(57)【要約】【課題】ガスジェット加熱・冷却装置におけるフラッタリング振幅を適正に予測する方法と、板幅方向の温度均一性を維持しつつ、エネルギー効率を向上せしめるガスジェット加熱・冷却装置の制御方法を提供する。【解決手段】走行する鋼板をガスジェットにより連続的に加熱あるいは冷却するガスジェット加熱・冷却装置において、鋼板のフラッタリングの振幅と相関のあるフラッタリングパラメータＰｆをＰｆ＝ｆ（Ｗ，Ｖ，ｍ，ｔ，Ｕｔ，Ｌ，ａｎ，σ，Ｓ，ν，Ｒｎｏｚｚｌｅ）の関数で規定し、Ｐｆを設定値以下とする鋼板のフラッタリング抑制方法。【選択図】図２
2006077301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行する鋼板をガスジェットにより連続的に加熱あるいは冷却するガスジェット加熱・冷却装置において、鋼板のフラッタリング（振動）の振幅と相関のあるフラッタリングパラメータＰｆを
Ｐｆ＝ｆ（Ｗ，Ｖ，ｍ，ｔ，Ｕｔ，Ｌ，ａｎ，σ，Ｓ，ν，Ｒｎｏｚｚｌｅ）
ただし、
Ｐｆ：フラッタリングパラメータ
Ｗ：板巾（ｍ）
Ｖ：ノズル吹付け流速（ｍ／ｓｅｃ）
ａｎ：ＷＢ（ウィンドボックス）板巾方向単位長さ当たりノズル総面積（ｍ２／ｍ）
Ｓ：ＷＢ管板と鋼板間の吹付後ガス流れ通過面積（ｍ２）
Ｕｔ：ユニットテンション（ｋｇｆ／ｍ２）
ｍ：鋼板比重量（ｋｇｆ／ｍ３）
Ｌ：サポートロールスパン（ｍ）
ν：動粘性係数（ｍ２／ｓｅｃ）
ｔ：板厚（ｍ）
σ：ノズル吹付ガス比重量（Ｋｇｆ／ｍ３）
Ｒｎｏｚｚｌｅ：ＷＢにしめるノズル開口面積占有率
で規定し、Ｐｆを設定値以下とすることを特徴とする鋼板のフラッタリング抑制方法。
【請求項２】
前記Ｐｆが、
Ｐｆ＝（Ｗ２・Ｖ３）／（ｍ・ｔ３）×Ｕｔ×[ｃｏｓｈ｛（ｍ・Ｌ）／（２Ｕｔ）｝−１]×（ａｎ・σ）／（Ｓ・ν）×Ｒｎｏｚｚｌｅ×１０−１７≦９
であることを特徴とする請求項１記載の鋼板のフラッタリング抑制方法。
【請求項３】
前記Ｐｆの値の計算をオンラインで実施し、Ｐｆの値に基づいて通板張力を制御し、Ｐｆ値が９を越えないようにすることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼板のフラッタリング抑制方法。  
【請求項４】
前記Ｐｆの値の計算をオンラインで実施し、Ｐｆ値に基づいてガスジェット加熱・冷却装置の鋼板からの距離を制御し、Ｐｆ値が９を越えないようにすることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼板のフラッタリング抑制方法。
【請求項５】
前記Ｐｆの値が９を越えない範囲内で、電気コストが最も低い通板張力と、ガスジェット加熱・冷却装置の鋼板からの距離との組み合わせを算出して制御することを特徴とする請求項１又は２記載の鋼板のフラッタリング抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板の連続処理設備において、ガスジェットにより鋼板を連続的に加熱あるいは冷却する装置における鋼板のフラッタリング（振動）抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板の連続焼鈍設備などの連続熱処理設備においては、所定の熱処理パターンを鋼板に付与するための加熱装置、冷却装置が配されており、鋼板を連続的に加熱、均熱、冷却することにより、熱処理する。加熱装置、冷却装置としては、加熱あるいは冷却されたガスを鋼板に吹き付ける装置がある。（以下「ガスジェット加熱・冷却装置」という。）
【０００３】
図８（ａ）は連続焼鈍炉の冷却帯を示す図、（ｂ）は冷却ウィンドボックスを示す図、（ｃ）は冷却ウィンドボックスのノズルを示す図である。
【０００４】
図８（ａ）において、冷却帯１には、冷却ウィンドボックス２が間隔をおいて対向して配置されている。冷却ウィンドボックス２の対向する面には、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、それぞれ鋼板３へガスを噴射するノズル４が多数設けられている。鋼板３はロール５に支持されて冷却ウィンドボックス２の間を走行する間に、冷却ウィンドボックス２のノズル４から噴射するガスジェットにより冷却される。
【０００５】
ガスジェット加熱・冷却装置においては、そのガスジェットにより鋼板がフラッタリング（振動）し、鋼板がガスジェット加熱・冷却装置に接触し、鋼板にすり疵がついたり、ガスジェット加熱・冷却装置を損傷したりするなどの問題が発生することがある。
【０００６】
そこで、鋼板のフラッタリングを抑制するために、一般的に次の方法にて振動振幅を小さくするように対処している。
【０００７】
（１）通板張力を高く設定する。
【０００８】
（２） サポートロールなどを中間に配置するなどして、鋼板のフリースパンを短く設定する。
【０００９】
（３）ガスジェット加熱・冷却装置の鋼板からの距離（ギャップ）を大きめに設定する。
【００１０】
（４）ガスジェットの流速を制限する。
【００１１】
その他に、鋼板フラッタリング抑制技術としては、特許文献１には鋼板の振動状態をセンサーで測定し、鋼板表裏のガスジェット風量のバランスをとる方法、また、特許文献２にはサポートロール間の鋼板の固有振動数に着目し、サポートロールスパンを通板張力と、通板速度の関係で決定する方法、そして、特許文献３には鋼材の板幅方向にガスジェットの風量差をつけ、鋼板を非対称にねじることにより鋼板を安定させる方法がそれぞれ開示されている。
【特許文献１】特開平４−７２５０号公報
【特許文献２】特開平１０−２３７５５５号公報
【特許文献３】特開２００１−５９１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、振動振幅は、板厚、板幅、通板張力、サポートスパン、ガスジェット流速、ガスジェット加熱・冷却装置と鋼板の距離（ギャップ）、ガスジェットノズル形状など多岐のパラメータによるため、振幅の予測が困難であり、振幅を適正に予測できる数式も確立されていない。
【００１３】
また、鋼板の連続処理設備においては、多種のサイズの鋼板が通板され、サイズにより振動振幅は異なってくるが、ギャップや通板張力設定を鋼板サイズに基づいて変更することはあまりされていない。そして安定操業のために、前記の（１）〜（４）いずれの方策においても大きな余裕をとった設定にするのが通常である。
【００１４】
従って、鋼板が厚い場合振動しにくいケースがあるにも関わらず、過大な通板張力の設定となっていることがある。また、鋼板が薄い場合ガスジェット風量が大幅に落ちるため、振動しにくく、ガスジェット加熱・冷却装置を鋼板に近づけることが可能であるが、過大なギャップとなっていることがある。
【００１５】
また、特許文献１では、冷却ガスジェット風量を表裏で変更することから、鋼板の温度均一性に難があるとともに、板温制御が不安定になると考えられる。
【００１６】
また、特許文献２に記載された方法では、振幅あるいは、振幅に直結するパラメータが提示されておらず、実際の振幅が推定できないし、加振力となるガスジェット風量に関する変数が入っていない。
【００１７】
そして、特許文献３に記載された方法では、鋼板の板幅方向の温度均一性に難があるとともに、結果的に冷却ガス方向が鋼板に直角ではない、ある傾きをもつことになり、冷却効率が低下する。
【００１８】
そこで、本発明では、ガスジェット加熱・冷却装置におけるフラッタリング振幅を適正に予測する方法と、板幅方向の温度均一性を維持しつつ、エネルギー効率を向上せしめるガスジェット加熱・冷却装置の制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
各設備諸元や、通板条件をパラメータに、振動振幅が予測できれば、まず設備設計において、通板張力条件やサポートロールスパンの設定や加熱・冷却装置のレイアウトの設定において、無駄のない設備設計が可能となる。また実操業においても、振動が問題とならないための必要最小限の通板張力設定や、ガスジェット加熱・冷却装置と鋼板との必要最小限の距離設定が可能となり、エネルギー効率を向上することができる。
【００２０】
本発明の鋼板のフラッタリング抑制方法は、走行する鋼板をガスジェットにより連続的に加熱あるいは冷却するガスジェット加熱・冷却装置において、鋼板のフラッタリングの振幅と相関のあるフラッタリングパラメータＰｆを
Ｐｆ＝ｆ（Ｗ，Ｖ，ｍ，ｔ，Ｕｔ，Ｌ，ａｎ，σ，Ｓ，ν，Ｒｎｏｚｚｌｅ）
の関数で規定し、Ｐｆを設定値以下とすることを特徴とする。
【００２１】
フラッタリングパラメータＰｆ値は、Ｐｆ＝（Ｗ２・Ｖ３）／（ｍ・ｔ３）×Ｕｔ×[ｃｏｓｈ｛（ｍ・Ｌ）／（２Ｕｔ）｝−１]×（ａｎ・σ）／（Ｓ・ν）×Ｒｎｏｚｚｌｅ×１０−１７で計算し、Ｐｆ値を９以下とする。また、Ｐｆ値の計算をオンラインで実施し、Ｐｆ値に基づいて通板張力を制御し、Ｐｆ値が９を越えないようにする。また、Ｐｆ値の計算をオンラインで実施し、Ｐｆ値に基づいてギャップを制御し、Ｐｆ値が９を越えないようにする。
【００２２】
さらに、Ｐｆ値が９を越えない範囲内で、電気コストが最も低い通板張力とギャップの組み合わせを算出し、該設定に制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により次の効果を奏する。
【００２４】
（１）フラッタリングパラメータＰｆを計算することにより、フラッタリング振幅を定量的に予測できることから、最大通板張力の設定や、サポートロールスパンの設定、ギャップの設定において、効率の良い設備設計が可能となる。
【００２５】
（２）フラッタリングパラメータＰｆを演算することにより、過剰に大きな通板張力に設定してしまうことが回避でき、フラッタリングが問題にならない範囲で適正な通板張力設定ができることから、従来の大きな通板張力をかけるフラッタリング対策に比べて、鋼板駆動用の電力消費を削減できる。
【００２６】
（３）フラッタリングパラメータＰｆを演算することにより、フラッタリングが問題にならない範囲で、ガスジェット加熱・冷却装置を鋼板に近づけて、伝熱効率を向上させることができるので、従来の冷却装置と鋼板の距離を一定にした操業に比べて、ブロワなどガスジェット加熱・冷却装置の消費電力を削減できる。
【００２７】
（４）さらに、Ｐｆ値が９を越えない範囲内で、最も電気コストを低くするギャップ、加熱・冷却ガス風量・通板張力の組み合わせを見出せるので、ガスジェット加熱・冷却装置全体での電気コストを最小に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ガスジェット加熱・冷却装置における各通板条件下での振動振幅の観察・測定結果から、振動振幅に相関のある指標として、フラッタリングパラメータＰｆを（１）式に定義する。Ｐｆ＝（Ｗ２・Ｖ３）／（ｍ・ｔ３）×Ｕｔ×[ｃｏｓｈ｛（ｍ・Ｌ）／（２Ｕｔ）｝−１]×（ａｎ・σ）／（Ｓ・ν）×Ｒｎｏｚｚｌｅ×１０−１７・・・・・（１）式
（１）式のＰｆ値は、
Ｐｆ≦９
の範囲にする。なお、本明細書中で使用するパラメータは、表１のとおりである。
【表１】
2006077301.tif 000003
【００２９】
以下にフラッタリングパラメータ（１）式の導出について説明する。
【００３０】
ガスジェット冷却装置における各通板条件下での振動振幅の観察・測定結果から、振動振幅に相関のある指標として、フラッタリングパラメータＰｆを以下の考察に基づき導いた。
【００３１】
（１）測定、観察の結果から、振動は図１に示す板幅方向の曲げ振動と板厚方向の振動の重ね合わせといえたことから、両方のモデルを重ね合わせた式としている。図１（ａ）にある瞬間での鋼板の振動変位の模式図を示す。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。ここで、板厚方向振動の加振力の指標としてＰを、抵抗（剛性）指標としてＧｃを、そして板幅方向の曲げ振動の加振力の指標としてＡを、抵抗（剛性）指標として１／Ｇｄをそれぞれ振動振幅に比例する変数として掛け合わせている。
Ｆ＝ｆ（Ｙｆ）・・・・（６）式
Ｙｆ＝ｋ・Ａ・Ｐ・Ｇｃ／Ｇｄ  ・・・・（７）式          
【００３２】
（２）従来は平板の曲げたわみ、あるいは曲げ振動のモデルを組み込む場合が多かったが、これでは通板張力の影響が入っていないことと、実際の振動は大たわみであり、微小たわみ理論ではあまりあわないことから、（７）式ではカテナリー（懸垂線）のモデル（２）式を板厚方向に変位する振動の抵抗指標として組み込んでいる。
Ｇｃ＝（Ｕｔ／ｍ）×[ｃｏｓｈ｛（ｍ・Ｌ）／（２Ｕｔ）｝−１]・・・・（２）式
【００３３】
（３）板幅方向の曲げ振動の抵抗指標としては、（３）式を組み込んでいる。
１／Ｇｄ＝１／ｔ３・・・・（３）式
【００３４】
（４）板厚方向の振動の加振力の指標として、ガスジェットによる速度圧を組み込んでいる。
Ｐ＝（１／２）×σ・Ｖ２・Ｒｎｏｚｚｌｅ×１／９．８・・・・（４）式
【００３５】
（５）板幅方向の曲げ振動の加振力の指標として、測定結果から振幅がガスジェット加熱・冷却装置と鋼板の間の隙間面積Ｓ、即ち吹付後のガスが流れる横面積とガスの動粘性係数に反比例し、板にかかるガスジェット風量と板幅に比例する傾向が見られたことを組み込んでいる。
Ａ＝（Ｗ／２）×｛（Ｖ・ａｎ・Ｗ）／Ｓ｝×１／ν・・・・（５）式
【００３６】
（６）鋼板の固有振動数と通板速度による駆動ロールなどの設備との振動数の関係から、通板速度も振幅に関係するという説もあるが、測定において通板速度は振幅にあまり関係しなかったことと、鋼板が静止している状態でもガスジェットにより大きな振動振幅が発生したということから、通板速度は（７）式には入れていない。
（２）〜（５）式を（７）式に代入し、定数部分と変数部分に整理すると、変数部分としてフラッタリングパラメータ（１）式が得られる。即ち
Yf＝ｋ・Ａ・Ｐ・Ｇｃ／Ｇｄ＝Ｋ・Ｐｆ・・・・（８）式
【実施例１】
【００３７】
図２に、ノズル形状直管型のガスジェット冷却装置における、Ｐｆ値と振幅を測定した結果のグラフを示す。Ｐｆ値と振幅の関係をプロットすると、振幅とＰｆ値が概ね線形の関係となっている。また、測定においては、表２に示すように、板厚t、板幅Ｗ、ユニットテンションＵｔ、ガスジェット流速Ｖ、隙間面積Ｓ、サポートスパンＬを変化させて測定を行ったが、各パラメータの変化によりＰｆ値が変化し、Ｐｆ値と振動振幅、即ち（６）式のＦ＝ｆ（Ｙｆ）がほぼ線形の関係を保っていることが確認できた。
【表２】
2006077301.tif 000004
【実施例２】
【００３８】
実施例１と異なるノズル形状テーパ型のガスジェット冷却装置における、Ｐｆ値と振幅を測定した結果のグラフを図３に示す。ここでも、図２と同様に、Ｐｆ値と振幅は概ね線形の関係を示しており、ノズルの形状に関わらず（１）式に示すＰｆ値により振幅を推定できることがわかる。そして、Ｐｆ値が９以下の条件下では、振幅は問題にならない小さなレベルにおさまった。測定における各パラメータの変化を表２に示す。なお、実施例１と実施例２の基準振幅は同一値である。
【表３】
2006077301.tif 000005
【実施例３】
【００３９】
Ｐｆ値の計算をオンラインで実施し、Ｐｆ値に基づいて通板張力を制御し、Ｐｆ値が９を越えないようにするためのプロセスコンピューター内の演算フローを図４に示す。
【００４０】
通板スケジュールと溶接点を追跡する溶接点トラッキング情報から得られる通板情報に基づいて板温制御モデルによるガスジェット加熱・冷却装置の風量制御と、通板張力を制御するプロセスコンピューターに、Ｐｆの計算式を組み込み、通板サイズ、ガスジェット風量に基づいて、Ｐｆの値が９以下となるユニットテンションＵｔを計算し、鋼板の通板張力を制御する。本実施例では、ガスジェット加熱・冷却装置の鋼板からの距離（ギャップ）は固定とする。
【００４１】
従来は、ユニットテンション（鋼板単位断面積あたり通板張力）を鋼種や、薄手、基準厚さ、厚手程度の区分で数種のユニットテンションを設定する程度であるが、本発明においては、鋼板の通板張力を個別の鋼板サイズに応じて都度適正に設定することができ、必要以上に通板張力を高く通板することがなくなるため、駆動装置に要する消費電力を削減できる。
【実施例４】
【００４２】
Ｐｆ値の計算をオンラインで実施し、Ｐｆ値に基づいてガスジェット加熱・冷却装置の鋼板からの距離（ギャップ）を制御し、Ｐｆ値が９を越えないようにするためのプロセスコンピューター内の演算フローを図５に示す。
【００４３】
通板情報、板温制御モデルでガスジェット加熱・冷却装置のギャップ、風量を演算し、通板張力は従来と同様に固定して、Ｐｆ値が９を越えないようにギャップと風量を制御する。
【００４４】
従来技術では、通常、ギャップは一定に保たれ、前記プロセスコンピューターにて、フィードフォワードとフィードバック制御を有する板温制御によりノズル流速を演算・制御する。一般にガスジェットによる加熱・冷却装置はギャップが小さい程、その効率は高い。そして、ノズル形状によって、ギャップ、ノズル流速などをパラメータとした熱伝達率の計算式があり、これに基づいて加熱・冷却装置は制御されている。したがって、フィードフォワード制御においては、通板条件に基づいて、必要な熱伝達率を得るためのギャップとノズル流速が計算されるが、本実施例では同時にＰｆ値を計算することにより、Ｐｆ値が９以下を満足する範囲で、ギャップを縮めることができる。
【００４５】
また、フィードバック制御においても、常にＰｆ値は演算・監視され、Ｐｆ値が９を超えると、通板張力を増す制御とする。ガスジェット加熱・冷却装置のギャップが定まらず、制御が不安定とならないように、ギャップの設定変更は鋼種の変更による目標板温の変更や、通板速度の変更の際のフィードフォワード演算時にのみ行うことが実用的である。
【００４６】
これにより、従来技術では通常、通板サイズの中で振動が最も厳しい条件で、ガスジェット加熱・冷却装置と鋼板の距離を決め、一定にしているのに対して、本発明では通板条件によって振動が問題にならない範囲で、適正に鋼板との距離を小さくできるので、加熱・冷却装置に要する消費電力を削減することができる。
【実施例５】
【００４７】
Ｐｆ値が９を越えない範囲内で、電気コストが最も低い通板張力とギャップと風量の組み合わせを算出し、該設定に制御するためのプロセスコンピューター内の演算フローを図６に示す。
【００４８】
通板情報、板温制御モデルでガスジェット加熱・冷却装置の風量を演算し、電気コストが最も低くなり、Ｐｆ値が９を越えないギャップ、風量、通板張力を演算して制御する。
【００４９】
まず、伝熱モデルによる板温制御のフィードフォワード演算において、通板負荷（板厚、板幅、通板速度、目標温度）から、その条件を満足するギャップとブロワ風量の解の組み合わせが加熱あるいは冷却モデル式から得られる（ただし、加熱・冷却モデル式はノズルの形状など設備により異なる）。この解は無限にあるので、例えばギャップを５０，６０，７０，８０，９０，１００ｍｍのごとく１０ｍｍ刻みで演算しても良い。そして、その風量から、ブロワの消費電力Ｅｂを演算できる。そして、ギャップとブロワ風量から、Ｐｆ＝９となる通板張力Ｕｔを求めることができる。通板張力Ｕｔからロールを駆動するのに要する消費電力Ｅｄ を求めることができ、Ｅｑ＋Ｅｂの値が最も小さなギャップに決定する。またフィートバック制御においても、常にＰｆ値は演算・監視されＰｆ値が９を超えると、通板張力を増す制御とする。加熱・冷却装置のギャップが定まらず、制御が不安定とならないように、ギャップの設定変更は鋼種の変更による目標板温の変更や、通板速度の変更の際のフィードフォワード演算時にのみ行うことが実用的である。
【００５０】
ここで、実施例３，４，５の制御方式の違いを図７により説明する。
【００５１】
板厚、板幅、通板速度、ヒートサイクル一定の安定操業下においては、加熱・冷却に必要な熱伝達率は一定である。フラッタリングが問題とならない、例えばＰｆ＝３での安定操業を基準とし、フラッタリングが問題とならない限界であるＰｆ＝９まで設定変更を行うものとする。図７において、ギャップ一定で通板張力を下げるのが実施例３、通板張力一定でギャップを縮めるのが実施例４、もっともエネルギー効率が良くなるように、ギャップ、通板張力の両方を変更するのが実施例５となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】板幅方向の曲げ振動と板厚方向の振動を示す模式図である。
【図２】実施例１のＰｆ値と振幅比を測定した結果のグラフである。
【図３】実施例２のＰｆ値と振幅比を測定した結果のグラフである。
【図４】実施例３の通板張力を制御するためのプロセスコンピューター内の演算フローである。
【図５】実施例４のギャップを制御するためのプロセスコンピューター内の演算フローである。
【図６】実施例５の電気コストが最も低い通板張力、ギャップ、風量の組み合わせを制御するためのプロセスコンピューター内の演算フローである。
【図７】実施例３，４，５の制御方式の違いの説明図である。
【図８】（ａ）は連続焼鈍炉の冷却帯を示す図、（ｂ）は冷却ウィンドボックスを示す図、（ｃ）は冷却ウィンドボックスのノズルを示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：冷却帯
２：冷却ウィンドボックス
３：鋼板
４：ノズル
５：サポートロール
【図１】
2006077301.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006077301.tif 000011
【図７】
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【図８】
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