JP7111142B2 - 圧延材の入射角検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧延機への圧延材の入射角を測定する鋼板入射角検出方法及び装置に関するものである。

熱間圧延工程（厚鋼板圧延、薄鋼板圧延を含む）において、鋳造されたスラブは複数又は単数の圧延機によって厚鋼板の場合６～数百ｍｍ程度、薄鋼板の場合０．８～３０ｍｍ程度の厚みの鋼板に圧延される。この圧延時において、鋼板の上下の圧延状態に非対称性が存在する場合、鋼板が高さ方向に湾曲する反りが発生することがある。鋼板の先端部に大きな反りが発生した場合、鋼板が次パス圧延時に圧延機に噛み込まれず圧延できないトラブルや、鋼板が周辺設備を破壊するといったトラブルが発生する可能性がある。特に板厚が大きい鋼板では、鋼板の剛性が高いために周辺設備を破壊する可能性がより高くなる。このようなトラブルの発生を抑制するためには、当該圧延機や前段圧延機で発生する鋼板の反りの制御が必須となる。

非特許文献１には、摩擦係数、ロール速度、ロール条件、鋼板温度、及び圧延機への入射角度等の因子に非対称性が存在する場合、鋼板に反りが発生すると記載されている。特に、鋼板の先端部や尾端部は圧延非定常域に相当するため、前述した因子の制御が難しく、鋼板の先端部や尾端部では反り量が大きくなる傾向にある。前述の因子を一つでも多く測定することによって精度よく反り量の推測が可能となり、制御をすることも可能となる。

また、鋼板が圧延機に噛み込まれる際、鋼板の先端部に反りが発生しているときには、鋼板の先端部が傾いた状態で圧延機に噛み込まれる。傾いた状態で噛みこまれた際は、入射角が変化し、非対称性が生まれるため、入射角を測定し、対応する制御を行うことが好ましい。一般的な鋼板の先端部の入射角を検出する方法として、特許文献１及び特許文献２には、圧延機入側の搬送ロールの高さと圧延機のワークロールの高さの相対位置から入射角に対応するピックアップ量を計算する方法が開示されている。特許文献３には、鋼板の先端を側面よりカメラによって撮影し、反り形状を測定する方法が開示されている。

特開２０１３－６６９２８号公報 特開２００６－７２３５号公報 特開２０１７－１８５５０７号公報

鈴木弘著、「圧延百話」第６４話、株式会社養賢堂、２０００年

特許文献１および特許文献２において、鋼板が圧延機に噛み込んだときには必ず入口側の搬送テーブルロールに接しており、圧延機の入側で鋼板の反りが無いという前提の下で、入射角を測定している。しかしながら、圧延機の入口側において鋼板の先端部に反りが発生しているとき、噛み込み時の反動によって入側の搬送テーブルロールから浮き上がる場合がある。さらには、薄鋼板の仕上げ圧延機のように複数の圧延機が直列で並んでいる場合は宙に浮いた状態で次の圧延機に噛み込むこともある。いずれの場合においても特許文献１及び特許文献２の前提が成立しないため、実際の鋼板の入射角を検出することは困難である。

また、特許文献３において、入側部分はハウジングと呼ばれる圧延機の枠やガイド、デスケーリング装置など様々な付帯設備があり、付帯設備は圧延機中の板とロールが接触している部分のカメラでの撮影の障害になり、鋼板が圧延機に噛み込むときの撮影が難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、圧延機の噛み込み時の入射角を精度よく検出することができる圧延材の入射角検出方法及び装置を提供することである。

［１］ 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射角検出方法であって、
前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材の先端部を撮像装置によって撮影して画像を取得し、
取得した前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出することを特徴とする圧延材の入射角検出方法。
［２］ 前記画像を取得する際、前記ロールバイトから離れた位置の前記圧延材の先端部を撮影することを特徴とする［１］に記載の圧延材の入射角検出方法。
［３］ 前記圧延材の入射角を求める際、前記圧延材の搬送速度を検出し、検出した搬送速度に基づいて前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込まれる圧延タイミングを推定するとともに、前記画像から前記圧延材の形状を定量化し、定量化した前記圧延材の形状を用いて、圧延タイミング時における前記入射角を求めることを特徴とする［１］または［２］に記載の圧延材の入射角検出方法。
［４］ 前記圧延材の形状を定量化する際、前記画像内の前記圧延材のエッジ部を抽出し、抽出した前記エッジ部の座標に基づいて、前記圧延材の形状を示す多項式を算出して前記圧延材の形状を定量化することを特徴とする［３］に記載の圧延材の入射角検出方法。
［５］ 前記圧延材の入射角を求める際、前記圧延材の形状を示す多項式の傾きを求め、前記画像の座標系での前記ロールバイトの座標を多項式の傾きに導入して前記入射角を求めることを特徴とする［４］に記載の圧延材の入射角検出方法。
［６］ 前記圧延材の先端部を撮影した画像と、前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込むときに、前記圧延材の先端部よりも圧延方向に対して上流側の前記圧延材を撮影した画像とを取得し、
取得した複数の前記画像に基づく前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出することを特徴とする［１］から［５］のいずれかに記載の圧延材の入射角検出方法。
［７］ 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射検出装置であって、
前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材を撮影した画像を取得する撮像装置と、
前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトにおける前記圧延材の先端部の入射角を検出する情報処理装置と、
を備えたことを特徴とする圧延材の入射角検出装置。

本発明に係る圧延材の入射角検出方法および装置によれば、画像に基づいて入射角の計測を行うことにより、圧延材が搬送テーブルロールに接してない場合であっても圧延機への噛み込み時の入射角を精度よく検出することができる。

本発明の圧延材の入射角検出装置が適用される圧延機の一例を示す模式図である。 本発明の圧延材の入射角検出装置の好ましい実施形態を示す模式図である。 図２の撮像装置が距離測定用サンプルを撮影したときのサンプル画像の一例を示す模式図である。 図２の撮像装置により取得された画像内から圧延材のエッジ部を抽出する様子を示す模式図である。 図２の撮像装置により圧延材が時系列的に撮影された際の画像を示す模式図である。 圧延材の先端部が撮影視野内に位置する様子を示す模式図である。 圧延材の先端部がロールバイトに噛み込むときの様子を示す模式図である。 圧延材の先端部が撮影視野内にある場合の圧延材の状態を示す模式図である。 圧延材の先端部が圧延機に噛み込まれるときの圧延材の状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の圧延材の入射角検出装置が適用される圧延機の一例を示す模式図であり、図２は、本発明の圧延材の入射角検出装置の好ましい実施形態を示す模式図である。この圧延材の入射角検出装置１は、例えば熱間圧延工程に適用されるものである。この熱間圧延工程においては、前工程である鋳造工程（必要に応じて鍛造工程）で製造されたスラブが１０００～１２５０℃程度の温度まで加熱された後に加熱炉から抽出される。次に、例えば厚鋼板の製造では単数もしくは複数の圧延機１０によって所定の板厚まで圧延が行われる。

図１及び図２の入射角検出装置１は、圧延材Sが圧延機１０に噛み込まれる際の基準面に対する圧延材の入射角（鋼板角度）を検出するものである。なお、基準面とは、圧延材Ｓがロールバイト３１に対して真っすぐに入る面（入射角＝０°）を意味し、入射角は基準面に対する高さ方向（矢印Ｚ方向）への傾きを意味する。

圧延機１０は、例えば４段圧延機からなり、ハウジング１１と、ハウジング１１内に設置された１対のワークロール１２及び１対のバックアップロール１３と、圧延材Ｓを圧延方向に搬送する搬送テーブルローラ１４とを備える。そして、１対のワークロール１２間には、圧延材Ｓを噛み込むためのロールバイト３１が形成されている。なお、圧延機１０は、４段圧延機からなる場合に限定されず、例えば２段圧延機や６段圧延機などの他方式も適用することができる。

図２の入射角検出装置１は、撮像装置２及び情報処理装置３を有する。撮像装置２は、圧延機１０へ搬送される圧延材Ｓを撮影するものであって、モノクロカメラであることが好ましい。通常、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の値を測定するカラーカメラは、フィルタによって各ピクセルでＲ、Ｇ、Ｂのいずれか１つの波長データを採取する。そして、測定されなかった他の波長の情報は周りのピクセルの輝度値より補間している。つまり、撮像装置２が取得したデータのうち例えばＲ値のみを用いた場合、撮像素子の画素の全てがＲ値を測定するものではないため、撮像装置２の仕様の画素数より撮影精度が低くなる。これに対して、モノクロカメラは、全てのピクセルで対して同じ波長帯の輝度を測定するため、カラーカメラよりモノクロカメラの方が撮影精度は実質的には高くなる。

なお、Ｒ値は温度上昇したときに輝度が上昇する圧延材Ｓの位置を確認する良いパラメータではある。しかしながら、圧延材Ｓの温度低下が著しいとき、エッジ部を検出することが困難になる。このため、撮像装置２は、Ｒ値のみならず少なくとも可視光から近赤外の波長帯の輝度を測定可能なモノクロカメラからなることが好ましい。ただし、カラーカメラでも圧延材Ｓを撮影することができるため、カラーカメラを用いてもよい。

撮像装置２は防塵ケースに入れて保護することが好ましい。これは、熱間圧延工程では、圧延時やデスケーリング時に飛散する細かい酸化鉄が撮像装置２に付着するのを防止するためである。また、水蒸気が多く発生している環境下で圧延材Ｓを撮影する場合には、例えば近赤外波長光のように、水蒸気の乱反射が小さくなる可視光より波長が長い光のみの輝度の画像を取得することが有効である。例えば、可視光から近赤外光までの波長の輝度が測定可能な撮像装置２に可視光をカットするフィルタが取り付けられて、近赤外の波長帯のみの画像が取得されても良い。中赤外や遠赤外カメラを用いても同様の効果を得ることができるが、撮像装置２が高価となるため好ましくない。但し、圧延材Ｓの温度が低下すると赤外波長の輝度も低下するため、環境に応じて測定する波長帯を選択することが好ましい。

撮像装置２は、圧延機１０の入口側において圧延材Ｓを撮影して画像を取得するものであって、所定周期毎（例えば０．１ｓｅｃ毎）に圧延材Ｓの画像を撮影する。撮像装置２は、圧延材Ｓの画像を斜め上方から撮影するような撮影角度αで設置されており、図２に示すように、撮像装置２の撮影視野２１はロールバイト３１から所定距離だけ離れた位置に設定されている。撮影角度αは、例えば水平方向（矢印Ｙ方向）に対して１０～６０°の範囲内で設定することが好ましい。撮影角度αが１０°未満である場合、圧延材Ｓの幅方向に高さ方向の分布があった際、圧延材Ｓが斜めになって撮影されるため、圧延材Ｓのエッジ部を検出することが困難になる。一方、撮影角度αが６０°より大きい場合には、圧延材Ｓの高さ方向の情報を得ることが難しくなる。また、圧延方向の撮影角度は圧延方向に対して垂直であることが最も良いが、板の側面が撮影できる範囲であれば
問題ない。

図２の情報処理装置３は、撮像装置２において取得された画像内の圧延材Ｓの形状から圧延機１０のロールバイト３１における圧延材Ｓの先端部の入射角を検出するものである。情報処理装置３には、画像の１ピクセルが実際の鋼板の何ｍｍ×何ｍｍに相当するかが記憶されている。この画像の１ピクセルが何ｍｍ×何ｍｍに相当するかは、例えば熱間圧延工程に所定の大きさの距離測定用サンプルを用意し、撮像装置２が距離測定用サンプルを撮影したときの画像の大きさから推定する。

図３は、撮像装置が距離測定用サンプルを撮影した際の画像の一例を示す模式図である。なお、図３中の符号Ｐｘは、画像における１ピクセルの長さを示している。図３においては、撮像装置２が一定長さの矩形のサンプル５を撮影したときに、画像Ｐ内のサンプル５は高さ方向に６ピクセル分の大きさを有する。このため、１ピクセルの長さは実際のサンプルの長さの１／６と推定できる。このように計測結果に基づき、情報処理装置３にはされた画像の１ピクセルが実際の何ｍｍ×何ｍｍに相当するかが記憶されている。

上述した１ピクセルに相当する実際の物体の大きさは、撮像装置２と撮影対象（圧延材Ｓ）との距離、撮像素子の画素数、レンズの倍率等に応じて定まる。なお、撮像装置２と圧延材Ｓとの距離は、圧延材Ｓの先端部が撮影可能な範囲であって、画像内において圧延材Ｓが識別できる距離であればよい。ただし、距離が極度に短い場合、圧延材Ｓからの輻射熱によって撮像装置２が加熱され、故障の原因となるため好ましくない。一方、距離が極度に長い場合、画像が不鮮明になり、圧延材Ｓの入射角の測定精度が低下する場合がある。望遠レンズによって画像を拡大することは可能であるが、圧延材Ｓの入射角の測定精度を鑑みて、少なくとも１ピクセルあたりの撮影長さを５ｍｍ以下にすることが好ましい。

図２の情報処理装置３は、画像内の圧延材Ｓのエッジ部を抽出することによって、圧延材Ｓを識別する機能を有する。図４は、情報処理装置におけるエッジ部の抽出の一例を示す模式図である。図４に示すように、情報処理装置３は、高さ方向（矢印Ｚ方向）の例えば複数ピクセル（図４では圧延方向１ピクセル×高さ方向５ピクセル）毎に区切りながらそれぞれの平均輝度値を算出する。そして、情報処理装置３は、高さ方向に並んだ1列ずつに対し、それぞれ、高さ方向の（ｎ～ｎ+４）番目のピクセルと（ｎ+５～ｎ+９）番目のピクセルとの平均輝度の差を算出し、次に（ｎ+1～ｎ+５）番目のピクセルと（ｎ+7～ｎ+11）番目のピクセルの平均輝度の差を算出し、高さ方向に1ピクセルずつずらし、同処理を繰り返し、すべての隣り合う複数セルの差を算出する。算出された複数隣接する平均輝度値の差が最大となった位置を圧延材Ｓのエッジ部として検出する。本処理を圧延方向全て1列ずつ行い、複数の隣接する平均輝度差の最大となったピクセルをつなぎ合わせ、鋼板の高さ位置分布を導き出す。この際、鋼板の奥側（撮像装置２から遠い側）のエッジ部が撮影される高さ位置の範囲を予め指定し、指定した範囲の中で平均値の差が最大になった位置を圧延材Ｓのエッジ部とすることが好ましい。

このように、複数ピクセルの平均輝度値を用いることにより、デスケーリング水の影響などの水乗りによって発生した水蒸気によってエッジ部が不鮮明になる箇所があっても、エッジ部を正確に検出することができる。なお、エッジ検出手法は上記手法に限らず、画像の高周波成分を抽出する等の種々の公知の手法を用いることができる。

図２の情報処理装置３は、圧延材Ｓの搬送速度を検出し、検出した搬送速度に基づいて先端部が圧延される圧延タイミングを推定する。すなわち、上述のように、圧延材Ｓは圧延機１０のハウジング１１の外側から撮影される。一方、ワークロール１２間に位置するロールバイト３１はハウジング１１の内部にある。このため、ロールバイト３１に噛み込まれる直近の圧延材Ｓは、ハウジング１１やその他の周辺設備によって隠れ、撮像装置２は圧延材Ｓがロールバイト３１に噛み込む瞬間を撮影することができず、ロールバイト３１から離れた位置の圧延材Ｓを撮影することになる。そこで、情報処理装置３は、ハウジング１１に搬送速度に基づき、圧延材Ｓの先端部がロールバイト３１に噛み込まれる圧延タイミングを推定する。

情報処理装置３は、複数の画像を用いて、圧延材Ｓが矢印Ｘ方向に搬送される際の搬送速度を算出する機能を有する。図５は、図２の撮像装置により圧延材が時系列的に撮影された際の画像を示す模式図である。なお、図５に示す画像の座標系として圧延方向をｘ方向、高さをｙ方向とする。図５のように、情報処理装置３は時刻Ａの画像と時刻（Ａ＋ｔ）の画像とから圧延材Ｓの先端部の移動距離Ｘ１を求める。なお、圧延材Ｓの先端位置は上述したエッジ抽出により把握することができる。そして、情報処理装置３は移動距離Ｘ１を時間ｔで割ることで搬送速度Ｖを求める。

一方、情報処理装置３には、画像の座標系でのロールバイト３１の位置情報（Ｘｒ，Ｙｒ）が記憶されており、ロールバイト３１から画像内の圧延材Ｓの先端部までの距離Ｘ２を把握することができる。すると、情報処理装置３が、取得した画像内の先端部が何秒後に圧延されるかの圧延タイミングを推定することができる。そこで、情報処理装置３は、所定周期毎に取得される複数の画像の中から、例えば推定した圧延タイミングよりも所定時間だけ前に撮影された画像を入射角の検出に用いる画像として選択する。

なお、搬送速度Ｖが２つの画像から算出される場合について例示しているが、例えば図示しない板速計により検出された搬送速度を用いても良い。あるいは、例えば薄鋼板の熱間圧延工程の仕上げ圧延ラインであれば直列に複数の圧延機が並んでいるため、前の圧延機の圧延速度と先進率より、次の圧延機の噛みこみタイミングを計算することもできる。圧延材Ｓの先端部は非定常部であるため、大きな反りが発生しやすく、トラブル抑止するためには測定しなければならない最重要位置であり、圧延材の噛み込みタイミングを知ることは重要になる。

そして、情報処理装置３は、画像から圧延材Ｓの形状を定量化し、圧延タイミング時における入射角を定量化した圧延材の形状を用いて求める。ここで、情報処理装置３は、圧延材Ｓの形状を定量化する際、上述のように抽出したエッジ部の座標に基づいて、圧延材Ｓの形状を示す多項式を算出して圧延材Ｓの形状を定量化する。

まず、情報処理装置３には、４次式の下記式（１）に示すような圧延材Ｓの形状を定量化するための多項式が記憶されている。

そして、上記式（１）の係数ａ０～ａ４をエッジ部の座標情報を用いて算出する。この際、係数ａ０～ａ４を最小二乗法で求めるため、式（１）は、圧延材Ｓのエッジ部の座標情報（ｘｉ，ｙｉ）（ｉ＝１～ｎ）を用いて下記式（２）の行列式として表現される。

数式（２）にエッジ部の座標情報（ｘｉ，ｙｉ）（ｉ＝１～ｎ）を入力することによって、式（１）の係数ａ１～ａ４を求めることができる。このように、実測値を用いて係数ａ１～ａ４が算出されるため、より正確な圧延材Ｓの形状を定量化することができる。なお、圧延材Ｓを４次式として定式化した場合について例示しているが、これに限らず他の次数の多項式によってエッジ部の形状を近似しても良い。ただし、高次であるほどノイズの影響が大きくなり、低次であるほど精度が低下するため、精度を確認しながら次数を決定することが好ましい。

そして、情報処理装置３は、上述のように導出した式（１）を微分して式（１）の傾き情報を求め、式（１）を微分したものにロールバイト３１の位置情報（Ｘｒ，Ｙｒ）を導入して圧延材Ｓの入射角を検出する。

次に、図１～図５を参照して、圧延材の入射角検出方法について説明する。はじめに、圧延機１０の入口側に位置する圧延材Ｓの先端部が撮像装置２によって撮影され画像が取得される。次に、情報処理装置３において、取得した画像内の圧延材Ｓの形状から圧延機１０のロールバイト３１における圧延材Ｓの先端部の入射角が検出される。このとき、情報処理装置３において、画像内の圧延材Ｓのエッジ部が抽出されることで圧延材Ｓが識別され、複数の画像を用いて圧延材Ｓの搬送速度Ｖが算出される。そして、圧延材Ｓがロールバイト３１に噛み込まれる圧延タイミングが推定され、推定した圧延タイミングに基づいて入射角を検出する画像が選択される。その後、選択した画像のエッジ部の座標情報（ｘｉ，ｙｉ）に基づいて圧延材Ｓの形状が式（１）、式（２）に基づき定量化され、式（１）を用いて入射角が検出される。

なお、図１～図５においては、圧延材Ｓの先端部が撮影時の姿勢を維持したまま水平移動してロールバイト３１に噛み込まれる場合について例示しているため、先端形状の測定に基づいて入射角を検出している。一方、先端部を測定したとしても板全体の角度によって入射角が変化する場合もある。例えば、先端部の曲率が大きい、もしくは複雑な曲線形状を有するとき、撮影視野２１の領域からロールバイト３１に搬送される間に、先端部の形状は変わらないが、上向きもしくは下向きに姿勢を変えることがある。図６は、圧延材の先端部が撮影視野内に位置する様子を示す模式図であり、図７は圧延材の先端部がロールバイトに噛み込むときの様子を示す模式図である。図６及び図７に示すように、圧延材Ｓの先端部が、撮影視野２１を通過した後、ロールバイト３１の位置において下向きに姿勢を変えている。すると、撮影視野２１内に位置しているときの圧延材Ｓの先端部の状態に基づいて検出した入射角と、実際にロールバイト３１に噛み込まれるときの入射角とにずれが生じる。

そこで、情報処理装置３は、異なる撮影タイミングで複数回撮影を行い、取得された複数の画像を用いて入射角を検出する。図８は、圧延材の先端部が撮影視野内にある場合の圧延材の状態を示す模式図である。図９は、圧延材の先端部が圧延機に噛み込まれるときの圧延材の状態を示す模式図である。情報処理装置３は、図８のように圧延材Ｓの先端部が撮影視野２１内に位置したときに、圧延材Ｓの先端部を含む先端領域Ｌ１の画像を取得する。この状態から圧延材Ｓの先端部が圧延方向へ進み、ロールバイト３１に噛み込むとき、撮影視野２１内には圧延材Ｓの先端部よりも圧延方向に対して上流側の後続領域Ｌ２が位置することになる。情報処理装置３は、圧延材Ｓの先端部が圧延機１０に噛み込まれるタイミングを圧延材Ｓの搬送速度から推測する。そして、情報処理装置３は、撮影視野２１内の後続領域Ｌ２を撮影した画像を取得する。先端領域Ｌ１の画像と後続領域Ｌ２の画像とは、つなぎ合わせることができる。例えば、圧延材Ｓの搬送速度に基づいて２つの画像をつなぎ合わせてもよいし、先端領域Ｌ１と後続領域Ｌ２のいずれにも撮影された重複部分を有し、重複部分を重ね合わせてもよい。

図８と図９とを比較したとき、ロールバイト３１への噛み込み時に先端側の領域Ｌ１が下側に傾斜しており、後続領域Ｌ２は上に凸の状態になる。情報処理装置３は、先端領域Ｌ１と後続領域Ｌ２とをつなぎ合わせることで、例えば先端領域Ｌ１と後続領域Ｌ２との境界部分の角度等から、先端領域Ｌ１がどの程度傾斜しているかを検出することができる。そして、情報処理装置３は、噛み込む前に撮影された画像（図８参照）から先端部の形状を検出するとともに、噛み込み時の画像（図９参照）から先端部の傾斜角度を検出して、圧延機１のロールバイト３１に対する圧延材Ｓの先端部の入射角を検出する。

このように、ロールバイト３１の撮影できない圧延材Ｓの先端部の姿勢を、異なる撮影タイミングで撮影された複数の画像をつなぎ合わせて入射角を検出することによって、板全体の角度を考慮した入射角度を精度よく検出することができる。さらに、圧延材Ｓのたわみも考慮し、初等力学の梁問題によって圧延材形状を修正してもよいし、例えばつなぎ合わせた圧延材形状を多項式近似し、例えば式（１）に則り近似、さらにロールバイト３１での微分による角度算出を行ってもよい。

本実施例では厚鋼板での適用例について説明する。連続鋳造された２５０ｍｍ厚のスラブを再加熱し、熱間圧延を実施した。また、４段圧延機を２基用いて、幅出し圧延を含む２０パスで製品厚である３０ｍｍまで圧延をした。

そして、それぞれの圧延機の前後を撮影するモノクロカメラからなる撮像装置を設置し、撮影画像の１ピクセルあたりの大きさが２ｍｍとなるように撮像装置に望遠レンズをつけて調整した。撮像装置のフレームレートは２０ｆｐｓとした。画像取得タイミングの異なる２枚の画像より搬送速度Ｖを計算し、圧延材Ｓの噛み込みタイミングを推測し、圧延材Ｓが３０ｍｍ圧延されたと予測される画像を選択して解析した。撮影視野２１として得られた鋼板の圧延方向長さは１．６ｍであった。撮影画像を高さ方向に５ピクセル毎の平均値を算出して鋼板のエッジ部を検出し、四次式で近似し、入射角を算出した。

なお、本試験では圧下位置を上ロール位置のみで調整したため、下側ロールの高さは変更しておらず、テーブル高さも変更しなかった。そのため、搬送テーブルロールの高さ位置とワークロールの高さ位置の差であるピックアップ量は、いずれのパスにおいても常に一定の値（例えば３ｍｍ）になる。従って、従来の特許文献１および特許文献２に記載のように、入射角が圧延材Ｓの実際の形状を考慮せず、ピックアップ量に応じて決まるとした場合、入射角もピックアップ量に相当する一定の角度になると推定される。これに対して、本発明の方法を適用した本発明例では入射角が各圧延パスで変化しており、圧延材Ｓの実際の形状に即して入射角の正確な値を取得できることが分かった。さらに、入射角に基づいて圧延ラインの制御を行うことにより、従来は平均５回／年の反りに起因するトラブルが生じ、１回につき１０分以上１週間未満の操業停止を余儀なくされていたのに対し、上記本発明の適用によって反りを起因とするトラブルはなくなった。

上記実施形態によれば、画像に基づいて入射角の計測を行うことにより、圧延材Ｓが搬送テーブルロールに接してないような場合であっても圧延機１０への噛み込み時の入射角を精度よく検出することができる。

本入射角検出方法は、厚鋼板の圧延では、複数回圧延されながら圧延機を往復するリバース圧延、圧延機の前半のパスでは圧延材の長手方向と幅方向を回転させ圧延する幅だし圧延などに適用可能である。また、薄鋼板では、厚鋼板と同様に単数もしくは複数の粗圧延機によって例えば２０～８０ｍｍ程度の厚みまで圧延材をリバース圧延もしくは一方向圧延し、その後、仕上げ圧延機と呼ばれる複数基が直列に並んだ圧延機によって所定寸法に圧延されるが、こちらにも適用可能である。ここで、圧延時に上下非対称の圧延条件が成立した場合、非対称項目により大小の異なる反りが発生する。大きな反りが発生した場合、その後の圧延ができないことがあるため、真直になるように圧延することが好ましいため、本技術は非常に有効である。

この上下非対称の要因として、鋼板の上下（表裏面）に温度差があることが挙げられる。そこで、反りを低減させるために、圧延機の前後に鋼板の冷却装置を設けることが考えられる。冷却装置としては、例えばラミナー冷却と呼ばれる棒状の水によって鋼板を冷却する装置や大流量の水を勢いよく噴射して鋼板を強冷却する装置が用いられる。そして、上述のように求めた入射角に基づき鋼板の反り量を制御するため、鋼板の上下面の温度、即ち鋼板の上下面の変形抵抗を調整可能に冷却装置を構成してもよい。具体的には、鋼板の上下面の冷却水流量を調整可能な構造や鋼板の上面又は下面いずれかの冷却を止めることができる仕様に冷却装置を構成してもよい。

また、変形抵抗のうち、たとえば上下のスケール厚によって変化する上下の変形抵抗は制御することが難しい。このような場合、他の反りへ影響する項目を制御し、上下の変形抵抗の相殺を目指すこともできる。たとえば、上述のように求めた入射角に応じてワークロール速度を上下で変更し、異周速圧延することで相殺することもできる。

上述した各設備での制御には、反り量（入射角）を把握する必要がある。そのためには、ＦＥＭ等で事前に各操業条件が反りにどの程度影響を及ぼすかを把握する。たとえば、摩擦係数、ロール速度、ロール条件、圧延材の温度及び圧延機への入射角度等の因子に非対称性が存在する場合、圧延材の反りへ定量的にどの程度影響するかを、例えば重回帰式や機械学習で数式化しておく。そして、圧延前の圧延材の反りが圧延後に所定の反りとなるように制御する。

このように、各設備を制御する際には反り量（入射角）を正確に把握することが望まれている。しかしながら、入射角については従来測定する方法がなく、入側テーブルロールとの相対位置関係から幾何学的に定量化することが多かった。しかし、前述のとおり、鋼板が圧延機に噛みこんだ際鋼板が跳ね上がり、入側テーブルロールと接触しないこともある。このような場合には入射角を入側テーブルロールとの相対関係から計算できないといった問題がある。

そこで、上記実施形態のように、画像に基づいて入射角を測定することにより、入側テーブルロールと接触しない場合であっても確実に圧延機１０への噛み込み時の入射角を精度よく検出することができる。特に、ロールバイト３１が圧延材Ｓを噛み込む瞬間の画像を用いなくても、検出した搬送速度に基づいて圧延材Ｓの先端部がロールバイト３１に噛み込まれる圧延タイミングを推定するとともに、画像から圧延材Ｓの形状を定量化し、圧延タイミング時における入射角を定量化した圧延材の形状を用いて求めることで、精度よく入射角を検出することができる。

また、圧延材Ｓの入射角を求める際、画像内の圧延材Ｓのエッジ部を抽出し、抽出したエッジ部の座標に基づいて、圧延材Ｓの形状を示す多項式を算出し、算出した多項式から圧延材Ｓの入射角を求めたとき、撮影画像という実測値に基づいて定量化するため、精度よく圧延材Ｓの定量化を行うことができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。例えば、上記実施形態において、鋼板が厚鋼板である場合について例示しているが、薄鋼板の粗圧延機はほぼ同じ構成を有するため、薄鋼板の粗圧延機を用いた場合、もしくはクラッド鋼を圧延する際にも適用することができる。

さらに、上記撮像装置２において、圧延温度に応じて撮像条件を変更するようにしてもよい。例えば圧延材Ｓの温度が低い場合、圧延材Ｓの自発光量が低下する。仮に温度が高い圧延材Ｓに合わせて露光量を調整した場合、圧延材Ｓの輝度が小さくなるため、エッジ部を検出することが困難になる。一方、圧延材Ｓの温度が高い場合には、圧延材Ｓの自発光量が増大する。仮に温度が低い圧延材Ｓに合わせて露光量を調整した場合、圧延材Ｓの輝度が高すぎてハレーションが発生し、エッジ部を検出することが困難になる。このような問題を解決するために、圧延温度を事前に予測又は測定する必要がある。圧延温度の測定が難しいときは、圧延材Ｓの温度を計算によって推定することが一般的である。ここで、測定もしくは計算された圧延温度を基に露光を調整することで、輝度の低下やハレーションといった問題を回避し、圧延材Ｓのエッジを検出しやすくできる。

１ 圧延材の入射角検出装置
２ 撮像装置
３ 情報処理装置
１０ 圧延機
１１ ハウジング
１２ ワークロール
１３ バックアップロール
１４ 搬送テーブルローラ
２１ 撮影視野
３１ ロールバイト
Ｐ サンプル画像
Ｓ 圧延材
Ｖ 搬送速度
ｘｉ 座標情報

Claims (10)

1. 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射角検出方法であって、
   前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材の先端部を撮像装置によって撮影して画像を取得し、
   取得した前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出し、
   前記圧延材の入射角を求める際、前記圧延材の搬送速度を検出し、検出した搬送速度に基づいて前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込まれる圧延タイミングを推定するとともに、前記画像から前記圧延材の形状を定量化し、定量化した前記圧延材の形状を用いて、圧延タイミング時における前記入射角を求めることを特徴とする圧延材の入射角検出方法。
2. 前記画像を取得する際、前記ロールバイトから離れた位置の前記圧延材の先端部を撮影することを特徴とする請求項１に記載の圧延材の入射角検出方法。
3. 前記圧延材の形状を定量化する際、前記画像内の前記圧延材のエッジ部を抽出し、抽出した前記エッジ部の座標に基づいて、前記圧延材の形状を示す多項式を算出して前記圧延材の形状を定量化することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧延材の入射角検出方法。
4. 前記圧延材の入射角を求める際、前記圧延材の形状を示す多項式の傾きを求め、前記画像の座標系での前記ロールバイトの座標を多項式の傾きに導入して前記入射角を求めることを特徴とする請求項３に記載の圧延材の入射角検出方法。
5. 前記圧延材の先端部を撮影した画像とともに、前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込むときに、前記圧延材の先端部よりも圧延方向に対して上流側の前記圧延材を撮影した画像とを取得し、
   複数の前記画像に基づく前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧延材の入射角検出方法。
6. 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射角検出方法であって、
   前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材の先端部を撮像装置によって撮影して画像を取得し、
   取得した前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出し、
   前記圧延材の先端部を撮影した画像とともに、前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込むときに、前記圧延材の先端部よりも圧延方向に対して上流側の前記圧延材を撮影した画像とを取得し、
   複数の前記画像に基づく前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出することを特徴とする圧延材の入射角検出方法。
7. 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射検出装置であって、
   前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材を撮影した画像を取得する撮像装置と、
   前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出する情報処理装置と、を備え、
   前記情報処理装置は、前記圧延材の搬送速度を検出し、検出した前記圧延材の搬送速度に基づいて前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込まれる圧延タイミングを推定するとともに、前記画像から前記圧延材の形状を定量化し、定量化された前記圧延材の形状を用いて、圧延タイミングにおける前記入射角を検出することを特徴とする圧延材の入射角検出装置。
8. 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射検出装置であって、
   前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材を撮影した画像を取得する撮像装置と、
   前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出する情報処理装置と、
   を備え、
   前記情報処理装置は、前記圧延材の先端部を撮影した画像とともに、前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込まれるときに、前記圧延材の先端部よりも圧延方向に対して上流側の前記圧延材が撮影された画像を取得し、かつ複数の前記画像に基づく前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出することを特徴とする圧延材の入射角検出装置。
9. 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射角検出方法であって、
   前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材の先端部を撮像装置によって撮影して画像を取得し、
   取得した前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出し、
   前記圧延材の入射角を求める際、前記圧延材の搬送速度に基づいて前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込まれる圧延タイミングを推定するとともに、定量化された前記圧延材の形状を用いて、圧延タイミングにおける前記入射角を求めることを特徴とする圧延材の入射角検出方法。
10. 圧延材が圧延機に噛み込まれる際の入射角を検出する圧延材の入射検出装置であって、
    前記圧延機の入口側に位置する前記圧延材を撮影した画像を取得する撮像装置と、
    前記画像内の前記圧延材の形状から前記圧延機のロールバイトに対する前記圧延材の先端部の入射角を検出する情報処理装置と、
    を備え、
    前記情報処理装置は、前記圧延材の搬送速度に基づいて前記圧延材の先端部が前記ロールバイトに噛み込まれる圧延タイミングを推定するとともに、定量化された前記圧延材の形状を用いて、圧延タイミングにおける前記入射角を検出することを特徴とする圧延材の入射角検出装置。

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