JP5509665B2 - 高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置および巻き取り方法 - Google Patents

Description

本発明は、高強度厚肉熱延鋼板コイルを安定的に製造するための高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置および巻き取り方法に関するものである。

近年、主として大陸パイプラインでの原油や天然ガス等の資源の輸送効率化を目的に、ＡＰＩ規格にしてＸ７０〜１００といった大径厚肉高強度パイプ材の需要が高まっている。これらの資源を効率的に輸送するため、パイプ内部には高い内圧がかけられており、かつ寒冷地での使用や地震による地殻変動なども考慮し、高靭性、高強度といった特性がパイプ材にとって非常に重要となっている。これらのパイプラインにて使用されるパイプは肉厚が１５〜２５ｍｍ程度、外径は２０インチ程度以上と大径であり、従来は高強度パイプとしては長手方向に縦長形状である厚鋼板の短辺側を円形に成形した後、突合せ部を長手方向に溶接してパイプとするＵＯＥ管が多用されている。通常、厚鋼板は熱間スラブを１基、あるいは２基の圧延機を有する厚板ミルでの多パス圧延にて略矩形形状に製造されるものであり、その製品長は最大でも３０ｍ程度である。

これに対し、近年、厚鋼板を薄板圧延用の熱延鋼板製造ラインにて圧延してコイル状に巻き取って熱延鋼板コイルとした後、コイルを巻きほどいてロール成形および中高周波溶接により電縫管にする他、熱延鋼板を長手方向にらせん状に成形すると同時に板幅端部の突合せ部を溶接しながらパイプに製造するスパイラル鋼管の需要が高まっている。熱延鋼板コイルは、最大４５トン程度までの製造が可能であり、例えば２０ｍｍ厚み、板幅１９００ｍｍ程度であれば熱延鋼板の長さは１５１ｍ程度となり、例えば直径２８インチのスパイラル鋼管に成形したときのパイプ長は約１２８ｍとなる。このように、パイプ成形前の母材を熱延鋼板コイルとすることにより、厚鋼板から製造する場合に比べ、連続して長いパイプの製造が可能となることから生産性の向上も期待できる。

ところで、熱延鋼板製造ラインのホットストリップミルの仕上圧延機を通過した後の熱延鋼板（ホットストリップあるいは単にストリップということがある）１は、通常、図３に示すようなコイラー装置によりコイルに巻き取られる。すなわち、熱延鋼板の先端部１ａは、ピンチロール３により下方に進行してエプロン２とスロートガイド４との間に導かれ、さらに、マンドレルの周辺に配置された複数のラッパーロール５（５ａ〜５ｄ）、円弧状のストリップガイド６およびマンドレル７の３点支持状態により順次曲げられ、回転するマンドレルに巻き付けられる。次いで巻き取りが進行し、最終的に熱延鋼板はコイル状に巻き取られ、熱延コイルを形成する。巻き取りが完了すると、マンドレルが縮径して、コイルを引き出せるようになっている。

そして、通常、熱延コイルの巻き取り終了時には、図４に示すように熱延鋼板の尾端部がコイル下側に位置するようにマンドレルの回転を停止する。次いで、巻き取り中はコイル下方にて待機しているコイルカー（図３には示されていない）を上昇させてコイル尾端部１ｂに該コイルカーに備えられているクレードルロール８を接触させ、コイルの自重で尾端部１ｂの巻き緩みを抑えこんだ状態としてからマンドレル７やラッパーロール５ａ〜５ｄを開放し、そのままコイルカーのクレードルロール８に搭載した状態にてコイルカーを下降させて、コイラー装置からコイルを抜き出している。そして、コイラー装置から抜き出された熱延コイルは、搬送中の巻き緩みを防止するために、コイラーに隣接して設置されているバンディング装置に搬送されて、１本、あるいは複数本の帯状鋼帯（バンド）で最外周部を環状に固定される。

しかしながら、本発明で特に対象としているラインパイプ素材に代表される高強度厚肉熱延鋼板では、鋼板の断面積が大きく、かつ強度が非常に高いことから、タイトに巻き取るための張力を付与することが非常に困難となる。また、一般的に高強度材では曲げ加工後のスプリングバックが非常に大きく、コイル巻き取り完了後、コイルの下方で待機しているクレードルロール８を上昇させてコイルに押圧した後、コイル抜き出しのためにラッパーロール５ａ〜５ｄを退避し、コイル回転中心となっていたマンドレルを縮径すると、コイルのマンドレル７やラッパーロール５ａ〜５ｄで固定されていた弾性歪成分が開放されてスプリングバックが発生し、コイル外周部の巻き緩みが顕著となる。

図５に高強度厚肉材の巻き取り後、コイル抜き出し時での巻き姿の例を示すが、スプリングバックの発生により、コイル外周部で巻き緩みが生じている。コイルの巻き緩みが大きい場合にはコイルが浮き上がりコイラーからの抜き出しができない、コイルカーでの搬送時のコイル振動が顕著となって姿勢が不安定となる、また、バンド掛け後、搬送時にバンドが切れるなどの問題点があった。

このように、高強度厚肉鋼板の巻き取りには多くの課題があるが、例えば特許文献１には、厚肉鋼板の最先端部はピンチロールやラッパーロール等によって曲げることが困難であるため、最先端部の巻き付き性がよくないが、これを改善するため、内巻き３周程度までにマンドレル外径を拡大し、マンドレルと鋼板の密着性を高めてスリップを防止し、コイルの巻き取り形状の劣化を抑える方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

高強度厚肉熱延鋼板を、上述した従来の巻き取り方法でコイル状に巻き取る場合、先端部は例えば特許文献１に開示されている上記の技術等により対応が可能であるが、鋼板の先端部以外の部分、とりわけコイル外周側となるストリップ尾端部とその近傍では、スプリングバックによる巻き緩みが発生しやすく、上述のごとくコイルの取り出し・搬送等の取り扱いに障害を招きやすくなり、巻き緩みがひどい場合にはコイルカー（コイル台車）に搭載した状態にてコイラー装置から抜き出す際にコイルが浮き上がってコイルカーから転げ落ちるほどである。

このため、高強度厚肉鋼板の圧延が可能である強力圧延機を具備した熱延鋼板製造ラインにおいても、巻き取り装置でのコイルの巻き取り、抜き出し可否が高強度厚肉熱延鋼板の製造可否を決定しているといっても過言ではない。

特開２００３−８０３１３号公報

本発明は、上記のような事情を鑑みてなされたものであり、高強度厚肉熱延鋼板を、巻き緩みや浮き上がりを低減した状態でコイルに巻き取ることができる巻き取り装置と巻き取り方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を採用する。
［１］コイラー装置と該コイラー装置からコイルを抜き出すコイルカーを備える高強度
厚肉熱延鋼板の巻き取り装置であって、該コイルカーは、コイル軸心方向と平行
な方向に中心軸を有する、コイルを支持するための２本のクレードルロールを備
え、かつ２本のクレードルロールの軸心間距離を可変にする手段を備えているこ
とを特徴とする、高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置。
［２］［１］に記載の高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置を用いた巻き取り方法であっ
て、２本のクレードルロールの軸心間距離を、鋼種、巻き取り温度、コイル重
量、板厚、板幅に応じて設定したことを特徴とする、高強度厚肉熱延鋼板の巻き
取り方法。
なお、本発明では高強度の定義はＡＰＩ規格にてＸ６５以上、厚肉熱延鋼板は製品厚にて１５ｍｍ以上のものを対象としている。

本発明による高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置と巻き取り方法によれば、コイルカーに搭載された２本のクレードルロールの軸心間隔を適切に決定することにより、コイル自重の曲げモーメントを大きくできることを利用して、スプリングバックによるコイルの浮き上がりを押さえて、高強度厚肉熱延鋼板を、巻き緩みを低減した状態でコイルに巻き取り、コイラー装置から抜き出すことができる。

本発明によるコイルの浮き上がり量が低減された状態を示す図 従来技術によるコイルの浮き上がりを示す図 熱延鋼板のコイラー装置を示す図 外周部において巻き緩みがないコイルの状態を示す図 外周部において巻き緩みが発生したコイルの状態を示す図

以下、図１〜３に基づいて本発明の実施形態について説明する。
本発明者らは、この高強度厚肉熱延鋼板コイルのスプリングバックによるコイル浮き上がりの問題を解決するための技術について鋭意検討を重ねた結果、コイル自重によって発生する曲げモーメントを大きくすることにより、コイルの浮き上がり、巻き緩みを抑制した巻き取りが可能であることを見出し、本発明を完成した。

ここで、本発明における熱延鋼板のコイラー装置による巻き取りについて図３に基づいて詳述する。この巻き取りは基本的には、通常の熱延鋼板のそれと同じである。
コイラー装置により熱延鋼板１の先端部を巻き取るにあたっては、ピンチロール３、マンドレル７、ラッパーロール５などの各ロールの周速は、熱延鋼板１の厚さや硬さ（強度）などに応じて、熱延鋼板１の搬送速度に対し、１０〜３０％のリード率をもたせた値、すなわち、１０〜３０％速い速度に制御している。この際、マンドレル７、ラッパーロール５のリード率は、ピンチロール３のリード率以上としている。

そして、熱延鋼板１の先端部の巻き付き完了の時点でリード率はクリアされ、以降、熱延鋼板１の搬送速度と実質的（冷却による熱収縮や張力による幅縮みなどの影響を除けばという意味）に同期した周速に制御される。
なお、図３ではラッパーロールの数は４基としているが、３基のものもあり、熱延鋼板のコイラー装置では一般的には３〜４基である。

コイラー装置内にて熱延鋼板１の先端部に緩みが生じ、波打って巻き取られたような場合、以降の巻き取りが継続できなくなるか、運良く先端部の巻き取りに成功したとしても、以降の巻き部が波打って巻き取られている部分の外側に重なるため、巻きが太くなってハウジングとの間で詰まりが発生して抜き出せなくなり、ひとたびそのような事態になると、コイラー装置の各部が受ける損傷は大きく、復旧までに何時間もの多大な時間を要することとなる。

いずれにせよ、このような事態になるのを防止するため、コイラー装置により熱延鋼板１の先端部を巻き取るにあたっては、熱延鋼板１の緩みを最小限にする目的で、熱延鋼板１の最先端部１ａがマンドレル７に巻き付きを開始してから巻き付き完了までの間、ピンチロール３、マンドレル７、ラッパーロール５などの各ロールの周速にはリード率をもたせ、熱延鋼板１を引張りながら巻き取りを行うことで、熱延鋼板１の先端部に緩みが生じないようにして、波打って巻き取られるのを防止している。

そして、熱延鋼板１の先端部の巻き付き完了後は、マンドレル７は、熱延鋼板１の搬送速度、すなわち、仕上圧延機の最終圧延機の出側における熱延鋼板１の搬送速度と実質的に同期しながら、ピンチロール３（３ａ、３ｂ）との間で、所望の張力に近づける張力制御を行いながら巻き取りを行っている。

さらに巻き取りが進行し、熱延鋼板１の尾端部１ｂがピンチロール３を抜けた後は、熱延鋼板１には張力が作用しないことから、一般的な熱延鋼板の巻き取り作業では、退避させておいたラッパーロール５ａ〜５ｄのうち少なくとも１つ以上のラッパーロールをコイル外周部に押圧し、コイル尾端部１ｂの緩みを抑制している。
なお、熱延鋼板の尾端部がコイラーの手前２０ｍ程度に来ると、巻き取り終了に向けて、熱延鋼板の搬送速度（巻き取り速度）は減速される。

通常、板厚が薄い、あるいは強度が低い材料では、すでに触れたように、図４に示されるように、２本のクレードルロール上のコイル尾端部１ｂはコイル１の自重によって発生する曲げモーメントにてスプリングバックが抑制され、マンドレル７を縮径後、コイルカー９にてコイルの抜き出しが可能となっている。

これに対し、近年、需要が高まっている高強度厚肉ラインパイプ素材のごとく、板厚が厚く、かつ強度の高い鋼板のコイルでは、コイル自重による曲げモーメントではスプリングバックを抑制できない事態が発生する。

そもそも、コイル自重による曲げモーメントは、マンドレル縮径後にコイルを支えている２つのクレードルロールの軸心間距離に依存しており、本発明者らは高強度厚肉熱延鋼板コイルのスプリングバックによるコイル浮き上がりを防止するためには、コイルを２点で支持しているクレードルロール８の軸心間距離を拡大することにより対応可能であることを見出した。
なお、クレードルロール８は、コイルカーに同径のものが２本備えられており、コイルカーがコイルの下に待機したときに、２本のクレードルロールの軸はコイル軸心（マンドレル軸心）と平行になっている。

コイルの自重がコイル内径中心点に下向きに作用する集中荷重と単純化すると、コイル自重によるモーメントは、コイル自重と２本のクレードルロールの軸心間距離の積に依存し、与えられたコイル自重は固定条件であることから、クレードルロールの軸心間距離を拡大することにより曲げモーメントが増大することになる。このため、スプリングバックを抑制する効果が増大し、コイルの巻き緩みや浮き上がりの抑制に大きな効果を有するものであり、本発明の巻き取り装置では、クレードルロールの軸心間距離を可変とする手段を設けることを特徴としている。

ところで、厚肉鋼板の巻き取りでは、板厚中心部のわずかな領域を除き、ほぼ全断面が塑性状態となっていると考えられ、この状態からのスプリングバックによって発生する曲げモーメント力は、概略、下記の（１）式の塑性モーメントＭｐに比例するものと考えられる。
Ｍｐ＝（ｈ^２ｗ／４）・σ_ｙ （１）
（１）式において、ｈは板厚、ｗは板幅、σ_ｙは材料の降伏応力である。

（１）式より、スプリングバック力は高い強度、厚い板厚、広い板幅の場合には大きくなることから、とりわけ高強度厚肉熱延鋼板では大きな問題となる。また、コイル自重による曲げモーメントは、単位幅あたりのコイル重量(以後、単位幅コイル重量とよぶ)に依存することから、コイル重量が一定でも、板幅によってその効果が異なるものである。

これらのことから、本発明の第２の発明では、鋼種、巻き取り温度、コイル重量、板厚、板幅に応じて、クレードルロールの軸心間距離を決定することを特徴とするものである。これは、鋼種、巻き取り温度によって降伏応力σyが変化すること、（１）式の塑性モーメントは板厚の２乗と板幅の１乗に比例すること、また、単位幅コイル重量はコイル重量と板幅で変化すること、等の要因により、スプリングバックによるコイル浮き上がりを抑制するための適切なクレードルロールの軸心間距離の決定には、これらのパラメータを考慮する必要があるためである。

なお、スプリングバックによるコイル浮き上がりを抑制するために必要なクレードルロールの軸心間距離は、これらのパラメータを基に、あらかじめ実験やＦＥＭ等の解析によって求めておけばよい。

図１および図２に、本発明の実施形態とその比較例をそれぞれ示す。
図１および図２において、コイラー装置は図３に示されたものと同じである。９はコイルカーである。図ではコイル下に待機して、上昇後のコイルカーが示されている。コイルカー９には、前述したように、コイルカー９が上昇してコイル１に当接する２本の同径のクレードルロール８がコイル中心軸方向と平行に設けられている。
クレードルロール８はコイルカー９上で水平方向に移動可能な手段が設けられており、２本のクレードルロールは、マンドレル７の回転軸心に対して対称に近接離反が可能な構造となっている。図１および図２において、Ｌは２本のクレードルロールの軸心間距離を示している。

図１に示される実施例では、鋼種、巻き取り温度、コイル重量、板厚、板幅に対して、スプリングバックによるコイル浮き上がり力を抑制するための自重による曲げモーメントを算出してクレードルロール間距離Ｌを適切に設定した例であり、図２に示される比較例よりも、クレードルロール間心距離Ｌが大きい。

コイルのマンドレルからの抜き出しは、コイル尾端部がコイル下方に位置する状態にてマンドレル７の回転を停止し、コイルカー９を上昇させてクレードルロール８がコイルに接触した状態にて上下方向位置を固定した後に、マンドレル７の縮径を実施することにより行われた。この場合、コイルの浮き上がりは一切発生せず、問題なくコイルの抜き出しが可能であった。

これに対し、図２に示される比較例は、クレードルロール間距離Ｌが図１に示される本発明の適切な範囲を外れ、図１の実施態様よりも小さく、不適切に設定された例である。このため、コイル自重による曲げモーメントを十分に確保することができず、マンドレル７を縮径した瞬間にコイル外周部が巻き緩み、コイルが浮き上がり、コイル内径部がマンドレルと強接触してしまったことから、コイルの抜き出しが不可能であった。

以下、本発明の実施例について説明する。
対象とした材料はＡＰＩ規格Ｘ８０グレードであり、厚み２５０ｍｍ、幅１２００、１５００、１８００ｍｍ、重量２４トン、３０トンのスラブを熱間圧延ラインの粗圧延工程、仕上圧延工程を経て厚み１９、２２、２５.４ｍｍに仕上げ、冷却テーブル上にて５２０℃まで冷却したのちにコイラー装置により巻き取った。

本発明で使用したコイラー装置は図１、２に示したもの（図３に示されるものと同じ）であり、ラッパーロール５ａ〜５ｄの直径はφ４４０ｍｍ、マンドレル７の外径はφ７５０ｍｍである。最終仕上圧延機出側、すなわち冷却テーブル上での熱延鋼板速度は１５０ｍｐｍであり、熱延鋼板先端部１ａは１５０ｍｐｍの速度にてコイラー装置に進入し巻き付きが開始される。この際、マンドレル７、ラッパーロール５ａ〜５ｄの速度は、熱延鋼板１の速度に対して所定のリード率にて巻取りが開始されるように、熱延鋼板先端部が最終仕上圧延機を抜けたタイミングあたりから加速をはじめている。そして、巻き付き開始時のマンドレル７のリード率は１５％とし、ラッパーロール５ａ〜５ｄのリード率は２５％に設定した。

巻き付き開始後、マンドレル７とラッパーロール５ａ〜５ｄの減速を開始し、５回転（５巻き）に設定した巻付き完了時点においてマンドレル７とラッパーロール５ａ〜５ｄの速度が熱延鋼板１の搬送速度に同期するように１５０ｍｐｍまで減速した。巻き付き完了後はマンドレル７は熱延鋼板１の搬送速度と同期しながら回転し、次いで、熱延鋼板１の尾端部１ｂが巻き取り装置手前２０ｍ程度の位置に来た時点で減速を開始し、巻き取り終了に向けて、熱延鋼板の搬送速度（巻き取り速度）は減速される。

そして、巻き取り終了時には、熱延鋼板１の尾端部１ｂがコイル下側となり、かつ２本のクレードルロール８が該尾端部１ｂで押接可能な位置にて、マンドレルの回転を停止した。そして、コイル下方で待機させていたコイルカー９を上昇させ、該コイルカーに備えられたクレードルロール８をコイル下面に押圧して上下位置を固定した。

この際、２本のクレードルロール軸心間距離Ｌを変更して設定し、本発明の効果について検証した。
本発明の実施例においては、クレードルロール間距離Ｌは、５５０〜９５０ｍｍの間で可変であり、Ｌ＝５５０、６５０、７５０、８５０、９５０ｍｍの５水準に設定した。比較例でのＬは、従来の巻き取り装置でのクレードルロール軸心間距離と同程度の５５０ｍｍに固定した。
表１に本実施例での評価結果を示す。

表１において、○印は、マンドレルを縮径した瞬間にコイルの浮き上がりが発生しなかったことを、△印はコイルの浮き上がりは発生したがコイルの抜き出しは可能であったことを、そして×印は大きなコイルの浮き上がりが発生してコイルの抜き出しが不可であったことを、それぞれ示している。

本発明の実施例では、Ｎｏ．１２を除いて、いずれもコイルの浮き上がりはなく、コイルの抜き出しに支障はなかった。本発明の実施例Ｎｏ．１２(板厚：２５．４ｍｍ、板幅：１８００ｍｍ、クレードルロール間距離Ｌ：９５０ｍｍ)の条件では、本実施例で使用した巻き取り設備のクレードルロール可変範囲の上限以上への設定が必要であったため、クレードルロール間距離が９５０ｍｍの条件では、結果として若干のコイル浮き上がりが発生したものの、コイルの抜き出しは可能であった。
クレードルロール間距離Ｌを、従来の巻き取り装置でのクレードルロール軸心間距離と同程度の５５０ｍｍに固定とした場合、以下に示すように比較例の一部にはコイルが浮き上がり、コイル抜き出しができなかった。

板厚が２５．４ｍｍでは、いずれの比較例もコイルが浮き上がり、コイル抜き出しができなかった。板厚が２２ｍｍでは、コイル重量３０トン板幅１８００ｍｍのＮｏ．２４、コイル重量２４トンでは板幅１５００ｍｍ、１８００ｍｍのＮｏ．３２、Ｎｏ．３３でコイル浮き上がりが生じ、コイルの抜き出しができなかった。板厚が１９ｍｍではコイル重量２４トン板幅１８００ｍｍのＮｏ．３６でコイル浮き上がりが生じ、コイルの抜き出しができなかった。これら以外の比較例Ｎｏ．２２、２３、２５〜２７、３１、３４、３５では、Ｎｏ．３１以外はコイルの浮き上がりはなく、コイルの抜き出しに支障はなかった。また、比較例Ｎｏ．３１はコイルの浮き上がりは発生したがコイルの抜き出しは可能であった。

このように、従来の巻き取り装置でのクレードルロール軸心間距離と同程度の５５０ｍｍに固定した比較例では、コイル重量がより軽い方が、また、板厚がより厚い方が、そして板幅がより広い方がコイルの浮き上がり現象が頻発し、コイルの抜き出しができない状況が頻発した。
これに対し、本発明にてクレードルロール間距離Ｌを適切に設定した場合には、比較例ではコイル浮き上がりが発生していた鋼板コイルにおいても、コイルの浮き上がりが抑制できることが確認できた。

１：熱延鋼板コイル
２：エプロン
３ａ、３ｂ：ピンチロール
４：スロートガイド
５ａ〜５ｄ：ラッパーロール
６：ストリップガイド
７：マンドレル
８：クレードルロール
９：コイルカー

Claims (2)

1. コイラー装置と該コイラー装置からコイルを抜き出すコイルカーを備える高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置であって、該コイルカーは、コイル軸心方向と平行な方向に中心軸を有する、コイルを支持するための２本のクレードルロールを備え、かつ２本のクレードルロールの軸心間距離を可変にする手段を備えていることを特徴とする、高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置。
2. 請求項１に記載の高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り装置を用いた巻き取り方法であって、２本のクレードルロールの軸心間距離を、鋼種、巻き取り温度、コイル重量、板厚、板幅に応じて設定したことを特徴とする、高強度厚肉熱延鋼板の巻き取り方法。

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