JP2013104807A - ロール表層欠陥検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧延ロールの表層に存在するノイズ源の影響を低減し、圧延時の使用に耐えうるリフトオフを確保する。
【解決手段】本発明のロール表層欠陥検出装置は、励磁信号により圧延ロール３ａの表層部に渦電流を発生させる少なくとも１つの励磁コイルと、渦電流により誘起された磁束を検出する少なくとも２つの検出コイルとを有するＥ形センサ６と、２つの検出コイルによる検出信号の差分を差動増幅して差分信号を出力する差動増幅器と、差分信号を励磁信号により同期検波する検波器とを備え、励磁コイルおよび検出コイルは、圧延ロール３ａの回転軸方向に配列されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼板を圧延するための圧延ロールの表層欠陥を検出するロール表層欠陥検出装置に関する。

熱間圧延や冷間圧延において使用される圧延ロールは、圧延時に熱負荷や摩擦負荷が表層にかかる。よって、同一の圧延ロールを繰り返し使用していると、表層に割れや欠けなどの欠陥が生じたりする。このような欠陥が発生した圧延ロールで圧延を行うと、圧延ロールの欠陥が鋼板に転写され、鋼板にも欠陥を生じさせてしまうので、圧延ロールの欠陥は鋼板製造上の大きな問題である。しかも、鋼板に転写された欠陥がその後の圧延工程を経た場合、欠陥が圧延されるため、後の工程にてその欠陥を発見することは困難になってしまう。このような状況を避けるため、圧延ロールは定期的（一定期間毎もしくは一定量圧延毎）にオフライン（ロールショップなど）で研削および研磨などのメンテナンスが行われる。

例えば従来の圧延ロールのメンテナンス方法として、特許文献１には、メンテナンス毎に光学式検査装置で表面を探傷する方法が記載されている。特許文献１に記載の技術は、メンテナンス時の研削深さを、光学式の検査装置を利用して決定する方法である。また、特許文献２には、渦流探傷方式の検査装置が記載されている。特許文献２に記載の技術は、渦流探傷信号を複数のフィルタにて解析して２次元表示し、欠陥の種類や大きさを判断する方法である。

特開２００６−２０８３４７号公報 特開昭６０−０８２９５８号公報

しかしながら、従来の圧延ロールのメンテナンス方法では、圧延ロールの欠陥を圧延時に監視しているわけではないため、欠陥が発生しても圧延を継続してしまう場合があり、結果、大量に不良品の鋼板を製造してしまう可能性があった。そのような状況を避けるため、従来の圧延ロールのメンテナンス方法では、余裕を持って（まったく欠陥が発生する兆候が無くとも）圧延ロールのメンテナンスをする必要があった。

圧延時に圧延ロールの欠陥を検出することができれば、上記問題を解決することができ、適切なタイミングでの圧延ロールのメンテナンスが可能になり、不良品の発生を防ぐだけでなく圧延ロールの延命につながる。しかしながら、圧延ロールの欠陥を圧延時に検出することは容易ではない。なぜならば、圧延ロールの表層にはノイズ源が存在し、欠陥の検出を困難にするからである。検出器を圧延ロールに近接させれば、ノイズ源の影響を低減することもできるが、圧延ロールの振動等の影響を鑑みると、圧延時に使用するためには、検出器のリフトオフを小さくすることができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧延ロールの表層に存在するノイズ源の影響を低減し、圧延時の使用に耐えうるリフトオフを確保することができるロール表層欠陥検出装置を提供することである。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るロール表層欠陥検出装置は、励磁信号により圧延ロールの表層部に渦電流を発生させる少なくとも１つの励磁コイルと、該渦電流により誘起された磁束を検出する少なくとも２つの検出コイルと、を有する渦流探傷センサと、前記２つの検出コイルによる検出信号の差分を差動増幅して差分信号を出力する差動増幅手段と、前記差分信号を前記励磁信号により同期検波する同期検波手段とを備え、前記励磁コイルおよび前記検出コイルは、前記圧延ロールの回転軸方向に配列されていることを特徴とする。

本発明に係るロール表層欠陥検出装置によれば、圧延ロールの表層に存在するノイズ源の影響を低減し、圧延時の使用に耐えうるリフトオフを確保することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置を適用する圧延機の概略構成を示す模式図である。 図２は、センサボックスの内部構成の一例を示す模式図である。 図３は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のＥ形センサを拡大して表示した模式図である。 図４は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置の全体構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置による欠陥検出の例を示す画像および検出値である。 図６は、Ｅ形センサの励磁コイルのコアと検出コイルのコアが、圧延ロールの円周方向に配列された場合の欠陥検出の例を示す画像および検出値である。 図７は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置を用いて検出した検出データ中から欠陥の存在を判定するアルゴリズムの例を示すフローチャートである。 図８は、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置の櫛形センサの構成および機能を示す図である。 図９は、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のセンサボックスの構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置について説明する。

〔実施形態の構成〕
図１は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置を適用する圧延機１の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は、圧延機１の概略構成を示す側面の模式図であり、図１（ｂ）は、圧延機１の概略構成を示す上方からの模式図である。図１に示されるように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置を適用する圧延機１は、鋼板２を圧延する上下一対の圧延ロール３ａ，３ｂと、上下一対の圧延ロール３ａ，３ｂをバックアップする上下一対のバックアップロール４ａ，４ｂとを備える。図１に示される構成により、圧延機１は、上下一対の圧延ロール３ａ，３ｂ間に鋼板２を搬送する圧延工程を複数回繰り返して、鋼板２を目的の形状に圧延する。

図１に示されるように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置を適用する圧延機１は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のセンサボックス５を鋼板２の上面側の圧延ロール３ａに近接して備える。本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のセンサボックス５は、後述するように内部に渦流探傷センサを備え、圧延ロール３ａの欠陥を検出する。なお、図１に示される圧延機１では、鋼板２の上面側の圧延ロール３ａのみにセンサボックス５を設けているが、鋼板２の下面側の圧延ロール３ｂにもセンサボックス５を設ける構成も可能である。

図２は、図１に示されたセンサボックス５の内部構成の一例を示す模式図である。図２は、図１に示されたセンサボックス５を上方から眺めた内部構成を図示している。すなわち、図２は、図１（ｂ）に対応したセンサボックス５の内部構成である。

図２に示されるように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のセンサボックス５は、渦流探傷センサとしてのＥ形センサ６と、Ｅ形センサ６を駆動するリニアステージ７と、距離計８とを内部に備える。図２に示されるように、リニアステージ７は、Ｅ形センサ６を圧延ロール３ａの幅方向（つまり回転軸方向）に駆動することができるように設けられている。距離計８は、圧延ロール３ａとセンサボックス５との距離を測定することができるように設けられており、Ｅ形センサ６のリフトオフを監視する。

図３は、図２に示された本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のＥ形センサ６を拡大して表示した模式図である。図３に示されるように、Ｅ形センサ６は、コアが「Ｅ」字形をしており、このＥ字形の中央のコアに励磁コイルＡが巻かれ、両端のコアに検出コイルＢ，Ｂ’が巻かれている。励磁コイルＡは、励磁信号が通電されることにより発生する交流磁界により、検査対象となる圧延ロール３ａの表層部に渦電流を誘起する機能を担う。一方、検出コイルＢ，Ｂ’は、この渦電流によって圧延ロール３ａの表層部に発生した磁束による誘起電圧を検出する機能を担う。

図２および図３から解るように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のＥ形センサ６は、Ｅ字形のコアの脚部が圧延ロール３ａの回転軸方向に配列している。すなわち、このＥ字形のコアの脚部に巻かれている励磁コイルＡおよび検出コイルＢ，Ｂ’も圧延ロール３ａの回転軸方向に配列している構成である。

また、Ｅ形センサ６は、脚部の間隔をＤとし、リフトオフをＬとした場合に、下記条件式を満たすように構成することが好ましい。
Ｄ＞０．６Ｌ
図２および図３から解るように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置のＥ形センサ６は、Ｅ形センサ６の脚部の間隔（つまり励磁コイルＡのコアと両端の検出コイルＢ，Ｂ’のコアとの間隔）が８ｍｍであり、Ｅ形センサ６の厚みが５ｍｍであり、リフトオフが７ｍｍであるので、上記条件式を満たしている。

次に、図４を参照して本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置の全体構成について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置の全体構成を示すブロック図である。

図４に示されるように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９は、センサボックス５と、信号処理部１０と、エンコーダ１１と、計算機１２とを備える。さらに、信号処理部１０は、発振器１３と差動増幅器１４と位相器１５と検波器１６とを内部に備える。なお、先述のようにセンサボックス５は、圧延機１の圧延ロール３ａに近接して配置される必要があるが、信号処理部１０、エンコーダ１１、および計算機１２は、圧延機１の近傍に配置される必要はなく、圧延機１から距離を置いた制御室などに配置される構成とすることも可能である。

発振器１３は、周波数８ｋＨｚの励磁信号を発振する発振器である。発振器１３で発振した励磁信号は、励磁信号ケーブルを介してＥ形センサ６の励磁コイルＡに流れ、検査対象となる圧延ロール３ａの表層部に渦電流を誘起する。

差動増幅器１４は、Ｅ形センサ６の検出コイルＢ，Ｂ’に接続され、検出コイルＢと検出コイルＢ’とが検出した検出信号の差分を増幅する。差動増幅器１４にて差動増幅された検出信号としての差分信号は位相器１５を通り、位相器１５が位相を調整する。位相器１５は、振動等によって生じる信号と欠陥にかかる信号との弁別性を向上させるためのものである。

位相器１５の出力信号は、検波器１６に入力され、発振器１３からの励磁信号にて同期検波される。すなわち、検波器１６は、位相器１５の出力信号と発振器１３からの励磁信号とを乗算することによって同期検波をする。

検波器１６によって検波された検出信号は、Ａ／Ｄコンバータを介して計算機１２へ入力される。計算機１２は、検出信号を適切なデジタル信号処理して、検出信号のデータから欠陥を弁別する。

一方、計算機１２は、センサボックス５およびエンコーダ１１からの入力を受ける。センサボックス５からの入力信号は、Ｅ形センサ６を駆動するリニアステージ７の位置の情報を取得するためのものであり、エンコーダ１１からの入力信号は、圧延ロール３ａの回転の情報を取得するためのものである。

本実施形態の例では、エンコーダ１１は、直径６００ｍｍの圧延ロール３ａが８０ｒｍｐの回転速度で回転するときに、圧延ロール３ａの表面の円周方向に関して１ｍｍの間隔でサンプリングできるようにパルスの周波数を設定している。一方、センサボックス５内でＥ形センサ６を駆動するリニアステージ７は、圧延ロール３ａの回転に同期して駆動し、圧延ロール３ａの１回転につき１０ｍｍ移動するように設定している。計算機１２は、これらリニアステージ７の位置の情報およびエンコーダ１１の回転の情報から、圧延ロール３ａの表面における幅方向および円周方向の位置情報を復元し、Ｅ形センサ６が検出した検出信号と圧延ロール３ａの表面における位置とを関連付けることができる。

さらに、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９の計算機１２は、センサボックス５から距離計８が計測したリフトオフの情報を取得することも可能である。取得したリフトオフの情報は、計算機１２により検出信号の出力の補正または欠陥判定の閾値の補正などに用いられる。

〔検出例〕
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９による欠陥検出の例について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９による欠陥検出の例を示す画像および検出値である。図６は、比較例として、Ｅ形センサ６の励磁コイルＡと両端の検出コイルＢ，Ｂ’とが、圧延ロール３ａの円周方向に配列された場合の欠陥検出の例を示す画像および検出値である。

図５および図６において検出された欠陥は同一の欠陥であり、大きさが２ｍｍ×３ｍｍであり深さが０．３ｍｍである。図５および図６における画像は、この欠陥を含む領域として、圧延ロール３ａの一周分（約２０００ｍｍ）×幅１８ｍｍの画像データを抜粋して掲載した。図５および図６における検出値のグラフは、画像中破線部分に対応したＥ形センサ６の検出信号の電圧値のグラフである。

図５および図６を比較することにより解るように、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９による欠陥検出の例では、欠陥の存在も明確でありＳＮ比も高いが、比較例では、欠陥の存在も不明瞭でありＳＮ比も低い。これは、圧延ロール３ａの材質起因の電磁気的ノイズ源は圧延ロール３ａの回転軸方向に長い分布をしているからである。Ｅ形センサ６の検出信号は差動増幅器１４にて差分が増幅されるので、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９のように、励磁コイルＡのコアと両端の検出コイルＢ，Ｂ’のコアが、圧延ロール３ａの回転軸方向に配列している場合、この回転軸方向に長い分布をした材質起因の電磁気的ノイズの影響が相殺されて検出される。一方、圧延ロール３ａの欠陥は、点状であったり、周方向に割れたりするものが多いので、欠陥に係る検出信号は、相殺されずに検出することが可能である。

〔欠陥判定方法〕
ここで、図７を参照しながら、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９に適用される欠陥判定方法の例について説明する。図７は、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９を用いて検出した検出データ中から欠陥の存在を判定するアルゴリズムの例を示すフローチャートである。

図７に示されるように、本欠陥判定方法のアルゴリズムは、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９により圧延ロール３ａの１周分×幅５００ｍｍの検出データを取得することにより始める（ステップＳ１）。その後、検出データの中から所定の閾値を超えた箇所が有るかを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２にて、検出データの中から所定の閾値を超えた箇所が存在しない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、オンラインでの欠陥検出を継続し、次の圧延ロール３ａの１周分×幅５００ｍｍの検出データを取得する（ステップＳ１）。

一方、ステップＳ２にて、検出データの中から所定の閾値を超えた箇所が存在する場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、所定の閾値を超えた箇所が単発であるかエリアであるかを判定する（ステップＳ３）。すなわち、所定の閾値を超えた箇所が一定の面積を有する領域で検出された場合（特にロール回転軸方向に幅をもって検出した場合）、閾値を超えた箇所がエリアであると判定し、ロール回転方向に走査する際に単発的に閾値を超えた箇所がある場合、閾値を超えた箇所が単発であると判定する。

ステップＳ３にて、閾値を超えた箇所がエリアであると判定した場合（ステップＳ３：エリア）、その箇所に欠陥が存在すると判定し（ステップＳ４）、オペレータに欠陥の存在を知らせるためにアラームを表示し（ステップＳ５）、本欠陥判定方法のアルゴリズムの処理を終了する。

一方、ステップＳ３にて、閾値を超えた箇所が単発であると判定した場合（ステップＳ３：単発）、前回の検出においてもその箇所で閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ６）。前回の検出においてもその箇所で閾値を超えていた場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、この場合も、その箇所に欠陥が存在すると判定し（ステップＳ４）、オペレータに欠陥の存在を知らせるためにアラームを表示し（ステップＳ５）、本欠陥判定方法のアルゴリズムの処理を終了する。

また、前回の検出においてはその箇所で閾値を超えてない場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、今回の検出においては欠陥であると判定せずに、閾値を超えた箇所を記録し（ステップＳ７）、再度の欠陥検出を継続し、次の圧延ロール３ａの１周分×幅５００ｍｍの検出データを取得する（ステップＳ１）。そして、この再度の欠陥検出においてもその箇所で閾値を超えた場合に、改めて当該箇所を欠陥であると判定するのである（ステップＳ６：Ｙｅｓ）。

以上、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９に適用される欠陥判定方法の例について説明したが、本発明の実施は上記欠陥判定方法の例に限定されず、様々な変更をすることが可能である。例えば、閾値判定の際に、単位面積あたりの平均値を用いて閾値判定を行えば、単発での大きい出力値と、ある程度の面積でのある程度の大きさの出力値と、の両方の場合を一回で欠陥であると判定することができる。また、本発明の実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９は距離計８を有して、リフトオフ変動（微小な振動、ロール磨耗などによるオフセットズレ）を監視しているので、距離計８の検出値により、検出信号または閾値を補正することにより、より高精度な欠陥判定を行うことができる。

〔変形実施形態の構成〕
以下、図８および図９を参照しながら、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９について説明する。図８および図９に示される変形実施形態は、上記説明した実施形態における渦流探傷センサを、Ｅ形センサ６の代わりに櫛形状のセンサ（以下、これを櫛形センサと云う）とする構成である。この構成により、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９は、渦流探傷センサを圧延ロール３ａの回転軸方向に走査することをしない構成である。

したがって、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９の構成は、上記に説明したロール表層欠陥検出装置９の構成と重複している部分が多いので、以下では相違する構成のみ説明を行う。

図８は、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９の櫛形センサの構成および機能を示す図である。図８に示されるように、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９の櫛形センサ１７は、櫛形状のコアを有しており、この櫛形状のコアの各々の脚部に巻かれたコイル（コイル１、コイル２、コイル３、・・・）が励磁コイルまたは検出コイルとして機能する。

櫛形センサ１７のコイル（コイル１、コイル２、コイル３、・・・）は、同一構成とすることができるので、それぞれのコイルを励磁コイルまたは検出コイルとして固定して使用することも、励磁コイルまたは検出コイルとして切り替えて使用することも可能である。

図８（ａ）に示される表は、櫛形センサ１７のコイル（コイル１、コイル２、コイル３、・・・）を、励磁コイルまたは検出コイルとして固定して使用する場合の利用方法を示している。本利用方法では、図８（ａ）に示される表に示されるように、奇数番コイル（コイル１、コイル３、コイル５、・・・）を検出コイルとして使用し、偶数番コイル（コイル２、コイル４、コイル６、・・・）を励磁コイルとして使用する。また、図８（ａ）に示される表に示されるように、切り替えタイミングＲ１では、コイル１およびコイル３を検出コイルとして利用し、コイル２を励磁コイルとして利用し、切り替えタイミングＲ２では、コイル３およびコイル５を検出コイルとして利用し、コイル４を励磁コイルとして利用するというように、切り替えタイミング毎に励磁コイルおよび検出コイルとして機能するコイルの位置が変更する。これにより、櫛形センサ１７は、リニアステージ７によりＥ形センサ６を駆動することの代わりに、脚部の配列方向の走査を行うことができる。

図８（ｂ）に示される表は、櫛形センサ１７のコイル（コイル１、コイル２、コイル３、・・・）を、励磁コイルまたは検出コイルとして切り替えて使用する場合の利用方法を示している。本利用方法では、図８（ｂ）に示される表に示されるように、切り替えタイミングＲ１では、コイル１およびコイル３を検出コイルとして利用し、コイル２を励磁コイルとして利用し、切り替えタイミングＲ２では、コイル２およびコイル４を検出コイルとして利用し、コイル３を励磁コイルとして利用するというように、切り替えタイミング毎に各コイルの励磁コイルおよび検出コイルとしての機能が変更される。この方式によっても、櫛形センサ１７は、リニアステージ７によりＥ形センサ６を駆動することの代わりに、脚部の配列方向の走査を行うことができる。

図９は、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９のセンサボックス５の構成を示す図である。図９に示されるように、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９のセンサボックス５は、第１の櫛形センサ１７ａと第２の櫛形センサ１７ｂとを備える。本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９では第１の櫛形センサ１７ａと第２の櫛形センサ１７ｂとを必要とする理由は、第１の櫛形センサ１７ａおよび第２の櫛形センサ１７ｂのコアの脚部の真下が不感帯となっているからである。そこで、図９に示されるように、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９では、第１の櫛形センサ１７ａと第２の櫛形センサ１７ｂとのコアの脚部が互い違いに配置されるように構成し（いわゆる千鳥配置）、第１の櫛形センサ１７ａと第２の櫛形センサ１７ｂとの不感帯を互いに補うように構成されている。

以上より、本発明の変形実施形態に係るロール表層欠陥検出装置９は、励磁信号により圧延ロール３ａの表層部に渦電流を発生させる少なくとも１つの励磁コイルＡと、渦電流により誘起された磁束を検出する少なくとも２つの検出コイルＢ，Ｂ’とを有する渦流探傷センサと、２つの検出コイルＢ，Ｂ’による検出信号の差分を差動増幅して差分信号を出力する差動増幅器１４と、差分信号を励磁信号により同期検波する検波器１６とを備え、励磁コイルＡおよび検出コイルＢ，Ｂ’は、圧延ロール３ａの回転軸方向に配列されていることので、圧延ロール３ａの表層に存在するノイズ源の影響を低減し、圧延時の使用に耐えうるリフトオフを確保することができる。

１ 圧延機
２ 鋼板
３ａ，３ｂ 圧延ロール
４ａ，４ｂ バックアップロール
５ センサボックス
６ Ｅ形センサ
７ リニアステージ
８ 距離計
９ ロール表層欠陥検出装置
１０ 信号処理部
１１ エンコーダ
１２ 計算機
１３ 発振器
１４ 差動増幅器
１５ 位相器
１６ 検波器
１７ 櫛形センサ
１７ａ 第１の櫛形センサ
１７ｂ 第２の櫛形センサ

Claims (3)

1. 励磁信号により圧延ロールの表層部に渦電流を発生させる少なくとも１つの励磁コイルと、該渦電流により誘起された磁束を検出する少なくとも２つの検出コイルと、を有する渦流探傷センサと、
   前記２つの検出コイルによる検出信号の差分を差動増幅して差分信号を出力する差動増幅手段と、
   前記差分信号を前記励磁信号により同期検波する同期検波手段とを備え、
   前記励磁コイルおよび前記検出コイルは、前記圧延ロールの回転軸方向に配列されていることを特徴とするロール表層欠陥検出装置。
2. 前記渦流探傷センサは、２つの前記検出コイルの間に１つの前記励磁コイルを配置し、Ｅ形状のコアにより前記検出コイルと前記励磁コイルとの磁束を結合したＥ形センサであることを特徴とする請求項１に記載のロール表層欠陥検出装置。
3. 前記渦流探傷センサは、前記検出コイルと前記励磁コイルと交互に配置し、櫛形状のコアにより前記検出コイルと前記励磁コイルとの磁束を結合した櫛形センサであることを特徴とする請求項１に記載のロール表層欠陥検出装置。