JP2022115232A - 高炉炉頂部の炉内監視装置および炉内監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置を用いて炉内を監視する際に炉内の低輝度領域を視認できるようにする。
【解決手段】炉頂部に装入される原料の堆積面１３および炉壁内面１５を撮像する撮像装置と、撮像装置で撮像された撮像画像の画像処理を行う制御部と、を備え、制御部は、撮像画像を、堆積面１３の中心部に形成される中心流１４を含む中心部領域Ａと、該中心部領域Ａを除いた他の領域Ｂとに分割し、他の領域Ｂ内の画像の輝度を当初の他の領域Ｂ内の画像の輝度よりも高くする画像処理を行うように、炉内監視装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高炉炉頂部の炉内監視装置および炉内監視方法に関する。

鉄鋼業における高炉操業では、炉頂部に設置された原料装入装置によって炉内に焼結鉱とコークスが交互に装入され、層状に合い重なった鉱石層とコークス層で充填した炉内に、羽口から熱風が吹き込まれることで、コークスが燃焼し、その燃焼反応によりＣＯガスが生成される。そして、当該ＣＯガスで鉄鉱石が加熱されることで酸化鉄が還元されて鉄が分離し、軟化融着帯の形成後に鉄の溶滴、すなわち溶銑が、副生されたスラグとともにコークス層で構成される炉芯部経由で炉底部に滴下される。その後、炉底部に貯留した溶銑が適時出銑口から出銑される。

炉頂部の原料装入装置においては、羽口から吹き込まれる熱風を安定的に炉内中心部に流すために、炉内中心部における焼結鉱とコークスの装入量が、炉壁周辺部と比較して少なくなるように制御される。このため、炉頂部においては、装入された原料の堆積面中心部から上昇するガス流が炉壁周辺部のガス流より強く発生する。本明細書では、このような原料堆積面の中心部から上昇するガス流を“中心流”と記載する。高炉の安定操業の観点においては、この中心流が安定して継続的に発生することが好ましい。また、炉内に装入された原料の堆積状況を把握することは高炉操業の安定化に寄与する。このため、カメラ等の撮像装置を用いた炉内の監視装置の開発が進められている。

高炉炉頂部の炉内監視装置として、特許文献１には、赤外線域に感度を有する撮像装置と、赤外線を照光する照光装置を備えた暗所撮影テレビカメラ装置が開示されている。特許文献２には、ズームレンズ系を用いて任意の部分を拡大して観察できるように当該ズームレンズ系を有した撮像手段を駆動させる駆動手段を備えた監視用カメラが開示されている。特許文献３には、撮像画像を予め設定された大きさの複数の画像領域に分割し、分割された各画像領域の輝度値に対して画像処理を施すことで炉内のガス流を監視する監視装置が開示されている。

特開平５－０８８０９４号公報 特開平６－３４３１３５号公報 特開２００８－１６３３８１号公報

中心流は、ガス流（気体）であって、装入された原料のわずかな粉塵（固体）が混入する物質であり、高温ではあるがエネルギー的には小さい。特許文献１に記載の暗所撮影テレビカメラ装置は、赤外線カメラを用いているため、エネルギーの小さい中心流の存在を確認することができない。また、赤外線カメラは、画素数が限られており、十分な分解能が得られないため、原料の粒子の大きさを識別することができず、原料の堆積状況を確認することもできない。

また、特許文献２に記載の監視カメラは、輝度の高い中心流に合わせて輝度調整が行われるため、撮像画像では低輝度の原料堆積面を視認することができない。同様に、特許文献３に記載の監視装置は、中心流の形成状態を確認することは可能であるが、撮像画像では低輝度の原料堆積面を視認することができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、撮像装置を用いて炉内を監視する際に炉内の低輝度領域を視認できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、高炉炉頂部の炉内監視装置であって、炉頂部に装入される原料の堆積面および炉壁内面を撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された撮像画像の画像処理を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記撮像画像を、前記堆積面の中心部に形成される中心流を含む中心部領域と、該中心部領域を除いた他の領域とに分割し、前記他の領域内の画像の輝度を当初の前記他の領域内の画像の輝度よりも高くする画像処理を行うように構成されていることを特徴としている。

前記制御部は、前記他の領域内の画像のガンマ値を１よりも大きくするガンマ補正処理および／または前記他の領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行うように構成されてもよい。

前記制御部は、所定の撮像レートで撮像された前記他の領域内の静止画像を複数枚重ねて該静止画像を蓄積し、前記静止画像の蓄積数が所定数に達した際に、重ねられた画像を出力する画像蓄積処理を行うように構成されてもよい。

前記制御部は、前記中心部領域内の画像のガンマ値を１よりも小さくするガンマ補正処理および／または前記中心部領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行うように構成されてもよい。

別の観点による本発明は、高炉炉頂部の炉内監視方法であって、炉頂部に装入された原料の堆積面および炉壁内面の撮像を行い、撮像された撮像画像を、前記堆積面の中心部に形成される中心流を含む中心部領域と、該中心部領域を除いた他の領域とに分割し、前記他の領域内の画像の輝度を当初の前記他の領域内の画像の輝度よりも高くする画像処理を行い、画像処理後の画像に基づいて炉内を監視することを特徴としている。

前記画像処理において、前記他の領域内の画像のガンマ値を１よりも大きくするガンマ補正処理および／または前記他の領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行ってもよい。

前記画像処理において、所定の撮像レートで撮像された前記他の領域内の静止画像を複数枚重ねて該静止画像を蓄積し、前記静止画像の蓄積数が所定数に達した際に、重ねられた画像を出力する画像蓄積処理を行ってもよい。

前記中心部領域内の画像のガンマ値を１よりも小さくするガンマ補正処理および／または前記中心部領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行ってもよい。

本発明によれば、撮像装置を用いて炉内を監視する際に炉内の低輝度領域を視認することができる。

本発明の一実施形態に係る炉内監視装置が取り付けられた高炉炉頂部の概略構成を示す説明図である。 撮像画像の一例を示す図である。 撮像画像に対して行うガンマ補正の説明図である。 撮像画像に対して行うコントラスト補正の説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る炉内監視装置が取り付けられた高炉炉頂部の概略構成を示す説明図である。図１に示す高炉の炉頂部１０は、原料として焼結鉱とコークスが装入された状態にあり、焼結鉱とコークスが層状に重なって堆積することで鉱石層１１とコークス層１２が形成されている。高炉の操業時においては、堆積した原料の加熱、燃焼に伴い、原料堆積面１３の中心部から上昇するガス流（中心流１４）が形成される。原料堆積面１３とは、層状に堆積する原料の層上面（本実施形態では鉱石層１１の上面）である。

炉内監視装置１は、炉内を撮像する撮像装置２と、撮像装置２で撮像された撮像画像の画像処理を行う制御部３と、画像を表示する表示部４を備えている。

図１中の破線部は、撮像装置２の撮像範囲を示しており、撮像装置２は、原料堆積面１３の全体と炉壁内面１５が撮像範囲に含まれるように炉頂部１０に取り付けられている。本実施形態の撮像装置２は、所定の撮像レート（例えば３０ｆｐｓ）で連続的に撮像を行う装置であり、撮像された撮像画像を外部に出力する。撮像装置２の種類は特に限定されないが、例えば３８０～１１００ｎｍの波長域に感度を有する撮像装置が採用され得る。また、撮像装置２は暗所での撮像が可能な高感度カメラであってもよい。

制御部３は、撮像装置２で撮像された撮像画像の画像処理を行い、画像処理後の画像信号を出力する制御を行うように構成されている。制御部３は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータにより構成され、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、撮像画像の画像処理（例えば後述の画像処理）を行うプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体（図示せず）に記憶されていたものであって、当該記憶媒体から制御部３にインストールされたものであってもよい。また、制御部３は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータと、画像処理を行う画像処理ユニットで構成されてもよく、画像処理ユニットで、撮像装置２からコンピュータを介して入力された撮像画像の画像処理を実行してもよい。

表示部４は、例えばモニターであり、制御部３から出力された画像処理後の画像データが入力されることで当該画像を表示する。

本実施形態における炉内監視装置１は以上のように構成されている。次に、この炉内監視装置１で実行される画像処理について説明する。

図２は、撮像装置２による撮像画像の一例を示す図である。図２に示すように、撮像画像には、中心流１４、原料堆積面１３の全体および炉壁内面１５が含まれる。

（撮像画像の領域分割）
撮像画像に対する画像処理として、まず撮像画像を複数の画像領域に分割する処理を行う。具体的には、撮像画像を、中心流１４が含まれる中心部領域Ａ（図２中の二点鎖線で囲まれた領域）と、中心部領域Ａを除いた他の領域Ｂに分割する。本実施形態における中心部領域Ａは、予め設定された領域であり、炉頂部１０の形状や撮像装置２の撮像範囲等を考慮して中心流１４が形成されると推定された領域が設定されている。なお、中心部領域Ａは、撮像画像の画像処理によって実際の中心流１４の形成位置を特定し、特定された中心流１４を囲む領域として自動的に設定されたものであってもよい。また、操業中に生じ得る実際の中心流１４の形成位置の変化に追従するようにして中心部領域Ａが自動的に再設定されてもよい。

（ガンマ補正）
撮像画像の領域分割処理をした後、領域Ｂ内の画像のガンマ補正処理を行う。具体的には、補正後の画像の輝度を補正前の画像の輝度よりも高くする図３（１）のようなガンマ補正を行うため、領域Ｂ内の画像のガンマ値を１よりも大きくする画像処理を行う。

このようなガンマ補正により、表示部４に表示される画像においては、原料堆積面１３と炉壁内面１５が視認しやすくなる。そして、原料堆積面１３と炉壁内面１５の視認が可能となれば、原料の堆積状況、例えば鉱石層１１であるべき原料堆積面１３にコークス層１２が表出していることなどの確認を行うことができ、高炉の安定操業に必要な対応を行うことができる。

また、上記の領域Ｂ内の画像のガンマ補正に加え、領域Ａ内の画像のガンマ補正を行うことが好ましい。具体的には、領域Ａ内における補正後の画像の輝度を補正前の画像の輝度よりも低くする図３（２）のようなガンマ補正を行うため、領域Ａ内の画像のガンマ値を１よりも小さくする画像処理を行う。領域Ａ内の画像のガンマ補正を行う理由は以下の通りである。

領域Ａ内の画像には、温度が高いことによって輝度が高い中心流１４が含まれているため、撮像画像中の領域Ａ内においては中心流１４の形成部分でハレーションが生じやすい。一方、領域Ａ内の画像のガンマ補正により領域Ａ内の輝度を低くすることができれば、表示部４に表示される画像のハレーションを抑制することができる。これにより、中心流１４の強度が大きい状況下でも、中心流１４の状態を把握しやすくなる。また、中心流１４の強度の分解能が改善されることから中心流１４の状態をより精度よく把握できるようになり、高炉操業の安定化を図ることができる。

なお、領域Ａ内または領域Ｂ内のガンマ補正を行う場合のガンマ値の設定値は、撮像装置２の仕様や実際の撮像画像の輝度分布に応じて適宜設定される。

（コントラスト補正）
撮像画像の領域分割処理をした後に行う画像処理として、コントラスト補正を実施してもよい。具体的には、図４に示すように領域Ｂ内の画像の輝度分布を測定し、この輝度分布の幅を拡大するようにコントラスト補正を行う。このコントラスト補正により、領域Ｂ内の画像においては当初の撮像画像よりも輝度の高い部分が増え、オペレータは、表示部４に表示される画像中の原料堆積面１３や炉壁内面１５を視認しやすくなる。

また、上記の領域Ｂ内の画像のコントラスト補正に加え、領域Ａ内の画像のコントラスト補正を実施してもよい。具体的には、領域Ａ内の画像の輝度分布を測定し、この輝度分布の幅を拡大するようにコントラスト補正を行う。これにより、領域Ａ内の画像においては、ハレーションが起こりやすい中心流１４の形成部の輝度を抑えることができ、表示部４に表示される領域Ａ内の画像のハレーションを抑制することができると共に、中心流１４の強度の分解能が改善される。

なお、領域Ａ内または領域Ｂ内のコントラスト補正を行う場合の輝度分布の拡大幅は、撮像装置２の仕様や実際の撮像画像の輝度分布に応じて適宜設定される。

（画像蓄積処理）
撮像画像の領域分割処理をした後に行う画像処理として、画像蓄積処理を実施してもよい。撮像装置２からは所定の撮像レートで撮像された静止画像が連続的に出力されるが、画像蓄積処理では、領域Ｂ内の静止画像を複数枚重ねて静止画像を蓄積し、静止画像の蓄積数が所定数（例えば８～１０枚）に達した際に、重ねられた静止画像が一つの画像として出力される。このようにして低輝度領域の静止画像が複数枚重なった画像は、当初の撮像画像より平均輝度が高くなり、オペレータが領域Ｂ内の原料堆積面１３や炉壁内面１５を視認しやすくなる。

なお、領域Ａ内の画像に対して画像蓄積処理を行うと、当初から輝度の高い中心流１４の形成部の輝度がさらに高くなるため、領域Ａ内の画像に対しては、画像蓄積処理を実施しなくてもよい。この場合、領域Ｂ内の画像の更新頻度が領域Ａ内の画像の更新頻度よりも低くなる。しかし、操業時の原料の降下速度を考慮すると、原料堆積面１３の高さ方向の変化は領域Ｂ内の画像の更新頻度と比較して緩やかであることから、領域Ｂ内の画像の更新頻度が低下したとしても、安定操業の観点において支障はない。

以上のように本実施形態に係る炉内監視装置１は、撮像画像を領域Ａと領域Ｂとに分割した後、領域Ｂ内の画像に対してガンマ補正処理やコントラスト補正処理、画像蓄積処理を行う。これにより、領域Ｂ内の原料堆積面１３や炉内壁面が視認しやすくなり、炉頂部１０の炉内状態を詳細に把握することが可能となる。これにより、高炉操業のさらなる安定化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施形態においては、領域Ｂ内の画像の輝度を当初の画像の輝度よりも高くする画像処理方法として、ガンマ補正処理、コントラスト補正処理および画像蓄積処理が例示されているが、画像処理方法はこれらの方法に限定されない。また、撮像画像に適用される画像処理は、複数の画像処理方法を組み合わせて実施してもよい。複数の画像処理方法を組み合わせて実施する場合、各々の画像処理方法を実施する順番は特に限定されず、最終的に領域Ｂ内の輝度を高めることが可能な順番であればよい。さらに、上記実施形態では領域Ａと領域Ｂとに２分割したが、領域Ｂをさらに分割し、原料堆積面１３が含まれる領域と炉壁内面１５が含まれる領域に対して異なる画像処理方法を適用してもよい。

本発明にかかる炉内監視技術は、高炉炉頂部の炉内状況の監視のみならず、高炉炉頂部と同様に高輝度領域と低輝度領域が同時に存在する溶融炉などに適用することができる。

１ 炉内監視装置
２ 撮像装置
３ 制御部
４ 表示部
１０ 炉頂部
１１ 鉱石層
１２ コークス層
１３ 原料堆積面
１４ 中心流
１５ 炉壁内面
Ａ 中心部領域
Ｂ 中心部領域を除く領域

Claims (8)

1. 高炉炉頂部の炉内監視装置であって、
   炉頂部に装入される原料の堆積面および炉壁内面を撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置で撮像された撮像画像の画像処理を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記撮像画像を、前記堆積面の中心部に形成される中心流を含む中心部領域と、該中心部領域を除いた他の領域とに分割し、
   前記他の領域内の画像の輝度を当初の前記他の領域内の画像の輝度よりも高くする画像処理を行うように構成されていることを特徴とする、炉内監視装置。
2. 前記制御部は、前記他の領域内の画像のガンマ値を１よりも大きくするガンマ補正処理および／または前記他の領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の炉内監視装置。
3. 前記制御部は、所定の撮像レートで撮像された前記他の領域内の静止画像を複数枚重ねて該静止画像を蓄積し、前記静止画像の蓄積数が所定数に達した際に、重ねられた画像を出力する画像蓄積処理を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の炉内監視装置。
4. 前記制御部は、前記中心部領域内の画像のガンマ値を１よりも小さくするガンマ補正処理および／または前記中心部領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の炉内監視装置。
5. 高炉炉頂部の炉内監視方法であって、
   炉頂部に装入された原料の堆積面および炉壁内面の撮像を行い、
   撮像された撮像画像を、前記堆積面の中心部に形成される中心流を含む中心部領域と、該中心部領域を除いた他の領域とに分割し、
   前記他の領域内の画像の輝度を当初の前記他の領域内の画像の輝度よりも高くする画像処理を行い、
   画像処理後の画像に基づいて炉内を監視することを特徴とする、炉内監視方法。
6. 前記画像処理において、前記他の領域内の画像のガンマ値を１よりも大きくするガンマ補正処理および／または前記他の領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行うことを特徴とする、請求項５に記載の炉内監視方法。
7. 前記画像処理において、所定の撮像レートで撮像された前記他の領域内の静止画像を複数枚重ねて該静止画像を蓄積し、前記静止画像の蓄積数が所定数に達した際に、重ねられた画像を出力する画像蓄積処理を行うことを特徴とする、請求項５または６に記載の炉内監視方法。
8. 前記中心部領域内の画像のガンマ値を１よりも小さくするガンマ補正処理および／または前記中心部領域内の画像の輝度分布を測定し、該輝度分布の幅を拡大するコントラスト補正処理を行うことを特徴とする、請求項５～７のいずれか一項に記載の炉内監視方法。
   
   

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