JP2006122987A - 金属板の冷却制御装置及び冷却制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な補正によって巻取り温度の精度を向上することが可能な金属板の冷却制御方法を提供する。
【解決手段】熱間圧延工程における仕上げ圧延機１出側から巻取り機３までの間に配置された水冷設備４での冷却条件を調整することで搬送される金属板の温度を降下して、当該金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御する。この際に、上記目標巻取り温度にするためのＣＴＮ位置での温度降下量を伝熱モデルで演算し、その演算した温度降下量に応じた冷却条件に上記水冷設備４を調整する金属板の冷却制御方法である。そして、上記伝熱モデルで演算した温度降下量と実績の温度降下量と比例誤差若しくは偏差に基づく学習項で、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量を補正することで、冷却制御の精度を向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、仕上げ圧延機で熱間圧延された金属板を、伝熱モデルに基づき目標とする巻取り温度まで冷却する制御に係り、特に厚物の金属板に有効な熱間圧延工程における金属板の冷却制御装置及び冷却制御方法に関する。

鋼板の巻取り温度を制御する方法としては、例えば特許文献１に記載されている冷却制御方法がある。特許文献１に記載されているような従来の冷却制御方法では、伝熱モデルで演算して求めた予測温度と実績温度との偏差に基づき、上記伝熱モデル中の抜熱に係わる熱伝達係数のモデル学習項を順次、変更し更新するフィードフォワード制御で、次回の伝熱モデルの予測温度の精度を上げることによって、鋼板巻取り温度の精度を向上する。

また、上記予測温度と実績温度との偏差に基づき、水冷設備の最終段側のバンクの注水をフィードバック制御して目標とする巻取り温度となるように冷却制御を行う場合もある。
特開平６−２１８４１４号公報

しかし、伝熱モデルの熱伝達係数のモデル学習項を更新するためには、学習値を変化させ伝熱モデルによる予測巻取り温度を算出し、実績巻取り温度と予測巻取り温度を比較し、その誤差が収束条件（実績巻取り温度と予測巻取り温度とが一致若しくは所定公差内）となるように収束計算を行う必要があることから、精度を上げるために伝熱モデルが複雑になるほど学習値の算出に時間がかかり、学習値の反映が遅くなる。つまり、学習値の更新が無い状態で巻き取られる金属板の長さが長くなる。

特に、厚物などの短尺（例えば、長さ１００ｍ以内）の金属板を冷却制御する場合には、できるだけ早く学習項の反映を実施したい。
また、対象とする金属板の長さが短くなるほど、上記フィードバックによる制御も困難なものとなる。また、最終的な目標巻取り温度が所定の公差に入っていても、途中でフィードバック制御を行うと、一時的に大きな過冷却が行われることで一時的にパーライト組織が形成される温度領域になって実際には品質不良となるおそれもある。
本発明は、このような点に着目してなされたもので、簡単な補正によって巻取り温度の精度を向上することが可能な金属板の冷却制御方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、熱間圧延工程における仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に配置された水冷設備での冷却条件を調整することで搬送される金属板の温度を降下させて、当該金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御するに際し、上記目標巻取り温度にするための温度降下量を伝熱モデルで演算する温度降下予測部と、その演算した温度降下量に応じた冷却条件に上記水冷設備を調整する注水制御部とを備えた金属板の冷却制御装置であって、
上記伝熱モデルで演算した温度降下量と実績の温度降下量との誤差比率若しくは偏差に基づき、次回の伝熱モデルで演算する温度降下量を補正する補正部を備えることを特徴とするものである。

次に、請求項２に記載した発明は、熱間圧延工程における仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に配置された水冷設備での冷却条件を調整することで搬送される金属板の温度を降下させて、金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御するに際し、上記目標巻取り温度にするための温度降下量を伝熱モデルで演算し、その演算した温度降下量に応じた冷却条件に上記水冷設備を調整する金属板の冷却制御方法であって、
上記伝熱モデルで演算した温度降下量と実績の温度降下量との誤差比率若しくは偏差に基づき、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量を補正することを特徴とするものである。

次に、請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した構成に対し、上記仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に、上流側から水冷ゾーン及び空冷ゾーンが設けられ、水冷ゾーンに上記水冷設備が配置され、
少なくとも目標巻取り温度及び仕上げ圧延機出側実績温度に基づき上記伝熱モデルで水冷ゾーン出側での予測温度降下量を予測し、その伝熱モデルで演算した温度降下量と水冷ゾーン出側での実績温度降下量に基づき、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量を補正することを特徴とするものである。

次に、請求項４に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、少なくとも目標巻取り温度及び仕上げ圧延機出側実績温度に基づき上記伝熱モデルで水冷ゾーン出側及び空冷ゾーン出側での各予測温度降下量を予測し、その伝熱モデルで演算した水冷ゾーン出側での温度降下量と水冷ゾーン出側での実績温度降下量との誤差比率による補正、及び伝熱モデルで演算した空冷ゾーン出側での温度降下量と空冷ゾーン出側での実績温度降下量との偏差による補正を、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量に施すことを特徴とするものである。
次に、請求項５に記載した発明は、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載した構成に対し、上記伝熱モデルは、差分方程式を使用していることを特徴とするものである。

本発明を採用すると、次回の予測温度降下量の演算時にも今までと同様の演算誤差が生じるものとして、伝熱モデル自体を変更することなく、当該伝熱モデルで演算した予測温度降下量を今までの誤差により補正し、補正後の予測温度降下量に基づき冷却設備の冷却能を設定することで、早期に補正が反映でき且つ冷却制御の精度が向上、つまり巻取り温度の精度が向上する。

次に、本発明に係わる実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、熱間圧延工程における冷却制御装置の概要図である。なお、本実施形態では、金属板として鋼板を例示して説明するが、他の金属板の冷却制御設備についても適用可能である。
本実施形態では、図１に示すように、仕上げ圧延機１で熱間圧延された金属板である鋼板２は、ランナウトテーブルで巻取り機３に向けて連続的に搬送され、連続的に巻取り機３に巻き取られてコイルとなる。

上記仕上げ圧延機１の出側から巻取り機３までのパスラインに沿って、上流側から水冷ゾーン及び空冷ゾーンが設けられ、水冷ゾーンには、独立に注水制御可能な複数のバンクからなる水冷設備４が配置されて、鋼板２に向けて注水することで鋼板２を急冷可能となっている。
各バンクは、コントローラ６からの指令によって注水の有無及び量が制御されることで、水冷設備４の冷却条件が調整される。

また、仕上げ圧延機１出側、水冷ゾーン出側及び空冷ゾーン出側にはそれぞれ温度計７，８，９が設置されていて、各温度計７，８，９，は、それぞれ各位置を通過する鋼板２の温度の実績値を連続的に測定してコントローラ６に出力している。
ここで、以下の説明では、仕上げ圧延機１の出側をＦＤＴと、水冷ゾーン出側をＣＴＮと、空冷ゾーン出側（巻取り温度の測定位置）をＣＴＳと呼称する場合もある。また、上記鋼板２は、長さ方向に沿って所定長さ毎（例えば１ｍ毎）のピースに仮想的に区分され、各ピース毎に使用するバンクや注水量が調整されることでそれぞれ所定の温度に冷却される。

また、コントローラ６は、温度降下予測部６Ａ、補正部６Ｂ、及び注水制御部６Ｃを備える。そのコントローラ６には、鋼板２の搬送速度及び仕上げ圧延終了後の鋼板２の板厚等の情報が供給される。
上記温度降下予測部６Ａは、鋼板２が所定長さ（例えば１ｍ）進む毎に、ＦＤＴでの温度計実績、最新の搬送予測結果を伝熱モデルに入力し、当該ＦＤＴ位置にあるピース部分がＣＴＮ位置に移動したときのＣＴＮ予測温度（ＣＴＮ予測温度からＦＤＴでの温度計実績を引けば、ＣＴＮでの予測温度降下量になる）を当該伝熱モデルを使用して演算して、各ピース部分毎の予測温度及を温度降下補正部６Ｂに出力する。

上記伝熱モデルとしては、公知の伝熱モデルを使用することができるが、本実施形態では、クランクニコルソン法その他の差分方程式を使用した伝熱モデルとする。なお、差分方程式を使用する伝熱モデルである差分温度モデルは、熱伝達係数の逆算が不可能で、熱伝達係数の学習を行うには、熱伝達係数の大きさを変化させながら収束計算を行う必要があり、計算機負荷が大きく且つ迅速な学習値の演算が困難である。

上記補正部６Ｂでは、ＦＤＴ〜ＣＴＮの水冷部分、及びＣＴＮ〜ＣＴＳの空冷部分毎に、その範囲での温度降下量の誤差比率若しくは偏差に基づき、補正のための学習値ＴＣＦｎ、ＴＣＦｓを連続的に演算し更新する。
そして、上記温度降下予測部６Ａから入力したＣＴＳ予測温度を上記学習値ＴＣＦｎ、ＴＣＦｓによって補正して、補正後の学習ＣＴＳ予測温度を注水制御部６Ｃに出力する。

注水制御部６Ｃでは、学習ＣＴＳ予測温度及びＦＤＴ実績温度から求まる補正後の予測温度降下量に基づき、マップなどによって、現在ＦＤＴ位置を通過したピースを冷却する為に注水するバンクを選択すると共にそのバンクの注水量を選定して当該ピースの冷却条件である注水スケジュールを演算し、当該ピースの移動に沿って上記注水スケジュールに合わせて冷却制御を行う。なお、上記説明では、これから水冷設備４で急冷されるピースの温度降下量を補正するように説明しているが、学習項の反映開始時などにおいて、水冷途中のピースについても降下温度を補正して、下流側の水冷条件を変更するようにしてもよい。

次に、上記補正部６Ｂの処理について、本実施形態の方法を説明する。
「ＦＤＴ〜ＣＴＮでの水冷部分」
ＦＤＴ〜ＣＴＮの水冷部分の学習値ＴＣＦｎは、次のように温度降下量の誤差比率から求める。
ある瞬間における比例誤差による学習値の値をＴＣＦｎと定義すると、ＴＣＦｎは次の式で表現できる。
ＴＣＦｎ＝（ＦＤＴ実績温度 −ＣＴＮ実績温度）
÷（ＦＤＴ実績温度 −ＣＴＮ予測温度）

このＴＣＦｎを、ＣＴＮ予測温度が求まる毎（鋼板２が所定長さ（例えば１ｍ）進む毎）に演算し、その演算の毎に、上記学習値ＴＣＦｎを平準化して更新するために、本実施形態では指数平滑法を採用し、今回のＴＣＦｎに指数平滑係数Ｇ１を、前回の更新値ＴＣＦｎold に（１−Ｇ１）を演算して、下記の式のように、順次に学習値ＴＣＦｎnew を更新する。
ＴＣＦｎnew ＝（１−Ｇ１）×ＴＣＦｎold ＋Ｇ１ ×ＴＣＦｎ
ＴＣＦｎold ← ＴＣＦｎnew
ここで、指数平滑係数Ｇ１は、０≦Ｇ１＜１の値であって、小さな値に設定するほどＴＣＦｎnew は滑らかに更新され、１に近づくほど原データとの差が小さくなる。この指数平滑係数Ｇ１は、実験などから適切な値に設定すればよい。
そして、下記式のように、学習値を乗算してＦＤＴ〜ＣＴＮでの温度降下量を補正する。
補正後のＦＤＴ〜ＣＴＮでの温度降下量
＝ＴＣＦｎold ×（ＦＤＴ実績温度−ＣＴＮ予測温度）

「ＣＴＮ〜ＣＴＳでの空冷部分」
ＣＴＮ〜ＣＴＳでの空冷部分の学習値ＴＣＦｓは、次のように温度降下量の偏差から求める。
ある瞬間における偏差による学習値の値をＴＣＦｓと定義すると、ＴＣＦｓは次の式で表現できる。
ＴＣＦｓ＝（ＣＴＳ実績温度 −ＣＴＳ予測温度）
なお、実際には、ＣＴＮ実績温度及びＣＴＮ予測温度も加味して降下量の偏差を演算すべきであるが、簡略化しＣＴＮ実績温度＝ＣＴＮ予測温度として、上記式を使用している。

このＴＣＦｓを、ＣＴＳ予測温度が求まる毎（鋼板２が所定長さ（例えば１ｍ）進む毎）に演算し、その演算の毎に、上記学習値ＴＣＦｓを平準化して更新するために、本実施形態では、指数平滑法を採用し、今回のＴＣＦｓに指数平滑係数Ｇ２を、前回の更新値ＴＣＦｓold に（１−Ｇ２）を演算して、連続的に学習値ＴＣＦｓnew を更新しておく。
ＴＣＦｓnew ＝（１−Ｇ２）×ＴＣＦｓold ＋Ｇ２ ×ＴＣＦｓ
ＴＣＦｓold ← ＴＣＦｓnew

ここで、指数平滑係数Ｇ２は、０≦Ｇ２＜１の値であって、小さな値に設定するほどＴＣＦｎnew は滑らかに更新され、１に近づくほど原データとの差が小さくなる。この指数平滑係数Ｇ１は、実験などから適切な値に設定すればよい。
そして、下記式のように、学習値分だけ温度補正をＣＴＮ〜ＣＴＳでの温度降下量に補正を施す。
補正後のＣＴＮ〜ＣＴＳでの温度降下量
＝ＣＴＮ予測温度 −ＣＴＳ予測温度 ＋ＴＣＦｓold

以上のことから、両学習値が存在する状態となった後は、伝熱モデルで演算したＣＴＳ温度は下記式によって補正されてから、注水制御部６Ｃに出力されることとなる。
補正後のＣＴＳ温度
＝ＦＤＴ実績温度 −補正後のＦＤＴ〜ＣＴＮでの温度降下量
−補正後のＣＴＮ〜ＣＴＳでの温度降下量
＝ＦＤＴ実績温度 −ＴＣＦｎold ×（ＦＤＴ実績温度−ＣＴＮ予測温度）
−（ＣＴＮ予測温度 −ＣＴＳ予測温度 ＋ＴＣＦｓold ）

次に、上記冷却制御方法の作用・効果などについて説明する。
鋼板２は、連続して仕上げ圧延され、所定長さ搬送されるたびにＦＤＴ実績温度が計測され、そのＦＤＴ実績温度及び目標巻取り温度（ＣＴＳ予測温度）に基づきＣＴＮ予測温度が伝熱モデルを使用して演算され、ＦＤＴ実績温度およびそのＣＴＮ予測温度によるＣＴＮでの温度降下量となるように、当該ピース部分に対する注水条件（冷却条件）が設定されることで、各ピース部分毎にフィードフォワード制御で水冷制御される。

このとき、本実施形態では、ＣＴＮでの温度降下量の誤差比率及びＣＴＳでの温度降下量の偏差に応じた誤差の学習値で、これから水冷冷却するピース部分のＣＴＮでの温度降下量を補正することで、冷却制御の精度が向上して巻取り温度の精度が向上する。
また、本実施形態では、従来のように、伝熱モデル自体の熱伝達係数モデル学習項を演算更新するのではなく、伝熱モデルが演算した演算値を今までに温度降下量の比例誤差若しくは偏差によって補正することで、学習項の反映が迅速に行えるため、各鋼板２の先端部側の学習項が反映されずに不良となる可能性のある部分を小さくすることができる。

また、少なくとも、実際の鋼板２がＣＴＳの位置に来る前である水冷ゾーンを出た位置の情報で学習項を補正することで、より短時間で補正を開始することが可能になる。
例えば、厚肉パイプ材用の鋼板２は、１００ｍ程度と短尺であることから、ＣＴＳに先端部が通過してから補正を開始すると、鋼板２の後端部が水冷ゾーンを通過してしまい実質補正が出来ないおそれがあるが、このことを本実施形態では抑えることができる。

ここで、空冷ゾーンでの学習項を偏差で演算し更新しているは、誤差比率を使用すると学習項がハンチングするおそれがあるためである。なお、冷却制御は実質的に水冷ゾーンで行われるため、空冷ゾーンでの学習項を使用することなく、水冷ゾーンの学習項だけで予測温度降下を補正するようにしても良い。
また、上記実施形態では、早期に学習効果を出すために、水冷ゾーンと空冷ゾーンの２つに分けて学習項を演算しているが、ＦＤＴ〜ＣＴＳまでを一つのゾーンとみて、ＣＴＳでの温度降下量を、上述のようなＣＴＳでの誤差比率若しくは偏差による学習項で補正するようにしても良い。
ここで、本実施形態では、前段の水冷ゾーンでは誤差比率で学習項を演算して更新し、空冷ゾーンでは偏差で学習項を演算して更新しているが、空冷ゾーンを第２の水冷ゾーンとしても良い。

本発明に基づく実施形態に係る冷却制御設備を示す概略構成図である。

符号の説明

ＦＤＴ 仕上げ圧延機出側
ＣＴＮ 水冷ゾーン出側
ＣＴＳ 空冷ゾーン出側
１ 仕上げ圧延機
２ 鋼板
３ 巻取り機
４ 水冷設備
６ コントローラ
６Ａ 温度降下予測部
６Ｂ 補正部
６Ｃ 注水制御部
７ 仕上げ圧延機出側の温度計
８ 水冷ゾーン出側の温度計
９ 空冷ゾーン出側（巻取り機直前）の温度計

Claims (5)

1. 熱間圧延工程における仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に配置された水冷設備での冷却条件を調整することで搬送される金属板の温度を降下させて、当該金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御するに際し、上記目標巻取り温度にするための温度降下量を伝熱モデルで演算する温度降下予測部と、その演算した温度降下量に応じた冷却条件に上記水冷設備を調整する注水制御部とを備えた金属板の冷却制御装置であって、
   上記伝熱モデルで演算した温度降下量と実績の温度降下量との誤差比率若しくは偏差に基づき、次回の伝熱モデルで演算する温度降下量を補正する補正部を備えることを特徴とする金属板の冷却制御装置。
2. 熱間圧延工程における仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に配置された水冷設備での冷却条件を調整することで搬送される金属板の温度を降下させて、当該金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御するに際し、上記目標巻取り温度にするための温度降下量を伝熱モデルで演算し、その演算した温度降下量に応じた冷却条件に上記水冷設備を調整する金属板の冷却制御方法であって、
   上記伝熱モデルで演算した温度降下量と実績の温度降下量との誤差比率若しくは偏差に基づき、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量を補正することを特徴とする金属板の冷却制御方法。
3. 上記仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に、上流側から水冷ゾーン及び空冷ゾーンが設けられ、該水冷ゾーンに上記水冷設備が配置されて、
   少なくとも目標巻取り温度及び仕上げ圧延機出側実績温度に基づき上記伝熱モデルで水冷ゾーン出側での予測温度降下量を予測し、その伝熱モデルで演算した温度降下量と水冷ゾーン出側での実績温度降下量に基づき、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量を補正することを特徴とする請求項２に記載した金属板の冷却制御方法。
4. 少なくとも目標巻取り温度及び仕上げ圧延機出側実績温度に基づき上記伝熱モデルで水冷ゾーン出側及び空冷ゾーン出側での各予測温度降下量を予測し、その伝熱モデルで演算した水冷ゾーン出側での温度降下量と水冷ゾーン出側での実績温度降下量との誤差比率による補正、及び伝熱モデルで演算した空冷ゾーン出側での温度降下量と空冷ゾーン出側での実績温度降下量との偏差による補正を、次回の伝熱モデルで演算した温度降下量に施すことを特徴とする請求項３に記載した金属板の冷却制御方法。
5. 上記伝熱モデルは、差分方程式を使用していることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載した金属板の冷却制御方法。

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