三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014) 機械・設備システム特集

技 術 論 文56

過酷な環境下で高精度検出を可能とした
熱間圧延用インライン形状計の開発
Development of Strip Shape Meter with High Accuracy
under Severe Condition for Hot Strip Mill
金 森 信 弥 *1

木 ノ瀬亮 平 *2

Shinya Kanemori

Ryohei Kinose

馬 庭 修 二 *3

大和田

Shuji Maniwa

Takao Owada

隆 夫 *4

古 元 秀 昭 *5

末 田 茂 樹 *1

Hideaki Furumoto

Shigeki Sueda

三菱日立製鉄機械(株)は，高温・水蒸気・粉塵等の過酷な環境下でも高精度に鋼板形状を計測できる鋼板接触型の熱間圧延用インライン形状計を開発・製造・販売している。この形状計により，熱間圧延ラインでの鋼板形状を常時高精度で計測でき，通板性を改善することができる。本装置は板幅方向に７分割のセグメントから構成され，各セグメントにトルクメータを配置することで，低ヒステリシス(注)を実現した。また，内部水冷の採用により，過酷な環境下でも十分な耐久性を有しており，実機ラインで約８年以上順調に稼働中である。本稿では，これら形状計の開発内容について紹介する。
（注）ヒステリシス (Hysteresis)：各部の摩擦によって発生する計測誤差|1. はじめに
熱間圧延分野では，ハイテン材に代表されるように，ますます硬質で薄肉の圧延鋼板を製造する傾向にある。このため，板形状を常時高精度で計測し，安定して圧延するために，インラインにて板形状を計測することが求められている。すでに光学式計測器(1)が実用化されているが，鋼板に張力が作用する定常圧延部では，板形状が潜在化し計測できないのが実状である。そこで，板形状に対応した圧延方向張力の板幅方向分布をトルクメータで高精度に計測する形状計
Looper Shape Meter（以下 LSM と呼ぶ）を開発した(2)-(4)。本装置は，圧延機スタンド間の張力制御用ロール（ルーパーロール）を幅方向に分割し，各分割ロールに作用する張力分布を計測する方式である。ヒステリシスが小さく高精度な検出ができる特長があり，要素試験，実機検証試験により熱間圧延の過酷な環境下でも十分な耐久性を有している事を確認した。

|2. LSM の装置構成と計測原理
2.1 装置構成と特長
図１に示すように，LSM は仕上圧延機の最終スタンドの上流側に，既設のルーパーに置き換えて配置した。本装置は，板幅方向に７分割のセグメントから構成されており，圧延方向張力の板幅方向分布を後述のトルクメータにより高精度に計測し，圧延中の板形状を計測できる機能を有している。既設のスタンド間ルーパーからの改造により，LSM を容易に設置可能であり，ルーパー本来の機能としてもほぼ同じ張力制御応答性を有している。
図２にセグメントロールの構成を示す。センターブロックの左右にトルクメータが設置され，ローラーからの力を，アームを介して左右２つのトルクメータにて直接受ける構造となっている。このローラーは自動調芯式のベアリングによって支持されており，セグメントロール内の張力分布に応じ*1 技術統括本部広島研究所*2 三菱日立製鉄機械(株)設備計画推進部 主幹技師

*3 三菱日立製鉄機械(株)電機システム部電機システム計画Ｇ GL*5 三菱日立製鉄機械(株)技術開発部研究開発室 主幹技師 工博*4 三菱日立製鉄機械(株)圧延機設計部第１設計Ｇ GL

三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014)57

たトルクを左右２つのトルクメータにて個別に計測できる特長を有している。このトルクメータはカバーにより覆われており，水および埃の浸入を防止するためにエアーパージされている。熱間圧延鋼板の放射熱からトルクメータを保護するために，センターブロックおよびセグメント上部のエプロンは内部水冷構造としている。

図１ LSM の外観図

図２ セグメントロールの構成

仕上圧延機のスタンド間に設置した LSM と熱延鋼板の外観図を示す。

ローラーからの力を，アームを介して左右２つのトルクメータにて直接受ける構造となっている。

2.2 形状算出方法と計測システム(1) 形状算出方法
・ 圧延方向張力の板幅方向成分をチェビシェフ多項式(5)で近似した。
T(x)=C0+C1φ1(x)+C2φ2(x)+C4φ4(x)①

ここで x は板幅方向位置を無次元にしたものである。
・ トルクメータ計測値{Mi}は，張力分布の係数{Cj}={C0，C1，C2，C4}を用いて表せる。
{Mi}={Aij}{Cj}②

ここで，i（i=1～14）はトルクメータ，j（j=0，1，2，4）は張力分布の次数，{Aij}はトルクと張力分布を関係付ける係数であり，ローラーとトルクメータ間の距離，板幅などで表される。
・ １次成分は片伸び形状を，２次成分は中伸び，あるいは端伸び形状を意味する。この張力分布を最小二乗法により次式で算出する。
{Cj}=({Aij}t・{Aij})-1{Aij}t・{Mi}③(2) 計測システム
図３に計測のシステム構成を示す。板幅方向の 14 個のトルクメータからの計測データは形状演算装置へ伝送され，あわせてレベル１およびレベル２のコントローラーからルーパーアング
ル，板速度，板厚，板幅などのデータも伝送される。算出した板形状は運転室内へと転送されHMI（Human Machine Interface）モニター画面に表示される。

図３ 計測システム構成
LSM で計測したトルク，熱電対データを形状演算装置へ伝送し，演算した板形状をイーサネット経由にて運転室のモニターへ出力するまでの計測システム構成を示す。

三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014)58|3. 要素試験結果(1) 加熱試験
LSM は 900℃以上の熱延鋼板から放射熱を受けるので，トルクメータ保護のためにセンターブロックおよびセグメントロール上部のエプロンを内部冷却構造とした。冷却効果確認のためセグメントロールを取り出してヒーターにて加熱しトルクメータおよびエプロンの温度を熱電対にて計測した。
図４に温度計測結果を示す。加熱開始から約 20 分後にヒーターは 900℃に達したが，トルクメータの温度は 60 分程度にて飽和した。180 分後には約 29℃，と使用上限温度の 60℃以下であった。

図４ 加熱試験結果
一つのセグメントロールを取り出して，ヒーターにて 900℃以上に加熱した際のトルクメータの温度計測結果を示す。

(2) トルク計測精度の検証
高精度な計測のためには，摺動部に起因したヒステリシスを小さくすることが重要である。
LSM は張力分布をトルクメータで直接計測する構造のため，摺動部がほとんどなく，計測の外乱となるヒステリシスが小さい。これを検証するために，要素試験にてヒステリシスを計測した。
微小な錘（おもり）をセグメントロール内において付与位置を４点変え，負荷および除荷（0.6，1.2，1.8，3.6N・m）して左右のトルクメータの計測値を記録した。ヒーターにより１時間以上の加熱を行った後，実機に極力近い状態にて試験を行った。図５に計測結果を示す。横軸はトルクメータＡの出力，縦軸はトルクメータＢの出力である。図中の黒丸は負荷時の実験点，白丸は除荷時の実験点を示し，破線は錘およびトルクメータまでの距離を用いて算出した値を示す。
トルクＡとトルクＢの関係は計算と良く対応しており，ヒステリシスが 1N・m 以下と小さい値であることが検証できた。

図５ トルク計測精度確認結果
微小な錘を負荷および除荷した際のセグメントロール内での左右のトルク出力計測値の関係を示す。

三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014)59|4. 実機ラインへの適用結果
4.1 耐久性検証試験
実機仕上圧延機の最終スタンド上流側のスタンド間に既設ルーパーと置き換えて LSM を設置し，検証試験を行った。図６に LSM の実機ラインへの適用状況を示す。
仕上板厚 2.04mm，板幅 1287mm の条件で，約 10 分間の連続圧延中のトルクメータの温度は25℃程度に維持できた。また，圧延後の確認では，水あるいは埃などが内部へ浸入した形跡はなく，LSM は健全な状態であった。この LSM は現在までに約８年以上使用しており，実機の過酷な環境下でも健全性を維持できている。

図６ LSM の実機ラインへの適用状況
LSM を用いての圧延状況を示す。

4.2 形状計測結果
形状計測結果の一例を図７に示す。仕上板厚 2.44mm，板幅 1513mm の条件である。両端部，中央部のトルクが大きく，クォーター部でのトルクが小さい。このトルク計測値を用いて演算した板形状は，ワークサイド側の伸びが小さく，中伸びおよびクォーター伸びであり，１次，２次，４次成分に分解できる。

(a) トルク(c) 板形状 1 次成分(b) 板形状(d) 板形状 2 次成分(e) 板形状 4 次成分

図７ 板形状計測結果
実機圧延中でのトルク計測値からの板形状（合計，１次，２次，４次成分）の演算結果を示す。

三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014)60|5. まとめ
熱間圧延用インライン形状計を開発し，以下の結果を得た。
(1) トルクメータ採用により，LSM のヒステリシスが小さいことを要素試験で検証した。
(2) 実機ラインで計測した板形状は１次，２次，４次成分に分解できることを示した。
(3) 熱間圧延の過酷な環境下において，LSM が十分な耐久性を有することを検証した。
(4) LSM は実機ラインにて約８年以上稼働しており，運転者がモニターとして活用している。
今後は，計測結果をレベリングおよびベンダー力の調整に使用することで，板尾端部の絞りおよび形状不良を防止し，安定通板および生産性向上へ寄与していくことが期待される。

参考文献
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

江森隆，第 61 回塑性加工シンポジウム，（1977），p.14-22
馬庭修二ほか，第 126 回圧延理論部会，126-1，（2007）
木ノ瀬亮平ほか，産業機械，（200７），p.42-44
古元秀昭ほか，塑性と加工，54-635，（2013），p.1043-1047
R.W.Hamming ほか，ディジタル・フィルタ，科学技術出版社，（1980），p.201-204