被加工材の温度測定方法、加工品の製造方法、及び被加工材の加熱装置
【課題】非接触で容易に、かつ高精度に被加工材の温度測定が可能な炉内の被加工材の温度測定方法を提供する。
【解決手段】加熱炉内の被加工材の温度を放射温度計で測定する方法であって、加熱炉内に存する被加工材の面のうち、加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を、加熱炉の炉外に設置された放射温度計により測定するものである。
【解決手段】加熱炉内の被加工材の温度を放射温度計で測定する方法であって、加熱炉内に存する被加工材の面のうち、加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を、加熱炉の炉外に設置された放射温度計により測定するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉内で加熱される材料である被加工材の表面温度を非接触で測定する被加工材の温度測定方法、加工品の製造方法、及び被加工材の加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼やアルミニウム等の金属では、スラブやビュレットとよばれる所定の大きさに形成された金属の塊（以下、これらを総称して「被加工材」と記載することがある。）を圧延や押し出し成型等により所定の形状に加工して板等の加工品を形成する。その際には、加工がおこなわれる前に被加工材を予め決められた温度に加熱する。そのための加熱手段として例えば加熱炉が挙げられ、これには連続式加熱炉やビュレット加熱炉等がある。
【０００３】
加熱炉は、予熱帯、加熱帯、均熱帯を備え、連続して挿入される個々の被加工材は、各帯域を順に通過することにより所定の均一性を維持しつつ目標の抽出温度にまで加熱される。目標抽出温度にまで加熱された被加工材は加熱炉から抽出され、圧延加工や押し出し加工のための設備に供される。その際、加熱炉から抽出されたときの被加工材の温度が低いと加工が困難となる。従って、被加工材が加熱炉から抽出されるときの温度を監視することは重要である。
【０００４】
このため、加熱炉内の被加工材の温度を測定することが必要となるが、加熱炉内の被加工材の温度を接触式の温度計により直接測定することは困難である。そこで通常は、加熱炉内の天井や側面に設置された熱電対による炉内の測定温度に基づいて被加工材に対する伝熱モデルを作成して熱伝導方程式を解くことにより被加工材の温度を予測することが行われている。
【０００５】
熱伝導方程式には、材料特性に依存するパラメータ及び炉の特性によって変わる総括熱吸収率パラメータが含まれている。そこで、総括熱吸収率パラメータを同定するために、従来は耐熱型のデータロガーを用いて実際に加熱炉内の被加工材の温度を測定し、これと伝熱モデルによる演算結果とが一致するように総括熱吸収率を調整していた。
【０００６】
しかしながら、耐熱型データロガーを用いた被加工材の温度測定は、煩雑な作業となるため頻繁に行うことができず、加熱炉操業条件の変更ごとにこれを行うことはできないので、伝熱モデルによる演算精度の低下を生じる虞がある。そのため、加工が困難になることを回避するという観点から、安全側に被加工材を加熱するために、加熱炉からの抽出温度は高めに管理する傾向があり、加熱炉での消費エネルギーの増加を招いていた。
【０００７】
そこで、やはり被加工材の温度を直接測定することが望まれ、放射温度計により非接触で被加工物の温度を測定することが行われている。しかしながら放射温度計で被加工材の表面温度を測定する場合、加熱炉内における炉の内壁や火炎からの放射光（熱放射エネルギー）が被加工材の表面で反射し（以下当該反射光を「迷光」と記載することがある。）、これが放射温度計の温度測定に影響するため、温度測定に誤差が生じていた。
【０００８】
これに対して、加熱炉内の被加工物の温度を放射温度計でできるだけ正確に測定する方法が特許文献１、２に開示されている。
特許文献１に記載の発明は、被加工材に対して放射光に影響を及ぼす二箇所以上の炉壁部分の温度を測定し、この温度に基づいて被加工材の表面温度を補正して測定する方法である。
また、特許文献２に記載の発明は、加熱炉内の被加工材の表面に対向して遮蔽板を配置し、遮蔽板の中央開口部を通じて入射する被加工材からの放射エネルギーを放射温度計で測定することで、炉壁からの放射温度計への迷光の回り込みを遮蔽板で遮断し、被加工材の表面温度を測定する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２９２５２８号公報
【特許文献２】特公昭６２−２２０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１、２に記載された従来の技術では以下のような問題があった。
特許文献１に記載の測定方法では、加熱炉の内壁を構成する耐火物の脱落等により、炉壁表面温度の測定が困難、又は測定精度が悪くなることがあり、加熱炉内の厳密な温度管理を行うことができない場合がある。また、加熱炉内に設けられたバーナー等の加熱手段の近傍と、この加熱手段から離れた部分とでは、加熱手段の影響によって炉壁温度が異なる（温度分布が生じる）ため、やはり厳密な温度管理が困難である。
【００１１】
特許文献２に記載の方法では、表面反射の影響を避けるため、被加工材の表面と遮蔽板との隙間を僅少にしている。このため、例えば、加熱炉内への被加工材の搬入及び加熱炉内からの被加工材の搬出をウォーキングビームを使用して行う場合、被加工材の搬送時に該被加工材が上下動するので、その都度駆動機構等を用いて遮蔽板の位置を移動させなければならない。従って、装置構成が煩雑となり設備コストがかかり、作業性に問題が生じる。遮蔽板の位置を動かさないようにするため、被加工材の搬入及び搬出を、ローラを使用して行うことも可能であるが、被加工材が全て同じ大きさ（厚さ）ではないため、場合によっては被加工材と遮蔽板との間の隙間が大きくなり、遮蔽板によって表面反射の遮断を行うことができず、やはり厳密な温度管理をすることができない問題がある。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、非接触で容易に、かつ高精度に被加工材の温度を測定可能な被加工材の温度測定方法を提供することを課題とする。また、当該温度測定方法を含む加工品の製造方法、及び被加工材の加熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下、本発明について説明する。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、加熱炉内の被加工材の温度を放射温度計で測定する方法であって、加熱炉内に存する被加工材の面のうち、加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を、加熱炉の炉外に設置された放射温度計により測定する被加工材の温度測定方法である。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の被加工材の温度測定方法において、測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出口の上端部とを結ぶ線に対してなす角、および、測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出口に設けられた抽出扉の下端部とを結ぶ線に対してなす角のいずれもが２５度以上となったときに温度を測定するものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の被加工材の温度測定方法において、温度測定は、時間を変えて複数回行われることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法において、放射温度計は、測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備しているものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の被加工材の温度測定方法において、ＣＣＤカメラ及び画像処理装置は、予め、均一な面照明をＣＣＤカメラで撮影し、ＣＣＤ素子ごとに感度特性を求めておき、被加工材の測定部位の温度測定の際には感度特性に応じての感度を補正することを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の被加工材の温度測定方法において、さらにＣＣＤカメラ自体の温度を測定して、当該温度に基づいて被加工材の測定部位の温度測定の際に測定値を補正することを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法を用いて加熱炉から抽出される被加工材の温度と、加熱炉内に設置された熱電対による温度測定値に基づいて演算した被加工材の抽出予測温度と、の偏差を求め、後続する他の被加工材の目標温度を偏差分に応じて変更し、後続する被加工材の加熱を行うことを特徴とする加工品の製造方法である。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、加熱炉と、加熱炉の外部に設けられ、該加熱炉内に存する被加工材の面のうち、加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を測定可能に設置された放射温度計と、を備える被加工材の加熱装置である。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の被加工材の加熱装置において、放射温度計は、測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備しているものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の被加工材の加熱装置において、ＣＣＤカメラ及び画像処理装置には、均一な面照明をＣＣＤカメラで撮影したときのＣＣＤ素子ごとの感度特性が記憶されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に記載の発明は、請求項９又は１０に記載の被加工材の加熱装置において、さらに、ＣＣＤカメラ自体の温度による測定温度誤差が記憶されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、非接触で容易に、かつ高精度に加熱炉内の被加工材の温度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第一の実施形態を説明する図で加熱装置を表した図である。
【図２】図１のうち、抽出口近傍に注目した図である。
【図３】φと温度測定誤差との関係を示すグラフである。
【図４】抽出扉開放後の経過時間と表面温度の低下の関係を示すグラフである。
【図５】第二の実施形態を説明する図で、図２に相当する図である。
【図６】画素ごとの輝度の誤差を表した図である。
【図７】カメラ自体の温度と温度測定誤差との関係を表すグラフである。
【図８】第三の実施形態を説明する図で、図８（ａ）が加熱炉を平面視した図、図８（ｂ）が抽出口近傍に注目した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の上記した作用および利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
図１は、第一の実施形態を説明する図である。図１は、熱間圧延による鋼板の製造ラインのうち、加熱装置の部位に注目して表した図である。
熱間圧延による鋼板の製造ラインでは、鋳造等により製造された被加工材としてのスラブ１が加熱炉１０により所定の温度にまで加熱昇温され、炉外搬送手段３により当該製造ラインに備えられる各設備に搬送される。ここで各設備には例えばデスケーラ、サイジングプレス、粗圧延機、仕上げ圧延機、冷却装置等を挙げることができ、各設備により加工等がなされ、所望の形状、性質を有する加工品としての鋼板が製造される。
【００２９】
加熱装置は、加熱炉１０と温度測定手段１６とを備えている。
本実施形態では加熱炉１０は連続式加熱炉であり、炉体１１を備え、その内側に予熱帯１２、加熱帯１３、及び均熱帯１４を具備している。そしてスラブ１を炉体１１内に搬入するための搬入口１１ａ、及び加熱されたスラブ１を炉外へ抽出する抽出口１１ｂが設けられている。抽出口１１ｂには該抽出口１１ｂを開放及び閉鎖する抽出扉１５が備えられている。ここでスラブ１は、炉内搬送手段２により搬送される。
【００３０】
ここで予熱帯１２、加熱帯１３、及び均熱帯１４は公知の加熱炉と同様の構成とすることができ、その形式は特に限定されるものではない。また必ずしもこれら全てが備えられている必要もなく、少なくとも加熱帯１３に相当する帯域があればよい。
【００３１】
また、炉体１１には上記したように抽出口１１ｂが設けられ、ここに抽出扉１５が備えられている。図２には抽出口１１ｂの近傍に注目した図を示した。
【００３２】
抽出口１１ｂは、加熱、均熱を終えたスラブ１を炉体１１から抽出するために炉体１１に設けられた開口部である。本実施形態では抽出口１１ｂの上端は、炉の天井部１１ｃから垂下されるように設けられ、スラブ１の抽出時に該スラブ１がその下を通過する炉壁１１ｄの下端により形成されている。
本実施形態ではこのように炉壁１１ｄの下端が抽出口１１ｂの上端を形成するが、これに限定されることはなく、炉壁１１ｄが設けられておらず、炉の天井端部が抽出口の上端を形成してもよい。
【００３３】
抽出扉１５は、図１、図２からわかるように、抽出口１１ｂを閉鎖及び開放することが可能な扉体である。本実施形態では抽出扉１５は、炉壁１１ｄに沿うように上下方向に摺動することにより開閉する。従って、通常は炉内温度ができるだけ低下しないように抽出扉１５は閉鎖されており、スラブ１を炉外に抽出するときに開放される。
本実施形態では摺動することにより開閉する抽出扉１５を説明したが、開閉動作はこれに限定されることはなく、他の態様であってもよい。これには例えば扉体の一辺側を軸にして回動するように開閉する抽出扉を挙げることができる。
【００３４】
温度測定手段１６は、温度センサ１７及び開閉検知センサ１８を備えている。
温度センサ１７は、非接触でスラブ１の温度を測定することができるセンサであり、具体的には放射温度計である。放射温度計としては公知のものを用いることができ、その形式は特に限定されることはない。
温度センサ１７は炉体１１の抽出口１１ｂに向けて配置される。さらに詳しくは、温度センサ１７は図１、図２からわかるように抽出扉１５が開放されたときに、搬送されているスラブ１の面のうち、抽出口１１ｂに対向する面に含まれる測定部位を測定することができるように設置されている。これにより、後述するように被加工材であるスラブ１の温度を簡易にかつ精度良く測定することが可能となる。詳しくは後で説明する。
【００３５】
開閉検知センサ１８は、抽出扉１５の開閉の状態を検知するセンサであり、温度センサ１７に対して抽出扉１５の開閉の情報を提供する。温度測定は抽出扉１５が開放されているときに行うので、開閉検知センサ１８により、温度を測定すべきタイミングを適切なものにすることができる。
【００３６】
以上のように温度測定手段１６を備える加熱装置の構成により、加熱炉１０内の被加工物１の温度を精度よく測定することができる。
【００３７】
次に、本実施形態の加熱装置により加熱炉１０内のスラブ１の温度を測定する例を説明する。ただし、ここではわかりやすさのため本実施形態の加熱装置によりスラブ１の温度を測定する例を説明するが、用いられる装置はこれに限定されることなく、以下のような趣旨で測定されるものであれば他の形態の加熱装置であってもよい。
【００３８】
連続鋳造等により製造されたスラブ１は、炉内搬送手段２により挿入口１１ａから炉体１１内に挿入される。炉体１１内に挿入されたスラブ１は、炉内搬送手段２により炉体１１内を移動し、予熱帯１２、加熱帯１３、及び均熱帯１４を順に通過して加熱昇温される。
【００３９】
昇温されたスラブ１が抽出口１１ｂに近付くと、スラブ１を炉体１１の外へ抽出すべく閉鎖していた抽出扉１５が開放される。抽出扉１５が開放されたときに温度測定手段１６の開閉検知センサ１８により、抽出扉１５が開放されたことが検知され、温度センサ１７によりスラブ１の温度測定がおこなわれる。
【００４０】
ここで、スラブ１の温度は図１、図２に破線で示したように、スラブ１の面のうち抽出口１１ｂに対向した面に含まれる測定部位を測定することにより得られる。これにより簡易であるとともに誤差が少ない高精度の測定を行うことが可能となる。その理由は次の通りである。
【００４１】
抽出扉１５が開いたとき、スラブ１の面のうち抽出口１１ｂに対向した面は、面積が小さいことに加え、当該面は抽出口１１ｂに対向しており、炉壁や炉の天井には対向していないことから、迷光の大部分を占める炉壁からの正反射成分が無い。これにより、迷光による温度測定への影響が大幅に軽減される。
【００４２】
従来の技術では、スラブを測定する面が炉の天井を構成する壁に対向しているため、加熱に供される火炎からの放射光（熱放射エネルギー）がスラブ表面で反射して迷光として放射温度計に入射する。これにより、測定されるスラブの表面温度に誤差が生じる。
一方、加熱炉から抽出して炉外搬送手段に設置された後にスラブ表面温度を放射温度計で測定したとすると、抽出してから時間が経っているため、スラブ表面が冷却されてしまうので測定精度に問題がある。また、抽出後にはスラブ表面にスケールが成長し、スケールは金属に比べて熱伝導が低いことから正確な温度測定を阻害する。その際には、スラブ表面から剥離したスケール表面の温度を測定してしまうこともあるので誤差も大きい。さらに、スケールを除去した後では、当該スケール除去に用いた水ジェットによる表面冷却や熱放射による表面温度低下が生じてしまい、加熱炉でのスラブ温度管理には用いることができない。
【００４３】
従って、本発明のようにスラブの面のうち抽出口に対向する面に含まれる測定部位の温度を測定することにより、簡易にスラブが炉内に存する状態でも精度よく温度を測定することができる。
【００４４】
ここで、スラブ１の温度測定は、スラブ１の位置が図２に示したθ及びφが２５度以上となる位置で行われることが好ましい。
θは、スラブ１の測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出口１１ｂの上端部とを結ぶ線に対してなす角である。また、φはスラブ１の測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出扉１５の下端部とを結ぶ線に対してなす角である。このθ及びφを２５度以上にすることにより、温度の測定精度をさらに高いものにすることが可能である。
すなわち、スラブ１の測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、抽出口１１ｂ又は抽出扉１５下端により形成される開口部の縁と測定部位とを結ぶ線となす角が２５度以上になれば温度の測定精度が高まるのである。
【００４５】
熱延鋼板の分光反射率を基に、図２に示すφの測定温度への影響ついて計算した。迷光源である加熱扉の温度を１３５０℃、測定対象温度を１２５０℃としたときの測定温度誤差を図３に示す。φが大きくなれば（抽出扉が開くほど）、測定温度誤差は小さくなり、２５度となると測温誤差は５℃程度となる。
【００４６】
すなわち、θ及びφが２５度以上であれば温度測定誤差を５℃以内に抑えることができ、大幅な精度向上となる。これは、測定対象となる面に関する迷光の主要な成分は、炉壁１１ｄ及び炉内天井１１ｃからであり、θ及びφが大きい程迷光の影響が小さくなるからであると考えられる。
【００４７】
また、スラブ１の温度測定は、抽出扉１５が開放されてから３秒以内に行われることが好ましい。これにより、抽出扉１５が開いたことによる外気流入に起因するスラブ１の温度低下の影響を小さく抑えることができる。図４には横軸に抽出扉が開放した後の経過時間（秒）、縦軸に測定したスラブ１の表面温度（℃）を示した。図４からわかるように、スラブの表面温度は抽出扉の開放後に時間の経過とともに低下する。当該結果によれば、抽出扉が開放された後、３秒以内に測定をすることにより誤差を５℃以内に抑えることができる。
【００４８】
ただし、図４からもわかるように、抽出扉を開放した後例えば１０秒以内であれば、抽出扉が開放された後に複数の経過時間で温度を測定すれば、その結果に基づいて抽出扉を開放する前の温度を外挿して算出することが可能である。従って、経過時間は必ずしも３秒以内であることを必要とせず、複数の時間で温度測定することにより抽出扉を開放する前の温度を推定可能である。但し、推定の精度を高めるためには、抽出扉を開放した後３秒以内に測定したデータがあることが好ましい。
【００４９】
以上のように測定された温度は、下工程（下流側）に配置される加工の工程（本実施形態では圧延）に供するための条件を満たしているか否かの判断の基準とすることができる。加熱炉から抽出されるスラブの温度が低いと加工（圧延）が困難になるからである。
さらには、測定された温度をフィードバック処理して加熱炉の制御のデータとしてもよい。すなわち、得られたスラブ１の温度と加熱炉内に設置された熱電対による温度測定値に基づいて演算した当該被加工材の抽出予測温度と、の偏差を求める。この偏差に基づいて、後続する他の被加工材の目標温度を偏差分に応じて変更し、これに基づいて加熱炉の加熱条件を変更して後続する被加工材の加熱を行う。これにより後続する被加工材の温度制御の精度を向上させることができる。
【００５０】
以上のように温度測定がなされた後、抽出されたスラブ１は炉外搬送手段３に載置され、下工程側に搬送されて各種加工等が行われて所望の形状及び性質の加工品（鋼板）が製造される。
【００５１】
図５は、第二の実施形態を説明する図で、図２に相当する図である。本実施形態は、温度測定手段が第一の実施形態と異なるのみであり、他の部位は第一の実施形態と共通なので、図示及びその説明は省略する。ここでは本実施形態における温度測定手段２６及びこれによる温度測定について説明する。
【００５２】
温度測定手段２６は、カメラ２７、画像処理装置２８、及び開閉検知センサ１８を備えている。開閉検知センサ１８は第一の実施形態と共通するので同じ符号を付すとともに説明を省略する。
【００５３】
本実施形態では、２次元のＣＣＤカメラであるカメラ２７を用い、第一の実施形態で説明したと同じようにスラブ１の面のうち、抽出口１１ｂに対向する面に含まれる測定部位を撮影する。そして撮影した画像の信号を画像処理装置２８に取り込み、当該画像の信号を温度に変換する。これにより、第一の実施形態と同様にスラブ１の温度を高精度に測定することができる。
【００５４】
また、第二の実施形態によれば、第一の実施形態で説明した温度センサ１７よりも温度測定の範囲を調整することが容易となる。すなわち、加熱炉から抽出されるスラブ１の測定部位は、温度センサが配置される位置から距離が大きくなる場合があり（例えば５ｍ）、これに対して測定対象であるスラブの測定部位は３００ｍｍ程度であり小さい。そのためスポット型の放射温度計を用いた場合に、測定の範囲、位置の調整が難しくなることがある。これに対して本実施形態のように、カメラ２７を用いることにより測定の範囲や位置を調整することが容易となる。
【００５５】
このようにカメラ及び画像処理装置を用いてスラブの測定部位の温度を測定することができるようにするためには公知のシステムを用いることもできる。ここでは、より高精度な温度測定を実現するための例を説明する。
【００５６】
２次元のカメラ２７で撮影した画像を温度に変換するため、黒体熱放射源である黒体炉を測定し、温度とカメラ出力との関係を調べた。その結果、カメラ２７で撮影した黒体炉の画像では、その画面内の位置によってカメラ出力が異なることがわかった。より具体的に調べるために、白色のＬＥＤを一定間隔で並べた平面光源をカメラ２７で撮影した結果、図６に「補正前」で示したように、画面中心部の画素に比べ、端部の画素が０.９倍程度に低下していることがわかった。その影響を温度に換算すると、１２００℃域を測定したとき、画像中心と画像端部では５℃程度の差が生じる。そこで、画面の位置に関係なく同じ温度を示すようにするために以下の手順で補正を行った。
【００５７】
・白色ＬＥＤを一定間隔で並べた平面光源をカメラ２７で撮影した画像を基準画（基準画像）として採取する。
・カメラ２７のレンズ面に光が入射しないようにカバーをかけ、ゼロ画像（ゼロ点画像）を採取する。
・基準画像とゼロ点画像との各画素における出力の差を算出して、感度補正画像を作成する。ここで感度補正画像は次の式に基づいた。ここで（Ｉ、Ｊ）は座標であり、Ｉは画像の水平方向画素位置、Ｊは画像の垂直方向画素位置である。
感度補正画像（Ｉ，Ｊ）＝基準画像の画素出力（Ｉ，Ｊ）−ゼロ点画像の画素出力（Ｉ，Ｊ）
・中心画素（α，β）における感度補正画像で各画素（Ｉ，Ｊ）における感度補正画像を除して感度補正値を得る。すなわち、次式である。
感度補正値（Ｉ，Ｊ）＝（Ｉ，Ｊ）における感度補正画像／中心画素（α，β）における感度補正画像
ここで、αは画像の水平方向画素の中心位置、βが画像の垂直方向の中心画素位置である。
・黒体炉が画像中心位置（α，β）に撮影されるように視野を調整して、黒体炉温度とカメラ出力との関係を調べ、カメラ出力から温度に変換する関数を得る。
Ｔ＝Ｆ（Ｖ（α，β））
ここで、Ｔは温度、Ｆはカメラ出力から温度に変換する関数、Ｖ（α、β）はカメラ映像の中心画素（α，β）の出力である。
・映像の各画素（Ｉ，Ｊ）における出力と温度との関係は次式で表される。
Ｔ＝Ｆ｛Ｖ（Ｉ，Ｊ）／感度補正値（Ｉ，Ｊ）｝
ここでＶ（Ｉ，Ｊ）は映像の各画素（Ｉ，Ｊ）における出力である。
【００５８】
以上のようにして、中心画素（α，β）における出力を基準値として各画素（Ｉ，Ｊ）における出力が基準値と同じになるように感度補正値を算出した。その結果、図６に「補正後」で表したように、画像全体での感度ばらつきを２％以下に抑制することができた。
【００５９】
なお、加熱炉の周囲は高温になるのでカメラの周囲は水冷された容器に収納することが好ましい。また、水温は季節によって変動するので、カメラの周囲温度も変動することになる。カメラの周囲温度が変わったときの出力変動を調べた。図７にその結果を示す。１３０８℃の一定温度に保持した黒体炉を測温中にカメラの周囲温度を変動させると、温度変動に追随して測温値が変動することがわかった。カメラの温度と測温値の関係は直線近似可能である。すなわちカメラ温度を測定してカメラによるスラブの温度測定値を補正することによりさらに高精度な温度測定をすることができる。
【００６０】
以下に、具体的な例を挙げて説明する。
スラブ１は、抽出口１１ｂから約１ｍ手前（搬送方向上流側）の位置で停止して、スラブ内部まで均熱温度となるように所定時間保持される。抽出扉１５が全開すると、抽出口１１ｂの高さは０．８ｍ、幅方向（図５の紙面奥／手前方向）は１０ｍとなる。従ってθは約３９度であり、測定誤差を十分に小さくすることができる範囲にある。ここで抽出扉１５は全開なので、φを考慮する必要はない。
【００６１】
また、カメラ２７はスラブ１の測定部位を撮影するように該測定部位の中心からほぼ水平位置となるように設置し、加熱炉１０からの熱輻射から保護するために測定部位から約７ｍ離れた位置とした。
カメラ２７には焦点距離５０ｍｍのレンズを取り付け、スラブ１の測定部位の全体が撮影できるようにした。カメラ２７は１／３型ＣＣＤで有効画素数は６４０×４８０であり、通信インターフェースとして”ＧｉｇＥＶｉｓｉｏｎ”を用いた。カメラ２７の仕様は、これ以外の組合せでも良く、測定部位の大きさや測定距離及び得たい測定範囲等によって決定することができる。
通信インターフェースとしてＧｉｇＥＶｉｓｉｏｎを採用すると、通信ケーブル長を最大１００ｍまで延長することができので、カメラ２７と画像処理装置２８とが離隔していても直接に接続でき、ケーブル延長用計器が不要となることから安価なシステムを構築することができる。
【００６２】
カメラ２７で撮影して得られた輝度画像を変換してデジタルデータである階調データを得る。階調データ値はＣＣＤ素子の分解能に依存し、本例では８ビット、すなわち０〜２５５で表される。カメラ２７の感度補正画像を得るための上記した基準画像は、均一な面照明が得られるＬＥＤ照明を撮影して、画像中央の階調データが２００程度になるようにＬＥＤ照明の明るさを調整した。ＬＥＤ照明は、発光色が白色のチップＬＥＤを８ｍｍピッチで配置し、縦５００ｍｍ、横７００ｍｍとし、ＬＥＤの出光側に拡散板を置いて拡散させることにより均一照明を得た。均一な面光源としては蛍光灯を使ってもよい。
カメラの感度補正画像を得るためのゼロ点画像はカメラレンズにキャップをして光をカットして撮影した。感度補正値は、上記したように基準画像からゼロ点画像を引いて感度補正画像を得て、画像中心座標（３２０，２４０）の階調データで各画素の階調データを除することで得た。階調データと温度との関係は、黒体炉をカメラ視野中央で撮影して求めた。測定部位の温度上限でカメラの階調データが２５０となるように、カメラの露光時間を調整する。階調データと温度との関係は、次式で求められる。
画像中心座標： Ｔ＝Ａ×（Ｖ）Ｂ
画像中心以外： Ｔ（Ｉ，Ｊ）＝Ａ×（Ｖ／感度補正値（Ｉ，Ｊ））Ｂ
ここで、Ａ、Ｂは定数、Ｖは階調データ、Ｉは画像の水平方向画素位置、Ｊは画像の垂直方向画素位置をそれぞれ表す。ただし、上記の関係式に固定する必要はなく、階調データと温度との関係が一致する式を最小自乗法などで決定してもよい。また、階調データと温度とのテーブルを使った温度換算でもよい。
【００６３】
画像処理装置２８は、開閉検知センサ１８から抽出扉１５の全開を検知したら、直ちにカメラ２７に撮影開始信号を送り、撮影を開始する。撮影により得られた階調データに２５５が含まれると、映像が飽和しているので正確な温度を求めることができない。その場合はカメラ２７の露光時間を短くして再度撮影して輝度画像を得てから階調データを得る。飽和していない画像で、予め指定した位置の階調データを上記で示した関係式で温度に換算する。カメラ２７のＣＣＤ素子近傍の筐体温度は温度計で測定する。階調データと温度との関係式を求めた時のＣＣＤ素子近傍の筐体温度と、実際に測定しているときのＣＣＤ素子近傍の筐体温度とに温度差がある場合は、次式を用いて補正した。
Ｔ１＝Ｔ＋Ｃ×（ｔ１−ｔ０）
ここで、ｔ１は現在の温度、ｔ０は温度校正時の温度、Ｃは定数、Ｔは補正前の温度、Ｔ１は補正後の温度を意味する。
【００６４】
以上のような測定により、測定範囲を容易に設定することができるとともに、精度の高い温度の測定が可能である。
【００６５】
図８は第三の実施形態を説明する図である。図８（ａ）には加熱装置のうちビュレット加熱炉３０を平面視した概要図、図８（ｂ）には、図８（ａ）にＡ−Ａで示した線に沿った断面図で、抽出口３１ｂ付近に注目した図を表した。第三の実施形態は被加工材としてビュレット４が用いられ、加熱装置の加熱炉としてビュレット加熱炉３０が適用された例である。第三の実施形態では被加工材及び加熱炉の形態が第一の実施形態と異なるのみであり、基本的な考え方は第一の実施形態と共通である。すなわち、ビュレット４のうち、抽出口３１ｂに対向する面に含まれる測定部位を炉外に設置した温度測定手段により測定することで炉内のビュレット４の温度を簡易的に精度よく測定することが可能である。従って、温度測定手段として、上記説明した温度測定手段１６、２６も同様に適用することができる。
【００６６】
ビュレット加熱炉３０は、図８（ａ）からわかるように、ビュレット４が円周上を流れるように搬送される。従ってビュレット４が挿入される位置と抽出される位置が近い。すなわち、ビュレット加熱炉３０の炉体３１内に挿入されたビュレット４は円周上を移動しながら予熱帯３２、加熱帯３３、均熱帯３４を通り、おおむね一周して抽出口３１ｂから抽出される。
【００６７】
ビュレット加熱炉３０においても図８（ｂ）からわかるように、抽出口３１ｂには抽出扉３５が設けられており、上記した温度測定手段１６、２６と同様に温度測定をすることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１ スラブ（被加工材）
２ 炉内搬送手段
３ 炉外搬送手段
４ ビュレット（被加工材）
１０ 連続式加熱炉（加熱炉）
１１ 炉体
１１ｂ 抽出口
１５ 抽出扉
１６ 温度測定手段
１７ 温度センサ
１８ 開閉検知センサ
２６ 温度測定手段
２７ カメラ
２８ 画像処理装置
３０ ビュレット加熱炉（加熱炉）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉内で加熱される材料である被加工材の表面温度を非接触で測定する被加工材の温度測定方法、加工品の製造方法、及び被加工材の加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼やアルミニウム等の金属では、スラブやビュレットとよばれる所定の大きさに形成された金属の塊（以下、これらを総称して「被加工材」と記載することがある。）を圧延や押し出し成型等により所定の形状に加工して板等の加工品を形成する。その際には、加工がおこなわれる前に被加工材を予め決められた温度に加熱する。そのための加熱手段として例えば加熱炉が挙げられ、これには連続式加熱炉やビュレット加熱炉等がある。
【０００３】
加熱炉は、予熱帯、加熱帯、均熱帯を備え、連続して挿入される個々の被加工材は、各帯域を順に通過することにより所定の均一性を維持しつつ目標の抽出温度にまで加熱される。目標抽出温度にまで加熱された被加工材は加熱炉から抽出され、圧延加工や押し出し加工のための設備に供される。その際、加熱炉から抽出されたときの被加工材の温度が低いと加工が困難となる。従って、被加工材が加熱炉から抽出されるときの温度を監視することは重要である。
【０００４】
このため、加熱炉内の被加工材の温度を測定することが必要となるが、加熱炉内の被加工材の温度を接触式の温度計により直接測定することは困難である。そこで通常は、加熱炉内の天井や側面に設置された熱電対による炉内の測定温度に基づいて被加工材に対する伝熱モデルを作成して熱伝導方程式を解くことにより被加工材の温度を予測することが行われている。
【０００５】
熱伝導方程式には、材料特性に依存するパラメータ及び炉の特性によって変わる総括熱吸収率パラメータが含まれている。そこで、総括熱吸収率パラメータを同定するために、従来は耐熱型のデータロガーを用いて実際に加熱炉内の被加工材の温度を測定し、これと伝熱モデルによる演算結果とが一致するように総括熱吸収率を調整していた。
【０００６】
しかしながら、耐熱型データロガーを用いた被加工材の温度測定は、煩雑な作業となるため頻繁に行うことができず、加熱炉操業条件の変更ごとにこれを行うことはできないので、伝熱モデルによる演算精度の低下を生じる虞がある。そのため、加工が困難になることを回避するという観点から、安全側に被加工材を加熱するために、加熱炉からの抽出温度は高めに管理する傾向があり、加熱炉での消費エネルギーの増加を招いていた。
【０００７】
そこで、やはり被加工材の温度を直接測定することが望まれ、放射温度計により非接触で被加工物の温度を測定することが行われている。しかしながら放射温度計で被加工材の表面温度を測定する場合、加熱炉内における炉の内壁や火炎からの放射光（熱放射エネルギー）が被加工材の表面で反射し（以下当該反射光を「迷光」と記載することがある。）、これが放射温度計の温度測定に影響するため、温度測定に誤差が生じていた。
【０００８】
これに対して、加熱炉内の被加工物の温度を放射温度計でできるだけ正確に測定する方法が特許文献１、２に開示されている。
特許文献１に記載の発明は、被加工材に対して放射光に影響を及ぼす二箇所以上の炉壁部分の温度を測定し、この温度に基づいて被加工材の表面温度を補正して測定する方法である。
また、特許文献２に記載の発明は、加熱炉内の被加工材の表面に対向して遮蔽板を配置し、遮蔽板の中央開口部を通じて入射する被加工材からの放射エネルギーを放射温度計で測定することで、炉壁からの放射温度計への迷光の回り込みを遮蔽板で遮断し、被加工材の表面温度を測定する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２９２５２８号公報
【特許文献２】特公昭６２−２２０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１、２に記載された従来の技術では以下のような問題があった。
特許文献１に記載の測定方法では、加熱炉の内壁を構成する耐火物の脱落等により、炉壁表面温度の測定が困難、又は測定精度が悪くなることがあり、加熱炉内の厳密な温度管理を行うことができない場合がある。また、加熱炉内に設けられたバーナー等の加熱手段の近傍と、この加熱手段から離れた部分とでは、加熱手段の影響によって炉壁温度が異なる（温度分布が生じる）ため、やはり厳密な温度管理が困難である。
【００１１】
特許文献２に記載の方法では、表面反射の影響を避けるため、被加工材の表面と遮蔽板との隙間を僅少にしている。このため、例えば、加熱炉内への被加工材の搬入及び加熱炉内からの被加工材の搬出をウォーキングビームを使用して行う場合、被加工材の搬送時に該被加工材が上下動するので、その都度駆動機構等を用いて遮蔽板の位置を移動させなければならない。従って、装置構成が煩雑となり設備コストがかかり、作業性に問題が生じる。遮蔽板の位置を動かさないようにするため、被加工材の搬入及び搬出を、ローラを使用して行うことも可能であるが、被加工材が全て同じ大きさ（厚さ）ではないため、場合によっては被加工材と遮蔽板との間の隙間が大きくなり、遮蔽板によって表面反射の遮断を行うことができず、やはり厳密な温度管理をすることができない問題がある。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、非接触で容易に、かつ高精度に被加工材の温度を測定可能な被加工材の温度測定方法を提供することを課題とする。また、当該温度測定方法を含む加工品の製造方法、及び被加工材の加熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下、本発明について説明する。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、加熱炉内の被加工材の温度を放射温度計で測定する方法であって、加熱炉内に存する被加工材の面のうち、加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を、加熱炉の炉外に設置された放射温度計により測定する被加工材の温度測定方法である。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の被加工材の温度測定方法において、測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出口の上端部とを結ぶ線に対してなす角、および、測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出口に設けられた抽出扉の下端部とを結ぶ線に対してなす角のいずれもが２５度以上となったときに温度を測定するものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の被加工材の温度測定方法において、温度測定は、時間を変えて複数回行われることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法において、放射温度計は、測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備しているものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の被加工材の温度測定方法において、ＣＣＤカメラ及び画像処理装置は、予め、均一な面照明をＣＣＤカメラで撮影し、ＣＣＤ素子ごとに感度特性を求めておき、被加工材の測定部位の温度測定の際には感度特性に応じての感度を補正することを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の被加工材の温度測定方法において、さらにＣＣＤカメラ自体の温度を測定して、当該温度に基づいて被加工材の測定部位の温度測定の際に測定値を補正することを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法を用いて加熱炉から抽出される被加工材の温度と、加熱炉内に設置された熱電対による温度測定値に基づいて演算した被加工材の抽出予測温度と、の偏差を求め、後続する他の被加工材の目標温度を偏差分に応じて変更し、後続する被加工材の加熱を行うことを特徴とする加工品の製造方法である。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、加熱炉と、加熱炉の外部に設けられ、該加熱炉内に存する被加工材の面のうち、加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を測定可能に設置された放射温度計と、を備える被加工材の加熱装置である。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の被加工材の加熱装置において、放射温度計は、測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備しているものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の被加工材の加熱装置において、ＣＣＤカメラ及び画像処理装置には、均一な面照明をＣＣＤカメラで撮影したときのＣＣＤ素子ごとの感度特性が記憶されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に記載の発明は、請求項９又は１０に記載の被加工材の加熱装置において、さらに、ＣＣＤカメラ自体の温度による測定温度誤差が記憶されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、非接触で容易に、かつ高精度に加熱炉内の被加工材の温度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第一の実施形態を説明する図で加熱装置を表した図である。
【図２】図１のうち、抽出口近傍に注目した図である。
【図３】φと温度測定誤差との関係を示すグラフである。
【図４】抽出扉開放後の経過時間と表面温度の低下の関係を示すグラフである。
【図５】第二の実施形態を説明する図で、図２に相当する図である。
【図６】画素ごとの輝度の誤差を表した図である。
【図７】カメラ自体の温度と温度測定誤差との関係を表すグラフである。
【図８】第三の実施形態を説明する図で、図８（ａ）が加熱炉を平面視した図、図８（ｂ）が抽出口近傍に注目した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の上記した作用および利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
図１は、第一の実施形態を説明する図である。図１は、熱間圧延による鋼板の製造ラインのうち、加熱装置の部位に注目して表した図である。
熱間圧延による鋼板の製造ラインでは、鋳造等により製造された被加工材としてのスラブ１が加熱炉１０により所定の温度にまで加熱昇温され、炉外搬送手段３により当該製造ラインに備えられる各設備に搬送される。ここで各設備には例えばデスケーラ、サイジングプレス、粗圧延機、仕上げ圧延機、冷却装置等を挙げることができ、各設備により加工等がなされ、所望の形状、性質を有する加工品としての鋼板が製造される。
【００２９】
加熱装置は、加熱炉１０と温度測定手段１６とを備えている。
本実施形態では加熱炉１０は連続式加熱炉であり、炉体１１を備え、その内側に予熱帯１２、加熱帯１３、及び均熱帯１４を具備している。そしてスラブ１を炉体１１内に搬入するための搬入口１１ａ、及び加熱されたスラブ１を炉外へ抽出する抽出口１１ｂが設けられている。抽出口１１ｂには該抽出口１１ｂを開放及び閉鎖する抽出扉１５が備えられている。ここでスラブ１は、炉内搬送手段２により搬送される。
【００３０】
ここで予熱帯１２、加熱帯１３、及び均熱帯１４は公知の加熱炉と同様の構成とすることができ、その形式は特に限定されるものではない。また必ずしもこれら全てが備えられている必要もなく、少なくとも加熱帯１３に相当する帯域があればよい。
【００３１】
また、炉体１１には上記したように抽出口１１ｂが設けられ、ここに抽出扉１５が備えられている。図２には抽出口１１ｂの近傍に注目した図を示した。
【００３２】
抽出口１１ｂは、加熱、均熱を終えたスラブ１を炉体１１から抽出するために炉体１１に設けられた開口部である。本実施形態では抽出口１１ｂの上端は、炉の天井部１１ｃから垂下されるように設けられ、スラブ１の抽出時に該スラブ１がその下を通過する炉壁１１ｄの下端により形成されている。
本実施形態ではこのように炉壁１１ｄの下端が抽出口１１ｂの上端を形成するが、これに限定されることはなく、炉壁１１ｄが設けられておらず、炉の天井端部が抽出口の上端を形成してもよい。
【００３３】
抽出扉１５は、図１、図２からわかるように、抽出口１１ｂを閉鎖及び開放することが可能な扉体である。本実施形態では抽出扉１５は、炉壁１１ｄに沿うように上下方向に摺動することにより開閉する。従って、通常は炉内温度ができるだけ低下しないように抽出扉１５は閉鎖されており、スラブ１を炉外に抽出するときに開放される。
本実施形態では摺動することにより開閉する抽出扉１５を説明したが、開閉動作はこれに限定されることはなく、他の態様であってもよい。これには例えば扉体の一辺側を軸にして回動するように開閉する抽出扉を挙げることができる。
【００３４】
温度測定手段１６は、温度センサ１７及び開閉検知センサ１８を備えている。
温度センサ１７は、非接触でスラブ１の温度を測定することができるセンサであり、具体的には放射温度計である。放射温度計としては公知のものを用いることができ、その形式は特に限定されることはない。
温度センサ１７は炉体１１の抽出口１１ｂに向けて配置される。さらに詳しくは、温度センサ１７は図１、図２からわかるように抽出扉１５が開放されたときに、搬送されているスラブ１の面のうち、抽出口１１ｂに対向する面に含まれる測定部位を測定することができるように設置されている。これにより、後述するように被加工材であるスラブ１の温度を簡易にかつ精度良く測定することが可能となる。詳しくは後で説明する。
【００３５】
開閉検知センサ１８は、抽出扉１５の開閉の状態を検知するセンサであり、温度センサ１７に対して抽出扉１５の開閉の情報を提供する。温度測定は抽出扉１５が開放されているときに行うので、開閉検知センサ１８により、温度を測定すべきタイミングを適切なものにすることができる。
【００３６】
以上のように温度測定手段１６を備える加熱装置の構成により、加熱炉１０内の被加工物１の温度を精度よく測定することができる。
【００３７】
次に、本実施形態の加熱装置により加熱炉１０内のスラブ１の温度を測定する例を説明する。ただし、ここではわかりやすさのため本実施形態の加熱装置によりスラブ１の温度を測定する例を説明するが、用いられる装置はこれに限定されることなく、以下のような趣旨で測定されるものであれば他の形態の加熱装置であってもよい。
【００３８】
連続鋳造等により製造されたスラブ１は、炉内搬送手段２により挿入口１１ａから炉体１１内に挿入される。炉体１１内に挿入されたスラブ１は、炉内搬送手段２により炉体１１内を移動し、予熱帯１２、加熱帯１３、及び均熱帯１４を順に通過して加熱昇温される。
【００３９】
昇温されたスラブ１が抽出口１１ｂに近付くと、スラブ１を炉体１１の外へ抽出すべく閉鎖していた抽出扉１５が開放される。抽出扉１５が開放されたときに温度測定手段１６の開閉検知センサ１８により、抽出扉１５が開放されたことが検知され、温度センサ１７によりスラブ１の温度測定がおこなわれる。
【００４０】
ここで、スラブ１の温度は図１、図２に破線で示したように、スラブ１の面のうち抽出口１１ｂに対向した面に含まれる測定部位を測定することにより得られる。これにより簡易であるとともに誤差が少ない高精度の測定を行うことが可能となる。その理由は次の通りである。
【００４１】
抽出扉１５が開いたとき、スラブ１の面のうち抽出口１１ｂに対向した面は、面積が小さいことに加え、当該面は抽出口１１ｂに対向しており、炉壁や炉の天井には対向していないことから、迷光の大部分を占める炉壁からの正反射成分が無い。これにより、迷光による温度測定への影響が大幅に軽減される。
【００４２】
従来の技術では、スラブを測定する面が炉の天井を構成する壁に対向しているため、加熱に供される火炎からの放射光（熱放射エネルギー）がスラブ表面で反射して迷光として放射温度計に入射する。これにより、測定されるスラブの表面温度に誤差が生じる。
一方、加熱炉から抽出して炉外搬送手段に設置された後にスラブ表面温度を放射温度計で測定したとすると、抽出してから時間が経っているため、スラブ表面が冷却されてしまうので測定精度に問題がある。また、抽出後にはスラブ表面にスケールが成長し、スケールは金属に比べて熱伝導が低いことから正確な温度測定を阻害する。その際には、スラブ表面から剥離したスケール表面の温度を測定してしまうこともあるので誤差も大きい。さらに、スケールを除去した後では、当該スケール除去に用いた水ジェットによる表面冷却や熱放射による表面温度低下が生じてしまい、加熱炉でのスラブ温度管理には用いることができない。
【００４３】
従って、本発明のようにスラブの面のうち抽出口に対向する面に含まれる測定部位の温度を測定することにより、簡易にスラブが炉内に存する状態でも精度よく温度を測定することができる。
【００４４】
ここで、スラブ１の温度測定は、スラブ１の位置が図２に示したθ及びφが２５度以上となる位置で行われることが好ましい。
θは、スラブ１の測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出口１１ｂの上端部とを結ぶ線に対してなす角である。また、φはスラブ１の測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、測定部位と抽出扉１５の下端部とを結ぶ線に対してなす角である。このθ及びφを２５度以上にすることにより、温度の測定精度をさらに高いものにすることが可能である。
すなわち、スラブ１の測定部位と放射温度計とを結ぶ線が、抽出口１１ｂ又は抽出扉１５下端により形成される開口部の縁と測定部位とを結ぶ線となす角が２５度以上になれば温度の測定精度が高まるのである。
【００４５】
熱延鋼板の分光反射率を基に、図２に示すφの測定温度への影響ついて計算した。迷光源である加熱扉の温度を１３５０℃、測定対象温度を１２５０℃としたときの測定温度誤差を図３に示す。φが大きくなれば（抽出扉が開くほど）、測定温度誤差は小さくなり、２５度となると測温誤差は５℃程度となる。
【００４６】
すなわち、θ及びφが２５度以上であれば温度測定誤差を５℃以内に抑えることができ、大幅な精度向上となる。これは、測定対象となる面に関する迷光の主要な成分は、炉壁１１ｄ及び炉内天井１１ｃからであり、θ及びφが大きい程迷光の影響が小さくなるからであると考えられる。
【００４７】
また、スラブ１の温度測定は、抽出扉１５が開放されてから３秒以内に行われることが好ましい。これにより、抽出扉１５が開いたことによる外気流入に起因するスラブ１の温度低下の影響を小さく抑えることができる。図４には横軸に抽出扉が開放した後の経過時間（秒）、縦軸に測定したスラブ１の表面温度（℃）を示した。図４からわかるように、スラブの表面温度は抽出扉の開放後に時間の経過とともに低下する。当該結果によれば、抽出扉が開放された後、３秒以内に測定をすることにより誤差を５℃以内に抑えることができる。
【００４８】
ただし、図４からもわかるように、抽出扉を開放した後例えば１０秒以内であれば、抽出扉が開放された後に複数の経過時間で温度を測定すれば、その結果に基づいて抽出扉を開放する前の温度を外挿して算出することが可能である。従って、経過時間は必ずしも３秒以内であることを必要とせず、複数の時間で温度測定することにより抽出扉を開放する前の温度を推定可能である。但し、推定の精度を高めるためには、抽出扉を開放した後３秒以内に測定したデータがあることが好ましい。
【００４９】
以上のように測定された温度は、下工程（下流側）に配置される加工の工程（本実施形態では圧延）に供するための条件を満たしているか否かの判断の基準とすることができる。加熱炉から抽出されるスラブの温度が低いと加工（圧延）が困難になるからである。
さらには、測定された温度をフィードバック処理して加熱炉の制御のデータとしてもよい。すなわち、得られたスラブ１の温度と加熱炉内に設置された熱電対による温度測定値に基づいて演算した当該被加工材の抽出予測温度と、の偏差を求める。この偏差に基づいて、後続する他の被加工材の目標温度を偏差分に応じて変更し、これに基づいて加熱炉の加熱条件を変更して後続する被加工材の加熱を行う。これにより後続する被加工材の温度制御の精度を向上させることができる。
【００５０】
以上のように温度測定がなされた後、抽出されたスラブ１は炉外搬送手段３に載置され、下工程側に搬送されて各種加工等が行われて所望の形状及び性質の加工品（鋼板）が製造される。
【００５１】
図５は、第二の実施形態を説明する図で、図２に相当する図である。本実施形態は、温度測定手段が第一の実施形態と異なるのみであり、他の部位は第一の実施形態と共通なので、図示及びその説明は省略する。ここでは本実施形態における温度測定手段２６及びこれによる温度測定について説明する。
【００５２】
温度測定手段２６は、カメラ２７、画像処理装置２８、及び開閉検知センサ１８を備えている。開閉検知センサ１８は第一の実施形態と共通するので同じ符号を付すとともに説明を省略する。
【００５３】
本実施形態では、２次元のＣＣＤカメラであるカメラ２７を用い、第一の実施形態で説明したと同じようにスラブ１の面のうち、抽出口１１ｂに対向する面に含まれる測定部位を撮影する。そして撮影した画像の信号を画像処理装置２８に取り込み、当該画像の信号を温度に変換する。これにより、第一の実施形態と同様にスラブ１の温度を高精度に測定することができる。
【００５４】
また、第二の実施形態によれば、第一の実施形態で説明した温度センサ１７よりも温度測定の範囲を調整することが容易となる。すなわち、加熱炉から抽出されるスラブ１の測定部位は、温度センサが配置される位置から距離が大きくなる場合があり（例えば５ｍ）、これに対して測定対象であるスラブの測定部位は３００ｍｍ程度であり小さい。そのためスポット型の放射温度計を用いた場合に、測定の範囲、位置の調整が難しくなることがある。これに対して本実施形態のように、カメラ２７を用いることにより測定の範囲や位置を調整することが容易となる。
【００５５】
このようにカメラ及び画像処理装置を用いてスラブの測定部位の温度を測定することができるようにするためには公知のシステムを用いることもできる。ここでは、より高精度な温度測定を実現するための例を説明する。
【００５６】
２次元のカメラ２７で撮影した画像を温度に変換するため、黒体熱放射源である黒体炉を測定し、温度とカメラ出力との関係を調べた。その結果、カメラ２７で撮影した黒体炉の画像では、その画面内の位置によってカメラ出力が異なることがわかった。より具体的に調べるために、白色のＬＥＤを一定間隔で並べた平面光源をカメラ２７で撮影した結果、図６に「補正前」で示したように、画面中心部の画素に比べ、端部の画素が０.９倍程度に低下していることがわかった。その影響を温度に換算すると、１２００℃域を測定したとき、画像中心と画像端部では５℃程度の差が生じる。そこで、画面の位置に関係なく同じ温度を示すようにするために以下の手順で補正を行った。
【００５７】
・白色ＬＥＤを一定間隔で並べた平面光源をカメラ２７で撮影した画像を基準画（基準画像）として採取する。
・カメラ２７のレンズ面に光が入射しないようにカバーをかけ、ゼロ画像（ゼロ点画像）を採取する。
・基準画像とゼロ点画像との各画素における出力の差を算出して、感度補正画像を作成する。ここで感度補正画像は次の式に基づいた。ここで（Ｉ、Ｊ）は座標であり、Ｉは画像の水平方向画素位置、Ｊは画像の垂直方向画素位置である。
感度補正画像（Ｉ，Ｊ）＝基準画像の画素出力（Ｉ，Ｊ）−ゼロ点画像の画素出力（Ｉ，Ｊ）
・中心画素（α，β）における感度補正画像で各画素（Ｉ，Ｊ）における感度補正画像を除して感度補正値を得る。すなわち、次式である。
感度補正値（Ｉ，Ｊ）＝（Ｉ，Ｊ）における感度補正画像／中心画素（α，β）における感度補正画像
ここで、αは画像の水平方向画素の中心位置、βが画像の垂直方向の中心画素位置である。
・黒体炉が画像中心位置（α，β）に撮影されるように視野を調整して、黒体炉温度とカメラ出力との関係を調べ、カメラ出力から温度に変換する関数を得る。
Ｔ＝Ｆ（Ｖ（α，β））
ここで、Ｔは温度、Ｆはカメラ出力から温度に変換する関数、Ｖ（α、β）はカメラ映像の中心画素（α，β）の出力である。
・映像の各画素（Ｉ，Ｊ）における出力と温度との関係は次式で表される。
Ｔ＝Ｆ｛Ｖ（Ｉ，Ｊ）／感度補正値（Ｉ，Ｊ）｝
ここでＶ（Ｉ，Ｊ）は映像の各画素（Ｉ，Ｊ）における出力である。
【００５８】
以上のようにして、中心画素（α，β）における出力を基準値として各画素（Ｉ，Ｊ）における出力が基準値と同じになるように感度補正値を算出した。その結果、図６に「補正後」で表したように、画像全体での感度ばらつきを２％以下に抑制することができた。
【００５９】
なお、加熱炉の周囲は高温になるのでカメラの周囲は水冷された容器に収納することが好ましい。また、水温は季節によって変動するので、カメラの周囲温度も変動することになる。カメラの周囲温度が変わったときの出力変動を調べた。図７にその結果を示す。１３０８℃の一定温度に保持した黒体炉を測温中にカメラの周囲温度を変動させると、温度変動に追随して測温値が変動することがわかった。カメラの温度と測温値の関係は直線近似可能である。すなわちカメラ温度を測定してカメラによるスラブの温度測定値を補正することによりさらに高精度な温度測定をすることができる。
【００６０】
以下に、具体的な例を挙げて説明する。
スラブ１は、抽出口１１ｂから約１ｍ手前（搬送方向上流側）の位置で停止して、スラブ内部まで均熱温度となるように所定時間保持される。抽出扉１５が全開すると、抽出口１１ｂの高さは０．８ｍ、幅方向（図５の紙面奥／手前方向）は１０ｍとなる。従ってθは約３９度であり、測定誤差を十分に小さくすることができる範囲にある。ここで抽出扉１５は全開なので、φを考慮する必要はない。
【００６１】
また、カメラ２７はスラブ１の測定部位を撮影するように該測定部位の中心からほぼ水平位置となるように設置し、加熱炉１０からの熱輻射から保護するために測定部位から約７ｍ離れた位置とした。
カメラ２７には焦点距離５０ｍｍのレンズを取り付け、スラブ１の測定部位の全体が撮影できるようにした。カメラ２７は１／３型ＣＣＤで有効画素数は６４０×４８０であり、通信インターフェースとして”ＧｉｇＥＶｉｓｉｏｎ”を用いた。カメラ２７の仕様は、これ以外の組合せでも良く、測定部位の大きさや測定距離及び得たい測定範囲等によって決定することができる。
通信インターフェースとしてＧｉｇＥＶｉｓｉｏｎを採用すると、通信ケーブル長を最大１００ｍまで延長することができので、カメラ２７と画像処理装置２８とが離隔していても直接に接続でき、ケーブル延長用計器が不要となることから安価なシステムを構築することができる。
【００６２】
カメラ２７で撮影して得られた輝度画像を変換してデジタルデータである階調データを得る。階調データ値はＣＣＤ素子の分解能に依存し、本例では８ビット、すなわち０〜２５５で表される。カメラ２７の感度補正画像を得るための上記した基準画像は、均一な面照明が得られるＬＥＤ照明を撮影して、画像中央の階調データが２００程度になるようにＬＥＤ照明の明るさを調整した。ＬＥＤ照明は、発光色が白色のチップＬＥＤを８ｍｍピッチで配置し、縦５００ｍｍ、横７００ｍｍとし、ＬＥＤの出光側に拡散板を置いて拡散させることにより均一照明を得た。均一な面光源としては蛍光灯を使ってもよい。
カメラの感度補正画像を得るためのゼロ点画像はカメラレンズにキャップをして光をカットして撮影した。感度補正値は、上記したように基準画像からゼロ点画像を引いて感度補正画像を得て、画像中心座標（３２０，２４０）の階調データで各画素の階調データを除することで得た。階調データと温度との関係は、黒体炉をカメラ視野中央で撮影して求めた。測定部位の温度上限でカメラの階調データが２５０となるように、カメラの露光時間を調整する。階調データと温度との関係は、次式で求められる。
画像中心座標： Ｔ＝Ａ×（Ｖ）Ｂ
画像中心以外： Ｔ（Ｉ，Ｊ）＝Ａ×（Ｖ／感度補正値（Ｉ，Ｊ））Ｂ
ここで、Ａ、Ｂは定数、Ｖは階調データ、Ｉは画像の水平方向画素位置、Ｊは画像の垂直方向画素位置をそれぞれ表す。ただし、上記の関係式に固定する必要はなく、階調データと温度との関係が一致する式を最小自乗法などで決定してもよい。また、階調データと温度とのテーブルを使った温度換算でもよい。
【００６３】
画像処理装置２８は、開閉検知センサ１８から抽出扉１５の全開を検知したら、直ちにカメラ２７に撮影開始信号を送り、撮影を開始する。撮影により得られた階調データに２５５が含まれると、映像が飽和しているので正確な温度を求めることができない。その場合はカメラ２７の露光時間を短くして再度撮影して輝度画像を得てから階調データを得る。飽和していない画像で、予め指定した位置の階調データを上記で示した関係式で温度に換算する。カメラ２７のＣＣＤ素子近傍の筐体温度は温度計で測定する。階調データと温度との関係式を求めた時のＣＣＤ素子近傍の筐体温度と、実際に測定しているときのＣＣＤ素子近傍の筐体温度とに温度差がある場合は、次式を用いて補正した。
Ｔ１＝Ｔ＋Ｃ×（ｔ１−ｔ０）
ここで、ｔ１は現在の温度、ｔ０は温度校正時の温度、Ｃは定数、Ｔは補正前の温度、Ｔ１は補正後の温度を意味する。
【００６４】
以上のような測定により、測定範囲を容易に設定することができるとともに、精度の高い温度の測定が可能である。
【００６５】
図８は第三の実施形態を説明する図である。図８（ａ）には加熱装置のうちビュレット加熱炉３０を平面視した概要図、図８（ｂ）には、図８（ａ）にＡ−Ａで示した線に沿った断面図で、抽出口３１ｂ付近に注目した図を表した。第三の実施形態は被加工材としてビュレット４が用いられ、加熱装置の加熱炉としてビュレット加熱炉３０が適用された例である。第三の実施形態では被加工材及び加熱炉の形態が第一の実施形態と異なるのみであり、基本的な考え方は第一の実施形態と共通である。すなわち、ビュレット４のうち、抽出口３１ｂに対向する面に含まれる測定部位を炉外に設置した温度測定手段により測定することで炉内のビュレット４の温度を簡易的に精度よく測定することが可能である。従って、温度測定手段として、上記説明した温度測定手段１６、２６も同様に適用することができる。
【００６６】
ビュレット加熱炉３０は、図８（ａ）からわかるように、ビュレット４が円周上を流れるように搬送される。従ってビュレット４が挿入される位置と抽出される位置が近い。すなわち、ビュレット加熱炉３０の炉体３１内に挿入されたビュレット４は円周上を移動しながら予熱帯３２、加熱帯３３、均熱帯３４を通り、おおむね一周して抽出口３１ｂから抽出される。
【００６７】
ビュレット加熱炉３０においても図８（ｂ）からわかるように、抽出口３１ｂには抽出扉３５が設けられており、上記した温度測定手段１６、２６と同様に温度測定をすることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１ スラブ（被加工材）
２ 炉内搬送手段
３ 炉外搬送手段
４ ビュレット（被加工材）
１０ 連続式加熱炉（加熱炉）
１１ 炉体
１１ｂ 抽出口
１５ 抽出扉
１６ 温度測定手段
１７ 温度センサ
１８ 開閉検知センサ
２６ 温度測定手段
２７ カメラ
２８ 画像処理装置
３０ ビュレット加熱炉（加熱炉）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉内の被加工材の温度を放射温度計で測定する方法であって、
前記加熱炉内に存する前記被加工材の面のうち、前記加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を、前記加熱炉の炉外に設置された前記放射温度計により測定する被加工材の温度測定方法。
【請求項２】
前記測定部位と前記放射温度計とを結ぶ線が、前記測定部位と前記抽出口の上端部とを結ぶ線に対してなす角、および、前記測定部位と前記放射温度計とを結ぶ線が、前記測定部位と前記抽出口に設けられた抽出扉の下端部とを結ぶ線に対してなす角のいずれもが２５度以上となったときに温度を測定する、請求項１に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項３】
前記温度測定は、時間を変えて複数回行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項４】
前記放射温度計は、
前記測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備している請求項１〜３のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項５】
前記ＣＣＤカメラ及び前記画像処理装置は、予め、均一な面照明を前記ＣＣＤカメラで撮影し、ＣＣＤ素子ごとに感度特性を求めておき、前記被加工材の前記測定部位の温度測定の際には前記感度特性に応じての感度を補正することを特徴とする請求項４に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項６】
さらに前記ＣＣＤカメラ自体の温度を測定して、当該温度に基づいて前記被加工材の前記測定部位の温度測定の際に測定値を補正することを特徴とする請求項４又は５に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法を用いて前記加熱炉から抽出される前記被加工材の温度と、前記加熱炉内に設置された熱電対による温度測定値に基づいて演算した前記被加工材の抽出予測温度と、の偏差を求め、後続する他の被加工材の目標温度を前記偏差分に応じて変更し、前記後続する被加工材の加熱を行うことを特徴とする加工品の製造方法。
【請求項８】
加熱炉と、
前記加熱炉の外部に設けられ、該加熱炉内に存する被加工材の面のうち、前記加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を測定可能に設置された放射温度計と、を備える被加工材の加熱装置。
【請求項９】
前記放射温度計は、
前記測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備している請求項８に記載の被加工材の加熱装置。
【請求項１０】
前記ＣＣＤカメラ及び前記画像処理装置には、均一な面照明を前記ＣＣＤカメラで撮影したときのＣＣＤ素子ごとの感度特性が記憶されていることを特徴とする請求項９に記載の被加工材の加熱装置。
【請求項１１】
さらに前記ＣＣＤカメラ自体の温度による測定温度誤差が記憶されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の被加工材の加熱装置。
【請求項１】
加熱炉内の被加工材の温度を放射温度計で測定する方法であって、
前記加熱炉内に存する前記被加工材の面のうち、前記加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を、前記加熱炉の炉外に設置された前記放射温度計により測定する被加工材の温度測定方法。
【請求項２】
前記測定部位と前記放射温度計とを結ぶ線が、前記測定部位と前記抽出口の上端部とを結ぶ線に対してなす角、および、前記測定部位と前記放射温度計とを結ぶ線が、前記測定部位と前記抽出口に設けられた抽出扉の下端部とを結ぶ線に対してなす角のいずれもが２５度以上となったときに温度を測定する、請求項１に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項３】
前記温度測定は、時間を変えて複数回行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項４】
前記放射温度計は、
前記測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備している請求項１〜３のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項５】
前記ＣＣＤカメラ及び前記画像処理装置は、予め、均一な面照明を前記ＣＣＤカメラで撮影し、ＣＣＤ素子ごとに感度特性を求めておき、前記被加工材の前記測定部位の温度測定の際には前記感度特性に応じての感度を補正することを特徴とする請求項４に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項６】
さらに前記ＣＣＤカメラ自体の温度を測定して、当該温度に基づいて前記被加工材の前記測定部位の温度測定の際に測定値を補正することを特徴とする請求項４又は５に記載の被加工材の温度測定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の被加工材の温度測定方法を用いて前記加熱炉から抽出される前記被加工材の温度と、前記加熱炉内に設置された熱電対による温度測定値に基づいて演算した前記被加工材の抽出予測温度と、の偏差を求め、後続する他の被加工材の目標温度を前記偏差分に応じて変更し、前記後続する被加工材の加熱を行うことを特徴とする加工品の製造方法。
【請求項８】
加熱炉と、
前記加熱炉の外部に設けられ、該加熱炉内に存する被加工材の面のうち、前記加熱炉の抽出口に対向する面に含まれ、温度測定がされるべき部位である測定部位を測定可能に設置された放射温度計と、を備える被加工材の加熱装置。
【請求項９】
前記放射温度計は、
前記測定部位を撮影して画像情報を生成するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラからの画像情報に基づいてこれを温度情報に変換可能な画像処理装置と、を具備している請求項８に記載の被加工材の加熱装置。
【請求項１０】
前記ＣＣＤカメラ及び前記画像処理装置には、均一な面照明を前記ＣＣＤカメラで撮影したときのＣＣＤ素子ごとの感度特性が記憶されていることを特徴とする請求項９に記載の被加工材の加熱装置。
【請求項１１】
さらに前記ＣＣＤカメラ自体の温度による測定温度誤差が記憶されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の被加工材の加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３３７９７（Ｐ２０１２−２３３７９７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２８０７（Ｐ２０１１−１０２８０７）
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【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２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【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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