JP6187577B2 - 金属帯の安定装置および溶融めっき金属帯の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属帯の安定装置、およびこれを用いた溶融めっき金属帯の製造方法に関するものである。

金属帯を製造するラインにおいて、金属帯の振動や反りを抑制して金属帯のパスラインを安定に保つことは、金属帯の品質を向上させるばかりでなく、その製造ラインの能率を向上させることにも寄与する。

例えば、溶融めっき金属帯の製造ラインにおいては、金属帯を溶融金属浴中に浸漬しながら通板することにより、金属帯の表面に溶融金属を付着させる工程がある。この工程では、溶融金属の付着量にムラが発生することを抑制するため、溶融金属浴より下流側に設けられたガスワイパから噴出するワイピングガスにより金属帯に付着した過剰の溶融金属を払拭する調整が行われる。

この調整では、金属帯の表裏に板幅方向に均一に圧力がかかるようにガスワイパからワイピングガスを噴出することが必要である。したがって、金属帯が振動している場合、金属帯が反っている場合、あるいは金属帯のパスラインが表裏どちらかに偏っている場合など、ガスワイパと金属帯との距離が一定でないときは、ワイピングガスの圧力が板幅方向および通板方向に均一にならない。その結果、金属帯の表裏や板幅方向および通板方向に溶融金属の付着量のムラが発生するという問題が生じる。

このような問題を解決する方法として、電磁石を用いて金属帯の反りや振動を非接触で抑制し、金属帯のパスラインを安定化する技術が知られている。例えば、金属帯を移動させるべきパスラインに対して一対の電磁石を互いに対向するように配置し、別途設けた位置検出器からの信号に応じて各電磁石の吸引力を相互に切り替えながら金属帯に作用させる方法が知られている（特許文献１参照）。

上記のような電磁石を用いた金属帯の振動抑制には電磁石の高い応答性が要求され、反り矯正およびパスライン矯正には電磁石の大きい吸引力が要求される（以後、反り矯正とパスライン矯正を合わせたものを位置矯正という場合がある。）。つまり、金属帯の振動抑制と位置矯正を同時に実現するには、応答性と吸引力の両立が必要となる。しかし、電磁石の吸引力を大きくするためにコイルの巻き数を増やすと電磁石の応答性は悪くなり、一方、電磁石の応答性を良くするために巻き数を少なくすると電磁石の吸引力が小さくなってしまう。

そこで、応答性と吸引力の両立のために、振動抑制用と位置矯正用とのそれぞれ独立した２種類の電磁石を用いる金属帯非接触制御技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術によれば、巻き数の少ない振動抑制用電磁石により振動制御を行うとともに、巻き数の多い位置矯正用電磁石により反り矯正およびパスライン矯正（位置矯正）を行うことが可能なため、応答性と吸引力の両立が可能であると考えられている。

特開平２−６２３５５号公報 特開２０１５−１６０９５９号公報

特許文献２に記載の技術では、金属帯の振動および位置を制御すべき箇所の近傍に、金属帯の安定装置を設けられない場合には、金属帯の振動抑制および位置矯正の効果が十分ではなくなる。

そこで、金属帯の振動および位置を制御すべき箇所の近傍に、金属帯の安定装置を設けられない場合にも、金属帯の振動抑制および位置矯正を効果的に行える技術が必要である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、金属帯の振動および位置を制御すべき箇所の近傍に、金属帯の安定装置を設けられない場合にも、金属帯の振動抑制および位置矯正を効果的に行える金属帯の安定装置および当該安定装置を用いて溶融めっき金属帯を製造する方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、第１の電磁石、非接触変位センサ、第２の電磁石の配置位置によって、金属帯の振動抑制および位置矯正の効果が大きく変化することを見出した。

本発明は上記知見に基づいて完成されたものであり、具体的には、本発明は以下のものを提供する。

［１］オンライン走行中の金属帯の変位を測定する非接触変位センサと、前記非接触変位センサからの信号を入力して、前記金属帯の振動を抑制するための振動抑制信号と前記金属帯の位置を矯正するための位置矯正信号とを出力する制御部と、前記制御部から出力される振動抑制信号に従い磁力を発生する第１の電磁石と、前記制御部から出力される位置矯正信号に従い磁力を発生する第２の電磁石と、を備え、前記第１の電磁石の巻き数Ｎ１は、前記第２の電磁石の巻き数Ｎ２よりも小さく、前記第１の電磁石及び第２の電磁石で前記金属帯の振動を抑制し位置を矯正する箇所から金属帯搬送方向に、前記電磁石及び非接触変位センサが、前記第１の電磁石、前記非接触変位センサ、前記第２の電磁石の順で並べて配置されることを特徴とする金属帯の安定装置。

［２］製造ライン通板中の金属帯に溶融金属を付着させる付着工程と、前記金属帯に付着した過剰の溶融金属を払拭するガスワイパによって溶融金属の付着量を調整する調整工程と、を備える溶融めっき金属帯の製造方法であって、［１］に記載の金属帯の安定装置により、前記金属帯が前記ガスワイパを通過する位置における前記金属帯の振動および位置を非接触で制御することを特徴とする溶融めっき金属帯の製造方法。

本発明によれば、金属帯の振動および位置を制御すべき箇所の近傍に、金属帯の安定装置を設けられない場合にも、金属帯の振動抑制および位置矯正を効果的に行うことができる。

本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置１の構成を模式的に示す概略図である。 本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置１における制御部６の構成を示すブロック図である。 一般的な溶融めっき金属帯の製造ラインの一部を模式的に示す概略図である。 比較例および本発明例における電磁石、非接触変位センサの配置を模式的に示す概略図である。 本発明例および比較例の振動抑制能力と位置矯正能力を比較した結果を示す図である。

本発明の実施形態について以下に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

＜金属帯の安定装置＞
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置１の構成を模式的に示す概略図である。図１に示されるように、本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置１は、図中の矢印Ａ方向に走行する金属帯２を挟むように対向して設置される一対の振動抑制用電磁石３ａ、３ｂと、一対の位置矯正用電磁石４ａ、４ｂと、非接触変位センサ５と、非接触変位センサ５からの入力に基づいて電磁石３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを制御する制御部６とを備える。

また、金属帯の振動および位置を制御すべき箇所（電磁石３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂで、金属帯の振動を抑制し位置を矯正する箇所）をＢとすると、金属帯の長手方向（金属帯搬送方向）のＢから離れる方向に振動抑制用電磁石３ａおよび３ｂ、非接触変位センサ５、位置矯正用電磁石４ａおよび４ｂの順に配置される。

振動抑制用電磁石３ａ、３ｂは、コアにコイルを巻いてなるものである。振動抑制用電磁石３ａ、３ｂのコイルの巻き数Ｎ１は、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂのコイルの巻き数Ｎ２よりも少ない。ここでは、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂのコイルの巻き数が同じ場合を例に説明したが、振動抑制用電磁石３ａと振動抑制用電磁石３ｂとで巻き数が異なってもよい。なお、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂが第１の電磁石に相当する。

振動抑制用電磁石３ａ、３ｂの制御は、後述する制御部６により行うため、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂは制御部６に接続されている。

振動抑制用電磁石３ａ、３ｂは、動的な制御を行うため、できるだけ制御すべき箇所（Ｂ）に近いことが望ましい。振動抑制用電磁石３ａ、３ｂには、金属帯２の振動周波数（通常は金属帯の曲げや捩れなどの固有周波数）に十分追従できるだけの高い応答性が要求される。また、金属帯の固有周波数の振動を抑えるには大きな吸引力を必要としないため、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂには、大きな吸引力が要求されない。

上記の通り、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂのコイルの巻き数Ｎ１は少なくてもよく、巻き数が１００〜６００ターンの範囲にあれば好ましい。また、高い応答性の観点から振動抑制用電磁石３ａ、３ｂは、制御すべき箇所（Ｂ）の近傍に設けられることが好ましく、制御すべき箇所（Ｂ）から１００〜６００ｍｍの範囲に設けられれば好ましい。

位置矯正用電磁石４ａ、４ｂは、コアにコイルを巻いてなるものであり、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂのコイルの巻き数Ｎ２は、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂのコイルの巻き数Ｎ１よりも多い。ここでは、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂのコイルの巻き数が同じ場合を例に説明したが、位置矯正用電磁石４ａと位置矯正用電磁石４ｂとで巻き数が異なってもよい。なお、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂが第２の電磁石に相当する。

位置矯正用電磁石４ａ、４ｂの制御は、後述する制御部６により行うため、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂは制御部６に接続されている。

位置矯正用電磁石４ａ、４ｂは、静的な制御を行うため、制御すべき箇所（Ｂ）から離れた位置に設けられても、大きな吸引力を発揮すれば、制御すべき箇所（Ｂ）での位置矯正を適切に行える。位置矯正用電磁石４ａ、４ｂには、小さな電流で大きな吸引力を発生できることが求められる。したがって、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂの巻き数Ｎ２は、電磁石のサイズおよび電気抵抗の値が大きくなり過ぎない範囲で大きい方が好ましい。

上記の通り、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂのコイルの巻き数Ｎ２は一定以上であることが好ましく、巻き数が６００〜２０００ターンの範囲にあれば好ましい。また、大きな吸引力の観点から、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂは、制御すべき箇所（Ｂ）から少し離れてもよく、制御すべき箇所（Ｂ）から４００〜１０００ｍｍの範囲に設けられてもよい。

非接触変位センサ５は、オンライン走行中の金属帯２の変位を測定する。ここで測定された変位は制御部６で用いられるため、非接触変位センサ５は、制御部６に接続されている。非接触変位センサ５は、信号を迅速に伝達できるように、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂと位置矯正用電磁石４ａ、４ｂとの間に配置される。

制御部６について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置１における制御部６の構成を示すブロック図である。図２に示されるように制御部６は、操作量演算装置７と、表裏分配装置８ａ、８ｂと、アンプ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと、を備える。

操作量演算装置７は、非接触変位センサ５に接続されており、非接触変位センサ５から金属帯の変位の測定値が操作量演算装置７に送られる。また、操作量演算装置７は、予め設定した変位の目標値が記憶された入力手段１０とも接続されており、入力手段１０から上記目標値が操作量演算装置７に送られる。操作量演算装置７では、上記測定値と上記目標値との偏差信号に対して、比例、微分、および積分などのいわゆるＰＩＤ制御を行い、振動抑制信号と位置矯正信号とを出力する。

表裏分配装置８ａ、８ｂは、それぞれが操作量演算装置７に接続される。操作量演算装置７により演算された振動抑制信号と位置矯正信号とを、金属帯２の表面用の振動抑制用電磁石３ａ、位置矯正用電磁石４ａおよび裏面用の振動抑制用電磁石３ｂ、位置矯正用電磁石４ｂの制御に用いるために分配する。

アンプ９ａは、表裏分配装置８ａにより分配された表面用の振動抑制信号に従い、振動抑制用電磁石３ａに給電する。

アンプ９ｂは、表裏分配装置８ａにより分配された裏面用の振動抑制信号に従い、振動抑制用電磁石３ｂに給電する。

アンプ９ｃは、表裏分配装置８ｂにより分配された表面用の位置矯正信号に従い、位置矯正用電磁石４ａに給電する。

アンプ９ｄは、表裏分配装置８ｂにより分配された裏面用の位置矯正信号に従い、位置矯正用電磁石４ｂに給電する。

以上の通り、本発明の安定装置は、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂの巻き数Ｎ１は、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂの巻き数Ｎ２よりも小さいという構成を採用するとともに、矯正する箇所（Ｂ）から、電磁石３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ及び非接触変位センサ５が、金属帯２の長手方向に、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂ、非接触変位センサ５、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂの順で並べて配置されるという構成を採用する。この配置により、金属帯の振動および位置を制御すべき箇所の近傍に金属帯の安定装置を設けられない場合にも、振動抑制および位置矯正の効果が大きく高まる。この効果の高まりは、以下の通り、説明可能と考えられる。

振動抑制能力を高くするために、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂの巻き数Ｎ２よりも小さい巻き数Ｎ１に設定された振動抑制用電磁石３ａ、３ｂを、電磁石および非接触変位センサの中で制御すべき箇所（Ｂ）に最も近い位置に配置する。これにより、金属帯２の振動および位置を制御すべき箇所（Ｂ）の近傍に、金属帯２の安定装置を設けられない場合にも、振動抑制の効果を高く維持できる。そして、位置矯正用電磁石４ａ、４ｂの巻き数Ｎ２を大きくすることで、上記の場合にも、位置矯正の効果を高く維持できる。また、非接触変位センサ５を、振動抑制用電磁石３ａ、３ｂと位置矯正用電磁石４ａ、４ｂとの間に配置することで、電磁石に送られる信号が遅れすぎることが無くなり、非接触変位センサ５が設けられる位置による効果低減を抑えることができる。

＜溶融めっき金属帯の製造方法＞
次に、溶融めっき金属帯を製造する場合を例に、本発明の安全装置を説明する。以下で説明する溶融めっき金属帯の製造方法が、本発明の溶融めっき金属帯の製造方法に相当する。

図３は、一般的な溶融めっき金属帯の製造ラインの一部を模式的に示す概略図である。図３に示される溶融めっき金属帯の製造ラインにおいて、金属帯２は、冷間圧延プロセスなどの前工程から運搬され、無酸化性あるいは還元性の雰囲気に保たれた焼鈍炉１１において焼鈍処理をされた後、溶融金属の温度とほぼ同程度まで冷却されて溶融金属浴１２内に導かれる。

溶融金属浴１２内において、金属帯２は、溶融金属中を浸漬しながら通板し、その表面に溶融金属が付着する（付着工程に相当）。その後、溶融金属浴１２から引き出された金属帯２は、ガスワイパ１３から噴出されるガスにより過剰な溶融金属が払拭され、溶融金属の付着量の調整が行われる（調整工程に相当）。

本発明の製造方法では、金属帯２がガスワイパ１３を通過する位置が、金属帯２の振動および位置を制御すべき箇所（Ｂ）に当たる。そして、溶融めっき金属帯の製造ラインには、図３に図示していないが、冷却装置やガスワイパ１３のカバーが設けられる結果、金属帯２がガスワイパ１３を通過する位置であるガスワイパ通過位置の近傍に、金属帯２の安定装置を設けられない場合がある。この場合、ガスワイパ通過位置から少し離れた位置に安定装置１が配置されることになる。本発明の安定装置１を用いれば、このような配置になった場合でも、ガスワイパ通過位置における金属帯の振動抑制および位置矯正を効果的に行うことができる。このため、ガスワイパ１３と金属帯２との距離が一定、ワイピングガスの圧力が均一になり、金属帯２に対する溶融金属の付着量のムラを抑えることができる。

なお、続くプロセスでは、用途に応じて、例えばその金属帯２が自動車用外板として使用される場合には、合金化炉１４を使用して金属帯を再加熱し均質な合金層を作り出す合金化処理を施す場合がある。金属帯２は冷却帯１５を通過した後、化成処理部１６で特殊の防錆、耐食処理が施され、コイルに巻き取られて出荷される。

本発明の効果を確認するために、溶融めっき金属帯の製造ラインにおいて、本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置を用いて検証実験を行った。

図４は比較例および実施例における電磁石、非接触変位センサの配置を模式的に示す概略図である。

比較例１では、図４に示すように、ガスワイパ１３から金属帯２の長手方向に非接触変位センサ５、振動抑制電磁石３ａ、３ｂ、位置矯正電磁石４ａ、４ｂの順に並べて配置し、金属帯２がガスワイパ１３を通過する位置における振動および位置を制御した。ここで振動抑制電磁石３ａ、３ｂのコイルの巻き数Ｎ１は、位置矯正電磁石４ａ、４ｂのコイルの巻き数Ｎ２よりも少なくしている。

比較例２では、ガスワイパ１３の近傍にガスワイパのカバーや冷却装置などの付帯設備が存在する場合を想定し、図４に示すように、比較例１よりも電磁石、非接触変位センサをガスワイパから離れて配置して金属帯の振動および位置を制御した。ここで電磁石と非接触変位センサの配置の順番および電磁石の巻き数は比較例１と同じである。

比較例３では、比較例２よりも位置矯正電磁石４ａ、４ｂの巻き数をＮ２よりも大きいＮ２’に変更して金属帯の振動および位置を制御した。ここで電磁石と非接触変位センサのガスワイパからの距離，配置の順番は比較例２と同じである。

そして本発明例１として電磁石と非接触変位センサの配置を、ガスワイパ１３から金属帯２の長手方向に振動抑制電磁石３ａ、３ｂ、非接触変位センサ５、位置矯正電磁石４ａ、４ｂの順に並べて配置し、金属帯の振動および位置を制御した。ただし、ガスワイパの近傍に電磁石、非接触変位センサが設置できない状況は比較例２、３と同様である。また、電磁石の巻き数は比較例３と同じである。

各例についてガスワイパ部での振動抑制能力と位置矯正能力を比較した結果を図５に示す。ここでは、比較例１の能力を１と規格化している。比較例２では比較例１に対して振動抑制電磁石、位置矯正電磁石ともガスワイパから離れているにもかかわらず、電磁石の巻き数が同じであるため、振動抑制能力、位置矯正能力とも低下している。比較例３では位置矯正電磁石の巻き数を比較例２よりも大きくして吸引力が大きくなっているため、位置矯正に必要な力を発揮することができ、比較例１と同等の位置矯正能力を実現できている。しかしながら、振動抑制電磁石については振動抑制に必要な応答性を確保するため必要があるため、安易に巻き数を大きくすることはできず、同じ巻き数であればガスワイパから離れた分だけ振動抑制に不利になる。これに対して本発明例１では電磁石と非接触変位センサの配置を変更し、振動抑制電磁石をガスワイパにより近接させる配置とすることで、近い範囲での配置変更でありながら、振動抑制能力を確保し、比較例１と同等の振動抑制能力を実現できている。位置矯正能力については比較例３と同様に電磁石の巻き数を大きくすることでガスワイパから離れる影響を補うことができるため、比較例１と同等の位置矯正能力を実現できている。

このように，振動および位置を制御すべき箇所から金属帯２の長手方向に振動抑制電磁石３ａ、３ｂ、非接触変位センサ５、位置矯正電磁石４ａ、４ｂの順に並べて配置することで、設備の干渉等により電磁石が振動および位置を制御すべきガスワイパ部から離れた場合においても振動抑制能力と位置矯正能力を最大限に発揮して制御できることがわかった。

さらに、振動抑制能力と位置矯正能力を最大限に発揮して制御できるという上記効果から、本発明の実施形態に係る溶融めっき金属帯の製造方法では、ワイピングガスの圧力が均一になり、金属帯２に対する溶融金属の付着量のムラを抑えることができる。

また、本発明の製造方法で得られる溶融めっき金属帯は、溶融金属の付着量のムラが抑えられている。

本発明は、金属帯を製造するラインに有用であり、特に溶融めっき金属帯の製造ラインに適している。

１ 金属帯の安定装置
２ 金属帯
３ａ、ｂ 振動抑制用電磁石
４ａ、ｂ 位置矯正用電磁石
５ 非接触変位センサ
６ 制御部
７ 操作量演算装置
８ａ、ｂ 表裏分配装置
９ａ〜ｄ アンプ
１０ 入力手段
１１ 焼鈍炉
１２ 溶融金属浴
１３ ガスワイパ
１４ 合金化炉
１５ 冷却帯
１６ 化成処理部
Ａ 金属帯の進行方向
Ｂ 振動および位置を制御すべき箇所

Claims (2)

1. オンライン走行中の金属帯の変位を測定する非接触変位センサと、
   前記非接触変位センサからの信号を入力して、前記金属帯の振動を抑制するための振動抑制信号と前記金属帯の位置を矯正するための位置矯正信号とを出力する制御部と、
   前記金属帯を挟むように対向して配置される一対の電磁石であって、前記制御部から出力される振動抑制信号に従い磁力を発生する第１の電磁石と、
   前記金属帯を挟むように対向して配置される一対の電磁石であって、前記制御部から出力される位置矯正信号に従い磁力を発生する第２の電磁石と、を備え、
   前記第１の電磁石の巻き数Ｎ１は、前記第２の電磁石の巻き数Ｎ２よりも小さく、
   前記第１の電磁石及び第２の電磁石で前記金属帯の振動を抑制し位置を矯正する箇所から金属帯搬送方向に、前記電磁石及び非接触変位センサが、前記第１の電磁石、前記非接触変位センサ、前記第２の電磁石の順で並べて配置されることを特徴とする金属帯の安定装置。
2. 製造ライン通板中の金属帯に溶融金属を付着させる付着工程と、前記金属帯に付着した過剰の溶融金属を払拭するガスワイパによって溶融金属の付着量を調整する調整工程と、を備える溶融めっき金属帯の製造方法であって、
   請求項１に記載の金属帯の安定装置により、前記金属帯が前記ガスワイパを通過する位置における前記金属帯の振動および位置を非接触で制御することを特徴とする溶融めっき金属帯の製造方法。

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