JP2014161900A - 差厚鋼板の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストを低く抑えつつ製造速度を高めることができる差厚鋼板の製造装置を提供する。
【解決手段】差厚鋼板の製造装置１は、圧下装置１９を有する圧延機１０と、圧延機に進入する被圧延材Ｓを加熱する加熱装置１４と、加熱装置における加熱量を制御する加熱量制御装置１６と、圧延機によって圧延されている被圧延材のうち圧延機によって既に圧延された部分の圧延方向の長さである圧延長を検出又は算出する圧延長推定装置とを具備する。加熱量制御装置は、被圧延材の圧延中において、製造装置によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布である目標厚さパターンに応じて、圧延長推定装置によって検出又は算出された圧延長に基づいて加熱量を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークロールを有する圧延機を用いて長手方向に板厚差を有する差厚鋼板を製造する製造装置およびその製造方法に関する。

近年、自動車の燃費を向上させるために、その軽量化が推進されている。このような軽量化の方法の一つとして、自動車のボディを構成する金属材料を改良することが挙げられる。具体的には、自動車のボディの構成部材の鋼材を薄手且つ高強度な鋼材に変更する方法や、構成部材の材料を鋼よりも比重の軽いアルミニウム合金やマグネシウム合金に変更する方法に加え、許容される性能が確保できる限界まで構成部材の板厚を薄くすべく構成部材に板厚分布を付ける方法などが挙げられる。

このうち構成部材に板厚分布を付ける方法に関して、板厚分布が付けられた鋼板は一般に差厚鋼板と呼ばれている。差厚鋼板には用途に応じて様々な種類がある。例えば、長さ２０００ｍｍ程度、幅５００ｍｍ程度の材料に長手方向両端から３００ｍｍまでは板厚２ｍｍ、中央部は板厚１．６ｍｍの凹型のもの（板厚２水準対称型）や、逆に長手方向両端から３００ｍｍまでは板厚１．８ｍｍ、中央部は板厚２．０ｍｍの凸型のもの（板厚２水準対称型）等が挙げられる。その他にも、板厚が長手方向にテーパ状に変化したものや、板厚多水準の対称型又は非対称型のもの等が挙げられる。

このような差厚鋼板の製造方法としては、例えば、圧延機を用いて、圧延中にワークロールの圧下位置（ロールギャップ）を操作する方法が考えられる（例えば、特許文献１）。特に、特許文献１に記載の圧延方法では、圧延荷重を検出するロードセルが設けられると共に、ロードセルによって検出される圧延荷重が、要求される板厚に基づいて算出された要求荷重となるように圧下装置が制御される。なお、差厚鋼板の製造方法としては、圧延機を用いた方法の他にプレスによる方法等も考えられることから、本明細書では圧延機を用いて差厚鋼板を製造する方法を、特に、圧延法による差厚鋼板の製造方法と称する。

ところで、圧延法による差厚鋼板の製造方法としては、圧延機出側に設けられた板厚検出装置により圧延機出側における被圧延材の板厚を検出し、その検出値に基づいて圧下位置を制御することが考えられる。しかしながら、差厚鋼板では板厚が一定な部分の圧延方向の長さは一般に短い。このため、ロールバイト出口から板厚検出装置までに或る程度の距離があることから、無駄時間が生じるので、この方法では適切な板厚制御を行うことができない。

また、圧延法による差厚鋼板の別の製造方法としては、圧延機入側における被圧延材の板厚および速度と圧延機出側における被圧延材の速度とを検出し、マスフロー一定則を用いて圧延機出側における被圧延材の板厚を推定し、その推定値に基づいて圧下位置を制御することも考えられる。しかしながら、マスフロー一定則を用いた方法でも圧延機出側において被圧延材の速度を検出する装置をロールバイト出口の直近に設置することは困難であるため無駄時間が生じることと、被圧延材に幅広がりが生じること等によって被圧延材の板厚に推定誤差が生じることから、この方法によっても適切な板厚制御を行うことができない。その上、この方法では、複数の速度検出装置および板厚検出装置が必要になることから、設備コストも上昇してしまう。

このような状況を考慮して、圧延法による差厚鋼板の製造方法としては、プリセット圧延法および絶対値圧延法が提案されている。プリセット圧延方法では、圧延機の圧下位置とこの圧延機によって圧延された被圧延材の板厚との関係が予め実験や数値計算等により求められる。圧延中には、圧延機によって圧延されている被圧延材のうち圧延機によって既に圧延された部分の圧延方向の長さである圧延長がワークロールの回転速度に基づいて算出されると共に、予め求められた圧下位置と圧延後の板厚との関係と、算出された圧延長とに基づいて被圧延材の板厚の分布が目標板厚パターンとなるように圧下位置が制御される。

また、絶対値圧延法では、圧延荷重と圧延機の変形との関係（圧延機の変形特性）が予め実験や数値計算等により求められる。圧延中には、圧延長がワークロールの回転速度に基づいて算出されると共に、圧延荷重が検出されて、予め求められた圧延機の変形特性と検出された圧延荷重とに基づいてロールバイト出口における被圧延材の板厚が推定される。そして、算出された圧延長に基づいて、このようにして推定された板厚が目標板厚となるように圧下位置が制御される。

特開平３−２８１０１０号公報

ところで、上述したように、圧延法による差厚鋼板の製造方法では、基本的に、圧延機の圧下位置を変化させることで被圧延材の板厚を変化させるようにしている。このような方法を用いた場合、差厚鋼板の製造速度（生産性）を速めるためには、圧下位置の制御速度を高めることが必要になる。一般に、油圧圧下装置は応答性が高いことから、圧下位置の制御速度を高めるためには油圧圧下装置の設置が必須となる。ところが、油圧圧下装置は高価であるため、設備コストが高くなり、結果として差厚鋼板の製造コストの上昇を招く。

一方、圧下装置としては、油圧圧下装置の他に電動圧下装置も存在する。電動圧下装置は油圧圧下装置に比べて安価であるため、圧下装置として電動圧下装置を用いれば設備コストを低く抑えることができる。ところが、電動圧下装置の圧下位置に関する応答性は低いため、電動圧下装置を用いた場合には圧延速度（被圧延材が圧延機から送出される速度）を遅くしなければならず、その結果、製造速度が遅くなってしまう。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、設備コストを低く抑えつつ製造速度を高めることができる、差厚鋼板の製造装置および製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意研究を行い、圧下位置をほとんど操作しなくても、圧延機入側で被圧延材を加熱して被圧延材の長手方向に温度分布を生じさせた状態で圧延機により圧延を行うことで、差厚鋼板を比較的速い製造速度で製造することができること、およびこの場合には圧下位置をほとんど操作しなくて良いことから、このとき使用する圧下装置は応答性の高い油圧圧下装置でなくてもよいことを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）圧下装置を有する圧延機と、該圧延機の入側に設けられて該圧延機に進入する被圧延材を加熱する加熱装置と、該加熱装置における加熱量を制御する加熱量制御装置と、前記圧延機によって圧延されている被圧延材のうち該圧延機によって既に圧延された部分の圧延方向の長さである圧延長を検出又は算出する圧延長推定装置とを具備し、前記加熱量制御装置は、前記被圧延材の圧延中において、当該製造装置によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布である目標厚さパターンに応じて、前記圧延長推定装置によって検出又は算出された圧延長に基づいて前記加熱装置の加熱量を変化させる、差厚鋼板の製造装置。
（２）前記加熱量制御装置は、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも薄くするときには加熱量を大きくし、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも厚くするときには加熱量を小さくする、上記（１）に記載の差厚鋼板の製造装置。
（３）前記圧延機における圧下位置は、一つの被圧延材の圧延期間全体に亘って一定に維持される、上記（１）又は（２）に記載の差厚鋼板の製造装置。
（４）前記加熱量制御装置は、前記圧延機に進入する被圧延材の入側鋼板温度と圧下率との関係をマップとして又は計算式として保持し、前記圧延機によって被圧延材が前記目標厚さパターンとなるように、当該加熱量制御装置に保持された前記入側鋼板温度と圧下率との関係に基づいて前記圧延長推定装置によって検出又は算出された圧延長を用いて加熱量を変化させる、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の差厚鋼板の製造装置。
（５）前記目標厚さパターンを入力するためのパターン入力装置を更に具備する、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の差厚鋼板の製造装置。
（６）前記圧延機から送出された被圧延材の冷却を行う圧延材冷却装置を更に具備し、該圧延材冷却装置は当該圧延材冷却装置によって冷却される被圧延材の板厚に応じて冷却条件を変更する、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の差厚鋼板の製造装置。
（７）前記圧延材冷却装置は、当該圧延材冷却装置によって冷却される被圧延材の板厚が薄くなるほど強く冷却を行う、上記（６）に記載の差厚鋼板の製造装置。
（８）前記圧延機は被圧延材の圧延を行う一対のワークロールを具備し、
当該差厚鋼板の製造装置は、前記一対のワークロールの冷却を行うワークロール冷却装置を更に具備し、該ワークロール冷却装置は、前記ワークロールの回転に伴って冷却条件を変更する、上記（１）〜（７）のいずれか１つに記載の差厚鋼板の製造装置。
（９）前記圧延機は被圧延材の圧延を行う二つのワークロールを具備し、これらワークロールはその表面に焼結層を有する、上記（１）〜（８）のいずれか１つに記載の差厚鋼板の製造装置。
（１０）圧下装置を有する圧延機と、該圧延機の入側に設けられて該圧延機に侵入する被圧延材を加熱する加熱装置とを具備する差厚鋼板の製造装置による差厚鋼板の製造方法において、当該製造方法によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布である目標厚さパターンに応じて、前記加熱装置によって被圧延材を加熱する加熱量を前記被圧延材の圧延中に変化させる、差厚鋼板の製造方法。
（１１）前記加熱装置による被圧延材の加熱量は、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも薄くするときに大きくされ、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも厚くするときに小さくされる、上記（１０）に記載の差厚鋼板の製造方法。
（１２）前記圧延機における圧下位置は、一つの被圧延材の圧延期間全体に亘って一定に維持される、上記（１０）又は（１１）に記載の差厚鋼板の製造方法。
（１３）前記圧延機に進入する被圧延材の入側鋼板温度と入側板厚と出側板厚との関係を温度および圧下率の関係として予め求め、前記加熱装置によって被圧延材を加熱する加熱量は、前記圧延機によって被圧延材が前記目標厚さパターンとなるように、前記温度および圧下率の関係に基づいて変化せしめられる、上記（１０）〜（１２）のいずれか１つに記載の差厚鋼板の製造方法。

本発明の差厚鋼板の製造装置および製造方法によれば、設備コストを低く抑えつつ製造速度を高めることができるようになる。

図１は、本発明の差厚鋼板の製造装置を概略的に示す図である。 図２は、板厚３．０６ｍｍ、板幅４００ｍｍの６０キロハイテンにおける入側板温度と圧下率と圧延荷重との関係を示す図である。 図３は、圧延長に対する目標厚さと加熱量との関係を示す図である。 図４は、本実施例で製造した差厚鋼板の寸法を示す断面図である。 図５は、第二実施形態で用いられる加熱装置を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は本発明の第一実施形態に係る差厚鋼板の製造装置１を概略的に示す図である。図１に示すように、製造装置１は、圧延機１０の入側において、被圧延材である金属ストリップＳが巻出されるペイオフリール１１と、ペイオフリール１１に巻回されている金属ストリップＳを巻出すピンチロール１２と、金属ストリップＳの進行方向（図１に矢印で示した方向）を変更する入側デフレクターロール１３と、圧延機１０に進入する金属ストリップＳを加熱する加熱装置１４と、加熱装置１４と圧延機１０との間に配置されて加熱装置１４から送出された金属ストリップＳの温度を検出する温度センサ１５とを具備する。

加えて、製造装置１は、圧延機１０の出側において、圧延機１０で圧延された金属ストリップＳを冷却する圧延材冷却装置２１と、金属ストリップＳの進行方向において圧延材冷却装置２１の下流側に設けられて圧延材冷却装置２１から送出された金属ストリップＳの温度を検出する温度センサ２２と、金属ストリップＳの進行方向を変更する出側デフレクターロール２３と、金属ストリップＳを巻き取るテンションリール２４とを具備する。

このように構成された製造装置１では、被圧延材である金属ストリップＳがペイオフリール１１に巻回された状態で製造装置１にセットされる。金属ストリップＳの進行方向においてペイオフリール１１の下流側にはピンチロール１２が設けられる。ピンチロール１２はモータ等の駆動装置（図示せず）によって駆動され、ペイオフリール１１に巻回されている金属ストリップＳを巻出す。金属ストリップＳの進行方向においてピンチロール１２の下流側には入側デフレクターロール１３が設けられる。入側デフレクターロール１３は駆動装置等によって駆動されていない回転自在なロールである。

本実施形態では、ピンチロール１２の回転速度は、図１に示したように、ピンチロール１２と入側デフレクターロール１３との間において金属ストリップＳに所定のたるみが形成されるように制御される。このように金属ストリップＳに所定のたるみを形成することによって、金属ストリップＳの自重により圧延機１０入側において金属ストリップＳに加わる張力（以下、「圧延機入側張力」という）を所定の張力に保つことができる。圧延機入側張力を一定に保つ方法としては、一般に、張力制御を行うための高価な設備を別途設けることが必要になるが、本実施形態ではピンチロール１２と入側デフレクターロール１３との間における金属ストリップＳのたるみを制御するだけで圧延機入側張力を制御している。このため、本実施形態によれば、安価な設備で圧延機入側張力を制御することができる。

図１に示したように、金属ストリップＳの進行方向において入側デフレクターロール１３の下流側であって圧延機１０の直ぐ上流には加熱装置１４が設けられる。本実施形態では、加熱装置１４は、金属ストリップＳの上方及び下方に配置された誘導加熱コイルを具備し、これら誘導加熱コイルに電流を流すことで金属ストリップＳを誘導加熱する誘導加熱装置である。なお、加熱装置１４は、必ずしも誘導加熱コイルを用いたものである必要はなく、金属ストリップＳを局所的に加熱することができれば如何なる加熱装置を用いてもよい。したがって、例えば、金属ストリップＳの上下に接触して通電加熱ロール間で金属ストリップＳに電流を流すことで金属ストリップＳの加熱を行う通電加熱装置や、赤外線加熱を利用した装置等、様々な方法を用いた加熱装置を使用可能である。

金属ストリップＳの進行方向において加熱装置１４の直ぐ下流には金属ストリップＳの温度を検出する温度センサ１５が配置される。加熱装置１４および温度センサ１５は共に制御装置１６に接続される。加熱装置１４は、圧延機１０に進入する金属ストリップＳの温度が目標温度になるように、温度センサ１５によって検出された温度に基づいてフィードバック制御される。なお、加熱装置１４は必ずしも温度センサ１５によって検出される温度に基づいてフィードバック制御されなくてもよく、目標温度に基づいたフィードフォーワード制御等、様々な方法で制御可能である。

本実施形態において、圧延機１０は４段圧延機であり、一対のワークロール１７と一対のバックアップロール１８とを具備する。各ワークロール１７はその表面に焼結層を有するように形成されている。上バックアップロール１８のロールチョック（図示せず）上部には、ワークロール１７の圧下位置（すなわち、ワークロール１７間のロールギャップ）を制御する電動圧下装置１９が設けられる。また、上バックアップロール１８のロールチョック上部には圧延荷重を検出するためのロードセル（図示せず）が設けられる。これら電動圧下装置１９およびロードセルは制御装置１６に接続される。したがって、ロードセルによって検出された圧延荷重は制御装置１６に入力されると共に、電動圧下装置１９は制御装置１６によって制御される。

また、本実施形態では、ワークロール１７にはワークロール１７の回転速度を検出するための速度検出装置（図示せず）が設けられる。速度検出装置は制御装置１６に接続されると共に、制御装置１６では速度検出装置によって検出されたワークロール１７の回転速度に基づいて、圧延機１０によって圧延されている金属ストリップＳのうち圧延機１０によって既に圧延された部分の圧延方向の長さ（以下、「圧延長」という）が算出される。なお、圧延長の検出又は算出（推定）は他の方法によって行われてもよい。例えば、圧延長の推定は、圧延機１０から送出された金属ストリップＳの速度を検出する装置の出力に基づいて行われてもよい。

加えて、ワークロール１７近傍には、ワークロール１７の冷却を行うワークロール冷却装置２５が設けられる。なお、図１に示した例では、ワークロール冷却装置２５は、上ワークロール１７の近傍のみに配置されて上ワークロール１７を冷却するように構成されているが、下ワークロール１７の近傍に配置して下ワークロール１７を冷却するように、或いは上下ワークロール１７の近傍に配置して上下ワークロールを冷却するように構成されてもよい。

本実施形態では、圧延材冷却装置２１ではワークロール１７に対して常温の冷却媒体（例えば、エマルション潤滑油）を吹き付けることにより冷却が行われる。このため、ワークロール１７に吹き付けられる冷却媒体の量が多くなるほど、冷却媒体が吹き付けられたワークロール１７の部分が強く冷却される。なお、ワークロール１７を冷却するワークロール冷却装置２５としては、ワークロール１７を局所的に冷却することができれば如何なる冷却装置を用いてもよい。

金属ストリップＳの進行方向において圧延機１０の直ぐ下流側には圧延材冷却装置２１が設けられる。本実施形態では、圧延材冷却装置２１では金属ストリップＳに対して常温の冷却媒体を吹き付けることにより冷却が行われる。このため、金属ストリップＳに吹き付けられる冷却媒体の量が多くなるほど、冷却媒体が吹き付けられた金属ストリップＳの部分が強く冷却される。なお、圧延機１０から送出された金属ストリップＳを冷却する圧延材冷却装置２１としては、金属ストリップＳを局所的に冷却することができれば如何なる冷却装置を用いてもよい。

金属ストリップＳの進行方向において圧延材冷却装置２１の直ぐ下流には金属ストリップＳの温度を検出する温度センサ２２が配置される。圧延材冷却装置２１および温度センサ２２は共に制御装置１６に接続される。圧延材冷却装置２１は、圧延材冷却装置２１によって冷却された金属ストリップＳの温度が目標温度となるように、温度センサ２２によって検出された温度に基づいてフォードバック制御される。なお、圧延材冷却装置２１は必ずしも温度センサ２２によって検出される温度に基づいてフィードバック制御されなくてもよく、後述するように圧延機１０から送出された金属ストリップＳの板厚に基づいて制御されてもよい。

金属ストリップＳの進行方向において温度センサ２２の下流側には出側デフレクターロール２３が設けられる。出側デフレクターロール２３は駆動装置等によって駆動されていない回転自在なロールである。出側デフレクターロール２３の下流側にはテンションリール２４が設けられ、このテンションリール２４によって金属ストリップＳが巻き取られる。

なお、本実施形態では、金属ストリップＳの進行方向において圧延機１０の上流側には、金属ストリップＳの進行方向とは垂直な水平方向の位置を固定するために、複数のローラガイド（図示せず）が設けられる。また、本実施形態では、圧延機１０のロールバイト入口に圧延潤滑のための圧延潤滑油（例えば、エマルション潤滑油）を供給するための潤滑油供給装置（図示せず）が設けられる。特に、潤滑油供給装置で用いられる潤滑油とワークロール冷却装置２５で用いられる冷却媒体とを同じ潤滑油とされる。このため、潤滑油供給装置およびワークロール冷却装置２５へは共通の潤滑油タンクから潤滑油が供給されると共に、圧延機１０の下部に設けられた潤滑油回収槽（図示せず）を介して潤滑油タンクに回収される。また、制御装置１６は、製造装置１によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布（以下、「目標厚さパターン」という）を入力する入力装置（図示せず）を有していてもよい。

また、上記実施形態では、差厚鋼板の圧延は連続的な金属ストリップＳを用いて連続的に行われている。しかしながら、例えば、圧延機１０に所定長さの金属ストリップＳを供給するようにしてもよい。この場合、ペイオフリール１１およびテンションリール２４の替わりに所定長さの金属ストリップＳを積層式に貯留する貯留装置等が用いられる。

ところで、本願の発明者は、図１に示したような装置を用いて、圧延機１０に進入する金属ストリップＳの温度（以下、「入側板温度」という）を変化させたときの、圧下率と圧延荷重との関係を調査した。具体的な実験条件は以下のとおりである。

まず、金属ストリップＳとしては、６０キロハイテンと呼ばれる引っ張り強さが６００ＭＰaの材料を用いた。金属ストリップＳは、板厚が３．０６ｍｍ、板幅が４００ｍｍの熱延スリット材（黒皮材とよばれる表面に酸化スケールがついたコイル）とした。圧延機１０のワークロール１７は直径３００ｍｍ、胴長５００ｍｍであり、バックアップロール１８は直径１２００ｍｍ、胴長５００ｍｍである。

このような金属ストリップＳおよび圧延機１０を用いて実験を行った結果、図２に示したような結果を得た。図２から、入側板温度が高くなるにつれて圧延荷重が低下し、また、圧下率が増大するにつれて圧延荷重が増大することが分かる。図２において例えば、圧延時の圧延荷重を１ＭＮにした場合、入側材料の温度が常温では圧下率２％程度、５００℃では圧下率８％程度、７００℃では圧下率１８％程度、９００℃では圧下率４０％の圧延となる。すばわち、圧延荷重を１ＭＮで圧延した場合、圧下位置を操作しなくても、入側板温度を調整することにより、出側板厚を変えることができることが分かる。

そこで、本発明では、製造装置１によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布（目標厚さパターン）に応じて、圧延中に入側板温度を変化させるようにしている。また、入側板温度は、加熱装置１４の加熱量によって変化することから、本発明では、目標厚さパターンに応じて圧延中に加熱装置１４による金属ストリップＳの加熱量を変化させているといえる。

より具体的には、圧延機１０によってこれから圧延される金属ストリップＳの部分の板厚を直前に圧延された金属ストリップＳの部分の板厚よりも薄くするときには加熱量を大きくし、圧延機１０によってこれから圧延される金属ストリップＳの部分の板厚を直前に圧延された金属ストリップＳの部分の板厚よりも厚くするときには加熱量を小さくする。

また、本実施形態では、一つの金属ストリップＳの圧延期間全体に亘って、圧延機における圧下位置又は圧延荷重を変化させることなく一定に維持した状態で圧延が行われる。

図３は、例えば図４のような差厚鋼板を製造する場合における圧延長に対する目標厚さと加熱量との関係を示している。図から分かるように、目標厚さは、圧延長が長さａ〜ｂとなっている箇所において薄くなるように変化し、圧延長が長さｃ〜ｄとなっている箇所において更に薄くなるように変化する。そして、目標厚さは、圧延長が長さｅ〜ｆとなっている箇所において厚くなるように変化し、圧延長がｇ〜ｈとなっている箇所において更に厚くなるように変化して、圧延長が０〜ａまでの目標厚さと同じ目標厚さに戻る。

このような目標厚さのパターンに対して、加熱装置１４における加熱量は、圧延長が長さａ〜ｂとなっているときに徐々に増大し、これに伴って、圧延機１０によって圧延された金属ストリップＳの板厚が徐々に薄くなる。その後、圧延長が長さｃとなるまで一定の加熱量に維持され、その間、圧延機１０によって圧延された金属ストリップＳの板厚も一定に維持される。その後、圧延長が長さｃ〜ｄとなっているときに、加熱装置１４における加熱量が再び増大し、これに伴って、圧延機１０によって圧延された金属ストリップＳの板厚が徐々に薄くなる。その後、圧延長が長さｅ〜ｆとなっているときおよびｇ〜ｈとなっているときには加熱装置１４における加熱量が減少し、これに伴って、圧延機１０によって圧延された金属ストリップＳの板厚が徐々に厚くなる。

また、具体的な加熱量は、下記式（１）に基づいて算出される。
ｒ＝（ａＴ^２＋ｂＴ＋ｃ）Ｐ＋ｄ …（１）
式（１）において、ｒは圧下率、Ｐは圧延荷重、Ｔは温度である。また、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄは、例えば、図２に示したような実験結果に基づいて算出される値である。なお、式（１）では２次近似を行っているが、３次近似等、他の近似式を用いてもよい。

上記式（１）を用いることにより、目標厚さのパターンから算出された目標圧下率と、圧延荷重の設定値に基づいて、目標入側板温度を算出することができ、この目標入側板温度に基づいて加熱装置１４による加熱量が算出される。したがって、本実施形態では、上記式（１）又は同様なマップが制御装置１６に保持されると共に、実際に圧延を行う際には、圧延機１０の圧延によって金属ストリップＳが目標厚さパターンとなるように、制御装置１６に保持された圧下率とおよび圧延荷重と入側鋼板温度との関係に基づいて制御装置１６において算出された圧延長を用いて加熱装置１４による加熱量が変化せしめられる。

本発明によれば、このようにして、入側板温度を変化させることによって、圧延機１０の圧下位置を全く又はほとんど変化させることなく差厚鋼板を圧延・製造することができる。このため、圧下位置の変更に関する応答速度の低い電動圧下装置を用いたとしても、比較的高い製造速度で差厚鋼板の製造を行うことができる。

ところで、一般に圧延時の圧下率や温度が異なると、圧延後の差厚鋼板の品質（例えば強度）に差が生じる。差厚鋼板は、圧延後、プレスまたはホットプレス成形され、最終的な構造材が作製されるが、圧延後の差厚鋼板の品質にバラツキがあるとスプリングバックなどのバラツキを生じさせる。このため、一般的に差厚鋼板は圧延後に熱処理される場合が多い。

ここで、上述したように入側板温度を変化させることによって差厚鋼板のサンプルを圧延により製造した（素材や圧延機の条件等は上記実験に用いた条件と同じである）。このサンプルは、１ＭＮの圧延荷重をかけて温度２０℃と９００℃で圧延して得られたものであり、板厚が３ｍｍの部分と板厚が１．８７ｍｍの部分とを有する差厚鋼板である。この差厚鋼板のサンプルの製造時には、差厚鋼板の全ての領域において同一の条件で冷却を行った。

その結果、冷却なしの場合、この差厚鋼板のサンプルでは、板厚が３ｍｍの部分における耐力が４００ＭＰａであり、板厚が１．８７ｍｍの部分における耐力が３５０ＭＰａであった。この材料でＲ１０ｍｍのＶ曲げ試験を行ったところ、板厚が３ｍｍの部分と板厚が１．８７ｍｍの部分との間でスプリングバックの差により曲げ角度に３度の差が生じた。

そこで、本実施形態では、圧延材冷却装置２１は、圧延材冷却装置２１によって冷却される金属ストリップＳの板厚に応じて冷却条件を変更するように構成される。特に、本実施形態では、圧延材冷却装置２１によって冷却される金属ストリップＳの板厚が薄くなるほど強く冷却を行うようにしている。上述したように、本実施形態では、冷却媒体を吹き付けることにより冷却が行われることから、金属ストリップＳの板厚が薄くなるほど金属ストリップＳに吹き付けられる冷却媒体の量が多くされる。

ここで、金属ストリップＳの板厚は、入側板温度および圧延機１０における圧下率に応じて変化する。入側板温度が高いほど圧延機１０における圧下率が大きくなり、結果的に金属ストリップＳの板厚が薄くなり、しかも薄い板厚部分の耐力は大きくなる。したがって、本実施形態では、入側板温度が高くなるほど、および圧下率が高くなるほど金属ストリップＳは強く冷却される。

これにより、金属ストリップＳの耐力を板厚の異なる領域において同様な値とすることもできる。その結果、材質のバラツキがほとんどない差厚鋼板を製造することができ、これにより、従来、差厚鋼板は圧延後に熱処理されていたがこの工程を省略でき、よって製造コストを低減することができる。

また、具体的な冷却媒体の供給量は、下記式（２）に基づいて算出される。
σ_ｙ＝ｅＱ^２ｈ＋ｆＱｈ＋ｇ …（２）
式（２）において、σ_ｙは耐力、Ｑは冷却媒体の供給流量、ｈは圧延後の金属ストリップＳ（すなわち、圧延材冷却装置２１に進入する金属ストリップＳ）の板厚である。また、係数ｅ、ｆ、ｇは、予め実験や数値計算等を行って算出される値である。なお、式（２）では２次近似を行っているが、３次近似等、他の近似式を用いてもよい。

上記式（２）を用いることにより、圧延材冷却装置２１に進入する金属ストリップＳの板厚ｈと目標とする耐力（例えば一つの金属ストリップＳの圧延期間全体に亘って一定）σ_ｙとに基づいて、冷却条件である冷却媒体の流量Ｑを算出することができる。

この知見を用いて、上記差厚鋼板のサンプル製造時の冷却条件を板厚に応じて変化させた結果、板厚が３ｍｍの部分における耐力を４００ＭＰａ、板厚が１．８７ｍｍの部分における耐力を４０５ＭＰａとすることができた。この材料でＲ１０ｍｍのＶ曲げ試験を行ったところ、板厚が３ｍｍの部分と板厚が１．８７ｍｍの部分との間で曲げ角度に０．１度の差しか生じなかった。

ところで、ワークロール１７は圧延中に温度の変化する金属ストリップＳに接触する。このため、金属ストリップＳに接触したワークロール１７は、その周方向において温度分布が形成されてしまう。このように、ワークロール１７に周方向の温度分布が生じると、ワークロール１７の周方向において熱膨張の程度が変化し、結果的に、圧延機１０によって圧延される金属ストリップＳの板厚を薄くし、またその表面の平坦度を低下させてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、ワークロール冷却装置２５によってワークロール１７の冷却を行った際に、高温の金属ストリップＳと接触したワークロール１７の部分については冷却媒体の吹付け量を多くして強く冷却し、低温の金属ストリップＳと接触したワークロール１７の部分については冷却媒体の吹付け量を少なくして弱く冷却するようにしている。これにより、ワークロール１７の表面温度をその周方向に亘ってほぼ一定に維持することができ、その結果、ワークロール１７が熱膨張により周方向において変形してしまうことが抑制される。

また、本実施形態では、ワークロール１７の表面に焼結層が設けられる。このようにして設けられた焼結層は熱膨張しにくいことから、このようにワークロール１７の表面に焼結層を設けるとワークロール１７が熱膨張により周方向に変形することが抑制される。

次に、図５を参照して、本発明の第二実施形態に係る差厚鋼板の製造装置ついて説明する。第二実施形態の差厚鋼板の構成は、基本的に第一実施形態の差厚鋼板と同様である。しかしながら、第二実施形態では、第一実施形態とは異なる加熱装置が用いられている。

図５は、本実施形態における加熱装置１４’を概略的に示す図であり、図中の矢印は金属ストリップＳの進行方向を示している。図５に示したように、加熱装置１４’は、加熱制御装置３１、加熱トランス３２、通電ロール３３、ターンダウンロール３４、シンクロール３５、溶融金属浴３６が貯留されたポット３７、および導電線３８を具備する。

加熱制御装置３１は、金属ストリップＳの目標温度に基づいて加熱トランス３２（１次巻線）に交流電力を供給する。金属ストリップＳの目標温度が高いとき、すなわち金属ストリップＳの必要な加熱量が多い時には加熱トランス３２に供給する交流電力を大きくし、金属ストリップＳの目標温度が低いとき、すなわち金属ストリップＳの必要な加熱量が少ないときには加熱トランス３２に供給する交流電力を小さくする。

加熱トランス３２はいわゆるリングトランスであり、鉄心と、この鉄心に巻回された１次巻線とを具備する。本実施形態では、１次巻線に複数のタップが設けられており、加熱制御装置３１から供給される交流電力の出力先を複数のタップ間で切り替えることにより加熱トランス３２の１次巻線の数を変更することができる。

通電ロール３３は、金属ストリップＳの進行方向において上流側から搬送された金属ストリップＳに通電するためのロールであり、少なくともその表面が導電性の材料で形成されている。通電ロール３３は、加熱トランス３２の２次側の電極の一つになる。通電ロール３３を通過した金属ストリップＳは、加熱トランス３２内を、より詳細には加熱トランス３２の鉄心の中空部内を通る。

ターンダウンロール３４は、通電ロール３３から水平方向に搬送された金属ストリップＳの進行方向をポット３７内のシンクロール３５に向かう方向（斜め下方）に変更するロールである。ターンダウンロール３４を通った金属ストリップＳはポット３７内の溶融金属浴３６に進入し、その表面にメッキが施される。溶融金属浴３６は、例えば、溶融亜鉛浴や溶融亜鉛系合金浴であり、加熱トランス３２の２次側の電極の一つになる。導電線３８は、その一端が通電ロール３３に接続され、その他端が溶融金属浴３６に浸されている。

図５に示したように、本実施形態では、通電ロール３３と、通電ロール３３および溶融金属浴３６の間にある金属ストリップＳと、溶融金属浴３６と、導電線３８とにより、加熱トランス３２の２次回路（２次巻線）が形成される。この加熱トランス３２の２次巻線は１巻であるのに対して、加熱トランス３２が有する１次巻線の巻数は例えば５０〜１００巻（タップを切り替えることにより変更可能）である。このように１次巻線の巻数を２次巻線の巻数よりも格段に多くすることにより、加熱トランス３２の１次巻線に供給される交流電力が小さくても、２次巻線に大きな電流を流すことができる。

図１に示した装置を用いて長手方向に板厚差を有する差厚鋼板を製造した。素材等は上述した差厚鋼板のサンプルと同一である。図４に本実施例で製造した差厚鋼板の寸法を示す。図４は、製造した差厚鋼板を長手方向に切断した断面図である。また、テーパ部（板厚の異なる部分間の傾斜部）の長さは１０〜４０ｍｍとした。

本実施例では、電動圧下圧延機を用い、圧延荷重が１ＭＮになるように常温圧延時の圧下位置を設定した。圧延時には、ワークロールの回転速度から圧延長を推定し、その推定値に基づいて差厚鋼板の板厚の目標値を与え、その板厚の目標値になるよう入側板温度の目標値を算出し、その板温度の目標値になるよう加熱装置の加熱量を制御した。また、圧延後の板厚に基づいて材質のバラツキが無いように圧延材冷却装置における冷却条件（流量）を制御した。具体的には、圧延荷重を約１ＫＮ、入側板温度を常温、約７０８℃、約９１１℃の３段階に変化させた。冷却条件の目標値は入側板温度が常温の領域（板厚が最も厚い領域）では４０００ｃｃ/ｍｉｎ、約７０８℃の領域では６６８０cc/min、約９１１℃の領域では８１５０cc/minとした。この値は上記式（２）と同様な式を作成し、その式を用いて求めた。

比較例として、電動圧下圧延機を用い、予め実験によって求めた圧下位置（圧延荷重）と板厚の関係を用いて圧延機の圧下位置の制御を行った。圧延時には、ワークロールの回転速度から圧延長を推定し、その推定値に基づいて差厚鋼板の板厚の目標値を算出し、その板厚の目標値になるように圧延機の圧下位置を制御した。このとき、加熱装置による金属ストリップの加熱および圧延材冷却装置による冷却は行わなかった。

本実施例では図４に示した差厚鋼板を、圧延速度５０ｍ／ｍｉｎで板厚精度±１０％内で製造することができた。比較例においても、図４に示した差厚鋼板を、板厚精度±１０％内で製造することができた。ただし、電動圧下の圧下速度が３００μｍ／ｓｅｃであることから、上述したテーパ部の長さを１０〜４０ｍｍの間に収めるためには、圧延速度が約０．３〜１．５ｍ／ｍｉｎに制限された。本比較例では圧延速度は１ｍ／ｍｉｎとした。

また、圧延後の長手方向の材質バラツキ（耐力）は本実施例の場合５％内（最大板厚基準）であったが、比較例の場合＋４０％（最大板厚基準）内であった。なお、比較例におけるバラツキは別工程で熱処理することにより、本実施例とほぼ同じ程度にまで改善された。

１ 製造装置
１０ 圧延機
１１ ペイオフリール
１２ ピンチロール
１３ デフレクターロール
１４ 加熱装置
１５ 温度センサ
１６ 制御装置
１７ ワークロール
１８ バックアップロール
１９ 電動圧下装置
２１ 圧延材冷却装置
２２ 温度センサ
２３ デフレクターロール
２４ テンションリール
２５ ワークロール冷却装置
Ｓ 金属ストリップ

Claims (13)

1. 圧下装置を有する圧延機と、該圧延機の入側に設けられて該圧延機に進入する被圧延材を加熱する加熱装置と、該加熱装置における加熱量を制御する加熱量制御装置と、前記圧延機によって圧延されている被圧延材のうち該圧延機によって既に圧延された部分の圧延方向の長さである圧延長を検出又は算出する圧延長推定装置とを具備し、
   前記加熱量制御装置は、前記被圧延材の圧延中において、当該製造装置によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布である目標厚さパターンに応じて、前記圧延長推定装置によって検出又は算出された圧延長に基づいて前記加熱装置の加熱量を変化させる、差厚鋼板の製造装置。
2. 前記加熱量制御装置は、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも薄くするときには加熱量を大きくし、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも厚くするときには加熱量を小さくする、請求項１に記載の差厚鋼板の製造装置。
3. 前記圧延機における圧下位置は、一つの被圧延材の圧延期間全体に亘って一定に維持される、請求項１又は２に記載の差厚鋼板の製造装置。
4. 前記加熱量制御装置は、前記圧延機に進入する被圧延材の入側鋼板温度と圧下率との関係をマップとして又は計算式として保持し、前記圧延機によって被圧延材が前記目標厚さパターンとなるように、当該加熱量制御装置に保持された前記入側鋼板温度と圧下率との関係に基づいて前記圧延長推定装置によって検出又は算出された圧延長を用いて加熱量を変化させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の差厚鋼板の製造装置。
5. 前記目標厚さパターンを入力するためのパターン入力装置を更に具備する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の差厚鋼板の製造装置。
6. 前記圧延機から送出された被圧延材の冷却を行う圧延材冷却装置を更に具備し、該圧延材冷却装置は当該圧延材冷却装置によって冷却される被圧延材の板厚に応じて冷却条件を変更する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の差厚鋼板の製造装置。
7. 前記圧延材冷却装置は、当該圧延材冷却装置によって冷却される被圧延材の板厚が薄くなるほど強く冷却を行う、請求項６に記載の差厚鋼板の製造装置。
8. 前記圧延機は被圧延材の圧延を行う一対のワークロールを具備し、
   当該差厚鋼板の製造装置は、前記一対のワークロールの冷却を行うワークロール冷却装置を更に具備し、該ワークロール冷却装置は、前記ワークロールの回転に伴って冷却条件を変更する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の差厚鋼板の製造装置。
9. 前記圧延機は被圧延材の圧延を行う二つのワークロールを具備し、これらワークロールはその表面に焼結層を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の差厚鋼板の製造装置。
10. 圧下装置を有する圧延機と、該圧延機の入側に設けられて該圧延機に侵入する被圧延材を加熱する加熱装置とを具備する差厚鋼板の製造装置による差厚鋼板の製造方法において、
    当該製造方法によって製造すべき差厚鋼板の圧延方向における厚さの分布である目標厚さパターンに応じて、前記加熱装置によって被圧延材を加熱する加熱量を前記被圧延材の圧延中に変化させる、差厚鋼板の製造方法。
11. 前記加熱装置による被圧延材の加熱量は、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも薄くするときに大きくされ、前記圧延機によってこれから圧延される被圧延材の部分の板厚を直前に圧延された被圧延材の部分の板厚よりも厚くするときに小さくされる、請求項１０に記載の差厚鋼板の製造方法。
12. 前記圧延機における圧下位置は、一つの被圧延材の圧延期間全体に亘って一定に維持される、請求項１０又は１１に記載の差厚鋼板の製造方法。
13. 前記圧延機に進入する被圧延材の入側鋼板温度と入側板厚と出側板厚との関係を温度および圧下率の関係として予め求め、
    前記加熱装置によって被圧延材を加熱する加熱量は、前記圧延機によって被圧延材が前記目標厚さパターンとなるように、前記温度および圧下率の関係に基づいて変化せしめられる、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の差厚鋼板の製造方法。

Images