JP7151513B2 - ローラ矯正方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板などの各種金属板の製造プロセスにおいて、板を平坦化するためのローラ矯正方法に関するものである。

鋼板などの各種金属板の製造プロセス、例えば高張力鋼からなる熱間圧延板（厚板）の製造プロセスにおいては、耳波や中波などの平坦度不良が発生することがあり、平坦度が著しく悪い場合には、製品ごとに定められた品質基準を満足しないことがある。そこで、従来から、熱間圧延や冷却工程を経た金属板に対して矯正を行って、平坦度不良を改善することが行われている。このような矯正技術としては、矯正対象の金属板（以下被矯正板と称する）の板厚が比較的小さい場合（例えば３０～４０ｍｍ以下の場合）、ローラレベラを用いた矯正（ローラ矯正）を適用することが多い。
ローラレベラは、複数本のロールを上下に千鳥状に配置したものであって、被矯正板の板厚よりも狭い上下のロール間隙に被矯正板を通板させることによって、被矯正板に繰り返し曲げを与え、被矯正板を平坦化するものである。

ところで、耳波や中波の発生原因は、以下のように説明される。すなわち、圧延工程において板材が幅方向に不均一な圧下率で圧延されれば、圧下率に応じた伸びひずみ差が生じる。すなわち伸びひずみが相対的に大きい部分には圧縮、小さい部分には引張の残留応力が発生する。また冷却工程において、板材が幅方向に不均一に冷却されれば、熱収縮差によって相対的に低温に冷却された部分には引張、さほど冷却されていない部分には圧縮の残留応力が発生する。このようにして発生した圧縮残留応力が、板材の座屈応力を上回れば、座屈変形を引き起こして、波形状として顕在化する。
耳波や中波に対しては、ローラ矯正によって強い曲げを与えて加工度を高めるほど矯正効果は大きくなるが、薄手・高強度材に対して十分大きな加工度を与えることが難しいため、従来のローラ矯正方法では製品に要求される平坦度を満足できない懸念がある．ここで、被矯正板に付与される曲率の絶対値を該被矯正板の降伏曲率で除した値を加工度と称している。

薄手・高強度材に対しても平坦度を確保し得るようにするためのロール矯正方法における矯正能力の向上策としては、ロールを板幅方向にあえてたわませながら矯正を行うロールベンディング矯正が知られている（例えば非特許文献１、特許文献１等）。ロールベンディング矯正は、ロールを板幅方向にあえてたわませることにより、経路長の板幅方向差に応じた応力分布を被矯正板に作用させて、板幅方向の伸びひずみ差の低減効果を高める手法である。

特許第３２８０８６３号公報 特許第５２５７５５９号公報

「三菱重工技報」第２１巻第６号（１９８４年）、p.８６～９１ 「耳波・中伸びの発生機構に関する解析的研究（Buckling Analysis of Edge Waves and Middle Waves of Cold Rolled Sheet）」日本塑性加工学会誌：塑性と加工、第２８巻第３１２号（１９８７－１）、p.５８－６６ 「数値解析手法のローラーレベラー設計への応用～ローラーレベラに関する数値解析ＩＩＩ～（Application of Numerical Analysis Method to Design of Roller Levelers～Numerical Study of Roller Leveling Process ＩＩＩ～）」日本塑性加工学会誌：塑性と加工、第３６巻第４１９号（１９９５－１２、p.１３９１－１３９６

前述のような、ロールを板幅方向にあえてたわませるロールベンディング矯正を行って、被矯正板の形状を平坦に矯正しても、矯正後の板を所定幅ごとに細長く切断（条切り）した際に、切断された板に、板幅方向に曲がってしまう現象（いわゆる横曲がり）などの変形が生じてしまうことがある。

すなわちロールベンディング矯正においては、従来は、矯正に付される被矯正板の表面における板幅方向のプロフィルを例えば平坦度計などにより測定して、そのプロフィルから板幅方向の伸びひずみ差、すなわち板幅端部と板幅中央部における伸びひずみ差Δεを求め、その板幅方向の伸びひずみ差Δεを、ローラ矯正で解消すべき目標伸びひずみ差とし、その目標伸びひずみ差が解消されるようにローラレベラのロール撓み（ベンディング）を設定してローラ矯正を行うのが通常である。しかしながらこのように被矯正板の板幅方向の伸びひずみ差をローラ矯正での目標伸びひずみ差に設定した場合、矯正直後の段階では伸びひずみ差が解消されて板形状が平坦となっていても、その後の板切断時に横曲がりなどの変形が生じてしまうことがある。そしてこのような変形が生じれば、製品板として不良となってしまうことがある。

本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、ロールを板幅方向にあえてたわませるロールベンディング矯正を行った被矯正板を切断した際に、その切断された板に横曲がりなどの変形が生じてしまうことを防止し得るローラ矯正方法を提供することを課題としている。

前述のようにロールベンディング矯正を行って、平坦度を確保した場合でも、被矯正板を切断した際に横曲がりなどの変形が生じる現象は、被矯正板に内在する残留応力に起因すると考えられる。すなわち、切断によって板内の拘束が解除された際に、被矯正板に内在していた残留応力が開放されて、板に変形が生じると考えられる。

なお従来は、耳波や中波が生じた被矯正板では、矯正前の熱間圧延や冷却過程で生じた伸びひずみ差のすべてが座屈変形によって板形状に表れるため、伸びひずみ差が原因で生じていた応力はすべて開放され、板内の残留応力は無いものと考えられていた。
これに対して、今回本発明者等は、ローラ矯正に付される被矯正板には、矯正前の熱間圧延や冷却過程で与えられた応力のうち、大部分は座屈変形として板形状に表れているが、一部は形状に表れない残留応力として内在しており、そのため、形状として板表面のプロフィルに表れている伸びひずみ差だけをローラ矯正での目標伸びひずみ差に設定した場合、形状に表れていなかった残留応力が板の切断によって開放されることにより、横曲がり等の変形が生じてしまうことを新規に認識した。

そこで、本発明者等は、従来のように、矯正前の板表面のプロフィルに表れている伸びひずみ差だけをローラ矯正での目標伸びひずみ差に設定するのではなく、矯正前の板表面のプロフィルに表れている伸びひずみ差に加えて、座屈後の残留応力に相当する伸びひずみ差（矯正前の板に内在する伸びひずみ差）とを合算して、ローラ矯正での目標伸びひずみ差に設定することを考えた。そしてそのような目標伸びひずみ差に応じて、ロールベンディング矯正におけるロールのたわみ（ベンディング）を設定して、ローラ矯正を行うことにより、切断後の被矯正板に横曲がりなどの変形が発生することを最小限に抑えることが可能となることを新規に認識し、本発明をなすに至った。

したがって本発明の基本的な態様のローラ矯正方法は、複数本のロールが上下に千鳥状に配置され、かつロールを被矯正板の板幅方向に撓ませるベンディング機構を有するローラレベラを用い、ロールを被矯正板の板幅方向に撓ませながら上下のロール間に被矯正板を通して繰り返し曲げを与えることにより、被矯正板を平坦化する被矯正板のローラ矯正方法であって、被矯正板の矯正前の板表面のプロフィルから求められる被矯正板の板幅方向の伸びひずみ差と、被矯正板の矯正前の残留応力により被矯正板に内在する板幅方向の伸びひずみ差とを合算して、その合算値を、矯正すべき目標伸びひずみ差とし、その目標伸びひずみ差を解消するようにロールを被矯正板の板幅方向に撓ませながら行うローラ矯正のみにより、被矯正板の切断後における横曲がりを抑制することを特徴とするものである。

本発明のローラ矯正方法によれば、ロールを板幅方向にあえてたわませるロールベンディング矯正を行った被矯正板を切断した際に、その切断された板に横曲がりなどの変形が生じてしまうことを確実に防止することができる。

本発明のローラ矯正方法の実施に用いるローラレベラの一例の概略を示す側面図である。 図1に示されるローラレベラの概略を示す正面図である。 本発明のローラ矯正方法におけるロールベンディングの状況を、ロールの側面側から示す模式的な正面図である。 図3に示される本発明のロールベンディングの状況を、ロールの端面側から示す模式的な側面図である。 被矯正板の矯正前の板表面のプロフィルを示す模式図である。図である。 被矯正板の矯正前の板表面のプロフィルから求められた板幅方向の伸びひずみ分布の一例を示すグラフである。 実施例における各条件での目標伸びひずみ差を比較して示すグラフである。

以下に、本発明のローラ矯正方法について、実施形態に基づいて説明する。

図１は、本実施形態にかかる被矯正板のローラ矯正方法において用いられるローラレベラ２０の側面と、矯正設備ラインＬを示す説明図である。また図２は、ローラレベラ２０の正面概略図である。
ローラレベラ２０は、例えば合計９本のワークロール（以下、単にロールとも記載する）１Ａ、１Ｂからなるローラレベラであり、４本のワークロール１Ａからなる上ロール群３と５本のワークロール１Ｂからなる下ロール群２とが、それぞれ等間隔に、千鳥状に配置されている。すなわち、上ロール１Ａと下ロール１Ｂは、水平方向（図１中左右方向）に伸びる矯正設備ラインＬに対して上下に配置され、かつローラレベラ２０の上面から見た際に、上ロール１Ａと下ロール１Ｂの回転軸が互いに同一位置に位置しないように、互いにずれた状態で配置されている。

５本の下ロール（ワークロール）１Ｂからなる下ロール群２は、ハウジング６の内部下面に下ロール群フレーム２ａに組み込まれて配置され、その位置が不動である固定ロール群として構成されている。一方、４本の上ロール（ワークロール）１Ａからなる上ロール群３は、ハウジング６内の内部上面に、上ロール群フレーム３ａに組み込まれている。そして上ロール群フレーム３ａは、ハウジング６の上面に取り付けられた入側押し込み機構４、出側押し込み機構５に接続するウェッジ調整機構１０に設置されており、ハウジング６の内面上部とウェッジ調整機構１０との間にある入側押し込み装置４と出側押し込み装置５とを用いて、上ロール群フレーム３ａを介して、下ロール群フレーム２ａに組み込まれた下ロール群２に対して傾動押し込みを行うことが可能となっている。

また、図１および図２に示す通り、ローラレベラ２０においては、上ロール群３の上部にはウェッジ調整機構１０が組み込まれている。このウェッジ調整機構１０は、図２に示すように、板幅方向３箇所に設けられており、板幅中央部のウェッジ調整量を板幅端部のウェッジ調整機構の調整量とは異なる値に設定することにより、上ロール群３の各上ロール１Ａに対してロールベンディングを与えること（上ロール１Ａを、通板する被矯正板９の板幅方向に撓ませること）が可能で、かつその撓み量、言い換えればロール胴長方向のロール押し込み量の分布を調整することが可能となっている。

例えば、図２に示すように、ウェッジ調整機構１０において、板幅中央部のものを機構１０ａとし、板幅端部のものを機構１０ｃとした場合に、機構１０ａによって、機構１０ｃより大きな調整量（押し込み量）を上ロール群３に対して負荷させることにより、上ロール群３の各上ロール１Ａのそれぞれの板幅中央部に対応する部分が下に凸となるようにロールベンディングが施され、通板する被矯正板９の板幅端部に比べて板幅中央により大きな押し込み量が負荷されるように調整が可能となっている。したがってこのウェッジ調整機構１０は、ロールの撓みを調整可能なベンディング機構に相当する。
ここで、ウェッジ調整機構１０は、図１に示すように上ロール群３の全てのワークロール１Ａに対して同時に調整を行う構成となっており、上記板幅中央部に対応する部分が下に凸となるロールベンディングの負荷は上ロール群３の全てのワークロール１Ａに対して行われる。

また、図１に示すように、ローラレベラ２０の入側には、矯正に供される被矯正板９の表面のプロフィルを求めるための手段として、例えば平坦度計７が設置されている。この平坦度計は、例えば、被矯正板９の板幅方向の各位置において板表面の板長方向のプロフィル（波プロフィル）を測定するものとされる。

平坦度計７による測定結果はプロセスコンピュータ８に伝送される。ローラレベラ２０における制御部として機能するプロセスコンピュータ８には、被矯正板９の板厚、板幅、材料特性、伸びひずみ差の板幅方向分布の目標値なども入力され、また、入側押し込み装置４、出側押し込み装置５、および、ウェッジ調整機構１０などの制御量が出力される。この制御部としてのプロセスコンピュータ８は、ロールベンディングを伴うローラ矯正での様々な制御を行うものであり、例えば、上ロール１Ａの押し込み量やロールベンディング量の設定等が当該制御部により制御される。

以上のような図１および図２を参照して説明した矯正設備ラインＬ（ローラレベラ２０、プロセスコンピュータ８等）によってローラ矯正を行うにあたっては、被矯正板９を上ロール群３の各上ロール１Ａと下ロール群２の各下ロール１Ｂとの間に通板させる。この際、例えば図３、図４に示しているように、ウェッジ調整機構１０によって、上ロール群３の各上ロール１Ａを撓ませる。なお図３、図４は、被矯正板の板幅方向各位置の経路長（板長方向の長さ）として、板幅中央部よりも板幅端部の方が長く、いわゆる耳波（耳伸び）が生じた場合のロールベンディング矯正のために、上ロール１Ａによる押し込み量が、板幅端部側（Ｑ）よりも板幅中央部側（Ｐ）で大きくなるようなベンディング、すなわちいわゆる中凸状に撓ませるロールベンディングを行った例である。このようなロールベンディングを行って上ロール１Ａを押し込み、ローラ矯正を行うことにより、図３、図４の例では、被矯正板９についてその板幅端部よりも板幅中央部を大きく伸ばすことにより、平坦化させることが可能となる。
なおここでは、上ロール１Ａによる押し込み量を、ロールが真直である状態での押し込み量とする。そして真直状態での押し込み位置と、真直状態からベンディングした時の上ロールの最も大きな押し込み位置との差（撓み量：上ロール１Ａにおける板幅中央部と板幅端部の押し込み量との差）をベンディング量ΔＢｅとしている。

ロールベンディングを伴うローラ矯正方法においては、上ロール１Ａの押し込み量Ｂｅ及びベンディング量ΔＢｅは、予め定めた目標伸びひずみ差Δεclが矯正によって解消されるように設定する。この際、従来は、矯正に付される被矯正板の表面における板幅方向のプロフィルを測定して、そのプロフィルから板幅方向の伸びひずみ差、すなわち板幅端部と板幅中央部における伸びひずみ差Δεvisを求め、その板幅方向の伸びひずみ差Δεvisを、ローラ矯正で解消すべき目標伸びひずみ差Δεclとしていた。すなわち、
Δεcl＝Δεvis ・・・（１）
としていた。
しかるに本発明のローラ矯正方法では、矯正前の被矯正板における残留応力として被矯正板の形状には表れずに内在する板幅方向の伸びひずみ差Δεintを求め、前記の板表面のプロフィルから求められた伸びひずみ差Δεvisと内在する伸びひずみ差Δεintとを合算（Δεtot）して、目標伸びひずみ差Δεclとする。すなわち、
Δεtot＝Δεvis＋Δεint ・・・（２）
Δεcl＝Δεtot
＝Δεvis＋Δεint ・・・（３）
とする。

板表面のプロフィルを測定して伸びひずみ差Δεvisを求める具体的な手法は特に限定されるものではないが、例えば図１に示したようにローラレベラ２０の入側に平坦度計７を設置しておいた場合、次のような手法を適用できる。
すなわち図５に示すように、板幅方向各位置での板長方向の波プロフィルＰｒを平坦度計によって測定して、板幅方向各位置での波プロフィルＰｒの測定結果を用い、板に沿う長さ（線長）を算出して伸びひずみの板幅方向分布を求め，板幅端部と中央部における伸びひずみ差Δεvisを算出する。このような板幅方向各位置での板長方向の波プロフィルから求めた伸びひずみの板幅方向分布の一例を図６に示す。伸びひずみ差Δεvisは、板幅中央部の伸びひずみと板幅端部の伸びひずみとの差として求められる。

また板表面のプロフィルから伸びひずみ差Δεvisを求めるための別の手法としては、次のような手法がある。
すなわち、例えばストレッチャとテーパゲージを用い、板表面の波プロフィルの波長Ｌと波高さｈとを測定して、急峻度λ＝ｈ／Ｌを求め、次の（４）式から伸びひずみ差Δεvisを算出することができる。
Δεvis＝（π／２×λ）^２ ・・・（４）

一方、矯正前の被矯正板における残留応力として被矯正板の形状には表れずに内在する板幅方向の伸びひずみ差Δεintを求めるための具体的手法も、特に限定されないが、被矯正板の板厚、板幅、ヤング率、Δεvisの分布形状などから、有限要素法や座屈方程式（例えば非特許文献２、特許文献２参照）に基いて計算することができる。

以上のようにして、板表面のプロフィルから求めた伸びひずみ差Δεvisと、内在する伸びひずみ差Δεintとを、式（２）に示すように合算し、その合計の伸びひずみ差Δεtotを、式（３）に示すように目標伸びひずみ差Δεclとし、その目標伸びひずみ差Δεclが与えられるように、ローラ矯正の条件、代表的には押し込み量、ベンディング量等の条件を設定して、ロールベンディングを伴うローラ矯正を行う。

ここで、目標伸びひずみ差Δεclを与えるためのローラ矯正条件を決定するための手法としては、被矯正板の板厚、板幅、応力ひずみ関係、そのほかローラレベラの設備条件などの矯正条件等から、有限要素法や理論解析（例えば非特許文献３参照）を用いて求めることができる。

なお実際のローラ矯正では、図１、図２に示したように、複数本の下ロール１Ｂからなる下ロール群２の各ロールと複数本の上ロール１Ａからなる上ロール群３の各ロールとを千鳥状に配置して、被矯正板に繰り返し曲げを与えて矯正するが、この際、入側の上ロールの押し込み量を最大とし、出側の上ロールの押し込み量が最小となるように、押し込み量に勾配を付けて押し込むのが一般的である。本発明の場合も同様であり、したがって目標伸びひずみ差Δεclを与えるためのローラ矯正条件も、上ローラ１Ａのそれぞれの位置（入側～出側）に応じて設定するのが通常である。

以下に、本発明の有効性を確認するために行った実験について説明する。

図１、図２に示すようなローラレベラを用い、普通鋼を被矯正板として、ロールベンディングを伴うローラ矯正を実施した。被矯正板の条件は次の通りである。
板厚：７ｍｍ
板幅：３５００ｍｍ
機械特性：降伏応力σ_y＝4０ｋｇｆ／ｍｍ²
ヤング率Ｅ＝２００００ｋｇｆ／ｍｍ²
矯正前の形状：中波

また平坦度計を用いて矯正前の被矯正板の幅方向各位置の板長方向波プロフィルを測定して得られた板幅方向伸びひずみ差Δεvisの値、及び同じく矯正前の被矯正板に内在する伸びひずみ差Δεintについて、有限要素法を用いて求めた値は、次の通りである。
Δεvis＝０．０００２８
Δεint＝０．００００６

以上のような条件下で、次の矯正条件Ａ、及び矯正条件Ｂに示すように目標伸びひずみ差Δεclを設定して（図７参照）、ロールベンディングを伴ってのローラ矯正を実施した。

［矯正条件A：比較例］
目標伸びひずみ差：Δεcl＝Δεvis＝0.00028
（この目標伸びひずみ差Δεclは、波プロフィルから求めた伸びひずみ差と等しい。）
押込量ｍｍ（入側，出側）＝（30.0ｍｍ，0.0ｍｍ）
ベンディング量 6.5mm（中凸）

［矯正条件Ｂ：本発明例］
目標伸びひずみ差：Δεcl＝Δεtot
＝Δεvis＋Δεint
＝0.00034
（この目標伸びひずみ差Δεclは、波プロフィルから求めた伸びひずみ差に、板に内在する伸びひずみ差を合算した分に相当する。）
押込量ｍｍ（入側，出側）＝（30.0ｍｍ，0.0ｍｍ）
ベンディング量：7.5mm（中凸）

矯正後の板を、幅３００ｍｍで条切りし、その際の横曲り量を調べ、横曲がりによる合否を判定したので、その結果を表１に示す。横曲りの合否の基準は、横曲がり量１．０ｍｍ以下を合格とした。

表１に示すように、目標伸びひずみ差Δεclを、波プロフィルから求めた伸びひずみ差Δεvisと等しく設定した条件Ａ（比較例）では、１．５ｍｍもの大きな横曲がりが生じて不合格と判定された。これに対して、目標伸びひずみ差Δεclを、波プロフィルから求めた伸びひずみ差Δεvisに板に内在する伸びひずみ差Δεintを合算した値とした条件Ｂ（本発明例）では、横曲がり量が０．１ｍｍに低減され、合格と判定された。

以上の実験結果から、ロールベンディングを伴ったローラ矯正を行うにあたって、目標伸びひずみ差Δεclを、矯正前の板表面のプロフィルから求めた伸びひずみ差Δεvisに、板に内在する伸びひずみ差Δεintを合算した値とすることによって、矯正後の板を切断した際の横曲がりを最小限に抑え得ることが明らかである。

以上、本発明の好ましい実施形態および実験例について説明したが、これらの実施形態、実験例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。

１Ａ 上ロール
１Ｂ 下ロール
２ 下ロール群
３ 上ロール群
７ 平坦度計
９ 被矯正板
１０ ウエッジ調整機構（ベンディング機構）
２０ ローラレベラ

Claims (1)

1. 複数本のロールが上下に千鳥状に配置され、かつロールを被矯正板の板幅方向に撓ませるベンディング機構を有するローラレベラを用い、ロールを被矯正板の板幅方向に撓ませながら上下のロール間に被矯正板を通して繰り返し曲げを与えることにより、被矯正板を平坦化する被矯正板のローラ矯正方法であって、
   被矯正板の矯正前の板表面のプロフィルから求められる被矯正板の板幅方向の伸びひずみ差と、被矯正板の矯正前の残留応力により被矯正板に内在する板幅方向の伸びひずみ差とを合算して、その合算値を、矯正すべき目標伸びひずみ差とし、その目標伸びひずみ差を解消するようにロールを被矯正板の板幅方向に撓ませながら行うローラ矯正のみにより、被矯正板の切断後における横曲がりを抑制することを特徴とするローラ矯正方法。

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