JP3603661B2 - 気体パージ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば鉄鋼プロセスにおいて、高温鋼材の連続鋳造、熱間圧延、厚板圧延等の加工プロセスでの被加工材の形状、運動等を光学的に測定するための測定光路の周りにパージ気体域を生じさせる気体パージ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のレーザー技術の発達により、小型でランニングコストが安く、しかも、耐久性の高い半導体レーザー光源が実用化されており、近年に至るまでは適用不可能であつた環境の厳しい製造ラインへレーザー光を用いた光学式計測器の適用が試みられるようになってきた。
【0003】
このような光学式計測器の適用においては、計測器自体の耐久性を確保することが重要であり、さらに、粉塵、ヒューム、水蒸気及び霧状水滴が充満する劣悪な環境の下で測定に必要な測定光路を確保する技術が重要となっている。
【0004】
鉄鋼プロセスにおいては、連続鋳造、熱間圧延、厚板圧延、シームレス鋼管製造及び棒鋼圧延等の高温鋼材の加工プロセスがこれにあたり、圧延中の幅、長さ、厚み及び平坦度等の形状、温度、通板速度等の製造条件を測定するため、被圧延材の表面にレーザー光を照射してその反射光を計測する光学的な測定装置が広く用いられつつある。
【0005】
この加工プロセスにおいては、圧延ロール等の加工工具、保護及び被加工材の冷却を目的として大量の水を使用しているため、測定光路の周りに水蒸気や霧状水滴が多く発生する。また、被測定材が高温であるため該被測定材によってヒュームが多く発生し、高温で酸化した鋼のスケールが粉塵となって周辺に飛散する現象が発生する。
【0006】
このような環境の下へ光学式計測器を適用する際には、レンズやミラー、ガラス等を保護するとともに測定光路を確保するため、光学式測定器の測定対象面側にフード装置や気体パージノズルを取付けることが一般的である。
【0007】
気体パージノズルを使用するものとして、例えば実開平5−59262号公報及び実開昭64−33042号公報に記載されたものが知られている。
【0008】
前者の実開平5−59262号公報に記載されたものは、2種類の気体パージノズルを備え、これら気体パージノズルを前記測定光路に対し偏倚した位置に配置し、各ノズル出口から測定光路に対し斜めに気体を噴出させるように構成されている。
【0009】
また、後者の実開昭64−33042号公報に記載されたものは、光学式計測器の測定対象面側に測定光路に沿って気体を噴出する気体パージノズルを設け、該気体パージノズルのノズル出口部に導光管を結合し、気体パージノズルから導光管内へ層流状の気体を噴出することによって測定光路の周り、換言すれば前記導光管内にパージ気体域を生じさせるように構成されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気体パージノズルを使用する前者の実開平5−59262号公報に記載されたものにあっては、2種類の気体パージノズルが使用されるため、比較的構造が複雑であり、また、後者の実開昭64−33042号公報に記載されたものにあっては、気体パージノズルとは別個に導光管を設け、該導光管内にパージ気体域を生じさせるものであるため、構造が比較的複雑であり、何れも比較的コスト高になるという問題がある。
【0011】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、従来例の如く2種類の気体パージノズルを用いたり、又は導光管を用いたりすることなく、気体の巻き込みが起こらないポテンシャルコアを比較的長くすることができ、劣悪な周辺環境の下においても良好な測定光路を確保することができる気体パージ装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
第1発明に係る気体パージ装置は、光学式計測器の測定対象面側に設けられた気体パージノズルが気体を噴出することによって測定光路の周りにパージ気体域を生じさせるようにした気体パージ装置において、前記気体パージノズルは、大径ノズル出口を有する大径ノズル本体と、小径ノズル出口を有し、前記大径ノズル本体内に同軸的に設けられた小径ノズル本体とを備えており、該大径ノズル本体及び小径ノズル本体が気体供給源に個別に連通されていることを特徴とする。
【0014】
この第1発明にあっては、気体パージノズルのノズル出口から一定流速の気体が静止流体中へ噴出されたとき、この噴出流域(パージ気体域)の外周部と静止流体との接触部に摩擦応力が発生し、パージ気体域の外周部に環状剪断層が生じ、パージ気体域の中心部はノズル出口での気体流速が保たれるポテンシャルコアが生じることになる。前記環状剪断層はノズル出口にきわめて近い位置から乱流となり、環状剪断層の内側部分はパージ気体域が長くなるに従ってパージ気体域の中心部へ侵入し、ついにはこの中心部も乱流となる。
【0015】
このようにパージ気体域の中心部は適宜の長さに亘ってノズル出口での気体流速が保たれ、非剪断層となるポテンシャルコアが生じるため、測定対象面に亘って非剪断層となる位置に気体パージノズルを配置し、前記非剪断層のポテンシャルコア内を光学式測定器の測定光路とすることによって、劣悪な周辺環境の下においても従来例の如く2種類の気体パージノズルを用いたり、又は導光管を用いたりすることなく良好な測定光路を確保することができる。
しかも、大径ノズル本体及び小径ノズル本体に供給する気体流量を調整することにより、大径ノズル出口において一様な流速分布を得ることができ、ポンシャルコアの長さを比較的長くすることができ、良好な測定光路を得ることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
実施の形態1
図1は気体パージノズルが噴出して生ずるパージ気体域(噴出流域)の発達過程を示す模式図、図2は実施の形態1に係る気体パージ装置及び気体パージ方法に用いられる気体パージノズルのノズル出口部分の断面図である。
【0024】
この実施の形態1の気体パージ装置は、測定対象面Aへレーザー光を照射し、その反射光を計測する光学式計測器1と、該光学式計測器1の測定対象面A側に設けられる気体パージノズル2とを備え、該気体パージノズル2のノズル出口20からエア,ガス等の気体、好ましくはエアを噴出することによって測定光路の周りにパージ気体域3を生じさせるように構成されている。
【0025】
図2の気体パージノズル2は、気体供給源(図示せず)から供給された気体を整流する整流手段21と、該整流手段21が整流した気体を案内する円筒状の案内路22と、該案内路22に連続し、ノズル出口20を有する絞り部23とを備えており、これら整流手段21及び絞り部23がノズル出口20での気体流速が噴出方向へ適宜の長さに亘って保たれるポテンシャルコア(ポテンシャル流れ)4を生じさせる手段を構成している。
【0026】
整流手段21は、気体パージノズル2内に設けられ、供給された気体が通過することによって整流させることが可能な金網、ハニカムコア等を用いてなる。
【0027】
ノズル出口20の内径寸法は案内路22の内径寸法に対し30〜70%の割合で絞られており、このノズル出口20から前記案内路22の内面までがテーパー面を有する前記絞り部23としてある。
【0028】
図3は以上の如く構成された気体パージ装置を用いて測定光路を気体パージする方法の模式図である。
被圧延材等の測定対象面Aと適宜の間隔を隔てた位置に気体パージ装置Bを配置し、気体パージノズル2と前記測定対象面Aとの間をパージ気体域3とする。そして、光学式計測器1から気体パージノズル2の中心部を経て前記測定対象面Aへレーザー光を照射し、その反射光を光学式計測器1によって計測するのであり、この計測する際、気体供給源から気体パージノズル2へ供給された気体を、整流手段21により整流し、絞り部23によって絞った後、ノズル出口20から前記測定対象面Aへ向けて噴出することによって前記パージ気体域3を生じさせる。
【0029】
このパージ気体域3は、その外周部と静止流体との接触部に摩擦応力が発生し、パージ気体域3の外周部に環状剪断層5が生じ、パージ気体域3の両端間の中心部、換言すれば測定光路にはノズル出口20での気体流速が保たれるポテンシャルコア4を生じさせることができる。すなわち、絞り量が比較的多いノズル出口20から噴出させるため、その噴出流域中心部の流速を比較的速くすることができるとともに、噴出流域外周部の乱流を十分に抑制することができ、ポテンシャルコアを比較的長くすることができる。このようにポテンシャルコア4内を測定光路とするため、劣悪な周辺環境の下においても従来例の如く2種類の気体パージノズルを用いたり、又は導光管を用いたりすることなく良好な測定光路を確保することができる。
【0030】
以上の如く構成された気体パージ装置Bの有効性を確認するため、オフラインにおいて、熱線流速計により評価試験を実施した。図4はその際の実験装置1の構成を示す模式図である。
【0031】
実験装置1は、ノズル出口20を上方へ向けて開放した気体パージノズル2の上側に、オシロスコープ10に接続された熱線流速計11のプローブ11aを配置し、また、気体パージノズル2の一側にミストスプレー6を配置し、該ミストスプレー6からノズル出口20へ向けて霧を吹き付けることにより、パージ気体域3へ霧状水滴を巻き込むことが可能としてある。
【0032】
気体パージノズル2は、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有しない第1ノズルと、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有する第2ノズルとを別個に用い、これら第1ノズル及び第2ノズルのノズル出口20の内径Dをφ50mm、気体噴出流量を8Nm3/minとした。
【0033】
また、熱線流速計11は、約150℃に加熱されたワイヤー又はフィルム(熱容量が小さい)を先端に有するプローブ11aをパージ気体域3に配置し、プローブ11aがパージ気体域3の気体に奪われた熱量を測定し、流速に換算するセンサであり、測定に使用した熱線流速計11は、プローブ11aとして円錐形フィルムプローブを使用し、測定流速レンジは0〜200m/s 、測定周期は10kHz である。また、プローブ持部にはXYZステージが備わっており、パージ気体域3の任意の点で流速を測定可能としてある。実験では、各測定位置において、1000点連続して測定した流速結果に基づいて、平均流速、乱流強度(流速の標準偏差/平均流速)を算出した。
【0034】
霧状水滴の巻き込みの評価としては、ミストスプレー6にて水滴をパージ気体域3へ巻き込ませた状態において、熱線流速計11によって流速を測定することにより評価できる。前記プローブ11aによる気体流速の測定位置に霧状水滴が侵入してくれば、水は気体の比べて熱容量が大きいため、プローブ11aは多くの熱を奪われ、流速が高めに測定される現象を利用した。
【0035】
図5は第1ノズルの特性を示す図であり、図6は第2ノズルの特性を示す図である。
ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有しない第1ノズルから噴出された気体によって生じるパージ気体域3の測定位置での流速分布は、中心部を頂点として外周側へ広がるに伴い比較的急激に遅くなり、中心部を頂点とする略円錐形状となるのに対し、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有する第2ノズルから噴出された気体によって生じるパージ気体域3の測定位置での流速分布は、中心部から外周側へ適宜の幅に亘ってほぼ同速である。このように第2ノズルにあっては測定位置でのポテンシャルコア4の広がりが、第1ノズルに比較して大幅に大きいため、ポテンシャルコア4の長さを大幅に長くすることができる。
【0036】
図7はポテンシャルコア4を生じさせる手段を有しない第1ノズルを用いた際のパージ気体域3中心部の中心線上での流速変化を示したグラフである。ミストスプレー6から霧状水滴を噴霧しない場合、中心線上での流速はパージ気体域3の長さが長くなるに従って比較的急激に減少することになり、また、ミストスプレー6から噴霧された霧状水滴がパージ気体域3に巻き込まれた場合、ノズル出口20から150mmたらずの距離で流速が若干高めに出力されパージ気体域3の中心にまで水滴が侵入してきていることが分かる。
【0037】
図8はポテンシャルコア4を生じさせる手段を有する第2ノズルを用いた際のパージ気体域中心部の中心線上での流速変化を示したグラフである。ミストスプレー6から霧状水滴を噴霧しない場合、中心線上での流速はノズル出口20から250mmの距離に亘って保持され、この距離はノズル出口20の内径の5倍に相当する。また、ミストスプレー6から噴霧された霧状水滴がパージ気体域3に巻き込まれた場合、ノズル出口20から250mmの距離で流速が若干高めに出力されパージ気体域3の中心にまで水滴が侵入してきていることが分かる。
【0038】
これら図5〜図8の実験結果により、ノズル出口20の流速が保持されるポテンシャルコア4には周辺雰囲気が巻き込まれないこと、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を備えている方が、ポテンシャルコア4の長さを長くすることが可能であり、その長さはノズル出口20の内径の5倍であること、換言すれば気体パージノズル2及び測定対象面Aの間の距離がノズル出口20の内径の5倍以内にすることが好ましいことが分かる。
【0039】
本発明に係る気体パージ装置Bの有効性を光学式測定器1としてレーザードップラー速度計を用いて確認試験を実施した。この確認試験は、霧状水滴が充満する熱間圧延の搬送ライン、パスラインの下においてレーザードップラー速度計による鋼板の速度測定を行ったものであり、図9はその際の実験装置2の構成を示す模式図である。
【0040】
実験装置2は、複数の搬送ロール7によって搬送される鋼板8の下側に気体パージ装置Bが配置されている。
【0041】
気体パージノズル2は、実験装置1と同様、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有しない第1ノズルと、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有する第2ノズルとを別個に用いるのであり、これら第1ノズル及び第2ノズルのノズル出口20から鋼板パスラインまでの距離は200mmに固定してある。尚、ノズル出口20の内径はφ50mm、気体噴出流量は8Nm3/minである。
【0042】
また、レーザードップラー速度計は、焦点距離1000mmの熱間測定を対象としたものである。
【0043】
図10は第1ノズルを用いた際のレーザードップラー速度計の出力変動を示したグラフ、図11は第2ノズルを用いた際のレーザードップラー速度計の出力変動を示したグラフである。
【0044】
第2ノズルを用いたものは、パージ気体域3の測定光路となる中心部は全長に亘ってノズル出口20での流速が保持されており、しかも、この中心部のポテンシャルコア4には霧状水滴等の周辺雰囲気が巻き込まれないため、ポテンシャルコア4を生じさせる手段を有しない第1ノズルを用いたものに比較して速度測定のバラツキを大きく改善することができ、精度のよい測定が可能になっていることが分かる。
【0045】
実施の形態2
図12は気体パージノズルのノズル出口部分の断面図、図13は図12の気体パージノズルによって生ずるパージ気体域(噴出流域)の流速分布の変化を示す模式図である。
この実施の形態2は、整流手段21を備え、さらにノズル出口20を絞ることによってポテンシャルコア4を生じさせるように構成する代わりに、大径ノズル出口20aを有する大径ノズル本体24内に小径ノズル出口20bを有する小径ノズル本体25が適宜の間隔を隔てて同軸的に設けられている気体パージノズル2aとしたものであり、その他の構成及び作用は実施の形態1と同じであるため、共通部品については同じ符号を付し、その詳細な説明、構造及び作用を省略する。
【0046】
小径ノズル出口20bは大径ノズル出口20aよりも適宜距離内側に配置してあり、また、大径ノズル本体24及び小径ノズル本体25は、気体供給源に個別に連通しており、この気体供給源から供給された気体を大径ノズル出口20a及び小径ノズル出口20bから測定対象面Aへ向けて噴出し、この測定対象面Aと気体パージノズル2aとの間にパージ気体域3を生じさせる。大径ノズル本体24内には小径ノズル本体25が同軸的に設けられているため、大径ノズル出口20aでは環状の流速分布となり、小径ノズル出口20bでは棒状の流速分布となり、これら環状及び棒状の流速分布で噴出されることにより、これらがその噴出流域で合流する。従って、大径ノズル本体24及び小径ノズル本体25に供給する気体流量を調整することにより、大径ノズル出口20aにおいて一様な流速分布を得ることができ、ポテンシャルコア4の長さを比較的長くすることができ、良好な測定光路を得ることができる。尚、この実施の形態2においても、ポテンシャルコア4の長さは、大径ノズル出口20aの内径のほぼ5倍にすることができる。
【0047】
【発明の効果】
以上詳述した如く第1発明によれば、ノズル出口での気体流速を測定対象面に亘って確保することができる位置に気体パージノズルを配置し、該気体パージノズル及び測定対象面の間にパージ気体域を生じさるため、従来例の如く導光管を用いることなく劣悪な環境下でも測定に必要な安定した光路を確保でき、安定した高精度な測定を行うことができる。しかも、大径ノズル本体及び小径ノズル本体に供給する気体流量を調整することにより、大径ノズル出口において一様な流速分布を得ることができ、ポンシャルコアの長さを比較的長くすることができ、良好な測定光路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】気体パージノズルが噴出して生ずるパージ気体域の発達過程を示す模式図である。
【図2】実施の形態1に係る気体パージ装置及び気体パージ方法に用いられる気体パージノズルのノズル出口部分の断面図である。
【図3】本発明に係る気体パージ方法の模式図である。
【図4】本発明に係る気体パージ装置及び気体パージ方法の実験装置1の構成を示す模式図である。
【図5】ポテンシャルコアを生じさせる手段を有しない第1ノズルの特性を示す図である。
【図6】ポテンシャルコアを生じさせる手段を有する第2ノズルの特性を示す図である。
【図7】ポテンシャルコアを生じさせる手段を有しない第1ノズルを用いた際のパージ気体域中心部の中心線上での流速変化を示したグラフである。
【図8】ポテンシャルコアを生じさせる手段を有する第2ノズルを用いた際のパージ気体域中心部の中心線上での流速変化を示したグラフである。
【図9】本発明に係る気体パージ装置及び気体パージ方法の実験装置2の構成を示す模式図である。
【図10】実験装置2に第1ノズルを用いた際のレーザードップラー速度計の出力変動を示したグラフである。
【図11】実験装置2に第2ノズルを用いた際のレーザードップラー速度計の出力変動を示したグラフである。
【図12】本発明に係る気体パージ装置及び気体パージ方法に用いられる気体パージノズルのノズル出口部分の断面図である。
【図13】図12の気体パージノズルによって生ずるパージ気体域の流速分布の変化を示す模式図である。
【符号の説明】
1 光学式計測器
2,2a 気体パージノズル
20 ノズル出口
20a 大径ノズル出口
20b 小径ノズル出口
21 整流手段
22 案内路
23 絞り部
24 大径ノズル本体
25 小径ノズル本体
3 パージ気体域
4 ポテンシャルコア
Claims (1)
- 光学式計測器の測定対象面側に設けられた気体パージノズルが気体を噴出することによって測定光路の周りにパージ気体域を生じさせるようにした気体パージ装置において、前記気体パージノズルは、大径ノズル出口を有する大径ノズル本体と、小径ノズル出口を有し、前記大径ノズル本体内に同軸的に設けられた小径ノズル本体とを備えており、該大径ノズル本体及び小径ノズル本体が気体供給源に個別に連通されていることを特徴とする気体パージ装置。
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