JPS63171215A - 圧延材の水冷制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、圧延材の水冷制御方法に係り、特に、圧延さ
れた又は圧延中の棒材・線材を冷却する除用いるのに好
適な、圧延材の水冷制御方法の改良に関する。

【従来の技術】

線材や棒鋼等の圧延材を圧延中あるいは圧延後に水冷し
てその材料温度を制御する水冷制御技術には、種々のも
のがある。実用化されている水冷制御技術には、水冷後
の材料温度を測定し、材料温度の目橿値と測定温度の差
によって水冷帯（ゾーン）の水量を修正するフィードバ
ック制御方式があり、広く用いられている。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、上記従来のフィードバック制御方式で水
冷帯の水量を制御した場合、例えばウオーキングビーム
式加熱炉を使った圧延機では圧延材にスキッドマークが
生ずるのを避けることができず、又、圧延中の稚々の熱
伝導によって生ずる材料の温度変動をなくし、材料長手
方向に均一な温度となるような冷却を実現することがで
きないという問題点を有する。 これに対し、水冷帯より上流側で圧延材温度を検出し、
検出された温度変動に応じて温度検出点の下流にある水
冷帯の水量を変え、圧延材温度を材料長手方向に均一に
なるように制御するフィードフォワード制御による水冷
制御方法も幾つか創案されている。しかしながら、この
制御方法は実行するのに不十分な点があるため未だ実現
された例はない、たとえば、特公昭５９−２８８号公報
では、上記の如き水冷制御についてその内容が詳しく説
明されているが、この水冷制御においては、冷却水流′
Ｈｋ調節装置の応答遅れ補償を行うにあたって該応答遅
れを数学的近似式で表わし、該近似式を純数式上で解い
た補償形を行おうとしているため、入力信号の外乱があ
った場合や、前記冷却水流量調節装置の実際の応答遅れ
と該応答遅れを表現した数学的近似式に違いがあった場
合などにおいて、出力信号に異常をきたし、実用上大き
な問題となる。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消すべくなされたもの
であって、圧延中又は圧延後の圧延材を水冷した際に、
該圧延材を長手方向に均一に冷却できると共に、目標温
度から冷却温度が許容差を越えて外れる量も少なくでき
、従って、材料品質の向上、歩留り向上を計ることがで
きる圧延材の水冷制御方法を提供することを目的とする
。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、圧延途中又は圧延後の圧延材に水冷制御手段
で制御された冷却水を水冷帯で供給して冷却する際に、
該水冷帯の上流側で圧延材の温度を検出し、温度検出位
置における該圧延材の目標温度と検出温度の差から水冷
帯で圧延材に供給するための冷却水量の補正量を求める
水冷制御方法において、前記検出された圧延材の温度か
ら温度信号を作成し、作成された温度信号を周波数分析
し、分析結果及び前記水冷ｉ制御手段の応答遅れに応じ
て前記冷却水量を補償するための制御パラメータを決定
し、決定された制御パラメータ及び前記温度検出位置か
ら水冷帯の所定位置までの圧延材の憂動に伴う時間遅れ
に基づき、前記求められた冷却水量の補正量を補償する
ことにより、前記目的を達成しなものである。

【作用】

本発明においては、圧延材の水冷制御方法において、検
出された圧延材の温度から作成された温度信号を周波数
分析し、分析結果及び水量制御手段の応答遅れに応じて
前記水冷制御手段で供給する冷却水量を補償するための
制御パラメータを決定し、決定された制御パラメータ及
び温度検出位置から水冷帯の所定位置までの圧延材の移
動に伴う時間遅れに基づき、前記冷却水量の補正量を補
償する。従って、圧延材の圧延中の諸条件の変化により
その変動量や変動速さが変化する変量として温度信号を
圧延中に捕え、捕えられた温度信号により該変動量と変
動速さを定量的に評価できるため、該変動量と変動速さ
に応じて適正に冷却水量の補正量をフィードフォワード
補償して冷却水量を決定することができる。よって、圧
延材の温度をその長手方向に均一に冷却することができ
る。 又、従来のフィードフォワード制御による補償で解消さ
れなかった実プロセスとモデルの違いや実プロセスの変
動に対する追従性の弱さによる冷却水量の不適正を解決
できる。このため、圧延材の冷却温度が目標温度の許容
差から外れる量も少なくでき、材料品質の向上、歩留り
向上に大きく貢献できる。

【実施例】

以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。 この実施例は、第１図に示されるような水冷設備に本発
明方法を実施したものである。 この水冷設備は、圧延機１０で圧延された鋼材１２が圧
延ライン１４上を矢印Ａ方向に搬送される下流側に設け
られている。そして、この冷却設備には、前記圧延ライ
ン１４の特性に応じて１基以上のゾーンに分割された水
冷ゾーン（実施例の場合水冷ゾーン１６Ａ、１６Ｂの２
基の水冷ゾーンが設けられる）と、水冷ゾーン１６Ｂ下
流側に設けられた、水冷後の鋼材１２の温度管理及び該
銅材１２に目標温度をフィードバック制御により達成す
るため用いるための温度θ０を検出する出側温度計１８
と、前記水冷ゾーン１６Ａ上流側に設けられた。冷却水
量の後記フィードフォワード補償Ｋ（ｓ）のパラメータ
を決定するべく、鋼材１２の温度変動の周波数解析に用
いる温度θ１を検出するための第１温度計２０と、圧延
機１０の下流で冷却ゾーン１６Ａの上流に設けられた、
冷却水量のフィードフォワード量を決定するため圧延ｔ
ｌ１１０出側の鋼材１２の温度θ２を検出する上流側の
第２温度計２２と、検出された各温度信号により各水冷
ゾーン１６Ａ、１６Ｂの冷却水量を制御する信号を作成
するための演算制御器２４と、該演算制御器２４の出力
信号により各水冷ゾーン１６Ａ、１６Ｂの冷却水量を制
御するための水量調節弁２６Ａ、２６Ｂと、調節された
冷却水量を検出して前記演算制御器２４に入力するため
の流員計２８Ａ、２８Ｂとが備えられる。 前記第２温度計２２の設定位置は、鋼材１２が該第２温
度計２２から水冷ゾーン１６Ａへ到達するまで要した時
間が、該第２温度計２２の出力温度θ２信号を取込んで
所定の演算を演算制御器２４で行い演算結果に基づき調
整弁２６Ａ、２６Ｂを動作させて所定の水量の冷却水が
各水冷ゾーーン１６Ａ、１６Ｂに流れるまでの時間より
長くなる位置を選ぶ、このように第２温度計２２を配置
して冷却水量のフィードフォワード制御を成立させるこ
とができる。 又、前記第１、第２温度計２０．２２は１つの温度計で
兼用してもよいが、第１、第２度肝２０．２２の設置位
置は、周波数解析を行うのに充分な温度変動測定データ
を採取する時間が得られ、しかも、冷却水量を決定する
ためのフィードフォワード量を決める際に温度測定点か
ら各水冷ゾーン１６Ａ、１６Ｂまでの材料温度降下量を
充分な精度で予測計算できる位置を選ぶ必要がある。実
施例では、上記のような温度計の設置位置の条件を考慮
して、温度変動の周波数解析に用いる温度θ１の検出は
上流側の第１温度計２０で行い、冷却水のフィードフォ
ワード量を決定するための温度θ２の測定は圧延機１０
出側の第２温度計２２を用いて行うようにされている。 ところで、前記鋼材１２の温度の変動周波数は、質量流
ｆｆ１（マスフロー）一定の圧延条件があるため、圧延
機１０の入側、出側で差がでない。 即ち、一般にｇｔ量流量一定の場合、圧延ライン上のあ
る点での材料の断面積をＦα、該材料の移動速度をＶα
とし、又別の圧延ライン上の点Ｂでの材料の断面積をＦ
ｂ、移動速度をＶｂとすれば次式（１）が成立する。 Ｆ（Ｌ　・Ｖ　ａ＝Ｆｂ　−Ｖ　ｂ　　　＝　（１）こ
の場合、前記Ａ点とＢ点は同一圧延ライン上であれば全
く任意の点と考えてよい、但しく１）式はＡ点とＢ点間
にルーパのような材料のループ形成時やループ消滅時の
極短時間における過渡状態を持つ場合には成立しない。 圧延の大部分においては、上記質量流量一定の関係が成
立つため、前記材料長手方向の温度変動を見た場合、長
さぶと温度の関係では、点Ａと点Ｂでは材料の断面積Ｆ
が違うため長さぶも違うことから、温度変動情況も違う
ように見えるが、圧延中の材料温度を測定する場合は、
時間に対する温度変動が重要となる。このような時間に
対する温度変動の関係という観点から考えると、ａ量流
量一定の関係を表わす（１）式から分るように、断面積
Ｆの大きい点（長さぶは短い）では移動速度Ｖが小さく
、断面積Ｆの小さい（長さぶは長い）では移動速度Ｖが
大きくなり、結局材料の通過時間Ｔは圧延ライン上のど
の点でも等しくなり、従って、時間に対する温度変動の
速さも圧延ライン上のどの点でも等しくなり、圧延機１
０の入側、出側で差が生じない。 前記演算制御器２４では、上記の妬き質量流量一定の条
件に基づき、第２図に示されるような制御ロジックの演
算を行い、流量調整弁２６Ａ、２６Ｂに操作出力を出し
冷却水量を制御する。 なお、図中θ２Ｓは第２温度計２２の検出位置における
銅材１２の目標温度、θＯ３は出側温度計１８の検出位
置における鋼材１２の目標温度である。 以下に上記制御ロジックの内容を説明する。 即ち、まず上流の第１温度計２０で検出されたθ１１温
信号の周波数解析を行い、温度θ１変動の代表周波数Ｃ
を求める。この周波数解析の手法は、一般的な高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）などを用いて行えばよい。 そして、求められた代表周波数１を用いて前記冷却水の
フィードフォワード量を決定するフィードフォワードパ
ラメータの計算を行う、この計算を、実施例では周波数
応答法を用いて行い、以下のようにフィードフォワード
パラメータを補償する演算式（以下、フィードフォワー
ド補償Ｋ（Ｓ）と称する）を算出する。 即ち、第１図に示される水冷ゾーン１６Ａ、１６Ｂを１
つと見なし、更に第１温度計２０及びフィードフォワー
ド機能を除いて第１図をモデル化すると、第３図のよう
なブロック線図で表わされる０図中の各記号の意味は次
の通りである。 β１：第２温度計２２から水冷ゾーンまでの水冷による
鋼材の温度降下量を表わす関数、β２：水冷ゾーンから
温度計１８までの空冷による鋼材１２の温度降下量を表
わす関数、α：水冷ゾーン内での温度降下量（水冷現象
）を表わす関数、 Ｌｌ：第２温度計２２から水冷ゾーンまで鋼材が移動す
る際時間遅れ、 Ｌ２：水冷ゾーンから出側温度計１８まで鋼材１２が移
動する際の時間遅れ、 Ｔｖ：流量調整弁を一次遅れと見なした時の時定数、 ＴＦ：流量計を一次遅れと見なした時の時定数、ＴＰ：
温度計を一次遅れと見なした時の時定数。 以上の各記号から、第２温度計２２から水冷ゾーンまで
鋼材１２が移動する際の空冷現象はβ１ｅ−Ｌ“８、水
冷ゾーンから出側温度計１８まで鋼材１−ＬＪ’： ２が移動する際の空冷現象はβ２ｅ　で表わせる。 又、水量調節弁の伝達間数Ｇν（Ｓ　）は次式（２）で
、流量計の伝達間数ＧＦ　（Ｓ　）は次式（３）で、冷
却水量調整制御の伝達関数ＧＣｉｆ（Ｓ　）は次式（４
）で、出側温度計１８の伝達関数Ｇθ（Ｓ）は次式（５
）で、温度制御の伝達関数Ｇｃｔ（Ｓ）は次式（６）で
表わせる。 Ｇｖ（Ｓ）＝１／（１＋Ｔｖｇ）　　・　（２）ＧＦ　
（Ｓ）＝１／　（１＋ＴＦＳ　）　　　・・・（３）Ｇ
ｃ　ｔ　（Ｓ　）　＝Ｋｐ　ｔ　（１＋　（１／Ｔｔ　
ｔ　ｓ　）＋’ｒ（、ｓ）　　　　・・・（４） ＧＯ（Ｓ）＝１／　（１＋Ｔｐｓ　）　　　・・・（５
）Ｇｅｔ　（Ｓ　）−Ｋｐｔ　（１＋（１＋Ｔｉｐｓ＋
’ｒ（、ｐｓ）　　　　・・・（６）但し、ＫＰｆ、Ｋ
Ｐｔはゲイン、’Ｉ”ｉｔ、Ｔ’。 ｆは水冷ゾーン入側、出側に対する流量計−次遅れの時
定数、Ｔ　ｉ　Ｐ　、　Ｔ　ＯＰ水冷ゾーン入側、出側
に対する温度計−次遅れ時定数である。 なお、図のモデルにおいては、流量調整弁、流量計、温
度計を一次遅れの伝達間数Ｇｖ（Ｓ）、。 Ｇｐ（ｓ）、ＧＯ（Ｓ）で近似して表わしているが、二
次以上の伝達間数で表わしてもよい、又、冷却水の流量
制御、温度フィードバック制御には一般的なＰＩＤ制御
を用いている。 第３図に示した制御系にフィードフォワード機能を付加
し簡略化して示すと、第４図のようなブロック線図とな
る。但し、第４図中の伝達関数Ｇｃ　　（Ｓ）、ＧＯ（
Ｓ）、Ｑｄ　　（Ｓ）はそれぞれ次式（７）〜（９）式
の意味を有する。 Ｇｃ　　（ｓ　）　＝Ｇｃｔ（Ｓ　）−ＧＯ（ｓ）−（
７）Ｇｐ　（ｓ　）　＝　（Ｇｃｆ　（ｓ　）・Ｇν（
Ｓ））／　＜　１　＋ｃｃｔ　（ｓ　）　・Ｇｖ　（Ｓ
　）　−ＧＦ（Ｓ））・α・β２・ｅ−Ｌ″Ｓ ・・・（８）′ Ｑｄ（ｓ） ＝β目・ｅ・β２・ｅ−ＬｌＳ ＋　Ｌ、Ｓ ・・・（９） 更に、次式（１０）、（１１）の如く伝達関数Ｇ（ｓ）
、Ｇｄ（ｓ＞をおけば、第２温度計２２の位置における
外乱（鋼材の温度変動）ｄが出側温度計１８の位置で鋼
材温度に及ぼす影響ｙは次式（１２）の如く表わされる
。 Ｇ　（Ｓ　）　＝ＧＤ　　（Ｓ　）／　＋１＋ＧＣ（Ｓ
　）　−Ｇｐ（ｓ））　　　・・・（１０） ｃｄ　　（ｓ　＞＝Ｑｄ　　（ｓ　）／（１＋Ｇｃ　　
（ｓ　）・Ｇｌ）（Ｓ））・・・（１１） ｙ　＝Ｇ　（ｓ　）・Ｋ（Ｓ）・ｄ＋Ｇｄ（ｓ）・ｄ・
・・（１２） 従って、前記外乱ｄの及ぼす影響Ｖの伝達関数をＬ（ｓ
）とすれば次式（１３）の如く表わされる。 Ｌ（Ｓ）＝Ｇ（Ｓ）・Ｋ　（ｓ　）＋Ｇｄ　　（Ｓ　）
・・・（１３） 周波数応答法においては、この（１３）式を用いて次式
（１４）という評価関数を最小にするようにフィードフ
ォワード補償Ｋ（ｓ）を決定する。 φ＝ｌＬ（Ｓ）＋２　　　　　　　　・・・（１４）こ
のとき、温度変動の代表周波数ｆに対して前記評価関数
φが最小となるようフィードフォワード補償Ｋ（Ｓ）を
決定する。又、このフィードフォワード補償Ｋ（ｓ）は
その形式を決定しておがなければ前記評価関数φの計算
ができないため、該形式を演算制御器２４での実現性と
精度を考慮した多項式とする。一般的には前記フィード
フォワード補償Ｋ（ｓ）は次式（１５）式の如き多項式
とする。 Ｋ（ｓ）＝ （ｋ　ｏ＋ｋ　ｚ　Ｓ　十ｋ　２３　”　十−・−＋ｂ
　ｎＳ　’　）／ｘ（ｓ）　　　　　　　　　　　　・
・・（１５）但し、Ｘ（Ｓ）は次数ｎ以上の多項式であ
る。 なお、上記実現性を考慮すれば、次数ｎ≦２で前記フィ
ードフォワード補償Ｋ（ｓ）は充分に求められる。更に
、Ｘ（Ｓ）については事前のシュミレーションによりそ
の形を決めておき、実際には演算制御器２４で求めるパ
ラメータをｋｏ、に１、・・・ｋｎとしておけば、前記
評価関数φを最小にするフィードフォワード補償Ｋ（ｓ
）が決定できる。 フィードフォワード補償Ｋ（ｓ）が決定された後のフィ
ードフォワード量計算は、フィードフォワード量の出力
をｙ２とすれば、次式（１６）により求められる。 Ｖ　２＝Ｃ−ｘ（ｓ　）・（θ２−〇２Ｓ）・・・（１
６） 但し、Ｃは温度差θ２−θ２ｓを打消すのに必要な水量
を求めるための係数である。 鋼材１２が搬送される際の無駄時間補償は、鋼材１２の
圧延速度Ｖと第２温度計２２から水冷ゾーンまでの距ｍ
、ｇ’より搬送による遅れ時間ｔＬを次式（１７）のよ
うに求め、該遅れ時間ｔＬだけ出力を遅らせればよい。 ｔＬ＝１’／ｙ　　　　　　　　　・・・（１７）上記
の如く無駄時間が補償された以降の温度フィードバック
制御と流量制御については、通常用いられるＰＩＤ制御
を行う。 なお、水冷ゾーンを多ゾーンに分けて使用する場合は、
使用する水冷ゾーン数に応じて必要水量を分配すること
及び、各水冷ゾーンの位置に応じて無駄時間補償を行う
ことを制御ロジックに含めて制御すればよい、又、同様
の場合、温度入力の周波数解析を行ったときに、代表周
波数ｆを１つにせずに水冷ゾーンの数だけ取り出し、各
周波数に応じたフィードフォワード補償Ｋ（ｓ）を独立
に計算し、必要水量のみを水冷ゾーン数に分配し、各水
冷ゾーン毎に代表周波数ｆを変えてフィードフォワード
補償Ｋ（ｓ）を行うこともできる。 次に、本発明方法により第１図に示される水冷設備と同
様な設備で水冷制御を実施した他の例について以下に示
す、この場合水冷ゾーンは２ゾーンであるが、代表周波
数ｆは１つとし、フィードフォワード補償Ｋ（ｓ）の形
としては、次式（１８）式の如き１次の項までの形とし
た。 Ｋ（Ｓ　３＝（ｋ　ｏ＋ｋ　ｔＳ　） ／（１＋Ｏ，Ｉｓ　）・・・（１８） 比較例として、上記条件によらずフィードバック制御の
みで水冷制御を行った際の冷却ゾーン出側、入側の鋼材
温度θ２、θ０を第５図に、上記条件のフィードフォワ
ードｆ１．１１御を行った際の、同じく鋼材温度θ２、
θ０を第６図に示す６図において、符号Ｔｉは第２温度
計２２で測定した鋼材温度θ２であり、符号Ｔｏは出側
の温度計１８で測定した鋼材温度θ０を示す線図である
。又、図の横線１目盛は１０℃を示している。 第５図、第６図から、フィードバック制御のみの水冷制
御を行った場合に比べ、フィードフォワード制御を加え
た本発明方法による制御により、出側温度は鋼材の先端
と後端の一部以外、全長に渡って目ｆｉ温［の±１０℃
以内に入っており、その冷却温度制御効果の大きいこと
がわかる。又、先端と後端については、鋼材１２の冷却
現象の違い及び、先端部での立上がり時の周波数特性の
差により目標温度からのずれが大きくなっているが、こ
れも、水冷ゾーンの１つを先端の立上がり部の周波数特
性に合せて制御することで、更に改善できる。 なお、前記実施例においては、第１０図に示されるよう
な構成の水冷設備に本発明を適用した場合について例示
したが、本発明が採用される水冷設備及び水冷装置は図
に示されるものに限定されず、他の構成の水冷装置に本
発明を適用できることは明らかである。 【発明の効果］ 以上説明した通り、本発明によれば、圧延中又は圧延後
の圧延材温度をその全長に渡って均一に冷却できると共
に、冷却温度が目標温度に対する許容差から外れる量も
少なくでき、従って、圧延製品の品質の向上、歩留り向
上を計ることができるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が実施される水冷設備の全体構成を示す
、一部ブロック線図を含む配置図、第２図は前記水冷設
備の制御ロジックを示すブロック線図、第３図は前記水
冷設備からフィードフォワード機能を除いてモデル化し
たｒｒＡ御系を示すブロック線図、第４図は前記水冷設
備をモデル化したブロック線図、第５図は従来方法によ
り水冷設備を制御した際の鋼材の入側温度及び出側温度
の関係の例を示す線図、第６図は本発明方法により水冷
設備を制御した際の鋼材の入側温度及び出側温度の関係
の例を示す線図である。 １０・・・圧延機、 １２・・・鋼材、 １４・・・圧延ライン、 １６Ａ、１６Ｂ・・・水冷ゾーン、 １８・・・出側温度計、 ２０・・・入側第１温度計、 ２２・・・入側第２温度計、 ２４・・・演算制御器、 ２６Ａ、２６Ｂ・・・流量調節弁、 ２８Ａ、２８Ｂ・・・流量計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧延途中又は圧延後の圧延材に水量制御手段で制
   御された冷却水を水冷帯で供給して冷却する際に、該水
   冷帯の上流側で前記圧延材の温度を検出し、温度検出位
   置における圧延材の目標温度と検出温度の差から該圧延
   材に供給するための冷却水量の補正量を求める圧延材の
   水冷制御方法において、 前記検出された圧延材の温度から温度信号を作成し、 作成された温度信号を周波数分析し、 分析結果及び前記水量制御手段の応答遅れに応じて前記
   冷却水量を補償するための制御パラメータを決定し、 決定された制御パラメータ及び前記温度検出位置から水
   冷帯の所定位置までの圧延材の移動に伴う時間遅れに基
   づき、前記求められた冷却水量の補正量を補償すること
   を特徴とする圧延材の水冷制御方法。