JP6107751B2 - ピンチロールの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱延鋼帯を製造する熱間圧延ラインなどの被圧延材の製造設備における、被圧延材をコイラーに巻き取る際のピンチロールの制御技術に関する。

熱間圧延ラインにおいて、被圧延材の尾端が仕上圧延機を抜けると圧延機からの引っ張りが無くなる。このため、仕上圧延後であって、先端部がマンドレルに巻き付いた被圧延材を、蛇行することなくマンドレルに巻き取るためには、以下の２点を満足するように調整する必要がある。
１、仕上圧延機を抜けた被圧延材について、ピンチロールとマンドレルの間での張力を一定範囲に保つ。
２、ピンチロール周速を、被圧延材の搬送速度（板速度）に対し所定値以上遅い速度を維持する。即ち、被圧延材の搬送に対しピンチロールが所定スリップ率でスリップした状態に制御することで、張力を付与可能な状態にすると共に被圧延材のセンタリングを図る。

そのため、特許文献１では、次のような方法を提案している。
即ち、ピンチロール用のモータの電流値（トルク相当）に基づき、被圧延材に発生する張力が目標張力となるようにピンチロール間隙（ギャップ）により調整する。更に、ピンチロールの周速度指令値として板速度より遅い値を設定する。具体的には、所定範囲のスリップ率となるように板速度に応じて周速度指令値を設定し、その設定した周速度指令値となるように、ピンチロールを駆動するモータを速度制御する。

特許第４６２２４８８号公報

マンドレルからの引っ張りでピンチロールと被圧延材との間に摩擦によってトルクが掛かった場合、ピンチロールが、マンドレルに巻き取られる被圧延材から同期方向に引っ張られる。この結果、ピンチロールの周速度が変化してしまい、ピンチロールが実際にどの程度の速度で被圧延材に対してスリップするか分からなくなる。特に制御開始時の過渡期にこの問題が大きい。

このとき、十分なスリップ率を確保しようとして被圧延材の板速度に対して非常に遅くなるようなピンチロールの周速指令を与えた場合、スリップ過多による擦り傷やロールの必要以上の磨耗が懸念される。一方で、スリップ過多防止のために板速度に対して不十分に遅い周速指令でピンチロールを回転させようとした場合、ピンチロールと被圧延材との間のスリップが足りずに、ピンチロール上での板蛇行による巻形状悪化が懸念される。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、ピンチロールの速度制御の適正化を図って、より安定して被圧延材を巻取り可能とすることを目的としている。

課題を解決するために、本発明の一態様であるピンチロールの制御方法は、圧延後の被圧延材をピンチロールで挟持しつつマンドレルに巻き取る巻取り装置における上記ピンチロールの制御方法であって、上記被圧延材に付与する張力の張力指令値に応じて上記ピンチロールのギャップを制御し、上記ピンチロールの周速指令値を上記被圧延材の搬送速度よりも遅い周速に設定し、上記被圧延材の張力に応じて上記周速指令値を補正し、上記補正後の周速指令値に基づき、上記ピンチロールを回転駆動するモータを速度制御することを特徴とする。

また、本発明の一態様であるピンチロールの制御装置は、圧延後の被圧延材をピンチロールで挟持しつつマンドレルに巻き取る装置における上記ピンチロールの制御装置であって、上記被圧延材に付与する張力の張力指令値に応じて上記ピンチロールのギャップを制御するギャップ制御部と、上記ピンチロールの周速指令値を上記被圧延材の搬送速度よりも遅い周速に設定する周速指令値設定部と、上記被圧延材の張力に応じて上記周速指令値設定部が設定した周速指令値を補正する周速指令値補正部と、上記ピンチロールの周速が上記補正後の周速指令値となるように、上記ピンチロールを回転駆動するモータを速度制御する速度制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の態様によれば、板速とは関係無い、被圧延材の張力（例えば目標張力）によって周速指令値を補正することで、より目標通りのスリップ率でピンチロールの速度制御が可能となる。この結果、より安定して被圧延材を巻き取ることが出来るようになる。

本発明に基づく実施形態に係る制御部の構成を説明する概念図である。 張力補償速度算出部の構成を示す図である。 モータ電流実績と、ピンチロール（モータ）の速度実績と回転数指令値との関係の一例を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、被圧延材として熱延鋼板などの熱間圧延材を例に挙げて説明する。但し、本発明は熱延鋼板に限定されるものではない。
（構成）
熱間圧延ラインでは、不図示の加熱炉で加熱されたスラブが熱間圧延機に供給される。続いて、スラブは、熱間圧延機によって圧延されて延ばされて被圧延材となる。なお、被圧延材は、熱間圧延ラインのパスラインに沿って配置された不図示のテーブルローラによって搬送される。

図１に示すように、仕上圧延後の被圧延材１は、ピンチロール２で挟持されつつ、マンドレル３に送られてマンドレル３に巻き取られる。図１中、符号４は仕上圧延機を示す。
ピンチロール２は、ピンチロール用のモータ５で駆動されると共に、間隙調整装置６によって、ピンチロール２を構成する上ピンチロールと下ピンチロールとの間隙（ギャップ）が調整される。また、モータ５のモータ電流（電機子電流）が検出されて制御装置７に供給される。

制御装置７は、被圧延材１の先端部が、ピンチロール２を通過する際には、被圧延材１の搬送速度よりも早い周速となるようにピンチロール用のモータ５を制御する。更に、制御装置７は、被圧延材１の先端部がマンドレル３に数巻きだけ巻き付いたと判定すると、ピンチロール２の周速が被圧延材１の搬送速度と揃速するように、ピンチロール用のモータ５を速度制御する。数巻きだけ巻き付くとは、マンドレル３から被圧延材１に張力を付与可能な状態になることを指す。

更に、制御装置７は、被圧延材１の尾端部が仕上圧延機４の指定スタンド４ｂを抜けるまでは、ピンチロール２は、モータ５による速度制御を行わないか、若しくは空転させるのに最小限必要な機械的な摩擦（メカニカルロス）分に相当するトルク分を補償的に出力するようにモータ５を制御する。なお、被圧延材１の先端部がマンドレル３に巻き付いているとする。ここで、指定スタンド４ｂとは、第１スタンドから最終スタンド４ａまでの間のスタンドのうちから予め設定したスタンドである。
更に、被圧延材１の尾端部が仕上圧延機４の指定スタンド４ｂを抜けた（最終スタンド４ａをオフした）と判定すると、本発明に基づくピンチロール２が制御される。

但し、被圧延材１が短い短尺の場合には、被圧延材１の先端部が数巻きマンドレル３に巻き付いたと判定した後に、本発明に基づく制御に移行する。即ち、被圧延材１の尾端部が仕上圧延機４の指定スタンド４ｂから抜けて圧延が終了し、且つ被圧延材１の先端部側がマンドレル３に巻き付いて、マンドレル３とピンチロール２との間で被圧延材１に張力を付与可能な状態となったと判定すると、本発明によるピンチロール２の制御が開始される。一般には、被圧延材１は長尺であるので、単純に、被圧延材１の尾端部が仕上圧延機４の指定スタンド４ｂを抜けたときに開始と判定しても良い。

次に、発明に基づくピンチロール２の制御について、図を参照しつつ説明する。
ピンチロール２の制御装置７として、図１に示すように指令値設定部８と制御部本体９とを備える。
指令値設定部８は、公知の方法で決定した目標張力としての張力指令値ＴＰＲｅｆを入力する。
また指令値設定部８は、被圧延材１の搬送速度Ｖｓとラグ率ΔＲ（＜１）とを取得し、その搬送速度Ｖｓに（１−ΔＲ）を乗算して、ピンチロール２の周速指令値を設定する。被圧延材１の搬送速度Ｖｓは、例えば、マンドレル３の巻取り速度から求める。ここで、通常、マンドレル３は、被圧延材１の尾端部が圧延機４から抜けたときの搬送速度となるように調整されるので、被圧延材１が圧延機から抜けたときの搬送速度を、指令値設定部８が取得する被圧延材１の搬送速度Ｖｓとしても良い。指令値設定部８は周速指令値設定部を構成する。

ラグ率ΔＲは、例えば３〜６％のスリップ率となる値に設定しておく。
制御部本体９は、ギャップ制御部１０と、周速指令値補正部１１と、モータ制御部１２とを備える。モータ制御部１２は速度制御部を構成する。
ギャップ制御部１０は、電流張力換算部１０Ａと、第１減算部１０Ｂと、間隙指令出力部１０Ｃとを備える。
電流張力換算部１０Ａは、モータ５のモータ電流値を入力し、その電流値を、ピンチロール２に負荷されているトルクに換算し、その換算したトルクと、ピンチロール２のロール径とに基づき、ピンチロール２から被圧延材１に付与される張力実績値を算出する。

第１減算部１０Ｂは、張力指令値ＴＰＲｅｆから電流張力換算部１０Ａが求めた張力実績値を減算して張力の差分（偏差）を求める。
間隙指令出力部１０Ｃは、第１減算部１０Ｂの出力である差分を小さくする間隙指令値を求め、間隙調整装置６を介して、張力実績値と張力指令値ＴＰＲｅｆとの差分が小さくなる方向にピンチロールのギャップを制御する。この制御は、比例制御でも比例積分制御でも、ＰＩＤ制御でも構わない。

具体的には、ピンチロール２−マンドレル３間の被圧延材１の張力は「（ピンチロールと被圧延材との間の摩擦係数）×ピンチロール荷重」であるから、摩探係数を予測した上でのピンチロール荷重、もしくは、張力（モータ５の電流値）を直接モニタし、所定の張力以上とならないようにピンチロール２のギャップを開ける、もしくは、所定の張力以下にならないようにピンチロール２のギャップを閉めるように制御する。

周速指令値補正部１１は、図１示すように、張力補償速度算出部１１Ａと第２減算部１１Ｂとから構成される。
張力補償速度算出部１１Ａは、被圧延材１の張力に応じて上記指令値設定部８が設定する周速指令値を補正する補正値を算出する。具体的には、張力補償速度算出部１１Ａは、被圧延材１の張力に応じた上記モータ５の回転数変化分△Ｎを算出し、算出した回転数変化分ΔＮをピンチロール２の周速度ΔＶに換算する。

張力補償速度算出部１１Ａは、図２に示すように、ΔＮ算出部１１Ａａと周速度換算部１１Ａｂとを備える。
ΔＮ算出部１１Ａａは、被圧延材１の張力に応じた上記モータ５の回転数変化分△Ｎを算出する。本実施形態では、被圧延材１の張力として目標張力である張力指令値ＴＰＲｅｆを採用する。被圧延材１の張力として実績張力を採用しても良い。

ここで、図３に示すように、被圧延材１に付与されるトルクと「ピンチロール２の回転数実績−ピンチロール２の回転数指令値である回転数変化分△Ｎ」とは、一次線形の関係にある。従って、予め図３のような、ピンチロール２で被圧延材１に付与する張力と回転数変化分△Ｎとの関係を、実験やモータモデルの予測などによって求めておき、その求めた関係を用いて、目標張力に対応する回転数変化分ΔＮを算出する。なお、モータ５のモータ電流（張力実績値）から上記関係を使用して回転数変化分△Ｎを算出しても良い。

周速度換算部１１Ａｂは、ΔＮ算出部１１Ａａが算出した回転数変化分△Ｎを、ピンチロール２の径に基づき、ピンチロール２の周速度ΔＶに換算する。
ここで、
Δｔ［tonf］ ：ピンチロール２が摩擦力によって被圧延材１に対し付与する目標張力
ΔＴ［tonf・m］ ：モータ５の回転軸に掛かるトルク
ΔＮ［rpm］ ：トルク付与状態における、モータ５の回転数変化分
ΔＶ［mpm］ ：張力補償するためのピンチロール２の周速分
ｒ［ｍ］ ：ピンチロール２の半径
Ｇ ：モータ５の回転軸からピンチロール２の回転軸への減速比
α［tmof・m／rpm］ ：モータ５の特性係数
π ：円周率
としたとき、
ピンチロール２が被圧延材１に対し付与する目標張力Δｔを、モータ５の回転軸のトルクに変換するとき、下記式で表すことが出来る。
ΔＴ ＝（Δｔ×ｒ）／Ｇ

また、モータ５が与えるトルク（モータ電流に比例する値）に応じて、回転数実績が回転数指令値から乖離する。この乖離量（＝回転数変化分ΔＮ）は、「α×ΔＴ」として表すことが出来る。
即ち、下記式で表すことが出来る。
ΔＮ＝（α×Δｔ×ｒ）／Ｇ
また、この乖離量ΔＮが張力を発揮するために補償すべき回転速度指令値であって、ピンチロール２の周速分ΔＶに換算すると、張力補償速度であるピンチロール２の周速分ΔＶは、下記式で表すことが出来る。
ΔＶ ＝（ΔＮ×２×π×ｒ）／Ｇ ＝２πα（ｒ／Ｇ）^２・Δｔ
このように、被圧延材１の張力から、速度指令値とは関係なく張力補償速度を求めることが出来ることが分かる。

また第２減算部１１Ｂは、周速指令値から、周速度換算部１１Ａｂが求めたピンチロール２の周速度ΔＶを減算して、張力補償を行う。
そして、モータ制御部１２は、第２減算部１１Ｂで張力補償した後の周速度指令値に応じたモータ５の回転数目標値を演算し、回転数目標値相当のモータ電流指令値となるように、モータ５を速度制御する。速度制御は、Ｐ制御でも、ＰＩ制御でもＰＩＤ制御でも構わない。

（動作その他）
仕上圧延機４で圧延され、連続して搬送されてくる被圧延材１の先端部がマンドレル３に巻き付いている状態とする。
被圧延材１の尾端部が仕上圧延機４の指定スタンド４ｂを抜けた（最終スタンド４ａをオフした）と判定すると、ピンチロール２のギャップを目標張力相当に調整すると共に、ピンチロール２の周速度が、目標スリップ率となるように、被圧延材１の搬送速度Ｖｓよりも所定値だけ遅い速度となるように設定し、その設定した周速度となるようにモータ５を速度制御する。

このとき、ピンチロール２によって被圧延材１に付与される張力は、ゼロに近い低い張力値から目標張力に向けて増大するように変化することとなるが、マンドレル３に巻き取られる被圧延材１によってピンチロール２が被圧延材１の搬送方向に引っ張られることで、ピンチロール２の速度が変化する。この場合、ピンチロール２の速度が目標値よりも早くなる方向に変化する傾向にある。

これに対し、本実施形態では、張力補償分だけ周速指令値を補正することで、より早期に張力が目標張力に近づくと共にピントロールの周速度が周速指令値に近づくようになる。例えば、被圧延材１からの搬送方向へのトルクが大きい場合には、その分だけ周速度指令値が小さく補正されることで、ピントロールの周速度実績が周速指令値に近づくようになる。
この張力補償は、ピンチロールに被圧延材から負荷されるトルク実績が変動する場合に有効であり、負荷されるトルク実績の変化が所定以上と推定される場合に少なくとも実行する。

ここで、ピントロールつまりモータ５にトルクが付与された場合のモータ５の回転数変化は、ピンチロール用のモータ５の特性（例えば直流モータやベクトル制御された交流モータ）によって負荷されるトルクに比例する。従って。負荷（張力指令値など）を定めてやれば、回転数変化ΔＮが定まると共に、周速度変化ΔＶが定まる。
この結果、操業条件によって変化する被圧延材１の搬送速度Ｖｓに対して、目標通りのスリップ率を達成することができ、被圧延材１の尾端部が抜けた後の、マンドレル３に巻き取る際におけるピンチロール２による被圧延材１への張力不足による巻緩み、スリップしすぎによる擦り傷、スリップ不足による巻ずれを同時に低減することができる。

ここで、上記のような張力補償の処理に遅れを持って、即ち、本発明に基づきピンチロール２の速度制御を開始してから、所定の遅れ時間後に、周速指令値と上記ピンチロール２の周速実績値との差分を用いた積分制御を行うようにすると更に好ましい。所定の遅れ時間は、例えば、目標張力と張力実績値の差が所定値以下となったと推定される時間や、モータの応答遅れ時間とすればよい。なお、ここでいう積分制御は、Ｉ制御に限定されない。積分制御を含んでいれば良いので、ＰＩＤ制御やＰＩ制御であっても良い。

巻取り装置においては被圧延材１の復元力、運動量、自重等の様々な要因によりピンチロール２にかかる荷重が異なる。軽荷重側がスリップ過大による擦り傷懸念、高荷重側がスリップ過小による巻きずれの発生懸念となる。これを抑制するために、上下のピンチロール２を揃速させる必要が生じる。そして、上記の積分制御を行うことで、上下のピンチロール２を揃速させて、上述のような問題を解消可能となる。
上記の積分制御を張力補償と同時に開始しても良いが、積分制御分と張力補償分とが干渉する恐れがあるため、所定の遅れ時間後に積分制御を行うようにすることが好ましい。

１ 被圧延材
２ ピンチロール
３ マンドレル
４ 仕上圧延機
４ａ 最終スタンド
４ｂ 指定スタンド
５ モータ
６ 間隙調整装置
７ 制御装置
８ 指令値設定部
９ 制御部本体
１０ ギャップ制御部
１０Ａ 電流張力換算部
１０Ｂ 第１減算部
１０Ｃ 間隙指令出力部
１１ 周速指令値補正部
１１Ａ 張力補償速度算出部
１１Ａａ ΔＮ算出部
１１Ａｂ 周速度換算部
１１Ｂ 第２減算部
１２ モータ制御部（速度制御部）
ΔＮ 回転数変化分（乖離量）
ΔＲ ラグ率
ΔＶ 回転数変化

Claims (4)

1. 圧延後の被圧延材をピンチロールで挟持しつつマンドレルに巻き取る巻取り装置における上記ピンチロールの制御方法であって、
   上記被圧延材に付与する張力の張力指令値に応じて上記ピンチロールのギャップを制御し、
   上記ピンチロールの周速指令値を上記被圧延材の搬送速度よりも遅い周速に設定し、
   上記被圧延材の張力に応じて上記設定した周速指令値を補正し、
   補正後の周速指令値に基づき、上記ピンチロールを回転駆動するモータを速度制御し、
   上記周速指令値の補正は、上記被圧延材の張力に応じた上記モータの回転数変化分ΔＮを算出し、算出した回転数変化分ΔＮをピンチロール周速度ΔＶに換算し、換算したピンチロール周速度ΔＶ分だけ上記周速指令値を補正することを特徴とするピンチロールの制御方法。
2. 更に、上記モータの速度制御は、上記周速指令値と上記ピンチロールの周速実績値との差分を用いて積分制御を行うことを特徴とする請求項１に記載したピンチロールの制御方法。
3. 圧延後の被圧延材をピンチロールで挟持しつつマンドレルに巻き取る装置における上記ピンチロールの制御装置であって、
   上記被圧延材に付与する張力の張力指令値に応じて上記ピンチロールのギャップを制御するギャップ制御部と、
   上記ピンチロールの周速指令値を上記被圧延材の搬送速度よりも遅い周速に設定する周速指令値設定部と、
   上記被圧延材の張力に応じて上記周速指令値設定部が設定した周速指令値を補正する周速指令値補正部と、
   上記ピンチロールの周速が補正後の周速指令値となるように、上記ピンチロールを回転駆動するモータを速度制御する速度制御部と、
   を備え、
   上記周速指令値補正部は、上記被圧延材の張力に応じた上記モータの回転数変化分△Ｎを算出し、算出した回転数変化分ΔＮをピンチロール周速度ΔＶに換算し、換算したピンチロール周速度ΔＶ分だけ上記周速指令値設定部が設定した周速指令値を補正することを特徴とするピンチロールの制御装置。
4. 上記速度制御部は、上記周速指令値と上記ピンチロールの周速実績値との差分を用いて積分制御を行うことを特徴とする請求項３に記載したピンチロールの制御装置。

Images