前言

在产业和科学技术的发展进程中，测量技术一直发挥着基础性的重要作用。新的测量技术推动产业和科学进步，而这些进步又催生新的测量需求。神户制钢广泛供应支撑基础设施的关键零部件，测量技术作为支撑安全、安心产品和可持续制造的主要基础技术，在持续挑战产品稳定供应和质量提升的过程中得以锤炼发展。该公司不仅在无损检测技术和过程测量技术方面有所建树，还在特殊用途和环境条件下的测量技术上取得了独特进展，如微波或毫米波在粉尘环境中的测距技术、大型结构体内部宇宙射线透视/可视化技术、1300℃以上高温过程的远程实时测温传感技术等，这些领域往往存在缺乏通用产品或现有产品无法直接适用的问题。无损检测技术应用于汽车发动机用阀门弹簧和船舶发动机用曲柄轴等产品，保障其在长期反复载荷下的表面和内部质量。高温、粉尘、振动等恶劣特殊现场环境下的过程测量技术，是提高生产效率和产品质量的基础，如今更是神户制钢高炉大量装入直接还原铁（HBI）实现CO₂减排的技术关键所在。此外，精密测量技术，如具有复杂形状的机械加工零件和铸锻件的高精度3D形状测量，以及评估硅片平整度所需的原子层水平纳米精度的表面形状测量技术，为公司产品及客户产品和制造的安全、安心提供支持。在社会数字化和AI技术加速发展的当下，将数据从物理（现实）空间过渡到虚拟空间的测量技术愈发重要。从应对未来日本国内劳动力人口减少、维持企业持续经营的角度来看，自动化和制造业数字化转型势在必行，而推进高度自动化的生产过程离不开测量技术的持续升级。基于这些背景，神户制钢长期致力于测量技术的研发与改进。本文将对相关技术内容及应用实例进行介绍。

1

无损检测技术

20世纪70年代，神户制钢为强化自身开发能力、发挥技术综合实力，新设技术开发部门，其下属的检测与测量小组开展了高性能传感器的开发等工作。在当时，摄像设备难以轻易获取且价格昂贵，神户制钢率先自主开发了应用光学传感器的检测技术。此后，该公司推进了电磁波应用测量技术、图像处理技术以及激光和超声波应用测量技术的开发，不断提升涡流探伤、磁粉探伤、超声波探伤等无损检测技术水平。本文以线材和棒钢产品的无损检测技术应用为例进行说明。

1.1保障线材、棒钢产品质量的检测技术神户制钢的线材和棒钢产品市场占有率高，冷镦用线材和轴承钢等是其代表性线材产品，主要应用于对可靠性要求极高的汽车零部件。这些产品的质量要求逐年提高，尤其是轧制钢材表面和内部缺陷的残留情况对产品质量影响重大，因此，在生产上游工序尽早发现并采取对策至关重要。不过，钢材在接近1000℃的高温下进行热加工，且检测对象在热连轧过程中以每秒数十米的高速移动，检测难度极大。神户制钢在应对热态且高速移动的线材轧制过程检测的同时，为确保产品具备优良特性和质量，对上游工序的钢坯半成品进行自动磁粉探伤检测。以下介绍该自动磁粉探伤检测技术。自动磁粉探伤装置的设备概要如图1所示。磁粉探伤检测按以下步骤进行：1）向作为强磁性体的检测对象喷洒荧光磁粉液；2）对检测对象施加磁场使其磁化；3）磁化后的检测对象表面缺陷部位会产生漏磁，荧光磁粉会吸附在该部位；4）用紫外光照射检测对象表面，吸附在缺陷部位的荧光磁粉会发光；5）通过人工目视确认发光部位或用相机拍摄，从而检测出缺陷。神户制钢自20世纪70年代以来就致力于自动磁粉探伤检测装置的开发，通过提升图像解析技术，不仅提高了对复杂、不规则缺陷的检测率，还增强了对真实缺陷与磁粉噪声的识别能力，最大限度减少了过检测和误检测情况，如图2所示。与此同时，针对检测过程中紫外光源的老化和磁粉浓度波动等干扰因素，通过动态调整图像处理阈值的功能，提高了检测的稳定性。此外，通过引入高灵敏度、高性能的传感器设备，增强光源输出，提升计算机处理性能等方式，实现了高精度检测。近年来，软件技术尤其是AI技术发展迅猛，为实现更高的产品质量，神户制钢也在推进将AI判定应用于检测技术，进一步提升检测技术水平。

2

过程测量技术

神户制钢的过程测量技术始于钢铁部门，随后拓展到铝、铜、钛等有色金属制造过程，并进一步延伸至机械部门产品的高性能化，以及集团企业测量和检测装置的产品生产。制造过程中的测量与实验室等理想环境下的测量不同，会受到制造现场特有的各种干扰和限制。例如在钢铁行业，存在大量超过1000℃的高温生产过程，由于耐热性等限制，通用传感器往往无法直接应用，甚至安装都困难重重。为此，神户制钢确立了为传感器提供耐热设计技术和冷却结构设计技术，以保护其免受热辐射影响，以及配备防护装置以稳定确保传感器、视野和视程不受粉尘、蒸汽干扰等环境适应工程技术。这些技术不仅保证了基本测量精度，还极大提升了传感器在特殊环境下的耐用性、可靠性和可维护性。此类特殊环境下的测量技术多为该公司自主研发，市面上并不常见，是其竞争优势的重要来源。新测量技术的开发获取的新过程信息，有时会推动革新性生产过程的建立。以下将介绍支撑高炉降低排放、助力实现绿色社会的过程测量技术。

2.1支撑高炉大量装入HBI的铁水温度连续测量技术神户制钢此前在高炉操作中，运用中心焦炭装入技术、使用自产球团矿技术、通过炉内下降探针测量炉内温度分布技术等一系列炉内测量技术，实现了独特的操作模式。近年来，为实现绿色社会，作为迈向2030年减排目标（较2013财年减少30%-40%）的举措之一，该公司开发了通过在高炉中大量添加HBI实现低碳排放的操作技术。2020年10月，在加古川炼钢厂3号高炉进行的约1个月实证实验结果显示，能够将决定高炉排放量的还原剂比例从518kg/t降至415kg/t（CO₂排放量减少约20%），同时达到较低水平的焦比（239kg/t铁水）。要实现高炉大量装入HBI，需要将工程业务的MIDREX工艺生产HBI的技术与钢铁业务的独特高炉操作技术（高炉HBI装入技术、利用AI的高炉操作技术、该公司独有的球团矿改良技术）相融合。在利用AI的高炉操作技术中，为预测炉温急剧变化并采取适当措施，开发了提前5小时预测铁水温度的技术，而准确预测的关键在于实时连续测量铁水温度。为此，如图3所示，通过高速相机拍摄从高炉出铁口以每秒数米速度喷出的铁水和熔渣的混合喷流（以下简称“出铁渣流”），利用辐射测温原理实现铁水温度的连续测量。出铁渣流中，由于高温熔融状态的铁水和熔渣辐射率存在差异，在热图像中呈现出斑纹状。基于此特征，通过图像解析确定铁水部分并提取其亮度，从而实现铁水温度的测量。高炉出铁口温度测量的主要干扰因素是热图像中烟雾的影响。烟雾存在时，铁水部分看起来比实际更暗，会产生测温误差，且受烟雾波动影响，铁水部分亮度值的波动也会增大。通过图像处理可以判别和检测这种影响，确保测量的稳定性。此外，该测量环境极为恶劣，存在铁水等高温熔融物的辐射热、飞溅物和粉尘等。若安装通用相机，会因受到辐射热导致相机本体温度升高而发生故障，或者因粉尘附着在镜头上造成光学障碍，通常数天就无法获取热图像。神户制钢为相机赋予了独特的冷却功能以及吹走飞溅物和粉尘的防护功能，能够在半年以上的免维护期内获取良好的热图像，实现稳定测温。图4展示了辐射测温结果，与热电偶测温结果吻合良好，测温精度达到10℃以下。

3

支持工作方式与生产流程变革的检测与测量技术

随着日本国内劳动力人口减少，制造业的人手短缺问题相较于其他产业更为突出。人手短缺已成为影响企业持续经营的显著风险，制造业自动化迫在眉睫。检测和测量工作往往需要熟练技能，神户制钢一直从提高生产效率、减少人为操作差异、提升安全性等角度出发，推进检测和测量的自动化。以下介绍曲轴自动超声波探伤检测、火花试验、热锻件尺寸测量的自动化案例。

3.1曲轴的自动超声波探伤检测神户制钢制造的曲轴主要分为两类：一类是将名为“轴颈”的偏心工件组装在名为“曲柄”的轴部上的装配式曲轴；另一类是由圆棒材料锻造而成的一体式曲轴。一般来说，曲轴需要承受长时间的反复载荷，例如，随着近年来发动机的高功率化和紧凑化，一体式曲轴的轴颈和圆角部位对表面和内部质量的管理要求愈发严格。在过去，所有曲轴的探伤面都依靠人工手动检测，全面探伤耗时久，探伤扫描和探伤面监测工作给检测人员带来了巨大的精神和身体负担。因此，为实现高速、稳定检测，并记录和保证全面检测结果，神户制钢将自动超声波探伤装置实用化，该装置可自动运行并全面扫描，为曲轴的高可靠性提供了有力支持（图5）。以垂直探伤为例，由于检测范围局限于中央狭窄区域，在对小曲率半径的圆角部位进行检测时，除了物理探头接近的极限问题，还需精细设定探头的扫描间距，人工操作时检测人员负担极大。为此，神户制钢开发了采用相控阵法的独特超声波探头及其扫描机构。通过该技术，即使探伤面存在曲率，也能够通过电子操作（称为扇形扫描）检测到表面平底孔直径为0.5mm的反射源，其示意图如图6所示。

3.2火花试验作为将需要熟练技能的检测工作自动化的案例，介绍近年来发展迅速的利用AI图像识别技术的火花试验。将钢材压在砂轮上产生的火花，因钢种和所含元素量的不同而具有不同特征。火花试验就是由熟练人员根据火花特征判断钢种的试验，作为钢材判定检测方法由来已久，但因其属于需要熟练技能的感官检测，一直有自动化需求。以往通过相机拍摄火花，利用传统图像处理技术（如模式匹配等）从火花图像中检测破裂和流线，进而推定碳含量。不过，对于包含合金元素（如S、Cr、Mo、Ni）的多种合金钢的钢种判定，传统图像处理技术存在局限性。因此，神户制钢利用AI图像识别技术，不仅能够推定钢材的碳含量，还开发出了判定合金钢种的AI图像识别技术，致力于将熟练技术数字化和自动化。图7展示了钢种判定流程的概念图，通过构建对输入的火花图像先推定碳含量，后进行合金钢种分类的卷积神经网络，最终实现了高精度的钢种判定。

3.3热锻件尺寸测量测量技术在安全保障和应对高温环境方面也发挥了重要作用。神户制钢制造的大型锻件，如用于石油精制压力容器（反应釜）的筒节（直径4-6m），如图8（a）所示，在神户制钢锻压工厂通过8000吨压力机锻造成预定形状，随后进行切削加工以达到产品形状要求。以往，在压力机作业中确认形状的方法是，工作人员靠近压力机下方处于500-900℃的热锻工作区域，使用卡尺进行尺寸测量。但这种作业在高温环境下进行，工作负荷极大，且人为测量误差大。因此，为实现在安全距离外高速、高精度地测量筒节直径，神户制钢开发并实用化了如图8（b）所示的基于立体视觉法的图像测量装置。此外，针对其他热锻件的尺寸测量，也在持续推进自动化测量工作。

4

结语

本文介绍了神户制钢的无损检测技术、过程测量技术以及支持自动化的检测与测量技术，阐述了作为核心技术的测量技术在支撑安全、安心产品制造和可持续生产方面所发挥的作用。今后，为了实现可持续社会，例如在钢铁行业，预计电炉等生产流程中的减排举措将加速推进，制造流程或将发生重大变革。对此，神户制钢将通过提升测量技术的智能化水平，深化对新生产流程的基础科学理解，并将其与生产操作高度融合，推动制造业变革。近年来，随着数字化转型的推进以及未来日本国内劳动力人口的减少，自动化需求日益增长。在神户制钢的生产现场，尽管环境严苛，但对生产流程的精细控制要求极高，一直以来都充分利用检测和测量技术。近年来机器人技术和AI技术取得了突破性进展，这为掌握和操控以往只有人类才能完成的操作知识提供了更多可能。另一方面，生产流程不断变化，人类独有的适应能力和创造力也变得更加重要。如何通过将人类智慧与最新的检测和测量技术相结合，满足日益增长的高附加值需求，对于广泛供应支撑基础设施关键零部件的神户制钢来说，将变得尤为重要。