(57)【要約】【課題】実際の圧延工程において生じる複雑な形状を有する圧延材の表面疵の発生状況及び／又は進展状況を、短い計算時間で解析することができる圧延材の表面疵解析方法を提供する。【解決手段】本発明の圧延材の表面疵解析方法は、圧延工程にて圧延材Ｗの表面に発生する表面疵Ｚを解析する圧延材Ｗの表面疵解析方法において、圧延材Ｗの変形をシミュレーション可能なグローバルモデル１０を構築すると共に、当該グローバルモデル１０を用いて圧延材Ｗの変形量ならびに表面疵Ｚの発生状況を算出し、その表面疵Ｚに対応する部分の分割メッシュをグローバルモデル１０の分割メッシュより細分化したサブモデル１１を構築し、サブモデル１１に対してグローバルモデル１０より算出された圧延材Ｗの変形量を強制変位として付与すると共に、当該サブモデル１１を用いたシミュレーションを進めることで圧延材Ｗの表面疵Ｚの発生状況及び／又は進展状況を解析する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延工程にて圧延材の表面に発生する表面疵を解析する圧延材の表面疵解析方法において、
前記圧延材の変形をシミュレーション可能なグローバルモデルを構築すると共に、当該グローバルモデルを用いて、前記圧延材の変形量ならびに表面疵の発生状況を算出し、
発生した表面疵に対応する部分の分割メッシュを、前記グローバルモデルの分割メッシュより細分化したサブモデルを構築し、
前記サブモデルに対して、前記グローバルモデルより算出された圧延材の変形量を強制変位として付与すると共に、当該サブモデルを用いたシミュレーションを進めることで、前記圧延材の表面疵の発生状況及び／又は進展状況を解析することを特徴とする圧延材の表面疵解析方法。
【請求項２】
前記グローバルモデル及びサブモデルは、有限要素法の手法により構築されたモデルであることを特徴とする請求項１に記載の圧延材の表面疵解析方法。
【請求項３】
実際の圧延工程において圧延材の表面に疵が発生した際には、
請求項１又は２に記載の表面疵解析方法を用いて、発生した表面疵を解析すると共に、解析された表面疵のうち、圧延されて最終製品となった際に残存する表面疵を特定し、
前記特定された表面疵を圧延材から除去すると共に、表面疵の再発を防ぐために前記圧延工程での圧延条件を変更する
ことを特徴とする圧延材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短い計算時間で圧延材の表面の疵を解析できる圧延材の表面疵解析方法、及びこの表面疵解析方法を用いて表面疵を解析しつつ圧延材の圧延・製造を行う圧延材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビレットなどの鋳片より、線材や棒鋼などの条鋼、及び厚板などの圧延材を製造するに際しては、上流側より順に、加熱炉、粗圧延機、仕上圧延機が配置されている条鋼圧延設備が用いられる。条鋼圧延設備では、粗圧延機と仕上圧延機の間に、中間圧延機は配置されることも一般的である。
このような条鋼圧延設備（条鋼圧延ライン）では、条鋼の元材である鋳片は、圧下面と自由面が交互に入れ替わりながら鋳片の周方向から圧延され、目標の断面形状を有する製品となる。
【０００３】
ところで、このような方法で圧延された圧延材には、その外周面に表面疵（圧延工程で生じたワレ、しわ疵など）などの微小な欠陥が生じることがある。圧延材の表面に疵などの微細な欠陥が生じると、製品としての品質を低下させるばかりでなく、圧延材の製造工程において、その表面疵に応力が集中すると共に、破断の起点となり圧延材が破断してしまう虞がある。圧延材の破断が発生した場合、圧延工程を止めてしまう原因となり、多大な損失を被ることになる。このようなことから、表面疵を有した圧延材は、製品として出荷することができない。
【０００４】
そこで、表面疵を有さない圧延材を確実に製造し良品として出荷するために、圧延材の変形量をコンピュータシミュレーションで算出して、圧延材の表面疵の解析を行う技術が開発されている。この解析技術を用いて、表面疵の発生を事前に予測したり、重大な欠陥と成り得る表面疵を探索し、事前に除去したりすることが可能となる。
圧延材の表面疵の解析技術としては、非特許文献１に開示された技術がある。
【０００５】
非特許文献１は、圧延材の表面に圧延方向に平行に存在する疵を数値解析を用いて表面疵の変形過程を解析して圧延材の表面疵の発生原因を推定し、推定したもの（圧延前の疵）と圧延材の表面疵とを関連づける技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「板圧延における圧延方向に平行な表面疵の変形過程の解析」、名古屋大学、湯川伸樹・吉田佳典・石川孝司ら、鉄と鋼,Vol.92，No.11，2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に開示されている技術を用いて、実際の圧延工程に適用しようとすると、以下の問題が生じる虞がある。
非特許文献１に開示されている実験方法によれば、厚さ１０ｍｍ，幅５７ｍｍ，長さ９０ｍｍの純アルミニウムＡ１０５０−Ｏ材といった小さな試験片の表面に断面形状（例えば、断面が矩形やＶ字の疵）と長さとが一定の疵を付与して、疵が付与された試験片をメッシュ分割してモデルを構築し、表面疵の解析を行っている。
【０００８】
ところが、実際の圧延工程においては、圧延材の表面疵は複雑な断面形状を有するものであり、且つ非直線的に形成されるものである。このような複雑な形状を有する表面疵を解析するにあたっては、非特許文献１の技術を用いて解析することは困難であると思われる。例えば、非特許文献１のＦｉｇ２（ａ）に示すように、断面視で左右対称の矩形状の表面疵の変形過程の解析が行われているが、実際の圧延工程にて生じる圧延材の表面疵は断面視で左右対称の表面疵に形成されるとは限らない。
【０００９】
すなわち、非特許文献１の技術は、決められた形状の表面疵の解析に適しているのであって、実際の圧延工程で発生するさまざまな形状を有する圧延材の表面疵の解析に適用するには疑問が残る。
また仮に、非特許文献１の技術を用いて、実際の圧延工程で発生する複雑な形状の表面疵の解析を行ったとしても、モデルの計算に多大な時間がかかり、実際の圧延工程で用いるには適していないと言わざるを得ない。
【００１０】
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、実際の圧延工程において生じる複雑な形状を有する圧延材の表面疵の発生状況及び／又は進展状況を、短い計算時間で解析することができる圧延材の表面疵解析方法を提供することを目的とする。加えて、この表面疵解析方法を用いて表面疵を解析しつつ、表面疵のない圧延材製造を行う圧延材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る圧延材の表面疵解析方法は、圧延工程にて圧延材の表面に発生する表面疵を解析する圧延材の表面疵解析方法において、前記圧延材の変形をシミュレーション可能なグローバルモデルを構築すると共に、当該グローバルモデルを用いて、前記圧延材の変形量ならびに表面疵の発生状況を算出し、発生した表面疵に対応する部分の分割メッシュを、前記グローバルモデルの分割メッシュより細分化したサブモデルを構築し、前記サブモデルに対して、前記グローバルモデルより算出された圧延材の変形量を強制変位として付与すると共に、当該サブモデルを用いたシミュレーションを進めることで、前記圧延材の表面疵の発生状況及び／又は進展状況を解析することを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記グローバルモデル及びサブモデルは、有限要素法の手法により構築されたモデルであるとよい。
本発明に係る圧延材の製造方法は、実際の圧延工程において圧延材の表面に疵が発生した際には、本発明に係る表面疵解析方法を用いて、発生した表面疵を解析すると共に、解析された表面疵のうち、圧延されて最終製品となった際に残存する表面疵を特定し、前記特定された表面疵を圧延材から除去すると共に、表面疵の再発を防ぐために前記圧延工程での圧延条件を変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧延材の表面疵解析方法によれば、実際の圧延工程において生じる複雑な形状を有する圧延材の表面疵の発生状況及び／又は進展状況を、短い計算時間で解析することができる。加えて、本発明の圧延材の表面疵解析方法を用いて表面疵を解析しつつ、表面疵のない圧延材製造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の圧延材の表面疵解析方法が適用される圧延設備の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る圧延材の表面疵解析方法で用いられるグローバルモデルの一例を示した図である。
【図３】（ａ）及び（ｄ）はグローバルモデルにより算出された圧延材の状況を示した図であり、（ｂ）及び（ｅ）はグローバルモデルにより算出された表面疵周辺の状況を拡大して示した図であり、（ｃ）及び（ｆ）はサブモデルにより算出された圧延材の表面疵の形状を示した図である。
【図４】サブモデルを用いて表面疵の進展を計算した結果の一例である。
【図５】本発明に係る圧延材の製造方法を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る圧延材の表面疵解析方法及び圧延材Ｗの製造方法について、図を基に説明する。
まず、本発明の圧延材の表面疵解析方法及び圧延材Ｗの製造方法の詳細を述べる前に、本発明の技術が適用される圧延設備１の概略について、説明する。本実施形態では、線材や棒鋼などの条鋼Ｗを製造する圧延設備１を例に挙げて説明する。なお、本発明に係る圧延材の表面疵解析方法に関しては、厚鋼板や薄鋼板を製造する圧延設備に適用してもよい。
【００１６】
図１の左側を圧延設備１を説明する際の上流側とし、図１の右側を下流側とする。また
、上流側から下流側に向かう方向を圧延方向とする。
図１に示すように、条鋼Ｗを製造する圧延設備１は、鋳片Ｘ（ビレット）をこの鋳片Ｘより断面積が小さな元材Ｘに圧延する分塊圧延工程と、分塊圧延工程で圧延された元材Ｘをさらに圧延して条鋼Ｗ（圧延材）を製造する線材圧延工程とを有している。
【００１７】
分塊圧延工程は、加熱炉２で鋳片Ｘを加熱し、加熱された鋳片Ｘを圧延機３（例えば、リバース圧延機）で圧延して所定の形状に成形して、成形された鋳片Ｘを連続圧延機４で線材圧延工程の元材Ｘの形状になるまで圧延するものである。なお、本実施形態の連続圧延機４は、圧延ロール７の軸心が上下方向に向くように配置されたＶ型の圧延スタンド４Ａと、圧延ロール７の軸心が水平方向に向くように配置されたＨ型の圧延スタンド４Ｂと、が交互に配備されている。
【００１８】
線材圧延工程は、角孔型、菱孔型、丸孔型、オーバル孔型などのカリバ（孔型）を有するロール７を複数組備えた粗圧延機５やその下流側に備えられた中間圧延機（図示せず）及び仕上圧延機６を用いて、分塊圧延工程で圧延された元材Ｘを線材や棒鋼などの条鋼Ｗに圧延するものである。
上記した条鋼圧延設備１では、鋳片Ｘは、加熱炉２で１０００〜１２００℃程度に加熱され、その加熱された鋳片Ｘはデスケーラ（鋳片Ｘの表面からサブスケールを除去する装置、図示せず）などに送られた後、リバース圧延機３に送られる。
【００１９】
リバース圧延機３に送られた鋳片Ｘは、通板方向を正逆反転しながら複数回に亘って圧延されて、所定の縦寸法と横寸法とを有するものに成形される。そして、下流側に配備された連続圧延機４に送られる。連続圧延機４に送られた鋳片Ｘは、圧延荷重を水平に加えられた後、垂直に加えられるといったように圧延荷重の作用方向が切り換えられながら徐々に線材圧延工程の元材Ｘの形状になるまで圧延される。
【００２０】
そして、分塊圧延工程を終えた元材Ｘは、線材圧延工程の粗圧延機５に送られる。元材Ｘは、粗圧延機５で、断面形状が楕円形状や角が丸められた正三角形状になるように圧延されて、仕上圧延機６に送られる。元材Ｘは、仕上圧延機６で断面形状が楕円形状等から最終的に目標とする形状（例えば、丸形状）に圧延される。
このような圧延方法で条鋼Ｗが製造されているときに、圧延工程における圧延ロール７と鋳片Ｘとの間に異物が侵入することや、圧延ロール７に存在する疵Ｚが鋳片Ｘに転写されることなどの原因によって、圧延材Ｗの表面に微細な疵Ｚが発生することがある。例えば、１５０ｍｍ角ビレットの断面形状に対して、ビレット高さのおよそ０．０２％の深さで、且つこのビレット幅のおよそ０．０１％の幅の微細な表面疵Ｚが発生することがある。
【００２１】
そこで、本発明の圧延材の表面疵解析方法を用いて、圧延工程にて圧延材Ｗの表面に発生する表面疵Ｚの解析を行う。
本発明の圧延材の表面疵解析方法は、圧延材Ｗの変形をシミュレーション可能であって且つ粗い分割メッシュを有するグローバルモデル１０を構築すると共に、当該グローバルモデル１０を用いて、圧延材Ｗの変形量ならびに表面疵Ｚの発生状況を算出し、発生した表面疵Ｚに対応する部分の分割メッシュを、グローバルモデル１０の分割メッシュより細分化したサブモデル１１を構築し、そのサブモデル１１に対して、グローバルモデル１０より算出された圧延材Ｗの変形量を強制変位（初期変位、言い換えれば初期条件）として付与すると共に、当該サブモデル１１を用いたシミュレーションを進めることで、圧延材Ｗの表面疵Ｚの発生状況及び／又は進展状況を解析するものである。
【００２２】
ここで、圧延材Ｗの表面疵解析方法で用いられるグローバルモデル１０について、説明する。
図２に示すように、グローバルモデル１０は、圧延材Ｗの変化量、圧延材Ｗの表面疵Ｚの状況、及び圧延ロール７に付与される圧延荷重をコンピュータ等でシミュレーション可能するために、圧延材Ｗ及び圧延ロール７の全体構造を粗いメッシュに分割して、近似的に作成した有限要素法モデル（ＦＥＭモデル）である。
【００２３】
本発明の圧延材の表面疵解析方法を用いて圧延材Ｗの表面疵Ｚを解析するにあたっては、表１に示す条件で行った。
【００２４】
【表１】
2014223645.tif 000003
【００２５】
すなわち、圧延材Ｗの表面疵解析方法を用いて圧延材Ｗ及び圧延ロール７の構造をコンピュータ等に取り込んで、粗いメッシュ（例えば、１／４モデルで１００００要素以下程度）で分割してグローバルモデル１０をそれぞれ構築する。そして、構築したグローバルモデル１０を用いてシミュレーション計算する。
図３（ａ）、（ｂ）には、グローバルモデル１０によるシミュレーション計算の結果が示されている。一方、図３（ｄ）、（ｅ）には、圧延を進めていった結果、圧延材Ｗが変形した結果が示されている。これらから解るように、圧延が進むにつれ、圧延材Ｗの変形が進むと共に、圧延材Ｗの右上角（言い換えれば、圧延ロール７の曲率が大きい部分に対応する箇所）に、表面疵Ｚが発生していることがわかる。
【００２６】
グローバルモデル１０により算出された圧延ロール７の圧延荷重による圧延材Ｗの変化量、及び圧延材Ｗの表面疵Ｚの状況は、後ほど構築されるサブモデル１１に用いるために、コンピュータの記憶部に記憶させておく。なお、グローバルモデル１０を用いてシミュレーション計算し、その計算結果を解析することを本明細書では「グローバルモデル解析」と呼ぶこともある。
【００２７】
図３（ａ）、（ｂ）ならびに図３（ｄ）、（ｅ）から明らかなように、グローバルモデル解析では、圧延材Ｗの表面疵Ｚの状況は算出されるが、疵形状の特定までは至っていない。
そこで、本発明の圧延材の表面疵解析方法の特徴である、圧延材Ｗの表面疵Ｚ周辺のサブモデル１１を構築し、そのサブモデル１１を用いてシミュレーション計算し、その計算結果を解析して圧延材Ｗの表面疵Ｚの形状を特定する。係る一連の処理を「サブモデル解析」と呼ぶこともある。
【００２８】
図３（ｃ）に示すように、上述したグローバルモデル解析で圧延材Ｗの表面疵Ｚの部分が算出された後、圧延材Ｗの表面疵Ｚ周辺をグローバルモデル１０のメッシュより細かいメッシュ（例えば、グローバルモデル１０の１要素（８接点で囲まれた立方体）を５０００〜１００００要素程度に細分化）に分割してサブモデル１１を構築する。そして、構築したサブモデル１１を用いてシミュレーション計算し、その計算結果を解析して、圧延材Ｗの表面疵Ｚの形状を認識する。
【００２９】
なお、サブモデル１１をシミュレーション計算する際の初期条件（強制変位）をグローバルモデル１０より算出された圧延材Ｗの変形量とし、サブモデル１１をシミュレーション計算する際の境界条件もグローバルモデル１０の解析結果を用いることとする。
図３（ｆ）には、圧延を進めていった結果（サブモデル１１の結果）が示されている。この図から明らかなように圧延材Ｗが変形すると共に、表面疵Ｚが進展する様子（この場合は、表面疵Ｚが潰れていく様子）した結果が示されている。
【００３０】
ここで、本発明の圧延材の表面疵解析方法で構築されるサブモデル１１について、説明する。
図４に示すように、サブモデル１１は、グローバルモデル解析で算出された圧延材Ｗの表面疵Ｚの状況などの局所的に変形した部分を抽出して、その部分の分割メッシュをさら
に細分化し、圧延材Ｗの表面疵Ｚの形状を実際の表面疵Ｚと同じように作成した数値モデルである。
【００３１】
なお、図４（ａ）は、鋳片Ｘの表面に発生した疵Ｚの形状の計算結果であり、図４（ｂ）は、圧延材Ｗの表面に発生した疵Ｚが進展してゆく（大きくなってゆく）ことを示した、サブモデル１１による計算結果である。
上述した圧延材Ｗのグローバルモデル１０、及び圧延材Ｗのサブモデル１１は、有限要素法の手法により構築され、圧延材Ｗの表面疵Ｚの発生状況及び／又は進展状況を解析する際に用いられる。
【００３２】
以上より、実際の圧延工程において生じる複雑な形状を有する圧延材Ｗの表面疵Ｚの発生状況及び／又は進展状況を、短い計算時間で解析することができる。また、本発明の圧延材の表面疵解析方法を用いることで、圧延材Ｗのグローバルモデル１０の大きさに依らずに、圧延材Ｗの表面疵Ｚの解析をすることができるようになる。
次に、本発明に係る圧延材の製造方法について、図５を基に説明する。
【００３３】
図５に示す如く、本発明の圧延材の製造方法は、操業中の圧延工程において圧延材Ｗの表面に疵Ｚが発生したときに、上述した圧延材の表面疵解析方法を用いて圧延材Ｗの表面疵Ｚを解析し、圧延材Ｗが圧延されて最終製品となった際に残存する表面疵Ｚを特定し、特定した表面疵Ｚを操業中の圧延工程に反映して、実際に発生している表面疵Ｚを除去したり、表面疵Ｚの再発を防ぐために圧延工程での圧延条件を変更したりするものである。すなわち、数値モデルの結果を直ちに圧延工程に反映させる技術であり、シミュレーション技術と圧延技術とを協働させて実施するものである。
【００３４】
具体的には、まず、図５のステップＳ−１では、実際の圧延工程において、最終製品とされる圧延材Ｗの表面に疵Ｚが発生したと確認されたとする。
ステップＳ−２では、本発明の圧延材の表面疵解析方法を用いて、元材Ｘ（ビレット）に表面疵Ｚが存在した際に、最終製品とされる圧延材Ｗまで、ビレット時の表面疵Ｚが存在するか否かを計算する。このシミュレーション計算には、本発明のサブモデル解析の手法を用いる
ステップＳ−３では、サブモデル解析の結果を基に、元材Ｘの表面疵Ｚのうち、圧延されて最終製品となった際に残存する表面疵Ｚを特定する。
【００３５】
ステップＳ−４では、ステップＳ−３で特定された表面疵Ｚを圧延材Ｗからグラインダなどで除去する。そして、表面疵Ｚの再発を防ぐために、圧延工程での圧延条件（例えば、分塊圧延条件など）を変更する。
このようにすることで、表面に疵Ｚのない圧延材Ｗを製造することができる。
以上述べたように、本発明の圧延材の表面疵解析方法は、圧延材Ｗを粗いメッシュに分割したグローバルモデル１０を計算して、その後に、圧延材Ｗの表面疵Ｚ周辺の局所部分のメッシュを細分化したサブモデル１１を計算してその結果を解析することで、シミュレーション計算の計算量が少なくなり、短い時間で複雑な形状を有する圧延材Ｗの表面疵Ｚの発生状況及び／又は進展状況を解析することができる。
【００３６】
また、本発明の圧延材の製造方法は、圧延材Ｗの表面疵解析方法で得られた圧延材Ｗの表面疵Ｚの発生状況及び／又は進展状況を、操業中の圧延工程にすぐに反映することで、圧延材Ｗの製造を円滑に進めることができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００３７】
１  圧延設備
２  加熱炉
３  圧延機（リバース圧延機）
４  連続圧延機
４ａ  Ｖ型の圧延スタンド
４ｂ  Ｈ型の圧延スタンド
５  粗圧延機
６  仕上圧延機
７  圧延ロール
１０  グローバルモデル
１１  サブモデル
Ｗ  圧延材（条鋼）
Ｘ  鋳片（元材）
Ｚ  疵
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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