(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前から直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板長手方向における少なくとも一ヶ所の板幅方向温度分布を測定し、次いで該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布を演算し、次いで該残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測することを特徴とする鋼板形状の予測方法。
【請求項２】
熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前から直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板幅方向温度分布を測定する温度測定機構と、該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布を演算し、次いで該残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測する解析装置を備えたことを特徴とする鋼板形状の予測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延後冷却された鋼板を条切断加工する際の切断加工して得られる鋼板の形状を予測する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延鋼板、特に厚鋼板の製造においては、加熱炉でのスラブ加熱、デスケーリングのための高圧水噴射、制御圧延時の鋼板水冷、特に、圧延後に実施される加速冷却によって鋼板の温度分布が不均一になり、冷却後の鋼板に残留応力が発生する。
【０００３】
この残留応力の発生は、条切断加工、すなわち鋼板を幅方向に数条に分割切断する際に生じる条切りキャンバと呼ばれる横曲がりの原因となる。条切りキャンバのある鋼板では、溶接作業が困難になる等の問題があるため形状修正作業が必要となり、作業能率の低下やコストの増大をもたらす。
【０００４】
鋼板に生じた残留応力は、熱処理等で除去することができるが、切断加工をおこなう全ての鋼板について熱処理等の残留応力除去処理を施すことは生産性および製造コストの点からも実用的でない。
【０００５】
したがって、条切り後に得られる鋼板のキャンバ量を事前に推定することによって、所定量以下のキャンバ量を持った製品か否かを判定する必要がある。
そこで、条切り後のキャンバ量を推定する種々の方法が提案されている。
【０００６】
例えば、特公平５−１６９２７号公報には、熱間圧延後の注水冷却制御工程の直後で鋼板表面の２次元温度分布を測定し、板幅方向温度分布より少なくとも板中央部と両端縁部の高、低温度差を示す特徴値を求め、また板長手方向で複数区分に分割した各領域における２次元温度分布より鋼板表面温度の分散を示す特徴値を求め、これらの特徴値より鋼板冷却後かつ条切り後の板形状を推定する方法が提示されている。
【０００７】
また、特公平４−８１２８号公報や特公平４−８１２９号公報には、鋼板の温度分布を２次元的に測定し、この測定した温度分布と、鋼板温度分布が均一化した後の鋼板残留応力とを取り込んだ所定の推定式を用いて、鋼板の複数の条切り位置についての条切り後の変形量を推定演算し、得られた変形量の最大値が許容範囲にあるか否かを判定する方法が提示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公平５−１６９２７号公報、特公平４−８１２８号公報や特公平４−８１２９号公報に開示された方法により、条切り後の鋼板形状であるキャンバ量を推定することが可能となったが、その推定値は必ずしも十分な精度ではない。特に、鋼板の板厚が大きい場合や、加速冷却あるいは搬送速度が大きい条件においては、キャンバ量の推定精度が悪く、問題となることがある。
【０００９】
本発明の課題は、上記の問題を踏まえ、切断加工して得られる鋼板の形状を正確に推定する鋼板形状の予測方法およびその装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、熱間矯正の前後における鋼板の温度を詳細に調査し、鋼板は表面と裏面および板厚方向に温度偏差が生じており、特に、鋼板の板厚が大きく（例えば板厚が２０ｍｍ以上、特に４０ｍｍ以上）、加速冷却や搬送速度が大きい条件では、その温度偏差が大きく、表面温度のみを条件としてキャンバ量を推定する従来の方法では限界があることが判った。すなわち、鋼板を冷却すると、鋼板の表面と裏面とは、その冷却履歴、すなわち水乗りの有無、冷却方法や冷却設備の相違等の影響により温度差が生じ、板厚方向においても温度偏差が生じる。搬送時においても、搬送ロール等の設備との接触が無い鋼板表面と、搬送ロールに絶えず接触する鋼板裏面とでは鋼板の表面粗さやスケールの厚さや性状に差が生じ、鋼板の表面と裏面とでは冷却履歴に差が生じる。鋼板の厚さが増加した場合、厚さ方向の温度偏差が複熱により均一化されるための時間が長くなるため、加速冷却などで板厚方向温度偏差が大きいとき、ホットレベラでの熱間矯正後においても復熱が十分ではなく、鋼板の表裏面および厚さ方向に大きな温度偏差が残ることがある。
【００１１】
本発明は、上記知見に基づき、切断加工して得られる鋼板の形状を正確に推定するためには、鋼板の表裏面および板厚方向の温度偏差を考慮することが重要であるとの認識に立ち、本発明を完成させた。
【００１２】
本発明の要旨は、以下の(1) および(2) 項の通りである。
(1) 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前から直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板長手方向における少なくとも一ヶ所の板幅方向温度分布を測定し、次いで該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布を演算し、次いで該残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測することを特徴とする鋼板形状の予測方法。
【００１３】
(2) 熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前から直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板幅方向温度分布を測定する温度測定機構と、該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を演算し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布を演算し、次いで該残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測する解析装置を備えたことを特徴とする鋼板形状の予測装置。
【００１４】
上記(1) 項あるいは(2) 項で、「熱間矯正の直前から直後の間」とは、鋼板温度が熱間矯正時の温度とほぼ同じである時間をいい、具体的には熱間矯正の前後３０秒程度以内を指す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の方法および装置の構成を説明する概要図である。
図１において、本発明方法では、熱間圧延された鋼板８は、熱間矯正の直前から直後の間で、その表面および裏面の板長手方向における少なくとも一ヶ所の板幅方向温度分布が、熱間矯正をおこなうホットレベラ１１の入側および／または出側に設置した温度計１ａ、１ｂ（図示例では、出側に設置）により測定される。次いで、測定された板幅方向温度分布のデータは、解析装置３に送られ、板厚方向温度分布が演算され、さらに、前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布が演算され、続いて、この残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状、すなわち鋼板変形量である鋼板曲がり量が予測される。この鋼板曲がり量と残留応力分布は、モニタ５に表示され操業オペレータに示されるとともに、プロセスコンピュータ６に出力される。また温度測定データおよび計算結果はバックアップのために記録媒体４に保存される。
【００１６】
鋼板温度の測定は、温度計制御装置２を用い、パスラインの上下に設けた走査型の温度計１ａ、１ｂの近傍の鋼板搬送ローラ７の回転数から鋼板移動距離を求める等の方法により前記温度計１ａ、１ｂを板幅方向に走査制御しておこなう。なお、温度計１ａ、１ｂの設置場所は、その場所での鋼板温度が矯正時とほぼ同じであれば、特に限定せずホットレベラ１１の入側でも良いが、熱間圧延や加速冷却工程において鋼板に生じた内部応力や平坦不良が除去される熱間矯正の直後が好ましい。
【００１７】
次に、板厚方向温度分布の計算方法について説明する。
温度計により測定された鋼板表裏面温度より、表面から裏面にかけて板厚方向に直線的に温度が変化すると仮定し、板厚方向温度分布を求める。板厚を厚さ方向にｎ層に分割したときのｋ番目の層の温度T(y,k)は、表面温度を TF (y) 、裏面温度を TB (y) とすると次式となる。
【００１８】
【数１】
0004123582.tif 000002
【００１９】
ここで、  T(y,1)＝ TF (y)                                   （２−１）
T(y,n)＝ TB (y)                                   （２−２）
次に、残留応力の計算方法について説明する。
【００２０】
図２は、本発明に係る計算に用いるモデルであり、鋼板を厚さ方向に層厚Δｔのｎ層に分割し、幅方向には微小幅  ｙのスリットの集合であるモデルとする。熱間矯正によりそれ以前のプロセスで鋼板に生じた内部応力は除去されるものとし、また板厚方向の各層では厚さ方向の温度は均一とすると、冷却により板厚方向の各層に生じる長手方向歪εx は、弾性歪みをεE 、塑性歪みをεP 、熱歪みをεT 、変態歪みをεTRとすると板幅方向の各位置ｙにおいて次式で与えられる。
【００２１】
εx ＝εE ＋εP ＋εT ＋εTR                            （３）
ただし、
【００２２】
【数２】
0004123582.tif 000003
【００２３】
【数３】
0004123582.tif 000004
【００２４】
α：熱線膨張係数
RT ：冷却速度
T：冷却前の温度
T0：冷却後の温度
ξK：変態Ｋの変態率
βK：変態Ｋの線膨張係数
なお、（３−２）式で、右辺のΣは、各種の変態のそれぞれの変態歪みの総和を表す。
【００２５】
材料は弾完全塑性体と仮定すると、応力−歪み関係より次式が与えられる。
σX (T,y) ＝σE （ただしσE ＜σYield ）                    （４）
σX (T,y) ＝σYield （ただしσE ≧σYield ）                （５）
σE ＝Ｅ・(εx −εP −εT −εTR)                           （６）
ただし、
σX ：各層の長手方向応力
σE ：長手方向の弾性歪みから計算される応力
σYield ：材料の降伏応力
Ｅ：ヤング率
長手方向歪εx は鋼板横断面内で均一と仮定すると、下記の（７）式に示す横断面内の長手方向応力の釣合条件から繰り返し計算により、冷却により発生する各層の長手方向応力σx （すなわち残留応力）が求まる。
【００２６】
【数４】
0004123582.tif 000005
【００２７】
ただし、  ｎ＝ｔ／Δｔ                                    （７−１）
ｍ＝ｗ／Δｙ                                    （７−２）
ｔ：鋼板板厚
ｗ：鋼板板幅
次に、条切断後の鋼板形状の計算方法について説明する。
【００２８】
上記のように計算された残留応力において、板厚方向分割層ｋ、長手方向位置ｉ、幅方向位置ｙにおける残留応力をσi (y,k) とする。
【００２９】
図３は、条切断の模式図であり、図中に、残留応力σi (y,k) の幅方向分布を例示して示す。
【００３０】
図３において、条ｊ( 切断位置ｙj 、ｙj+1)切断時の残留応力の開放によって生じる曲げモーメントは次式のようになる。
【００３１】
【数５】
0004123582.tif 000006
【００３２】
長手方向の各位置ｉにおける上記Ｍijk より、曲げモーメントの長手方向分布を、距離ｘの多項関数で次式のように近似する。
Ｍjk( ｘ) ＝ａ1 ｘ＋ａ2 ｘ2 ＋ａ3 ｘ3 ＋ａ4 ｘ4 ＋ａ5 ｘ5   （９）
ここで、係数ａk （ｋ＝１〜５）は、上記Ｍijk より最小二乗法により決定される。したがって、条切断時に生じる横曲がり方向の曲げモーメントＳＭj ( ｘ) は、各層での曲げモーメントＭj ( ｘ) の総和として次式のように求まる。
【００３３】
【数６】
0004123582.tif 000007
【００３４】
上記曲げモーメントＳＭj ( ｘ) より、次式の梁のたわみ方程式を積分することにより条のたわみ曲線ｕj ( ｘ) が計算される。
【００３５】
【数７】
0004123582.tif 000008
【００３６】
ここで、Ｉ：断面２次モーメント
上記（１１）式から得られる条のたわみ曲線ｕj ( ｘ) より、条切断後の横曲がり量を求めることができる。
【００３７】
次に、本発明の装置について説明する。
図１に示すように、本発明の装置は、熱間圧延された鋼板の熱間矯正の直前から直後の間で、該鋼板の表面および裏面の板幅方向温度分布を測定する温度測定機構１２と、該板幅方向温度分布より板厚方向温度分布を計算し、次いで前記板幅方向温度分布と該板厚方向温度分布より前記鋼板冷却後の残留応力分布を計算し、該残留応力分布より前記鋼板切断後の鋼板形状を予測する解析装置３を備える。
【００３８】
温度測定機構１２は、鋼板の表面と裏面の温度を計測する温度計１ａ、１ｂと温度計制御装置２から構成され、温度計制御装置２は、下記のａ〜ｄに示す機能を有する。
【００３９】
ａ．温度測定の開始・終了等の自動動作、ならびに放射率の設定や測定レンジの変更などの手動動作の管理。
ｂ．上下の温度計１ａ、１ｂの測定タイミングの同期。
ｃ．鋼板搬送ローラ７の回転数から鋼板長手方向における測温位置を指示。
ｄ．測温後の温度データを解析装置３へ転送。
【００４０】
図４は、解析装置の動作例を示すフローチャートであり、解析装置は、以下に示す動作によって条切断後の横曲がり量を推定する。
【００４１】
すなわち、解析装置では、図４に示すように、測定された表裏面の板幅方向温度 TF (y) および TB (y) から板厚方向各分割層の温度を（１）式から求め、次いで、冷却により発生する長手方向応力すなわち残留応力を、（３）式、弾完全塑性体と仮定した応力−歪み条件（４）〜（６）式および釣り合い条件（７）式とから繰り返し計算により求めた後、（８）〜（１０）式より残留応力の解放により生じる曲げモーメントを求め、（１１）式よりたわみ曲線が求まり、横曲がり量が計算される。
【００４２】
なお、本発明は、従来方法では推定精度が悪く問題となる板厚が２０ｍｍ以上、特に４０ｍｍ以上の鋼板に適用し、横曲がり量を高精度に推定できる。
【００４３】
【実施例】
図１に示す構成で、図４に示すフローチャートに従い鋼板形状を予測する本発明の装置を製作し、本発明の方法により条切断後の横曲がり量を予測した。
【００４４】
図１において、温度計制御装置により板幅方向に走査制御される走査型放射式の温度計をホットレベラの出側（ホットレベラから約３ｍ下流の位置）に設け、熱間圧延後加速冷却（水冷開始時の鋼板温度：７００〜８００℃、水冷終了時の鋼板温度：５００〜６００℃）された鋼板（板厚：４０ｍｍ、板幅２８００ｍｍ、板長１０ｍ、４０キロ級鋼）の鋼板表裏面の幅方向温度分布を熱間矯正の５〜１０秒後に測定した。表１に温度計の主仕様を示す。
【００４５】
【表１】
0004123582.tif 000009
【００４６】
図５は、鋼板長手方向中央部における表裏面の幅方向温度分布の測定結果の一例を示すグラフである。同図に示すように、表面と裏面で最大３０℃程度の温度差が発生した。
【００４７】
次いで、上記幅方向温度分布のデータを解析装置に転送し、図４に示すように、板厚方向の温度分布、残留応力分布が順次計算され、条切断後のたわみ曲線が求まり、横曲がり量を予測した。なお、計算モデルの板厚方向の分割数は５とした。
【００４８】
上記鋼板を常温に空冷した後、ガスにて条切断をおこない横曲がり量を調査した。条切断条件は、板幅両端部に各５０mmの捨代を設け、切断幅４５０mmの６条切りとした。
【００４９】
図６は、本発明方法による条切断後の横曲がり量の予測精度を表すグラフで、比較例と共に示す。比較例は、板厚方向の温度を一定と仮定し、鋼板表面温度のみから条切断後の横曲がり量を推定したもので、具体的には、本発明の計算モデルにおいて、板厚方向の分割数を１として計算した。なお、横曲がり量は、同図に示すようにキャンバ量で定義し、曲がり方向を (＋) 、 (−) で示した。
【００５０】
図６に示すように、本発明方法による予測精度は、比較例に比べ、大幅に向上した。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば熱間圧延鋼板、特に厚鋼板について、従来方法では正確に予測できない条切断後の横曲がり量を高精度に予測することが可能である。具体的には、加速冷却工程等の製造条件の調整、残留応力除去等の作業工程の効率化、および品質管理等に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法および装置の構成を説明する概要図である。
【図２】本発明に係る計算に用いるモデルである。
【図３】条切断の模式図である。
【図４】解析装置の動作例を示すフローチャートである。
【図５】鋼板長手方向中央部における表裏面の幅方向温度分布の測定結果の一例を示すグラフである。
【図６】本発明方法による条切断後の横曲がり量の予測精度を表すグラフである。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ：温度計
２：温度計制御装置
３：解析装置
４：記録媒体
５：モニタ
６：プロセスコンピュータ
７：鋼板搬送ローラ
８：鋼板
９：圧延機
１０：加速冷却装置
１１：ホットレベラ
１２：温度測定機構
【図１】
0004123582.tif 000010
【図２】
0004123582.tif 000011
【図３】
0004123582.tif 000012
【図４】
0004123582.tif 000013
【図５】
0004123582.tif 000014
【図６】
0004123582.tif 000015