JP2017075894A - 鋼板の温度測定方法及び温度測定装置並びに鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面性の高い鋼板表面の温度を、簡便にかつ精度よく測定することのできる鋼板の温度測定方法及び温度測定装置、並びに前記鋼板の温度測定方法を用いた鋼板の製造方法を提供すること。【解決手段】熱処理炉内に搬送された鋼板表面を法線方向からサーモグラフィーにより撮影して熱画像を取得し、熱画像中から、鋼板表面におけるサーモグラフィーのレンズの反射像が写されたレンズ反射像部を特定し、熱画像中におけるレンズ反射像部の温度を鋼板の温度とすることを特徴とする鋼板の温度測定方法。【選択図】図１

Description

本発明は、鏡面性の高い鋼板表面の温度を、簡便にかつ精度よく測定することのできる鋼板の温度測定方法及び温度測定装置、並びに前記鋼板の温度測定方法を用いた鋼板の製造方法に関する。

鉄鋼材料の製造時には、熱処理炉（以下、単に「炉」と称することがある。）内を搬送される鋼板の表面温度を測定することがある。例えば、冷間圧延に次いで行われる焼鈍工程では、焼鈍炉内に搬送された鋼板の表面温度を測定しながら、炉内温度等の焼鈍条件が調整される。焼鈍条件を的確に制御するために、鋼板の表面温度を精度よく測定することが求められる。

炉内における鋼板の表面温度を測定する際には、放射型の温度測定器が用いられることが一般的である。放射型の温度測定器は、鋼板表面から放射されるエネルギーから、鋼板表面の温度を算出することができ、典型例としてサーモグラフィーが挙げられる。

冷間圧延後の鋼板表面は、放射率が小さく反射率の大きい、いわゆる鏡面性の高い状態にある。鏡面性の高い鋼板の温度を、放射型の温度測定器を用いて測定しようとすると、鋼板表面で反射される反射光によるエネルギーの影響が大きく、鋼板から放射されるエネルギーを精度よく測定することができないという問題がある。従来、鏡面性の高い鋼板の温度を測定する際には、表面の反射による影響を抑えるために、種々の工夫がなされている。一般的な方法として、多重反射の機構を設けて鋼板表面の見かけの放射率を１に近づける方法、補助光源を用いて鋼板表面の放射率を算出する方法、及び温度測定装置における測定波長を多数設ける方法等が用いられている。また、非特許文献１には、炉内の鋼板温度を測定する際に問題となる迷光雑音を減らすために、水冷構造の遮蔽板を設ける方法が開示されている。

その他、工業的に多用される方法として、特許文献１〜３に開示された技術が挙げられる。特許文献１には、鋼板とロールとの多重反射を利用する方法が開示されており（第１４頁、第２図）、特許文献２には、カップ状の反射材を用いて鋼板表面の放射率を１に近づける方法が開示されており（第８頁、第３図）、特許文献３には、鋼板近くまで冷却盤を近づけて水冷内管に入る迷光を減らす方法が開示されている（第５頁、図１）。

特開２００１−２５２７０４号公報 特開平５−２１５６１１号公報 特開平６−１１７９３７号公報

日本鉄鋼協会第５版鉄鋼便覧委員会編「第５版鉄鋼便覧 第５巻」日本鉄鋼協会、２０１４年８月３１日、Ｐ４９、５０

特許文献１のように、鋼板とロールとの多重反射を利用する方法では、精度よく多重反射を引き起こすことのできる炉内位置に放射温度計を設置する必要があり、鋼板の温度の測定位置がロール近傍に限られてしまうという問題がある。

特許文献２のように、カップ状の反射材を使用する方法では、高温の炉内で長期間に亘って使用している間に、反射材の表面が酸化したり、反射材の表面に異物が付着したりすることで、反射材の反射率が劣化してしまう。よって、精度のよい温度測定を続けるためには、反射材の交換等のメンテナンスを定期的に行わなければならず、維持コストがかかる。

特許文献３のように、鋼板近くまで冷却盤を近づける方法では、冷却盤による放射冷却によって鋼板の温度が低下してしまい、正確な鋼板の温度を測れなくなるという問題がある。特に、鋼板の搬送速度が低下した場合には、冷却盤と対向する鋼板表面において加熱目標温度を大幅に下回る部位が現れる。より具体的には、加熱目標温度を大幅に下回る部位が筋状に形成され、鋼板の材質異常を生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みて完成されたものであり、鏡面性の高い鋼板表面の温度を、簡便にかつ精度よく測定することのできる鋼板の温度測定方法及び温度測定装置、並びに前記鋼板の温度測定方法及び温度測定装置を用いた鋼板の製造方法を提供することをその課題とする。

本発明の手段は、次の通りである。
［１］熱処理炉内に搬送された鋼板表面を法線方向からサーモグラフィーにより撮影して熱画像を取得し、熱画像中から、鋼板表面におけるサーモグラフィーのレンズの反射像が写されたレンズ反射像部を特定し、熱画像中におけるレンズ反射像部の温度を鋼板の温度とすることを特徴とする鋼板の温度測定方法。
［２］前記熱画像は、下記（１）〜（５）のステップで算出した放射率を用いて得られることを特徴とする前記［１］に記載の鋼板の温度測定方法。
（１）熱処理炉内の温度を一定に保ちつつ、鋼板を熱処理炉内へ搬送する。
（２）熱処理炉内における鋼板表面を法線方向からサーモグラフィーで撮影し、仮決めした放射率を用いて熱画像を取得する。
（３）熱画像中から、鋼板表面におけるサーモグラフィーのレンズの反射像が写されたレンズ反射像部と、鋼板表面における炉内壁の反射像が写された炉内壁反射像部とを特定する。
（４）熱画像に示された温度から、レンズ反射像部の赤外線放射エネルギーと炉内壁反射像部の赤外線放射エネルギーとを算出する。
（５）レンズ反射像部の赤外線放射エネルギー、炉内壁反射像部の赤外線放射エネルギー、及び実際の熱処理炉内の温度を用いて、鋼板の放射率を算出する。
［３］サーモグラフィーの視野の長軸寸法が、視野に移るレンズ反射像部の直径の３倍以上となるように設定したことを特徴とする前記［１］又は［２］に記載された鋼板の温度測定方法。
［４］熱処理炉の内部に搬送される鋼板の表面温度を測定する鋼板温度測定装置であって、前記熱処理炉に設けられ、熱処理炉内部の鋼板を法線方向から撮影することのできるレンズを備えたサーモグラフィーと、サーモグラフィーを用いて得られる鋼板表面の熱画像から、鋼板表面におけるレンズの反射像が写されたレンズ反射像部を特定し、かつ、鋼板の放射率を用いて算出されたレンズ反射像部の温度を抽出してこれを鋼板の温度とする演算装置と、を有することを特徴とする鋼板の温度測定装置。
［５］サーモグラフィーは、熱処理炉の上部に設けられた観測筒に設置されることを特徴とする前記［４］に記載された鋼板の温度測定装置。
［６］前記［１］から［３］までのいずれか一つに記載された鋼板の温度測定方法により得られた鋼板の温度を用いて、熱処理炉内の温度制御を行うことを特徴とする鋼板の製造方法。

本発明では、サーモグラフィーの熱画像におけるレンズ反射像部の温度を、鋼板の温度とすることによって、鏡面性の高い鋼板であっても、精度よく鋼板の温度を測定することができる。

本発明では、レンズを備えたサーモグラフィーの他に、反射材、冷却盤等の付帯設備を別途設ける必要がなく、既存の炉体とサーモグラフィーとを用いるだけで、簡便にかつ精度よく鋼板の温度を測定できる。

また、本発明の他の態様によると、搬送される鋼板の放射率が予め不明であっても、鋼板の放射率を算出した後に、算出された放射率を用いて鋼板の温度を測定することができる。

さらに、本発明の鋼板の温度測定方法を用いて鋼板を製造することにより、冷却盤の影響で鋼板表面の温度低下を引き起こすことがなく、鋼板の搬送速度が低下した場合であっても歩留りを低下させることなく、均質な鋼板を安定して製造することができる。

図１は、本発明の熱処理炉内における鋼板の温度測定方法の一例を示す側面図である。 図２は、熱画像の一例を示す簡略図である。 図３は、熱画像の他の一例を示す簡略図である。 図４は、本発明のサーモグラフィーで用いられる光学系を示す側面図である。 図５は、本発明のサーモグラフィーで用いられる光学系を示し、光軸が鋼板に正対していない例を示す側面図である。

まず、図１を用いて、熱処理炉内に搬送される鋼板の温度測定方法について説明する。最初に、測定対象となる鋼板の放射率が予め既知である例について説明する。

図１において、鋼板１は、搬送ローラ２によって図の左から右に向かって連続的に送られながら、炉内で熱処理される。熱処理は、炉内に埋め込まれた電気ヒーター４によって温度を制御しながら行われる。

次に、炉内における鋼板１の表面を、法線方向からサーモグラフィー５を用いて撮影する。サーモグラフィー５によって、鋼板の表面の温度分布が示された二次元の撮影画像（「熱画像」とも称される。）が得られる。熱画像を得る際には、予め鋼板の放射率をサーモグラフィーに入力・設定しておく必要がある。

鏡面性の高い鋼板１の表面を法線方向から観察すると、鋼板１の表面には炉内壁３の反射像、サーモグラフィー５の撮影に用いられるカメラのレンズの反射像等が映りこむ。

図２において、熱画像１６の模式図を示す。熱画像１６中において、炉内壁の反射像が写っている部位を炉内壁反射像部８と称し、レンズの反射像が写っている部位をレンズ反射像部１４と称する。熱画像１６中において、レンズ反射像部１４は、レンズ及びレンズフードの平面形状である略円形を呈し、視野中において最も低い温度で示されている領域として特定される。また、図２には図示していないが、熱画像中には、鋼板の表面以外に写りこむ背景として、炉内壁の構造、形態などが観察されることがある。さらに、熱画像中では、鋼板の表面に写ったレンズの反射像にピントがあっていることが通常である。よって、背景以外の領域（鋼板の表面）であって、周囲よりも温度が低く、ピント位置に写った略円形の領域をレンズ反射像部とすることで、より確実にレンズ反射像部を特定することができる。その他、レンズ反射像部の位置を特定しやすくするために、操業に入る前に、予め重錘やレーザー光等を用いて、レンズを鋼板表面と平行に設けておくことが好ましい。

本発明では、鋼板１の放射率を用いて算出したレンズ反射像部１４の温度を、鋼板温度とすることができる。図２で示される例のように、熱画像１６中におけるレンズ反射像部１４が平面円形状である場合には、測定誤差を小さくするために、円の中心部の温度を鋼板の温度として採用することがより好ましい。

次に、レンズ反射像部１４の温度を鋼板１の温度とすることで、精度よく鋼板１の温度を測定できる理由について、サーモグラフィー５の原理を用いながら説明する。

サーモグラフィーは、測定対象から入射する赤外線をレンズによって撮像素子の上に結像させ、赤外線放射エネルギーを検出して温度に変換し、温度分布をコントラストやカラーパターン等を用いた二次元画像（熱画像とも称される。）として表示する。サーモグラフィーが記録する赤外線には、主に、測定対象物が放射する赤外線（「放射分」と称することがある。）と、周辺環境から放射されて測定対象物の表面で反射する赤外線（「反射分」と称することがある。）との２つがある。放射分に対する反射分の割合が大きくなるほど、サーモグラフィーの測定誤差は大きくなってしまう。

また、物体の放射率と反射率とは相反する関係にある。具体的には、放射率＋反射率≒１．０という関係にあり、放射率の高い物体は反射率が低く、放射率の低い物体は反射率が高いという関係にある。よって、放射率が低く反射率の高い（鏡面性の高い）物質をサーモグラフィーで測定すると、反射分の影響が大きくなってしまい、正確に対象物の温度を算出できないという問題が発生する。このような鏡面性の高い物体の典型例として、冷延後に焼鈍炉へと通板される鋼板が挙げられる。より具体的には、板厚が２ｍｍ以下である自動車用鋼板、家電用鋼板、及び電磁鋼板等が挙げられる。また、本発明が用いられる鏡面性の高い鋼板の好適例としては、例えば、放射率が０．３以下である鋼板が挙げられる。さらに好ましくは、放射率が０．１以上０．３以下で、自発光が測定に耐え得る程度に放射されている鋼板が挙げられる。

例えば、図１で示すように、測定対象となる鋼板の実際の温度をＴ_ｓ、サーモグラフィーのレンズの実際の温度をＴ_ｃ、炉内の実際の温度をＴ_ｆとする。図２で示される熱画像１６のうち、レンズ反射像部１４において計測される赤外線放射エネルギーＥ_０は、鋼板１からの放射分ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）と、レンズ部から放射されて鋼板表面で反射した赤外線による反射分（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｃ）との和となる。つまり、
Ｅ_０＝ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）＋（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｃ）・・・（０）
の式が成り立つ。尚、εは、測定対象となる鋼板の放射率である。また、前記Ｅｂ（Ｔ_ｓ）は温度Ｔ_ｓの鋼板１から放射される測定波長での赤外線放射エネルギーを示し、Ｅｂ（Ｔ_ｃ）は温度Ｔ_ｃのレンズから放射される測定波長での赤外線放射エネルギーを示す。

一方、熱画像１６の炉内壁反射像部８において計測される赤外線放射エネルギーＥ_１は、鋼板からの放射分ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）と、炉内壁の放射赤外線が多重反射した後にレンズに入射する反射分（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｆ）との和となる。つまり、
Ｅ_１＝ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）＋（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｆ）・・・（１）
との式が成り立つ。Ｅｂ（Ｔ_ｆ）は、温度Ｔ_ｆの炉内壁３から放射される測定波長での赤外線放射エネルギーを示す。尚、炉内の雰囲気温度（Ｔ_ｆ）と炉内壁温度とは、一般に略同一であるとみなすことができる。

一般に、鋼板の温度Ｔ_ｓはレンズの温度Ｔ_ｃに比較して十分に大きいことから、式（０）のＥ_０における（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｃ）の値は、ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）に比べて、無視できるほどに小さい。よって、式（０）は、以下の式（０）´のように近似することができる。
Ｅ_０≒ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）・・・（０）´
尚、式（０）における（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｃ）の値を無視せず、実際に、レンズから放射された後に鋼板表面で反射する（反射分の）赤外線放射エネルギーの値を代入することで、さらに精度よく鋼板の温度測定を行うことができる。

一方で、炉内の温度Ｔ_ｆは、鋼板温度Ｔ_ｓと同等、或いは鋼板温度Ｔ_ｓよりも高い温度を有する。よって、式（１）のＥ_１に占める（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｆ）の値を無視することはできず、炉内壁反射像部では、鋼板からの放射分のみを計測していると近似することができない。

以上より、炉内壁反射像部ではなく、レンズ反射像部の測定温度を鋼板の温度とすることによって、鋼板表面の反射による影響を抑え、精度のよい測定結果を得ることができる。

尚、サーモグラフィーにおいて用いられる測定波長（λ）は、適宜設定することができる。測定波長（λ）は、プランクの法則に従う波長域であることが好ましく、具体的には１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

次に、鋼板の放射率εが未知である場合について説明する。この場合には、予め熱画像からεを算出した後に、算出したεの値を用いて鋼板の温度を測定することができる。以下に、εの算出方法について説明する。

まず、図１のように、炉内の温度Ｔ_ｆを一定に保ちながら、炉内に鋼板１を搬送し、鋼板１の表面を法線方向からサーモグラフィーで撮影し、熱画像を得る。熱画像を得る際には、サーモグラフィーに鋼板１の放射率を入力・設定する必要があるが、仮の放射率（ε_１）を設定しておけばよい。

次に、図２のように得られた熱画像１６から、レンズ反射像部１４と炉内壁反射像部８とを特定する。炉内壁反射像部８は、鋼板１の表面に写りこんだ炉内壁構造物の形態を確認することで特定することができる。より具体的には、鋼板１の表面において、炉内壁構造物である耐火ボードの継ぎ目や、梁等が写りこんだ領域を炉内壁反射像部８と特定することができる。仮の放射率（ε_１）を用いて算出されたレンズ反射像部１４の温度をＴ_０とし、炉内壁反射像部８の温度をＴ_１とする。

レンズ反射像部１４と炉内壁反射像部８との赤外線放射エネルギーＥ_０とＥ_１とを、上記温度Ｔ_０とＴ_１とを用いて算出する。具体的には、プランクの法則に従う測定波長において、鋼板の放射率の温度依存性が黒体と同様であると仮定し、以下の式（２）を用いる。
Ｅ＝ε÷（ｅｘｐ（ｈ×ｃ÷λ÷ｋ÷Ｔ）−１） ・・・（２）
（ε_１：放射率、ｈ：プランク定数、ｃ：光速、λ：代表波長、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ（Ｋ）：測定温度（絶対温度））
上記式（２）に、ε_１、及びＴ_０を代入して、以下の式（３）が得られる。
レンズ反射像部：Ｅ_０＝ε_１÷（ｅｘｐ（ｈ×ｃ÷λ÷ｋ÷Ｔ_０）−１）・・・（３）
同様に、上記式（２）に、ε_１、及びＴ_１を代入して、以下の式（４）が得られる。
炉内壁反射像部：Ｅ_１＝ε_１÷（ｅｘｐ（ｈ×ｃ÷λ÷ｋ÷Ｔ_１）−１）・・・（４）
一方で、前述したように、炉内の真の温度Ｔ_ｆ、鋼板の真の温度Ｔ_ｓ、鋼板の真の放射率ε等を用いて、熱画像１６中の炉内壁反射像部８、レンズ反射像部１４における赤外線放射エネルギーを表すと、以下の式（０）´、（１）のようになる。
レンズ反射像部：Ｅ_０≒ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ） ・・・（０）´
炉内壁反射像部：Ｅ_１＝ε・Ｅｂ（Ｔ_ｓ）＋（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｆ）・・・（１）
Ｅ_１とＥ_０との差を、前記式（３）、（４）、（０）´、及び（１）を用いて表すと、以下の式（５）のようになる。
Ｅ_１−Ｅ_０
＝ε_１÷（ｅｘｐ（ｈ×ｃ÷λ÷ｋ÷Ｔ_１）―１）−ε_１÷（ｅｘｐ（ｈ×ｃ÷λ÷ｋ÷Ｔ_０）−１）
＝（１−ε）・Ｅｂ（Ｔ_ｆ） ・・・（５）
実際の炉の温度Ｔ_ｆから式（２）を用いてＥｂ（Ｔ_ｆ）の値を算出し、式（５）に代入することで、鋼板の真の放射率εが得られる。

上述のような方法で鋼板の放射率εを算出した後に、このεをサーモグラフィーに入力・設定し、鋼板の表面を法線方向から撮影して得られた熱画像中のレンズ反射像部の温度を特定することで、鋼板の表面温度を精度よく測定することができる。

図４では、図１に示される設備において、鋼板表面１３からサーモグラフィー５へ入射する赤外線の進路を側面図にて示す。サーモグラフィー５は、内部にレンズ９と受光素子１０とを有する。レンズ９を通して、鋼板表面１３の画像が受光素子１０に投影される。冷延後の鋼板１は、表面１３の放射率が低く反射率が高い、いわゆる鏡面性の高い状態にある。よって、鋼板１の表面１３には、炉内壁３やレンズ９の反射像１１が写っている。

図４において、受光素子１０の図面中央近傍に位置するＡ点には、鋼板表面１３で反射したレンズ９の反射像が投影されている。Ａ点では、温度の低いレンズ９の反射分による赤外線放射エネルギーは無視できるほどに小さい。よって、Ａ点で測定される赤外線放射エネルギーは、鋼板の熱放射１２によるものが大半を占めている。

一方で、受光素子１０の図面右側に位置するＢ点では、Ｂ”で示されるように、炉の上部内壁から放射された後に幾重にも多重反射した赤外線が入射する。多重反射した赤外線放射エネルギーは、炉内壁３と同じ温度を有する黒体からの放射とほぼ同じであるとみなすことができる。尚、図４では、Ａ、Ｂの鏡像をそれぞれＡ´、Ｂ´で示している。

図５では、サーモグラフィーのレンズが傾けて取り付けられた例を示す。レンズの反射像Ｄ´が受光素子に投影されるＤ点には、鋼板１からの熱放射１２が主として入射している。Ｄ点では、鋼板１表面における反射分の影響が小さいので、受光素子上のＤ点にて鋼板温度を精度よく測定することができる。

また、図５において、サーモグラフィーの熱画像における中心部である位置Ｃには、炉内壁（特に上部内壁）の反射像が写っている。より具体的には、位置Ｃには、炉内壁の多重反射像Ｃ”が入射しているため、鋼板１の熱放射１２に加えて、（１−ε）×Ｅｂ（Ｔ_ｆ）だけ大きい赤外線放射エネルギーが入射している。よって、図５のように、サーモグラフィーのレンズが鋼板１の法線方向から傾けて取り付けられる例では、熱画像の中心部（位置Ｃ）の温度は、実際の鋼板温度よりも高く測定されることになる。この場合、熱画像の中心部Ｃに限定せずに、熱画像中で最も温度の低い領域をレンズ反射像部であると特定して、レンズ部の温度を計測することが重要である。

本発明におけるサーモグラフィーの設置位置は、炉内の鋼板表面を法線方向から観測できる限りにおいて特に制限されない。本発明におけるサーモグラフィー（レンズ）の炉内の設置場所は、鋼板とロールとの多重反射を利用する従来技術（特許文献１）のように、ロールの近傍等に制限されない。

尚、法線方向とは、炉内に搬送される鋼板の表面と垂直な方向を言うが、厳密に垂直でなくてもよく、法線方向から、一例として±５°以内傾いていてもよい。このような範囲の傾きであれば、熱画像中におけるレンズ反射像部と炉内壁反射像部との重なりを防ぐことができる。

図１のように、サーモグラフィー５は、炉内壁３の一部に設けられた観測筒６に設置することができる。観測筒６は、炉壁を厚さ方向に貫通する筒状の部材であり、炉内の観察やメンテナンス等のために用いられる。通常、観測筒６は既存の炉に設けられている設備であるから、観測筒６にサーモグラフィー５を設置すると、サーモグラフィー５を設置するために新たに炉の改造等を行う必要がなく、簡便である。

炉内壁３からサーモグラフィー５への熱移動を抑制するために、観測筒６は水冷されることが好ましい。また、観測筒６の内壁面で測定波長光が反射することを防止するために、光の反射を抑える高熱輻射塗料を観測筒の内壁面に塗布することが好ましい。

サーモグラフィー５を設置する際には、レンズ反射像部と炉内壁反射像部との両方の温度を安定して誤差なく測定できるようにするために、サーモグラフィーの視野の長軸寸法が、視野に移るレンズ反射像部の直径の３倍以上となるように設定することが好ましい。サーモグラフィーの視野（熱画像）は通常横長の長方形であり、視野の長軸寸法とは長方形の長辺長さを示す。また、レンズ反射像部が円形を呈さずに略楕円形状を呈する場合には、楕円の長軸長さを前記直径の長さとして採用することができる。例えば、図３に示される２本の矢印のうち、短い方の矢印がレンズ反射像部の直径（ｄ）を示し、長い方の矢印がレンズ反射像部１４の直径の３倍長さ（３ｄ）を示す。図３で示される熱画像１６の長軸寸法（熱方向の外縁を形成する長方形の長辺長さ）は、レンズ反射像部の直径の３倍よりも長く設定されている。

サーモグラフィーの視野の長軸寸法が、視野に移るレンズ反射像部の直径の３倍以上となるように設定すると、炉内壁から鋼板まで近接するように観測筒を延長する必要がないため、水冷機構を備えた観測筒によって鋼板表面が冷却されることを防止することができる。また、サーモグラフィーの視野を前記のように設定することで、熱画像１６中におけるレンズ反射像部１４以外の領域を広くとることができ、特に炉内壁反射像部１４の測定誤差を小さくすることができる。尚、熱画像中の解像度が低下しすぎることを防ぐために、サーモグラフィーの視野全体が観測筒直径の２０倍以上とならないようにすることが好ましい。より具体的には、レンズ反射像部が１６画素以上の解像度で撮像されているように調節することが好ましい。サーモグラフィーの視野の広さの調節は、サーモグラフィー５自身の取付位置を調節することや、レンズの倍率を調節することによって行うことができる。

尚、鏡面性の高い鋼板を撮影する際には、鋼板表面に移ったレンズの反射像や炉内壁の反射像にフォーカスを合わせると、ピント不良による測定温度不良を防止することができる。

図２で示されるように、熱画像１６において、炉内壁反射像部８とレンズ反射像部１４との間には、ドーナツ状に観測筒反射像部１５が確認される。観測筒反射像部１５は、炉の照り返しの影響によって、炉内温度よりも低いとはいえレンズ反射像部１４よりも高温の状態となってしまう。よって、炉の照り返しの影響を抑えるために、レンズ反射像部１４の温度を採用することがより好ましい。

また、本発明を適用することのできる炉体は横パス型に限定されるものではなく、縦パス型の炉にも本発明を適用することができる。

図１には図示されていないが、本発明の鋼板温度測定装置は、演算装置を備えている。演算装置は、サーモグラフィー５で得られた熱画像１６からレンズ反射像部１４を特定し、レンズ反射像部１４において測定された温度を抽出する機能を備える。演算装置によって抽出されたレンズ反射像部１４の温度は、誤差の小さい鋼板の温度として採用することができる。

本発明の鋼板の温度測定方法を用いて測定された温度を利用して炉内の熱処理条件の制御を行うことによって、鋼板を搬送している炉内の温度条件のばらつきを抑えることができ、全長にわたって材質の均一性に優れた鋼板を製造することができる。また、本発明の鋼板の温度測定方法を用いて鋼板の実温度により近い温度が測定でき、この温度に基づいて炉内温度を制御することによって最適な熱処理温度により近づけることができ、優れた性質の鋼板を製造することができる。

（実施例１）
図１に示す設備を用いて熱処理炉内における鋼板１の温度を測定した。鋼板１は、板厚０．５ｍｍ、幅１３５０ｍｍであり、搬送ローラ２によって、５０ｍ／分の速度で熱処理炉内に搬送された。炉内温度は、８００℃に保持した。予め、炉外における鋼板１の温度を測定したところ、炉内への進入時の鋼板１の温度は５２３℃であり、炉体３からの搬出時の鋼板１の温度は６４１℃であった。

炉の上部内壁の一部に設けられた観測筒６に、サーモグラフィー５を設置した。サーモグラフィー５及び観測筒６は、炉内の搬送方向における中間点に設けた。尚、観測筒６は水冷されており、観測筒６の内側には耐熱性の高熱輻射塗料を塗布することによって、放射率を上げるとともに反射率を極力抑制するようにした。鋼板１を搬送しながら、サーモグラフィー５により鋼板３の表面とは垂直な方向（法線方向）から、鋼板３の表面を撮影し、熱画像を得た。

サーモグラフィー５は、最高１０００℃前後の温度まで測定できる市販品であり、撮像素子はＩｎＳｂ、測定波長は４μｍ前後であり、分解能は０．０２℃であった。熱画像は、毎秒２５フレームで取得した。また、熱画像を得る際には、予め求めていた鋼板の放射率ε＝０．２８を用いた。

尚、通常の熱処理では、複数の炉が連なって全体の熱処理を完遂するが、本実施例では、搬送方向の長さが１０ｍである炉を一つのみ使用して、熱処理の一部を模擬することとした。

実際に得られた熱画像を、図２において模擬的に示す。熱画像中における炉内壁反射像部８の温度は、７５５℃であった。この温度は、実際の鋼板温度（５８２℃）とは乖離していた。一方で、熱画像中における観測筒反射像部１５及びレンズ反射像部１４の温度は、５８３℃であった。この温度は、実際の鋼板温度（５８２℃）に近い温度であった。尚、炉内の搬送方向における中間点にサーモグラフィーを設けたことから、実際の鋼板温度（５８２℃）は、炉入側の鋼板温度５２３℃と炉出側の鋼板温度６４１℃との中間値であると考え、（５２３＋６４１）÷２を計算することにより求められた。

（実施例２）
次に、図３を用いて、実施例２について説明する。実施例２では、鋼板の熱画像から鋼板の放射率を算出した。

実施例２では、炉内の温度（Ｔ_ｆ）を８００℃とした状態で、鋼板を炉内に搬送した。また、鋼板の表面を法線方向からサーモグラフィーのレンズにより撮影し、熱画像を得た。熱画像を得る際には、放射率を設定する必要があるが、実施例２では放射率（ε１）を０．７と仮決めして熱画像中の温度を求めた。尚、サーモグラフィーの測定波長は４μｍであった。次に、サーモグラフィーの熱画像中において、レンズ反射像部１４と、炉内壁反射像部８とを特定し、それぞれの温度を抽出した。レンズ反射像部１４の温度（Ｔ_０）は４２９℃であり、炉内壁反射像部８の温度（Ｔ_１）は８６１℃であった。尚、実施例２において、上記した以外の条件は実施例１と同様とした。

前記温度Ｔ_０、Ｔ_１、Ｔ_ｆをそれぞれ絶対温度で表すと、以下のようである。
Ｔ_０＝４２９＋２７３．１５＝７０２．１５（Ｋ）
Ｔ_１＝８６１＋２７３．１５＝１１３４．１５（Ｋ）
Ｔ_ｆ＝８００＋２７３．１５＝１０７３．１５（Ｋ）
これらの値と、ε１＝０．７とを、上記式（５）に代入して、鋼板の真の放射率（ε）を求めた。

本実施例では、ε＝０．２７と算出することができた。実施例で用いた鋼板のεの真値は０．２８であり、実用上問題ないレベルに精度よく鋼板の放射率を算出できることが確認された。

（実施例３）
本発明の鋼板の温度測定方法を方向性電磁鋼板の一次再結晶熱処理設備に適用し、通常操業を開始したところ、従来の反射鏡や冷却盤を備えた放射温度計を用いた例と同等の製品歩留りであった。

しかし、反射鏡を備えた放射温度計では、反射鏡に汚れが蓄積するので、使用後約１ヶ月程度で反射鏡の取替えを余儀なくされるのに対して、本発明では交換等のメンテナンスが一切不要であった。

また、冷却盤を備えた放射温度計を用いた例では、操業上のトラブル等によって鋼板搬送速度の２０％を超える減速が発生した場合、鋼板表面に筋状の温度低下が引き起こされることによって、製品歩留りが０．０７％低下してしまった。しかし、本発明を用いた場合には、鋼板搬送速度の減速が発生した場合でも、歩留りの低下は発生しなかった。よって、本発明を用いて、従来よりも良質な方向性電磁鋼板を安定して製造することができるようになった。

１ 鋼板
２ 搬送ローラ
３ 炉内壁
４ ヒーター
５ サーモグラフィー
６ 観測筒
７ 熱画像
８ 炉内壁反射像部
９ レンズ
１０ 受光素子
１１ 鋼板に写った反射像
１２ 鋼板の熱放射
１３ 鋼板表面（反射面）
１４ レンズ反射像部
１５ 観測筒反射像部
１６ 熱画像
Ａ 受光素子上のレンズ反射像部
Ａ’ 反射像上のレンズ部
Ｂ 受光素子上のレンズ周囲像（炉内壁反射像）部
Ｂ’ 反射像上のレンズ周囲像部
Ｂ” 鋼板に反射してＢに入射する炉内壁の多重反射
Ｃ 受光素子上の熱画像中心部
Ｃ’ 反射像のサーモグラフィー正対部
Ｃ” Ｃ部へ入射する多重反射
Ｄ 受光素子上のレンズ反射像部
Ｄ’ 反射像のレンズ部

Claims (6)

1. 熱処理炉内に搬送された鋼板表面を法線方向からサーモグラフィーにより撮影して熱画像を取得し、
   熱画像中から、鋼板表面におけるサーモグラフィーのレンズの反射像が写されたレンズ反射像部を特定し、
   熱画像中におけるレンズ反射像部の温度を鋼板の温度とすることを特徴とする鋼板の温度測定方法。
2. 前記熱画像は、下記（１）〜（５）のステップで算出した放射率を用いて得られることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の温度測定方法。
   （１）熱処理炉内の温度を一定に保ちつつ、鋼板を熱処理炉内へ搬送する。
   （２）熱処理炉内における鋼板表面を法線方向からサーモグラフィーで撮影し、仮決めした放射率を用いて熱画像を取得する。
   （３）熱画像中から、鋼板表面におけるサーモグラフィーのレンズの反射像が写されたレンズ反射像部と、鋼板表面における炉内壁の反射像が写された炉内壁反射像部とを特定する。
   （４）熱画像に示された温度から、レンズ反射像部の赤外線放射エネルギーと炉内壁反射像部の赤外線放射エネルギーとを算出する。
   （５）レンズ反射像部の赤外線放射エネルギー、炉内壁反射像部の赤外線放射エネルギー、及び実際の熱処理炉内の温度を用いて、鋼板の放射率を算出する。
3. サーモグラフィーの視野の長軸寸法が、視野に移るレンズ反射像部の直径の３倍以上となるように設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載された鋼板の温度測定方法。
4. 熱処理炉の内部に搬送される鋼板の表面温度を測定する鋼板温度測定装置であって、
   前記熱処理炉に設けられ、熱処理炉内部の鋼板を法線方向から撮影することのできるレンズを備えたサーモグラフィーと、
   サーモグラフィーを用いて得られる鋼板表面の熱画像から、鋼板表面におけるレンズの反射像が写されたレンズ反射像部を特定し、かつ、鋼板の放射率を用いて算出されたレンズ反射像部の温度を抽出してこれを鋼板の温度とする演算装置と、
   を有することを特徴とする鋼板の温度測定装置。
5. サーモグラフィーは、熱処理炉の上部に設けられた観測筒に設置されることを特徴とする請求項４に記載された鋼板の温度測定装置。
6. 請求項１から３までのいずれか一項に記載された鋼板の温度測定方法により得られた鋼板の温度を用いて、熱処理炉内の温度制御を行うことを特徴とする鋼板の製造方法。

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