、本発明は、ここでの例に一義的に限定するものではない。

（ステップ２）
評価点Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の全てについて下記の式（２）に基づいて式（１）の評価関数Ｊ１を合計して第２の評価関数Ｊ２を求める。

（ステップ３）
圧延サイクルにおける全被圧延材について、下記の式（３）に基づいて式（２）の評価関数を合計して第３の評価関数Ｊ３を求める。

なお、式（１）〜（３）の重み係数ｃ_ｋについては、例えば、表１のように先の被圧延材から次の被圧延材への板幅の変化に応じて決定することができる。

（ステップ４）
圧延サイクルにおける全被圧延材についてのワークロールシフト位置の可能な組み合わせすべてについて求めたＪ３、・・・Ｊ３の値同士を比較して、その中で最も小さい場合のワークロールシフト位置を、当該圧延サイクルの圧延サイクルの全被圧延材のワークロールシフト位置として決定する。
このようにして決定されたワークロールシフト位置に基づいて、当該圧延サイクルの圧延サイクルの全圧延材を圧延する。

上記のステップにおいて、圧延サイクルにて圧延予定の全被圧延材について、可能なワークロールシフト位置の組合せを仮定しているが、ワークロールのシフト位置については、例えば乱数表を用いて被圧延材１本毎のワークロールシフト位置を仮定することにより定めることができる。
先行の被圧延材とこれの後続する次の被圧延材に対するワークロールシフト位置の変更量（ワークロールシフトピッチ）に上限を設けたい場合は、上限の値を考慮してワークロールシフト位置の組合せを仮定すればよい。

そして、でワークロールシフトピッチに上限を設けた場合でも、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材についてのワークロールシフト位置の組合せの数は膨大であり、これらの組合せすべてについて、評価関数Ｊ１を各評価点について計算し、次いで、全評価点分を合計してＪ２を求め、さらに全被圧延材分を合計して求めたＪ３の中から、評価関数J３が最小となるようなワークロールシフト位置を選び出してももちろんよいが、計算の負荷を軽減するため、非線形計画法などにより評価関数Ｊ３が最小となるようなワークロールシフト位置を決定することも可能である。
以上のステップ１〜５を図２に示す。

ステップ２の評価関数Ｊ１は、ロールギャップの目標値と予測値から求められる。
ロールギャップの目標値は、図１に示すように、被圧延材上の駆動側（ドライブサイド）と被駆動側（ワークサイド）の各評価点、例えばＡ〜Ｆ点と接するワークロール箇所のワークロール半径の平均と、ワークロールの胴長中央のワークロール半径との差を下記の式（４）に基づいて計算し、上下ワークロールについて合計して求める。ワークロールプロフィルの胴長中央と左右両評価点Ａ〜Ｆを放物線や楕円などの２次曲線で結ぶように設定するのが好ましい。

ロールギャップの予測値は、以下のように求めることができる。
ワークロールの熱膨張およびワークロールの磨耗については、例えば、それぞれ式（５）および式（６）に基づいて予測計算することができる。

そして、熱膨張と磨耗を省いたロールギャップ形状については、ロールプロフィルが３次関数で表されるロールは式（７）のようにロール径が与えられており、シフト位置によって式（８）のように予測計算できる。

上記のワークロールの熱膨張、ワークロールの磨耗および該熱膨張と磨耗を省いたロールギャップ形状についての３者を合計したワークロールギャップについて式（４）のように計算した予測計算値をもとに、式（１）のＪ１が計算により求まる。

以下に本発明の実施例を示す。
（実施例１）
ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備えた圧延機をＦ１−Ｆ７の７スタンドすべてに備えたタンデム型仕上げ圧延機を有する熱間圧延ラインにて本発明の検証を行った。圧延機の設備仕様を表２に示す。

図４に示す板厚−板幅構成の圧延サイクルに対し、本発明例と従来例の比較、評価を行った。
評価点は被圧延材の板端から２５ｍｍ、７５ｍｍ、１５０ｍｍの３点とし、ワークロールシフトピッチの上限は２０ｍｍとした。
ベンダー荷重は圧延開始時７５トンと設定し、圧延中の荷重変動に応じて制御した。
圧延後の被圧延材の厚みプロフィルの評価は板幅が１本前の被圧延材よりも約１５０ｍｍ広がる６２本目にて行った。また、従来技術との比較を行うため図４とほぼ同じ厚み構成、幅構成のサイクルにて、従来のサイクリックシフト法によりＷＲシフト位置を決定し圧延を行った。

本発明法によって決定したＷＲシフト位置と従来のサイクリックシフトによるＷＲシフト位置を図５に示す。図６は６２本目の板厚プロフィルであるが、従来例では約２０μｍの逆クラウンプロフィルとなっているのに対し、本発明では逆クラウンプロフィルが生じておらず良好なクラウンプロフィルとなっていることが確認できた。また６２本目以外のクラウンプロフィルについても異常プロフィルや形状不良は生じなかった。

（実施例２）
前段のＦ１〜Ｆ３スタンドの３スタンドには通常の軸方向にシフトしないワークロールを備え、後段のＦ４〜Ｆ７スタンドには、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備えた７スタンドのタンデム型仕上げ圧延機を有する熱間圧延ラインにて本発明の検証を行った。
圧延機の設備仕様を表３に示す。

図７に示す板厚−板幅構成の圧延サイクルに対し、本発明例と従来例の比較、評価を行った。評価点は被圧延材の板端から５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍの４点とし、ワークロールシフトピッチの上限は２０ｍｍとした。
ベンダー荷重は圧延開始時は７５トンと設定し、圧延中の荷重変動に応じて制御した。

圧延後の被圧延材の厚みプロフィルの評価は板幅が１本前の被圧延材よりも約２２０ｍｍ広がる９０本目にて行った。また、従来技術との比較を行うため図７とほぼ同じ厚み構成、幅構成のサイクルにて、従来のサイクリックシフト法によりＷＲシフト位置を決定し圧延を行った。

図９は９０本目の板厚プロフィルであるが、従来例では約１０μｍの逆クラウンプロフィルとなっているのに対し、本発明では逆クラウンが生じておらず良好なクラウンプロフィルとなっていることが確認できた。また９０本目以外のクラウンプロフィルについても異常プロフィルや形状不良は生じなかった。

以上の説明では、本発明を熱間圧延ラインのタンデム型圧延機に適用した例を挙げたが、冷間圧延ラインなどの他の金属帯の圧延ラインに適用することも可能である。

Claims (2)

1. 金属帯の圧延ラインにて、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材を、ロールプロフィルが３次以上の関数で表されるカーブを有し、軸方向位置で上下で互いに補完し合う形状のイニシャルロールカーブで形成された上下一対のワークロールを備えた圧延機により、該ワークロールを互いに逆向きの軸方向にシフトさせて圧延する圧延方法において、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材について、
   ワークロールシフトピッチに上限を設け、可能なワークロールシフト位置の組合せを仮定して、これらの組合せの全てについて、組合せ毎に、被圧延材とワークロールの接触部分におけるロールギャップの予測計算値と目標値との差を、被圧延材板幅方向の１点以上の評価点について、下記式（１）
   
   
   に基づいて、評価関数Ｊ１として求め、そして、１点以上の評価点すべてについて求めたＪ１の値を下記式（２）
   
   
   に基づいて評価関数Ｊ２として求め、次いでＪ２を当該圧延サイクルの全被圧延材について合計した値を評価関数Ｊ３として求めた後に、組合せ毎のＪ３の値の中で最小となるときの組合せのワークロールシフト位置を、圧延サイクルにおける圧延予定の全被圧延材についてのワークロールシフト位置として決定して圧延することを特徴とする金属帯の圧延方法。
2. 前記の上下一対のワークロールを備えた圧延機がタンデム型圧延機の少なくとも１つ以上のスタンドに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属帯の圧延方法。