(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その場温度で、回転軸の周りを回転する本体を通してその場機械波を伝送する工程であって、前記その場機械波は前記本体の回転時に回転軸に垂直な平面に存在する方向に伝送される工程と、
第１の位置で、前記本体を通る前記その場機械波のその場伝搬時間を測定する工程と、
前記その場伝搬時間と基準温度で前記本体を通る基準機械波の基準伝搬時間とを比較して前記本体のパラメータを計算して、前記基準温度と前記その場温度との間の前記本体の熱膨張量を決定する工程と、
を含み、
前記パラメータは、
前記その場温度での前記本体の平均温度、および
前記本体の直径の変化、
からなる群より選択され、
前記パラメータは、前記本体の前記直径の変化であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000006
を含む方程式を使用して実施され、式中、
Δφは、前記直径の変化であり、
ｃは、前記基準温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記本体の熱膨張係数であり、
ｎは、前記本体の内側のエコー数であり、
Δｔは、前記その場伝搬時間と前記基準伝搬時間との間の差である、方法。
【請求項２】
前記その場機械波は、送信器によって伝送され、受信器によって測定され、
前記基準機械波は、前記送信器によって伝送され、前記受信器によって測定される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記本体は、金属加工用のロールである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記その場機械波及び前記基準機械波のそれぞれは、前記ロールの直径に沿って伝搬する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記その場機械波及び前記基準機械波のそれぞれは、前記ロールのコードに沿って伝搬する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
さらに、
前記その場温度で、前記ロールを通して第２のその場機械波を伝送する工程と、
前記第１の位置から離間した第２の位置で、前記ロールを通る前記第２のその場機械波の第２のその場伝搬時間を測定する工程と、
前記第２のその場伝搬時間と前記基準伝搬時間とを比較して、前記基準温度と前記その場温度との間の前記ロールの第２の熱膨張量を決定する工程と、
を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記その場伝搬時間の前記測定及び前記第２のその場伝搬時間の前記測定は、前記ロールに対して移動するように動作可能な単一センサによって実施される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
さらに、前記熱膨張量に基づき、
ミル設定を調節する工程、
ロール冷却を調節する工程、
ロール加熱を調節する工程、
冷却剤温度を最適化する工程、
フィードバック制御のために、ロール冷却スプレーの状態を監視する工程、
冷却スプレーを最適化する工程、及び
熱的モデルを最適化する工程、
からなる群より選択される１つを実施する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記その場伝搬時間と前記基準伝搬時間とを比較して、前記その場温度での前記本体の平均温度を決定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記本体の前記パラメータは、前記その場温度での前記本体の前記平均温度であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000007
を含む方程式を使用して実施され、式中、
ＴＡｖｇは、前記その場温度での前記本体の前記平均温度であり、
ｃは、前記基準温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記本体の熱膨張係数であり、
ｔＲは、前記基準伝搬時間であり、
ＴＲは、前記基準温度であり、
Δｔは、前記その場伝搬時間と前記基準伝搬時間との間の差である、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
その場伝搬時間および記憶された基準伝搬時間を用いて回転軸の周りを回転するロールのパラメータを計算する測定システムを含み、前記測定システムは、
前記ロールの回転時に前記ロールの回転軸に垂直な平面に存在する方向に機械波を生成するように、前記ロールに対して位置付けられている送信器と、
前記ロールを通る前記機械波の伝搬時間を測定するように、前記ロールに対して位置付けられている受信器と、
を含み、
前記パラメータは、前記ロールのその場温度での前記ロールの平均温度、および基準温度と前記その場温度との間の前記ロールの直径の変化、からなる群から選択され、
前記パラメータは、前記ロールの前記直径の変化であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000008
を含む方程式を使用して実施され、式中、
Δφは、前記直径の変化であり、
ｃは、前記基準温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記ロールの熱膨張係数であり、
ｎは、前記ロールの内側のエコー数であり、
Δｔは、前記その場伝搬時間と前記基準伝搬時間との間の差である、
ロールのパラメータを動的に測定するためのシステム。
【請求項１２】
前記送信器及び前記受信器は、前記ロールの幅に沿って縦方向に移動可能な単一センサ内に位置する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
さらに、
前記送信器から離間し、かつ前記ロールの前記回転軸に垂直な第２の平面に存在する方向に第２の機械波を前記ロール中に生成するように前記ロールに対して位置付けられる、第２の送信器と、
第２のその場伝搬時間および前記基準伝搬時間を用いて、前記ロールの第２のパラメータの前記計算のために使用される、前記ロールを通る前記第２の機械波の第２の伝搬時間を測定するように、前記ロールに対して位置付けられる第２の受信器であって、前記第２のパラメータは、前記ロールの前記その場温度での前記ロールの第２の平均温度、および前記基準温度と前記その場温度との間の前記ロールの直径の第２の変化からなる群より選択される、第２の受信器と、
を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記測定システムは、前記パラメータに基づき、
ミル設定を調節する工程、
ロール冷却を調節する工程、
ロール加熱を調節する工程、
冷却剤温度を最適化する工程、
フィードバック制御のために、ロール冷却スプレーの状態を監視する工程、
冷却スプレーを最適化する工程、及び
熱的モデルを最適化する工程、
からなる群から選択される１つを実施するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記機械波は超音波である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ロールは中空ロールであり、前記機械波は前記ロールの外面と前記ロールの内面との間を伝搬する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記受信器は、前記ロールのコードと同一線上にあり、かつ前記送信器に交差する線に沿って、前記送信器の反対側に位置付けられている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ロールの前記パラメータは、前記その場温度での前記ロールの前記平均温度であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000009
を含む方程式を使用して実施され、式中、
ＴＡｖｇは、前記その場温度での前記ロールの前記平均温度であり、
ｃは、前記基準温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記ロールの熱膨張係数であり、
ｔＲは、前記基準伝搬時間であり、
ＴＲは、前記基準温度であり、
Δｔは、前記その場伝搬時間と前記基準伝搬時間との間の差である、
請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
第１の温度での回転ロールを通る第１の機械波の第１の伝搬時間を測定する工程であって、前記第１の機械波は前記ロールの回転時に回転軸に垂直な平面に向いている工程と、
第２の温度での前記ロールを通る第２の機械波の第２の伝搬時間を測定する工程と、
前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間とを比較することによって、前記ロールのパラメータを計算する工程と、
を含み、
前記ロールの前記パラメータは、
前記第２の温度での前記ロールの平均温度、および
前記第１の温度と前記第２の温度との間の前記ロールの直径の変化、
からなる群より選択され、
前記パラメータは、前記ロールの前記直径の変化であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000010
を含む方程式を使用して実施され、式中、
Δφは、前記直径の変化であり、
ｃは、前記第１の温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記ロールの熱膨張係数であり、
ｎは、前記ロールの内側のエコー数であり、
Δｔは、前記第２の伝搬時間と前記第１の伝搬時間との間の差である、
熱膨張を動的に測定するための方法。
【請求項２０】
前記ロールの前記パラメータは、前記第２の温度での前記ロールの前記平均温度であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000011
を含む方程式を使用して実施され、式中、
ＴＡｖｇは、前記第２の温度での前記ロールの前記平均温度であり、
ｃは、前記第１の温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記ロールの熱膨張係数であり、
ｔＲは、前記第１の伝搬時間であり、
ＴＲは、前記第１の温度であり、
Δｔは、前記第２の伝搬時間と前記第１の伝搬時間との間の差である、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ロールの前記パラメータは、前記ロールの前記直径の変化であり、
前記第２の機械波は、第１の方向に前記ロールを通って伝搬し、
前記方法はさらに、
前記第２の温度での前記ロールを通る第３の機械波の第３の伝搬時間を測定する工程であって、前記第３の機械波は前記第１の方向から縦方向に離間した第２の方向に、前記ロールを通って伝搬する工程と、
前記第１の温度と前記第２の温度との間の前記ロールの第２の直径の変化を計算する工程と、
を含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
その場温度で、回転軸の周りを回転する本体を通してその場機械波を伝送する工程であって、前記その場機械波は前記本体の回転時に回転軸に垂直な平面に存在する方向に伝送される工程と、
第１の位置で、前記本体を通る前記その場機械波のその場伝搬時間を測定する工程と、
前記その場伝搬時間と基準温度で前記本体を通る基準機械波の基準伝搬時間とを比較して前記本体のパラメータを計算して、前記基準温度と前記その場温度との間の前記本体の熱膨張量を決定する工程と、
を含み、
前記パラメータは、
前記その場温度での前記本体の平均温度であり、前記パラメータの計算は、
0006490048.tif 000012
を含む方程式を使用して実施され、式中、
ＴＡｖｇは、前記その場温度での前記本体の前記平均温度であり、
ｃは、前記基準温度での音速であり、
ｄｃ／ｄＴは、温度による前記音速の変化であり、
αは、前記本体の熱膨張係数であり、
ｔＲは、前記基準伝搬時間であり、
ＴＲは、前記基準温度であり、
Δｔは、前記その場伝搬時間と前記基準伝搬時間との間の差である、方法。
【請求項２３】
前記本体は、金属加工用のロールである、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記その場機械波及び前記基準機械波のそれぞれは、前記ロールの直径に沿って伝搬する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記その場機械波及び前記基準機械波のそれぞれは、前記ロールのコードに沿って伝搬する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、
前記その場温度で、前記ロールを通して第２のその場機械波を伝送する工程と、
前記第１の位置から離間した第２の位置で、前記ロールを通る前記第２のその場機械波の第２のその場伝搬時間を測定する工程と、
前記第２のその場伝搬時間と前記基準伝搬時間とを比較して、前記基準温度と前記その場温度との間の前記ロールの第２の熱膨張量を決定する工程と、
を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記その場伝搬時間の前記測定及び前記第２のその場伝搬時間の前記測定は、前記ロールに対して移動するように動作可能な単一センサによって実施される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、前記熱膨張量に基づき、
ミル設定を調節する工程、
ロール冷却を調節する工程、
ロール加熱を調節する工程、
冷却剤温度を最適化する工程、
フィードバック制御のために、ロール冷却スプレーの状態を監視する工程、
冷却スプレーを最適化する工程、及び
熱的モデルを最適化する工程、
からなる群より選択される１つを実施する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１３年３月１２日出願の米国仮特許出願第６１／７７６，９２５号の利益を主張し、その全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本願は、ロールの熱膨張及びサーマルクラウンをその場で測定するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
圧延は、金属材料シートまたはストリップの厚さを低減するために、金属材料シートまたはストリップが一対のロールに通される、金属成形加工である。圧延の摩擦、材料変形、及び／または高温の入ってくる材料との接触から生成される高温によって、ロールは、熱膨張（サーマルクラウンとも称される）を経験する可能性がある。ロール軸に沿った熱膨張は、サーマルクラウンと称され、ロール軸に沿った熱膨張の平均は、熱膨張と称される。ロールが高温であるときのロールの熱膨張／クラウンの正確な測定が、多くの理由で必要とされ、それらの理由のうちの１つは、圧延金属ストリップが所望の平坦性及び外形を有することを確実にするために、ストリップに対して適切にロールを位置付けるために必要とされる場合、適切な調節が行われることを確実にすることである。
【０００４】
しかしながら、高いロール温度及びミルの環境のため、圧延プロセス中の要求された時間に、ロールの外形／反りを測定することは困難である。したがって、ロール表面における初期の状態及び伝熱を推定することによって、ロールの熱膨張及びサーマルクラウンの発生をシミュレーションするために、数値モデルが使用される。これらの数値モデルは直接測定を必要としないが、モデルパラメータの正確な推定が困難であるため、結果は精度が制限される。場合によっては、サーマルクラウンは、ストリップがロールバイトを出るときの、その平坦性または外形測定を使用して推測されるが、そのような方法は、精度が制限され、入口におけるシートの外形が正確に既知であり、ミルがシングルスタンドミルであり、ミルが動作している場合のみ有用である。これらの方法はまた、ストリップと接触しているロールの部分のみに適用し、したがって、ストリップの外側に位置するロールのサーマルクラウンが推定されなければならない。同様に、熱膨張は、測定された出口におけるストリップの厚さを使用して推測され得るが、推測されたクラウンの方法に関連した制限と同様の制限もまた存在する。
【０００５】
ロールのサーマルクラウンの測定の他の試みは、センサとロールとの間の距離を測定することを伴うが、それもまた制限がある。例えば、そのようなセンサが載置されるビームは変形し、センサを不正確にする可能性がある。ビーム変形を最小限に抑える、またはビーム変形を補正する試みは、煩雑（例えば、機械上／付近のかなりの空間を占める）かつ高価であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
用語「実施形態」及び同様の用語は、本開示及び以下の特許請求の範囲の主題の全てを広く指すよう意図される。これらの用語を含有する記述は、本明細書に記載される主題を制限しない、または以下の特許請求の範囲の意味もしくは範囲を制限しないと理解されるべきである。本明細書に含まれる本開示の実施形態は、この［発明の概要］ではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される。この［発明の概要］は、本開示の種々の態様のハイレベルの概観であり、以下の［発明を実施するための形態］の項にさらに記載される概念のいくつかを紹介する。この［発明の概要］は、特許請求された主題の主要もしくは本質的な特徴を特定することを目的とせず、また特許請求された主題の範囲を決定するために単独で使用されることも目的としていない。主題は、本開示の明細書全体の適切な部分、いずれかまたは全ての図面、及び各請求項を参照することによって理解されるべきである。
【０００７】
圧延ミルの内側または外側のいずれかで、ロールの熱膨張及び／またはサーマルクラウンを測定するためのシステム及び方法が開示される。いくつかの実施形態では、測定は、ロールが異なる温度であるとき、ロールの内側を移動する超音波の伝搬時間の変化を測定することによって得られる。いくつかの測定は、ロールが高温である間に行われることが可能である。
【０００８】
本明細書は、以下の添付の図面を参照し、図面中、異なる図における同様の参照番号の使用は、同様または類似の構成要素を示すことを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】センサを含むロールの等角図である。
【図２】センサに対して位置付けられるロールの概略端面図である。
【図３】第１の位置からの波動を第２の位置におけるセンサに伝送する波動発生器を含む、ロールの概略端面図である。
【図４】センサを含む中空ロールの概略端面図である。
【図５】ロール直径を進むことなく、同じ点から開始し、同じ点に達する波動を有する、ロールの概略端面図である。
【図６】サーマルクラウンを測定する例示的な方法のフローチャートである。
【図７Ａ】一実施形態に従った送信器及び受信器を有するセンサの概略図である。
【図７Ｂ】一実施形態に従った送受信器を有するセンサの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ロールが高温である間に、金属加工ロールなどのロールの熱膨張を直接測定するためのシステム及びプロセスが開示される。熱膨張は、低温である間のロール内の超音波の伝搬時間を、高温である間のロール内の超音波の伝搬時間と比較することによって計算される。本明細書で使用される場合、用語「熱膨張」は、必要に応じて、熱膨張及び熱収縮など、正及び負の熱膨張の両方を含む。
【００１１】
ロールが高温である間に、ロールの熱膨張をその場で（すなわち、ミル中で）測定することは、熱膨張の影響の正確かつ動的な制御を可能にすることができる。具体的には、サーマルクラウンの影響を制御することが有利であり得る。ロールの熱膨張のその場での正確な測定を得ることは、多くの応用性がある。例えば、ロールが高温であるときに、熱膨張のその場での正確な測定を得ることは、ミル設定及び／またはロール冷却もしくは加熱の精密な調節を可能にする（アクチュエータを使用して、または別の方法で）。熱膨張の正確な測定は、製品変化間の冷却時間の低減を可能にすることができる。熱膨張の正確な測定は、製品（例えば、金属のシート）の厚さ／外形、ならびに冷間圧延における端張力などの平坦性を改善することができる。熱膨張の正確な測定は、熱的モデルまたはロール膨張及びクラウンの精度を改善することができる。
【００１２】
より具体的には、熱膨張の直接測定を得ることは、例えば、（１）ストリップに対する厚さ目標がより迅速に達成されるように、より正確なロール隙間ゲージプリセット（すなわち、ストリップがミルに導入される前のロール隙間空間）を計算するために、（２）ストリップの平坦性／外形目標がより迅速に達成されるように、よりよいロール曲げプリセット（すなわち、ストリップがミルに導入される前の幅にわたるロール隙間空間分布）を計算するために、（３）全体的な速度／厚さを改善するために、マルチスタンドミルのスタンド間のストリップゲージのよりよい推定を生成するために、（４）全体的な平坦性及び／または外形を改善するために、マルチスタンドミルのスタンド間のストリップの厚さ形状のよりよい推定を生成するために、使用され得る。
【００１３】
加えて、熱膨張測定は、ロールの一回転にわたる熱膨張の変動を定量化するために使用され得、それは、熱によって誘発される偏心量を評価するために使用され得る。熱によって誘発される偏心の測定は、強制停止または緊急停止後に、偏心によって誘発されるゲージ変動を誘発することなく、ミルが圧延の準備ができているときに、オンラインで決定するために使用され得る。熱によって誘発される偏心の測定はまた、ロールスタンド負荷など、全体的な偏心が標準的なミルセンサを使用して測定されるとき、機械的偏心に対する熱的偏心の量を定量化するために、ロールスタック中の各ロールを測定することによって利用され得る。これらの測定は、ミル振動測定と関連するとき、振動スペクトルを解釈し、機械状態を監視する、及び／またはロール軸受などの構成要素の故障を予測（予知保全）するのに役立ち得る。
【００１４】
さらに、熱膨張測定は、冷却水温度を最適化するために、フィードバック制御のためのロール冷却スプレーの状態を監視するために、スプレー最適化のために、熱的モデル最適化のために、及び他の目的で使用され得る。
【００１５】
正確な熱膨張測定を得ることは、上述の通り、オンライン圧延モデルの精度を動的に改善することができ、圧延プロセスを動的に調節するのを補助するために使用され得る。
【００１６】
場合によっては、作業ロールの熱膨張、クラウン、及び／または偏心が測定される。他の場合、中間及び／またはバックアップロールの熱膨張、クラウン、及び／または偏心もまた測定される。
【００１７】
本明細書に開示される実施形態は、他の方法よりも正確に、かつより少ない費用で、熱膨張、クラウン、及び偏心の測定を提供することができる。
【００１８】
本明細書に開示されるシステム及び方法は、圧延での使用に限定されず、熱的変動による寸法の変化を測定することが望ましい、いかなるプロセスまたは用途にも適用され得る。加えて、開示されたシステム及び方法は、冷却されるロールの熱収縮を計算するために使用され得る。
【００１９】
これらの実施例は、本明細書で考察される一般的な主題を読み手に紹介するために示され、開示された概念の範囲を限定することを目的としていない。以下の項は、図面を参照して種々のさらなる特徴及び例を説明し、図面中、同様の番号は同様の要素を示し、方向の記載は、例示的態様を説明するために使用されるが、例示的態様と同様に、本開示を限定するために使用されるべきではない。本明細書の例示に含まれる要素は、一定の縮尺で描かれていない場合がある。
【００２０】
図１は、ロール１０２と、センサバー１１２とを含む、金属加工システム１００の等角図である。センサバー１１２は、１つ以上の個々のセンサ１０６を含むことができる。ロール１０２は、ロール１０２の中心を通って縦方向に延在する、縦軸１０４を有する。縦軸１０４はまた、回転軸としても既知である。ロール１０２は、外面１１４を有する。
【００２１】
各センサ１０６は、超音波１０８を伝送及び／または受信することが可能な、１つ以上の個々のデバイスを含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ１０６は、超音波センサ、フェーズドアレイセンサ、衝撃発生器、圧電トランスジューサ、機械波の電磁誘導／測定のためのデバイス（例えば、電磁音響トランスジューサ（ＥＭＡＴ））、レーザ、または機械波を生成及び／もしくは測定するのに好適な別のデバイスであってもよい。各センサ１０６は、１つ以上のトランスジューサを含むことができる。場合によっては、センサ１０６は、約０．５〜１０ＭＨｚの間の比較的低い周波数で動作する、超音波センサである。１つの限定されない実施形態では、センサ１０６は、圧電型０．５ＭＨｚ、直径１インチの超音波センサであり、別の実施形態では、圧電型の１０ＭＨｚ、直径０．５インチの超音波センサである。
【００２２】
本開示が、多くの場合、超音波１０８に言及するが、ロール１０２を通って伝搬することが可能な他の機械波が代わりに使用され得る。
【００２３】
図２〜５に示されるように、示される機械波１０８は、機械波１０８が移動する波動経路の表示でもある。
【００２４】
図１の実施形態に示されるように、１つ以上のセンサ１０６が、ロール１０２の幅に沿って縦方向に離間した、１つ以上の固定位置に位置付けられる。各センサは、以下にさらに詳述されるように、センサ１０６の個々の位置で測定を行う。
【００２５】
代替の実施形態では、１つ以上のセンサ１０６は、以下にさらに詳述されるように、ロール１０２の幅１１８に沿って縦方向に離間した複数の位置で、測定が行われるように、ロール１０２の幅１１８に沿って縦断する。
【００２６】
使用される測定システム２１４の種類にかかわらず、システム１００は、ロールの熱膨張、クラウン、及び偏心の三次元モデルを構築するために、１つ以上のセンサ１０６、ロール幅１１８に対するセンサの位置、及びロール１０２に対するセンサの角度位置から得られる情報を使用することができる。いくつかの実施形態では、次いで、偏心を制御するために円周方向にロール形状を調節するために、または別の方法で、急速な時間可変式冷却が使用され得る。他の実施形態では、ロール１０２の効果的なサーマルクラウンを目標値に導くために、ロール幅１１８に沿った分散型冷却が適用され得る。他の実施形態では、全体冷却が、ロール１０２の効果的な熱膨張をその目標値に変化させるように制御することができる。
【００２７】
図２は、センサ１０６に対して位置付けられるロール１０２を含む、システム２００の概略端面図である。図２に示されるセンサ１０６は、波動１０８を伝送及び／または受信することが可能な、１つ以上のトランスジューサを含む。トランスジューサまたは波動１０８を生成及び／もしくは伝送するための他の機構は、センサ１０６の一部であってもよく、またはセンサ１０６と分離していてもよい。センサ１０６は、本明細書に開示される、データ収集、データ処理、及び計算を実施するためのプロセッサ２１０に動作可能に接続され得る。プロセッサ２１０は、以下に開示されるように、測定を記憶するためのメモリ２１２に動作可能に接続され得る。センサ１０６、プロセッサ２１０、及びメモリ２１２は、測定システム２１４の構成要素と見なされ得る。
【００２８】
いくつかの実施形態では、波動結合２０４が、センサ１０６とロール１０２との間に位置付けられる。結合２０４は、波動１０８がセンサとロール１０２の表面２０８の間を伝搬するための媒体として機能する、水、乳液、ゲル、または任意の他の好適な材料もしくは機構であってもよい。波動結合２０４が水結合である場合、水結合に水を供給するために、水槽２０６が使用され得る。単一の送信器−受信器センサに対して、結合層の寸法（超音波の方向における）は、ロール−結合の接触面からのエコーが、ロールの後側からのエコーを妨げないように選択される。
【００２９】
システム１００（例えば、少なくともセンサ１０６及びプロセッサ２１０）は、波動１０８が、ロール１０２の縦軸１０４に実質的に垂直な方向に、ロール１０２の内側を伝搬するのにかかる時間を測定するように構成される。本明細書で使用される場合、縦軸１０４に実質的に垂直な方向は、縦軸１０４に実質的に垂直な平面の範囲内に入る線に沿って進む方向であってもよく、線は、必ずしもではないが縦軸１０４に交差し得る。次いで、伝搬時間測定は、ロール１０２の幅に沿った特定の点において、ロール１０２の熱膨張を計算するために、以下に説明するように使用され得る。波動１０８の伝搬時間は、時に飛行時間と称され、波動１０８が送信器と受信器との間、または本体（例えば、ロール１０２）を通って伝搬するのにかかる時間を指す。場合によっては、波動１０８は、ロール１０２の内側の１つまたは複数の反射を受ける。
【００３０】
ロール１０２の熱膨張は、ロール１０２が基準温度ＴＲ（例えば、室温）及び圧延温度ＴＨ（例えば、本明細書で使用される場合、「その場」温度または「高い」温度）であるときの、波動１０８の伝搬時間の変化を測定することによって決定される。場合によっては、波動１０８の伝搬時間は、波動が、縦軸１０４に実質的に垂直にロール１０２を通って、かつロール直径２０２（図２）にわたって伝搬するときに測定される。
【００３１】
ロール１０２を通って伝搬する波動１０８の伝搬時間は、ロール直径２０２及び音速ｃの両方によって決まる。ロール直径２０２及び音速ｃの両方は、ロール温度によって決まる。本明細書で使用される場合、ｔＲは、ロール１０２が基準温度ＴＲであるときの、ロール１０２を通る波動１０８の伝搬時間であり、ｔＨは、ロール１０２がその場温度ＴＨであるときの、ロール１０２を通る波動１０８の伝搬時間である。本明細書で使用される場合、ｔＲは、「基準伝搬時間測定」と称され得、ｔＨは、「その場伝搬時間測定」と称され得る。本明細書で使用される場合、φＲは、ロール１０２が基準温度であるときのロール直径２０２であり、φＨは、ロール１０２がその場温度であるときのロール直径２０２である。例えば、ロールは、ロールが圧延ミルから離れた位置にあるときに、または新しいロールがミル中にあるが圧延が開始していない、ロール交換の直後に、基準温度ＴＲであり得る。いくつかの実施形態では、その場測定は、基準測定を行うものと同じセンサ１０６を使用して行われる。代替の実施形態では、その場測定は、基準測定を行うもとは１つ以上の異なるセンサ１０６を使用して行われる。
【００３２】
基準熱状態（例えば、ＴＲにおけるロール１０２）からその場状態（例えば、ＴＨにおけるロール１０２）への波動１０８の伝搬時間の変化Δｔは、温度の変化ΔＴ（ここで、ΔＴ＝ＴＨ−ＴＲ）に関連し得る。伝搬時間の変化Δｔは、本明細書に記載されるように、熱膨張（すなわち、ロール直径の変化Δφ）及び最終的には高温ロールに沿った直径φＨに関連し得る。
【００３３】
以下の方程式１は、熱状態の変化（ΔＴ）によるロール直径の変化（Δφ＝φＨ−φＲ）を、熱状態の同じ変化（ΔＴ）による超音波の伝搬時間の変化（Δｔ＝ｔＨ−ｔＲ）に関連付けるために使用され得る。
（方程式１）
0006490048.tif 000002
【００３４】
方程式１において、Δφは、ロール直径の変化であり、ｃは、基準温度ＴＲにおける（例えば、室温における）音速であり、ｎは、ロール１０２の内側のエコー数であり、Δｔは、基準温度ＴＲとその場温度ＴＨとの間の波動の伝搬時間の変化（すなわち、Δｔ＝ｔＨ−ｔＲ）であり、ｔＲは、基準温度（ＴＲ）（場合によっては、室温）における伝搬時間である。以下の方程式２に見られるように、βは、ロール１０２の材料の熱膨張係数である、α、及び温度による音速の変化である、ｄｃ／ｄＴによって決まる材料パラメータである。
（方程式２）
0006490048.tif 000003
【００３５】
因数βは、所与のロール１０２（または同じもしくは実質的に同じ材料特性を有するロールのセット）に対して一度決定され得る。
【００３６】
基準温度ＴＲとその場温度ＴＨとの間の直径の変化Δφが計算され得る。ロール直径２０２の基準伝搬時間測定ｔＲは、ロール１０２の幅に沿ったいかなる位置においても（例えば、圧延ミルから離れた位置で）、基準温度ＴＲで行われ得る。基準伝搬時間測定ｔＲは、メモリ２１２中に記憶され得る。その場伝搬時間測定ｔＨは、ロール１０２の幅に沿った種々の点において、その場温度ＴＨで行われ得る。これらの種々の点のそれぞれにおける直径の変化Δφは、上記の方程式１に従って計算され得る。これらの種々の点のそれぞれにおけるその場温度（以下、φＨ）でのロール直径は、計算されたロール直径の変化Δφを基準温度におけるロール直径φＲの基準測定に足すことによって推測され得る。ロール直径φＲの基準測定は、既知の技術を使用して行われ得る。ロール直径φＲの基準測定は、メモリ２１２中に記憶され得る。
【００３７】
波動１０８の伝搬時間の変化Δｔを使用した、開示された計算は、圧延用途での使用に限定されず、任意の本体の熱膨張を得ることが望ましい任意の用途またはプロセスで使用され得る。
【００３８】
さらに、本明細書に記載される原理は、同じ原理に従っているが基準温度がその場温度よりも高い（すなわち、ＴＲ＞ＴＨ）、ロール１０２または任意の本体の熱収縮を測定するために使用され得る。
【００３９】
伝搬時間（例えば、ｔＲ及びｔＨ）は、単一の波動、唯一の経路に沿って伝搬する複数の波動の平均、または複数の経路に沿って伝搬する複数の波動の平均を使用して測定され得る。例えば、複数の経路に沿って伝搬する複数の波動の平均を使用して測定される伝搬時間は、ロール１０２の複数の直径２０２を通過する波動の平均伝搬時間であってもよく、各直径２０２は、ロール軸１０４に垂直な同一平面に位置する。つまり、複数の直径２０２は、特定の平面の平均伝搬時間を構築するために、ロール１０２の円周に沿った種々の点から測定され得る。他の実施形態では、ロール直径の変化Δφまたはロール直径φＨは、平均化され得る。
【００４０】
図３は、ロール１０２を含むシステム３００の断面図である。波動１０８の移動は、ロール１０２の全直径２０２を進む必要はない。波動１０８は、熱膨張を推測するのに有意義である任意のコード（または弦、chord）を進むことができる。波動１０８は、縦軸１０４に垂直な方向に移動する必要はなく、任意の方向に進むことができる。次いで、熱膨張の式が、幾何学的考察によって適応され得る。
【００４１】
内部接触面（例えば、内部音響接触面）からの反射を含む、ロール１０２の内側で生じる任意の反射が、熱膨張を計算するために同様に利用され得る。次いで、熱膨張の式が、幾何学的考察を使用して適応され得る。
【００４２】
いくつかの実施形態では、波動１０８は、波動１０８がロール１０２の内面４０２から反射した後、ロール１０２の表面２０８上のほぼ同じ位置で生成及び測定される（例えば、以下にさらに詳述されるように、図４中の内面４０２に反射する波動１０８）。他の実施形態では、構成は、図４と同様であるが、センサは、ロール１０２の穴４０４に位置する。他の実施形態では、波動１０８は、波動１０８がロールの何らかのコードを進んだ後、ロール１０２の表面２０８上のほぼ同じ位置で生成及び測定される（例えば、以下にさらに詳述されるように、図５の表面２０８に反射する波動１０８）。代替の実施形態では、図３に示されるように、波動１０８は、送信器３０６によって第１の位置３０２で生成され、受信器３０８によって第２の位置３０４で測定される。第１の位置３０２及び／または第２の位置３０４は、ロール１０２の表面２０８であっても、ロール１０２内であっても、またはロールの外側に位置してもよい。場合によっては、波動１０８は、第２の位置３０４に達する前に、１つまたは複数の反射を受ける。
【００４３】
図３に見られるように、送信器３０６は、受信器３０７に交差するロール１０２の割線に沿って、受信器３０７の反対側に位置付けられる。つまり、受信器３０７は、ロールのコードと同一線上にあり、かつ送信器に交差する線に沿って位置付けられ、ロールのそのコードを進む波動を測定し得る。他の実施形態では、送信器３０６及び受信器３０７は、ロール１０２に沿った任意の好適な位置に位置付けられてもよい。
【００４４】
図４は、穴４０４を有する中空ロール１０２の断面図である。穴４０４は、示されるように、中心に置かれる必要はなく、円形である必要はない。センサ１０６は、波動１０８がロール１０２を移動し、ロール１０２の内面４０２に反射するときの波動１０８の伝搬時間を測定することができる。穴４０４の平均直径は、ロール１０２が完全に回転すると計算され得る。穴４０４が偏心であるとき、平均直径は、波動１０８がロール１０２を通って伝搬する距離を決定するために使用され得る。
【００４５】
図６は、一実施形態５００に従って、熱膨張を測定し、任意の所望の調節を行うために、測定された熱膨張を使用する方法のフローチャートである。プロセッサ２１０において、ロール１０２の熱膨張は、ブロック５０２において計算される。ブロック５０２は、ブロック５０４において、ＴＲでロールを通る波動の伝搬時間を測定することと、ブロック５０６において、ＴＨでロールを通る波動の伝搬時間を測定することとを含む。熱膨張データ５１２は、ブロック５１０において、金属加工パラメータを更新するために使用され得る。金属加工パラメータは、ミル設定調節を改善するための、冷却時間の最適化のための、ロールから／への伝熱の制御を改善するための、熱的モデルを改善するための（例えば、より頻度の高い再較正）、ストリップの厚さ制御を改善するための、ストリップの外形制御を改善するための、ストリップの平坦性を改善するための、ロールの偏心補正を改善するためのパラメータなどを含む、金属加工プロセスで使用される任意の設定または調節を含むことができる。
【００４６】
図７Ａは、一実施形態に従ったセンサ１０６の概略図である。本明細書で使用される場合、センサ１０６は、送信器６０２及び受信器６０４の両方を含むことができる。代替の実施形態では、センサ１０６は、送信器６０２のみを含むことができる。代替の実施形態では、センサ１０６は、受信器６０４のみを含むことができる。送信器６０２は、上記でさらに詳述されるものなど、波動１０８を生成することが可能な任意のデバイスである。受信器６０４は、上記でさらに詳述されるものなど、受信器６０４上で伝搬／反射する波動１０８を測定することが可能な任意のデバイスである。センサ１０６が送信器６０２及び受信器６０４の両方を含む実施形態では、送信器６０２及び受信器６０４は、単一のデバイスであってもよく、または単一の筐体中に共配置される、２つの別個のデバイスであってもよい。
【００４７】
図７Ｂは、一実施形態に従ったセンサ１０６の概略図である。本実施形態では、センサ１０６は、波動１０８を伝送すること及び受信することの両方が可能な送受信器６０６を含む。
【００４８】
いくつかの実施形態では、波動１０８はさらに、縦方向及び横方向の波動または表面波を含むことができるがこれらに限定されない（表面温度及びロール円周を測定するために）。
【００４９】
上述の通り、ロールのサーマルクラウンを測定することは、多くの潜在的な応用性がある。一実施形態では、平均ロール温度（ＴＡｖｇ）は、以下の方程式３に従って推測され得る。
（方程式３）
0006490048.tif 000004
【００５０】
波動の伝搬時間の変化（Δｔ）を使用した方程式３または他の方程式は、圧延用途での使用に限定されず、任意の本体の温度を得ることが望ましい任意の用途またはプロセスで使用され得る（例えば、ＴＡｖｇ）。ロール１０２の温度を推測することは、例えば、より正確な冷却モデルを得るのに役立つことができる。冷却モデルは、いくつかのパラメータ（例えば、冷却水流を制御するアクチュエータ、圧力分布、または加熱デバイスに対するパラメータ）をロールの温度に関連付ける任意の数学的定式化であってもよい。平均ロール温度（ＴＡｖｇ）及び基準温度（ＴＲ）から、熱膨張は、熱膨張係数（α）を使用して推測され得る。
【００５１】
平均ロール表面温度は、平均ロール温度測定と同様の方法で、ロール円周に沿って移動する表面波動の移動時間の変化から推測され得る。
【００５２】
定常熱状態と仮定して、圧延負荷あり及びなしで測定される熱膨張（例えば、サーマルクラウン）の差は、ロールの内側の応力分布を計算するために、音弾性を使用して利用され得る。
【００５３】
ロール直径Δφまたはロール温度ΔＴの変化は、ロール１０２中を伝搬する波動１０８の測定のみを使用して計算され得る。外部温度測定デバイスまたは追加の距離測定デバイスの必要性はない。ロール１０２の熱膨張及び温度変化の正確な計算は、２つの測定：ｔＲ及びｔＨのみを使用して行われ得る。
【００５４】
表１は、本開示全体を通して使用される記号の参照である。各記号の意味は、参照のために以下に列挙され、本質的に限定するものではない。
【表１】
0006490048.tif 000005
【００５５】
上記に列挙された全ての特許、出版物、及び抜粋は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。種々の実施形態が記載されてきた。これらの実施形態は、例示及び説明目的のみで示され、網羅的であること、または開示される正確な形態に限定することを意図していない。多数の修正及びそれらの適応は、当業者に容易に明らかとなるであろう。
【図１】
0006490048.tif 000013
【図２】
0006490048.tif 000014
【図３】
0006490048.tif 000015
【図４】
0006490048.tif 000016
【図５】
0006490048.tif 000017
【図６】
0006490048.tif 000018
【図７Ａ】
0006490048.tif 000019
【図７Ｂ】
0006490048.tif 000020