JP6648650B2 - 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

金属帯の安定装置および溶融めっき金属帯の製造方法 Download PDF

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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する工程がある。この工程では、溶融金属の付着量のムラが発生することを抑制するため、溶融金属浴後(溶融金属浴の下流)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し溶融金属の付着量を調整する操作が行われる。
この溶融金属の付着量を調整する操作では、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。従って、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金属帯の表裏面方向の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金属帯の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。
このような問題点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)。
特開平2−62355号公報
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応答性を高めることが要求され、金属帯の位置矯正(反り矯正およびパスライン矯正)には電磁石の吸引力を金属帯の反りおよびパスラインを目標位置に矯正できるように大きくすることが要求されるため、金属帯の振動抑制と位置矯正を同時に実現するには電磁石の高い応答性と大きな吸引力という二つの性質が必要となる。しかしながら、電磁石の吸引力を大きくするために電磁石の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るため、振動抑制能力と位置矯正能力を両立して金属帯の振動および位置を制御することが難しいという問題があった。
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、電磁石の吸引力を損なうことなく応答性を向上させ、優れた振動抑制能力と位置矯正能力を両立して金属帯の振動および位置を制御することができる金属帯の安定装置、およびこれを用いた溶融めっき金属帯の製造方法を提供することである。
本発明は、上記のような課題を解決するために、以下のような特徴を有している。
[1]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、前記金属帯の振動および位置を制御するための制御信号を出力する制御部と、前記制御部から出力される制御信号に従い磁力を発生する電磁石と、前記電磁石に電流を通電するときの最大電圧を上昇させる昇圧用電源装置と、を備えた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ガスワイパによって払拭し溶融金属の付着量を調整する調整工程と、[1]に記載の金属帯の安定装置により、前記金属帯の振動および位置を非接触で制御する制御工程と、を有することを特徴とする溶融めっき金属帯の製造方法。
本発明に係る金属帯の安定装置および溶融めっき金属帯の製造方法によれば、電磁石の吸引力を損なうことなく応答性を向上させ、優れた振動抑制能力と位置矯正能力を両立して金属帯の振動および位置を制御することができる。
本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置における制御部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示す概略図である。 本発明の比較例および実施例における振動抑制能力および位置矯正能力を示すグラフである。
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電磁石3a,3bと、電磁石3a,3bの近傍に配置される非接触変位センサ4と、非接触変位センサ4からの入力に基づいて電磁石3a,3bを制御する制御部5とを備える。
電磁石3a,3bは、対象とする金属帯2の振動周波数(通常は金属帯の曲げや捩れなどの固有振動数)に十分追従できるだけの高い応答性と、金属帯2の反りおよびパスラインを目標位置に矯正できるだけの吸引力が要求される。
以下に、電磁石のコイルの巻き数と、電磁石の応答性および吸引力との関係について説明する。
電磁石の動作は式(1)の方程式で表現される。
e = Ldi/dt + Ri ・・・(1)
ここで、eは印加電圧であり、iはコイルを流れる電流であり、Lはコイルのインダクタンスであり、Rはコイルの抵抗である。
式(1)で示されるように、コイルを流れる電流iは印加電圧eに対して一次遅れ系となっており、その時定数Tは式(2)で表わされる。
T = L/R ・・・(2)
ここで、コイルのインダクタンスLはコイルの巻き数Nの2乗に比例し、コイルの抵抗Rはコイルの巻き数Nに比例する。従って、式(2)により時定数Tはコイルの巻き数Nに比例することになる。これは、コイルの巻き数を増やせば増やすほど時定数が大きくなり、応答性が悪くなることを意味している。
一方、電磁石の吸引力Fは式(3)で表わされるように、コイルの巻き数Nの2乗及びコイルを流れる電流iの2乗に比例する。
F ∝ N ・・・(3)
従って、同じ電流で大きな吸引力を得るには、コイルの巻き数Nを増やす方が有利である。すなわち、巻き数Nを増やすと吸引力は大きくなるが応答性は悪くなり、巻き数Nを少なくすると応答性は良くなるが吸引力は小さくなる。
次に、電磁石が電流指令値に対して遅れなく制御可能な上限の周波数と電磁石に電流を通電するときの最大電圧の関係について説明する。ここで、振幅がA、周波数がfの周期的な電流を指令値として考えた場合、電流指令値ISVは式(4)で表される。
SV = Asin(2πft) ・・・(4)
よって、電流指令値の最大の変化速度は2πfAで表される。
一方、コイルを流れる電流は印加電圧に対して一次遅れ系となっているため、一定電圧Vconstが印加された場合、コイルに流れる電流実績値IPVは指数関数を用いた式(5)で表される。
PV = {1−exp(−Rt/L)}・Vconst/R ・・・(5)
よって、コイルを流れる電流実績値の最大の変化速度はVconst/Lで表され、電磁石に電流を通電するときの電圧が大きければ大きいほど電流の変化速度を大きくできる。しかしながら、電磁石に電流を通電するときの電圧を無限に大きくすることはできず、印加電圧は電源供給系統の最大電圧によって制約される。従って電源供給系統の最大電圧をVmaxとすると、コイルを流れる電流実績値の最大の変化速度はVmax/Lと表される。
電磁石の制御に遅れが発生しないためには、電流指令値の変化速度より電流実績値の変化速度のほうが大きい必要があるため、電流指令値および電流実績値の最大の変化速度より制御限界周波数fは式(6)で表される。
= Vmax/(2πLA) ・・・(6)
従って、制御限界周波数は電源供給系統の最大電圧に比例し、電磁石に電流を通電するときの電圧を大きくすることで制御限界周波数を大きく、すなわち応答性を良くすることができる。
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5の構成を示すブロック図である。図2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の制御部5は、操作量演算装置6と、表裏分配装置7a,7bと、アンプ8a,8bと、昇圧用電源装置9と、を備える。
操作量演算装置6は、非接触変位センサ4による金属帯の変位の測定値と入力手段10により設定した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、制御信号を出力する.
表裏分配装置7a,7bは、操作量演算装置6により演算された制御信号を、金属帯2の表面用の電磁石3aおよび裏面用の電磁石3bに用いるために分配する。
アンプ8aは、表裏分配装置7aにより分配された表面用の制御信号に従い、電磁石3aに給電し、アンプ8bは、表裏分配装置7bにより分配された表面用の制御信号に従い、電磁石3bに給電する。この際、前記電磁石3a,3bに給電するときの最大電圧は、電源供給系統の最大電圧によって制約される。
本実施形態においては、昇圧用電源装置9がアンプ8a,8bに接続され、当該昇圧用電源装置9は、アンプ8a,8bが電磁石3a,3bに給電するときの最大電圧を上昇させる。その結果、電磁石の応答性が良くなり、振動抑制能力が向上する。ここで昇圧用電源装置9は、二つのアンプ8a,8bに対して一つだけ配置されているが、アンプそれぞれに対して個別に設けられても良いし、アンプと一体の構造とされても良い。また、制御部の内側ではなく、制御部の外側に昇圧用電源装置9が設けられても良い。昇圧用電源装置9としては、特に制限されず、前記電磁石3a,3bに給電するときの最大電圧を上昇できるものであればよい。昇圧用電源装置9としては、特に制限されないが、電磁石の応答性をより高め、振動抑制能力をより向上させる点から、電磁石3a,3bに給電するときの最大電圧を、昇圧用電源装置9を設けない場合と比較して、1.1倍以上に昇圧するものが好ましく、1.3倍以上に昇圧するものがより好ましく、1.5倍以上に昇圧するものがさらに好ましい。また、特に制限されないが、電磁石の絶縁破壊特性の点からは、昇圧用電源装置9による前記最大電圧の昇圧は20倍以下が好ましく、10倍以下がより好ましい。
次に、本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置1を、溶融めっき金属帯の製造ラインに配置する構成例について説明する。
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。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。
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。
本発明の実施形態に係る金属帯の安定装置1の電磁石3a,3bおよび非接触変位センサ4は、ガスワイパ13の直上のパスラインに配置され、金属帯の振動および位置を制御する。当該配置により、ガスワイパ13と金属帯2との距離が一定となる結果、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。
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。ここで、金属帯の安定装置の電源供給系統の最大電圧は一定である。
まず、比較例1として、昇圧用電源装置のない従来の金属帯の安定装置を用いて制御を行い、振動抑制能力と位置矯正能力を評価した。次に、比較例2として、振動抑制能力を向上させるべく比較例1に対して電磁石のコイルの巻き数を0.7倍に変更した装置を用いて制御を行い、振動抑制能力と位置矯正能力を評価した。ここで、昇圧用電源装置がないのは比較例1と同じである。
そして、本発明例として、金属帯の安定装置の制御部に昇圧用電源装置を設け、電磁石に通電するときの最大電圧を比較例1に対して2倍に変更して制御を行い、振動抑制能力と位置矯正能力を評価した。ここで、電磁石のコイルの巻き数は比較例1と同じである。
各例について振動抑制能力と位置矯正能力を比較した結果を図4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では電磁石のコイルの巻き数を少なくしたことから応答性が良くなり、振動抑制能力が向上しているが、電磁石の吸引力が小さくなるため位置矯正に必要な力を発揮することができずに位置矯正能力が低下している。つまり、電磁石のコイルの巻き数の変更によって振動抑制能力を向上させようとしても、位置矯正能力と両立して振動抑制能力を向上させることが困難である。これに対して本発明例では、昇圧用電源装置を用いることで電磁石に通電するときの最大電圧を大きくすることで振動抑制能力を向上させるとともに、電磁石のコイルの巻き数が比較例1と同じであることから比較例1と同等の位置矯正能力を実現できている。
このように昇圧用電源装置を用いることで電磁石に通電するときの最大電圧を大きくして位置矯正能力を損なうことなく振動抑制能力を向上させ、優れた振動抑制能力と位置矯正能力を両立しながら走行中の金属帯の振動および位置を制御できることがわかった。
さらに、本発明の実施形態に係る溶融めっき金属帯の製造方法は、製造ライン通板中の金属帯2に溶融金属を付着させる付着工程と、金属帯2に付着した過剰の溶融金属をガスワイパ13によって払拭し溶融金属の付着量を調整する調整工程と、上記金属帯の安定装置1により、金属帯2の振動および位置を非接触で制御する制御工程とを有するので、ワイピングガスの圧力が金属帯の裏表、板幅方向および通板方向に均一になり、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、本発明の実施形態に係る金属帯は、上記製造方法により製造されるので、溶融金属の付着量のムラが抑えられる。
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により、本発明は限定されることはない。
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,3b 電磁石
4 非接触変位センサ
5 制御部
6 操作量演算装置
7a,7b 表裏分配装置
8a,8b アンプ
9 昇圧用電源装置
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

Claims (2)

  1. 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、前記金属帯の振動および位置を制御するための制御信号を出力する制御部と、前記制御部から出力される制御信号に従い磁力を発生する電磁石と、前記電磁石に給電する最大電圧を上昇させるように前記電磁石に電流を通電するときの最大電圧を1.5倍以上10倍以下の範囲で昇圧させる昇圧用電源装置と、を備えた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ガスワイパによって払拭し溶融金属の付着量を調整する調整工程と、請求項1に記載の金属帯の安定装置により、前記金属帯の振動および位置を非接触で制御する制御工程と、を有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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