【手続補正書】
【提出日】平成19年9月12日(2007.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  熱間圧延された形材の冷却方法及び装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  相異なる質量の形材部分から形成された熱間圧延された形材を圧延熱から冷却する方法であって、その際測定技術的手段の使用の下に計算器と協働して演算プログラムによって、相異なる形材部分が、その質量及び温度の基準に従って部分的に取り去られるべき熱量及びこのために必要な冷却剤の供給量が算出されかつ制御される前記方法において、
温度曲線が、圧延材の圧延ラインにおける固有の圧延若しくは冷却プロセスの前に既にシュミレーションされ、その際所望の冷却方法の調整が行われるように、例えば急冷による冷却又は最小温度差による冷却が冷却区間の前後で測定された実際値を取り入れたシュミレーションから得られるパラメータによって調整されるように、複数のシュミレーション計算において、シュミレーションにおける冷却パラメータが変えられることを特徴とする前記方法。
【請求項２】  冷却パラメータの変更のために必要な調整パラメータ（例えば増幅ファクター）が、同様にシュミレーション計算において算出されかつ調整に供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】  圧延材の温度曲線のシュミレーションのために、圧延材の全表面が相応して設定された境界条件を有する相異なる領域に分割されかつこれらの領域が、算出された冷却パラメータによって冷却されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】  請求項１に記載の方法を実施するための装置において、
次の特徴、即ち、
ａ）圧延及び冷却プロセスのための温度曲線のシュミレーションと、冷却パラメータ（圧力、流量、冷却領域数）並びに調整に必要な調整パラメータによる冷却区間のための冷却プログラムの発生とを行うシュミレーションユニット（１）と、
ｂ）特に冷却戦略の付与、冷却プログラムの自動的作成、所望の機械的特性の付与及び品質最適化のために圧延プロセスで得られた特性のフィードバックとを行う技術データユニット（2 ）と、
ｃ）実際値（温度、冷却剤圧力及び冷却剤流量、冷却時間、機械的特性等）の評価を行うプロセスデータユニット（３）と、
ｄ）検出された実際値と、シュミレーションされかつ測定された温度値の比較とによる冷却プログラムの逆算を行う制御ユニット（４）と、
ｅ）冷却プログラムの管理、冷却区間の調整値の付与、冷却領域の制御及び調整、実際値の検出とを行う調整ユニット（５）とを有する、閉鎖回路に互いに連結された機能ユニットを特徴とする前記装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、相異なる質量の形材部分から形成された熱間圧延された形材を圧延材熱から冷却する方法であって、その際測定技術的手段の使用の下に計算器と協働して演算プログラムによって、相異なる形材部分が、その質量及び温度の基準に従って部分的に取り去られるべき熱量及びこのために必要な冷却剤の供給量が算出されかつ制御される前記方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成形された圧延材は、冷却ベッドで例えばレール材が、圧延熱から８０°以下の温度に冷却される。その際形材の質量の非対称性配置のために、レールの頭部と足部との間に相異なる冷却状態が生じ、その際足部は、その質量に対する大きな熱放出面積のために頭部よりも急速に冷却される。それによって冷却の際にレールが湾曲する。この湾曲は、所定の値までまだ熱いレールの予備曲げによって生じる。しかしこのことは、不利にも結果が不確かでコストのかかる熱間曲げ工程を必要とする。この場合、レールは、冷却後に整直されねばならない。冷却プロセスによっても特に整直中にレールに固有の応力が生じ、これはその強度に不利に影響する。この困難性に効果的に対応するために、既に多くの提案が公知である。
【０００３】
ドイツ国特許出願第４２３７９９１号明細書は、ロールスタンドで熱間圧延されて成形された圧延材、特に冷却ベッド上でレールを自然対流又は強制的な空冷により冷却する方法を記載する。本発明は、レールが頭部を下にして懸架されて、冷却ベッド上を搬送されることにある。この措置によって既に自然対流で伝熱比が、レールの頭部と足部との間の温度差が横たえたレールで略１４０°C 、レールが懸架された場合に略５０°に低下するように良好に変えられる。
【０００４】
ドイツ国特許第２１６１７０４号明細書から、鉄道レールの応力がなくかつ遅延のない冷却方法及び装置が公知であり、この方法は、冷却されるべき同種のレール形材が、そのレール足部によって対状に対称的にかつ互いに対抗支承体を形成しつつ、足部と足部とを突き合わせてクランプされかつ横コンベヤによって冷却ベッド上を搬送される方法である。各レール頭部はレール足部と略等しい質量を有するが、レール足部の周囲はレール頭部の２倍の大きさであり、従ってレール足部の質量に対するクランプされたレール足部の周囲面積の比は、レール頭部の周囲面積と質量の比と同様である。それによってレール頭部及びレール足部の均一な冷却が達成される。
【０００５】
米国特許第４６８７８８号明細書には、レールの冷却方法が開示されており、その際レールは装置においてレール頭部を下にして懸架されたレールが水を充填された水槽に全部又は部分的に浸漬されかつそれによって冷却され、その際レールは同時に押しねじによって固定の対抗支承体に押圧される。
【０００６】
ドイツ国特許第４０４１２７号明細書には、特に鉄道レールの非対称の横断面の金属棒の整直方法が開示されており、その際横断面の厚い部分は、すべての部分がその不等厚さにもかかわらず同一の寸法だけ減少され、かつ周囲温度までの冷却の際にこの棒は直線を維持するように調整された巧みな冷却を行われる。この結果は、巧妙な冷却が液体中への浸漬、湿し又は散水によって、又は噴霧液体の吹き付け、蒸気、空気、又は他のガスによって行われることによって得られ、その際使用される手段は、常に全持続時間中又は全持続時間の間の中断又は冷却時間の一部の間のみの中断によって作用される。
【０００７】
ドイツ国特許出願第１９４９２９号明細書から、レールの冷却方法が公知であり、その際レールはオーステナイトの変態温度に達する前にレールが熱反射層上に距離をおいてレール足部上に下ろされることが公知である。その際追加的にレールの走行面上には冷却の他の過程において固体絶縁剤が着けられ得る。輻射による相互の積極的な影響は、この方法においては、レールが直接並んで置かれ、その結果レール足部が側方で接触することによって達成される。その際レール横断面に、好適な応力が生じる。オーステナイト変態温度に達する前に熱反射層上に間隔をおいて行われるレール足部上へのレールの載置は、レール足部及びレールウエブにおけるオーステナイト変態の早期の開始が阻止されるという利点を生じる。
【０００８】
その対抗部分、即ち、相応する急速な冷却方法のためのレール頭部の硬化は、フランス特許第５４３４６１号明細書によれば、レールが頭部を介してレール足部を上方に向けて懸架されて水を充填されたトラフ中への非常に短い時間の特定された一連の浸漬工程に引き入れられることによって達成される。
【０００９】
上記の方法は、経験に基づき、即ち、所望の冷却結果を保証するために、方法の実施の際にいかなるパラメータが保持されねばならないかが長長とした試行によって先ず一度検査されねばならないという共通の欠点を有する。その際少なくとも各チャージの際に熱間圧延された形材の試行品が使用され、試行品はそのように満足されない結果では反復が必要であり、かつ何度もの不良品の発生につながる。
【００１０】
成形された圧延材が冷却されることができるために、変形工程の間に全横断面及び圧延材の全長に亘って生じた温度分布の認識が必要である。したがってドイツ国特許出願第１９５０３７４７号明細書において、先ず測定技術手段の使用の下に計算ユニットと協働して、演算プログラムによって相異なる形材部分をその質量及び温度の基準に従って部分的に取り去られるべき熱量及びこのために必要な冷却剤の供給量が検出されかつ算出され、その後相異なる形材部分若しくはその質量の冷却は、これらができる限り少ない時間ずれで変態曲線Ａr3／Ａr1がガンマー固溶体の分解の際に変態熱の放出の下にフェライト及び又はパーライトに達するように制御されて実施される。大きな利点を持って、この方法によって相異なるチャージの際にコストのかかる試行を必要とすることなしに、形材の湾曲なしに完全な冷却結果が得られることが達成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、この技術水準から出発して、請求項１の上位概念による形式の熱間圧延された形材の冷却方法を改良し、若しくはそれによって上記の困難性が克服されかつ圧延熱からの冷却の際にコストがかかりかつ時間のかかる試行なしにかつそれによって制約される屑鉄の廃棄なしに達成されるようにすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この課題は、温度曲線が圧延材の圧延材ラインにおいて既に固有の圧延若しくは冷却プロセスの前にシュミレーションされ、所望の冷却方法の調整が行われるように、例えば急冷による冷却又は最小温度差による冷却が、冷却区間の前後で測定された実際値を取り入れたシュミレーションから得られるパラメータによって調整されるように、複数のシュミレーション計算において、シュミレーションにおける冷却パラメータが変えられることを特徴とする前記方法によって解決される。
本発明の有利な構成によれば、冷却パラメータの変更のために必要な調整パラメータ（例えば増幅ファクター）は、同様にシュミレーション計算において算出され、かつ調整に使用されることが有利に提案される。
【００１３】
更に圧延材の温度変化のシュミレーションのために圧延材の全表面の相異なる領域に相応して設定された境界条件に分割され、かつこれらの領域が算出された冷却パラメータによって冷却されることが有利に行われる。
【００１４】
本発明の措置によって、冷却剤圧力、冷却剤流量、冷却領域及び又は冷却されるべき形材部分の配置を、相異なる形材形状に対しても最適の冷却結果が得られるように確定することが可能である。
【００１５】
シュミレーション計算は、冷却領域前後の形材周囲及び又は形材長さについての圧延材料温度の測定によって制御されかつ補完される。温度が冷却領域の圧延材入り口で偏倚している場合、冷却領域への圧延材の進入前に冷却領域の予備制御が行われる。圧延材の温度が、冷却領域の後方で目標値から偏移している場合、同様にシュミレーションからのパラメータによって冷却領域の調整の修正が行われる。
本発明による方法の実施のために、図中１つの実施例で表されているような、複数の機能ユニットが閉鎖された作用回路に対して互いに連携されている。
その際作用回路は、互いに連携された５つの機能ユニット１，２，３，４，５から成り、その役割及び機能を次に記載する。
【００１６】
【実施例】
シュミレーションユニット１において以下のことが実施される。：
−  圧延及び冷却プロセスの温度曲線のシュミレーション、
−  水冷区間及び空冷区間のための調整値を有する冷却プログラムの作成、即ち、★穴型面のメモリ、
★圧延力、圧延動力及び圧延トルクの算出、
★圧延材における変形エネルギー及び温度分布の算出、
★水圧及び水量の算出
★水冷領域の数及び切り換え順序の確定、
★調整パラメータの算出
★変形比、変形速度及び変形温度の関数としての変形剛性の検出、
★温度の関数としての熱量データの算出、
★ロールスタンドの間、水冷区間及び空冷区間における温度損失の算出
−  圧延ライン、水冷区間及び空冷区間における温度曲線の図示、
−  ZTU ダイヤグラム（時間ー温度ー変化ダイヤグラム）の冷却曲線の図示
−  空冷区間における冷却速度曲線の図示
−  ZTU ダイヤグラムに相応する組織並びに硬度の図示及び算出された冷却速度の書き込み
−  水冷区間及び空冷区間の調整値の付与、
−  以下の事項のグラフィック表示の交付
★圧延ライン及び冷却区間における所定時間における温度曲線
★圧延ライン及び冷却区間における長さに亘る温度曲線、
★冷却区間における圧延材横断面の温度分布、
★冷却区間における冷却速度、
★ZTU ダイヤグラムにおける冷却曲線
★組織及び硬度
★温度曲線における目標値と実際値の比較
連結部１０を介して調整ユニット５との交信が行われ、調整ユニットに、シュミレーションユニット１に形成された冷却プログラムが入力される。調整ユニット５においては次のことが実施される。：
−  冷却プログラム、製造データ、製造物データ及びプロセスデータの管理
−  水冷区間及び空冷区間の調整値の設定
−  冷却区間（水冷区間、空冷区間）の制御及び調整
−  製造実際値、製造物実際値及びプロセス実際値の検出、
−  時間をずらされた交付のための製造データ、製造物データ及びプロセスデータの蓄積
−  冷却プロセスの可視化
−  以下の事項のグラフィック表示
★最終圧延温度
★冷却区間ステップ温度
★冷却時間ｔ8 ／5 
連結部６を介して得られた製造物データ及びプロセスデータがプロセスデータユニット３に案内され、得られたデータがプロセスデータユニット３中で評価されかつ表示される。次に機能を詳しく説明する。
−  コンピュータファイル（「KOMP−Datei 」）中にメモリされた実際値の評価、即ち、
★以下の表示による温度、
★★平均値
★★最小値及び最大値
★★標準偏差（１シグマ及び２シグマ）
★★頻度分布
★★総和曲線
★圧力
★流量
★冷却区間での冷却時間（８００°C 〜５００°C ＝ｔ8 ／5 ）
★★実際値のみ
★例えば以下のような機械的特性
★★  引張強度        Ｒｍ
★★  伸び限度        Ｒｅ
★★  伸び            Ａ10
★★  収縮            Z 
−  次の結果の表示
★鉄塊
★非圧延
★冷却プログラム
★時間間隔
プロセスデータユニット３によって品質の最適化のために相応した連結部７を介して以下の機能のあるテクノロジーデータユニット２への移送が行われる。：
−  迅速な見通しのための冷却プログラムの総括及び圧縮
−  冷却戦略の設定
−  目標温度の設定による冷却プログラムの自動的作成
−  所望の機械的特性の設定並びに品質最適化のために圧延工程で得られた特性のフィードバック
最適の冷却戦略のパラメータの伝達のために、連結部８を介してテクノロジーデータユニット２がシュミレーションユニット１と連結されており、それによって作用回路が閉じる。
【００１７】
検出された冷却モデルの最適化のためにプロセスデータでユニット３と連結部９を有するシュミレーションユニット１との間に次の機能を有する制御ユニット４が接続されている。
−  シュミレーションモデルの最適化のために圧延プロセスで検出された実際値による冷却プログラムの逆算
−  逆算による温度曲線の表示
−  °C 及び% の偏差の値とシュミレーションされかつ測定された温度値との比較が実施される。
【００１８】
本発明の特徴及び措置によって、さもなければ冷却の困難な圧延形材の冷却も最適な方法で可能である、そのわけは本発明によれば実際の圧延温度が迅速に冷却プログラムの修正により所望の目標値に取り入れられるからであり、その際実施例に記載された機能ユニットは簡単化され、又はその他の機能ユニットにより本発明の意味で補完されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の実施例、即ち複数の機能ユニットが１つの閉鎖回路に連結された状態を示す図である。
【符号の説明】
１  シュミレーションユニット
２  テクノロジーデータユニット
３  プロセスデータユニット
４  制御ユニット
５  調整ユニット
６  連結部
７  連結部
８  連結部
９  連結部