JPWO2019124237A1 - 圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置、圧延用ロール、及び圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法 - Google Patents

圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置、圧延用ロール、及び圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法 Download PDF

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Abstract

圧延用ロール胴部表面における亀裂の発生および亀裂の進展をオンラインで特定する亀裂検知装置と、その亀裂検知機能を備えた圧延用ロールを、圧延用ロールにセンサーを連続的に多数配置することなく、圧延装置や圧延用ロールの大幅な改造を行うことなく提供することである。圧延装置に組み込まれる圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置であって、前記圧延用ロールは胴部と前記胴部の両端から一体的に延出する軸部を有し、前記軸部の少なくとも一方に、前記胴部表面で発生する弾性波を検出するＡＥセンサーと前記ＡＥセンサーで検出した弾性波の特徴量を算出する演算部とを配置した前記圧延用ロールと、前記特徴量から前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波を弁別する弁別部とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、圧延用ロールの表面や表面直下に存在する亀裂欠陥を、圧延用ロールに配置したセンサーによって検知する技術に関する。特に、圧延用ロールを圧延装置で回転させて鋼板を圧延している間、すなわち圧延工程で、圧延用ロールの表面や表面直下に発生、進展した亀裂を、圧延用ロールに配置したセンサーによってオンラインで検知する亀裂検知装置および亀裂検知機能を有する圧延用ロールに関する。
鋼板熱間圧延の分野では、圧延用ロールの胴部表面、及び／または胴部表面直下（以下、胴部表面）に存在する亀裂欠陥を超音波探傷子や渦流探傷子、アコースティックエミッション(以下、ＡＥ)センサーなどのセンサーを用いて検出する技術が開発されている。
亀裂欠陥を検出する技術が求められる背景について説明する。鋼板熱間圧延工程においては、連続鋳造等で製造した厚さ数十ミリから３００ｍｍ程度のスラブを加熱炉で加熱し、粗圧延機、仕上げ圧延機で圧延して厚さ１ｍｍ程度から数ミリの鋼板に成形する。仕上げ圧延機は、通常、５〜７スタンドの四重式圧延機を直列且つ連続的に配置したものであり、７スタンドの仕上げ圧延機が広く使用されている。５〜７スタンドの四重式、或いは六重式圧延機の場合、第１〜４スタンドまでを前段スタンド、第５〜７スタンドまでを後段スタンドと称している。
圧延機には、鋼板を圧延するため上下一対の圧延用ロールが複数使用されている。この圧延用ロールには、圧延荷重のベンディングに抗し得る強靱性と共に、摩耗，肌荒れ，熱亀裂等に対する抵抗性を具備するものであることが要求され、従来よりダクタイル鋳鉄、アダマイト鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼等の単体の圧延用ロールや、耐摩耗性や耐肌荒れ性に優れるハイス合金、グレン鋳鉄、高クロム鋳鉄からなる外層と、強靭性に優れるダクタイル鋳鉄や鍛鋼からなる内層とが、金属結合により一体化した複合構造の圧延用ロールが使用されている。
仕上げ圧延では、前記複合構造の圧延用ロールが主に使用されているが、圧延スタンド間で鋼板のシートが様々な原因によって二枚重ねになりそのまま圧延用ロールによって圧延される、いわゆる絞込みといわれる圧延事故が発生する場合があり、スタンドが後段になるほど絞込み事故に遭遇する確率が高まる。このため、仕上げ圧延機後段用の圧延用ロールは前段用のロールに比べて耐衝撃性に優れることが要求される。絞込み事故が発生し、二枚重ねになって見かけの厚みが厚くなった鋼板が圧延機に導入すると、鋼板と圧延用ロール間に局部的に過大な接触圧力が生じ、鋼板の一部がロール胴部の表面に溶着する、いわゆる焼付きが生じる。
焼付きが存在する状態で圧延用ロールを圧延に使用すると、バックアップロールや鋼板から過大な接触圧力を受け続けることになり、ロール内部への亀裂進展が急激に速まる。亀裂がロール内部に著しく進展した場合には、ロール胴部の一部がスポーリング破壊する。スポーリング破壊が起きると、圧延機の復旧作業のために、長期間にわたって圧延機の稼働が中断するので、生産上のロスコストが発生する。圧延用ロールのスポーリング破壊を防ぐためには、ロール胴部表面の亀裂の発生と進展をオンラインで確実に検知することが必要である。
従来、圧延用ロールに生じる亀裂を検出する方法として、例えば、次の先行技術が開示されている。
特許文献１には、圧延機スリーブロールの表面端部に磁気センサーを取付け、該磁気センサーに１．５ｋＨｚ〜２．５ｋＨｚの周波数を印加し、磁気センサーからの出力信号を処理して圧延中のロール軸方向のクラックを検出することを特徴とする圧延機スリーブロールのクラック検出方法が記載されている。しかしながら、特許文献１のクラック検出方法では、磁気センサーを表面端部に取付けるため、ロール表面全域で発生するクラックを検出することは困難であり、ロール表面全域で発生するクラックを検出しようとすると、磁気センサーをロール軸方向に沿って連続的に多数取り付ける必要があり、装置構成が複雑になる。また、磁気センサーは、板ばね等の緩衝材を介してロールチョックに設けた支持アームに取り付ける必要があり、圧延設備構成が複雑になる。
特許文献２には、圧延用ロールのオンライン超音波探傷方法であって、ロール軸部にロールの回転軸線と同軸状にロール軸部の端面から内方に向かって延びる超音波探触子を収容するための収容孔を有し、超音波探触子を配設した軸体の片側を収容孔の内部に収容し、該超音波探触子から超音波を収容孔の内面からロール外層の表面に向かって入射、伝播させ、ロール外層の胴部表面に存在するクラックからの反射波を受信することによりクラックを検出することを特徴とする圧延用ロールの超音波探傷方法が記載されている。特許文献２のクラック検出方法は、軸方向に複数の超音波探触子を配置しているが、超音波探傷子は超音波の発振経路以外の亀裂は検知できないため、圧延用ロール胴部表面全域でクラックを検知するためには、超音波探傷子を軸方向に連続的に多数設置する必要があり、装置構成が複雑になる。また、圧延用ロール胴部全域にわたって軸部を中空にする必要があるため、圧延用ロールの強度信頼性が低下して、鋼板の圧延に使用することは困難であった。
一方、圧延中のロールに生じたクラックがロール保管中に進展して破壊する遅れ破壊をＡＥセンサーで検出するシステムが特許文献３に開示されている。このシステムではそのクラックが進展する可能性の有無を早期に判定するため、ロールを外部加熱体で加熱することにより熱応力を負荷してＡＥ波の有無を、軸部端面に装着したＡＥセンサーで検出して、圧延用ロールの遅れ破壊を検査している。しかしながら、本発明者が、特許文献３に記載のように圧延用ロールの軸部端部にＡＥセンサーを装着し圧延用ロールを圧延装置に配置して、鋼板の圧延作業中に発生する亀裂を検出しようとすると、圧延作業中では、圧延用ロールが鋼板を加圧する際に発生するＡＥ波がノイズとなって、圧延用ロール表面に発生する亀裂に伴う弾性波のみを検出することは困難であった。
特開昭６０−２５２２５５号公報 特開２０１２−２１７９１号公報 特開２００２−２７７４２１号公報
したがって、本発明の目的は前記従来技術の課題を解消し、圧延用ロール胴部表面の亀裂の発生及び、進展をオンラインで検知できる圧延用ロールの亀裂検知装置、及びそれに用いられる圧延用ロールを、圧延用ロールにセンサーを連続的に多数配置することなく、圧延装置や圧延用ロールの大幅な改造を行うことなく、提供することにある。また、圧延用ロール胴部表面の亀裂の発生及び、進展をオンラインで検知できる圧延用ロールの亀裂検出方法を提供することにある。
本発明者は、前記従来技術の課題に対応すべく、圧延作業中に圧延用ロールの胴部表面から発生する弾性波を、圧延用ロールの軸部に配置したＡＥセンサーで検出した電圧信号について、鋭意検討した結果、本発明に想到した。
すなわち、本発明の圧延装置に組み込まれる圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置は、前記圧延用ロールが胴部と前記胴部の両端から一体的に延出する軸部を有し、前記胴部表面で発生する弾性波を検出するＡＥセンサーと前記ＡＥセンサーで検出した弾性波の特徴量を算出する演算部と、前記特徴量から前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波を弁別する弁別部とを備えることを特徴とする。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記演算部が、前記圧延用ロール胴部で発生した弾性波を前記ＡＥセンサーにより電圧信号として受信し、前記電圧信号をフィルタ処理により不要な周波数を除去してフィルタ処理信号を生成し、前記フィルタ処理信号を量子化してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から弾性波の特徴量を演算し、前記弁別部が、前記演算部で算出した弾性波の特徴量に基づき、前記圧延用ロールが鋼板を圧延する際の前記圧延用ロールと鋼板との摩擦による弾性波、及び前記圧延用ロールが鋼板を噛込む際の弾性波を除去し、前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波に弁別することが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記弾性波の特徴量である立ち上がり時間が２０μｓｅｃ以上の弾性波を鋼板との摩擦による弾性波として除去することが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記圧延装置にかかる負荷電流の時系列データから鋼板噛込み時の時刻を特定し、検知時刻が同期する弾性波を鋼板噛込み時の弾性波として除去することが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記圧延用ロールの回転周期と同一周期である弾性波を、前記胴部表面において亀裂により発生する弾性波として弁別することが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールは、前記ＡＥセンサーが前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする。また、本発明の圧延用ロールは、前記演算部が前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールは、前記演算部で算出した弾性波の特徴量を圧延用ロール外部へ送信する通信部が前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることが好ましい。また、本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールは、前記演算部で算出した弾性波の特徴量から前記亀裂による弾性波を弁別する弁別部と、前記弁別した情報を圧延用ロール外部へ送信する通信部とが前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールにおいて、前記ＡＥセンサー、前記演算部、及び前記通信部、又は前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記弁別部、及び前記通信部に給電するための電源部が前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールにおいて、前記軸部の端部に、前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記通信部、及び前記電源部、又は、前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記通信部、前記弁別部、及び前記電源部を配置するための凹部が設けられていることが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールに、圧延用ロールの回転数を検知する加速度センサーが配置されていることが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記弁別部、及び前記通信部に給電するための電源部が、前記圧延用ロール外に配置されていることが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記圧延用ロールの軸部外周に配置された受電用コイルを内蔵した受電部と、前記受電部と対向して配置された送電用コイルを内蔵した送電部とが、磁気的に結合して、前記圧延用ロール外に配置された電源部から、前記送電部を介して前記受電部へと非接触により電力を給電することが好ましい。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法は、胴部と前記胴部の両端から一体的に延出する軸部を有する圧延用ロールの前記胴部表面で発生する弾性波をＡＥセンサーで検出し、前記ＡＥセンサーで検出した弾性波の特徴量を算出し、前記特徴量から前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波を弁別することを特徴とする。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法において、前記圧延用ロール胴部で発生した弾性波を前記ＡＥセンサーにより電圧信号として受信し、前記電圧信号をフィルタ処理により不要な周波数を除去してフィルタ処理信号を生成し、前記フィルタ処理信号を量子化してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から弾性波の特徴量を演算し、前記弾性波の特徴量に基づき、前記圧延用ロールが鋼板を圧延する際の前記圧延用ロールと鋼板との摩擦による弾性波、及び前記圧延用ロールが鋼板を噛込む際の弾性波を除去し、前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波に弁別することが好ましい。
本発明により、圧延用ロールの形状を大幅に変更することなく、かつ、圧延用ロールにセンサーを連続的に多数配置することなく、圧延装置稼働中の圧延用ロールの胴部表面の亀裂の発生及び進展を、オンラインで検出することができる。これにより、圧延用ロール稼働中の圧延用ロールの破壊事故を未然に防止することができる。
図１は本発明の第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置の配置を示す。 図２は本発明の第一の実施形態における圧延用ロールに配置した亀裂検知部の機能ブロック図を示す。 図３は本発明の第一の実施形態における弾性波を受けたＡＥセンサーから出力された電圧信号を、演算部においてフィルタ処理と量子化を行った後のデジタル信号波形２０を持式的に示した図を示す。 図４は本発明の第一の実施形態における圧延工程の圧延装置の負荷電流の時系列推移を示す。 図５は本発明の第一の実施形態における圧延工程で検知された弾性波の時系列推移を示す。 図６は本発明の第一の実施形態における鋼板摩擦時、鋼板噛込み時の弾性波の検知結果の一例を示す。 図７は本発明の第一の実施形態における亀裂の弾性波の検知結果の一例を示す。 図８に本発明の第一の実施形態における亀裂に伴う弾性波と圧延に伴うノイズの弁別フローを示す。 図９は本発明の第一の実施形態における亀裂検知装置で、電源部にリチウムイオン二次電池を使用した場合に関する圧延用ロール軸部の端面図および軸方向平行断面を示す。 図１０は本発明の第三の実施形態における亀裂検知装置で、電源部に磁界結合式の受電部を使用した場合に関する圧延用ロール軸部の端面図および軸方向平行断面を示す。 図１１は図１０記載の圧延用ロールを圧延装置に設置した場合の構成図を示す。 図１２は本発明の第二の実施形態における圧延用ロールに配置した亀裂検知部の機能ブロック図を示す。
本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識にも基づいて、以下の実施形態に適宜変更、改良が加えられたものも本発明の範囲内に含む。
（第一の実施形態）
以下、本発明の第一の実施形態の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置及び圧延用ロールについて、図１〜図９を用いて説明する。
図１は本発明の第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置、及び圧延用ロールの配置を示す図面である。図１において、圧延用ロール１は鋼板を圧延する胴部２と、圧延用ロールを軸受（図示せず）で支えるための胴部から一体的に延出する軸部３を有しており、胴部２は外層４と内層５とが金属結合により一体化した複合構造となっている。圧延用ロールの一方の軸部にＡＥセンサー、演算部及び弁別部が配置されているオンライン亀裂検知部６を配置している。
図２は本発明の第一の実施形態における圧延用ロールに配置される亀裂検知部６の機能ブロック図を示す図面である。前記胴部２の表面で発生する弾性波を検出するＡＥセンサー１０、及び前記ＡＥセンサー１０で検出した弾性波の特徴量を算出する演算部１１を備えている。更に、第一の実施形態では、前記特徴量から前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波を弁別する弁別部１２を備えている。
演算部１１では、圧延用ロール胴部で発生した弾性波を軸部に配置したＡＥセンサー１０により電圧信号として受信し、前記電圧信号をＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などによるフィルタ処理により不要な周波数を除去してフィルタ処理信号を生成する。不要な周波数は、計測対象に合わせて選択する。金属の場合、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度の周波数成分からなる弾性波が放出されるため、それ以外の周波数は不要としても良い。前記フィルタ処理信号をＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）によって量子化してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から弾性波の特徴量を演算する。弾性波の特徴量とは前記デジタル信号波形の特徴を数値化した指標のことを言い、具体的には、振幅、立ち上がり時間、ＡＥエネルギー、カウント数のことである。
ＡＥセンサーとしては、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波帯で高感度な圧電物質を用いたセンサーが適用できる。尚、周波数範囲内に共振点をもつ共振型、共振を抑制した広帯域型等があるが、ＡＥセンサーの型は何れのものでも良い。また、ＡＥセンサーの筐体内に信号増幅器を内蔵しても良い。受信した弾性波をアナログ信号に変換する方法は、電圧出力型、抵抗変化型、静電容量型等があるが、いずれの変換方法でも良い。演算部としては、例えば、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）によって構成される電子回路基板が適用できる。
図３は本発明の第一の実施形態における弾性波の特徴量を示す図面であり、弾性波を受けたＡＥセンサーから出力された電圧信号を、演算部でフィルタ処理と量子化を行った後のデジタル信号波形２０を模式的に示したものである。このデジタル信号波形に対して以下の特徴量を演算する。振幅２１は、弾性波のなかで最大振幅の値（単位ｍＶ）である。立ち上がり時間２２は、振幅がゼロ値から予め設定される閾値２３を超えて最大振幅に至るまでの時間(単位μｓｅｃ)である。尚、閾値２３の設定は、演算部１１のＦＰＧＡの演算パラメータを書き換えることで行い、閾値２３を高めることで、電気的なノイズや微弱な振動による誤検知がカットされてデータ容量を圧縮できる。但し、亀裂の弾性波までカットされないように設定する必要があり、例えば２３．４ｍＶに設定する。持続時間２４は、立ち上がり開始から振幅が予め設定される閾値２３よりも小さくなるまでの時間（単位ｍｓｅｃ）である。ＡＥエネルギー２５は、各時点において振幅を二乗したものを時間積分した値の平方根（ＲＭＳ）（単位ｄＢｓ（デシベル秒））である。カウント数２６は、閾値２３を弾性波が超えた回数である。また、弾性波の検知時刻２７は、振幅が閾値２３を上回る時刻である。
圧延作業中に、軸部に配置したＡＥセンサー１０で検出した電圧信号は、圧延用ロールが鋼板を加圧する際に発生する弾性波がノイズとなって、圧延用ロール表面に発生する亀裂に伴う弾性波のみを弁別することは困難であったが、本発明者は第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置により、演算部１１で特徴量を算出し、この特徴量に基づき、ＡＥセンサーで検出された電圧信号を、胴部表面で発生する亀裂による弾性波、圧延用ロールと鋼板が摩擦する際の弾性波、及び鋼板が最初に圧延用ロールに噛みこむ際の弾性波の３種類に区別して、これらの中から圧延用ロールの胴部表面で発生する亀裂による弾性波のみを弁別できることを見出した。図４〜図７を用いて具体的に説明する。
図４は、圧延用ロール胴部２の胴径が３１０ｍｍ、胴部長が５００ｍｍ、外層厚さが４０ｍｍ、圧延用ロール軸部３の直径が１５０ｍｍ、全長１８３５ｍｍであって、外層にハイス合金、内層に鋳鋼からなる複合ハイスロールを用いて、ロール回転数６０ｒｐｍで析出硬化系ステンレス鋼ＡＳＬ３５０の鋼板を圧延した際の、圧延装置の負荷電流の時系列推移を示したものである。負荷電流の急峻な変化点３１が、およそ３分間隔で、定期的に発生する。これは圧延用ロールを通過する鋼板が排出され、負荷がなくなる(負荷電流が数十Ａ以下)と、次の瞬間に、後続の鋼板が噛み込まれ、負荷が増大(負荷電流が５００Ａ超)して、鋼板の切り替わり鋼板を噛み込む瞬間に負荷が変動することに由来し、負荷電流から鋼板噛込みのタイミングが判別できる。
図５は、図４と同じ条件で圧延した際に、圧延用ロール軸部端部に配置されたＡＥセンサーを用いて弾性波を検出した結果であり、弾性波の検知時刻と弾性波の特徴量の中の立ち上がり時間の関係をまとめたものである。立ち上がり時間が２０μｓｅｃ未満の弾性波が、およそ３分間隔で定期的に検知されていることから、図４に示した負荷電流の急峻な変化点、すなわち鋼板の噛込み時に対応しており、この立ち上がり時間が２０μｓｅｃ未満の弾性波は、鋼板噛込み時の弾性波３２と判断できる。一方、立ち上がり時間が２０〜８０μｓｅｃの弾性波は、鋼板が圧延される間で常時発生しており、圧延用ロールと鋼板の摩擦に伴う弾性波と判断できる。
図６は、図５に示した鋼板摩擦時と鋼板噛込み時の弾性波について、弾性波の特徴量の中のＡＥエネルギーと立ち上がり時間の関係をまとめたものである。鋼板噛込み時の弾性波（立ち上がり時間：２０μｓｅｃ未満）のＡＥエネルギーは、１×１０６〜１０１０ｄＢｓに存在しており、特に１×１０８〜１０９ｄＢｓ間に集中している。鋼板摩擦時の弾性波（立ち上がり時間は２０〜８０μｓｅｃ）のＡＥエネルギーは１×１０５〜１０９ｄＢｓオーダーと幅広い値となった。
図７は、圧延用ロール胴部２の胴径が５３０ｍｍ、胴部長が１８００ｍｍ、胴部外層厚さが３６ｍｍ、圧延用ロール軸部２１の直径が２００ｍｍ、全長５０００ｍｍであって、外層にハイス合金、内層にダクタイル鋳鉄からなる複合ハイスロールを用いて、圧延用ロール静止時にスポット溶接で亀裂を人為的に生成させた際の弾性波を検出した結果である。図６と同様、弾性波の特徴量の中の弾性エネルギーと立ち上がり時間の関係をまとめたものである。亀裂に伴う弾性波は、ＡＥエネルギーは概ね１×１０６〜１０７ｄＢｓであり、立ち上がり時間は１０μｓｅｃ以下となり、概ね５μｓｅｃ程度であった。
これより、弾性波の立ち上がり時間とＡＥエネルギーに着目すると、鋼板摩擦時の弾性波は立ち上がり時間が長く、２０μｓｅｃを閾値に識別できる。一方、鋼板噛込み時の弾性波と亀裂の弾性波は、ＡＥエネルギーと立ち上がり時間が近似する場合がある。しかしながら、前記したように、鋼板噛込み時の弾性波は、圧延用ロールの負荷電流の急峻な変化点に対応するため、亀裂に伴う弾性波との識別は可能である。
図８に本発明の第一の実施形態における亀裂に伴う弾性波と圧延に伴うノイズの弁別フローを示す。圧延開始時にＡＥセンサーを稼動して圧延作業中の弾性波を検出する。検出した弾性波群に対して、演算部において、立ち上がり時間２０μｓｅｃ以上の弾性波を鋼板との摩擦による弾性波として除去して、立ち上がり時間２０μｓｅｃ未満の弾性波を抽出する。前記抽出した弾性波に対して、圧延装置の負荷電流から鋼板を噛込んだ時刻に基づき、鋼板を噛込んだ時刻と同期する弾性波を除去し、鋼板を噛込んだ時刻と同期しない弾性波をさらに抽出することにより胴部表面で発生、進展する亀裂による弾性波のみを弁別することが可能となる。更に、亀裂による弾性波のカウント数、エネルギー、振幅、振幅のＲＭＳ（二乗平均平方根）の何れか、または複数の組合せを累積することで亀裂の発生および発生した亀裂の進展を監視する。上記特徴量の累積値から亀裂の進展長さがオンラインでモニタでき、亀裂に伴う弾性波の上記特徴量の累積値、すなわち亀裂の進展長さが、改削が必要となる管理値を超えた場合に、即座に圧延を停止し、圧延用ロールをメンテナンスする。例えば、亀裂による弾性波のカウント数を累積して管理する。
弁別部としては、検知した弾性波の特徴量データを蓄積し、特徴量データを比較する計算機能があれば特に制限されず、マイクロコンピュータなどが適用できる。
本発明の第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検出装置、圧延用ロール、及び圧延用ロールのオンライン亀裂検出方法によれば、圧延用ロールの胴部表面で発生、進展する亀裂をオンラインで弁別することができる。これによって適切に圧延工程を停止し、亀裂の発生した圧延用ロールを圧延装置から取り外し、亀裂の発生していない正常な圧延用ロールに交換し、圧延工程を再開する。亀裂の発生した圧延用ロールは、オフラインで胴部表面を改削除去して補修する。これによって、スポーリングによるロール破損を未然に防ぐことができる。また、亀裂が著しく進展していない状態での亀裂を把握することができるため、改削量を低減できるために、補修費用が削減できる。
本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、圧延用ロールの胴部表面で進展する亀裂に伴う弾性波は、圧延用ロールの回転周期と同一周期で発生する。例えば圧延用ロールの回転数が６０ｒｐｍの場合は、回転周期（１ｓ）と同一周期で発生する。このため、圧延装置の負荷電流と圧延用ロール回転数の情報を用い、弾性波の検知時刻を時系列で解析することで、より高精度に鋼板噛込みと亀裂の弾性波を識別でき、亀裂により発生する弾性波のみを、より確実に弁別できる。
本発明の第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールは、前記演算部で算出した弾性波の特徴量から前記亀裂による弾性波を弁別する弁別部と、前記弁別した情報を圧延用ロール外部へ送信する通信部とが前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されている。通信部としては、弁別部１２で弁別した情報を圧延用ロールの外側に無線通信できれば良く、例えば、２．４ＧＨｚ帯ＺｉｇＢｅｅモジュールが適用できる。また、通信距離の要求に合わせて、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＥｎＯｃｅａｎ、特定小電力（Ｗｉ−ＳＵＮ）に対応する通信モジュールを適宜選択できる。通信部から送信された情報は圧延用ロール外部のサーバに蓄積され、圧延用ロールに亀裂が発生していないか、或いは亀裂が修復不能な長さに進展していないかを監視する指標に使用される。
本発明の第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置を構成する圧延用ロールは、ＡＥセンサー、演算部、弁別部、通信部に給電するための電源部を有している。電源部としては、例えば、リチウムイオン二次電池が適用できる。尚、電池容量を節約するために、圧延時にロールが回転したときのみＡＥセンサーを稼動させる機能を付与しても良い。例えば、ＭＥＭＳ加速度センサーによるモーションスイッチや機械式スイッチを用いて、圧延用ロールの回転に伴って一定の遠心力が付与された場合のみに通電する機能である。
図９を用いて、より具体的な実装形態の例を説明する。
図９は、本発明の第一の実施形態における亀裂検知装置の実装形態に関する圧延用ロール軸部３端部の端面図（ａ）および軸方向平行Ａ−Ａ’断面（ｂ）を示す。圧延用ロールは、圧延用ロール胴部２の胴径が８００ｍｍ、圧延用ロール軸部３の直径が４００ｍｍ、全長５０００ｍｍの複合ハイスロールの例である。図９に示すように、軸部３端部に凹部が設けられており、この凹部にＡＥセンサー１０、演算部、弁別部、通信部を内蔵した演算装置４５、及び電源部１４が配置されている。ＡＥセンサー１０は、圧延用ロール胴部表面で発生する弾性波を、減衰する界面エコーではなく直接的に検知するため、圧延用ロールの回転中心に近接し、かつ演算部や電源部より胴部に近い側とすることが望ましいため、圧延用ロールの軸部端面に圧延用ロール加工用に設けられているセンター孔４３の奥部に内径３０ｍｍ、軸部端面から深さ２６０ｍｍの凹部を設け、凹部底面に配置した。ＡＥセンサーには直径２０ｍｍ、高さ２５ｍｍの電圧出力型圧電センサーを使用し、ＡＥセンサーの検出面である端面を凹部底面に接触するように配置、固定した。また、圧延用ロールからＡＥセンサーへの弾性波の伝達を良くするために、ＡＥセンサー端面と凹部底面との接触界面には、音響カプラとしてシリコーン樹脂を塗布した。ＡＥセンサーの固定は、例えばＡＥセンサーを押圧する押圧治具４１（直径２０ｍｍ、長さ１７５ｍｍのセットスクリュー）を用い、ネジ止め後にネジ山と圧延用ロールの接触部の一部を溶接で溶着した。更に、ＡＥセンサーと演算部を接続する配線４２を押圧治具４１の中心に敷設した。尚、押圧治具４１は、長期間、高強度に装着できれば、特に限定はなく、セットスクリュー以外にも接着剤などが適用できる。
なお、前記ＡＥセンサー１０から演算装置４５へ接続する配線４２の敷設を容易にするため、センター孔４３を形成したセンター孔部材４４を設置しても良い。本発明の第一の実施形態における亀裂検知装置の別の実装形態に関する圧延用ロール軸部３端部の端面図を図１０（ａ）および軸方向平行Ａ−Ａ’断面図を図１０（ｂ）に示す。センター孔部材４４は、押圧治具４１と同様に円周部にネジ山が形成されており、圧延用ロールにネジ止めされた後にネジ山と圧延用ロールの接触部の一部を溶接で溶着することができる。センター孔部材４４の寸法は、例えば、直径１００ｍｍ、長さ６０ｍｍである。
前記演算部には、演算部と弁別部と通信部を内蔵した演算装置４５を使用し、圧延用ロール軸部端面の中心軸から半径方向に９５ｍｍ離れた位置に配置した。演算部、弁別部、通信部を内蔵した演算装置４５には、２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚでフィルタ処理するＢＰＦと、１４ｂｉｔ でＡ／Ｄ変換するＡＤＣと、ＡｌｔｅｒａＭＡＸＩＩからなるＦＰＧＡを使用した。前記ＦＰＧＡは亀裂の弾性波を弁別する弁別部の機能を備えている。演算部に内蔵した通信部には、２．４ＧＨｚ帯ＺｉｇＢｅｅモジュールを使用した。演算装置の外形は、厚さ３０ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１２５ｍｍとし、この形状に応じた凹部を軸部端面に形成して収納した。演算部、弁別部、通信部は、凹部を設けず、軸部端面に配置しても構わない。
また、本発明の第一の実施形態における亀裂検知装置算部に備えられた圧延ロールは、軸部の少なくとも一方に圧延用ロールの回転数を検知する加速度センサーが配置されていることが好ましい。演算装置には、ＭＥＭＳ加速度センサーを内蔵し、圧延用ロールの回転によって加速度センサーに遠心力が加わったときのみに後述する電源部１４から演算部に給電する機能を設けることが好ましい。
電源部１４は、圧延用ロール軸部端面の中心軸から半径方向に８５ｍｍ離れた位置に、演算装置４５とは対角線方向に配置した。電源部１４には１８６５０セルが２直列４並列を配列したリチウムイオン二次電池を使用し、外形は厚さ４５ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ１７５ｍｍとし、この形状に応じた凹部を軸部端面に形成して収納した。電源部１４と演算部を接続する配線４２を設けた。配線４２は圧延用ロール端面上に形成された幅５ｍ、奥行き５ｍｍの凹溝に敷設し、接着剤によって固定した。以上の形態で実装された亀裂検知部が配置される軸部端部に設けられた凹部は、２６０ｍｍの範囲に収まっており、圧延用ロールの強度低下は問題ない。軸部端部に設けられた凹部の深さは、凹部の内径に依存するが、例えば内径３０ｍｍであれば、深さが１０００ｍｍであっても、軸部強度低下の問題は無い。従って、凹部は内径１０〜３０ｍｍ、１００〜１０００ｍｍであれば良い。
（第二の実施形態）
以下、本発明の第二の実施形態の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置について、図１２を用いて説明する。図１２は本発明の第二の実施形態における圧延用ロールに内蔵する亀裂検知装置の機能ブロック図を示す。胴部２の胴部表面で発生、進展する弾性波を検出するＡＥセンサー１０、及び前記ＡＥセンサー１０で検出した弾性波の特徴量を算出する演算部１１を有しており、演算部１１が演算した弾性波の特徴量データを通信部１３から、圧延ロール外部に設置した弁別部を備えたサーバに送信する。第一の実施形態との差異は、圧延用ロールに配置される亀裂検知部４装置の構成が異なり、第一の実施形態では圧延用ロールに配置されている弁別部が、圧延用ロールの外部に配置されており、胴部表面で発生、進展する亀裂による弾性波を圧延用ロールの外部に配置された弁別部で弁別する構成となっている。また、電源部１４が、ＡＥセンサー１０、演算部１１、通信部１３それぞれと電気的に接続して給電する。サーバ内に設けた弁別部によって亀裂の弾性波を弁別し、弁別した亀裂の弾性波のカウント数の累積を行い、適宜、圧延停止と圧延用ロールのメンテナンスの指示を行う。
サーバ内に設けた弁別部としては、第１実施形態に記載したのと同様、検知した弾性波の特徴量データを蓄積し、特徴量データの立ち上がり時間や検出時刻を比較する計算機能があれば特に制限されず、マイクロコンピュータなどが適用できる。
第二の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂装置、およびそれに備えられる圧延用ロールに配置される、ＡＥセンサー、ＡＥセンサーで検出した弾性波の特徴量を算出する演算部、弾性波の特徴量を圧延用ロールの外部に配置された弁別部へ送信する通信部、及び、ＡＥセンサー、演算部、通信部に給電するための電源部としては、第一の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂装置、およびそれに備えられる圧延用ロールに配置されるものと同様のものを用いることができる。
本発明の第二の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検出装置、圧延用ロール、及び圧延用ロールのオンライン亀裂検出方法によれば、第一の実施形態と同様に、圧延用ロールの胴部表面で発生、進展する亀裂をオンラインで弁別することができる。これによって適切に圧延工程を停止し、亀裂の発生した圧延用ロールを圧延装置から取り外し、亀裂の発生していない正常な圧延用ロールに交換し、圧延工程を再開する。亀裂の発生した圧延用ロールは、オフラインで胴部表面を改削除去して補修する。これによって、スポーリングによるロール破損を未然に防ぐことができる。また、亀裂が著しく進展していない状態での亀裂を把握することができるため、改削量を低減できるために、補修費用が削減できる。
（第３の実施形態）
図９を用いて説明した第一の実施形態は、圧延用ロールの軸部端部に配置された電源部にリチウムイオン二次電池を用いた例であるが、その他、圧延用ロール軸部へ給電する機構を圧延装置および圧延装置近傍に設けることができれば、前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記弁別部、前記通信部に圧延用ロール外部の電源から給電しても良い。具体的な給電方法は、スリップリングなどによる接触給電、磁界結合式、電界結合式、電波式、レーザ式の非接触給電である。また、環境発電による自立電源を組み合わせても構わない。環境発電の具体例としては、圧延用ロールと軸受の間の圧力や摩擦を用いた圧電発電、摩擦帯電発電、電磁誘導発電、温度差発電あるいはこれらの組合せが適用できる。
図１０は、本発明の第三の実施形態における圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置及びそれに備えられた圧延用ロールの実装形態を示した例であって、前記圧延用ロールの軸部外周に配置された受電用コイルを内蔵した受電部と、前記受電部と対向して配置された送電用コイルを内蔵した送電部とが、磁気的に結合して、前記圧延用ロール外に配置された電源部から、前記送電部を介して前記受電部へと非接触により電力を供給する圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置である。圧延用ロール軸部端面の端面図を図１０（ａ）および軸方向Ａ−Ａ’断面図を図１０（ｂ）に示す。ＡＥセンサー１０、弁別部、通信部演算部を内蔵した演算装置４５の構成と配置は図９と同一であり、本実施形態の特徴は電源部の構成にある。電源部４６はリング形状で圧延用ロール軸部の円周上に配置した。電源部４６は磁界結合式の受電部、具体的にはロール軸部の円周方向を巻き方向とする受電用コイルを内蔵しており、コネクタ４７と配線４８を介して、演算装置４５と電気的に接続している。コネクタ４７には、脱着が容易なオートカプラが使用できる。
図１１は、図１０に示した圧延用ロールを圧延装置に設置した場合の圧延用ロール含む圧延装置の側面図（ａ）および軸方向Ｂ−Ｂ’断面（ｂ）を示す。圧延用ロール軸部３は、ロールチョック（軸受を嵌め込む箱、軸受で受けた圧延荷重をハウジングへ伝達する）４９に設置し、チョック４９は圧延装置ハウジング５０に設置する。ロールチョック４９には、圧延用ロールの電源部４６と対向する位置に、磁界結合式の送電部５１、具体的にはロール軸部の円周方向を巻き方向とする送電用コイルを内蔵している。送電部５１は配線５２、ロールチョック側コネクタ５３、ハウジング側コネクタ５４を介して、圧延装置電源部５５と電気的に接続している。ロールチョック側コネクタ５３、ハウジング側コネクタ５４には、脱着が容易なオートカプラが使用できる。
図１０および図１１に示す構成により、回転する圧延用ロールに設置した演算装置４５に磁界結合式で非接触給電できる。すなわち、圧延装置電源部５５から送電部５１に電流を流すことで発生した磁束によって対向する電源部４６に電流が生じ、演算装置４５に給電できる。図９を用いて説明した第一の実施形態の場合は、電源部１４にリチウムイオン二次電池を用いた例であるが、圧延作業を継続した場合には、電池が消耗して交換の必要があるが、第三の実施形態の場合、非接触給電により圧延用ロールの外部から電力を供給できるため、電池交換が不要になり、メンテナンス費用が抑制できる。
本発明の圧延装置に組み込まれる圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置、およびそれに備えられる圧延用ロールにおいて、圧延用ロールの一方の軸部にＡＥセンサーを配置した例を示したが、ＡＥセンサーを複数配置しても良い。
例えば、圧延用ロールの胴部の両端から一体的に延出する一方の軸部および他方の軸部の両端にＡＥセンサーを配置しても良い。このような配置をとることにより、双方のＡＥセンサーにおいて亀裂による弾性波を検出した時刻の差から、圧延用ロール軸方向における亀裂の位置を特定できるので好ましい。亀裂の位置が特定できると、亀裂の深さが比較的浅い場合には溶接等により補修が可能となるので、補修費用がより低減できる。
また、一方の軸部端部に複数のＡＥセンサーを、例えば円周状に配置しても良い。このような配置をとることにより、ＡＥセンサーにおいて亀裂による弾性波を検出した時刻の差、或いは弾性波の特徴量から、圧延用ロール円周方向における亀裂の位置を特定できるので好ましい。亀裂の位置が特定できると、亀裂の深さが比較的浅い場合には溶接等により補修が可能となるので、補修費用がより低減できる。
本発明の実施形態について、外層と内層からなる複合構造の圧延用ロールを用いて説明したが、本発明の圧延用ロールのオンライン亀裂検出装置及び圧延用ロールは、その検出原理によれば、単体の圧延用ロールに適用できる。
１ 圧延用ロール
２ 胴部
３ 軸部
４ 外層
５ 内層
６ 亀裂検知部
１０ ＡＥセンサー
１１ 演算部
１２ 弁別部
１３ 通信部
１４ 電源部
１５ 情報伝達経路
１６ 給電経路
２０ デジタル信号波形
２１ 振幅
２２ 立ち上がり時間
２３ 閾値
２４ 持続時間
２５ ＡＥエネルギー
２６ カウント数
２７ 検知時刻
３１ 負荷電流の急峻な変化点
３２ 鋼板噛込み時の弾性波
４１ 押圧治具
４２ 配線
４３ センター孔
４４ センター孔部材
４５ 弁別部、通信部を内蔵した演算装置
４６ 受電部を内蔵した電源部
４７ コネクタ
４８ 配線
４９ ロールチョック
５０ 圧延装置ハウジング
５１ 送電部
５２ 配線
５３ チョック側コネクタ
５４ ハウジング側コネクタ
５５ 圧延装置電源部

Claims (18)

  1. 圧延装置に組み込まれる圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置であって、
    前記圧延用ロールは胴部と前記胴部の両端から一体的に延出する軸部を有し、
    前記胴部表面で発生する弾性波を検出するＡＥセンサーと前記ＡＥセンサーで検出した弾性波の特徴量を算出する演算部と、前記特徴量から前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波を弁別する弁別部とを備えることを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  2. 請求項１に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記演算部が、前記圧延用ロール胴部で発生した弾性波を前記ＡＥセンサーにより電圧信号として受信し、
    前記電圧信号をフィルタ処理により不要な周波数を除去してフィルタ処理信号を生成し、
    前記フィルタ処理信号を量子化してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から弾性波の特徴量を演算し、前記弁別部が、前記演算部で算出した弾性波の特徴量に基づき、前記圧延用ロールが鋼板を圧延する際の前記圧延用ロールと鋼板との摩擦による弾性波、及び前記圧延用ロールが鋼板を噛込む際の弾性波を除去し、前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波に弁別することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  3. 請求項２に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記弾性波の特徴量である立ち上がり時間が２０μｓｅｃ以上の弾性波を鋼板との摩擦による弾性波として除去することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  4. 請求項２又は３に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記圧延装置にかかる負荷電流の時系列データから鋼板噛込み時の時刻を特定し、検知時刻が同期する弾性波を鋼板噛込み時の弾性波として除去することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかの項に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記圧延用ロールの回転周期と同一周期である弾性波を、前記胴部表面において亀裂により発生する弾性波として弁別することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかの項に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記弁別した情報を送信する通信部を備えることを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  7. 請求項６に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記通信部に給電するための電源部を備えることを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれかの項に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置に備えられる圧延用ロールであって、前記ＡＥセンサーが前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする圧延用ロール。
  9. 請求項８に記載の圧延用ロールであって、前記演算部が前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする圧延用ロール。
  10. 請求項９に記載の圧延用ロールであって、前記演算部で算出した弾性波の特徴量を圧延用ロール外部へ送信する通信部が前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする圧延用ロール。
  11. 請求項９に記載の圧延用ロールであって、前記演算部で算出した弾性波の特徴量から前記亀裂による弾性波を弁別する弁別部と、前記弁別した情報を圧延用ロール外部へ送信する通信部とが前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする圧延用ロール。
  12. 請求項１０又は１１に記載の圧延用ロールにおいて、前記ＡＥセンサー、前記演算部、及び前記通信部、又は前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記弁別部、及び前記通信部に給電するための電源部が前記圧延用ロール軸部の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする圧延用ロール。
  13. 請求項１０乃至１２のいずれかの項に記載の圧延用ロールにおいて、前記軸部の端部に、前記ＡＥセンサー、前記演算部、前記通信部、及び前記電源部、又は記ＡＥセンサー、前記演算部、前記通信部、前記弁別部、及び前記電源部を配置するための凹部が設けられていることを特徴とする圧延用ロール。
  14. 請求項１０乃至１３のいずれかの項に記載の圧延用ロールに、圧延用ロールの回転数を検知する加速度センサーが配置されていることを特徴とする圧延用ロール。
  15. 請求項７に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記電源部が前記圧延用ロール外に配置されていることを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  16. 請求項１５に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置において、前記圧延用ロールの軸部外周に配置された受電用コイルを内蔵した受電部と、前記受電部と対向して配置された送電用コイルを内蔵した送電部とが、磁気的に結合して、前記圧延用ロール外に配置された電源部から、前記送電部を介して前記受電部へと非接触により電力を供給することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知装置。
  17. 胴部と前記胴部の両端から一体的に延出する軸部を有する圧延用ロールの前記胴部表面で発生する弾性波をＡＥセンサーで検出し、前記ＡＥセンサーで検出した弾性波の特徴量を算出し、前記特徴量から前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波を弁別することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法。
  18. 請求項１７に記載の圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法において、前記圧延用ロール胴部で発生した弾性波を前記ＡＥセンサーにより電圧信号として受信し、前記電圧信号をフィルタ処理により不要な周波数を除去してフィルタ処理信号を生成し、前記フィルタ処理信号を量子化してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から弾性波の特徴量を演算し、前記弾性波の特徴量に基づき、前記圧延用ロールが鋼板を圧延する際の前記圧延用ロールと鋼板との摩擦による弾性波、及び前記圧延用ロールが鋼板を噛込む際の弾性波を除去し、前記胴部表面で発生する亀裂による弾性波に弁別することを特徴とする圧延用ロールのオンライン亀裂検知方法。
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