(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
稼働中の炉内搬送ロールを非破壊的に検査してその寿命を判定する炉内搬送ロールの寿命判定方法であって、前記稼働中の炉内搬送ロールに所定の加振力を負荷し、当該加振力により当該炉内搬送ロールに発生した振動を計測し、ここで計測された振動に基づき周波数応答関数を測定し、こうして得られた稼働中測定周波数応答関数を、前記炉内搬送ロールについて別途測定された基準周波数応答関数と比較する方法により、当該炉内搬送ロールの寿命を判定する方法において、
前記基準周波数応答関数として、前記炉内搬送ロールの新品を稼動させた後に、当該炉内搬送ロールに前記所定の加振力を加えて計測した特定次数の固有振動の周波数が極大となる特定次数の固有振動の周波数を採用することを特徴とする、炉内搬送ロールの寿命判定方法。
【請求項２】
前記基準周波数応答関数と、前記稼働中測定周波数応答関数との前記比較方法として、
当該基準周波数応答関数としての前記特定次数の固有振動の周波数に対する、当該稼働中測定周波数応答関数としての前記特定次数の固有振動の周波数の変化率に基づき行なうことを特徴とする、請求項１記載の炉内搬送ロールの寿命判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、製鉄プロセス等において鋼板等を加熱炉や熱処理炉等の工業用炉内で搬送する際に用いられる炉内搬送ロールを非破壊的に検査して、その寿命を判定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所における鋼板等の製造においては、鋼板等を工業用炉内で連続的に搬送しながら、加熱あるいは熱処理等を行なう工程がある。その場合、鋼板等を搬送する手段として、工業用炉内に搬送用のロールを設け、ロールを回転させることによりその上に載せた鋼板を移動させる。
【０００３】
図５は、鋼板の熱処理炉内に設けられた炉内搬送ロールにより、鋼板を移動させる状況を説明する縦断面概略図である。同図において、熱処理炉１内に水平に複数本設けられた炉内搬送ロール３の上面を、鋼板２が所定方向に所定の速度で移動させられ、所定の熱処理が施される。炉内搬送ロール３は、図６に示すような形状をしており、胴部３１とその両端の軸受部３２とからなり、胴部３１は中空円筒状形態を呈している。
【０００４】
一般に、炉内搬送ロールは、高温状態で重荷重且つ厳しい熱サイクルが負荷される条件下で使用される。そのため炉内搬送ロールは変形を生じたり、疲労・劣化したりする。このような変形や疲労・劣化が進行した炉内搬送ロールは使用不能となるので、その使用可能な期限、即ち寿命を予測することが必要である。炉内搬送ロールの寿命を予測する方法、即ち寿命判定方法としては、例えば、ロール径の変化を測定する方法がある。この方法は、炉内搬送ロールの表面において、特に疲労、劣化の激しい部分では胴部における大きな肉厚の変化を生じることを利用して、ロール径の変化を測定することにより、その搬送ロールの寿命を判定するものである（以下、「先行技術１」という）。
【０００５】
また、ロール表面の硬度測定による寿命判定方法がある（以下、「先行技術２」という）。例えば、特開平８−１６６３３２号公報には、ロール表面の硬度測定による寿命判定方法が提案されている。この方法は、超音波硬度計を用いてロール表面の硬度を測定し、その硬度測定値が初期の硬度測定値の１／２以下となった場合、そのロールは寿命に達したと判定する方法である。
【０００６】
その他に、ロールの透磁率測定により、疲労、材質の劣化の程度を評価し、ロールの寿命を判定する方法もある。これは、ロールの材質面の変化が透磁率の変化として現れることを利用したものである（以下、「先行技術３」という）。
【０００７】
上述した方法に対して、特開２０００−１９０５４号公報には、下記方法が開示されている。即ち、ロールに加振力を負荷してそのロールに発生した振動を計測し、その結果に基づき周波数応答関数を測定する。一方、予めそのロールの新品状態又は同一仕様の新品ロール状態において、同じく周波数応答関数を測定して基準の周波数応答関数とし、この基準の周波数応答関数と上記で測定された周波数応答関数とを比較することによりロールの寿命を判定するという方法である（以下、「先行技術４」という）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの従来技術には以下の問題点がある。
【０００９】
先行技術１のロール径測定による寿命判定方法では、ロールの疲労、劣化が必ずしもロール径の変化に対応しておらず、寿命判定の精度が低い。また、ロール径の変化が相対的に小さかった部位において、ロールの折損が起こることもあり、この方法は信頼性が高いとは言えない。一般に、ロール径の変化がそれほど顕著でないロールでも折損する場合が多い。
【００１０】
先行技術２の硬度測定による寿命判定方法では、ロール表面を全域にわたって計測する必要があり、計測に長時間を要する。特開平８−１６６３３２号公報に開示されているように、超音波硬度計を用いて計測を効率化しても、ロール表面の全面を走査するためには、センサーの走査装置等、設備面でのコストがかかり、その計測作業の自動化に対しては更にコストが嵩む。
【００１１】
先行技術３の透磁率測定による寿命判定方法は、やはり、ロール表面を全面にわたって計測する必要があり、計測に長時間を要する。また、このような材質面での変化を検出する目的で使用する透磁率のセンサーは、耐熱温度が４０℃と低いため、炉内で計測するためには、炉内温度が高いと使用できない。炉温を４０℃以下となるよう低下させるには、長時間のライン停止が必要であり炉の生産効率が低下する。
【００１２】
先行技術４の周波数応答関数を利用する方法には、炉内搬送ロールのような厳しく複雑な熱履歴を受けた場合における、基準とする周波数応答関数の決定方法について、合理的な根拠の開示がなされていない。従って、先行技術４に開示された方法において基準とする周波数応答関数についての妥当性についての疑問が解消されていないので、そのままロールの寿命判定に適用するには問題がある。
【００１３】
この発明は、上述したような従来のロール寿命判定方法における問題点を解決し、ロール表面の全面について計測する必要がなく、しかも簡便な設備で効率よく、短時間のライン停止中であっても行なうことができ、しかも信頼性の高い、炉内搬送ロールの寿命判定方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した問題を解決して所期の目的を達成するために、先行技術１〜先行技術３における各問題点を先行技術４により解決すると共に、先行技術４において基準とすべき周波数応答関数の決定方法を改善することにした。かかる方針のもとに鋭意試験を重ねて、次の知見を得た。
【００１５】
新品の炉内搬送ロールを、当該炉の操業条件下において炉内で使用した場合の、使用時間の経過に伴ない、炉内搬送ロールに負荷された加振力により生じる振動に対する周波数応答関数の特性がどのように変化するかについて試験・調査した。周波数応答関数の特性の一つとして固有振動に注目し、その経時変化を調査した。ここで、この経時変化は、所定の炉内搬送ロールについて、凡そ５ヶ月毎に行なわれる各炉修タイミング毎に周波数応答関数を測定した。その結果、新品の炉内搬送ロールの使用時間経過に対する周波数応答関数の固有振動の周波数は、使用開始後に一旦増加して極大値をとり、その後、徐々に減少する傾向を示すことがわかった。
【００１６】
表１に、新品の炉内搬送ロールをラインに取付け後、５ヶ月間、鋼板熱処理操業に使用した後におけるその炉内搬送ロールの周波数応答関数を測定し、その固有振動の周波数を、ライン取付け前にその新品ロールの状態において予め測定しておいた周波数応答関数についての固有振動の周波数と比較した例を示す。同表中のデータは、鋼板熱処理炉内の所定ナンバーの胴長約５．５ｍの搬送ロール１本について測定した周波数応答関数についての７次〜１２次の各固有振動の周波数について、上記操業期間での使用前後の変化を求めたものである。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
上記における周波数応答関数の測定方法では、ロールに対して打撃加振を加え、センサーポイントとして下記２セットの測定位置を設けた。即ち、第１セットの測定位置は、ロール胴長中心におけるロール表面上の所定の１点（Ｐ点）と、ここから胴長方向に所定距離（今回は胴長×０．４）だけ離れたロール表面の位置（Ｑ点）との２点（同表中、測定位置セットの符号：Ａ）であり、そして、第２セットの測定位置は、上記Ｐ点と、上記Ｑ点からロール表面を円周方向に軸線からの仰角が４５度だけ軸線を中心に回転した位置との２点（同表中、測定位置セット符号：Ｂ）である。
【００１９】
表１に例示されるように、新品の炉内搬送ロールを操業において使用すると、使用開始後のある時期における周波数応答関数について、その固有振動の周波数は明らかに増加する。この周波数の増加現象は、炉内における熱影響に起因するものであると推定される。
【００２０】
ところが従来、上述したような炉内搬送ロールについて測定された周波数応答関数の固有振動の周波数は、使用時間の増加につれて単調減少傾向を示すものと考えられており、上記周波数は単調に減少するものとの想定に基づき、使用前の炉内搬送ロール（「新品ロール」という）と使用開始後適宜期間が経過後の炉内搬送ロール（「稼働中ロール」という）とにおける両者の周波数の差に基づき、その炉内搬送ロールの性能劣化を判定していた。この方法で稼働中ロールの周波数応答関数（「稼働中測定周波数応答関数という」）と新品ロールの周波数応答関数（従来法における「基準周波数応答関数」）とを比較すると、通常は、周波数応答関数の固有振動の周波数が上述した極大値をとった後に、稼働中測定周波数応答関数が測定され、これが従来法における基準周波数応答関数と比較されることになるので、両者の周波数の差が過小評価されることになる。
【００２１】
そこで、上述した従来法における基準周波数応答関数と稼働中測定周波数応答関数との固有振動の周波数差の過小評価によるロール寿命判定の不適切化という弊害をなくすために、本発明者等は、今回得られた新しい知見により、従来、例えば先行技術４において提案されているように、新品状態における炉内搬送ロールについて測定された周波数応答関数を、そのロールについて基準とする周波数応答関数と定める方法を止め、その代わりに適切な期間、その炉内搬送ロールが所定の操業条件下で使用された後に測定された周波数応答関数をそれに採用することに着眼した。
【００２２】
この発明は、上記知見及び着眼に基づきなされたものであり、その要旨は次の通りである。即ち、この発明は、炉内搬送ロールの寿命判定方法として、炉の操業に伴い使用された炉内搬送ロールについての周波数応答関数が変化することを利用することを基本とするものである。
【００２３】
請求項１記載の発明に係る炉内搬送ロールの寿命判定方法は、稼働中の炉内搬送ロールを非破壊的に検査してその寿命を判定する炉内搬送ロールの寿命判定方法である。ここで、稼動中とは、新品の炉内搬送ロールが使用され始めてからその寿命に達するまでの期間全体を指すものとし、また、所謂炉修期間中のロール使用の休止期間中にあるロールも、稼働中の炉内搬送ロールであるとする。上記稼働中の炉内搬送ロールに所定の加振力を負荷し、その加振力によりその炉内搬送ロールに発生した振動を計測し、ここで計測された振動に基づき周波数応答関数を測定する。ここで、周波数応答関数は、加振力と振動から得られる伝達関数を、振動数（周波数、角振動数）の関数として表現したものである。こうして得られた稼働中にある炉内搬送ロールの測定周波数応答関数（この明細書において、「稼動中測定の周波数応答関数」という）を、上記炉内搬送ロールについて別途測定しておいた基準とすべき周波数応答関数（この明細書において、「基準周波数応答関数」という）と比較する方法により、この炉内搬送ロールの寿命を判定する方法であって、この基準周波数応答関数に次の特徴を付与する。即ち、基準周波数応答関数として、上記炉内搬送ロールの新品を稼動させた後に、その炉内搬送ロールに所定の加振力を加えて計測した特定次数の固有振動の周波数が極大となる特定次数の固有振動の周波数を採用するというものである。
【００２４】
なお、加振力としては、一般の加振実験に用いられるインパルス、スイープサイン、バーストチャープ、ランダム等、種々の形態を用いることができる。加振力を加える箇所は最低１箇所でもよく、振動を検出する箇所も最低１箇所でもよい。従って、従来技術のようにロールの全域について計測する必要はなく、計測時間を大幅に削減することができる。
【００２５】
請求項２記載の発明に係る炉内搬送ロールの寿命判定方法は、前記基準周波数応答関数と、前記稼働中測定周波数応答関数との前記比較方法として、当該基準周波数応答関数としての前記特定次数の固有振動の周波数に対する、当該稼働中測定周波数応答関数としての前記特定次数の固有振動の周波数の変化率に基づき行なうことを特徴とする、請求項１記載の炉内搬送ロールの寿命判定方法である。なお、この比較に際しては、上記変化率の絶対値のみでなく、その変化率の経時的変化を考慮して行なう方法が望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態例について説明する。
【００３０】
鋼板熱処理炉の炉内搬送用新品ロールあるいは稼働中ロールについて、次の方法により周波数応答関数を計測する。ここで、稼働中ロールについての計測は、それぞれの炉修時点に行なうのが好都合であり、第１回目の炉修時、及びその後の炉修時毎に行なう。なお、各炉修間の間隔（期間）は、当該熱処理炉における熱処理量及び操業度等に依存して決められるが、約５〜７ヶ月の範囲内であることが多く、通常、炉修は当該熱処理炉に固有の所定期間間隔で行なわれる。
【００３１】
図１は、本発明の寿命判定方法を実施するために行なう、稼働中ロールあるいは新品ロールの周波数応答関数を測定するに当たり、打撃加振法により所定の加振力を負荷し、その加振力により上記炉内搬送ロールに発生した振動を計測する方法を説明する概略正面図である。同図において、３は振動計測対象の炉内搬送ロール、６は加振器（ハンマ）そして、５は振動センサーである。
【００３２】
振動計測試験は、検査対象とする炉内搬送ロール３を熱処理ラインから取り出して、両端の軸受部３２をブロック４で支持してこれを行なう。振動計測試験では先ず、ロール胴部３１の中央の表面を半径方向に向けて加振器（ハンマ）６で加振し、これによって発生した振動を、その加振器６に隣接する位置に取り付けた振動センサー５、例えば、加速度型ピックアップセンサーにより計測する。こうして計測された振動波形を用いて、周波数応答関数を測定する。前述した通り、周波数応答関数は加振力と振動から得られる伝達関数を、周波数（振動数、角振動数）の関数として表現する。
【００３３】
こうして測定された周波数応答関数の内、炉内搬送ロールが稼動中に炉内における熱影響に起因してロールの性能が向上し、その性能がピークになった時点に最も近いと考えられる回数目の炉修時に測定された周波数応答関数（以下、「ロール性能極大時の周波数応答関数」という）を、基準周波数応答関数と定める。ここで、ロール性能極大時の周波数応答関数の決定方法は、各周波数応答関数に共通するパラメーターを適切に定め、この定められたパラメーターが極大値となった時期に対応する炉修時の周波数応答関数を採用するものとする。その適切なパラメーターとしては、周波数応答関数の特徴を表わすもののうち、最も感度のよいパラメーターを採用することが望ましく、例えば、周波数応答関数の特定の固有振動を採用するのがよい。
【００３４】
なお、上述した実施形態例におけるロール性能極大時の周波数応答関数は、本発明者等が試験した鋼板熱処理の搬送ロールについては常に、第１回目の炉修時に測定された周波数応答関数に該当していた。ここで、上記第１回目の炉修は、新品ロールの使用開始後の稼働期間が約５〜６ヶ月の一定期間であった。
【００３５】
次に、炉内搬送ロールの基準周波数応答関数が決定された後、その後に行なわれる炉修時毎にその時点における周波数応答関数を測定し、両方の周波数応答関数に共通する適切なパラメーターを定める。次いで、今回測定された周波数応答関数（即ち、稼働中測定周波数応答関数）のパラメーターと基準周波数応答関数のパラメーターとの差を、又は、基準周波数応答関数のパラメーターに対する当該稼働中測定周波数応答関数のパラメーターの変化率を算出する。上記周波数応答関数の測定及びそのパラメーターの上記差又は変化率の算出を、次回以後の炉周時毎に行ない、この差又は変化率の経時変化を管理する。そして、この差又は変化率が所定の閾値を超えたときをもって、ロール寿命と判定する。
【００３６】
図２は、所定の炉内搬送ロールの基準周波数応答関数として、第１回目炉修時に測定された周波数応答関数を採用し、上記パラメーターとして所定次数の固有振動の周波数を使用した場合における、当該固有振動数の周波数の経時変化と、これを用いて算出された当該固有振動数の周波数についての上記変化率の経時変化とを、第Ｎ回目の炉修時までについて模式的に例示するグラフである。同図において、第（Ｎ−１）回目の炉修時までの各回目においては、第１回目炉修時の周波数に対する周波数の変化率は相対的に小さいが、第Ｎ回目におけるその変化率は、相対的に急激に大きくなり、所定の閾値を超えている。そこで、第Ｎ回目の炉修時をもって、上記搬送ロールの寿命到達と判定する。
【００３７】
【実施例】
この発明を実施例により更に説明する。
【００３８】
鋼板熱処理炉の炉内搬送ロールの特定の１本に対して、図１に示した炉内搬送ロールの振動計測試験により、新品ロール及び使用開始後ロールについての周波数応答関数を測定した。但し、使用開始後ロールの周波数応答関数の測定は、第１回目から第５回目までの各炉修時に行なった。上記新品ロール及び使用開始後ロールについての各周波数応答関数に共通のパラメーターとして、第７次固有振動の周波数を採用し、そして、今回の試験におけるロール性能として上記第７  次固有振動の周波数が、炉修回数に対して極大値をとるときが第１回目炉修時であったことに鑑み、第１回目炉修時における周波数応答関数を、基準周波数応答関数と定めた。従って、今回の試験における「稼働中測定周波数応答関数」は、第２〜第５回目炉修時における周波数応答関数がそれに該当する。そこで、基準周波数応答関数のパラメーターに対する稼働中測定周波数応答関数のパラメーターの変化率として、第１回目炉修時における周波数応答関数の第７次固有振動の周波数を基準周波数とし、この基準周波数に対する第２〜第５回目炉修時における各周波数応答関数の第７次固有振動の周波数の変化率を算出した。ここで、第７次固有振動の周波数を採用した理由は、基準周波数応答関数と稼働中測定周波数応答関数とを同一次数の固有振動の周波数について比較したところ、９５０Ｈｚ前後に存在する第７次固有振動が現れる位相差のピーク（周波数の差）が最も大きくなっていたことに依る。
【００３９】
図３に、このようにして得られた稼動中ロールの周波数応答関数の基準周波数応答関数に対する、第７次固有振動の周波数についての変化率の経時変化を示す。同図において、横軸の第１〜第５の各炉修回数時のロール使用開始後の経過時間は、それぞれ５ヶ月、１１ヶ月、１７ヶ月、２３ヶ月及び２８ヶ月である。同図により、第７次固有振動の周波数変化率の経時変化傾向が明らかであり、第５回目炉修時における周波数変化率は、−０．７８％まで降下し、これは第４回目炉修時における周波数変化率−０．６３％と比較すると、比較的急激に降下していることがわかる。かかる周波数応答関数変化率の傾向管理を継続し、この周波数変化率が所定の閾値を超えた時点を、上記搬送ロールの寿命と判定する。但し、ここでは周波数変化率の閾値として、今回の試験では、−１．０％に設定したので、上記搬送ロールは未だ寿命に達してはいないが、かなり寿命に近づいていることがわかる。
【００４０】
なお、比較例として、上記実施例の試験期間における周波数応答関数に関する測定値を用い、従来方法である、新品ロールの周波数応答関数を基準周波数応答関数として定め、その新品ロールの第７次固有振動の周波数に対する、第１〜第５回目の各炉修時における周波数応答関数の第７次固有振動の周波数の変化量の経時変化を明らかにし、これを図４に示す。同図によれば、上記周波数の変化量の比較的急激な降下は、第５回目炉修時においても認められないことがわかる。
【００４１】
このように、比較例においては認められない比較的急激な搬送ロールの性能降下であっても、実施例においては、その性能降下がより明確に認められ、この発明の方法によれば、新品ロールについて測定された周波数応答関数を基準周波数応答関数に定めた従来の方法と比較して、寿命判定の精度が一段と向上する。
【００４２】
なお、上記実施例においては、各周波数応答関数に共通のパラメータとして、第７次固有振動の周波数の差（ピークシフト）を用いたが、この次数に限定する必要はなく、他の次数の固有振動であっても、基準周波数応答関数と各稼働中測定周波数応答関数とを同一次数の固有振動について比較した場合に、両者間の周波数の差が明確に認められるならば、その次数の固有振動を用いてもよい。また、寿命判定用のパラメータとしては、特定の固有振動の周波数差のみに限定する必要はなく、各周波数応答関数により求まるすべての共通するパラメーターの内、上記両者間の差異が明確に表示されるものであればよい。
【００４３】
また、加振点あるいは応答点についても、上記実施例におけるように、ロールの中央部のみに限定する必要はなく、例えば、加振点を中央部、応答点をロール端部とする中央部加振−端部応答の周波数応答関数を用いてもよい。更に、周波数応答関数は１種類に限定されるものではなく、例えば、１点加振−多点応答、多点加振−１点応答、あるいは多点加振−多点応答のいずれかにより得られた各周波数応答関数から、寿命判定用のパラメータを求めてもよく、上述した実施例の方法による場合と同様の効果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明によれば、炉内搬送ロールの基準となる周波数応答関数の決定方法として、新品ロールを使用開始後にそのロール性能が上昇した場合には、その性能の極大値時点における周波数応答関数を採用するので、稼働中ロールの性能劣化に基づくロール寿命の判定精度を、従来技術におけるよりも一層向上させることができる。その結果、種々の工業用炉内で使用される搬送ロールの原単位が削減されてプロセスコストの低下に寄与し、更に、ロール寿命判定精度の向上により、ロールの使用期間延長が可能になること、また、簡便な設備で炉内搬送ロールの寿命の判定が可能となると共に、比較的高温のロールに対しても実施可能なためにライン停止が短時間で済むこと、等の当該工業用炉を運転する生産工程運用の制約条件が緩和されるので、生産性の向上にも寄与する。この発明によれば、上述したような効果が発揮され得る炉内搬送ロールの寿命判定方法を提供することができ、工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の寿命判定方法を実施するために、搬送ロールに加振力を負荷し、発生した振動を計測する方法を説明する概略正面図である。
【図２】本発明の寿命判定方法を実施する際に得られる、各炉修時に得られる周波数応答関数についての固有振動周波数の経時変化と、その固有振動周波数の変化率の経時変化とを模式的に例示するグラフである。
【図３】実施例において得られる、稼動中ロールの周波数応答関数の基準周波数応答関数に対する固有振動の周波数変化率の経時変化を示すグラフである。
【図４】比較例において得られる、稼動中ロールの周波数応答関数の基準周波数応答関数に対する固有振動周波数の変化量の経時変化を示すグラフである。
【図５】鋼板の熱処理炉内に設けられた炉内搬送ロールを説明する、熱処理炉の長手方向概略縦断面図（ａ）、及び幅方向概略縦断面図（ｂ）である。
【図６】図５に示した炉内搬送ロールの斜視図である。
【符号の説明】
１  加熱炉
２  鋼板
３  炉内搬送ロール
３１  胴部
３２  軸受部
４  ブロック
５  振動センサー
６  加振器（ハンマ）
【図１】
0004172157.tif 000003
【図２】
0004172157.tif 000004
【図３】
0004172157.tif 000005
【図４】
0004172157.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004172157.tif 000008