加熱炉及び加熱方法
【課題】蓄熱式バーナを使用してエネルギー効率を向上させつつ、金属材の長手方向の温度分布をより精度良く制御することができる加熱炉及び加熱方法を提供する。
【解決手段】この加熱炉１は、炉幅方向を長手として配置された金属材Ｆを炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉であり、炉幅方向で相互に対向するように、炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに炉長方向に沿って複数配置され、交番燃焼のペアを組んで交番で燃焼フレームを形成する蓄熱式バーナ２と、炉長方向で相隣接する蓄熱式バーナの間における加熱炉に配置され、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して金属材を局所的に加熱する少なくとも１以上の非蓄熱式バーナ１０と、を有し、非蓄熱式バーナは、加熱炉における抽出側から炉長の１／３の位置から、加熱炉の抽出口ＯＵＴまでの間に配置される。
【解決手段】この加熱炉１は、炉幅方向を長手として配置された金属材Ｆを炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉であり、炉幅方向で相互に対向するように、炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに炉長方向に沿って複数配置され、交番燃焼のペアを組んで交番で燃焼フレームを形成する蓄熱式バーナ２と、炉長方向で相隣接する蓄熱式バーナの間における加熱炉に配置され、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して金属材を局所的に加熱する少なくとも１以上の非蓄熱式バーナ１０と、を有し、非蓄熱式バーナは、加熱炉における抽出側から炉長の１／３の位置から、加熱炉の抽出口ＯＵＴまでの間に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉及び加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な金属材の加工に際して、加熱炉が使用されている。例えば、鉄鋼業の分野だけでも、連続鋼片加熱炉などの様々な加熱炉が使用されている。連続鋼片加熱炉における加熱は、それに続く鋼材の圧延機において、例えば、材質、表面品位、幅・厚み等の寸法精度などのような、製品に要求される特性を作り込む温度を確保するために行われる。従って、加熱炉で適切な温度に鋼片を加熱することが非常に重要である。
【０００３】
例えば、熱延鋼帯を製造する連続熱延工場の場合、熱間圧延の仕上圧延が複数台の圧延機を連続して通過するいわゆるタンデム圧延で行われる場合が多い。この場合、圧延される鋼片の長手方向のフロント側が所定の圧延速度で圧延される間、その鋼片のテール側は圧延されるまでに時間がかかってしまい温度が低下するため、圧延時の温度が変化してしまう。このような圧延時の温度偏差は、材質のバラツキの原因となったり、変形抵抗の増加によりのびが悪くなり圧延トラブルやサイズのバラツキの原因ともなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１１０１５号公報
【特許文献２】特開昭９−５３１１４号公報
【特許文献３】特開昭９−１１１３３４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】
【０００５】
このような圧延時に鋼片の長手方向での待ち時間の差による材質のバラツキ等の不良を抑制するために、上記連続熱延工場の場合、加熱炉内で鋼片のテール側に相当する部分をフロント側よりも高温に加熱することが一般的に行われる。このような温度分布の制御は、上記連続熱延工場だけでなく、様々な金属材の製造工場において行われており、加熱炉でその金属材の温度分布を精度良く調整することが非常に重要である。
【０００６】
このように金属材の長手方向の温度分布を制御する方法として、例えば特許文献１には、サイドバーナを用いた加熱炉において、燃焼ガスの内流と外流の流量比率を変更することにより、燃焼フレーム長を所望の範囲に保ち、金属材の炉幅方向の温度分布を所望の分布に保つ技術が開示されている。
【０００７】
一方、近年の地球環境の保護や燃料消費量削減の観点から、加熱炉でも消費エネルギーを削減することが可能な蓄熱式バーナ（以下「リジェネバーナ」ともいう。）が使用されてきている。このリジェネバーナは、２つが交番燃焼ペアを組み、一方が吸気して蓄熱しつつ一方が燃焼するように交番で燃焼されることにより、熱効率に優れ、エネルギーコスト面でも改善を図ることが可能である。しかし、このリジェネバーナでは金属材の長手方向の温度分布を制御することが難しかった。
【０００８】
これに対して、リジェネバーナでも金属材の温度分布の制御精度を向上させるために、特許文献２及び特許文献３などのように、様々な技術が開発されている。この特許文献２では、加熱炉中の金属材の進行方向両側に対向配置したリジェネバーナ群により、燃焼加熱時間を、対向したリジェネバーナ同士で非対称に設定して交番燃焼加熱する。その結果、金属材の長時間燃焼する側の部位を、他の部位よりも高温に加熱して温度分布を制御している。
【０００９】
また、特許文献３では、一方の炉壁のリジェネバーナとこれに対向する炉壁のリジェネバーナとを組み合わせて複数の交番燃焼ペアを構成するか、又は、それぞれの炉壁のリジェネバーナ同士を組み合わせて複数の交番燃焼ペアを構成し、操炉条件に応じてそれぞれのペアを組み替えて、金属材を加熱する。その結果、炉内温度分布を所望の操炉条件に一致させている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１で使用されたサイドバーナや、上記特許文献２，３で使用されたリジェネバーナは、金属材の進行方向に平行な炉壁にバーナが配置され、炉幅方向に燃焼フレームを形成する。よって、炉幅や燃焼負荷にもよるが、例えば、各バーナによる炉温のピーク点がバーナ吐出孔から炉幅の１／３付近に形成される。よって、特許文献１のように燃焼フレーム長を調整したり、特許文献２のように加熱時間を調整したり、そして、特許文献３のように交番燃焼ペアを組み替えたとしても、各バーナによる炉温のピーク点は、対向壁から炉幅の１／３付近に形成される。従って、時間平均した炉幅方向の炉温分布は、炉幅中央部が高め（以下「中高傾向」という。）になることが多い。
【００１１】
例えば、上記連続熱延工場の場合、このような中高傾向になると、鋼片の長手方向フロント部よりも長手中央部の温度が高くなるため、圧延待ちによる温度低下は、圧延長手方向中央部付近では救済されうる。しかしながら、圧延のテール部は、補償されずに圧延温度は下がってしまい、材質の低下や圧延トラブル、サイズのバラツキと言った不具合が発生してしまうことが多い。
【００１２】
更に一方、近年の金属材に対するニーズは多様化・高度化しており、短い周期で加熱温度を変更して、様々な成分や種類の金属材を製造することも、加熱炉には求められている。例えば、上記連続鋼片加熱炉の場合では、後続の圧延機において様々な鋼種を連続して圧延するために、加熱温度の支配因子である炉温を頻繁に変化させる必要があるほか、鋼種毎の加熱・圧延能率に応じて加熱時間も変化させる必要があり、一定炉温・一定在炉時間で鋼材を加熱することが困難になってきている。このような操炉条件下におかれる加熱炉により、上述のように金属材長手方向の温度分布を精度良く制御することは、ますます難しくなってきているのが実情である。
【００１３】
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、蓄熱式バーナを使用してエネルギー効率を向上させつつ、金属材の長手方向の温度分布をより精度良く制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉であって、
上記炉幅方向で相互に対向するように、上記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに上記炉長方向に沿って複数配置され、交番燃焼のペアを組んで交番で燃焼フレームを形成する蓄熱式バーナと、
上記炉長方向で相隣接する上記蓄熱式バーナの間における上記加熱炉に配置され、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して上記金属材を局所的に加熱する少なくとも１以上の非蓄熱式バーナと、
を有し、
上記非蓄熱式バーナは、上記加熱炉における抽出側から炉長の１／３の位置から、上記加熱炉の抽出口までの間に配置されることを特徴とする、加熱炉が提供される。
【００１５】
また、少なくとも２以上の上記非蓄熱式バーナは、両側の上記炉側壁のそれぞれにおける上記相隣接する蓄熱式バーナの間に配置され、上記炉幅方向で対向して該炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成するサイドバーナであることを特徴とする、請求項１に記載の加熱炉。
【００１６】
また、少なくとも２以上の上記非蓄熱式バーナは、炉天井における上記相隣接する蓄熱式バーナの間において上記炉幅方向に並べて配置され、炉高方向に燃焼フレームを形成するルーフバーナであってもよい。
【００１７】
また、上記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の上記非蓄熱式バーナよりも前方に配置され、通過する上記金属材表面の温度分布を測定する温度測定装置と、
上記温度測定装置が測定した上記温度分布に基づいて、上記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、上記温度測定装置よりも後方の上記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御する加熱制御部と、
を更に有してもよい。
【００１８】
また、上記温度測定装置は、
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、少なくとも上記金属材の放射エネルギー分布を計測する輝度計測部と、
上記輝度計測部の測定範囲内で当該輝度計測部の近傍に配置され、上記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体と、
上記輝度計測部が計測した上記金属材及び上記温度既知物体の単色輝度分布を迷光補正して、上記金属材の温度分布を求める演算部と、
を有してもよい。
【００１９】
また、上記演算部は、
上記金属材の温度を求める際に、上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、迷光量を算出する迷光算出部と、
上記迷光算出部が算出した上記迷光量と、上記金属材の放射エネルギー分布とに基づいて、当該金属材の温度分布を算出する温度算出部と、
を有してもよい。
【００２０】
また、上記輝度計測部は、上記金属材及び上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、
上記温度既知物体は、上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。
【００２１】
また、上記温度既知物体は、上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。
【００２２】
また、上記温度既知物体の放射率は、上記金属材の放射率に対して前後０．１の範囲内であってもよい。
【００２３】
また、上記輝度計測部は、上記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを更に計測し、
当該炉内壁と上記温度既知物体との放射エネルギーの差が記録される記憶部と、
上記記憶部に記録された上記放射エネルギーの差に基づいて、上記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握する放射率変更部と、
を有してもよい。
【００２４】
また、上記放射率変更部は、上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、
上記演算部は、当該経時変化後の放射率を使用して、上記迷光補正を行ってもよい。
【００２５】
また、上記温度既知物体は、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、上記金属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）上記金属材の測定表面に対する角度が、上記金属材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）上記金属材との間に燃焼フレームを挟まない位置
【００２６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉を用いた上記金属材の加熱方法であって、
上記炉幅方向で相互に対向するように、上記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに上記炉長方向に沿って複数配置された蓄熱式バーナを、交番燃焼のペアを組ませて交番で燃焼フレームを形成させると共に、
上記加熱炉の抽出側から炉長の１／３の位置から、上記加熱炉の抽出口までの間において、上記炉長方向で相隣接する上記蓄熱式バーナ間に配置された少なくとも１以上の非蓄熱式バーナにより、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成させて、上記金属材を局所的に加熱する際、
上記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の上記非蓄熱式バーナよりも前方に配置された温度測定装置により、通過する上記金属材表面の温度分布を測定し、
上記温度測定装置が測定した上記温度分布に基づいて、上記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、上記温度測定装置よりも後方の上記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御することを特徴とする、加熱方法が提供される。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、蓄熱式バーナを使用してエネルギー効率を向上させつつ、抽出側から炉長の１／３の位置から、抽出口までの間において、非蓄熱式バーナにより、金属材を局所的に加熱することにより、金属材の長手方向の温度分布をより精度良く制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る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炉の構成について説明するための説明図である。
【図１Ｃ】同実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図１Ｄ】同実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図２Ａ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの作用等について説明するための説明図である。
【図２Ｂ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの作用等について説明するための説明図である。
【図３Ａ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。
【図３Ｂ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。
【図４Ａ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナのフレーム長について説明するための説明図である。
【図４Ｂ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナのフレーム長について説明するための説明図である。
【図５】同実施形態に係る加熱炉による加熱方法について説明するための説明図である。
【図６】同実施形態に係る加熱炉による加熱方法について説明するための説明図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図７Ｂ】同実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図８】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナについて説明するための説明図である。
【図９】本発明の各実施形態に用い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１０】本発明の各実施形態に用い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１１】本発明の各実施形態に用い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１２】本発明の各実施形態に用い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１３】本発明の各実施形態に用い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１４】本発明の各実施形態に用い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１５】本発明の各実施形態に用い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１６】本発明の各実施形態に用い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１７】本発明の各実施形態に用い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１８】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１９】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】
【００２９】
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。
【００３０】
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、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について説明する。一方、本発明の各実施形態に係る加熱炉は、被加熱材である金属材表面の温度分布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、金属材表面の温度分布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、金属材表面の温度分布を正確に測定可能な温度測定装置及び温度測定方法を使用する。この温度測定装置及び温度測定方法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。
【００３１】
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実施形態
２．第２実施形態
３．本発明の各実施形態で使用される温度測定装置及び温度測定方法
【００３２】
また、以下では、説明の便宜上、加熱炉として「連続鋼片加熱炉」を例に挙げて説明する。そして、被加熱材である金属材として「鋼片（鋼材ともいう。）」を例に挙げて説明する。しかし、本発明の各実施形態に係る加熱炉は、上記連続鋼片加熱炉に限られるものではなく、鉄鋼業に限定されるものでもない。つまり、金属材は、加熱処理が必要な様々な金属材であってもよく、また、加熱炉自体もその金属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。
【００３３】
１．第１実施形態
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の第１実施形態に係る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のＡ−Ａ線で切断した断面図を示し、図１Ｃは、図１Ａにおける加熱炉１のＢ−Ｂ線で切断した断面図を示し、図１Ｄは、図１Ａにおける加熱炉１のＣ−Ｃ線で切断した断面図を示す。
【００３４】
１−１．本実施形態に係る加熱炉の構成
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、金属材の一例である鋼片Ｆを搬送しつつその鋼片Ｆを加熱する。つまり、図１Ａに示す鋼片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、鋼片Ｆは、加熱炉１の他側（抽出側、ｘ軸正の方向側ともいう。）へと搬送されつつ加熱されて昇温し、加熱炉１の抽出側の端部の炉壁に設けられた抽出口ＯＵＴから抽出される。そのために、加熱炉１は、搬送装置、仕切壁、加熱装置及び制御装置等を有する。以下、この搬送装置、仕切壁、加熱装置及び制御装置の各構成について説明する。
【００３５】
１−１−１．搬送装置
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に指示されており、そのスキッドビーム３上に鋼片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。また、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、鋼片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、鋼片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、再度鋼片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、鋼片Ｆは、順次炉長方向へと搬送される。
【００３６】
１−１−２．仕切壁
仕切壁５は、図１Ａに示すように、加熱炉１の炉天井及び炉床の複数個所から突出形成され、加熱炉１を複数の区間に区画する。この各区間は、装入口ＩＮ側からそれぞれ予熱帯、加熱帯、均熱帯に相当する。ここでは、これらの区間に区画する場合を例示しているので、２×２の仕切壁５が加熱炉１に配置される。
【００３７】
なお、この仕切壁５の個数は、特に限定されるものではなく、例えば、予熱帯、第１加熱帯、第２加熱帯、均熱帯の４区間に仕切る場合には３×２個であればよく、その他の区間数の設定状況に応じて、適宜適切な個数が配置される。また、仕切壁５は、本実施形態に係る加熱炉１の搬送装置がウォーキングビーム式であるため、炉天井から突出形成されるが、必要に応じて、炉床や炉壁から突出形成されることも可能である。更に言えば、この仕切壁５は、必ずしも必要ではなく、配置されなくともよい。ただし、本実施形態の場合、特徴の一つであるショートフレームバーナ１０の配置位置等が判りやすいように、加熱炉１が複数の区間に区画されている場合を例示している。
【００３８】
なお、本実施形態の加熱炉１における均熱帯の長さは、図１Ａに示すように、炉長の１／３以下に設定される。例えば、本実施形態の加熱炉１は、炉長が４０ｍであり、均熱帯の長さは９ｍ（＜４０／３）である。ただし、本実施形態に係る加熱炉１の寸法等は、この例に限定されるものではなく、様々な寸法であっても良いことは言うまでもない。
【００３９】
１−１−３．加熱装置
加熱炉１は、図１Ａに示すように、加熱装置として、リジェネバーナ２と、ショートフレームバーナ１０とを有する。各バーナについて説明する。
【００４０】
１−１−３−１．リジェネバーナ２
リジェネバーナ２は、図１Ｂに示すように、炉幅方向で相互に対向するように、炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに配置される。このように対向した２のリジェネバーナ２のセットは、図１Ａに示すように、予熱帯、加熱帯及び均熱帯のそれぞれにおいて炉長方向に沿って複数セット配置される。また、リジェネバーナ２は、図１Ａ等に示すように、鋼片Ｆの搬送位置を挟む上下帯にそれぞれ配置される。
【００４１】
このリジェネバーナ２は、リジェネレイティブ（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）バーナとも言われ、蓄熱式バーナの一例である。炉幅方向で対向した２のリジェネバーナ２、炉長方向で相隣接した２のリジェネバーナ２、２以上の任意のリジェネバーナ２は、交番燃焼のペア（２以上で構成された組をも含む。）を組んで交番で燃焼フレーム（火炎）を形成し、鋼片Ｆを加熱する。２のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合、そのペアの一方のリジェネバーナ２が炊かれている間、他方のリジェネバーナ２は、一方のリジェネバーナ２の高温の排ガスを吸気し、内部に有する蓄熱体（図示せず）に排ガスの熱を蓄熱する。２以上の任意のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合には、そのうちいくつかのリジェネバーナ２が炊かれている間、残りのリジェネバーナ２が高温の排ガスを吸気して同様に熱を蓄える。そして、この蓄熱体に蓄えられた熱を利用して、他方又は残りのリジェネバーナ２が燃焼される。このような交番燃焼を行うリジェネバーナ２は、排ガスを低減すると共に、燃費をも向上させることが可能である。
【００４２】
１−１−３−２．ショートフレームバーナ１０
ショートフレームバーナ１０は、非蓄熱式バーナの一例であって、図１Ａに示すように、炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置される。そして、ショートフレームバーナ１０は、加熱炉１における抽出側から炉長の１／３の位置から、加熱炉１の抽出口ＯＵＴまでの間に配置される。本実施形態の場合、均熱帯は、炉長の１／３以下の長さを有して抽出側に設定され、かつ、鋼片Ｆの温度を均一化させる区間であるため、ショートフレームバーナ１０は、更に、この均熱帯に配置されることが望ましい。なお、図１Ａに示すように３区間に区画された場合以外の区画が設けられたとしても、通常、加熱炉１には少なくとも予熱帯、加熱帯、均熱帯が設けられ、均熱帯は、加熱炉１の抽出口ＯＵＴ側に設けられる。従って、均熱帯は、少なくとも抽出口ＯＵＴから炉長１／３の長さの区間に含まれることになる。よって、ショートフレーム１０は、いずれにしろ均熱帯に配置されることが望ましい。このショートフレームバーナ１０は、上記リジェネバーナ２と異なり、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して、鋼片Ｆを局所的に加熱する。その結果、加熱炉１は、鋼片Ｆの長手方向の温度分布をより精度良く制御することが可能となる。このショートフレームバーナ１０についてより詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態に係るショートフレームバーナ１０は全て、図１Ａに示すように、サイドバーナとして形成される。つまり、ショートフレームバーナ１０は、図１Ｃに示すように、炉幅方向両側の炉側壁それぞれにおける相隣接するリジェネバーナ２の間に配置され、炉幅方向で相互に対向する。そして、このように炉幅方向で対向したショートフレームバーナ１０は、リジェネバーナ２と同様に、鋼片Ｆの搬送位置を挟む上下帯にそれぞれ配置される。しかしながら、上述のように、ショートフレームバーナ１０は、リジェネバーナ２と異なり非蓄熱式バーナが使用されるため、交番燃焼ペアを組まず、相互に独立して炊かれる。
【００４４】
ショートフレームバーナ１０は、その名の通り、上記リジェネバーナ２よりも燃焼流量が低くフレーム長が短いバーナで形成される。より具体的には、ショートフレームバーナ１０は、炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成する。なお、上記リジェネバーナ２は、炉幅の約１／２のフレーム長の燃焼フレームを形成することが望ましい。ただし、ここで説明したショートフレームバーナ１０及びリジェネバーナ２のそれぞれのフレーム長は、各バーナが定格流量で炊かれた時のフレーム長である必要はない。つまり、ショートフレームバーナ１０及びリジェネバーナ２の少なくとも一方として、上記フレーム長の範囲よりも定格流量でのフレーム長が長いバーナを使用することも可能であるが、本実施形態では、実際に炊かれる際にはフレーム長が上記範囲内になるように燃焼流量などが調整される。なお、定格流量の大きさはバーナの価格やサイズをも増加させ、また、バーナは定格流量で使用される場合に燃焼効率等が良くなるように設計されることが多いため、製造コストを低減し、装置構成を小さくし、かつ、燃焼効率を高めるためには、定格流量で炊かれた際のフレーム長が上記範囲内となるショートフレームバーナ１０及びリジェネバーナ２を使用することが望ましい。なお、ここで説明した内容は、以下で説明するフレーム長の範囲等（第２実施形態におけるルーフタイプのショートフレームバーナ１１等のフレーム長の範囲等を含む。）においても同様のことが言えるため、やはり定格流量時のフレーム長に限定されるものではないが、同様の理由により、定格流量時のフレーム長が以下で説明する範囲を満たすバーナを使用することが望ましい。
【００４５】
１−１−４．制御装置
加熱炉１は、制御装置として、少なくとも加熱制御部２０と、温度測定装置１００とを有し、この加熱制御部２０は、上位の他の制御装置や作業者の入力等に基づいて、鋼片Ｆの加熱スケジュールを実現すべく、上記搬送装置及び加熱装置を制御する。なお、ここでは、本実施形態の特徴の１つであるショートフレームバーナ１０の制御を行う構成を中心に説明する。
【００４６】
１−１−４−１．温度測定装置１００
温度測定装置１００は、鋼片Ｆの搬送方向、つまり炉長方向における少なくとも１以上のショートフレームバーナ１０よりも前方（上流側、装入側）に配置される。そして、温度測定装置１００は、配置された個所を通過する鋼片Ｆ表面の温度分布を測定する。より具体的には、温度測定装置１００は、図１Ａに示すように、均熱帯における前方において、ショートフレームバーナ１０の直前に配置されることが望ましい。
【００４７】
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、後述するように、この温度測定装置１００の測定結果により、それよりも後方（下流側、抽出側）に配置されたショートフレームバーナ１０の燃焼量が調整されるため、温度測定装置１００の少なくとも１以上は、少なくとも１以上のショートフレームバーナ１０の上流側に配置される。
【００４８】
この温度測定装置１００としては、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、鋼片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、鋼片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１Ｄ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、鋼片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。
【００４９】
温度測定装置１００は、加熱制御部２０により制御され、所定のタイミングで鋼片Ｆの温度分布を測温する。つまり、温度測定装置１００は、鋼片Ｆが測温領域Ａｒに入った場合に、その鋼片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、加熱制御部２０自身は、鋼片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。尚、この測温対象となる鋼片Ｆは、搬送されて加熱される全ての鋼片Ｆであってもよいが、加熱制御部２０により選択された１以上の鋼片Ｆであってもよい。
【００５０】
また、この測温結果は、各温度測定装置１００により、加熱制御部２０の記憶部１４２に記録される。なお、加熱制御部２０は、鋼片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、一の鋼片Ｆに対する動作及び処理等について説明し、他の鋼片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。
【００５１】
１−１−４−２．加熱制御部２０
加熱制御部２０は、上述の通り、加熱炉１の搬送装置及び加熱装置を制御する。この加熱制御部２０は、特に、ショートフレームバーナ１０を制御するが、この際、温度測定装置１００が測定した温度分布に基づいて、その温度測定装置１００よりも後方に配置されたショートフレームバーナ１０の燃焼流量を制御する。そのために、加熱制御部２０は、上記記憶部１４２と、温度分布解析部２１と、ショートフレームバーナ制御部２２とを有する。
【００５２】
記憶部１４２には、上述の通り、温度測定装置１００による温度測定結果が記録され、温度解析部２１は、この記憶部１４２に記録された鋼片Ｆの表面温度分布に基づいて、鋼片Ｆの長手方向の温度偏差を抽出する。
【００５３】
鋼片Ｆは、予熱帯及び加熱帯においてはリジェネバーナ２により加熱昇温されるので、炉幅中央部、つまり鋼片Ｆの長手中央部の温度が高くなり、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、長手方向の端部ＦＬ，ＦＲの昇温速度は、この中央部ＦＣに比べて遅れ、温度が低くなる。このような温度分布は、いわゆる「中高傾向」とも言う。例えば、一般のバーナの燃焼空気温度が常温〜約６００℃程度であるのに対して、リジェネバーナ２による燃焼空気温度は炉温にも寄るが約９００〜１１００℃と非常に高い。よって、リジェネバーナ２は、一般のバーナに比較してフレーム温度が高くなるので、このリジェネバーナ２ではＮＯｘ濃度が高くなる。そこで、リジェネバーナ２では、ＮＯｘ低減対策として燃料と空気の混合速度を遅くして、フレーム温度を下げる方策が講じられる。この結果、炉幅方向の中央部ＦＣあるいは中央よりは対向壁に近い場所で、フレーム温度のピーク点が生じ、交番燃焼をした場合の平均的なフレーム温度分布が炉幅中央部ＦＣで最も高くなり、加熱される鋼片Ｆの長手方向の温度分布は、中高傾向となる。
【００５４】
温度分布解析部２１は、そこで、温度測定装置１００が測定した温度分布を解析し、このような中高傾向がどの程度生じているか、つまり、例えば鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣと端部ＦＬ，ＦＲとの温度差を算出する。この際、温度分布解析部２１は、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣ及び端部ＦＬ，ＦＲにおける定位位置の温度差を算出してもよいが、中央部ＦＣにおける最高温度と、端部ＦＬ，ＦＲにおける最低温度との温度差を算出してもよい。また、この中高傾向の度合を表す量としては、温度差だけでなく、温度差の長手方向における分布が特定されてもよい。
【００５５】
ショートフレームバーナ制御部２２は、温度分布解析部２１による解析結果に基づいて、鋼片Ｆの長手方向で局部的な加熱が必要となる個所を特定し、その特定した個所（例えば、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲ）を、どの程度加熱するかを特定する。そして、ショートフレームバーナ制御部２２は、特定した個所に対応するショートフレームバーナ１０の燃焼流量や空気流量を調整して、特定した分だけ鋼片Ｆを加熱するように燃焼フレームを形成させる。
【００５６】
なお、本実施形態に係る加熱炉１は、例えば、抽出時の鋼片Ｆの温度が長手方向で均一となるような「均一加熱」を行うことが可能である。これに加えて、本実施形態に係る加熱炉１は、例えば、後続の熱間圧延等における処理を考慮して鋼片Ｆの長手方向の一端部（テール部）の温度が他の部位に比べて高くなるようないわゆる「傾斜加熱」を行うことも可能である。そこで、ショートフレームバーナ制御部２２は、温度分布解析部２１が解析した温度偏差量だけでなく、その測温対象の鋼片Ｆを均一加熱すべきか傾斜加熱すべきかを判断して、ショートフレームバーナ１０の燃焼流量を制御する。
【００５７】
その結果、本実施形態に係る加熱炉１では、抽出側から炉長の１／３の位置、特に均熱帯においてショートフレームバーナ１０により鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲ付近を選択的に加熱することが可能である。従って、均熱帯出側、すなわち加熱炉１の抽出時において、鋼片Ｆの長手方向の温度分布を、ほぼ均一分布としたり、テール部が高い傾斜分布とすることが可能である。
【００５８】
１−２．本実施形態に係るショートフレームバーナ
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の構成等について説明した。本実施形態の作用・効果等の理解が容易になるように、更に、特徴の１つであるショートフレームバーナ１０についてより実施例を交えつつ説明する。
【００５９】
１−２−１．ショートフレームバーナの作用等の例
まず、図２Ａ及び図２Ｂを参照しつつ、ショートフレームバーナ１０の作用・効果等の例について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナについて説明するための説明図である。なお、ここでは燃料としてＬＮＧ（液化天然ガス、Ｌｉｑｕｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を使用し、その発熱量は約３．９×１０７Ｊ／Ｎｍ３（＝約９３００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）とした。
【００６０】
仮に、本実施形態に係る加熱炉１においてショートフレームバーナ１０が配置されていないと仮定する。つまり、加熱炉１の予熱帯、加熱帯及び均熱帯の全ての範囲において、リジェネバーナ２のみにより鋼片Ｆは加熱されることになる。この場合、抽出口ＯＵＴから抽出される鋼片Ｆの長手方向の温度分布を、図２Ａに示した。
【００６１】
なお、上述の通り、炉幅が１２ｍで炉長が４０ｍの加熱炉１を使用し、対向したもの同士が交番燃焼ペアを組むバーナ一本当たり２７０Ｎｍ３／ｈｒのリジェネバーナ２を使用した。そして、表１に示すように、厚みが２５０ｍｍで幅が１２５０ｍｍで長手方向の長さが１００００ｍの鋼片Ｆを加熱した。なお、加熱炉１の各区間の長さは、表２に示すように、予熱帯が１９ｍ、加熱帯が１２ｍ、均熱帯が９ｍとした。また、以下で説明する各実施例や比較例の測定条件は、ここで説明した条件と同様か、一部を変更した条件を使用している。
【００６２】
【表１】
【００６３】
【表２】
【００６４】
図２Ａに示すように、予熱帯〜均熱帯までの加熱炉１の全域を、リジェネバーナ２により加熱した場合、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣに比較して両端部ＦＬ，ＦＲの温度は、約３０℃程度低くなった。つまり、リジェネバーナ２のみで加熱する場合、リジェネバーナ２に近い鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲが昇温不足となる。この昇温不足を補うために、ショートフレームバーナ１０を有さない加熱炉では、炉温全体を２０数℃程度高めに設定して鋼片Ｆを加熱する必要があるが、この場合、燃料原単位が悪化してしまう。また、このように炉温を高めに設定して鋼片Ｆを加熱する対策を講じたとしても、鋼片Ｆの長手方向の温度分布においける中高傾向は解消されないので、長手方向に鋼片Ｆの変形抵抗が生じて、後段の圧延等の処理において寸法精度の悪化を招き製品価格を下げたり、ユーザが要求する精度を確保できずに受注制約を招くなどの問題が生じる場合もある。
【００６５】
これに対して、本実施形態に係る加熱炉１は、上述の通り、ショートフレームバーナ１０を有する。この場合における抽出口ＯＵＴから抽出される鋼片Ｆの長手方向の温度分布を、図２Ｂに示した。
【００６６】
なお、測定時の条件は、均熱帯にバーナ一本当たり７５Ｎｍ３／ｈｒのショートフレームバーナ１０等を有する以外、上記図２Ａの測定条件と同一に設定し、加熱制御部２０により抽出時の鋼片Ｆの長手方向の温度分布が均一となるように均一加熱を行った。
【００６７】
図２Ｂに示すように、この場合、抽出時の鋼片Ｆの温度分布は、鋼片Ｆの長手方向中央部に比べて両端部ＦＬ，ＦＲで約５℃低い程度に留まり、約１２３０℃でほぼ均一となった。つまり、鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲにおける昇温不足が解消されている。これは、この加熱炉１が、鋼片Ｆを、予熱帯及び加熱帯ではリジェネバーナ２のみで加熱し、均熱帯ではリジェネバーナ２に加えてショートフレームバーナ１０で加熱することにより、鋼片Ｆの長手方向で均一に加熱することが可能であることを示す。結果、上記ショートフレームバーナ１０を有さないリジェネバーナ２による加熱炉に対して、抽出温度低減による燃料原単位の削減や圧延時寸法精度の向上等の効果を得ることも可能である。
【００６８】
なお、このショートフレームバーナ１０の配置位置（配置位置条件）は、上述の通り、（１）相隣接するリジェネバーナ２の間であり、（２）抽出側から炉長の１／３以内、つまり均熱帯及び／又は加熱帯の前方である。この両特徴について説明する。
【００６９】
１−２−２．隣接するリジェネバーナの間に配置されることについて
まず、ショートフレームバーナ１０が、図１Ａに示すように、炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置されることにより、鋼片Ｆの均一な加熱が可能となるメカニズムについて説明する。ただし、ここで説明するメカニズムは、本発明の発明者らが導き出したメカニズムの一例であり、上記ショートフレームバーナ１０による作用・効果等を限定するものではない。
【００７０】
リジェネバーナ２は、上述のように、交番燃焼を行い、一方が吸気して蓄熱しつつ他方が燃焼する。従って、燃焼側のリジェネバーナ２から、吸気側のリジェネバーナ２に向かって炉幅方向に燃焼ガスの流れが生じる。この燃焼ガスの流動は、相隣接するリジェネバーナ２間に配置されたショートフレームバーナ１０のフレームとは直接衝突しないが、リジェネバーナ２の配置位置から、吸気するリジェネバーナ２に向かう流動となる。従って、燃焼側のリジェネバーナ２の近傍に配置されたショートフレームバーナ２によるフレームは、吸気側のリジェネバーナ２へと炉長方向で延びたフレームとなる。逆に、吸気側のリジェネバーナ２の近傍に配置されたショートフレームバーナ２によるフレームは、燃焼側のリジェネバーナ２から流れてきた燃焼ガスにより押し戻されて、比較的短いフレームとなる。このように交番燃焼するリジェネバーナ２が切り替わると、これまで延びていたショートフレームバーナ１０のフレームは短くなり、他方反対側のショートフレームバーナ１０のフレームは長くなる。このように交番燃焼によりショートフレームバーナ１０によるフレームが伸長を繰り返す。よって、リジェネバーナ２間に配置したショートフレームバーナ１０のフレーム温度分布の時間平均値は、一般のサイドバーナ間に配置した場合や、リジェネバーナ２間ではない位置に配置した場合と比較して、緩やかな分布となる。このショートフレームバーナ１０による緩やかな温度分布と、リジェネバーナ２による中高傾向にある温度分布とが加算されて、図２Ｂに示したように、長手方向で均一な温度分布で、鋼片Ｆを加熱することが容易になると考えられる。なお、炉長方向で相隣接した２のリジェネバーナ２が交番燃焼のペアを組んだり、２以上の任意のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合、燃焼側のリジェネバーナ２から、吸気側のリジェネバーナ２に向かって炉幅方向に燃焼ガスの流れは、炉長方向、又は、炉長方向と炉幅方向の任意の組み合わせの方向に生じることとなるが、この場合も、相隣接するリジェネバーナ２間に配置されたショートフレームバーナ１０のフレームは、同様に、リジェネバーナ２による燃焼ガスの流動と直接衝突せずに、その燃焼ガスの流動により均一化され、長手方向で均一な温度分布で、鋼片Ｆを加熱することが容易になる。
【００７１】
なお、仮に、ショートフレームバーナ１０を、リジェネバーナ２間ではない位置に配置した場合、そのショートフレームバーナ１０による長手方向温度分布は、緩やかな温度分布とならずに、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲと、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣとが、それらの間よりも高温となり、均一な加熱が難しくなる。この例を、図３Ａに示す。
【００７２】
図３Ａは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。図３Ａには、予熱帯、加熱帯及び均熱帯では、リジェネバーナ２のみで加熱を行い、均熱帯出側に端部加熱のみを専用に行うゾーンを設置して、このゾーンにショートフレームバーナ１０のみを連続して配置して加熱を行った場合の抽出時鋼片温度分布を示す。
【００７３】
この場合、図３Ａに示すように、鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲの温度は、リジェネバーナ２のみを使用した温度分布よりも高くなるものの、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣと端部ＦＬ，ＦＲとの間に、１５℃程度温度が低い部分が発生してしまう。この低温部分の温度低下度合や温度低下部の発生位置は、リジェネバーナ２やショートフレームバーナ１０の燃焼状態により異なる。しかしながら、ショートフレームバーナ１０が端部を選択的に加熱するためのバーナであり、炉幅方向に急峻なフレーム温度分布となっているために、このショートフレームバーナ１０を、相隣接するリジェネバーナ２間に配置する場合に比べて、鋼片Ｆの均一な加熱が困難となることが判る。なお、図３Ａでは、均熱帯の出側に局部加熱ゾーンを設けたが、加熱炉１の他の区間にこのようなゾーンを設けてショートフレームバーナ１０による加熱をリジェネバーナ２による加熱を別々に行った場合も、同様に低温部が発生するため、ショートフレームバーナ１０をリジェネバーナ２間に配置することが重要となる。
【００７４】
１−２−３．ショートフレームバーナの加熱炉における位置について
次に、ショートフレームバーナ１０が、抽出側から炉長の１／３以内（均熱帯を含む）に配置されることによる作用・効果等について、図３Ｂを参照しつつ説明する。図３Ｂは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。図３Ｂでは、ショートフレームバーナ１０の配置位置を変更しつつ加熱を行い、抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を測定した結果を示している。
【００７５】
なお、図３Ｂ中のショートフレームバーナ１０の配置位置を表す炉長は、抽出口ＯＵＴからの長さを意味し、加熱炉１の全炉長は、上述の通り４０ｍである。
【００７６】
つまり、図３Ｂでは、炉長３ｍに対応するデータ点は、抽出口ＯＵＴから３ｍ手前の位置から、抽出口ＯＵＴまでの間にショートフレームバーナ１０を配置した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を表す。同様に、炉長６，９，１２，１５ｍに対応するデータ点は、それぞれ抽出口ＯＵＴから６，９，１２，１５ｍ手前の位置から、抽出口ＯＵＴまでの間にショートフレームバーナ１０を配置した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を表す。
【００７７】
図３Ｂに示すように、ショートフレームバーナ１０が配置された区間の長さが長くなるほど、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲにおける昇温不足が解消し、鋼片Ｆの長手方向端部ＦＬ，ＦＲの温度を上昇させられることが判る。しかしながら、このショートフレームバーナ１０が配置された区間の長さは、大きくなる程、端部ＦＬ，ＦＲの温度上昇は次第に小さくなり、１２ｍ（炉長の約１／３倍）を超過すると、殆ど上昇しなくなる。これは、リジェネバーナ２に加えてショートフレームバーナ１０を設置した際の炉温分布が、炉幅方向でほぼ均一にフラットとなり、ショートフレームバーナ１０の設置区間の長さが炉長の１／３を越えると、鋼片Ｆの温度が炉温に漸近するために鋼片Ｆの温度が飽和することに起因する。従って、抽出側から炉長の１／３を越えてショートフレームバーナ１０を配置してもその効果は殆ど変化しない。よって、加熱炉１の製造コスト及び燃費等を考慮して、ショートフレームバーナ１０は、抽出側から炉長の１／３から、抽出口ＯＵＴまでの間に配置される。換言すれば、このような区間にショートフレームバーナ１０を配置することにより、加熱炉１は、製造コストやエネルギー効率等を最適化しつつ、均一加熱を行うことが可能である。
【００７８】
なお、この際、ショートフレームバーナ１０の配置位置は、抽出側から炉長の１／３以内に設定され、この範囲には均熱帯が含まれる。このように予熱帯や、抽出側から炉長の１／３よりも前方の加熱帯にショートフレーム１０を配置しない理由としては、ショートフレームバーナ１０による加熱の昇温量を制御することが難しくなるか、かえって正確な温度制御を妨げる恐れが生じることが挙げられる。つまり、予熱帯又は抽出側から炉長の１／３よりも前方では、鋼片Ｆの温度は、昇温途中であり、炉幅方向、すなわち鋼片Ｆの長手方向の温度分布が変化しやすいばかりか、その温度分布の変化度合は、鋼片Ｆの搬送速度やリジェネバーナ２の燃料量等により大きく変動する。従って、仮に、このような位置にショートフレームバーナ１０を配置して、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲの加熱を行ったとしても、ショートフレームバーナ１０による必要な温度上昇量を定めることが難しく、その結果、必要以上に加熱を行ってしまったり、あるいは、加熱不足となってしまう可能性が高く、かえって温度制御を難しくする恐れがある。これに対して、抽出側から炉長の１／３以内、特に均熱帯では、鋼片Ｆの温度は、比較的安定しており、鋼片Ｆの長手方向中央部の温度上昇はほとんど無い。従って、抽出側から炉長の１／３以内、特に均熱帯にショートフレームバーナ１０を配置する場合、そのショートフレームバーナ１０により、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲの低温部のみを昇温させれば済むため、必要な昇温量の見極め精度が高くなり、ひいては、鋼片Ｆの長手方向の温度分布をより精度良く制御することが可能となる。
【００７９】
１−２−４．ショートフレームバーナのフレーム長
なお、上述の通り、ショートフレームバーナ１０は、炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成する（フレーム長条件）。このようなフレーム長を形成することによる作用・効果等について、図４Ａ及び図４Ｂを参照しつつ説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナのフレーム長について説明するための説明図である。
【００８０】
上記の条件を満たす配置位置として、均熱帯にショートフレームバーナ１０を配置し、そのフレーム長を２．２ｍに設定した場合と、３ｍに設定した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を図４Ａに示す。一方、フレーム長を１．５ｍに設定した場合と、４ｍに設定した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を図４Ｂに示す。
【００８１】
図４Ａに示すように、フレーム長が２．２ｍ（炉幅（１２ｍ）の約６分の１）及び３ｍ（炉幅の４分の１）の場合には、鋼片Ｆの長手方向で均一な温度分布を確保することができることが判る。
【００８２】
一方、図４Ｂに示すように、フレーム長が１．５ｍ（炉幅の８分の１）の場合には、ショートフレームバーナ１０のフレーム長が短くなり過ぎて、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲ付近のみが昇温して、この端部ＦＬ，ＦＲからやや鋼片Ｆの長手方向中央ＦＣよりに、昇温不足の部分が生じる。また、図４Ｂに示すように、フレーム長が４ｍ（炉幅の３分の１）の場合には、ショートフレームバーナ１０のフレーム長が延びすぎて、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲがやや昇温不足となる上に、この端部ＦＬ，ＦＲと鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣとの間に、昇温し過ぎる部分が生じる。
【００８３】
従って、上記の配置条件を満たすようにショートフレームバーナ１０を均熱帯においてリジェネバーナ２の間に配置して、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲを加熱する場合、リジェネバーナ２のフレーム温度分布により発生する端部ＦＬ，ＦＲの温度低下部の温度補償を行うためには、ショートフレームバーナ１０が上記のような炉幅の１／４〜１／６の範囲内のフレームを形成することが望ましい。換言すれば、ショートフレームバーナ１０がこのようなフレーム長範囲を満足するフレームを形成することにより、加熱炉１は、更に鋼片Ｆの長手方向で均一な温度分布を確保することが可能となる。
【００８４】
１−３．本実施形態に係る加熱炉の動作
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の構成等について説明した。
次に、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の動作等について、図５及び図６を参照しつつ説明する。図５及び図６は、本実施形態に係る加熱炉による加熱方法について説明するための説明図である。
【００８５】
なお、上述の通り、本実施形態に係る加熱炉１は、抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を均一にする均一加熱だけでなく、その長手方向の一側を他の部位に比べて高くする傾斜加熱をも行うことが可能である。そこで、以下では、本実施形態に係る加熱炉１の動作として、傾斜加熱を行う場合について説明する。
【００８６】
なお、この場合の作用・効果等の理解が容易になるように、まず、傾斜加熱を行うことの必要性について説明する。
【００８７】
加熱炉１から抽出された鋼片Ｆは、例えば、粗圧延が行われた後に、タンデム式の仕上圧延機にて圧延されるなど、後段の処理が施されることになる。このような処理では、鋼片Ｆは、一気に処理されることは少なく、長手方向に搬送されつつその端部ＦＬ又は端部ＦＲから処理されることになる。例えば、仕上圧延の場合、鋼片Ｆの先頭側（例えば端部ＦＬ側）に対する圧延機による圧下が開始された後、鋼片Ｆは長手方向に順次圧延機に装入されていく。よって、鋼片Ｆの後端側（例えば端部ＦＲ側、テール部ともいう。）は、圧延を待たされて温度が低下してしまう。
【００８８】
これに対して、上記のようなショートフレームバーナ１０を有さない加熱炉では、更に鋼片Ｆの温度分布が中高傾向となる。よって、中高傾向となり昇温が遅れたテール部（例えば端部ＦＲ側）が、更に圧延待ちにより温度低下して、そのテール部が圧延に供される際の温度は鋼片長手で最も低温となる。例えば、図２Ａに示したショートフレームバーナ１０を有さない加熱炉による加熱のように、長手方向中央部ＦＣに比べて両端部ＦＬ，ＦＲの温度が３０℃程度低くなる場合、テール部の温度は、圧延速度やデスケーリング条件等にも寄るが、温度低下が大きいと、長手方向中央部ＦＣに比べて処理開始時の温度が５０℃程度低下する場合もある。このような低温部分は、他の部位に比較して変形抵抗が増大し、伸びが悪くなって、サイズ外れの原因となる。また、このような低温部は、更に、圧延ロール表面における荷重増大により、ロール表面と鋼片Ｆとが焼き付き、ロール表面が荒れて鋼片Ｆ表面に押し込み疵をつくる原因ともなる。
【００８９】
圧延待ちが短く済む鋼片Ｆは、上記ショートフレームバーナ１０を有する本実施形態に係る加熱炉１により、均一加熱を行うことにより上記のような不具合を防止して、製品品質を確保することが可能である。しかし、圧延待ち時間が長くなる鋼片Ｆの場合には、テール部側の温度を高くするように傾斜加熱することが品質上極めて重要である。
【００９０】
そこで、本実施形態に係る加熱炉１は、以下で説明する動作を通じて、長手方向における正確な傾斜加熱を実現し、鋼片Ｆの品質を維持・向上させることを可能としている。この本実施形態に係る加熱炉１による動作について説明する。
【００９１】
まず、本実施形態に係る加熱炉１は、図５に示すように、ステップＳ０１を処理し、ショートフレームバーナ１０よりも上流に配置された温度測定装置１００により、温度分布を測定する。この測定結果は、記憶部１４２に記録される。ステップＳ０１の処理後は、ステップＳ０３に進む。
【００９２】
ステップＳ０３では、温度分布解析部２１が、記憶部１４２に記録された温度分布を解析して、鋼片Ｆの長手中央部ＦＣと端部ＦＬ，ＦＲとの温度差を算出する。そして、ステップＳ０５に進む。
【００９３】
ステップＳ０５では、ショートフレームバーナ制御部２２が、ステップＳ０３で算出された温度差と、鋼片Ｆの製造工程や圧延待ち時間等に基づいて、ショートフレームバーナ１０の燃焼流量を調整する。より具体的には、ショートフレームバーナ制御部２２は、ステップＳ０３で算出された温度差と、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲに対する所望の昇温量とに基づいて、ショートフレームバーナ１０の燃焼負荷、つまり燃焼流量や空気流量を決定する。そして、ショートフレームバーナ制御部２２は、この燃焼負荷となるように各ショートフレームバーナ１０の燃焼状態を調整する。例えば、鋼片Ｆの長手方向端部ＦＲがテール部となるため、この端部ＦＲの温度を他の部位よりも高くする場合、ショートフレームバーナ制御部２２は、図１Ｃに示す端部ＦＲ側のショートフレームバーナ１０の燃焼負荷を、対向する他のショートフレームバーナ１０よりも大きくするように、各燃焼負荷を調整する。
【００９４】
その結果、鋼片Ｆの長手方向端部ＦＬ側のショートフレームバーナ１０により、低温傾向となる端部ＦＬの温度を中央部ＦＣの温度と均一化させることができ、かつ、テール部となる端部ＦＲの温度を他の部位に比較して局部的に高温にした傾斜加熱を行うことができる。図６では、ショートフレームバーナ制御部２２が、圧延待ち時間におけるテール部の温度降下量等を考慮して、テール部側（端部ＦＲ側）のショートフレームバーナ１０の燃焼流量を、他側（端部ＦＬ側）のショートフレームバーナ１０の２倍に設定した場合を示している。図６に示すように、例えば、テール部の温度を、長手方向中央部ＦＣよりも２０℃程度高くすることができ、テール部と反対側の端部ＦＬの長手方向中央部ＦＣに対する温度差を、約５℃程度と低く抑えることにより、鋼片Ｆの長手方向の温度分布を確保することが可能である。このように本実施形態に係る加熱炉１は、傾斜加熱を高精度で行うことが可能であり、このような傾斜加熱をする場合、後段の圧延機等における処理において、均一な温度での処理が可能となるため、寸法精度に優れた製品の製造が可能となる。なお、端部ＦＲとは反対の端部ＦＬの温度を他の部位よりも高くする場合は、ショートフレームバーナ１０の燃焼流量を、炉幅方向で反転させることになる。
【００９５】
１−４．本実施形態に係る加熱炉による効果の例
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の構成及び動作等について説明した。
この加熱炉１によれば、加熱装置として、リジェネバーナ２と共にショートフレームバーナ１０を有する。このショートフレームバーナ１０は、上述のように、抽出側から炉長の１／３以内に配置され、鋼片Ｆの端部ＦＲ，ＦＬを局所的に加熱することができる。従って、加熱炉１は、鋼片Ｆを長手方向で均一に加熱したり傾斜加熱するなど、鋼片Ｆの長手方向の温度分布をより精度良く制御することが可能である。
【００９６】
この際、ショートフレームバーナ１０は、単に加熱炉１中に設ければ良いというものではなく、リジェネバーナ２と併用されるため、上記のような配置条件及びフレーム長条件を満たすように配置される。その結果、本実施形態に係る加熱炉１は、このような高精度な温度分布の制御を可能としている。なお、この加熱炉１によれば、ショートフレームバーナ１０を使用して、中高傾向による低温部分（例えば端部ＦＬ，ＦＲ）や、圧延時に温度低下する部分（例えばテール部となる端部ＦＲ）を局部的に加熱するのみで、このように長手方向で高精度な温度分布を実現することができる。従って、例えば炉温自体を調整する場合に比べて少ないエネルギーで圧延に必要な温度分布を確保することが可能である。また、ショートフレームバーナ１０により鋼片Ｆを局部的に加熱するので、加熱対象となっていない鋼片Ｆへの影響を最小限に抑えて、鋼片Ｆの生産効率を向上させることが可能である。
【００９７】
なお、このように正確な加熱制御を行うためには、温度測定装置１００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、加熱制御部２０によるショートフレームバーナ１０による温度分布制御の正確性を更に向上させることが可能である。
【００９８】
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。なお、上記実施形態では、非蓄熱式バーナの一例として、ショートフレームバーナ１０を使用し、そのショートフレームバーナ１０がサイドバーナとして炉側壁に配置される場合について説明した。しかしながら、このショートフレームバーナは、炉側壁だけでなく、炉天井に配置されたルーフバーナであってもよい。そこで、本発明の第２実施形態として、ルーフバーナとして使用されるショートフレームバーナを有する場合について説明する。ただし、ここでは、ルーフバーナとして使用されるショートフレームバーナを「ショートフレームバーナ１１」と言い、サイドバーナとして使用されるショートフレームバーナ１０と区別する。しかし、このショートフレームバーナ１１は、炉側壁ではなく炉天井に配置されるという点を除けば、サイドバーナとして使用されるショートフレームバーナ１０と同様に構成される。そこで、以下では、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１と同様の構成については説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００９９】
２．第２実施形態
２−１．本実施形態に係る加熱炉の構成
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第２実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。図７Ａに示すように、本実施形態に係る加熱炉１は、図１Ａに示す第１実施形態に係る加熱炉１に対して、鋼片Ｆの搬送位置よりも上方に配置された一部のショートフレームバーナ１０の代りに、ショートフレームバーナ１１を有する。そして、このショートフレームバーナ１１は、上記ショートフレームバーナ１０と同様に、その燃焼流量等を加熱制御部２０により制御される。
【０１００】
ショートフレームバーナ１１は、非蓄熱式バーナの一例であって、図７Ａに示すように、サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様に、炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置される。
【０１０１】
ショートフレームバーナ１１は、ルーフバーナタイプとして形成される。つまり、ショートフレームバーナ１１は、炉天井における炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置され、炉高方向（ｚ軸方向）にフレームを形成する。また、ショートフレームバーナ１１は、図７Ｂに示すように、炉幅方向に少なくとも２以上が並べて配置される。この際、ショートフレームバーナ１１は、炉幅方向の全域に並べて配置されることも可能であるが、図７Ｂに示すように、少なくとも鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲに対応する位置の炉天井に配置されることが望ましい。つまり、ショートフレームバーナ１１は、鋼片Ｆにおいて加熱が必要となる部位に応じた位置に配置されることが望ましい。特に、鋼片Ｆにおいてスキッドビーム３に接触する部位の昇温が遅くなる傾向にあるので、ショートフレームバーナ１１は、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲにおけるスキッドビーム３と対応する位置に配置されることが更に望ましい。このルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１の配置位置条件及びフレーム長条件と、その効果等は、上記サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様であるため、ここでの詳しい説明は省略する。
【０１０２】
なお、本実施形態に係る加熱炉１では、鋼片Ｆの搬送位置よりも上方に配置されたショートフレームバーナ１０の代りに、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１が配置される。一方、この加熱炉１においても、鋼片Ｆの搬送位置よりも下方には、サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０が配置される。このように、本実施形態に係る加熱炉１では、鋼片Ｆの搬送位置を挟んで一側のショートフレームバーナをルーフバーナタイプとしているが、本発明はこの例に限定されるものではない。鋼片Ｆの搬送位置よりも下方のショートフレームバーナ１０の代りに、炉床において、図７Ａ及び図７Ｂに示すショートフレームバーナ１１と同様に配置されて、炉高方向上方に向けてフレームを形成するフロアバーナタイプを使用することも可能である。更にまた、図７Ａ及び図７Ｂに示すルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１と、フロアバーナタイプのショートフレームバーナとを組み合わせたり、ルーフバーナタイプ、フロアバーナタイプ及びサイドバーナタイプの組み合わせを使用することも可能である。
【０１０３】
このようなルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１は、サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様の効果を奏することができる。つまり、このショートフレームバーナ１１は、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲを局所的に加熱しつつ、鋼片Ｆの長手方向の温度分布を均一化することが可能である。より具体的に同様の効果等を奏する理由について説明する。ショートフレームバーナ１１から発せられるフレームは、リジェネバーナ２の燃焼側から吸気側への燃焼ガスの流れによって、吸気側へ傾き、この傾きは、リジェネバーナ２の交番燃焼により順次反転される。従って、このショートフレームバーナ１１による炉幅方向のフレーム温度分布の時間平均は、リジェネバーナ２と空間的に隔てられた部位で局部加熱を行った場合と比較して緩やかな分布となり、上記サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様の作用効果を奏することが可能となる。なお、炉長方向で相隣接した２のリジェネバーナ２が交番燃焼のペアを組んだり、２以上の任意のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合、燃焼側のリジェネバーナ２から、吸気側のリジェネバーナ２に向かって炉幅方向に燃焼ガスの流れは、炉長方向、又は、炉長方向と炉幅方向の任意の組み合わせの方向に生じることとなるが、この場合も、相隣接するリジェネバーナ２間に配置されたショートフレームバーナ１１のフレームは、同様に、リジェネバーナ２による燃焼ガスの流動と直接衝突せずに、その燃焼ガスの流動により均一化され、長手方向で均一な温度分布で、鋼片Ｆを加熱することが容易になる。
【０１０４】
なお、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１の場合、フレームが長すぎると、鋼片Ｆ表面が高温のフレームに直接曝され、鋼片Ｆの成分によっては鋼片Ｆの融点以上となり溶融したり、表面が著しく酸化されて表面品質の低下を招くことがある。よって、フレーム長の変動等を考慮すると、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１のフレーム長は、ショートフレームバーナ１１が設置される炉天井（天井壁）から鋼片Ｆの表面までの距離の３／４以下となるように設計することが望ましい。また、他の配置条件及びフレーム長条件は、記サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様であり、それらによる作用・効果等も同様であるため、ここでの詳しい説明は省略する。更に、ここで説明したショートフレームバーナ１１のフレーム長の範囲も、上記第１実施形態におけるフレーム長の説明と同様に、定格流量で炊かれた際のフレーム長の範囲である必要はない。しかし、上記第１実施形態と同様に、製造コスト削減・装置構成の小型化・燃焼効率の向上等のためには、ショートフレームバーナ１１として、定格流量で炊かれた際のフレーム長が上記範囲を満たすバーナを使用することが望ましい。
【０１０５】
２−２．本実施形態に係る加熱炉による効果の例
以上、本発明の第２実施形態に係る加熱炉１について説明した。この第２実施形態に係る加熱炉１は、上記第１実施形態に係る加熱炉１と同様の作用効果を奏することができる。この第２実施形態に係る加熱炉１は、更に、炉幅方向に並べられたルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１を有するため、上記第１実施形態に比べても更に鋼片Ｆの長手方向における温度分布の制御精度を向上させることが可能である。
【０１０６】
この第２実施形態に係る加熱炉１により均一加熱を行った場合の加熱結果を、図８に示す。なお、図８に示した抽出時の鋼片Ｆの表面温度分布は、上記第１実施形態で説明した加熱炉１の例において、ショートフレームバーナ１１を使用した加熱を行った結果を示している。
【０１０７】
図８に示すように、ルーフバーナタイプ及びサイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０，１１を使用した場合にも、上記第１実施形態に係るサイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０のみを使用した場合と同様に、鋼片Ｆの長手方向温度分布を均一にすることが可能である。つまり、鋼片Ｆの長手中央部ＦＣに対する両端部ＦＬ，ＦＲの温度差は、５℃低い程度に留まり、この第２実施形態に係る加熱炉１でも、ほぼ均一に加熱できることが判る。従って、本実施形態に係る加熱炉１のように、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナを使用しても、上記第１実施形態に係る加熱炉１のように、均一加熱の効果により、抽出温度低減による燃料原単位の削減や、圧延時寸法精度の向上効果を得ることが可能である。なお、図８では、均一加熱を行った場合について示しているが、傾斜加熱を行うことも、もちろん可能である。
【０１０８】
なお、上記第１実施形態及び第２実施形態に係る加熱制御装置２０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、加熱制御装置１０又は加熱制御装置２０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、加熱制御装置２０の各構成の機能を実現することができる。
【０１０９】
３．本発明の各実施形態で使用される温度測定装置及び温度測定方法
次に、本発明の各実施形態で使用される温度測定装置及び温度測定方法について説明する。なお、上述の通り、本発明の各実施形態では、温度測定装置及び温度測定方法は、鋼片表面の温度分布を測定するもので有れば様々なものが、使用可能であるが、ここで説明する温度測定装置及び温度測定方法は、他の温度測定装置及び温度測定方法に比べて温度分布を非常に正確に測定することが可能である。このように正確に表面温度分布を測定することにより、本発明の各実施形態に係る加熱制御方法及び装置は、上述のような効果を更に高めて、より正確に鋼片Ｆの長手方向温度分布を制御することが可能となる。従って、以下では、この温度測定装置及び温度測定方法について図９〜図１８を参照しつつ詳細に説明する。
【０１１０】
なお、以下では、この温度測定装置及び温度測定方法が如何に関連技術に係る他の温度測定装置及び温度測定方法に比べて正確に温度分布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、本発明の各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、各実施形態に用いられる温度測定装置及び温度測定方法による実施例について説明する。更に、この各実施形態に用いられる温度測定装置及び温度測定方法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。
【０１１１】
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
３−１．関連技術
３−２．各実施形態で使用する温度測定方法の概要
３−３．各実施形態で使用される温度測定装置例
３−４．各実施形態で使用される温度測定装置による測定例
３−５．各実施形態で使用される温度測定装置等による効果の例
【０１１２】
３−１．関連技術
図１８及び図１９を参照しつつ、関連技術について説明する。図１８及び図１９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。
【０１１３】
加熱炉内において鋼片の表面温度を非接触で測定する場合には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の放射エネルギーが存在する。この放射エネルギーが鋼片の表面で反射して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、鋼片からの熱放射エネルギーと、内壁や火炎等からの放射エネルギーが鋼片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。
【０１１４】
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、高温の鋼片の放射エネルギーに比し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。
【０１１５】
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１８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片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片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６が挙げられる。
【０１１６】
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、鋼片の近傍に温度既知物体を置いて比較する形態である。
【０１１７】
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：鋼片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：温度既知物体を鋼片の近傍、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。
【０１１８】
上記問題１について説明する。
鋼片が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼片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、鋼片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。
【０１１９】
上記問題２について説明する。
例えば、鋼片が離れた位置に配置されたり、比較的小さい鋼片の温度を計測するためには、鋼片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、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。
【０１２０】
図１９に１画素単位の出力のバラツキの一例を示す。図１９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。
【０１２１】
しかし、例えばカメラから６メートル離れた鋼片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。
【０１２２】
一方、温度既知物体９１２としては、図１８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。
【０１２３】
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、鋼片近傍でなく、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、上記各実施形態に係る加熱炉及び方法等に使用する場合、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、上記発明を完成させた。
【０１２４】
３−２．各実施形態で使用する温度測定方法の概要
以下、本発明の各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。
【０１２５】
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、鋼片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分布を計測し、得られた単色輝度分布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、その放射率が鋼片の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１２６】
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。
【０１２７】
３−１−１．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、鋼片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分布を計測し、得られた単色輝度分布を迷光補正して温度を求める。
【０１２８】
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。
【０１２９】
例えば、温度既知物体と鋼片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片にも照射されるものとして、計測した鋼片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。
【０１３０】
そこで、本実施形態の方法では、温度既知物体と鋼片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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
（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し、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ので、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・放射するのは、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。
【０１３３】
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、温度既知物体と鋼片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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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１）により温度Ｔにおける黒体輝度Ｅを計算する。
【０１３７】
【数１】
…（式１）
【０１３８】
ここで上記式１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］
【０１３９】
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２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２とする。
【０１４０】
【数２】
…（式２）
【０１４１】
この式２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ので、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ので、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、その波長の選択には、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。
【０１４２】
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３のようにＰｌａｎｃｋの法則により黒体輝度Ｅ１を算出する。
【０１４３】
【数３】
…（式３）
【０１４４】
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２）により、出力Ｌ１に該当する輝度を計算する。
【０１４５】
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４で表される。
【０１４６】
【数４】
…（式４）
【０１４７】
手順４：上記Ｅ１とＧ１から下記の式５により、迷光量Ｊを計算する。
【０１４８】
【数５】
…（式５）
【０１４９】
この式５中、ε１は温度既知物体の放射率である。
ここで、この式５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６で表される。
【０１５０】
【数６】
…（式６）
【０１５１】
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７で表される。
【０１５２】
【数７】
…（式７）
【０１５３】
撮像装置で計測される「見掛けの輝度」Ｇは上記ＡとＢの合計であるので下記式８で表される。
【０１５４】
【数８】
…（式８）
【０１５５】
この式を変形すると、迷光量Ｊを算出する式９が得られる。よって、この式９にＥ１，Ｇ１及びε１を代入して、上記式５が導出される。
【０１５６】
【数９】
…（式９）
【０１５７】
手順５：撮像装置により、鋼片を計測し、出力Ｌ２を得る。そして、上記特性式（式２）により、出力Ｌ２に該当する輝度を計算する。これは、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１０で表される。
【０１５８】
【数１０】
…（式１０）
【０１５９】
なお、ここで撮像装置により計測される出力Ｌ２は、その鋼片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個所に対する出力Ｌ２は、撮像画像中に撮像された鋼片の所定の個所に想到し、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、鋼片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、撮像画像中の鋼片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。
【０１６０】
手順６：上記Ｇ２と上記手順４項で算出した迷光量Ｊ（式５）から、下記の式１１により鋼片の黒体輝度Ｅ２を計算する。
【０１６１】
【数１１】
…（式１１）
【０１６２】
ε２は鋼片の放射率である。
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１２（上記式８）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１１が得られる。
【０１６３】
【数１２】
…（式１２）
【０１６４】
手順７：このＥ２から、下記Ｐｌａｎｃｋの法則の逆関数（式１３）を用いて、鋼片の温度Ｔ２［Ｋ］を求める。
【０１６５】
【数１３】
…（式１３）
【０１６６】
ここで、Ｌｏｇ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、温度既知物体と鋼片との距離が離れている場合においても、鋼片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。
【０１６７】
温度既知物体及び鋼片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り、上述の手順４項で導出した式８の如く、温度既知物体及び鋼片のそれぞれについて下記の式１４及び式１５で表される。
【０１６８】
【数１４】
…（式１４）
…（式１５）
【０１６９】
ここで、添字１は温度既知物体、添字２は鋼片を表す。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。
【０１７０】
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１４及び式１５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を求めて鋼片の温度を得ている。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、温度既知物体と鋼片の放射率が等しく、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。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如く、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ので、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。
【０１７１】
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と鋼片位置の迷光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るので、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と鋼片位置の迷光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、温度既知物体と鋼片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。
【０１７２】
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、鋼片の近傍に温度既知物体を置く必要はない。
【０１７３】
３−１−２．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。
【０１７４】
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に示した如く、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・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９に示す。
【０１７５】
図９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。
【０１７６】
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。統計学の法則によれば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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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１６を満たすことが望ましい。
【０１８１】
【数１５】
…（式１６）
【０１８２】
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１６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。
【０１８３】
３−１−３．特徴３
特徴３．温度既知物体は、その放射率が鋼片の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１８４】
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。
【０１８５】
検討条件は、長さ１２ｍ、高さ２．５ｍの燃焼炉にて、炉内壁温度１２００℃、炉床に置かれた鋼片の温度９００℃、鋼片の放射率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。
【０１８６】
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、鋼片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１０に示す。図１０に示した放射率εは温度既知物体の放射率であり、鋼片の放射率は０．８６に固定している。
【０１８７】
図１０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片の放射率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、鋼片の補正後温度は、鋼片の真の温度９００℃に対して、３℃以内の差異に収まる。
【０１８８】
しかし、鋼片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。鋼片の放射率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。
【０１８９】
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、鋼片放射率の前後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。
【０１９０】
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、鋼片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片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。
【０１９１】
発明者らの知見によれば、上述のように、例えば鋼片の温度が９００℃、炉内壁の温度が１２００℃のように、鋼片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片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１１に示す。図１１には、上記図１０中の温度既知物体の放射率εが、鋼片と等しい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１１において●のプロットは、鋼片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片と異なる場合の例である。ここでも、鋼片は炉の中心即ち６ｍ点に置いた。
【０１９２】
図１１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、鋼片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。
【０１９３】
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１１の●プロットに示される如く、６ｍ点においた鋼片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。
【０１９４】
以上、本発明の各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。
【０１９５】
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
【０１９６】
そこで次に、この特徴４，５について説明する。
【０１９７】
３−１−４．特徴４
特徴４：放射率の経時変化への対処
【０１９８】
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。
【０１９９】
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、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。
【０２００】
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１７（上記式５）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１８により、迷光量Ｊを計算する。
【０２０１】
【数１６】
…（式１７）
…（式１８）
【０２０２】
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１２に示す。図１２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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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８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。
【０２０６】
【数１７】
…（式Ａ１）
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
【数１８】
…（式Ａ２）
…（式Ａ３）
【０２１０】
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。
【０２１１】
【数１９】
…（式Ａ４）
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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３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４と式５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。
【０２１５】
【数２０】
…（式Ａ５）
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
３−１−５．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
【０２１９】
この特徴５について説明すれば、以下の通りである。
上記の如く、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、温度既知物体は鋼片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、鋼片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。
【０２２０】
条件１：炉内迷光分布上、鋼片の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
条件２：鋼片の測定表面に対する角度が、鋼片の放射率が変化しない角度以上となる位置
条件３：鋼片との間に火炎を挟まない位置
【０２２１】
以下、それぞれの条件について述べる。
【０２２２】
条件１：炉内迷光分布上、鋼片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１３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１３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。
【０２２３】
条件２：鋼片の測定表面に対する角度が、鋼片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、温度既知物体と鋼片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、鋼片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、鋼片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。
【０２２４】
このような問題点に想到した発明者らは、鋼片（鋼材）を用い、種々の角度に温度既知物体を配置して、鋼片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１４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。
【０２２５】
そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、鋼片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、鋼片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。
【０２２６】
条件３：鋼片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、鋼片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、鋼片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片と火炎との位置関係により規定される。具体的には、図１５に示すように、被測定点（鋼片）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１９を満たすように設定される。
【０２２７】
【数２１】
…（式１９）
【０２２８】
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。
【０２２９】
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１９を満たすように設定される。
【０２３０】
この温度既知物体の位置を例示すれば、図１５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、鋼片の温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２３１】
以上、本発明の各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。
【０２３２】
３−３．各実施形態で使用される温度測定装置例
図１５に示すように、温度測定装置１００は、加熱炉１内に配置された鋼片Ｆの温度を測定する。図１５では、加熱炉１として、バーナ２（リジェネバーナ、ショートフレームバーナ、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、上記本発明の各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１５に示す横方向が炉幅方向に相当することになる。
【０２３３】
温度測定装置１００は、図１５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。
【０２３４】
撮像装置１１０は、輝度計測部の一例であって、鋼片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１５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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。金属材が鋼片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。
【０２３８】
演算部１３０は、撮像装置１１０による撮像画像を解析して、鋼片Ｆの単色輝度から、鋼片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１５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。
【０２３９】
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、鋼片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、鋼片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、鋼片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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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、鋼片Ｆの黒体輝度を算出する。
【０２４２】
温度算出部１３４は、迷光補正部１３３が算出した鋼片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、迷光補正した鋼片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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
３−４．各実施形態で使用される温度測定装置による測定例
次に、本発明の各実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法により、金属材として、燃焼炉（加熱炉１の一例）内に配置された鋼片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）により鋼片Ｆを加熱する。鋼片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ー機能を有しており、この波長フィルター機能により、波長１．０±０．２μｍの単波長の放射光を測定した。なお、この際、波長フィルター機能は、±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。
【０２４６】
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、最小自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２）の具体的な形として、下記式２１を得た。
【０２４７】
【数２２】
…（式２０）
…（式２１）
【０２４８】
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自乗法によって、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。
【０２４９】
ＣＣＤカメラは、図１６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。鋼片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、鋼片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、鋼片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、鋼片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、鋼片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。このように鋼片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、鋼片Ｆの表面全体の温度分布を測定することが可能である。
【０２５０】
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。
【０２５１】
この実施例では、鋼片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。
【０２５２】
ＣＣＤカメラの視野角は左右６０度上下４５度と十分に大きく、鋼片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。
【０２５３】
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。鋼片Ｆの温度は、９００℃から１２５０℃までの範囲である。図１６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。
【０２５４】
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、鋼片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１７に示す。図１７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１７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１７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片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、鋼片Ｆの撮像画像中の各個所について温度を測定することにより、鋼片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。
【０２５５】
３−５．各実施形態で使用される温度測定装置等による効果の例
最後に、本発明の各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４〜５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。
【０２５６】
３−５−１．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を表す。
【０２５７】
【数２３】
…（式２２）
【０２５８】
この特許文献４では、鋼片の近くに遮蔽板を置く必要がある。しかし、鋼片が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼片の動きによって遮蔽板が破損する恐れがある。鋼片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。
【０２５９】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、鋼片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。
【０２６０】
３−５−２．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。
【０２６１】
【数２４】
…（式２３）
【０２６２】
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。
【０２６３】
【数２５】
…（式２４）
【０２６４】
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。
【０２６５】
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。
【０２６６】
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、火炎と鋼片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。
【０２６７】
３−５−３．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各実施形態による効果等を説明したが、本発明の各実施形態に係る温度測定装置は、更に、温度既知物体を鋼片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で説明した鋼片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。
【０２６８】
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ことは言うまでもない。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。
【０２６９】
なお、上記実施形態では、本発明の各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、本発明の各実施形態の特徴を限定するものではなく、本発明の各実施形態の特徴は、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。
【０２７０】
また、上記第１実施形態では、サイドバーナタイプのショートフレームバーナを使用する場合について説明し、上記第２実施形態では、サイドバーナタイプとルーフバーナタイプのショートフレームバーナを使用する場合について説明した。しかしながら、上述の通り、上記配置条件及びフレーム長条件を満たすショートフレームバーナとしては、サイドバーナタイプ、ルーフバーナタイプ及びフロアバーナタイプのいずれか、又は、いずれかの組み合わせを使用することが可能である。更に、上記実施形態では、鋼片Ｆの搬送位置の上下両側にショートフレームバーナを配置する場合について説明したが、上方のみ、又は、下方のみにショートフレームバーナを配置することも可能である。更に加えて、上記実施形態では、にショートフレームバーナが、鋼片Ｆの長手方向両端部ＦＬ，ＦＣに対応する位置に配置される場合について説明したが、どちらか一方の端部ＦＬ，ＦＣに対応する位置に配置されることももちろん可能である。また、このショートフレームバーナの配置範囲は、上記抽出口ＯＵＴから炉長の１／３の範囲内で調整可能であり、かつ、ショートフレームバーナの個数も適宜調整可能である。例えば圧延等の後続処理の形態や条件により必要となる局部加熱部位やその部位の加熱量が異なるので、このショートフレームバーナのタイプ、個数、及び、配置位置等は、鋼片Ｆにおける低温部に対して必要な局部加熱量、加熱時間、鋼片Ｆの昇温特性等を考慮して決定されることが望ましい。
【０２７１】
尚、本明細書において、フローチャートに記述されたステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的に又は個別的に実行される処理をも含む。また時系列的に処理されるステップでも、場合によっては適宜順序を変更することが可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０２７２】
１ 加熱炉
２ リジェネバーナ
３ スキッドビーム
４ スキッドポスト
５ 仕切壁
１０，１１ ショートフレームバーナ
２０ 加熱制御装置
２１ 温度分布解析部
２２ ショートフレームバーナ制御部
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
Ｆ 鋼片
ＩＮ 装入口
ＯＵＴ 抽出口
Ａｒ 測温領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉及び加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な金属材の加工に際して、加熱炉が使用されている。例えば、鉄鋼業の分野だけでも、連続鋼片加熱炉などの様々な加熱炉が使用されている。連続鋼片加熱炉における加熱は、それに続く鋼材の圧延機において、例えば、材質、表面品位、幅・厚み等の寸法精度などのような、製品に要求される特性を作り込む温度を確保するために行われる。従って、加熱炉で適切な温度に鋼片を加熱することが非常に重要である。
【０００３】
例えば、熱延鋼帯を製造する連続熱延工場の場合、熱間圧延の仕上圧延が複数台の圧延機を連続して通過するいわゆるタンデム圧延で行われる場合が多い。この場合、圧延される鋼片の長手方向のフロント側が所定の圧延速度で圧延される間、その鋼片のテール側は圧延されるまでに時間がかかってしまい温度が低下するため、圧延時の温度が変化してしまう。このような圧延時の温度偏差は、材質のバラツキの原因となったり、変形抵抗の増加によりのびが悪くなり圧延トラブルやサイズのバラツキの原因ともなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１１０１５号公報
【特許文献２】特開昭９−５３１１４号公報
【特許文献３】特開昭９−１１１３３４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】
【０００５】
このような圧延時に鋼片の長手方向での待ち時間の差による材質のバラツキ等の不良を抑制するために、上記連続熱延工場の場合、加熱炉内で鋼片のテール側に相当する部分をフロント側よりも高温に加熱することが一般的に行われる。このような温度分布の制御は、上記連続熱延工場だけでなく、様々な金属材の製造工場において行われており、加熱炉でその金属材の温度分布を精度良く調整することが非常に重要である。
【０００６】
このように金属材の長手方向の温度分布を制御する方法として、例えば特許文献１には、サイドバーナを用いた加熱炉において、燃焼ガスの内流と外流の流量比率を変更することにより、燃焼フレーム長を所望の範囲に保ち、金属材の炉幅方向の温度分布を所望の分布に保つ技術が開示されている。
【０００７】
一方、近年の地球環境の保護や燃料消費量削減の観点から、加熱炉でも消費エネルギーを削減することが可能な蓄熱式バーナ（以下「リジェネバーナ」ともいう。）が使用されてきている。このリジェネバーナは、２つが交番燃焼ペアを組み、一方が吸気して蓄熱しつつ一方が燃焼するように交番で燃焼されることにより、熱効率に優れ、エネルギーコスト面でも改善を図ることが可能である。しかし、このリジェネバーナでは金属材の長手方向の温度分布を制御することが難しかった。
【０００８】
これに対して、リジェネバーナでも金属材の温度分布の制御精度を向上させるために、特許文献２及び特許文献３などのように、様々な技術が開発されている。この特許文献２では、加熱炉中の金属材の進行方向両側に対向配置したリジェネバーナ群により、燃焼加熱時間を、対向したリジェネバーナ同士で非対称に設定して交番燃焼加熱する。その結果、金属材の長時間燃焼する側の部位を、他の部位よりも高温に加熱して温度分布を制御している。
【０００９】
また、特許文献３では、一方の炉壁のリジェネバーナとこれに対向する炉壁のリジェネバーナとを組み合わせて複数の交番燃焼ペアを構成するか、又は、それぞれの炉壁のリジェネバーナ同士を組み合わせて複数の交番燃焼ペアを構成し、操炉条件に応じてそれぞれのペアを組み替えて、金属材を加熱する。その結果、炉内温度分布を所望の操炉条件に一致させている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１で使用されたサイドバーナや、上記特許文献２，３で使用されたリジェネバーナは、金属材の進行方向に平行な炉壁にバーナが配置され、炉幅方向に燃焼フレームを形成する。よって、炉幅や燃焼負荷にもよるが、例えば、各バーナによる炉温のピーク点がバーナ吐出孔から炉幅の１／３付近に形成される。よって、特許文献１のように燃焼フレーム長を調整したり、特許文献２のように加熱時間を調整したり、そして、特許文献３のように交番燃焼ペアを組み替えたとしても、各バーナによる炉温のピーク点は、対向壁から炉幅の１／３付近に形成される。従って、時間平均した炉幅方向の炉温分布は、炉幅中央部が高め（以下「中高傾向」という。）になることが多い。
【００１１】
例えば、上記連続熱延工場の場合、このような中高傾向になると、鋼片の長手方向フロント部よりも長手中央部の温度が高くなるため、圧延待ちによる温度低下は、圧延長手方向中央部付近では救済されうる。しかしながら、圧延のテール部は、補償されずに圧延温度は下がってしまい、材質の低下や圧延トラブル、サイズのバラツキと言った不具合が発生してしまうことが多い。
【００１２】
更に一方、近年の金属材に対するニーズは多様化・高度化しており、短い周期で加熱温度を変更して、様々な成分や種類の金属材を製造することも、加熱炉には求められている。例えば、上記連続鋼片加熱炉の場合では、後続の圧延機において様々な鋼種を連続して圧延するために、加熱温度の支配因子である炉温を頻繁に変化させる必要があるほか、鋼種毎の加熱・圧延能率に応じて加熱時間も変化させる必要があり、一定炉温・一定在炉時間で鋼材を加熱することが困難になってきている。このような操炉条件下におかれる加熱炉により、上述のように金属材長手方向の温度分布を精度良く制御することは、ますます難しくなってきているのが実情である。
【００１３】
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、蓄熱式バーナを使用してエネルギー効率を向上させつつ、金属材の長手方向の温度分布をより精度良く制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉であって、
上記炉幅方向で相互に対向するように、上記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに上記炉長方向に沿って複数配置され、交番燃焼のペアを組んで交番で燃焼フレームを形成する蓄熱式バーナと、
上記炉長方向で相隣接する上記蓄熱式バーナの間における上記加熱炉に配置され、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して上記金属材を局所的に加熱する少なくとも１以上の非蓄熱式バーナと、
を有し、
上記非蓄熱式バーナは、上記加熱炉における抽出側から炉長の１／３の位置から、上記加熱炉の抽出口までの間に配置されることを特徴とする、加熱炉が提供される。
【００１５】
また、少なくとも２以上の上記非蓄熱式バーナは、両側の上記炉側壁のそれぞれにおける上記相隣接する蓄熱式バーナの間に配置され、上記炉幅方向で対向して該炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成するサイドバーナであることを特徴とする、請求項１に記載の加熱炉。
【００１６】
また、少なくとも２以上の上記非蓄熱式バーナは、炉天井における上記相隣接する蓄熱式バーナの間において上記炉幅方向に並べて配置され、炉高方向に燃焼フレームを形成するルーフバーナであってもよい。
【００１７】
また、上記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の上記非蓄熱式バーナよりも前方に配置され、通過する上記金属材表面の温度分布を測定する温度測定装置と、
上記温度測定装置が測定した上記温度分布に基づいて、上記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、上記温度測定装置よりも後方の上記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御する加熱制御部と、
を更に有してもよい。
【００１８】
また、上記温度測定装置は、
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、少なくとも上記金属材の放射エネルギー分布を計測する輝度計測部と、
上記輝度計測部の測定範囲内で当該輝度計測部の近傍に配置され、上記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体と、
上記輝度計測部が計測した上記金属材及び上記温度既知物体の単色輝度分布を迷光補正して、上記金属材の温度分布を求める演算部と、
を有してもよい。
【００１９】
また、上記演算部は、
上記金属材の温度を求める際に、上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、迷光量を算出する迷光算出部と、
上記迷光算出部が算出した上記迷光量と、上記金属材の放射エネルギー分布とに基づいて、当該金属材の温度分布を算出する温度算出部と、
を有してもよい。
【００２０】
また、上記輝度計測部は、上記金属材及び上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、
上記温度既知物体は、上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。
【００２１】
また、上記温度既知物体は、上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。
【００２２】
また、上記温度既知物体の放射率は、上記金属材の放射率に対して前後０．１の範囲内であってもよい。
【００２３】
また、上記輝度計測部は、上記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを更に計測し、
当該炉内壁と上記温度既知物体との放射エネルギーの差が記録される記憶部と、
上記記憶部に記録された上記放射エネルギーの差に基づいて、上記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握する放射率変更部と、
を有してもよい。
【００２４】
また、上記放射率変更部は、上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、
上記演算部は、当該経時変化後の放射率を使用して、上記迷光補正を行ってもよい。
【００２５】
また、上記温度既知物体は、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、上記金属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）上記金属材の測定表面に対する角度が、上記金属材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）上記金属材との間に燃焼フレームを挟まない位置
【００２６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉を用いた上記金属材の加熱方法であって、
上記炉幅方向で相互に対向するように、上記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに上記炉長方向に沿って複数配置された蓄熱式バーナを、交番燃焼のペアを組ませて交番で燃焼フレームを形成させると共に、
上記加熱炉の抽出側から炉長の１／３の位置から、上記加熱炉の抽出口までの間において、上記炉長方向で相隣接する上記蓄熱式バーナ間に配置された少なくとも１以上の非蓄熱式バーナにより、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成させて、上記金属材を局所的に加熱する際、
上記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の上記非蓄熱式バーナよりも前方に配置された温度測定装置により、通過する上記金属材表面の温度分布を測定し、
上記温度測定装置が測定した上記温度分布に基づいて、上記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、上記温度測定装置よりも後方の上記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御することを特徴とする、加熱方法が提供される。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、蓄熱式バーナを使用してエネルギー効率を向上させつつ、抽出側から炉長の１／３の位置から、抽出口までの間において、非蓄熱式バーナにより、金属材を局所的に加熱することにより、金属材の長手方向の温度分布をより精度良く制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る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炉の構成について説明するための説明図である。
【図１Ｃ】同実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図１Ｄ】同実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図２Ａ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの作用等について説明するための説明図である。
【図２Ｂ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの作用等について説明するための説明図である。
【図３Ａ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。
【図３Ｂ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。
【図４Ａ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナのフレーム長について説明するための説明図である。
【図４Ｂ】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナのフレーム長について説明するための説明図である。
【図５】同実施形態に係る加熱炉による加熱方法について説明するための説明図である。
【図６】同実施形態に係る加熱炉による加熱方法について説明するための説明図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図７Ｂ】同実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。
【図８】同実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナについて説明するための説明図である。
【図９】本発明の各実施形態に用い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１０】本発明の各実施形態に用い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１１】本発明の各実施形態に用い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１２】本発明の各実施形態に用い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１３】本発明の各実施形態に用い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１４】本発明の各実施形態に用い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１５】本発明の各実施形態に用い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１６】本発明の各実施形態に用い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１７】本発明の各実施形態に用い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１８】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１９】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】
【００２９】
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。
【００３０】
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、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について説明する。一方、本発明の各実施形態に係る加熱炉は、被加熱材である金属材表面の温度分布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、金属材表面の温度分布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、金属材表面の温度分布を正確に測定可能な温度測定装置及び温度測定方法を使用する。この温度測定装置及び温度測定方法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。
【００３１】
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実施形態
２．第２実施形態
３．本発明の各実施形態で使用される温度測定装置及び温度測定方法
【００３２】
また、以下では、説明の便宜上、加熱炉として「連続鋼片加熱炉」を例に挙げて説明する。そして、被加熱材である金属材として「鋼片（鋼材ともいう。）」を例に挙げて説明する。しかし、本発明の各実施形態に係る加熱炉は、上記連続鋼片加熱炉に限られるものではなく、鉄鋼業に限定されるものでもない。つまり、金属材は、加熱処理が必要な様々な金属材であってもよく、また、加熱炉自体もその金属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。
【００３３】
１．第１実施形態
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の第１実施形態に係る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のＡ−Ａ線で切断した断面図を示し、図１Ｃは、図１Ａにおける加熱炉１のＢ−Ｂ線で切断した断面図を示し、図１Ｄは、図１Ａにおける加熱炉１のＣ−Ｃ線で切断した断面図を示す。
【００３４】
１−１．本実施形態に係る加熱炉の構成
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、金属材の一例である鋼片Ｆを搬送しつつその鋼片Ｆを加熱する。つまり、図１Ａに示す鋼片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、鋼片Ｆは、加熱炉１の他側（抽出側、ｘ軸正の方向側ともいう。）へと搬送されつつ加熱されて昇温し、加熱炉１の抽出側の端部の炉壁に設けられた抽出口ＯＵＴから抽出される。そのために、加熱炉１は、搬送装置、仕切壁、加熱装置及び制御装置等を有する。以下、この搬送装置、仕切壁、加熱装置及び制御装置の各構成について説明する。
【００３５】
１−１−１．搬送装置
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に指示されており、そのスキッドビーム３上に鋼片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。また、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、鋼片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、鋼片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、再度鋼片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、鋼片Ｆは、順次炉長方向へと搬送される。
【００３６】
１−１−２．仕切壁
仕切壁５は、図１Ａに示すように、加熱炉１の炉天井及び炉床の複数個所から突出形成され、加熱炉１を複数の区間に区画する。この各区間は、装入口ＩＮ側からそれぞれ予熱帯、加熱帯、均熱帯に相当する。ここでは、これらの区間に区画する場合を例示しているので、２×２の仕切壁５が加熱炉１に配置される。
【００３７】
なお、この仕切壁５の個数は、特に限定されるものではなく、例えば、予熱帯、第１加熱帯、第２加熱帯、均熱帯の４区間に仕切る場合には３×２個であればよく、その他の区間数の設定状況に応じて、適宜適切な個数が配置される。また、仕切壁５は、本実施形態に係る加熱炉１の搬送装置がウォーキングビーム式であるため、炉天井から突出形成されるが、必要に応じて、炉床や炉壁から突出形成されることも可能である。更に言えば、この仕切壁５は、必ずしも必要ではなく、配置されなくともよい。ただし、本実施形態の場合、特徴の一つであるショートフレームバーナ１０の配置位置等が判りやすいように、加熱炉１が複数の区間に区画されている場合を例示している。
【００３８】
なお、本実施形態の加熱炉１における均熱帯の長さは、図１Ａに示すように、炉長の１／３以下に設定される。例えば、本実施形態の加熱炉１は、炉長が４０ｍであり、均熱帯の長さは９ｍ（＜４０／３）である。ただし、本実施形態に係る加熱炉１の寸法等は、この例に限定されるものではなく、様々な寸法であっても良いことは言うまでもない。
【００３９】
１−１−３．加熱装置
加熱炉１は、図１Ａに示すように、加熱装置として、リジェネバーナ２と、ショートフレームバーナ１０とを有する。各バーナについて説明する。
【００４０】
１−１−３−１．リジェネバーナ２
リジェネバーナ２は、図１Ｂに示すように、炉幅方向で相互に対向するように、炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに配置される。このように対向した２のリジェネバーナ２のセットは、図１Ａに示すように、予熱帯、加熱帯及び均熱帯のそれぞれにおいて炉長方向に沿って複数セット配置される。また、リジェネバーナ２は、図１Ａ等に示すように、鋼片Ｆの搬送位置を挟む上下帯にそれぞれ配置される。
【００４１】
このリジェネバーナ２は、リジェネレイティブ（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）バーナとも言われ、蓄熱式バーナの一例である。炉幅方向で対向した２のリジェネバーナ２、炉長方向で相隣接した２のリジェネバーナ２、２以上の任意のリジェネバーナ２は、交番燃焼のペア（２以上で構成された組をも含む。）を組んで交番で燃焼フレーム（火炎）を形成し、鋼片Ｆを加熱する。２のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合、そのペアの一方のリジェネバーナ２が炊かれている間、他方のリジェネバーナ２は、一方のリジェネバーナ２の高温の排ガスを吸気し、内部に有する蓄熱体（図示せず）に排ガスの熱を蓄熱する。２以上の任意のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合には、そのうちいくつかのリジェネバーナ２が炊かれている間、残りのリジェネバーナ２が高温の排ガスを吸気して同様に熱を蓄える。そして、この蓄熱体に蓄えられた熱を利用して、他方又は残りのリジェネバーナ２が燃焼される。このような交番燃焼を行うリジェネバーナ２は、排ガスを低減すると共に、燃費をも向上させることが可能である。
【００４２】
１−１−３−２．ショートフレームバーナ１０
ショートフレームバーナ１０は、非蓄熱式バーナの一例であって、図１Ａに示すように、炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置される。そして、ショートフレームバーナ１０は、加熱炉１における抽出側から炉長の１／３の位置から、加熱炉１の抽出口ＯＵＴまでの間に配置される。本実施形態の場合、均熱帯は、炉長の１／３以下の長さを有して抽出側に設定され、かつ、鋼片Ｆの温度を均一化させる区間であるため、ショートフレームバーナ１０は、更に、この均熱帯に配置されることが望ましい。なお、図１Ａに示すように３区間に区画された場合以外の区画が設けられたとしても、通常、加熱炉１には少なくとも予熱帯、加熱帯、均熱帯が設けられ、均熱帯は、加熱炉１の抽出口ＯＵＴ側に設けられる。従って、均熱帯は、少なくとも抽出口ＯＵＴから炉長１／３の長さの区間に含まれることになる。よって、ショートフレーム１０は、いずれにしろ均熱帯に配置されることが望ましい。このショートフレームバーナ１０は、上記リジェネバーナ２と異なり、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して、鋼片Ｆを局所的に加熱する。その結果、加熱炉１は、鋼片Ｆの長手方向の温度分布をより精度良く制御することが可能となる。このショートフレームバーナ１０についてより詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態に係るショートフレームバーナ１０は全て、図１Ａに示すように、サイドバーナとして形成される。つまり、ショートフレームバーナ１０は、図１Ｃに示すように、炉幅方向両側の炉側壁それぞれにおける相隣接するリジェネバーナ２の間に配置され、炉幅方向で相互に対向する。そして、このように炉幅方向で対向したショートフレームバーナ１０は、リジェネバーナ２と同様に、鋼片Ｆの搬送位置を挟む上下帯にそれぞれ配置される。しかしながら、上述のように、ショートフレームバーナ１０は、リジェネバーナ２と異なり非蓄熱式バーナが使用されるため、交番燃焼ペアを組まず、相互に独立して炊かれる。
【００４４】
ショートフレームバーナ１０は、その名の通り、上記リジェネバーナ２よりも燃焼流量が低くフレーム長が短いバーナで形成される。より具体的には、ショートフレームバーナ１０は、炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成する。なお、上記リジェネバーナ２は、炉幅の約１／２のフレーム長の燃焼フレームを形成することが望ましい。ただし、ここで説明したショートフレームバーナ１０及びリジェネバーナ２のそれぞれのフレーム長は、各バーナが定格流量で炊かれた時のフレーム長である必要はない。つまり、ショートフレームバーナ１０及びリジェネバーナ２の少なくとも一方として、上記フレーム長の範囲よりも定格流量でのフレーム長が長いバーナを使用することも可能であるが、本実施形態では、実際に炊かれる際にはフレーム長が上記範囲内になるように燃焼流量などが調整される。なお、定格流量の大きさはバーナの価格やサイズをも増加させ、また、バーナは定格流量で使用される場合に燃焼効率等が良くなるように設計されることが多いため、製造コストを低減し、装置構成を小さくし、かつ、燃焼効率を高めるためには、定格流量で炊かれた際のフレーム長が上記範囲内となるショートフレームバーナ１０及びリジェネバーナ２を使用することが望ましい。なお、ここで説明した内容は、以下で説明するフレーム長の範囲等（第２実施形態におけるルーフタイプのショートフレームバーナ１１等のフレーム長の範囲等を含む。）においても同様のことが言えるため、やはり定格流量時のフレーム長に限定されるものではないが、同様の理由により、定格流量時のフレーム長が以下で説明する範囲を満たすバーナを使用することが望ましい。
【００４５】
１−１−４．制御装置
加熱炉１は、制御装置として、少なくとも加熱制御部２０と、温度測定装置１００とを有し、この加熱制御部２０は、上位の他の制御装置や作業者の入力等に基づいて、鋼片Ｆの加熱スケジュールを実現すべく、上記搬送装置及び加熱装置を制御する。なお、ここでは、本実施形態の特徴の１つであるショートフレームバーナ１０の制御を行う構成を中心に説明する。
【００４６】
１−１−４−１．温度測定装置１００
温度測定装置１００は、鋼片Ｆの搬送方向、つまり炉長方向における少なくとも１以上のショートフレームバーナ１０よりも前方（上流側、装入側）に配置される。そして、温度測定装置１００は、配置された個所を通過する鋼片Ｆ表面の温度分布を測定する。より具体的には、温度測定装置１００は、図１Ａに示すように、均熱帯における前方において、ショートフレームバーナ１０の直前に配置されることが望ましい。
【００４７】
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、後述するように、この温度測定装置１００の測定結果により、それよりも後方（下流側、抽出側）に配置されたショートフレームバーナ１０の燃焼量が調整されるため、温度測定装置１００の少なくとも１以上は、少なくとも１以上のショートフレームバーナ１０の上流側に配置される。
【００４８】
この温度測定装置１００としては、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、鋼片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、鋼片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１Ｄ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、鋼片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。
【００４９】
温度測定装置１００は、加熱制御部２０により制御され、所定のタイミングで鋼片Ｆの温度分布を測温する。つまり、温度測定装置１００は、鋼片Ｆが測温領域Ａｒに入った場合に、その鋼片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、加熱制御部２０自身は、鋼片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。尚、この測温対象となる鋼片Ｆは、搬送されて加熱される全ての鋼片Ｆであってもよいが、加熱制御部２０により選択された１以上の鋼片Ｆであってもよい。
【００５０】
また、この測温結果は、各温度測定装置１００により、加熱制御部２０の記憶部１４２に記録される。なお、加熱制御部２０は、鋼片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、一の鋼片Ｆに対する動作及び処理等について説明し、他の鋼片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。
【００５１】
１−１−４−２．加熱制御部２０
加熱制御部２０は、上述の通り、加熱炉１の搬送装置及び加熱装置を制御する。この加熱制御部２０は、特に、ショートフレームバーナ１０を制御するが、この際、温度測定装置１００が測定した温度分布に基づいて、その温度測定装置１００よりも後方に配置されたショートフレームバーナ１０の燃焼流量を制御する。そのために、加熱制御部２０は、上記記憶部１４２と、温度分布解析部２１と、ショートフレームバーナ制御部２２とを有する。
【００５２】
記憶部１４２には、上述の通り、温度測定装置１００による温度測定結果が記録され、温度解析部２１は、この記憶部１４２に記録された鋼片Ｆの表面温度分布に基づいて、鋼片Ｆの長手方向の温度偏差を抽出する。
【００５３】
鋼片Ｆは、予熱帯及び加熱帯においてはリジェネバーナ２により加熱昇温されるので、炉幅中央部、つまり鋼片Ｆの長手中央部の温度が高くなり、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、長手方向の端部ＦＬ，ＦＲの昇温速度は、この中央部ＦＣに比べて遅れ、温度が低くなる。このような温度分布は、いわゆる「中高傾向」とも言う。例えば、一般のバーナの燃焼空気温度が常温〜約６００℃程度であるのに対して、リジェネバーナ２による燃焼空気温度は炉温にも寄るが約９００〜１１００℃と非常に高い。よって、リジェネバーナ２は、一般のバーナに比較してフレーム温度が高くなるので、このリジェネバーナ２ではＮＯｘ濃度が高くなる。そこで、リジェネバーナ２では、ＮＯｘ低減対策として燃料と空気の混合速度を遅くして、フレーム温度を下げる方策が講じられる。この結果、炉幅方向の中央部ＦＣあるいは中央よりは対向壁に近い場所で、フレーム温度のピーク点が生じ、交番燃焼をした場合の平均的なフレーム温度分布が炉幅中央部ＦＣで最も高くなり、加熱される鋼片Ｆの長手方向の温度分布は、中高傾向となる。
【００５４】
温度分布解析部２１は、そこで、温度測定装置１００が測定した温度分布を解析し、このような中高傾向がどの程度生じているか、つまり、例えば鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣと端部ＦＬ，ＦＲとの温度差を算出する。この際、温度分布解析部２１は、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣ及び端部ＦＬ，ＦＲにおける定位位置の温度差を算出してもよいが、中央部ＦＣにおける最高温度と、端部ＦＬ，ＦＲにおける最低温度との温度差を算出してもよい。また、この中高傾向の度合を表す量としては、温度差だけでなく、温度差の長手方向における分布が特定されてもよい。
【００５５】
ショートフレームバーナ制御部２２は、温度分布解析部２１による解析結果に基づいて、鋼片Ｆの長手方向で局部的な加熱が必要となる個所を特定し、その特定した個所（例えば、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲ）を、どの程度加熱するかを特定する。そして、ショートフレームバーナ制御部２２は、特定した個所に対応するショートフレームバーナ１０の燃焼流量や空気流量を調整して、特定した分だけ鋼片Ｆを加熱するように燃焼フレームを形成させる。
【００５６】
なお、本実施形態に係る加熱炉１は、例えば、抽出時の鋼片Ｆの温度が長手方向で均一となるような「均一加熱」を行うことが可能である。これに加えて、本実施形態に係る加熱炉１は、例えば、後続の熱間圧延等における処理を考慮して鋼片Ｆの長手方向の一端部（テール部）の温度が他の部位に比べて高くなるようないわゆる「傾斜加熱」を行うことも可能である。そこで、ショートフレームバーナ制御部２２は、温度分布解析部２１が解析した温度偏差量だけでなく、その測温対象の鋼片Ｆを均一加熱すべきか傾斜加熱すべきかを判断して、ショートフレームバーナ１０の燃焼流量を制御する。
【００５７】
その結果、本実施形態に係る加熱炉１では、抽出側から炉長の１／３の位置、特に均熱帯においてショートフレームバーナ１０により鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲ付近を選択的に加熱することが可能である。従って、均熱帯出側、すなわち加熱炉１の抽出時において、鋼片Ｆの長手方向の温度分布を、ほぼ均一分布としたり、テール部が高い傾斜分布とすることが可能である。
【００５８】
１−２．本実施形態に係るショートフレームバーナ
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の構成等について説明した。本実施形態の作用・効果等の理解が容易になるように、更に、特徴の１つであるショートフレームバーナ１０についてより実施例を交えつつ説明する。
【００５９】
１−２−１．ショートフレームバーナの作用等の例
まず、図２Ａ及び図２Ｂを参照しつつ、ショートフレームバーナ１０の作用・効果等の例について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナについて説明するための説明図である。なお、ここでは燃料としてＬＮＧ（液化天然ガス、Ｌｉｑｕｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を使用し、その発熱量は約３．９×１０７Ｊ／Ｎｍ３（＝約９３００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）とした。
【００６０】
仮に、本実施形態に係る加熱炉１においてショートフレームバーナ１０が配置されていないと仮定する。つまり、加熱炉１の予熱帯、加熱帯及び均熱帯の全ての範囲において、リジェネバーナ２のみにより鋼片Ｆは加熱されることになる。この場合、抽出口ＯＵＴから抽出される鋼片Ｆの長手方向の温度分布を、図２Ａに示した。
【００６１】
なお、上述の通り、炉幅が１２ｍで炉長が４０ｍの加熱炉１を使用し、対向したもの同士が交番燃焼ペアを組むバーナ一本当たり２７０Ｎｍ３／ｈｒのリジェネバーナ２を使用した。そして、表１に示すように、厚みが２５０ｍｍで幅が１２５０ｍｍで長手方向の長さが１００００ｍの鋼片Ｆを加熱した。なお、加熱炉１の各区間の長さは、表２に示すように、予熱帯が１９ｍ、加熱帯が１２ｍ、均熱帯が９ｍとした。また、以下で説明する各実施例や比較例の測定条件は、ここで説明した条件と同様か、一部を変更した条件を使用している。
【００６２】
【表１】
【００６３】
【表２】
【００６４】
図２Ａに示すように、予熱帯〜均熱帯までの加熱炉１の全域を、リジェネバーナ２により加熱した場合、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣに比較して両端部ＦＬ，ＦＲの温度は、約３０℃程度低くなった。つまり、リジェネバーナ２のみで加熱する場合、リジェネバーナ２に近い鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲが昇温不足となる。この昇温不足を補うために、ショートフレームバーナ１０を有さない加熱炉では、炉温全体を２０数℃程度高めに設定して鋼片Ｆを加熱する必要があるが、この場合、燃料原単位が悪化してしまう。また、このように炉温を高めに設定して鋼片Ｆを加熱する対策を講じたとしても、鋼片Ｆの長手方向の温度分布においける中高傾向は解消されないので、長手方向に鋼片Ｆの変形抵抗が生じて、後段の圧延等の処理において寸法精度の悪化を招き製品価格を下げたり、ユーザが要求する精度を確保できずに受注制約を招くなどの問題が生じる場合もある。
【００６５】
これに対して、本実施形態に係る加熱炉１は、上述の通り、ショートフレームバーナ１０を有する。この場合における抽出口ＯＵＴから抽出される鋼片Ｆの長手方向の温度分布を、図２Ｂに示した。
【００６６】
なお、測定時の条件は、均熱帯にバーナ一本当たり７５Ｎｍ３／ｈｒのショートフレームバーナ１０等を有する以外、上記図２Ａの測定条件と同一に設定し、加熱制御部２０により抽出時の鋼片Ｆの長手方向の温度分布が均一となるように均一加熱を行った。
【００６７】
図２Ｂに示すように、この場合、抽出時の鋼片Ｆの温度分布は、鋼片Ｆの長手方向中央部に比べて両端部ＦＬ，ＦＲで約５℃低い程度に留まり、約１２３０℃でほぼ均一となった。つまり、鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲにおける昇温不足が解消されている。これは、この加熱炉１が、鋼片Ｆを、予熱帯及び加熱帯ではリジェネバーナ２のみで加熱し、均熱帯ではリジェネバーナ２に加えてショートフレームバーナ１０で加熱することにより、鋼片Ｆの長手方向で均一に加熱することが可能であることを示す。結果、上記ショートフレームバーナ１０を有さないリジェネバーナ２による加熱炉に対して、抽出温度低減による燃料原単位の削減や圧延時寸法精度の向上等の効果を得ることも可能である。
【００６８】
なお、このショートフレームバーナ１０の配置位置（配置位置条件）は、上述の通り、（１）相隣接するリジェネバーナ２の間であり、（２）抽出側から炉長の１／３以内、つまり均熱帯及び／又は加熱帯の前方である。この両特徴について説明する。
【００６９】
１−２−２．隣接するリジェネバーナの間に配置されることについて
まず、ショートフレームバーナ１０が、図１Ａに示すように、炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置されることにより、鋼片Ｆの均一な加熱が可能となるメカニズムについて説明する。ただし、ここで説明するメカニズムは、本発明の発明者らが導き出したメカニズムの一例であり、上記ショートフレームバーナ１０による作用・効果等を限定するものではない。
【００７０】
リジェネバーナ２は、上述のように、交番燃焼を行い、一方が吸気して蓄熱しつつ他方が燃焼する。従って、燃焼側のリジェネバーナ２から、吸気側のリジェネバーナ２に向かって炉幅方向に燃焼ガスの流れが生じる。この燃焼ガスの流動は、相隣接するリジェネバーナ２間に配置されたショートフレームバーナ１０のフレームとは直接衝突しないが、リジェネバーナ２の配置位置から、吸気するリジェネバーナ２に向かう流動となる。従って、燃焼側のリジェネバーナ２の近傍に配置されたショートフレームバーナ２によるフレームは、吸気側のリジェネバーナ２へと炉長方向で延びたフレームとなる。逆に、吸気側のリジェネバーナ２の近傍に配置されたショートフレームバーナ２によるフレームは、燃焼側のリジェネバーナ２から流れてきた燃焼ガスにより押し戻されて、比較的短いフレームとなる。このように交番燃焼するリジェネバーナ２が切り替わると、これまで延びていたショートフレームバーナ１０のフレームは短くなり、他方反対側のショートフレームバーナ１０のフレームは長くなる。このように交番燃焼によりショートフレームバーナ１０によるフレームが伸長を繰り返す。よって、リジェネバーナ２間に配置したショートフレームバーナ１０のフレーム温度分布の時間平均値は、一般のサイドバーナ間に配置した場合や、リジェネバーナ２間ではない位置に配置した場合と比較して、緩やかな分布となる。このショートフレームバーナ１０による緩やかな温度分布と、リジェネバーナ２による中高傾向にある温度分布とが加算されて、図２Ｂに示したように、長手方向で均一な温度分布で、鋼片Ｆを加熱することが容易になると考えられる。なお、炉長方向で相隣接した２のリジェネバーナ２が交番燃焼のペアを組んだり、２以上の任意のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合、燃焼側のリジェネバーナ２から、吸気側のリジェネバーナ２に向かって炉幅方向に燃焼ガスの流れは、炉長方向、又は、炉長方向と炉幅方向の任意の組み合わせの方向に生じることとなるが、この場合も、相隣接するリジェネバーナ２間に配置されたショートフレームバーナ１０のフレームは、同様に、リジェネバーナ２による燃焼ガスの流動と直接衝突せずに、その燃焼ガスの流動により均一化され、長手方向で均一な温度分布で、鋼片Ｆを加熱することが容易になる。
【００７１】
なお、仮に、ショートフレームバーナ１０を、リジェネバーナ２間ではない位置に配置した場合、そのショートフレームバーナ１０による長手方向温度分布は、緩やかな温度分布とならずに、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲと、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣとが、それらの間よりも高温となり、均一な加熱が難しくなる。この例を、図３Ａに示す。
【００７２】
図３Ａは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。図３Ａには、予熱帯、加熱帯及び均熱帯では、リジェネバーナ２のみで加熱を行い、均熱帯出側に端部加熱のみを専用に行うゾーンを設置して、このゾーンにショートフレームバーナ１０のみを連続して配置して加熱を行った場合の抽出時鋼片温度分布を示す。
【００７３】
この場合、図３Ａに示すように、鋼片Ｆの両端部ＦＬ，ＦＲの温度は、リジェネバーナ２のみを使用した温度分布よりも高くなるものの、鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣと端部ＦＬ，ＦＲとの間に、１５℃程度温度が低い部分が発生してしまう。この低温部分の温度低下度合や温度低下部の発生位置は、リジェネバーナ２やショートフレームバーナ１０の燃焼状態により異なる。しかしながら、ショートフレームバーナ１０が端部を選択的に加熱するためのバーナであり、炉幅方向に急峻なフレーム温度分布となっているために、このショートフレームバーナ１０を、相隣接するリジェネバーナ２間に配置する場合に比べて、鋼片Ｆの均一な加熱が困難となることが判る。なお、図３Ａでは、均熱帯の出側に局部加熱ゾーンを設けたが、加熱炉１の他の区間にこのようなゾーンを設けてショートフレームバーナ１０による加熱をリジェネバーナ２による加熱を別々に行った場合も、同様に低温部が発生するため、ショートフレームバーナ１０をリジェネバーナ２間に配置することが重要となる。
【００７４】
１−２−３．ショートフレームバーナの加熱炉における位置について
次に、ショートフレームバーナ１０が、抽出側から炉長の１／３以内（均熱帯を含む）に配置されることによる作用・効果等について、図３Ｂを参照しつつ説明する。図３Ｂは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナの配置位置について説明するための説明図である。図３Ｂでは、ショートフレームバーナ１０の配置位置を変更しつつ加熱を行い、抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を測定した結果を示している。
【００７５】
なお、図３Ｂ中のショートフレームバーナ１０の配置位置を表す炉長は、抽出口ＯＵＴからの長さを意味し、加熱炉１の全炉長は、上述の通り４０ｍである。
【００７６】
つまり、図３Ｂでは、炉長３ｍに対応するデータ点は、抽出口ＯＵＴから３ｍ手前の位置から、抽出口ＯＵＴまでの間にショートフレームバーナ１０を配置した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を表す。同様に、炉長６，９，１２，１５ｍに対応するデータ点は、それぞれ抽出口ＯＵＴから６，９，１２，１５ｍ手前の位置から、抽出口ＯＵＴまでの間にショートフレームバーナ１０を配置した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を表す。
【００７７】
図３Ｂに示すように、ショートフレームバーナ１０が配置された区間の長さが長くなるほど、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲにおける昇温不足が解消し、鋼片Ｆの長手方向端部ＦＬ，ＦＲの温度を上昇させられることが判る。しかしながら、このショートフレームバーナ１０が配置された区間の長さは、大きくなる程、端部ＦＬ，ＦＲの温度上昇は次第に小さくなり、１２ｍ（炉長の約１／３倍）を超過すると、殆ど上昇しなくなる。これは、リジェネバーナ２に加えてショートフレームバーナ１０を設置した際の炉温分布が、炉幅方向でほぼ均一にフラットとなり、ショートフレームバーナ１０の設置区間の長さが炉長の１／３を越えると、鋼片Ｆの温度が炉温に漸近するために鋼片Ｆの温度が飽和することに起因する。従って、抽出側から炉長の１／３を越えてショートフレームバーナ１０を配置してもその効果は殆ど変化しない。よって、加熱炉１の製造コスト及び燃費等を考慮して、ショートフレームバーナ１０は、抽出側から炉長の１／３から、抽出口ＯＵＴまでの間に配置される。換言すれば、このような区間にショートフレームバーナ１０を配置することにより、加熱炉１は、製造コストやエネルギー効率等を最適化しつつ、均一加熱を行うことが可能である。
【００７８】
なお、この際、ショートフレームバーナ１０の配置位置は、抽出側から炉長の１／３以内に設定され、この範囲には均熱帯が含まれる。このように予熱帯や、抽出側から炉長の１／３よりも前方の加熱帯にショートフレーム１０を配置しない理由としては、ショートフレームバーナ１０による加熱の昇温量を制御することが難しくなるか、かえって正確な温度制御を妨げる恐れが生じることが挙げられる。つまり、予熱帯又は抽出側から炉長の１／３よりも前方では、鋼片Ｆの温度は、昇温途中であり、炉幅方向、すなわち鋼片Ｆの長手方向の温度分布が変化しやすいばかりか、その温度分布の変化度合は、鋼片Ｆの搬送速度やリジェネバーナ２の燃料量等により大きく変動する。従って、仮に、このような位置にショートフレームバーナ１０を配置して、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲの加熱を行ったとしても、ショートフレームバーナ１０による必要な温度上昇量を定めることが難しく、その結果、必要以上に加熱を行ってしまったり、あるいは、加熱不足となってしまう可能性が高く、かえって温度制御を難しくする恐れがある。これに対して、抽出側から炉長の１／３以内、特に均熱帯では、鋼片Ｆの温度は、比較的安定しており、鋼片Ｆの長手方向中央部の温度上昇はほとんど無い。従って、抽出側から炉長の１／３以内、特に均熱帯にショートフレームバーナ１０を配置する場合、そのショートフレームバーナ１０により、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲの低温部のみを昇温させれば済むため、必要な昇温量の見極め精度が高くなり、ひいては、鋼片Ｆの長手方向の温度分布をより精度良く制御することが可能となる。
【００７９】
１−２−４．ショートフレームバーナのフレーム長
なお、上述の通り、ショートフレームバーナ１０は、炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成する（フレーム長条件）。このようなフレーム長を形成することによる作用・効果等について、図４Ａ及び図４Ｂを参照しつつ説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態に係る加熱炉のショートフレームバーナのフレーム長について説明するための説明図である。
【００８０】
上記の条件を満たす配置位置として、均熱帯にショートフレームバーナ１０を配置し、そのフレーム長を２．２ｍに設定した場合と、３ｍに設定した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を図４Ａに示す。一方、フレーム長を１．５ｍに設定した場合と、４ｍに設定した場合における抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を図４Ｂに示す。
【００８１】
図４Ａに示すように、フレーム長が２．２ｍ（炉幅（１２ｍ）の約６分の１）及び３ｍ（炉幅の４分の１）の場合には、鋼片Ｆの長手方向で均一な温度分布を確保することができることが判る。
【００８２】
一方、図４Ｂに示すように、フレーム長が１．５ｍ（炉幅の８分の１）の場合には、ショートフレームバーナ１０のフレーム長が短くなり過ぎて、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲ付近のみが昇温して、この端部ＦＬ，ＦＲからやや鋼片Ｆの長手方向中央ＦＣよりに、昇温不足の部分が生じる。また、図４Ｂに示すように、フレーム長が４ｍ（炉幅の３分の１）の場合には、ショートフレームバーナ１０のフレーム長が延びすぎて、鋼片Ｆの長手方向の端部ＦＬ，ＦＲがやや昇温不足となる上に、この端部ＦＬ，ＦＲと鋼片Ｆの長手方向中央部ＦＣとの間に、昇温し過ぎる部分が生じる。
【００８３】
従って、上記の配置条件を満たすようにショートフレームバーナ１０を均熱帯においてリジェネバーナ２の間に配置して、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲを加熱する場合、リジェネバーナ２のフレーム温度分布により発生する端部ＦＬ，ＦＲの温度低下部の温度補償を行うためには、ショートフレームバーナ１０が上記のような炉幅の１／４〜１／６の範囲内のフレームを形成することが望ましい。換言すれば、ショートフレームバーナ１０がこのようなフレーム長範囲を満足するフレームを形成することにより、加熱炉１は、更に鋼片Ｆの長手方向で均一な温度分布を確保することが可能となる。
【００８４】
１−３．本実施形態に係る加熱炉の動作
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の構成等について説明した。
次に、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の動作等について、図５及び図６を参照しつつ説明する。図５及び図６は、本実施形態に係る加熱炉による加熱方法について説明するための説明図である。
【００８５】
なお、上述の通り、本実施形態に係る加熱炉１は、抽出時の鋼片Ｆの長手方向温度分布を均一にする均一加熱だけでなく、その長手方向の一側を他の部位に比べて高くする傾斜加熱をも行うことが可能である。そこで、以下では、本実施形態に係る加熱炉１の動作として、傾斜加熱を行う場合について説明する。
【００８６】
なお、この場合の作用・効果等の理解が容易になるように、まず、傾斜加熱を行うことの必要性について説明する。
【００８７】
加熱炉１から抽出された鋼片Ｆは、例えば、粗圧延が行われた後に、タンデム式の仕上圧延機にて圧延されるなど、後段の処理が施されることになる。このような処理では、鋼片Ｆは、一気に処理されることは少なく、長手方向に搬送されつつその端部ＦＬ又は端部ＦＲから処理されることになる。例えば、仕上圧延の場合、鋼片Ｆの先頭側（例えば端部ＦＬ側）に対する圧延機による圧下が開始された後、鋼片Ｆは長手方向に順次圧延機に装入されていく。よって、鋼片Ｆの後端側（例えば端部ＦＲ側、テール部ともいう。）は、圧延を待たされて温度が低下してしまう。
【００８８】
これに対して、上記のようなショートフレームバーナ１０を有さない加熱炉では、更に鋼片Ｆの温度分布が中高傾向となる。よって、中高傾向となり昇温が遅れたテール部（例えば端部ＦＲ側）が、更に圧延待ちにより温度低下して、そのテール部が圧延に供される際の温度は鋼片長手で最も低温となる。例えば、図２Ａに示したショートフレームバーナ１０を有さない加熱炉による加熱のように、長手方向中央部ＦＣに比べて両端部ＦＬ，ＦＲの温度が３０℃程度低くなる場合、テール部の温度は、圧延速度やデスケーリング条件等にも寄るが、温度低下が大きいと、長手方向中央部ＦＣに比べて処理開始時の温度が５０℃程度低下する場合もある。このような低温部分は、他の部位に比較して変形抵抗が増大し、伸びが悪くなって、サイズ外れの原因となる。また、このような低温部は、更に、圧延ロール表面における荷重増大により、ロール表面と鋼片Ｆとが焼き付き、ロール表面が荒れて鋼片Ｆ表面に押し込み疵をつくる原因ともなる。
【００８９】
圧延待ちが短く済む鋼片Ｆは、上記ショートフレームバーナ１０を有する本実施形態に係る加熱炉１により、均一加熱を行うことにより上記のような不具合を防止して、製品品質を確保することが可能である。しかし、圧延待ち時間が長くなる鋼片Ｆの場合には、テール部側の温度を高くするように傾斜加熱することが品質上極めて重要である。
【００９０】
そこで、本実施形態に係る加熱炉１は、以下で説明する動作を通じて、長手方向における正確な傾斜加熱を実現し、鋼片Ｆの品質を維持・向上させることを可能としている。この本実施形態に係る加熱炉１による動作について説明する。
【００９１】
まず、本実施形態に係る加熱炉１は、図５に示すように、ステップＳ０１を処理し、ショートフレームバーナ１０よりも上流に配置された温度測定装置１００により、温度分布を測定する。この測定結果は、記憶部１４２に記録される。ステップＳ０１の処理後は、ステップＳ０３に進む。
【００９２】
ステップＳ０３では、温度分布解析部２１が、記憶部１４２に記録された温度分布を解析して、鋼片Ｆの長手中央部ＦＣと端部ＦＬ，ＦＲとの温度差を算出する。そして、ステップＳ０５に進む。
【００９３】
ステップＳ０５では、ショートフレームバーナ制御部２２が、ステップＳ０３で算出された温度差と、鋼片Ｆの製造工程や圧延待ち時間等に基づいて、ショートフレームバーナ１０の燃焼流量を調整する。より具体的には、ショートフレームバーナ制御部２２は、ステップＳ０３で算出された温度差と、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲに対する所望の昇温量とに基づいて、ショートフレームバーナ１０の燃焼負荷、つまり燃焼流量や空気流量を決定する。そして、ショートフレームバーナ制御部２２は、この燃焼負荷となるように各ショートフレームバーナ１０の燃焼状態を調整する。例えば、鋼片Ｆの長手方向端部ＦＲがテール部となるため、この端部ＦＲの温度を他の部位よりも高くする場合、ショートフレームバーナ制御部２２は、図１Ｃに示す端部ＦＲ側のショートフレームバーナ１０の燃焼負荷を、対向する他のショートフレームバーナ１０よりも大きくするように、各燃焼負荷を調整する。
【００９４】
その結果、鋼片Ｆの長手方向端部ＦＬ側のショートフレームバーナ１０により、低温傾向となる端部ＦＬの温度を中央部ＦＣの温度と均一化させることができ、かつ、テール部となる端部ＦＲの温度を他の部位に比較して局部的に高温にした傾斜加熱を行うことができる。図６では、ショートフレームバーナ制御部２２が、圧延待ち時間におけるテール部の温度降下量等を考慮して、テール部側（端部ＦＲ側）のショートフレームバーナ１０の燃焼流量を、他側（端部ＦＬ側）のショートフレームバーナ１０の２倍に設定した場合を示している。図６に示すように、例えば、テール部の温度を、長手方向中央部ＦＣよりも２０℃程度高くすることができ、テール部と反対側の端部ＦＬの長手方向中央部ＦＣに対する温度差を、約５℃程度と低く抑えることにより、鋼片Ｆの長手方向の温度分布を確保することが可能である。このように本実施形態に係る加熱炉１は、傾斜加熱を高精度で行うことが可能であり、このような傾斜加熱をする場合、後段の圧延機等における処理において、均一な温度での処理が可能となるため、寸法精度に優れた製品の製造が可能となる。なお、端部ＦＲとは反対の端部ＦＬの温度を他の部位よりも高くする場合は、ショートフレームバーナ１０の燃焼流量を、炉幅方向で反転させることになる。
【００９５】
１−４．本実施形態に係る加熱炉による効果の例
以上、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１の構成及び動作等について説明した。
この加熱炉１によれば、加熱装置として、リジェネバーナ２と共にショートフレームバーナ１０を有する。このショートフレームバーナ１０は、上述のように、抽出側から炉長の１／３以内に配置され、鋼片Ｆの端部ＦＲ，ＦＬを局所的に加熱することができる。従って、加熱炉１は、鋼片Ｆを長手方向で均一に加熱したり傾斜加熱するなど、鋼片Ｆの長手方向の温度分布をより精度良く制御することが可能である。
【００９６】
この際、ショートフレームバーナ１０は、単に加熱炉１中に設ければ良いというものではなく、リジェネバーナ２と併用されるため、上記のような配置条件及びフレーム長条件を満たすように配置される。その結果、本実施形態に係る加熱炉１は、このような高精度な温度分布の制御を可能としている。なお、この加熱炉１によれば、ショートフレームバーナ１０を使用して、中高傾向による低温部分（例えば端部ＦＬ，ＦＲ）や、圧延時に温度低下する部分（例えばテール部となる端部ＦＲ）を局部的に加熱するのみで、このように長手方向で高精度な温度分布を実現することができる。従って、例えば炉温自体を調整する場合に比べて少ないエネルギーで圧延に必要な温度分布を確保することが可能である。また、ショートフレームバーナ１０により鋼片Ｆを局部的に加熱するので、加熱対象となっていない鋼片Ｆへの影響を最小限に抑えて、鋼片Ｆの生産効率を向上させることが可能である。
【００９７】
なお、このように正確な加熱制御を行うためには、温度測定装置１００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、加熱制御部２０によるショートフレームバーナ１０による温度分布制御の正確性を更に向上させることが可能である。
【００９８】
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。なお、上記実施形態では、非蓄熱式バーナの一例として、ショートフレームバーナ１０を使用し、そのショートフレームバーナ１０がサイドバーナとして炉側壁に配置される場合について説明した。しかしながら、このショートフレームバーナは、炉側壁だけでなく、炉天井に配置されたルーフバーナであってもよい。そこで、本発明の第２実施形態として、ルーフバーナとして使用されるショートフレームバーナを有する場合について説明する。ただし、ここでは、ルーフバーナとして使用されるショートフレームバーナを「ショートフレームバーナ１１」と言い、サイドバーナとして使用されるショートフレームバーナ１０と区別する。しかし、このショートフレームバーナ１１は、炉側壁ではなく炉天井に配置されるという点を除けば、サイドバーナとして使用されるショートフレームバーナ１０と同様に構成される。そこで、以下では、本発明の第１実施形態に係る加熱炉１と同様の構成については説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００９９】
２．第２実施形態
２−１．本実施形態に係る加熱炉の構成
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第２実施形態に係る加熱炉の構成について説明するための説明図である。図７Ａに示すように、本実施形態に係る加熱炉１は、図１Ａに示す第１実施形態に係る加熱炉１に対して、鋼片Ｆの搬送位置よりも上方に配置された一部のショートフレームバーナ１０の代りに、ショートフレームバーナ１１を有する。そして、このショートフレームバーナ１１は、上記ショートフレームバーナ１０と同様に、その燃焼流量等を加熱制御部２０により制御される。
【０１００】
ショートフレームバーナ１１は、非蓄熱式バーナの一例であって、図７Ａに示すように、サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様に、炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置される。
【０１０１】
ショートフレームバーナ１１は、ルーフバーナタイプとして形成される。つまり、ショートフレームバーナ１１は、炉天井における炉長方向で相隣接するリジェネバーナ２の間に配置され、炉高方向（ｚ軸方向）にフレームを形成する。また、ショートフレームバーナ１１は、図７Ｂに示すように、炉幅方向に少なくとも２以上が並べて配置される。この際、ショートフレームバーナ１１は、炉幅方向の全域に並べて配置されることも可能であるが、図７Ｂに示すように、少なくとも鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲに対応する位置の炉天井に配置されることが望ましい。つまり、ショートフレームバーナ１１は、鋼片Ｆにおいて加熱が必要となる部位に応じた位置に配置されることが望ましい。特に、鋼片Ｆにおいてスキッドビーム３に接触する部位の昇温が遅くなる傾向にあるので、ショートフレームバーナ１１は、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲにおけるスキッドビーム３と対応する位置に配置されることが更に望ましい。このルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１の配置位置条件及びフレーム長条件と、その効果等は、上記サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様であるため、ここでの詳しい説明は省略する。
【０１０２】
なお、本実施形態に係る加熱炉１では、鋼片Ｆの搬送位置よりも上方に配置されたショートフレームバーナ１０の代りに、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１が配置される。一方、この加熱炉１においても、鋼片Ｆの搬送位置よりも下方には、サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０が配置される。このように、本実施形態に係る加熱炉１では、鋼片Ｆの搬送位置を挟んで一側のショートフレームバーナをルーフバーナタイプとしているが、本発明はこの例に限定されるものではない。鋼片Ｆの搬送位置よりも下方のショートフレームバーナ１０の代りに、炉床において、図７Ａ及び図７Ｂに示すショートフレームバーナ１１と同様に配置されて、炉高方向上方に向けてフレームを形成するフロアバーナタイプを使用することも可能である。更にまた、図７Ａ及び図７Ｂに示すルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１と、フロアバーナタイプのショートフレームバーナとを組み合わせたり、ルーフバーナタイプ、フロアバーナタイプ及びサイドバーナタイプの組み合わせを使用することも可能である。
【０１０３】
このようなルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１は、サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様の効果を奏することができる。つまり、このショートフレームバーナ１１は、鋼片Ｆの端部ＦＬ，ＦＲを局所的に加熱しつつ、鋼片Ｆの長手方向の温度分布を均一化することが可能である。より具体的に同様の効果等を奏する理由について説明する。ショートフレームバーナ１１から発せられるフレームは、リジェネバーナ２の燃焼側から吸気側への燃焼ガスの流れによって、吸気側へ傾き、この傾きは、リジェネバーナ２の交番燃焼により順次反転される。従って、このショートフレームバーナ１１による炉幅方向のフレーム温度分布の時間平均は、リジェネバーナ２と空間的に隔てられた部位で局部加熱を行った場合と比較して緩やかな分布となり、上記サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様の作用効果を奏することが可能となる。なお、炉長方向で相隣接した２のリジェネバーナ２が交番燃焼のペアを組んだり、２以上の任意のリジェネバーナ２が交番燃焼ペアを組む場合、燃焼側のリジェネバーナ２から、吸気側のリジェネバーナ２に向かって炉幅方向に燃焼ガスの流れは、炉長方向、又は、炉長方向と炉幅方向の任意の組み合わせの方向に生じることとなるが、この場合も、相隣接するリジェネバーナ２間に配置されたショートフレームバーナ１１のフレームは、同様に、リジェネバーナ２による燃焼ガスの流動と直接衝突せずに、その燃焼ガスの流動により均一化され、長手方向で均一な温度分布で、鋼片Ｆを加熱することが容易になる。
【０１０４】
なお、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１の場合、フレームが長すぎると、鋼片Ｆ表面が高温のフレームに直接曝され、鋼片Ｆの成分によっては鋼片Ｆの融点以上となり溶融したり、表面が著しく酸化されて表面品質の低下を招くことがある。よって、フレーム長の変動等を考慮すると、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１のフレーム長は、ショートフレームバーナ１１が設置される炉天井（天井壁）から鋼片Ｆの表面までの距離の３／４以下となるように設計することが望ましい。また、他の配置条件及びフレーム長条件は、記サイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０と同様であり、それらによる作用・効果等も同様であるため、ここでの詳しい説明は省略する。更に、ここで説明したショートフレームバーナ１１のフレーム長の範囲も、上記第１実施形態におけるフレーム長の説明と同様に、定格流量で炊かれた際のフレーム長の範囲である必要はない。しかし、上記第１実施形態と同様に、製造コスト削減・装置構成の小型化・燃焼効率の向上等のためには、ショートフレームバーナ１１として、定格流量で炊かれた際のフレーム長が上記範囲を満たすバーナを使用することが望ましい。
【０１０５】
２−２．本実施形態に係る加熱炉による効果の例
以上、本発明の第２実施形態に係る加熱炉１について説明した。この第２実施形態に係る加熱炉１は、上記第１実施形態に係る加熱炉１と同様の作用効果を奏することができる。この第２実施形態に係る加熱炉１は、更に、炉幅方向に並べられたルーフバーナタイプのショートフレームバーナ１１を有するため、上記第１実施形態に比べても更に鋼片Ｆの長手方向における温度分布の制御精度を向上させることが可能である。
【０１０６】
この第２実施形態に係る加熱炉１により均一加熱を行った場合の加熱結果を、図８に示す。なお、図８に示した抽出時の鋼片Ｆの表面温度分布は、上記第１実施形態で説明した加熱炉１の例において、ショートフレームバーナ１１を使用した加熱を行った結果を示している。
【０１０７】
図８に示すように、ルーフバーナタイプ及びサイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０，１１を使用した場合にも、上記第１実施形態に係るサイドバーナタイプのショートフレームバーナ１０のみを使用した場合と同様に、鋼片Ｆの長手方向温度分布を均一にすることが可能である。つまり、鋼片Ｆの長手中央部ＦＣに対する両端部ＦＬ，ＦＲの温度差は、５℃低い程度に留まり、この第２実施形態に係る加熱炉１でも、ほぼ均一に加熱できることが判る。従って、本実施形態に係る加熱炉１のように、ルーフバーナタイプのショートフレームバーナを使用しても、上記第１実施形態に係る加熱炉１のように、均一加熱の効果により、抽出温度低減による燃料原単位の削減や、圧延時寸法精度の向上効果を得ることが可能である。なお、図８では、均一加熱を行った場合について示しているが、傾斜加熱を行うことも、もちろん可能である。
【０１０８】
なお、上記第１実施形態及び第２実施形態に係る加熱制御装置２０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、加熱制御装置１０又は加熱制御装置２０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、加熱制御装置２０の各構成の機能を実現することができる。
【０１０９】
３．本発明の各実施形態で使用される温度測定装置及び温度測定方法
次に、本発明の各実施形態で使用される温度測定装置及び温度測定方法について説明する。なお、上述の通り、本発明の各実施形態では、温度測定装置及び温度測定方法は、鋼片表面の温度分布を測定するもので有れば様々なものが、使用可能であるが、ここで説明する温度測定装置及び温度測定方法は、他の温度測定装置及び温度測定方法に比べて温度分布を非常に正確に測定することが可能である。このように正確に表面温度分布を測定することにより、本発明の各実施形態に係る加熱制御方法及び装置は、上述のような効果を更に高めて、より正確に鋼片Ｆの長手方向温度分布を制御することが可能となる。従って、以下では、この温度測定装置及び温度測定方法について図９〜図１８を参照しつつ詳細に説明する。
【０１１０】
なお、以下では、この温度測定装置及び温度測定方法が如何に関連技術に係る他の温度測定装置及び温度測定方法に比べて正確に温度分布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、本発明の各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、各実施形態に用いられる温度測定装置及び温度測定方法による実施例について説明する。更に、この各実施形態に用いられる温度測定装置及び温度測定方法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。
【０１１１】
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
３−１．関連技術
３−２．各実施形態で使用する温度測定方法の概要
３−３．各実施形態で使用される温度測定装置例
３−４．各実施形態で使用される温度測定装置による測定例
３−５．各実施形態で使用される温度測定装置等による効果の例
【０１１２】
３−１．関連技術
図１８及び図１９を参照しつつ、関連技術について説明する。図１８及び図１９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。
【０１１３】
加熱炉内において鋼片の表面温度を非接触で測定する場合には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の放射エネルギーが存在する。この放射エネルギーが鋼片の表面で反射して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、鋼片からの熱放射エネルギーと、内壁や火炎等からの放射エネルギーが鋼片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。
【０１１４】
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、高温の鋼片の放射エネルギーに比し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。
【０１１５】
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１８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片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片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６が挙げられる。
【０１１６】
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、鋼片の近傍に温度既知物体を置いて比較する形態である。
【０１１７】
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：鋼片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：温度既知物体を鋼片の近傍、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。
【０１１８】
上記問題１について説明する。
鋼片が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼片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、鋼片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。
【０１１９】
上記問題２について説明する。
例えば、鋼片が離れた位置に配置されたり、比較的小さい鋼片の温度を計測するためには、鋼片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、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。
【０１２０】
図１９に１画素単位の出力のバラツキの一例を示す。図１９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。
【０１２１】
しかし、例えばカメラから６メートル離れた鋼片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。
【０１２２】
一方、温度既知物体９１２としては、図１８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。
【０１２３】
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、鋼片近傍でなく、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、上記各実施形態に係る加熱炉及び方法等に使用する場合、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、上記発明を完成させた。
【０１２４】
３−２．各実施形態で使用する温度測定方法の概要
以下、本発明の各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。
【０１２５】
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、鋼片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分布を計測し、得られた単色輝度分布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、その放射率が鋼片の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１２６】
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。
【０１２７】
３−１−１．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、鋼片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分布を計測し、得られた単色輝度分布を迷光補正して温度を求める。
【０１２８】
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。
【０１２９】
例えば、温度既知物体と鋼片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片にも照射されるものとして、計測した鋼片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。
【０１３０】
そこで、本実施形態の方法では、温度既知物体と鋼片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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
（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し、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ので、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・放射するのは、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。
【０１３３】
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、温度既知物体と鋼片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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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１）により温度Ｔにおける黒体輝度Ｅを計算する。
【０１３７】
【数１】
…（式１）
【０１３８】
ここで上記式１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］
【０１３９】
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２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２とする。
【０１４０】
【数２】
…（式２）
【０１４１】
この式２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ので、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ので、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、その波長の選択には、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。
【０１４２】
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３のようにＰｌａｎｃｋの法則により黒体輝度Ｅ１を算出する。
【０１４３】
【数３】
…（式３）
【０１４４】
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２）により、出力Ｌ１に該当する輝度を計算する。
【０１４５】
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４で表される。
【０１４６】
【数４】
…（式４）
【０１４７】
手順４：上記Ｅ１とＧ１から下記の式５により、迷光量Ｊを計算する。
【０１４８】
【数５】
…（式５）
【０１４９】
この式５中、ε１は温度既知物体の放射率である。
ここで、この式５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６で表される。
【０１５０】
【数６】
…（式６）
【０１５１】
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７で表される。
【０１５２】
【数７】
…（式７）
【０１５３】
撮像装置で計測される「見掛けの輝度」Ｇは上記ＡとＢの合計であるので下記式８で表される。
【０１５４】
【数８】
…（式８）
【０１５５】
この式を変形すると、迷光量Ｊを算出する式９が得られる。よって、この式９にＥ１，Ｇ１及びε１を代入して、上記式５が導出される。
【０１５６】
【数９】
…（式９）
【０１５７】
手順５：撮像装置により、鋼片を計測し、出力Ｌ２を得る。そして、上記特性式（式２）により、出力Ｌ２に該当する輝度を計算する。これは、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１０で表される。
【０１５８】
【数１０】
…（式１０）
【０１５９】
なお、ここで撮像装置により計測される出力Ｌ２は、その鋼片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個所に対する出力Ｌ２は、撮像画像中に撮像された鋼片の所定の個所に想到し、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、鋼片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、撮像画像中の鋼片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。
【０１６０】
手順６：上記Ｇ２と上記手順４項で算出した迷光量Ｊ（式５）から、下記の式１１により鋼片の黒体輝度Ｅ２を計算する。
【０１６１】
【数１１】
…（式１１）
【０１６２】
ε２は鋼片の放射率である。
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１２（上記式８）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１１が得られる。
【０１６３】
【数１２】
…（式１２）
【０１６４】
手順７：このＥ２から、下記Ｐｌａｎｃｋの法則の逆関数（式１３）を用いて、鋼片の温度Ｔ２［Ｋ］を求める。
【０１６５】
【数１３】
…（式１３）
【０１６６】
ここで、Ｌｏｇ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、温度既知物体と鋼片との距離が離れている場合においても、鋼片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。
【０１６７】
温度既知物体及び鋼片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り、上述の手順４項で導出した式８の如く、温度既知物体及び鋼片のそれぞれについて下記の式１４及び式１５で表される。
【０１６８】
【数１４】
…（式１４）
…（式１５）
【０１６９】
ここで、添字１は温度既知物体、添字２は鋼片を表す。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。
【０１７０】
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１４及び式１５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を求めて鋼片の温度を得ている。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、温度既知物体と鋼片の放射率が等しく、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。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如く、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ので、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。
【０１７１】
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と鋼片位置の迷光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るので、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と鋼片位置の迷光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、温度既知物体と鋼片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。
【０１７２】
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、鋼片の近傍に温度既知物体を置く必要はない。
【０１７３】
３−１−２．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。
【０１７４】
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に示した如く、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・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９に示す。
【０１７５】
図９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。
【０１７６】
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。統計学の法則によれば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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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１６を満たすことが望ましい。
【０１８１】
【数１５】
…（式１６）
【０１８２】
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１６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。
【０１８３】
３−１−３．特徴３
特徴３．温度既知物体は、その放射率が鋼片の放射率に対して前後０．１の範囲となる材質を用いる。
【０１８４】
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。
【０１８５】
検討条件は、長さ１２ｍ、高さ２．５ｍの燃焼炉にて、炉内壁温度１２００℃、炉床に置かれた鋼片の温度９００℃、鋼片の放射率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。
【０１８６】
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、鋼片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１０に示す。図１０に示した放射率εは温度既知物体の放射率であり、鋼片の放射率は０．８６に固定している。
【０１８７】
図１０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片の放射率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、鋼片の補正後温度は、鋼片の真の温度９００℃に対して、３℃以内の差異に収まる。
【０１８８】
しかし、鋼片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。鋼片の放射率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。
【０１８９】
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、鋼片放射率の前後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。
【０１９０】
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、鋼片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片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。
【０１９１】
発明者らの知見によれば、上述のように、例えば鋼片の温度が９００℃、炉内壁の温度が１２００℃のように、鋼片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片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１１に示す。図１１には、上記図１０中の温度既知物体の放射率εが、鋼片と等しい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１１において●のプロットは、鋼片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片と異なる場合の例である。ここでも、鋼片は炉の中心即ち６ｍ点に置いた。
【０１９２】
図１１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、鋼片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。
【０１９３】
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１１の●プロットに示される如く、６ｍ点においた鋼片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。
【０１９４】
以上、本発明の各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。
【０１９５】
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
【０１９６】
そこで次に、この特徴４，５について説明する。
【０１９７】
３−１−４．特徴４
特徴４：放射率の経時変化への対処
【０１９８】
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。
【０１９９】
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、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。
【０２００】
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１７（上記式５）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１８により、迷光量Ｊを計算する。
【０２０１】
【数１６】
…（式１７）
…（式１８）
【０２０２】
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１２に示す。図１２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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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８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。
【０２０６】
【数１７】
…（式Ａ１）
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
【数１８】
…（式Ａ２）
…（式Ａ３）
【０２１０】
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。
【０２１１】
【数１９】
…（式Ａ４）
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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３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４と式５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。
【０２１５】
【数２０】
…（式Ａ５）
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
３−１−５．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
【０２１９】
この特徴５について説明すれば、以下の通りである。
上記の如く、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、温度既知物体は鋼片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、鋼片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。
【０２２０】
条件１：炉内迷光分布上、鋼片の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
条件２：鋼片の測定表面に対する角度が、鋼片の放射率が変化しない角度以上となる位置
条件３：鋼片との間に火炎を挟まない位置
【０２２１】
以下、それぞれの条件について述べる。
【０２２２】
条件１：炉内迷光分布上、鋼片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１３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１３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。
【０２２３】
条件２：鋼片の測定表面に対する角度が、鋼片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、温度既知物体と鋼片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、鋼片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、鋼片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。
【０２２４】
このような問題点に想到した発明者らは、鋼片（鋼材）を用い、種々の角度に温度既知物体を配置して、鋼片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１４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。
【０２２５】
そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、鋼片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、鋼片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。
【０２２６】
条件３：鋼片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、鋼片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、鋼片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片と火炎との位置関係により規定される。具体的には、図１５に示すように、被測定点（鋼片）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１９を満たすように設定される。
【０２２７】
【数２１】
…（式１９）
【０２２８】
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。
【０２２９】
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１９を満たすように設定される。
【０２３０】
この温度既知物体の位置を例示すれば、図１５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、鋼片の温度測定精度を更に向上させることができる。
【０２３１】
以上、本発明の各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。
【０２３２】
３−３．各実施形態で使用される温度測定装置例
図１５に示すように、温度測定装置１００は、加熱炉１内に配置された鋼片Ｆの温度を測定する。図１５では、加熱炉１として、バーナ２（リジェネバーナ、ショートフレームバーナ、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、上記本発明の各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１５に示す横方向が炉幅方向に相当することになる。
【０２３３】
温度測定装置１００は、図１５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。
【０２３４】
撮像装置１１０は、輝度計測部の一例であって、鋼片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１５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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。金属材が鋼片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。
【０２３８】
演算部１３０は、撮像装置１１０による撮像画像を解析して、鋼片Ｆの単色輝度から、鋼片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１５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。
【０２３９】
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、鋼片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、鋼片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、鋼片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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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、鋼片Ｆの黒体輝度を算出する。
【０２４２】
温度算出部１３４は、迷光補正部１３３が算出した鋼片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、迷光補正した鋼片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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
３−４．各実施形態で使用される温度測定装置による測定例
次に、本発明の各実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法により、金属材として、燃焼炉（加熱炉１の一例）内に配置された鋼片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）により鋼片Ｆを加熱する。鋼片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ー機能を有しており、この波長フィルター機能により、波長１．０±０．２μｍの単波長の放射光を測定した。なお、この際、波長フィルター機能は、±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。
【０２４６】
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、最小自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２）の具体的な形として、下記式２１を得た。
【０２４７】
【数２２】
…（式２０）
…（式２１）
【０２４８】
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自乗法によって、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。
【０２４９】
ＣＣＤカメラは、図１６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。鋼片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、鋼片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、鋼片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、鋼片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、鋼片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。このように鋼片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、鋼片Ｆの表面全体の温度分布を測定することが可能である。
【０２５０】
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。
【０２５１】
この実施例では、鋼片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。
【０２５２】
ＣＣＤカメラの視野角は左右６０度上下４５度と十分に大きく、鋼片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。
【０２５３】
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。鋼片Ｆの温度は、９００℃から１２５０℃までの範囲である。図１６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。
【０２５４】
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、鋼片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１７に示す。図１７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１７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１７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片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、鋼片Ｆの撮像画像中の各個所について温度を測定することにより、鋼片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。
【０２５５】
３−５．各実施形態で使用される温度測定装置等による効果の例
最後に、本発明の各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４〜５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。
【０２５６】
３−５−１．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を表す。
【０２５７】
【数２３】
…（式２２）
【０２５８】
この特許文献４では、鋼片の近くに遮蔽板を置く必要がある。しかし、鋼片が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、鋼片の動きによって遮蔽板が破損する恐れがある。鋼片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。
【０２５９】
一方、本実施形態に記載の温度測定方法等では、鋼片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。
【０２６０】
３−５−２．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。
【０２６１】
【数２４】
…（式２３）
【０２６２】
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。
【０２６３】
【数２５】
…（式２４）
【０２６４】
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。
【０２６５】
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。
【０２６６】
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、火炎と鋼片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。
【０２６７】
３−５−３．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各実施形態による効果等を説明したが、本発明の各実施形態に係る温度測定装置は、更に、温度既知物体を鋼片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で説明した鋼片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。
【０２６８】
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ことは言うまでもない。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。
【０２６９】
なお、上記実施形態では、本発明の各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、本発明の各実施形態の特徴を限定するものではなく、本発明の各実施形態の特徴は、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。
【０２７０】
また、上記第１実施形態では、サイドバーナタイプのショートフレームバーナを使用する場合について説明し、上記第２実施形態では、サイドバーナタイプとルーフバーナタイプのショートフレームバーナを使用する場合について説明した。しかしながら、上述の通り、上記配置条件及びフレーム長条件を満たすショートフレームバーナとしては、サイドバーナタイプ、ルーフバーナタイプ及びフロアバーナタイプのいずれか、又は、いずれかの組み合わせを使用することが可能である。更に、上記実施形態では、鋼片Ｆの搬送位置の上下両側にショートフレームバーナを配置する場合について説明したが、上方のみ、又は、下方のみにショートフレームバーナを配置することも可能である。更に加えて、上記実施形態では、にショートフレームバーナが、鋼片Ｆの長手方向両端部ＦＬ，ＦＣに対応する位置に配置される場合について説明したが、どちらか一方の端部ＦＬ，ＦＣに対応する位置に配置されることももちろん可能である。また、このショートフレームバーナの配置範囲は、上記抽出口ＯＵＴから炉長の１／３の範囲内で調整可能であり、かつ、ショートフレームバーナの個数も適宜調整可能である。例えば圧延等の後続処理の形態や条件により必要となる局部加熱部位やその部位の加熱量が異なるので、このショートフレームバーナのタイプ、個数、及び、配置位置等は、鋼片Ｆにおける低温部に対して必要な局部加熱量、加熱時間、鋼片Ｆの昇温特性等を考慮して決定されることが望ましい。
【０２７１】
尚、本明細書において、フローチャートに記述されたステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的に又は個別的に実行される処理をも含む。また時系列的に処理されるステップでも、場合によっては適宜順序を変更することが可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０２７２】
１ 加熱炉
２ リジェネバーナ
３ スキッドビーム
４ スキッドポスト
５ 仕切壁
１０，１１ ショートフレームバーナ
２０ 加熱制御装置
２１ 温度分布解析部
２２ ショートフレームバーナ制御部
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
Ｆ 鋼片
ＩＮ 装入口
ＯＵＴ 抽出口
Ａｒ 測温領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉であって、
前記炉幅方向で相互に対向するように、前記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに前記炉長方向に沿って複数配置され、交番燃焼のペアを組んで交番で燃焼フレームを形成する蓄熱式バーナと、
前記炉長方向で相隣接する前記蓄熱式バーナの間における前記加熱炉に配置され、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して前記金属材を局所的に加熱する少なくとも１以上の非蓄熱式バーナと、
を有し、
前記非蓄熱式バーナは、前記加熱炉における抽出側から炉長の１／３の位置から、前記加熱炉の抽出口までの間に配置されることを特徴とする、加熱炉。
【請求項２】
少なくとも２以上の前記非蓄熱式バーナは、両側の前記炉側壁のそれぞれにおける前記相隣接する蓄熱式バーナの間に配置され、前記炉幅方向で対向して該炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成するサイドバーナであることを特徴とする、請求項１に記載の加熱炉。
【請求項３】
少なくとも２以上の前記非蓄熱式バーナは、炉天井における前記相隣接する蓄熱式バーナの間において前記炉幅方向に並べて配置され、炉高方向に燃焼フレームを形成するルーフバーナであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の加熱炉。
【請求項４】
前記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の前記非蓄熱式バーナよりも前方に配置され、通過する前記金属材表面の温度分布を測定する温度測定装置と、
前記温度測定装置が測定した前記温度分布に基づいて、前記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、前記温度測定装置よりも後方の前記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御する加熱制御部と、
を更に有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の加熱炉。
【請求項５】
前記温度測定装置は、
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、少なくとも前記金属材の放射エネルギー分布を計測する輝度計測部と、
前記輝度計測部の測定範囲内で当該輝度計測部の近傍に配置され、前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体と、
前記輝度計測部が計測した前記金属材及び前記温度既知物体の単色輝度分布を迷光補正して、前記金属材の温度分布を求める演算部と、
を有することを特徴とする、請求項４に記載の加熱炉。
【請求項６】
前記演算部は、
前記金属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、迷光量を算出する迷光算出部と、
前記迷光算出部が算出した前記迷光量と、前記金属材の放射エネルギー分布とに基づいて、当該金属材の温度分布を算出する温度算出部と、
を有することを特徴とする、請求項５に記載の加熱炉。
【請求項７】
前記輝度計測部は、前記金属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に記載の加熱炉。
【請求項８】
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７に記載の加熱炉。
【請求項９】
前記温度既知物体の放射率は、前記金属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５〜８のいずれかに記載の加熱炉。
【請求項１０】
前記輝度計測部は、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が記録される記憶部と、
前記記憶部に記録され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放射率変更部と、
を有することを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載の加熱炉。
【請求項１１】
前記放射率変更部は、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、
前記演算部は、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１０に記載の加熱炉。
【請求項１２】
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５〜１１のいずれかに記載の加熱炉。
（Ａ）炉内迷光分布上、前記金属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）前記金属材の測定表面に対する角度が、前記金属材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）前記金属材との間に燃焼フレームを挟まない位置
【請求項１３】
炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉を用いた前記金属材の加熱方法であって、
前記炉幅方向で相互に対向するように、前記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに前記炉長方向に沿って複数配置された蓄熱式バーナを、交番燃焼のペアを組ませて交番で燃焼フレームを形成させると共に、
前記加熱炉の抽出側から炉長の１／３の位置から、前記加熱炉の抽出口までの間において、前記炉長方向で相隣接する前記蓄熱式バーナ間に配置された少なくとも１以上の非蓄熱式バーナにより、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成させて、前記金属材を局所的に加熱する際、
前記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の前記非蓄熱式バーナよりも前方に配置された温度測定装置により、通過する前記金属材表面の温度分布を測定し、
前記温度測定装置が測定した前記温度分布に基づいて、前記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、前記温度測定装置よりも後方の前記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御することを特徴とする、加熱方法。
【請求項１】
炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉であって、
前記炉幅方向で相互に対向するように、前記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに前記炉長方向に沿って複数配置され、交番燃焼のペアを組んで交番で燃焼フレームを形成する蓄熱式バーナと、
前記炉長方向で相隣接する前記蓄熱式バーナの間における前記加熱炉に配置され、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成して前記金属材を局所的に加熱する少なくとも１以上の非蓄熱式バーナと、
を有し、
前記非蓄熱式バーナは、前記加熱炉における抽出側から炉長の１／３の位置から、前記加熱炉の抽出口までの間に配置されることを特徴とする、加熱炉。
【請求項２】
少なくとも２以上の前記非蓄熱式バーナは、両側の前記炉側壁のそれぞれにおける前記相隣接する蓄熱式バーナの間に配置され、前記炉幅方向で対向して該炉幅の１／４〜１／６のフレーム長の燃焼フレームを形成するサイドバーナであることを特徴とする、請求項１に記載の加熱炉。
【請求項３】
少なくとも２以上の前記非蓄熱式バーナは、炉天井における前記相隣接する蓄熱式バーナの間において前記炉幅方向に並べて配置され、炉高方向に燃焼フレームを形成するルーフバーナであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の加熱炉。
【請求項４】
前記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の前記非蓄熱式バーナよりも前方に配置され、通過する前記金属材表面の温度分布を測定する温度測定装置と、
前記温度測定装置が測定した前記温度分布に基づいて、前記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、前記温度測定装置よりも後方の前記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御する加熱制御部と、
を更に有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の加熱炉。
【請求項５】
前記温度測定装置は、
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、少なくとも前記金属材の放射エネルギー分布を計測する輝度計測部と、
前記輝度計測部の測定範囲内で当該輝度計測部の近傍に配置され、前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体と、
前記輝度計測部が計測した前記金属材及び前記温度既知物体の単色輝度分布を迷光補正して、前記金属材の温度分布を求める演算部と、
を有することを特徴とする、請求項４に記載の加熱炉。
【請求項６】
前記演算部は、
前記金属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、迷光量を算出する迷光算出部と、
前記迷光算出部が算出した前記迷光量と、前記金属材の放射エネルギー分布とに基づいて、当該金属材の温度分布を算出する温度算出部と、
を有することを特徴とする、請求項５に記載の加熱炉。
【請求項７】
前記輝度計測部は、前記金属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に記載の加熱炉。
【請求項８】
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７に記載の加熱炉。
【請求項９】
前記温度既知物体の放射率は、前記金属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５〜８のいずれかに記載の加熱炉。
【請求項１０】
前記輝度計測部は、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が記録される記憶部と、
前記記憶部に記録され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放射率変更部と、
を有することを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載の加熱炉。
【請求項１１】
前記放射率変更部は、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、
前記演算部は、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１０に記載の加熱炉。
【請求項１２】
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５〜１１のいずれかに記載の加熱炉。
（Ａ）炉内迷光分布上、前記金属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）前記金属材の測定表面に対する角度が、前記金属材の放射率が変化しない角度以上となる位置
（Ｃ）前記金属材との間に燃焼フレームを挟まない位置
【請求項１３】
炉幅方向を長手として配置された金属材を炉長方向に搬送しつつ、該金属材を加熱する加熱炉を用いた前記金属材の加熱方法であって、
前記炉幅方向で相互に対向するように、前記炉幅方向両側の炉側壁のそれぞれに前記炉長方向に沿って複数配置された蓄熱式バーナを、交番燃焼のペアを組ませて交番で燃焼フレームを形成させると共に、
前記加熱炉の抽出側から炉長の１／３の位置から、前記加熱炉の抽出口までの間において、前記炉長方向で相隣接する前記蓄熱式バーナ間に配置された少なくとも１以上の非蓄熱式バーナにより、燃焼フレームをそれぞれ独立して形成させて、前記金属材を局所的に加熱する際、
前記金属材の搬送方向における少なくとも１以上の前記非蓄熱式バーナよりも前方に配置された温度測定装置により、通過する前記金属材表面の温度分布を測定し、
前記温度測定装置が測定した前記温度分布に基づいて、前記金属材の温度が長手方向の一側で他の部位に比べて高くなるように、少なくとも、前記温度測定装置よりも後方の前記非蓄熱式バーナの燃焼流量を制御することを特徴とする、加熱方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−２６５５３８（Ｐ２０１０−２６５５３８Ａ）
【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２００９−１２０２１３（Ｐ２００９−１２０２１３）
【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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