WO2006040823A1 - 圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置 - Google Patents

圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置 Download PDF

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Mitsuhiko Sano
Kazuhiro Ohara
Masashi Tsugeno
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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B38/00—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product

Definitions

  • the present invention includes a step of heating a metal material, a step of rolling, forging or straightening, and a step of cooling at least once each to produce a product having a desired size and shape.
  • the present invention relates to a material control method and apparatus for a straightening line. Background art
  • the materials such as mechanical properties (strength, formability, toughness, etc.), electromagnetic properties (permeability, etc.) are only the alloy composition. In addition, it varies depending on heating conditions, processing conditions, and cooling conditions. The alloy composition is adjusted by controlling the addition amount of the component elements, but it is impossible to change the addition amount for each individual product with a large lot unit during component adjustment. Therefore, in order to manufacture a product of a desired material, it is extremely important to create a material with appropriate heating conditions, processing conditions, and cooling conditions.
  • the heating temperature target value, post-processing dimension target value, cooling rate target value, etc. are determined based on many years of experience for each product specification. In order to achieve this, a method of performing temperature control and dimensional control has been common. However, in recent years, the target values cannot always be determined properly by the method of determination based on the experience of increasingly sophisticated and diversified requirements for product specifications, and there are cases where desired materials cannot be obtained. It was happening.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 7-102378
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 2509481
  • Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-349883
  • the prediction accuracy of the material model is a key point for matching the material of the product with the target value.
  • the relationship between heating conditions, processing conditions, and cooling conditions and product materials is extremely complex, and regression based on theoretical, experimental, or actual operational data based on the use of physical metallurgy theory or thermodynamic data.
  • formulas have been proposed, the prediction accuracy of each material model was not sufficient.
  • any of the heating conditions, processing conditions, cooling conditions, or alloy composition falls outside the target range of material model identification (for example, alloy composition other than C Si-Mn steel materials) The deterioration of accuracy was remarkable for multi-component alloys).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems. Even when the prediction accuracy of the material model is sufficiently good, the material of the product should be matched with the target value. It is intended.
  • the rolling, forging or straightening line material control method includes a heating step for heating a metal material, a processing step for rolling, forging or straightening the metal material, and a cooling step for cooling the metal material.
  • a heating step for heating a metal material When manufacturing a metal product of the desired size and shape, measure the material of the metal material with the material sensor installed in the production line and set the material at the measurement position to the target value. In order to match, correction is made to the heating conditions, processing conditions or cooling conditions of at least one process upstream of the material sensor based on the measured values.
  • the heating process of heating the metal material, the processing process of rolling, forging or straightening the metal material, and the cooling process of cooling the metal material are each performed at least once, and the desired dimensional shape is obtained.
  • the material of the metal material is measured by a material sensor installed in the production line, and this measurement value is based on the results of heating conditions, heating conditions and cooling conditions of the metal material.
  • the material model is corrected based on the comparison result, and thereafter the heating conditions and processing of each process are performed using the material model after correction. The conditions and cooling conditions are determined.
  • a heating process for heating the metal material, and rolling, forging or straightening the metal material The manufacturing process and the cooling process for cooling the metal material are each performed at least once to manufacture the metal product of the desired size and shape, and the material of the metal material is set by the material sensor installed in the production line.
  • the heating condition of at least one process downstream from the material sensor based on the measured value so that the material at the material management point provided at an arbitrary position downstream from the material sensor matches the target value.
  • the processing conditions or cooling conditions are calculated using a material model.
  • the heating step of heating the metal material, the processing step of rolling, forging or straightening the metal material, and the cooling step of cooling the metal material are each performed at least once, and a desired dimensional shape is obtained.
  • the material of the metal material is measured by a material sensor installed in the production line, and the material at the material control point provided at an arbitrary position downstream from the material sensor matches the target value.
  • the heating condition, the processing condition, or the cooling condition of at least one process downstream from the material sensor is corrected based on the measured value.
  • the material control device for a rolling, forging or straightening line comprises a heating means for heating a metal material, a processing means for rolling, forging or straightening the metal material, and a cooling for cooling the metal material. And at least one means each, connected to a production line that produces a metal product of a desired size and shape, the size and shape of the metal material given by the host computer, the target size and shape of the product, the composition of the metal material, etc. Based on the information of the heating means, the processing means, and the setting means for calculating and outputting the set values of the cooling means, and the heating device, the processing apparatus and the cooling device based on the set values.
  • a material sensor that is installed in a production line and measures the material of the metal material; Heat correction means for correcting the set values output to the heating means, processing means, and cooling means upstream of the material sensor so that the measured value of the quality sensor matches the target value, processing correction Means and cooling correction means.
  • a material sensor that is installed in the production line and measures the material of the metal material, and the material at the measurement position is estimated by a material model based on the results of heating conditions, processing conditions, and cooling conditions of the metal material.
  • Material model calculation means the measured value of the material sensor and the previous Based on the learning result of the material model learning means, the material model learning means for comparing the calculation results of the material model calculation means and learning the error of the material model, the calculation result of the material model calculation means is corrected, Material model correction means for correcting the material model, and the setting calculation means based on the corrected material estimated value output from the material model correction means, the heating means, the processing means, and the cooling means The set value of is calculated and output.
  • a material sensor that is installed in the production line and measures the material of the metal material, and a material provided at an arbitrary position downstream of the material sensor based on the measured value of the material sensor is the material at the management point.
  • Material model calculation means estimated by a model, the setting calculation means, the heating means, the processing means, so that the calculation result of the material model calculation means matches the material target value given from the host computer
  • the set value of the cooling means is calculated and output.
  • the material sensor installed in the production line that measures the material of the metal material, and the material at the material management point provided at an arbitrary position downstream from the material sensor match the target value given by the host computer.
  • the setting calculation includes a heating correction unit, a processing correction unit, and a cooling correction unit that correct setting values output to the heating unit, the processing unit, and the cooling unit downstream from the material sensor. It is.
  • control it is possible to perform control so that the material at the measurement position of the material sensor matches the target value.
  • control so that the material at the measurement position of the material sensor matches the target value in the material to be processed thereafter.
  • Fig. 1 shows a method for controlling the material of a rolling, forging or straightening line according to Embodiment 1 of the present invention. It is a block diagram which shows the apparatus of.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a material control method and apparatus for a rolling, forging or straightening line according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a material control method and apparatus for rolling, forging or straightening lines according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a material control method and apparatus for a rolling, forging or straightening line according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a conventional rolling, forging or straightening line material control method and apparatus as a premise of the present invention.
  • a steel material rolling line is taken as an example of a metal product production line.
  • each of the heating, processing, and cooling steps is performed at least once on the metal material, and the desired size and shape are achieved.
  • This invention can also be applied to production lines such as forging or straightening that produce products.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a conventional rolling, forging or straightening line material control method and apparatus as a premise of the present invention.
  • a material to be rolled 1 made of a metal material such as an iron alloy or an aluminum alloy is heated by a heating device 2 and then processed by a processing device 3 such as a rolling mill to obtain a product having a desired size and shape. After that, it is cooled by the cooling device 4 to become a product.
  • a heating device 2 generally heats the material by burning the fuel gas, but a device that heats the material by induction heating can also be used.
  • the material temperature after heating varies depending on the alloy composition of metal materials, processing method, and required product specifications. For example, when manufacturing steel sheets by rolling steel materials hot or warm, 500-1300 ° C To the extent. When manufacturing thin sheets by rolling aluminum hot or warm, the temperature should be about 150-600 ° C.
  • the processing device 3 uses a reverse rolling mill or a tandem rolling machine, but a forging machine or a straightening machine can be used instead.
  • the rolling mill is equipped with a motor drive device that drives the tool, a rolling device that changes the opening of the roll, and the like is not shown. Further, the rolling mill can deform the material a plurality of times by reversing the roll rotation direction.
  • the cooling device 4 has a large number of pipes installed at the top and bottom.
  • the cooling water piping has a flow control valve, and the cooling rate can be changed by changing the opening.
  • the host computer 5 gives the setting calculation means 6 target values such as the size and shape of the metal material, the target size and shape of the product, and the composition of the metal material (content ratio of alloy components). Is given.
  • the setting calculation means 6 considers various constraint conditions so as to make the product dimension and shape coincide with the target values, heating conditions, processing conditions, cooling conditions, etc. To decide.
  • the heating conditions are heating temperature TeAL , heating time, and the like.
  • the processing conditions include the thickness of each pass at the rolling mill (pass schedule ) h eAL , each pass rolling speed (roll rotation speed) v eAL , and the inter- nos waiting period t eAL .
  • the cooling conditions are the cooling rate ⁇ in the cooling device 4 downstream of the rolling mill.
  • the constraint conditions for example, the rolling load rating of the reduction device, the motor power, the penetration angle into the tool, and the operational constraints on the rolling load to keep the flatness of the plate good.
  • the maximum motor speed There are restrictions on the maximum motor speed.
  • Various mathematical methods such as linear programming and Newton's method are known as solution methods under constraint conditions, and may be selected in consideration of solution stability and convergence speed.
  • a path schedule calculation method for example, there is a method disclosed in Japanese Patent No. 2635796.
  • the heating controller 7 operates the flow rate of the fuel gas supplied to the heating furnace, operates the electric energy of the induction heating device, or changes the residence time of the material in the furnace This adjusts the amount of heat input to the material.
  • the processing (rolling) controller 8 operates the roll opening degree, the roll speed, and the like based on the result of the setting calculation means 6.
  • the cooling controller 9 changes the cooling rate of the cooling device by operating the flow rate and pressure of the cooling water based on the result of the setting calculation means 6.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a material control method and apparatus for rolling, forging or straightening lines according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the operations of the setting calculation means 6, the heating controller 7, the processing controller 8, the cooling controller 9, the heating device 2, the processing device 3 and the cooling device 4 are the same as those of the prior art which is the premise of the present invention.
  • the material sensor 10 is installed at an arbitrary position downstream of at least one of the heating device 2, the processing device 3, and the cooling device 4 in the line. Note that there may be a plurality of heating devices 2, processing devices 3, and cooling devices 4 upstream of the material sensor 10, and the arrangement order is arbitrary.
  • This material sensor 10 is not only for measuring durability, but also for non-contact and non-destructive materials that directly measure the material such as permeability, etc., as well as materials such as electrical resistance, ultrasonic propagation characteristics, and radiation scattering characteristics. It is possible to use a material that is indirectly measured by detecting a physical quantity that shows a strong correlation with the material and converting it into a material such as a crystal grain size and formability. There are various types of such material sensors 10.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-57255 discloses a crystal of a material based on a detected value of intensity change or propagation velocity of an ultrasonic wave injected into the material. A method for measuring particle size or texture is disclosed. Note that a recently developed laser ultrasonic device or electromagnetic ultrasonic device can be used for transmission and reception of ultrasonic waves.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-255306 discloses an example of a laser ultrasonic device. It has been done. Laser ultrasonic equipment has the feature that the surface force of the material can take a long distance to the material sensor, and is particularly useful when hot measurement and online measurement are required.
  • Japanese Patent Publication No. 6-87054 Nokoko discloses a method for measuring the Rankford value using electromagnetic ultrasonic waves.
  • the target value of the material to be achieved at the position is given.
  • This material is, for example, mechanical properties such as tensile strength, resistance, toughness, and ductility, electromagnetic properties such as permeability, or crystal grain size and crystal orientation orientation that have a strong correlation with them. Some of the abundance ratios of various crystal yarns and weaves.
  • the heating correction means 11 corrects the heating temperature based on the measured value of the material sensor 10 and outputs it to the heating controller 7. This correction is performed by the following equation, for example.
  • the gain is determined in consideration of the response of the heating device 2.
  • the weighting factor Wl is considered in consideration of the stability of operation, etc.
  • 'other heating correction means 1 1, processing correction means 1 2, and' cooling correction means 1 3 Decide.
  • the influence coefficient is obtained by numerical differentiation of the material model (described later) as follows.
  • the gain K can be increased because the temperature rise of the material can be quickly adjusted by changing the amount of power supplied to the coil by a semiconductor circuit or the like. Therefore, it is preferable that more accurate material control can be performed.
  • the processing correction means 12 performs processing such as the deformation amount of each path, the deformation speed of each pass, and the processing interval of each pass based on the measurement value of the material sensor 10.
  • Each pass outlet thickness h eAL , rolling speed V eAI ⁇ of each pass, or waiting time t C AL between passes is corrected and output to the processing controller 8 so that the conditions are appropriate.
  • To correct any inter-pass time teAL use the following equation.
  • the gain K 2 is determined in consideration of control delay when Q due conveyed from the path to the material sensor 1 0.
  • the weighting factor w 2 is determined in consideration of the balance with other heating correction means 1 1, processing correction means 1 2, and cooling correction means 1 3 in consideration of operational stability.
  • the influence coefficient is obtained by numerical differentiation of the material model (described later) as follows.
  • each path exit side thickness h CAL, Ru substantially similar der case of correcting the rolling speed V GAL of each path.
  • the cooling correction means 13 corrects, for example, the cooling rate based on the measurement value of the material sensor 10 and outputs the correction to the cooling controller 9. This correction is performed by the following equation, for example.
  • Cooling speed setting value after aSET correction (in / s)
  • the gain K 3 is determined in consideration of valve response such as the cooling device 4.
  • the weighting factor w 3 takes into account the balance with other heating correction means 1 1, processing correction means 1 2, and cooling correction means 1 3 in consideration of operational stability. Decide.
  • the influence coefficient can be calculated by the following formula using numerical differentiation.
  • cooling rate can be changed by changing the flow rate of each nozzle of this cooling device, especially for iron-based alloys, aluminum-based alloys, copper-based alloys, titanium-based alloys, etc. It is possible to change the pattern and create products with various characteristics, and control of this cooling device is extremely important. In such a case, the control delay can be minimized by installing a material sensor between the machining process and the cooling process, and / or on either side of the cooling process. Good control. Of course, it is also possible to install a material sensor during the cooling process. In this case, it is essential to take measures to eliminate disturbances to the measured values due to splashes of cooling water.
  • the calorie heat device 2 processing so that the material at the measurement position matches the target value.
  • the device 3 and the cooling device 4 can be controlled.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a material control method and apparatus for rolling, forging or straightening lines according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the material sensor 10, the heating device 2, the processing device 3, the cooling device 4, the heating controller 7, the processing controller 8, and the cooling controller 9 are the same as those in the first embodiment.
  • the host computer 5 gives the target value X AIM of the material at the 10th position of the material sensor, as in the first embodiment.
  • Material model 14 made from setting calculation means 6 Manufacturing conditions are given, and the upper material 5 gives the outgoing material reference value X REF .
  • the material model learning means 15 compares the measured value X ACT measured by the material sensor 10 with the material model estimated value x MDI ⁇ at the measurement position based on the material model, and based on the comparison result, the material model correcting means 16 Estimated value X MDI This correction is covered.
  • This material model is the same as in Example 1.
  • the material model is corrected as follows.
  • a correction term (hereinafter referred to as a learning term) Z by learning the material model is prepared.
  • the initial value of Z is set to zero.
  • the measured value by the material sensor 10 is obtained, taking the material estimate chi Micromax ⁇ deviation ⁇ by the previous material model adding the correction by the learning and the measured value x ACT by the material sensor 10.
  • This deviation is smoothed with the value of the learning term after the previous learning by the exponential smoothing method to obtain the learning result.
  • j8 is a learning gain and ranges from 0 to 1.0. 1. The closer to 0, the faster the learning speed, but it tends to be affected by outliers and is usually about 0.3 to 0.4.
  • the value obtained by correcting the estimated value x MDL by the material model using the following equation is used as the estimated material value x eAL .
  • the method for updating the learning term of the material model is not limited to the exponential smoothing method described above.
  • stratified learning method that stores learning results in a database with stratified keys such as standard plate thickness, target plate width, alloy type, etc., or by a dual network using similar parameters and the material deviation ⁇ as teaching data
  • a learning method can be used.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a material control method and apparatus for rolling, forging or straightening lines according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the operations of the setting calculation means 6, the heating controller 7, the processing controller 8, the cooling controller 9, the heating device 2, the processing device 3 and the cooling device 3 are the same as the conventional ones which are the premise of the present invention.
  • the material sensor 10 is installed at an arbitrary position upstream of at least one of the heating device 2, the processing device 3, and the cooling device 4 in the line. Note that there may be a plurality of heating devices 2, processing devices 3, and cooling devices 4 on the downstream side of the material sensor 10, and the order of arrangement is “s”.
  • An arbitrary point downstream of the material sensor 10 in the line is set as a material control point.
  • any position on the line can be used as a material control point, regardless of the physical equipment layout, as long as the path is after the nose whose material has been measured by the material sensor 10. It can be. From the host computer 5 to the setting calculation means 6, it is necessary to adjust the metal material dimensions, target product dimensions, metal material composition (alloy component content), etc. A target value is given.
  • the target material at the material control point may be a material different from the material detected by the material sensor 10.
  • the target material at the material control point may be a material different from the material detected by the material sensor 10.
  • the austenite grain size on the finishing mill exit side there is a strong correlation between the austenite grain size on the finishing mill exit side and the ferrite grain size on the inlet side of the milling machine.
  • the grain size is detected and controlled so that the ferrite grain size at the material control point on the inlet side of the scraper matches the target value.
  • the material model 14 is the same as that shown in Example 1, and given the operating conditions of the heating device 2, the processing device 3, and the cooling device 4 from the setting calculation means 6, the entry side material reference value ⁇
  • the material estimated value at the material control point is calculated based on ACT .
  • the setting calculation means 6 uses the material model 14 in order to satisfy the condition that the estimated material value X e AL of the material control point matches the target value in addition to the above-mentioned various constraints. 3 and set value of cooling device 4 is determined.
  • a heating condition, a processing condition, and a cooling condition that satisfy the above conditions can be obtained by repeating the following correction operation several times.
  • the heating temperature setting value of the heating device is corrected as follows.
  • Entry material measurement Y act as a base point Calculated by material model Estimated value of material at material control point
  • the gain 1 ⁇ and the weighting factor Wl are determined in the same way as in the first embodiment ⁇
  • the influence coefficient is obtained by numerically differentiating a material model like ash.
  • the exit side plate thickness h eAL of each pass, each pass so that the processing conditions such as the deformation amount of each pass of the processing apparatus, the deformation speed of each pass, and the processing interval of each pass become appropriate.
  • the rolling speed V eAI ⁇ or the waiting time t ( ⁇ between passes is corrected. For example, when any of the passing times t eAL is corrected, the following equation is used.
  • the gain K 5 weighting factor w 2 is determined in the same manner as in the first embodiment ⁇
  • the influence factor is obtained by numerically differentiating the material model as follows.
  • the cooling rate is corrected and corrected. This correction is performed by the following equation, for example.
  • the gain K 3 and the weighting factor w 3 are determined in the same manner as in the first embodiment.
  • the influence coefficient is obtained by numerical differentiation of the material model as follows ⁇
  • the material at the material control point matches the target value based on the measured value of the material by the material sensor installed in the production line or the material of the intermediate product.
  • the heating device, processing device, and cooling device can be controlled.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a material control method and apparatus for rolling, forging or straightening lines according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the operations of the setting calculation means 6, the heating controller 7, the processing controller 8, the cooling controller 9, the heating device 2, the processing device 3 and the cooling device 3 are the same as the conventional ones which are the premise of the present invention.
  • the entry side material reference value is given.
  • the material model 14 is the same as that shown in Example 1, and given the operating conditions of the heating device 2, the processing device 3, and the cooling device 4 from the setting calculation means 6, the entry side material reference value ⁇
  • the setting calculation means 6 determines the set values of the heating device 2, the processing device 3, and the cooling device 4 in the same manner as the conventional one that is the premise of the present invention.
  • an incoming side material measured value Y act an actual measured value of the material sensor position
  • the heating correction means, processing correction means, and cooling correction means are used for setting values such as the heating temperature, the pass plate thickness at each pass, the pass rolling temperature, and the cooling rate according to the setting calculation. Add corrections.
  • the heating correction means 11 corrects the heating temperature based on the measured value of the material sensor 10 and outputs it to the heating controller 7. This correction is performed by the following equation, for example. [0053] [Equation 16]
  • Heating temperature setting value CC correction after pSET
  • the influence coefficient ⁇ is obtained by numerically differentiating the material model (described later) as follows.
  • This calculation should be based on the actual operating conditions (material temperature, etc.) and should be calculated online. However, if the gain is lowered, the values calculated in advance offline based on the standard operating conditions It is also possible to use it.
  • the processing correction means 12 has processing conditions such as the deformation amount of each path of the processing apparatus 3, the deformation speed of each pass, and the processing interval of each pass based on the measurement value of the material sensor 10.
  • Each pass outlet thickness h CAL , rolling speed V eAI ⁇ of each pass, or waiting time t C AL between passes is corrected and output to the processing controller 8 so as to be appropriate.
  • the processing controller 8 uses the following formula.
  • the gain K 2 , the electric coefficient w 2 , and the influence coefficient ( ⁇ are determined in the same manner as in the first embodiment.
  • the influence coefficient f ⁇ ) is calculated in the same manner as in the case of the heating correction means.
  • the cooling correction unit 12 corrects, for example, the cooling rate based on the measured value of the material sensor 10 and outputs the correction to the cooling controller 9. This correction is performed by the following equation, for example.
  • gain K 3 , weighting coefficient W3 , influence coefficient ( ⁇ is determined in the same way as in the first embodiment.
  • the influence coefficient is calculated in the same way as for the heating correction method.
  • the material of the material control point matches the target value based on the measured value of the material of the material or the intermediate product by the material sensor installed in the production line.
  • the heating device, the processing device, and the cooling device can be controlled.
  • the material control method and apparatus of the rolling, forging or straightening line of the present invention can be applied particularly to the material control of a steel hot rolling line using a crystal grain size sensor and induction heating device using laser ultrasonic waves. it can.

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Abstract

　材質モデルの予測精度が十分に良好でない場合にも、製品の材質を目標値に一致させることを目的とする。 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも１回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサ１０により金属材料１の材質を測定し、当該測定位置の材質が目標値に一致するように、測定値に基づき材質センサより上流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に修正を加える。

Description

明 細 書
圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置
技術分野
[0001] この発明は、金属素材を加熱する工程、圧延、鍛造又は矯正加工する工程、及び 、冷却する工程を各々少なくとも 1回ずつ実施し、所望の寸法形状の製品を製造する 圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置に関するものである。 背景技術
[0002] 鉄合金及びアルミニウム合金を始めとする金属材料にお!ヽて、機械的特性 (強度、 成形性、靭性等)、電磁的特性 (透磁率等)などの材質は、その合金組成だけでなく 、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件によっても変化する。合金組成の調整は、成 分元素の添加量を制御することで行うが、成分調整時のロット単位が大きぐ個々の 製品ごとに添加量を変更することは不可能である。したがって、所望の材質の製品を 製造するためには、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件を適正にし材質を造り込 むことが極めて重要である。
[0003] 従来、加熱、加工、及び、冷却の各条件に対し、加熱温度目標値、加工後の寸法 目標値、冷却速度目標値などが製品仕様毎に長年に亘る経験に基づ 、て決められ 、これを達成するように、温度制御及び寸法制御を行う方法が一般的であった。とこ ろが、近年、製品仕様への要求の高度化、多様化が著しぐ経験に基づく決め方で はこれら目標値を必ずしも適正に決めることができず、所望の材質が得られないケー スが生じてきていた。
[0004] このため、近年、加熱条件、加工条件及び冷却条件から製品の材質を推定する材 質モデルを用い、製品の材質が目標値に一致するように各工程の加熱条件、加工 条件及び冷却条件を計算により決定する制御方法が知られている（例えば、特許文 献 1参照)。
[0005] 更に、圧延中に板厚、材料温度の実績値を採取し、これを材質予測モデルの入力 データとすることで精度向上を図る方法が知られている。この方法は、圧延開始前に 鋼材の成分値、圧延後の鋼材サイズ、鋼材材質保証値に基づき、材質モデルを用 いて加熱条件、圧延条件、冷却条件を決めるようになっており、さらに、加熱工程、粗 圧延工程、及び、仕上圧延工程の後に板厚、材料温度、パス間時間、ロール径、口 ール回転数の実績値が得られると、これら実測値に基づき、材質モデルを用いて次 工程以降の圧延条件、又は、冷却条件予定を決め直すようにして、製品の材質のば らっきを抑えようとしている（例えば、特許文献 2参照)。
[0006] 一方、材質モデルに代えて-ユーラルネットワークを用いた制御方法が知られて!/ヽ る。この方法は、加工後または熱処理後の金属材料の有する特性を調べ教示データ として-ユーラルネットワークに与えることにより、ニューラルネットワークによる予測精 度の向上を図っている（例えば、特許文献 3参照)。
[0007] 特許文献 1：日本特公平 7-102378号公報
特許文献 2 :日本特許第 2509481号
特許文献 3 :日本特開 2001— 349883号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 上記のような材質モデルに基づく制御方法では、材質モデルの予測精度が製品の 材質を目標値に一致させるためのキーポイントとなる。ところが、加熱条件、加工条件 、及び、冷却条件と製品の材質の関係は極めて複雑であり、物理冶金学理論や熱力 学データの活用に基づく理論式、実験式、又は、実操業データに基づく回帰式など が提案されているものの、いずれの材質モデルによっても、その予測精度は必ずしも 十分ではな力つた。とりわけ加熱条件、加工条件、冷却条件、又は、合金組成のいず れかが材質モデル同定の対象範囲力も外れて 、る場合 (例えば合金組成にっ 、て 言えば C Si— Mn系鉄鋼材料以外の多元系合金など）には、精度の悪化が著しかつ た。また、材質モデルを構成する多数に亘るモデル式の個々の精度は良好であって も、それらの誤差が積み重ねられるため、トータルの精度を良好に保つことは困難で あった。これらのため、例え前記の材質モデルに基づく制御方法を用いたとしても、 材質モデル自体の精度に起因して、製品の材質を目標値に一致させることが出来な V、と 、う問題点は依然として解決され得な力つた。
[0009] 一方、材質モデルに変えて-ユーラルネットワークを用いた制御方法では、加工後 または熱処理後の金属材料の有する特性を調べ教示データとして-ユーラルネットヮ ークに与えることにより-ユーラルネットワークによる予測精度の向上を図っている力 前記のように加熱条件、加工条件、及び、冷却条件と製品の材質の関係は極めて複 雑であり、これを精度よく模擬するためには多層に亘る大規模な-ユーラルネットヮー クが必要となり、その学習のために膨大な教示データを与えなければならず精度改 善に時間が力かる問題点があった。勿論小規模な-ユーラルネットワークを用いれば 教示データが少なく済むが、この場合は適用可能な操業範囲が限定されるという問 題があった。
[0010] この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、材質モデルの予 測精度が十分に良好でな 、場合にも、製品の材質を目標値に一致させることを目的 としている。
課題を解決するための手段
[0011] この発明に係る圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法は、金属材料を加熱す る加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工工程と、金属材料 を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、所望の寸法形状の金属製 品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサにより金属材料の材質 を測定し、当該測定位置の材質が目標値に一致するように、測定値に基づき材質セ ンサより上流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に修正を カロえるようにしたものである。
[0012] また、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工 する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、 所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質セ ンサにより金属材料の材質を測定し、この測定値を、当該金属材料の加熱条件、加 ェ条件及び冷却条件の実績に基づき材質モデルにより計算した当該測定位置の材 質の推定値と比較し、この比較結果に基づいて前記材質モデルに修正をカ卩え、以降 は修正後の材質モデルを用いて前記各工程の加熱条件、加工条件及び冷却条件 を決定するようにしたものである。
[0013] また、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工 する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、 所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質セ ンサにより金属材料の材質を測定し、前記材質センサより下流の任意位置に設けら れた材質管理ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記測定値に基づ き前記材質センサより下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却 条件を材質モデルを用いて計算するようにしたものである。
[0014] また、金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工 する加工工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、 所望の寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質セ ンサにより金属材料の材質を測定し、前記材質センサより下流の任意位置に設けら れた材質管理ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記測定値に基づ き前記材質センサより下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却 条件に修正をカ卩えるようにしたものである。
[0015] また、この発明に係る圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御装置は、金属材料を 加熱する加熱手段、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工手段、及び、 金属材料を冷却する冷却手段とを各々少なくとも 1つずつ備え、所望の寸法形状の 金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機カゝら与えられる金属材料の 寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成等の情報に基づいて、前記 加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力する設定計 算手段と、前記設定値に基づいて加熱装置、加工装置、及び、冷却装置を操作する 加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装置において 、製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質セン サの測定値が目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより上流側 の加熱手段、加工手段及び冷却手段に対して出力する設定値を補正する加熱補正 手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたものである。
[0016] また、製造ライン内に設置され、金属材料の材質を測定する材質センサと、当該金 属材料の加熱条件、加工条件及び冷却条件の実績に基づき材質モデルにより当該 測定位置の材質を推定する材質モデル演算手段と、前記材質センサの測定値と前 記材質モデル演算手段の演算結果を比較し材質モデルの誤差を学習する材質モデ ル学習手段と、前記材質モデル学習手段の学習結果に基づき、前記材質モデル演 算手段の演算結果に補正を加え、前記材質モデルに補正を加える材質モデル補正 手段とを備え、前記設定計算手段は前記材質モデル補正手段の出力する修正後の 材質推定値に基づき、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定 値を計算し出力するようにしたものである。
[0017] また、製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質 センサの測定値に基づき前記材質センサより下流の任意の位置に設けられた材質 管理ポイントにおける材質を材質モデルにより推定する材質モデル演算手段とを備 え、前記設定計算手段は、前記材質モデル演算手段の演算結果が上位計算機から 与えられる材質目標値に一致するように、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前 記冷却手段の設定値を計算し出力するようにしたものである。
[0018] また、製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質 センサより下流の任意位置に設けられた材質管理ポイントにおける材質が上位計算 機から与えられる目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより下 流側の加熱手段、加工手段及び冷却手段に対して出力する設定値を補正する加熱 補正手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたものである。
発明の効果
[0019] この発明によれば、材質センサの測定位置の材質が目標値に一致するように制御 を行うことが可能となる。また、以降に加工される材料において、材質センサの測定 位置の材質が目標値に一致するように制御を行うことが可能になる。また、材質セン サ位置における材質のバラツキに起因する材質推定誤差をなくすことができ、材質 制御ポイントにおける材質が目標値に一致するように制御を行うことが可能となる。さ らに、材質センサ位置における材質のバラツキに起因する材質推定誤差をなくすこと ができ、材質制御ポイントにおける材質を一定に保つように制御を行うことが可能とな る。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]図 1はこの発明の実施例 1の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
[図 2]図 2はこの発明の実施例 2の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
[図 3]図 3はこの発明の実施例 3の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
[図 4]図 4はこの発明の実施例 4の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
[図 5]図 5はこの発明の前提となる従来の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法 及びその装置を示すブロック図である。
符号の説明
[0021] 1 金属素材からなる被圧延材
2 加熱装置
3 圧延機等の加工装置
4 冷却装置
5 上位計算機
6 設定計算手段
7 加熱コントローラ
8 加工 (圧延)コントローラ
9 冷却コントローラ
10 材質センサ
11 加熱補正手段
12 加工補正手段
13 冷却補正手段
14 材質モデル
15 材質モデル学習手段
16 材質モデル補正手段
発明を実施するための最良の形態
[0022] この発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従って実施例を説明する。こ の実施例では、金属製品製造ラインの一例として鉄鋼材料の圧延ラインを挙げるが、 金属素材に対し、加熱、加工、及び、冷却の各工程を少なくとも 1回ずつ実施し、所 望の寸法形状の製品を製造する鍛造又は矯正等の製造ラインについても同様にこ の発明を適用することが可能である。
図 5は、この発明の前提となる従来の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及 びその装置を示すブロック図である。図 5に示すように、鉄合金やアルミニウム合金等 の金属素材からなる被圧延材 1は、加熱装置 2で加熱された後、圧延機等の加工装 置 3により加工され所望の寸法形状の製品となり、その後冷却装置 4で冷却され製品 となる。なお、加熱装置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4は各々複数あってもよぐま た配置順序も任意である。加熱装置 2は燃料ガスを燃焼させて材料を加熱するのが 一般的であるが、誘導加熱により材料を加熱するもの等を用いることも出来る。加熱 後の材料温度は金属素材の合金組成、加工方法、及び要求される製品仕様により 異なるが、例えば、鋼材を熱間又は温間で圧延し薄板を製造する場合には、 500— 1300°C程度とする。また、アルミニウムを熱間又は温間で圧延し薄板を製造する場 合には、 150— 600°C程度とする。加工装置 3にはリバース圧延機またはタンデム圧 延機を用いるが、代わりに鍛造機又は矯正機等を用いることも出来る。圧延機には口 ールを駆動するモータドライブ装置、ロールの開度を変更する圧下装置などが備えら れているが図示省略する。また、圧延機はそのロール回転方向を逆転させることによ り、材料を複数回変形させることができる。冷却装置 4は、上下に多数設置した配管 力 材料表面に冷却水をかけ、材料の温度を低下させる。冷却水配管には流量調 整バルブがありこの開度を変更することにより冷却速度を変えることが出来る。
この圧延設備の制御にあたっては、まず、上位計算機 5から設定計算手段 6に対し て、金属素材の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成 (合金成分の含 有率)等の目標値が与えられる。設定計算手段 6は、これら上位計算機 5からの情報 に基づいて、製品の寸法形状を目標値に一致させるように、種々の制約条件を考慮 して、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件等を決定する。加熱条件とは、加熱温 度 TeAL、加熱時間等である。加工条件とは圧延機の各パス出側板厚 (パススケジユー ル) heAL、各パス圧延速度 (ロール回転速度) veAL、ノ ス間待機期間 teAL等である。ま た、冷却条件とは圧延機下流の冷却装置 4における冷却速度 α 等である。制約条 件については、例えば、圧下装置の圧延荷重定格の制約、モータパワーの制約、口 ールへの嚙込み角の制約、板の平坦度を良好に保っための圧延荷重に対する操業 上の制約、及び、モータ最大回転数の制約等がある。制約条件下での求解の数学 的手法は、線形計画法、ニュートン法など様々なものが知られており、求解の安定性 、収束速度などに配慮して選定すればよい。このようなパススケジュール計算法とし て、例えば日本特許第 2635796号に開示されている方法がある。加熱コントローラ 7 は、設定計算手段 6の結果に基づき、加熱炉へ供給する燃料ガスの流量を操作した り、誘導加熱装置の電力量を操作したり、又は、材料の炉内滞在時間を変更すること により材料への入熱量を調整する。加工 (圧延)コントローラ 8は、設定計算手段 6の 結果に基づき、ロール開度、ロール速度などを操作する。冷却コントローラ 9は、設定 計算手段 6の結果に基づき、冷却水の流量、圧力を操作し冷却装置の冷却速度を 変化させる。
実施例 1
図 1は、この発明の実施例 1の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
設定計算手段 6、加熱コントローラ 7、加工コントローラ 8、冷却コントローラ 9、加熱 装置 2、加工装置 3及び冷却装置 4の作用は、この発明の前提となる従来のものと同 様である。
ライン内の加熱装置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4の少なくともいずれか 1つより 下流側の任意の位置に材質センサ 10を設置する。なお、材質センサ 10より上流側 の加熱装置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4は各々複数あってもよぐまた配置順 序も任意である。この材質センサ 10は耐久性等の観点力も非接触、非破壊のものが 望ましぐ透磁率などの材質を直接測定するものの他、電気抵抗、超音波の伝播特 性、放射線の散乱特性など材質と強い相関を示す物理量を検出し、結晶粒径、成形 性などの材質に換算することで間接的に測定するものを用いることが出来る。このよう な材質センサ 10は様々なものがあり、例えば、日本特開昭 57— 57255号には、材料 内に打ち込んだ超音波の強度変化又は伝播速度の検出値に基づいて材料の結晶 粒径又は集合組織を測定する方法が開示されている。なお、超音波の送受信には 近年開発されたレーザ超音波装置、又は電磁超音波装置などを用いることができ、 例えば、 日本特開 2001— 255306号〖こは、レーザ超音波装置の一例が開示されて いる。レーザ超音波装置は材料表面力も材質センサまでの距離を長く取ることが出 来る特徴があり、とりわけ熱間測定、及び、オンライン測定を行う必要がある場合には 利用価値が高い。また、日本特開昭 56-82443号には、磁束検出器で検出される 磁束強度力 鋼材の変態量を測定する装置が開示されている。さらに、 日本特公平 6— 87054号〖こは、電磁超音波を利用したランクフォード値の測定方法が開示されて いる。
上位計算機 5から設定計算手段 6に対しては、金属素材の寸法形状、製品の目標 寸法形状、金属素材の組成 (合金成分の含有率)等の目標値に加え、材質センサ 1 0による材質測定位置で達成すべき材質の目標値が与えられる。この材質とは、例え ば、引張り強さ、耐カ、靱性、及び、延性などの機械的特性、透磁率などの電磁気的 特性、或いは、それらと強い相関を持つ結晶粒径、結晶方位の配向性、各種の結晶 糸且織の存在比率のうちのいくつかである。
加熱補正手段 11は、材質センサ 10の測定値に基づいて加熱温度を補正し、加熱 コントローラ 7に出力する。この補正は、例えば次式により行う。
[0025] [数 1]
TSET ·— TCAL wl " K1 . LrA fT _ ^ΑΙΜ \
ΘΤ J
ここで、
TSET 補正後の加熱温度設定値 CC)
補正前の加熱温度設定値 （=設定計算値） （ ）
XACT 材質センサの測定値
X^M 材質 B標値
'影 β係数
Κι ゲイン（-）
Wx 重み係数（-）
である。 なお、 ゲイン は加熱装置 2の応答等を考慮して決める。 また、 重み係数 Wlは. 操業の安定性等を勘案し' 他の加熱補正手段 1 1、 加工補正手段 1 2、 及ぴ' 冷却捕正手段 1 3での捕正とのバランスを考慮して決める。 影響係数は次のように材質モデル （後述） を 数値微分することにより得られる。
[0026] [数 2] X+ - X"
(2) 2 - ΔΤ
.こで、
ΔΤ 微小変化量 CC)
+ 加熱温度を ΔΤ大きくした場合について、 材質モデルにより計算した、 材質センサ位置到達時の材質
X— 加熱温度を ΔΤ小さくした場合について、 材質モデルにより計算した、 材質センサ位置到達時の材質
である。 この影響係数の計算は実際の操業条件 （材料温度など） に基づき使いオンラインで 計算することが望ましいが、 ゲイン を低めにすれば、 標準的な操業条件に基づき予めオフ ラインで計算しておいた値を用いることも可能である。
[0027] なお、誘導加熱による加熱装置を用いると、半導体回路等によりコイルに供給する 電力量を変更することにより材料の昇温量を素早く調整することができるので、ゲイン Kを高めることができ、より精度の良い材質制御を行うことができ好適である。
[0028] 次に、加工補正手段 12は、材質センサ 10の測定値に基づいてカ卩ェ装置 3の各パ スの変形量、各パスの変形速度、及び、各パスの加工間隔等の加工条件が適正に なるように、各パス出側板厚 heAL、各パスの圧延速度 VeAI\又は、パス間待機時間 t CALを補正し、加工コントローラ 8に出力する。例えば、いずれかのパス間時間 teALを補 正する場合には、次式により行う。
[0029] [数 3]
SET
Figure imgf000012_0001
.で
tSET 補正後のパス間時間設定値（s ec)
tCAL 補正前のパス間時間設定値 （=設定計算値） （s ec)
X CT 材質センサの測定値
χΑΙΜ 材質目標値
影響係数
[ dt j
2 ゲイン ( )
w2 重み係数（-）
である。 なお、 ゲイン K2は当該パスから材質センサ 1 0までの搬送による制御遅れ時問等を 考慮して決める。 また、 重み係数 w2は、 操業の安定性等を勘案し、 他の加熱補正手段 1 1 、 加工補正手段 1 2、 及び、 冷却補正手段 1 3での補正とのパランスを考慮して決める。 影響 係数は次のように材質モデル （後述） を数値微分することにより得られる。
[0030] [数 4]
Figure imgf000013_0001
ここで、
△t 微小変化量 CC)
X+ パス間時間を At大きくした場合について、 材質モデルにより計算し た材質センサ位置到達時の材質
X" パス問時問を At小さくした場合について、 材質モデルにより計算し た材質センサ位置到達時の材質
である,
[0031] なお、各パス出側板厚 hCAL、各パスの圧延速度 VGALを補正する場合もほぼ同様であ る。
[0032] 更に、冷却補正手段 13は、材質センサ 10の測定値に基づいて例えば冷却速度を 補正し、冷却コントローラ 9へ出力する。この補正は、例えば次式により行う。
[0033] [数 5]
SET CAL w3 -K3 ACT
X (5) 6a
.で
aSET 補正後の冷却速度設定値（で/s)
aCAL 補正前の冷却速度設定値 （=設¾計算値） （で/ S)
XACT 材質センサの測定値
材質目標値
影響係数
\ 3a J
ゲイン（-）
w3 重み係数（）
である。 なお、 ゲイン K3は冷却装置 4のバルブ応答等を考慮して決める。 また、 重み係数 w3は' 操業の安定性等を勘案し、 他の加熱捕正手段 1 1、 加工補正手段 1 2、 及び、 冷却補 正手段 1 3での補正とのパランスを考慮して決める。 影響係数は数値微分法を用いて次式に より計算できる。
[0034] [数 6]
X÷ - X" (6)
9a i 2 · Λα~
.で、
微小変化量 (°C/s )
冷却速度を 大きくした場合について、 材質モデルにより計算した, 材質センサ位置到達時の材質
冷却速度を Δα小さくした場合に：ついて、 材質モデルにより計算した, 材質センサ'位置到達時の材質
である <
[0035] ところで、熱間圧延ラインには圧延機の出側に流量可変の多数の冷却水ノズルを 配列した冷却装置が配置されていることが多ぐとりわけ鉄系合金、アルミニウム系合 金、銅系合金、及び、チタン系合金等では、この冷却装置の各ノズルの流量を変更 することにより冷却速度とそのパターンを変化させ、多様な特性を持つ製品を作り分 けることが可能であり、この冷却装置の制御が極めて重要である。このような場合には 、加工工程と冷却工程の間及び冷却工程の出側の両方若しくはいずれか片方に材 質センサを設置することにより、制御遅れを最小限にすることができるので、より精度 の良い制御ができる。勿論冷却工程の間に材質センサを設置することもできる力 こ の場合は冷却水の飛沫等による測定値への外乱を除く対策が必須となる。
[0036] なお、上記にお!、て材質モデルは、パススケジュール、ロール速度、材料温度等を 入力条件とし、ライン内での材質変化を予測計算するもので、様々なものが提案され ており、静的再結晶、静的回復、動的再結晶、動的回復、粒成長などを表す数式群 力もなるものが広く知られている。一例として、「塑性カ卩ェ技術シリーズ 7 板圧延 」、 コロナ社、 P.198— 229に掲載されているものがある。この教科書には、理論式とその 原典が記載されている。但し、このような理論式が確立されているのは多岐に亘る合 金種のうちの一部に過ぎず、未だ理論式が確立されていない合金種も多い。このよう な場合には実操業データに基づき、統計的処理により導かれた簡易モデルで代用 する。このような簡易モデルは例えば、「材料とプロセス」、財団法人日本鉄鋼協会、 2004年 Vol.17、 p.227に揭載されて!ヽるもの力 ^ある。
以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサ 10に よる材質の測定値に基づいて、当該測定位置の材質が目標値に一致するようにカロ 熱装置 2、加工装置 3及び冷却装置 4を制御することが可能となる。
実施例 2
[0037] 図 2は、この発明の実施例 2の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
材質センサ 10、加熱装置 2、加工装置 3、冷却装置 4、加熱コントローラ 7、加工コン トローラ 8、及び冷却コントローラ 9は実施例 1のものと同様である。また、上位計算機 5からは、実施例 1と同様、金属素材の寸法、製品寸法等に加え、材質センサ 10位 置における材質の目標値 XAIMが与えられる。材質モデル 14は設定計算手段 6から製 造条件が与えられ、上位計算機 5から出側材質基準値 XREFが与えられる。
材質モデル学習手段 15は、材質センサ 10による測定値 XACTを、材質モデルによる 当該測定位置の材質推定値 xMDI^比較し、この比較結果に基づ ヽて材質モデル補 正手段 16において材質モデル推定値 XMDIこ修正をカ卩える。この材質モデルは、実 施例 1と同様である。
材質モデルの修正は、例えば次のように行う。
まず、材質モデルの学習による補正項 (以降、学習項と記す) Zを用意する。 Zの初 期値はゼロとしておく。
材質センサ 10よる測定値が得られると、材質センサ 10よる測定値 xACTと学習による 補正を加える前の材質モデルによる材質推定値 ΧΜ^の偏差 δをとる。
[0038] [数 7]
6 = XACT - XMDL (7)
この偏差を指数平滑法により前回の学習後の学習項の値と平滑し学習結果とする
[0039] [数 8]
Ζ = (ΐ - β)· Ζ + β · δ (8)
ここで、 j8は、学習ゲインであり 0— 1. 0の範囲である。 1. 0に近いほど学習速度が 速くなるが異常値の影響を受けやすくなり通常は 0. 3— 0. 4程度にすることが多い。 以降、設定計算においては、材質モデルによる推定値 xMDLを次式により補正した 値を材質推定値 xeALとして用いる。
[0040] [数 9]
XCAL = X腿 + Z (9) このように材質センサ 10による材質の測定値に基づ 、て材質モデルの学習を行う ことにより、操業を続けるにつれ、材質モデルの精度を徐々に高めることができ、製品 又は中間製品の材質が目標値に一致するように加熱装置 2、加工装置 3及び冷却装 置 4を制御することが可能となる。
なお、材質モデルの学習項の更新方法は前記の指数平滑法に限らず、例えば、目 標板厚、目標板幅、合金種などを層別キーとするデータベースに学習結果を保存す る層別学習法や、同様のパラメータと前記の材質偏差 δを教示データとする二ユーラ ルネットワークによる学習法を用いることができる。
実施例 3
図 3は、この発明の実施例 3の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
設定計算手段 6、加熱コントローラ 7、加工コントローラ 8、冷却コントローラ 9、加熱 装置 2、加工装置 3及び冷却装置 3の作用は、この発明の前提となる従来のものと同 様である。
ライン内の加熱装置 2、加工装置 3、又は、冷却装置 4の少なくともいずれか一つよ り上流の任意の位置に材質センサ 10を設置する。なお、材質センサ 10より下流側の 加熱装置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4は各々複数あってもよぐまた配置順序も ィ士, sである。
また、ライン内の材質センサ 10より下流側の任意の点を材質制御ポイントとする。な お、リバース式圧延機の場合には、材質センサ 10により材質を測定したノ スよりも後 のパスであれば、物理的な機器配置に関わらず、ライン上の任意の位置を材質制御 ポイントとすることができる。上位計算機 5から設定計算手段 6に対しては、金属素材 の寸法形状、製品の目標寸法形状、金属素材の組成 (合金成分の含有率)等にカロ え、材質制御ポイントにおいて要求される材質の目標値 が与えられる。
なお、材質制御ポイントにおける目標材質は、材質センサ 10で検出する材質と異 なる種類の材質でもよい。例えば、鉄鋼のホットストリップミルにおいて、仕上圧延機 出側のオーステナイト粒径と、卷取機入側のフェライト粒径には強 、相関があるので 、仕上圧延機出側に設置した材質センサでオーステナイト粒径を検出し、卷取機入 側の材質制御ポイントにおけるフェライト粒径を目標値に一致させるように制御するよ うにする。
材質モデル 14は、実施例 1に示したものと同様であり、設定計算手段 6から加熱装 置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4の操業条件が与えられると、入側材質基準値 Υ ACTを基点として材質制御ポイントにおける材質推定値 を計算する。 設定計算手段 6は、前記諸制約条件に加えて、材質制御ポイントの材質推定値 X eALを目標値 に一致させるという条件を満足するように、材質モデル 14を用いて 加熱装置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4の設定値を決定する。
例えば、次のような修正操作を数回繰り返すことにより上記条件を満たす加熱条件 、加工条件、及び、冷却条件を得ることが出来る。
まず、加熱装置の加熱温度設定値については、次のように修正する。
[0042] [数 10]
Figure imgf000017_0001
T CAL 加熱温度設定値 （ ）
X CAL ,入側材質測定値 Yactを基点として材質モデルにより計算した 材質制御ボイントでの材質の推定値
材質制御ボイントでの材質の目標値
影響係数
Figure imgf000017_0002
K3 ゲイン（-）
重み係数（-）
である。 なお、 ゲイン 1^、 重み係数 Wlは、 第 1の実施形態と同様に決める <
影響係数は灰のように材質モデルを数値微分することにより得られる„
[0043] [数 11]
\ 3Τ ) 2 - ΔΤ
ここで、
△Τ 微小変化量 （で）
Χ+ 加熱温度を ΔΤ大きくした場合について、 材質モデルにより計算した、 材質制御ポイントの材質
X" 加熱温度を ΛΤ小さくした場合について、 材質モデルにより計算した、 材質制御ポイントの材質
である。
[0044] 次に、加工装置の各パスの変形量、各パスの変形速度、及び、各パスの加工間隔 等の加工条件が適正になるように、各パスの出側板厚 heAL、各パスの圧延速度 VeAI\ 又は、パス間待機時間 t( ^を修正する。例えば、いずれかのパス間時間 teALを修正す る場合には、次式により行う。
[0045] [数 12]
Figure imgf000018_0001
乙で、
CAL パス間時間設定値 （sec)
X CAL
材質モデルによる材質制御ボイントでの材質の推定値
X AIM
材質制御ボイントでの材質の目標値
影響係数
Figure imgf000018_0002
K2 ゲイン（-)
w2 重み係数（-)
である。 なお、 ゲイン K5 重み係数 w2は、 第 1の実施形態と同様に決める < 影響係数は次のように材質モデルを数値微分することにより得られる。
[0046] なお、各パス出側板厚 hCAL、各パスの圧延速度 を補正する場合もほぼ同核であ る。
[0047] [数 13]
dX \ x+ - X"
(13) dt j 2 - At
ここで、
At 微小変化量 （ ）
X+ パス間時間を At大きくした場合について、 材質モデルにより計算し た材質制御ボイント到達時の材質
X- パス問時問を M小さくした場合について、 材質モデルにより計算し た材質制御ポイント到達時の材質
である <
[0048] 更に、冷却速度を補正修正する。この修正は、例えば次式により行う。
[0049] [数 14]
CAL CAL
Figure imgf000018_0003
ここで、
CAL 冷却速度設定値 （で/ s)
X CAL
材質モデルによる材質制御ボイン卜での材質の推定値
X AIM
材質目標値
影響係数
da ,
K3 ゲイン (-)
重み係数（-)
である。 なお、 ゲイン K3， 重み係数 w3は、 第 1の実施形態と同様に決める。
影響係数は次のように材質モデルを数値微分することにより得られる <
[0050] [数 15] SX \ X+ - X"
d j 2 · Δα
ここで、
Δα 微小変化量 (TC /s )
X+ 冷却速度を Δοί大きくした場合について' 材質モデルにより計算し^ 材質制御ボイント到達時の材質
X— 冷却速度を Δα小さくした場合について、 材質モデルにより計^した、 材質制御ポイント到達時の村質
である。
[0051] 以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサによ る素材又は中間製品の材質の測定値に基づいて、材質制御ポイントにおける材質が 目標値に一致するように加熱装置、加工装置及び冷却装置を制御することが可能と なる。
実施例 4
[0052] 図 4は、この発明の実施例 4の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びそ の装置を示すブロック図である。
設定計算手段 6、加熱コントローラ 7、加工コントローラ 8、冷却コントローラ 9、加熱 装置 2、加工装置 3及び冷却装置 3の作用は、この発明の前提となる従来のものと同 様である。また、実施例 3と同様に、入側材質基準値 が与えられる。
材質モデル 14は、実施例 1に示したものと同様であり、設定計算手段 6から加熱装 置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4の操業条件が与えられると、入側材質基準値 Υ
REFを基点として材質制御ポイントにおける材質推定値 xeALを計算する。
材料が材質センサ位置に到達する以前に、設定計算手段 6は、この発明の前提と なる従来のものと同様に加熱装置 2、加工装置 3、及び、冷却装置 4の設定値を決定 する。材料が材質センサ位置に到達し材質センサ位置の材質実測値 (以下、入側材 質測定値 Yactと記す)が得られると、これを、前記入側材質基準値 Y1^と比較する。 その比較結果に基づき、加熱補正手段、加工補正手段、及び、冷却補正手段は、設 定計算による加熱温度、各パス出側板厚、各パス圧延温度、及び、冷却速度などの 設定値に対して補正を加える。
加熱補正手段 11は、材質センサ 10の測定値に基づいて加熱温度を補正し、加熱 コントローラ 7に出力する。この補正は、例えば次式により行う。 [0053] [数 16]
(15)
Figure imgf000020_0001
pSET 補正後の加熱温度設定値 CC)
J、__ nCAL
l^ 捕正前の加熱温度設定値 （=設定計算値)
A xCT 材質センサの測定値
REF 材質目標値
影響係数 影響係数
ゲイン（-〉
Figure imgf000020_0002
重み係数 (-)
である。 なお， ゲイン Kい 重み係数 Wl、 影響係数 は、 第 1の実施形態と同様に决める 影轡係数^ は次のように材質モデル （後述） を数値微分することにより得られる,
[0054] [数 17]
Figure imgf000020_0003
ここで、
ΔΥ 材質センサ位置での材質 Υの微小変化量
Χ+ 加熱温度を ΔΥ大きくした場合について、 材質モデルにより計算した、 材質センサ位置到達時の材質
X— 加熱温度を ΔΥ小さくした場合について、 材質モデルにより計算した、 材質センサ位置到達時の材質
である。 この計算は実隙の操業条件 （材料温度など） に基づき使いオンラインで計算するこ とが望ましいが' ゲインを低めにすれば、 標準的な操業条件に基づき予めオフラインで計算 しておいた値を用いることも可能である。
[0055] 次に、加工補正手段 12は、材質センサ 10の測定値に基づいて加工装置 3の各パ スの変形量、各パスの変形速度、及び、各パスの加工間隔等の加工条件が適正に なるように、各パス出側板厚 hCAL、各パスの圧延速度 VeAI\又は、パス間待機時間 t CALを補正し、加工コントローラ 8に出力する。例えば、いずれかのパス間時間を補正 する場合には、次式により行う。
[0056] [数 18] , SET CAL
Figure imgf000021_0001
：で、
SET 補正後のパス間時間設定値（S RC )
，CAL 補正前のパス間時間設定値 （=設定計算値)
ACT 材質センサの測定値.
REF 材質目標値
\..
影響係数
影響係数
Figure imgf000021_0002
ゲイン（-）
重み係数（-)
，である。 ゲイン K2、 電み係数 w2、 影響係数 (^^は、 第 1の実施形態と同様に決める。 影響 係数 f^)は加熱補正手段の場合と同様に計算する。 更に、冷却補正手段 12は、材質センサ 10の測定値に基づいて例えば冷却速度を 補正し冷却コントローラ 9へ出力する。この補正は、例えば次式により行う。
[0058] [数 19]
Figure imgf000021_0003
ここで、
SET 補正後の冷却速度設定値 C/s) ,
CAL
補正前の冷却速度設定値 （=設定計算値)
ACT 材質センサの測定値
Y REF
材質目標値
影響係数
[ sY
影響係数
da
3 ゲイン (-)
w3 重み係数（）
である、 なお、 ゲイン K3、 重み係数 W3、 影響係数 (^^は、 第 1の実施形態と同様に決める
。 影響係数 は加熱埔正手段の場合と同様に計算する。
[0059] 以上述べたような構成とすることにより、製造ライン内に設置された材質センサによ る素材又は中間製品の材質の測定値に基づいて、材質制御ポイントの材質が目標 値に一致するように加熱装置、加工装置及び冷却装置を制御することが可能となる。 産業上の利用可能性 この発明の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法及びその装置は、特に、レ 一ザ超音波による結晶粒径センサと誘導加熱装置を用いた鉄鋼熱間圧延ラインの 材質制御に適用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加 ェ工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、所望の 寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサに より金属材料の材質を測定し、当該測定位置の材質が目標値に一致するように、前 記測定値に基づき前記材質センサより上流の少なくとも一つの工程の加熱条件、カロ ェ条件又は冷却条件に修正を加えることを特徴とする圧延、鍛造又は矯正ラインの 材質制御方法。
[2] 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加 ェ工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、所望の 寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサに より金属材料の材質を測定し、この測定値を、当該金属材料の加熱条件、加工条件 及び冷却条件の実績に基づき材質モデルにより計算した当該測定位置の材質の推 定値と比較し、この比較結果に基づいて前記材質モデルに修正を加え、以降は修正 後の材質モデルを用いて前記各工程の加熱条件、加工条件及び冷却条件を決定 することを特徴とする圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
[3] 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加 ェ工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、所望の 寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサに より金属材料の材質を測定し、前記材質センサより下流の任意位置に設けられた材 質管理ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記測定値に基づき前記 材質センサより下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件を 材質モデルを用いて計算することを特徴とする圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制 御方法。
[4] 金属材料を加熱する加熱工程と、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加 ェ工程と、金属材料を冷却する冷却工程とを各々少なくとも 1回ずつ実施し、所望の 寸法形状の金属製品を製造するにあたり、製造ライン内に設置された材質センサに より金属材料の材質を測定し、前記材質センサより下流の任意位置に設けられた材 質管理ポイントにおける材質が目標値に一致するように、前記測定値に基づき前記 材質センサより下流の少なくとも一つの工程の加熱条件、加工条件又は冷却条件に 修正を加えることを特徴とする圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
[5] 製造ラインは圧延機を用いる加工工程の直後に冷却水による冷却工程を備え、加 ェ工程と冷却工程の間及び冷却工程の出側の両方若しくはいずれか片方に材質セ ンサを配置することを特徴とする請求項 1一請求項 4のいずれかに記載の圧延ライン の材質制御方法。
[6] 材質センサは超音波送信手段、超音波受信手段及び信号処理手段を備え、金属 材料内における超音波の伝播特性に基づき材質を検出することを特徴とする請求項 1一請求項 5の 、ずれかに記載の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
[7] 材質センサで検出する材質は超音波伝播経路上の金属結晶の結晶粒径であるこ とを特徴とする請求項 6記載の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
[8] 超音波送信手段はパルスレーザ光を金属材料の表面に照射することにより超音波 を発生させることを特徴とする請求項 7記載の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御 方法。
[9] 超音波受信手段は金属材料の表面にレーザ光を照射し、その反射光と照射光の 位相差に基づいて金属材料表面の超音波振動を検出することを特徴とする請求項 7 記載の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
[10] 加熱工程では誘導加熱により材料を加熱するようにしたことを特徴とする請求項 1 一請求項 9の 、ずれかに記載の圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御方法。
[11] 金属材料は鉄系合金、アルミニウム系合金、銅系合金、又はチタン系合金の何れ かであることを特徴とする請求項 1一請求項 10のいずれかに記載の圧延、鍛造又は 矯正ラインの材質制御方法。
[12] 加熱工程では誘導加熱装置により鉄鋼材料を加熱するようにしたことを特徴とする 請求項 1一請求項 9のいずれかに記載の鉄鋼熱間圧延ラインの材質制御方法。
[13] 金属材料を加熱する加熱手段、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工 手段、及び、金属材料を冷却する冷却手段とを各々少なくとも 1つずつ備え、所望の 寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる 金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成等の情報に基づ いて、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力 する設定計算手段と、前記設定値に基づいて加熱装置、加工装置、及び、冷却装置 を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装 【こ^ o'lヽて、
製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質セン サの測定値が目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより上流側 の加熱手段、加工手段及び冷却手段に対して出力する設定値を補正する加熱補正 手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたことを特徴とする圧延、鍛造又は 矯正ラインの材質制御装置。
金属材料を加熱する加熱手段、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工 手段、及び、金属材料を冷却する冷却手段とを各々少なくとも 1つずつ備え、所望の 寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる 金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成等の情報に基づ いて、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力 する設定計算手段と、前記設定値に基づいて加熱装置、加工装置、及び、冷却装置 を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装 1 【こ^ o'lヽて、
製造ライン内に設置され、金属材料の材質を測定する材質センサと、当該金属材 料の加熱条件、加工条件及び冷却条件の実績に基づき材質モデルにより当該測定 位置の材質を推定する材質モデル演算手段と、前記材質センサの測定値と前記材 質モデル演算手段の演算結果を比較し材質モデルの誤差を学習する材質モデル学 習手段と、前記材質モデル学習手段の学習結果に基づき、前記材質モデル演算手 段の演算結果に補正を加え、前記材質モデルに補正を加える材質モデル補正手段 とを備え、前記設定計算手段は前記材質モデル補正手段の出力する修正後の材質 推定値に基づき、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を 計算し出力するようにしたことを特徴とする圧延、鍛造又は矯正ラインの材質制御装 置。 [15] 金属材料を加熱する加熱手段、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工 手段、及び、金属材料を冷却する冷却手段とを各々少なくとも 1つずつ備え、所望の 寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる 金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成等の情報に基づ いて、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力 する設定計算手段と、前記設定値に基づいて加熱装置、加工装置、及び、冷却装置 を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装 ¾【こ; i l /、て、
製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質セン サの測定値に基づき前記材質センサより下流の任意の位置に設けられた材質管理 ポイントにおける材質を材質モデルにより推定する材質モデル演算手段とを備え、前 記設定計算手段は、前記材質モデル演算手段の演算結果が上位計算機から与えら れる材質目標値に一致するように、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却 手段の設定値を計算し出力するようにしたことを特徴とする圧延、鍛造又は矯正ライ ンの材質制御装置。
[16] 金属材料を加熱する加熱手段、金属材料を圧延、鍛造若しくは矯正加工する加工 手段、及び、金属材料を冷却する冷却手段とを各々少なくとも 1つずつ備え、所望の 寸法形状の金属製品を製造する製造ラインに接続され、上位計算機から与えられる 金属材料の寸法形状、製品の目標寸法形状及び金属材料の組成等の情報に基づ いて、前記加熱手段、前記加工手段、及び、前記冷却手段の設定値を計算し出力 する設定計算手段と、前記設定値に基づいて加熱装置、加工装置、及び、冷却装置 を操作する加熱コントローラ、加工コントローラ及び冷却コントローラを備えた制御装 ¾【こ; i l /、て、
製造ライン内に設置され金属材料の材質を測定する材質センサと、前記材質セン サより下流の任意位置に設けられた材質管理ポイントにおける材質が上位計算機か ら与えられる目標値に一致するように、前記設定計算が前記材質センサより下流側 の加熱手段、加工手段及び冷却手段に対して出力する設定値を補正する加熱補正 手段、加工補正手段及び冷却補正手段とを備えたことを特徴とする圧延、鍛造又は 矯正ラインの材質制御装置。
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