JP6962341B2 - 圧延装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、隣接するスタンドの間にルーパーを設置した圧延装置及び方法に関する。

圧延機は、回転駆動する１対のワークロールを有するスタンドを複数備えたものであって、複数のスタンドがそれぞれ鋼材を圧延することにより、要求された板厚の製品が製造される。このような圧延機において、スタンド間の鋼板張力を制御するため、スタンド間の鋼板張力を計測するルーパーが設置される場合がある。そして、ルーパーにより計測された鋼板張力に基づいてミルモータの回転数（ワークロールの回転数）が制御される。

一方、ルーパーの計測に基づく張力制御を行うことなく、推定値に基づいて張力制御を行うルーパーレスの圧延方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１において、スタンド間にはそれぞれ張力計が設置されており、張力計等からの計測値を補償しながらミルモータを制御することにより、外乱や鋼材の変動が生じても精度よく板厚制御及び板幅制御を行うことができる圧延機が開示されている。

特開２０００−１４０９２０号公報

しかしながら、特許文献１のルーパーレスの圧延方法の場合、圧延荷重及び圧延トルクから鋼板の圧延張力を推定している。このため、推定した圧延張力と実際の張力との間に誤差が生じる場合があり、安定した操業が難しい。一方、ルーパーを用いた場合、ルーパーが鋼材を持ち上げたときに、板厚によっては上スピンドルへの負荷トルクが過大になり、回転駆動ユニットに故障が生じる場合がある。

そこで、本発明は、ルーパーを使用しても回転駆動ユニットの故障を抑制し、安定した操業が可能となる圧延装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、これら課題を解決するために以下の構成を有する。
［１］ 鋼材を圧延する上ワークロール及び下ワークロールと、前記上ワークロール及び前記下ワークロールを回転駆動させる回転駆動ユニットとをそれぞれ有する複数のスタンドと、
隣接する前記スタンドの間に配置され、前記スタンド間を走行する前記鋼材を持ち上げるルーパーと、
前記上ワークロールへ掛かる負荷トルクが、前記回転駆動ユニットの前記上ワークロールを回転させる機構のうち、限界応力が最も小さい設備最弱部において耐え得る限界トルクより小さくなるように、前記ルーパーによる前記鋼材の持ち上げ角度を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする圧延装置。
［２］ 前記回転駆動ユニットは、
回転トルクを発生させるミルモータと、
前記ミルモータにおいて発生した回転トルクを前記上ワークロールに伝達するミルスピンドルと、
前記ミルスピンドルと前記上ワークロールを連結するスピンドルカップリングと、
を備え、
前記設備最弱部は、前記スピンドルカップリングであることを特徴とする［１］に記載の圧延装置。
［３］ 前記制御装置は、下記式（１）に基づいて前記上ワークロールによる前記鋼材の圧下量Δｈ１を求め、求めた前記圧下量Δｈ１と下記式（２）を用いて前記上ワークロールに掛かる負荷トルクＴを求め、求めた前記負荷トルクＴが前記限界トルクより小さくなるようにルーパー角度を制御して前記鋼材の持ち上げ角度θを制御することを特徴とする［１］または［２］に記載の圧延装置。
Δｈ１＝Ｒ（１−ｃｏｓ（ｃｏｓ^−１（（Ｒ−Δｈ）／Ｒ）＋１．９θ）） ・・・（１）
Ｔ＝λ・Ｐ・Ｌｄ＝λ・Ｐ・（Ｒ・Δｈ１）^１／２ ・・・（２）
Δｈ１：上ワークロールの見かけ圧下量
Ｒ：上ワークロールのロール径
Δｈ：ルーパーの下流側のスタンドでの鋼材の圧下量
λ：トルクアーム係数
Ｌｄ：鋼材と上ワークロールとの接触弧張
［４］ 鋼材を圧延する上ワークロール及び下ワークロールと、前記上ワークロール及び前記下ワークロールを回転駆動させる回転駆動ユニットとをそれぞれ有する複数のスタンドと、隣接する前記スタンドの間に配置され、前記スタンド間を走行する前記鋼材を持ち上げるルーパーと、を備え、前記ルーパーによる前記鋼材の持ち上げ角度を制御する圧延方法であって、
前記上ワークロールへ掛かる負荷トルクが、前記回転駆動ユニットの前記上ワークロールを回転させる機構のうち、限界応力が最も小さい設備最弱部において耐え得る限界トルクより小さくなるように、前記ルーパーによる前記鋼材の持ち上げ角度を制御することを特徴とする圧延方法。

本発明の圧延装置及び方法によれば、上ワークロールに掛かる負荷トルクが設備最弱部の限界応力以下になるように、ルーパーによる鋼材の持ち上げ角度を制御することにより、上ワークロールに負荷トルクが掛かり過ぎることがなくなる。よって、ルーパーを用いた張力計測により製品歩留まりの低下を抑制しながら、ルーパーが鋼材を持ち上げることによる回転駆動ユニットの故障を抑制することができる。

本発明の圧延装置を利用した熱間圧延ラインの一例を示す模式図である。 本発明の圧延装置の好ましい実施形態を示す斜視図である。 本発明の圧延装置の好ましい実施形態を示す模式図である。 図３のミルスピンドル及びスピンドルカップリングの一例を示す模式図である。 鋼材の圧下量（板厚）を変化させたときの下スピンドルと上スピンドルとに掛かるトルクの一例を示すグラフである。 ルーパー角度に対するスピンドルトルクの関係を示すグラフである。 スタンド間に設置されたルーパーにより鋼材が持ち上げられた状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の圧延装置を利用した熱間圧延ライン１の一例を示す模式図である。この熱間圧延ライン１は、例えば板厚２５ｍｍ程度の鋼材を熱間圧延するラインである。熱間圧延ライン１は、スラブを加熱する加熱炉２と、加熱炉２により加熱されたスラブを粗圧延する粗ミル部３と、粗圧延された鋼材を所望の長さで切断する切断部４と、粗圧延された鋼材に対し仕上げ圧延を行う圧延装置５と、圧延された鋼材を冷却する冷却装置６と、冷却された鋼材を巻き取るコイラー７とを備える。

図２は本発明の圧延装置の好ましい実施形態を示す模式図であり、図１及び図２を参照して圧延装置５について説明する。図１及び図２の圧延装置５は、いわゆるタンデム圧延機であって、複数（例えば５台）のスタンドＦ１〜Ｆ５と、隣接するスタンドＦ１〜Ｆ５の間に配置され、スタンド間を走行する鋼材を持ち上げるルーパー３０と、複数のスタンドＦ１〜Ｆ５の動作をそれぞれ制御する制御装置４０とを備える。なお、図２においては、ルーパー３０が隣接するスタンドＦ１、Ｆ２の間に配置されている場合について例示しているが、隣接するスタンドＦ２〜Ｆ５の間にもそれぞれ配置されていてもよい。そして、鋼材ＳがスタンドＦ１〜Ｆ５においてそれぞれ圧延され、所望の板厚の鋼材Ｓになるように圧延される。

図３は図１及び図２におけるスタンドＦ２の一例を示す模式図である。なお、図３において、スタンドＦ２について例示しているが、各スタンドＦ１〜Ｆ５は、略同一の構成を有している。図１〜図３のスタンドＦ２は、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂと、各ワークロール１１Ａ、１１Ｂのそれぞれを支持する複数のバックアップロール１２と、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂを圧下する圧下装置１３と、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂを回転駆動させる回転駆動ユニット２０とを備える。

上ワークロール１１Ａと下ワークロール１１Ｂとは、所定のギャップ量だけ離れた状態で配置される。そして、上ワークロール１１Ａと下ワークロール１１Ｂとの間に鋼材Ｓが通板され圧延される。圧下装置１３は例えば油圧式シリンダもしくは電動式シリンダ等からなり、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂを上下方向に圧下させる。これにより、上ワークロール１１Ａと下ワークロール１１Ｂとのギャップ量が調整され、鋼材へＳの圧下量が制御される。

回転駆動ユニット２０は、例えば１つのミルモータ２１を用いて上ワークロール１１Ａと下ワークロール１１Ｂとの双方を回転駆動させる構造を有している。具体的には、回転駆動ユニット２０は、回転動力を発生させるミルモータ２１と、ミルモータ２１に接続された減速機２２及びピニオンスタンド２３と、ピニオンスタンド２３と上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂとをそれぞれ接続する１対のミルスピンドル２４及び１対のスピンドルカップリング２５とを有する。

ミルモータ２１と減速機２２とはシャーピンを介して接続されており、減速機２２は、ミルモータ２１において発生した回転動力の回転トルク及び回転数を調整する。ピニオンスタンド２３は、減速機２２において調整された回転トルクを２つに分割し、１対のスピンドル２４は、ピニオンスタンド２３において分割された回転力を上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂのそれぞれに伝達する。１対のスピンドルカップリング２５は、１対のミルスピンドル２４と上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂとをそれぞれ連結するものであり、後述するスリッパメタルをそれぞれ有する。なお、１対のスピンドル２４と１対のスピンドルカップリング２５とは、一般的には上下で異なるものではなく同一の部材からなっている。

図４は図３のミルスピンドル及びスピンドルカップリングの一例を示す模式図である。なお、図４（Ａ）は、Ｙ−Ｚ平面から見た図を示し、図４（Ｂ）はメタルスリッパの周辺部位を示すＸ−Ｚ断面図を示す。図４に示すように、ミルスピンドル２４には、径方向に延びる円形状の収容部２４ｘが形成されており、収容部２４ｘには、１対のスリッパメタル２５ａを介してスピンドルカップリング２５の凸状のトング２５Ｔが挿入されている。そして、トング２５Ｔは、スリッパメタル２５ａとともに収容部２４ｘ内を回転する。

また、１対のスリッパメタル２５ａ及びトング２５Ｔには、ピン２７が挿入されている。１対のスリッパメタル２５ａ及びトング２５Ｔはピン２７を中心にピルスピンドル２４に対し搖動可能になっている。なお、ワークロール１１Ａ側のスピンドルカップリング２５について説明したが、ピニオンスタンド２３側のスピンドルカップリング２６、スリッパメタル２６ａ及びピン２８も同様の構造を有している。

そして、圧下量の変化に伴い上ワークロール１１Ａまたは下ワークロール１１Ｂが上下動したとき、スリッパメタル２５ａの回転で上下の変動量が吸収される。よって、圧下により各ワークロール１１Ａ、１１Ｂが上下動しても、ミルモータ２１の回転力が１対のスピンドル２４を介してそれぞれ上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂに確実に伝達されることになる。

図２のルーパー３０は、スタンドＦ１〜Ｆ５間に設置されており、スタンド間の鋼材Ｓを持ち上げる。ルーパー３０はスタンド間の張力を計測する機能と、スタンド間の張力変動をルーパー角度の変動として吸収する機能と、スタンド間の鋼材に所定の張力を与えて圧延状態を安定させる機能とを有する。図２のルーパー３０は、アーム部３１と、アーム部３１を回転可能に支持するアーム支持部３２と、アーム部３１の先端に取り付けられ、鋼材を持ち上げるルーパーロール３３と、アーム支持部３２を回転させるルーパー駆動部３４と備える。そして、ルーパー駆動部３４がアーム支持部３２を回転させるとアーム部３１が回転して傾斜し、ルーパーロール３３が鋼材Ｓを下側から持ち上げることになる。

このルーパー駆動部３４の動作は制御装置４０により制御されている。制御装置４０には、鋼材Ｓの鋼種ごとにそれぞれルーパー角度（もしくはルーパ角度範囲）が設定されており、制御装置４０は、圧延する鋼材Ｓの鋼種に合ったルーパー角度になるようにルーパー３０を制御する。さらに、例えばアーム部３１には図示しない張力計が接続されており、制御装置４０は、張力計により計測された張力に応じてルーパー駆動部３４を駆動し、ルーパー角度を制御する。

なお、アーム支持部３２は、鋼材Ｓの通路よりも下側に位置するため、ルーパー角度＝０°〜１０°とき、ルーパーロール３３は鋼材Ｓに接触せず、いわゆるルーパーレスの状態になる。そして、アーム支持部３２が所定のルーパー角度（例えば１０°）になるまで上方へ傾斜したとき、ルーパーロール３３が鋼材Ｓの下面に接触することになる。

ここで、仕上圧延におけるルーパー３０が使用される場合、鋼板の圧下量が大きくなるにつれて、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂのそれぞれに掛かる負荷トルクが異なっていく。図５は、板厚に対する上スピンドルに掛かるトルクと、下スピンドルに掛かるトルクとの関係を示すグラフである。図５に示すように、板厚が小さい場合には圧下量も小さく、上側のミルスピンドル２４に掛かるトルクと下側のミルスピンドル２４に掛かるトルクとはほぼ同じになる。一方、圧下量（板厚）が中程度になると、上側のミルスピンドル２４に掛かるトルクが下側のミルスピンドル２４に掛かるトルクより大きくなり、圧下量（板厚）が大きくなると上側のミルスピンドル２４に掛かるトルクが下側のミルスピンドル２４に掛かるトルクより過大になる。

図６は、ルーパー角度に対するスピンドルトルクの関係を示すグラフである。なお、図６において、ルーパー角度α＝１０°までは鋼材Ｓにルーパーロール３３が接触しないルーパーレスの状態になるものとする。また、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂは圧延が行われていくうちに摩耗して径が小さくなり、このワークロール径の変動幅をΔＲとして示している。図６に示すように、ルーパー３０が鋼材Ｓを持ち上げない場合、下トルクと上トルクとはほぼ同じになる。一方、ルーパー角度αが大きくなるにつれて、下トルクと上トルクとの差分が広がっていく。これは、ルーパー３０により鋼材Ｓが持ち上げられた状態で圧延されると、上ワークロール１１Ａの接触個弧長が下ワークロール１１Ｂよりも大きくなり、板厚が厚くなるにつれてその差がさらに大きくなるためである。

通常、１対のミルスピンドル２４の強度設計の際、上下のスピンドルトルクは同等として強度の設計をする。このため、１対のミルスピンドル２４の負荷トルクが異なる場合、上側のミルスピンドル２４へ過負荷となる際は安全率が大きく低下する。

そこで、図２の制御装置４０は、上ワークロール１１Ａへ掛かる負荷トルクが、設定閾値より小さくなるように、ルーパー３０による鋼材の持ち上げ角度を制御する。ここで、設定閾値は、回転駆動ユニット２０の上ワークロール１１Ａを回転させる機構のうち、限界応力が最も小さい設備最弱部において耐え得る限界トルクに設定されている。この限界トルクとして、部品の仕様書に記載されたもの、あるいはＦＥＭなどでモデル化して算出されたものが使用される。ＦＥＭ解析する場合、例えば、ある任意の負荷条件（トルク）を設定したときに、その際に各部品もしくはユニットごとに生じる発生応力が算出される。その後、その素材の疲労強度と比較し安全率が算出される。そして、この安全率が１以上となるトルクの値を限界トルクとして求める。回転駆動ユニット２０が図３及び図４のような構造を有する場合、設備最弱部は、圧下に伴う上ワークロール１１Ａの上下動を回転して吸収するスピンドルカップリング２５（もしくは２６）になる。

制御装置４０は、下記のように負荷トルクＴを算出する。なお、図７はスタンド間の鋼材がルーパーにより持ち上げられている様子を示す模式図である。図７の状態において、制御装置４０は、下記式（１）に基づいて上ワークロール１１Ａから鋼材Ｓに掛かる圧下量Δｈ１を求める。

Δｈ１＝Ｒ（１−ｃｏｓ（ｃｏｓ^−１（（Ｒ−Δｈ）／Ｒ）＋１．９θ）） ・・・（１）
Δｈ１：上ワークロール１１Ａの見かけ圧下量
Ｒ：上ワークロール１１Ａのロール径
Δｈ：ルーパー３０の下流側のスタンドでの鋼材の圧下量
θ：鋼材Ｓの持ち上げ角度

なお、上記式（１）における鋼材Ｓの圧下量Δｈは、スタンドＦ２の通過前の板厚Ｄ１と通過後の板厚Ｄ２との差として表され（Δｈ＝Ｄ１−Ｄ２）、スタンドＦ２において設定されている設定値である。また、式（１）における鋼材Ｓの持ち上げ角度θとルーパー角度αとの関係は、予め制御装置４０に記憶されており、制御装置４０は所定の持ち上げ角度θになるようにルーパー角度αを制御する。つまり、ルーパー３０による鋼材Ｓの上昇量Ｈは、鋼材Ｓの下面に接触した後のルーパー角度（α−１０）アーム部３１の長さとで定まる。持ち上げ角度θは、上昇量Ｈと、搬送方向（矢印Ｘ方向）における下ワークロール１１Ｂとルーパーロール３３との距離により定まる。このように、持ち上げ角度θとルーパー角度αとは所定の関係を有しており、ルーパー角度αにより持ち上げ角度θが制御される。

次に、制御装置４０は、上記式（１）で求めた圧下量Δｈ１と下記式（２）を用いて上ワークロール１１Ａに掛かる負荷トルクＴを求める。

Ｔ＝λ・Ｐ・Ｌｄ＝λ・Ｐ・（Ｒ・Δｈ１）^１／２ ・・・（２）
λ：トルクアーム係数
Ｌｄ：鋼材と上ワークロールとの接触弧張

上記式（１）、（２）からわかるように、持ち上げ角度θが小さくなれば式（１）の見かけの圧下量Δｈ１は小さくなり、圧下量Δｈ１が小さくなれば式（２）の負荷トルクＴは小さくなる。そこで、制御装置４０は、式（１）、（２）で求めた負荷トルクＴが限界トルクＴｒｅｆ以上であるかを判断する。そして、制御装置４０は、負荷トルクＴが限界トルクＴｒｅｆ以上である場合、負荷トルクＴが限界トルクより小さくなるように、持ち上げ角度θ（ルーパー角度α）を小さくし、鋼材Ｓの持ち上げ量を小さくする。

上記実施形態によれば、上ワークロール１１Ａに掛かる負荷トルクＴが回転駆動ユニット２０の限界応力以下になるように、ルーパー３０による鋼材Ｓの上昇量を制御することにより、ルーパー３０が鋼材Ｓを持ち上げたときに上ワークロール１１Ａに過大な負荷トルクが掛かることがない。よって、ルーパー３０が鋼材Ｓを持ち上げることによる回転駆動ユニット３０の故障を抑制することができる。

特に、設備最弱部がスピンドルカップリング２５（もしくは２６）である場合、鋼材Ｓへの圧下に伴う上ワークロール１１Ａの上下動を吸収する部位であって、強度の補強がしづらい部位を基準として負荷トルクを制御するため、確実に回転駆動ユニット３０の故障の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。例えば、図３において、回転駆動ユニット２０が、１つのミルモータ２１を用いて上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂを回転させる場合について例示しているが、上ワークロール１１Ａ及び下ワークロール１１Ｂ毎にそれぞれ別々のミルモータ２１が接続された構造を有していてもよい。この場合であっても、設定閾値は、上ワークロール１１Ａを回転させる機構の限界効力が最弱になる部位を基準に設定される。

１ 熱間圧延ライン
２ 加熱炉
３ 粗ミル部
４ 切断部
５ 圧延装置
６ 冷却装置
７ コイラー
１１Ａ 上ワークロール
１１Ｂ 下ワークロール
１２ バックアップロール
１３ 圧下装置
２０ 回転駆動ユニット
２１ ミルモータ
２２ 減速機
２３ ピニオンスタンド
２４ ミルスピンドル
２５、２６ スピンドルカップリング
２５ａ、２６ａ スリッパメタル
２５ｘ 収容部
３０ ルーパー
３１ アーム部
３２ アーム支持部
３３ ルーパーロール
３４ ルーパー駆動部
４０ 制御装置
Ｆ１〜Ｆ５ スタンド
Ｓ 鋼材

Claims (4)

1. 鋼材を圧延する上ワークロール及び下ワークロールと、前記上ワークロール及び前記下ワークロールを回転駆動させる回転駆動ユニットとをそれぞれ有する複数のスタンドと、
   隣接する前記スタンドの間に配置され、前記スタンド間を走行する前記鋼材を持ち上げるルーパーと、
   前記ルーパーにより持ち上げられた前記鋼材を圧延する前記スタンドの前記上ワークロールへ掛かる負荷トルクが、前記回転駆動ユニットの前記上ワークロールを回転させる機構のうち、限界応力が最も小さい設備最弱部において耐え得る限界トルクより小さくなるように、前記ルーパーによる前記鋼材の持ち上げ角度を制御する制御装置と、
   を有することを特徴とする圧延装置。
2. 前記回転駆動ユニットは、
   回転トルクを発生させるミルモータと、
   前記ミルモータにおいて発生した回転トルクを前記上ワークロールに伝達するミルスピンドルと、
   前記ミルスピンドルと前記上ワークロールを連結するスピンドルカップリングと、
   を備え、
   前記設備最弱部は、前記スピンドルカップリングであることを特徴とする請求項１に記載の圧延装置。
3. 前記制御装置は、下記式（１）に基づいて前記上ワークロールによる前記鋼材の圧下量Δｈ１を求め、求めた前記圧下量Δｈ１と下記式（２）を用いて前記上ワークロールに掛かる負荷トルクＴを求め、求めた前記負荷トルクＴが前記限界トルクより小さくなるようにルーパー角度を制御して前記鋼材の持ち上げ角度θを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の圧延装置。
   Δｈ１＝Ｒ（１−ｃｏｓ（ｃｏｓ−１（（Ｒ−Δｈ）／Ｒ）＋１．９θ）） ・・・（１）
   Ｔ＝λ・Ｐ・Ｌｄ＝λ・Ｐ・（Ｒ・Δｈ１）^１／２ ・・・（２）
   Δｈ１：上ワークロールの見かけ圧下量
   Ｒ：上ワークロールのロール径
   Δｈ：ルーパーの下流側のスタンドでの鋼材の圧下量
   λ：トルクアーム係数
   Ｌｄ：鋼材と上ワークロールとの接触弧長
   θ：鋼材Ｓの持ち上げ角度
   Ｐ：圧延荷重
4. 鋼材を圧延する上ワークロール及び下ワークロールと、前記上ワークロール及び前記下ワークロールを回転駆動させる回転駆動ユニットとをそれぞれ有する複数のスタンドと、隣接する前記スタンドの間に配置され、前記スタンド間を走行する前記鋼材を持ち上げるルーパーと、を備え、前記ルーパーによる前記鋼材の持ち上げ角度を制御する圧延方法であって、
   前記ルーパーにより持ち上げられた前記鋼材を圧延する前記スタンドの前記上ワークロールへ掛かる負荷トルクが、前記回転駆動ユニットの前記上ワークロールを回転させる機構のうち、限界応力が最も小さい設備最弱部において耐え得る限界トルクより小さくなるように、前記ルーパーによる前記鋼材の持ち上げ角度を制御することを特徴とする圧延方法。

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