JP6644592B2 - 冷間圧延における形状制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧延された金属帯が板破断および絞り込みを生じないように圧延条件を適正化する方法に関する。

冷間圧延機において鋼帯を圧延する際には、鋼帯の厚さや圧延条件によって圧延形状の不良を引き起こし、製品の品質不良を発生させてしまう。圧延形状の不良とは具体的には、中伸び形状（圧延方向の長さの歪のうち、中央部分が延びてしまうこと）や耳伸び形状（圧延方向の長さの歪のうち、圧延材の両端部が延びてしまうこと）が挙げられる。

このような形状不良を抑制するため、冷間タンデムミルでは、ワークロールベンダー、中間ロールベンダー、中間ロールシフト等の形状制御手段の制御量を適正値に設定することにより、スタンド間の板形状が悪化しないように図られている。しかし、幅方向の板端部には微小な割れが存在することが多いため、平均出側張力が大きい場合やスタンド間の圧延材形状が中伸びの場合には板端部出側張力が過大となり、板破断を生じさせる場合がある。

そこで、特開平４−２００９０４号公報では、冷間タンデムミルのスタンド間で金属帯端部の急峻度が耳割れの成長しない限界値以上の耳伸び形状となるように形状制御することで板破断を防止する冷間圧延方法が提案されている。これは、平均出側張力が小さい場合に、スタンド間の圧延形状が耳伸び形状となることにより板端部出側張力が小さくなることで、板破断を防止する方法である。

しかし、特開平４−２００９０４号公報の方法では、平均出側張力が大きく耳伸びの程度が軽い場合に板端部出側張力が過大となり、板破断を生じる場合がある。

そこで、特開平８−１４１６２０号公報では、冷間リバース圧延機において形状検出器出力に基づいて算出される板端部出側張力が予め定めた値よりも大きくなった際に全張力を低減すること（平均出側張力を低減することと同一）により、板端部出側張力が予め定めた値以下として形状制御を行うことを特徴とする圧延機における形状制御方法が提案されている。

特開平４−２００９０４号公報 特開平８−１４１６２０号公報

特許文献２の方法では、被圧延材の形状を形状検出器で検出し、幅方向のユニット張力の最大値及び特定の幅方向の位置ユニット張力の少なくとも一方が、それぞれの予め定めた値よりも大きくなった際に全張力を低減させることで板端部出側張力を小さくすることができ、それによって板破断を防止することができるものである。

しかし、特許文献２の方法では、板端部出側張力が過小となる場合があり、圧延材に絞り込みが生じる場合がある。圧延荷重は圧延速度により変化するものであり、一般的に、圧延速度が速くなると荷重は下がり、圧延速度が遅くなると荷重は上がる。圧延工程では、材料を入れ始めた時（圧延開始時）の低速状態（低速部）からやがて高速状態（高速部）となり、材料を抜く時（圧延終了時）は再び低速状態（低速部）になる。そうすると、板の先端と真ん中とでは荷重が変化し、板厚にも差異が生じることになる。

具体的には、圧延開始時と終了時における圧延速度の低速部では高速部に比べて圧延油の取り込み量が減少し、摩擦係数が大きくなるので、これにより圧延荷重が増加し、圧延材の圧延形状が耳伸び形状に変化する。ここで、圧延開始時と終了時の低速部には、図１に示すようなコイル同士を溶接して連続圧延する場合の１コイルの圧延開始時と終了時の低速部を含む。そこで、高速部における板破断を防止するため、板端部出側張力を小さくすると、低速部において、耳伸び形状に起因して板端部出側張力が過小となり、圧延材に絞り込みが生じる場合がある。

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、好適に板端部出側張力を制御し、圧延速度の低速部における絞り込みおよび高速部における板破断の両方を防止する形状制御方法を提供することを目的とする。

これらの目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、冷間タンデムミルのスタンド間において絞り込みおよび板破断の両方を防止することが可能な冷間圧延における圧延材の形状制御方法であって、平均出側張力、圧延荷重および形状制御手段の制御量を変数として板端部出側張力を表す予測式を予め作成し、複数の圧延条件のそれぞれに関して前記予測式により得られた予測値と、前記複数の圧延条件のそれぞれでの絞り込みおよび板破断の発生有無とに基づいて、圧延材に絞り込みが生じる板端部出側張力の絞り込み限界値および圧延材に板破断が生じる板端部出側張力の破断限界値を予め求め、前記平均出側張力と、圧延開始時および圧延終了時の圧延速度の低速部ならびに圧延中の圧延速度の高速部における圧延荷重の予測値とを前記予測式に代入し、圧延開始時および圧延終了時の圧延速度の低速部においては予め求めた前記絞り込み限界値以上、且つ圧延中の圧延速度の高速部においては前記破断限界値以下となるように形状制御手段の制御量を算出し、算出した前記形状制御手段の制御量を用いて板端部出側張力を制御することを特徴とする冷間圧延における形状制御方法である。

また、請求項２にかかる発明は、冷間タンデムミルのスタンド間において絞り込みおよび板破断の両方を防止することが可能な冷間圧延における圧延材の形状制御方法であって、平均出側張力、圧延荷重、素材クラウン量および形状制御手段の制御量を変数として板端部出側張力を表す予測式を予め作成し、複数の圧延条件のそれぞれに関して前記予測式により得られた予測値と、前記複数の圧延条件のそれぞれでの絞り込みおよび板破断の発生有無とに基づいて、圧延材に絞り込みが生じる板端部出側張力の絞り込み限界値および圧延材に板破断が生じる板端部出側張力の破断限界値を予め求め、前記平均出側張力と、素材クラウンの測定値と、圧延開始時および圧延終了時の圧延速度の低速部ならびに圧延中の圧延速度の高速部における圧延荷重の予測値とを前記予測式に代入し、前記板端部出側張力が圧延開始時および圧延終了時の低速部においては予め求めた前記絞り込み限界値以上、且つ圧延中の圧延速度の高速部においては予め求めた前記破断限界値以下となるように前記形状制御手段の制御量を算出し、算出した前記形状制御手段の制御量を用いて板端部出側張力を制御することを特徴とする冷間圧延における形状制御方法である。

以上に説明したように、本発明においては、冷間タンデムミルのスタンド間において、圧延開始時と終了時の圧延速度の低速部における絞り込みおよび圧延中の圧延速度の高速部における板破断の両方を防止することが可能となる。

圧延開始時と終了時の圧延速度の低速部および圧延中の圧延速度の高速部を説明する図である。 圧延荷重が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差に及ぼす影響を表した図である。 ワークロールベンダー力が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差に及ぼす影響を表した図である。 中間ロールベンダー力が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差に及ぼす影響を表した図である。 中間ロールシフト位置が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差に及ぼす影響を表した図である。 素材クラウン量が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差に及ぼす影響を表した図である。 図８の条件１〜条件１０の詳細を示す図である。 板端部出側張力と絞り込みの有無との関係を表した図である。 図１０の条件１〜条件１０の詳細を示す図である。 板端部出側張力と板破断の有無との関係を表した図である。 実施例で使用した６段圧延機及び制御系統の概略図である。

本発明者らは、板端部出側張力を表す予測式を用いて板端部出側張力を算出するとともに、板端部出側張力が圧延開始時と終了時の圧延速度の低速部において絞り込み限界値以上且つ圧延中の圧延速度の高速部において破断限界値以下となるように形状制御手段の制御量を設定することにより板端部出側張力を制御し、低速部の絞り込みおよび高速部の板破断の両方を防止することが可能な形状制御方法を種々調査検討した。

その結果、板端部出側張力が平均出側張力、圧延荷重、素材クラウン量および形状制御手段の制御量とほぼ線形関係にあることに着目し、平均出側張力、圧延荷重、素材クラウン量および形状制御手段の制御量を変数として板端部出側張力を表す予測式を用いて形状制御手段の制御量を制御することにより、板端部出側張力を圧延速度の低速部において絞り込み限界値以上且つ圧延中の圧延速度の高速部において破断限界値以下とすることを可能とし、低速部の絞り込みおよび高速部の板破断の両方を防止可能であることを見出した。

以下、４スタンドからなる冷間タンデムミルのＮｏ.３スタンドに設置された形状制御手段として、ワークロールベンダー、中間ロールベンダーおよび中間ロールシフトを有する６段圧延機を対象に本発明の形状制御方法について説明するが、他のスタンドに設置された圧延機や４段圧延機等の６段圧延機以外の圧延機に対しても同様に本発明が適用されることは勿論である。

板端部出側張力Ｔｅは、式（１）のように平均出側張力Ｔａｖと圧延形状による張力差（板端部出側張力と平均出側張力の差）ΔＴの和で表される。
Ｔｅ＝Ｔａｖ＋ΔＴ （１）

そして、板幅方向の張力差から板幅方向の伸び率差を算出するという形状検出器の原理から明らかなように、ヤング率をＥ、板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差をΔεとすると、圧延形状による張力差ΔＴは式（２）で表される。
ΔＴ＝Ｅ・Δε・（−１） （２）

圧延材の形状に及ぼす影響要因としては、圧延材寸法、材質、潤滑状態、前後方張力、圧延荷重、形状制御手段の制御量、素材クラウン量、圧延前形状等がある。このうち、圧延材寸法については板厚、板幅毎にテーブル区分すると、区分内における圧延材寸法の変化が形状に及ぼす影響を小さくすることができる。材質、潤滑状態及び前後方張力は圧延材の形状に影響するが、その影響のほとんどは圧延荷重を介したロール撓みの変化によって生じる。

また、スキンパス圧延のように圧下率が小さい場合には圧延前形状の影響は大きいが、圧下率５％以上の通常の冷間圧延においては圧延前形状の影響は小さい。したがって、形状変化に及ぼす主要因は、圧延荷重、素材クラウン量、形状制御手段の制御量ということができる。

そこで、圧延荷重、素材クラウン量、形状制御手段の制御量が圧延形状に及ぼす定量的な影響を検討した。ここで「形状制御手段」により制御される対象は、ロールベンダー、ロールシフト、圧下率・圧延荷重、スポットクラーント等の一部またはこれらの全部を指す。

図２は、圧延荷重Ｐ（ｋＮ）が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεに及ぼす影響を示す。圧延荷重の変化がロール撓みの変化となって現れ、圧延材の形状を変化させる。圧延荷重とロール撓み量との関係は弾性領域における変形を対象としていることからほぼ線形的な関係にある。したがって、板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεも圧延荷重Ｐと線形関係にある。

図３は、ワークロールベンダー力Ｗｂ（ｋＮ）が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεに及ぼす影響を示す。形状制御手段であるワークロールベンダーも圧延荷重と同様にロール撓みを変化させて圧延形状を変化させるものであり、ワークロールベンダー力Ｗｂと板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεとの間も線形関係にある。

図４は、中間ロールベンダー力Ｉｂ（ｋＮ）が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεに及ぼす影響を示す。中間ロールベンダーも圧延荷重と同様にロール撓みを変化させて圧延形状を変化させるものであるので、中間ロールベンダー力Ｉｂと板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεとの間も線形関係にある。

図５は、中間ロールシフト位置Ｌｓ（ｍｍ）が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεに及ぼす影響を示す。中間ロールシフト位置をテーパ開始点から板端までの距離で定義し、テーパ開始点が板端よりも内側にある場合を負、外側にある場合を正とする。中間ロールシフトもワークロールと中間ロール間の接触圧力分布を変化させることによりロール撓みを変化させて圧延形状を変化させるものであるので、中間ロールシフト位置Ｌｓと板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεとの間も線形関係にある。

図６は、素材クラウン量Ｃｒ（μｍ）が板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεに及ぼす影響を示す。素材クラウン量を板端部と板幅中央の板厚差で定義した。その結果、素材クラウン量Ｃｒと板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεとの間も線形関係にあることがわかる。

以上の各要因相互の関係から、ａｅ、ｂｅ、ｃｅ、ｄｅ、ｅｅ、ｆｅを影響係数として、式(３)で板幅方向の平均値に対する板端部の伸び率差Δεを表すことができる。
Δε＝ａｅ・Ｐ＋ｂｅ・Ｃｒ＋ｃｅ・Ｗｂ＋ｄｅ・Ｉｂ＋ｅｅ・Ｌｓ＋ｆｅ (３)

影響係数ａｅ、ｂｅ、ｃｅ、ｄｅ、ｅｅ、ｆｅは、板幅、板厚及び材質等の製造品種によって定まる定数であり、実験又はロールの弾性変形解析と素材の塑性変形解析とを連成させた解析モデルによるシミュレーションからそれぞれ求められる。各影響係数は、板幅、板厚、材質等の各区分毎にテーブル設定し、或いは板幅、板厚、材質等の関数として数式化される。

各影響係数は具体的には、ａe：圧延荷重と伸び率差の関係を表す直線の傾き（図２を参照）、ｂe：素材クラウン量と伸び率差の関係を表す直線の傾き（図６参照）、ｃe：ワークロールベンダー力と伸び率差の関係を表す直線の傾き（図３参照）、ｄe：中間ロールベンダー力と伸び率差の関係を表す直線の傾き（図４参照）、ｅe：中間ロールシフト位置と伸び率差の関係を表す直線の傾き（図５参照）、ｆe：定数項である。

なお、ワークロール径４００ｍｍ程度が一般的な６段圧延機やワークロール径１００ｍｍ以下が一般的な２０段圧延機等では、ワークロールに大きな撓み変形が生じやすい。そのため、圧延荷重が圧延材の形状に及ぼす影響は大きいが、素材クラウン量が圧延材の形状に及ぼす影響は小さくなりやすい。この場合には、式(３)において素材クラウン量Ｃｒをゼロとして素材クラウン量の影響項を無視することも可能である。

式（１）〜（３）より、平均出側張力、圧延荷重、素材クラウン量および形状制御手段の制御量を変数として板端部出側張力を表す予測式は式（４）で表される。
Ｔｅ＝Ｔａｖ−Ｅ(ａｅ・Ｐ＋ｂｅ・Ｃｒ＋ｃｅ・Ｗｂ＋ｄｅ・Ｉｂ＋ｅｅ・Ｌｓ＋ｆｅ) （４）

次に、タンデムミル出側の板厚０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、板幅８５０ｍｍ〜１０５０ｍｍにおける板端部出側張力と絞り込みの有無との関係について調査した。図７には、圧延条件（条件１〜条件１０）毎に各パラメータ（圧延荷重、素材クラウン量、平均出側張力、ワークロールベンダー力、中間ロールベンダー力、中間ロールシフト位置）が設定されている。そこで、条件毎に上記式（４）により板端部出側張力の予測値を計算し、絞り込みの有無を調査した。

その結果を図８に示す。図８に示すように、条件１〜５までは絞り込みは生じなかったものの、条件６〜１０においては絞込みが生じた。つまり、板端部出側張力に絞り込み限界値が存在し、板端部出側張力が絞り込み限界値以下になると、絞り込みが生じることが判明した。このように、各条件と式（４）により、板端部出側張力の予測値を得ることができ、得られた予測値から絞り込みが生じるか否かを予測することができる。

換言すると、式（４）により算出される低速部の板端部出側張力が絞り込み限界値以上となるように形状制御手段の制御量を設定することで、圧延開始時と圧延終了時の低速部の絞り込みを防止することが可能となる。

また、図８の場合と同様に、タンデムミル出側の板厚０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、板幅８５０ｍｍ〜１０５０ｍｍにおける板端部出側張力と板破断の有無との関係について調査した。図９には、圧延条件（条件１〜条件１０）毎に各パラメータ（圧延荷重、素材クラウン量、平均出側張力、ワークロールベンダー力、中間ロールベンダー力、中間ロールシフト位置）が設定されている。そこで、条件毎に上記式（４）により板端部出側張力の予測値を計算し、板破断の有無を調査した。

その結果を図１０に示す。図１０に示すように、条件１〜５までは板破断は生じなかったものの、条件６〜１０においては板破断が生じた。つまり、板端部出側張力に破断限界値が存在し、板端部出側張力が破断限界値以上になると板破断を生じることが判明した。このように、各パラメータと式（４）により、板端部出側張力の予測値を得ることができ、得られた予測値から板破断が生じるか否かを予測することができる。

換言すると、式（４）により算出される圧延速度の高速部の板端部出側張力が破断限界値以下となるように形状制御手段の制御量を設定することで、高速部での板破断を防止することが可能となる。

したがって、式（４）により算出される圧延速度の低速部の板端部出側張力が絞り込み限界値以上且つ高速部の板端部出側張力が破断限界値以下となるように形状制御手段の制御量を設定すれば、低速部の絞り込みおよび高速部の板破断の両方を防止することが可能となる。

形状制御手段の設定に際しては、低速部における圧延荷重Ｐｌおよび高速部における圧延荷重Ｐｈを、Ｂｌａｎｄ＆Ｆｏｒｄの式、Ｈｉｌｌの式等の圧延荷重式を用いて予測し、平均出側張力Ｔａｖ、低速部、高速部それぞれの圧延荷重の予測値Ｐｌ、Ｐｈおよび素材クラウンの測定値Ｃｒを板端部出側張力Ｔｅを表す予測式（４）に代入し、圧延速度の低速部の板端部出側張力Ｔｅｌが絞り込み限界値以上且つ高速部の板端部出側張力Ｔｅｈが破断限界値以下となるように、ワークロールベンダー力Ｗｂ、中間ロールベンダー力Ｉｂおよび中間ロールシフト位置Ｌｓを算出し、設定する。

以上の説明では、ワークロールベンダー、中間ロールベンダーおよび中間ロールシフトの三つの形状制御手段の制御量を設定することを前提としたが、使用する形状制御手段の組合せはワークロールベンダー、中間ロ−ルベンダーおよび中間ロールシフトの組合せに限ったものではなく、４段圧延機のように形状制御手段がワークロールベンダーのみの場合には、式（４）の代わりに式（５）を用い、圧延速度の低速部の板端部出側張力Ｔｅｌが絞り込み限界値以上且つ高速部の板端部出側張力Ｔｅｈが破断限界値以下となるように、ワークロールベンダー力Ｗｂを算出し、設定する。
Ｔｅ＝Ｔａｖ−Ｅ(ａｅ・Ｐ＋ｂｅ・Ｃｒ＋ｃｅ・Ｗｂ＋ｆｅ) （５）

４スタンドからなる冷間タンデムミルのＮｏ.３スタンドに設置された６段圧延機においてタンデムミル出側の板厚０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの冷延鋼板５００コイルを圧延する際に本発明を適用した例を説明する。

６段圧延機１は、図１１に示すように、ワークロールベンダー２、中間ロールベンダー３、中間ロールシフト４を形状制御手段として備えている。上位コンピュータ５には予め圧延条件（例えば、ワークロールの回転速度、ワークロール径、低速部および高速部の摩擦係数、板幅、入出側板厚、平均入出側張力、圧延材の変形抵抗等）が入力されており、圧延荷重式に従って低速部の圧延荷重Ｐｌと高速部の圧延荷重Ｐｈが算出される。

プロセスコンピュータ６では板幅、板厚及び材質の区分毎に予め算出した影響係数（ａｅ、ｂｅ、ｃｅ、ｄｅ、ｅｅ、ｆｅ）と素材クラウンＣｒの測定値を取り込んでおり、板端部出側張力Ｔｅを表す予測式（４）で圧延開始時と圧延終了時の圧延速度の低速部の板端部出側張力Ｔｅｌが絞り込み限界値以上且つ圧延速度の高速部の板端部出側張力Ｔｅｈが破断限界値以下となるようにワークロールベンダー力Ｗｂ、中間ロールベンダー力Ｉｂおよび中間ロールシフト位置Ｌｓを算出し、設定した。そして、ワークロールベンダー力Ｗｂ、中間ロールベンダー力Ｉｂおよび中間ロールシフト位置Ｌｓの値を固定してそのまま圧延した。なお、絞り込み限界値については図７で求めた値を採用し、破断限界値については図９で求めた値を採用した。

その結果、従来は５００コイルにつき２コイルで絞り込みが生じ、３コイルで板破断を生じていたが、本発明を適用することにより、５００コイルにつき絞り込みが生じたのは１コイルであり、板破断は生じなかった。

このように、本発明の板端部出側張力を表す予測式を用いて板端部出側張力を算出するとともに、算出した圧延速度の低速部の板端部出側張力が絞り込み限界値以上且つ高速部の板端部出側張力が破断限界値以下となるように形状制御手段の制御量を設定することにより板端部出側張力を制御することで、冷間タンデムミルのスタンド間において、圧延開始と終了時の圧延速度の低速部の絞り込みの発生および高速部の板破断の発生の両方を防止することが可能となる。

１：６段圧延機
２：ワークロールベンダー
３：中間ロールベンダー
４：中間ロールシフト
５：上位コンピュータ
６：プロセスコンピュータ
７：圧延材
８：ワークロール
９：中間ロール
１０：バックアップロール

Claims (2)

1. 冷間タンデムミルのスタンド間において絞り込みおよび板破断の両方を防止することが可能な冷間圧延における圧延材の形状制御方法であって、
   平均出側張力、圧延荷重および形状制御手段の制御量を変数として板端部出側張力を表す予測式を予め作成し、
   複数の圧延条件のそれぞれに関して前記予測式により得られた予測値と、前記複数の圧延条件のそれぞれでの絞り込みおよび板破断の発生有無とに基づいて、圧延材に絞り込みが生じる板端部出側張力の絞り込み限界値および圧延材に板破断が生じる板端部出側張力の破断限界値を予め求め、
   前記平均出側張力と、圧延開始時および圧延終了時の圧延速度の低速部ならびに圧延中の圧延速度の高速部における圧延荷重の予測値とを前記予測式に代入し、
   圧延開始時および圧延終了時の圧延速度の低速部においては予め求めた前記絞り込み限界値以上、且つ圧延中の圧延速度の高速部においては前記破断限界値以下となるように形状制御手段の制御量を算出し、
   算出した前記形状制御手段の制御量を用いて板端部出側張力を制御する
   ことを特徴とする冷間圧延における形状制御方法。
2. 冷間タンデムミルのスタンド間において絞り込みおよび板破断の両方を防止することが可能な冷間圧延における圧延材の形状制御方法であって、
   平均出側張力、圧延荷重、素材クラウン量および形状制御手段の制御量を変数として板端部出側張力を表す予測式を予め作成し、
   複数の圧延条件のそれぞれに関して前記予測式により得られた予測値と、前記複数の圧延条件のそれぞれでの絞り込みおよび板破断の発生有無とに基づいて、圧延材に絞り込みが生じる板端部出側張力の絞り込み限界値および圧延材に板破断が生じる板端部出側張力の破断限界値を予め求め、
   前記平均出側張力と、素材クラウンの測定値と、圧延開始時および圧延終了時の圧延速度の低速部ならびに圧延中の圧延速度の高速部における圧延荷重の予測値とを前記予測式に代入し、
   前記板端部出側張力が圧延開始時および圧延終了時の低速部においては予め求めた前記絞り込み限界値以上、且つ圧延中の圧延速度の高速部においては予め求めた前記破断限界値以下となるように前記形状制御手段の制御量を算出し、
   算出した前記形状制御手段の制御量を用いて板端部出側張力を制御する
   ことを特徴とする冷間圧延における形状制御方法。