JP2015052555A - 炉内耐火物損耗状態の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの大きい炉や、Ｕ字型炉のように内部が湾曲した形状の炉体であっても、炉内の耐火物の形状を確実に測定する方法を提供する。
【解決手段】炉体の内部に内張された耐火物の表面形状を測定することによって、耐火物の損耗状態を検出する炉内耐火物損耗状態の測定方法であって、耐火物に対して測定光を照射することにより炉内の２次元形状を測定する測定手段１０を、移動手段によって炉内で移動させつつ複数回測定することにより炉内の３次元形状を求め、求めた前記３次元形状に基づいて耐火物の損耗状態を測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、製鉄分野で用いられる様々な炉体の内側に設けられた耐火物の形状を測定し、耐火物の損耗状態を評価する炉内耐火物損耗状態の測定方法に関する。

周知の如く、製鉄分野では様々な炉体、例えば、高炉、転炉、加熱炉などが用いられる。これら炉体の内側には耐火物が内張りされているが、炉体での処理プロセスを経過する中で温度や雰囲気によって耐火物が徐々に損耗する。この損耗量を適切に管理しなければ、炉壁に穴が開くようなトラブルに繋がったり、耐火物の無駄な張替えを行うことになる。

そこで、耐火物の損耗量を適切に管理するために、炉体の内側に設けられた耐火物の形状を直接測定することが考えられ、特許文献１〜３に開示された技術などが存在する。
例えば、特許文献１は、炉壁までの距離を計測する非接触の距離計測手段と、該距離計測手段を炉内に挿入し炉壁面に沿って２次元的に走査するための走査手段と、炉内を走査される前記距離計測手段を炉外から撮像するための画像撮像手段とを有し、該画像撮像手段により前記距離計測手段を撮像して該距離計測手段の２次元的な走査軌跡を算出し、前記距離計測手段により計測された炉壁までの距離の測定値と前記走査軌跡とにより、炉壁面の面形状を計測する炉壁形状計測方法を開示する。この技術により、コークス炉等の炉内壁面全体の２次元的な凹凸形状を正確に計測することを可能としている。

また、特許文献２は、炉上に位置させたレーザ距離計のレーザ光照射部を、基準点回りに回動または回転させることにより照射角度を連続的にまたは断続的に変化させながら、そのレーザ光照射部からレーザ光を発して測定対象室の炉壁を走査する。そしてその走査により、レーザ光照射角度と、基準点から炉壁の照射部位までの距離との関係を直接的にまたは間接的に示す情報を得、その情報に基いて炉壁の凹凸状況を知ることによりその炉壁の診断を行う技術を開示する。この技術により、コークス炉の燃焼室または炭化室の炉壁煉瓦の凹凸部位を、炉上から非接触で容易かつ精度良く判定することとしている。

さらに、特許文献３は、光信号、特にレーザー信号を送出するための送信器と、目標とする空間内に有る物体によって反射された光信号、特にレーザー光線を受けるための受信器とを備えている。更に、送信器と受信器の光軸を、有利には二つの直交する方向の間で偏向させるための走査器が配備されている。送信器と受信器の光軸は、ほぼ平行に延びる。更に、送出した光信号の所要時間又は位相位置から、距離値を算出して、この距離値と走査器の光線の偏向角とから個々のデータ要素の空間座標を得るための評価機器が有る。この装置は、架台の中空軸を用いて軸支されている回転する測定ヘッドと、中空軸に対して軸方向に入射する光線を半径方向に偏向可能とするとともに、その逆も可能とする、測定ヘッドに対して固定して配置されたミラー機器とを備えている。位置を固定して配置された送信器の光線を、中空軸に対して軸方向に誘導することが可能であるとともに、ミラー機器によって、半径方向に送出することが可能であり、そして目標とする空間内に有る物体によって反射された光線を、ミラー機器によって、中空軸の軸の方向に偏向することが可能であるとともに、同じく位置を固定して配置された受信器に供給することが可能な空間を記録するための装置を開示している。

特開２００４−３５４２４１号公報 特開２００２−４７４９１号公報 特表２００７−５１２５２３号公報

上記した特許文献１〜３の技術を用いて、サイズの大きい炉や、内部が湾曲した形状の炉を計測することを考える。
まず、特許文献１の技術は、計測ヘッド部を炉内に挿入する機構がアーム構造であるため、アームの届く直線状の範囲しか計測できない。また、挿入距離が長くなるとアームのたわみや振動が無視できなくなり、またそれらを補正するための基準点が補正用カメラから見えにくくなり、補正精度が落ちる。これらの問題により、サイズの大きい炉や内部が湾曲した形状の炉には適用できないといった難点を有する。

特許文献２の技術を、サイズの大きな炉に適用した場合、レーザ距離計を固定位置から回転させて全ての壁面を照射するだけでは、遠方になるほど、炉壁に対するレーザ光の入射角が浅くなり、反射光を受光しにくくなる。あるいは、内部が湾曲した形状の炉では、レーザ照射光の届かない面が出てくる。さらには角度ピッチに対する炉壁面上の測定点ピッチが遠方ほど粗くなるため、必要な測定精度を出すことが出来ない。

特許文献３の技術を、サイズの大きい炉や、内部が湾曲した形状の炉に適用した場合、アームによる直動機構及びセンサヘッドだけで３次元計測が可能なため、特許文献１，２の技術に比べれば測定可能範囲が広がるが、それでも一度の計測で炉全体の形状を測定することは出来ない。また、センサヘッド自身が３次元計測を可能とする為には複雑な回転機構やミラー機構を必要とするため、センサヘッド自身が高価なものとなってしまう。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、サイズの大きい炉や、内部が湾曲した形状の炉体であっても、炉内の耐火物の形状を確実に計測することができる炉内耐火物損耗状態の測定方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る炉内耐火物損耗状態の測定方法は、炉体の内部に内張された耐火物の表面形状を測定することによって、前記耐火物の損耗状態を検出する炉内耐火物損耗状態の測定方法であって、前記耐火物に対して測定光を照射することにより炉内の２次元形状を測定する測定手段を、移動手段によって前記炉内で移動させつつ複数回測定することにより前記炉内の３次元形状を求め、求めた前記３次元形状に基づいて前記耐火物の損耗状態を測定することを特徴とする。

好ましくは、前記測定手段として、測定光を耐火物へ向けて照射することにより、当該耐火物までの距離を測定するＴＯＦ型距離センサを採用するとよい。
好ましくは、前記測定手段として、ライン状の測定光を耐火物へ向けて照射した上で光切断法に基づいて当該耐火物の２次元形状を測定する光切断型距離センサを採用するとよい。

好ましくは、前記移動手段は、前記炉体の底部側に配置された移動式の炉床であるとよい。
好ましくは、前記２次元形状は、炉内の側壁部及び天井部の形状であるとよい。
好ましくは、前記炉体の補修直後に、測定して得られた炉内の３次元形状を基準データとし、前記炉体の操業後に、測定して得られた炉内の３次元形状を操業後データとし、前記基準データと操業後データとの差を基に、前記耐火物の損耗状態を求めるとよい。

好ましくは、前記炉内に位置決めターゲットを設置して、当該位置決めターゲットの座標を求め、求めた位置決めターゲットの座標を基にして、前記基準データと操業後データとの原点合わせを行った上で、前記基準データと操業後データとの差を求めるとよい。
好ましくは、前記位置決めターゲットの形状を半球形状とし、半球形状の位置決めターゲットに測定光を照射したときの３次元形状に基づいて、位置決めターゲットの中心座標を求め、求めた中心座標に基づいて、前記基準データと操業後データとの原点合わせを行うとよい。

好ましくは、前記炉床上に設置した測定手段の設置位置の誤差を、前記位置決めターゲットの３次元形状に基づいて補正するとよい。
好ましくは、前記基準データと操業後データとの差を求めるに際し、測定手段によって走査した同一走査面に形状を示す測定値が存在しない場合には、測定値を補間したうえでで基準データと操業後データとの差を求めるとよい。

本発明に係る炉内耐火物損耗状態の測定方法によれば、サイズの大きい炉や、Ｕ字型炉のように内部が湾曲した形状の炉体であっても、炉内の耐火物の形状を確実に計測することが可能となる。

（ａ）はＵ字型炉の平面図を示し、（ｂ）はＵ字型炉の断面図（Ａ−Ａ断面）を示している。 （ａ）は形状計測装置から照射される測定光の状況（ＴＯＦ型距離センサ）を示しており、（ｂ）は移動する形状計測装置から照射される測定光の状況を示しており、（ｃ）は形状計測装置の構造（光切断型距離センサ）を示した図である。 （ａ）は半球ターゲットの側面断面図であり、（ｂ）は半球ターゲットの正面図である。 半球ターゲットを湾曲部の側壁に取り付けた状況を模式的に示した図である。 測定手段（距離センサ）の座標を示した図である。 Ｕ字型炉の湾曲部を直線状に変換することを示した図である。 半球ターゲットを用いて位置合わせを行うことを示した図である。 設置面誤差処理を説明するための図である。 走査ライン誤差処理を説明するための図である。 リサンプリング処理を説明するための図である。 炉体の損耗量を求める処理を説明するための図である。 炉体の展開図上に損耗量をマッピングする処理を説明するための図である。

以下、本発明に係る炉内耐火物の形状計測装置及び形状計測方法の実施形態を、図を基に説明する。
[第１実施形態]
製鉄分野では様々な炉体、例えば、高炉、転炉、加熱炉などが用いられる。これら炉体の内側には耐火物が内張りされている。この実施形態では、炉体として、内部が湾曲した形状を有するＵ字型炉１を例に挙げ説明する。

図１に示すように、Ｕ字型炉１は、略半円形からなる湾曲部２を有しており、この湾曲部２の外周直径は数十ｍと大型である。湾曲部２の断面は、内部の幅、高さとも数ｍに及ぶ矩形形状を呈している。
Ｕ字型炉１の内部の側壁部４と天井部５（天井部）には、耐火物９が張られている。Ｕ字型炉１の底部（炉床）６は、移動可能とされており、この移動式の炉床６は、敷設されたレール７上を移動することで、湾曲部２の曲率に沿って移動する。この炉床６上には、例えば、鋳片などの処理対象などが載置され、炉床６がＵ字型炉の湾曲部２を移動するにしたがって、処理対象の鋳片が昇温されることとなる。この実施形態では、Ｕ字型炉１を例にあげ説明しているが、当然の如く、本発明は、その他の炉体も適用可能である。例えば、ペレット等の製鉄原料を炉床６に装入して、炉床６をレール７に沿って回転させながら反応を進める回転炉にも適用することができる。

上記した炉体の内側の耐火物は、炉内での処理プロセスを経過する中で温度や雰囲気によって徐々に損耗する。この耐火物の損耗が進むと、炉壁に穴が開くトラブルの可能性があるため、耐火物の損耗を管理する必要がある。しかしながら、耐火物の損耗を管理するにあたって、耐火物の損耗が進んでいない状態で耐火物を取り換えてしまうと使用できる耐火物を破棄することになり、耐火物が無駄となることもある。

そこで、本発明では、図２に示すように、炉体の内部（炉内）に測定手段である距離センサ１０を設置し、この距離センサ１０によって炉内の形状（耐火物の損耗状態）を測定することにより、耐火物の損耗量を適切に認識し管理することとしている。
本実施形態における距離センサ１０は、レーザ光（測定光）を耐火物に照射し、耐火物に当たって反射した光（反射光）を受光センサで受けて、照射したレーザ光との時間差を検出し、時間差と光源とから耐火物までの距離を求めるＴＯＦ型距離センサである。

図２を用いて、距離センサ１０（ＴＯＦ型距離センサ）による炉内の形状測定について、詳しく説明する。
図２（ａ）に示すように、炉床６の幅方向の中央部に距離センサ１０を設置する。例えば、距離センサ１０を、炉床６の湾曲部２に設置するにあたっては、円弧状となっている湾曲部２の半径方向（径方向）の中央部（幅方向の中央部と同じ）に設置する。

以降、便宜上、距離センサ１０を湾曲部２に設置したことを例にとり説明を進める。
距離センサ１０の設置時には、レーザ光Ｌの走査面が湾曲部２の半径方向に沿うように、当該距離センサ１０の向きを合わせる。距離センサ１０の設置後は、例えば、外側の側壁部４ａ（外側壁部４ａという）の下端の耐火物に向けてレーザ光Ｌを照射して距離センサ１０から耐火物９上のレーザ反射点までの距離を測定する。次に、レーザ光Ｌの照射を徐々に天井部５に向けて移動させながら走査し、走査中に一定の移動角度毎にレーザ光反射点までの距離を測定していく。内側の側壁部４ｂ（内側壁部４ｂという）の下側の耐火物に照射した時点で、レーザ光Ｌの照射及び走査を終了する。

即ち、レーザ光Ｌを、外側壁部４ａ、天井部５及び内側壁部４ｂに亘って照射しつつ走査を行うことにより、１回の走査で距離センサ１０から炉壁（炉内の耐火物）までの距離を測定する。１回の走査にかかる時間は、０．１秒である。距離センサ１０による測定値は、コンピュータ（図示省略）に格納され、２次元形状を示す座標に変換される。
次に、所定位置での炉内の走査が終了すると、移動手段によって距離センサ１０を移動させる。図２（ｂ）に示すように、炉床６をレール７に沿って移動（回転）させることにより距離センサ１０の位置を変えることができる。

炉床６の移動後は、図２（ａ）で説明したように、同じ方法で炉内の走査を実行する。そして、炉内の走査と炉床６の移動とを繰り返して、炉内の所定の区間における連続した複数の２次元形状を取得する。この２次元形状は、炉床６を除く、外側壁部４ａ、天井部５及び内側壁部４ｂの形状となる。そして、このように求めた複数の２次元形状を移動方向に沿って（レール７に沿って）連続的に並べることにより、炉内の３次元形状を求めることができる。

なお、炉床６の移動ピッチ（距離センサ１０の移動ピッチ）は、耐火物同士の継ぎ目である目地の幅よりも小さくすることが望ましい。例えば、距離センサ１０の移動距離が５０ｍである場合において、距離センサ１０を１０分で移動させるとすると、移動速度は２６２ｍｍ／秒となる。レーザ光の１回の走査速度は０．１秒であるため、炉床６の移動ピッチは、約２６ｍｍとなる。一方、同じ５０ｍを２０分で移動させるとすると、炉床６の移動ピッチは、約１３ｍｍとなる。例えば、耐火物の目地が２０ｍｍであると、前者（移動ピッチが約２６ｍｍ）では、目地の部分が測定できない可能性があるが、後者（移動ピッチが約１３ｍｍ）では、目地の部分が測定可能となる。

上述した実施形態では、距離センサ１０として、ＴＯＦ型距離センサを用いた例を説明したが、図２（ｃ）に示すように、距離センサ１０として、耐火物に照射されたライン状の測定光をカメラ１１によって撮像することにより２次元形状を測定する光切断法に基づく光切断型距離センサを採用してもよい。なお、光切断型距離センサにおいても、炉内を湾曲し沿って移動する方法は同じである。

以上のように、距離センサ１０を移動手段（レール７上を移動する炉床６）によって炉内で移動させることにより、２次元形状を複数取得することができる。そして、この２次元形状を連ねることで、炉内の３次元形状を得ることができる。
次に、耐火物の損耗状態の測定について説明する。
損耗状態を測定する方法として、（ａ）炉体の外側形状と内側形状の形状差から耐火物の損耗状態（耐火物の残厚）を求める方法（第１方法）と、（ｂ）耐火物の損耗が無いときの内側形状（補修直後の内側形状）を推定しておき、補修直後の内側形状と炉体の操業後の内側形状とを比較して耐火物の損耗状態を求める方法（第２方法）とがある。

第１方法では、炉体の外側形状を測定しなければならないが、サイズの大きい炉や、内部が湾曲した形状の炉の場合は、炉体の外側形状を測定することは非常に難しい。特に、炉体の周辺には、周辺設備が設置されていて、周辺設備と炉体とが接続されていることも多いため、このことからも炉体の外側形状を測定することはほぼ不可能である。一方、第２方法では、炉体の内側形状を測定すればよいため、耐火物の損耗状態を求めることは可能である。

本発明では、第２方法を採用し、炉内耐火物の補修直後に炉内形状（３次元形状）を測定して当該３次元形状を基準データとする。次に、炉を所定期間操業した後の炉内形状（３次元形状）を測定して当該３次元形状を操業後データとする。そして、基準データと操業後データとの差から耐火物の損耗状態を評価する。
詳しくは、まず、炉内の耐火物を補修した後、補修直後に炉内に距離センサ１０を設置する。図２に示したように、距離センサ１０によって炉内の２次元形状を複数取得し、２次元形状から得られた３次元形状を基準データとする。その後、炉を所定期間操業し、例えば、耐火物の定期補修や状況確認を行うときのタイミングで距離センサ１０を設置する。距離センサ１０によって炉内の２次元形状を複数取得し、２次元形状から得られた３次元形状を操業後データとする。そして、操業後データによって得られる操業後の３次元形状と、基準データによって得られる操業前（補修直後）の３次元形状とを比較して、耐火物の損耗分布や損耗速度分布などを求める。

さて、３次元形状を比較するに際して、補修直後に炉内に設置する距離センサ１０の位置と、操業後に炉内に設置する距離センサ１０の位置とを完全に一致させることができればよいが、実操業では、補修直後に設置した距離センサ１０を一旦撤去し、所定の期間操業した後に再び距離センサ１０を設置する。このとき、距離センサ１０を炉床に固定するための機構を操業中は取り外しているため、操業後の再設置時には、両者間で設置位置がずれてしまう。ゆえに、補修直後の３次元形状と、操業後の３次元形状とを、そのまま重ね合わせただけでは、設置位置のずれ（原点位置のずれ）によって、正確に耐火物の損耗状態を求めることができない可能性がある。

そこで、本発明では、距離センサ１０の位置ずれによる影響を無くすため、位置決めターゲット１５を炉内に設置することとしている。
図４に示すように、炉体の側壁部４ａ、４ｂには、炉内の状況を見たり、点検のために人が出入りするための点検口１６が備えられている。補修直後や操業後に炉内の３次元形状を測定する際には、半球状に形成された位置決めターゲット１５を点検口１６に取り付ける。詳しくは、図３及び図４に示すように、半球状の本体部１７を点検口１６に挿入し、取り付けステー１９の両側を点検口１６の縁部にある取付部１８に固定することにより位置決めターゲット１５を炉体１に設置する。なお、位置決めターゲット１５は、点検口１６に取り付けるようにしているため、取付と取り外しを繰り返したとしても炉体全体に対する位置は変化しない。

さて、位置決めターゲット１５を点検口１６に取り付けた状態では、半球状の本体部１７が炉壁部４ａ、４ｂの内側（炉内）に位置するため、補修直後や操業後に距離センサ１０によって炉内形状を測定した場合、位置決めターゲット１５（本体部１７）の位置（座標）を検出することができる。
本発明では、補修直後に計測した位置決めターゲット１５の基準座標（測定値から得られた座標）と、操業後に計測した位置決めターゲット１５の基準座標（測定値から得られた座標）とが一致するように、操業後に測定値（２次元形状又は３次元形状の元となる測定値）を補正する（原点位置を合わせる補正を行う）ことにより、距離センサ１０の設置ずれによる影響を無くしている。

なお、本発明では、位置決めターゲット１５の基準座標を半球の中心点としている。位置決めターゲット１５の本体部１７を半球状にしているため、距離センサ１０の位置ずれや角度ずれに伴う測定値のずれに対して中心点の座標（基準座標）は変化しにくく、半球状により基準座標を適正に求めることができる。位置決めターゲット１５を、半球状ではなく直方体や箱型形状にすると、これらの基準とする位置（例えば、エッジ）が求められにくく、位置決め精度が低下するが、半球状では、このような問題を回避することができる。

なお、図５は、理想的な距離センサ１０の設置状況における原点と、その座標（右手座標系）を示したものである。湾曲部２の半径方向を「Ｘ軸方向」、このＸ軸方向に直交し且つ湾曲部２の上下方向を「Ｚ軸方向」、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に直交する方向を「Ｙ軸方向」としたとき、距離センサ１０の位置ずれの要素としては、各軸による３方向のずれと、各軸周りの角度ずれの６要素がある。しかしながら、実際には、Ｘ軸周りの角度ずれについては、距離センサ１０を設置する際に、水準器等で水平だしを十分に行うことができる。また、Ｙ軸方向の位置ずれについては、炉床の移動によってキャンセルされる。そのため、本発明では、距離センサ１０の位置ずれの６つの要素のうち、Ｘ軸およびＺ軸方向の平行移動成分とＹ軸周りおよびＺ軸周りの角度ずれの４要素に縮減できることから、４要素のずれ量を補正するために、少なくとも２つの位置決めターゲット１５を炉内に設置すればよい。この実施形態では、湾曲部２において、その外側壁部４ａに１台の位置決めターゲット１５を設置すると共に、内側壁部４ｂにも１台の位置決めターゲット１５を設置している。

以上によれば、耐火物の補修直後に測定した３次元形状を基準データとし、炉の操業後に測定した３次元形状を操業後データとしているため、基準データと操業後データとの差から耐火物の損耗状態を評価することができる。また、炉内に位置決めターゲット１５を設置して、位置決めターゲット１５に測定光を照射したときの測定値（基準座標）に基づいて、２次元形状又は３次元形状の元となる測定値を補正しているため、距離センサ１０による設置ずれの影響を無くすことができる。特に、位置決めターゲット１５の形状を半球形状としているため、距離センサ１０の設置ずれによる基準座標の影響を少なくすることができる。

[第２実施形態]
以上述べた第１実施形態の炉内耐火物損耗状態の測定方法によれば、サイズの大きい炉や、回転炉のように内部が湾曲した形状の炉体であっても、炉内の耐火物の形状を確実に計測することができる。
以降述べる第２実施形態では、更に測定精度を向上させるべく、様々なデータ補正を行う実施形態について説明する。すなわち、第２実施形態は、距離センサ１０によって測定した測定値について、コンピュータ等を用いて様々な補正処理を行うようにしたものである。なお、第２実施形態における処理は、コンピュータにより行うとし説明する。また、第２実施形態においても、炉内の３次元形状の取得方法は、第１実施形態と略同じである。

まず、第２実施形態では、距離センサ１０によって測定した測定値から炉内の内面形状を求めるにあたって、演算処理を行い易くするために、内部が湾曲した炉体の形状を直線状の形状に展開することとしている（形状変更処理）。
形状変更処理では、図６に示すように、炉体の所定位置（例えば、Ｕ字型炉１であれば、湾曲部２の中心）を原点とし、鉛直方向（上下方向）をＺ軸とするワールド座標を設定する。あるいは、炉体が回転炉であれば、回転炉の中心を原点とする。

また、コンピュータは、位置決めターゲット１５の中心座標（基準座標）を求める基準座標演算処理を行う。図７に示すように、距離センサ１０から位置決めターゲット１５に向けて測定光を照射した場合、半球状の位置決めターゲット１５（本体部１７）には複数本の走査線による測定値を得ることができるため、基準座標演算処理では、半球上の測定値を用いて球の中心座標を求め、球の中心座標を基準座標とする。詳しくは、測定値（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）と、球の方程式により球の中心座標（ａ／２，ｂ／２，ｃ／２）を最小二乗法を用いて求める。ここで、Ｘ方向は湾曲部の炉幅方向、Ｙ方向は炉の長手方向である。なお、球の中心座標を求める手法は限定されるものではなく、前述とは異なる方法により球の中心座標を求めてもよい。

さて、実操業において炉床６は平坦ではなく凹凸があるため距離センサ１０を設置した場合、図８（ａ）に示すように、距離センサ１０の設置時の原点Ｏ１と予め設定した炉床の中央部を示す原点Ｏ２とがずれたり、距離センサ１０の測定光を照射する光軸の角度が鉛直方向に対してずれてしまう。即ち、図８（ａ）に示すように、距離センサ１０を設置することにより、垂直距離（高さ）の誤差ΔＶ、傾き誤差Δφ、水平距離の誤差ΔＬが発生してしまう。そこで、コンピュータは、距離センサ１０の設置誤差（高さの誤差ΔＶ、傾き誤差Δφ、水平距離の誤差ΔＬ）による影響を無くすために、測定値の補正を行う（設置面誤差処理）。

設置面誤差処理では、複数の位置決めターゲット１５の基準座標を用いる。具体的には、外側壁部４ａに設置した位置決めターゲット１５と、内側側壁部４ｂに設置した位置決めターゲット１５との２つを用いる。説明の便宜上、１つ目の位置決めターゲットを第１ターゲット１５ａ、２つ目の位置決めターゲットを第２ターゲット１５ｂという。
設置面誤差処理において、高さの誤差ΔＶを求めるにあたっては、図８（ｂ）に示すように、まず、第１ターゲット１５ａの基準座標に基づき、第１ターゲット１５ａの高さである「測定値Ｖ１」を求める。また、同様に、第２ターゲット１５ｂの基準座標に基づき、第２ターゲット１５ｂの高さである「測定値Ｖ２」を求める。

ここで、第１ターゲット１５ａの設計時の高さ（設計値Ｖ１０）は予め設定されているため、第１ターゲット１５ａにおける設計上の高さ（測定値Ｖ１０）と、測定値による高さ（測定値Ｖ１）とに基づき、第１ターゲット１５ａにおける高さ誤差ΔＶ１を求める（ΔＶ１＝Ｖ１−Ｖ１０）。
同様に、第２ターゲット１５ｂにおける設計上の高さ（測定値Ｖ２０）と、測定値による高さ（測定値Ｖ２）とに基づき、第２ターゲット１５ｂにおける高さ誤差ΔＶ２を求める（ΔＶ２＝Ｖ２−Ｖ２０）。そして、第１ターゲット１５ａの高さ誤差ΔＶ１と、第２ターゲット１５ｂの高さ誤差ΔＶ２との平均を計算し、この平均値を高さ誤差ΔＶとして代表する［ΔＶ＝（ΔＶ１＋ΔＶ２）／２）］。

設置面誤差処理において、傾き誤差Δφを求めるにあたっては、高さ誤差ΔＶの平均値からの各ターゲットの誤差（ΔＶ１、Ｖ２）の偏差に基づき、傾き誤差Δφを求める。具体的には、第１ターゲット１５ａの偏差を「ΔＶ１１＝ΔＶ１−ΔＶ」より求め、第２ターゲット１５ｂの偏差を「Δ２１＝ΔＶ２−ΔＶ」を求める。そして、「Δφ＝tan^-1（ΔＶ２１−ΔＶ１１）／（Ｌ１＋Ｌ２）」により、傾き誤差Δφを求める。

設置面誤差処理において、水平距離の誤差ΔＬを求めるにあたっては、位置決めターゲット間の水平距離の差（絶対値）を用いる。具体的には、位置決めターゲットの設計上の水平距離は、Ｌ１０＝Ｌ２０＝Ｌ／２（Ｌは設計上の水平距離）で表される。第１ターゲット１５ａの水平誤差ΔＬ１＝Ｌ１−Ｌ１０、第２ターゲット１５ｂの水平誤差ΔＬ２＝Ｌ２−Ｌ２０とすると、位置決めターゲット間の水平距離ΔＬ＝ΔＬ１＝ΔＬ２となる。

上述したように、垂直距離（高さ）の誤差ΔＶ、傾き誤差Δφ、水平距離の誤差ΔＬを求めると、測定値（ｘ、ｚ）を補正する。測定値の補正は、次式を用いる。

さて、図９（ａ）に示すように、元形状であるＵ字状の炉体を、直線展開した炉体１ａに置き換えて考えたとき、レーザ光による炉内への走査ラインＬは、炉体の軸線方向に対して直交する向きと一致することが理想的である。しかしながら、距離センサ１０を炉床６に設置した場合、レーザ光の走査方向（走査ライン）Ｌが炉体の軸線方向に対して直交する向きに沿わず、斜めになってしまうことがある。即ち、図９に示すように、走査ラインＬは、炉体の軸線方向に対して角度Δθ（傾斜角度Δθ）で傾斜してしまう。傾斜角度Δθは距離センサ１０を設置する毎に異なることが多いため、補修直後と操業後とで３次元形状を比較することが難しくなる。また、補修直後と操業後とで炉内を走査する場合、距離センサ１０の移動速度、即ち、炉床６の移動速度が一致することが難しく、傾斜角度Δθを有したまま測定すると、走査面の総数が異なることがあり、単純に比較ができなくなる可能性がある。

そこで、走査ラインの傾きによる影響を無くすために、測定値の補正を行う（走査ライン誤差処理）。
走査ライン誤差処理では、設置面誤差処理と同様に、複数（例えば、２つ）の位置決めターゲットの基準座標を用いる。図９（ａ）に示すように、第１ターゲット１５ａのＹ座標の測定値（Ｙ１）と、第１ターゲット１５ａのＹ座標の設計値（Ｙ１０）との差を求める（ΔＹ１＝Ｙ１−Ｙ１０）。また、第２ターゲット１５ｂのＹ座標の測定値（Ｙ２）と、第１ターゲット１５ａのＹ座標の設計値（Ｙ２０）との差を求める（ΔＹ２＝Ｙ２−Ｙ２０）。そして、「ΔＹ１、ΔＹ２」を用いて、走査方向と理想的な走査面（炉体の軸線方向に対して直交する面）との傾き（傾斜角度Δθ）を求める。具体的には、次式を用いて、傾斜角度θを求める。

次に、走査ライン誤差処理では、傾斜角度Δθを零にした補正走査面Ｓを設定し、補正走査面Ｓ間のピッチ（距離センサ１０の移動量、炉床の移動量）は一定値とする。図９（ｂ）に示すように、補正走査面Ｓの測定点（補正後の測定値）Ｐ１、Ｐ２・・・は、実際の測定値間での線形補間を行うことにより決定する。なお、測定値の点数は、全ての補正走査面Ｓで一定とすると共に、補正走査面Ｓ上に測定値を補正する場合は、補正走査面Ｓに最も近い実測値を選択する。また、測定値（測定点）の探査は、軸線方向に平行なＺ方向に沿って行う。

以上のように、測定値の補正を行った後は、補修直後の炉内の内面形状（３次元形状）と、操業後の炉内の内面形状（３次元形状）とを比較する処理を行う（形状比較処理）。
形状比較処理では、補正走査面Ｓ上の全ての測定値に対して、側壁部４に相当する測定値と、天井部５に相当する測定値とに分ける。具体的には、図１０に示すように、設計上の高さＶ０、炉壁までの距離Ｌ１０，Ｌ２０は予め分かるため、まず、側壁部４と天井部５の境界となるコーナ部８の座標を求める。そして、コーナ部８の座標からＸ軸方向に対するコーナ部角度θ１、θ２を求める。

次に、形状比較処理では、走査開始位置からコーナ部８までの測定値の点数を、コーナ部角度θ１に基づき求める。例えば、距離センサ１０において測定光の振り角度が１／６°ピッチである場合、コーナ部角度θ１を振り角度（１／６°）で割ることによって、コーナ部８までの測定値の点数を求めることができる。同様に、走査終了位置からコーナ部８までの測定値の点数をコーナ部角度θ２に基づき求める。これにより、走査開始位置からコーナ部８までの測定値（外側壁部４ａの測定値）と、走査終了位置からコーナ部８までの測定値（内側壁部４ｂの測定値）とが側壁部４における測定値となり、それ以外の測定値が天井部５に対応するものとなる。

側壁部４における測定値と天井部５における測定値とに分けた後は、形状比較処理では、全ての補正走査面Ｓにおいて、側壁部４の測定値の点数や天井部５の測定値の点数を、一致させるリサンプリングを行う。
図１０（ｂ）に示すように、リサンプリングでは、サンプリングピッチを設定し、サンプリングピッチの間隔で測定値を補間する。なお、リサンプリングでは、走査ライン誤差処理等で補正した測定値を用い、線形補間を用いる。

形状比較処理では、側壁部４の測定値や天井部５の測定値をリサンプリングした後は、補修直後における炉内の内面形状と、操業後における炉内の内面形状との比較を、リサンプリング後の測定値（補間データ）を用いて行う。即ち、側壁部４や天井部５をそれぞれ比較するに際して、同一座標点（走査面）に測定値（データ）が存在しない場合には、リサンプリングによって測定値を補間した補間データを用いて比較を行う。

具体的には、図１１に示すように、補修直後における外側壁部４ａの測定値（リサンプリング後の測定値）と、操業後における外側壁部４ａの測定値（リサンプリング後の測定値）との差から外側壁部４ａにおける耐火物の損耗状態である損耗量を求める。また、補修直後における内側壁部４ｂの測定値と、操業後における内側壁部４ｂの測定値との差から内側壁部４ｂにおける損耗量を求める。同様に、修直後における天井部５の測定値と、操業後における天井部５の測定値との差から天井部における損耗量を求める。例えば、図１１に示すように、補修直後の天井部の位置Ａである場合、この位置Ａとリサンプリング点における測定値との差が損耗量となる。

なお、損耗量を求めるにあたっては、炉内を構成する壁面の法線方向とする。外側壁部４ａの損耗量は、Ｘ軸方向（水平方向）且つ炉外に向かう方向での耐火物の減少量とし、内側壁部４ｂの損耗量は、Ｘ軸方向（水平方向）且つ炉外に向かう方向での耐火物の減少量とし、天井部５の損耗量は、Ｚ軸方向（鉛直方向）に沿って炉外に向かう方向での耐火物の減少量とする。

また、側壁部４（外側壁部４ａ、内側壁部４ｂ）の損耗量、天井部５の損耗量を求めた後は、例えば、図１２に示すように、炉体の展開図上Ｍに損耗量をマッピングすることが望ましい。例えば、外側壁部の損耗量のデータと、内側壁部の損耗量のデータと、天井部の損耗量のデータとを準備しておき、これらのデータに基づいて、展開図上に損耗量を表示する。なお、損耗量は、数値で表示してもよいが、損耗量の大きい部分と小さい部分とを色分けして表示してもよい。

以上、本発明によれば、測定光を直線的に炉内に照射して２次元的に形状を測定するＴＯＦ型距離センサや光切断型距離センサなどの距離センサ１０を移動させることにより、３次元的に形状を測定する高価な装置を用いなくても、炉内における耐火物の損耗状態を測定することができる。また、距離センサ１０を炉内で移動させるにあたっては、炉床の回転を用いるため、距離センサ１０を移動させるための余分な設備投資が不要であるため、安価に炉内を測定することができる。しかも、炉床はあらかじめ設置されているレールに沿って回転する構成となっているため、移動に伴う距離センサ１０の座標系の統合を行い易く、複雑な処理や構造を用いなくても済む。また、補修直後（耐火物損耗の無い状態）の炉内形状と比較することで、簡便かつ精度よく耐火物の損耗度合いを評価することが可能となる。また、位置決めターゲットを炉体に設置しているため、簡単に測定値（データ）の位置合わせを行うことができ、距離センサ１０における設置誤差の影響を無くすことができる。特に、位置決めターゲットを、半球状にしているため測定光の照射位置や方向が異なっても精度よくターゲットの中心座標（基準座標）を求めることが出来て、高精度に位置合わせが可能となる。

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 炉体（Ｕ字型炉）
２ 湾曲部
４ 側壁部
４ａ 外側壁部
４ｂ 内側壁部
５ 天井部
６ 炉床
７ レール
８ コーナ部
１０ 距離センサ
１５ 位置決めターゲット
１６ 点検口
１７ 本体部
１８ 取付部
１９ 取付ステー

Claims (10)

1. 炉体の内部に内張された耐火物の表面形状を測定することによって、前記耐火物の損耗状態を検出する炉内耐火物損耗状態の測定方法であって、
   前記耐火物に対して測定光を照射することにより炉内の２次元形状を測定する測定手段を、移動手段によって前記炉内で移動させつつ複数回測定することにより前記炉内の３次元形状を求め、求めた前記３次元形状に基づいて前記耐火物の損耗状態を測定することを特徴とする炉内耐火物損耗状態の測定方法。
2. 前記測定手段として、測定光を耐火物へ向けて照射することにより、当該耐火物までの距離を測定するＴＯＦ型距離センサを採用していることを特徴とする請求項１に記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
3. 前記測定手段として、ライン状の測定光を耐火物へ向けて照射した上で光切断法に基づいて当該耐火物の２次元形状を測定する光切断型距離センサを採用していることを特徴とする請求項１に記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
4. 前記移動手段は、前記炉体の底部側に配置された移動式の炉床であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
5. 前記２次元形状は、炉内の側壁部及び天井部の形状であることを特徴とする請求項４に記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
6. 前記炉体の補修直後に、測定して得られた炉内の３次元形状を基準データとし、
   前記炉体の操業後に、測定して得られた炉内の３次元形状を操業後データとし、
   前記基準データと操業後データとの差を基に、前記耐火物の損耗状態を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
7. 前記炉内に位置決めターゲットを設置して、当該位置決めターゲットの座標を求め、
   求めた位置決めターゲットの座標を基にして、前記基準データと操業後データとの原点合わせを行った上で、前記基準データと操業後データとの差を求めることを特徴とする請求項６に記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
8. 前記位置決めターゲットの形状を半球形状とし、半球形状の位置決めターゲットに測定光を照射したときの３次元形状に基づいて、位置決めターゲットの中心座標を求め、求めた中心座標に基づいて、前記基準データと操業後データとの原点合わせを行うことを特徴とする請求項７に記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
9. 前記炉床上に設置した測定手段の設置位置の誤差を、前記位置決めターゲットの３次元形状に基づいて補正することを特徴とする請求項７又は８に記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。
10. 前記基準データと操業後データとの差を求めるに際し、測定手段によって走査した同一走査面に形状を示す測定値が存在しない場合には、測定値を補間したうえでで基準データと操業後データとの差を求めることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の炉内耐火物損耗状態の測定方法。