表面温度測定方法及び表面温度測定装置並びに鋼材の製造方法
【課題】被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、精度良く測温可能な表面温度測定方法等を提供する。
【解決手段】本発明は、水冷中の被測温材Ｍの表面から放射された熱放射光を該被測温材の表面に対向配置した放射温度計１で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する方法であって、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることを特徴とする。放射温度計から被測温材の表面に向けてエアーを噴射することにより、被測温材の表面と放射温度計との間にエアー柱を形成し、このエアー柱を介して被測温材の表面から放射された熱放射光を放射温度計で検出する。
【解決手段】本発明は、水冷中の被測温材Ｍの表面から放射された熱放射光を該被測温材の表面に対向配置した放射温度計１で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する方法であって、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることを特徴とする。放射温度計から被測温材の表面に向けてエアーを噴射することにより、被測温材の表面と放射温度計との間にエアー柱を形成し、このエアー柱を介して被測温材の表面から放射された熱放射光を放射温度計で検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材等の被測温材の表面温度を放射測温によって測定する方法及び装置並びにこの方法によって表面温度を測定する工程を有する鋼材の製造方法に関する。特に、本発明は、被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、精度良く測温可能な表面温度測定方法及び装置並びにこの方法によって表面温度を測定する工程を有する鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の高品質化や生産性向上を図る点で、冷却工程における鋼材の温度管理が重要になっている。鋼材の熱間圧延ラインや熱処理・冷却ラインなどの冷却工程において、搬送中の鋼材の表面温度を放射温度計を用いて測定する際には、被測温鋼材と放射温度計との間に湯気が存在したり、冷却水が飛散してきたり、或いは、被測温鋼材表面が水膜に覆われたり、水没したりすることが甚だしい。このような環境下では、被測温鋼材から放射された熱放射光が、水蒸気、湯気、冷却水等に吸収され或いは散乱されることにより、測温値に誤差が生じたり、測定できない場合が生じたりすることもある。
【０００３】
そこで、上記のような要因によって生じる測温誤差を低減し、精度の良い放射測温を可能とするべく、従来より、鋼材表面に向けてノズルからパージ用の水を噴出することにより放射温度計と鋼材表面との間に水柱を形成し、当該水柱を介して鋼材から放射される放射エネルギーを検出することにより鋼材表面温度を測定する方法が種々提案されている。
【０００４】
より具体的に説明すれば、例えば、被測定物から放射された放射エネルギーに基づいて該被測定物の表面温度を測定する放射温度計と前記被測定物との間に水柱を形成し、該被測定物から放射された放射エネルギーの内、前記水柱が吸収した放射エネルギーの分を補正しながら、前記放射温度計を用いて前記被測定物の表面温度を測定する温度測定方法において、前記水柱を形成するに当たり、該水柱の温度を６０℃以上にすることを特徴とする温度測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載の方法によれば、放射温度計と被測定物との間に水柱が形成されるため、水柱が形成された部分には水蒸気や飛散水が侵入し難く、これら水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することが可能である。さらに、特許文献１に記載の方法は、水柱の温度を６０℃以上にする構成であり、水柱が接触している被測定物表面に沸騰膜が形成され易くなる。このため、被測定物の表面温度低下を抑制し、測温値の代表性を損なうこともなく、被測定物の冷却むらも低減できるという利点を有する。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、水柱の温度を６０℃以上に上昇させるための加熱装置が必要であり、水を昇温させるためのエネルギーコストが掛かるという問題がある。また、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置（例えば、超音波方式）が必要であるため、装置全体の寸法が大きくなり、鋼材の搬送ロール間等の狭いスペースには設置し難いという問題がある。さらに、厚み測定装置をたとえ設置できたとしても、着脱に手間を要するなど保全性を阻害したり、厚み測定装置の故障による測温値の安定性・信頼性の低下が問題となる。
【０００７】
特許文献１に記載の方法における上記の問題点等を解決するため、本発明者らは、特許文献２に記載の方法を提案している。
具体的には、特許文献２には、被測温鋼材下面から放射された熱放射光を、被測温鋼材下面に向けてノズルから噴射したパージ水を介して被測温鋼材の下方に対向配置した放射温度計で検出することにより、被測温鋼材の表面温度を測定する方法であって、被測温鋼材のパスラインを位置基準とした前記パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することを特徴とする鋼材の表面温度測定方法が提案されている（特許文献２の請求項２）。そして、前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることが提案されている（特許文献２の請求項３）。
【０００８】
特許文献２に記載の上記方法によれば、パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することにより、被測温鋼材下面に対するパージ水の衝突圧が抑制され、パージ水がたとえ常温であっても冷却を抑制することができる。このため、特許文献１のように水を昇温させるためのエネルギーコストが掛からないという利点が得られる。また、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることにより、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置が不要になるという利点が得られる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載の上記方法では、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下としているため、放射測温可能な鋼材の表面温度の下限値は、５００℃程度である。近年における鋼材の高品質化に対する要求レベルに鑑みれば、２００℃程度の低温域の表面温度を管理することが重要となってきており、５００℃程度以上の表面温度しか測定できない方法では、適切な温度管理ができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２９５９５０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、鋼材等の被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域（例えば、１８０〜３５０℃）であっても、精度良く測温可能な表面温度測定方法及び装置並びにこの方法によって表面温度を測定する工程を有する鋼材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、後述するように、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすれば、２００℃程度の低温域でも測温値の変動が少ないことを見出した。また、本発明者らは、後述するように、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域において水の透過率が比較的高くなることを見出し、この結果、放射温度計と被測温材との間に侵入した水による熱放射光の吸収に起因する測温誤差を低減可能であることを見出した。本発明は、斯かる本発明者らの知見に基づき完成されたものである。
【００１３】
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を該被測温材の表面に対向配置した放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する方法であって、前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることを特徴とする表面温度測定方法を提供する。
【００１４】
斯かる発明によれば、被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、被測温材の表面温度を精度良く測定可能である。
【００１５】
前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することにより、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間にエアー柱を形成し、前記エアー柱を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を前記放射温度計で検出することが好ましい。
【００１６】
斯かる好ましい構成によれば、エアー柱によって、放射温度計と被測温材との間への水の侵入が抑制され、より一層精度良く測温可能である。
【００１７】
放射温度計と被測温材との間に侵入する水の量は、常に一定ではなく、通常は時間的に変動する。そして、侵入する水の量が多ければ多いほど、水による熱放射光の吸収や散乱に起因する測温誤差が大きくなる。具体的には、侵入する水の量が多ければ多いほど、測温値が低下する。このため、所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を測定結果として用いれば、この測定結果は、所定時間内において侵入する水の量が最も少ないタイミングで得られた測温値であると考えられるため、より一層測温精度が高まることが期待できる。
【００１８】
従って、前記放射温度計によって所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を前記被測温材の表面温度として出力することが好ましい。
【００１９】
また、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在し得る水の厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖで、前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することが好ましい。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
【００２０】
斯かる好ましい構成によれば、例えば、被測温材下面から放射された熱放射光を被測温材下面に対向配置した放射温度計で検出し、被測温材下面に向けてエアーを噴射する場合に、後述するように、水の最下面の静圧よりも噴射するエアーの動圧の方が大きくなる。このため、放射温度計と被測温材との間に存在する水がエアーによって排除され易くなり、被測温材の表面温度をより一層精度良く測定可能である。
【００２１】
ここで、測温精度をより一層高めるには、測温誤差の要因となる被測温材の表面と放射温度計との間に存在する水の厚みが小さい場合（例えば、０．１ｍｍ以下の場合）にのみ、測温値を被測温材の表面温度として出力することが好ましい。そこで、本発明者らが、この水の厚みを評価する方法について鋭意検討した結果、被測温材の表面から放射された熱放射光を複数の波長帯域に分光したとき、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比が水の厚みによって変化することを見出した。
【００２２】
すなわち、測温精度をより一層高めるには、前記被測温材の表面から放射された熱放射光を複数の波長帯域に分光し、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比に基づいて、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在する水の厚みが０．１ｍｍ以下であるか否かを判断し、前記水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断した場合にのみ、前記被測温材の表面温度を出力することが好ましい。
【００２３】
具体的には、前記被測温材の表面から放射された熱放射光を、１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍの各波長帯域に分光することが好ましい。
【００２４】
また、前記課題を解決するため、本発明は、水冷中の被測温材の表面に対向配置された放射温度計を備え、該被測温材の表面から放射された熱放射光を該放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する装置であって、前記被測温材の表面と前記放射温度計の検出素子との間に、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを備えることを特徴とする表面温度測定装置としても提供される。
【００２５】
さらに、前記課題を解決するため、本発明は、前記被測温材が鋼材であり、前記いずれかに記載の方法によって表面温度を測定する工程を有することを特徴とする鋼材の製造方法としても提供される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることにより、２００℃程度の低温域でも測温値の変動が少なくなる。また、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域において水の透過率が比較的高いため、放射温度計と被測温材との間に侵入した水による熱放射光の吸収に起因する測温誤差を低減可能である。この結果、本発明によれば、被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、被測温材の表面温度を精度良く測定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、検出する熱放射光の波長を０．６５〜０．８３μｍとした放射温度計の測温値バラツキを評価した結果の一例を示すグラフである。
【図３】図３は、１．０〜２．５μｍの波長帯域における水の分光透過率を調査した結果を示すグラフである。
【図４】図４は、２００℃における黒体の分光放射輝度を示す。
【図５】図５は、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計の測温値バラツキを評価した結果の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域における水の透過率を調査した結果を示すグラフである。
【図７】図７は、厚み１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍの水を介して検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計の測温値バラツキを評価した結果の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、エアーパージ検討用の試験装置の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、エアー流速に応じて排除可能な水の厚みの実測値及び計算値を示す。
【図１０】図１０は、図８に示す試験装置において、エアー流速を変更した場合に生じる測温誤差を評価した結果の一例を示すグラフである。
【図１１】図１１は、図８に示す試験装置を用いた測温結果の一例を示すグラフである。
【図１２】図１２は、図１１に示す複数の測温値に対して、最大の測温値を抽出する時間単位を変更した場合における、測定結果（抽出した最大測温値）のバラツキを示すグラフである。
【図１３】図１３は、図１１に示す複数の測温値に対して、０．２ｓｅｃ毎に最大測温値を抽出した結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、図８に示す試験装置を用いた測温結果の他の例を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図１６】図１６は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化の一例を示すグラフである。
【図１７】図１７は、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化の一例を示すグラフである。
【図１８】図１８は、図１７に示すグラフの内、水の厚みが小さい部分を拡大して示すグラフである。
【図１９】図１９は、厚鋼板の製造ラインの概略構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、水冷中の被測温材（本実施形態では鋼板Ｍ）に対向配置された放射温度計１を備え、鋼板Ｍの表面（本実施形態では下面）から放射された熱放射光を放射温度計１で検出することにより、鋼板Ｍの表面温度を測定する装置である。また、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、鋼板Ｍ表面（本実施形態では下面）に向けてエアーパージする（エアーを噴射する）ためのノズル２を備えている。さらに、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、エアー供給源（図示せず）からノズル２に供給するエアーの流量を調整するための流量調整バルブ３と、ノズル２に供給するエアー中の水分や油などを除去するためのフィルタ４とを備える。
【００３０】
放射温度計１は、鋼板Ｍ表面からの熱放射光を受光する受光光学系１１と、受光光学系１１によって受光された熱放射光を伝送するための光ファイバ１２と、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を検出し、温度に換算する温度演算部１３と、温度演算部１３で所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する最大測温値抽出部１４とを備えている。
【００３１】
受光光学系１１は、熱放射光の検出視野を調整するための光学系であり、集光レンズや視野絞り等によって構成される。
光ファイバ１２としては、例えば石英系の材質からなるものを用いることができる。光ファイバ１２単体では破損の虞があるため、光ファイバ１２は、ステンレス製のフレキシブルホースで被覆されている。
以上に述べた受光光学系１１及び光ファイバ１２の一部はノズル２に内蔵され、ノズル２の中心軸に沿うように、適宜のガイド部材（図示せず）によって位置決めされている。
【００３２】
温度演算部１３は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を光電変換して、光量に応じた電流を出力する検出素子としてのＩｎＧａＡｓフォトダイオードを具備し、このＩｎＧａＡｓフォトダイオードからの出力電流を増幅した後に電流電圧変換及びＡＤ変換を施し、鋼板Ｍの放射率の補正を行って温度に換算する。また、温度演算部１３は、鋼板Ｍの表面（下面）と放射温度計１の検出素子との間に、より具体的には、光ファイバ１２の温度演算部１３側の端部とＩｎＧａＡｓフォトダイオードとの間に、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを具備する。これにより、放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、１．６０〜１．８０μｍとなる。
【００３３】
最大測温値抽出部１４では、温度演算部１３で得られた複数の測温値から、所定の時間単位で最大の測温値を抽出する。この最大の測温値を抽出する時間単位は、測定結果（抽出した最大測温値）のバラツキや、要求される応答時間を考慮して決定される。本実施形態の最大測温値抽出部１４は、温度演算部１３で得られた測温値を１０ｍｓｅｃ毎にサンプリングして、０．２ｓｅｃ毎に最大の測温値を抽出し、抽出した最大測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する。
【００３４】
ノズル２は、その先端と鋼板Ｍの下面との距離が例えば４０ｍｍ程度となる位置に配置される。ノズル２には、エアー供給源から、流量調整バルブ３及びフィルタ４を介して、エアーが供給される。ノズル２には、ステンレス製のメッシュ２１が内蔵されており、供給されたエアーは、メッシュ２１を通過することによって整流される。そして、メッシュ２１を通過した整流後のエアーはノズル２の先端から鋼板Ｍの下面に向けて噴射される。これにより、鋼板Ｍの下面と放射温度計１との間にエアー柱Ａが形成される。鋼板Ｍの下面から放射された熱放射光は、このエアー柱Ａを介して放射温度計１で検出される。なお、ノズル２の底面には、エアーの漏洩を防止するためにＯリングを具備するシール部２２が設けられており、該シール部２２を介してノズル２の外部に光ファイバ１２が延びている。
【００３５】
流量調整バルブ３は、ノズル２の周辺の水冷が停止している場合や、冷却水の水量が少ない場合に、ノズル２に供給するエアー流量を絞り、エアー消費量を低減させる機能を奏する。また、フィルタ４は、ノズル２に供給するエアー中の水分や油などを除去して、受光光学系１１や光ファイバ１２の汚れを低減する機能を奏する。
【００３６】
なお、本実施形態では、好ましい構成として、鋼板Ｍの下面と放射温度計１との間（具体的には、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間）に存在し得る水Ｗの厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖでエアーを噴射している。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
なお、上記の式における水の厚みｈの値を、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との離間距離に等しい値（本実施形態では４０ｍｍ程度）に設定すれば、エアーを噴射しなければ鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間が全て水Ｗで満たされるような場合（図１に示すような場合）であっても、その水Ｗを排除し得るという点で好ましい。
【００３７】
以下、本実施形態に係る表面温度測定装置１００における各種パラメータの設定理由について説明する。
【００３８】
（１）放射温度計１で検出する熱放射光の波長について
前述のように、放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、１．６０〜１．８０μｍとされている。
上記の波長帯域に設定するに際し、本発明者らは、先ず最初に、検出する熱放射光の波長を０．６５〜０．８３μｍとした放射温度計を試作し、その温度特性を評価した。具体的には、放射温度計の温度特性を評価するために一般的に使用される放射熱源（黒体炉、温度バラツキ１℃以下）の温度を水を介して前記試作した放射温度計で測定し、その測温値のバラツキ（３σ）を評価した。なお、放射熱源である黒体炉の放射率は１．０とした。図２は、種々の水の厚みに対する測温値バラツキの評価結果の一例を示すグラフである。図２に示すように、検出する熱放射光の波長が０．６５〜０．８３μｍである放射温度計の場合、６００℃以下では測温値の変動が大きくなり、精度良く温度を測定することができないことが分かった。これは、被測温材が低温になると、放射される熱放射光の長波長成分が増大することが原因であると考えられる。従って、６００℃以下の低温域の温度を放射測温するには、検出する熱放射光の波長を０．６５〜０．８３μｍよりも長波長側にシフトする必要のあることが分かった。
【００３９】
次に、本発明者らは、低温域の被測温材から放射された熱放射光を、被測温材と放射温度計との間に位置する水を介して検出する場合を想定し、水の分光透過率を調査した。図３は、黒体炉と放射温度計との間に介在させた水の厚みを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍとした場合における、１．０〜２．５μｍの波長帯域における水の分光透過率を示すグラフである。図３に示すように、前述した０．６５〜０．８３μｍよりも長波長側の波長帯域においては、１．２μｍ近傍の波長帯域、１．７μｍ近傍の波長帯域、２．２μｍ近傍の波長帯域において水の透過率が高くなることが分かった。
【００４０】
図４は、２００℃における黒体の分光放射輝度を示す。放射温度計の検出素子としてＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いる場合、１．２μｍ近傍の波長帯域では、分光放射輝度も低く、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードの感度も低いため、２００℃程度の低温域での測定には適切でない。
また、２．２μｍ近傍の波長帯域では、分光放射輝度が高いという点では有利であるものの、放射温度計を構成する受光光学系の集光レンズや光ファイバとして、安価な石英ガラスを用いると、光透過率が低下する問題がある。
一方、１．７μｍ近傍の波長帯域では、分光放射輝度もＩｎＧａＡｓフォトダイオードの感度も高い上、放射温度計を構成する受光光学系の集光レンズや光ファイバとして、安価な石英ガラスを用いることができる。
【００４１】
そこで、本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．７μｍ近傍の波長を含む１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計を試作し、その温度特性を黒体炉を用いて評価した。図５は、評価結果の一例を示すグラフである。図５に示すように、検出する熱放射光の波長が１．６０〜１．８０μｍである放射温度計の場合、測温値のバラツキ（３σ）が２℃になるまでを許容範囲とすると、１６０℃まで測定可能であることが分かった。
【００４２】
また、本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計と黒体炉との間に介在させる水の厚みを適宜変更すると共に、黒体炉の温度を適宜変更し、水の透過率を調査した。図６は、水の透過率を調査した結果を示すグラフである。図６に示すように、水の厚みが厚くなると透過率は低下するものの、水膜の厚みを２ｍｍ程度に小さくできれば、２０％程度の透過率が得られることが分かった。
【００４３】
さらに、本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計と黒体炉との間に介在させる水の厚みを１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍとし、その温度特性を評価した。図７は、評価結果の一例を示すグラフである。図７に示すように、検出する熱放射光の波長が１．６０〜１．８０μｍである放射温度計の場合、厚み２ｍｍの水を介する場合であっても、測温値のバラツキ（３σ）が３℃になるまでを許容範囲とすると、２００℃程度までの低温域の被測温材を測温可能であることが分かった。
【００４４】
以上に説明したように、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすれば、２００℃程度の低温域でも測温値の変動が少なく、放射温度計と被測温材との間に侵入した水による熱放射光の吸収に起因する測温誤差も低減可能である。このため、本実施形態の放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、１．６０〜１．８０μｍとされている。
【００４５】
（２）ノズル２から噴射するエアーの流速について
前述のように、被測温材と放射温度計との間に介在する水の厚みを２ｍｍ程度に小さくできれば、２００℃程度までの低温域の被測温材を測温可能であるものの、測温精度を高めるには、介在する水の厚みはできるだけ小さい方が好ましい。このため、本発明者らは、放射温度計から被測温材に向けてエアーパージし、水を排除することを検討した。
【００４６】
図８は、エアーパージ検討用の試験装置の概略構成を示す模式図である。図８に示すように、放射温度計１’（前述したように、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした試作の放射温度計）を内蔵したエアーパージ用のノズル２’を水槽５の底面に設置した。ノズル２’の上方には、被測温材から放射される熱放射光を模擬するために、石英ガラス６上にラバーヒータ７を設置した。石英ガラス６の下面とノズル２’の先端との距離は６０ｍｍに設定した。また、放射温度計１’の測定視野径（ノズル２’先端での視野径）は６ｍｍとし、ノズル２’の先端の口径は２２ｍｍとした。
【００４７】
上記構成の試験装置において、ノズル２’から石英ガラス６の下面に向けてエアーを噴射している状態で、水槽５内に水Ｗを注入した。この際、ノズル２’に供給するエアーの流量を調整することによって、ノズル２’から噴射するエアーの流速を変更し、各エアー流速で排除できる水Ｗの厚み（ノズル２’の先端と水Ｗの上面との距離）の最大値を測定した。なお、水Ｗが排除されたか否かは、水Ｗの上面にまで達するエアー柱が形成されたか否かを目視で確認することで判断した。また、エアーの流速は、流量計９で測定したノズル２’に供給するエアーの流量をノズル２’先端の口径で除することによって算出した。
【００４８】
一方、ノズル２’から噴射するエアーで水Ｗを排除するためには、理論上、水Ｗの最下面の静圧（ノズル２’先端での静圧）Ｐｓよりも、噴射するエアーの動圧（ノズル２’先端での動圧）Ｐｄの方が大きくなるように、すなわち、下記の式（１）を満足するように、エアーの流速を決定する必要がある。
Ｐｄ＞Ｐｓ ・・・（１）
【００４９】
ここで、水Ｗの最下面の静圧Ｐｓは下記の式（２）で表され、噴射するエアーの動圧Ｐｄは下記の式（３）で表される。
Ｐｓ＝ρＬ・ｇ・ｈ ・・・（２）
Ｐｄ＝１／２・ρｇ・Ｖ２ ・・・（３）
ただし、上記の式（２）、（３）において、ρＬは水Ｗの密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を、ｈは水Ｗの厚みを、Ｖはエアーの流速を意味する。
【００５０】
上記の式（１）の両辺に、上記の式（２）、（３）を代入して整理すると、下記の式（４）が成立する。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ・・・（４）
つまり、厚みｈの水Ｗを排除するには、理論上、上記の式（４）を満足する流速Ｖでエアーを噴射する必要があることになる。
【００５１】
図９は、以上に説明した、エアー流速に応じて排除可能であった水の厚み（最大値）の実測値、及び、式（４）から導出されるエアー流速に応じて排除可能な水の厚み（最大値）の計算値を示す。図９に示すように、式（４）から導出される計算値は、実測値と比較的よく一致している。従って、式（４）を満足するように、ノズル２から噴射するエアーの流速を決定すれば、放射温度計１’とラバーヒータ７との間に存在する水Ｗがエアーによって実際に排除され易くなることが分かった。
【００５２】
次に、図８に示す試験装置において、ラバーヒータ７の温度を放射温度計１’で測定すると同時に、ラバーヒータ７の温度を熱電対８を貼り付けて測定した（以下、この熱電対８による測温値を実温度という）。この際、水槽５内に注入する水Ｗの厚みは、２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍとした。また、ノズル２’から噴射するエアーの流速を変更し、各エアー流速での測温誤差（放射温度計１’での測温値と実温度との差）を評価した。なお、放射温度計１’での測温値としては、０．２ｓｅｃ毎に抽出した最大の測温値を用いた。
【００５３】
図１０は、上記の試験における評価結果の一例を示すグラフである。図１０に示す結果から明らかなように、前述した式（４）を満足するようにノズル２’から噴射するエアーの流速を決定すれば、放射温度計１’によってラバーヒータ７の温度を精度良く測定可能であった。
【００５４】
以上に説明した結果に基づき、本実施形態では、鋼板Ｍの下面と放射温度計１との間（具体的には、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間）に存在し得る水Ｗの厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖでエアーを噴射している。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
【００５５】
（３）最大測温値抽出部１４の処理内容について
図８に示す試験装置において、石英ガラス６の下面とノズル２’の先端との距離を６０ｍｍに設定した。そして、この試験装置において、ノズル２’の先端から石英ガラス６の下面に向けてエアーを噴射している状態で、水槽５内に水Ｗを注入し、ラバーヒータ７の温度を放射温度計１’で測定した。この際、水槽５内に注入する水Ｗの厚みは０〜６０ｍｍまで変更した。なお、ラバーヒータ７の実温度は、１７５℃で安定していた。
【００５６】
図１１は、水Ｗの厚みが４０ｍｍのときに、放射温度計１’でラバーヒータ７の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。図１１に示す例では、エアーの流速（ノズル２’先端での流速）は、前述した式（４）を満足する３５ｍ／ｓｅｃとした。
【００５７】
図１１に示すように、放射温度計１’の測温値は時間的に大きく変動したものの、一部では実温度（１７５℃）と等しい温度を示すことが分かった。他の水Ｗの厚みの場合（ただし、０ｍｍの場合を除く）も、図１１に示す結果と同様の傾向を示すことが分かった。
【００５８】
上記のように、放射温度計１’の測温値が部分的に実温度に等しくなるのは、ノズル２’からのエアーパージによって、測温値と実温度とが等しくなるタイミングでは、放射温度計１’とラバーヒータ７との間に水Ｗが存在しなくなるからだと考えられる。従って、本発明者らは、所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を測定結果として用いれば、この測定結果は、所定時間内において水Ｗが存在しないタイミングか、又は、存在する水Ｗの厚みが最も少ないタイミングで得られた測温値であり、測温精度が高まることが期待できると考えた。
【００５９】
図１２は、図１１に示す複数の測温値に対して、最大の測温値を抽出する時間単位を変更した場合における、測定結果（抽出した最大測温値）のバラツキ（３σ）を示すグラフである。また、図１３は、図１１に示す複数の測温値に対して、０．２ｓｅｃ毎に最大測温値を抽出した結果を示すグラフである。図１２、図１３に示すように、０．２ｓｅｃ以上の時間単位で最大測温値を抽出すれば、測定結果のバラツキが小さくなり、安定した測温が可能であることが分かった。
【００６０】
図１４は、図８に示す試験装置において、水Ｗの厚みを６０ｍｍ（石英ガラス６の下面とノズル２’の先端との距離に相当）とし、ノズル２’から噴射するエアーの流速（ノズル２’先端での流速）は、前述した式（４）を満足する３５ｍ／ｓｅｃとして、放射温度計１’でラバーヒータ７の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。ラバーヒータの実温度は、測定途中に、１７５℃から１９５℃に変更した。
【００６１】
図１４に示すように、放射温度計１’の測温値は時間的に大きく変動したものの、０．２ｓｅｃ毎に最大測温値を抽出すれば、測定結果のバラツキが小さくなり、安定した測温が可能であることが分かった。
【００６２】
以上に説明した結果に基づき、本実施形態の最大測温値抽出部１４は、温度演算部１３で得られた測温値を１０ｍｓｅｃ毎にサンプリングして、０．２ｓｅｃ毎に最大の測温値を抽出し、抽出した最大測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する構成としている。
【００６３】
以上に説明した本実施形態に係る表面温度測定装置１００によれば、放射温度計１で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることにより、鋼板Ｍが水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、鋼板Ｍの表面温度を精度良く測定可能である。
また、本実施形態に係る表面温度測定装置１００によれば、ノズル２から噴射するエアーによって形成されるエアー柱Ａにより、放射温度計１と鋼板Ｍとの間への水Ｗの侵入が抑制される。特に、Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇを満足する流速Ｖでエアーを噴射することにより、水Ｗが効果的に排除され、鋼板Ｍの表面温度をより一層精度良く測定可能である。
さらに、本実施形態に係る表面温度測定装置１００によれば、最大測温値抽出部１４により、複数の測温値のうちの最大の測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力するため、測定結果のバラツキが小さくなり、鋼板Ｍの表面温度をより一層精度良く測定可能である。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。図１５に示すように、本実施形態に係る表面温度測定装置１００Ａも、第１の実施形態に係る表面温度測定装置１００と同様に、放射温度計１Ａ、ノズル２、流量調整バルブ３及びフィルタ４を備えている。そして、本実施形態の放射温度計１Ａも、受光光学系１１、光ファイバ１２、温度演算部１３及び最大測温値抽出部１４を備える点で、第１の実施形態の放射温度計１と共通する。しかしながら、本実施形態の放射温度計１Ａは、水厚推定部１５と、測温値出力部１６とを更に備える点で、第１の実施形態の放射温度計１と相違する。以下、第１の実施形態に係る表面温度測定装置１００と共通する構成については、同様の機能を奏するため説明を省略し、主に上記の相違点について説明する。
【００６５】
本実施形態の放射温度計１Ａを構成する光ファイバ１２は、途中で２本に分岐されており、一方が温度演算部１３に、他方が水厚推定部１５に接続されている。これにより、鋼板Ｍ表面からの熱放射光は、受光光学系１１及び光ファイバ１２を介して、温度演算部１３及び水厚推定部１５の双方に伝送される。
【００６６】
第１の実施形態と同様に、温度演算部１３は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光のうち１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを光電変換して温度に換算する。そして、最大測温値抽出部１４は、温度演算部１３で所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する。
【００６７】
水厚推定部１５は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を複数の波長帯域に分光し、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比に基づいて、鋼板Ｍの表面（下面）と放射温度計１Ａとの間（具体的には、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間）に存在する水Ｗの厚みが０．１ｍｍ以下であるか否かを判断する。
【００６８】
具体的には、本実施形態の水厚推定部１５は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を、１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍの各波長帯域に分光し、分光後の各波長帯域の熱放射光を検出素子としてのＩｎＧａＡｓフォトダイオードで光電変換して、エネルギーを算出する。上記の分光方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、上記の各波長帯域の光のみをそれぞれ透過する３つの光学フィルタを円盤に固定し、この円盤を回転させて分光する方法が挙げられる。また、水厚推定部１５に接続する光ファイバ１２を３本に分岐し、分岐した３本の光ファイバの端部にそれぞれ対向して上記の３つの光学フィルタを配置する方法でもよい（この場合には、検出素子も３つ必要である）。さらには、プリズムや分光器を用いる分光方法（これらの場合には、検出素子も３つ必要）を適用することも可能である。
【００６９】
次に、水厚推定部１５は、１．６５〜１．７５μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．６５〜１．７５μｍ）と、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．６０〜１．８０μｍ）との比であるＥ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）を算出する。また、水厚推定部１５は、１．８８〜１．９４μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．８８〜１．９４μｍ）と、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．６０〜１．８０μｍ）との比であるＥ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）を算出する。
【００７０】
水厚推定部１５は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．５５が成立するとき、水Ｗの厚みは１．０ｍｍ以上であると判断する。
また、水厚推定部１５は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立し、且つ、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．４２が成立するとき、水Ｗの厚みは０．１ｍｍを超え１．０ｍｍ未満であると判断する。
さらに、水厚推定部１５は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立し、且つ、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立するとき、水Ｗの厚みは０．１ｍｍ以下であると判断する。
【００７１】
測温値出力部１６は、水厚推定部１５が水Ｗの厚みは０．１ｍｍ以下であると判断した場合にのみ、最大測温値抽出部１４の出力値を鋼板Ｍの表面温度として出力する。水Ｗの厚みが０．１ｍｍ程度であれば、前述した図６に示すように、水の透過率は９５％程度であり、測温値への影響は極めて少ないからである。
【００７２】
以下、本実施形態に係る表面温度測定装置１００Ａの水厚推定部１５において、上述した判断を行う理由について説明する。
【００７３】
本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍとした放射温度計と黒体炉との間に介在させる水の厚みを適宜変更すると共に、黒体炉の温度を適宜変更して、黒体炉からの熱放射光を検出する試験を行った。
【００７４】
図１６は、上記の試験によって得られたＥ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化を示すグラフである。図１６に示す結果から明らかなように、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立するときには、黒体炉（被測温材）の温度が２００℃〜５００℃の範囲で変わっても、水の厚みは１．０ｍｍ未満であるといえる。
【００７５】
図１７は、上記の試験によって得られたＥ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化を示すグラフである。図１８は、図１７に示すグラフの内、水の厚みが小さい部分を拡大して示すグラフである。
図１８に示す結果からすれば、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立するとき、黒体炉（被測温材）の温度が２００℃〜５００℃の範囲で変わっても、水の厚みは０．１ｍｍ以下であるといえる。
しかしながら、図１７に示す結果からすれば、水の厚みが４．０ｍｍを超える場合にも、黒体炉（被測温材）の温度によっては、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立する可能性がある。つまり、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立するのみでは、水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断することはできない。
このため、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立すると同時に、前述したＥ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立する（つまり、水の厚みは１．０未満である）場合にのみ、水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断すればよい。
【００７６】
以上に説明した結果に基づき、本実施形態の水厚推定部１５は、前述した判断を行っている。
【００７７】
以上に説明した本実施形態に係る表面温度測定装置１００Ａによれば、第１の実施形態に係る表面温度測定装置１００の構成に加えて、測温誤差の要因となる鋼板Ｍの表面と放射温度計１Ａとの間に存在する水Ｗの厚みが小さい場合（０．１ｍｍ以下の場合）にのみ、測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する構成であるため、表面温度測定装置１００に比べて測温精度がより一層高まることが期待できる。
【００７８】
以下、本発明に係る表面温度測定装置を厚鋼板の製造ラインに適用して、厚鋼板を製造する方法について説明する。
【００７９】
図１９は、厚鋼板の製造ラインの概略構成例を示す模式図である。
図１９に示す製造ライン１０は、図面左側から、加熱炉２０、粗圧延機３０、仕上げ圧延機４０、冷却装置５０及びホットレベラー６０が、この順に配置されている。加熱炉２０で約１１００〜１２００℃に加熱されたスラブＭ１は、粗圧延機３０で一定の厚みに減肉され、粗圧延材Ｍ２とされる。次いで、粗圧延材Ｍ２は、仕上げ圧延機４０の前後を往復して所定の厚みの被圧延材Ｍ３とされる。その後、被圧延材Ｍ３は、冷却装置５０により水冷されて材質が調整された後、ホットレベラー６０により平坦度が矯正される。
【００８０】
上記の構成を有する厚鋼板の製造ライン１０において、本発明に係る表面温度測定装置は、冷却装置５０内（具体的には、例えば、冷却装置５０内に配置された搬送ロール間）に設置して用いることができる。冷却装置５０は、仕上げ圧延機４０を通過してもなお６００〜７００℃程度の温度を有する被圧延材８を室温近くまで冷却するのに用いられる。本発明に係る表面温度測定装置は、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることにより、被圧延材８の表面温度が２００℃程度の低温域であっても精度良く測温可能である。また、被圧延材８の板厚は厚いため、冷却装置５０では大量の冷却水が必要となるが、本発明に係る表面温度測定装置のように、被圧延材８の表面に向けてエアーパージしてエアー柱を形成すれば、大量の冷却水が存在する環境下でも精度の高い測温が可能である。
【００８１】
以上に説明したように、本発明に係る表面温度測定装置は、厚鋼板の製造ライン１０において、大量の冷却水が用いられる冷却装置５０内に設置することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・放射温度計
２・・・ノズル
３・・・流量調整バルブ
４・・・フィルタ
１１・・・受光光学系
１２・・・光ファイバ
１３・・・温度演算部
１４・・・最大測温値抽出部
１００・・・表面温度測定装置
Ａ・・・エアー柱
Ｗ・・・水
Ｍ・・・鋼板（被測温材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材等の被測温材の表面温度を放射測温によって測定する方法及び装置並びにこの方法によって表面温度を測定する工程を有する鋼材の製造方法に関する。特に、本発明は、被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、精度良く測温可能な表面温度測定方法及び装置並びにこの方法によって表面温度を測定する工程を有する鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の高品質化や生産性向上を図る点で、冷却工程における鋼材の温度管理が重要になっている。鋼材の熱間圧延ラインや熱処理・冷却ラインなどの冷却工程において、搬送中の鋼材の表面温度を放射温度計を用いて測定する際には、被測温鋼材と放射温度計との間に湯気が存在したり、冷却水が飛散してきたり、或いは、被測温鋼材表面が水膜に覆われたり、水没したりすることが甚だしい。このような環境下では、被測温鋼材から放射された熱放射光が、水蒸気、湯気、冷却水等に吸収され或いは散乱されることにより、測温値に誤差が生じたり、測定できない場合が生じたりすることもある。
【０００３】
そこで、上記のような要因によって生じる測温誤差を低減し、精度の良い放射測温を可能とするべく、従来より、鋼材表面に向けてノズルからパージ用の水を噴出することにより放射温度計と鋼材表面との間に水柱を形成し、当該水柱を介して鋼材から放射される放射エネルギーを検出することにより鋼材表面温度を測定する方法が種々提案されている。
【０００４】
より具体的に説明すれば、例えば、被測定物から放射された放射エネルギーに基づいて該被測定物の表面温度を測定する放射温度計と前記被測定物との間に水柱を形成し、該被測定物から放射された放射エネルギーの内、前記水柱が吸収した放射エネルギーの分を補正しながら、前記放射温度計を用いて前記被測定物の表面温度を測定する温度測定方法において、前記水柱を形成するに当たり、該水柱の温度を６０℃以上にすることを特徴とする温度測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載の方法によれば、放射温度計と被測定物との間に水柱が形成されるため、水柱が形成された部分には水蒸気や飛散水が侵入し難く、これら水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することが可能である。さらに、特許文献１に記載の方法は、水柱の温度を６０℃以上にする構成であり、水柱が接触している被測定物表面に沸騰膜が形成され易くなる。このため、被測定物の表面温度低下を抑制し、測温値の代表性を損なうこともなく、被測定物の冷却むらも低減できるという利点を有する。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、水柱の温度を６０℃以上に上昇させるための加熱装置が必要であり、水を昇温させるためのエネルギーコストが掛かるという問題がある。また、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置（例えば、超音波方式）が必要であるため、装置全体の寸法が大きくなり、鋼材の搬送ロール間等の狭いスペースには設置し難いという問題がある。さらに、厚み測定装置をたとえ設置できたとしても、着脱に手間を要するなど保全性を阻害したり、厚み測定装置の故障による測温値の安定性・信頼性の低下が問題となる。
【０００７】
特許文献１に記載の方法における上記の問題点等を解決するため、本発明者らは、特許文献２に記載の方法を提案している。
具体的には、特許文献２には、被測温鋼材下面から放射された熱放射光を、被測温鋼材下面に向けてノズルから噴射したパージ水を介して被測温鋼材の下方に対向配置した放射温度計で検出することにより、被測温鋼材の表面温度を測定する方法であって、被測温鋼材のパスラインを位置基準とした前記パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することを特徴とする鋼材の表面温度測定方法が提案されている（特許文献２の請求項２）。そして、前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることが提案されている（特許文献２の請求項３）。
【０００８】
特許文献２に記載の上記方法によれば、パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することにより、被測温鋼材下面に対するパージ水の衝突圧が抑制され、パージ水がたとえ常温であっても冷却を抑制することができる。このため、特許文献１のように水を昇温させるためのエネルギーコストが掛からないという利点が得られる。また、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることにより、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置が不要になるという利点が得られる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載の上記方法では、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下としているため、放射測温可能な鋼材の表面温度の下限値は、５００℃程度である。近年における鋼材の高品質化に対する要求レベルに鑑みれば、２００℃程度の低温域の表面温度を管理することが重要となってきており、５００℃程度以上の表面温度しか測定できない方法では、適切な温度管理ができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２９５９５０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、鋼材等の被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域（例えば、１８０〜３５０℃）であっても、精度良く測温可能な表面温度測定方法及び装置並びにこの方法によって表面温度を測定する工程を有する鋼材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、後述するように、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすれば、２００℃程度の低温域でも測温値の変動が少ないことを見出した。また、本発明者らは、後述するように、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域において水の透過率が比較的高くなることを見出し、この結果、放射温度計と被測温材との間に侵入した水による熱放射光の吸収に起因する測温誤差を低減可能であることを見出した。本発明は、斯かる本発明者らの知見に基づき完成されたものである。
【００１３】
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を該被測温材の表面に対向配置した放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する方法であって、前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることを特徴とする表面温度測定方法を提供する。
【００１４】
斯かる発明によれば、被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、被測温材の表面温度を精度良く測定可能である。
【００１５】
前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することにより、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間にエアー柱を形成し、前記エアー柱を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を前記放射温度計で検出することが好ましい。
【００１６】
斯かる好ましい構成によれば、エアー柱によって、放射温度計と被測温材との間への水の侵入が抑制され、より一層精度良く測温可能である。
【００１７】
放射温度計と被測温材との間に侵入する水の量は、常に一定ではなく、通常は時間的に変動する。そして、侵入する水の量が多ければ多いほど、水による熱放射光の吸収や散乱に起因する測温誤差が大きくなる。具体的には、侵入する水の量が多ければ多いほど、測温値が低下する。このため、所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を測定結果として用いれば、この測定結果は、所定時間内において侵入する水の量が最も少ないタイミングで得られた測温値であると考えられるため、より一層測温精度が高まることが期待できる。
【００１８】
従って、前記放射温度計によって所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を前記被測温材の表面温度として出力することが好ましい。
【００１９】
また、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在し得る水の厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖで、前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することが好ましい。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
【００２０】
斯かる好ましい構成によれば、例えば、被測温材下面から放射された熱放射光を被測温材下面に対向配置した放射温度計で検出し、被測温材下面に向けてエアーを噴射する場合に、後述するように、水の最下面の静圧よりも噴射するエアーの動圧の方が大きくなる。このため、放射温度計と被測温材との間に存在する水がエアーによって排除され易くなり、被測温材の表面温度をより一層精度良く測定可能である。
【００２１】
ここで、測温精度をより一層高めるには、測温誤差の要因となる被測温材の表面と放射温度計との間に存在する水の厚みが小さい場合（例えば、０．１ｍｍ以下の場合）にのみ、測温値を被測温材の表面温度として出力することが好ましい。そこで、本発明者らが、この水の厚みを評価する方法について鋭意検討した結果、被測温材の表面から放射された熱放射光を複数の波長帯域に分光したとき、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比が水の厚みによって変化することを見出した。
【００２２】
すなわち、測温精度をより一層高めるには、前記被測温材の表面から放射された熱放射光を複数の波長帯域に分光し、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比に基づいて、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在する水の厚みが０．１ｍｍ以下であるか否かを判断し、前記水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断した場合にのみ、前記被測温材の表面温度を出力することが好ましい。
【００２３】
具体的には、前記被測温材の表面から放射された熱放射光を、１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍの各波長帯域に分光することが好ましい。
【００２４】
また、前記課題を解決するため、本発明は、水冷中の被測温材の表面に対向配置された放射温度計を備え、該被測温材の表面から放射された熱放射光を該放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する装置であって、前記被測温材の表面と前記放射温度計の検出素子との間に、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを備えることを特徴とする表面温度測定装置としても提供される。
【００２５】
さらに、前記課題を解決するため、本発明は、前記被測温材が鋼材であり、前記いずれかに記載の方法によって表面温度を測定する工程を有することを特徴とする鋼材の製造方法としても提供される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることにより、２００℃程度の低温域でも測温値の変動が少なくなる。また、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域において水の透過率が比較的高いため、放射温度計と被測温材との間に侵入した水による熱放射光の吸収に起因する測温誤差を低減可能である。この結果、本発明によれば、被測温材が水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、被測温材の表面温度を精度良く測定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、検出する熱放射光の波長を０．６５〜０．８３μｍとした放射温度計の測温値バラツキを評価した結果の一例を示すグラフである。
【図３】図３は、１．０〜２．５μｍの波長帯域における水の分光透過率を調査した結果を示すグラフである。
【図４】図４は、２００℃における黒体の分光放射輝度を示す。
【図５】図５は、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計の測温値バラツキを評価した結果の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域における水の透過率を調査した結果を示すグラフである。
【図７】図７は、厚み１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍの水を介して検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計の測温値バラツキを評価した結果の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、エアーパージ検討用の試験装置の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、エアー流速に応じて排除可能な水の厚みの実測値及び計算値を示す。
【図１０】図１０は、図８に示す試験装置において、エアー流速を変更した場合に生じる測温誤差を評価した結果の一例を示すグラフである。
【図１１】図１１は、図８に示す試験装置を用いた測温結果の一例を示すグラフである。
【図１２】図１２は、図１１に示す複数の測温値に対して、最大の測温値を抽出する時間単位を変更した場合における、測定結果（抽出した最大測温値）のバラツキを示すグラフである。
【図１３】図１３は、図１１に示す複数の測温値に対して、０．２ｓｅｃ毎に最大測温値を抽出した結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、図８に示す試験装置を用いた測温結果の他の例を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図１６】図１６は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化の一例を示すグラフである。
【図１７】図１７は、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化の一例を示すグラフである。
【図１８】図１８は、図１７に示すグラフの内、水の厚みが小さい部分を拡大して示すグラフである。
【図１９】図１９は、厚鋼板の製造ラインの概略構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、水冷中の被測温材（本実施形態では鋼板Ｍ）に対向配置された放射温度計１を備え、鋼板Ｍの表面（本実施形態では下面）から放射された熱放射光を放射温度計１で検出することにより、鋼板Ｍの表面温度を測定する装置である。また、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、鋼板Ｍ表面（本実施形態では下面）に向けてエアーパージする（エアーを噴射する）ためのノズル２を備えている。さらに、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、エアー供給源（図示せず）からノズル２に供給するエアーの流量を調整するための流量調整バルブ３と、ノズル２に供給するエアー中の水分や油などを除去するためのフィルタ４とを備える。
【００３０】
放射温度計１は、鋼板Ｍ表面からの熱放射光を受光する受光光学系１１と、受光光学系１１によって受光された熱放射光を伝送するための光ファイバ１２と、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を検出し、温度に換算する温度演算部１３と、温度演算部１３で所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する最大測温値抽出部１４とを備えている。
【００３１】
受光光学系１１は、熱放射光の検出視野を調整するための光学系であり、集光レンズや視野絞り等によって構成される。
光ファイバ１２としては、例えば石英系の材質からなるものを用いることができる。光ファイバ１２単体では破損の虞があるため、光ファイバ１２は、ステンレス製のフレキシブルホースで被覆されている。
以上に述べた受光光学系１１及び光ファイバ１２の一部はノズル２に内蔵され、ノズル２の中心軸に沿うように、適宜のガイド部材（図示せず）によって位置決めされている。
【００３２】
温度演算部１３は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を光電変換して、光量に応じた電流を出力する検出素子としてのＩｎＧａＡｓフォトダイオードを具備し、このＩｎＧａＡｓフォトダイオードからの出力電流を増幅した後に電流電圧変換及びＡＤ変換を施し、鋼板Ｍの放射率の補正を行って温度に換算する。また、温度演算部１３は、鋼板Ｍの表面（下面）と放射温度計１の検出素子との間に、より具体的には、光ファイバ１２の温度演算部１３側の端部とＩｎＧａＡｓフォトダイオードとの間に、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを具備する。これにより、放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、１．６０〜１．８０μｍとなる。
【００３３】
最大測温値抽出部１４では、温度演算部１３で得られた複数の測温値から、所定の時間単位で最大の測温値を抽出する。この最大の測温値を抽出する時間単位は、測定結果（抽出した最大測温値）のバラツキや、要求される応答時間を考慮して決定される。本実施形態の最大測温値抽出部１４は、温度演算部１３で得られた測温値を１０ｍｓｅｃ毎にサンプリングして、０．２ｓｅｃ毎に最大の測温値を抽出し、抽出した最大測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する。
【００３４】
ノズル２は、その先端と鋼板Ｍの下面との距離が例えば４０ｍｍ程度となる位置に配置される。ノズル２には、エアー供給源から、流量調整バルブ３及びフィルタ４を介して、エアーが供給される。ノズル２には、ステンレス製のメッシュ２１が内蔵されており、供給されたエアーは、メッシュ２１を通過することによって整流される。そして、メッシュ２１を通過した整流後のエアーはノズル２の先端から鋼板Ｍの下面に向けて噴射される。これにより、鋼板Ｍの下面と放射温度計１との間にエアー柱Ａが形成される。鋼板Ｍの下面から放射された熱放射光は、このエアー柱Ａを介して放射温度計１で検出される。なお、ノズル２の底面には、エアーの漏洩を防止するためにＯリングを具備するシール部２２が設けられており、該シール部２２を介してノズル２の外部に光ファイバ１２が延びている。
【００３５】
流量調整バルブ３は、ノズル２の周辺の水冷が停止している場合や、冷却水の水量が少ない場合に、ノズル２に供給するエアー流量を絞り、エアー消費量を低減させる機能を奏する。また、フィルタ４は、ノズル２に供給するエアー中の水分や油などを除去して、受光光学系１１や光ファイバ１２の汚れを低減する機能を奏する。
【００３６】
なお、本実施形態では、好ましい構成として、鋼板Ｍの下面と放射温度計１との間（具体的には、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間）に存在し得る水Ｗの厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖでエアーを噴射している。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
なお、上記の式における水の厚みｈの値を、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との離間距離に等しい値（本実施形態では４０ｍｍ程度）に設定すれば、エアーを噴射しなければ鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間が全て水Ｗで満たされるような場合（図１に示すような場合）であっても、その水Ｗを排除し得るという点で好ましい。
【００３７】
以下、本実施形態に係る表面温度測定装置１００における各種パラメータの設定理由について説明する。
【００３８】
（１）放射温度計１で検出する熱放射光の波長について
前述のように、放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、１．６０〜１．８０μｍとされている。
上記の波長帯域に設定するに際し、本発明者らは、先ず最初に、検出する熱放射光の波長を０．６５〜０．８３μｍとした放射温度計を試作し、その温度特性を評価した。具体的には、放射温度計の温度特性を評価するために一般的に使用される放射熱源（黒体炉、温度バラツキ１℃以下）の温度を水を介して前記試作した放射温度計で測定し、その測温値のバラツキ（３σ）を評価した。なお、放射熱源である黒体炉の放射率は１．０とした。図２は、種々の水の厚みに対する測温値バラツキの評価結果の一例を示すグラフである。図２に示すように、検出する熱放射光の波長が０．６５〜０．８３μｍである放射温度計の場合、６００℃以下では測温値の変動が大きくなり、精度良く温度を測定することができないことが分かった。これは、被測温材が低温になると、放射される熱放射光の長波長成分が増大することが原因であると考えられる。従って、６００℃以下の低温域の温度を放射測温するには、検出する熱放射光の波長を０．６５〜０．８３μｍよりも長波長側にシフトする必要のあることが分かった。
【００３９】
次に、本発明者らは、低温域の被測温材から放射された熱放射光を、被測温材と放射温度計との間に位置する水を介して検出する場合を想定し、水の分光透過率を調査した。図３は、黒体炉と放射温度計との間に介在させた水の厚みを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍとした場合における、１．０〜２．５μｍの波長帯域における水の分光透過率を示すグラフである。図３に示すように、前述した０．６５〜０．８３μｍよりも長波長側の波長帯域においては、１．２μｍ近傍の波長帯域、１．７μｍ近傍の波長帯域、２．２μｍ近傍の波長帯域において水の透過率が高くなることが分かった。
【００４０】
図４は、２００℃における黒体の分光放射輝度を示す。放射温度計の検出素子としてＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いる場合、１．２μｍ近傍の波長帯域では、分光放射輝度も低く、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードの感度も低いため、２００℃程度の低温域での測定には適切でない。
また、２．２μｍ近傍の波長帯域では、分光放射輝度が高いという点では有利であるものの、放射温度計を構成する受光光学系の集光レンズや光ファイバとして、安価な石英ガラスを用いると、光透過率が低下する問題がある。
一方、１．７μｍ近傍の波長帯域では、分光放射輝度もＩｎＧａＡｓフォトダイオードの感度も高い上、放射温度計を構成する受光光学系の集光レンズや光ファイバとして、安価な石英ガラスを用いることができる。
【００４１】
そこで、本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．７μｍ近傍の波長を含む１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計を試作し、その温度特性を黒体炉を用いて評価した。図５は、評価結果の一例を示すグラフである。図５に示すように、検出する熱放射光の波長が１．６０〜１．８０μｍである放射温度計の場合、測温値のバラツキ（３σ）が２℃になるまでを許容範囲とすると、１６０℃まで測定可能であることが分かった。
【００４２】
また、本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計と黒体炉との間に介在させる水の厚みを適宜変更すると共に、黒体炉の温度を適宜変更し、水の透過率を調査した。図６は、水の透過率を調査した結果を示すグラフである。図６に示すように、水の厚みが厚くなると透過率は低下するものの、水膜の厚みを２ｍｍ程度に小さくできれば、２０％程度の透過率が得られることが分かった。
【００４３】
さらに、本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした放射温度計と黒体炉との間に介在させる水の厚みを１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍとし、その温度特性を評価した。図７は、評価結果の一例を示すグラフである。図７に示すように、検出する熱放射光の波長が１．６０〜１．８０μｍである放射温度計の場合、厚み２ｍｍの水を介する場合であっても、測温値のバラツキ（３σ）が３℃になるまでを許容範囲とすると、２００℃程度までの低温域の被測温材を測温可能であることが分かった。
【００４４】
以上に説明したように、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすれば、２００℃程度の低温域でも測温値の変動が少なく、放射温度計と被測温材との間に侵入した水による熱放射光の吸収に起因する測温誤差も低減可能である。このため、本実施形態の放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、１．６０〜１．８０μｍとされている。
【００４５】
（２）ノズル２から噴射するエアーの流速について
前述のように、被測温材と放射温度計との間に介在する水の厚みを２ｍｍ程度に小さくできれば、２００℃程度までの低温域の被測温材を測温可能であるものの、測温精度を高めるには、介在する水の厚みはできるだけ小さい方が好ましい。このため、本発明者らは、放射温度計から被測温材に向けてエアーパージし、水を排除することを検討した。
【００４６】
図８は、エアーパージ検討用の試験装置の概略構成を示す模式図である。図８に示すように、放射温度計１’（前述したように、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとした試作の放射温度計）を内蔵したエアーパージ用のノズル２’を水槽５の底面に設置した。ノズル２’の上方には、被測温材から放射される熱放射光を模擬するために、石英ガラス６上にラバーヒータ７を設置した。石英ガラス６の下面とノズル２’の先端との距離は６０ｍｍに設定した。また、放射温度計１’の測定視野径（ノズル２’先端での視野径）は６ｍｍとし、ノズル２’の先端の口径は２２ｍｍとした。
【００４７】
上記構成の試験装置において、ノズル２’から石英ガラス６の下面に向けてエアーを噴射している状態で、水槽５内に水Ｗを注入した。この際、ノズル２’に供給するエアーの流量を調整することによって、ノズル２’から噴射するエアーの流速を変更し、各エアー流速で排除できる水Ｗの厚み（ノズル２’の先端と水Ｗの上面との距離）の最大値を測定した。なお、水Ｗが排除されたか否かは、水Ｗの上面にまで達するエアー柱が形成されたか否かを目視で確認することで判断した。また、エアーの流速は、流量計９で測定したノズル２’に供給するエアーの流量をノズル２’先端の口径で除することによって算出した。
【００４８】
一方、ノズル２’から噴射するエアーで水Ｗを排除するためには、理論上、水Ｗの最下面の静圧（ノズル２’先端での静圧）Ｐｓよりも、噴射するエアーの動圧（ノズル２’先端での動圧）Ｐｄの方が大きくなるように、すなわち、下記の式（１）を満足するように、エアーの流速を決定する必要がある。
Ｐｄ＞Ｐｓ ・・・（１）
【００４９】
ここで、水Ｗの最下面の静圧Ｐｓは下記の式（２）で表され、噴射するエアーの動圧Ｐｄは下記の式（３）で表される。
Ｐｓ＝ρＬ・ｇ・ｈ ・・・（２）
Ｐｄ＝１／２・ρｇ・Ｖ２ ・・・（３）
ただし、上記の式（２）、（３）において、ρＬは水Ｗの密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を、ｈは水Ｗの厚みを、Ｖはエアーの流速を意味する。
【００５０】
上記の式（１）の両辺に、上記の式（２）、（３）を代入して整理すると、下記の式（４）が成立する。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ・・・（４）
つまり、厚みｈの水Ｗを排除するには、理論上、上記の式（４）を満足する流速Ｖでエアーを噴射する必要があることになる。
【００５１】
図９は、以上に説明した、エアー流速に応じて排除可能であった水の厚み（最大値）の実測値、及び、式（４）から導出されるエアー流速に応じて排除可能な水の厚み（最大値）の計算値を示す。図９に示すように、式（４）から導出される計算値は、実測値と比較的よく一致している。従って、式（４）を満足するように、ノズル２から噴射するエアーの流速を決定すれば、放射温度計１’とラバーヒータ７との間に存在する水Ｗがエアーによって実際に排除され易くなることが分かった。
【００５２】
次に、図８に示す試験装置において、ラバーヒータ７の温度を放射温度計１’で測定すると同時に、ラバーヒータ７の温度を熱電対８を貼り付けて測定した（以下、この熱電対８による測温値を実温度という）。この際、水槽５内に注入する水Ｗの厚みは、２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍとした。また、ノズル２’から噴射するエアーの流速を変更し、各エアー流速での測温誤差（放射温度計１’での測温値と実温度との差）を評価した。なお、放射温度計１’での測温値としては、０．２ｓｅｃ毎に抽出した最大の測温値を用いた。
【００５３】
図１０は、上記の試験における評価結果の一例を示すグラフである。図１０に示す結果から明らかなように、前述した式（４）を満足するようにノズル２’から噴射するエアーの流速を決定すれば、放射温度計１’によってラバーヒータ７の温度を精度良く測定可能であった。
【００５４】
以上に説明した結果に基づき、本実施形態では、鋼板Ｍの下面と放射温度計１との間（具体的には、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間）に存在し得る水Ｗの厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖでエアーを噴射している。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
【００５５】
（３）最大測温値抽出部１４の処理内容について
図８に示す試験装置において、石英ガラス６の下面とノズル２’の先端との距離を６０ｍｍに設定した。そして、この試験装置において、ノズル２’の先端から石英ガラス６の下面に向けてエアーを噴射している状態で、水槽５内に水Ｗを注入し、ラバーヒータ７の温度を放射温度計１’で測定した。この際、水槽５内に注入する水Ｗの厚みは０〜６０ｍｍまで変更した。なお、ラバーヒータ７の実温度は、１７５℃で安定していた。
【００５６】
図１１は、水Ｗの厚みが４０ｍｍのときに、放射温度計１’でラバーヒータ７の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。図１１に示す例では、エアーの流速（ノズル２’先端での流速）は、前述した式（４）を満足する３５ｍ／ｓｅｃとした。
【００５７】
図１１に示すように、放射温度計１’の測温値は時間的に大きく変動したものの、一部では実温度（１７５℃）と等しい温度を示すことが分かった。他の水Ｗの厚みの場合（ただし、０ｍｍの場合を除く）も、図１１に示す結果と同様の傾向を示すことが分かった。
【００５８】
上記のように、放射温度計１’の測温値が部分的に実温度に等しくなるのは、ノズル２’からのエアーパージによって、測温値と実温度とが等しくなるタイミングでは、放射温度計１’とラバーヒータ７との間に水Ｗが存在しなくなるからだと考えられる。従って、本発明者らは、所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を測定結果として用いれば、この測定結果は、所定時間内において水Ｗが存在しないタイミングか、又は、存在する水Ｗの厚みが最も少ないタイミングで得られた測温値であり、測温精度が高まることが期待できると考えた。
【００５９】
図１２は、図１１に示す複数の測温値に対して、最大の測温値を抽出する時間単位を変更した場合における、測定結果（抽出した最大測温値）のバラツキ（３σ）を示すグラフである。また、図１３は、図１１に示す複数の測温値に対して、０．２ｓｅｃ毎に最大測温値を抽出した結果を示すグラフである。図１２、図１３に示すように、０．２ｓｅｃ以上の時間単位で最大測温値を抽出すれば、測定結果のバラツキが小さくなり、安定した測温が可能であることが分かった。
【００６０】
図１４は、図８に示す試験装置において、水Ｗの厚みを６０ｍｍ（石英ガラス６の下面とノズル２’の先端との距離に相当）とし、ノズル２’から噴射するエアーの流速（ノズル２’先端での流速）は、前述した式（４）を満足する３５ｍ／ｓｅｃとして、放射温度計１’でラバーヒータ７の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。ラバーヒータの実温度は、測定途中に、１７５℃から１９５℃に変更した。
【００６１】
図１４に示すように、放射温度計１’の測温値は時間的に大きく変動したものの、０．２ｓｅｃ毎に最大測温値を抽出すれば、測定結果のバラツキが小さくなり、安定した測温が可能であることが分かった。
【００６２】
以上に説明した結果に基づき、本実施形態の最大測温値抽出部１４は、温度演算部１３で得られた測温値を１０ｍｓｅｃ毎にサンプリングして、０．２ｓｅｃ毎に最大の測温値を抽出し、抽出した最大測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する構成としている。
【００６３】
以上に説明した本実施形態に係る表面温度測定装置１００によれば、放射温度計１で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることにより、鋼板Ｍが水冷中でその表面温度が２００℃程度の低温域であっても、鋼板Ｍの表面温度を精度良く測定可能である。
また、本実施形態に係る表面温度測定装置１００によれば、ノズル２から噴射するエアーによって形成されるエアー柱Ａにより、放射温度計１と鋼板Ｍとの間への水Ｗの侵入が抑制される。特に、Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇを満足する流速Ｖでエアーを噴射することにより、水Ｗが効果的に排除され、鋼板Ｍの表面温度をより一層精度良く測定可能である。
さらに、本実施形態に係る表面温度測定装置１００によれば、最大測温値抽出部１４により、複数の測温値のうちの最大の測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力するため、測定結果のバラツキが小さくなり、鋼板Ｍの表面温度をより一層精度良く測定可能である。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る表面温度測定装置の概略構成を示す模式図である。図１５に示すように、本実施形態に係る表面温度測定装置１００Ａも、第１の実施形態に係る表面温度測定装置１００と同様に、放射温度計１Ａ、ノズル２、流量調整バルブ３及びフィルタ４を備えている。そして、本実施形態の放射温度計１Ａも、受光光学系１１、光ファイバ１２、温度演算部１３及び最大測温値抽出部１４を備える点で、第１の実施形態の放射温度計１と共通する。しかしながら、本実施形態の放射温度計１Ａは、水厚推定部１５と、測温値出力部１６とを更に備える点で、第１の実施形態の放射温度計１と相違する。以下、第１の実施形態に係る表面温度測定装置１００と共通する構成については、同様の機能を奏するため説明を省略し、主に上記の相違点について説明する。
【００６５】
本実施形態の放射温度計１Ａを構成する光ファイバ１２は、途中で２本に分岐されており、一方が温度演算部１３に、他方が水厚推定部１５に接続されている。これにより、鋼板Ｍ表面からの熱放射光は、受光光学系１１及び光ファイバ１２を介して、温度演算部１３及び水厚推定部１５の双方に伝送される。
【００６６】
第１の実施形態と同様に、温度演算部１３は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光のうち１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを光電変換して温度に換算する。そして、最大測温値抽出部１４は、温度演算部１３で所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する。
【００６７】
水厚推定部１５は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を複数の波長帯域に分光し、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比に基づいて、鋼板Ｍの表面（下面）と放射温度計１Ａとの間（具体的には、鋼板Ｍの下面とノズル２の先端との間）に存在する水Ｗの厚みが０．１ｍｍ以下であるか否かを判断する。
【００６８】
具体的には、本実施形態の水厚推定部１５は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を、１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍの各波長帯域に分光し、分光後の各波長帯域の熱放射光を検出素子としてのＩｎＧａＡｓフォトダイオードで光電変換して、エネルギーを算出する。上記の分光方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、上記の各波長帯域の光のみをそれぞれ透過する３つの光学フィルタを円盤に固定し、この円盤を回転させて分光する方法が挙げられる。また、水厚推定部１５に接続する光ファイバ１２を３本に分岐し、分岐した３本の光ファイバの端部にそれぞれ対向して上記の３つの光学フィルタを配置する方法でもよい（この場合には、検出素子も３つ必要である）。さらには、プリズムや分光器を用いる分光方法（これらの場合には、検出素子も３つ必要）を適用することも可能である。
【００６９】
次に、水厚推定部１５は、１．６５〜１．７５μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．６５〜１．７５μｍ）と、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．６０〜１．８０μｍ）との比であるＥ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）を算出する。また、水厚推定部１５は、１．８８〜１．９４μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．８８〜１．９４μｍ）と、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の熱放射光のエネルギーＥ（１．６０〜１．８０μｍ）との比であるＥ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）を算出する。
【００７０】
水厚推定部１５は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．５５が成立するとき、水Ｗの厚みは１．０ｍｍ以上であると判断する。
また、水厚推定部１５は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立し、且つ、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．４２が成立するとき、水Ｗの厚みは０．１ｍｍを超え１．０ｍｍ未満であると判断する。
さらに、水厚推定部１５は、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立し、且つ、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立するとき、水Ｗの厚みは０．１ｍｍ以下であると判断する。
【００７１】
測温値出力部１６は、水厚推定部１５が水Ｗの厚みは０．１ｍｍ以下であると判断した場合にのみ、最大測温値抽出部１４の出力値を鋼板Ｍの表面温度として出力する。水Ｗの厚みが０．１ｍｍ程度であれば、前述した図６に示すように、水の透過率は９５％程度であり、測温値への影響は極めて少ないからである。
【００７２】
以下、本実施形態に係る表面温度測定装置１００Ａの水厚推定部１５において、上述した判断を行う理由について説明する。
【００７３】
本発明者らは、検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍとした放射温度計と黒体炉との間に介在させる水の厚みを適宜変更すると共に、黒体炉の温度を適宜変更して、黒体炉からの熱放射光を検出する試験を行った。
【００７４】
図１６は、上記の試験によって得られたＥ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化を示すグラフである。図１６に示す結果から明らかなように、Ｅ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立するときには、黒体炉（被測温材）の温度が２００℃〜５００℃の範囲で変わっても、水の厚みは１．０ｍｍ未満であるといえる。
【００７５】
図１７は、上記の試験によって得られたＥ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）の変化を示すグラフである。図１８は、図１７に示すグラフの内、水の厚みが小さい部分を拡大して示すグラフである。
図１８に示す結果からすれば、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立するとき、黒体炉（被測温材）の温度が２００℃〜５００℃の範囲で変わっても、水の厚みは０．１ｍｍ以下であるといえる。
しかしながら、図１７に示す結果からすれば、水の厚みが４．０ｍｍを超える場合にも、黒体炉（被測温材）の温度によっては、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立する可能性がある。つまり、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立するのみでは、水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断することはできない。
このため、Ｅ（１．８８〜１．９４μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）≧０．４２が成立すると同時に、前述したＥ（１．６５〜１．７５μｍ）／Ｅ（１．６０〜１．８０μｍ）＜０．５５が成立する（つまり、水の厚みは１．０未満である）場合にのみ、水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断すればよい。
【００７６】
以上に説明した結果に基づき、本実施形態の水厚推定部１５は、前述した判断を行っている。
【００７７】
以上に説明した本実施形態に係る表面温度測定装置１００Ａによれば、第１の実施形態に係る表面温度測定装置１００の構成に加えて、測温誤差の要因となる鋼板Ｍの表面と放射温度計１Ａとの間に存在する水Ｗの厚みが小さい場合（０．１ｍｍ以下の場合）にのみ、測温値を鋼板Ｍの表面温度として出力する構成であるため、表面温度測定装置１００に比べて測温精度がより一層高まることが期待できる。
【００７８】
以下、本発明に係る表面温度測定装置を厚鋼板の製造ラインに適用して、厚鋼板を製造する方法について説明する。
【００７９】
図１９は、厚鋼板の製造ラインの概略構成例を示す模式図である。
図１９に示す製造ライン１０は、図面左側から、加熱炉２０、粗圧延機３０、仕上げ圧延機４０、冷却装置５０及びホットレベラー６０が、この順に配置されている。加熱炉２０で約１１００〜１２００℃に加熱されたスラブＭ１は、粗圧延機３０で一定の厚みに減肉され、粗圧延材Ｍ２とされる。次いで、粗圧延材Ｍ２は、仕上げ圧延機４０の前後を往復して所定の厚みの被圧延材Ｍ３とされる。その後、被圧延材Ｍ３は、冷却装置５０により水冷されて材質が調整された後、ホットレベラー６０により平坦度が矯正される。
【００８０】
上記の構成を有する厚鋼板の製造ライン１０において、本発明に係る表面温度測定装置は、冷却装置５０内（具体的には、例えば、冷却装置５０内に配置された搬送ロール間）に設置して用いることができる。冷却装置５０は、仕上げ圧延機４０を通過してもなお６００〜７００℃程度の温度を有する被圧延材８を室温近くまで冷却するのに用いられる。本発明に係る表面温度測定装置は、放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることにより、被圧延材８の表面温度が２００℃程度の低温域であっても精度良く測温可能である。また、被圧延材８の板厚は厚いため、冷却装置５０では大量の冷却水が必要となるが、本発明に係る表面温度測定装置のように、被圧延材８の表面に向けてエアーパージしてエアー柱を形成すれば、大量の冷却水が存在する環境下でも精度の高い測温が可能である。
【００８１】
以上に説明したように、本発明に係る表面温度測定装置は、厚鋼板の製造ライン１０において、大量の冷却水が用いられる冷却装置５０内に設置することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・放射温度計
２・・・ノズル
３・・・流量調整バルブ
４・・・フィルタ
１１・・・受光光学系
１２・・・光ファイバ
１３・・・温度演算部
１４・・・最大測温値抽出部
１００・・・表面温度測定装置
Ａ・・・エアー柱
Ｗ・・・水
Ｍ・・・鋼板（被測温材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を該被測温材の表面に対向配置した放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する方法であって、
前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることを特徴とする表面温度測定方法。
【請求項２】
前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することにより、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間にエアー柱を形成し、
前記エアー柱を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を前記放射温度計で検出することを特徴とする請求項１に記載の表面温度測定方法。
【請求項３】
前記放射温度計によって所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を前記被測温材の表面温度として出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面温度測定方法。
【請求項４】
前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在し得る水の厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖで、前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することを特徴とする請求項２又は３に記載の表面温度測定方法。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
【請求項５】
前記被測温材の表面から放射された熱放射光を複数の波長帯域に分光し、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比に基づいて、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在する水の厚みが０．１ｍｍ以下であるか否かを判断し、前記水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断した場合にのみ、前記被測温材の表面温度を出力することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の表面温度測定方法。
【請求項６】
前記被測温材の表面から放射された熱放射光を、１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍの各波長帯域に分光することを特徴とする請求項５に記載の表面温度測定方法。
【請求項７】
水冷中の被測温材の表面に対向配置された放射温度計を備え、該被測温材の表面から放射された熱放射光を該放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する装置であって、
前記被測温材の表面と前記放射温度計の検出素子との間に、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを備えることを特徴とする表面温度測定装置。
【請求項８】
前記被測温材が鋼材であり、
請求項１から６のいずれかに記載の方法によって表面温度を測定する工程を有することを特徴とする鋼材の製造方法。
【請求項１】
水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を該被測温材の表面に対向配置した放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する方法であって、
前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を１．６０〜１．８０μｍとすることを特徴とする表面温度測定方法。
【請求項２】
前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することにより、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間にエアー柱を形成し、
前記エアー柱を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を前記放射温度計で検出することを特徴とする請求項１に記載の表面温度測定方法。
【請求項３】
前記放射温度計によって所定時間内に得られた複数の測温値のうち、最大の測温値を前記被測温材の表面温度として出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面温度測定方法。
【請求項４】
前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在し得る水の厚みをｈとした場合、以下の式を満足する流速Ｖで、前記放射温度計から前記被測温材の表面に向けてエアーを噴射することを特徴とする請求項２又は３に記載の表面温度測定方法。
Ｖ２＞２・ρＬ・ｇ・ｈ／ρｇ
ただし、上記の式において、ρＬは水の密度を、ρｇはエアーの密度を、ｇは重力加速度を意味する。
【請求項５】
前記被測温材の表面から放射された熱放射光を複数の波長帯域に分光し、各波長帯域の熱放射光のエネルギーの比に基づいて、前記被測温材の表面と前記放射温度計との間に存在する水の厚みが０．１ｍｍ以下であるか否かを判断し、前記水の厚みが０．１ｍｍ以下であると判断した場合にのみ、前記被測温材の表面温度を出力することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の表面温度測定方法。
【請求項６】
前記被測温材の表面から放射された熱放射光を、１．６０〜１．８０μｍ、１．６５〜１．７５μｍ及び１．８８〜１．９４μｍの各波長帯域に分光することを特徴とする請求項５に記載の表面温度測定方法。
【請求項７】
水冷中の被測温材の表面に対向配置された放射温度計を備え、該被測温材の表面から放射された熱放射光を該放射温度計で検出することにより、該被測温材の表面温度を測定する装置であって、
前記被測温材の表面と前記放射温度計の検出素子との間に、１．６０〜１．８０μｍの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを備えることを特徴とする表面温度測定装置。
【請求項８】
前記被測温材が鋼材であり、
請求項１から６のいずれかに記載の方法によって表面温度を測定する工程を有することを特徴とする鋼材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図８】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図８】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−５３０４７（Ｐ２０１１−５３０４７Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０１４４５（Ｐ２００９−２０１４４５）
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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