JP2012021827A - 鋼材の表面温度測定装置及び表面温度測定方法並びに鋼材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面温度測定装置100は、被測温鋼材Mの下面に対向配置され、上端開口部11から水Wを放出するノズル1と、光軸Oがノズルの中心軸Cと略平行となるようにノズル内に配置され、被測温鋼材の下面から放射された熱放射光を水を介して検出する放射温度計2と、ノズル内であって放射温度計の光軸が通る位置に配置され、放射温度計を水から隔離するための光学窓3とを備える。放射温度計の光軸を横切る光学窓の上端面31は、水平面に対して30°以上傾斜している。
【選択図】 図1
Description
しかし、特許文献1に記載の技術で鋼材下面の温度を測定する際、被測温鋼材から剥離したスケールがノズル内に侵入して放射温度計の測定視野を遮り、測温値の精度が低下する場合がある。
そして、特許文献2には、「本発明の温度測定装置においては、温度計本体が、鋼板下面との間で、装置に設けられた上部と下部の二重のシャッターにより保護されていると共に、温度測定時には、供給空気の噴出によって、粉塵や水滴等の測定装置内への侵入を防止される。温度計本体の視線が良好に保持されるため、これを鋼板下面からより離れた位置においても測定が可能となり、長期にわたり精度の良い下面の温度測定が可能となる」と記載されている(特許文献2の段落0039)。
しかしながら、少なくとも温度測定時(上部と下部のシャッターを開いたとき)において大量の供給空気を噴出しなければ、粉塵や水滴の他、鋼板から剥離したスケールが温度計本体に付着し、放射温度計の測定視野を遮り、測温値の精度が低下するおそれがある。
表1に示すスケールAは、通常のノズル1Aの上端開口部よりも寸法が大きいため、ノズル1Aの内部に侵入しないと考えて評価対象から除外した。また、表1に示すスケールCは、水面上に浮いたため、評価対象から除外した。従って、図3に示す評価結果は、表1に示すスケールBについての評価結果である。
なお、図3に示すように、光学窓の上端面が水平面に対して65°以上傾斜していれば(光学窓の傾斜角度θが65°以上であれば)、スケール残量率が0%となり、スケールが光学窓の上端面に堆積しない。このため、光学窓の上端面が水平面に対して65°以上傾斜したものとすれば、被測温鋼材の表面温度をより一層長期間に亘り安定して測定することができる点で好ましい。
なお、光学窓の上端面が放射温度計の光軸に垂直な方向から傾斜した傾斜面に形成されている場合、光軸に沿って入射した放射光が、光学窓の上端面において、水と光学窓との屈折率差に応じて屈折することになる。しかしながら、光学窓の材料として通常選択されるガラスと水との屈折率差は小さいため、測温値に対する上記屈折の影響は少ない。
一方、図5に示すように、ノズル1の中心軸Cを鉛直方向から傾斜させた場合(放射温度計2の光軸Oを鉛直方向から傾斜させた場合)に、ノズル1から放出する水Wの水面(水によって形成される水柱の上端面)が常に水平面になるとすれば、被測温鋼材Mの下面から放射され放射温度計2で検出し得る熱放射光は、上記水Wの水面に対して斜めの方向(水面に垂直な方向からずれた方向)から該水面に入射することになる。このため、前記熱放射光は、上記水Wの水面において、ノズル1の中心軸Cの傾斜角度θnと、水と空気との屈折率差とに応じた屈折角で屈折することになる。従って、被測温鋼材M下面の法線方向が鉛直方向と一致する場合、放射温度計2の測定角度θ1は、ノズル1の中心軸Cの傾斜角度θnよりも大きな角度となる、具体的には、図5に示すように、ノズル1の中心軸の傾斜角度θnが40°を超える場合に、放射温度計2の測定角度θ1は60°を超えることになる。
Fn=m・g・sin(θn) ・・・(1)
N=m・g・cos(θn) ・・・(2)
Fs=μ・N ・・・(3)
ここで、mはスケールSの質量、gは重力加速度、μはノズル1とスケールSとの間に生じる動摩擦係数を意味する。
すなわち、スケールがノズルの上端開口部に載ったとしても、上端開口部から滑り落ちることによって放射温度計の測定視野を遮らないようにするには、請求項5に記載の如く、前記ノズルの上端開口部が、水平面に対して12°以上傾斜していることが好ましい。
なお、実際には、ノズルから放出される水の水圧でスケールを上方に持ち上げる力が働くため、垂直抗力Nの値は、式(2)で計算される値よりも小さくなる。このため、ノズルの上端開口部が水平面に対して12°以上傾斜していなくても、スケールは滑り落ちると考えられるが、上記のように12°以上傾斜させれば確実に滑り落とすことができる点で好ましい。
前述のようにノズル内に侵入するスケールB(砂状スケール)の粒径は、せいぜい1mmなので、ノズル内に侵入するスケールの想定される寸法を1mmとすれば、貫通孔は、前記想定寸法よりも大きな寸法(例えば、孔径2〜3mm程度)にすればよい。
また、前述のように、放射温度計の光軸を横切る光学窓の上端面がノズル内の水が充満している領域の最下端部よりも上方に位置している構成の場合には、水供給手段から供給した水が最下端部に堆積したスケールに直接当たることが無いため、当該最下端部に堆積したスケールが水流によって巻き上がり光学窓の上端面に堆積してしまうおそれが低減する。
Re=ρ×v×d/μ ・・・(4)
ここで、ρは流体の密度、vは流体の流速、dは流体の代表長さ、μは流体の粘性係数を意味する。
図8の横軸は、上記の式(4)におけるρとして水の密度を、vとしてノズル内の水の平均流速を、dとしてノズルの上端開口部の口径を、μとして水の粘性係数を入力した場合のレイノルズ数Reをプロットしている。図8に示すように、ノズル内に供給する水の水量が増加し(これによりノズル内の水の平均流速が増加し)、レイノルズ数が大きくなると(具体的には、レイノルズ数が6000を超えると)、測温値が不安定になる。これは、レイノルズ数が6000を超えると、ノズル内の水流が層流から乱流に遷移し、ノズルから放出する水の水面が一定方向で安定せずに変動するため、放射温度計の測定角度が変動することが原因であると考えられる。より具体的に説明すれば、図8に示す例では、測定角度が変動して放射温度計の光軸が面光源から外れることが原因で、測温値が不安定になるのだと考えられる。
そして、本実施形態の光学窓3は、好ましい構成として、上端面31が、ノズル1内の水が充満している領域(すなわち、ノズル1の上側の室)の最下端部12よりも上方に位置している(例えば、図1に示すH=30mmとされる)。このように、光学窓3の上端面31を最下端部12よりも上方に位置させるために、光学窓3の側面とノズル1内面との間には隙間(例えば、10mmの隙間)が設けられている。従って、光学窓3の上端面31に堆積せずに滑り落ちたスケールは、最下端部12に落下し前記の隙間を埋めるように堆積していくことになる。この隙間に堆積したスケールを定期的に除去しさえすれば、鋼板Mの表面温度を長期間に亘り安定して測定することができる。
2・・・放射温度計
3・・・光学窓
4・・・水供給手段
5・・・エアーノズル
11・・・上端開口部
31・・・上端面
100・・・表面温度測定装置
A・・・パージエアー
C・・・ノズルの中心軸
O・・・放射温度計の光軸
M・・・被測温鋼材(鋼板)
W・・・水
Claims (12)
- 被測温鋼材の下面に対向配置され、上端開口部から水を放出するノズルと、
光軸が前記ノズルの中心軸と略平行となるように前記ノズル内に配置され、被測温鋼材の下面から放射された熱放射光を前記水を介して検出する放射温度計と、
前記ノズル内であって前記放射温度計の光軸が通る位置に配置され、前記放射温度計を前記水から隔離するための光学窓とを備え、
前記放射温度計の光軸を横切る前記光学窓の上端面が、水平面に対して30°以上傾斜していることを特徴とする鋼材の表面温度測定装置。 - 前記放射温度計の光軸を横切る前記光学窓の上端面が、前記光軸に垂直な方向から傾斜した傾斜面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の鋼材の表面温度測定装置。
- 前記ノズルは、該ノズルの中心軸が鉛直方向から傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の鋼材の表面温度測定装置。
- 前記ノズルは、該ノズルの中心軸が被測温鋼材下面の法線方向から40°以下で傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。
- 前記ノズルの上端開口部が、水平面に対して12°以上傾斜していることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。
- 前記放射温度計の光軸を横切る前記光学窓の上端面が、前記ノズル内の水が充満している領域の最下端部よりも上方に位置していることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。
- 前記ノズルは、前記ノズル内の水が充満している領域の最下端部の近傍に位置する側壁に、前記ノズルの外部と連通する貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記上端開口部の寸法よりも小さく、且つ、前記ノズル内に侵入するスケールの想定される寸法よりも大きい寸法を有することを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。 - 前記ノズル内に水を供給する水供給手段を備え、
前記水供給手段は、該水供給手段から供給した水が、前記放射温度計の光軸を横切る前記光学窓の上端面に直接当たるように構成されていることを特徴とする請求項1から7の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。 - 前記水供給手段は、前記ノズル内の水流が層流となるように、前記ノズル内に供給する水の水量を調整することを特徴とする請求項1から8の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。
- 被測温鋼材の下面と前記ノズルとの間にパージエアーを噴射するエアーノズルを備え、
前記エアーノズルは、前記ノズルから放出する水と接触しないようにパージエアーを噴射することを特徴とする請求項1から9の何れかに記載の鋼材の表面温度測定装置。 - 請求項1から10の何れかに記載の表面温度測定装置を用いて鋼材の表面温度を測定することを特徴とする鋼材の表面温度測定方法。
- 請求項11に記載の方法によって表面温度を測定する工程を含むことを特徴とする鋼材の製造方法。
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