JP2007002306A - Method and instrument for measuring flowing speed of tapped molten iron from blast furnace, and method for measuring tapped molten iron quantity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高炉出銑口から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体の流速を測定する高炉出銑流速測定方法及び測定装置、並びに溶銑・溶融スラグ混合液体の流量測定方法に関するものである。 The present invention relates to a blast furnace discharge flow rate measuring method and measuring apparatus for measuring the flow rate of molten iron / molten slag mixed liquid flowing out from a blast furnace discharge port, and a flow rate measuring method of molten iron / molten slag mixed liquid.
高炉内部では、炉頂部から装入された装入原料が高炉内で降下するのに伴い、高温還元反応によって溶銑と溶融スラグが生成され、炉内を滴下し、炉底に溜まって湯溜まりを形成する。この湯溜まりに向かって炉外から貫通孔を開けると、この貫通孔を通して溶銑・溶融スラグ混合物が炉外に流出する。この貫通孔の炉外開口部分を出銑口とよぶ。炉底部の出銑口形成位置にはマッド材が充填されていて、ドリル等で機械的に開孔して貫通孔を形成する。 Inside the blast furnace, as the charging material charged from the top of the furnace descends in the blast furnace, hot metal and molten slag are generated by the high-temperature reduction reaction, dripping inside the furnace, and collecting in the furnace bottom Form. When a through-hole is opened from the outside of the furnace toward the hot water pool, the hot metal / molten slag mixture flows out of the furnace through the through-hole. The opening outside the furnace of this through hole is called a tap hole. A mud material is filled in the position where the outlet at the bottom of the furnace is formed, and a through hole is formed by mechanical opening with a drill or the like.
開孔直後の出銑口の口径はドリル径に等しいが、出銑の経過とともに孔の壁面が侵食されて出銑口の口径が次第に拡大する。一方、出銑口からの溶銑と溶融スラグ混合液体の単位時間流出量は、平均したときに溶銑・溶融スラグの炉内での生成量にほぼ等しい値となる必要がある。そこで、出銑開始時は溶銑・溶融スラグ流出量が炉内での生成量よりも少なくなるように開口径を選定する。その結果、開口後の前半部分では炉内の溶銑・溶融スラグ量は時間とともに増大する。出銑を続けると出銑口径の拡大に伴い溶銑・溶融スラグの単位時間流出量が増大し、炉内での生成量よりも流出量が多くなり、炉内の量が低下に転じる。出銑口の使用開始から終了までを平均すると、溶銑・溶融スラグ生成量と流出量がほぼ等しい値となる。 The diameter of the spout immediately after opening is equal to the diameter of the drill, but the wall surface of the hole is eroded with the progress of the spout and the diameter of the spout gradually increases. On the other hand, the unit time outflow amount of the molten iron and molten slag mixed liquid from the spout port needs to be approximately equal to the amount of molten iron / molten slag produced in the furnace when averaged. Therefore, the opening diameter is selected so that the outflow amount of the hot metal / molten slag is less than the generated amount in the furnace at the start of brewing. As a result, the amount of hot metal / molten slag in the furnace increases with time in the first half after opening. If the brewing is continued, the amount of molten iron / molten slag outflow per unit time increases with the increase in the diameter of the brewing iron, and the amount of spillage becomes larger than the amount produced in the furnace, and the amount in the furnace starts to decrease. When the average from the start to the end of use of the tap spout is used, the amount of hot metal / molten slag generated and the amount of outflow are substantially equal.
出銑口の侵食速さはマッド材の材質、溶銑・スラグ混合比、溶銑温度、溶銑流速などに複雑に依存し、安定しているわけではない。通常は出銑口使用開始から２〜４時間程度で炉内の湯面レベルが出銑口付近まで低下するので、この時点でマッド材を出銑口に充填してその出銑口を閉塞させる。このような作業を繰り返すことによって銑鉄が高炉で製造される。 The erosion speed of the spout depends on the material of the mud material, the hot metal / slag mixing ratio, the hot metal temperature, the hot metal flow velocity, etc., and is not stable. Normally, the hot water level in the furnace decreases to the vicinity of the tap in about 2 to 4 hours from the start of using the tap, so at this point, the mud is filled into the tap and the tap is closed. . By repeating such operations, pig iron is manufactured in a blast furnace.
出銑中に炉内のコークス塊が出銑口に詰まったり、出銑口付近に垂れたスラグが凝固したりして出銑流の流出を阻害することがある。このように溶銑・溶融スラグの排出が滞ると、炉内の溶銑・溶融スラグ量が増加を続け、炉内の通気性が悪化して炉内充填物の下降不安定や吹き抜けといった銑鉄品質悪化や生産性低下に関係したトラブルを引き起こす原因となる。 During the tapping process, coke lumps in the furnace may become clogged at the tapping outlet, or the slag hanging near the tapping outlet may solidify and hinder the outflow of tapping. If the discharge of molten iron / molten slag is delayed in this way, the amount of molten iron / molten slag in the furnace will continue to increase, and the air permeability in the furnace will deteriorate, causing deterioration of pig iron quality such as falling instability in the furnace and blowout This can cause troubles related to productivity decline.
高炉の安定操業を維持するためには、上記のような出銑口からの溶銑・溶融スラグの排出滞りを的確に察知する必要があり、従って出銑中は溶銑の流出状況を常に監視しておくことが重要である。 In order to maintain the stable operation of the blast furnace, it is necessary to accurately detect the slag discharge of the molten iron and molten slag from the outlet as described above. It is important to keep
従来、出銑した溶銑と溶融スラグの流出重量をそれぞれ測定することにより、出銑口からの流出状況を監視することが一般的に行われている。出銑口から流出する溶銑と溶融スラグはスキンマーで分離される。溶銑は出銑樋の先にあるトーピードカーに注ぎ込まれ、トーピードカーごと秤量される。スラグについては水冷後に粉砕され、固化したスラグが秤量される。これらの秤量値を積算することにより、一定時間内に出銑した溶銑と溶融スラグの合計値が推定される。 Conventionally, it has been generally performed to monitor the outflow state from the spout opening by measuring the outflow weight of the spout and molten slag. Hot metal and molten slag flowing out from the spout are separated by a skinmer. The hot metal is poured into a torpedo car at the end of the tap and weighed together with the torpedo car. The slag is crushed after water cooling and solidified slag is weighed. By accumulating these weighed values, the total value of the molten iron and molten slag produced within a certain time is estimated.
特許文献１には、溶銑なべの溶銑レベルを測定するマイクロ波レベル計の測定値から出銑速度（単位時間出銑量）を演算し、水砕設備で製造された水砕を秤量するコンベヤスケールの計測値から出滓速度（単位時間出滓量）を演算する方法が記載されている。 Patent Document 1 discloses a conveyor scale for calculating the rate of brewing (the amount of brewing per unit time) from the measured value of a microwave level meter that measures the level of hot metal in the hot metal pan, and weighing the granulated water produced by the water granulating equipment. Describes a method of calculating the output speed (the output amount per unit time) from the measured value.
上記のように溶銑やスラグを秤量することによって出銑口からの流出状況を監視する方法では、溶銑の秤量はトーピードカーにおいて行われ、スラグの秤量は水冷粉砕工程を経てから行われるため、秤量値が出るまでに長時間を要し、これでは出銑流の流出異常を早期に検出することが困難である。 In the method of monitoring the outflow state from the spout opening by weighing the hot metal and slag as described above, the hot metal is weighed in a torpedo car, and the slag is weighed after a water-cooled pulverization process. It takes a long time to appear, which makes it difficult to detect outflow abnormalities in the outflow at an early stage.
出銑中に炉内のコークス塊が出銑口に詰まったり、出銑口付近に垂れたスラグが凝固したりして出銑流の流出を阻害する場合には、出銑口内を通過する出銑流に対する抵抗が増加し、出銑口内出銑流の流速が低下し、その結果として、単位時間当たり溶銑・溶融スラグ流出量としてその時点での出銑口の直径から想定される量に比較して少ない量となる。従って、コークス塊詰まりやスラグ凝固によって排出の滞りが発生している際には、溶銑・溶融スラグ混合流の流速が遅くなるという現象が現れていることとなる。そうとすると、出銑口から流出した溶銑・溶融スラグ混合流の流速を迅速に測定することができれば、高炉炉底における出銑流の流出を阻害する事象を最も直接的に検出できるということになる。 If the coke lumps in the furnace are clogged at the tap or the slag dripping in the vicinity of the tap is solidified to prevent the outflow from flowing out, The resistance to dredging increases and the flow velocity of the dredging flow in the spout decreases, and as a result, the amount of molten iron and molten slag discharge per unit time is compared to the amount assumed from the diameter of the spout at that time And it becomes a small amount. Therefore, when there is a stagnation of discharge due to coke blockage or slag solidification, the phenomenon that the flow velocity of the molten iron / molten slag mixed flow becomes slow appears. Then, if the flow velocity of the molten iron / molten slag mixed flow flowing out from the tap outlet can be measured quickly, the event that inhibits the outflow of the tap flow at the bottom of the blast furnace furnace can be detected most directly. Become.
本発明は、出銑口から流出した溶銑・溶融スラグ混合流の流速を迅速に測定する方法を提供することを目的とする。併せて、測定した流速に基づき、単位時間当たり溶銑・溶融スラグ流出量を迅速に算出する方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the method of measuring rapidly the flow velocity of the hot metal and molten slag mixed flow which flowed out from the spout. In addition, an object is to provide a method for rapidly calculating the amount of molten iron / molten slag outflow per unit time based on the measured flow velocity.
本発明者が高炉出銑口から流出する溶融物の熱放射輝度２次元分布を図１（ａ）に示す要領で静止画像として撮像したところ、図２に示すように、出銑流の溶融物表面の放射輝度は一様ではなく、放射輝度の低い部分と放射輝度の高い部分とに明確に分離されることがわかった。放射輝度の低い部分と高い部分とは溶融物表面でまだら模様を形成している。出銑口から流出する溶融物は溶銑と溶融スラグとの混合物であり、両者はほぼ同温度であることから、放射輝度の低い部分は放射率の低い溶銑であり、放射輝度の高い部分は放射率の高い溶融スラグであるものと推定することができる。即ち、高炉出銑口から流出する溶融物は溶銑とスラグが渾然一体として存在するのではなく、溶銑部分とスラグ部分とが明確に分離して混在することが明らかとなった。 When the present inventor captured a two-dimensional thermal radiance distribution of the melt flowing out from the blast furnace outlet as a still image in the manner shown in FIG. 1 (a), as shown in FIG. It was found that the surface radiance was not uniform and was clearly separated into a low radiance portion and a high radiance portion. The low radiance part and the high part form a mottled pattern on the melt surface. The melt flowing out of the spout is a mixture of hot metal and molten slag, and both are at the same temperature. Therefore, the part with low radiance is hot metal with low emissivity, and the part with high radiance is radiated. It can be estimated that the molten slag has a high rate. That is, it has been clarified that the molten metal flowing out from the blast furnace outlet does not have the hot metal and the slag as one body, but the hot metal portion and the slag portion are clearly separated and mixed.
溶融物表面のまだら模様は、短時間であればその形状を変えることなく、溶融物の流速と等しい速度で模様が移動していく。従って、模様の移動速度を測定することができれば、測定した速度は出銑口から流出した溶融物の流速に等しい速度であり、即ち出銑口から流出した溶融物の流速が直接測定できることとなる。 The mottled pattern on the surface of the melt moves for a short time without changing its shape at a speed equal to the flow rate of the melt. Therefore, if the moving speed of the pattern can be measured, the measured speed is equal to the flow rate of the melt flowing out from the tap hole, that is, the flow rate of the melt flowing out from the tap port can be directly measured. .
ただし、溶融物の流速は高速であるから、溶融物表面のまだら模様を必要な解像度で撮像するためには、露光時間が短い高速シャッターで撮像する必要がある。また、出銑口から流出した溶融物の内部は乱流状態であるため、表面のまだら模様も時間の経過とともにその形状を変化させる。従って、模様の移動速度を測定するためには、模様が変形しない短い時間間隔で撮像した画像同士で２次元パターンを比較する必要がある。 However, since the flow rate of the melt is high, in order to capture the mottled pattern on the melt surface with the necessary resolution, it is necessary to capture with a high-speed shutter with a short exposure time. Further, since the inside of the melt flowing out from the spout is in a turbulent state, the mottled pattern on the surface changes its shape with the passage of time. Therefore, in order to measure the movement speed of a pattern, it is necessary to compare two-dimensional patterns between images taken at a short time interval at which the pattern does not deform.
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）高炉出銑口から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体５の熱放射輝度２次元分布を、露光時間が短い高速シャッターでかつ短い時間間隔で固体撮像装置を用いて複数枚撮像し、得られた放射輝度２次元分布パターンを複数画像間で比較して画像間のパターン移動量を検出し、画像間のパターン移動量に基づいて溶銑・溶融スラグ混合液体の流速を算出することを特徴とする高炉出銑流速測定方法。
（２）前記高速シャッターの露光時間を１ｍ秒以下とすることを特徴とする上記（１）に記載の高炉出銑流速測定方法。
（３）前記撮像の時間間隔を１０ｍ秒以下とすることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の高炉出銑流速測定方法。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の高炉出銑流速測定方法で測定した溶銑・溶融スラグ混合液体５の流速と、前記撮像した溶銑・溶融スラグ混合液体の熱放射輝度２次元分布画像に基づいて算出した溶銑・溶融スラグ混合液体の直径とに基づいて、溶銑・溶融スラグ混合液体の流出量を算出することを特徴とする高炉出銑量の測定方法。
（５）高炉出銑口から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体５の熱放射輝度２次元分布画像を撮像する固体撮像装置１と、得られた放射輝度２次元分布パターンを複数画像間で比較して画像間のパターン移動量を検出する画像処理装置２と、画像間のパターン移動量に基づいて溶銑・溶融スラグ混合液体の流速を算出する演算装置３とを有し、前記固体撮像装置は露光時間が短い高速シャッターでかつ高速フレームレートで撮像することを特徴とする高炉出銑流速測定装置。
（６）前記高速シャッターの露光時間を１ｍ秒以下とし、前記フレームレートを１００フレーム／秒以上とすることを特徴とする上記（５）に記載の高炉出銑流速測定装置。
This invention is made | formed based on the said knowledge, The place made into the summary is as follows.
(1) A plurality of images of the two-dimensional thermal radiance distribution of the hot metal / molten slag mixed liquid 5 flowing out from the blast furnace outlet are captured using a solid-state imaging device with a high-speed shutter with a short exposure time and a short time interval. Comparing the obtained two-dimensional radiance distribution pattern between a plurality of images, detecting a pattern movement amount between the images, and calculating a flow velocity of the molten iron / molten slag mixed liquid based on the pattern movement amount between the images. To measure the flow rate of blast furnace discharge.
(2) The blast furnace discharge flow rate measuring method according to (1) above, wherein an exposure time of the high-speed shutter is set to 1 msec or less.
(3) The method for measuring a blast furnace discharge flow rate according to (1) or (2) above, wherein a time interval of the imaging is 10 milliseconds or less.
(4) The flow rate of the hot metal / molten slag mixed liquid 5 measured by the blast furnace discharge flow rate measuring method according to any one of (1) to (3) above and the thermal radiance of the imaged hot metal / molten slag mixed liquid A method for measuring the amount of blast furnace discharge, wherein the outflow amount of the molten iron / molten slag mixed liquid is calculated based on the diameter of the molten iron / molten slag mixed liquid calculated based on the two-dimensional distribution image.
(5) The solid-state imaging device 1 that captures the thermal radiance two-dimensional distribution image of the hot metal / molten slag mixed liquid 5 flowing out from the blast furnace outlet and the obtained radiance two-dimensional distribution pattern are compared between a plurality of images. An image processing device 2 that detects a pattern movement amount between images, and an arithmetic device 3 that calculates a flow rate of the molten iron / molten slag mixed liquid based on the pattern movement amount between images. A blast furnace discharge flow velocity measuring device characterized by taking images with a high-speed shutter with a short time and a high-speed frame rate.
(6) The blast furnace exit flow velocity measuring apparatus according to (5), wherein an exposure time of the high-speed shutter is 1 msec or less and the frame rate is 100 frames / sec or more.
本発明は、高炉出銑口から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体の熱放射輝度２次元分布パターンを露光時間が短い高速シャッターで撮像し、短い時間間隔で撮像した複数撮像間のパターン移動量から溶銑・溶融スラグ混合液体の流速を算出するので、非接触かつ迅速に高炉出銑口から流出する溶融物の流速を測定することができる。その結果、高炉炉底における出銑流の流出を阻害する事象（出銑中に炉内のコークス塊が出銑口に詰まったり、出銑口付近に垂れたスラグが凝固したりして出銑流の流出を阻害する現象）を最も直接的かつ迅速に検出できるので、タイムリーに対策を講じて安定した高炉操業を維持することが可能となる。併せて、測定した流速に基づき、単位時間当たり溶銑・溶融スラグ流出量を迅速に算出することができる。 The present invention captures a two-dimensional distribution pattern of thermal radiance of molten iron / molten slag mixed liquid flowing out from a blast furnace outlet with a high-speed shutter having a short exposure time, and from a pattern movement amount between a plurality of images captured at a short time interval. Since the flow rate of the hot metal / molten slag mixed liquid is calculated, the flow rate of the melt flowing out from the blast furnace outlet can be measured quickly without contact. As a result, an event that hinders the outflow of the tidal flow at the bottom of the blast furnace furnace (coke blocks in the furnace clogged in the tapping outlet or the slag dripping near the tapping outlet solidified. The phenomenon that hinders the outflow of the flow) can be detected most directly and quickly, so that it is possible to take stable measures and maintain stable blast furnace operation. In addition, based on the measured flow rate, the amount of molten iron / molten slag outflow per unit time can be calculated quickly.
従来、高炉の出銑口から流出する出銑流については、溶銑と溶融スラグとが微細に懸濁した溶融物であると考えられていた。また、出銑流を肉眼で観察し、あるいは通常のシャッター速度で出銑流を撮影した画像においても、出銑流の表面は一様であると観察され、その表面において溶銑と溶融スラグとが分離して存在するまだら構造であることを認識することができなかった。 Conventionally, it has been considered that the outflow flowing out of the outflow port of the blast furnace is a melt in which hot metal and molten slag are finely suspended. Also, the surface of the slag flow is observed to be uniform in the image where the slag flow is observed with the naked eye or is photographed at a normal shutter speed, and the molten iron and molten slag are observed on the surface. It was not possible to recognize the mottled structure that existed separately.
ところが、本発明者らが図１（ａ）に示すように、高炉出銑口６から流出する溶融物５の熱放射輝度分布を露光時間が極めて短い高速シャッターを用いて静止画像として撮像したところ、前述のとおり、溶融物表面の放射輝度は一様ではなく、図２に示すように、放射輝度の低い部分と放射輝度の高い部分とに明確に分離されることがわかった。出銑口６から流出する溶融物５は溶銑と溶融スラグとの混合物であり、両者はほぼ同温度であることから、放射輝度の低い部分は放射率の低い溶銑であり、放射輝度の高い部分は放射率の高い溶融スラグであるものと推定することができる。即ち、高炉出銑口６から流出する溶融物５は溶銑とスラグが渾然一体として存在するのではなく、溶銑部分とスラグ部分とが明確に分離して存在し、溶融物の表面はまだら模様を呈していることが明らかになった。 However, as shown in FIG. 1A, the present inventors have captured the thermal radiance distribution of the melt 5 flowing out from the blast furnace outlet 6 as a still image using a high-speed shutter with an extremely short exposure time. As described above, it was found that the radiance of the melt surface was not uniform, and as shown in FIG. 2, it was clearly separated into a low radiance portion and a high radiance portion. The melt 5 flowing out from the spout 6 is a mixture of hot metal and molten slag, and since both are at substantially the same temperature, the portion with low radiance is the hot metal with low emissivity and the portion with high radiance. Can be assumed to be a molten slag having a high emissivity. That is, in the melt 5 flowing out from the blast furnace outlet 6, the molten iron and the slag are not present as one body, but the molten iron portion and the slag portion are clearly separated and the surface of the melt has a mottled pattern. It became clear that it was presenting.
図２の画像は、図１（ａ）に示すように、固体撮像装置の一種であるモノクロＣＣＤカメラを用いて出銑流５を短い露光時間（１／１００００秒）で露光して図１（ｂ）に示す範囲を静止画像として撮像したものである。出銑流を分解能約１．５ｍｍで観察している。出銑流の直径はおおよそ１００〜１５０ｍｍである。 As shown in FIG. 1A, the image of FIG. 2 is obtained by exposing the outgoing stream 5 with a short exposure time (1/10000 second) using a monochrome CCD camera which is a kind of solid-state imaging device. The range shown in b) is captured as a still image. The outflow is observed with a resolution of about 1.5 mm. The diameter of the tidal stream is approximately 100 to 150 mm.
図２の画像のように極めて短い露光時間で撮像した溶融物像を調査したところ、溶融物表面の不規則なまだら模様は、マクロな形状を形成する明部と暗部の間隔が凡そ１０ｍｍ程度であり、明部をミクロに見たときの細部には２〜３ｍｍ程度の線や点もあることが分かった。一方、流出する溶融物は５〜１０ｍ／秒程度で移動している。従って、まだら模様を観察するためには露光時間を１ｍ秒以下にする必要がある。露光時間が１ｍ秒より長くなると像流れによりまだら模様が不明瞭になる。露光時間を０．２ｍ秒以下にすると模様細部も像流れなく捉えられるのでより好ましい。なお、露光時間が短すぎると固体撮像素子への入射光量不足で画像が不鮮明になる。最短露光時間は撮像素子の感度によって決められる。当然ながら、溶融物表面のまだら模様の細部を捉えるためには２ｍｍ以下の分解能で撮像すると好ましい。 When the melt image taken with an extremely short exposure time as in the image of FIG. 2 was investigated, the irregular mottled pattern on the melt surface was about 10 mm in distance between the bright part and the dark part forming a macro shape. Yes, it was found that there are lines and dots of about 2 to 3 mm in details when the bright part is viewed microscopically. On the other hand, the outflowing melt moves at about 5 to 10 m / sec. Therefore, in order to observe the mottled pattern, it is necessary to set the exposure time to 1 msec or less. When the exposure time is longer than 1 ms, the mottled pattern becomes unclear due to the image flow. It is more preferable that the exposure time is 0.2 msec or less because the pattern details can be captured without image flow. If the exposure time is too short, the image becomes unclear due to insufficient amount of incident light on the solid-state imaging device. The shortest exposure time is determined by the sensitivity of the image sensor. Naturally, it is preferable to image with a resolution of 2 mm or less in order to capture the details of the mottled pattern on the melt surface.
上述のとおり、出銑口から流出する溶融物は５〜１０ｍ／秒程度の速度で移動しているので、溶融物表面のまだら模様も同じ速度で移動している。従って、所定の時間差で２枚の画像を撮像し、この時間差の間に移動したまだら模様の移動距離を計測することができれば、この計測結果からまだら模様の移動速度、即ち出銑口から流出する溶融物の流速が測定できることとなる。まだら模様の移動距離を計測するに際しては、１枚目の撮像画像の一部をテンプレート（参照パターン）として抜き出し、同一の形状を有するパターンを２枚目の撮像画像から見つけ出す。通常、パターンマッチング処理と呼ばれる画像処理によってこの操作を行うことができる。そして、２枚の画像間のパターン移動距離をもってまだら模様の移動距離とすることができる。 As described above, since the melt flowing out from the spout is moving at a speed of about 5 to 10 m / sec, the mottled pattern on the melt surface is also moving at the same speed. Therefore, if two images are taken at a predetermined time difference and the movement distance of the mottled pattern moved during this time difference can be measured, the movement speed of the mottled pattern, that is, the outflow from the spout is obtained from this measurement result. The flow rate of the melt can be measured. When measuring the movement distance of the mottled pattern, a part of the first captured image is extracted as a template (reference pattern), and a pattern having the same shape is found from the second captured image. Usually, this operation can be performed by image processing called pattern matching processing. The pattern moving distance between the two images can be used as the mottled pattern moving distance.
発明者らが固体撮像装置１として高速シャッター（短時間露光）機能に加えて高速フレームレート撮像機能を有するＣＣＤカメラを用意し、高速で進行する溶銑・溶融スラグ流のまだら模様の挙動を調査した。その結果、出銑口から流出する溶融物は、その内部において乱流状体となっており、そのため、溶融物表面のまだら模様も、一定形状のままで平行移動するのではなく、時間の経過と共に模様は時々刻々と変化していくことが明らかになった。従って、２枚の画像を撮像するに際し、その時間差が長すぎるとまだら模様の形状が変化してしまうので、複数枚の画像を撮像する間の時間差はまだら模様の形状の同一性が保たれる短い時間間隔とすることが必要である。 The inventors prepared a CCD camera having a high-speed frame rate imaging function in addition to a high-speed shutter (short-time exposure) function as the solid-state imaging device 1, and investigated the behavior of the mottled pattern of the hot metal / molten slag flow proceeding at high speed. . As a result, the melt flowing out from the spout is a turbulent body inside, so the mottled pattern on the surface of the melt does not move in parallel with a constant shape, but over time. It became clear that the pattern changed from time to time. Therefore, when capturing two images, if the time difference is too long, the shape of the mottled pattern changes. Therefore, the time difference between capturing multiple images maintains the same shape of the mottled pattern. A short time interval is required.
図３は、毎秒２００枚のフレームレート（撮像時間間隔が５ｍ秒）で撮像した画像で、溶銑・溶融スラグ混合液体５の表面のまだら模様が時間経過によりどのように変形するのかを観察した結果である。図３（ａ）は最初に撮像した画像であり、説明のために見た目にわかりやすい模様２箇所を楕円で囲っている（模様Ａ、模様Ｂ）。この最初の画像撮像から５ｍ秒経過後（図３（ｂ））及び１０ｍ秒経過後（図３（ｃ））においては、模様Ａ、模様Ｂは溶融物の移動に伴って移動しつつ、模様の形状は類似の形状を保っている。ところが、最初の画像撮像から２０ｍ秒経過後（図３（ｄ））においては、模様Ａが顕著に変形している。また模様Ｂは視野から外れるまで進行している。これでは、パターンマッチング処理によって同一のパターンを見つけ出すことは困難となる。 FIG. 3 is an image captured at a frame rate of 200 frames per second (imaging time interval is 5 milliseconds), and results of observing how the mottled pattern on the surface of the hot metal / molten slag mixed liquid 5 is deformed over time. It is. FIG. 3A shows an image captured first, and two easy-to-see patterns that are easy to see are surrounded by ellipses (pattern A and pattern B). The pattern A and the pattern B move with the movement of the melt after 5 msec from the first image pickup (FIG. 3B) and after 10 msec (FIG. 3C). The shape of is kept similar. However, the pattern A is significantly deformed after 20 milliseconds have elapsed since the first image pickup (FIG. 3D). The pattern B continues until it deviates from the field of view. This makes it difficult to find the same pattern by pattern matching processing.
以上のとおりであるから、撮像の時間間隔を１０ｍ秒以下、別の言い方をすると連続撮像のフレームレートを１００フレーム／秒以上とすることにより、２つの画像間で同一のまだら模様パターンを検出し、両パターンの移動距離を計測することができるので好ましい。なお、撮像の時間間隔が短すぎると、移動距離が小さくなる。当該移動距離が撮像素子の分解能と同程度になると流速測定が困難になる。 As described above, the same mottled pattern is detected between the two images by setting the imaging time interval to 10 milliseconds or less, in other words, by setting the continuous imaging frame rate to 100 frames / second or more. It is preferable because the movement distance of both patterns can be measured. Note that if the imaging time interval is too short, the moving distance becomes small. When the moving distance is about the same as the resolution of the image sensor, the flow velocity measurement becomes difficult.
次に、パターンマッチング処理について具体的に説明する。 Next, the pattern matching process will be specifically described.
入力画像が予め用意した画像（標準画像、テンプレート）と同一のものか否か、あるいは、全く同一でないにしてもどの程度にているかを、何らかの類似性（同一性、あるいは相違性）の尺度を用いて判定する処理を、パターンマッチングと呼ぶ。テンプレートが画面全体に比べて非常に小さく、それが入力画像中のどこかに存在するかどうかを調べるテンプレートマッチングあるいは局所パターンマッチングと呼ばれる処理も行われる。ここではテンプレートを入力画像上で動かし、類似性の最も高い位置を探索する。 Whether the input image is the same as the image (standard image, template) prepared in advance, or to what extent it is not exactly the same, a measure of similarity (identity or difference) The process of determining using this is called pattern matching. A process called template matching or local pattern matching is also performed to check whether the template is very small compared to the entire screen and exists somewhere in the input image. Here, the template is moved on the input image to search for a position having the highest similarity.
パターンマッチング処理については、例えば画像処理ハンドブック（財団法人東京大学出版会発行）に詳しい。 The pattern matching processing is detailed in, for example, an image processing handbook (published by the University of Tokyo Press).
本発明においては、比較対象とする２画像のうちの一方の画像から予め位置、サイズを決めておいた一部領域を抜き出してテンプレートにする。そして、２画像のうちの他方の画像が上記入力画像に該当する。 In the present invention, a partial region whose position and size are determined in advance from one of the two images to be compared is extracted and used as a template. The other of the two images corresponds to the input image.
高速シャッターかつ高速フレームレートの撮像装置を用いて出銑口から流出する溶融物熱画像の連写画像を採取し、溶融物表面の溶銑と溶融スラグのまだら模様の移動距離を画像処理による追求で求める場合について、図４のフローチャートを元に具体的に説明する。 Using a high-speed shutter and high-speed frame rate imaging device, continuous images of the molten thermal image flowing out from the spout are collected, and the movement distance of the molten metal on the melt surface and the mottled pattern of the molten slag is pursued by image processing. The determination will be specifically described based on the flowchart of FIG.
まず、予め設定したシャッター速度かつ高速フレームレートで溶銑・溶融スラグ混合流の熱画像を撮像し、画像を計算機に取り込む。連続する２枚の画像を選択し、時刻順に画像１、画像２とする。図５（ａ）に示すように、画像１からパターンマッチングのテンプレートを切り出す。テンプレートは、出銑流から外れることがない位置でかつまだら模様の濃淡分布の特徴が捉えられるサイズを予め決めておく。切り出したテンプレートを図５（ｂ）に示す。次に、このテンプレートが画像２のどこに存在するかをパターンマッチング処理で検出する（図５（ｃ））。パターンマッチング処理は、上述のとおり画像上でテンプレートと類似する箇所を画素毎の相関演算で探査する処理である。 First, a thermal image of the molten iron / molten slag mixed flow is taken at a preset shutter speed and a high frame rate, and the image is taken into a computer. Two consecutive images are selected and set as image 1 and image 2 in order of time. As shown in FIG. 5A, a pattern matching template is cut out from the image 1. The template is determined in advance at a size at which the characteristics of the mottled pattern shading distribution are captured at a position that does not deviate from the output flow. The cut out template is shown in FIG. Next, where the template exists in the image 2 is detected by pattern matching processing (FIG. 5C). The pattern matching process is a process of searching for a portion similar to the template on the image by the correlation calculation for each pixel as described above.
画像２からマッチングするパターンの検出ができたら、画像１と画像２とでテンプレートが移動した距離を求める。画像上での移動量（画素数）と実際の移動距離との関係はカメラ観察距離とレンズ画角で決まるので、予め求めておけばよい。テンプレートが画像上で水平方向、垂直方向にそれぞれｐx［画素］，ｐy［画素］移動したとすると、溶銑・溶融スラグ流の移動距離ｄ［ｍ］は、
ｄ＝Ｒ×（ｐx 2＋ｐy 2）1/2 （３）
で表すことができる。ここで、Ｒは画像上の画素数と実際の距離とを対応づける係数［ｍ／画素］である。
When the matching pattern is detected from the image 2, the distance that the template has moved between the image 1 and the image 2 is obtained. Since the relationship between the movement amount (number of pixels) on the image and the actual movement distance is determined by the camera observation distance and the lens angle of view, it may be obtained in advance. If the template moves p x [pixel] and p y [pixel] in the horizontal and vertical directions on the image, the moving distance d [m] of the molten iron / molten slag flow is
d = R × (p x 2 + py 2 ) 1/2 (3)
It can be expressed as Here, R is a coefficient [m / pixel] that associates the number of pixels on the image with the actual distance.
さらに、画像１と画像２との撮像時間差をｔ［秒］とすると、出銑流の流速ｖ［ｍ／秒］は、
ｖ＝ｄ／ｔ （４）
となる。
Furthermore, when the imaging time difference between the image 1 and the image 2 is t [seconds], the output flow velocity v [m / second] is
v = d / t (4)
It becomes.
上記の処理を繰り返して実行することで、出銑流の流速が連続的に測定される。 By repeatedly executing the above processing, the flow rate of the outflow is continuously measured.
出銑口から流出した溶融物は、その流れる方向は常に一定であり、また流速も５〜１０ｍ／秒程度の範囲内に限定される。従って、第１の画像からテンプレートを選択し、第２の画像からパターンマッチングでテンプレートに相当するパターンを調べるに際しても、第１の画像と第２の画像の撮像時間差からマッチングすべきパターンの存在位置がだいたい予測できるので、その予測に従って調べることにより精度良くパターンマッチングを行うことができる。 The flow of the melt flowing out from the spout is always constant, and the flow rate is limited to a range of about 5 to 10 m / sec. Therefore, when selecting a template from the first image and examining a pattern corresponding to the template by pattern matching from the second image, the position of the pattern to be matched based on the imaging time difference between the first image and the second image Therefore, pattern matching can be performed with high accuracy by examining according to the prediction.
このようにして算出した溶銑・溶融スラグ混合液体の流速に基づき、出銑口からの溶銑・溶融スラグの排出滞りを迅速かつ的確に察知することができるので、タイムリーに対策を講じて安定した高炉操業を維持することが可能となる。 Based on the flow rate of the molten iron / molten slag mixed liquid calculated in this way, it is possible to quickly and accurately detect the hot metal / molten slag discharge stagnation from the outlet, so that timely measures were taken and stable Blast furnace operation can be maintained.
出銑口から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体の撮像画像から、混合液体の直径を算出することが可能である。このようにして算出した直径は出銑口６の直径に対応しているので、出銑口６の直径が計測できることとなる。この出銑口の直径から出銑口の断面積を計算し、この断面積に上記測定した出銑流の流速を掛け合わせることにより、溶銑・溶融スラグ混合液体の単位時間当たり流出量（容量）を算出することができる。この流出量算出結果に基づいても、出銑口からの溶銑・溶融スラグの排出滞りを迅速かつ的確に察知することが可能となる。 It is possible to calculate the diameter of the mixed liquid from the captured image of the molten iron / molten slag mixed liquid flowing out from the spout. Since the diameter calculated in this manner corresponds to the diameter of the tap hole 6, the diameter of the tap hole 6 can be measured. By calculating the cross-sectional area of the spout from the diameter of this spout and multiplying this cross-sectional area by the flow rate of the spout flow measured above, the outflow (volume) per unit time of the molten iron / molten slag mixed liquid Can be calculated. Based on the calculation result of the outflow amount, it becomes possible to quickly and accurately detect the stagnation of molten iron / molten slag from the spout.
本発明により、従来の秤量による流出重量測定ではわからない出銑口から噴出した直後の溶銑・溶融スラグ混合流の流速をオンラインでリアルタイムに測定することができる。 According to the present invention, it is possible to measure the flow rate of the molten iron / molten slag mixed flow immediately after being ejected from the tap outlet, which is not known in the outflow weight measurement by the conventional weighing, on-line in real time.
離れた場所からＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像する受動的な遠隔測定であるので、溶銑・溶融スラグの熱放射、スプラッシュなどの環境対策が簡便である。 Since this is a passive remote measurement in which an image pickup device such as a CCD camera is used from a remote location, environmental measures such as hot metal and molten slag thermal radiation and splash are simple.
連続的な測定が可能であり、出銑流速の変化、推移から高炉内部から出銑口の溶銑・溶融スラグ流動性を迅速かつ正確に把握できるようになり、高炉操業をより安定させることができる。 Continuous measurement is possible, and it becomes possible to quickly and accurately grasp the molten iron / molten slag fluidity at the outlet from the inside of the blast furnace based on the change and transition of the outlet flow velocity, which can further stabilize the blast furnace operation. .
高炉出銑口から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体の流速を測定する目的で、本発明を適用した。 The present invention was applied for the purpose of measuring the flow rate of the molten iron / molten slag mixed liquid flowing out from the blast furnace outlet.
溶銑・溶融スラグ混合液体の熱放射輝度２次元分布画像を撮像する撮像装置１として、モノクロＣＣＤカメラを使用した。得られる画像の画素数は３２０×１２０画素である。図１（ａ）に示すように、出銑口６から流出する溶銑・溶融スラグ混合液体５を横方向から観察した。溶銑・溶融スラグ混合液体の熱画像が画像の中央に位置するようにカメラの観察方向を調整して設置した。画像の１画素が溶銑・溶融スラグ流の実際のサイズで１．５ｍｍに相当することを予め確認した。 A monochrome CCD camera was used as the imaging device 1 for capturing a two-dimensional distribution image of the thermal radiance of the molten iron / molten slag mixed liquid. The number of pixels of the obtained image is 320 × 120 pixels. As shown in FIG. 1 (a), the molten iron / molten slag mixed liquid 5 flowing out from the spout 6 was observed from the lateral direction. The camera was installed with the observation direction adjusted so that the thermal image of the hot metal / molten slag mixed liquid was positioned at the center of the image. It was confirmed in advance that one pixel of the image corresponds to 1.5 mm in actual size of the molten iron / molten slag flow.
撮像に際し、露光時間を１／１００００秒とする高速シャッター速度を採用した。これにより、図２に示すような熱画像が得られる。また、撮像のフレームレートは２００フレーム／秒とした。 A high shutter speed with an exposure time of 1/10000 seconds was used for imaging. Thereby, a thermal image as shown in FIG. 2 is obtained. The frame rate for imaging was 200 frames / second.
ＣＣＤカメラ（固体撮像装置１）から出力される映像信号は画像処理装置２に入力され、ここでパターンマッチング処理が行われる。画像処理装置２は、具体的には画像入力ボードを備えたパソコンである。連続して撮像し、撮像時間間隔が５ｍ秒である２枚の画像について、先画像（画像１）の中央部の予め指定した位置から固定サイズ（縦８０画素×横８０画素）のテンプレートを切り出した。画像１撮像から５ｍ秒後に撮像した後画像（画像２）において、このテンプレートと最も類似するパターンが存在する位置を求めた。類似性は、パターンマッチング処理の相関係数の大小で評価する。ここでは濃淡分布が完全に一致する最も相関が高いときに１００％、逆に相関が全くなければ０％となる正規化相関係数を用いた。本実施例の撮像条件では、正規化相関係数が７０〜９０％の範囲でテンプレートと最も類似するパターンを検出することができた。正規化相関係数については、例えば前述の画像解析ハンドブック第７０９ページの「相互相関係数による方法」を参照することができる。 A video signal output from the CCD camera (solid-state imaging device 1) is input to the image processing device 2, where pattern matching processing is performed. Specifically, the image processing apparatus 2 is a personal computer provided with an image input board. For two images taken continuously and having an imaging time interval of 5 milliseconds, a template of fixed size (80 pixels long × 80 pixels wide) is cut out from a predetermined position in the center of the previous image (image 1). It was. The position where the pattern most similar to this template exists in the post-image (image 2) imaged after 5 msec from image 1 was obtained. Similarity is evaluated by the magnitude of the correlation coefficient in the pattern matching process. Here, a normalized correlation coefficient is used, which is 100% when the correlation where the grayscale distribution is completely the same is the highest, and conversely 0% when there is no correlation. Under the imaging conditions of this example, a pattern most similar to the template could be detected when the normalized correlation coefficient was in the range of 70 to 90%. For the normalized correlation coefficient, for example, “Method Using Cross Correlation Coefficient” on page 709 of the aforementioned image analysis handbook can be referred to.
画像２の中からテンプレートと最も類似するパターンが見つかったら、画像１のテンプレートからどれだけ移動しているかを算出し、演算装置３において溶銑・溶融スラグ混合液体の流速を演算する。演算装置３は、画像処理装置１と同じパソコンに含まれる。 When a pattern most similar to the template is found in the image 2, the amount of movement from the template of the image 1 is calculated, and the flow rate of the hot metal / molten slag mixed liquid is calculated in the calculation device 3. The arithmetic device 3 is included in the same personal computer as the image processing device 1.
流速算出結果は、パソコンの画面にグラフ表示されるとともに、パソコン内部の記憶装置に保存される。 The flow velocity calculation result is displayed in a graph on a personal computer screen and saved in a storage device inside the personal computer.
１回の出銑中の溶銑・溶融スラグ混合流流速の時間推移を本発明方法で連続的に測定した。結果の一例を図６に示す。出銑口から噴出した直後の流速を連続的に測定できることが本発明の特徴であり、従来はこのように流速を直接測定できる方法はなかった。本発明方法の測定結果を検証するため、図５にあるような連続した２枚の画像とこれらで移動量を演算したデータとを間欠的に保存しておき、後で処理が良好に実行されていることを確認した。 The time transition of the molten iron / molten slag mixed flow velocity during one brewing was continuously measured by the method of the present invention. An example of the result is shown in FIG. The feature of the present invention is that the flow velocity immediately after jetting from the spout can be measured continuously, and there has been no method that can directly measure the flow velocity in this way. In order to verify the measurement result of the method of the present invention, two consecutive images as shown in FIG. 5 and the data obtained by calculating the movement amount are intermittently stored, and the process is executed well later. Confirmed that.
１ 固体撮像装置
２ 画像処理装置
３ 演算装置
５ 溶銑・溶融スラグ混合液体（溶融物）
６ 出銑口
７ 遮蔽板
８ 出銑樋カバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid-state imaging device 2 Image processing device 3 Arithmetic device 5 Hot metal and molten slag mixed liquid (melt)
6 Outlet 7 Shield plate 8 Outlet cover
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