(57)【要約】【課題】適用する材料の種類等のパラメータの変動に対応可能であって、かつ、短時間で簡易に予測を行うことが可能な、圧延された材料の表面温度の予測方法および予測装置を提供する。【解決手段】一対のロール１０Ａ，１０Ｂ間で材料１を圧延して圧延された材料１ａを得るにあたり、一対のロール間を通過した後の材料の表面温度θ（Ｋ）を、一対のロールの表面温度θｆ（Ｋ）と、一対のロールに接触する前の材料の表面温度θ０（Ｋ）と、ロールと材料との間の熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２Ｋ）と、圧延中におけるロールと材料との接触面積Ｓ（ｍ２）と、圧延中におけるロールと材料との接触時間ｔ（ｓｅｃ）と、材料の比熱ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）と、材料の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）と、圧延中におけるロールと材料との接触部体積Ｖ（ｍ３）と、を用いた熱伝導計算により算出する、圧延された材料の表面温度の予測方法である。【選択図】図１
2014233742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のロール間で材料を圧延して圧延された材料を得るにあたり、
前記一対のロール間を通過した後の前記材料の表面温度θ（Ｋ）を、該一対のロールの表面温度θｆ（Ｋ）と、該一対のロールに接触する前の該材料の表面温度θ０（Ｋ）と、該ロールと該材料との間の熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２Ｋ）と、圧延中における該ロールと該材料との接触面積Ｓ（ｍ２）と、圧延中における該ロールと該材料との接触時間ｔ（ｓｅｃ）と、該材料の比熱ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）と、該材料の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）と、圧延中における該ロールと該材料との接触部体積Ｖ（ｍ３）と、を用いた熱伝導計算により算出することを特徴とする圧延された材料の表面温度の予測方法。
【請求項２】
前記表面温度θを、下記式（１）、
2014233742.tif 000015
を用いて算出する請求項１記載の圧延された材料の表面温度の予測方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の予測方法に用いられる圧延された材料の表面温度の予測装置であって、
前記表面温度θ（Ｋ）の算出に用いる値が入力される入力部と、該入力部に入力された値に基づき演算を行って該表面温度θ（Ｋ）を算出する演算部と、該演算部により算出された該表面温度θ（Ｋ）を出力する出力部と、を備えることを特徴とする圧延された材料の表面温度の予測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延された材料の表面温度の予測方法および予測装置（以下、単に「予測方法」および「予測装置」とも称する）に関し、詳しくは、板材、棒材および線材などの一般的な金属材料を圧延により加工する際に、圧延加工後における金属材料の表面温度を予測する方法および装置に関する。
【０００２】
一般に、圧延中の金属材料の温度は、（１）設備への過負荷の防止、（２）圧延後の材料形状の制御、および、（３）圧延後の材料内の金属組織の制御などの点から、製造上の重要な管理項目の一つである。特に、熱間または温間圧延のように、材料を加熱して圧延を行う場合には、厳しい管理が必要となる。このため、圧延設備を新設する場合には、所望の材料形状および金属組織が得られるよう材料の加工温度を設定した上で、設備設計が行われている。
【０００３】
材料の圧延は、通常、材料を、ロールスタンドに設けた一対のロール間に通過させることにより行われる。材料を加熱して熱間および温間圧延を行う際に、厚板材や形鋼のように材料の体積が比較的大きな場合には、圧延に伴う材料の加工発熱によりロールスタンドを通過する毎に材料温度が上昇するので、ロールまたは材料の冷却が必要となる。逆に、薄板材や棒材、線材のように材料の体積が小さい場合には、圧延に伴う材料の加工発熱量が少なく、材料の有する熱量がロールを介して設備に奪われるので、ロールスタンドを通過する毎に材料温度は低下する。
【０００４】
かかる観点から、圧延中の材料温度の変化の予測が必要とされている。圧延中の材料温度の予測方法としては、例えば、経験に基づく予測方法、非特許文献１，２に記載されているようなＦＥＭ（有限要素法）やＦＤＭ（有限差分法）を用いた数値シミュレーション、および、特許文献１に開示されているような連立常微分方程式による予測方法などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−５０１２８号公報（特許請求の範囲等）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本機械学会論文集Ａ、小森、（５９）５６８，ｐｐ２９９３−２９９９
【非特許文献２】日本機械学会論文集Ａ、小森、（６２）５９６，ｐｐ１０４５−１０５０
【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、経験に基づく予測方法では、材料の種類や大きさ、材料表面の潤滑状態、加工設備の規模などの変化に対応することができない。また、数値解析による方法では、熱・構造連成解析などの比較的大規模な計算が必要となり、解を得るまでに膨大な時間が必要となる。よって、材料の種類等のパラメータの変動に対応可能であって、かつ、短時間で予測を行うことが可能な予測方法の確立が求められていた。
【０００８】
そこで本発明の目的は、上記問題を解消して、適用する材料の種類等のパラメータの変動に対応可能であって、かつ、短時間で簡易に予測を行うことが可能な、圧延された材料の表面温度の予測方法および予測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は鋭意検討した結果、圧延される材料およびロールについての熱特性や形状に係るパラメータに基づき熱伝導計算を実施するものとすることで、圧延後における材料の表面温度を簡易にかつ短時間で予測することが可能となることを見出して、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の圧延された材料の表面温度の予測方法は、一対のロール間で材料を圧延して圧延された材料を得るにあたり、
前記一対のロール間を通過した後の前記材料の表面温度θ（Ｋ）を、該一対のロールの表面温度θｆ（Ｋ）と、該一対のロールに接触する前の該材料の表面温度θ０（Ｋ）と、該ロールと該材料との間の熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２Ｋ）と、圧延中における該ロールと該材料との接触面積Ｓ（ｍ２）と、圧延中における該ロールと該材料との接触時間ｔ（ｓｅｃ）と、該材料の比熱ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）と、該材料の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）と、圧延中における該ロールと該材料との接触部体積Ｖ（ｍ３）と、を用いた熱伝導計算により算出することを特徴とするものである。本発明の予測方法においては、前記表面温度θを、下記式（１）、
2014233742.tif 000003
を用いて算出することができる。
【００１１】
また、本発明の圧延された材料の表面温度の予測装置は、上記本発明の圧延された材料の表面温度の予測方法に用いられる圧延された材料の表面温度の予測装置であって、
前記表面温度θ（Ｋ）の算出に用いる値が入力される入力部と、該入力部に入力された値に基づき演算を行って該表面温度θ（Ｋ）を算出する演算部と、該演算部により算出された該表面温度θ（Ｋ）を出力する出力部と、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上記構成としたことにより、適用する材料の種類等のパラメータの変動に対応可能であって、かつ、短時間で簡易に予測を行うことが可能な、圧延された材料の表面温度の予測方法および予測装置を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る材料の圧延工程の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の圧延された材料の表面温度の予測装置の装置構成を示すフロー図である。
【図３】材料の表面温度θの予測値の、接触時間ｔに対する変化を示したグラフである。
【図４】各ロールスタンドの出口での鋼線の表面温度を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（ａ），（ｂ）に、本発明に係る材料の圧延工程の一例の説明図を示す。図中の（ａ）は、ロールの軸方向から見た圧延工程の説明図であり、図中の（ｂ）は、（ａ）中のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。また、図中の矢印は、材料の進行方向を示す。本発明は、図示するように、一対のロール１０Ａ，１０Ｂ間で材料１を圧延して、圧延された材料１ａを得るにあたり、ロールスタンド通過後の、圧延された材料１ａの表面温度を予測する技術に係るものである。
【００１５】
本発明においては、圧延時におけるロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との間における熱移動を、互いの接触状態を考慮した非定常熱伝達問題として解くことで、材料表面の温度を予測する。具体的には、一対のロール１０Ａ，１０Ｂ間を通過した後の材料１ａの表面温度θ（Ｋ）を、以下の材料およびロールについての熱特性や形状に係るパラメータに基づき、算出するものとする。かかるパラメータとしては、一対のロール１０Ａ，１０Ｂの表面温度θｆ（Ｋ）、一対のロール１０Ａ，１０Ｂに接触する前の材料１の表面温度θ０（Ｋ）、ロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との間の熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２Ｋ）、圧延中におけるロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との接触面積Ｓ（ｍ２）、圧延中におけるロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との接触時間ｔ（ｓｅｃ）、材料１の比熱ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）、材料１の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）、および、圧延中におけるロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との接触部体積Ｖ（ｍ３）が挙げられる。
【００１６】
本発明によれば、上記各パラメータに基づき熱伝導計算を実施する方法を用いることで、大規模な計算を要することなく、圧延された材料の表面温度を短時間で簡易に予測することが可能となった。また、材料の種類や大きさ、表面の潤滑状態、設備規模などの変化は上記各パラメータに反映されるので、本発明においては、かかる変化にも容易に対応可能である。よって、本発明によれば、圧延設備の設計や既存設備を用いた圧延プロセス設計の時間を大幅に短縮することができ、極めて有益である。
【００１７】
本発明において、上記各パラメータのうち、ロール１０Ａ，１０Ｂの表面温度θｆは、圧延時におけるロール温度の設定値を用いることができ、接触ないし非接触の温度計で直接測定した測定値を用いることもできる。また、ロール１０Ａ，１０Ｂに接触する前の材料１の表面温度θ０は、接触ないし非接触の温度計で直接測定した測定値を用いることができる。さらに、圧延中におけるロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との接触時間ｔは、実測値または材料の送り速度（圧延速度）等に基づく計算値を用いることができる。
【００１８】
さらにまた、圧延中におけるロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との接触面積Ｓおよび接触部体積Ｖは、ロール１０Ａ，１０Ｂおよび材料１の形状に基づき算出することができる。ここで、接触面積Ｓとは、圧延中にロール１０Ａ，１０Ｂと接触している材料１の表面積を意味し、接触部体積Ｖとは、材料１のうち圧延中にロール１０Ａ，１０Ｂと接触している部分の長手方向長さＬに対応する材料１の体積（図中の右下がり斜線部Ｖ’に含まれる材料体積）を意味する。
【００１９】
なお、ロール１０Ａ，１０Ｂと材料１との間の熱伝達係数α、材料１の比熱ｃおよび密度ρは、ロール１０Ａ，１０Ｂおよび材料１の材質により定まる定数である。例えば、材料１としてスチールを用いた場合、熱伝達係数αは、α＝−３５００×（熱伝導率）（Ｗ／ｍＫ）＋１３６０００で示される。
【００２０】
本発明において、上記各パラメータに基づき表面温度θを算出する際に用いる具体的な熱伝導計算式としては、下記式（１）、
2014233742.tif 000004
を用いることができる。かかる簡便な計算式を用いることによって、圧延後の材料表面の温度を短時間で予測することが可能となる。上記式（１）は、以下に示すようにして導出される。まず、熱伝導基礎式は、下記式（２）、
2014233742.tif 000005
で表される。但し、式中、材料の表面温度θ（Ｋ）、接触時間ｔ（ｓｅｃ）、熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２Ｋ）、接触面積Ｓ（ｍ２）、比熱ｃ（Ｊ／ｋｇＫ）、密度ρ（ｋｇ／ｍ３）、接触部体積Ｖ（ｍ３）およびロールの表面温度θｆ（Ｋ）は前述と同じものを表す。また、ｑＶは材料の内部発熱量（Ｗ／ｍ３）である。ここで、
2014233742.tif 000006
とおくと、上記式（２）は、
2014233742.tif 000007
となる。線材の圧延時のように内部発熱を無視できる場合には、材料の初期表面温度をθ０（Ｋ）とすれば、
2014233742.tif 000008
となり、変数分離して積分すると、
2014233742.tif 000009
で表される。ここで、
2014233742.tif 000010
とおけば、
2014233742.tif 000011
となる。初期条件より
2014233742.tif 000012
であるから、結局θは、
2014233742.tif 000013
すなわち、
2014233742.tif 000014
で表わされる。
【００２１】
図２に、本発明の圧延された材料の表面温度の予測装置の装置構成を示すフロー図を示す。図示するように、本発明の予測装置は、上記材料の表面温度θ（Ｋ）の算出に用いる値が入力される入力部１１と、入力部１１に入力された各値に基づき演算を行って表面温度θを算出する演算部１２と、演算部１２により算出された材料の表面温度θを出力する出力部１３と、を備えている。ここで、前述した材料の表面温度θ（Ｋ）の算出に用いる各パラメータは、入力部１１に材料の種類やロール形状、圧延速度などの値を入力することで、これらの値に基づき、演算部１２で算出することができ、また、すべてのパラメータを入力部１１にマニュアルで入力することもできる。また、図示するように、予測装置にデータベース１４を付属させることで、各種物性値等については、データベース１４を参照させるものとすることもできる。
【００２２】
例えば、まず、入力部１１からパラメータθｆ、θ０、Ｓ、Ｖ、ｔを演算部１２に入力する。この際には、材料の種類やロール形状、圧延速度などを入力部１に入力して、演算部１２で各パラメータを算出することもできるが、直接入力してもよい。次に、演算部１２にて前記式（１）を計算し、θを算出する。このとき、ｃ、ρ、αについては、データベース１４を参照することもできるが、入力部１１に直接入力してもよい。最後に、出力部１３にて、算出されたθを出力する。
【００２３】
本発明によれば、上述した手法を用いることで、材料を圧延により加工するにあたり、ロールスタンド通過後の、圧延された材料の表面温度を短時間にかつ簡易に予測することができるものであり、それ以外の点については、特に制限されるものではない。例えば、本発明に適用可能な材料としては、スチール等の金属材料を挙げることができ、その形状についても特に制限はなく、ロールにより圧延されるものであれば、板材や棒材、線材等、いかなる形状であってもよい。また、本発明を適用可能な圧延設備についても特に制限はなく、一対のロールを備えるロールスタンドの配置数についても、所望に応じ適宜選定することができる。本発明によれば、一対のロールを通過した後における材料の表面温度を容易に得ることができるので、複数のロールスタンドにより順次圧延される材料の表面温度の変化を管理することも容易である。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。
＜実施例１＞
図２に示すような入力部１１と、演算部１２と、出力部１３と、データベース１４とを備える予測装置を用いて、断面八角形の鋼線（線径：３．２ｍｍ）を一対のロール間に通過させることで圧延した後における、鋼線の表面温度θ（Ｋ）の算出を行った。まず、入力部１１から、各パラメータに関し、θｆ＝４３３Ｋ、θ０＝９５３Ｋ、Ｓ＝１．１８×１０−５ｍ２、Ｖ＝１．３６×１０−８ｍ３（接触長さＬ＝４．１２ｍｍ，圧延時の鋼線の平均径２．９ｍｍ）および接触時間ｔ（ｓｅｃ）（変動値）を、演算部２に入力した。また、この際のα＝１７０００Ｗ／ｍ２Ｋ、ｃ＝５７０Ｊ／ｋｇＫ、ρ＝７８００ｋｇ／ｍ３であった。圧延速度は２５ｍｍ／ｍｉｎとした。計算に際し、比熱ｃの温度依存性は無視し、熱伝達係数αに関し、接触熱抵抗はゼロと仮定した。また、接触部以外は断熱と仮定した。図３は、これらの値に基づき得られたθの値を、接触時間ｔに対しプロットしたグラフである。このグラフから、接触時間が長くなるほど、圧延後の鋼線の表面温度が低下する傾向のあることが分かる。
【００２５】
＜実施例２＞
θｆ＝５７３Ｋ、θ０＝９７３Ｋとして、１番目のロールスタンドを通過させる前の材料速度１３．８ｍ／ｍｉｎの条件で、１０個のロールスタンドを順次通過させた際の各ロールスタンドの出口での鋼線の表面温度θを算出した。その結果を、図４に示す。図４のグラフからわかるように、本発明によれば、ロールスタンドを通過する度に鋼線の表面温度が低下する現象を極めて簡易な計算で再現できており、また、このグラフは、実績値とも良い一致を示していた。
【符号の説明】
【００２６】
１  材料
１ａ  圧延された材料
１０Ａ，１０Ｂ  ロール
１１  入力部
１２  演算部
１３  出力部
１４  データベース
【図１】
2014233742.tif 000016
【図２】
2014233742.tif 000017
【図３】
2014233742.tif 000018
【図４】
2014233742.tif 000019