JP4919857B2 - 圧延方向に板厚がテーパ状に変化する片面テーパ鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧延方向に板厚がテーパ状に変化する片面テーパ鋼板の製造方法に関する。

構造物の軽量化，材料費の低減，溶接工程の省略等の観点から、圧延方向で板厚がテーパ状に変化するように圧延された鋼板が要求されている。この種の鋼板の製造方法としては、例えば特許文献１において、平板圧延時のロールギャップと圧延荷重との関係及び予測圧延荷重に基づいて圧延方向に出側板厚をテーパ状に変化させるテーパ鋼板の板厚制御方法が提案されている。圧延においては鋼板の上下面に作用する圧延荷重が等しくなるため、この方法によって製造されるものは図１に示すような両面にほぼ等しいテーパ量を有するテーパ鋼板であり、図２に示すような片面がフラットなテーパ鋼板を製造することは困難である。しかし、テーパ鋼板として、他の部材との接合性の点等から片面がフラットなテーパ鋼板が要求される場合がある。

そこで、特許文献２では、同一寸法の両面テーパ鋼板を２枚重ね合わせて、ローラレベラを用いて矯正した後、剥離することにより片面がフラットで片面のみにテーパ部を有するテーパ鋼板の製造方法が提案されている。
特開昭５１−９７５６５号公報 特開平１１−１６９９５０号公報

特許文献２で提案されている方法により、座屈等の形状不良を生じにくい厚板の場合には片面テーパ鋼板の製造が可能である。しかし、冷延材等のように板厚が４ｍｍ以下と薄い場合には、両面テーパ鋼板の片側のテーパ部をローラレベラにより押しつぶす際に座屈等の形状不良を生じ易い。薄板の場合において、特に、段差が大きいほど座屈等の形状不良を生じ易くなり、段差量０.１ｍｍ以上のテーパ部を有する場合には、当該方法による片面テーパ鋼板の製造は困難である。また、当該方法では強力な圧下機構を有するローラレベラが必要となり、圧延工程のみによる片面テーパ鋼板の製造が望まれている。

一方、近年において、耐食性の観点から、亜鉛めっき鋼板やアルミめっき鋼板等のめっき鋼板の需要が増加している。テーパ鋼板においても、素材としてめっき鋼板が望まれる場合もある。しかし、前記特許文献１や特許文献２で提案されている方法により、めっき鋼板を圧延してテーパ鋼板を製造すると、鋼板の両面ともめっき層が損傷するため、健全なめっき層で覆われたテーパ鋼板を製造することは困難である。

また、通常の平板と異なりテーパ鋼板の場合は、連続成形後に溶融めっきライン等のめっきラインを通板することは、長手方向で板厚の異なる鋼板が通板ロールで繰り返し曲げを受けることになり、通板性や形状制御性の観点から困難である。更に、テーパ鋼板を切り板にしてめっき浴に浸すことにより健全なめっき層で覆われたテーパ鋼板を製造することは可能であるが、製造コストが高くなるという問題があり、営業生産においては困難である。従って、テーパ状めっき鋼板を高生産性で製造するため、めっき鋼板の圧延によるテーパ状めっき鋼板の製造が望まれている。

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、ローラレベラを必要とせずに、圧延工程のみで薄板かつ高段差の片面テーパ鋼板を板厚精度よく製造する方法を提供することを目的とする。
また、被圧延材がめっき鋼板であっても、片面が健全なめっき層で覆われているテーパ鋼板を圧延により板厚精度よく製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の片面テーパ鋼板の製造方法は、その目的を達成するため、必要に応じてめっき層を設けた２枚の同一寸法の板材を重ねて同時に圧延した後２枚の板材を分離する重ね板圧延を行う際、ロールギャップを圧延方向に連続的に変化させることにより重ね面がフラットとなるテーパ鋼板を製造するにおいて、重ね板圧延時に板幅，接触弧長，材料の変形抵抗，圧延機入出側のユニット張力及び圧下力関数からなる圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測するとともに、出側板厚が圧延長に従ってテーパ状に変化するように隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を変数とし、圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式に基づいてロールギャップを制御することを特徴とする。
重ね圧延は、圧延機とその前後に設置された２組のリールより構成される圧延設備を用いて連続的に行うことが好ましい。

圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式として、下記（１）式及び（２）式を用いる。
Ｓ₀＝ｈ₀−Ｐ₀ ^c／Ｍ （１）
Ｓ_i＝Ｓ₀−１／Ｍ・（Ｐ_i-1−Ｐ₀ ^c）−１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^c＋Δｈ_i （２）
ただし、Ｓ₀：基準位置におけるロールギャップ
ｈ₀：基準位置の目標板厚
Ｐ₀ ^c：基準位置の圧延荷重予測値
Ｍ：ミル剛性係数
Ｓ_i：サンプリング点のロールギャップ
Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^c：サンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値
Ｐ_i-1：サンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値
Δｈ_i：サンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差

本発明においては、２枚の同一寸法の板材を重ねて同時に圧延する重ね板圧延において、ロールギャップを圧延方向に連続的に変化させている。そのため、鋼板の重ね面がフラットとなり、圧延工程のみで薄板かつ高段差の場合にも片面テーパ鋼板の製造が可能となる。
重ね板圧延の際、圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測することにより圧延中の板厚制御を行っているのでロールギャップの変更精度を向上させることができ、従来技術と比較して高精度なテーパ部板厚精度を有する片面テーパ鋼板の製造が可能となる。
被圧延材としてめっき鋼板を用いれば、片面が健全なめっき層で覆われているテーパ鋼板を優れたテーパ部板厚精度で製造することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
本発明は、重ね板圧延の応用であり、図３に示すように、２枚の同一寸法の鋼板１，２を重ね合わせて圧延する際にロールギャップを圧延方向に連続的に変更・制御することにより鋼板１，２の重ね面３がフラットとなる片面テーパ鋼板を製造するものである。
すなわち、２枚の鋼板１，２が同一寸法であれば、基本的に圧延構成が上下対称となるため、その重ね面はフラットとなる。本方法によれば、特許文献２で提案されている方法のように、両面テーパ鋼板の片側のテーパ部をローラレベラにより押しつぶす必要がないため、薄板かつ高段差の場合にも座屈等の形状不良を生じずに片面テーパ鋼板の製造が可能となる。

テーパ鋼板を連続成形する際には、図４に示すように、圧延機４とその前後に設置された２組のリール５，６，７，８より構成される重ね板圧延設備９を用い、圧延機４の前に設置されたリール５，６からコイル状の鋼板１，２を払い出し、圧延機４による重ね板圧延後に圧延機４の後に設置されたリール７，８で巻き取る。

次に、本発明者らは、テーパ鋼板の圧延において、圧延荷重の予測誤差量が小さくなり、薄板かつ高段差で高精度なテーパ部板厚精度を有するテーパ鋼板の製造が可能な方法を種々調査検討した。その結果、圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測することにより、高段差のテーパ鋼板の圧延におけるテーパ部板厚精度が向上し、厳しい板厚精度が要求される薄板かつ高段差のテーパ鋼板の製造が可能となることを見出した。そして、その手法を重ね板圧延に適用することにより、薄板かつ高段差の片面テーパ鋼板を製造することができたものである。

また、本発明者らは、めっき鋼板を圧延してテーパ鋼板を製造する際にめっき層が損傷せずに健全なめっき層で覆われたテーパ鋼板が得られるような圧延方法について種々調査検討した。その結果、めっき層の損傷が圧延により引き伸ばされることよりも、むしろ圧延ロールとの摩擦によるせん断変形によって生じていることが判明した。そして、２枚のめっき鋼板を重ね合わせて圧延すれば、圧延ロールと接触する面はめっき層が大きく損傷するが、重ね面は圧延ロールとの摩擦によるせん断変形を受けないため、めっき層の損傷が少なくなることを見出した。さらに、重ね板圧延において同一寸法のめっき鋼板を用いれば、圧延構成が上下対称となり、板間のすべりが抑制されるため、重ね面におけるめっき層の損傷が最も少なくなり、片面が健全なめっき層で覆われた鋼板が得られることを見出した。

したがって、図３に示すように、２枚の同一寸法のめっき鋼板１，２を重ね合わせて圧延する際にロールギャップを圧延方向に連続的に制御することにより、めっき鋼板１，２の重ね面３がフラットとなるとともに健全なめっき層で覆われているテーパ状めっき鋼板が得られる。本テーパ状めっき鋼板は両面とも耐食性が要求される用途には使用できないが、片面だけ耐食性が要求される用途には有効である。

以下に、本発明の実施の形態について、テーパ鋼板を製造する際の圧延における制御式に基づいて詳しく説明する。なお、板厚制御に関しては、重ね面がフラットで他面にテーパが付された２枚の鋼板を重ねると１枚のテーパ鋼板の板厚制御と同じと考えられるので、以下は１枚のテーパ鋼板と考えたときの制御方法を説明する。
また、前記したとおり、重ね板圧延の際の被圧延材として同一寸法のめっき鋼板を用いれば、圧延構成が上下対称となり、板間のすべりが抑制されるため重ね面におけるめっき層の圧延荷重に及ぼす影響が小さくなるので、めっき層を有する板材を重ね板圧延するときも同様に板厚制御を行うことができる。

基準位置である先端の目標板厚をｈ_０、基準位置の圧延荷重予測値をＰ_０ ^Ｃ、ミル剛性係数をＭとして、基準位置におけるロールギャップＳ₀を（１）式で設定する。
Ｓ₀＝ｈ₀−Ｐ₀ ^c／Ｍ （１）
そして、制御の各サンプリング点のロールギャップＳ_iを（２）式で補正する。
Ｓ_i＝Ｓ₀−１／Ｍ・（Ｐ_i-1−Ｐ₀ ^c）−１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^c＋Δｈ_i （２）
ここで、Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^cはそれぞれ制御しようとしているサンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値、Ｐ_i-1は制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値、Δｈ_iは制御しようとしているサンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差である。

なお、従来行われている板厚制御方法はいずれも（２）式における第３項である１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^cが考慮されておらず、本発明を構成する（２）式はこの第３項により隣接する制御のサンプリング点であるｉ点とｉ−１点との圧延荷重差予測値に基づいてロールギャップ設定値を補正しているところに特徴がある。すなわち、従来技術の方法では、制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値に基づいて板厚制御することになり、制御しようとしているサンプリング点とその１つ前のサンプリング点の圧延荷重差分が板厚制御において誤差要因になりうるのに対して、本発明ではこの圧延荷重差分が板厚制御式の中で考慮されている。

また、（１）式及び（２）式中の各圧延荷重Ｐ₀ ^c，Ｐ_i-1 ^c，Ｐ_i ^cの計算においては、Bland ＆ Fordの式，Hillの式等の圧延荷重式を用いる。例えば、Hillの圧延荷重式を用いて圧延荷重を計算する場合には、（３）〜（８）式で表される。
Ｐ＝ｂ・Ｌ・（ｋ−(σｂ＋σｆ)／２）・ｆｐ （３）
Ｌ＝√（Ｒ’・(Ｈ−ｈ)） （４）
ｆｐ＝1.08＋1.79・μ・ｒ・√（１-ｒ）・√（Ｒ’／ｈ）−1.02・ｒ （５）
ｒ＝(Ｈ−ｈ)／Ｈ （６）
Ｒ’＝Ｒ・（１＋Ｃ・Ｐ／(Ｈ-ｈ)） （７）
Ｃ＝１６・（１−ν^２）／（π・Ｅ） （８）
ここで、Ｐは圧延荷重、ｂは板幅、Ｈ，ｈは圧延機入側及び出側板厚、ｒは圧下率、Ｒ，Ｒ’はロール半径及び扁平ロール半径、ｋは材料の変形抵抗、σｂ，σｆは圧延機入側及び出側のユニット張力、μは摩擦係数、Ｅはヤング率、νはポアソン比、Ｌは接触弧長、ｆｐは圧下力関数である。

なお、従来行われている板厚制御方法はいずれも、圧延荷重式から得られる圧延荷重予測値を直接用いるのではなく、圧延荷重を板厚で線形近似した塑性係数Ｑ_ｉを用いているため、圧延荷重と板厚の関係における線形からのずれ分が板厚制御において誤差要因になりうるが、本発明では直接圧延荷重式により圧延荷重を算出しているので、圧延荷重の予測誤差量が小さくなる。

図５はテーパ鋼板を製造する際に、（１）〜（８）式に基づいてテーパ鋼板の板厚制御方法を実施するための制御系を示すブロック図である。図中１１は圧延機、１２はワークロール、１３は圧下装置、１４は圧下位置検出器、１５は圧延荷重計、１６はワークロール１２の回転数に応じてパルスを出力するパルス発生器、１７は板厚計、１８は被圧延材を示している。圧延中に圧下位置検出器１４により圧下位置を、圧延荷重計１５により圧延荷重を、さらにパルス発生器１６によりロール周速を検出し、これらの検出結果に基づいて圧下装置１３によりロールギャップを調節する。

１９は圧延条件入力器、２０は目標板厚差設定器、２１は圧延荷重予測器、２２はロールギャップ設定器、２３はロールギャップ位置制御系を示す。目標板厚差設定器２０は、パルス発生器１６から取り込んだパルス数より得られる被圧延材１８の圧延長に基づき、制御しようとしているサンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差Δｈ_ｉを算出し、これを圧延荷重予測器２１及びロールギャップ設定器２２へ入力する。なお、被圧延材１８の圧延長はパルス数から得られるロール周速に基づき、先進率予測式を用いて板速度を算出することにより得られる。
圧延荷重予測器２１は、目標板厚差設定器２０から入力された被圧延材１８の目標出側板厚差Δｈ_ｉと圧延条件入力器９に入力された圧延条件に基づき、Bland ＆ Fordの式，Hillの式等の圧延荷重式により制御しようとしているサンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^cを算出し、これをロールギャップ設定器２２へ入力する。

ロールギャップ設定器２２は、基準位置である先端の目標板厚ｈ₀、圧延荷重予測器２１から入力された基準位置の圧延荷重予測値Ｐ₀ ^cに基づき、前述の（１）式を用いて基準位置におけるロールギャップＳ₀を算出し、これをロールギャップ位置制御系２３に入力する。
また、ロールギャップ設定器２２では、基準位置におけるロールギャップＳ₀、基準位置の圧延荷重予測値Ｐ₀ ^c、目標板厚差設定器２０から入力された被圧延材１８の目標出側板厚差Δｈ_i、圧延荷重予測器２１から入力された圧延荷重予測値Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^c及び制御しようとしているサンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値Ｐ_i-1に基づき、前述の（２）式を用いて各サンプリング点のロールギャップＳ_iを算出し、これをロールギャップ位置制御系２３に入力する。

実施例１：
以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説明する。
図４に示すような重ね板圧延設備９において、図５に示した制御系を用いて、重ね圧延した。板厚１.８ｍｍ，板幅２５０ｍｍのコイル状の普通鋼鋼板１，２をそれぞれリール５，６から払い出し、圧延機４により重ね板圧延を行った。目標とする片面テーパ形状は図６に示す薄肉部板厚１.０ｍｍ，厚肉部板厚１.５ｍｍ，薄肉部長さ１００ｍｍ，テーパ部長さ３００ｍｍ，厚肉部長さ２００ｍｍの形状とし、全長１０００ｍｍの片面テーパ形状に繰り返し圧延し、片面テーパ鋼板１，２を連続成形した。そして、圧延後の片面テーパ鋼板１，２をリール７，８で巻き取った。
なお、重ね板圧延においては、圧延荷重Ｐを２枚の鋼板の板厚合計値に等しい板厚を有する単板の圧延荷重に置き換え、Hillの式により算出した。また、板厚制御におけるサンプリングタイムについては、圧延長２０ｍｍ間隔で制御を行うようにした。

圧延後の片面テーパ鋼板１，２の板厚を測定した結果、目標に対する平均偏差が２０μｍ、最大偏差が４０μｍとほぼ目標通りの片面テーパ鋼板を連続成形することができた。

実施例２：
被圧延材として層厚約２５μｍのめっき層を有する板厚２.０ｍｍ，板幅２５０ｍｍのコイル状の普通鋼亜鉛めっき鋼板を用い、目標とする片面テーパ形状を図６に示す薄肉部板厚１.２ｍｍ，厚肉部板厚１.７ｍｍ，薄肉部長さ１００ｍｍ，テーパ部長さ３００ｍｍ，厚肉部長さ２００ｍｍの形状とし、全長１０００ｍｍの片面テーパ形状に、実施例１と同様の方法で繰り返し圧延し、テーパ状亜鉛めっき鋼板１，２を製造した。
圧延後のテーパ状亜鉛めっき鋼板１，２の板厚を測定した結果、目標値に対する平均偏差が２５μｍ，最大偏差が４５μｍとほぼ目標通りの片面テーパ形状が得られた。そして、めっき層を調査した結果、圧延ロールと接触していた面はめっき層が大きく損傷していたが、重ね面はめっき層の損傷が少なく、厚みが約１５μｍの健全なめっき層で覆われていた。

両面テーパ鋼板の形状の一例 片面テーパ鋼板の形状の一例 重ね板圧延による片面テーパ鋼板の製造の模式図 実施例で使用した重ね板圧延設備の概略図 本発明のテーパ鋼板の製造における板厚制御方法の制御系を示すブロック図 実施例で製造した片面テーパ鋼板の形状

符号の説明

１，２：鋼板 ３：２枚の鋼板の重ね面 ４：圧延機
５，６：圧延機の前に設置されたリール
７，８：圧延機の後に設置されたリール
９：重ね板圧延設備 １０：パルス発生器
１１：圧延機 １２：ワークロール
１３：圧下装置 １４：圧下位置検出器
１５：圧延荷重計 １６：パルス発生器
１７：板厚計 １８：被圧延材
１９：圧延条件入力器 ２０：目標板厚差設定器
２１：圧延荷重予測器 ２２：ロールギャップ設定器
２３：ロールギャップ位置制御系

Claims (4)

1. ２枚の同一寸法の板材を重ねて同時に圧延した後２枚の板材を分離する重ね板圧延を行う際、ロールギャップを圧延方向に連続的に変化させることにより重ね面がフラットとなるテーパ鋼板を製造するにおいて、重ね板圧延時に板幅，接触弧長，材料の変形抵抗，圧延機入出側のユニット張力及び圧下力関数からなる圧延荷重式から隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を予測するとともに、出側板厚が圧延長に従ってテーパ状に変化するように隣接する制御のサンプリング点間の圧延荷重差を変数とし、圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式に基づいてロールギャップを制御することを特徴とする圧延方向に板厚がテーパ状に変化する片面テーパ鋼板の製造方法。
2. 圧延荷重，ロールギャップ及び鋼板の板厚の間に成り立つ関係式として下記（１）式及び（２）式を用いる請求項１に記載の圧延方向に板厚がテーパ状に変化する片面テーパ鋼板の製造方法。
   Ｓ₀＝ｈ₀−Ｐ₀ ^c／Ｍ （１）
   Ｓ_i＝Ｓ₀−１／Ｍ・（Ｐ_i-1−Ｐ₀ ^c）−１／Ｍ・（Ｐ_i ^c−Ｐ_i-1 ^c）・Ｐ_i-1／Ｐ_i-1 ^c＋Δｈ_i （２）
   ただし、Ｓ₀：基準位置におけるロールギャップ
   ｈ₀：基準位置の目標板厚
   Ｐ₀ ^c：基準位置の圧延荷重予測値
   Ｍ：ミル剛性係数
   Ｓ_i：サンプリング点のロールギャップ
   Ｐ_i ^c，Ｐ_i-1 ^c：サンプリング点と１つ前のサンプリング点の圧延荷重予測値
   Ｐ_i-1：サンプリング点の１つ前のサンプリング点の圧延荷重測定値
   Δｈ_i：サンプリング点の基準位置に対する目標出側板厚差
3. 圧延機とその前後に設置された２組のリールより構成される圧延設備を用いてテーパ鋼板を連続成形する請求項１又は２に記載の圧延方向に板厚がテーパ状に変化する片面テーパ鋼板の製造方法。
4. ２枚の板材がいずれもめっき鋼板である請求項１〜３のいずれかに記載の圧延方向に板厚がテーパ状に変化する片面テーパ鋼板の製造方法。