(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
0003603661.tif 000002
【図２】
0003603661.tif 000003
【図３】
0003603661.tif 000004
【図４】
0003603661.tif 000005
【図５】
0003603661.tif 000006
【図６】
0003603661.tif 000007
【図７】
0003603661.tif 000008
【図８】
0003603661.tif 000009
【図９】
0003603661.tif 000010
【図１０】
0003603661.tif 000011
【図１１】
0003603661.tif 000012
【図１２】
0003603661.tif 000013
【図１３】
0003603661.tif 000014