JP4362829B2

JP4362829B2 - 管材の曲がり検出方法及び装置

Info

Publication number: JP4362829B2
Application number: JP2005069542A
Authority: JP
Inventors: 直也平瀬; 浩之亀川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: JP2006247724A

Description

本発明は、継目無鋼管の製造ラインにおいて、問題となる管材の曲がりを検出する方法及び装置に関する。

マンネスマン−マンドレルミル方式による継目無鋼管の製造においては、まず素材としての丸ビレット又は角ビレットを回転炉床式加熱炉で１２００〜１２６０℃に加熱した後、穿孔機でプラグと圧延ロールにより穿孔圧延して中空の素管を製造する。次に、前記素管の内面にマンドレルバーを串状に挿入し、通常５〜８スタンドからなるマンドレルミルで外面を孔型圧延ロールで拘束して延伸圧延することにより、所定の肉厚まで減肉する。次に、マンドレルバーを抽出し、前記減肉された管材を定径圧延機（サイザー、ストレッチレデューサ）で所定外径に成形圧延する。その後、必要に応じて熱処理装置で熱処理を施した後、曲がり矯正機（ストレートナー）で軸方向の曲がりを矯正し、製品としての継目無鋼管が得られる。

前記定径圧延機で成形圧延した後の管材には、定径圧延機を構成する各スタンドに配設された孔型圧延ロールの通り芯がずれていること等に起因して、軸方向の曲がりが生ずる場合が多いため、これを矯正するべく上記のように曲がり矯正機が配設されている。しかしながら、曲がりの程度によっては、曲がり矯正機で矯正しきれないこともあるため、矯正しきれなかった曲がり部分をオフラインで手入れして矯正するための手間やコストが掛かるという問題がある。

上記問題を防止するべく、従来は、定径圧延機の出側において成形圧延後の管材の曲がりの程度を目視で確認し、曲がり量が大きいと判断した場合には、定径圧延機を停止して、抜き取った管材の管端部の曲がり量をオフラインにてストレッチゲージ（１５００ｍｍ）を用いて測定していた。そして、所定の基準値よりも大きな曲がり量が得られた場合には、定径圧延機の通り芯を修正する等の作業を施していた。

しかしながら、上記従来の曲がり検出方法は、あくまでも抜き取り検査であり、定径圧延機で成形圧延した管材の全てについて検査するものではないため、問題となる曲がりが発生したことに気付かず、不良品が大量に発生してしまうおそれがあるという問題がある。また、管材を抜き取る際に操業を停止する必要があるため、継目無鋼管の製造効率を低下させるという問題もある。

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、操業に支障を来すことなく、且つ、問題となる曲がりの発生を見逃すことなく検出可能な管材の曲がり検出方法及び装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明は、継目無鋼管の製造ラインにおいて管材の曲がりを検出する方法であって、前記製造ラインに配置された定径圧延機及び／又は曲がり矯正機の出側に、管材の外径を複数の径方向について測定するための外径計であって、レーザビームを走査しながら管材に向けて投光する複数の投光部と、管材を介して前記各投光部にそれぞれ対向配置され前記レーザビームを受光する複数の受光部とを備え、前記レーザビームが管材によって遮蔽された時間によって外径を算出するように構成されている外径計を配設し、前記外径計による各径方向についての外径測定位置に基づいて管材の中心位置を算出し、管材の軸方向に沿った前記中心位置の変動量に基づいて管材の曲がりを検出することを特徴とする管材の曲がり検出方法を提供するものである。

斯かる発明によれば、継目無鋼管の製造ラインに配置された定径圧延機及び／又は曲がり矯正機の出側に、管材の外径を複数の径方向について測定するための外径計を配設し、前記外径計による各径方向についての外径測定位置（管材の径方向断面において外径を測定した管材両端部に相当する位置）に基づいて管材の中心位置が算出される。ここで、仮に管材に曲がりが生じていなければ、前記中心位置が管材の軸方向に沿って変動しないことになるため、逆に、中心位置の変動量に基づいて（変動量の大小に従って）管材の曲がりの程度を把握する（製品上問題となる曲がりを検出する）ことが可能である。以上のように、本発明は、定径圧延機及び／又は曲がり矯正機の出側に配設した外径計を用いて管材の曲がりを検出する構成であるため、曲がりの検出に際して管材を抜き取る必要が無く、操業に支障を来さないという利点が得られる。また、定径圧延機で成形圧延した管材の全てについて曲がりを検出することができるため、問題となる曲がりの発生を見逃すことがないという利点を得ることが可能である。

また、本発明は、継目無鋼管の製造ラインに配設され管材の曲がりを検出する装置であって、前記製造ラインに配置された定径圧延機及び／又は曲がり矯正機の出側に配設され、管材の外径を複数の径方向について測定するための外径計と、前記外径計による各径方向についての各外径測定位置に基づいて管材の中心位置を算出し、管材の軸方向に沿った前記中心位置の変動量に基づいて管材の曲がりを検出する演算装置とを備え、前記外径計は、レーザビームを走査しながら管材に向けて投光する複数の投光部と、管材を介して前記各投光部にそれぞれ対向配置され前記レーザビームを受光する複数の受光部とを備え、前記レーザビームが管材によって遮蔽された時間によって外径を算出するように構成されていることを特徴とする管材の曲がり検出装置としても提供される。

本発明によれば、操業に支障を来すことなく、且つ、問題となる曲がりの発生を見逃すことなく検出することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る管材の曲がり検出装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る曲がり検出装置１００は、継目無鋼管の製造ラインに配置された定径圧延機（本実施形態ではサイザー）Ｍ１及び曲がり矯正機（本実施形態ではストレートナー）Ｍ２の出側にそれぞれ配設され、管材の外径を複数の径方向について測定するための外径計１ａ、１ｂと、外径計１ａ、１ｂによる各径方向についての外径測定位置に基づいて管材の中心位置を算出し、管材の軸方向に沿った前記中心位置の変動量に基づいて管材の曲がりを検出する演算装置２とを備えている。なお、本実施形態では、サイザーＭ１の出側及びストレートナーＭ２の出側の双方に外径計を配設した構成について説明するが、本発明はこれに限るものではなく、いずれか一方の出側にのみ外径計を配設した構成を採用することも可能である。

図２は、本実施形態に係る外径計１ａの概略構成と外径計１ａの出力を用いた演算装置２による曲がり検出方法とを説明するための縦断面図である。なお、外径計１ｂも外径計１ａと同様の構成とされており、外径計１ｂの出力を用いた演算装置２による曲がり検出方法も同様であるため、以下では外径計１ａを例に挙げて説明する。図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る外径計１ａは、レーザビームを走査（図に示す白抜き矢符の方向に平行に走査）しながら管材Ｐ０に向けて投光するようにレーザ光源や走査光学系から構成された複数（本実施形態では３つ）の投光部１１、１２、１３と、管材Ｐ０を介して各投光部１１、１２、１３にそれぞれ対向配置され前記レーザビームを受光するように集光光学系や光電変換素子から構成された複数（本実施形態では３つ）の受光部２１、２２、２３とを備え、前記レーザビームが管材によって遮蔽された時間によって外径を算出する（遮蔽された時間を寸法に換算する）ように構成されている。なお、本実施形態では、投光部１１と受光部２１との組み合わせで構成される測定系（以下、適宜測定系Ａという）、投光部１２と受光部２２との組み合わせで構成される測定系（以下、適宜測定系Ｂという）、投光部１３と受光部２３との組み合わせで構成される測定系（以下、適宜測定系Ｃという）のそれぞれの光軸が互いに６０°の角度を成すように配置されている。

以上に説明した構成を有する外径計１ａは、校正用の管材を用いて予め校正される。すなわち、図２（ａ）に示すように、操業を停止した状態で（サイザーＭ１での成形圧延を停止した状態で）縦断面が略真円形状とされた校正用の管材Ｐ０を配置し、各測定系Ａ〜Ｃによって管材Ｐ０の外径を測定する。この際、各測定系Ａ〜Ｃによる外径測定位置（管材Ｐ０の径方向断面において外径を測定した管材両端部に相当する位置であり、例えば、測定系Ａの場合には、図２（ａ）に示す点ａ１及び点ａ２の位置となる）の中間位置が、各測定系Ａ〜Ｃの原点（０点）に設定される（例えば、測定系Ａの場合には、図２（ａ）に示す点ａ３の位置が原点に設定される）。以上に述べた内容を図３を用いてより具体的に説明する。図３は、測定系Ａを構成する受光部２１の受光波形を模式的に示す図である。図３に示すように、測定系Ａによって測定される管材Ｐ０の外径Ｄ１は、受光波形の立ち下がり位置（点ａ１）と立ち上がり位置（点ａ２）との時間間隔を寸法に換算することによって測定される。そして、測定系Ａの原点（０点）は、外径測定位置にある点ａ１と点ａ２の中間位置にある点ａ３（すなわち、点ａ１と点ａ３の時間間隔を寸法に換算するとＤ１／２となる）に設定されることになる。測定系Ｂ、Ｃについても同様である。

以上のようにして、各測定系Ａ〜Ｃの原点（０点）を校正すると共に、図２（ｂ）に示すように、各測定系Ａ〜Ｃの原点を通る垂線（各測定系Ａ〜Ｃの原点を通り各測定系Ａ〜Ｃの光軸に平行な直線）Ｌ１〜Ｌ３の交点（すなわち、校正用管材Ｐ０の中心）をＸ−Ｙ座標の原点と考えれば、各垂線Ｌ１〜Ｌ３は、幾何学的な関係より、それぞれ以下の式（１）〜（３）で表すことができる。

そして、図２（ｃ）に示すように、上記のようにして予め校正された外径計１ａを構成する各測定系Ａ〜Ｃにより、サイザーＭ１で成形圧延された直後の管材Ｐの外径が測定される。この際、各測定系Ａ〜Ｃによる外径測定位置（管材Ｐの径方向断面において外径を測定した管材両端部に相当する位置であり、例えば、測定系Ａの場合には、図２（ｃ）に示す点ａ１’及び点ａ２’の位置となる）の中間位置が算出される（例えば、測定系Ａの場合には、図２（ｃ）に示す点ａ３’の位置が中間位置として算出される）。ここで、各測定系Ａ〜Ｃによる外径測定位置の中間位置は、前述した各測定系Ａ〜Ｃの原点（０点）からのずれ量として算出されることになる。例えば、測定系Ａを例に挙げて具体的に説明すれば、外径測定位置の中間位置にある点ａ３’の位置は、図２（ｃ）に示すように、測定系Ａの原点である点ａ３からのずれ量Ｃ１として算出されることになる。同様にして、図２（ｃ）に示すように、測定系Ｂについての外径測定位置の中間位置はＣ２として、測定系Ｃについての外径測定位置の中間位置はＣ３（図２（ｃ）に示す例では、Ｃ３は負の値となる）としてそれぞれ算出される。

外径計１ａによって測定された上記中間位置Ｃ１〜Ｃ３の値は、演算装置２に送信される。演算装置２は、送信された中間位置Ｃ１〜Ｃ３の値に基づいて管材Ｐの中心位置ＣＥの座標を算出する。以下、中心位置ＣＥの座標算出方法について具体的に説明する。

図２（ｃ）に示すように、各測定系Ａ〜Ｃによる管材Ｐの外径測定位置の中間位置にある点（例えば、測定系Ａの場合には、点ａ３’）を通る垂線（各測定系Ａ〜Ｃについての前記中間位置にある点を通り各測定系Ａ〜Ｃの光軸に平行な直線）Ｌ１’〜Ｌ３’は、中間位置Ｃ１〜Ｃ３を用いて、それぞれ以下の式（１）’〜（３）’で表される。

演算装置２は、上記式（１）’で表される垂線Ｌ１’と式（２）’で表される垂線Ｌ２’との交点Ｐ１、上記式（２）’で表される垂線Ｌ２’と式（３）’で表される垂線Ｌ３’との交点Ｐ２、並びに、上記式（３）’で表される垂線Ｌ３’と式（１）’で表される垂線Ｌ１’との交点Ｐ３の座標を算出する。そして、交点Ｐ１〜Ｐ３で構成される三角形の重心を管材Ｐの中心位置ＣＥとして算出する。すなわち、管材Ｐの中心位置ＣＥのＸ−Ｙ座標は、以下の式（４）で表されることになる。

以上に説明した外径計１ａ（外径計１ｂについても同様）による管材Ｐの外径測定及び外径測定位置の中間位置の算出、並びに、演算装置２による管材Ｐの中心位置ＣＥの算出は、管材Ｐが軸方向に搬送されることにより、その軸方向に沿って先端部から後端部まで連続的に実行されることになる。これにより、演算装置２は、管材Ｐの軸方向に沿った中心位置ＣＥの変動量Ｄを逐次算出（変動量Ｄは、中心位置ＣＥの座標（ｘ，ｙ）を用いて、Ｄ^２＝ｘ^２＋ｙ^２で算出される）し、当該変動量Ｄの大小に従って（例えば、当該変動量Ｄが所定のしきい値を超えれば）管材Ｐの曲がりを検出することが可能である。

図４は、管材Ｐの軸方向に沿った中心位置ＣＥの変動量Ｄを算出した例を示すグラフである。ここで、図４（ａ）はサイザーＭ１の出側に配設された外径計１ａの出力に基づいて算出された変動量であって、管材Ｐに生じた曲がりが許容範囲内であったものを、図４（ｂ）は同じく外径計１ａの出力に基づいて算出された変動量であって、管材Ｐに生じた曲がりが許容範囲を超えていたものを、図４（ｃ）はストレートナーＭ２の出側に配設された外径計１ｂの出力に基づいて算出された変動量であって、管材Ｐに生じた曲がりが許容範囲内であったものを、図４（ｄ）は同じく外径計１ｂの出力に基づいて算出された変動量であって、管材Ｐに生じた曲がりが許容範囲を超えていたものを示す。なお、図４の縦軸は、管材Ｐの軸方向中央部における変動量Ｄを基準として（すなわち、Ｄ＝０として）プロットしたものである。図４に示すように、中心位置ＣＥの変動量Ｄの大小を評価することによって、問題となる曲がりを検出することが可能である。

なお、本実施形態に係る演算装置２は、問題となる曲がりを検出した場合（変動量Ｄが所定のしきい値を超えた場合）、警報を鳴らすように構成されており、これによりオペレータは、サイザーＭ１の通り芯を修正したり、ストレートナーＭ２を強加工設定に変更したりするといった作業を迅速に実施することが可能である。

以上に説明したように、本実施形態に係る曲がり検出装置１００によれば、サイザーＭ１及び／又はストレートナーＭ２の出側に配設した外径計を用いて管材Ｐの曲がりを検出する構成であるため、曲がりの検出に際して管材Ｐを抜き取る必要が無く、操業に支障を来さないという利点が得られる。また、サイザーＭ１で成形圧延した管材Ｐの全てについて曲がりを検出することができるため、問題となる曲がりの発生を見逃すことがないという利点を得ることが可能である。

なお、本実施形態に係る外径計１ａ（外径計１ｂも同様）としては、３つの投光部１１、１２、１３と３つの受光部２１、２２、２３とから構成される３つの測定系Ａ〜Ｃを備えた構成を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、複数の投光部と複数の受光部との組合せで構成される複数の測定系を備える外径計である限りにおいて、例えば、図５に示すような種々の態様を採用することが可能である。以下、図５に示す構成の外径計１ａ’を採用した場合の曲がり検出方法について説明する。

図５は、サイザーＭ１の出側に配設した他の実施形態に係る外径計１ａ’の概略構成と外径計１ａ’の出力を用いた演算装置２による曲がり検出方法とを説明するための縦断面図である。なお、ストレートナーＭ２の出側に配設する外径計も同様の構成とすることができ、当該外径計の出力を用いた演算装置２による曲がり検出方法も同様であるため、以下では外径計１ａ’を例に挙げて説明する。。図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る外径計１ａ’は、レーザビームを走査（図に示す白抜き矢符の方向に平行に走査）しながら管材Ｐ０に向けて投光するようにレーザ光源や走査光学系から構成された２つの投光部１１’、１２’と、管材Ｐ０を介して各投光部１１’、１２’にそれぞれ対向配置され前記レーザビームを受光するように集光光学系や光電変換素子から構成された２つの受光部２１’、２２’とを備え、前記レーザビームが管材によって遮蔽された時間によって外径を算出する（遮蔽された時間を寸法に換算する）ように構成される。なお、本実施形態では、投光部１１’と受光部２１’との組み合わせで構成される測定系（以下、適宜測定系Ａ’という）、投光部１２’と受光部２２’との組み合わせで構成される測定系（以下、適宜測定系Ｂ’という）のそれぞれの光軸が互いに９０°の角度を成すように配置されている。

以上に説明した構成を有する外径計１ａ’は、図２を参照して説明したものと同様に、校正用の管材を用いて予め校正される。すなわち、図５（ａ）に示すように、操業を停止した状態で（サイザーＭ１での成形圧延を停止した状態で）縦断面が略真円形状とされた校正用の管材Ｐ０を配置し、各測定系Ａ’、Ｂ’によって管材Ｐ０の外径を測定する。この際、各測定系Ａ〜Ｃによる外径測定位置（管材Ｐ０の径方向断面において外径を測定した管材両端部に相当する位置）の中間位置が、各測定系Ａ’、Ｂ’の原点（０点）に設定される。

以上のようにして、各測定系Ａ’、Ｂ’の原点（０点）を校正すると共に、図５（ｂ）に示すように、各測定系Ａ’、Ｂ’の原点を通る垂線（各測定系Ａ’、Ｂ’の原点を通り各測定系Ａ’、Ｂ’の光軸に平行な直線）Ｌ１、Ｌ２の交点（すなわち、校正用管材Ｐ０の中心）をＸ−Ｙ座標の原点と考えれば、各垂線Ｌ１、Ｌ２は、幾何学的な関係より、それぞれ以下の式（５）、（６）で表すことができる。

そして、図５（ｃ）に示すように、上記のようにして予め校正された外径計１ａ’を構成する各測定系Ａ’、Ｂ’により、サイザーＭ１で成形圧延された直後の管材Ｐの外径が測定される。この際、各測定系Ａ’、Ｂ’による外径測定位置（管材Ｐの径方向断面において外径を測定した管材両端部に相当する位置）の中間位置が算出される。ここで、各測定系Ａ’、Ｂ’による外径測定位置の中間位置は、前述した各測定系Ａ’、Ｂ’の原点（０点）からのずれ量として算出されることになる。すなわち、図５（ｃ）に示すように、測定系Ａ’についての外径測定位置の中間位置はＣ１として、測定系Ｂ’についての外径測定位置の中間位置はＣ２としてそれぞれ算出される。

外径計１ａ’によって測定された上記中間位置Ｃ１、Ｃ２の値は、演算装置２に送信される。演算装置２は、送信された中間位置Ｃ１、Ｃ２の値に基づいて管材Ｐの中心位置ＣＥの座標を算出する。

図５（ｃ）に示すように、各測定系Ａ’、Ｂ’による管材Ｐの外径測定位置の中間位置にある点を通る垂線（各測定系Ａ’、Ｂ’についての前記中間位置にある点を通り各測定系Ａ’、Ｂ’の光軸に平行な直線）Ｌ１’、Ｌ２’は、中間位置Ｃ１、Ｃ２を用いて、それぞれ以下の式（５）’、（６）’で表される。

演算装置２は、上記式（５）’で表される垂線Ｌ１’と式（６）’で表される垂線Ｌ２’との交点を管材Ｐの中心位置ＣＥとして算出する。すなわち、管材Ｐの中心位置ＣＥのＸ−Ｙ座標は、以下の式（７）で表されることになる。

以上に説明した外径計１ａ’（ストレートナーＭ２の出側に配設する外径計についても同様）による管材Ｐの外径測定及び外径測定位置の中間位置の算出、並びに、演算装置２による管材Ｐの中心位置ＣＥの算出は、管材Ｐが軸方向に搬送されることにより、その軸方向に沿って先端部から後端部まで連続的に実行されることになる。これにより、演算装置２は、管材Ｐの軸方向に沿った中心位置ＣＥの変動量Ｄを逐次算出（変動量Ｄは、中心位置ＣＥの座標（ｘ，ｙ）を用いて、Ｄ^２＝ｘ^２＋ｙ^２で算出される）し、当該変動量Ｄの大小に従って（例えば、当該変動量Ｄが所定のしきい値を超えれば）管材Ｐの曲がりを検出することが可能である。

なお、サイザーＭ１の出側に配設する外径計とストレートナーＭ２の出側に配設する外径計とは、必ずしも同じ構成にする必要はなく、例えば、図２及び図５に示す外径計の構成のうち何れか一方をサイザーＭ１の出側に配設し、何れか他方をストレートナーＭ２の出側に配設する構成を採用することも可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る管材の曲がり検出装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す外径計の概略構成と当該外径計の出力を用いた演算装置による曲がり検出方法とを説明するための縦断面図である。図３は、図２に示す外径計を構成する受光部の受光波形を模式的に示す図である。図４は、図１に示す曲がり検出装置で算出される管材の軸方向に沿った中心位置の変動量の例を示すグラフである。図５は、本発明の他の実施形態に係る外径計の概略構成と当該外径計の出力を用いた演算装置による曲がり検出方法とを説明するための縦断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ・・・外径計
２・・・演算装置
１１、１２、１３・・・投光部
２１、２２、２３・・・受光部
１００・・・曲がり検出装置
Ｍ１・・・サイザー（定径圧延機）
Ｍ２・・・ストレートナー（曲がり矯正機）
Ｐ・・・管材

Claims

継目無鋼管の製造ラインにおいて管材の曲がりを検出する方法であって、
前記製造ラインに配置された定径圧延機及び／又は曲がり矯正機の出側に、管材の外径を複数の径方向について測定するための外径計であって、レーザビームを走査しながら管材に向けて投光する複数の投光部と、管材を介して前記各投光部にそれぞれ対向配置され前記レーザビームを受光する複数の受光部とを備え、前記レーザビームが管材によって遮蔽された時間によって外径を算出するように構成されている外径計を配設し、
前記外径計による各径方向についての外径測定位置に基づいて管材の中心位置を算出し、
管材の軸方向に沿った前記中心位置の変動量に基づいて管材の曲がりを検出することを特徴とする管材の曲がり検出方法。
継目無鋼管の製造ラインに配設され管材の曲がりを検出する装置であって、
前記製造ラインに配置された定径圧延機及び／又は曲がり矯正機の出側に配設され、管材の外径を複数の径方向について測定するための外径計と、
前記外径計による各径方向についての各外径測定位置に基づいて管材の中心位置を算出し、管材の軸方向に沿った前記中心位置の変動量に基づいて管材の曲がりを検出する演算装置とを備え、
前記外径計は、レーザビームを走査しながら管材に向けて投光する複数の投光部と、管材を介して前記各投光部にそれぞれ対向配置され前記レーザビームを受光する複数の受光部とを備え、前記レーザビームが管材によって遮蔽された時間によって外径を算出するように構成されていることを特徴とする管材の曲がり検出装置。