(57)【要約】【課題】圧延機の入口で、中空ブロックの三次元的な偏心を、中空ブロック縦座標に沿って検出し、実際に役に立つ偏心の程度を表すことができる方法と装置を提供する。【解決手段】本発明は、中空ブロック１の偏心ｅの変化が、中空ブロックの縦軸線Ｌ方向に延びる縦座標ｚとこの縦座標の回りの回転角度φの関数としての壁厚ｓの変化として、式ｓ（φ，ｚ）＝ｓ０　（ｚ）＋ｓ１　（ｚ）ｃｏｓ（φ＋δ（ｚ））従って近似的に求められ、測定装置が中空ブロックの通過時に或る数の壁厚測定を行い、測定された値を計算手段に供給し、壁厚ｓの関数的な変化のために縦座標ｚと回転角度φの関数として近似を求めるために、測定された値が計算手段によってフーリエ変換を受ける。本発明は、特に方法を実施するための装置に関する。【選択図】　　図１
2004037460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に中空ブロック（１）がその縦軸線（Ｌ）の方向に入る、特に傾斜圧延機に続く圧延機の入口、とりわけ連続圧延機または押出し機の入口で、中空ブロック（１）の縦方向位置（ｚ）と周方向位置または回転角度（φ）で中空ブロック（１）の壁厚（ｓ）を測定可能である少なくとも１個の測定装置（２）によって、中空ブロック（１）の偏心（ｅ）を決定するための方法において、
中空ブロック（１）の偏心（ｅ）の変化が、中空ブロック（１）の縦軸線（Ｌ）方向に延びる縦座標（ｚ）とこの縦座標（ｚ）の回りの回転角度（φ）の関数としての壁厚（ｓ）の変化として、次式
ｓ（φ，ｚ）＝ｓ０　（ｚ）＋ｓ１　（ｚ）ｃｏｓ（φ＋δ（ｚ））
従って近似的に求められ、ここで、ｓ０　は中空ブロック（１）の平均壁厚、ｓ１　は平均壁厚ｓ０　に重ねられた壁厚振幅であり、δは縦座標（ｚ）に依存する位置角度であり、
この場合測定装置（２）が中空ブロック（１）の通過時に或る数の壁厚測定を行い、測定された値を計算手段（３）に供給し、壁厚（ｓ）の関数的な変化のために縦座標（ｚ）と回転角度（φ）の関数として次の形
【数１】
2004037460.tif 000005
の近似を求めるために、前記の測定された値が前記計算手段によってフーリエ変換を受け、ここで、ｓ０　＊とｓｉ，１　がフーリエ級数要素の数（ｎ）にわたる合計（ｉ）の際の中空ブロック（１）の壁厚のための求められたフーリエ係数であり、ｐｉ　とξｉ．１　がフーリエ級数要素の数（ｎ）にわたる合計（ｉ）の際の初期位置角度またはピッチのためのフーリエ係数であることを特徴とする方法。
【請求項２】
中空ブロック（１）が測定中その縦軸線（Ｌ）回りに回転しないことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
中空ブロック（１）の壁厚（ｓ）がレーザ−超音波−壁厚−測定方法によって測定されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
中空ブロック（１）内に型工具が配置されているときに、特に中空ブロック（１）内に芯棒が配置されているときに、中空ブロック（１）の壁厚（ｓ）が測定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
特に中空ブロック（１）がその縦軸線（Ｌ）の方向に入る、特に傾斜圧延機に続く圧延機の入口、とりわけ連続圧延機または押出し機の入口で、中空ブロック（１）の偏心（ｅ）を決定するための、特に請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法を実施する装置であって、
中空ブロック（１）の縦方向位置（ｚ）と周方向位置（φ）で中空ブロック（１）の壁厚（ｓ）を測定可能である少なくとも１個の測定装置（２）を備えている、前記装置において、
測定装置（２）が中空ブロック（１）の通過時に或る数の壁厚測定を行うために適しており、測定装置（１）が計算手段（３）に接続され、この計算手段が、測定された壁厚データ（ｓ）からフーリエ変換を経て、壁厚（ｓ）の近似的な関数変化を中空ブロック（１）の縦座標（ｚ）と回転角度（φ）の関数として求めるために適していることを特徴とする装置。
【請求項６】
少なくとも１個の測定装置（２）が、圧延機、特に傾斜圧延機の出口の範囲に配置されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１個の測定装置（２）が、中空ブロック（１）の表面に超音波信号を供給するための手段（４）を備えた超音波壁厚測定装置として形成されていることを特徴とする請求項５または６記載の装置。
【請求項８】
測定装置（２）が、超音波信号の供給によって中空ブロック（１）から放出される２つのエコー超音波信号の間の時間インターバルを測定するための手段（５，６，７，８）を備えていることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記手段（５，６，７，８）がレーザ（５）、特に半導体励起のＮｄ−ＹＡＧレーザと、光学式分析器（７）、特にファブリ−ペロ干渉計を備えていることを特徴とする請求項８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に中空ブロックがその縦軸線の方向に入る、特に傾斜圧延機に続く圧延機の入口、とりわけ連続圧延機または押出し機の入口で、中空ブロックの縦方向位置と周方向位置または回転角度で中空ブロックの壁厚を測定可能である少なくとも１個の測定装置によって、中空ブロックの偏心を決定するための方法に関する。
本発明は更に、中空ブロックの偏心を決定するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
技術の多くの分野で、鋼製の管が必要である。この管は例えば、傾斜圧延機において軸方向に固定されたマンドレルを用いて円筒状に形成された出発材料を管状の中空ブロックに変形する方法で製作される。円筒状の形成された出発材料を継目なし管に変形するために、出発材料はマンドレルを介して圧延される。このような方法は例えば特許文献１によって知られている。
【０００３】
継目なし鋼管のストレッチ圧延機と絞り圧延機およびサイジング圧延機の場合、加工すべき管は圧延機列を通過する。この圧延機列では、或る数の圧延スタンドが管の搬送方向に配置されている。各々の圧延スタンドにはロールが支承されている。このロールは圧延時にそれぞれ所定の周方向区間だけ管に接触する。その際、各々の圧延スタンドにおいて複数個のロール、例えば３個のロールが協働し、管のほぼ全周にロールが接触する。それによって、管は圧延されて縮小した直径になり、その際正確な形になる。
【０００４】
管は圧延後理想的な形を有するようにすべきである。すなわち外周の円筒状輪郭と、内周の円筒状輪郭は、２つの同心的な円を形成すべきである。しかしながら実際には、仕上げ管が常に誤差を有するので、外周の円輪郭に対して内周の円輪郭の或る程度の偏心が存在する。
【０００５】
管製造時の重要な品質パラメータは管の壁厚である。この壁厚は製造プロセスで測定および監視される。管の壁厚を測定するために超音波測定方法が知られている。パルスエコー方法による超音波厚さ測定方法は、超音波パルスの走行時間から壁厚を求める。
【０００６】
中空ブロックとその中間製品のきわめて重要な他の特性パラメータまたは他の重要な品質判断基準は中空ブロックの偏心である。できるだけ早い製品状態でこの特性パラメータを得るために、上記の壁厚測定装置が使用される。この場合例えば、傾斜圧延機の出口にこのような壁厚測定装置が位置決めされる。それによって、プロセスにおいて、比較的に少ないコストで壁厚を測定することができる。中空ブロックが傾斜圧延機の出口で回転するので、このような壁厚測定装置によって、中空ブロックの外周にわたって或る数の壁厚測定点で測定可能である。この測定点の数は偏心の測定に基づいて選択可能である。
【０００７】
この偏心は、中空ブロックの内径に対する中空ブロックの外径の偏心ずれ（このずれは中空ブロックの縦座標に沿って一定であるかまたは場所的に一定のままである）だけでなく、中空ブロックの外面に対する中空ブロックの内面のらせん部状の変化を生じるように、中空ブロックの縦座標の方向に“変化する”偏心も含む。この偏心の変化は傾斜圧延機の圧延プロセスに起因するので、回転特性がコルク栓抜きに類似して生じる。この偏心の変化はいわゆる主内側らせん部によって決定される。この主内側らせん部のピッチまたはリードは傾斜圧延機におけるプロセスと、傾斜圧延機の送り角度から生じる。偏心の変化はリードと共に周期的に繰り返される。大きなピッチまたは低い周波数の回転測定の他の偏心は、例えば回転炉床炉内でのブロックの不均一な加熱によって重ね合わされて生じる。
【０００８】
中空ブロックの縦座標にわたる偏心の変化の測定、すなわち中空ブロックの縦座標にわたる中空ブロックの外側表面と相対的な中空ブロックの内側表面の検出は、次の理由から問題がある。
【０００９】
先ず最初に、測定装置のためのスペースが非常に狭いので、測定装置のための充分な組み込み場所が存在しない。他方では、中空ブロックの全長を回転して検出することができない。後者は圧延技術的な観点から重要である。というのは、中空ブロックが端部に特にはっきりした偏心を有するからである。
【００１０】
その結果、他の測定原理が所望された。付加的な測定ローラテーブルまたは測定マニピュレータが使用された。この測定ローラテーブルまたは測定マニピュレータ上で中空ブロックが回転し、測定ヘッドが中空ブロックのそばを縦方向に移動する。しかし、タクト時間の理由からおよびそれに伴うコストに基づいて、これらの方法は不利である。更に、このようなシステムを既存の圧延ラインに後で装備することが困難であるという欠点がある。
【００１１】
公知の方法と装置の場合、特に後続の圧延機、例えば連続圧延機または押出し機の入口で、中空ブロックの三次元的な偏心を、中空ブロック縦座標に沿って検出し、実際に役に立つ偏心の程度を表すことはきわめて困難であるかまたはコストがかかる。
【００１２】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０９４０１９３号（Ａ２）
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の根底をなす課題は、上記の欠点を克服することができる、方法とそれに関連する装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題の本発明による解決策は方法においては、中空ブロックの偏心の変化が、中空ブロックの縦軸線Ｌ方向に延びる縦座標とこの縦座標の回りの回転角度φの関数としての壁厚ｓの変化として、次式
【００１４】
ｓ（φ，ｚ）＝ｓ０　（ｚ）＋ｓ１　（ｚ）ｃｏｓ（φ＋δ（ｚ））
従って近似的に求められ、ここで、ｓ０　は中空ブロックの平均壁厚、ｓ１　は平均壁厚ｓ０　に重ねられた壁厚振幅であり、δは縦座標ｚに依存する位置角度であり、
【００１５】
この場合測定装置が中空ブロックの通過時に或る数の壁厚測定を行い、測定された値を計算手段に供給し、壁厚ｓの関数的な変化のために縦座標ｚと回転角度φの関数として次の形
【数２】
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の近似を求めるために、測定された値が計算手段によってフーリエ変換を受け、ここで、ｓ０　＊とｓｉ，１　がフーリエ級数要素の数にわたる合計の際の中空ブロックの壁厚のための求められたフーリエ係数であり、ｐｉ　とξｉ．１　がフーリエ級数要素の数にわたる合計の際の初期位置角度またはピッチのためのフーリエ係数であることを特徴とする。
【００１６】
中空ブロックが測定中その縦軸線回りに回転しないことが望ましい。更に、１個以上の測定装置を使用することができる。管の壁厚を求めるために、測定を継続するレーザ−超音波−壁厚−測定方法が有効であることが実証された。最後に述べた方法の場合、中空ブロック内に型工具が配置されているときに、特に中空ブロック内に芯棒が配置されているときに、中空ブロックの壁厚が測定される。これは方法に多大なフレキシビリティを付与する。
【００１７】
中空ブロックの偏心を決定するための装置は、中空ブロックの縦方向位置と周方向位置で中空ブロックの壁厚を測定可能である少なくとも１個の測定装置を備えている。本発明に従い、少なくとも１個の測定装置は、中空ブロックの通過時に或る数の壁厚測定を行うために適しており、少なくとも１個の測定装置は計算手段に接続され、この計算手段は、測定された壁厚データからフーリエ変換を経て、壁厚の近似的な関数変化を中空ブロックの縦座標と回転角度の関数として求めるために適している。
【００１８】
他の実施形では、少なくとも１個の測定装置が、圧延機、特に傾斜圧延機の出口の範囲に配置されている。
測定を継続する有利な超音波−壁厚−測定装置は、中空ブロックの表面に超音波信号を供給する手段を備えている。その際この手段はレーザ、特にフラッシュランプ励起のＮｄ−ＹＡＧレーザである。更に、測定装置は、超音波信号の供給により中空ブロックによって放出される２つのエコー超音波信号の間の時間インターバルを測定するための手段を備えている。この手段はレーザ、特に半導体励起のＮｄ−ＹＡＧレーザと、光学式分析器、特にファブリ−ペロ干渉計を備えている。
【００１９】
本発明による提案によって、中空ブロック内の偏心を簡単に求めて表示することができ、それによって中空ブロックの品質を迅速にかつ実際に即して示すことができる。すなわち、本発明によって、中空ブロックの縦座標にわたって偏心の三次元的な変化を表示することができ、これから偏心の大きさと位置に関する実際に有効な情報が得られる。使用される近似法は特に、中空ブロックの品質のための実際に使用可能な判断基準を簡単に導き出すことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図には本発明の実施の形態が示してある。
先ず図２を参照する。中空ブロック１の壁厚の測定方法がこの図２から明らかである。
【００２１】
超音波−走行時間測定の古典的な原理に基づくレーザ−超音波−壁厚測定方法が使用される。中空ブロックの材料内の音速ｃが知られている場合、超音波パルスが中空ブロック１の壁を２回通過する時間から、求めようとする壁厚ｓが判る。約１０００°Ｃの範囲の温度の高温壁厚測定の際に超音波を当てるためには、測定ヘッド（図１の２′）自体を中空ブロック１に対して熱的に安全な距離にとどめることができる非接触光学方法が励起側でも検出側でも必要である。
【００２２】
赤外線範囲内の高エネルギーの光パルスは中空ブロック１の表面で吸収される。この光パルスは中空ブロックの壁の方に向けられるフラッシュランプ励起のＮｄ−ＹＡＧレーザ４（励起レーザ）によって発生する。このレーザは１０ｎｓよりも短いパルス持続時間の場合、１．０６４ｎｍの波長を有する。レーザ４によって中空ブロック１の表面に加えられ中空ブロックの壁によって吸収されるエネルギー（超音波信号）はその一部が非常に薄い表面層の蒸発（ｎｍ範囲の材料剥離）をもたらす。蒸発パルスによって、パルス保存のために、超音波パルスが中空ブロック１内に発生する。この超音波パルスは中空ブロックの表面に対して垂直に中空ブロックの壁内に進む。超音波パルスは中空ブロックの内側表面で反射し、中空ブロックの外側表面に戻り、新たに反射され、これが繰り返される。従って、中空ブロックの壁内に、振幅が小さくなる超音波エコー列が発生する。
【００２３】
反射した超音波パルスは中空ブロック１の外側表面に振動（サブミニチュア範囲の）を生じる。この振動は第２のレーザ５（照射レーザまたは検出レーザ）によってドップラー効果を利用して非接触式に検出される。このレーザ５はＣＷレーザ（連続発振レーザ）、すなわち周波数を２倍にした半導体励起式のＮｄ−ＹＡＧレーザである。このレーザは５３２ｎｍの波長で動作し、励起の個所に向けられている。光周波数と比べて低い周波数の超音波振動は、材料表面で反射した光の周波数変調を生じる。
【００２４】
今や超音波信号の“キャリア”である反射した光円錐は、大きな比口径の収束レンズ６と光ファイバ９を経て光学式分析器７、すなわち復調器に供給される。この場合特に共焦点のファブリ−ペロ干渉計が使用される。この干渉計の出力信号は既に超音波エコー列を含んでいる。
【００２５】
超音波エコー列の更なる増幅、ろ波および信号評価は、普通の電子式超音波評価ユニット８（評価コンピュータ）によって行われる。評価コンピュータ８の出力信号は中空ブロック１の壁厚ｓである。この壁厚は音速と測定された時間インターバルとの積によって求められる。
【００２６】
図１には、中空ブロック１の縦方向座標にわたって中空ブロック１の偏心ｅを測定する方法が示してある。傾斜圧延機での圧延プロセスに基づいて、図１に示すように、偏心ｅはコルク栓抜きのように中空ブロック１の縦座標ｚの方向にらせん部状に延びている。３つの断面が概略的に示してある。この断面から明らかなように、壁厚ｓはピッチの周期またはリードＨで周期的に繰り返される。
【００２７】
縦座標ｚと回転角度φの関数としての偏心ｅを検出するために、或る数の壁厚測定が行われる。そのために、測定装置２または測定ヘッド２′が縦座標ｚに沿って中空ブロック１と相対的に動かされる。壁厚ｓが決定され、コンピュータ３に記憶される。
【００２８】
縦座標ｚと回転角度φの偏心を示すために、関数的なアプローチが用いられる。このアプローチは次式
ｓ（φ，ｚ）＝ｓ０　（ｚ）＋ｓ１　（ｚ）ｃｏｓ（φ＋（ｚ））
によって定められる。ここで、
【００２９】
ｓ０　は中空ブロック１の平均壁厚、
ｓ１　は平均壁厚ｓ０　に重ねられた壁厚振幅、そして
δは縦座標に依存する位置角度である。
【００３０】
このアプローチは、偏心がピッチまたはリードＨで周期的に繰り返されるという仮定から出発している。
測定された壁厚は既に述べたようにコンピュータ３に格納される。このコンピュータでは、壁厚ｓの関数的な変化のために縦座標ｚと回転角度φの関数として次式
【数３】
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の近似を求めるために、フーリエ変換が行われる（図１においてＦＦＴで示した、高速フーリエ変換）。ここで、
【００３１】
ｓ０　＊とｓｉ．１　はフーリエ級数要素の数（ｎ）にわたる合計（ｉ）の際の中空ブロック１の壁厚のための求められたフーリエ係数、
ｐｉ　とξｉ．１　はフーリエ級数要素の数（ｎ）にわたる合計（ｉ）の際の初期位置角度またはピッチのためのフーリエ係数である。
【００３２】
すなわち、中空ブロック１の偏心の変化を、異なる振幅と異なる初期位置角度を有する調和振動の重ね合わせとして近似的に導き出すために、フーリエ分析によってフーリエ係数が求められる。
【００３３】
図１において計算手段３内に記入した“ＦＦＴ”（“高速フーリエ変換”）はフーリエ変換の有利な実施を示している。その詳細は例えば“製錬−エンジニア科学の基礎（Ｈｕｅｔｔｅ　−　Ｄｉｅ　Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ　ｄｅｒ　Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ）”第２９版、Ｂ３４以降に記載されている。
【００３４】
上記の近似法において、“理想的な偏心”の場合の壁厚ｓは、中空ブロック１の縦座標ｚに依存する偏心振幅ｓ１　（ｚ）で表される。それに関連する周方向分布は余弦関数で示され、回転速度を含む回転特性は実際の偏心位置の角度（δ）で充分に表される。数学的な近似として、壁厚変化は“偏心振動”を重ね合わせた全体平均壁値によって定められる。一定の角度φに関して、慣用のフーリエ級数が“ｚ”で与えられる。その際、縦振動の初期位置角度ξｉ．１　は測定中中空ブロックの位置に依存する（初期角度）。各々の縦座標で近似に対応して角度φを変化させると、中空ブロック１の偏心の全体の変化が表される。
【００３５】
それによって、壁厚の測定値の上記の評価は、周波数シフトや変調のような矯正技術で用いられているようなそれ自体公知の解釈法または評価法を使用することになる。
【００３６】
更に述べると、壁厚の測定は上述の超音波測定方法によって、芯棒が中空ブロック内に設けられている場合にも達成可能である。
既に述べたように、１個以上の壁厚測定装置２を使用することができる。その際、システムは単チャンネルでも多チャンネルでも実現される。すなわち、複数の壁厚測定装置を中空ブロックの周囲に等間隔に配置可能である。
【００３７】
三次元的に延びる偏心を、縦座標ｚと回転角φの関数として充分に正確に表すために、充分に高い走査周波数を維持することが重要である。すなわち、最小の走査周波数をシャノンの走査理論に従って維持することが重要である。これに関する詳細は、“製錬−エンジニア科学の基礎”２９版、Ｈ６８以降に記載されている。例えば５０Ｈｚサンプリングレートの場合、中空ブロックが回転しないで１ｍ／秒以下で測定ヘッドのそばを移動するときに、中空ブロックの送りらせんの偏心周波数は４０ｍｍのピッチによって決定される。
【００３８】
上記の実施の形態において、中空ブロックの測定すべき“らせん部”は中空ブロックの内側表面のらせん部状の延長部分として形成されている。上記の方法とそれに関連する装置は、“らせん部”が中空ブロックの外側表面にあるときにも全く同様に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】偏心を検出するための測定装置と共に偏心を有する中空ブロックを概略的に示す斜視図である。
【図２】中空ブロックの壁厚の測定原理を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　中空ブロック
２　　　　　　　　　　測定装置
２′　　　　　　　　　測定ヘッド
３　　　　　　　　　　計算手段
４　　　　　　　　　　超音波信号を生じる手段（励起レーザ）
５　　　　　　　　　　照射レーザ
６　　　　　　　　　　収束レンズ
７　　　　　　　　　　ファブリ−ペロ干渉計
８　　　　　　　　　　評価コンピュータ
９　　　　　　　　　　光ファイバ
ｅ　　　　　　　　　　偏心
Ｌ　　　　　　　　　　縦軸線
ｓ　　　　　　　　　　壁厚
Ｈ　　　　　　　　　　ピッチ、リード
ｚ　　　　　　　　　　中空ブロックの縦座標
φ　　　　　　　　　　回転角度（中空ブロックの周方向）
ｓ０　　　　　　　　　　中空ブロックの平均壁厚
ｓ１　　　　　　　　　　重ねられた壁厚振幅
δ　　　　　　　　　　位置角度
ｎ　　　　　　　　　　フーリエ級数要素の数
ｓ０　＊　　　　　　　　壁厚のフーリエ係数
ｓｉ，１　　　　　　　　　壁厚のフーリエ係数（ｉ＝１・・・ｎ）
ｐｉ　　　　　　　　　　　ピッチのフーリエ係数（ｉ＝１・・・ｎ）
ξｉ，１　　　　　　　　　初期位置角度のフーリエ係数（ｉ＝１・・・ｎ）
【図１】
2004037460.tif 000006
【図２】
2004037460.tif 000007