JP5589260B2 - 厚鋼板の材質保証システム - Google Patents

Description

本発明は、厚鋼板の材質保証システムに関し、特に制御圧延や加速冷却される厚鋼板の全面の材質保証用として好適なものに関する。

ミクロ組織を結晶粒径が１μｍ程度の微細組織として鋼板の強度・靭性を向上させるＴＭＣＰや、内部応力を制御して反りなどの変形の少ない鋼板を製造するためには、制御圧延の開始温度、終了温度、加速冷却の冷却開始温度、冷却停止温度を厳密に管理することが必要とされるため、鋼板温度を精度良く測定する測定方法や、温度計の配置を工夫した冷却設備が製造技術や設備として採用されている。

例えば、特許文献１は、熱間圧延鋼板の冷却制御装置に関し、冷却時における板巾方向反りによる形状不良を防止するため、鋼板温度を測定して、冷却装置の上下に配設されている各ノズルからの冷却水量や冷却開始、終了を厳格に制御することおよび仕上げ圧延機の後面、冷却装置の前後面、および内部に光ファイバー温度計を配置することが記載されている。

特許文献２は、制御冷却鋼板の形状制御方法に関し、加速冷却鋼板の常温冷却後形状を冷却直後形状と鋼板温度履歴とから推定し、次材の形状を確保することおよび加速冷却装置の内部に鋼板表裏面温度測定温度計、直後に鋼板表面温度分布計（サーモトレーサ）と鋼板表面温度計を配置することが記載されている。

特許文献３は、厚鋼板冷却方法に関し、鋼板形状の平坦度向上と材質の均一化を図るため、仕上げ圧延後、デスケまたは表面膜塗布によりスケール厚みのバラツキを１０μｍ以下として、制御冷却することおよび制御冷却装置の前に鋼板表面温度計として放射温度計を配置することが記載されている。
特公平７−４１３０３号公報 特開平１０−５８６８号公報 特開２００１−３００６２７号公報

ところで、最近、熱処理材に関して（特に、製造条件変動に対する材質敏感性が高い高Ｎｉ鋼）、直接焼入れ法で製造したり、合理化のためＴＭＣＰの適用対象が拡大することにより、ユーザから製品の板全面の材質保証が要求されることが増加している。

また、ラインパイプ原板、造船材等板内の強度偏差をある閾値以下に保証する要求がある。

厚鋼板は板厚方向や板面内に、連続式加熱炉、デスケデバイス、冷却設備等による温度分布が不均一となりやすく、その結果、材質も不均一となりやすい。

その対策として、例えば、搬送ラインの上方に取り付けた放射温度計により、鋼板の温度を測定し、その測定温度が管理温度範囲に入っている場合、品質判定合格とし、外れている場合、品質判定不合格とすることが行われていた。

しかしながら、上記放射温度計による温度測定結果を用いた品質判定は、搬送ライン幅方向中央の上面に取り付けた放射温度計により、特定個所（例えば、鋼板の幅方向中央部の温度）を測定し、その測定温度と各管理温度範囲を対比させるもので品質判定も特定個所の温度のみで実施するため、全長全幅（全面）の材質保証は、不十分であった。

また、大板の、圧延方向のトップ、ミドル、エンドの各位置から採取した試験片で各種の材料試験を実施する方法は、当該鋼板の圧延及び剪断後、数日を要するため、パイプ材など同一製造条件で大量に製造する場合、大量不適合が発生する場合もあった。

そこで、本発明は、製造ライン上で鋼板温度を精度良く測定して、得られた温度分布から厚鋼板の板面内の材質を予測して材質均一性を評価する、厚鋼板の材質保証システムを提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成可能である。
１．仕上げ圧延機と当該仕上げ圧延機の下流側に配置された冷却装置を備えた厚鋼板製造ラインにおいて鋼板温度を測定し材質保証を行う厚鋼板の材質保証システムであって、
前記材質保証システムは、温度測定手段、温度解析手段及び材質判定手段を備え、
前記温度測定手段は、前記仕上げ圧延機の前面にはスポット型放射温度計を、前記仕上げ圧延機の後面および前記冷却装置の前後面にはスポット型放射温度計と走査型放射温度計を前記搬送ラインの上方に配置し、前記搬送ラインの下方には、これらスポット型放射温度計と走査型放射温度計の、搬送ラインを挟んで対向する位置に、スポット型ファイバー温度計を配置して構成され、前記走査型放射温度計と対向する位置に配置される前記スポット型ファイバー温度計は、前記走査型放射温度計の走査方向に複数台適宜の間隔で配置して構成され、さらに、前記温度計で測定した温度を収集する温度収集手段を有し、
前記温度解析手段は、前記温度収集手段で収集した温度から鋼板全面温度ＭＡＰを作成し、前記材質判定手段は前記温度ＭＡＰから鋼板全面の材質特性を推定して合否判定を行うことを特徴とする厚鋼板の材質保証システム。
２．前記温度ＭＡＰから鋼板全面の材質特性を推定する際、ＤＢ型材質予測モデルを用いることを特徴とする１記載の厚鋼板の材質保証システム。

本発明によれば、仕上げ圧延後、加速冷却や直接焼入れされる厚鋼板の材質および形状を全面に亘って保証することが可能となる。また、圧延直後に全面の温度合否を判定できるため、次材以降の鋼板の温度をコントロールすることで大量不適合の発生を防止することが可能で産業上極めて有用である。

本発明に係る材質保証システムは、温度測定手段、温度解析手段及び材質判定手段を有し、温度測定手段で測定された鋼板温度から温度解析手段により鋼板全面温度ＭＡＰを作成して、当該鋼板全面温度ＭＡＰを基に材質判定手段により鋼板全面の材質を評価する。

図１は、本発明に係る材質保証システムの概要を示すフローチャートで、まず、製造する圧延鋼板が全面材質保証対象材かどうかを判定する（Ｓ１）。全面材質保証対象材は例えば、ラインパイプ原板、造船５０Ｋ鋼およびＤＱ型９％Ｎｉ鋼などのＤＱ材で材質の製造条件敏感性が高い鋼材がある。

全面材質保証材の場合は、圧延鋼板の全面温度測定を温度測定手段、温度解析手段を用いて実施する（Ｓ２）。本発明に係る材質保証システムでは、温度測定手段、温度解析手段は特に規定しないが、以下に述べる構成のものが適当である。

製造ラインにおいて厚鋼板の全面の温度を測定することは技術的に困難なため、温度測定手段は温度計として、搬送ラインの上方にはスポット型放射温度計と走査型放射温度計を、下方には、光ファイバーを用いたスポット型放射温度計（以降、光ファイバー放射温度計）を用い、複数の温度計で測定した温度を収集するため、温度収集手段としてＰＣを用いる。

温度測定手段では、上記温度計を適宜組み合わせて、製造ライン上で全面の温度履歴を保証するために最低限必要な温度測定位置を１．仕上げ圧延機の前後面および２．冷却装置の前後面として温度計を配置する。鋼板の上下面の温度差が著しい場合、上下面の材質特性が異なることが考えられるため、温度は上下面で測定する。

尚、説明において仕上げ圧延機前（後）面に温度計を設置するとは、仕上げ圧延機の前（後）方直近に、他の機器より仕上げ圧延機に近い場所に温度計を配置することを意味する。冷却装置の場合も同様とする。

スポット型放射温度計は、搬送ラインの上方で、仕上げ圧延機の前後面と、冷却装置の前後面に配置する。

仕上げ圧延機の前後面に配置するスポット型放射温度計は、複数台とし、１台の場合に発生する温度計異常時のミル停止を防止したり、大量に生産するラインパイプ材の製造の際の測定温度の信頼性を向上させる。複数台の配置位置は特に規定しないが、搬送方向に並べることが望ましい。

冷却装置の前後面に配置するスポット型放射温度計は、前面を単数、後面は高温測定用と低温測定用の２仕様の複数台とする。

冷却装置では冷却停止温度６００℃前後の加速冷却や冷却停止温度が室温以下となる直接焼入れなど、冷却停止温度が低温から高温までの広範囲に変動するため、温度測定も広範囲の測定が必要となる。

低温から高温（５０〜７００℃程度）までの広範囲の温度測定では温度計の分解能（±５℃）が確保できない。そのため、最低限として、高温測定用と低温測定用の２仕様の温度計を設置する必要がある。冷却装置に近い側には高温測定用、離れた側には低温測定用を配置する。

走査型放射温度計は、搬送ラインの上方で、仕上げ圧延機の後面と、冷却装置の前後面に、鋼板の幅方向を走査するように、搬送ラインの幅方向を走査方向として配置する。好ましくはスポット型放射温度計と近接して配置する。

仕上げ圧延機の後面で測定される圧延仕上げ温度と、冷却装置の前後面で測定される鋼板温度は、材質に及ぼす影響が大きいため、鋼板幅方向に測定して材質均一性を保証する。
走査型放射温度計の代替として赤外線サーモグラフィ装置を用いてもよい。

光ファイバー放射温度計は、搬送ラインの下方に配置する。水及び水蒸気等により環境が悪く、全面の温度を測定する走査型の放射温度計を設置することができない。特に仕上げ圧延機の直近の下流側にＣＲシャワーに設置した場合、仕上げ圧延機の後面において温度計測の環境は悪化する。

そのため、搬送ラインの下方には光ファイバーを用いたスポット型放射温度計（以降、光ファイバー放射温度計）を配置する。

光ファイバー放射温度計は、仕上げ圧延機の前後面や冷却装置の前後面に配置するスポット型放射温度計の、搬送ラインの下方で、搬送ラインを挟んで、対向する位置に配置する。

また、仕上げ圧延機の後面や冷却装置の前後面に配置する走査型放射温度計の搬送ラインの下方で、搬送ラインを挟んで、対向する位置に、走査型放射温度計の走査方向に沿って複数台を配置する。

光ファイバー放射温度計は数が多いほど、幅方向の温度分布を定量的に把握できるが、コスト及びメンテナンスの観点より、１箇所／ｍの間隔が最低限となる。尚、スポット型放射温度計に対向して光ファイバー放射温度計を配置する場合、搬送ラインの幅方向に複数台を配置しても良い。

図６に、上述した温度測定手段を備えた温度測定システムの概要を、図７に温度測定手段の構成の一部を示す。これらの図において、１は加熱炉、２は仕上げ圧延機、３は鋼板、４はＣＲシャワー、５は冷却装置、６、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは走査型放射温度計で、６ｃは高温測定用、６ｄは低温測定用、７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは光ファイバー放射温度計で７ｃは高温測定用、７ｄは低温測定用、８は制御圧延開始温度、仕上温度収集ＰＣ，９は冷却開始温度収集ＰＣ，１０は冷却停止温度収集ＰＣ、１１、１１ａは温度実績解析ＰＣ、１２は裏面温度収集ＰＣ，１３は表面温度収集ＰＣを示す。但し、図ではスポット型放射温度計は省略した。

厚鋼板の製造ラインは、加熱炉１、仕上げ圧延機２、ＣＲシャワー４および冷却装置５を備え、図は鋼板３が、仕上げ圧延機２とＣＲシャワー４の間に位置している状態を示す。

仕上げ圧延機の前後面に配置されたスポット型放射温度計（図では略）、後面に配置された走査型放射温度計６ａと光ファイバー放射温度計７ａで構成された鋼板温度測定手段で測定された温度は、制御圧延開始温度、仕上温度収集ＰＣ８に取り込まれる。

冷却装置５の前面に配置されたスポット型放射温度計（図では略）と走査型放射温度計６ｂと光ファイバー放射温度計７ｂで測定された温度は、冷却開始温度収集ＰＣ９に取り込まれる。

冷却装置５の後面に配置されたスポット型放射温度計（図では略）、と走査型放射温度計６ｃ、６ｄと光ファイバー放射温度計７ｃ、７ｄで構成された温度測定手段で測定された温度は、冷却停止温度収集ＰＣ１０に取り込まれる。

温度収集手段は仕上温度収集ＰＣ８、冷却開始温度収集ＰＣ９および冷却停止温度収集ＰＣ１０で構成され、各々は表面温度収集ＰＣ１３と裏面温度収集ＰＣ１２で構成され、鋼板表面温度と裏面温度のそれぞれが、温度解析手段である温度実績解析ＰＣ１１ａに取り込まれる。

温度実績解析ＰＣ１１ａでは、仕上温度収集ＰＣ８、冷却開始温度収集ＰＣ９および冷却停止温度収集ＰＣ１０で取り込まれた実績温度を、操業管理温度（制御圧延開始温度、鋼板仕上げ温度、冷却開始温度、冷却停止温度）と比較し（Ｓ３）、範囲内であれば製品採寸を行い（Ｓ４），範囲外であれば当該領域の材質判定を行う（Ｓ５）。

図２、３は、操業管理温度と温度実績解析ＰＣ１１ａに取り込まれた温度測定実績を比較して製品出荷の判断を行う温度判定業務を、当該業務を支援するためのＰＣ表示画面（図３）の作成手順（図２）として説明する。

まず、上述した温度測定手段で全面温度を測定し（Ｓ１１）、温度解析手段で鋼板全面、大板１４の温度ＭＡＰを作成する（Ｓ１２）。

そして、剪断実績に基づいて、図３に示すように、当該大板１４のトップから試材１５、ミドルから試材１６、ボトムから試材１７、製品（小板１８，１９、２０、２１）の板取りを行う（Ｓ１３）。

また、試材位置の温度を温度ＭＡＰより算出し、材試実績を相関づけることで品質設計及び材質予測モデルの精度を向上させることが可能となる。

実績温度が操業管理温度から外れた領域、温度判定ＮＧ部分は太枠２２、２３で囲み（Ｓ１４）、メッシュ代表温度を求め（Ｓ１５）、画面に表示する（Ｓ１６）。メッシュ代表温度はメッシュ内の平均温度とし、メッシュは用途によって適宜選定するが５０〜１０００ｍｍの大きさが好ましい。

ここで、メッシュとは、鋼板全面温度ＭＡＰ作成するために、鋼板の全面を小領域に分割した際の一つの小領域のことを指している。

図４は、温度判定ＮＧ部分が小板に生じた場合の当該部分の処理方法を説明するフローチャートで、ステップＳ２１〜２４は図２のステップＳ１１〜１４に準じる。

温度判定ＮＧ部分が小板に含まれる場合は、ＮＧ保留とし（Ｓ２５）、ＤＢ型（データベース型）材質予測モデルで材質良否の判定を行い（Ｓ２６），合格の場合は保留を解除して板取りを行う。

図５に図４によるフローチャートに従い、小板２０、２１内のＮＧ部分２２、２３を判定し、ＮＧ部分２３が合格となった場合のＰＣ表示画面の一例を示す。

一方、温度判定ＮＧ部分が大板に含まれる場合はＮＧ処理とし、良質範囲内で製品採取を行うように板取りを修正し（Ｓ７），製品採取を行う（Ｓ８）。

上述したように、本発明に係る材質保証システムは、精度良く測定された鋼板全面の温度分布と、実績値を基に材質予測を行い、予測精度が高いＤＢ型材質予測モデルを用いるので、全面材質保証された製品を出荷することが可能である（Ｓ９）。また、形状を全面に亘って保証することも可能となる。

尚、図３、５は本発明に係る材質保証システムの一手順で得られるＰＣ表示画面の一例で、技術者が本システムに介入することを支援することが目的であるが、全ての手順を自動制御で行い、技術者が介入しないシステムとすることも可能である。

本発明によれば、材料試験不合格率が０．０８％から０．０６％に低下し、反り修正時間が２０％低減し、鋼板の形状不良が１０％抑止されるなどの効果が得られる。

本発明の材質保証システムのフローチャートを示す図。 本発明の強度判定の手順を示す図。 本発明の温度判定業務を支援するＰＣ表示画面の例を示す図。 温度判定ＮＧ部分が生じた場合の処理のフローチャートを示す図。 図４に示したフローチャートでＮＧ部分が合格となった場合のＰＣ表示画面の例を示す図。 本発明に係る温度測定システムの概要を示す図。 図６に示した温度測定システムの構成を説明する図。

符号の説明

１ 加熱炉
２ 仕上げ圧延機
３ 鋼板
４ ＣＲシャワー
５ 冷却装置
６、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 走査型放射温度計
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 光ファイバー放射温度計
８ 制御圧延開始温度、仕上温度収集ＰＣ
９ 冷却開始温度収集ＰＣ
１０ 冷却停止温度収集ＰＣ
１１、１１ａ 温度実績解析ＰＣ
１２ 裏面温度収集ＰＣ
１３ 表面温度収集ＰＣ
１４ 大板
１５、１６、１７ 試材
１８，１９、２０、２１ 小板
２２、２３ 太枠

Claims (2)

1. 仕上げ圧延機と当該仕上げ圧延機の下流側に配置された冷却装置を備えた厚鋼板製造ラインにおいて鋼板温度を測定し材質保証を行う厚鋼板の材質保証システムであって、
   前記材質保証システムは、温度測定手段、温度解析手段及び材質判定手段を備え、
   前記温度測定手段は、前記仕上げ圧延機の前面にはスポット型放射温度計を、前記仕上げ圧延機の後面および前記冷却装置の前後面にはスポット型放射温度計と走査型放射温度計を前記搬送ラインの上方に配置し、前記搬送ラインの下方には、これらスポット型放射温度計と走査型放射温度計の、搬送ラインを挟んで対向する位置に、スポット型ファイバー温度計を配置して構成され、前記走査型放射温度計と対向する位置に配置される前記スポット型ファイバー温度計は、前記走査型放射温度計の走査方向に複数台適宜の間隔で配置して構成され、さらに、前記温度計で測定した温度を収集する温度収集手段を有し、
   前記温度解析手段は、前記温度収集手段で収集した温度から鋼板全面温度ＭＡＰを作成し、前記材質判定手段は前記温度ＭＡＰから鋼板全面の材質特性を推定して合否判定を行うことを特徴とする厚鋼板の材質保証システム。
2. 前記温度ＭＡＰから鋼板全面の材質特性を推定する際、ＤＢ型材質予測モデルを用いることを特徴とする請求項１記載の厚鋼板の材質保証システム。

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