JP6402681B2 - コイル挿入装置及びコイル挿入方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程のコイラーのマンドレルに挿入するコイル挿入装置、及び当該コイル挿入装置を用いたコイル挿入方法に関する。

熱間圧延工程のコイラー（巻き取り装置）で巻き取られたコイルは、当該コイラーのマンドレルから抜き取られた後、その自重によって潰れる場合がある。かかる場合、次工程でアンコイルする際、コイラー（巻き解き装置）のマンドレルにコイルを挿入することができず、巻き戻し処理などを含むコイルの精整工程が必要となる。

特にハイテン材ではコイル潰れが顕著となるが、このようなハイテン材などのコイル潰れ対象材は、将来に向けて増産傾向にある。したがって、コイルの精整工程がますます鋼板の処理能力を圧迫し、処理効率の低下を招くという問題がある。

そこで、コイル潰れを抑制する対策として、例えば特許文献１には、コイル置き台において、その傾斜部が水平となす角度を４５°〜５５°とし、コイル自重を支える箇所を２つの傾斜部のみとすることが提案されている。

特開２００６−２８１３０６号公報

ここで、本発明者らがコイル潰れのメカニズムを検討したところ、鋼板の変態がコイル潰れの一因であることを見出した。すなわち、熱間圧延工程で鋼板の巻き取り時や巻き取り後に変態が生じる場合、変態膨張ひずみにより巻き取った張力により巻き緩みが生じる。このため、コイルは自重に耐え切れずに潰れることを見出した。

すなわち、σ_ｆｒ＝μＰ（σ_ｆｒ：コイル層間の接触摩擦力、μ：摩擦係数、Ｐ：層間の面圧）の関係式が成り立つが、巻き緩みによりＰが小さくなったことにより、コイル層間の接触摩擦力が小さくなり、コイルは自重に耐え切れなくなるのである。

しかしながら、最近では、巻き取り時に変態が生じる操業が増えてきており、コイル潰れを必ずしも抑制できない状況にある。また、上述したようにコイル潰れ対象材が増産傾向にもある。かかる状況下では、コイルが潰れない操業を志向する一方で、精整工程などの負荷を掛けないで潰れたコイルの形状を矯正することも必要となる。

この点、上述した特許文献１には、コイル置き台を用いることで、コイル潰れの発生を抑制しつつ、コイル潰れによる変形の矯正も図れることが記載されている。しかしながら、熱間圧延工程で巻き取られたコイルをコイルヤードで空冷する場合、通常３日間程度を要する。そうすると、特許文献１のコイル置き台を用いる場合、上述したようにコイル潰れ対象材が増産傾向にあることも鑑みると、コイルヤードには大量のコイル置き台が必要となる。これには多大な設備コストがかかり、現実的ではない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、潰れたコイルの形状を簡易的に矯正することを目的とする。

本発明者らは、潰れたコイルに荷重をかけてその形状を矯正すべく数値解析を行ったところ、コイルが弾性変形する範囲の荷重をかければ、コイルの形状が矯正されることを見出した。特にコイルがハイテン材の場合、従来はコイル潰れを矯正するのが困難であると考えられていたが、小さい荷重でも弾性変形の範囲内で矯正させることが（変形させることが）可能となる。そして、コイルの形状を矯正する際、コイルにかかる荷重とコイルの内径の変位量とは、線形関係にあることを見出した。なお、この荷重とコイル内径変位量の関係については、後述の実施の形態において説明する。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。すなわち、本発明は、熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程のコイラーのマンドレルに挿入するコイル挿入装置であって、横長に変形したコイルを回動させて縦長にした状態で、当該コイルを載置して搬送する搬送台車と、前記搬送台車上のコイルの外周面を上方から圧下して、前記マンドレルが挿入される所定の内径にコイルを成形する圧下機構と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、コイルが弾性変形する範囲の小さい圧下荷重で、コイルを所定の内径の円筒形状に成形することができ、当該コイルをマンドレルに挿入することができる。また、圧下荷重とコイル内径変位量が線形関係にあるので、その圧下荷重の制御も容易となる。したがって、最小限の圧下機構を設けるだけで、従来行っていたコイルの精整工程が不要となり、また特許文献１のように大量のコイル置き台が不要となるため、潰れたコイルの形状を簡易的に矯正することができる。その結果、鋼板の処理能力が向上すると共に、処理コストを低廉化でき、鋼板の処理効率を向上させることができる。

前記コイル挿入装置は、前記圧下機構によって圧下されるコイルの内径の変位量を測定する変位測定部と、前記変位測定部の測定結果に基づいて、前記コイルの内径が所定の変位量になるように前記圧下機構を制御する制御部と、をさらに有していてもよい。

また、前記コイル挿入装置は、前記圧下機構の圧下荷重を測定する荷重測定部と、予め求められたコイル内径変位量と圧下荷重の相関と、前記荷重測定部の測定結果とに基づいて、圧下荷重を設定して前記圧下機構を制御する制御部と、をさらに有していてもよい。

また、前記マンドレルの先端部には、先に向かって径が縮小するガイド部が設けられていてもよい。

かかる場合、前記マンドレルは軸方向を中心に回転自在に構成され、前記ガイド部の外周面には、コイルの最内周部の鋼板を引っ掛けるための切り欠きが形成されていてもよい。

別な観点による本発明は、熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程のコイラーのマンドレルに挿入するコイル挿入方法であって、横長に変形したコイルを回動させて縦長にした状態で、コイルの外周面を上方から圧下してコイルを所定の内径に成形し、当該コイルを前記マンドレルに挿入することを特徴としている。

本発明によれば、潰れたコイルの形状を簡易的に矯正することができ、これにより鋼板の処理効率を向上させることができる。

数値解析用の１／２コイルモデルの概要を示す説明図である。 圧下荷重とコイル内径変位量の関係を示すグラフである。 熱間圧延設備の仕上圧延機以降の構成の概略を示す説明図である。 熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程まで搬送する搬送経路の概略を示す説明図である。 本実施の形態にかかるコイル挿入装置の構成の概略を示す側面図である。 本実施の形態にかかるコイル挿入装置の構成の概略を示す側面図である。 他の実施の形態にかかる次工程のマンドレルの構成の概略を示す説明図である。 他の実施の形態にかかる次工程のマンドレルのガイド部を先端側からみた構成の概略を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．コイル潰れの矯正原理＞
本発明者らは、コイル潰れを矯正する方法を検討するにあたり、潰れたコイルに荷重をかけてその形状を矯正すべく、コイルにかかる荷重とそのコイルの内径の変位量との関係を数値解析により算出した。先ず、図１に示すように側面からみたコイルの１／２断面についてＦＥＭによるモデル化を行った。このモデルでは、板厚が３ｍｍの鋼板をコイルの最内周部から最外周部まで１００回巻き付けた。また、コイル潰れが発生していない状態でコイルの内径φ１を７６０ｍｍとし、コイル外径φ２を１３６０ｍｍとした。そして、コイルの外周面の頂点を上方から圧下し（図１中の矢印）、圧下荷重とコイル内径変位量との関係を導出した。

図２は、上述した数値解析の結果を示している。図２の横軸は圧下荷重を示し、縦軸はコイル内径変位量を示している。また、図２中、コイル内径の幅方向（Ｘ軸方向）の変位を実線で示し、コイル内径の高さ方向（Ｚ軸方向）の変位を一点鎖線で示している。

図２によれば、圧下荷重とコイル内径変位量とは線形関係にある。すなわち、コイルは弾性変形している。そして、この数値解析のコイル内径φ１が７６０ｍｍである場合、通常想定されるコイル潰れの内径変位量は、少なくとも図２に示す１００ｍｍ以内であるため、コイル潰れはコイルの弾性変形の範囲で発生している。このことを換言すれば、コイルが弾性変形する範囲の圧下荷重をかければ、コイル潰れの変形を矯正することができることになる。したがって、例えば梁の曲げ理論と同様に、弾性変形の範囲の小さい圧下荷重で、潰れたコイルを円筒形状に成形することができる。

ここで、コイル潰れが塑性変形の範囲で発生していると仮定すると、そのコイル潰れを矯正するためには大きな圧下荷重が必要となるし、また圧下荷重とコイル内径変位量とは線形関係になく、圧下荷重が僅かに変動するとコイル内径の変位量が大きく変動するため、その圧下荷重の制御が非常に困難となる。したがって、本発明者らが見出したように、コイルが弾性変形する範囲の圧下荷重でコイル潰れを矯正できることは、極めて重要な知見なのである。

また、このように圧下荷重とコイル内径変位量とは線形関係にあるため、コイル潰れが発生する際のコイル内径変位量に基づいて、圧下荷重を容易に制御することができる。

なお、図１の数値解析では、板厚が３ｍｍの鋼板をコイルの最内周部から最外周部まで１００回巻き付けたモデルを用いたが、例えば板厚や巻き付ける回数が変更されれば、コイルの剛性が変わり、図２のグラフにおいて圧下荷重とコイル内径変位量の値は変わる。しかしながら、圧下荷重とコイル内径変位量が線形関係にあることには変わりがない。

また、図２においては、圧下荷重に対して、コイルＣの幅方向の内径変位量と高さ方向の内径変位量が若干異なる。これは、数値解析において、コイルＣの幅方向の変形モードと高さ方向の変形モードが異なるためである。

＜２．熱間圧延設備＞
次に、本実施の形態のコイルが製造される熱間圧延設備の構成について説明する。図３は、熱間圧延設備の仕上圧延機以降の構成の概略を示す説明図である。熱間圧延設備１には、加熱炉（図示せず）から排出され粗圧延機（図示せず）で圧延された鋼板Ｈを所定の厚みに連続圧延する仕上圧延機２、仕上げ圧延後の鋼板Ｈを所定温度まで冷却する冷却装置３、冷却された鋼板Ｈを巻き取るマンドレル４ａを備えたコイラー４が、鋼板Ｈの搬送方向にこの順で設けられている。仕上圧延機２とコイラー４との間には、鋼板Ｈを搬送するランアウトテーブル５が設けられている。そして、仕上圧延機２で圧延された鋼板Ｈは、ランアウトテーブル５上で搬送中に冷却装置３によって冷却された後、コイラー４に巻き取られてコイルＣとして製造される。

＜３．搬送経路＞
図４は、熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程まで搬送する搬送経路の概略を示す説明図である。熱間圧延設備１のコイラー４で巻き取られたコイルＣは、ストリッパーカー１０によってコイラー４のマンドレル４ａから抜き出され、結束機１１において鋼状のフープで巻き締められる。その後、コイルＣはコイルカー１２によって搬送され、さらにクレーン１３によってコイルヤード１４に置かれる。コイルヤード１４では、例えばコイルＣを３日間程度置き、当該コイルＣを常温まで冷却させる。その後、コイルＣはクレーン１５によって、搬送台車としてのコイルカー１６に載置され、さらにコイルカー１６によって次工程が行われる設備まで搬送される。なお、この搬送経路ではコイルＣは穴横の状態で取り扱われ、本実施の形態においてコイル潰れは、熱間圧延設備１のコイラー４でコイルＣが巻き取られてマンドレル４ａからコイルカー１２に搬送された時点から、コイルヤード１４においてコイルＣが常温で冷却されるまでの間で発生する。

＜４．コイル挿入装置＞
次に、本実施の形態にかかるコイル挿入装置について説明する。図５及び図６は、次工程のマンドレルにコイルを挿入するコイル挿入装置の構成の概略を示す説明図である。次工程のコイラー２０は、マンドレル２１と、マンドレル２１の基端部に設けられ、当該マンドレル２１をその軸方向を中心に回転させる駆動部２２を有している。そして、コイル挿入装置３０は、コイルヤード１４からコイラー２０にコイルＣを搬送する間に、コイル潰れによる変形を矯正しつつコイルＣをマンドレル２１に挿入する。

なお、上述したクレーン１５とコイルカー１６は、本実施の形態におけるコイル挿入装置３０の一部を構成している。コイルヤード１４に置かれたコイルＣは、自重によって横長に変形して潰れているが、クレーン１５は、横長に変形したコイルを約９０度回動させて縦長の状態にし、コイルカー１６に載置する。

コイル挿入装置３０は、コイルカー１６上のコイルＣを圧下する圧下機構３１を有している。圧下機構３１は、圧下台車３２と圧下部材３３を備え、コイルカー１６を囲うように設置されたフレーム部材３４に取り付けられている。圧下台車３２は、フレーム部材３４上をコイルカー１６の移動方向と同じ方向（図中のＹ軸方向）に移動可能に構成されている。また、圧下台車３２は、圧下部材３３を支持し、当該圧下部材３３を鉛直方向（図中のＺ軸方向）に昇降させる。圧下部材３３は、フレーム部材３４の内部に配置され、コイルＣの外周面に接触して当該コイルＣを圧下する。

コイルカー１６には、圧下機構３１の圧下荷重を測定する荷重測定部３５が設けられているのが望ましい。荷重測定部３５には、例えばロードセルが用いられる。荷重測定部３５の測定結果は、後述する制御部３７に出力される。

また、コイル挿入装置３０は、コイルＣの内径変位量を測定する変位測定部３６を有しているのが望ましい。変位測定部３６には、例えば変位センサが用いられる。変位測定部３６の測定結果は、後述する制御部３７に出力される。

さらにコイル挿入装置３０は、圧下機構３１を制御する制御部３７を有しているのが望ましい。その場合、制御部３７は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵなどの中央演算処理装置と、この中央演算処理装置を機能させるためのプログラムから構成される。

制御部３７には、図２に示した圧下荷重とコイル内径変位量の相関が格納されている。そして、制御部３７では、変位測定部３６の測定結果に基づいて、上記相関から、コイルＣの内径変位量が所定の変位量になるように圧下荷重を設定する。

＜５．コイル挿入方法＞
次に、以上のように構成されたコイル挿入装置３０を用いて、潰れたコイルＣの変形を矯正しつつ、コイルＣをマンドレル２１に挿入する方法について説明する。上述したように熱間圧延設備１のコイラー４で巻き取られたコイルＣは、コイルヤード１４で常温に冷却されるまでの間に、自重によって横長に変形して潰れる。

先ず、クレーン１５によって、コイルヤード１４において横長に変形したコイルを約９０度回動させて縦長の状態にし、コイルカー１６に載置する。そして、コイルカー１６は、縦長の状態のコイルＣを載置して搬送する。

その後、圧下機構３１によってコイルカー１６上のコイルＣの外周面を上方から圧下する。この際、変位測定部３６によって、コイルＣの潰れ量、すなわちコイルＣの内径変位量を測定し、測定結果が制御部３７に出力される。制御部３７では、変位測定部３６の測定結果に基づいて、コイルＣの内径が所定の変位量になるように、図２に示した圧下荷重とコイル内径変位量の相関から、圧下機構３１の圧下荷重を設定する。上記所定の変位量は、コイルＣをマンドレル２１に挿入できる大きさである。例えばマンドレル２１にコイルＣが挿入された状態で、当該コイルＣとマンドレル２１との間に隙間がある場合を考えると、コイルＣの内径が所定の変位量となった後の内径とマンドレル２１の径の差がその隙間となる。また、制御部３７では、荷重測定部３５の測定結果に基づいて、設定された圧下荷重になるように圧下機構３１を制御する。こうして設定された圧下荷重でコイルＣを圧下することにより、コイルＣの形状が円筒形状に成形される。

なお、図２においては、圧下荷重に対して、コイルＣの幅方向の内径変位量と高さ方向の内径変位量が若干異なる。このため、圧下機構３１の圧下荷重を設定する際には、例えば幅方向の内径変位量が所定の変位量になるように圧下荷重を設定した上で、高さ方向の内径変位量も所定の変位量になるように圧下荷重を微調整すればよい。
また、制御部３７では、荷重測定部３５の測定結果に基づいて、圧下機構３１の圧下荷重を設定してもよい。すなわち、圧下荷重を測定することにより、圧下荷重とコイル内径変位量の相関から変位量が分かるので、所定の変位量となるように圧下荷重を制御することができる。

その後、成形されたコイルＣをマンドレル２１に挿入する。そして、次工程として、例えば冷間圧延工程や酸洗工程が行われる。

以上の実施の形態によれば、コイルＣが弾性変形する範囲の小さい圧下荷重で、コイルＣを所定の内径の円筒形状に成形することができ、当該コイルＣをマンドレル２１に挿入することができる。また、圧下荷重とコイル内径変位量が線形関係にあるので、その圧下荷重の制御も容易となる。したがって、潰れたコイルＣを救済して次工程を行うことができる。

また、制御部３７による圧下機構３１の制御は、圧下荷重とコイル内径変位量の相関と、荷重測定部３５及び変位測定部３６の測定結果とに基づいて行われるのが望ましい。かかる圧下機構３１の制御は、例えばオペレータがコイルＣの潰れ量を目視することによって行ってもよい。但し、本実施の形態のように制御部３７で制御することで、より正確に圧下機構３１を制御することができる。

さらに、コイル挿入装置３０を設けるだけで、従来行っていたコイルの精整工程が不要となり、また特許文献１のように大量のコイル置き台が不要となるため、潰れたコイルの形状を簡易的に矯正することができる。その結果、鋼板Ｈの処理能力が向上すると共に、処理コストを低廉化でき、鋼板Ｈの処理効率を向上させることができる。

＜６．他の実施の形態＞
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。以下の説明において、上記実施の形態と重複する箇所は説明を省略する。

以上の実施の形態において、次工程のコイラー２０のマンドレル２１の先端部には、図７に示すように先に向かって径が縮小するテーパ状のガイド部４０が設けられていてもよい。

ここで、上記実施の形態のように圧下機構３１によってコイルＣを圧下して成形しても、例えばコイルＣの最内周部が巻き緩み、コイルＣの内径がマンドレル２１の径より小さくなっている場合がある。

かかる場合であっても、本実施の形態によれば、マンドレル２１の先端部にガイド部４０が設けられているので、コイルＣをマンドレル２１に容易に挿入することができる。

また、図８に示すようにガイド部４０の外周面には、複数の切り欠き４１が形成されていてもよい。そして、切り欠き４１にコイルＣの最内周部の鋼板Ｈを引っ掛けながら、駆動部２２によってマンドレル２１を回転させることで、コイルＣの最内周部の巻き緩みを戻すことができる。したがって、コイルＣをマンドレル２１にさらに容易に挿入することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、図５及び図６に示したコイル挿入装置３０を用いて、以下の条件でシミュレーションを行い、本発明の効果を評価した。熱間圧延設備１のコイラー４で巻き取られたコイルＣ、すなわちコイル潰れが発生していない状態のコイルＣの内径は７６０ｍｍであり、外径は１３６０ｍｍである。また、次工程のコイラー２０のマンドレル２１の径は、７６０ｍｍである。そして、コイルヤード１４でコイル潰れが発生した状態で、コイルＣの内径変位量は幅方向と高さ方向共に約４０ｍｍとした。すなわち、コイルＣは横長に変形しており、幅方向の内径が約４０ｍｍ大きくなり、高さ方向の内径が約４０ｍｍ小さくなっていた。

かかる場合、横長に変形したコイルを約９０度回動させて縦長の状態にし、コイルカー１６に載置し、さらに圧下機構３１によってコイルＣの外周面を上方から圧下する。この際、コイルＣの内径変位量が約４０ｍｍであるので、図２に基づいて、圧下機構３１の圧下荷重を１０ｔｏｎｆ／１０００ｍｍと設定した。

その結果、コイルＣの内径変位量が０ｍｍ（ゼロ）となり、コイルＣは円筒形状に成形された。そして、コイルＣの内径が７６０ｍｍとなったため、当該コイルＣをマンドレル２１に挿入することができた。したがって、本発明によれば、潰れたコイルＣに対しても、マンドレル２１を挿入して次工程を行えることが分かった。

本発明は、熱間圧延工程で巻き取られたコイルについて、コイル潰れが発生したコイルの形状を矯正しつつ、当該コイルを次工程のコイラーのマンドレルに挿入する際に有用である。

１ 熱間圧延設備
２ 仕上圧延機
３ 冷却装置
４ コイラー
４ａ マンドレル
５ ランアウトテーブル
１０ ストリッパーカー
１１ 結束機
１２ コイルカー
１３ クレーン
１４ コイルヤード
１５ クレーン
１６ コイルカー
２０ コイラー
２１ マンドレル
２２ 駆動部
３０ コイル挿入装置
３１ 圧下機構
３２ 圧下台車
３３ 圧下部材
３４ フレーム部材
３５ 荷重測定部
３６ 変位測定部
３７ 制御部
４０ ガイド部
４１ 切り欠き
Ｃ コイル
Ｈ 鋼板

Claims (6)

1. 熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程のコイラーのマンドレルに挿入するコイル挿入装置であって、
   横長に変形したコイルを回動させて縦長にした状態で、当該コイルを載置して搬送する搬送台車と、
   前記搬送台車上のコイルの外周面を上方から圧下して、前記マンドレルが挿入される所定の内径にコイルを成形する圧下機構と、を有することを特徴とする、コイル挿入装置。
2. 前記圧下機構によって圧下されるコイルの内径の変位量を測定する変位測定部と、
   前記変位測定部の測定結果に基づいて、前記コイルの内径が所定の変位量になるように前記圧下機構を制御する制御部と、をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載のコイル挿入装置。
3. 前記圧下機構の圧下荷重を測定する荷重測定部と、
   予め求められたコイル内径変位量と圧下荷重の相関と、前記荷重測定部の測定結果とに基づいて、圧下荷重を設定して前記圧下機構を制御する制御部と、をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載のコイル挿入装置。
4. 前記マンドレルの先端部には、先に向かって径が縮小するガイド部が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル挿入装置。
5. 前記マンドレルは軸方向を中心に回転自在に構成され、
   前記ガイド部の外周面には、コイルの最内周部の鋼板を引っ掛けるための切り欠きが形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のコイル挿入装置。
6. 熱間圧延工程で巻き取られたコイルを次工程のコイラーのマンドレルに挿入するコイル挿入方法であって、
   横長に変形したコイルを回動させて縦長にした状態で、コイルの外周面を上方から圧下してコイルを所定の内径に成形し、当該コイルを前記マンドレルに挿入することを特徴とする、コイル挿入方法。

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