JPS6128408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は継目無鋼管の外径制御方法に関し、特
に、リーラミルまたは再加熱炉出側での素管外径
および温度をサイジングミル各スタンドのロール
ギヤツプ設定にフイードフオワードし、サイジン
グミル出側での熱間外径および温度、冷却後の管
外径を各スタンドのロールギヤツプ設定にフイー
ドバツクして冷却後の仕上がり管の外径、真円度
を自動修正制御する方法に関する。 傾斜圧延方式による継目無鋼管の製造は、通常
角または丸ビレツトを穿孔機（傾斜圧延機、プレ
スピアシングミルなど）により中空素管を作り、
必要に応じ傾斜圧延機による延伸をした後、プラ
グミルでほぼ所定の肉厚寸法に圧延し、磨管機
（リーラ）にて内外面を磨き、サイジングミルで
所定外径に仕上げた後、冷却するという工程を経
る。上記サイジングミルは１スタンド当り２本ま
たは３本の円弧カリバーを有するロールを互いに
90゜または60゜傾斜させて組込み、これを数スタ
ンド交互にそのロール軸が90゜または60゜づつ交
差するように連続配置し、これらのスタンドに素
管を通過させ、その外径を順次漸減させて最終外
径に整形する圧延機である。 近年、継目無鋼管の外径および真円度に対する
精度要求が高まりつつある。特に、その後工程で
熱処理をしたり、管端ネジ切り加工をするものに
ついては厳しい外径、真円度精度が要求される。
ビレツトを一定温度に加熱しても、穿孔機、プラ
グミル、磨管機などの各熱間圧延工程を経た後の
素管の温度は一定とならず、管毎にばらつきが生
ずる。また、肉厚、外径により温度が異なるの
で、サイジングミル圧延時の素管の変形抵抗、ヤ
ング率が異なり、ミルの弾性変形量および管の弾
性変形量、即ちスプリングバツク量が変動し、ま
た冷却中の熱収縮量にもばらつきを生じる。従来
はオペレータがロールギヤツプを手動設定してい
たが、これでは上記各要因を管１本毎に考慮して
多数スタンドのロールギヤツプを適切に調整でき
ず、ほとんどロツト毎に一定のロールギヤツプに
て圧延しているのが実情である。このため管毎に
外径のばらつきが生じ、その結果、例えば継目無
鋼管の管端ネジ切り時に黒皮が残つたり所定の形
状のネジが加工できないなどの不具合が生じる場
合がある。 本発明は、このような不具合をなくし、形状寸
法精度の高い継目無鋼管を製造するためのサイジ
ングミルにおける管外径制御方法を提供すること
を目的とする。 本発明による外径制御方法は、磨管機出側ある
いは再加熱炉出側で素管の外径および温度を測定
して、サイジングミル入側までの管の搬送時間と
から、サイジングミル入側温度Ｔ_pならびに入側
外径Ｄ_pを推定し、１番スタンドの外径がＤ_p、最
終スタンドの外径が熱間での目標外径Ｄ_sになる
ように各スタンドのロールギヤツプを設定するに
際し、各スタンド出側の外径ロールカリバーの設
計基準累積外径絞り率に比例するように配分した
外径Ｄ_iに一致するようにロールギヤツプを設定
することを特徴とし、さらに、サイジングミル入
側の素管温度変動によるロールギヤツプ修正量、
および冷間目標外径とサイジングミル出側温度と
鋼種とから熱膨張モデルによつて求めた熱間目標
外径の変動によるロールギヤツプ修正量、および
サイジングミル出側でのロール圧下方向と一致す
る２ないし３方向の熱間外径を測定しこの熱間外
径の前記熱間目標外径からの偏差によるロールギ
ヤツプ修正量に、奇数スタンド、偶数スタンド各
圧下の相互の影響を考慮して、それぞれｎスタン
ドの累積外径絞り率に比例したフイードバツク係
数を乗じ、これによつて基準ロールギヤツプを修
正することを特徴とするものである。 図面を参照しながら、本発明をさらに具体的に
説明する。 第１図は本発明に係る管外径制御方法の動作系
統を示した制御ブロツク図である。 制御は基本的には、以下に示す５つの制御モデ
ルに分けられる。 (イ) 冷間の目標外径Ｄ_Fとサイジングミル出側温
度Ｔ_sとから熱膨張モデルを用いて熱間での目
標外径Ｄ_sを算出するモデル。 (ロ) 再加熱炉出側あるいはリーラ出側での素管温
度Ｔ_Eならびに素管外径Ｄ_Eを測定し、サイジン
グミル入側までの搬送時間τとから冷間・収縮
モデルを用いてサイジングミル入側での素管外
径Ｄ_pおよび素管温度Ｔ_pを算出するモデル。 (ハ) 前記のＤ_p、Ｄ_sを用いて、各スタンドの基準
ロールギヤツプＧ_ipを算出するモデル。 (ニ) 前記Ｔ_pの変動にともなうミルのスプリング
バツク量ならびに管のスプリングバツク量を補
正し、前記の基準ロールギヤツプを補正するモ
デル。 (ホ) サイジングミル出側で熱間での管外径を実測
し、目標外径Ｄ_sと比較した上で、偏差量を各
スタンドのロールギヤツプ修正量に反映させる
修正モデル。 熱間の目標外径Ｄ_sは第１図の熱膨張モデル２
０によつて(1)式を用いて算出する。ここにβは熱
収縮率を表わす。 Ｄ_s＝Ｄ_F（１＋β／100） ………(1) βは鋼種、管外径Ｄ_s、管肉厚ｔ_sならびに出側
温度Ｔ_sの関数であるがあらかじめβを鋼種ごと
に測定し、Ｄ_s、ｔ_s、Ｔ_sの関数として実験式を
作成しておくことが望ましい。 サイジングミル入側での素管外径Ｄ_p、素管温
度Ｔ_pの算出は冷却・収縮モデル２１により冷却
を考慮した式、例えば次式を用いて算出すること
ができる。 Ｔ_p＝Ｔ_E／^３√１＋_E ^３ _E ………(2) Ｄ_p＝Ｄ_E｛１−β（Ｔ_E−Ｔ_p）／100｝
………(3) ここに、Ｔ_E、Ｄ_E、ｔ_Eはリーラ出側あるいは
再加熱炉出側で測定された素管の温度、外径、肉
厚を表わし、τはＴ_E測定位置からサイジングミ
ル入側までの搬送時間、γは係数である。勿論、
Ｔ_E測定位置とＤ_E測定位置が異なる場合は(3)式を
補正する必要があり、また、予め実験により、Ｔ
_p、Ｄ_pを算出する他の式を導びいてもよい。ま
た、Ｄ_EおよびＴ_Eを実測せずに目標外径、目標肉
厚を用いても本発明の特徴を失なうものではな
い。 上述の方法によりＤ_p、Ｄ_sが決定された後、基
準ロールギヤツプ算出モデル２２により各スタン
ドのロール基準ギヤツプＧ_ipを決定する。この
際、１番スタンドで管外径がＤ_pに、また、最終
スタンドで管外径がＤ_sになる様に設定し、か
つ、中間スタンドでは、ロールカリバーの設計基
準累積絞り率に比例するように配分した外径Ｄ_i
に一致するようにロールギヤツプを設定する。こ
こで添字ｉはサイジングミルのスタンド番号を表
わす。Ｄ_iは次式で表わすことができる。 Ｄ_i＝Ｄ_ｐＤ_ｓ／｛ε_ｉＤ_ｐ ^ｍ＋（１−ε_ｉ）Ｄ_ｓ ^ｍ
｝〓………(4) ここでε_iは累積絞り配分比、ｍは係数であ
る。もち論、１番スタンドで任意の外径絞りを与
えるようにしてもよい。 サイジングミル入側温度の変動ににともなうミ
ルスプリングバツクおよび管のスプリングバツク
の補正は第１図補正モデル２３により次のように
行なう。すなわち、入側素管温度Ｔ_Eを実測し、
あらかじめ管の目標外径および肉厚毎に定められ
た入側基準温度Ｔ_ppと比較した上で、偏差があれ
ば(5)式にしたがつてロールギヤツプ修正量△Ｇを
算出する。 △Ｇ＝Ｇ〓（Ｔ_E−Ｔ_pp） ………(5) ここで、Ｇ_Tは入側温度変化に対する出側外径
変化の割合∂Ｄ／∂Ｔを表わし、ミル剛性による
ロールスプリングバツク量（△S₁）と管の曲げ変
形によるスプリングバツク量（△S₂）を総合した
ものである。Ｇ_Tは予め鋼種ごとに管外径及び肉
厚の関数として実験的に求めておくことが有効で
ある。(5)式に、後述するフイードバツク係数Ｆ_i
を乗じた修正量Ｆ_i・Ｇ_T（Ｔ_E−Ｔ_pp）によつて
基準ロールギヤツプＧ_ipを修正する。もち論、圧
延温度における材料の変形抵抗を算出し、△S₁及
び△S₂を力学的に求めてもさしつかえない。 次にサイジングミル出側の管の外径が前記目標
外径Ｄ_sと異なつた場合ロールギヤツプ修正方法
について、いわゆる２ロールサイジングミルの場
合を例にとつて説明する。 ２ロールサイジングミルでは奇数スタンドと偶
数スタンドでロールの圧下方向が90゜異なるの
で、管外径を測定する場合、ロール圧下方向と一
致する直交２方向の外径（ＤおよびＤ）を実
測する。 実測外径を基にした適応修正モデルを △Ｇ_i′＝ηＤ_i（△Ｄ／Ｄ_ｓ＋ξ△Ｄ／Ｄ_ｓ）
………(6) △Ｇ_i′＝η′Ｄ_i（△Ｄ／Ｄ_ｓ＋ξ′△Ｄ／Ｄ
_ｓ）……… (6)′ とする。ここで△Ｇ_i′ならびに△Ｇ_i′はそれ
ぞれＤと同一方向の圧下を与えるスタンドのロ
ールギヤツプ修正量ならびにそれと直交方向の圧
下を与えるスタンドのロールギヤツプ修正量を意
味する。たとえば奇数スタンドの圧下方向に一致
する管外径をＤとすれば△Ｇ_i′は奇数スタン
ドのロールギヤツプ修正量を、また△Ｇ_i′は偶
数スタンドのロールギヤツプ修正量を表わすこと
になる。η、η′は係数、ξ、ξ′はスタンド間影
響係数であり、何番スタンドが最終かを判断した
上で与えられるものであるが、通常η、η′は0.5
から1.5の範囲、ξ、ξ′は０から１の範囲であ
る。第１図の符号２４はこの場合の修正モデルあ
る。ここで影響係数ξは以下に示す思想から導入
されたものである。例えば２ロール方式の場合、
奇数スタンドの圧下を強くした場合、その方向の
外径は小さくなるが、それと直角方向の外径は逆
に大きくなり、その影響を表わす係数としてξが
導入されたものである。学習制御した結果ξは肉
厚ｔ／外径Ｄに依存し、ξ＝0.3〜0.7の値をと
り、ｔ／Ｄが小さいほど大きくなる。(6)および
(6)′式の△Ｇ′および△Ｇ′に(5)式の場合と同
様にフイードバツク係数Ｆ_iを乗じてこれを目標
ロールギヤツプとしその修正量△Ｇ_i′・Ｆ_i、△
Ｇ_i′・Ｆ_iを用いて基準ロールギヤツプＧ_ipを修
正する。上述した如くサイジングミル出側の仕上
り外径は、奇数スタンドおよび偶数スタンドでは
ロールギヤツプの影響を受ける度合が異なる。一
方のスタンドがその影響を強く受けると他方のス
タンドは逆向きに弱く影響を受ける。上述の係数
η、η′、ξ、ξ′はこの影響を取り除くために導
入されたものであり、これらの係数を予め測定し
てテーブル化あるいは式化しておく。前記目標ロ
ールギヤツプの算出にあたりを行なうことにより
奇数、偶数スタンド相互のロールギヤツプの影響
を除き外径偏差が０になるように制御する。 次に上述のフイードバツク係数Ｆ_iについて説
明する。 各スタンドロールギヤツプを修正するときに、
カリバー設計思想をくずさないように、最終スタ
ンドを大きく、前段スタンドを小さく修正するこ
とが必要であつて、具体的には、(7)式で与えても
よい。 Ｆ_i＝ε_i（Ｄ_i／Ｄ_s）^m ………(7) ε_iは累積外径絞り配分比であつて、入側外径
Ｄ_pと各スタンドの有効外径から求まる外径減縮
を累積した上で最終スタンドを1.00としたときの
各スタンド配分比を意味する。フイードバツク係
数Ｆ_iを累積外径絞り率に比例させる理由の１つ
は、カリバー設計時に各スタンド毎に与えた適正
なスタンド当りの絞り率ｒ_i、サイドクリアラン
スSC楕円率OVを確保するためである。なぜな
ら、ｒ_iが大きくSC、OVが小さいと、圧延中に
カリバーエツジ部での接触圧力が異常に大きくな
り、製品とロールとが焼付きを起こし、製品にい
わるエツジ疵を発生させるからである。逆に楕円
率を大きくとりすぎると、製品の真円度が悪くな
る。もう１つの理由は、下流スタンドのロールギ
ヤツプ調整は製品外型に直接影響を及ぼすが、上
流スタンドのそれの影響は非常に小さいらであ
る。 次に本発明を実際の継目無鋼管の製造工程に適
用した実施例についてさらに具体的に説明する。 第２図は本発明の外径制御方法を適用した継目
無鋼管の製造工程を概略的に示した図である。ま
ず、形状寸法、鋼種などが変更されたロツト１本
目のロールギヤツプ設定について説明する。磨管
機（以下リーラと称す）１を出た素管１７は、そ
ののままサイジングミル７に搬送されるか、ある
いは必要に応じて再加熱炉４に装入され均熱処理
された後、サイジングミル７に搬送される。リー
ラ出側または再加熱炉４の出側で温度計２，５を
用いて素管温度Ｔ_Eを測定する。温度測定位置は
必ずしもリーラ直後または再加熱炉直後である必
要はなく、サイジングミルのロールギヤツプの演
算、設定が完了するのに要する時間が十分とれる
ならばサイジングミル前面の任意位置でよい。素
管肉厚ｔ、サイジングミル７に搬入するまでの搬
送時間τから、サイジングミル入側温度Ｔ_pおよ
び出側温度Ｔ_sを予測計算する。一方、素管温度
Ｔ_Eと基準温度Ｔ_ppとの差を計算し、その差分と
鋼種とから、予め学習して求めた実験式を用い
て、圧延温度変動にともなうミルスプリングバツ
クおよび管のスプリングバツクの修正量を求め
る。 一方、ミル出側温度Ｔ_s、および鋼種から熱収
縮代を主演算回路１６で予測演算し、所定の冷間
仕上がり外径Ｄ_Fにするためのサイジングミル出
側の熱間目標外径Ｄ_sを計算する。全く同様にリ
ーラ出側外径測定値とサイジングミル入側温度Ｔ
_Eとからサイジングミル７に送入されるまでの熱
収縮の予測をし、主演算回路１６でサイジングミ
ル入側管外径Ｄ_pを計算する。最終スタンドの外
径をＤ_s、１番スタンドの外径をＤ_pとし、中間ス
タンドはロールカリバー設計上の累積外径絞り率
に比例してそれぞれのスタンドでの管外径Ｄ_iを
計算する。先に計算したスプリングバツクの修正
量を考慮し、各スタンドの外径がＤ_iとなるよう
に、圧下調整装置１０を作動させて圧下モータ８
により各ロールギヤツプＧ_iを設定する。符号９
は圧下位置センサーである。 次に２本目以降のロールギヤツプの設定につい
て説明する。サイジングミル出側では温度計１２
にて管の温度Ｔ_sおよびロールの圧下方向と一致
する直交２方向Ｄ、Ｄまたは60゜づつ交差す
る３方向の外径Ｄ_I、Ｄ、Ｄを熱間外径測定
器１３で測定し、さらに冷却テーブル１４の出側
に設置した冷間外径測定器１５により製品外径Ｄ
_Fを測定する。前記素管温度Ｔ_Eおよび搬送時間τ
から予測計算される出側温度Ｔ_sは実測される出
側温度によつて学習制御され、これによつて予測
精度が向上し、また、Ｔ_s、Ｄ、Ｄ、Ｄ_Fの実
測から熱収縮代の実測値が求まり、熱間目標外径
Ｄ_sの精度は一層向上する。しかしロツト１本目
の管が冷間外径測定器１５に到達するまでは、多
数の管が既に圧延を終了してしまうので、上述の
熱収縮代の予測演算不可欠である。 サイジングミル出側で熱間外径測定器１３で測
定された２または３方向の管外径Ｄ、Ｄまた
はＤ、Ｄ、Ｄは熱間目標外径Ｄ_sと比較さ
れ、その偏差値△Ｄ、△Ｄまたは△Ｄ、△
Ｄ、△Ｄが演算されて外径偏差適応修正演算
回路１１に格納される。この偏差値△Ｄ／Ｄ
_s、△Ｄ／Ｄ_s、または△Ｄ／Ｄ_s、△Ｄ／
Ｄ_s、△Ｄ／Ｄ_sは次の管を圧延する際にそれぞ
れ奇数、偶数スタンドの圧下修正量に反映され
る。外径偏差値をロールギヤツプにフイードバツ
クする場合、奇数−偶数スタンド相互への影響を
考慮し、かつ各スタンドへの配分は各スタンドの
累積外径絞り率に比例させる。以上要約すると、
本発明による制御手順は、まず、サイジングミル
出側の実績外径Ｄ、Ｄ……を求め、目標外径
との差△Ｄ、△Ｄ……を計算し、次に前記
(6)、(6)′式により修正ロールギヤツプ△Ｇ_i′、
△Ｇ_i′……を求め、さらにこれにフイードバツ
ク係数を乗じて目標ロールギヤツプを得、次素管
がくるまでロールギヤツプを修正する。 本発明による管外径寸法精精度向上に対する効
果の実例を第３図、第４図ｂに示す。第３図は、
定常的に圧延状態であえて手動にてロールギヤツ
プ設定をずらし、外径偏差を与えて後、自動外径
制御運転に切換えた場合の外径偏差が０に収剣す
る効果を示したものである。±1.0mmの偏差が２〜
３本で±0.1mmの精度内に収剣しており、本発明
の自動外径制御の効果が明白である。第３図でＡ
の部分は手動設定の場合、同図Ｂの部分は自動制
御運転の場合である。 第４図ａは、入側素管温度による制御を行なわ
ない手動設定運転の場合であつて、リーラ出側温
度の変動に伴ない変形抵抗、ヤング率が変動し、
外径偏差が大きくばらついている。第４図ｂは、
入側素管温度による外径自動制御運転の場合であ
つて、外径偏差のばらつきが自動的に修正され、
外径偏差が±0.1〜±0.2mm以内に収まつており、
本発明の効果が現われている。 第１表は第３図を同様本発明による外径偏差の
修正機能の例を示したものである。 この例では８スタンドミルを使用し、各スタン
ドロールギヤツプG₁、G₂……G₈は基準値を０と
してその偏差を示したものである。△Ｄは偶数
スタンド圧下方向の外径偏差、△Ｄは奇数スタ
ンド圧下方向の外径偏差であつて、いずれも目標
外径からのずれ量を示している。 本発明により、圧延仕上り温度、鋼種の差など
による熱収縮率が自動的に演算され、外径及び真
円度の自動制御が可能となり、寸法精度の高い継
目無鋼管の製造が可能となり、管端ネジ切り加工
上の不具合の発生を解消できる。

【表】 本発明の１部は、マンドレルミル方式による継
目無鋼管の圧延におけるストレツチレデユーサー
の外径制御にも応用され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る管外径制御方法の制御系
統を示したブロツク図、第２図は本発明の管外径
制御方法を適用した継目無鋼管の製造工程を概略
的に示した図、第３図は本発明の制御方法を適用
した場合の圧延本数に対する外径偏差を示した
図、第４図ａは入側素管温度による制御を行なわ
ない場合の素管温度のばらつきにより生じる外径
の変動を示した図、第４図ｂは本発明による制御
を行なつた場合の素管温度と外径偏差との関係を
示した図である。 １……リーラ、４……再加熱炉、７……サイジ
ングミル、１０……圧下調整装置、１１……外径
偏差適応修正演算回路、１４……クーリングテー
ブル、１６……主演算回路、２０……熱膨張モデ
ル、２１……冷却・収縮モデル、２２……基準ロ
ールギヤツプ算出モデル、２３……基準ロールギ
ヤツプ補正モデル、２４……修正モデル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ サイジングミル入側の素管温度を予測あるい
   は実測し、サイジングミル出側の温度を予測し、
   これらの予測あるいは実測した温度データを用い
   て、かつ冷間目標外径とサイジングミル出側温度
   と鋼種とから熱膨張モデルを用いて熱間目標外径
   を設定し、さらに、サイジングミル出側での管の
   熱間外径を測定して前記熱間目標外径と比較し、
   その偏差による修正ロールギヤツプ量を求めて外
   径を制御する継目無鋼管の外径制御方法におい
   て、仕上げ外径に及ぼす奇数スタンド、偶数スタ
   ンドロールギヤツプの影響を表わす係数η、
   η′、ξ、ξ′を予め求めておき、この係数を用い
   て次式により修正ロールギヤツプ量△Ｇ_i′、△
   Ｇ_i′を求め、この修正ロールギヤツプ量に、そ
   れぞれｎスタンドの累積外径絞り率に比例した係
   数（フイードバツク係数）を乗じてこれを目標ロ
   ールギヤツプとし、この目標ロールギヤツプにな
   るようにロール圧下量を制御することを特徴とす
   る継目無鋼管の外径制御方法。 △Ｇ_i′＝ηＤ_i（△Ｄ／Ｄ_ｓ＋ξ△Ｄ／Ｄ_ｓ） △Ｇ_i′＝η′Ｄ_i（△Ｄ／Ｄ_ｓ＋ξ′△Ｄ／Ｄ
   _ｓ） ここでＤ_iは、各スタンド出側の外径がロール
   カリバーの設計基準累積径絞り率に比例するよう
   に配分した外径、Ｄ_sは熱間目標外径、△Ｄ、
   △Ｄは、サイジングミル出側外径の熱間目標外
   径からのずれ量。