(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端から気体を噴射するノズルと、
前記ノズルの基端を閉塞する仕切部と、
前記仕切部を介して前記ノズルの後方に設けられ、前記ノズルの軸方向に沿って伸縮する伸縮部と
を備え、
前記伸縮部は、前記ノズルに対し前方向に力を加える弾性体を有し、
前記弾性体のばね定数をｋ［Ｎ／ｍ］、必要な追従距離変化量をｘｒ［ｍ］、供給可能な気体の最大圧力をＰｍａｘ［Ｐａ］、許容可能な気体の最小圧力をＰｍｉｎ［Ｐａ］、ノズル吐出面積をＳＮ［ｍ２］、前記ノズル先端周囲の冷却水の最大速度をＶｍａｘ、冷却水の密度をρＷ［ｋｇ／ｍ３］としたときに、前記弾性体のばね定数ｋは下記式（１）及び（２）を満たし、
前記弾性体の収縮量ｘ［ｍ］が下記式（３）及び（４）式で示されるｘｍｉｎからｘｍａｘの範囲である表面追従ノズル。
ｋ＜（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）ＳＮ／ｘｒ・・・（１）
Ｐｍｉｎ＝ρＷＶｍａｘ２／２・・・（２）
ｘｍｉｎ＝ＰｍｉｎＳＮ／ｋ・・・（３）
ｘｍａｘ＝ＰｍａｘＳＮ／ｋ・・・（４）
【請求項２】
前記ノズルに連結され前記気体を前記ノズルに供給する配管に設けられた流量計と、
前記ノズル内の圧力を測定する圧力計と、
を備える、
請求項１に記載の表面追従ノズル。
【請求項３】
前記弾性体がベローズである、請求項１又は２に記載の表面追従ノズル。
【請求項４】
前記ノズルは、内側ノズルと、前記内側ノズルに同軸上に設けられた外側ノズルとを有し、噴射される前記気体の圧力により、前記内側ノズルが前記外側ノズルに対して突出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面追従ノズル。
【請求項５】
前記内側ノズルの材質が、フェノール樹脂と、固体潤滑剤と、強化繊維とを含有する、請求項４に記載の表面追従ノズル。
【請求項６】
前記ノズル先端に、軸方向に直交する方向に平行な平坦面を有し、前記ノズル先端の外径は内径の２〜４倍である請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面追従ノズル。
【請求項７】
前記ノズルの内腔は、先端に向かって窄まっている請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面追従ノズル。
【請求項８】
前記仕切部は、光学窓を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面追従ノズル。
【請求項９】
請求項８に記載の表面追従ノズルと、
前記表面追従ノズルの後方に設けられた環境ボックスと、
前記環境ボックス内に収容された光学式観察部と、
を備え、
前記光学式観察部から前記ノズル先端に渡って観察光路が設けられている移動物体表面の観察装置。
【請求項１０】
先端から気体を噴射するノズルと、
前記ノズルの基端を閉塞する仕切部と、
前記仕切部を介して前記ノズルの後方に設けられ、前記ノズルの軸方向に沿って伸縮する伸縮部と
を有し、前記伸縮部は、前記ノズルに対し前方向に力を加える弾性体を含む表面追従ノズルと、
前記表面追従ノズルの後方に設けられた環境ボックスと、
前記環境ボックス内に収容された光学式観察部と、
を備え、前記光学式観察部から前記ノズル先端に渡って観察光路が設けられている移動物体表面の観察装置、
を用いて前記移動物体を監視するステップと、
前記移動物体を交換するタイミングを決定する、または、前記移動物体の使用条件を制御するステップと、
を備える、移動物体表面の観察方法。
【請求項１１】
前記ノズル口径をｄ［ｍ］、気体の密度をρＡ［ｋｇ／ｍ３］、冷却水の密度をρＷ［ｋｇ／ｍ３］、前記移動物体の速度をＶ［ｍ／ｓ］、噴出する気体の流量をＱ［ｍ３／ｓ］、前記移動物体表面と前記ノズル先端の間のギャップをＧ［ｍ］としたときに、下記式（５）満たす請求項１０に記載の移動物体表面の観察方法。
（ρＡ／ρＷ）１／２Ｑ／（πｄＶ）＞Ｇ・・・（５）
【請求項１２】
前記気体を前記ノズルに供給する配管を流れる前記気体の流量、及びノズル背圧に基づいて、少なくとも前記弾性体の押し込み量及び前記ノズル先端と前記移動物体表面の間のギャップの大きさのいずれか一つを推定する、請求項１１に記載の移動物体表面の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面追従ノズル、移動物体表面の観察装置、及び移動物体表面の観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板の圧延機において、良好な表面と形状とを備えた圧延鋼板を製造する上で、圧延ロールの表面状態を把握したり、プロフィール、すなわち、ロール軸方向の半径分布を正確に把握しておくことで、圧延ロールの交換タイミングを判断できるようにしたり、圧延条件や冷却条件にフィードバックして制御できるようにしておくことは重要である。【０００３】
例えば、熱間圧延中の圧延ロールは、被圧延材温度が約1000℃の高温であるため、圧延時間の経過とともに、圧延ロールを冷却していたとしても、過酷な熱影響を受けることで、表面が凸凹した肌荒れの状態となる。このような肌荒れの起きた圧延ロールで圧延が行われると、凸部に生成したスケールが圧延ロールで押圧され、圧延材に押しこまれる形となり、鋼板表面にかみ込み、スケール疵が発生する。このため、予めロール交換までの圧延量を決めておき、計画的にロール交換を行っているが、この方法では安全サイドに振った圧延量設定にする必要があり、稼働率が低下する要因となっていた。【０００４】
熱間圧延中の圧延ロールは、圧延材を高荷重で延伸すると、ロールが熱により径方向に膨張したり、摩耗により圧延材が通過した部分のみロール径が減少したりする。このロール軸方向の径変動、すなわち、プロフィールを正確に把握できないと、圧延材の厚み不良や、形状不良を発生する要因となる。そこで、従来は熱による膨張や摩耗量を、圧延材の実績条件、ロール冷却水量等のデータからコンピューターで推定して、圧延ロールプロフィールを求めていたが、この方法では精度が高くないため、形状不良が発生していた。【０００５】
このような課題への対策として、カメラでロール表面を撮影するロール表面観察方法や、所定の位置からロール外周面までの距離を超音波距離計などで測定してロール半径を演算し、この演算値に基づいてロールプロフィールを測定する方法が提案されている。【０００６】
特許文献１に記載の圧延ロールの表面観察装置は、圧延ロールに対してノズルから水を供給し、圧延ロールとノズルの間に水柱を形成して、形成した水柱を通してカメラでロール表面を撮影する。【０００７】
特許文献２に記載のロールプロフィール測定方法は、超音波距離計を内蔵したプローブと圧延ロール間に水柱を生成し、距離計から照射されたパルス状超音波がプローブとロール表面間を往復する時間から距離を求め、その距離計をガイドレールに沿ってロール軸方向に走査してロールプロフィールを測定するというものである。【０００８】
特許文献３に記載の表面検査装置は、光源と受光部を含む検査装置と、光源から出射される光ビームの軸に沿って設けられた円筒状ノズルと、円筒状ノズル内に設けられた可動ノズルとを有する。円筒状ノズルから可動ノズル中を通過する水によって可動ノズルが圧延ロールに向かって押し出され、可動ノズルと圧延ロールの間のギャップを、水の流速によって調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−８５８４３号公報
【特許文献２】特開平７−２２９７３３号公報
【特許文献３】特表２００４−５１７３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜３に記載のいずれの方法であっても、大量の冷却水のもとで測定ルートを確保するために、圧延ロールと観察カメラ又は距離計の間に水柱を形成する必要がある。このような水柱においては、ロールと冷却水との干渉によって内部に気泡が生じる。当該気泡は、観察の障害や、超音波距離計におけるノイズとなり測定の障害となる場合がある。また、流量や温度による屈折率のむらを生じやすい水を媒質として使用する測定には、レーザ距離計等の高精度な光学式センサーを適用できない。【００１１】
本発明は、移動物体の形状の変動及び距離の変動に追従しながら、ノズル近傍の水を除去することができる表面追従ノズル、移動物体表面の観察装置、及び移動物体表面の観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る表面追従ノズルは、先端から気体を噴射するノズルと、前記ノズルの基端を閉塞する仕切部と、前記仕切部を介して前記ノズルの後方に設けられ、前記ノズルの軸方向に沿って伸縮する伸縮部とを備え、前記伸縮部は、前記ノズルに対し前方向に力を加える弾性体を有する。【００１３】
本発明に係る移動物体表面の観察装置は、上記表面追従ノズルと、前記表面追従ノズルの後方に設けられた環境ボックスと、前記環境ボックス内に収容された光学式観察部と、を備え、前記光学式観察部から前記ノズルの先端に渡って観察光路が設けられている。【００１４】
本発明に係る移動物体表面の観察方法は、先端から気体を噴射するノズルと、前記ノズルの基端を閉塞する仕切部と、前記仕切部を介して前記ノズルの後方に設けられ、ノズルの軸方向に沿って伸縮する伸縮部とを有し、前記伸縮部は、前記ノズルに対し前方向に力を加える弾性体を含む表面追従ノズルと、前記表面追従ノズルの後方に設けられた環境ボックスと、前記環境ボックス内に収容された光学式観察部と、を備え、前記光学式観察部から前記ノズルの先端に渡って観察光路が設けられている移動物体表面の観察装置、を用いて前記移動物体を監視するステップと、前記移動物体を交換するタイミングを決定する、または、前記移動物体の使用条件を制御するステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の表面追従ノズルによれば、伸縮部が伸縮することによって移動物体の形状の変動及び距離の変動に追従することができる。ノズルから所定の流速で気体を噴射することにより、ノズル先端近傍の水を除去することができる。したがって、表面追従ノズルを用いることによって、水の影響を受けずに、移動物体の表面を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る観察装置が適用される熱間圧延機を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係る観察装置を示す断面図である。
【図３】本実施形態に係るノズルの部分断面図である。
【図４】ノズル先端と移動物体表面の間のギャップと、ノズル背圧の関係を示すグラフである。
【図５】実験（１）に用いた装置を示す模式図である。
【図６】実験（１）の結果を示すグラフであり、図６Ａはギャップと流量の関係、図６Ｂはノズル背圧と流量の関係を示す図である。
【図７】流量１０００Ｌ／ｍｉｎの実験結果を抜き出したグラフであり、図７Ａは押し込み量とノズル背圧の関係、図７Ｂはギャップとノズル背圧との関係を示す図である。
【図８】実験（２）に用いた装置を示す模式図である。
【図９】実験（２）の結果を示すグラフであり、図９Ａは押し込み量０ｍｍ、図９Ｂは押し込み量６ｍｍ、図９Ｃは押し込み量１２ｍｍの結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
（全体構成）
図１に示す熱間圧延機１０は、加熱炉１２と、前記加熱炉１２の下流側に圧延機１３とを備える。加熱炉１２は、上流側から搬入された移動物体としての圧延材１８に対し、火炎を吹き付けることにより、圧延材１８を加熱する。圧延材１８は、加熱炉１２において加熱された後、下流側へと搬送され、圧延機１３による圧延工程へ移行する。
【００１９】
圧延機１３は、搬送された圧延材１８に対し、一対の円柱状の熱間圧延ロール（以下、圧延ロール）１４間を通過させ、所定の厚さに圧延する。実際の熱間圧延機１０は、複数の圧延機１３を備える。圧延機１３には、冷却水供給部１６が設けられている。冷却水供給部１６は、圧延機１３に対し上流側に配置されており、上流側から圧延ロール１４に冷却水を供給する。
【００２０】
冷却水供給部１６より圧延材１８側に観察装置２０が配置されている。観察装置２０は、圧延材１８表面に接触する直前の圧延ロール１４の表面を観察する。
【００２１】
図２に示すように、観察装置２０は、表面追従ノズル２２と、環境ボックス２４と、光学式観察部２６とを備える。表面追従ノズル２２は、ノズル２８、伸縮部３０、及び仕切部３２を有する。本明細書において、表面追従ノズル２２の先端（圧延ロール側）を前方、基端（環境ボックス側）を後方とする。
【００２２】
ノズル２８は、ノズル先端から圧延ロール１４表面に向けて気体を噴射し、ノズル先端近傍の冷却水を除去する。本実施形態の場合、ノズル２８は、内側ノズル３４と、前記内側ノズル３４の外側に配置された外側ノズル３６とを有する。内側ノズル３４は、筒状の部材であって、内腔が先端に向かって窄まっており、外側へ向かって突出した鍔部３５が内側ノズル３４の基端に設けられている。外側ノズル３６は、内径が内側ノズル３４より大きい筒状の部材であって、内側へ向かって突出した縁部３７が先端に設けられている。内側ノズル３４は、外側ノズル３６内に退避可能であると共に、鍔部３５が縁部３７に接触するまでの限りにおいて、外側ノズル３６に対し進出可能である。
【００２３】
ノズル先端は、圧延ロール１４表面に対向した平坦面２９を有する。平坦面２９は、ノズル２８の軸方向に直交する方向に平行な面である。特に、円柱状の回転体である圧延ロール１４の場合、ロール表面の測定箇所の中心を通る法線とノズル中心軸（観察光路Ｌ）にずれが生じた場合でも、ノズル先端の平坦面２９にロール表面が対向するように、平らな部分の面積を確保する必要がある。内側ノズル３４の内腔が先端に向かって窄まっていることによって、圧損が生じ、内側ノズル３４は外側ノズル３６に対し進出する。ノズル先端の外径は、太くしすぎると重量が増加し伸縮動作が困難となる。したがって平坦面２９の外径は、ノズル口径ｄ（図３）の２倍〜４倍程度が望ましい。なお直交とは、厳密な直交である場合に限らず、多少ずれている場合を含む。
【００２４】
ノズル２８は、内側ノズル３４と外側ノズル３６が同じ材料で形成されている必要はない。少なくとも内側ノズル３４は、圧延ロール１４より軟質の材料で形成されている。内側ノズル３４は、摩擦係数の小さい材料、例えば固体潤滑剤を含有する材料が好ましい。具体的には、内側ノズル３４は、フェノール樹脂に、潤滑性能を向上させる固体潤滑剤及び、強化繊維としてガラス繊維を混合した材料で形成されているのが好ましい。固体潤滑剤としては、グラファイト、二硫化モリブデンなどを用いることができる。内側ノズル３４をこうした軟質の材料で形成することで、内側ノズル３４の先端が圧延ロール１４に接触した際に、圧延ロール１４を疵つけることがなくなるので好適である。
【００２５】
外側ノズル３６には、第１気体導入口３８と、第２気体導入口４０とが設けられている。第１気体導入口３８は、外側ノズル３６内へ通じている。第１気体導入口３８に供給された気体は、外側ノズル３６内を通じて内側ノズル３４の先端から外部へ噴射される。当該気体によってノズル背圧が上昇することにより、内側ノズル３４を外側ノズル３６に対し進出させる。第２気体導入口４０は、鍔部３５と縁部３７の間に通じている。第２気体導入口４０に供給された気体は、外側ノズル３６から進出していた内側ノズル３４を外側ノズル３６内に退避させる。
【００２６】
伸縮部３０は、仕切部３２を介してノズル２８の後方に設けられている。仕切部３２は、ノズル２８の基端を閉塞している。仕切部３２は、ノズル２８に供給された気体が伸縮部３０へ流通しないように、気密が保持されている。当該仕切部３２は、光学窓４８が嵌め込まれている。光学窓４８は、光学式観察部２６から出射された光、及び、圧延ロール１４から反射された光が透過可能な、ガラス製又は樹脂製の板である。
【００２７】
伸縮部３０は、内筒部４４と、外筒部４６と、弾性体としてのベローズバネ４２を有する。内筒部４４は、先端が仕切部３２に接続されており、他端が外筒部４６の先端に挿入されている。外筒部４６は、基端が環境ボックス２４の先端側表面に接続されている。内筒部４４は、基端側が、外筒部４６に対し、出入り可能である。内筒部４４及び外筒部４６は、ベローズバネ４２内に配置されている。ベローズバネ４２は、一端が仕切部３２の表面、他端が環境ボックス２４の先端側表面に接触しており、仕切部３２を介してノズル２８に対し前方向の力を与える。伸縮部３０は、ベローズバネ４２の伸縮に伴い、内筒部４４が外筒部４６内に出入りすることにより、ノズル２８の軸方向に沿って伸縮する。
【００２８】
環境ボックス２４は、先端側表面に開口２５を有し、内部に、光学式観察部２６が収容されている。開口２５を囲むように、外筒部４６の基端が接続されている。開口２５から内側ノズル３４の先端まで、一直線上に観察光路Ｌが形成されている。光学式観察部２６としては、照明と２次元カメラ、光学式の距離計、レーザードップラー速度計、放射温度計などを用いることができる。
【００２９】
光学式観察部２６として、照明と２次元カメラを用いる場合、圧延ロール１４表面を照明して、その表面の画像を２次元カメラにより撮像する。撮像された画像をもとに圧延ロール１４表面の肌荒れ状態を把握することでき、的確にロール交換や表面メンテナンスのタイミングを判断することができる。
【００３０】
光学式観察部２６として、光学式の距離計を用いる場合、レーザ光を圧延ロール１４表面に照射し、当該圧延ロール１４からの散乱光を受光するまでの時間、位置を測定することで、圧延ロール１４表面までの距離を測定する。
【００３１】
光学式観察部２６として、レーザードップラー速度計を用いる場合、レーザ光を圧延ロール１４表面に照射し、当該圧延ロール１４からの散乱光の周波数が、ドップラー効果によりシフトすることを利用し、圧延ロール１４表面の移動速度を測定する。光学式観察部２６が測定した圧延ロール１４表面までの距離、又は、圧延ロール１４表面の移動速度は、図示しない演算装置に出力される。演算装置は、当該、ロール表面までの距離、ロール表面の移動速度に基づき、圧延ロール１４の膨張や摩耗による外径の変動を算出する。算出された圧延ロール１４の膨張や摩耗による外径の変動に基づき、的確にロール交換や表面メンテナンスのタイミングを判断することができる。
【００３２】
光学式観察部２６として、放射温度計を用いる場合、圧延ロール１４から放射された赤外線の強度を測定することにより、圧延ロール１４表面の温度を測定する。測定された温度に基づき、ロールプロフィールを変化させる熱膨張や、圧延ロール１４表面を肌荒れさせる表面温度上昇の原因を特定することができる。
【００３３】
ノズル先端と圧延ロール１４表面の間のギャップＧについて図３を参照して説明する。気体を噴射してノズル先端近傍の冷却水Ｗを除去するには、冷却水Ｗの運動量を超える運動量を有する気体を噴射する必要がある。本実施形態の場合、ギャップＧの大きさを所定範囲に制御することにより、噴射する気体の流速を高め、冷却水Ｗの運動量を超える運動量を有する気体を得ることとした。
【００３４】
以下に、ギャップＧを狭くすることで、噴射する気体の流速を高めるための条件式を導出する。ノズル口径をｄ［ｍ］とすると、ノズル吐出面積ＳＮ［ｍ２］は下記式（６）であらわすことができる。
ＳＮ＝π（ｄ／２）２・・・（６）
【００３５】
また、ギャップをＧ［ｍ］とすると、ノズル先端のギャップＧの面積ＳＧ［ｍ２］は下記式（７）の通りとなる。ノズル先端のギャップＧの面積ＳＧは、ノズル先端と圧延ロール１４の表面との間のギャップＧにおける気体の流れる方向と直交する開口部分の面積をいう。
ＳＧ＝πｄＧ・・・（７）
【００３６】
ギャップＧの大きさを所定範囲に制御することにより、噴射する気体の流速を高めるためには、ギャップＧの面積ＳＧがノズル吐出面積ＳＮよりも小さい必要があるので、下記式（８）の条件を満たす必要がある。
ＳＧ＜ＳＮ
πｄＧ＜π（ｄ／２）２
Ｇ＜ｄ／４・・・（８）
【００３７】
次に、流速を増加させた気体により、速度Ｖ［ｍ／ｓ］で移動している圧延ロール１４表面と一緒に移動してくる冷却水Ｗを排除するための条件式を導出する。ノズル２８から噴出された気体はノズル先端の平坦面２９と圧延ロール１４表面のギャップＧに流れ込み圧延ロール１４表面にそって流速ＶＡ［ｍ／ｓ］で流れる。気体の流量をＱ［ｍ３／ｓ］とすると、気体の流速ＶＡ［ｍ／ｓ］は下記式（９）により示される。
ＶＡ＝Ｑ／ＳＧ＝Ｑ／（πｄＧ）・・・（９）
【００３８】
このため、気体の密度ρＡ［ｋｇ／ｍ３］、衝突断面積Ｓ［ｍ２］とすると、気体の運動量ｐＡ［ｋｇｍ／ｓ］は下記式（１０）となる。
ｐＡ＝ρＡＶＡ２Ｓ・・・（１０）
【００３９】
一方、冷却水Ｗの密度ρＷ［ｋｇ／ｍ３］とすると、ノズル先端周囲の冷却水Ｗの速度は圧延ロール１４の速度Ｖ［ｍ／ｓ］と等しいため、運動量ｐＷ［ｋｇｍ／ｓ］は下記式（１１）の通りとなる。
ｐＷ＝ρＷＶ２Ｓ・・・（１１）
【００４０】
ここで、気体の運動量が冷却水Ｗの運動量よりも大きい時に冷却水Ｗを排除できるため、下記式（１２）の条件が導かれる。
ｐＡ＞ｐＷ
ρＡＶＡ２Ｓ＞ρＷＶ２Ｓ
（ρＷ／ρＡ）１／２＞ＶＡ／Ｖ・・・（１２）
【００４１】
一方、ギャップＧが狭くなると圧損が大きくなるため、供給する気体の最大圧力により、選択できるギャップＧの下限は決まる。一般に、圧縮ガスの供給にはコンプレッサーが用いられ、最大圧力は０．７ＭＰａであるが、流量についてはコンプレッサーの大きさを選定することで対応可能である。気体の流量Ｑ［ｍ３／ｓ］は、ノズル先端のギャップＧの面積ＳＧ［ｍ２］、ノズル背圧Ｐ［Ｐａ］とすると、ベルヌーイの定理より、下記式（１３）の関係にある。
Ｑ＝ＳＧ（２／ρＡ）１／２Ｐ１／２・・・（１３）
流量を一定とすると、ギャップＧはノズル背圧Ｐの平方根に反比例する。
Ｑ＝πｄＧ（２／ρＡ）１／２Ｐ１／２
ＶＡ＝Ｑ／ＳＧであるので、（１２）式と（１３）式より
Ｖ（ρＷ／ρＡ）１／２＞（２／ρＡ）１／２Ｐ１／２
Ｐ＞（ρＷＶ２）／２
最大速度Ｖｍａｘのときにも上記式を満たす必要があるので、許容可能な最小圧力Ｐｍｉｎは以下で表すことができる。
Ｐｍｉｎ＝ρＷＶｍａｘ２／２
ここで、Ｖｍａｘ＝１５ｍ／ｓ、ρＷ＝９９７ｋｇ／ｍ３のとき、Ｐｍｉｎ＝０．１１ＭＰａである。つまり、ノズル背圧が０．１１ＭＰａ以上となるようにギャップＧを狭くする必要がある。
【００４２】
ベローズバネ４２のばね定数ｋ［Ｎ／ｍ］、収縮量ｘ［ｍ］、ノズル背圧Ｐ［Ｐａ］、ノズル吐出面積ＳＮ［ｍ２］とすると、フックの法則と力のつり合いより、下記式（１４）が成立する。
ｋｘ＝ＰＳＮ・・・（１４）
ここで、供給可能な最大圧力Ｐｍａｘ時の収縮量ｘｍａｘとすると、
ｋｘｍａｘ＝ＰｍａｘＳＮ
また、最小圧力Ｐｍｉｎ時の収縮量ｘｍｉｎとすると、
ｋｘｍｉｎ＝ＰｍｉｎＳＮ
これら２式により、
ｋ（ｘｍａｘ−ｘｍｉｎ）＝（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）ＳＮ
となる。
【００４３】
必要な追従距離変化量ｘｒとすると、このｘｒの範囲において、冷却水を排除可能な運動量とギャップＧを確保するためには、ノズル背圧によってベローズバネ４２を押し戻して収縮させる必要があるので、ｘｒ＜（ｘｍａｘ−ｘｍｉｎ）を満たすために、ばね定数ｋは、下記式（１５）を満たす必要がある。
ｋｘｒ＜（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）ＳＮ
ｋ＜（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）ＳＮ／ｘｒ・・・（１５）
【００４４】
図４に、実験により求めたギャップＧとノズル背圧の関係を示す。実験は、ベローズバネ４２を固定して伸縮しない状態として、ノズル２８先端と圧延ロール１４の表面とのギャップＧの大きさを変更していき、ノズル背圧との関係を調査した。ノズル口径ｄはφ１５ｍｍ、流量Ｑは１０００Ｌ／ｍｉｎ（一定）とした。ギャップＧは、ノズル先端が圧延ロール１４表面に接触している状態を、ゼロとした。ノズル背圧は、ノズル内の圧力を圧力計で測定した。ノズル背圧の変化範囲０．５ＭＰａ（０．１〜０．６ＭＰａ）において、０．３ｍｍ以上のギャップＧを保持できることが確認された。
【００４５】
ノズル口径φ１５ｍｍ、最大圧力０．５ＭＰａのときに収縮量１７ｍｍとすると、ｋ＝５．１９Ｎ／ｍｍとなる。すなわち、ばね定数ｋが５．１９Ｎ／ｍｍ以下のベローズバネを選定することにより、気体の圧力変化幅０．５ＭＰａにおいて、圧延ロール１４の位置が１７ｍｍ変化しても追従することができる。圧延ロール１４の位置に合わせた表面追従ノズルの伸縮量を、追従距離変化量と呼ぶ。この場合、追従距離変化量は、１７ｍｍである。
【００４６】
（作用及び効果）
観察装置２０の作用及び効果を説明する。まず、内側ノズル３４を外側ノズル３６から引き出し、停止状態の圧延ロール１４に、内側ノズル３４の先端を接触させる。このときノズル２８は鍔部３５が縁部３７に接触しておらず、完全に伸長していない状態とする。
【００４７】
次いで、第１気体導入口３８へ圧縮された気体を供給する。当該気体は、流量が一定になるように制御されている。第１気体導入口３８へ供給された気体によって、ノズル２８の内部の圧力（ノズル背圧）が上昇する。ノズル背圧によって仕切部３２には、後方向の力が生じる。当該力がベローズバネ４２による前方向の力より大きくなると、伸縮部３０は、収縮する。伸縮部３０が収縮すると、内側ノズル３４の内腔が先端に向かって窄まっていることにより、伸縮部３０と一体的に外側ノズル３６が後方へ移動し、鍔部３５が縁部３７に接触するまで内側ノズル３４が外側ノズル３６から進出する。このようにしてノズル２８が完全に伸長する。
【００４８】
ノズル背圧がさらに上昇することによって伸縮部３０がさらに収縮し、ノズル先端と圧延ロール１４の間にギャップＧが生じる。ノズル内部の圧縮気体は、ノズル先端からギャップＧを通じ、外部へ噴射される。実際には、ギャップＧが広がることにより、ノズル背圧の上昇が緩やかになり、ノズル背圧によって仕切部３２を後方向へ押す力と、ベローズバネ４２がノズル２８を前方向に押す力が釣り合ったときに、ノズル背圧の上昇及び伸縮部３０の収縮が停止する。このときのギャップＧを初期ギャップと呼ぶ。
【００４９】
内側ノズル３４は、噴射される気体によって、外側ノズル３６から進出した状態に保持される。ノズル２８は、仕切部３２によって基端が閉塞され、伸縮部３０と仕切られているため、伸縮部３０が伸縮しても、内側ノズル３４は突出した状態を維持し、ノズル２８内の体積は一定に保持される。図４に示した通り、ノズル背圧とギャップＧは、相関関係があるから、流量を一定とした場合、ノズル背圧を測定することにより、ギャップＧの大きさを推定することができる。
【００５０】
続いて、圧延機１３の動作を開始する。すなわち圧延ロール１４を回転させ、当該圧延ロール１４に冷却水Ｗを供給する。冷却水Ｗは、圧延ロール１４の表面に付着し、圧延ロール１４と一体的に回転する。
【００５１】
観察装置２０のノズル先端近傍では、当該ノズル先端から噴射された気体によって、冷却水Ｗが除去される。冷却水Ｗは、ノズル先端を避けるようにして圧延ロール１４表面を流れる。光学式観察部２６から出射された光は、観察光路Ｌを進む。ノズル先端近傍の冷却水Ｗが除去されているので、光学式観察部２６から出射された光は、冷却水Ｗにさえぎられることなく、圧延ロール１４表面に到達する。同様に、圧延ロール１４から反射された光も光学式観察部２６に到達する。したがって観察装置２０は、冷却水Ｗの影響を受けずに、光学式観察部２６により、圧延ロール１４の表面を観察することができる。
【００５２】
なお、従来の水柱を用いた観察装置においては、光学式観察部を適用することはできない。すなわち、従来の水柱を用いた観察装置においては、ロールと冷却水との干渉によって内部に気泡が生じる。当該気泡は、観察の障害や、超音波距離計におけるノイズとなり測定の障害となる場合がある。また、水は、流量や温度による屈折率のむらを生じやすいので、レーザ距離計等の光学式観察部を用いた場合、精度が著しく低下する。したがって従来の水柱を用いた観察装置では、光学式観察部を適用して圧延ロールの表面を観察することができない。
【００５３】
圧延材１８を圧延中の圧延ロール１４が、圧延材１８の熱によって膨張した場合、ギャップＧが小さくなる。ギャップＧが小さくなると、ノズル背圧が上昇する（図４）。伸縮部３０は、ベローズバネ４２が仕切部３２を前方向に押す力と、上昇したノズル背圧によって仕切部３２を後方向へ押す力が釣り合うまで、収縮する。伸縮部３０が収縮することにより、ギャップＧが初期ギャップと同程度に戻り、ノズル先端から所定の流速を有する気体が噴射される。
【００５４】
圧延材１８を圧延中の圧延ロール１４が、摩耗により径方向に収縮した場合、ギャップＧが大きくなる。ギャップＧが大きくなると、ノズル背圧が低下する（図４）。伸縮部３０は、ベローズバネ４２が仕切部３２を前方向に押す力が、低下したノズル背圧によって仕切部３２を後方向へ押す力に釣り合うまで、伸長する。伸縮部３０が伸長することにより、ギャップＧが初期ギャップと同程度に戻り、ノズル先端から所定の流速を有する気体が噴射される。
【００５５】
上記のように表面追従ノズル２２は、圧延ロール１４の膨張、収縮によって変化した圧延ロール１４の表面の位置に合わせて伸縮部３０が伸縮することにより、ギャップＧを初期ギャップに近づけるように制御する。したがって観察装置２０は、圧延ロール１４の位置が変わっても、所定の流速で気体を噴射することにより、ノズル先端近傍の冷却水Ｗを除去することができるので、冷却水Ｗの影響を受けずに、圧延ロール１４の表面を観察することができる。伸縮部３０は、仕切部３２と環境ボックス２４との間に設けられているので、表面追従ノズル２２が圧延ロール１４に追従して伸縮しても、環境ボックス２４は移動しない。表面追従ノズル２２は、ノズル背圧が仕切部３２に作用して生じる力とベローズバネ４２が生じる力のつり合いによって、圧延ロール１４の形状の変動及び距離の変動に追従するので、気体の流量を制御する必要がない。
【００５６】
圧延ロール１４を交換する際は、圧延ロール１４の回転、冷却水Ｗの供給、第１気体導入口３８への気体の供給を停止する。次いで、第２気体導入口４０を介して、鍔部３５と縁部３７の間に圧縮された気体を供給する。当該気体によって内側ノズル３４が外側ノズル３６内へ後退し、ノズル２８が収縮する。ノズル２８を収縮させることにより、圧延ロール１４を容易に交換することができる。圧延ロール１４の交換により、圧延ロール１４の半径に変化が生じる場合があるが、半径変化量が、追従ノズルの追従距離変化量内であれば、ロール表面に追従して光学式観察部２６の視野を確保することができる。
【００５７】
（実施例）
実際に図５に示す実験装置を用いて、表面追従ノズル２２の効果を検証した。第１気体導入口３８には、流量計５０、バルブ５４、圧力計５２が設けられた配管が接続されている。当該配管には図示しない圧縮気体供給装置から気体として圧縮空気が、供給されている。ノズル口径はφ１５ｍｍとした。ベローズバネ４２は、ＳＵＳ製（ばね定数ｋ：５Ｎ／ｍｍ、１４山、自然長：６７ｍｍ、伸縮量：１７ｍｍ以上）を用いた。流量計５０は、圧縮気体供給装置とノズル２８間の配管を通る圧縮空気の流量を測定する。圧力計５２は、ノズル背圧を測定する。移動物体として直径４００ｍｍの模擬ロール１４を用いた。ギャップＧは、ノズル先端と模擬ロール１４の間をマクロ撮影して得た画像から測定した。本図に示す実験装置において、ノズル２８を完全に伸長させた状態で、ノズル先端が模擬ロール１４表面に接触した位置を押し込み量０ｍｍとし、観察装置２０を模擬ロール１４へ向かって移動させたときの、ギャップＧと流量の変化を測定した。その結果を図６に示す。図６Ａは、横軸がギャップ（ｍｍ）、縦軸が流量（Ｌ／ｍｉｎ）である。図６Ｂは、横軸がノズル背圧（ＭＰａ）、縦軸が流量（Ｌ／ｍｉｎ）である。各押し込み量において、ギャップＧと流量はほぼ比例関係にあり、押し込み量が大きいほどギャップＧが開き難くなっている。一方、ノズル背圧は、流量が増加するにしたがい緩やかに上昇しており、押し込み量が大きいほど高くなることが分かった。
【００５８】
流量Ｑが１０００Ｌ／ｍｉｎ時における押し込み量とノズル背圧の関係を図７Ａ、ギャップＧとのノズル背圧の関係を図７Ｂに示す。今回用いたベローズは、ほぼ設計通り、０．５ＭＰａのノズル背圧により、押し込み量１５ｍｍでも０．３ｍｍのギャップＧを確保できることが確認できた。押し込み量とノズル背圧は、ベローズを使用しない場合の関係式（上記式（１３））に合致している。このため、ノズル背圧を測定することで、押し込み量を推定できることが分かった。また、ノズル背圧とギャップＧの大きさについても相関関係があり、ギャップＧの大きさもノズル背圧から推定可能である。また、最大ギャップは押し込み量０ｍｍのときの０．８ｍｍである。このときの冷却水を排除可能な移動物体の速度Ｖは、（１２）式（ρＡ：１．２９３ｋｇ／ｍ３（圧縮空気を使用）、ρＷ：９９７ｋｇ／ｍ３）により１５．９ｍ／ｓである。すなわち上記条件のもとでは、ロールの回転速度が１５．９ｍ／ｓ以下であれば冷却水を排除できる。
【００５９】
次に、図８に示す実験装置を用いて、観察装置２０の効果を検証した。移動物体として、円盤１４を用いた。第１気体導入口３８に、流量が１０００Ｌ／ｍｉｎ（一定）の圧縮空気を供給した。ノズル２８を伸長させた状態で、ノズル先端が円盤１４表面に接触した状態を押し込み量０ｍｍとし、観察装置２０を円盤１４へ向かって６ｍｍ、１２ｍｍ移動させたときの視野確保性を確認した。円盤１４の表面速度は、９５、３００、７３０ｍｐｍ（それぞれ、１．６ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、１２．２ｍ／ｓである）の３種類とした。円盤１４に水を供給した場合（水有り）と、供給しない場合（水無し）において、環境ボックス２４内に収容した光学式観察部２６で、移動物体表面に光を照射し、当該移動物体表面からの散乱光を受光して、当該散乱光の信号強度を測定した。その結果を図９に示す。図９は、横軸が速度（ｍｐｍ）、縦軸が信号強度（ｄＢ）であり、図９Ａが押し込み量０ｍｍ、図９Ｂが押し込み量６ｍｍ、図９Ｃが押し込み量１２ｍｍの結果である。水の有無において、信号強度に差が認められなかった。したがって表面追従ノズル２２において水が除去されており、観察装置２０は水の影響を受けずに移動物体表面を観察することができる。
【００６０】
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【００６１】
移動物体として圧延ロールに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、パイプや機械部品などの軸対称形状物体に適用することができる。また、軸対称形状物体に限らず、冷却中の鋼板など、平面状の移動物体であっても、表面までの距離変動範囲が追従ノズルの追従距離変化内であれば、適用することができ、対象移動物体の表面観察、温度測定、長さ測定などをおこなうことができる。移動物体として熱間圧延ロールに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、冷間圧延ロールに適用してもよい。
【００６２】
弾性体としてベローズバネ４２を用いた場合について説明したが、本発明これに限らず、例えば、コイルばね、ゴムなどを用いてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１４    圧延ロール（移動物体）
２０    観察装置
２２    表面追従ノズル
２４    環境ボックス
２６    光学式観察部
２８    ノズル
２９    平坦面
３０    伸縮部
３２    仕切部
３４    内側ノズル
３６    外側ノズル
４２    ベローズバネ（弾性体）
４８    光学窓
５０    流量計
５２    圧力計
【要約】
移動物体の形状の変動及び距離の変動に追従しながら、ノズル近傍の水を除去することができる表面追従ノズル、移動物体表面の観察装置、及び移動物体表面の観察方法を提供する。表面追従ノズル２２は、先端から気体を噴射するノズル２８と、前記ノズル２８の基端を閉塞する仕切部３２と、前記仕切部３２を介して前記ノズル２８の後方に設けられ、前記ノズルの軸方向に沿って伸縮する伸縮部３０とを備え、前記伸縮部３０は、前記ノズル２８に対し前方向に力を加える弾性体４２を有する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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