JP2001318002A - 高炉羽口レースウエイ温度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 羽口観察窓を通じて高炉レースウエイ燃焼場
の温度分布を測定する場合に、放射測温の測定精度およ
び連続測定の信頼性を向上する。 【解決手段】 羽口観察窓からレースウエイ内燃焼場の
熱画像を異なる２波長で撮像する撮像装置と、前記撮像
装置が出力する映像信号をデジタル画像に変換するデジ
タル変換装置と、およびそれぞれの波長におけるデジタ
ル画像の各画素の輝度比に基づき温度分布を演算する小
型計算機を備える。また、小型計算機はデジタル画像の
最高輝度値を抽出し、最高輝度値に基づき撮像装置の電
子シャッタ露光時間あるいはレンズ絞りを制御して画像
の明るさを調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶銑を製造する高
炉の羽口レースウエイ部の燃焼状態を監視するための温
度分布測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高炉下部には円周方向に等間隔に配置さ
れた羽口があり、ここから高温熱風、酸素、微粉炭燃料
等が吹き込まれている。羽口には風圧によってレースウ
エイが形成され、コークスや微粉炭が燃焼している。こ
こでの発熱で焼結鉱が還元されて溶銑が作られるので、
レースウエイの状態が高炉の操業状態に大きく影響を及
ぼす。高炉操業では効率よく安定して溶銑を生産するこ
とであるが大事であるが、近年、生産コストを下げるこ
とができる微粉炭燃料大量吹き込みへの取り組みがなさ
れている。この場合、レースウエイでの微粉炭の燃焼状
態が何らかの原因で悪化すると、未燃焼の微粉炭は高炉
内で熱源とならず炉内に蓄積し、炉内の通気性を阻害し
て操業を不安定にしたり、燃料費の増加をもたらすこと
になり好ましくない。このような理由から、羽口に設け
られた観察窓を通してレースウエイ奥部燃焼場の温度を
放射測温手段で測定してレースウエイ燃焼状態を監視す
る技術が考案されている。

【０００３】例えば、特開昭６０−２４３０７号公報に
は、羽口に炉内を指向する光ファイバを設置して、熱放
射光を炉外の放射温度計に導く測温方法が記載されてい
る。あるいは、特開平９−２５６０１０号公報では、羽
口観測窓からテレビカメラでレースウエイを観察し、同
時に放射温度計でも測定し、テレビカメラの画像信号と
放射温度計の温度信号から温度分布を求める装置が提案
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６０−２４３０７号公報に開示される従来装置では、光
ファイバを羽口に設置した後、光ファイバの指向方向を
炉外から把握することができず、一般に温度分布を有す
るレースウエイ燃焼場のどの部位の温度を測定している
のかの判断が難しいといった問題がある。また、知りた
いのは特定の一点の温度ではなく、複数点あるいは温度
分布であることも少なくない。

【０００５】一方、特開平９−２５６０１０号公報に開
示される装置では、テレビカメラでレースウエイの熱画
像を撮像して温度分布を求めるので、前述公報の問題点
を解決することができる。しかしながら、レースウエイ
内の温度分布を常時測定して、温度データから早期に異
常を判断するといった操業への活用については、以下に
述べる２つの問題点が残る。

【０００６】第一には、カメラは観察窓を通して炉内を
観察するので、窓ガラスに汚れ付着や曇りが発生すると
見かけの放射輝度が低下して、温度を低く見積もる方向
へ誤差を生じる。具体的には、炉外側のガラス面に付着
する粉塵等の汚れと、炉内側ガラス面で吹き込む熱風に
含まれるミストの付着、結露などがある。ガラス面にパ
ージガスを吹き付けなどの対策を施したとしても、徐々
に付着物による透過率低下が起こるので、測温精度を維
持するためには、毎日のように頻繁にガラスを清浄する
といった作業が必要になる。特に、炉内側の汚れについ
ては、耐圧構造の羽口観察窓からガラスを一度取り外す
ため、手間がかかりなおかつこの間測定が出来なくな
る。

【０００７】第二には、テレビカメラの特性として露光
等の撮像条件を固定した状態で観察できる輝度のダイナ
ミックレンジがそれほど広くないので、例えば、燃焼場
温度が全体的に２００℃低下するといった大きな温度変
動が起こった場合、画像全体が暗くなりＳＮ比が著しく
悪化する可能性がある。

【０００８】本発明は以上述べた従来技術の問題点に鑑
み発明されたものであって、高炉羽口からレースウエイ
の燃焼場の温度を測定する装置において、連続測定時の
精度と信頼性を向上することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明では、高炉羽口の観察窓を通してレースウエイ
内燃焼場の熱画像を異なる２波長で撮像する撮像装置
と、前記撮像装置が出力する映像信号をデジタル画像に
変換するデジタル変換装置と、および両波長におけるデ
ジタル画像の各画素の輝度比に基づき温度分布を演算す
る小型計算機を備えることを構成上の特徴とする。ま
た、前記小型計算機は、デジタル画像の最高輝度値を抽
出し、最高輝度値に基づき撮像装置の電子シャッタ露光
時間あるいはレンズ校りを制御して画像の明るさを調整
するレースウエイ温度分布測定装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】［実施例］以下には本発明の装置
を操業中の高炉に適用した一実施例を説明する。図１に
は高炉羽口付近の模式図と発明装置の構成例を示す。高
炉炉体３の所定位置に設けた羽口４には熱風供給管６か
ら熱風が高圧で吹き込まれており、その風圧で炉内にレ
ースウエイ１が形成されている。羽口４には微粉炭を吹
き込む供給管５も備えられている。レースウエイ界面で
はコークスや微粉炭が燃焼して一酸化炭素が発生する高
温燃焼反応が生じている。羽口の炉外側の後端にはレー
スウエイを直視できる観察窓７がある。

【００１１】二波長撮像装置１０は観察窓からレースウ
エイの画像を異なる２つの波長（λ1 、λ2 ）で撮像す
る。これらの画像は同じ光軸で撮像するようにして、同
じ視野を見て波長のみが異なるようにする。分光して撮
像する方法として、ここではカラーＣＣＤカメラのＲＧ
Ｂ信号のうちＲ（赤）成分である中心波長６５０nmをλ
1 ，Ｇ（緑）成分の中心波長５５０nmをλ2 とした。別
の方法として、ハーフミラー等で光路を分け、透過波長
がそれぞれλ1 とλ2 の分光フィルタを備えた２台のモ
ノクロカメラを使用し、ハーフミラーで光路を分岐させ
るなどして同軸で撮像する方法も考えられる。二波長撮
像装置が出力する波長の異なる２枚の画像信号は画像Ａ
Ｄ変換装置１１に入力され、デジタル信号に変換され
た、その後小型計算機１２（本実施例ではパソコンを使
用したので、以下パソコンという）に送られる。パソコ
ン１２は画像から温度分布を計算する演算を実行し、結
果をモニタ１４表示したり、記憶装置（図示を省略）に
データを保存する。撮像制御装置１３はパソコン１４か
らの指令に基づきＣＣＤカメラの電子シャッタ露光時間
あるいはレンズ絞りを設定する信号を撮像装置に発信す
る機能を担う。本実施例では、ＣＣＤカメラが有する高
速電子シャッタの露光時間を想定される明るさの範囲で
段階的に制御することとした。

【００１２】次に、パソコンで実行される画像演算処理
の詳細を説明する。図２のフローチャートに示すよう
に、測定が開始されると、まず観察波長の異なる２枚の
画像が取り込まれる（Ｓ１）。ここで波長λ1 およびλ
2 の画像をそれぞれＰ1 ，Ｐ2 とする。画像Ｐ1 の各画
素の輝度はｐ1 （ｉ，ｊ）（ｉ，ｊはそれぞれ画像の縦
方向、横方向の座標）とする。同じく画像Ｐ2 の各画素
の輝度はｐ２（ｉ，１）とする。Ｓ２ではそれぞれの画
像に対して最高輝度を検索し抽出する処理を実行する。
画像Ｐ1 およびＰ2 の最高輝度をそれぞれＬmx1 ，Ｌmx
2 とする。温度計算を実施する際に、受光素子が飽和あ
るいはそれに近い状態で画像輝度が上限値になるほど画
像が明るかったり、逆に画像が暗すぎてノイズの影響が
大きくなると、温度精度が極端に悪化するので、Ｓ３で
最高輝度の値から画像が適切な明るさで撮像されている
かを判断する。Ｌmx1 あるいはＬmx2 のどちらかが予め
定めた許容輝度上限値Ｌhiより大きい場合は、Ｓ４で撮
像装置の露光時間を短くする指令を撮像制御装置に出
す。逆に、Ｌmx1 あるいはＬmx2 のいずれかが許容輝度
下限値Ｌloより小さい場合はＳ４で露光時間を長くする
信号を発し、再度画像取り込みを実行する。画像が適正
な明るさ範囲にあることが確認されると、それぞれの画
像ごとにノイズ除去のフィルタリングを施す（Ｓ５）。
この実施例では３×３画素の２次元スムージング処理と
した。Ｓ６では画像Ｐ1とＰ2 の画面間除算から２波長
の２色比（輝度比）行列Ｒ（各要素の値はｒ（ｉ，
ｊ）、ｉ，ｊは画像上の位置に対応）を計算する。すな
わち、 ｒ（ｉ，ｊ）＝ｐ1 （ｉ，ｊ）／ｐ2 （ｉ，ｊ） 尚、実際には画素感度むら補正や画像輝度ゼロレベル
（完全な暗状態での画像信号のオフセット出力）補正な
どの若干の前処理が実施するが、説明を簡便にするため
ここでは詳細な記述を省略する。

【００１３】次に、Ｓ７で２色比行列Ｒから温度分布行
列Ｔ（各要素の値はｒ（ｉ，ｊ）、ｉ，ｊは画像上の位
置に対応）を求める。 ｔ（ｉ，ｊ）＝ｆ｛ｒ（ｉ，ｊ）｝ ここで関数ｆは画像輝度２色比と温度を対応づける検量
線である。検量線は黒体炉など温度が正確に設定できる
基準熱放射源を観察するなどして予め求め、パソコンの
記憶装置に書き込んでおく。ここでは温度に対する２色
比の変化を２２００℃まで実測し、得られた曲線を多項
式近似した検量線を準備した。また２２００℃を上回る
温度では多項式曲線を外挿して使用した。

【００１４】Ｓ８では得られた温度分布行列Ｔをモニタ
に表示したり、時刻情報とともに外部記録装置に保存す
る。具体的には図３に示すように、等温線グラフとして
操作室に設置されたモニタ画面に出力した。

【００１５】上記の一連の画像演算処理はキーボードか
ら測定終了の指示が入力されるまで繰り返される。一測
定に要する時間は主にパソコン画像処理能力により決ま
るが、本実施例では測定周期約０．５秒であり、温度変
化を監視するのに十分な測定スピードを確保した。

【００１６】

【発明の効果】本発明は以上のようにして高炉羽口観察
窓から炉内レースウエイの温度分布を測定するが、前述
のごとく２波長で熱放射画像を撮像し、それらの画像輝
度の比から２色温度計の原理で面温度分布を算出するの
で、ガラスの汚れやくもりなどによって窓の透過率低下
の影響を受けにくく、正確な測温が可能でする。また、
画像輝度が適切な明るさになるように撮像装置の電子シ
ャッタ露光時間を自動外部制御するので、急激な温度変
化が生じた場合でも安定した測定が行える。また、本発
明装置により、高炉レースウエイ温度分布が常に定量的
に監視ができるようになり、オペレータは炉状況の変化
を迅速かつ正確に把握して操業することが可能になる。
その結果、高い生産性と安定した銑鉄品質の確保が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高炉羽口レースウエイ温度分布測定装
置の実施例を示す構成図。

【図２】本発明の実施例において、画像から温度分布を
計算する方法を示したフローチャート。

【図３】実施例におけるレースウエイ燃焼温度分布の測
定例図。

【符号の説明】

１ レースウエイ ２ 炉内充填物 ３ 高炉炉体 ４ 羽口 ５ 微粉炭供給管 ６ 熱風供給管 ７ 観察窓 １０ 二波長撮像装置 １１ 画像デジタル変換装置 １２ 小型計算機 １３ 撮像制御装置 １４ 表示装置

フロントページの続き (72)発明者 加治屋 孝則 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 松崎 眞六 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 2G066 AA15 AB06 AC01 BA14 BA31 BB15 BC15 BC21 CA01 4K015 KA05 5B057 AA01 BA08 BA29 CA01 CA08 CA12 CA16 CB01 CB08 CB12 CB16 CC02 CE02 CE06 CH09 CH20 DA17 DB02 DB06 DB09 DC22 DC32

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高炉羽口の観察窓を通してレースウエイ
   内燃焼場の熱画像を異なる２波長で撮像する撮像装置
   と、前記撮像装置が出力する各々の波長の画像信号をデ
   ジタル画像に変換するデジタル変換装置と、各々の波長
   のデジタル画像の輝度比に基づき温度分布を演算する小
   型計算機を備えることを特徴とする高炉羽口レースウエ
   イ温度分布測定装置。
2. 【請求項２】 前記小型計算機は、デジタル画像の最高
   輝度値を抽出し、最高輝度値に基づき前記撮像装置の電
   子シャッタ露光時間あるいはレンズ絞りを制御して画像
   の明るさを調整する、請求項１記載の高炉羽口レースウ
   エイ温度分布測定装置。