JP2004109023A

JP2004109023A - 鋼材表面の測温方法及び測温装置

Info

Publication number: JP2004109023A
Application number: JP2002274448A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Tanaka; 田中　薫; Yoshiki Fukutaka; 福高　善己
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】本発明は、表面状態の変化が大きくても、従来より精度良く測温が可能な鋼材表面の測温方法及び測温装置を提供することを目的としている。
【解決手段】加熱炉内の鋼材の表面温度を、炉壁に設けた貫通孔を介して放射温度計で測定するに際して、前記鋼材表面に別の貫通孔を介して同時に光を照射し、その反射映像を得て光量変化率を測定し、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして、前記光量変化率の測定値からこの測温時に対応した鋼材表面の放射率を求め、その放射率で前記放射温度計による測定温度を補正する。また、前記鋼材は、珪素を３質量％以上含有する珪素鋼であるのが好ましい。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材表面の測温方法及び測温装置に係わり、特に誘導加熱方式の加熱炉内に静置されたＳｉ含有量の大きい鋼材の表面温度を従来より正確に測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高温物体（以下、被測温物という）の表面温度を測定するには、非接触で連続測定が可能という利点があるので、放射温度計が用いられている。その原理は、高温にある被測温物が発する放射エネルギーの量（Ｌａ）を検出し、その放射エネルギー量を，図４に示すように、ある一定の放射率（ε_ｉ）に固定して予め求めてある放射エネルギー量（Ｌｉ）と温度（Ｔｉ）との関係に照合して、温度（Ｔａ）を定めるものである。
【０００３】
ところが、被測温物の材質あるいは表面状態等によっては、放出される放射エネルギーの量が異なるので、この放射温度計で正確な（精度良く）測定をするには、放射率を適切な値（例えば、図４のε_ａに対応する線上にある）に補正する必要がある。特に、被測定物が例えば、１２００℃以上の温度に加熱される鋼材の場合には、以下のように表面状態の変化が避けられないので、放射率の補正は重要である。
【０００４】
▲１▼　通常は還元性あるいは不活性ガスで炉内雰囲気が制御されている加熱炉内であっても、その雰囲気が乱れると、鋼材の表面にスケール（酸化鉄）が生成される。
【０００５】
▲２▼　加熱炉に装入される前に生成されたスケールが加熱温度より低い融点を持つ場合には、加熱途中でスケールが溶け、放射温度計の視野内でスケール成分が一定でなくなる。この現象は、鋼材が珪素含有量の高い鋼種であるほど著しく、また表面状態が全体で不均一にもなる。
【０００６】
従って、被測温物が鋼材の場合、放射温度計で測定したその表面温度は、前記したように正確でなく、その後に施される熱間圧延で製造した鋼板等の製品に品質不良が発生するといった問題があった。
【０００７】
一方、放射率の補正を伴う測温技術については、従来より研究が行われ、公開されているものも多い。
【０００８】
例えば、被計測物から放射される熱放射線を計測する放射温度計と、前記被計測物の放射率を計測する放射率計測部と、前記放射温度計によるみかけの温度と放射率を用いて計測温度を算出する温度処理部とを有することを特徴とする温度計測装置が提案されている（特許文献１参照）。この温度計測装置は、新たに設けた前記放射率計測部で被計測物に放射線を照射し、その照射量、反射量、透過量及び吸収量に基づき該被計測物の放射率を求め、その放射率で放射温度計により別途測定したみかけの温度を補正するものである。
【０００９】
また、測定対象物に光を照射して反射光の強度から当該対象物の表面温度を測定する場合、複数の波長からなる光源を用いて、当該対象物の表面状態を表す放射率を算定した上で表面温度を演算することを特徴とする温度監視装置も開示されている（特許文献２参照）。この温度監視装置は、放射温度計を用いずに、光源より波長の異なる数種の光を被対象物に照射し、赤外線ＴＶカメラで受光した光の強度と被対象物の放射率との関係式を複数定め、それらの式より放射率を消去して被対象物の温度を演算で求めるようにしたものである。
【００１０】
【特許文献１】
前記特開昭６０−３８６２７号公報（２頁、右欄の１３行〜１８行）
【００１１】
【特許文献２】
特開昭６１−１６００２８号公報（１頁の右欄１８行〜２頁の右欄１８行）
しかしながら、前記特許文献１記載の温度計測装置は、被計測物が半導体薄板（ウエハ）であり、熱処理中に表面状態が変化するといっても、本発明の対象である鋼材より変化は少ない。また、前記特許文献２記載の温度監視装置は、被対象物が鋼材である場合にも適用できる。しかし、複雑な関係式を利用しており、実際に放射率を求めてその値で温度補正を行うものではないので、実用するには信頼性に欠ける。さらに、上記いずれの装置も、放射率を求めるのに赤外線を用いるので、設備が高価になるという問題もある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、表面状態の変化が大きくても、従来より精度良く測温が可能な鋼材表面の測温方法及び測温装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、従来装置の問題点を見直し、その成果を本発明に具現化した。
【００１４】
すなわち、本発明は、加熱炉内の鋼材の表面温度を、炉壁に設けた貫通孔を介して放射温度計で測定するに際して、前記鋼材表面に別の貫通孔を介して測温時に光を照射し、その反射映像を得て光量変化率を測定し、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして、前記光量変化率の測定値からこの測温時に対応した鋼材表面の放射率を求め、その放射率で前記放射温度計による測定温度を補正することを特徴とする鋼材表面の測温方法である。この場合、前記鋼材が珪素を３質量％以上含有する珪素鋼であったり、あるいは前記加熱炉が誘導コイルで加熱する方式であるのが好ましい。また、本発明は、加熱炉内の鋼材の表面温度を、炉壁に設けた貫通孔を介して測定する放射温度計を備えた鋼材表面の測温装置であって、前記貫通孔とは別の貫通孔を介して鋼材表面に光を照射する光源と、その反射光を、さらに別の貫通孔を介して鋼材の表面状態として観察、撮像するＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラで得た映像から照射した光の光量変化率を演算し、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして鋼材表面の放射率を求めると共に、得られた放射率を用いて前記放射温度計の測定値を補正して真の鋼材表面温度を演算する演算器とを備えたことを特徴とする鋼材表面の測温装置である。
【００１５】
本発明では、被測温物である鋼材の表面を観察して、該表面で起きるスケールの変化状況を実際に確認すると共に、その映像を利用して鋼材表面からの放射率を正確に推定し、その放射率で放射温度計による測定値を補正できるようになる。その結果、表面状態の変化が大きい鋼材であっても、従来より精度良く測温が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
まず、発明者は、以下のようにして、加熱中に鋼材表面で起きるスケールの変化と放射率との関係について調査した。
【００１８】
鋼種が３質量％Ｓｉの鋼材から１００ｍｍ四方で、且つ厚み２５ｍｍのサンプルを採取し、該サンプルを実験室規模の誘導コイルを備えた加熱炉に装入した。炉内の雰囲気は、窒素である。装入したサンプルを一定の昇温速度で加熱しながら、その表面状態を炉壁に設けた貫通孔より光を照射し、その反射光をＣＣＤカメラで撮像すると共に、別の貫通孔を介して放射温度計及びサンプルに予め取り付けておいた熱電対で表面温度を測定した。そして、別途設けてある演算器を用いて、サンプルの放射率（ε_ｉ）を放射温度計の測定で得た見かけの温度（Ｔａ）と熱電対による真の温度（Ｔｓ）の比として求めると共に、前記ＣＣＤカメラで得た映像を演算器で解析して光量変化率（Ｍｉ）を求めた。この光量変化率を求めた理由は、サンプルの表面状態を評価するのに有効な指標になると考えたからであり、それは、サンプル表面から得たカメラ視野内の一定輝度（ＣＣＤカメラの受光量）を呈する面積が単位時間内に変化する割合、つまり一定の表面状態にある面積の変化率を表すものである。
【００１９】
調査結果の一例を、横軸を熱電対で測定したサンプルの真の表面温度、縦軸を前記のようにして求めた光量変化率及び放射率として、それぞれ図１（ａ）及び（ｂ）に整理した。これら図１（ａ）及び（ｂ）より、以下のことが明らかになる。
【００２０】
すなわち、光量変化率（Ｍｉ）は、熱伝対で測定した真の表面温度（Ｔｓ）でＴ_１までは一定値（Ｍ_１）であり、このとき放射率もε_１で変わらない。そして、該光量変化率は、温度Ｔ_１を超えるとスケールの状態が変わるため徐々に変化し、大きくなっていく。また、温度Ｔ_２になると、光量変化率は、ピーク値（Ｍ_２）に達し、それより温度が上昇しても、徐々に小さくなり、最終的にサンプルの表面状態は安定するためかほとんど変化しなくなった。さらに、上記の光量変化率の変化に対応して、放射率は、温度がＴ_１〜Ｔ_２間で徐々に小さくなり、Ｔ_２以上においてはε_２で安定することがわかった。つまり、任意の鋼材について光量変化率と放射率との関係を広い温度範囲にわたり定めることができる。
【００２１】
そこで、発明者は、これらの知見に基づき考察を行い、ＣＣＤカメラで撮像した鋼材の表面状態を光量変化率（Ｍｉ）で求めると共に、予めその鋼材での光量変化率（Ｍｉ）と放射率（ε_ｉ）との関係が知られていれば、該鋼材の放射率が測定時の表面状態に応じて正確に推定でき、その放射率を用いて放射温度計による表面温度測定値の補正ができると結論し、本発明を完成させたのである。
【００２２】
つまり、加熱炉内の鋼材の表面温度を、炉壁に設けた貫通孔を介して放射温度計で測定するに際して、最初は放射温度計による測温と同時に前記鋼材表面に別の貫通孔を介して光を照射し、その反射映像から光量変化率を測定する。そして、引き続いて、該測定値を、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして、この測温時に対応した鋼材表面の放射率を求め、その放射率を用いて前記放射温度計による測定値を補正するようにしたのである。この場合、光量変化率と放射率との関係は、上記サンプル調査と同様にして、予め被測温物である鋼材と同種のサンプルで定めておけば良い。
【００２３】
次に、上記した本発明を実施する具体的な測温装置について説明すると、それは、図２に示すように、加熱炉１内の鋼材２の表面温度を、炉壁３に設けた貫通孔４を介して測定する放射温度計５を設けることを基本とする。その放射温度計５は、前記ＣＣＤカメラ６の光軸に対して前記光源７と対称となる角度に配置する。また、測温に必要な炉壁３に開けた貫通孔４は、耐熱性の良いパイプ（例えば、セラミック）を装着して保護するのが良い。
【００２４】
そして、該放射温度計５のための貫通孔４とは別に、同様な貫通孔８，８´を炉壁３に２箇所設け、それらを介して鋼材表面に光を照射する光源７と、その反射光を鋼材の表面状態として観察、撮像するＣＣＤカメラ６とをそれぞれ設ける。その光源７のパワーとしては、できるだけ高出力のものを選ぶのが好ましい。図２の例では、メタルハライド光源を使用している。また、該光源７からの光は、光ファイバ式ライトガイドを介して投光レンズ１０より照射させるのが良く、照射角度は、表面を鮮明に見ることの可能な角度を選ぶのが良い。ＣＣＤカメラ６には、レンズ１１及びフィルタ１２を設けるが、そのレンズ１１の種類はＣＣＤカメラ６と鋼材２との距離、観察したい範囲に応じて選定するのが好ましい。フィルタ１２は、鋼材２の表面温度が１２００℃以上と高いので、該鋼材２からの自発光を抑制できるものを選定する必要がある。また、ＣＣＤカメラ６の分光感度特性を考慮し、該カメラの感度の良い波長領域はできるだけ透過率を高くするのが良い。例えば、温度が１２００℃以上ならば、波長０．７μｍより長い波長の光をカットできる赤外カットフィルタを、カメラの感度が０．５〜０．６μｍにピークを持つ場合には、緑色のカラーフィルタを選定すると良い。
【００２５】
さらに、本発明では、そのようなＣＣＤカメラ６で得た映像から照射した光の光量変化率を演算し、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして鋼材表面からの放射率を求めると共に、得られた放射率を用いて前記放射温度計５の測定値を補正して真の鋼材表面温度を演算するために、演算器１３を設けるようにした。従って、該演算器１３には、ＣＣＤカメラ６で撮像した映像、放射温度計５で測定した温度信号及び予めオフラインでのサンプル実験で得た対象鋼材の光量変化率と放射率との関係が記憶される。そして、該演算器１３では、次の処理を行うことになる。
【００２６】
ａ．ＣＣＤカメラの映像から光量変化率Ｍｉをリアルタイムに計算する。
【００２７】
ｂ．光量変化率と放射率及び温度との関係（例えば、図１参照）を利用し、このＭｉに対する放射率εｉを求める。
【００２８】
ｃ．放射温度計からの放射率補正をしていない測定値Ｔａを取込み、前記εｉで補正して，真の表面温度Ｔｓを算出する。
【００２９】
なお，本発明に係る測温装置は、図３に示すように、放射温度計５とＣＣＤカメラ６とを同じ光軸上で使用する構成にしても良い。この場合、放射温度計５及びＣＣＤカメラ６の前面にハーフミラー１４を設ける必要がある。しかし、このような構成にすると、炉壁３の貫通孔数が減るばかりでなく、放射温度計５とＣＣＤカメラ６との視野合わせが不要となり、測温の作業性が良くなるという利点がある。
【００３０】
加えて、本発明は、被測温物が３質量％以上のＳｉを含有する鋼材２であると、非常に有効である。３質量％以上のＳｉを含み、表面状態の変化が激しくとも、放射率が正確に推定できるからである。さらに加えて、本発明を適用する加熱炉１としては、誘導コイルによる加熱を行う方式のものが好ましい。そのような炉では、鋼材２を静置して加熱することが多く、測温に都合が良いからである。
【００３１】
【実施例】
３質量％Ｓｉ含有の方向性電磁鋼板用スラブを１４００℃に加熱し、その後に熱間圧延し、以後通常工程により方向性電磁鋼板を製造した。使用した加熱炉１は、誘導加熱方式のものである。加熱炉に装入した鋼材は、表面温度が測定され、目標温度に達していない場合には、加熱温度を調整した。この表面温度の測定に、本発明に係る測温方法及び測温装置を採用した場合には、従来通りの放射温度計だけを用いた場合と比較して、得られた鋼板製品の加熱不足による特性不足又は過加熱によるトラブルは無くなり、安定製造及び歩留まり向上を達成できた。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、表面状態の変化が大きい鋼材であっても、従来より精度良く測温が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基礎となる鋼材の表面状態と放射率との関係を実験室規模で調査した結果を示す図であり、（ａ）は光量変化率と鋼材の真の表面温度との関係、（ｂ）は鋼材表面の放射率と真の温度との関係である。
【図２】本発明に係る鋼材表面の測温装置の一例を説明する図である。
【図３】本発明に係る鋼材表面の測温装置の別形態例を説明する図である。
【図４】一般的な被測温物の放射エネルギーと温度との関係を、放射率をパラメータとして示す図である。
【符号の説明】
１　　加熱炉
２　　鋼材
３　　炉壁
４　　貫通孔
５　　放射温度計
６　　ＣＣＤカメラ
７　　光源
８、８´　別の貫通孔
９　　ライトガイド
１０　投光レンズ
１１　レンズ
１２　フィルタ
１３　演算器
１４　ハーフミラー

Claims

加熱炉内の鋼材の表面温度を、炉壁に設けた貫通孔を介して放射温度計で測定するに際して、
前記鋼材表面に別の貫通孔を介して測温時に光を照射し、その反射映像を得て光量変化率を測定し、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして、前記光量変化率の測定値からこの測温時に対応した鋼材表面の放射率を求め、その放射率で前記放射温度計による測定温度を補正することを特徴とする鋼材表面の測温方法。
前記鋼材が珪素を３質量％以上含有する珪素鋼であることを特徴とする請求項１記載の鋼材表面の測温方法。
前記加熱炉が誘導コイルで加熱する方式であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼材表面の測温方法。
加熱炉内の鋼材の表面温度を、炉壁に設けた貫通孔を介して測定する放射温度計を備えた鋼材表面の測温装置であって、
前記貫通孔とは別の貫通孔を介して鋼材表面に光を照射する光源と、その反射光を、さらに別の貫通孔を介して鋼材の表面状態として観察、撮像するＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラで得た映像から照射した光の光量変化率を演算し、予め同種鋼材で定めておいた光量変化率と放射率との関係に照らして鋼材表面の放射率を求めると共に、得られた放射率を用いて前記放射温度計の測定値を補正して真の鋼材表面温度を演算する演算器とを備えたことを特徴とする鋼材表面の測温装置。