フェライト系ステンレス鋼の加熱方法
【課題】置き割れが発生する確率を更に低減させつつ、フェライト系ステンレス鋼を加熱する。
【解決手段】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼を加熱方法では、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することとした。
【解決手段】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼を加熱方法では、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、置き割れの発生を防ぐフェライト系ステンレス鋼の加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃｒを高純度で含有し、Ｃ及びＮの含有量を低減したいわゆる「フェライト系ステンレス鋼」は、例えば、建材・電気部品・自動車など様々な用途で使用されている。しかしながら、フェライト系ステンレス鋼は、下記特許文献１及び特許文献２に開示されているように、例えば、連続鋳造後の冷却中・冷却後の鋳片表面手入れ中・次工程の熱間圧延工程の加熱中などにおいて、鋼材の断面に貫通した割れ（以下「置き割れ」とも言う。）が発生することがある。
【０００３】
この置き割れが発生すると、圧延に供することができず屑化されるため、それまでの製造でかかったコストが無駄になる他、例えば、加熱中における鋳片破断・炉内落下による圧延中断などの不具合により、能率が低下する。従って、置き割れの発生は、製造コストや製造能率に大きな影響を与えてしまう。
【０００４】
このような置き割れは、連続鋳造から加熱炉による加熱までの間における冷却又は加熱により、熱応力による残留レベルがその鋼材温度における破断限界を超えた場合に発生する、という知見がある。この残留応力を低位に抑制するために、例えば、連続鋳造中の水冷条件・その後の空冷条件・手入れ中の鋼材の温度など、各種の条件を試行錯誤しながら改善が図られている。その結果、フェライト系ステンレス鋼の製造開始当初に比較すると、置き割れの発生を低減することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３２８２１４号公報
【特許文献２】特開平６−３４６１４３号公報
【特許文献３】特開昭６２−５６５１７号公報
【特許文献４】特開６１−２９２５２８号公報
【特許文献５】特開６２−２２０８９号公報
【特許文献６】特開２００５−１３４１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの改善として、例えば特許文献１〜３に開示されたような製造方法が挙げられる。特許文献１の製造方法では、連続鋳造機での鋳片凝固完了直後の鋳片温度を、鋳片広面中央表面温度と、鋳片狭面中央温度との温度差が、２００℃以内となるように冷却を制御する。それと共に、その鋳片を、一旦、空冷又は保温ピット内で常温まで冷却する。その後、熱間圧延のために再び再加熱する際に、鋳片中央部の温度が２００℃になるまで、鋳片温度を、広面中央部表面温度と狭面中央部表面温度との温度偏差が２００℃以内となるように制御する。
【０００７】
また、特許文献２の製造方法では、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼を常温まで冷却する過程において、鋳片の広面が３００℃以上の温度領域で、鋳片端部温度を広面中央部温度以上に一時的に加熱すると共に、冷却速度を４０℃／ｈｒ以下に保つ。
【０００８】
更に、特許文献３の製造方法では、フェライト系ステンレス鋼の連続鋳造鋳片又はその鋳片を分塊圧延した鋳片を、その鋳片又は鋳片の表面温度と経過時間の関係を示す図において、危険域（高温側及び低温側）を通過しないように冷却する。
【０００９】
これら特許文献１〜３の製造方法は、温度差又は冷却速度を制限することにより、鋼材に発生する熱応力を低減するものであり、また、特許文献３で記載されている高温側危険域は、鋼を脆化させる金属間化合物の発生を抑制するものである。
【００１０】
しかしながら、連続鋳造工程から熱間圧延前の加熱炉に到る操業条件の中で、例えば、鋳造速度の変動・手入れ時間変動による手入れ終了温度のバラツキ・加熱炉装入温度や昇温速度・温度分布のバラツキなど、置き割れに影響する変動要因は多岐にわたる。これらの様々な要因が変動する結果、上記特許文献１〜３の製造方法であっても、十分に置き割れの発生を防止することは困難であった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、置き割れが発生する確率を更に低減させつつ、フェライト系ステンレス鋼を加熱することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼の加熱方法が提供される。
【００１３】
ここで、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記鋼材の表面温度が２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、２００〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することが好ましい。
【００１４】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記表面温度を特定する前記鋼材上の位置である温度特定位置を予め定めておき、前記鋼材の表面温度が７００℃に達する前に、前記加熱炉で昇温中の前記鋼材の前記温度特定位置における表面温度を、第１の時刻と当該第１の時刻から所定時間経過した第２の時刻とで測定し、測定した前記表面温度と、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの経過時間とに基づいて、前記鋼材の表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度を予測し、前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記加熱炉を制御してもよい。
【００１５】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体を、輝度計測部の近傍に設置しておき、前記鋼材の表面温度測定では、前記輝度計測部を用いて、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を有する単色輝度により、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーを計測し、計測した前記単色輝度を迷光補正して、前記鋼材の温度を求めてもよい。
【００１６】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記鋼材の温度を求める際に、前記温度既知物体の放射エネルギーと、当該温度既知物体の温度とに基づいて、迷光量を算出し、算出した前記迷光量と、前記鋼材の放射エネルギーとに基づいて、当該鋼材の温度を算出してもよい。
【００１７】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記輝度計測部は、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーの単色輝度分布を所定の画素数の画像として撮像する撮像装置であり、前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が２５画素以上となる位置に配置されてもよい。
【００１８】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が１００画素以上となる位置に配置されてもよい。
【００１９】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体の放射率は、前記鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲内であってもよい。
【００２０】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記輝度計測部を用いて、前記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを更に計測し、当該炉内壁と前記温度既知物体との放射エネルギーの差を記録し、記録した前記放射エネルギーの差に基づいて、前記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握してもよい。
【００２１】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体の放射率の経時変化が生じた場合、経時変化後の放射率を算出し、当該経時変化後の放射率を使用して、前記迷光補正を行ってもよい。
【００２２】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体は、以下の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の条件のうち、少なくともいずれかを満たす位置に配置されてもよい。
（Ａ）炉内迷光分布上、前記鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
（Ｂ）前記鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）前記鋼材との間に火炎を挟まない位置
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように本発明によれば、置き割れが発生する確率を更に低減させつつ、フェライト系ステンレス鋼を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る加熱制御装置及び加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図１Ｂ】同実施形態に係る加熱制御装置及び加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図２】同実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について説明するための説明図である。
【図３】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【図４】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【図５】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【図６】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴２について説明する説明図である。
【図７】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴３について説明する説明図である。
【図８】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴３について説明する説明図である。
【図９】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴４について説明する説明図である。
【図１０】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴５の条件１について説明する説明図である。
【図１１】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴５の条件２について説明する説明図である。
【図１２】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴５について説明する説明図である。
【図１３】同実施形態に係る温度測定方法の実施例について説明する説明図である。
【図１４】同実施形態に係る温度測定方法の実施例について説明する説明図である。
【図１５】関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
【図１６】関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に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詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、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。
【００２６】
なお、以下では、本発明の各実施形態等について理解が容易になるように、まず、本発明の各実施形態の概要について説明した後、本発明の各実施形態のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について説明する。その後、本発明の各実施形態による効果の例等を、実施例と共に説明する。
【００２７】
また、本発明の各実施形態のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法で使用する加熱炉は、被加熱材であるフェライト系ステンレス鋼の鋼材の表面温度を測定することが可能な温度測定装置を有する。この温度測定装置は、鋼材の表面温度を測定することができるものであれば、様々なものを使用することが可能であるが、本発明の各実施形態では、特にその効果を高めるために、鋼材の表面温度を正確に測定可能な温度測定方法及び装置を使用する。この温度測定方法及び装置を使用することにより、各実施形態による効果を著しく高めることができる。従って、上記の内容を説明した後に、この温度測定装置について詳しく説明する。
【００２８】
つまり、以下では、本発明の各実施形態の理解が容易になるように、次の順序で説明する。
１．第１の実施形態の概要について
２．第１の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の詳細について
３．実施例について
４．第１の実施形態で使用される温度測定方法及び装置について
【００２９】
なお、以下では、説明の便宜上、加熱炉として「連続鋼材加熱炉」を例に挙げて説明する。しかし、本発明が制御する加熱炉は、上記連続鋼材加熱炉に限られるものではない。つまり、加熱炉は鋼材の加熱に通常使用される様々なものであってもよいことは、言うまでもない。
【００３０】
（１．第１の実施形態の概要について）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る加熱制御装置及び加熱炉の構成について説明するための説明図である。ここで図１Ｂは、図１Ａにおける加熱炉１をＡ−Ａ線で切断した断面図を示している。なお、図１Ａに示すように、加熱炉１の各構成は、必ずしも同一平面上には存在しない（例えば、バーナ２と温度測定装置１００）。しかしながら、図１Ｂでは、説明の便宜上、主要な各構成を同一の断面図上に示した。上述の通り、以下では、本発明の各実施形態に係る加熱制御装置が連続鋼材加熱炉に適用された場合を例に挙げて説明する。そこでまず、この加熱炉について説明する。
【００３１】
＜１−１．加熱炉＞
加熱炉１は、図１Ａに示すように、炉長方向（ｘ軸方向、搬送方向ともいう。）に、フェライト系鋼材の一例である鋼材Ｆを搬送しつつ、その鋼材Ｆを加熱する。つまり、図１Ａに示す鋼材Ｆは、図１Ｂに示すように炉幅方向（ｙ軸方向ともいう。）が長手方向となるように、加熱炉１の一側（装入側、ｘ軸負の方向側ともいう。）端部の炉壁に設けられた装入口ＩＮから装入される。そして、鋼材Ｆは、搬送装置により、加熱炉１の他側（抽出側、ｘ軸正の方向側ともいう。）端部の炉壁に設けられた抽出口ＯＵＴから抽出される。
【００３２】
なお、搬送装置としては、特に限定されるものではないが、本実施形態に係る加熱炉１では、ウォーキングビームを使用した例を示している。ウォーキングビーム式の搬送装置は、図１Ａに示すように、炉長方向と同程度の長さを有するスキッドビーム３が、複数のスキッドポスト４に支持されており、そのスキッドビーム３上に鋼材Ｆが載置される。このスキッドビーム３とスキッドポスト４との組み合わせをスキッドともいう。このスキッドは、図１Ｂに示すように、炉幅方向に複数配置される。
【００３３】
このスキッドは、固定式スキッドと、可動式スキッドとに分類され、この固定式スキッドと、可動式スキッドとが、図１Ｂに示すように交互に配置される。そして、可動式スキッドが炉高方向（ｚ軸方向ともいう。）で上下動しつつ、炉長方向（ｘ軸方向）で前後動する。その結果、鋼材Ｆは、可動式スキッドのスキッドビーム３に支持された状態から、可動式スキッドが前方に移動するとともに、前方に搬送される。その後、鋼材Ｆは、可動式スキッドが下方に移動すると、今度は固定式スキッドに支持される。そして、可動式スキッドが前方に移動した分、後方に移動した後、上昇し、再度鋼材Ｆを支持する。この可動式スキッドの動作が繰り返されることにより、鋼材Ｆは、順次炉長方向へと搬送される。
【００３４】
加熱炉１には、複数のバーナ２（またはバーナ２’）が配置されており、このバーナ２が炊かれる。従って、鋼材Ｆは、搬送装置に搬送されている間、つまり、在炉中、バーナ２から噴出されるフレーム（火炎）により加熱されることとなる。なお、図１Ａ及び図１Ｂに示す加熱炉１では、鋼材Ｆの搬送位置の上下において、図１Ｂに示すように炉幅方向の両炉壁に対向配置されて対をなしつつ炉幅方向にフレームを形成する「サイドバーナ」が使用される。しかし、このバーナ２の配置位置は、特に限定されるものではなく、例えば、炉天井や炉床に配置され、搬送方向にフレームを形成するいわゆる「軸流バーナ」であってもよい。また、バーナ２の種類も特に限定されるものではなく、例えば、気体燃料バーナ、液体燃料バーナ、リジェネレイティブ（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）バーナなど、様々なバーナを使用することが可能である。
【００３５】
加熱炉１は、制御装置（図示せず）等により、主として、搬送装置による鋼材Ｆの搬送速度、及び、各バーナ２の燃焼量などが調整されて、鋼材Ｆの加熱状態が制御される。
【００３６】
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１について説明した。
次に、本発明の第１実施形態に係る加熱制御装置１０の構成について、引き続き図１Ａ及び図１Ｂを参照しつつ説明する。
【００３７】
＜１−２．加熱制御装置の構成＞
加熱制御装置１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、温度測定装置１００と、記憶部１４２と、位置決定部１１と、管理点温度特定部１２と、管理点温度記憶部１３と、昇温速度算出部１４と、判定部１５と、加熱炉制御部２３と、雰囲気温度測定装置２００と、を有する。
【００３８】
温度測定装置１００は、鋼材Ｆの搬送方向、つまり炉長方向に沿った複数箇所にそれぞれ配置される。そして、温度測定装置１００は、配置された箇所を通過する鋼材Ｆの表面の温度分布を測定する。
【００３９】
図１Ａには、搬送方向に沿った４箇所のそれぞれに、温度測定装置１００が配置されている場合を例示している。ここでは、各温度測定装置１００を区別するために、各箇所に配置された温度測定装置１００をそれぞれ温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄとも呼ぶ。そして、温度測定装置１００と言う場合、任意の温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄを示すものとする。
【００４０】
温度測定装置１００の配置個数は、特に限定されるものではないが、少なくとも２以上配置される。そして、温度測定装置１００の配置位置も、搬送方向に沿って並べられれば特に限定されるものではない。
【００４１】
また、温度測定装置１００は、例えば放射測温を行う温度測定装置が使用されることが望ましい。しかしながら、上述の通り、温度測定装置１００は、鋼材Ｆの表面の温度分布を測定することが可能であれば、特に限定されるものではない。ただし、詳細に後述する本実施形態で使用される温度測定装置１００は、鋼材Ｆの表面の温度分布を正確に測定することが可能である。従って、ここでは、詳細に後述する温度測定装置１００が使用されることが望ましい。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、詳細に後述する温度測定装置１００が使用された場合の例を示している。従って、この温度測定装置１００は、主として放射測温を行う。従って、鋼材Ｆからの放射光が撮像可能な位置に温度測定装置１００の撮像装置１１０及び温度既知物体１２０等が配置される。
【００４２】
温度測定装置１００は、加熱制御装置１０により制御され、所定のタイミングで鋼材Ｆの温度分布を測温する。つまり、温度測定装置１００は、鋼材Ｆが測温領域Ａｒに入った場合に、その鋼材Ｆの放射輝度を撮像して、表面温度分布を撮像する。そのために、加熱制御装置１０自身は、鋼材Ｆがいずれの位置を搬送されているのかを常に追跡しておくことが望ましい。また、温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄは、少なくとも同一の鋼材Ｆを順次測温するように制御される。つまり、温度測定装置１００Ａがある一つの鋼材Ｆを撮像した場合、温度測定装置１００Ｂ〜１００Ｄは、各配置箇所（測温領域Ａｒ）をその鋼材Ｆが通過する際に、その鋼材Ｆの測温を行う。その結果、ある一つの鋼材Ｆは、全て又は２以上の温度測定装置１００により各箇所で測温される。尚、この測温対象となる鋼材Ｆは、搬送されて加熱される全ての鋼材Ｆであってもよいが、加熱制御装置１０により選択された１以上の鋼材Ｆであってもよい。
【００４３】
さらに、この測温結果は、各温度測定装置１００により記憶部１４２に記録される。この際、記憶部１４２には、ある一つの鋼材Ｆに対する測温結果は、一纏めに記録されることが望ましい。つまり、温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄによる測温結果は、互いに関連付けられるか、測温対象である一つの鋼材Ｆに全て対応付けられる。その結果、一つの鋼材Ｆに対する複数の測温結果と、他の鋼材Ｆに対する複数の測温結果とは、互いに区別される。なお、この加熱制御装置１０は、鋼材Ｆ毎にその加熱度合を制御することが可能であるため、以下では、ある一つの鋼材Ｆに対する動作及び処理等について説明し、他の鋼材Ｆに対する同様な動作及び処理等についての説明は、適宜省略する。
【００４４】
位置決定部１１は、ある一つの温度測定装置（例えば、加熱炉１内において、装入口ＩＮに一番近い位置に配置された温度測定装置）が測定した鋼材Ｆの表面温度の分布に基づいて、所定の領域内における最も温度の高い部位を決定し、鋼材Ｆの温度管理に用いる部位である温度管理点とする。なお、この温度管理点は、温度測定装置１００により測定された鋼材Ｆの表面温度の温度分布に基づいて、鋼材Ｆの表面温度を特定する温度特定位置の一例である。
【００４５】
この温度管理点は、例えば、操業実績等に基づいて決定されてもよいが、温度測定装置１００Ａによる実測から求められてもよい。この両決定方法毎に、温度管理点について説明する。
【００４６】
まず、加熱炉１における操業実績等に基づいた決定方法について説明する。
今までに加熱炉１に装入されて加熱されたことがない鋼材Ｆが加熱対象となることは、稀である。従って、この場合、位置決定部１１は、これまでの操業実績に基づいて、温度管理点を決定する。この操業実績には、例えば、過去に加熱が行われた鋼材Ｆに対する、加熱前の状態、加熱中の状態、加熱後の状態、後段の処理後の状態等の製品品質実績が含まれる。例えば、加熱後や後段の圧延等の工程後に鋼材Ｆの品質が悪化した実績がある場合、この鋼材Ｆについて、加熱前・加熱中・加熱後の少なくとも何れかにおいて、表面温度が最高となる位置を特定しておき、操業実績として、この最高温度位置を予め記録しておく。この位置の特定は、本実施形態に係る加熱制御装置１０によれば、温度測定装置１００により鋼材Ｆの温度分布を測定することが可能であるため、その温度分布測定結果に基づいて、行うことができる。そして、位置決定部１１は、この最高温度位置を、品質を良好に保つために温度を管理すべき位置に設定する。このような最高温度位置についてのデータは、鋼材Ｆの鋼種やサイズ等毎に異なるため、位置決定部１１は、鋼材Ｆの鋼種やサイズ等毎に最高温度位置を予めデータベースとして予め蓄積しておく。このデータベースは、位置決定部１１自らが有していてもよく、又、他の記憶装置（例えば記憶部１４２）に記録させておくことも可能である。そして、位置決定部１１は、例えば、加熱炉１を制御する更に上位の制御装置から、加熱制御対象である鋼材Ｆについて、識別情報、鋼種、サイズ等のような特性情報を取得する。その後、位置決定部１１は、特性情報に基づいて、データベースから鋼材Ｆを特定し、その鋼材Ｆに対応付けられた最高温度位置を、上記温度管理点に決定する。
【００４７】
次に、温度測定装置１００Ａによる実測に基づいた決定方法について説明する。
温度測定装置１００Ａは、加熱炉１に設けられた複数の温度測定装置１００のうち、相対的に加熱炉１の装入側、つまり装入口ＩＮに一番近い箇所に配置されたものである。温度測定装置１００Ａは、当該温度測定装置１００Ａの下方を通過した鋼材Ｆの表面温度分布を測定する。加熱炉１による加熱性能等にもよるが、装入された鋼材Ｆの表面中、最も温度が高い位置は、加熱炉１による加熱中も他の位置に比べて比較的高温となることが予想されたり、所望の温度よりも高温となったりする結果、他の基準位置よりも高温となることが予想される。そこで、位置決定部１１は、温度測定装置１００Ａが測定した温度分布に基づいて、鋼材Ｆの表面中、最高温度位置を温度管理点に決定する。なお、この最高温度位置は、温度測定装置１００Ａが温度を測定した鋼材Ｆの最高温度となっている位置を意味するものであり、加熱中又は加熱後において他の全ての位置と比べても最高温度となる必要はない。上述の通り、この最高温度位置は、他の位置に比べて比較的高温となったり、所望の温度よりも高温となったりする結果、他の基準位置よりも高温となることが予想される位置を意味する。
【００４８】
ただし、この実測に基づいた位置決定を行う場合、温度測定装置１００Ａが測定した表面温度分布中に、何らかの異常により局所的に高温又は低温となり基準点として決定するには適さない異常温度位置が発生することも考えられる。この場合、位置決定部１１は、このような異常温度位置を温度管理点として選択することを防止するために、温度測定装置１００Ａが測定した表面温度分布に基づいて、最も温度が高い位置の面積（画素数でもよい）を抽出する。そして、位置決定部１１は、その面積が所定の閾値未満である場合には、次に温度が高い位置について、同様に面積が閾値以上となるか否かを確認する。その結果、面積が閾値以上となった最も温度が高い位置を、位置決定部１１は、最高温度位置に決定することが可能である。なお、異常温度位置は、他の通常の鋼材Ｆの表面の領域に比べて面積が小さくなり、その面積は、加熱炉１の仕様や鋼材Ｆの特性、加熱状態等により異なる。そこで、予め実測に基づいて異常温度位置の面積に対する閾値（例えば最大面積など）を、求めておくことが望ましい。
【００４９】
なお、温度管理点を決定するにあたり、操業実績等に基づくか、実測値に基づくかは、適宜設定可能である。例えば、鋼材Ｆに対する操業実績がデータベース中にある場合には、その操業実績に基づいて、温度管理点を決定し、データベース中にない場合には、実測値に基づいて決定することも可能である。あるいは、例えば、操業実績等により温度管理点を決定した方が、製品品質の維持上好ましいという信憑性が過去の操業実績や制御実績等に基づいて得られる場合にのみ、操業実績等に基づく決定を行うことも可能である。このことは、実測値に基づく場合も、同様である。ただし、実測値、つまり、温度測定装置１００Ａによる測定結果に基づいて、温度管理点を決定する場合、予めデータベースを用意する必要もなく、かつ、実際に最高温度位置に決定するため、より容易かつ確実な位置の決定が可能である。
【００５０】
管理点温度特定部１２は、位置決定部１１により決定された温度管理点を基準として、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測定結果に基づいて、温度管理点における鋼材Ｆの表面温度を特定する。つまり、管理点温度特定部１２は、位置決定部１１から伝送された温度管理点の位置に関する情報に基づいて、記憶部１４２から取得した各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測定結果における温度管理点の位置をそれぞれ特定し、特定した位置の温度を、対応する測定結果からそれぞれ取得する。また、管理点温度特定部１２は、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測定結果における温度管理点の位置を特定する際に、別途取得した、加熱炉１内における鋼材Ｆの位置を表す情報を、あわせて利用することができる。
【００５１】
ここで、管理点温度特定部１２は、上述のようにして特定した鋼材Ｆの温度管理点における表面温度が７００℃に達する前に、加熱炉１で昇温中の鋼材Ｆの温度管理点における表面温度を、ある任意の時刻ｔ１と、当該時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２の少なくとも２つの時刻において特定できるように、温度制御装置１００を制御することが好ましい。具体的には、管理点温度特定部１２は、温度測定装置１００に対し、少なくとも時刻ｔ１及び時刻ｔ２における鋼材Ｆの表面の温度分布を測定させるように制御することが好ましい。この場合、管理点温度特定部１２は、温度測定装置１００により測温が行われた時刻ｔ１及び時刻ｔ２についても、鋼材Ｆの温度管理点における表面温度と対応付けて特定する。
【００５２】
また、管理点温度特定部１２は、各測定結果からそれぞれ特定した温度管理点における鋼材Ｆの表面温度、及び、当該測温が行われた時刻（例えば、時刻ｔ１及び時刻ｔ２）を、測定が行われた温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄ及びその搬送方向における位置（温度測定装置１００の設置個所）の少なくとも一方と鋼材Ｆとに対応付けて、管理点温度記憶部１３に記録する。
【００５３】
昇温速度算出部１４は、管理点温度特定部１２により特定された温度管理点における鋼材Ｆの表面温度と、当該表面温度の測定が行われた任意の異なる２つの時刻（例えば、時刻ｔ１及び時刻ｔ２）の間の経過時間（例えば、経過時間（ｔ２−ｔ１））とに基づいて、鋼材Ｆの昇温速度を算出する。さらに、昇温速度算出部１４は、算出した昇温速度（例えば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの間の昇温速度）から、鋼材Ｆの表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度（本実施形態では、鋼材Ｆの表面温度が１５０℃〜７００℃（好ましくは２００℃〜７００℃）の範囲における昇温速度）を予測し、予測した昇温速度を判定部１５に出力する。
【００５４】
判定部１５は、昇温速度算出部１４から入力された昇温速度の予測値が、１５．５℃／分（好ましくは１５℃／分）以下であるか否かを判定し、その判定結果を加熱炉制御部２３に出力する。
【００５５】
加熱炉制御部２３は、判定部１５が出力した判定結果、すなわち、昇温速度算出部１４から入力された昇温速度の予測値が１５．５℃／分以下であるか、又は、１５．５℃／分超であるかに基づいて、加熱炉１の加熱状態の制御を行う。より具体的には、加熱炉制御部２３は、昇温速度算出部１４から入力された昇温速度の予測値が１５．５℃／分を超える場合に、鋼材Ｆの表面の昇温速度が１５℃／分以下となるように、加熱炉の加熱状態を制御する。
【００５６】
このように鋼材Ｆの表面の昇温速度を調整するための加熱状態の制御方法としては、様々な方法が使用可能であるが、特に、「バーナ２による炉温調整」及び「搬送速度の調整」の少なくともいずれかを制御することが好ましい。この２つの加熱調整のうち、いずれを行うかは、鋼材Ｆの温度分布や、エネルギー効率、加熱期限等に基づいて、加熱炉制御部２３が決定することが望ましい。この加熱調整を行うために、加熱炉制御部２３は、図１Ａに示すように、炉温制御部２３１と、搬送速度制御部２３２とを更に有する。各加熱調整の方法及び特徴例等については、各構成において説明することとし、以下では、これらの構成について説明する。
【００５７】
炉温制御部２３１は、判定部１５から伝送された判定結果に基づいて、加熱炉１の炉温を制御する。より詳細には、炉温制御部２３１は、炉内雰囲気温度と、昇温速度算出部１４により算出された昇温速度とに基づいて、どの程度雰囲気温度を調整する必要があるかを決定し、決定した分だけ雰囲気温度を調整するために、バーナ２およびバーナ２’（以下、単に「バーナ２」と記載する場合がある。）の燃料流量を調整する。なお、バーナ２の燃料流量を調整する際は、加熱炉１の所定位置に配置された（例えば、搬送方向に沿って複数配置された）雰囲気温度測定装置２００が測定した炉内雰囲気温度を参照してもよい。これにより、加熱炉１内の所定領域ごとに炉内雰囲気温度を変えることができ、より精密な炉内温度の制御が可能となる。各バーナ２の燃料流量の調整量は、操業実績や調整実績、実験結果等に基づいて、平均加熱温度や温度分布に対応して予め決定されることが望ましい。
【００５８】
この炉温制御部２３１による加熱調整が行われる場合、他の加熱調整と比べて搬送速度を落とすことがないため、生産性を落とすことなく、フェライト系ステンレス鋼材の加熱制御を行うことが可能である。なお、生産性の低下防止等の観点から、鋼材Ｆの昇温速度の下限値が設けられ、昇温速度がその下限値を下回る場合には、炉温制御部２３１は、雰囲気温度が上昇するように、バーナ２を制御することとなる。
【００５９】
搬送速度制御部２３２は、判定部１５から伝送された判定結果に基づいて、搬送装置による鋼材Ｆの搬送速度を制御する。つまり、搬送速度制御部２３２は、鋼材Ｆ毎の在炉時間を調整することになる。搬送速度の調整量は、操業実績や調整実績、実験結果等に基づいて、平均加熱温度や温度分布に対応して予め決定されることが望ましい。
【００６０】
なお、炉温と搬送速度の双方の制御を行う場合には、炉温制御部２３１および搬送速度制御部２３２は、互いに連携しながら、鋼材Ｆの表面の昇温速度が１５℃／分以下となるように、加熱炉１の制御を行う。
【００６１】
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱制御装置１０の構成について説明した。この加熱制御装置１０によれば、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測温領域Ａｒにおける鋼材Ｆの温度分布から、最高温度となっている部位である最高温度位置を温度管理点として検出し、この温度管理点に着目することで、加熱炉におけるフェライト系ステンレス鋼材の加熱制御を行うことが可能である。
【００６２】
このような温度管理点を用いたフェライト系ステンレス鋼材の加熱方法は、温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄによる実測値に基づいており、シミュレーションや加熱炉１の雰囲気温度を用いた場合に比べて、より正確に鋼材Ｆの加熱状態を判定でき、置き割れを回避することができる。
【００６３】
また、基準となる温度管理点を決定する位置決定部１１では、上述のように、操業実績等に基づく決定、又は、実測に基づく決定が行われる。本実施形態に係る位置決定部１１は、基準となる温度管理点を決定する際に、面積が所定の閾値以上となっている領域における最高温度となっている位置を、温度管理点に決定することが可能である。従って、何らかの異常により局所的に高温となる箇所が基準点として決定されることを防止することができる。
【００６４】
なお、このような局所的に高温となる原因の一例としては、加熱対象が鋼材Ｆの場合ブリスター状スケールが挙げられる。鋼材Ｆの表面は、加熱されて昇温することにより酸化され、その酸化により生成された酸化スケールで覆われる。本実施形態における鋼材Ｆの表面温度とは、通常このスケール表面の温度を示すこととなるが、スケール表面温度に限定されるものではない。このスケールの一部は、地鉄との熱膨張差により局所的に膨れ、地鉄から浮き上がった状態となることがある。この膨れた状態をブリスターと呼ぶ。浮き上がった状態では、このスケールが周囲から受熱した熱が地鉄に奪われにくくなり、地鉄と接触しているスケール表面に比較して高温となる。従って、単に最高温度位置を温度管理点に決定したのでは、ブリスター状スケールが基準点として選択される可能性がある。しかし、このようなブリスター状スケールは、他のスケール表面に比べて面積が小さい。従って、このブリスター状スケールなどの異常温度位置を所定の面積（閾値）で除外することにより、フェライト系ステンレス鋼材の加熱制御の精度が低下することを防止することが可能である。
【００６５】
なお、このように正確な加熱制御を行うためには、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄが正確な表面温度分布を測定できることが非常に重要である。従って、この温度測定装置１００として、詳しく後述する放射測温の原理を利用した温度測定装置１００を使用することが望ましく、この温度測定装置１００を使用する場合、フェライト系ステンレス鋼材の加熱制御の正確性を更に向上させることが可能である。
【００６６】
（２．フェライト系ステンレス鋼の加熱方法の詳細について）
続いて、本発明の第１の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について、詳細に説明する。
【００６７】
本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法は、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃、好ましくは２００〜７００℃の表面温度の範囲において鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下となるように、フェライト系ステンレス鋼材を加熱するものである。
【００６８】
ここで、図２を参照しながら、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材の加熱方法において、フェライト系ステンレス鋼材の加熱炉への装入温度を１５０℃以上とし、該加熱炉により１５０〜７００℃の表面温度の範囲において鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように加熱制御することとした理由について説明する。図２は、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について説明するための説明図である。
【００６９】
本発明者らは、高純度フェライト鋼の加熱炉昇温時における割れの発生を回避するために鋭意研究を行い、連続鋳造機内、鋳造完了から加熱炉装入までの温度推移、昇温中の温度履歴などを詳細に調査した。また、実機鋳片から鋼材サンプルを切り出して破壊試験を行い、昇温時において主に熱衝撃が加わった際の破壊のされやすさなどを調査した。
【００７０】
その結果、１５０℃を下回った条件で加熱炉に装入された場合、鋼材の表面から熱が入り表面が先に昇温し始め、表面の熱膨張により内部に引張の熱応力がかかり始めると、その僅かな熱応力でも鋼材が耐え切れずに内部に割れが発生することが判明した。従って、１５０℃を下回る条件で加熱炉に装入した場合、ほとんどのケースで置き割れが発生することになる。そこで、連続鋳造後、鋼材表面の手入れの時間や加熱炉装入までの待ち時間の間に鋼材の温度が低下して、１５０℃を下回らないように、鋼材の保温処置が必要となる。
【００７１】
また、本発明者らは、下記表１に示す成分の鋼材について、鋼材の装入温度及び加熱炉での昇温初期の温度調査による昇温速度を調査し、置き割れ発生との因果関係を調査した。発生する置き割れは、鋼材の幅方向の中央２／３〜３／４程度の範囲に厚み方向に貫通した割れであるので、置き割れの発生は目視で確認可能である。従って、本調査においても、置き割れの発生の判定は、目視で行っている。また、置き割れの発生が目視で確認できるケースとしては、（１）鋼材の加熱が完了して鋼材を加熱炉から抽出した際に確認できるケース、又は、（２）鋼材内部に発生して表面に出現していなかった割れが、圧延途中に応力が掛かった際に表面まで貫通して目視確認できるようになるケースがあり、本調査でも、この２つのケースの双方で、鋼材の置き割れの発生有無を確認し、いずれかのケースで置き割れが発生している場合には、置き割れが発生したと判定し、いずれもケースでも置き割れが発生していない場合に、置き割れがないと判定した。
【００７２】
【表１】
【００７３】
以上のようにして行った調査の結果を図２に示す。なお、図２の横軸は鋼材の加熱炉への装入温度（℃）を示し、縦軸は鋼材の加熱炉内での昇温初期の昇温速度（℃／分）を示している。また、図２中の白丸は置き割れが発生しなかった条件、黒丸は置き割れが発生した条件を示している。なお、図２において、縦軸の昇温速度については、装入温度が７００℃以下の条件では７００℃以下の範囲における昇温速度を示すが、装入温度が７００℃を越える条件では装入温度〜装入温度＋１００℃の範囲における昇温速度を示している。すなわち、図２においては、７００℃以下と７００℃を越える条件とでは昇温速度の定義が異なっている。
【００７４】
図２に示すように、上述した鋼材サンプルの破壊試験結果と同様に、鋼材の加熱開始温度、すなわち、加熱炉への装入温度が１５０℃を下回ると置き割れ発生率が極めて高くなる。また、加熱炉への装入温度が７００℃以下では、１５．５℃／分を上回る昇温速度で鋼材の加熱を行うと、鋼材の表面温度の上昇速度が速く、鋼材表面の熱膨張が大きくなる結果、温度上昇が遅い鋼材内部の引張応力が大きくなり、鋼材の耐力を引張応力が上回るため、置き割れ発生率が高くなることが判明した。また、加熱炉への装入温度が２００℃以上の場合、かつ、加熱炉への装入温度が７００℃以下で、鋼材の昇温速度が１５℃／分以下の場合には、より確実に置き割れの発生を防止できることも判明した。
【００７５】
以上の結果から、連続鋳造された高純度フェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃の表面温度の範囲において、鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、鋼材を加熱することにより、置き割れ発生を回避可能であることを知見した。また、連続鋳造された高純度フェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、２００〜７００℃の表面温度の範囲において、鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、鋼材を加熱することにより、より確実に置き割れ発生を回避可能であることも知見した。
【００７６】
以上の知見から、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法においては、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃、好ましくは２００〜７００℃の表面温度の範囲において鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下となるように、フェライト系ステンレス鋼材を加熱することとした。
【００７７】
また、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法においては、鋼材の表面温度を特定する鋼材上の位置である温度特定位置（温度管理点）を予め定めておき、鋼材の表面温度が７００℃に達する前に、加熱炉で昇温中の鋼材の温度特定位置における表面温度を、第１の時刻ｔ１と当該第１の時刻から所定時間経過した第２の時刻ｔ２とで測定し、測定した表面温度と、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの経過時間（ｔ２−ｔ１）とに基づいて、鋼材の表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度を予測し、鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下となるように、加熱炉を制御することが好ましい。
【００７８】
このように、鋼材を加熱炉してから鋼材の表面温度が７００℃以内の領域において、任意の異なる２つの時刻において鋼材表面温度を測定し、その結果に基づいて鋼材表面の昇温速度を予測し、上述した知見から得られた置き割れの発生を回避できる条件、すなわち、鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下を満足しているか否かを判定し、置き割れの発生を回避できる条件を満足していない場合には、加熱炉の炉温を調整して昇温速度を抑制することにより、置き割れが発生することなく、安定した品質のフェライト系ステンレス鋼材を製造することが可能となる。
【００７９】
なお、鋼材が加熱炉中で連続的に搬送され、加熱炉内で滞留することがない条件で操業されている場合には、鋼材表面における温度管理点の温度の測定時刻は、鋼材の昇温速度の予測に必ずしも必要ではない。すなわち、この場合は、予め定められた２箇所で鋼材の表面温度を測定し、２箇所の測定箇所の間の距離を鋼材が移動するのに要した時間と、測定した測定温度とから昇温速度を予測してもよい。
【００８０】
（３．実施例について）
以上、本発明の第１の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について、詳細に説明したが、続いて、図３〜図５を参照しながら、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例について詳細に説明する。図３〜図５は、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【００８１】
本実施例は、鋼材の搬送方向（炉長方向）に沿って４箇所に温度測定装置１００が設けられた図１Ａに示したような加熱炉１を用いて、表１に示す組成のフェライト系ステンレス鋼材Ｆの加熱制御を実施した例である。加熱炉１に、加熱炉装入口ＩＮから装入された鋼材Ｆ（装入時の鋼材Ｆの温度は約２００℃）は順次スキッドにより加熱炉抽出口ＯＵＴ側へ搬送されながら、バーナ２からの火炎により加熱昇温される。
【００８２】
加熱炉１で加熱中の鋼材Ｆは、バーナ２が設置されている側壁の片側の上端付近に設置されている温度測定装置１００（１００Ａ〜１００Ｄ）により、鋼材Ｆの表面の温度分布が測定される。温度測定装置１００で測定された温度分布データは、上述したような加熱制御装置１０に伝送される。
【００８３】
温度測定装置１００で測定された温度分布の結果を用い、以下に述べる手順により温度管理点の温度が検出される。温度管理点とすべき鋼材Ｆの表面の位置は、置き割れに与える鋼材温度及び鋼材温度分布によって発生する熱応力に関する考察により、以下に述べるような方法等により決定され、上述した図２に示すような温度実績と置き割れ発生状況との関係に基づき最終的に決定される。本実施例では、上述した温度実績と置き割れ発生状況との関係より、温度管理点を、鋼材Ｆの長手方向の中央で、かつ、短辺側厚み方向の中央の部位に決定した。
【００８４】
ここで、図３を参照しながら、温度管理点を、鋼材Ｆの長手方向の中央で、かつ、短辺側厚み方向の中央の部位に決定した理由について説明する。まず、鋼材Ｆの長手方向の中央の部位を選択した理由は、当該部位が、鋼材Ｆの長手方向の両端部からの入熱の影響を受けにくい代表点として考えられるからである。また、鋼材Ｆの短辺及び長辺（上下面）から鋼材が加熱された場合、短辺を含む鋼材エッジ部Ｆｅの温度上昇が最も大きく、従って、加熱による熱膨張も最も大きくなる。一方、鋼材Ｆの幅方向の中央部Ｆｃは最も昇温しにくく、当該幅方向の中央部Ｆｃには引張応力が作用して置き割れが発生しやすい。よって、温度が上がりやすい箇所として、鋼材Ｆの短辺側厚み方向の中央点を温度管理すべき点（温度管理点）として決定した。
【００８５】
次に、鋼材抽出側に搬送される鋼材Ｆの位置をトラッキングしながら、温度測定装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄの各測定位置において同一鋼材Ｆの表面の温度分布を測定し、この測定結果に基づいて、鋼材Ｆの温度管理点における温度が特定される。例えば、図４に示すように、まず、加熱炉１への装入直後の鋼材Ｆ１の表面の温度分布は、温度測定装置１００Ａで測定され、加熱制御装置１０に伝送される。その後、スキッドにより鋼材Ｆが鋼材抽出側に搬送されると、鋼材Ｆ１（図４に破線で表示）の表面の温度分布は、温度測定装置１００Ｂで測定され、温度測定装置１００Ａで測定された温度分布と同様に、加熱制御装置１０に伝送される。このようにして、各温度測定装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄの各測定位置における鋼材Ｆの表面の温度分布の測定結果から、加熱制御装置１０により、鋼材Ｆの温度管理点における温度が特定される。
【００８６】
図５に、以上のようにして測定した、加熱炉１に装入後の鋼材Ｆの温度管理点における温度推移を示す。図５の縦軸は、鋼材Ｆの温度管理点における表面温度（℃）を示し、図５の横軸は、鋼材Ｆの加熱炉１への装入時からの経過時間（分）を示している。
【００８７】
図５に示すように、本実施例では、加熱制御装置１０の昇温速度算出部１４で予測した７００℃到達時の２００℃〜７００℃の温度域における鋼材Ｆの昇温速度が１５℃／分を超える可能性があることが、判定部１５の判定結果により判明した（図５に「□プロット」で示している）。そこで、加熱炉制御部２３により加熱炉１の炉温を調整するため、鋼材Ｆの温度分布の測定位置（本実施例では、温度測定装置１００Ａ、１００Ｂの配置位置）の近傍に位置するバーナ２’の燃焼負荷を低下させた。このようにして炉温を調整した場合の鋼材Ｆの温度管理点における温度推移の実績を図５に「●プロット」で示した。
【００８８】
図５から明らかなように、加熱炉１の炉温調整により、鋼材Ｆの管理点における温度の２００〜７００℃の領域における昇温速度は１５℃／分以下となり、置き割れの発生を防止することができた。
【００８９】
このように、加熱炉１における鋼材Ｆの表面温度が、装入時の温度（１５０℃以上、好ましくは２００℃以上）から７００℃以内の領域において鋼材Ｆの表面温度を測定し、その測定結果に基づいて、鋼材Ｆの表面の昇温速度を予測した上で、鋼材Ｆに置き割れが発生する可能性があるか否かを判定し、置き割れが発生する可能性がある場合には、加熱炉１の炉温を調整して昇温速度を抑制することにより、鋼材Ｆに置き割れが発生することなく、安定した品質の製品を製造することが可能となることがわかった。
【００９０】
（４．第１の実施形態で使用される温度測定方法及び装置について）
次に、本発明の第１の実施形態で使用される温度測定方法及びその方法を実施する装置について説明する。なお、上述の通り、本発明の実施形態では、温度測定方法及び装置は、鋼材表面の温度を測定するものであれば、様々なものが使用可能である。しかし、以下で説明する温度測定方法及び装置は、他の温度測定方法及び装置に比べて温度を非常に正確に測定することが可能である。正確に表面温度を測定することが可能となることで、本発明の実施形態に係る鋼材加熱方法及び加熱制御装置は、上述のような効果を更に高め、より正確に鋼材の熟熱を判定することが可能となる。従って、以下では、この温度測定方法及び装置について図６〜図１６を参照しつつ詳細に説明する。
【００９１】
なお、以下では、この温度測定方法及び装置が如何に関連技術に係る他の温度測定方法及び装置に比べて正確に温度を測定することができるのかについて、理解が容易になるように、まず、関連技術について説明し、その後、本発明の実施形態に用いられる温度測定方法について説明する。そして、この方法を実現するための温度測定装置について説明した後、実施形態に用いられる温度測定方法及び装置による実施例について説明する。更に、この実施形態に用いられる温度測定方法及び装置の効果の例について、上記特許文献４〜６と比較しつつ説明する。
【００９２】
つまり、以下では、本実施形態で使用される温度測定方法及び装置について、次の順序で説明する
４−１．関連技術
４−２．本実施形態に係る温度測定方法の概要
４−３．本実施形態に係る温度測定装置例
４−４．本実施形態に係る温度測定装置による測定例
４−５．本実施形態に係る温度測定装置等による効果の例
【００９３】
＜４−１．関連技術＞
図１５及び図１６を参照しつつ、関連技術について説明する。図１５及び図１６は、関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
【００９４】
加熱炉内において鋼材の表面温度を非接触で測定する場合、一般には放射温度計等、物体表面からの熱放射エネルギーを計測する方法が用いられる。しかしながら、加熱炉内には、炉の内壁や火炎等から放射される放射エネルギーが存在する。この放射エネルギーが、鋼材の表面で反射し、放射温度計等のセンサーに入射する。従って、放射温度計等は、鋼材から放射される熱放射エネルギーと、内壁や火炎等から放射される放射エネルギーが鋼材の表面で反射した反射エネルギーと、の合計に相当する温度を表示するので、反射エネルギーに相当する温度の誤差が生ずる。この反射エネルギーは、迷光、反射光、外部光、背光、迷光雑音等種々の名称で呼ばれているが、いずれも同じものであり、以下「迷光」と記す。
【００９５】
例えば、外気条件下や室温条件下での測定では、大気や室内の壁が発する放射エネルギーは、高温の鋼材の放射エネルギーに比べて小さいので、迷光誤差が問題になることはない。しかしながら、高温の火炎や炉壁を有する加熱炉においては、迷光による誤差が大きく、このために、正確な温度測定が困難であった。
【００９６】
そこで、迷光の影響を補正して、真の物体温度を得るための方法が開発されている。この関連技術に係る方法によれば、図１５に示すように、まず、加熱炉９１１内に温度既知物体９１２を置き、演算手段９１８により、その物体９１２の既知温度から熱放射理論により算出される表面輝度と、その物体９１２の見掛け輝度の測定値との差異に基づいて、加熱炉９１１内迷光量を定量する。そして更に、演算手段９１８により、カメラを有する放射型温度計等の光表面温度測定手段９１４により計測される鋼材９１３の見掛けの輝度から、加熱炉９１１内迷光量を差し引いて鋼材の真の放射エネルギーを算出して温度を得る。そして、その温度が温度表示部９１９により表示される。このような関連技術としては、例えば、上記特許文献５が挙げられる。
【００９７】
この方法において、容易に考えうるのは、迷光の補正誤差を小さくするために、鋼材の近傍に温度既知物体を配置し、鋼材と温度既知物体との比較を行うという形態である。
【００９８】
しかし、そのような形態では、以下のような問題がある。
問題１：鋼材が移動する場合には、その近傍に温度既知物体を置くことが難しい。
問題２：温度既知物体を鋼材の近傍、即ちカメラから離れた位置に置くと、画像の中の温度既知物体の画素数が少なくなる。
【００９９】
上記問題１について説明する。
鋼材が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼材の動きによって温度既知物体が破損する恐れがある。この対策として、鋼材の移動に応じて遮蔽板が移動する機構を設ければ測定システム自体が複雑となり、実用的でない。
【０１００】
上記問題２について説明する。
例えば、鋼材が離れた位置に配置されたり、比較的小さい鋼材の温度を計測したりするためには、鋼材を撮像可能なように、ある程度の解像度を有する撮像装置を使用する必要がある。撮像装置として例えば４０万画素のカメラを用いた場合、１画素の視野角は幅０．０８度、高さ０．０８度程度の小さい領域となる。温度既知物体をカメラから離れた位置に置くと、画像中を占める温度既知物体の領域が非常に小さくなるため、１画素の出力は空間的変動、時間的変動、信号処理系の外乱等の影響を受け、いくらかのバラツキを生ずる。
【０１０１】
図１６に１画素単位の出力のバラツキの一例を示す。図１６に示すように、１画素単位の出力のバラツキは大きく、このバラツキにより計測精度が低下してしまう恐れがある。従って、高い計測精度を得るためには、単一画素でなく、領域を定めてその領域内の画素の平均値をとる必要があり、少なくとも５×５画素、望ましくは１０×１０画素以上の平均をとるべきである。
【０１０２】
しかし、例えばカメラから６メートル離れた鋼材の近傍に温度既知物体を配置する場合を考えると、１画素当りの視野角０．０８度に相当する幅は１０ミリメートル程度になる。１０×１０画素の平均をとるためには、１００×１００ミリメートルの領域の平均をとらなければならない。
【０１０３】
一方、温度既知物体９１２としては、図１５に示すように、保護管９１７付き熱電対温度計９１６を用いることが実用的であり、これは、通常、直径約２０〜３０ミリメートル程度の大きさであるので、１００×１００ミリメートルの大きな温度既知物体を設置するのは非現実的である。
【０１０４】
本発明者らは、従来の温度測定装置やこの関連技術に係る温度測定装置について鋭意研究を行った結果、上記のような問題１及び問題２等の課題に想到した。この課題に対し、発明者らは、以下に示す手段などにより、温度既知物体、例えば保護管付き熱電対を、鋼材近傍でなく、撮像装置の近傍に設置することにより、迷光の影響を更に効果的に補正することが可能な温度測定方法を発明し、上記実施形態に係る加熱炉に使用する場合、その効果を著しく向上させることが可能であることをも見出した。
【０１０５】
＜４−２．本実施形態に係る温度測定方法の概要＞
以下、本発明の実施形態に係る温度測定方法の概要について説明する。
この温度測定方法は、上述の関連技術に係る温度測定方法を前提に、大きく分けて以下の１〜３のような特徴を有する。
【０１０６】
特徴１：迷光を補正するための温度既知物体を、撮像装置の近傍に設置し、かつ、鋼材の放射エネルギーの計測する際、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を選択してその単色輝度を計測し、得られた単色輝度を迷光補正して温度を求める。
特徴２：温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも２５画素、望ましくは１００画素以上となるような位置に配置される。
特徴３：温度既知物体は、その放射率が鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１０７】
この各特徴について順次説明しつつ、本実施形態に係る温度測定方法について説明する。
【０１０８】
［４−１−１．特徴１］
特徴１：迷光を補正するための温度既知物体を、撮像装置の近傍に設置し、かつ、鋼材の放射エネルギーの計測する際、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を選択してその単色輝度を計測し、得られた単色輝度を迷光補正して温度を求める。
【０１０９】
なお、この特徴１において、「炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長」とは、完全に吸収及び放射が起こらないという意味ではなく、他の波長に比べて吸収及び放射が起こりにくい波長を意味する。また、「単色輝度」や「単波長」とは、全波長ではないという意味で、例えば波長の選択精度などにより所定の幅の波長の輝度をも含むものとする。この特徴１及び本実施形態に係る温度測定方法による温度測定過程について説明すると、以下の通りである。
【０１１０】
例えば、温度既知物体と鋼材とが接近している場合には両者に入射する迷光量はほぼ等しいので、温度既知物体の計測結果から得られた迷光量が鋼材にも照射されるものとして、計測した鋼材の放射エネルギーを補正すればよい。しかし、本実施形態の如く両者が離れている場合には、迷光量の相等性は必ずしも保障されない。
【０１１１】
そこで、本実施形態の方法では、温度既知物体と鋼材の迷光量の相等性を確保するために、大きく分けて下記の手段を用いる。
【０１１２】
手段１：炉内ガスによる吸収・放射が起こらない波長を選択し、単波長の測定を行う。
手段２：炉内の温度分布等による誤差の理論的評価を可能にするために、放射伝熱の理論を厳密に適用して迷光補正計算式を作成する。
【０１１３】
（手段１）
以下、各手段について具体的に述べる。
燃焼炉内には燃料の燃焼によって生じた二酸化炭素や水蒸気などが存在する。これらのガス体は、炉内の放射エネルギーを吸収し、また、自己の温度に応じたエネルギーを放射する。ガスの温度は、炉内の位置によって異なるため、炉内迷光量は、位置によって異なる。しかし、二酸化炭素や水蒸気等のガスが吸収・放射するエネルギーは、スペクトルのうちいくつかの特定の波長域に限られている。従って、二酸化炭素の吸収・放射波長域と水蒸気の吸収・放射波長域とを共に避けた波長を計測すれば、炉内ガスの影響を含まない迷光補正が可能である。
【０１１４】
そこで、本実施形態では、上記条件を満たす波長、例えば１μｍの単波長を計測することによって、温度既知物体と鋼材との位置が離れている条件下での迷光補正を可能とした。尚、本実施形態の如く、迷光補正の目的で単波長条件を必須とする例は、先例がない。
【０１１５】
（手段２）
単波長を用いることに従って、迷光を補正するための計算は、一般的な放射伝熱計算で用いられるＳｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｚｍａｎｎの式でなく、単波長の放射エネルギーを計算するＰｌａｎｋの式を用いる。具体的には下記の手順１〜７により計算する。
【０１１６】
手順１：事前に、オフラインの黒体標準炉を用いて、撮像装置の出力と黒体輝度との関係式を作成する。
【０１１７】
先ず、黒体標準炉の温度をＴ［Ｋ］に保持する。Ｐｌａｎｃｋの法則（下記式１０１）により温度Ｔにおける黒体輝度Ｅを計算する。
【０１１８】
【数１】
・・・（式１０１）
【０１１９】
ここで上記式１０１の各定数等は、以下の通りである。
Ｅ ：波長λの黒体輝度［Ｗ／ｍ３］
λ ：波長［ｍ］
Ｔ ：温度［Ｋ］
Ｃ１：定数 ３．７４×１０−１６［Ｗ／ｍ２］
Ｃ２：定数 ０．０１４３８７［μｍ・Ｋ］
【０１２０】
次に、撮像装置で黒体標準炉の標準温度点を計測し、撮像装置の出力Ｌを得る。温度Ｔを変えて順次同様の計測を行い、ＥとＬの関係式を最小二乗法等により作成する。ここでは、このＥとＬの関係式を下記式１０２とする。
【０１２１】
【数２】
・・・（式１０２）
【０１２２】
この式１０２が表す関係式は、個々の撮像装置固有の特性式を意味するため、新たな撮像装置を導入したとき撮像装置毎に作成する必要がある。ただし撮像装置に固有の特性であるため、この手順１は１回実施すれば、それ以降再度行なう必要はない。また、本実施形態では、計測波長λとして、例えば１μｍの波長を用いるが、この波長の選択には、光学フィルタを使用することができる。しかしながら、計測波長λは、他の波長であってもよく、波長の選択方法は、光学フィルタ以外にも、例えば特定の波長のみを撮像する撮像素子を使用したり、撮像装置に含まれる特定の波長を画像解析により抽出したりする等、様々な方法を使用することができることはいうまでもない。
【０１２３】
手順２：実際の炉において、温度既知物体例えば保護管付き熱電対の温度Ｔ１［Ｋ］から、下記式１０３のようにＰｌａｎｃｋの法則により黒体輝度Ｅ１を算出する。
【０１２４】
【数３】
・・・（式１０３）
【０１２５】
手順３：撮像装置により、温度既知物体を計測し、出力Ｌ１を得る。オフラインにて作成した上記特性式（式１０２）により、出力Ｌ１に該当する輝度を計算する。
【０１２６】
この手順３で計算される輝度は、迷光の反射を含む見掛けの輝度であり、放射伝熱学の分野で射度と呼ばれる量に該当する。これをＧ１と表す。つまり、この輝度Ｇ１は、下記式１０４で表される。
【０１２７】
【数４】
・・・（式１０４）
【０１２８】
手順４：上記Ｅ１とＧ１から、下記の式１０５により、迷光量Ｊを計算する。
【０１２９】
【数５】
・・・（式１０５）
【０１３０】
この式１０５中、ε１は温度既知物体の放射率である。
ここで、この式１０５の導出過程について述べる。温度Ｔの物体表面から放射される単色放射量Ａは、Ｐｌａｎｃｋの法則から計算される黒体輝度Ｅに、物体表面の放射率εを乗じたものである。即ち、単色放射量Ａは、下記式１０６で表される。
【０１３１】
【数６】
・・・（式１０６）
【０１３２】
また、炉内迷光（外来照射）Ｊが物体表面で反射される量Ｂは、放射伝熱理論より、下記の式１０７で表される。
【０１３３】
【数７】
・・・（式１０７）
【０１３４】
撮像装置で計測される「見掛けの輝度」Ｇは、上記ＡとＢの合計であるため、下記式１０８で表される。
【０１３５】
【数８】
・・・（式１０８）
【０１３６】
この式を変形すると、迷光量Ｊを算出する式１０９が得られる。よって、この式１０９にＥ１，Ｇ１及びε１を代入して、上記式１０５が導出される。
【０１３７】
【数９】
・・・（式１０９）
【０１３８】
手順５：撮像装置により、鋼材を計測し、出力Ｌ２を得る。そして、上記特性式（式１０２）により、出力Ｌ２に該当する輝度を計算する。この輝度は、迷光の反射を含む見掛けの輝度である。これをＧ２と表す。つまり、この輝度Ｇ２は、下記式１１０で表される。
【０１３９】
【数１０】
…（式１１０）
【０１４０】
なお、ここで撮像装置により計測される出力Ｌ２は、その鋼材の表面に対する分布として表される。つまり、撮像装置の撮像画像中の所定の箇所に対する出力Ｌ２は、撮像画像中に撮像された鋼材の所定の箇所に相当し、出力Ｌ２は、撮像画像中の位置毎に異なる値を取りうる。よって、この出力Ｌ２から算出する輝度Ｇ２も、同じく、鋼材に対する分布となる。なお、ここでは説明の便宜上、輝度Ｇ２は、輝度分布中の１点の輝度又は複数点の平均輝度であるとして説明する。しかし、この輝度Ｇ２に対する後段の計算等を、撮像画像中の鋼材に相当する位置毎に行うことにより、この温度測定方法では、温度分布を測定することが可能であることは言うまでもない。
【０１４１】
手順６：上記Ｇ２と上記手順４項で算出した迷光量Ｊ（式１０５）から、下記の式１１１により鋼材の黒体輝度Ｅ２を計算する。
【０１４２】
【数１１】
・・・（式１１１）
【０１４３】
上記式１１１において、ε２は鋼材の放射率である。
ここで、この式の導出過程について述べる。
上記手順４項で導出した下記の式１１２（上記式１０８）を用い、この式を変形して黒体輝度Ｅを求めると、上記の式１１１が得られる。
【０１４４】
【数１２】
・・・（式１１２）
【０１４５】
手順７：このＥ２から、下記Ｐｌａｎｃｋの法則の逆関数（式１１３）を用いて、鋼材の温度Ｔ２［Ｋ］を求める。
【０１４６】
【数１３】
・・・（式１１３）
【０１４７】
ここで、上記式１１３において、Ｌｏｇの底は自然対数である。
ここに述べた迷光補正方法（手順１〜手順７）を用いることによって、温度既知物体と鋼材との距離が離れている場合においても、鋼材の温度を求めることが可能である。以下、その理由を述べる。
【０１４８】
温度既知物体及び鋼材からの放射エネルギーは、物体自身からの放射量と炉内から受けた迷光の反射量との和である。上述の手順４項で導出した式１０８のように、温度既知物体及び鋼材のそれぞれの放射エネルギーは、下記の式１１４及び式１１５で表される。
【０１４９】
【数１４】
・・・（式１１４）
・・・（式１１５）
【０１５０】
ここで、添字１は温度既知物体、添字２は鋼材を表す。それぞれの式の右辺第１項は物体自身からの放射量、第２項は炉内からの迷光の物体表面での反射量である。
【０１５１】
上記関連技術においては、放射エネルギーの差ΔＧ（＝Ｇ２−Ｇ１）を加減算することによって補正を行ない、上記２つの式１１４及び式１１５において、見掛けの輝度Ｇと黒体輝度Ｅとの関係が同じであることを利用して輝度Ｅを求め、鋼材の温度を得ている。従って、上記関連技術の方法においては、上記２つの式のε１とε２が等しく、かつ、（１−ε１）Ｊ１と（１−ε２）Ｊ２が等しいことが要件となる。即ち、温度既知物体と鋼材の放射率が等しく、測定波長帯域に亘る迷光量Ｊの合計が等しいことが要件であるので、迷光が等しいことが明確であるような近傍に両者を置くことが必要である。
【０１５２】
それに対して、本実施形態の温度測定方法においては、上記補正計算手順の説明に示したように、両式の相等性は要件ではない。即ち、炉内で迷光量に差が少ない単波長を使用するため、上式の第２項（１−ε１）Ｊ１と（１−ε２）Ｊ２とが等しい必要はなく、放射率ε及び迷光Ｊが位置によって異なっても、測定誤差を低減することが可能である。
【０１５３】
一般に、加熱炉で加熱する材料は、金属材料の場合は表面が酸化するために放射率が高く、非金属材料の場合は材料そのものの放射率が高い。通常、被加熱物の放射率は０．８を上回る値である。そのため、εに較べて（１−ε）が小さく、上式の第１項εＥに較べて第２項（１−ε）Ｊが小さくなる。従って、温度既知物体位置の迷光Ｊ１と鋼材位置の迷光Ｊ２に若干の差があっても、相対的に値が小さい第２項に差が生ずるだけであり、式の計算結果への影響は小さい。また、本実施形態では、計測波長λを、炉内ガスによる吸収・放射が少ない波長に設定する。従って、温度既知物体位置の迷光Ｊ１と鋼材位置の迷光Ｊ２との差を非常に小さくすることができる。よって、本実施形態では、温度既知物体と鋼材とを近接して配置しなくても、Ｊ１＝Ｊ２として計算することが可能である。なお、Ｊ１とＪ２の差異は１０％程度異なっていても誤差には大きな影響はない。なぜならば、放射率０．８程度で、Ｊの差異が０．２程度ならば、上記の式の右辺の差異は（１−０．８）×１０％＝２％程度の影響に過ぎないからである。
【０１５４】
以上の理由により、単波長の測定を行う本実施形態の温度測定方法を用いれば、迷光に若干の差異がある位置に温度既知物体を置いても、精度を大きく落とすことなく温度計測が可能である。即ち、鋼材の近傍に温度既知物体を置く必要はない。
【０１５５】
［４−１−２．特徴２］
特徴２．温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも２５画素、望ましくは１００画素以上となるような位置に配置される。
【０１５６】
この特徴２について説明すると、以下の通りである。
上記問題２に示したように、関連技術では、撮像装置の１画素が占める領域が小さいため、１画素の出力は、例えば空間的・時間的変動や信号処理系の外乱等の影響を受け、いくらかのバラツキを生ずる。温度既知物体の１画素単位の出力の実測値を図６に示す。
【０１５７】
図６に示す実測値の標準偏差を算出すると、σ＝１１℃であった。よって、１画素のみの測定値を用いて迷光補正を行えば、誤差が大きく、実用に耐えないことは明らかである。そこで、本実施形態の温度測定方法では、複数の画素の平均値を取り、その平均値で補正計算を行なうことにより、このような問題を解決することができる。
【０１５８】
以下、この特徴２を導出した発明者らの考察に基づいて、具体的な条件を説明する。
上述の通り、１画素単位の標準偏差は１１℃であった。ｎ個の平均値をとった場合の標準偏差は、その個数の平方根に逆比例するので、２５画素の平均をとれば、標準偏差は５分の１の約２℃となる。１００画素の平均値をとれば、１００の平方根１０に逆比例するので、１０分の１の約１℃となる。
【０１５９】
炉内の温度計測においては、標準偏差２℃であれば概ね実用可能であり、１℃であれば、十分である。よって、少なくとも２５画素（例えば５×５画素）、望ましくは１００画素（例えば１０×１０画素）以上の画素数が得られる位置に温度既知物体を置く必要がある。
【０１６０】
温度既知物体としては、例えば、保護管付き熱電対を用いるのが適当である。加熱炉で用いられる保護管付き熱電対の外径は２０〜３０ｍｍ程度であるので、計測範囲は四角形の場合は縦横１０ｍｍ程度、円形の場合は直径１０ｍｍ程度の範囲となる。
【０１６１】
一方、撮像装置として、例えば、一般的に用いられる画素数４０万個程度のＣＣＤカメラでは、１画素の視角は約０．０８度×０．０８度程度である。よって、５×５＝２５画素を見る視角は、０．４度×０．４度となる。ｔａｎ０．４度＝０．００７０であるので、０．４度×０．４度の視角に１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲を写すためには、１０ｍｍ／０．００７０＝１４００ｍｍよりカメラに近い位置に置かなければならない。
【０１６２】
温度既知物体の被測定部位の大きさが１０ｍｍの場合について計算したが、大きさが異なる場合についても同様の計算を行えば、温度既知物体を置くべき位置は、被測定部分の大きさＹに対し撮像装置からの距離Ｘは、下記式１１６を満たすことが望ましい。
【０１６３】
【数１５】
・・・（式１１６）
【０１６４】
このような考察に基づいて、本発明者らは、上記特徴２を導き出した。従って、本実施形態では、温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも２５画素（例えば５×５画素）、望ましくは１００画素（例えば１０×１０画素）以上となるような位置に配置される。換言すれば、温度既知物体は、温度既知物体の被測定部分の大きさをＹとし、その撮像装置からの距離をＸとした場合、Ｘは、上記式１１６を満たすように設定される。更に具体的には、このＸは、撮像装置として画素数４０万個程度のＣＣＤカメラを使用し、かつ、Ｙを１０ｍｍとした場合、１４００ｍｍよりも小さい値に設定される。その結果、本実施形態に係る温度測定方法では、撮像装置の測定誤差を低減させて、温度測定精度を向上させることができる。
【０１６５】
［４−１−３．特徴３］
特徴３．温度既知物体は、その放射率が鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１６６】
この特徴３について説明すると、以下の通りである。
本発明の発明者らは、本実施形態の温度測定方法について、計測条件が種々に変わった場合の計測結果、即ち迷光補正後温度の誤差について理論的検討を行なった。
【０１６７】
検討条件は、長さ１２ｍ、高さ２．５ｍの燃焼炉にて、炉内壁温度１２００℃、炉床に置かれた鋼材の温度９００℃、鋼材の放射率０．８６として、炉内の放射伝熱計算を行ない、上記特徴１及び特徴２を満たす条件下での各面の放射伝熱量及び反射迷光量の理論値を求めた。計算の手法は、甲藤好郎著「伝熱概論」（養賢堂）ｐ．３７７−ｐ．３８２に示された手順を用いた。
【０１６８】
その計算結果に、上述の特徴１で説明した迷光補正計算方法を適用し、温度既知物体の位置を炉幅方向の炉内左壁位置を原点０ｍ点とし、その０ｍ点から右側へ１２ｍ点まで２ｍ毎に変化させた場合の迷光補正値を計算した。撮像装置の位置は左側０ｍ点とし、鋼材の位置は炉幅方向の中心、つまり６ｍ点とした。計算結果を図７に示す。図７に示した放射率εは温度既知物体の放射率であり、鋼材の放射率は０．８６に固定している。
【０１６９】
図７に示すように、この計算結果によれば、例えば温度既知物体の放射率が鋼材の放射率０．８６と等しい場合、温度既知物体の位置がどこであろうとも、鋼材の補正後温度は、鋼材の真の温度９００℃に対して、３℃以内の差異に収まる。
【０１７０】
しかし、鋼材と温度既知物体との放射率εに差がある場合は、温度の差異が大きくなることが判る。鋼材の放射率ε＝０．８６に対して温度既知物体の放射率が０．８１〜０．９１即ち前後０．０５の範囲では、真の温度９００℃に対して、±６℃であるが、温度既知物体の放射率が０．７６〜０．９６即ち前後０．１の範囲では±１３℃程度となる。
【０１７１】
実用性を考慮して１０℃程度までの誤差を許容すれば、温度既知物体の放射率は、温度や放射率のレベルにより若干異なるが、鋼材放射率の前後０．１程度以内となる材質を選定すべきであり、望ましくは前後０．０５程度以内とすれば更に測定誤差を低減させることができる。
【０１７２】
一方、上記関連技術では、温度既知物体の輝度によって迷光を補正する方式が採用されている。この関連技術において、鋼材と温度既知物体との位置関係は明示されていないが、実施例として例示された図においては鋼材の近傍に温度既知物体を置いており、実施形態として両者を近傍に置くことが想定されていると考えられる。
【０１７３】
発明者らの知見によれば、上述のように、例えば鋼材の温度が９００℃、炉内壁の温度が１２００℃のように、鋼材と炉内壁との温度に大きな差がある場合、炉壁近傍では炉壁からの迷光の影響を強く受ける。しかし、温度既知物体の放射率と鋼材の放射率とが同程度の場合には、その影響は小さくなる。これを図８に示す。図８には、上記図７中の温度既知物体の放射率εが、鋼材と等しい０．８６の場合の計算結果と、その値から離れた０．７６の場合の計算結果とを示した。つまり、図８において●のプロットは、鋼材と温度既知物体との放射率が同程度の場合の例であり、×のプロットは、温度既知物体の放射率が鋼材と異なる場合の例である。ここでも、鋼材は炉の中心即ち６ｍ点に置いた。
【０１７４】
図８に示すように、放射率が異なる場合は、温度の誤差が大きくなるのみでなく、炉壁近傍と中央との差が大きくなることがわかる。この理由により、上記関連技術では、放射率の規定がないために、明示されていないものの、実施態様として、鋼材の近傍に温度既知物体を置かざるを得なかったものと考えられる。
【０１７５】
しかし、本実施形態では、温度既知物体の放射率を規制することにより、図８の●プロットに示されるように、６ｍ点においた鋼材から離れた位置に温度既知物体を置いても誤差の小さい測定が可能である。
【０１７６】
以上、本発明の実施形態に係る温度測定方法が有する特徴１〜３について説明した。この本実施形態に係る温度測定方法は、上記特徴１〜３に加えて、更に、測定精度を維持向上させるために、以下のような特徴４，５をも有する。
【０１７７】
特徴４：放射率の経時変化への対処
特徴５：炉内の迷光量分布等から規定される温度既知物体の位置
【０１７８】
そこで次に、この特徴４，５について説明する。
【０１７９】
［４−１−４．特徴４］
特徴４：放射率の経時変化への対処
【０１８０】
この特徴４について説明すれば、以下の通りである。
温度既知物体として金属保護管付き熱電対を用いた場合は、長期間の使用などによる酸化の影響等によって、温度既知物体の放射率が、若干変化する可能性がある。また、セラミック製保護管付き熱電対を用いた場合では酸化の恐れはないが、煤や炉内ダスト等の付着による放射率変化の可能性は排除できない。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、このような温度既知物体の放射率の経時変化に対して、以下に示す手段により対処することができる。
【０１８１】
手段１：放射率の経時変化の把握方法
一般に、物体表面の放射率を測定するためには、迷光の無い条件下でその物体の温度と輝度を測定する必要がある。よって、物体を炉内に設置したままでは、放射率の把握は困難である。しかし、炉の操業条件が一定ならば、炉内の迷光量分布に変動は無く、温度既知物体からの放射輝度と炉の内壁からの放射輝度の関係は一定と考えられる。この現象を利用し、撮像装置の視野内の炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を長期的に記録し、同一温度条件での傾向管理を行なうことによって放射率の経時変化の有無を把握、管理することができる。例えば、炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差の変化が、所定の閾値を超えた場合などに、温度既知物体の放射率が変化したと判断することができる。そして、放射率が変化した場合、温度測定精度を保つために、以下の手段２による対処を採ることができる。
【０１８２】
手段２：放射率の経時変化が生じた場合の対処方法
温度既知物体を新品に交換することが最良の手段である。交換することが不可能であり、かつ、上記手段１の傾向管理データから放射率の変化値が推定できる場合には、以下の方法によって補正してもよい。即ち、上述の特徴１の手段２で導出した迷光量Ｊを計算する以下の式１１７（上記式１０５）において、標準の放射率εの代わりに経時変化後の放射率εｘを用いた式１１８により、迷光量Ｊを計算する。
【０１８３】
【数１６】
・・・（式１１７）
・・・（式１１８）
【０１８４】
迷光量Ｊを計算した後は、上記特徴１の手順５項以降を、前述の計算手順に従って計算し、迷光補正後温度を算出する。この方法によって放射率の経時変化に対する補正計算を行なった例を、図９に示す。図９に示すように、温度既知物体の放射率が、基準の放射率０．８６に対して経時的に上昇した場合、補正後の温度は低下していく。しかしながら、本実施形態に係る温度測定方法によれば、上記の特徴４を用いて計算することにより、正しい温度９００℃の出力を得ることができる。
【０１８５】
つまり、本実施形態に係る温度測定方法は、この特徴４を有することにより、温度既知物体の放射率の経時変化等による影響を低減させて、長期間の使用に対しても、温度測定精度を維持させることができる。
【０１８６】
経時変化後の放射率εｘ
なお、ここで使用した経時変化後の放射率εｘは、以下のように導き出すことができる。
上述の通り、手段１では、撮像装置の視野内の炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を長期的に記録する。この際、炉内において放射率の経時変化が比較的安定して変化がほとんど無いとみなされる部位、例えば長期間補修改修を行っていない炉壁の輝度と、温度既知物体輝度との差もあわせて記録する。以下、この部位を「比較部位」ともいう。なお、炉内壁が比較部位である場合、手段１で記録する炉内壁輝度を比較部位の輝度とすることができる。
【０１８７】
ここで比較部位の見掛けの輝度をＧｗとし、温度既知物体輝度をＧｔとする。つまり、比較部位輝度Ｇｗと温度既知物体輝度Ｇｔとの差ΔＧ（＝Ｇｔ−Ｇｗ）の変化を長期間記録することになる。なお、撮像装置が計測する「見掛けの輝度Ｇ」は、上記式１０８で表されるので、初期の温度既知物体（Ｇｔ１）、初期の比較部位（内壁等）（Ｇｗ１）、長期間経過後の温度既知物体（Ｇｔ２）、長期間経過後の比較部位（Ｇｗ２）の見掛け輝度は、それぞれ下記のようになる。
【０１８８】
【数１７】
・・・（式Ａ１）
【０１８９】
この式Ａ１中、Ｅｔは、温度既知物体の黒体輝度、Ｊｔは、温度既知物体の迷光量、εｗ、比較部位の放射率、Ｅｗは、比較部位の黒体輝度、Ｊｗは、比較部位の迷光量である。ここで、比較部位は、放射率の経時変化が比較的安定して変化がほとんど無いとみなされる部位であるため、比較部位の放射率は、期間経過前後においてεｗで一定となる。また、測定時の温度を一定とすることにより、既知物体の黒体輝度Ｅｔも、期間経過前後において変化しない。更に、炉内迷光条件が大きく代わることは少ないため、既知物体の迷光量Ｊｔ及び比較部位の迷光量Ｊｗも、期間経過前後において変化しない。
【０１９０】
この式Ａ１より、初期の輝度差ΔＧ１と、期間経過後の輝度差ΔＧ２とは、以下式Ａ２と式Ａ３とのようになる。
【０１９１】
【数１８】
・・・（式Ａ２）
・・・（式Ａ３）
【０１９２】
よって、輝度差ΔＧの経時変化量（ΔＧ２−ΔＧ１）は、下記式Ａ４のように計算できる。
【０１９３】
【数１９】
・・・（式Ａ４）
【０１９４】
この式Ａ４より、温度既知物体の放射率の変化量（εｘ−ε）は、見掛け輝度差の経時変化量（ΔＧ２−ΔＧ１）に比例することが判る。
【０１９５】
ここで、（εｘ−ε）と（ΔＧ２−ΔＧ１）との比例定数をＫ（＝Ｅｔ−Ｊｔ）とすると、この比例定数Ｋは、以下のように求めることができる。
【０１９６】
Ｅｔは、温度既知物体の黒体輝度であるため、既知の温度値から、上記式１０３により計算することができる。一方、Ｊｔは、温度既知物体の受ける迷光量であるため、上記式１０４と式１０５により、撮像装置の出力Ｌから算出することができる。従って、これらの測定及び計算を予め行うことにより、比例定数Ｋ（＝Ｅｔ−Ｊｔ）を求めることができる。また、式Ａ４は、下記式Ａ５のように計算できる。
【０１９７】
【数２０】
・・・（式Ａ５）
【０１９８】
よって、この式Ａ５に、算出した比例定数Ｋと、見掛け輝度差の経時変化量（ΔＧ２−ΔＧ１）とを代入することにより、経時変化後の温度既知物体の放射率εｘを求めることができる。なお、長期間経過後の比較計算は、比例定数Ｋを算出した炉内条件で行うので、ＥｔとＪｔは変わらないものとすることができ、予め算出した比例定数Ｋを、例えば温度既知物体を交換するまで使用することが可能である。
【０１９９】
なお、この経時変化後の温度既知物体の放射率εｘを計算は、炉内の状況（温度および迷光量）が同等の条件であるデータを用いて行われる必要がある。よって、測定して記録した長期間のデータのうちの既知温度計温度及び比較部位（炉壁内面等）の温度が初期とほぼ同等であり、かつ、炉の操業条件（炉内迷光条件）がほぼ同一である時間帯のデータを多数抽出し、その平均値を用いて、放射率εｘを計算することが望ましい。また、データの分散から統計的手法によって結果の確かさの検定を行うことも可能である。
【０２００】
［４−１−５．特徴５］
特徴５：炉内の迷光量分布等から規定される温度既知物体の位置
【０２０１】
この特徴５について説明すれば、以下の通りである。
上記のように、本実施形態では、炉内ガス等による反射・吸収が起こらない波長を使用するなどにより、温度既知物体は鋼材の近傍に配置される必要はないが、この波長においても、炉内の迷光は位置による分布がある。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、測定精度を更に高めるために、温度既知物体は、鋼材位置の迷光量と同等の迷光量となる位置に置く。迷光分布等による温度既知物体の位置の制約は、次の３つの条件によって規定される。
【０２０２】
条件１：炉内迷光分布上、鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
条件２：鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
条件３：鋼材との間に火炎を挟まない位置
【０２０３】
以下、それぞれの条件について述べる。
【０２０４】
条件１：炉内迷光分布上、鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
炉の内壁に温度分布がある場合、炉内壁近傍では、近くの炉内壁の温度の影響を強く受けるため、迷光量が炉内の一般部分とは異なる場合がある。一部の炉内壁温度が異なる場合について、発明者らのデータに基づいて、迷光量を算出した結果を図１０に示す。炉内壁温度１２００℃に保持した炉において、一部の炉内壁を１１００℃としたときの迷光分布である。図１０の横軸は１１００℃の炉壁からの距離である。炉内壁より０．２５ｍ未満の領域における迷光量は、他の位置の迷光量と著しく異なる。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、温度既知物体を炉内壁から０．２５ｍ以上離れた位置に配置することにより、炉内壁の温度分布による炉内迷光分布による影響を低減して、温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２０５】
条件２：鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
一般的には、物質によっては、表面の放射率が、放射方向によって異なる場合がある。これは例えば化学工学便覧改訂３版の図２．８１に例示されている。一方、本実施形態に係る温度測定方法では、温度既知物体と鋼材とを撮像装置の同一視野内に置いて、輝度の比較によって補正計算を行なう。従って、鋼材の放射率が温度既知物体の放射率に対して変化しないよう、鋼材の測定表面に対する角度が、放射率が変化しない範囲の角度となる位置に、温度既知物体を配置して両者を撮像装置の視野内に収めなければならない。
【０２０６】
このような問題点に想到した発明者らは、鋼材（鋼材）を用い、種々の角度に温度既知物体を配置して、鋼材の温度測定を上述の方法で行い、誤差の大きさから、角度の限界を判定した。その結果、図１１に示す如く、この角度は、１３度以上にすることが必要であるとの結論が得られた。
【０２０７】
そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、鋼材の測定表面に対する角度が１３度超過となる位置に、温度既知物体を配置することにより、鋼材の放射率の変化による温度測定への影響を低減させて、温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２０８】
条件３：鋼材との間に火炎を挟まない位置
本実施形態では、燃焼ガス中の熱放射ガスである二酸化炭素と水蒸気の放射スペクトルを避けた単色光例えば波長１μｍの放射を計測するので、全波長放射測定型の温度計に較べて、火炎の影響は受けにくい。しかし、火炎には熱放射性のフリーラジカル等が含まれるので、鋼材との間に火炎が介在すると迷光補正誤差が生ずる可能性がある。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、鋼材と温度既知物体及び撮像装置との間に火炎を挟まない位置関係を保持することにより、火炎による影響を低減させる。この位置関係は、本技術を適用する炉の鋼材と火炎との位置関係により規定される。具体的には、図１２に示すように、被測定点（鋼材）から火炎の端までの水平距離をＸ１、被測定点から火炎下端までの高さをＹ１、被測定点から温度既知物体までの水平距離をＸ０、高さをＹ０とするとき、温度既知物体の位置は、下記式１１９を満たすように設定される。
【０２０９】
【数２１】
・・・（式１１９）
【０２１０】
以上、条件１〜３を総合し、炉内の迷光分布等によって規定される、温度既知物体の位置は、下記の様に示される。
【０２１１】
つまり、この位置は、
条件１：炉の内壁からの距離が０．２５ｍ以上であり、
条件２：被測定点と温度既知物体とのなす角度が、被測定点の表面に対して１３度以上であり、
条件３：被測定点から火炎の端までの水平距離をＸ１、被測定点から火炎までの高さをＹ１、被測定点から温度既知物体までの水平距離をＸ０、高さをＹ０とするとき上記式１１９を満たすように設定される。
【０２１２】
この温度既知物体の位置を例示すれば、図１２の斜線範囲である。本実施形態に係る温度測定方法は、この範囲内に温度既知物体を配置することにより、鋼材の温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２１３】
以上、本発明の実施形態で使用される温度測定方法について説明した。
次に、このような方法を実際に実行する本実施形態に係る温度測定装置例について説明する。
【０２１４】
＜４−３．本実施形態に係る温度測定装置例＞
図１２に示すように、温度測定装置１００は、加熱炉１内に配置された鋼材Ｆの温度を測定する。図１２では、加熱炉１として、バーナ２（リジェネバーナ、サイドバーナ、ルーフバーナ、軸流バーナ等の様々なバーナの例。）によって加熱を行う炉を例示しているが、本実施形態に係る温度測定装置１００を適用可能な加熱炉１は、この例に限定されるものではない。なお、上記本発明の実施形態に温度測定装置１００を使用する場合、撮像装置１１０及び温度既知物体１２０は、炉側壁又は炉天井から挿入等することが望ましい。つまり、この場合、図１２に示す横方向が炉幅方向に相当することになる。
【０２１５】
温度測定装置１００は、図１２に示すように、撮像装置１１０と、温度既知物体１２０と、演算部１３０と、表示部１４１と、記憶部１４２とを有する。
【０２１６】
撮像装置１１０は、輝度計測部の一例であって、鋼材Ｆと温度既知物体１２０とを同一視野内に収めて撮像することが可能なように配置される。図１２では、撮像装置１１０が加熱炉１内に挿入された場合を示しているが、この場合、撮像装置１１０は、耐熱構造を有する。また、撮像装置１１０は、加熱炉１内部を撮像可能であればよいので、例えば、加熱炉１に耐熱ガラスなどにより窓を設けて、撮像装置１１０を加熱炉１の外部に配置することももちろん可能である。
【０２１７】
また、撮像装置１１０は、例えば、上記特徴１を満たすように、所定の波長の輝度を撮像可能なように波長選択フィルタ等（図示せず）を有する。この波長選択フィルタは、波長選択部の一例であって、所定の波長の光を透過する。この波長選択部としては、波長選択フィルタに限定されるものではない。例えば、撮像装置１１０が、撮像可能な全波長帯域（又は所定の波長帯域）の輝度を撮像し、画像解析部１３１が、所定の波長の光のみを抽出することも可能である。この場合、画像解析部１３１が波長選択部を兼ねることになる。また、撮像装置１１０の撮像素子として、所定の波長の単色輝度のみを撮像するような素子を使用することも可能である。この場合、撮像装置１１０が波長選択部を兼ねることになる。
【０２１８】
このような撮像装置１１０としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）などのイメージセンサを使用したカメラを使用することができるが、例えば、ＩＰ（イメージングプレート）などのように、撮像画像中の輝度値を蓄積することが可能な構成であればどのような構成であってもよい。そして、このような撮像装置１１０からは、撮像画像中の各画素に受光された輝度値が、電気信号として出力される。
【０２１９】
一方、温度既知物体１２０は、上記特徴１、特徴２及び特徴５を満たす位置に配置され、例えば、保護管と、その保護管内部に挿入された温度計とを有する。保護管としては、例えば、上記特徴３で規定した放射率を満たす材質で構成される。金属材が鋼材Ｆの場合、このような材質としては、例えば、アルミナ、アルミナ・シリカ系、シリコンカーバイド、石英等のセラミックス材料や、インコネル、ハステロイ、ステンレス等の金属材料が挙げられる。また、温度計としては、例えば、熱電対温度計や抵抗温度計などの接触式温度計を使用することができる。熱電対温度計としては、例えば、白金−白金ロジウム熱電対などが挙げられ、抵抗温度計としては、例えば、白金抵抗温度計などが挙げられる。しかしながら、これらの温度計は、加熱炉１の温度や測定したい温度帯域に併せて適宜変更される。この温度既知物体１２０の温度は、演算部１３０（迷光計算部２２）に出力される。
【０２２０】
演算部１３０は、撮像装置１１０による撮像画像を解析して、鋼材Ｆの単色輝度から、鋼材Ｆの温度を算出する。その際、演算部１３０は、この温度を上述の通り迷光補正する。そのために、演算部１３０は、図１２に示すように、画像解析部１３１と、迷光算出部１３２と、迷光補正部１３３と、温度算出部１３４と、放射率変更部１３５と、記憶部１３６とを有する。
【０２２１】
画像解析部１３１は、撮像装置１１０が撮像した撮像画像（単波長の輝度値を含む画像）を解析し、温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値と、鋼材Ｆの輝度値に相当する出力値とを算出する。そして、画像解析部１３１は、それぞれ温度既知物体１２０に対する出力値を、迷光算出部１３２に出力し、鋼材Ｆの輝度値に対する出力値を、迷光補正部１３３に出力する。この際、画像解析部１３１は、温度既知物体１２０が上記特徴１及び特徴２を有する位置に配置されるため、複数の画素の平均値から温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値を算出することができ、同様に、鋼材Ｆに対しても平均値を使用することができる。従って、温度の算出精度誤差を低減することができる。
【０２２２】
迷光算出部１３２は、温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値に基づいて、上記特徴１の手順２〜手順４を実行し、迷光量Ｊを算出する。なお、手順１は、既に処理されており、上記式１及び式２等は、既に迷光算出部１３２に記録されており、迷光算出部１３２は、記録している式１及び式２を使用して、手順２〜手順４を実行する。
【０２２３】
迷光補正部１３３は、温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値と、迷光算出部１３２が算出した迷光量Ｊとに基づいて、上記特徴１の手順５及び手順６を実行して迷光補正し、鋼材Ｆの黒体輝度を算出する。
【０２２４】
温度算出部１３４は、迷光補正部１３３が算出した鋼材Ｆの黒体輝度に基づいて、上記特徴１の手順７を実行して、迷光補正した鋼材Ｆの温度を算出する。そして、この算出結果は、表示部１４１に表示されたり、記憶部１４２に記録されたりする。なお、表示部１４１は、例えば、ブラウン管（ＣＲＴ：Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）・液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）・プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）・電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）・有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬ、ＯＥＬＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）・ビデオプロジェクタなどが使用可能である。
【０２２５】
一方、画像解析部１３１は、更に加熱炉１の炉内壁の輝度に相当する出力値を抽出して、放射率変更部１３５に出力する。そして、放射率変更部１３５は、この出力値から、炉内壁輝度を算出し、炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を記憶部１３６に記録する。放射率変更部１３５及び記憶部１３６は、これらの情報を使用して上記特徴４を実行し、迷光算出部１３２が使用する温度既知物体１２０の放射輝度を適宜更新する。
【０２２６】
なお、演算部１３０は、例えば、汎用又は専用のコンピュータで構成されてもよい。そして、このコンピュータに上記各構成の機能を実現させるプログラムを実行させることにより、演算部１３０を構成することができる。なお、コンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録装置と、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）・インターネット等のネットワークに接続された通信装置と、マウス・キーボード等の入力装置と、フレキシブルディスク等の磁気ディスク、各種のＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）・ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）ディスク・ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体等を読み書きするドライブと、モニタなどの表示装置・スピーカやヘッドホンなどの音声出力装置などの出力装置等と、を有してもよい。そして、このコンピュータは、記録装置・リムーバブル記憶媒体に記録されたプログラム、又はネットワークを介して取得したプログラムを実行することにより、演算部１３０の各構成の機能を実現することができる。
【０２２７】
＜４−４．本実施形態に係る温度測定装置による測定例＞
次に、本発明の実施形態に係る温度測定方法及び温度測定装置により、金属材として、燃焼炉（加熱炉１の一例）内に配置された鋼材Ｆ表面温度を測定した例を示す。ここで使用した燃焼炉は、長さ８ｍ（上記加熱炉１の場合の炉幅方向に相当）、幅２ｍ、高さ２ｍであり、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）により鋼材Ｆを加熱する。鋼材Ｆは、およそ５ｍ、厚み５０ｍｍである。撮像装置１１０は、画素３８万個のＣＣＤカメラを用いた。ＣＣＤカメラは波長フィルタ機能を有しており、この波長フィルタ機能により、波長１．０±０．２μｍの単波長の放射光を測定した。なお、この際、波長フィルタ機能は、±０．２μｍ程度の幅を有しているため、撮像装置１１０は、実際には波長０．８〜１．２μの放射光のみを計測することになるが、この程度の幅の波長は、実用上及び工業上、単波長とみなすことができる。従って、撮像装置１１０は、厳密な単波長光を撮像する必要はなく、工業的に単波長とみなせる程度の波長の光を撮像すればよい。
【０２２８】
放射温度計検定業者に依頼して温度計検定用黒体炉の温度とＣＣＤカメラの出力値との関係を検定した。検定温度範囲は９００℃から１２５０℃である。得られた検定データを用いて、最小二乗法による当てはめ計算を行ない、上記迷光補正計算手順の中の撮像装置１１０の特性式２０（上記式１０２）の具体的な形として、下記式２１を得た。
【０２２９】
【数２２】
・・・（式２０）
・・・（式２１）
【０２３０】
ここで、ＧはＣＣＤカメラのゲイン設定値、ＳＳはシャッター速度設定値、ＬはＣＣＤカメラの出力であり、また、Ｅは黒体炉の温度に対応する輝度であって、検定を行なった温度、９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃、１２５０℃のそれぞれについて、上記で説明したＰｌａｎｃｋの式で計算される値である。具体的な計算方法としては、Ｅを従属変数とし、Ｇ、ＳＳ、及びＬを独立変数として非線形最小二乗法によって、式の中の５個の係数を決定した。この特性式は、本実施例で用いたＣＣＤカメラに特有のものであり、ＣＣＤカメラの機種が異なる場合や、ＣＣＤカメラ以外の撮像装置１１０を用いる場合には、個別に作成しなければならない。
【０２３１】
ＣＣＤカメラは、図１３に示すように、炉の側壁に開口した測定口から斜め下方に向けて挿入した。鋼材Ｆの最も遠方の測定点（位置１）からカメラまでの水平距離は６ｍ、鋼材Ｆの置かれた水平面からＣＣＤカメラまでの高さは１．６ｍである。これは、ＣＣＤカメラの先端と、鋼材Ｆの最も遠方の測定点（位置１）を結ぶ線上に火炎が入らない位置関係になっている。ＣＣＤカメラの中心線は、鋼材Ｆの中央（位置２）に向けてあり、具体的には伏角２１度である。この伏角は、鋼材Ｆ表面全体即ち位置１から位置３までをカメラの視野におさめるために選択したものであり、炉の形と鋼材が置かれる位置を考慮して適宜決定すればよい。このように鋼材Ｆ表面全体を視野内におさめることにより、温度測定装置１００は、鋼材Ｆの表面全体の温度分布を測定することが可能である。
【０２３２】
温度既知物体１２０は、保護管付き熱電対を用い、外径は１７ｍｍである。この保護管付き熱電対は、ＣＣＤカメラ先端から０．２ｍ下の位置に水平に挿入し、炉壁の内面から炉内側に０．３ｍ突き出して、先端部分がＣＣＤカメラの視野内に入っている。ＣＣＤカメラの視野内に入る位置関係であれば、必ずしも水平に挿入する必要はなく、炉の構造によっては天井に開口して垂直に挿入する方が強度面で有利な場合もある。この熱電対は温度既知物体として働くものであるので、外側を覆う保護管は放射率が、既知のものでなければならない。本実施例では放射率０．８５のアルミナ・シリカ系セラミック保護管を用いた。
【０２３３】
この実施例では、鋼材Ｆの放射率は０．８６であったので、上記熱電対保護管の放射率とほぼ同一であるが、上記特徴３を満たす範囲内であれば、放射率が異なっていてもよい。熱電対の種類は、ＪＩＳＢ型熱電対を使用した。熱電対の種類は使用する温度によって適宜選択すればよい。また、熱電対でなく他の温度センサー、例えば白金抵抗温度計等を使用してもよい。
【０２３４】
ＣＣＤカメラの視野角は左右６０度上下４５度と十分に大きく、鋼材Ｆ以外に炉の内壁面をも視野内に納めている。炉の内壁面の輝度と熱電対保護管表面の輝度とは熱電対に接続された記憶部１３６によって長期間保存され、その差の傾向管理を行なって熱電対保護管の放射率の経年変化を把握し、変化が生じた場合は、輝度の差が等しくなるよう、迷光計算に用いる温度既知物体放射率を補正する。この補正にあたっては、保存されたデータのうち、炉内温度がある一定温度（この実施例においては１１９０℃〜１２１０℃の範囲）であり、かつ、温度既知物体の温度がある一定温度（この実施例においては１１７０℃から１１９０℃）の範囲のデータのみを抽出することにより、炉内の熱放射条件が相等な条件で行った。
【０２３５】
温度既知物体のＣＣＤカメラでの輝度測定範囲は、表面約１０ｍｍ径の円形部分であり、画素数約２００個の平均値を計測した。鋼材Ｆの温度は、９００℃から１２５０℃までの範囲である。図１３に示された位置１、位置２、位置３の３点を計測した。位置１はＣＣＤカメラから水平距離で約６ｍ、位置２は約４ｍ、位置３は約２ｍ離れた位置である。
【０２３６】
上記本実施形態に係る温度測定方法によって迷光補正計算を行い、鋼材Ｆの各位置に埋め込んだ熱電対温度計によって計測した温度と比較した結果を図１４に示す。図１４中、縦軸は、本実施形態に係る温度測定方法により迷光補正計算を行った計測温度であり、横軸は、埋め込み熱電対実測温度である。また、図１４中の実線は、本方法による計測温度（迷光補正後）と、埋め込み熱電対実測温度が一致している線（横軸＝縦軸）を表す。図１４に示すように、各位置１〜３における測定点は、実線上に位置しており、埋め込み熱電対実測温度と、本方法による計測温度（迷光補正後）が良好な一致を示した。従って、本実施形態に係る温度測定方法が精度よく鋼材Ｆの温度を測定することが可能であることが判る。なお、本実施形態に係る温度測定方法は、更に、この位置１〜３のように、鋼材Ｆの撮像画像中の各箇所について温度を測定することにより、鋼材Ｆの表面温度分布を非常に精度良く測定することが可能である。
【０２３７】
＜４−５．本実施形態に係る温度測定装置等による効果の例＞
最後に、本発明の実施形態で使用される温度測定方法等による効果が判りやすいように、上記特許文献４〜６に対する有利な効果の例を説明する。ただし、ここで説明する効果は、あくまで一例であって、本実施形態に係る温度測定方法等による効果を限定するものではないことは言うまでもない。
【０２３８】
［４−５−１．特許文献４］
上記特許文献４に記載の温度測定方法では、温度測定物体の表面に遮蔽板を設けて炉内迷光を遮断する。そして、遮蔽板は、水冷して遮蔽板自体からの熱放射を防いでいる。遮蔽板の発する放射による誤差は、遮蔽板の温度Ｔ２を実測し、見掛け放射エネルギーＧ１から下記の式２２により補正後真温度Ｔ１を得る。なお、Ｅｂ（Ｔ）は温度Ｔにおける放射エネルギーを表す。
【０２３９】
【数２３】
・・・（式２２）
【０２４０】
この特許文献４では、鋼材の近くに遮蔽板を置く必要がある。しかし、鋼材が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼材の動きによって遮蔽板が破損する恐れがある。鋼材の移動に応じて遮蔽板が移動する機構を設ければ測定システム自体が複雑になる。また、遮光板で迷光を完全に遮断することは困難であり、迷光の経路によっては、精度が低下してしまう可能性がある。
【０２４１】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、鋼材の近くに構造物を置く必要性がない。従って、本実施形態に記載の温度測定方法等は、上記特許文献４に対して、遮蔽板、その水冷装置、複雑な測定システムなどを使用する必要が無く、簡単な装置構成により温度を測定することができる。また、この温度測定方法等では、迷光量を算出して、迷光補正を行うため、遮光板で遮断しきれないような迷光の影響も低減させることができ、高精度の温度測定が可能である。
【０２４２】
［４−５−２．特許文献５］
特許文献５に記載の温度測定方法では、炉壁の実測温度Ｔｗと炉壁実効温度Ｔｗ’を用い、輝度Ｌを表す下記の式によって放射温度計の見掛け温度Ｓから補正した表面温度Ｔを得る。
【０２４３】
【数２４】
・・・（式２３）
【０２４４】
この際、上記の炉壁実効温度Ｔｗ’は、炉壁に２ヶ所以上設置した温度計の実測温度Ｔｗ１，Ｔｗ２，…Ｔｗｎの輝度の一次式２４により算出する。
【０２４５】
【数２５】
・・・（式２４）
【０２４６】
この一次式の係数ａ１，ａ２，…ａｎは、実験等によりあらかじめ炉体形状及び鋼材の寸法に適合した値に設定しておく。
【０２４７】
この特許文献５では、炉内における迷光の光源は、主に火炎と炉壁である。しかしながら、この特許文献５では、炉壁からの迷光の影響はある程度補正できるが、火炎からの放射エネルギーが変化した場合の補正が困難である。火炎を用いない加熱炉や火炎の温度や大きさが常に一定の加熱炉ならば火炎から発する迷光は、係数ａ１，ａ２，…ａｎに一定値として含まれるが、火炎が変動すれば、この係数ａ１，ａ２，…ａｎは変わるものと考えられる。一般に、加熱炉では被熱物の量及び到達温度に応じて温度を適正に制御するために燃焼装置の燃焼量を適宜調節するので火炎状態は時間と共に変化する。これに対して、特許文献２では、火炎の変化に応じた補正手段は示されていない。従って、この特許文献５を、火炎を用いる加熱炉に適用することは困難である。
【０２４８】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、炉壁から発する迷光と火炎から発する迷光がいずれも温度既知物体に照射されるように、温度既知物体を炉内空間に配置する。また、火炎と鋼材及び温度既知物体との位置関係を上記特徴５に示すように規定する。従って、本実施形態に記載の温度測定方法等では、火炎の放射エネルギーの変動に対しても適正な補正を行うことが可能である。
【０２４９】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、炉壁から発する迷光と火炎から発する迷光がいずれも温度既知物体に照射されるように、温度既知物体を炉内空間に配置する。また、火炎と鋼材及び温度既知物体との位置関係を上記特徴５に示すように規定する。従って、本実施形態に記載の温度測定方法等では、火炎の放射エネルギーの変動に対しても適正な補正を行うことが可能である。
【０２５０】
［４−５−３．特許文献６］
特許文献６については、上記関連技術で説明した通りであり、上記の説明において詳しく本発明の一実施形態による効果等を説明したが、本発明の実施形態に係る温度測定装置は、更に、温度既知物体を鋼材から離れたカメラの近傍に設置し、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長の単色輝度を撮像する等によって、上記特許文献４で説明した鋼材の移動による種々の障害を回避するとともに、通常小さな物体である温度既知物体の画角を大きくして十分な画素数を得、かつ、迷光補正精度を高めることが可能である。
【０２５１】
なお、上記実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る温度測定方法等の特徴が判りやすいように、特徴１〜特徴５と区分して説明した。しかしながら、この特徴１〜特徴５は、本発明の第１の実施形態の特徴を限定するものではなく、本発明の第１の実施形態の特徴は、各特徴１〜特徴５で詳細に説明した中に記載された各特徴をも含むことは言うまでもない。
【０２５２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２５３】
１ 加熱炉
２ バーナ
１０ 加熱制御装置
１１ 位置決定部
１２ 管理点温度特定部
１３ 管理点温度記憶部
１４ 昇温速度算出部
１５ 判定部
２３ 加熱炉制御部
１００ 温度測定装置
１１０ 撮像装置
１２０ 温度既知物体
１３０ 演算部
１３１ 画像解析部
１３２ 迷光算出部
１３３ 迷光補正部
１３４ 温度算出部
１３５ 放射率変更部
１３６ 記憶部
１４１ 表示部
１４２ 記憶部
２００ 雰囲気温度測定装置
２３１ 炉温制御部
２３３ 搬送速度制御部
Ｆ 鋼材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、置き割れの発生を防ぐフェライト系ステンレス鋼の加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃｒを高純度で含有し、Ｃ及びＮの含有量を低減したいわゆる「フェライト系ステンレス鋼」は、例えば、建材・電気部品・自動車など様々な用途で使用されている。しかしながら、フェライト系ステンレス鋼は、下記特許文献１及び特許文献２に開示されているように、例えば、連続鋳造後の冷却中・冷却後の鋳片表面手入れ中・次工程の熱間圧延工程の加熱中などにおいて、鋼材の断面に貫通した割れ（以下「置き割れ」とも言う。）が発生することがある。
【０００３】
この置き割れが発生すると、圧延に供することができず屑化されるため、それまでの製造でかかったコストが無駄になる他、例えば、加熱中における鋳片破断・炉内落下による圧延中断などの不具合により、能率が低下する。従って、置き割れの発生は、製造コストや製造能率に大きな影響を与えてしまう。
【０００４】
このような置き割れは、連続鋳造から加熱炉による加熱までの間における冷却又は加熱により、熱応力による残留レベルがその鋼材温度における破断限界を超えた場合に発生する、という知見がある。この残留応力を低位に抑制するために、例えば、連続鋳造中の水冷条件・その後の空冷条件・手入れ中の鋼材の温度など、各種の条件を試行錯誤しながら改善が図られている。その結果、フェライト系ステンレス鋼の製造開始当初に比較すると、置き割れの発生を低減することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３２８２１４号公報
【特許文献２】特開平６−３４６１４３号公報
【特許文献３】特開昭６２−５６５１７号公報
【特許文献４】特開６１−２９２５２８号公報
【特許文献５】特開６２−２２０８９号公報
【特許文献６】特開２００５−１３４１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの改善として、例えば特許文献１〜３に開示されたような製造方法が挙げられる。特許文献１の製造方法では、連続鋳造機での鋳片凝固完了直後の鋳片温度を、鋳片広面中央表面温度と、鋳片狭面中央温度との温度差が、２００℃以内となるように冷却を制御する。それと共に、その鋳片を、一旦、空冷又は保温ピット内で常温まで冷却する。その後、熱間圧延のために再び再加熱する際に、鋳片中央部の温度が２００℃になるまで、鋳片温度を、広面中央部表面温度と狭面中央部表面温度との温度偏差が２００℃以内となるように制御する。
【０００７】
また、特許文献２の製造方法では、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼を常温まで冷却する過程において、鋳片の広面が３００℃以上の温度領域で、鋳片端部温度を広面中央部温度以上に一時的に加熱すると共に、冷却速度を４０℃／ｈｒ以下に保つ。
【０００８】
更に、特許文献３の製造方法では、フェライト系ステンレス鋼の連続鋳造鋳片又はその鋳片を分塊圧延した鋳片を、その鋳片又は鋳片の表面温度と経過時間の関係を示す図において、危険域（高温側及び低温側）を通過しないように冷却する。
【０００９】
これら特許文献１〜３の製造方法は、温度差又は冷却速度を制限することにより、鋼材に発生する熱応力を低減するものであり、また、特許文献３で記載されている高温側危険域は、鋼を脆化させる金属間化合物の発生を抑制するものである。
【００１０】
しかしながら、連続鋳造工程から熱間圧延前の加熱炉に到る操業条件の中で、例えば、鋳造速度の変動・手入れ時間変動による手入れ終了温度のバラツキ・加熱炉装入温度や昇温速度・温度分布のバラツキなど、置き割れに影響する変動要因は多岐にわたる。これらの様々な要因が変動する結果、上記特許文献１〜３の製造方法であっても、十分に置き割れの発生を防止することは困難であった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、置き割れが発生する確率を更に低減させつつ、フェライト系ステンレス鋼を加熱することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼の加熱方法が提供される。
【００１３】
ここで、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記鋼材の表面温度が２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、２００〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することが好ましい。
【００１４】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記表面温度を特定する前記鋼材上の位置である温度特定位置を予め定めておき、前記鋼材の表面温度が７００℃に達する前に、前記加熱炉で昇温中の前記鋼材の前記温度特定位置における表面温度を、第１の時刻と当該第１の時刻から所定時間経過した第２の時刻とで測定し、測定した前記表面温度と、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの経過時間とに基づいて、前記鋼材の表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度を予測し、前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記加熱炉を制御してもよい。
【００１５】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体を、輝度計測部の近傍に設置しておき、前記鋼材の表面温度測定では、前記輝度計測部を用いて、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を有する単色輝度により、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーを計測し、計測した前記単色輝度を迷光補正して、前記鋼材の温度を求めてもよい。
【００１６】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記鋼材の温度を求める際に、前記温度既知物体の放射エネルギーと、当該温度既知物体の温度とに基づいて、迷光量を算出し、算出した前記迷光量と、前記鋼材の放射エネルギーとに基づいて、当該鋼材の温度を算出してもよい。
【００１７】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記輝度計測部は、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーの単色輝度分布を所定の画素数の画像として撮像する撮像装置であり、前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が２５画素以上となる位置に配置されてもよい。
【００１８】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が１００画素以上となる位置に配置されてもよい。
【００１９】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体の放射率は、前記鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲内であってもよい。
【００２０】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記輝度計測部を用いて、前記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを更に計測し、当該炉内壁と前記温度既知物体との放射エネルギーの差を記録し、記録した前記放射エネルギーの差に基づいて、前記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握してもよい。
【００２１】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体の放射率の経時変化が生じた場合、経時変化後の放射率を算出し、当該経時変化後の放射率を使用して、前記迷光補正を行ってもよい。
【００２２】
また、前記フェライト系ステンレス鋼の加熱方法において、前記温度既知物体は、以下の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の条件のうち、少なくともいずれかを満たす位置に配置されてもよい。
（Ａ）炉内迷光分布上、前記鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
（Ｂ）前記鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）前記鋼材との間に火炎を挟まない位置
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように本発明によれば、置き割れが発生する確率を更に低減させつつ、フェライト系ステンレス鋼を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る加熱制御装置及び加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図１Ｂ】同実施形態に係る加熱制御装置及び加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図２】同実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について説明するための説明図である。
【図３】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【図４】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【図５】本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【図６】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴２について説明する説明図である。
【図７】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴３について説明する説明図である。
【図８】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴３について説明する説明図である。
【図９】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴４について説明する説明図である。
【図１０】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴５の条件１について説明する説明図である。
【図１１】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴５の条件２について説明する説明図である。
【図１２】同実施形態に係る温度測定方法が有する特徴５について説明する説明図である。
【図１３】同実施形態に係る温度測定方法の実施例について説明する説明図である。
【図１４】同実施形態に係る温度測定方法の実施例について説明する説明図である。
【図１５】関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
【図１６】関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に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詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、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。
【００２６】
なお、以下では、本発明の各実施形態等について理解が容易になるように、まず、本発明の各実施形態の概要について説明した後、本発明の各実施形態のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について説明する。その後、本発明の各実施形態による効果の例等を、実施例と共に説明する。
【００２７】
また、本発明の各実施形態のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法で使用する加熱炉は、被加熱材であるフェライト系ステンレス鋼の鋼材の表面温度を測定することが可能な温度測定装置を有する。この温度測定装置は、鋼材の表面温度を測定することができるものであれば、様々なものを使用することが可能であるが、本発明の各実施形態では、特にその効果を高めるために、鋼材の表面温度を正確に測定可能な温度測定方法及び装置を使用する。この温度測定方法及び装置を使用することにより、各実施形態による効果を著しく高めることができる。従って、上記の内容を説明した後に、この温度測定装置について詳しく説明する。
【００２８】
つまり、以下では、本発明の各実施形態の理解が容易になるように、次の順序で説明する。
１．第１の実施形態の概要について
２．第１の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の詳細について
３．実施例について
４．第１の実施形態で使用される温度測定方法及び装置について
【００２９】
なお、以下では、説明の便宜上、加熱炉として「連続鋼材加熱炉」を例に挙げて説明する。しかし、本発明が制御する加熱炉は、上記連続鋼材加熱炉に限られるものではない。つまり、加熱炉は鋼材の加熱に通常使用される様々なものであってもよいことは、言うまでもない。
【００３０】
（１．第１の実施形態の概要について）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る加熱制御装置及び加熱炉の構成について説明するための説明図である。ここで図１Ｂは、図１Ａにおける加熱炉１をＡ−Ａ線で切断した断面図を示している。なお、図１Ａに示すように、加熱炉１の各構成は、必ずしも同一平面上には存在しない（例えば、バーナ２と温度測定装置１００）。しかしながら、図１Ｂでは、説明の便宜上、主要な各構成を同一の断面図上に示した。上述の通り、以下では、本発明の各実施形態に係る加熱制御装置が連続鋼材加熱炉に適用された場合を例に挙げて説明する。そこでまず、この加熱炉について説明する。
【００３１】
＜１−１．加熱炉＞
加熱炉１は、図１Ａに示すように、炉長方向（ｘ軸方向、搬送方向ともいう。）に、フェライト系鋼材の一例である鋼材Ｆを搬送しつつ、その鋼材Ｆを加熱する。つまり、図１Ａに示す鋼材Ｆは、図１Ｂに示すように炉幅方向（ｙ軸方向ともいう。）が長手方向となるように、加熱炉１の一側（装入側、ｘ軸負の方向側ともいう。）端部の炉壁に設けられた装入口ＩＮから装入される。そして、鋼材Ｆは、搬送装置により、加熱炉１の他側（抽出側、ｘ軸正の方向側ともいう。）端部の炉壁に設けられた抽出口ＯＵＴから抽出される。
【００３２】
なお、搬送装置としては、特に限定されるものではないが、本実施形態に係る加熱炉１では、ウォーキングビームを使用した例を示している。ウォーキングビーム式の搬送装置は、図１Ａに示すように、炉長方向と同程度の長さを有するスキッドビーム３が、複数のスキッドポスト４に支持されており、そのスキッドビーム３上に鋼材Ｆが載置される。このスキッドビーム３とスキッドポスト４との組み合わせをスキッドともいう。このスキッドは、図１Ｂに示すように、炉幅方向に複数配置される。
【００３３】
このスキッドは、固定式スキッドと、可動式スキッドとに分類され、この固定式スキッドと、可動式スキッドとが、図１Ｂに示すように交互に配置される。そして、可動式スキッドが炉高方向（ｚ軸方向ともいう。）で上下動しつつ、炉長方向（ｘ軸方向）で前後動する。その結果、鋼材Ｆは、可動式スキッドのスキッドビーム３に支持された状態から、可動式スキッドが前方に移動するとともに、前方に搬送される。その後、鋼材Ｆは、可動式スキッドが下方に移動すると、今度は固定式スキッドに支持される。そして、可動式スキッドが前方に移動した分、後方に移動した後、上昇し、再度鋼材Ｆを支持する。この可動式スキッドの動作が繰り返されることにより、鋼材Ｆは、順次炉長方向へと搬送される。
【００３４】
加熱炉１には、複数のバーナ２（またはバーナ２’）が配置されており、このバーナ２が炊かれる。従って、鋼材Ｆは、搬送装置に搬送されている間、つまり、在炉中、バーナ２から噴出されるフレーム（火炎）により加熱されることとなる。なお、図１Ａ及び図１Ｂに示す加熱炉１では、鋼材Ｆの搬送位置の上下において、図１Ｂに示すように炉幅方向の両炉壁に対向配置されて対をなしつつ炉幅方向にフレームを形成する「サイドバーナ」が使用される。しかし、このバーナ２の配置位置は、特に限定されるものではなく、例えば、炉天井や炉床に配置され、搬送方向にフレームを形成するいわゆる「軸流バーナ」であってもよい。また、バーナ２の種類も特に限定されるものではなく、例えば、気体燃料バーナ、液体燃料バーナ、リジェネレイティブ（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）バーナなど、様々なバーナを使用することが可能である。
【００３５】
加熱炉１は、制御装置（図示せず）等により、主として、搬送装置による鋼材Ｆの搬送速度、及び、各バーナ２の燃焼量などが調整されて、鋼材Ｆの加熱状態が制御される。
【００３６】
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１について説明した。
次に、本発明の第１実施形態に係る加熱制御装置１０の構成について、引き続き図１Ａ及び図１Ｂを参照しつつ説明する。
【００３７】
＜１−２．加熱制御装置の構成＞
加熱制御装置１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、温度測定装置１００と、記憶部１４２と、位置決定部１１と、管理点温度特定部１２と、管理点温度記憶部１３と、昇温速度算出部１４と、判定部１５と、加熱炉制御部２３と、雰囲気温度測定装置２００と、を有する。
【００３８】
温度測定装置１００は、鋼材Ｆの搬送方向、つまり炉長方向に沿った複数箇所にそれぞれ配置される。そして、温度測定装置１００は、配置された箇所を通過する鋼材Ｆの表面の温度分布を測定する。
【００３９】
図１Ａには、搬送方向に沿った４箇所のそれぞれに、温度測定装置１００が配置されている場合を例示している。ここでは、各温度測定装置１００を区別するために、各箇所に配置された温度測定装置１００をそれぞれ温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄとも呼ぶ。そして、温度測定装置１００と言う場合、任意の温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄを示すものとする。
【００４０】
温度測定装置１００の配置個数は、特に限定されるものではないが、少なくとも２以上配置される。そして、温度測定装置１００の配置位置も、搬送方向に沿って並べられれば特に限定されるものではない。
【００４１】
また、温度測定装置１００は、例えば放射測温を行う温度測定装置が使用されることが望ましい。しかしながら、上述の通り、温度測定装置１００は、鋼材Ｆの表面の温度分布を測定することが可能であれば、特に限定されるものではない。ただし、詳細に後述する本実施形態で使用される温度測定装置１００は、鋼材Ｆの表面の温度分布を正確に測定することが可能である。従って、ここでは、詳細に後述する温度測定装置１００が使用されることが望ましい。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、詳細に後述する温度測定装置１００が使用された場合の例を示している。従って、この温度測定装置１００は、主として放射測温を行う。従って、鋼材Ｆからの放射光が撮像可能な位置に温度測定装置１００の撮像装置１１０及び温度既知物体１２０等が配置される。
【００４２】
温度測定装置１００は、加熱制御装置１０により制御され、所定のタイミングで鋼材Ｆの温度分布を測温する。つまり、温度測定装置１００は、鋼材Ｆが測温領域Ａｒに入った場合に、その鋼材Ｆの放射輝度を撮像して、表面温度分布を撮像する。そのために、加熱制御装置１０自身は、鋼材Ｆがいずれの位置を搬送されているのかを常に追跡しておくことが望ましい。また、温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄは、少なくとも同一の鋼材Ｆを順次測温するように制御される。つまり、温度測定装置１００Ａがある一つの鋼材Ｆを撮像した場合、温度測定装置１００Ｂ〜１００Ｄは、各配置箇所（測温領域Ａｒ）をその鋼材Ｆが通過する際に、その鋼材Ｆの測温を行う。その結果、ある一つの鋼材Ｆは、全て又は２以上の温度測定装置１００により各箇所で測温される。尚、この測温対象となる鋼材Ｆは、搬送されて加熱される全ての鋼材Ｆであってもよいが、加熱制御装置１０により選択された１以上の鋼材Ｆであってもよい。
【００４３】
さらに、この測温結果は、各温度測定装置１００により記憶部１４２に記録される。この際、記憶部１４２には、ある一つの鋼材Ｆに対する測温結果は、一纏めに記録されることが望ましい。つまり、温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄによる測温結果は、互いに関連付けられるか、測温対象である一つの鋼材Ｆに全て対応付けられる。その結果、一つの鋼材Ｆに対する複数の測温結果と、他の鋼材Ｆに対する複数の測温結果とは、互いに区別される。なお、この加熱制御装置１０は、鋼材Ｆ毎にその加熱度合を制御することが可能であるため、以下では、ある一つの鋼材Ｆに対する動作及び処理等について説明し、他の鋼材Ｆに対する同様な動作及び処理等についての説明は、適宜省略する。
【００４４】
位置決定部１１は、ある一つの温度測定装置（例えば、加熱炉１内において、装入口ＩＮに一番近い位置に配置された温度測定装置）が測定した鋼材Ｆの表面温度の分布に基づいて、所定の領域内における最も温度の高い部位を決定し、鋼材Ｆの温度管理に用いる部位である温度管理点とする。なお、この温度管理点は、温度測定装置１００により測定された鋼材Ｆの表面温度の温度分布に基づいて、鋼材Ｆの表面温度を特定する温度特定位置の一例である。
【００４５】
この温度管理点は、例えば、操業実績等に基づいて決定されてもよいが、温度測定装置１００Ａによる実測から求められてもよい。この両決定方法毎に、温度管理点について説明する。
【００４６】
まず、加熱炉１における操業実績等に基づいた決定方法について説明する。
今までに加熱炉１に装入されて加熱されたことがない鋼材Ｆが加熱対象となることは、稀である。従って、この場合、位置決定部１１は、これまでの操業実績に基づいて、温度管理点を決定する。この操業実績には、例えば、過去に加熱が行われた鋼材Ｆに対する、加熱前の状態、加熱中の状態、加熱後の状態、後段の処理後の状態等の製品品質実績が含まれる。例えば、加熱後や後段の圧延等の工程後に鋼材Ｆの品質が悪化した実績がある場合、この鋼材Ｆについて、加熱前・加熱中・加熱後の少なくとも何れかにおいて、表面温度が最高となる位置を特定しておき、操業実績として、この最高温度位置を予め記録しておく。この位置の特定は、本実施形態に係る加熱制御装置１０によれば、温度測定装置１００により鋼材Ｆの温度分布を測定することが可能であるため、その温度分布測定結果に基づいて、行うことができる。そして、位置決定部１１は、この最高温度位置を、品質を良好に保つために温度を管理すべき位置に設定する。このような最高温度位置についてのデータは、鋼材Ｆの鋼種やサイズ等毎に異なるため、位置決定部１１は、鋼材Ｆの鋼種やサイズ等毎に最高温度位置を予めデータベースとして予め蓄積しておく。このデータベースは、位置決定部１１自らが有していてもよく、又、他の記憶装置（例えば記憶部１４２）に記録させておくことも可能である。そして、位置決定部１１は、例えば、加熱炉１を制御する更に上位の制御装置から、加熱制御対象である鋼材Ｆについて、識別情報、鋼種、サイズ等のような特性情報を取得する。その後、位置決定部１１は、特性情報に基づいて、データベースから鋼材Ｆを特定し、その鋼材Ｆに対応付けられた最高温度位置を、上記温度管理点に決定する。
【００４７】
次に、温度測定装置１００Ａによる実測に基づいた決定方法について説明する。
温度測定装置１００Ａは、加熱炉１に設けられた複数の温度測定装置１００のうち、相対的に加熱炉１の装入側、つまり装入口ＩＮに一番近い箇所に配置されたものである。温度測定装置１００Ａは、当該温度測定装置１００Ａの下方を通過した鋼材Ｆの表面温度分布を測定する。加熱炉１による加熱性能等にもよるが、装入された鋼材Ｆの表面中、最も温度が高い位置は、加熱炉１による加熱中も他の位置に比べて比較的高温となることが予想されたり、所望の温度よりも高温となったりする結果、他の基準位置よりも高温となることが予想される。そこで、位置決定部１１は、温度測定装置１００Ａが測定した温度分布に基づいて、鋼材Ｆの表面中、最高温度位置を温度管理点に決定する。なお、この最高温度位置は、温度測定装置１００Ａが温度を測定した鋼材Ｆの最高温度となっている位置を意味するものであり、加熱中又は加熱後において他の全ての位置と比べても最高温度となる必要はない。上述の通り、この最高温度位置は、他の位置に比べて比較的高温となったり、所望の温度よりも高温となったりする結果、他の基準位置よりも高温となることが予想される位置を意味する。
【００４８】
ただし、この実測に基づいた位置決定を行う場合、温度測定装置１００Ａが測定した表面温度分布中に、何らかの異常により局所的に高温又は低温となり基準点として決定するには適さない異常温度位置が発生することも考えられる。この場合、位置決定部１１は、このような異常温度位置を温度管理点として選択することを防止するために、温度測定装置１００Ａが測定した表面温度分布に基づいて、最も温度が高い位置の面積（画素数でもよい）を抽出する。そして、位置決定部１１は、その面積が所定の閾値未満である場合には、次に温度が高い位置について、同様に面積が閾値以上となるか否かを確認する。その結果、面積が閾値以上となった最も温度が高い位置を、位置決定部１１は、最高温度位置に決定することが可能である。なお、異常温度位置は、他の通常の鋼材Ｆの表面の領域に比べて面積が小さくなり、その面積は、加熱炉１の仕様や鋼材Ｆの特性、加熱状態等により異なる。そこで、予め実測に基づいて異常温度位置の面積に対する閾値（例えば最大面積など）を、求めておくことが望ましい。
【００４９】
なお、温度管理点を決定するにあたり、操業実績等に基づくか、実測値に基づくかは、適宜設定可能である。例えば、鋼材Ｆに対する操業実績がデータベース中にある場合には、その操業実績に基づいて、温度管理点を決定し、データベース中にない場合には、実測値に基づいて決定することも可能である。あるいは、例えば、操業実績等により温度管理点を決定した方が、製品品質の維持上好ましいという信憑性が過去の操業実績や制御実績等に基づいて得られる場合にのみ、操業実績等に基づく決定を行うことも可能である。このことは、実測値に基づく場合も、同様である。ただし、実測値、つまり、温度測定装置１００Ａによる測定結果に基づいて、温度管理点を決定する場合、予めデータベースを用意する必要もなく、かつ、実際に最高温度位置に決定するため、より容易かつ確実な位置の決定が可能である。
【００５０】
管理点温度特定部１２は、位置決定部１１により決定された温度管理点を基準として、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測定結果に基づいて、温度管理点における鋼材Ｆの表面温度を特定する。つまり、管理点温度特定部１２は、位置決定部１１から伝送された温度管理点の位置に関する情報に基づいて、記憶部１４２から取得した各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測定結果における温度管理点の位置をそれぞれ特定し、特定した位置の温度を、対応する測定結果からそれぞれ取得する。また、管理点温度特定部１２は、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測定結果における温度管理点の位置を特定する際に、別途取得した、加熱炉１内における鋼材Ｆの位置を表す情報を、あわせて利用することができる。
【００５１】
ここで、管理点温度特定部１２は、上述のようにして特定した鋼材Ｆの温度管理点における表面温度が７００℃に達する前に、加熱炉１で昇温中の鋼材Ｆの温度管理点における表面温度を、ある任意の時刻ｔ１と、当該時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２の少なくとも２つの時刻において特定できるように、温度制御装置１００を制御することが好ましい。具体的には、管理点温度特定部１２は、温度測定装置１００に対し、少なくとも時刻ｔ１及び時刻ｔ２における鋼材Ｆの表面の温度分布を測定させるように制御することが好ましい。この場合、管理点温度特定部１２は、温度測定装置１００により測温が行われた時刻ｔ１及び時刻ｔ２についても、鋼材Ｆの温度管理点における表面温度と対応付けて特定する。
【００５２】
また、管理点温度特定部１２は、各測定結果からそれぞれ特定した温度管理点における鋼材Ｆの表面温度、及び、当該測温が行われた時刻（例えば、時刻ｔ１及び時刻ｔ２）を、測定が行われた温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄ及びその搬送方向における位置（温度測定装置１００の設置個所）の少なくとも一方と鋼材Ｆとに対応付けて、管理点温度記憶部１３に記録する。
【００５３】
昇温速度算出部１４は、管理点温度特定部１２により特定された温度管理点における鋼材Ｆの表面温度と、当該表面温度の測定が行われた任意の異なる２つの時刻（例えば、時刻ｔ１及び時刻ｔ２）の間の経過時間（例えば、経過時間（ｔ２−ｔ１））とに基づいて、鋼材Ｆの昇温速度を算出する。さらに、昇温速度算出部１４は、算出した昇温速度（例えば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの間の昇温速度）から、鋼材Ｆの表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度（本実施形態では、鋼材Ｆの表面温度が１５０℃〜７００℃（好ましくは２００℃〜７００℃）の範囲における昇温速度）を予測し、予測した昇温速度を判定部１５に出力する。
【００５４】
判定部１５は、昇温速度算出部１４から入力された昇温速度の予測値が、１５．５℃／分（好ましくは１５℃／分）以下であるか否かを判定し、その判定結果を加熱炉制御部２３に出力する。
【００５５】
加熱炉制御部２３は、判定部１５が出力した判定結果、すなわち、昇温速度算出部１４から入力された昇温速度の予測値が１５．５℃／分以下であるか、又は、１５．５℃／分超であるかに基づいて、加熱炉１の加熱状態の制御を行う。より具体的には、加熱炉制御部２３は、昇温速度算出部１４から入力された昇温速度の予測値が１５．５℃／分を超える場合に、鋼材Ｆの表面の昇温速度が１５℃／分以下となるように、加熱炉の加熱状態を制御する。
【００５６】
このように鋼材Ｆの表面の昇温速度を調整するための加熱状態の制御方法としては、様々な方法が使用可能であるが、特に、「バーナ２による炉温調整」及び「搬送速度の調整」の少なくともいずれかを制御することが好ましい。この２つの加熱調整のうち、いずれを行うかは、鋼材Ｆの温度分布や、エネルギー効率、加熱期限等に基づいて、加熱炉制御部２３が決定することが望ましい。この加熱調整を行うために、加熱炉制御部２３は、図１Ａに示すように、炉温制御部２３１と、搬送速度制御部２３２とを更に有する。各加熱調整の方法及び特徴例等については、各構成において説明することとし、以下では、これらの構成について説明する。
【００５７】
炉温制御部２３１は、判定部１５から伝送された判定結果に基づいて、加熱炉１の炉温を制御する。より詳細には、炉温制御部２３１は、炉内雰囲気温度と、昇温速度算出部１４により算出された昇温速度とに基づいて、どの程度雰囲気温度を調整する必要があるかを決定し、決定した分だけ雰囲気温度を調整するために、バーナ２およびバーナ２’（以下、単に「バーナ２」と記載する場合がある。）の燃料流量を調整する。なお、バーナ２の燃料流量を調整する際は、加熱炉１の所定位置に配置された（例えば、搬送方向に沿って複数配置された）雰囲気温度測定装置２００が測定した炉内雰囲気温度を参照してもよい。これにより、加熱炉１内の所定領域ごとに炉内雰囲気温度を変えることができ、より精密な炉内温度の制御が可能となる。各バーナ２の燃料流量の調整量は、操業実績や調整実績、実験結果等に基づいて、平均加熱温度や温度分布に対応して予め決定されることが望ましい。
【００５８】
この炉温制御部２３１による加熱調整が行われる場合、他の加熱調整と比べて搬送速度を落とすことがないため、生産性を落とすことなく、フェライト系ステンレス鋼材の加熱制御を行うことが可能である。なお、生産性の低下防止等の観点から、鋼材Ｆの昇温速度の下限値が設けられ、昇温速度がその下限値を下回る場合には、炉温制御部２３１は、雰囲気温度が上昇するように、バーナ２を制御することとなる。
【００５９】
搬送速度制御部２３２は、判定部１５から伝送された判定結果に基づいて、搬送装置による鋼材Ｆの搬送速度を制御する。つまり、搬送速度制御部２３２は、鋼材Ｆ毎の在炉時間を調整することになる。搬送速度の調整量は、操業実績や調整実績、実験結果等に基づいて、平均加熱温度や温度分布に対応して予め決定されることが望ましい。
【００６０】
なお、炉温と搬送速度の双方の制御を行う場合には、炉温制御部２３１および搬送速度制御部２３２は、互いに連携しながら、鋼材Ｆの表面の昇温速度が１５℃／分以下となるように、加熱炉１の制御を行う。
【００６１】
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱制御装置１０の構成について説明した。この加熱制御装置１０によれば、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄの測温領域Ａｒにおける鋼材Ｆの温度分布から、最高温度となっている部位である最高温度位置を温度管理点として検出し、この温度管理点に着目することで、加熱炉におけるフェライト系ステンレス鋼材の加熱制御を行うことが可能である。
【００６２】
このような温度管理点を用いたフェライト系ステンレス鋼材の加熱方法は、温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄによる実測値に基づいており、シミュレーションや加熱炉１の雰囲気温度を用いた場合に比べて、より正確に鋼材Ｆの加熱状態を判定でき、置き割れを回避することができる。
【００６３】
また、基準となる温度管理点を決定する位置決定部１１では、上述のように、操業実績等に基づく決定、又は、実測に基づく決定が行われる。本実施形態に係る位置決定部１１は、基準となる温度管理点を決定する際に、面積が所定の閾値以上となっている領域における最高温度となっている位置を、温度管理点に決定することが可能である。従って、何らかの異常により局所的に高温となる箇所が基準点として決定されることを防止することができる。
【００６４】
なお、このような局所的に高温となる原因の一例としては、加熱対象が鋼材Ｆの場合ブリスター状スケールが挙げられる。鋼材Ｆの表面は、加熱されて昇温することにより酸化され、その酸化により生成された酸化スケールで覆われる。本実施形態における鋼材Ｆの表面温度とは、通常このスケール表面の温度を示すこととなるが、スケール表面温度に限定されるものではない。このスケールの一部は、地鉄との熱膨張差により局所的に膨れ、地鉄から浮き上がった状態となることがある。この膨れた状態をブリスターと呼ぶ。浮き上がった状態では、このスケールが周囲から受熱した熱が地鉄に奪われにくくなり、地鉄と接触しているスケール表面に比較して高温となる。従って、単に最高温度位置を温度管理点に決定したのでは、ブリスター状スケールが基準点として選択される可能性がある。しかし、このようなブリスター状スケールは、他のスケール表面に比べて面積が小さい。従って、このブリスター状スケールなどの異常温度位置を所定の面積（閾値）で除外することにより、フェライト系ステンレス鋼材の加熱制御の精度が低下することを防止することが可能である。
【００６５】
なお、このように正確な加熱制御を行うためには、各温度測定装置１００Ａ〜１００Ｄが正確な表面温度分布を測定できることが非常に重要である。従って、この温度測定装置１００として、詳しく後述する放射測温の原理を利用した温度測定装置１００を使用することが望ましく、この温度測定装置１００を使用する場合、フェライト系ステンレス鋼材の加熱制御の正確性を更に向上させることが可能である。
【００６６】
（２．フェライト系ステンレス鋼の加熱方法の詳細について）
続いて、本発明の第１の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について、詳細に説明する。
【００６７】
本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法は、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃、好ましくは２００〜７００℃の表面温度の範囲において鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下となるように、フェライト系ステンレス鋼材を加熱するものである。
【００６８】
ここで、図２を参照しながら、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材の加熱方法において、フェライト系ステンレス鋼材の加熱炉への装入温度を１５０℃以上とし、該加熱炉により１５０〜７００℃の表面温度の範囲において鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように加熱制御することとした理由について説明する。図２は、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について説明するための説明図である。
【００６９】
本発明者らは、高純度フェライト鋼の加熱炉昇温時における割れの発生を回避するために鋭意研究を行い、連続鋳造機内、鋳造完了から加熱炉装入までの温度推移、昇温中の温度履歴などを詳細に調査した。また、実機鋳片から鋼材サンプルを切り出して破壊試験を行い、昇温時において主に熱衝撃が加わった際の破壊のされやすさなどを調査した。
【００７０】
その結果、１５０℃を下回った条件で加熱炉に装入された場合、鋼材の表面から熱が入り表面が先に昇温し始め、表面の熱膨張により内部に引張の熱応力がかかり始めると、その僅かな熱応力でも鋼材が耐え切れずに内部に割れが発生することが判明した。従って、１５０℃を下回る条件で加熱炉に装入した場合、ほとんどのケースで置き割れが発生することになる。そこで、連続鋳造後、鋼材表面の手入れの時間や加熱炉装入までの待ち時間の間に鋼材の温度が低下して、１５０℃を下回らないように、鋼材の保温処置が必要となる。
【００７１】
また、本発明者らは、下記表１に示す成分の鋼材について、鋼材の装入温度及び加熱炉での昇温初期の温度調査による昇温速度を調査し、置き割れ発生との因果関係を調査した。発生する置き割れは、鋼材の幅方向の中央２／３〜３／４程度の範囲に厚み方向に貫通した割れであるので、置き割れの発生は目視で確認可能である。従って、本調査においても、置き割れの発生の判定は、目視で行っている。また、置き割れの発生が目視で確認できるケースとしては、（１）鋼材の加熱が完了して鋼材を加熱炉から抽出した際に確認できるケース、又は、（２）鋼材内部に発生して表面に出現していなかった割れが、圧延途中に応力が掛かった際に表面まで貫通して目視確認できるようになるケースがあり、本調査でも、この２つのケースの双方で、鋼材の置き割れの発生有無を確認し、いずれかのケースで置き割れが発生している場合には、置き割れが発生したと判定し、いずれもケースでも置き割れが発生していない場合に、置き割れがないと判定した。
【００７２】
【表１】
【００７３】
以上のようにして行った調査の結果を図２に示す。なお、図２の横軸は鋼材の加熱炉への装入温度（℃）を示し、縦軸は鋼材の加熱炉内での昇温初期の昇温速度（℃／分）を示している。また、図２中の白丸は置き割れが発生しなかった条件、黒丸は置き割れが発生した条件を示している。なお、図２において、縦軸の昇温速度については、装入温度が７００℃以下の条件では７００℃以下の範囲における昇温速度を示すが、装入温度が７００℃を越える条件では装入温度〜装入温度＋１００℃の範囲における昇温速度を示している。すなわち、図２においては、７００℃以下と７００℃を越える条件とでは昇温速度の定義が異なっている。
【００７４】
図２に示すように、上述した鋼材サンプルの破壊試験結果と同様に、鋼材の加熱開始温度、すなわち、加熱炉への装入温度が１５０℃を下回ると置き割れ発生率が極めて高くなる。また、加熱炉への装入温度が７００℃以下では、１５．５℃／分を上回る昇温速度で鋼材の加熱を行うと、鋼材の表面温度の上昇速度が速く、鋼材表面の熱膨張が大きくなる結果、温度上昇が遅い鋼材内部の引張応力が大きくなり、鋼材の耐力を引張応力が上回るため、置き割れ発生率が高くなることが判明した。また、加熱炉への装入温度が２００℃以上の場合、かつ、加熱炉への装入温度が７００℃以下で、鋼材の昇温速度が１５℃／分以下の場合には、より確実に置き割れの発生を防止できることも判明した。
【００７５】
以上の結果から、連続鋳造された高純度フェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃の表面温度の範囲において、鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、鋼材を加熱することにより、置き割れ発生を回避可能であることを知見した。また、連続鋳造された高純度フェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、２００〜７００℃の表面温度の範囲において、鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、鋼材を加熱することにより、より確実に置き割れ発生を回避可能であることも知見した。
【００７６】
以上の知見から、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法においては、連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、１５０〜７００℃、好ましくは２００〜７００℃の表面温度の範囲において鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下となるように、フェライト系ステンレス鋼材を加熱することとした。
【００７７】
また、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法においては、鋼材の表面温度を特定する鋼材上の位置である温度特定位置（温度管理点）を予め定めておき、鋼材の表面温度が７００℃に達する前に、加熱炉で昇温中の鋼材の温度特定位置における表面温度を、第１の時刻ｔ１と当該第１の時刻から所定時間経過した第２の時刻ｔ２とで測定し、測定した表面温度と、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの経過時間（ｔ２−ｔ１）とに基づいて、鋼材の表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度を予測し、鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下となるように、加熱炉を制御することが好ましい。
【００７８】
このように、鋼材を加熱炉してから鋼材の表面温度が７００℃以内の領域において、任意の異なる２つの時刻において鋼材表面温度を測定し、その結果に基づいて鋼材表面の昇温速度を予測し、上述した知見から得られた置き割れの発生を回避できる条件、すなわち、鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下、好ましくは１５℃／分以下を満足しているか否かを判定し、置き割れの発生を回避できる条件を満足していない場合には、加熱炉の炉温を調整して昇温速度を抑制することにより、置き割れが発生することなく、安定した品質のフェライト系ステンレス鋼材を製造することが可能となる。
【００７９】
なお、鋼材が加熱炉中で連続的に搬送され、加熱炉内で滞留することがない条件で操業されている場合には、鋼材表面における温度管理点の温度の測定時刻は、鋼材の昇温速度の予測に必ずしも必要ではない。すなわち、この場合は、予め定められた２箇所で鋼材の表面温度を測定し、２箇所の測定箇所の間の距離を鋼材が移動するのに要した時間と、測定した測定温度とから昇温速度を予測してもよい。
【００８０】
（３．実施例について）
以上、本発明の第１の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法について、詳細に説明したが、続いて、図３〜図５を参照しながら、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例について詳細に説明する。図３〜図５は、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の加熱方法の実施例を説明するための説明図である。
【００８１】
本実施例は、鋼材の搬送方向（炉長方向）に沿って４箇所に温度測定装置１００が設けられた図１Ａに示したような加熱炉１を用いて、表１に示す組成のフェライト系ステンレス鋼材Ｆの加熱制御を実施した例である。加熱炉１に、加熱炉装入口ＩＮから装入された鋼材Ｆ（装入時の鋼材Ｆの温度は約２００℃）は順次スキッドにより加熱炉抽出口ＯＵＴ側へ搬送されながら、バーナ２からの火炎により加熱昇温される。
【００８２】
加熱炉１で加熱中の鋼材Ｆは、バーナ２が設置されている側壁の片側の上端付近に設置されている温度測定装置１００（１００Ａ〜１００Ｄ）により、鋼材Ｆの表面の温度分布が測定される。温度測定装置１００で測定された温度分布データは、上述したような加熱制御装置１０に伝送される。
【００８３】
温度測定装置１００で測定された温度分布の結果を用い、以下に述べる手順により温度管理点の温度が検出される。温度管理点とすべき鋼材Ｆの表面の位置は、置き割れに与える鋼材温度及び鋼材温度分布によって発生する熱応力に関する考察により、以下に述べるような方法等により決定され、上述した図２に示すような温度実績と置き割れ発生状況との関係に基づき最終的に決定される。本実施例では、上述した温度実績と置き割れ発生状況との関係より、温度管理点を、鋼材Ｆの長手方向の中央で、かつ、短辺側厚み方向の中央の部位に決定した。
【００８４】
ここで、図３を参照しながら、温度管理点を、鋼材Ｆの長手方向の中央で、かつ、短辺側厚み方向の中央の部位に決定した理由について説明する。まず、鋼材Ｆの長手方向の中央の部位を選択した理由は、当該部位が、鋼材Ｆの長手方向の両端部からの入熱の影響を受けにくい代表点として考えられるからである。また、鋼材Ｆの短辺及び長辺（上下面）から鋼材が加熱された場合、短辺を含む鋼材エッジ部Ｆｅの温度上昇が最も大きく、従って、加熱による熱膨張も最も大きくなる。一方、鋼材Ｆの幅方向の中央部Ｆｃは最も昇温しにくく、当該幅方向の中央部Ｆｃには引張応力が作用して置き割れが発生しやすい。よって、温度が上がりやすい箇所として、鋼材Ｆの短辺側厚み方向の中央点を温度管理すべき点（温度管理点）として決定した。
【００８５】
次に、鋼材抽出側に搬送される鋼材Ｆの位置をトラッキングしながら、温度測定装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄの各測定位置において同一鋼材Ｆの表面の温度分布を測定し、この測定結果に基づいて、鋼材Ｆの温度管理点における温度が特定される。例えば、図４に示すように、まず、加熱炉１への装入直後の鋼材Ｆ１の表面の温度分布は、温度測定装置１００Ａで測定され、加熱制御装置１０に伝送される。その後、スキッドにより鋼材Ｆが鋼材抽出側に搬送されると、鋼材Ｆ１（図４に破線で表示）の表面の温度分布は、温度測定装置１００Ｂで測定され、温度測定装置１００Ａで測定された温度分布と同様に、加熱制御装置１０に伝送される。このようにして、各温度測定装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄの各測定位置における鋼材Ｆの表面の温度分布の測定結果から、加熱制御装置１０により、鋼材Ｆの温度管理点における温度が特定される。
【００８６】
図５に、以上のようにして測定した、加熱炉１に装入後の鋼材Ｆの温度管理点における温度推移を示す。図５の縦軸は、鋼材Ｆの温度管理点における表面温度（℃）を示し、図５の横軸は、鋼材Ｆの加熱炉１への装入時からの経過時間（分）を示している。
【００８７】
図５に示すように、本実施例では、加熱制御装置１０の昇温速度算出部１４で予測した７００℃到達時の２００℃〜７００℃の温度域における鋼材Ｆの昇温速度が１５℃／分を超える可能性があることが、判定部１５の判定結果により判明した（図５に「□プロット」で示している）。そこで、加熱炉制御部２３により加熱炉１の炉温を調整するため、鋼材Ｆの温度分布の測定位置（本実施例では、温度測定装置１００Ａ、１００Ｂの配置位置）の近傍に位置するバーナ２’の燃焼負荷を低下させた。このようにして炉温を調整した場合の鋼材Ｆの温度管理点における温度推移の実績を図５に「●プロット」で示した。
【００８８】
図５から明らかなように、加熱炉１の炉温調整により、鋼材Ｆの管理点における温度の２００〜７００℃の領域における昇温速度は１５℃／分以下となり、置き割れの発生を防止することができた。
【００８９】
このように、加熱炉１における鋼材Ｆの表面温度が、装入時の温度（１５０℃以上、好ましくは２００℃以上）から７００℃以内の領域において鋼材Ｆの表面温度を測定し、その測定結果に基づいて、鋼材Ｆの表面の昇温速度を予測した上で、鋼材Ｆに置き割れが発生する可能性があるか否かを判定し、置き割れが発生する可能性がある場合には、加熱炉１の炉温を調整して昇温速度を抑制することにより、鋼材Ｆに置き割れが発生することなく、安定した品質の製品を製造することが可能となることがわかった。
【００９０】
（４．第１の実施形態で使用される温度測定方法及び装置について）
次に、本発明の第１の実施形態で使用される温度測定方法及びその方法を実施する装置について説明する。なお、上述の通り、本発明の実施形態では、温度測定方法及び装置は、鋼材表面の温度を測定するものであれば、様々なものが使用可能である。しかし、以下で説明する温度測定方法及び装置は、他の温度測定方法及び装置に比べて温度を非常に正確に測定することが可能である。正確に表面温度を測定することが可能となることで、本発明の実施形態に係る鋼材加熱方法及び加熱制御装置は、上述のような効果を更に高め、より正確に鋼材の熟熱を判定することが可能となる。従って、以下では、この温度測定方法及び装置について図６〜図１６を参照しつつ詳細に説明する。
【００９１】
なお、以下では、この温度測定方法及び装置が如何に関連技術に係る他の温度測定方法及び装置に比べて正確に温度を測定することができるのかについて、理解が容易になるように、まず、関連技術について説明し、その後、本発明の実施形態に用いられる温度測定方法について説明する。そして、この方法を実現するための温度測定装置について説明した後、実施形態に用いられる温度測定方法及び装置による実施例について説明する。更に、この実施形態に用いられる温度測定方法及び装置の効果の例について、上記特許文献４〜６と比較しつつ説明する。
【００９２】
つまり、以下では、本実施形態で使用される温度測定方法及び装置について、次の順序で説明する
４−１．関連技術
４−２．本実施形態に係る温度測定方法の概要
４−３．本実施形態に係る温度測定装置例
４−４．本実施形態に係る温度測定装置による測定例
４−５．本実施形態に係る温度測定装置等による効果の例
【００９３】
＜４−１．関連技術＞
図１５及び図１６を参照しつつ、関連技術について説明する。図１５及び図１６は、関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
【００９４】
加熱炉内において鋼材の表面温度を非接触で測定する場合、一般には放射温度計等、物体表面からの熱放射エネルギーを計測する方法が用いられる。しかしながら、加熱炉内には、炉の内壁や火炎等から放射される放射エネルギーが存在する。この放射エネルギーが、鋼材の表面で反射し、放射温度計等のセンサーに入射する。従って、放射温度計等は、鋼材から放射される熱放射エネルギーと、内壁や火炎等から放射される放射エネルギーが鋼材の表面で反射した反射エネルギーと、の合計に相当する温度を表示するので、反射エネルギーに相当する温度の誤差が生ずる。この反射エネルギーは、迷光、反射光、外部光、背光、迷光雑音等種々の名称で呼ばれているが、いずれも同じものであり、以下「迷光」と記す。
【００９５】
例えば、外気条件下や室温条件下での測定では、大気や室内の壁が発する放射エネルギーは、高温の鋼材の放射エネルギーに比べて小さいので、迷光誤差が問題になることはない。しかしながら、高温の火炎や炉壁を有する加熱炉においては、迷光による誤差が大きく、このために、正確な温度測定が困難であった。
【００９６】
そこで、迷光の影響を補正して、真の物体温度を得るための方法が開発されている。この関連技術に係る方法によれば、図１５に示すように、まず、加熱炉９１１内に温度既知物体９１２を置き、演算手段９１８により、その物体９１２の既知温度から熱放射理論により算出される表面輝度と、その物体９１２の見掛け輝度の測定値との差異に基づいて、加熱炉９１１内迷光量を定量する。そして更に、演算手段９１８により、カメラを有する放射型温度計等の光表面温度測定手段９１４により計測される鋼材９１３の見掛けの輝度から、加熱炉９１１内迷光量を差し引いて鋼材の真の放射エネルギーを算出して温度を得る。そして、その温度が温度表示部９１９により表示される。このような関連技術としては、例えば、上記特許文献５が挙げられる。
【００９７】
この方法において、容易に考えうるのは、迷光の補正誤差を小さくするために、鋼材の近傍に温度既知物体を配置し、鋼材と温度既知物体との比較を行うという形態である。
【００９８】
しかし、そのような形態では、以下のような問題がある。
問題１：鋼材が移動する場合には、その近傍に温度既知物体を置くことが難しい。
問題２：温度既知物体を鋼材の近傍、即ちカメラから離れた位置に置くと、画像の中の温度既知物体の画素数が少なくなる。
【００９９】
上記問題１について説明する。
鋼材が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼材の動きによって温度既知物体が破損する恐れがある。この対策として、鋼材の移動に応じて遮蔽板が移動する機構を設ければ測定システム自体が複雑となり、実用的でない。
【０１００】
上記問題２について説明する。
例えば、鋼材が離れた位置に配置されたり、比較的小さい鋼材の温度を計測したりするためには、鋼材を撮像可能なように、ある程度の解像度を有する撮像装置を使用する必要がある。撮像装置として例えば４０万画素のカメラを用いた場合、１画素の視野角は幅０．０８度、高さ０．０８度程度の小さい領域となる。温度既知物体をカメラから離れた位置に置くと、画像中を占める温度既知物体の領域が非常に小さくなるため、１画素の出力は空間的変動、時間的変動、信号処理系の外乱等の影響を受け、いくらかのバラツキを生ずる。
【０１０１】
図１６に１画素単位の出力のバラツキの一例を示す。図１６に示すように、１画素単位の出力のバラツキは大きく、このバラツキにより計測精度が低下してしまう恐れがある。従って、高い計測精度を得るためには、単一画素でなく、領域を定めてその領域内の画素の平均値をとる必要があり、少なくとも５×５画素、望ましくは１０×１０画素以上の平均をとるべきである。
【０１０２】
しかし、例えばカメラから６メートル離れた鋼材の近傍に温度既知物体を配置する場合を考えると、１画素当りの視野角０．０８度に相当する幅は１０ミリメートル程度になる。１０×１０画素の平均をとるためには、１００×１００ミリメートルの領域の平均をとらなければならない。
【０１０３】
一方、温度既知物体９１２としては、図１５に示すように、保護管９１７付き熱電対温度計９１６を用いることが実用的であり、これは、通常、直径約２０〜３０ミリメートル程度の大きさであるので、１００×１００ミリメートルの大きな温度既知物体を設置するのは非現実的である。
【０１０４】
本発明者らは、従来の温度測定装置やこの関連技術に係る温度測定装置について鋭意研究を行った結果、上記のような問題１及び問題２等の課題に想到した。この課題に対し、発明者らは、以下に示す手段などにより、温度既知物体、例えば保護管付き熱電対を、鋼材近傍でなく、撮像装置の近傍に設置することにより、迷光の影響を更に効果的に補正することが可能な温度測定方法を発明し、上記実施形態に係る加熱炉に使用する場合、その効果を著しく向上させることが可能であることをも見出した。
【０１０５】
＜４−２．本実施形態に係る温度測定方法の概要＞
以下、本発明の実施形態に係る温度測定方法の概要について説明する。
この温度測定方法は、上述の関連技術に係る温度測定方法を前提に、大きく分けて以下の１〜３のような特徴を有する。
【０１０６】
特徴１：迷光を補正するための温度既知物体を、撮像装置の近傍に設置し、かつ、鋼材の放射エネルギーの計測する際、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を選択してその単色輝度を計測し、得られた単色輝度を迷光補正して温度を求める。
特徴２：温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも２５画素、望ましくは１００画素以上となるような位置に配置される。
特徴３：温度既知物体は、その放射率が鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１０７】
この各特徴について順次説明しつつ、本実施形態に係る温度測定方法について説明する。
【０１０８】
［４−１−１．特徴１］
特徴１：迷光を補正するための温度既知物体を、撮像装置の近傍に設置し、かつ、鋼材の放射エネルギーの計測する際、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を選択してその単色輝度を計測し、得られた単色輝度を迷光補正して温度を求める。
【０１０９】
なお、この特徴１において、「炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長」とは、完全に吸収及び放射が起こらないという意味ではなく、他の波長に比べて吸収及び放射が起こりにくい波長を意味する。また、「単色輝度」や「単波長」とは、全波長ではないという意味で、例えば波長の選択精度などにより所定の幅の波長の輝度をも含むものとする。この特徴１及び本実施形態に係る温度測定方法による温度測定過程について説明すると、以下の通りである。
【０１１０】
例えば、温度既知物体と鋼材とが接近している場合には両者に入射する迷光量はほぼ等しいので、温度既知物体の計測結果から得られた迷光量が鋼材にも照射されるものとして、計測した鋼材の放射エネルギーを補正すればよい。しかし、本実施形態の如く両者が離れている場合には、迷光量の相等性は必ずしも保障されない。
【０１１１】
そこで、本実施形態の方法では、温度既知物体と鋼材の迷光量の相等性を確保するために、大きく分けて下記の手段を用いる。
【０１１２】
手段１：炉内ガスによる吸収・放射が起こらない波長を選択し、単波長の測定を行う。
手段２：炉内の温度分布等による誤差の理論的評価を可能にするために、放射伝熱の理論を厳密に適用して迷光補正計算式を作成する。
【０１１３】
（手段１）
以下、各手段について具体的に述べる。
燃焼炉内には燃料の燃焼によって生じた二酸化炭素や水蒸気などが存在する。これらのガス体は、炉内の放射エネルギーを吸収し、また、自己の温度に応じたエネルギーを放射する。ガスの温度は、炉内の位置によって異なるため、炉内迷光量は、位置によって異なる。しかし、二酸化炭素や水蒸気等のガスが吸収・放射するエネルギーは、スペクトルのうちいくつかの特定の波長域に限られている。従って、二酸化炭素の吸収・放射波長域と水蒸気の吸収・放射波長域とを共に避けた波長を計測すれば、炉内ガスの影響を含まない迷光補正が可能である。
【０１１４】
そこで、本実施形態では、上記条件を満たす波長、例えば１μｍの単波長を計測することによって、温度既知物体と鋼材との位置が離れている条件下での迷光補正を可能とした。尚、本実施形態の如く、迷光補正の目的で単波長条件を必須とする例は、先例がない。
【０１１５】
（手段２）
単波長を用いることに従って、迷光を補正するための計算は、一般的な放射伝熱計算で用いられるＳｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｚｍａｎｎの式でなく、単波長の放射エネルギーを計算するＰｌａｎｋの式を用いる。具体的には下記の手順１〜７により計算する。
【０１１６】
手順１：事前に、オフラインの黒体標準炉を用いて、撮像装置の出力と黒体輝度との関係式を作成する。
【０１１７】
先ず、黒体標準炉の温度をＴ［Ｋ］に保持する。Ｐｌａｎｃｋの法則（下記式１０１）により温度Ｔにおける黒体輝度Ｅを計算する。
【０１１８】
【数１】
・・・（式１０１）
【０１１９】
ここで上記式１０１の各定数等は、以下の通りである。
Ｅ ：波長λの黒体輝度［Ｗ／ｍ３］
λ ：波長［ｍ］
Ｔ ：温度［Ｋ］
Ｃ１：定数 ３．７４×１０−１６［Ｗ／ｍ２］
Ｃ２：定数 ０．０１４３８７［μｍ・Ｋ］
【０１２０】
次に、撮像装置で黒体標準炉の標準温度点を計測し、撮像装置の出力Ｌを得る。温度Ｔを変えて順次同様の計測を行い、ＥとＬの関係式を最小二乗法等により作成する。ここでは、このＥとＬの関係式を下記式１０２とする。
【０１２１】
【数２】
・・・（式１０２）
【０１２２】
この式１０２が表す関係式は、個々の撮像装置固有の特性式を意味するため、新たな撮像装置を導入したとき撮像装置毎に作成する必要がある。ただし撮像装置に固有の特性であるため、この手順１は１回実施すれば、それ以降再度行なう必要はない。また、本実施形態では、計測波長λとして、例えば１μｍの波長を用いるが、この波長の選択には、光学フィルタを使用することができる。しかしながら、計測波長λは、他の波長であってもよく、波長の選択方法は、光学フィルタ以外にも、例えば特定の波長のみを撮像する撮像素子を使用したり、撮像装置に含まれる特定の波長を画像解析により抽出したりする等、様々な方法を使用することができることはいうまでもない。
【０１２３】
手順２：実際の炉において、温度既知物体例えば保護管付き熱電対の温度Ｔ１［Ｋ］から、下記式１０３のようにＰｌａｎｃｋの法則により黒体輝度Ｅ１を算出する。
【０１２４】
【数３】
・・・（式１０３）
【０１２５】
手順３：撮像装置により、温度既知物体を計測し、出力Ｌ１を得る。オフラインにて作成した上記特性式（式１０２）により、出力Ｌ１に該当する輝度を計算する。
【０１２６】
この手順３で計算される輝度は、迷光の反射を含む見掛けの輝度であり、放射伝熱学の分野で射度と呼ばれる量に該当する。これをＧ１と表す。つまり、この輝度Ｇ１は、下記式１０４で表される。
【０１２７】
【数４】
・・・（式１０４）
【０１２８】
手順４：上記Ｅ１とＧ１から、下記の式１０５により、迷光量Ｊを計算する。
【０１２９】
【数５】
・・・（式１０５）
【０１３０】
この式１０５中、ε１は温度既知物体の放射率である。
ここで、この式１０５の導出過程について述べる。温度Ｔの物体表面から放射される単色放射量Ａは、Ｐｌａｎｃｋの法則から計算される黒体輝度Ｅに、物体表面の放射率εを乗じたものである。即ち、単色放射量Ａは、下記式１０６で表される。
【０１３１】
【数６】
・・・（式１０６）
【０１３２】
また、炉内迷光（外来照射）Ｊが物体表面で反射される量Ｂは、放射伝熱理論より、下記の式１０７で表される。
【０１３３】
【数７】
・・・（式１０７）
【０１３４】
撮像装置で計測される「見掛けの輝度」Ｇは、上記ＡとＢの合計であるため、下記式１０８で表される。
【０１３５】
【数８】
・・・（式１０８）
【０１３６】
この式を変形すると、迷光量Ｊを算出する式１０９が得られる。よって、この式１０９にＥ１，Ｇ１及びε１を代入して、上記式１０５が導出される。
【０１３７】
【数９】
・・・（式１０９）
【０１３８】
手順５：撮像装置により、鋼材を計測し、出力Ｌ２を得る。そして、上記特性式（式１０２）により、出力Ｌ２に該当する輝度を計算する。この輝度は、迷光の反射を含む見掛けの輝度である。これをＧ２と表す。つまり、この輝度Ｇ２は、下記式１１０で表される。
【０１３９】
【数１０】
…（式１１０）
【０１４０】
なお、ここで撮像装置により計測される出力Ｌ２は、その鋼材の表面に対する分布として表される。つまり、撮像装置の撮像画像中の所定の箇所に対する出力Ｌ２は、撮像画像中に撮像された鋼材の所定の箇所に相当し、出力Ｌ２は、撮像画像中の位置毎に異なる値を取りうる。よって、この出力Ｌ２から算出する輝度Ｇ２も、同じく、鋼材に対する分布となる。なお、ここでは説明の便宜上、輝度Ｇ２は、輝度分布中の１点の輝度又は複数点の平均輝度であるとして説明する。しかし、この輝度Ｇ２に対する後段の計算等を、撮像画像中の鋼材に相当する位置毎に行うことにより、この温度測定方法では、温度分布を測定することが可能であることは言うまでもない。
【０１４１】
手順６：上記Ｇ２と上記手順４項で算出した迷光量Ｊ（式１０５）から、下記の式１１１により鋼材の黒体輝度Ｅ２を計算する。
【０１４２】
【数１１】
・・・（式１１１）
【０１４３】
上記式１１１において、ε２は鋼材の放射率である。
ここで、この式の導出過程について述べる。
上記手順４項で導出した下記の式１１２（上記式１０８）を用い、この式を変形して黒体輝度Ｅを求めると、上記の式１１１が得られる。
【０１４４】
【数１２】
・・・（式１１２）
【０１４５】
手順７：このＥ２から、下記Ｐｌａｎｃｋの法則の逆関数（式１１３）を用いて、鋼材の温度Ｔ２［Ｋ］を求める。
【０１４６】
【数１３】
・・・（式１１３）
【０１４７】
ここで、上記式１１３において、Ｌｏｇの底は自然対数である。
ここに述べた迷光補正方法（手順１〜手順７）を用いることによって、温度既知物体と鋼材との距離が離れている場合においても、鋼材の温度を求めることが可能である。以下、その理由を述べる。
【０１４８】
温度既知物体及び鋼材からの放射エネルギーは、物体自身からの放射量と炉内から受けた迷光の反射量との和である。上述の手順４項で導出した式１０８のように、温度既知物体及び鋼材のそれぞれの放射エネルギーは、下記の式１１４及び式１１５で表される。
【０１４９】
【数１４】
・・・（式１１４）
・・・（式１１５）
【０１５０】
ここで、添字１は温度既知物体、添字２は鋼材を表す。それぞれの式の右辺第１項は物体自身からの放射量、第２項は炉内からの迷光の物体表面での反射量である。
【０１５１】
上記関連技術においては、放射エネルギーの差ΔＧ（＝Ｇ２−Ｇ１）を加減算することによって補正を行ない、上記２つの式１１４及び式１１５において、見掛けの輝度Ｇと黒体輝度Ｅとの関係が同じであることを利用して輝度Ｅを求め、鋼材の温度を得ている。従って、上記関連技術の方法においては、上記２つの式のε１とε２が等しく、かつ、（１−ε１）Ｊ１と（１−ε２）Ｊ２が等しいことが要件となる。即ち、温度既知物体と鋼材の放射率が等しく、測定波長帯域に亘る迷光量Ｊの合計が等しいことが要件であるので、迷光が等しいことが明確であるような近傍に両者を置くことが必要である。
【０１５２】
それに対して、本実施形態の温度測定方法においては、上記補正計算手順の説明に示したように、両式の相等性は要件ではない。即ち、炉内で迷光量に差が少ない単波長を使用するため、上式の第２項（１−ε１）Ｊ１と（１−ε２）Ｊ２とが等しい必要はなく、放射率ε及び迷光Ｊが位置によって異なっても、測定誤差を低減することが可能である。
【０１５３】
一般に、加熱炉で加熱する材料は、金属材料の場合は表面が酸化するために放射率が高く、非金属材料の場合は材料そのものの放射率が高い。通常、被加熱物の放射率は０．８を上回る値である。そのため、εに較べて（１−ε）が小さく、上式の第１項εＥに較べて第２項（１−ε）Ｊが小さくなる。従って、温度既知物体位置の迷光Ｊ１と鋼材位置の迷光Ｊ２に若干の差があっても、相対的に値が小さい第２項に差が生ずるだけであり、式の計算結果への影響は小さい。また、本実施形態では、計測波長λを、炉内ガスによる吸収・放射が少ない波長に設定する。従って、温度既知物体位置の迷光Ｊ１と鋼材位置の迷光Ｊ２との差を非常に小さくすることができる。よって、本実施形態では、温度既知物体と鋼材とを近接して配置しなくても、Ｊ１＝Ｊ２として計算することが可能である。なお、Ｊ１とＪ２の差異は１０％程度異なっていても誤差には大きな影響はない。なぜならば、放射率０．８程度で、Ｊの差異が０．２程度ならば、上記の式の右辺の差異は（１−０．８）×１０％＝２％程度の影響に過ぎないからである。
【０１５４】
以上の理由により、単波長の測定を行う本実施形態の温度測定方法を用いれば、迷光に若干の差異がある位置に温度既知物体を置いても、精度を大きく落とすことなく温度計測が可能である。即ち、鋼材の近傍に温度既知物体を置く必要はない。
【０１５５】
［４−１−２．特徴２］
特徴２．温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも２５画素、望ましくは１００画素以上となるような位置に配置される。
【０１５６】
この特徴２について説明すると、以下の通りである。
上記問題２に示したように、関連技術では、撮像装置の１画素が占める領域が小さいため、１画素の出力は、例えば空間的・時間的変動や信号処理系の外乱等の影響を受け、いくらかのバラツキを生ずる。温度既知物体の１画素単位の出力の実測値を図６に示す。
【０１５７】
図６に示す実測値の標準偏差を算出すると、σ＝１１℃であった。よって、１画素のみの測定値を用いて迷光補正を行えば、誤差が大きく、実用に耐えないことは明らかである。そこで、本実施形態の温度測定方法では、複数の画素の平均値を取り、その平均値で補正計算を行なうことにより、このような問題を解決することができる。
【０１５８】
以下、この特徴２を導出した発明者らの考察に基づいて、具体的な条件を説明する。
上述の通り、１画素単位の標準偏差は１１℃であった。ｎ個の平均値をとった場合の標準偏差は、その個数の平方根に逆比例するので、２５画素の平均をとれば、標準偏差は５分の１の約２℃となる。１００画素の平均値をとれば、１００の平方根１０に逆比例するので、１０分の１の約１℃となる。
【０１５９】
炉内の温度計測においては、標準偏差２℃であれば概ね実用可能であり、１℃であれば、十分である。よって、少なくとも２５画素（例えば５×５画素）、望ましくは１００画素（例えば１０×１０画素）以上の画素数が得られる位置に温度既知物体を置く必要がある。
【０１６０】
温度既知物体としては、例えば、保護管付き熱電対を用いるのが適当である。加熱炉で用いられる保護管付き熱電対の外径は２０〜３０ｍｍ程度であるので、計測範囲は四角形の場合は縦横１０ｍｍ程度、円形の場合は直径１０ｍｍ程度の範囲となる。
【０１６１】
一方、撮像装置として、例えば、一般的に用いられる画素数４０万個程度のＣＣＤカメラでは、１画素の視角は約０．０８度×０．０８度程度である。よって、５×５＝２５画素を見る視角は、０．４度×０．４度となる。ｔａｎ０．４度＝０．００７０であるので、０．４度×０．４度の視角に１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲を写すためには、１０ｍｍ／０．００７０＝１４００ｍｍよりカメラに近い位置に置かなければならない。
【０１６２】
温度既知物体の被測定部位の大きさが１０ｍｍの場合について計算したが、大きさが異なる場合についても同様の計算を行えば、温度既知物体を置くべき位置は、被測定部分の大きさＹに対し撮像装置からの距離Ｘは、下記式１１６を満たすことが望ましい。
【０１６３】
【数１５】
・・・（式１１６）
【０１６４】
このような考察に基づいて、本発明者らは、上記特徴２を導き出した。従って、本実施形態では、温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも２５画素（例えば５×５画素）、望ましくは１００画素（例えば１０×１０画素）以上となるような位置に配置される。換言すれば、温度既知物体は、温度既知物体の被測定部分の大きさをＹとし、その撮像装置からの距離をＸとした場合、Ｘは、上記式１１６を満たすように設定される。更に具体的には、このＸは、撮像装置として画素数４０万個程度のＣＣＤカメラを使用し、かつ、Ｙを１０ｍｍとした場合、１４００ｍｍよりも小さい値に設定される。その結果、本実施形態に係る温度測定方法では、撮像装置の測定誤差を低減させて、温度測定精度を向上させることができる。
【０１６５】
［４−１−３．特徴３］
特徴３．温度既知物体は、その放射率が鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１６６】
この特徴３について説明すると、以下の通りである。
本発明の発明者らは、本実施形態の温度測定方法について、計測条件が種々に変わった場合の計測結果、即ち迷光補正後温度の誤差について理論的検討を行なった。
【０１６７】
検討条件は、長さ１２ｍ、高さ２．５ｍの燃焼炉にて、炉内壁温度１２００℃、炉床に置かれた鋼材の温度９００℃、鋼材の放射率０．８６として、炉内の放射伝熱計算を行ない、上記特徴１及び特徴２を満たす条件下での各面の放射伝熱量及び反射迷光量の理論値を求めた。計算の手法は、甲藤好郎著「伝熱概論」（養賢堂）ｐ．３７７−ｐ．３８２に示された手順を用いた。
【０１６８】
その計算結果に、上述の特徴１で説明した迷光補正計算方法を適用し、温度既知物体の位置を炉幅方向の炉内左壁位置を原点０ｍ点とし、その０ｍ点から右側へ１２ｍ点まで２ｍ毎に変化させた場合の迷光補正値を計算した。撮像装置の位置は左側０ｍ点とし、鋼材の位置は炉幅方向の中心、つまり６ｍ点とした。計算結果を図７に示す。図７に示した放射率εは温度既知物体の放射率であり、鋼材の放射率は０．８６に固定している。
【０１６９】
図７に示すように、この計算結果によれば、例えば温度既知物体の放射率が鋼材の放射率０．８６と等しい場合、温度既知物体の位置がどこであろうとも、鋼材の補正後温度は、鋼材の真の温度９００℃に対して、３℃以内の差異に収まる。
【０１７０】
しかし、鋼材と温度既知物体との放射率εに差がある場合は、温度の差異が大きくなることが判る。鋼材の放射率ε＝０．８６に対して温度既知物体の放射率が０．８１〜０．９１即ち前後０．０５の範囲では、真の温度９００℃に対して、±６℃であるが、温度既知物体の放射率が０．７６〜０．９６即ち前後０．１の範囲では±１３℃程度となる。
【０１７１】
実用性を考慮して１０℃程度までの誤差を許容すれば、温度既知物体の放射率は、温度や放射率のレベルにより若干異なるが、鋼材放射率の前後０．１程度以内となる材質を選定すべきであり、望ましくは前後０．０５程度以内とすれば更に測定誤差を低減させることができる。
【０１７２】
一方、上記関連技術では、温度既知物体の輝度によって迷光を補正する方式が採用されている。この関連技術において、鋼材と温度既知物体との位置関係は明示されていないが、実施例として例示された図においては鋼材の近傍に温度既知物体を置いており、実施形態として両者を近傍に置くことが想定されていると考えられる。
【０１７３】
発明者らの知見によれば、上述のように、例えば鋼材の温度が９００℃、炉内壁の温度が１２００℃のように、鋼材と炉内壁との温度に大きな差がある場合、炉壁近傍では炉壁からの迷光の影響を強く受ける。しかし、温度既知物体の放射率と鋼材の放射率とが同程度の場合には、その影響は小さくなる。これを図８に示す。図８には、上記図７中の温度既知物体の放射率εが、鋼材と等しい０．８６の場合の計算結果と、その値から離れた０．７６の場合の計算結果とを示した。つまり、図８において●のプロットは、鋼材と温度既知物体との放射率が同程度の場合の例であり、×のプロットは、温度既知物体の放射率が鋼材と異なる場合の例である。ここでも、鋼材は炉の中心即ち６ｍ点に置いた。
【０１７４】
図８に示すように、放射率が異なる場合は、温度の誤差が大きくなるのみでなく、炉壁近傍と中央との差が大きくなることがわかる。この理由により、上記関連技術では、放射率の規定がないために、明示されていないものの、実施態様として、鋼材の近傍に温度既知物体を置かざるを得なかったものと考えられる。
【０１７５】
しかし、本実施形態では、温度既知物体の放射率を規制することにより、図８の●プロットに示されるように、６ｍ点においた鋼材から離れた位置に温度既知物体を置いても誤差の小さい測定が可能である。
【０１７６】
以上、本発明の実施形態に係る温度測定方法が有する特徴１〜３について説明した。この本実施形態に係る温度測定方法は、上記特徴１〜３に加えて、更に、測定精度を維持向上させるために、以下のような特徴４，５をも有する。
【０１７７】
特徴４：放射率の経時変化への対処
特徴５：炉内の迷光量分布等から規定される温度既知物体の位置
【０１７８】
そこで次に、この特徴４，５について説明する。
【０１７９】
［４−１−４．特徴４］
特徴４：放射率の経時変化への対処
【０１８０】
この特徴４について説明すれば、以下の通りである。
温度既知物体として金属保護管付き熱電対を用いた場合は、長期間の使用などによる酸化の影響等によって、温度既知物体の放射率が、若干変化する可能性がある。また、セラミック製保護管付き熱電対を用いた場合では酸化の恐れはないが、煤や炉内ダスト等の付着による放射率変化の可能性は排除できない。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、このような温度既知物体の放射率の経時変化に対して、以下に示す手段により対処することができる。
【０１８１】
手段１：放射率の経時変化の把握方法
一般に、物体表面の放射率を測定するためには、迷光の無い条件下でその物体の温度と輝度を測定する必要がある。よって、物体を炉内に設置したままでは、放射率の把握は困難である。しかし、炉の操業条件が一定ならば、炉内の迷光量分布に変動は無く、温度既知物体からの放射輝度と炉の内壁からの放射輝度の関係は一定と考えられる。この現象を利用し、撮像装置の視野内の炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を長期的に記録し、同一温度条件での傾向管理を行なうことによって放射率の経時変化の有無を把握、管理することができる。例えば、炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差の変化が、所定の閾値を超えた場合などに、温度既知物体の放射率が変化したと判断することができる。そして、放射率が変化した場合、温度測定精度を保つために、以下の手段２による対処を採ることができる。
【０１８２】
手段２：放射率の経時変化が生じた場合の対処方法
温度既知物体を新品に交換することが最良の手段である。交換することが不可能であり、かつ、上記手段１の傾向管理データから放射率の変化値が推定できる場合には、以下の方法によって補正してもよい。即ち、上述の特徴１の手段２で導出した迷光量Ｊを計算する以下の式１１７（上記式１０５）において、標準の放射率εの代わりに経時変化後の放射率εｘを用いた式１１８により、迷光量Ｊを計算する。
【０１８３】
【数１６】
・・・（式１１７）
・・・（式１１８）
【０１８４】
迷光量Ｊを計算した後は、上記特徴１の手順５項以降を、前述の計算手順に従って計算し、迷光補正後温度を算出する。この方法によって放射率の経時変化に対する補正計算を行なった例を、図９に示す。図９に示すように、温度既知物体の放射率が、基準の放射率０．８６に対して経時的に上昇した場合、補正後の温度は低下していく。しかしながら、本実施形態に係る温度測定方法によれば、上記の特徴４を用いて計算することにより、正しい温度９００℃の出力を得ることができる。
【０１８５】
つまり、本実施形態に係る温度測定方法は、この特徴４を有することにより、温度既知物体の放射率の経時変化等による影響を低減させて、長期間の使用に対しても、温度測定精度を維持させることができる。
【０１８６】
経時変化後の放射率εｘ
なお、ここで使用した経時変化後の放射率εｘは、以下のように導き出すことができる。
上述の通り、手段１では、撮像装置の視野内の炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を長期的に記録する。この際、炉内において放射率の経時変化が比較的安定して変化がほとんど無いとみなされる部位、例えば長期間補修改修を行っていない炉壁の輝度と、温度既知物体輝度との差もあわせて記録する。以下、この部位を「比較部位」ともいう。なお、炉内壁が比較部位である場合、手段１で記録する炉内壁輝度を比較部位の輝度とすることができる。
【０１８７】
ここで比較部位の見掛けの輝度をＧｗとし、温度既知物体輝度をＧｔとする。つまり、比較部位輝度Ｇｗと温度既知物体輝度Ｇｔとの差ΔＧ（＝Ｇｔ−Ｇｗ）の変化を長期間記録することになる。なお、撮像装置が計測する「見掛けの輝度Ｇ」は、上記式１０８で表されるので、初期の温度既知物体（Ｇｔ１）、初期の比較部位（内壁等）（Ｇｗ１）、長期間経過後の温度既知物体（Ｇｔ２）、長期間経過後の比較部位（Ｇｗ２）の見掛け輝度は、それぞれ下記のようになる。
【０１８８】
【数１７】
・・・（式Ａ１）
【０１８９】
この式Ａ１中、Ｅｔは、温度既知物体の黒体輝度、Ｊｔは、温度既知物体の迷光量、εｗ、比較部位の放射率、Ｅｗは、比較部位の黒体輝度、Ｊｗは、比較部位の迷光量である。ここで、比較部位は、放射率の経時変化が比較的安定して変化がほとんど無いとみなされる部位であるため、比較部位の放射率は、期間経過前後においてεｗで一定となる。また、測定時の温度を一定とすることにより、既知物体の黒体輝度Ｅｔも、期間経過前後において変化しない。更に、炉内迷光条件が大きく代わることは少ないため、既知物体の迷光量Ｊｔ及び比較部位の迷光量Ｊｗも、期間経過前後において変化しない。
【０１９０】
この式Ａ１より、初期の輝度差ΔＧ１と、期間経過後の輝度差ΔＧ２とは、以下式Ａ２と式Ａ３とのようになる。
【０１９１】
【数１８】
・・・（式Ａ２）
・・・（式Ａ３）
【０１９２】
よって、輝度差ΔＧの経時変化量（ΔＧ２−ΔＧ１）は、下記式Ａ４のように計算できる。
【０１９３】
【数１９】
・・・（式Ａ４）
【０１９４】
この式Ａ４より、温度既知物体の放射率の変化量（εｘ−ε）は、見掛け輝度差の経時変化量（ΔＧ２−ΔＧ１）に比例することが判る。
【０１９５】
ここで、（εｘ−ε）と（ΔＧ２−ΔＧ１）との比例定数をＫ（＝Ｅｔ−Ｊｔ）とすると、この比例定数Ｋは、以下のように求めることができる。
【０１９６】
Ｅｔは、温度既知物体の黒体輝度であるため、既知の温度値から、上記式１０３により計算することができる。一方、Ｊｔは、温度既知物体の受ける迷光量であるため、上記式１０４と式１０５により、撮像装置の出力Ｌから算出することができる。従って、これらの測定及び計算を予め行うことにより、比例定数Ｋ（＝Ｅｔ−Ｊｔ）を求めることができる。また、式Ａ４は、下記式Ａ５のように計算できる。
【０１９７】
【数２０】
・・・（式Ａ５）
【０１９８】
よって、この式Ａ５に、算出した比例定数Ｋと、見掛け輝度差の経時変化量（ΔＧ２−ΔＧ１）とを代入することにより、経時変化後の温度既知物体の放射率εｘを求めることができる。なお、長期間経過後の比較計算は、比例定数Ｋを算出した炉内条件で行うので、ＥｔとＪｔは変わらないものとすることができ、予め算出した比例定数Ｋを、例えば温度既知物体を交換するまで使用することが可能である。
【０１９９】
なお、この経時変化後の温度既知物体の放射率εｘを計算は、炉内の状況（温度および迷光量）が同等の条件であるデータを用いて行われる必要がある。よって、測定して記録した長期間のデータのうちの既知温度計温度及び比較部位（炉壁内面等）の温度が初期とほぼ同等であり、かつ、炉の操業条件（炉内迷光条件）がほぼ同一である時間帯のデータを多数抽出し、その平均値を用いて、放射率εｘを計算することが望ましい。また、データの分散から統計的手法によって結果の確かさの検定を行うことも可能である。
【０２００】
［４−１−５．特徴５］
特徴５：炉内の迷光量分布等から規定される温度既知物体の位置
【０２０１】
この特徴５について説明すれば、以下の通りである。
上記のように、本実施形態では、炉内ガス等による反射・吸収が起こらない波長を使用するなどにより、温度既知物体は鋼材の近傍に配置される必要はないが、この波長においても、炉内の迷光は位置による分布がある。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、測定精度を更に高めるために、温度既知物体は、鋼材位置の迷光量と同等の迷光量となる位置に置く。迷光分布等による温度既知物体の位置の制約は、次の３つの条件によって規定される。
【０２０２】
条件１：炉内迷光分布上、鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
条件２：鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
条件３：鋼材との間に火炎を挟まない位置
【０２０３】
以下、それぞれの条件について述べる。
【０２０４】
条件１：炉内迷光分布上、鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
炉の内壁に温度分布がある場合、炉内壁近傍では、近くの炉内壁の温度の影響を強く受けるため、迷光量が炉内の一般部分とは異なる場合がある。一部の炉内壁温度が異なる場合について、発明者らのデータに基づいて、迷光量を算出した結果を図１０に示す。炉内壁温度１２００℃に保持した炉において、一部の炉内壁を１１００℃としたときの迷光分布である。図１０の横軸は１１００℃の炉壁からの距離である。炉内壁より０．２５ｍ未満の領域における迷光量は、他の位置の迷光量と著しく異なる。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、温度既知物体を炉内壁から０．２５ｍ以上離れた位置に配置することにより、炉内壁の温度分布による炉内迷光分布による影響を低減して、温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２０５】
条件２：鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
一般的には、物質によっては、表面の放射率が、放射方向によって異なる場合がある。これは例えば化学工学便覧改訂３版の図２．８１に例示されている。一方、本実施形態に係る温度測定方法では、温度既知物体と鋼材とを撮像装置の同一視野内に置いて、輝度の比較によって補正計算を行なう。従って、鋼材の放射率が温度既知物体の放射率に対して変化しないよう、鋼材の測定表面に対する角度が、放射率が変化しない範囲の角度となる位置に、温度既知物体を配置して両者を撮像装置の視野内に収めなければならない。
【０２０６】
このような問題点に想到した発明者らは、鋼材（鋼材）を用い、種々の角度に温度既知物体を配置して、鋼材の温度測定を上述の方法で行い、誤差の大きさから、角度の限界を判定した。その結果、図１１に示す如く、この角度は、１３度以上にすることが必要であるとの結論が得られた。
【０２０７】
そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、鋼材の測定表面に対する角度が１３度超過となる位置に、温度既知物体を配置することにより、鋼材の放射率の変化による温度測定への影響を低減させて、温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２０８】
条件３：鋼材との間に火炎を挟まない位置
本実施形態では、燃焼ガス中の熱放射ガスである二酸化炭素と水蒸気の放射スペクトルを避けた単色光例えば波長１μｍの放射を計測するので、全波長放射測定型の温度計に較べて、火炎の影響は受けにくい。しかし、火炎には熱放射性のフリーラジカル等が含まれるので、鋼材との間に火炎が介在すると迷光補正誤差が生ずる可能性がある。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、鋼材と温度既知物体及び撮像装置との間に火炎を挟まない位置関係を保持することにより、火炎による影響を低減させる。この位置関係は、本技術を適用する炉の鋼材と火炎との位置関係により規定される。具体的には、図１２に示すように、被測定点（鋼材）から火炎の端までの水平距離をＸ１、被測定点から火炎下端までの高さをＹ１、被測定点から温度既知物体までの水平距離をＸ０、高さをＹ０とするとき、温度既知物体の位置は、下記式１１９を満たすように設定される。
【０２０９】
【数２１】
・・・（式１１９）
【０２１０】
以上、条件１〜３を総合し、炉内の迷光分布等によって規定される、温度既知物体の位置は、下記の様に示される。
【０２１１】
つまり、この位置は、
条件１：炉の内壁からの距離が０．２５ｍ以上であり、
条件２：被測定点と温度既知物体とのなす角度が、被測定点の表面に対して１３度以上であり、
条件３：被測定点から火炎の端までの水平距離をＸ１、被測定点から火炎までの高さをＹ１、被測定点から温度既知物体までの水平距離をＸ０、高さをＹ０とするとき上記式１１９を満たすように設定される。
【０２１２】
この温度既知物体の位置を例示すれば、図１２の斜線範囲である。本実施形態に係る温度測定方法は、この範囲内に温度既知物体を配置することにより、鋼材の温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２１３】
以上、本発明の実施形態で使用される温度測定方法について説明した。
次に、このような方法を実際に実行する本実施形態に係る温度測定装置例について説明する。
【０２１４】
＜４−３．本実施形態に係る温度測定装置例＞
図１２に示すように、温度測定装置１００は、加熱炉１内に配置された鋼材Ｆの温度を測定する。図１２では、加熱炉１として、バーナ２（リジェネバーナ、サイドバーナ、ルーフバーナ、軸流バーナ等の様々なバーナの例。）によって加熱を行う炉を例示しているが、本実施形態に係る温度測定装置１００を適用可能な加熱炉１は、この例に限定されるものではない。なお、上記本発明の実施形態に温度測定装置１００を使用する場合、撮像装置１１０及び温度既知物体１２０は、炉側壁又は炉天井から挿入等することが望ましい。つまり、この場合、図１２に示す横方向が炉幅方向に相当することになる。
【０２１５】
温度測定装置１００は、図１２に示すように、撮像装置１１０と、温度既知物体１２０と、演算部１３０と、表示部１４１と、記憶部１４２とを有する。
【０２１６】
撮像装置１１０は、輝度計測部の一例であって、鋼材Ｆと温度既知物体１２０とを同一視野内に収めて撮像することが可能なように配置される。図１２では、撮像装置１１０が加熱炉１内に挿入された場合を示しているが、この場合、撮像装置１１０は、耐熱構造を有する。また、撮像装置１１０は、加熱炉１内部を撮像可能であればよいので、例えば、加熱炉１に耐熱ガラスなどにより窓を設けて、撮像装置１１０を加熱炉１の外部に配置することももちろん可能である。
【０２１７】
また、撮像装置１１０は、例えば、上記特徴１を満たすように、所定の波長の輝度を撮像可能なように波長選択フィルタ等（図示せず）を有する。この波長選択フィルタは、波長選択部の一例であって、所定の波長の光を透過する。この波長選択部としては、波長選択フィルタに限定されるものではない。例えば、撮像装置１１０が、撮像可能な全波長帯域（又は所定の波長帯域）の輝度を撮像し、画像解析部１３１が、所定の波長の光のみを抽出することも可能である。この場合、画像解析部１３１が波長選択部を兼ねることになる。また、撮像装置１１０の撮像素子として、所定の波長の単色輝度のみを撮像するような素子を使用することも可能である。この場合、撮像装置１１０が波長選択部を兼ねることになる。
【０２１８】
このような撮像装置１１０としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）などのイメージセンサを使用したカメラを使用することができるが、例えば、ＩＰ（イメージングプレート）などのように、撮像画像中の輝度値を蓄積することが可能な構成であればどのような構成であってもよい。そして、このような撮像装置１１０からは、撮像画像中の各画素に受光された輝度値が、電気信号として出力される。
【０２１９】
一方、温度既知物体１２０は、上記特徴１、特徴２及び特徴５を満たす位置に配置され、例えば、保護管と、その保護管内部に挿入された温度計とを有する。保護管としては、例えば、上記特徴３で規定した放射率を満たす材質で構成される。金属材が鋼材Ｆの場合、このような材質としては、例えば、アルミナ、アルミナ・シリカ系、シリコンカーバイド、石英等のセラミックス材料や、インコネル、ハステロイ、ステンレス等の金属材料が挙げられる。また、温度計としては、例えば、熱電対温度計や抵抗温度計などの接触式温度計を使用することができる。熱電対温度計としては、例えば、白金−白金ロジウム熱電対などが挙げられ、抵抗温度計としては、例えば、白金抵抗温度計などが挙げられる。しかしながら、これらの温度計は、加熱炉１の温度や測定したい温度帯域に併せて適宜変更される。この温度既知物体１２０の温度は、演算部１３０（迷光計算部２２）に出力される。
【０２２０】
演算部１３０は、撮像装置１１０による撮像画像を解析して、鋼材Ｆの単色輝度から、鋼材Ｆの温度を算出する。その際、演算部１３０は、この温度を上述の通り迷光補正する。そのために、演算部１３０は、図１２に示すように、画像解析部１３１と、迷光算出部１３２と、迷光補正部１３３と、温度算出部１３４と、放射率変更部１３５と、記憶部１３６とを有する。
【０２２１】
画像解析部１３１は、撮像装置１１０が撮像した撮像画像（単波長の輝度値を含む画像）を解析し、温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値と、鋼材Ｆの輝度値に相当する出力値とを算出する。そして、画像解析部１３１は、それぞれ温度既知物体１２０に対する出力値を、迷光算出部１３２に出力し、鋼材Ｆの輝度値に対する出力値を、迷光補正部１３３に出力する。この際、画像解析部１３１は、温度既知物体１２０が上記特徴１及び特徴２を有する位置に配置されるため、複数の画素の平均値から温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値を算出することができ、同様に、鋼材Ｆに対しても平均値を使用することができる。従って、温度の算出精度誤差を低減することができる。
【０２２２】
迷光算出部１３２は、温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値に基づいて、上記特徴１の手順２〜手順４を実行し、迷光量Ｊを算出する。なお、手順１は、既に処理されており、上記式１及び式２等は、既に迷光算出部１３２に記録されており、迷光算出部１３２は、記録している式１及び式２を使用して、手順２〜手順４を実行する。
【０２２３】
迷光補正部１３３は、温度既知物体１２０の輝度値に相当する出力値と、迷光算出部１３２が算出した迷光量Ｊとに基づいて、上記特徴１の手順５及び手順６を実行して迷光補正し、鋼材Ｆの黒体輝度を算出する。
【０２２４】
温度算出部１３４は、迷光補正部１３３が算出した鋼材Ｆの黒体輝度に基づいて、上記特徴１の手順７を実行して、迷光補正した鋼材Ｆの温度を算出する。そして、この算出結果は、表示部１４１に表示されたり、記憶部１４２に記録されたりする。なお、表示部１４１は、例えば、ブラウン管（ＣＲＴ：Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）・液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）・プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）・電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）・有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬ、ＯＥＬＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）・ビデオプロジェクタなどが使用可能である。
【０２２５】
一方、画像解析部１３１は、更に加熱炉１の炉内壁の輝度に相当する出力値を抽出して、放射率変更部１３５に出力する。そして、放射率変更部１３５は、この出力値から、炉内壁輝度を算出し、炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を記憶部１３６に記録する。放射率変更部１３５及び記憶部１３６は、これらの情報を使用して上記特徴４を実行し、迷光算出部１３２が使用する温度既知物体１２０の放射輝度を適宜更新する。
【０２２６】
なお、演算部１３０は、例えば、汎用又は専用のコンピュータで構成されてもよい。そして、このコンピュータに上記各構成の機能を実現させるプログラムを実行させることにより、演算部１３０を構成することができる。なお、コンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録装置と、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）・インターネット等のネットワークに接続された通信装置と、マウス・キーボード等の入力装置と、フレキシブルディスク等の磁気ディスク、各種のＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）・ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）ディスク・ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体等を読み書きするドライブと、モニタなどの表示装置・スピーカやヘッドホンなどの音声出力装置などの出力装置等と、を有してもよい。そして、このコンピュータは、記録装置・リムーバブル記憶媒体に記録されたプログラム、又はネットワークを介して取得したプログラムを実行することにより、演算部１３０の各構成の機能を実現することができる。
【０２２７】
＜４−４．本実施形態に係る温度測定装置による測定例＞
次に、本発明の実施形態に係る温度測定方法及び温度測定装置により、金属材として、燃焼炉（加熱炉１の一例）内に配置された鋼材Ｆ表面温度を測定した例を示す。ここで使用した燃焼炉は、長さ８ｍ（上記加熱炉１の場合の炉幅方向に相当）、幅２ｍ、高さ２ｍであり、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）により鋼材Ｆを加熱する。鋼材Ｆは、およそ５ｍ、厚み５０ｍｍである。撮像装置１１０は、画素３８万個のＣＣＤカメラを用いた。ＣＣＤカメラは波長フィルタ機能を有しており、この波長フィルタ機能により、波長１．０±０．２μｍの単波長の放射光を測定した。なお、この際、波長フィルタ機能は、±０．２μｍ程度の幅を有しているため、撮像装置１１０は、実際には波長０．８〜１．２μの放射光のみを計測することになるが、この程度の幅の波長は、実用上及び工業上、単波長とみなすことができる。従って、撮像装置１１０は、厳密な単波長光を撮像する必要はなく、工業的に単波長とみなせる程度の波長の光を撮像すればよい。
【０２２８】
放射温度計検定業者に依頼して温度計検定用黒体炉の温度とＣＣＤカメラの出力値との関係を検定した。検定温度範囲は９００℃から１２５０℃である。得られた検定データを用いて、最小二乗法による当てはめ計算を行ない、上記迷光補正計算手順の中の撮像装置１１０の特性式２０（上記式１０２）の具体的な形として、下記式２１を得た。
【０２２９】
【数２２】
・・・（式２０）
・・・（式２１）
【０２３０】
ここで、ＧはＣＣＤカメラのゲイン設定値、ＳＳはシャッター速度設定値、ＬはＣＣＤカメラの出力であり、また、Ｅは黒体炉の温度に対応する輝度であって、検定を行なった温度、９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃、１２５０℃のそれぞれについて、上記で説明したＰｌａｎｃｋの式で計算される値である。具体的な計算方法としては、Ｅを従属変数とし、Ｇ、ＳＳ、及びＬを独立変数として非線形最小二乗法によって、式の中の５個の係数を決定した。この特性式は、本実施例で用いたＣＣＤカメラに特有のものであり、ＣＣＤカメラの機種が異なる場合や、ＣＣＤカメラ以外の撮像装置１１０を用いる場合には、個別に作成しなければならない。
【０２３１】
ＣＣＤカメラは、図１３に示すように、炉の側壁に開口した測定口から斜め下方に向けて挿入した。鋼材Ｆの最も遠方の測定点（位置１）からカメラまでの水平距離は６ｍ、鋼材Ｆの置かれた水平面からＣＣＤカメラまでの高さは１．６ｍである。これは、ＣＣＤカメラの先端と、鋼材Ｆの最も遠方の測定点（位置１）を結ぶ線上に火炎が入らない位置関係になっている。ＣＣＤカメラの中心線は、鋼材Ｆの中央（位置２）に向けてあり、具体的には伏角２１度である。この伏角は、鋼材Ｆ表面全体即ち位置１から位置３までをカメラの視野におさめるために選択したものであり、炉の形と鋼材が置かれる位置を考慮して適宜決定すればよい。このように鋼材Ｆ表面全体を視野内におさめることにより、温度測定装置１００は、鋼材Ｆの表面全体の温度分布を測定することが可能である。
【０２３２】
温度既知物体１２０は、保護管付き熱電対を用い、外径は１７ｍｍである。この保護管付き熱電対は、ＣＣＤカメラ先端から０．２ｍ下の位置に水平に挿入し、炉壁の内面から炉内側に０．３ｍ突き出して、先端部分がＣＣＤカメラの視野内に入っている。ＣＣＤカメラの視野内に入る位置関係であれば、必ずしも水平に挿入する必要はなく、炉の構造によっては天井に開口して垂直に挿入する方が強度面で有利な場合もある。この熱電対は温度既知物体として働くものであるので、外側を覆う保護管は放射率が、既知のものでなければならない。本実施例では放射率０．８５のアルミナ・シリカ系セラミック保護管を用いた。
【０２３３】
この実施例では、鋼材Ｆの放射率は０．８６であったので、上記熱電対保護管の放射率とほぼ同一であるが、上記特徴３を満たす範囲内であれば、放射率が異なっていてもよい。熱電対の種類は、ＪＩＳＢ型熱電対を使用した。熱電対の種類は使用する温度によって適宜選択すればよい。また、熱電対でなく他の温度センサー、例えば白金抵抗温度計等を使用してもよい。
【０２３４】
ＣＣＤカメラの視野角は左右６０度上下４５度と十分に大きく、鋼材Ｆ以外に炉の内壁面をも視野内に納めている。炉の内壁面の輝度と熱電対保護管表面の輝度とは熱電対に接続された記憶部１３６によって長期間保存され、その差の傾向管理を行なって熱電対保護管の放射率の経年変化を把握し、変化が生じた場合は、輝度の差が等しくなるよう、迷光計算に用いる温度既知物体放射率を補正する。この補正にあたっては、保存されたデータのうち、炉内温度がある一定温度（この実施例においては１１９０℃〜１２１０℃の範囲）であり、かつ、温度既知物体の温度がある一定温度（この実施例においては１１７０℃から１１９０℃）の範囲のデータのみを抽出することにより、炉内の熱放射条件が相等な条件で行った。
【０２３５】
温度既知物体のＣＣＤカメラでの輝度測定範囲は、表面約１０ｍｍ径の円形部分であり、画素数約２００個の平均値を計測した。鋼材Ｆの温度は、９００℃から１２５０℃までの範囲である。図１３に示された位置１、位置２、位置３の３点を計測した。位置１はＣＣＤカメラから水平距離で約６ｍ、位置２は約４ｍ、位置３は約２ｍ離れた位置である。
【０２３６】
上記本実施形態に係る温度測定方法によって迷光補正計算を行い、鋼材Ｆの各位置に埋め込んだ熱電対温度計によって計測した温度と比較した結果を図１４に示す。図１４中、縦軸は、本実施形態に係る温度測定方法により迷光補正計算を行った計測温度であり、横軸は、埋め込み熱電対実測温度である。また、図１４中の実線は、本方法による計測温度（迷光補正後）と、埋め込み熱電対実測温度が一致している線（横軸＝縦軸）を表す。図１４に示すように、各位置１〜３における測定点は、実線上に位置しており、埋め込み熱電対実測温度と、本方法による計測温度（迷光補正後）が良好な一致を示した。従って、本実施形態に係る温度測定方法が精度よく鋼材Ｆの温度を測定することが可能であることが判る。なお、本実施形態に係る温度測定方法は、更に、この位置１〜３のように、鋼材Ｆの撮像画像中の各箇所について温度を測定することにより、鋼材Ｆの表面温度分布を非常に精度良く測定することが可能である。
【０２３７】
＜４−５．本実施形態に係る温度測定装置等による効果の例＞
最後に、本発明の実施形態で使用される温度測定方法等による効果が判りやすいように、上記特許文献４〜６に対する有利な効果の例を説明する。ただし、ここで説明する効果は、あくまで一例であって、本実施形態に係る温度測定方法等による効果を限定するものではないことは言うまでもない。
【０２３８】
［４−５−１．特許文献４］
上記特許文献４に記載の温度測定方法では、温度測定物体の表面に遮蔽板を設けて炉内迷光を遮断する。そして、遮蔽板は、水冷して遮蔽板自体からの熱放射を防いでいる。遮蔽板の発する放射による誤差は、遮蔽板の温度Ｔ２を実測し、見掛け放射エネルギーＧ１から下記の式２２により補正後真温度Ｔ１を得る。なお、Ｅｂ（Ｔ）は温度Ｔにおける放射エネルギーを表す。
【０２３９】
【数２３】
・・・（式２２）
【０２４０】
この特許文献４では、鋼材の近くに遮蔽板を置く必要がある。しかし、鋼材が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼材の動きによって遮蔽板が破損する恐れがある。鋼材の移動に応じて遮蔽板が移動する機構を設ければ測定システム自体が複雑になる。また、遮光板で迷光を完全に遮断することは困難であり、迷光の経路によっては、精度が低下してしまう可能性がある。
【０２４１】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、鋼材の近くに構造物を置く必要性がない。従って、本実施形態に記載の温度測定方法等は、上記特許文献４に対して、遮蔽板、その水冷装置、複雑な測定システムなどを使用する必要が無く、簡単な装置構成により温度を測定することができる。また、この温度測定方法等では、迷光量を算出して、迷光補正を行うため、遮光板で遮断しきれないような迷光の影響も低減させることができ、高精度の温度測定が可能である。
【０２４２】
［４−５−２．特許文献５］
特許文献５に記載の温度測定方法では、炉壁の実測温度Ｔｗと炉壁実効温度Ｔｗ’を用い、輝度Ｌを表す下記の式によって放射温度計の見掛け温度Ｓから補正した表面温度Ｔを得る。
【０２４３】
【数２４】
・・・（式２３）
【０２４４】
この際、上記の炉壁実効温度Ｔｗ’は、炉壁に２ヶ所以上設置した温度計の実測温度Ｔｗ１，Ｔｗ２，…Ｔｗｎの輝度の一次式２４により算出する。
【０２４５】
【数２５】
・・・（式２４）
【０２４６】
この一次式の係数ａ１，ａ２，…ａｎは、実験等によりあらかじめ炉体形状及び鋼材の寸法に適合した値に設定しておく。
【０２４７】
この特許文献５では、炉内における迷光の光源は、主に火炎と炉壁である。しかしながら、この特許文献５では、炉壁からの迷光の影響はある程度補正できるが、火炎からの放射エネルギーが変化した場合の補正が困難である。火炎を用いない加熱炉や火炎の温度や大きさが常に一定の加熱炉ならば火炎から発する迷光は、係数ａ１，ａ２，…ａｎに一定値として含まれるが、火炎が変動すれば、この係数ａ１，ａ２，…ａｎは変わるものと考えられる。一般に、加熱炉では被熱物の量及び到達温度に応じて温度を適正に制御するために燃焼装置の燃焼量を適宜調節するので火炎状態は時間と共に変化する。これに対して、特許文献２では、火炎の変化に応じた補正手段は示されていない。従って、この特許文献５を、火炎を用いる加熱炉に適用することは困難である。
【０２４８】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、炉壁から発する迷光と火炎から発する迷光がいずれも温度既知物体に照射されるように、温度既知物体を炉内空間に配置する。また、火炎と鋼材及び温度既知物体との位置関係を上記特徴５に示すように規定する。従って、本実施形態に記載の温度測定方法等では、火炎の放射エネルギーの変動に対しても適正な補正を行うことが可能である。
【０２４９】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、炉壁から発する迷光と火炎から発する迷光がいずれも温度既知物体に照射されるように、温度既知物体を炉内空間に配置する。また、火炎と鋼材及び温度既知物体との位置関係を上記特徴５に示すように規定する。従って、本実施形態に記載の温度測定方法等では、火炎の放射エネルギーの変動に対しても適正な補正を行うことが可能である。
【０２５０】
［４−５−３．特許文献６］
特許文献６については、上記関連技術で説明した通りであり、上記の説明において詳しく本発明の一実施形態による効果等を説明したが、本発明の実施形態に係る温度測定装置は、更に、温度既知物体を鋼材から離れたカメラの近傍に設置し、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長の単色輝度を撮像する等によって、上記特許文献４で説明した鋼材の移動による種々の障害を回避するとともに、通常小さな物体である温度既知物体の画角を大きくして十分な画素数を得、かつ、迷光補正精度を高めることが可能である。
【０２５１】
なお、上記実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る温度測定方法等の特徴が判りやすいように、特徴１〜特徴５と区分して説明した。しかしながら、この特徴１〜特徴５は、本発明の第１の実施形態の特徴を限定するものではなく、本発明の第１の実施形態の特徴は、各特徴１〜特徴５で詳細に説明した中に記載された各特徴をも含むことは言うまでもない。
【０２５２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２５３】
１ 加熱炉
２ バーナ
１０ 加熱制御装置
１１ 位置決定部
１２ 管理点温度特定部
１３ 管理点温度記憶部
１４ 昇温速度算出部
１５ 判定部
２３ 加熱炉制御部
１００ 温度測定装置
１１０ 撮像装置
１２０ 温度既知物体
１３０ 演算部
１３１ 画像解析部
１３２ 迷光算出部
１３３ 迷光補正部
１３４ 温度算出部
１３５ 放射率変更部
１３６ 記憶部
１４１ 表示部
１４２ 記憶部
２００ 雰囲気温度測定装置
２３１ 炉温制御部
２３３ 搬送速度制御部
Ｆ 鋼材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、
該加熱炉により、１５０〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項２】
前記鋼材の表面温度が２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、２００〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することを特徴とする、請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項３】
前記表面温度を特定する前記鋼材上の位置である温度特定位置を予め定めておき、
前記鋼材の表面温度が７００℃に達する前に、前記加熱炉で昇温中の前記鋼材の前記温度特定位置における表面温度を、第１の時刻と当該第１の時刻から所定時間経過した第２の時刻とで測定し、
測定した前記表面温度と、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの経過時間とに基づいて、前記鋼材の表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度を予測し、前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記加熱炉を制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項４】
前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体を、輝度計測部の近傍に設置しておき、
前記鋼材の表面温度測定では、
前記輝度計測部を用いて、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を有する単色輝度により、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーを計測し、
計測した前記単色輝度を迷光補正して、前記鋼材の温度を求めることを特徴とする、請求項３に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項５】
前記鋼材の温度を求める際に、
前記温度既知物体の放射エネルギーと、当該温度既知物体の温度とに基づいて、迷光量を算出し、
算出した前記迷光量と、前記鋼材の放射エネルギーとに基づいて、当該鋼材の温度を算出することを特徴とする、請求項４に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項６】
前記輝度計測部は、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーの単色輝度分布を所定の画素数の画像として撮像する撮像装置であり、
前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が２５画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項４又は５に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項７】
前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が１００画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項６に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項８】
前記温度既知物体の放射率は、前記鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲内であることを特徴とする、請求項４〜７のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項９】
前記輝度計測部を用いて、前記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを更に計測し、
当該炉内壁と前記温度既知物体との放射エネルギーの差を記録し、
記録した前記放射エネルギーの差に基づいて、前記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握することを特徴とする、請求項４〜８のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項１０】
前記温度既知物体の放射率の経時変化が生じた場合、経時変化後の放射率を算出し、
当該経時変化後の放射率を使用して、前記迷光補正を行うことを特徴とする、請求項９に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項１１】
前記温度既知物体は、以下の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の条件のうち、少なくともいずれかを満たす位置に配置されることを特徴とする、請求項４〜１０のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
（Ａ）炉内迷光分布上、前記鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
（Ｂ）前記鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）前記鋼材との間に火炎を挟まない位置
【請求項１】
連続鋳造されたフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延する前に、該鋼材の表面温度が１５０℃以上で加熱炉に装入し、
該加熱炉により、１５０〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５．５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項２】
前記鋼材の表面温度が２００℃以上で加熱炉に装入し、該加熱炉により、２００〜７００℃の前記表面温度の範囲において前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記鋼材を加熱することを特徴とする、請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項３】
前記表面温度を特定する前記鋼材上の位置である温度特定位置を予め定めておき、
前記鋼材の表面温度が７００℃に達する前に、前記加熱炉で昇温中の前記鋼材の前記温度特定位置における表面温度を、第１の時刻と当該第１の時刻から所定時間経過した第２の時刻とで測定し、
測定した前記表面温度と、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの経過時間とに基づいて、前記鋼材の表面温度が７００℃に到達するまでの昇温速度を予測し、前記鋼材の表面温度の昇温速度が１５℃／分以下となるように、前記加熱炉を制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項４】
前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体を、輝度計測部の近傍に設置しておき、
前記鋼材の表面温度測定では、
前記輝度計測部を用いて、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を有する単色輝度により、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーを計測し、
計測した前記単色輝度を迷光補正して、前記鋼材の温度を求めることを特徴とする、請求項３に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項５】
前記鋼材の温度を求める際に、
前記温度既知物体の放射エネルギーと、当該温度既知物体の温度とに基づいて、迷光量を算出し、
算出した前記迷光量と、前記鋼材の放射エネルギーとに基づいて、当該鋼材の温度を算出することを特徴とする、請求項４に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項６】
前記輝度計測部は、前記鋼材及び前記温度既知物体の放射エネルギーの単色輝度分布を所定の画素数の画像として撮像する撮像装置であり、
前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が２５画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項４又は５に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項７】
前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が１００画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項６に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項８】
前記温度既知物体の放射率は、前記鋼材の放射率に対して前後０．１の範囲内であることを特徴とする、請求項４〜７のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項９】
前記輝度計測部を用いて、前記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを更に計測し、
当該炉内壁と前記温度既知物体との放射エネルギーの差を記録し、
記録した前記放射エネルギーの差に基づいて、前記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握することを特徴とする、請求項４〜８のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項１０】
前記温度既知物体の放射率の経時変化が生じた場合、経時変化後の放射率を算出し、
当該経時変化後の放射率を使用して、前記迷光補正を行うことを特徴とする、請求項９に記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
【請求項１１】
前記温度既知物体は、以下の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の条件のうち、少なくともいずれかを満たす位置に配置されることを特徴とする、請求項４〜１０のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼の加熱方法。
（Ａ）炉内迷光分布上、前記鋼材の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
（Ｂ）前記鋼材の測定表面に対する角度が、鋼材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）前記鋼材との間に火炎を挟まない位置
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２６５５３４（Ｐ２０１０−２６５５３４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２０２０９（Ｐ２００９−１２０２０９）
【出願日】平成２１年５月１８日（２００９．５．１８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１８日（２００９．５．１８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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