JP7438721B2 - 炉内監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温雰囲気炉の内部を監視する装置に関し、殊に炉内の広範囲にわたって広角に監視する監視装置に関するものである。

従来、加熱炉等の高温雰囲気炉内において、搬送される被加熱材の蛇行の有無、炉内設備の状態、被加熱材の表面性状、バーナー火炎の状態等を監視する目的で、炉内監視装置が必要とされている。

熱間圧延前の鋼材を加熱する加熱炉の場合、炉幅に対して炉高が低く、鋼材の表面を１台の監視装置で監視するためには、極めて広角な監視が必要になる。また、監視装置が設置される加熱炉内の上部は、最高温度１３００℃程度と高温になるうえ、炉内雰囲気中の異物成分が付着しやすいことから、広角な撮像が可能な一般の撮像装置では、このような厳しい条件に耐えることができない。そのため、従来、炉内を見渡せる加熱炉の上部付近には監視装置が装備されていないのが実情であり、通常は、抽出部に向けて炉の出口付近に監視装置を設置していた。

例えば特許文献１には、カメラと、カメラに光を導くレンズ部と、レンズ部の外周面を覆うように配設され、内部に冷却媒体（冷却水及び冷却空気）が流通する冷却部とを備え、レンズ部を炉内側に向けた状態で、炉壁の第１の耐火物に設けられた取付孔に取り付けられ、第１の耐火物よりも熱伝導度の低い第２の耐火物が、冷却部の外周面と取付孔の内周面の間に、冷却部の外周面を覆うように配設された炉内監視装置が開示されている。

また、特許文献２には、高温雰囲気炉内に挿入された筒状の撮影部により、高温雰囲気炉内の状態を撮影する高温雰囲気炉内観察装置において、両端が開口した略管状のカメラハウジングにカメラ本体部を内蔵させ、カメラハウジングの元端側から冷却ガスを供給してカメラ本体部を冷却し、カメラハウジングの先端から冷却ガスを排出すると共に、カメラハウジングの先端近傍にガス逃し口を設け、冷却ガスの一部をカメラハウジングの外に排出し、カメラハウジングの先端から排出された冷却ガスと合流させて前記撮影部の外に放出させる高温雰囲気炉内観察装置が開示されている。

特開２０１５－１６９３６５号公報 特開２００９－２３６３９１号公報

しかしながら、特許文献１は、冷却によって炉内雰囲気中の異物成分が固化してレンズに付着し、死角が形成されるのを防止することを目的としたものであり、高温雰囲気炉内の監視装置として使用する際の耐熱性能が十分ではない。

また、特許文献２に記載されたように冷却ガスのみの冷却機構では、最大１３００℃程度に達するような高温雰囲気炉内では十分な冷却が不可能であり、撮像装置の耐熱機構として不十分である。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、高温雰囲気炉内を広角に監視できる監視装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、高温雰囲気炉の内部を監視する炉内監視装置であって、先端部に配置された光学系および二次元撮像素子を備えた撮像装置と、前記撮像装置の外周に設けられた、冷却水が流通する水冷部と、前記水冷部の外周に設けられた、冷却ガスが流通する空冷部と、によって管状の管体部が形成され、前記水冷部は、前記管体部の中心軸側の往路と前記往路の先端から折り返す外周側の復路とからなり、前記撮像装置の外周は保護管で覆われ、前記水冷部の先端側の管壁に、前記保護管の先端面を押し付ける弾性体を備え、前記空冷部は、前記管体部の先端側が外部に向けて開放され、前記空冷部を流通した冷却ガスが前記管体部の先端側から放出されることを特徴とする、炉内監視装置を提供する。

前記管体部は、前記撮像装置の先端側に視野窓を有し、前記視野窓は、前記撮像装置の撮像素子のアスペクト比に応じた四角形状であってもよい。その場合、前記水冷部を構成する管壁の先端が、前記視野窓の窓枠を形成していてもよい。

本発明によれば、加熱炉等の高温雰囲気炉内を広範囲に監視することができる。

本発明の炉内監視装置を設置する高温雰囲気炉の一例としての加熱炉の平面図である。 図１の加熱炉をＡ－Ａ方向から見た縦断面図である。 本発明の実施形態に係る炉内監視装置の断面図である。 図３の炉内監視装置の先端部の拡大図である。 本発明の異なる実施形態に係る炉内監視装置の先端部の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１および図２は、本発明の炉内監視装置を設置する高温雰囲気炉の実施形態の例を示す。本実施形態では、被加熱材を鋼材とし、高温雰囲気炉を、熱間圧延前の鋼材を加熱する加熱炉とする。

図１は加熱炉Ｆの平面図である。本実施形態に係る加熱炉Ｆはウォーキングビーム炉であり、鋼材Ｓの長手方向を炉幅方向に向けて、鋼材Ｓを矢印に示すように図１の左側から右側へ搬送しながら炉内で加熱が行われる。図２は加熱炉Ｆの縦断面図であり、炉幅の寸法Ｗは、鋼材Ｓの長手方向の例えば６ｍよりも少し大きい寸法であり、鋼材Ｓから加熱炉Ｆの天井までの高さＨは例えば２ｍ程度である。このような加熱炉Ｆにおいて、炉内を搬送される鋼材Ｓの蛇行の有無や鋼材Ｓの加熱表面の状況等を監視するために、炉内監視装置が設けられる。

加熱炉Ｆ内は、例えば１３００℃程度の高温雰囲気である。しかも、例えば鋼材Ｓの温度ムラを監視するためには、カメラの個体差に左右されず同じ条件で撮像することが求められ、そのためには、少なくとも炉幅方向には一台の撮像装置で監視することが必要である。例えば図２に示す加熱炉Ｆの場合では、炉幅方向に視野角θ＝１２０°程度の範囲にわたって監視する必要がある。ところが、視野を広角にする場合、撮像装置の視野窓を大きくする必要があり、これにより炉内からの受熱量が大幅に増加するとともに、炉内雰囲気中の異物成分が付着しやすくなって視野欠損が発生するという問題がある。そこで、監視装置の耐熱性を向上させるとともに、炉内雰囲気中の異物成分の付着を抑制することが必要となる。

図３は、本発明の実施形態に係る炉内監視装置１を示す断面図であり、図４は、図３の先端部の拡大図である。炉内監視装置１は、管状の管体部２と制御部等を内蔵するカメラボックス３とを有し、管体部２の中心軸線上の先端部に、光学系と二次元撮像素子とを備えた撮像装置１１を備えている。そして、管体部２の中心軸線を中心として同心軸状に、撮像装置１１の外周側に水冷部１２、および、水冷部１２の外周側に空冷部１３が設けられている。こうして撮像装置１１を備えた管体部２が形成され、本発明では、冷却効果の高い水冷部１２を撮像装置１１に近い内周側とし、さらにその外周側に空冷部１３を設けて、冷却機構を二重構造とした。一般に、冷却水による冷却効果は、冷却ガスによる冷却効果よりも高い。したがって、撮像装置１１に近い内周側に水冷部１２を配置すると、撮像装置１１に近い内周側に空冷部１３を配置した場合と比較して高い冷却効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、水冷部１２の外周側に空冷部１３を配置しているため、空冷部１３によって水冷部１２を冷却することが可能となり、水冷部１２の高い冷却効果を維持することができる。

加熱炉に用いられる炉内監視装置１は、加熱炉上部の炉壁１０に形成された隙間に取り付けられる。したがって、狭い隙間に設置可能とするためには、全体を小型化することが好ましい。そのため、撮像装置１１としては、小型で十分な視野角を有する工業用内視鏡が好適であり、例えば１／６インチカラーＣＭＯＳセンサ等が用いられる。撮像装置１１の外周は保護管１４で覆われ、撮像装置１１は、管体部２の基端方向に延びるケーブル２１を介して、図示しない制御部に接続される。保護管１４の材質は、ステンレスでもよいが、後述する水冷部による冷却効果を高めるために、熱伝導率の高い材質、例えば銅が好ましい。この場合、保護管１４の軸線方向の銅で作られた部位の長さは、炉内の熱を受けやすい管体部２の先端側の、撮像装置１１の周囲のみでもよい。

管体部２において、撮像装置１１の先端側には、視野窓１５ａ、１５ｂが設けられている。視野窓１５は、撮像装置１１の二次元撮像素子のアスペクト比と同じアスペクト比の四角形状とし、サイズは、所望する視野角θに応じて決められる。視野窓１５ａ、１５ｂは、面積が小さいほど、炉内からの受熱量や炉内雰囲気中の異物成分の付着を最小限に抑制する効果が大きいことから、撮像装置１１に極力近づけて配置することがより好ましい。視野窓１５ａは、例えば図４に示すように、水冷部１２の管壁２７の先端面が窓枠となるように形成される。視野窓１５ａには、耐熱性の高いサファイアガラス１６が取り付けられていることが好ましく、サファイアガラス１６に赤外線を透過しない膜を蒸着してもよい。また、サファイアガラスの代わりに、耐熱性は劣るが赤外線透過を抑制する効果のある石英ガラスを用いることも可能である。撮像装置１１には、その内部に、サファイアガラスからなる図示しない視野窓を設けることが可能であるため、管体部２の視野窓１５ａと合わせて二重構造となり、耐熱性が向上する。

本実施形態において、水冷部１２は、管体部２の中心軸側の往路１２ａと、往路１２ａの先端から折り返す外周側の復路１２ｂとからなり、管体部２の基端側に設けられた冷却水入口２３から供給された冷却水が、往路１２ａの先端で折り返して復路１２ｂを基端側へ向かって流れるようになっている。往路１２ａを中心軸側にしている理由は、往路１２ａの方が復路１２ｂよりも冷却水入口２３に近い分、冷却水温が低く、冷却水温が低い往路１２ａが撮像装置１１に近い側にあることで、冷却効果をより高めるためである。また、冷却が管体部２の中心軸に対して対称に行われるので、周方向に均一な冷却が確保され、熱応力や熱ひずみに起因する変形や破損を防止できる。復路１２ｂの基端側には、冷却水排出口２４が形成されている。冷却水をチラー装置で冷却すればさらに冷却効果が増して好適である。

空冷部１３には、基端側に冷却ガスを供給する冷却ガス入口２５が設けられ、先端側は、外部に向けて開放されている。これにより、供給された冷却ガスが空冷部１３を流れた後、先端の視野窓１５ｂを通って炉内に向けて放出される。冷却ガスを放出することにより、視野窓１５ｂの前方には冷却ガスによるガスカーテンが形成され、加熱炉内の炉内雰囲気中の異物成分がサファイアガラス１６に付着するのを防ぐことができる。

水冷部１２および空冷部１３の管壁２２の材質としては、例えばステンレスが用いられる。ただし、効率よく撮像装置１１を冷却するために、少なくとも水冷部１２の先端側の管壁２７を、冷却効率の高い銅製にすることが好ましい。

さらに、水冷部１２と保護管１４との間に空気を介することなく両者を密着させて、水冷部１２による撮像装置１１側への冷却効果を高めるために、保護管１４をばね等の弾性体２６で水冷部１２の管壁２２に押しつけるようにすることが好ましい。具体的には、例えば図３、４に示すように、水冷部１２の先端側の管壁２７に、保護管１４の先端面と接触する係止部２８を形成することによって、弾性体２６で保護管１４を管体部２の先端方向へ押しつけたときに、保護管１４が係止部２８を介して管壁２７に密着する。

また、炉内に相対する管体部２の先端面には、ジルコニア等の溶射を行って耐熱性を向上させることが好ましい。

以上のように、本実施形態によれば、撮像装置１１に最も近い外周に冷却性能の高い水冷部１２、さらにその外周に空冷部１３を設け、冷却機構を二重構造とすることにより、広角に撮像する撮像装置１１を高温雰囲気炉の熱から十分に保護することができる。さらに、空冷部１３を流通した冷却ガスを先端から放出することにより、炉内雰囲気中の異物成分がサファイアガラス１６に付着するのを防ぐことができる。したがって、高温雰囲気炉内を広角に撮像し、リアルタイムで炉内の監視を行うことができる。

図５は、本発明の異なる実施形態の一例である。この例は、空冷部１３の先端の冷却ガス出口３１に傾斜を設けることにより、放出されるガスの向きをガイドするものである。さらに、保護管１４の先端部を、先端に向かって径が細くなる傾斜を有する形状とし、水冷部１２の先端側の管壁２７の内周も、保護管１４の先端部に応じた傾斜を設けることにより、保護管１４を管体部２の先端側に押しつけたときに、保護管１４の側面が水冷部１２の管壁２７に密着できるようにしたものである。これにより、冷却効果を高めることができる。その他の構造は、図３、４に示した例と同様である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本発明では、二次元撮像素子を持つ撮像装置を例に説明したが、これが二次元放射温度計等であっても良いことは明らかである。

本発明は、高温雰囲気で且つ炉内雰囲気中の異物成分が生じる空間内を広範囲に監視する監視装置として適用できる。

１ 炉内監視装置
２ 管体部
３ カメラボックス
１０ 炉壁
１１ 撮像装置
１２ 水冷部
１２ａ 往路
１２ｂ 復路
１３ 空冷部
１４ 保護管
１５ａ、１５ｂ 視野窓
１６ サファイアガラス
２１ ケーブル
２２ 管壁
２３ 冷却水入口
２４ 冷却水排出口
２５ 冷却ガス入口
２６ 弾性体
２７ 先端側の管壁
２８ 係止部

Claims (3)

1. 高温雰囲気炉の内部を監視する炉内監視装置であって、
   先端部に配置された光学系および二次元撮像素子を備えた撮像装置と、前記撮像装置の外周に設けられた、冷却水が流通する水冷部と、前記水冷部の外周に設けられた、冷却ガスが流通する空冷部と、によって管状の管体部が形成され、
   前記水冷部は、前記管体部の中心軸側の往路と前記往路の先端から折り返す外周側の復路とからなり、
   前記撮像装置の外周は保護管で覆われ、
   前記水冷部の先端側の管壁に、前記保護管の先端面を押し付ける弾性体を備え、
   前記空冷部は、前記管体部の先端側が外部に向けて開放され、前記空冷部を流通した冷却ガスが前記管体部の先端側から放出されることを特徴とする、炉内監視装置。
2. 前記管体部は、前記撮像装置の先端側に視野窓を有し、前記視野窓は、前記撮像装置の撮像素子のアスペクト比に応じた四角形状であることを特徴とする、請求項１に記載の炉内監視装置。
3. 前記水冷部を構成する管壁の先端が、前記視野窓の窓枠を形成していることを特徴とする、請求項２に記載の炉内監視装置。
   

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