JP5235419B2 - 鋼から熱間加工管を製造するための加工プロセスを監視するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼から熱間加工管、特に中空素管を製造するための加工プロセスを監視するための請求項１の前文に記載された方法に関する。本発明はさらに、この方法を実施するための請求項９の前文に記載された装置に関する。

このような方法および装置が特開昭５６‐０７７０１８号要約書により公知であり、そこでは、加熱された鋼塊から傾斜穿孔機によって、プラグとマンドレルバーとからなる内部工具を用いて中空素管が製造されるように加工プロセスは経過している。傾斜穿孔機から進出直後に、外表面から発散される熱放射が位置分解式に検出され、基準値と比較することによってプロセス状態の判定が行われている。

熱間加工管、特に中空素管の製造時に加工プロセスを監視する枠内で重要なのは、プロセス状態もしくは圧延プロセス安定性に関して極力早期に、なかんずくこのような推断を得ることである。なぜならば、最終製品、すなわち仕上げ管の特性がそのことから決定的影響を受けるからである。

その際、決定的品質パラメータは、機械工学的材料特性の他に、生産プロセスのさまざまな加工段階において、管で測定されて監視される管肉厚である。

鋼製中空素管は例えば、円筒形に成形されてロータリハース炉内で加熱される素材、いわゆる鋼塊が傾斜穿孔機において、プラグとマンドレルバーとからなる軸線方向で定置の内部工具を利用して管状中空素管へと成形される方法によって製造される。

鋼塊を継目無中空素管へと成形するために、鋼塊は傾斜穿孔機によって検出後に傾斜穿孔機内を、従って定置の内部工具を介して螺旋状に輸送される。

後続の延伸圧延機、ストレッチレデューサまたはサイザにおいて中空素管が単数または複数のロールスタンドを通過し、ロールスタンドは管の移送方向で前後に配置されている。各ロールスタンドで支承されたロールは、圧延過程のときそれぞれ、限定された周面区域にわたって中空素管に接触する。こうして中空素管は、限定された呼び寸法を有する仕上げ管へと圧延され、所要の幾何学形状とされる。

このような方法が例えば鋼管ハンドブック(Stahlrohr Handbuch)、１２版、９５頁以下、Vulkan-Verlag、エッセン、に述べられている。

管肉厚の非破壊確認には一般に超音波測定法が知られている。

この方法では、パルス反射法に従って管壁の片側から出発して壁内に超音波パルスが励起され、反対側の管壁で反射した信号が再び受信される。パルス送出と受信時間との間の伝搬時間と、被検材料中での波速度とから、管壁の厚さは計算することができる。

加工プロセス中の極力早い時点に管肉厚に関する推断を得るために、なお高温の中空素管で既に肉厚を確認する測定法が開発されている。

偏差、特に偏心は、後続の加工ステップにおいて確かに最少にできるのではあるが、しかし完全に補償することはできないので、肉厚上まわりまたは肉厚下まわりの早期検知は有利である。

管圧延機内で管肉厚を測定するための方法が、独国特許発明第１０２４４５５４号明細書に述べられている。レーザ超音波に基づくこの方法では、励起用レーザによって超音波パルスが管の表面に点状に導入され、管表面で反射した超音波信号は照明用レーザと干渉計とによって検出され、後続の評価ユニットにおいて評価される。その際、測定ユニットは定置に配置されており、管は測定ユニットの下で長手方向と周方向とに動き、管の表面は螺旋状に点状走査される。

この方法の欠点としては、構成時、取扱い時および整備時に時間と費用を要することである。他の欠点として、管肉厚の点状検出のみが行われ、実際のプロセス安定性の確実な判定は限定的にのみ可能である。このためには管壁全体のほぼ面網羅的検出が不可欠となるからである。

肉厚変化を反映しないプロセス影響は、この方法では検出もしくは検知することができない。

本発明の課題は、圧延プロセスのプロセス状態もしくはプロセス安定性に関して極力即時的かつ確かな推断を下すことのできる、鋼から熱間加工管、特に中空素管を製造するための加工プロセスを監視するための簡単に取り扱うことのできる安価な方法およびこの方法を実施するための装置を提示することである。

この方法は、圧延プロセスのプロセス安定性に万一影響を及ぼす事象が早期に検知され、プロセスの適切な修正が可能となるように最適化されねばならないであろう。

本発明によればこの課題は、方法に関しては請求項１の特徴、装置に関しては請求項９の特徴でもって解決される。

このため、基準物体の同じ測定個所での熱像と比較して中空素管の特定測定個所で万一発生する重大な偏差はプロセス状態の判定に利用される。

同じ鋼等級の鋼は、特に、１つの鋼等級の内部で熱特性が、評価にとって些細なオーダーでのみ区別されることを特徴としている。

包括的な内部調査において、同じ呼び寸法を有する同じ鋼等級の中空素管を製造するとき、検出された熱像と実際のプロセス状態との間に直接的相関が存在することが判明した。

不安定になる加工プロセスは、定性的に著しく変化する熱像を示す。位置および時間分解式に熱像を検出することによって加工プロセスは厳密に分析し監視することができる。

この方法の大きな利点として、ごく僅かな測定技術的支出で、完全に検出された管表面領域の熱像の定性的判定のみによって実際のプロセス状態に関する確かな推断を下すことが可能である。

検出された熱像、いわゆる指紋と「良」と評価された中空素管の基準像との比較によって実際のプロセス状態の判定を簡単に行うことができる。

公知方法とは異なり、中空素管の表面から発散される熱放射の熱撮影のために、簡単に取り扱うことができ、整備不要な標準的な従って安価に提供可能な熱像カメラとこれに接続された評価ユニットが必要とされるに過ぎない。

この方法では、例えば６０Ｈｚの系列で、螺旋状に動く中空素管の熱像が撮影され、中空素管の長さおよび周面にわたって熱放射が完全に検出されることになる。

自動評価を可能とするために、検出された熱像は有利には、個々の画素の分解されたフィールドとして表示される。

個々の熱像もしくは画素の位置および時間別に分解された表示を介して、基準管の相応する表示と比較して実際のプロセス状態の確かな判定を行うことができる。

改良された実施形態において、中空素管の螺旋状に延びる母線に沿った狭い測定窓内でのみ熱放射が検出され、但し管表面の熱像は引き続き完全に検出される。

その場合、処理のため考慮される像範囲は、カメラに垂直に向く平面であり、歪み、焦点深度等による問題は生じない。

他の利点として、細分化された検出によって位置および時間別の熱像分解が改善され、基準管の対応する測定個所に対して実際のプロセス状態を一層厳密に割り当てることができる。

有利なことにこの方法では、中空素管に万一発生する肉厚偏差によって不安定になる加工プロセスを分析することもでき、そこから加工プロセスの安定性を判定することができる。

中空素管の熱放射を検出するための内部実験において、意外なことに、各測定個所について熱放射強度と中空素管で確認された肉厚との間にも相関が確認された。

例えば、ロータリハース炉における素材の不均一な加熱は不規則な肉厚分布をもたらすが、この不規則分布はやはりこの方法で測定技術的に検出し判定することができる。

このため、実際の放出率を考慮して熱像から温度が導き出され、かつ同じ鋼等級、同じ呼び寸法、周面および長さにわたって既知の肉厚分布を有する加工済み中空素管の基準像からそれぞれ同じ測定個所で確認された温度と比較される。

確認された温度が中空素管の特定測定個所で基準物体の同じ測定個所での基準温度と比較して万一偏差を生じると、この偏差は測定個所における相応する肉厚偏差に割り当てられ、かつプロセス安定性の判定に利用される。

この方法の他の大きな利点として、熱放射の検出と、特定測定個所での肉厚に対する中空素管熱放射の割当て可能性はごく僅かな測定技術的支出で行われ、プロセス安定性の変化は早期に検知される。

実際の温度分布と基準物体の温度分布との比較を位置に左右されることなく可能とするために、温度分布の評価は有利には周波数空間内で実行される。その際、実際の温度データは好適なデータ処理ユニットにおいて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって周波数情報に、すなわち振幅と位相に変換され、かつ比較管の温度データの相応する周波数情報と比較される。これにより、比較は厳密な実際の管測定個所に左右されることなく実行することもできる。

有利なことにこの方法が他の構成において提供する可能性として、同じ鋼品質および直径の基準物体で事前に確認された多数の肉厚分布から肉厚偏差の許容範囲を確定することができ、加工中の中空素管の確認された肉厚偏差がこの許容範囲を上まわると、信号が発生される。

基準物体で検出された肉厚偏差とプロセス経過中に即時に比較される肉厚偏差を本発明により検出することによって、プロセス安定性もしくはプロセス安定性の変化を判定し、確定された限界を上まわるとき相応する措置を開始することが可能である。

プロセス安定性に影響を及ぼす万一の事象、例えば工具摩耗、相応する基準管で肉厚偏差を事前に確認された中空素管の不適切な案内、湾曲した圧延棒等は、実際の圧延プロセスの測定値と比較することができ、許容限界を上まわると各事象との関連付けを実現することができる。

本方法は有利にはさらに、加工された中空素管についてそれぞれ確認された信号と事象との割当てが、同じ鋼等級、直径および肉厚の各基準物体用の評価ユニットデータバンクに格納され、特定測定個所で肉厚偏差許容限界を上まわると、許容限界上まわりをもたらす事象が表示されるように最適化することができる。

この自己学習効果によって、いわば、各中空素管について表示された信号と発生した事象との割当ての連続的格納でもってプロセス安定性に関し、およびプロセス安定性に影響を及ぼす要因に関してますます即時的かつ確実な推断を可能とするエキスパートシステムが構成されることになる。

さらに、極力障害のない加工経過において極力一定した製品特性を最終的に達成するために、これらの知識から加工プロセス用修正措置を導き出すことが考慮に値する。

この方法でもって、圧延プロセスを監視し修正し、仕上げ管の肉厚もしくは肉厚分布に関し推断を下すことが可能である。

しかしながらこの方法を応用するには、成形プロセス後にプロセスに起因した万一の熱放射強度変化を極力排除するために、傾斜穿孔機（クロスローリングミル）から進出後に即時的に中空素管熱放射をサーモグラフで検出することが不可欠である。熱放射の検出を時間的に過大にずらすと、熱分布の均一化が既に起きてしまっていることがあり、プロセスに起因した諸影響がもはや確実には検知できない。

本方法の有利な構成において、中空素管肉厚の実際値を確認することも同様に可能である。その際、クロスローリングミルから進出直後に、中空素管の完全１回転を含む少なくとも１つの外表面領域で中空素管の外表面から発散される熱放射が、位置および時間分解式に、螺旋状に前進するそれぞれ同じ測定個所で、時間間隔を置いてサーモグラフで少なくとも２回検出される。

検出された各熱像から、各測定時点に割り当てられる温度が導き出され、この温度が公知の物理関係を応用することによって中空素管の周面および長さにわたる実際肉厚分布に変換され、かつ相応する基準物体の同じ測定個所での肉厚または相応する大域目標設定値と比較される。

本発明のその他の特徴、利点および詳細は、図示実施例についての以下の説明から明らかとなる。

基本的に本発明に係る方法では、公知方法におけると同様にすべての事例において、測定ユニットもしくは検出ユニットからなるセンサが定位置に配置されており、管はその下で長手方向および周方向に動く。これにより管の表面は螺旋状に走査される。長手速度と周速度との比はいわゆる輸送角度によって確定される。走査軌跡のピッチｄ_aは管が３６０°１回転するときに管が長手方向に進む区間を表している。

先行技術により公知のセンサの単一の点状測定スポットは、管表面に単一の螺旋状走査軌跡を描く。図１Ａによる展開図では管の表面が枚葉平面に投影されており、この軌跡は表面に対角線で表され、縦座標は円周座標−１８０°、＋１８０°では明らかに同一である。その場合、輸送角度は走査軌跡の線の傾きも確定することになる。

この測定ジオメトリにおいて管表面の１００％検出は達成できない。広がりｒ_Sを有する測定スポットが実際に存在する場合、１回転当りの推進はｒ_Sよりも大きくないであろう。

しかしながらこれは、圧延機操業時の実際の状況について表示可能でない。その場合むしろ管の表面は、公知方法におけるように１００％未満の走査で検出される。それに対して、螺旋状走査軌跡上の走査はごく密とすることができる。このパラメータは読出し周波数ｆ_Sのみによって決まる。

図１Ｂによれば、管表面の熱放射を本発明によりサーモグラフで検出するとき、熱像は単一の画素に分解された面積によって表される。

像全体のなかで中央の画素行は管長手方向にも向き、カメラに最も近い表面領域を写像し、この中央画素行のみを検討すると、多数のセンサを備えたいわゆるセンサ線が得られる。

このセンサ線は管長手軸線の方向を向いているが、しかし必要に応じてこれに垂直に、つまり管周方向に、または管長手軸線に対して任意の角度にも、向けておくこともできる。センサ線の長さは理想的には走査軌跡のピッチに正確に一致する。

１つの線中のセンサ数がｎの場合、走査は係数ｎだけ高まる。センサの距離ｄ_Sが受感面に一致し（ｒ_S＝ｄ_S）、走査周波数が十分に大きいと、１００％走査は達成することができ、管表面の各点は正確に１回測定される。

センサ線の長さが長く選択され、例えば走査軌跡のピッチの２倍または３倍以上の長さに選択されると、管表面の各点は２回または３回以上測定される。

図１Ｃに示す例では、各点がちょうど２回測定されている（２×ｄ_S）。ピッチ当り線内のセンサ数をｎ、線の全長をＮ^*ｄ_Sとし、つまりセンサ数をＮ^*ｎとする。その場合、管表面上の各点はセンサ線をＮ回通過する。例えば１回目は第１センサで、２回目は第Ｎ＋１センサで、３回目は第２Ｎ＋１センサで通過する、等である。しかしながら、そのための前提条件は、読出し周波数ｆ_Sが十分に高いことである。

この配置によってはじめてパラメータ、例えば肉厚または温度は、管表面上の位置の関数としてだけでなく、時間の関数としても測定することが可能となる。時間は、管が１回転に必要とする時間によって確定される不連続的間隔を置いてのみ変更することができる。

図２には本発明に係る測定装置が略示してある。熱カメラ１とこれに接続された光学素子２とからなる熱像カメラ３が管表面温度を測定するのに利用されている。この熱像カメラは、像繰返し率ｆ_tを有する短い時間ｄ_tの内部で表面の熱放射を測定するものである。すなわち、像は時点ｔ＝ｉ^*ｄｔに発生し、ｉ＝０、１、２、３…である。

一体化された光学素子２は、中空素管４の表面上の実際の面積ａ^*ｂ（単位ｍｍ）の画素数ｎ_t ^*ｍ_tで像の撮影を可能とする。カメラ３は有利には、その光軸５が管長手軸線に垂直に延びるように向けられている。このカメラ３が提供するのはＴ＝Ｔ（ｐ、ｑ、ｔ）であり、ｐ＝１…ｎ_t、ｑ＝１…ｍ_tである。

画素座標ｐ、ｑを位置空間表示に変換する必要がある。望ましくは管表面用に円筒座標ｘ、ｆが選択される。管長手方向における像部分の長さをｂとする。像全体のなかで中央画素行ｐ＝ｐ_mは管長手方向も向いており、カメラに最も近い表面領域を写像するが、この中央画素行のみを検討すると、合計ｍ_t個のセンサを有するセンサ線が得られ、すなわちＴ＝Ｔ（ｑ、ｉ）である。写像される長さが走査軌跡のピッチよりもｂＮ倍大きくなるように像範囲が選択されていると、図１Ｃに示す事例を生じることが可能となる。

その場合、処理のため考慮される像範囲はカメラ３に垂直に向く平面でもあり、歪み、焦点深度等による問題は生じない。従って、好適なデータ再分類によって位置空間への変換が可能であり、Ｔ＝Ｔ（ｘ、ｆ、ｉ）が得られる。

しかしそのための前提条件は、ｆ_tが十分に大きく選択され、もしくはｄ_tが十分に小さく選択されることである。

管の特定個所の温度が何回か測定されるので、例えば管表面の１箇所で測定された温度から回帰分析によってピッチを算定することによって、温度の変化ＤＴ＝ＤＴ（ｘ、ｆ）も明示することができる。これらの情報は定量分析のため考慮に入れることが可能である。

つまり要約するなら、上記測定装置内で、管データの好適な再分類によって、測定個所通過時点の温度に一致した温度を管表面の各点に割り当てることが可能である。

上記データ再分類の前提条件は、管表面上の写像された位置が測定過程中既知であることである。表面の速度ベクトルの測定は、有利には、連続的サーモグラフィー像の相関計算によって実行することができる。または、周速度と長手速度とを独自に算定するために外部測定器を利用することができる。

これらの測定から、始動点が既知の場合、それぞれ像中心点の位置が時間の関数として得られる。写像条件が既知の場合、或る時点について各画素（ｐ、ｑ）の位置（ｘ、ｆ）は算定することができる。

生産プロセスが一定の周期的成形、加熱および一般的運動を含むので、管の温度分布は周期的変動も受ける。

それゆえに、データ再分類後、有利なことに温度または温度変化は位置座標の関数としてフーリエ変換によって周波数空間内に移すことができる。フーリエ変換は例えば、いわゆる高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって管長手方向、管周方向または両方の方向で行われる。

これらの結果から、代表的温度変動または温度変化変動の振幅および位相角を導き出すことができる。

上に述べた線上にない画素は当然に、管表面の熱放射の写像を得るのに利用することができる。

しかしこのような像を評価するとき、湾曲した管表面による写像誤差に注意しなければならない。しかしこれらの情報は、エキスパートシステムの態様で定性的プロセス分析へと再分類（指紋）することなく考慮に入れることも可能である。

さまざまな評価可能性が図３に示してある。例えばここでは５つの可能性が検討される。

１）サーモグラフ測定は生像としてクロスローリングミルの制御担当員に直接入手可能とされる。経験および／またはカタログ化基準像およびフィルムシーケンスに基づいて圧延集成装置の制御が影響を受ける。

しかしながら、この最も単純な評価可能性はさらなる自動化または定量的プロセス分析およびプロセス制御の可能性を提供しない。さらに自動化されたプロセス管理には、有利には以下に述べる方法２）〜５）が適している。

２）実際の肉厚ｄ（ｘ、ｆ）または肉厚変化Ｄｄ（ｘ、ｆ）を物理的法則性および／または数値計算（有限要素）によって計算。数値制御を校正するために中空素管で幾つかの基準測定が必要である。

３）基準管での温度測定および肉厚測定を純現象学的に比較することによる実際の肉厚ｄ（ｘ、ｆ）または肉厚変化Ｄｄ（ｘ、ｆ）の計算。

方法２）、３）は、位置空間内の代わりにフーリエ空間内でも実行することができる。その際、実際の肉厚の代わりに位置座標の関数として代表的肉厚変動の振幅のみが確認される。しかし、これらの振幅はしばしば、生産プロセスの状態に関して十分な推断力を有する。

方法２）、３）の結果は、クロスローリングミルの制御担当員に直接供給することのできる肉厚データを提供する。

４）管データは上記の如くに再分類される。次にデータは自己学習エキスパートシステムに供給され、このシステムでは付加的に生産プロセスの最後に管試験の品質データが供給される。

有利なことにエキスパートシステムでは、覚え込み段階後、加工直後の中空素管の定性的評価を提供できる。

エキスパートシステムには絶えず情報が供給されるので、システムの予測能力は時間とともにますます厳密となる。その場合、フーリエ変換から得られたデータをエキスパートシステムに供給することも特に有利である。

５）再分類された管データをエキスパートシステムに供給する代わりに、サーモグラフィー像を直接利用することもできる。

有利なことに方法４）、５）でもって、生産状態について定性的推断が提供され、定性的推断はクロスローリングミルの制御担当員に直接供給される。

先行技術による管表面の点状走査を示す線図である。 管表面の本発明に係る面網羅的走査を示す線図である。 図１Ｂと同様であるが、但し螺旋状に前進する同じ測定個所が何度か時間をずらして検出される線図である。 本発明に係る方法のための測定装置を示す略図である。 本発明に係る方法のための測定装置を示す略図である。 評価可能性の線図である。

符号の説明

１ 熱カメラ
２ 光学素子
３ 熱像カメラ
４ 中空素管
５ 光軸
ａ 像部分の幅
ｂ 像部分の長さ
ｄ_a 走査軌跡のピッチ
ｄ_S センサ距離
ｆ_S 読出し周波数
ｆ_t 像繰返し率
ｉ ｉ＝０、１、２、３…
ｒ_S 受感面 測定スポット
ｔ、δｔ 時点
Ｔ 温度
ΔＴ 温度変化
Ｎ ピッチ数
ｎ センサ数
ｎ_t 画素行の画素数
ｍ_t 画素列の画素数
ｐ、ｑ 画素座標
ｐ_m 中央画素行
ｘ、φ 円筒座標

Claims (8)

1. 鋼から熱間加工管、特に中空素管を製造するための加工プロセスを監視するための方法であって、加熱された鋼塊からクロスローリングミルによって、穿孔マンドレルとマンドレルバーとからなる内部工具を用いて中空素管が製造され、前記クロスローリングミルによって鋼塊がつかまれると、この鋼塊が、前記クロスローリングミル内を定置の内部工具を介して、螺旋状に輸送され、前記クロスローリングミルから進出直後に、前記中空素管の外表面から発散される熱放射が位置分解式に検出され、かつ基準値と比較してプロセス状態の判定に利用されるものにおいて、前記中空素管の少なくとも１つの限定された外表面区域の熱放射が時間分解式に完全にサーモグラフで検出され、検出された熱像が、同じ鋼等級および同じ呼び寸法の加工済み中空素管のそれぞれ同じ測定個所での基準像と比較され、基準物体の同じ測定個所での熱像と比較して前記中空素管の特定測定個所で発生する重大な熱像偏差がプロセス状態の判定に利用され、さらに検出された熱像から付加的に中空素管の肉厚偏差が確認され、実際の放出率を考慮して熱像から温度が導き出され、かつ同じ鋼等級、同じ呼び寸法、周面および長さにわたって既知の肉厚分布を有する加工済み中空素管の基準像からそれぞれ同じ測定個所で確認された温度と比較され、確認された温度が中空素管の特定測定個所で基準物体の同じ測定個所での基準温度と比較して偏差を生じると、この偏差が測定個所における相応する肉厚変化に割り当てられ、かつプロセス安定性の判定に利用されることを特徴とする方法。
2. 前記中空素管の螺旋状に延びる母線に沿った熱放射が位置および時間分解式に周期的にサーモグラフで検出されて評価されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 位置および時間分解のために、検出された熱像が、個々に評価可能な画素で表示されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記クロスローリングミルから進出直後に、前記中空素管の完全１回転を含む少なくとも１つの外表面区域で前記中空素管の外表面から発散される熱放射が、位置および時間分解式に、螺旋状に前進するそれぞれ同じ測定個所で、時間間隔を置いてサーモグラフで少なくとも２回検出され、検出された各熱像から、位置および時間分解された温度が導き出され、この温度が前記中空素管の周面および長さにわたる実際の肉厚分布に変換され、かつ対応する基準物体の同じ測定個所での肉厚または目標設定値と比較されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 同じ鋼等級および呼び寸法の基準物体で確認された多数の肉厚分布から肉厚偏差の許容範囲が確定され、圧延過程中の中空素管の確認された肉厚偏差がこの許容範囲を上まわると信号が発生されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
6. 前記中空素管の測定個所に信号を割り当てることによって、加工プロセス中に許容範囲上まわりをもたらす事象との関連付けが実現されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 加工された中空素管についてそれぞれ確認された信号と事象との割当てが、同じ鋼等級および呼び寸法の各基準物体用のデータバンクに格納され、特定測定個所で肉厚偏差許容限界を上まわると、許容限界上まわりをもたらす事象が表示され、かつ加工プロセス用制御量として利用されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 請求項１に記載の方法を実施するための装置において、中空素管（４）の表面から発散される熱放射を検出し評価するために、中空素管（４）の表面に固定式に向けられて熱カメラ（１）と光学要素（２）とからなる熱像カメラ（３）と、これと結合されてデータバンクを含む評価ユニットとが利用されるようになっていることを特徴とする装置。

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