JP3392736B2

JP3392736B2 - 溶融金属の測温装置

Info

Publication number: JP3392736B2
Application number: JP30672197A
Authority: JP
Inventors: 浦雅人杉; 治屋孝則加; 藤修治内
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2003-03-31
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: JPH11142246A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転炉内溶鋼など溶
融金属の温度を測定する装置に関し、特に、連続的に測
定しうる測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】１．現在現場の操業で使われている方法転炉上部からサブランスといわれる保護管付熱電対の計
測プローブを溶融金属に間欠的に浸漬し、溶融金属の温
度を求める。この方法では、精度の良い温度測定が行え
るが、溶融金属温度を連続的に把握できないため、きめ
細かい精錬制御が行えない。さらにプローブが消耗する
のでコストがかかるといった問題がある。

【０００３】２．ノズルを用いる連続測温耐熱側壁を貫通するノズルに不活性ガスを圧入してノズ
ル内への溶融金属の進入を防ぎ、放射温度計の視野をノ
ズル内に向けて、放射温度計にて溶融金属が発する熱放
射光を受けて温度を計測する（例えば特開昭６１−１７
９１９号公報）。この方法は連続測温を可能にしたが、
測定中にパージガスによりノズル先端付近の溶融金属が
凝固することがあり、それが放射温度計の視野の一部を
ふさいだ場合、放射温度計が受光する放射エネルギーが
減少するためみかけの温度が低く観測される。このとき
放射温度計の出力信号からは視野がふさがれているのか
実際に温度が低下しているのかが判断できないため、測
定値の信頼性に問題がある。

【０００４】３．光ファイバーを用いた連続測温耐熱側壁あるいは底壁を貫通するノズルに、スポット光
を案内する光ファイバーを挿入して該ノズルにはパ−ジ
ガスを圧入してノズル内への溶融金属の進入を防ぎ、溶
融金属が発生する熱放射光を光ファイバ−でスポット光
を放射温度計に案内して、放射温度計にて温度を計測す
る（例えば特開昭６２−５２４２３号公報，特開昭６１
−９１５２９号公報）。この方法は連続測温を可能にし
たが、光ファイバ−の視野中心がノズル中心からずれた
り光軸がノズル中心軸に対して傾斜したりした場合、あ
るいは、測定中にパージガスによりノズル先端付近の溶
融金属が凝固することがありそれがファイバー視野の一
部をふさいだ場合、ファイバーが受光する放射エネルギ
ーが減少するためみかけの温度が低く観測される。この
とき放射温度計の出力信号からは視野がふさがれている
のか実際に温度が低下しているのかが判断できないた
め、測定値の信頼性に問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐熱壁のノ
ズルを通して溶融金属の温度を測定するにおいて、測定
精度を高くすることを第１の目的とし、測定エラ−を低
減することを第２の目的とし、連続測定の信頼性の向上
を第３の目的とし、測定環境の異常を自動検知すること
を第４の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１）溶融金属(11)を収
容する耐熱側壁あるいは底壁(10)を貫通するノズルに受
光端を挿入したイメ−ジファイバ(1)；前記ノズルに不
活性ガスを圧入し前記ノズル内へ溶融金属の進入を防止
するガス供給装置(9)；前記イメ−ジファイバ(1)の出光
端の画像光を撮影する撮像装置(2,3)；該撮像装置(2,3)
が発生する画像信号をデジタルデ−タすなわち画像デ−
タに変換する画像処理装置(5)；および、該画像処理装
置(5)が発生する画像デ−タに基づいて前記撮像装置(2,
3)の撮影画面上の溶融金属像位置(11i)および溶融金属
温度(T)を演算するデ−タ処理装置(6)；を備える溶融金
属の測温装置。

【０００７】なお、理解を容易にするためにカッコ内に
は、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事項
の符号を、参考までに付記した。

【０００８】イメ−ジファイバ(1)は光像伝達機能があ
り、その受光端から前方を見た光像を出光端に伝達す
る。撮像装置(2,3)が出光端の光像を撮影して画像信号
を発生し、画像処理装置(5)が画像信号を画像デ−タに
変換する。

【０００９】理想状態では、画像信号（および画像デ−
タ）で表わされる画像は、図３の（ａ）に示すように、
撮像装置(2,3)の画面３ｉｆの中央にノズル内面像８ｉ
ｆがあって、この像８ｉｆの中心に溶融金属の光像１１
ｉがあるものとなる。光像１１ｉが最も高輝度で、ノズ
ル内面像８ｉｆは低輝度である。このノズル内面像８ｉ
ｆの外領域は、イメ−ジファイバ(1)の出光端面の外領
域であって最も低輝度である。ノズルの中心線に対して
イメ−ジファイバ(1)の視野中心線がずれている場合あ
るいは傾斜している場合には、図３の（ｂ）に示すよう
に、溶融金属の光像１１ｉが、理想状態の光像の一部が
欠除したものとなり、ノズルの溶融金属側開口縁部の低
輝度領域が光像１１ｉ中に占める割合が高くなり、その
分計測誤差を生ずる可能性が高くなる。ノズルの溶融金
属側開口縁の溶融金属凝固量が多くなると、図３の
（ｃ）に示すように溶融金属の光像１１ｉが小さくな
り、この場合もノズルの溶融金属側開口縁部の低輝度領
域が光像１１ｉ中に占める割合が高く、その分計測誤差
を生ずる可能性が高い。

【００１０】デ−タ処理装置(6)が、上述のような溶融
金属位置(11i)を演算する。溶融金属の光像１１ｉが、
図３の（ａ）に示すように、画面３ｉｆの所定位置（画
面中央の所定領域）にあるときは、計測エラ−を生ずる
可能性は低く、最も信頼性が高い計測値が得られると見
込まれる。図３の（ｂ）に示すように、画面３ｉｆの所
定位置（画面中央の所定領域）から大きくずれていると
きは、計測エラ−を生ずる可能性が高く、計測値の信頼
性が低いと見込まれる。図３の（ｃ）に示すように、溶
融金属の光像１１ｉの中心が画面３ｉｆの略中央にあっ
ても外縁位置が所定領域の外縁位置から大きくずれて小
さいときは、計測エラ−を生ずる可能性が高く、計測値
の信頼性が低いと見込まれる。したがって、デ−タ処理
装置(6)が演算した溶融金属像位置(11i)より計測値の信
頼性を評価することができる。

【００１１】例えば転炉精錬では温度計測が吹錬制御に
とって非常に重要である。本発明によれば、連続的な温
度計測が可能になると同時に、視野ずれや溶融金属凝固
が原因の視野狭窄による誤計測デ−タを、デ−タ処理装
置(6)が演算した溶融金属位置(11i)に基づいて排除する
ことが出来るため、操業技術，品質管理の両面で優れた
効果がある。

【００１２】

【発明の実施の形態】（２）デ−タ処理装置は、最高輝
度値を摘出しこれに対応する温度を算出する。上述のよ
うに溶融金属の光像１１ｉが得られ、該光像１１ｉの各
画素の輝度が対応位置の溶融金属の温度に対応する。本
実施態様によれば、自動的にこの輝度対温度との関係が
正確な位置の輝度値（すなわち最高輝度値）が摘出され
るので、計測精度が高い。測定中にノズル先端の溶融金
属凝固による視野閉そくが起る場合でも、その進行が小
さい間は安定した測定が行える。

【００１３】（３）デ−タ処理装置は、撮影画面上の高
輝度領域の面積を算出して視野狭窄を検出する。この検
出結果に基づいて、温度測定の信頼性を評価できる。

【００１４】（４）デ−タ処理装置は、撮影画面上の高
輝度領域の中心位置を算出して視野ずれを検出する。こ
の検出結果に基づいて、温度測定の信頼性を評価でき
る。

【００１５】（５）デ−タ処理装置は、撮影画面上の高
輝度ピ−ク値ＬＰｈを摘出して、それに基づいて２値化
しきい値を決定し、該２値化しきい値にて画像デ−タを
２値化し、２値化デ−タに基づいて、高輝度領域を検出
する。高輝度領域の摘出が簡易である。

【００１６】（６）デ−タ処理装置は、撮影画面上の高
輝度領域の面積を算出して前記イメ−ジファイバの受光
端に対する溶融金属の距離の短縮を検出する。観測ノズ
ルの長さは繰り返し操業により炉内耐火物とともに磨耗
してくるが、画像中の溶融金属サイズからファイバ先端
と溶融金属との距離を知ることができ、常に最適な位置
にイメージファイバを設置できる。

【００１７】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１８】

【実施例】図１に本発明の一実施例の構成を示す。転炉
の耐火物容器１０の底壁を観測ノズル８が貫通してお
り、このノズル８にイメ−ジファイバ１が挿入されてい
る。図２に、ノズル８を拡大して示す。ノズル８内には
パ−ジガス供給装置９が高圧アルゴン（Ａｒ）を圧入
し、これによりノズル８内の、イメ−ジファイバ１の受
光端と溶鋼に接する開口との間はＡｒで占められ、しか
も該開口からＡｒが溶鋼１１中に吹き出し、気泡となっ
て浮上して行く。したがって、イメ−ジファイバ１の受
光端には、ノズル８から溶鋼１１に吹き出すアンゴンと
溶鋼１１との界面の溶鋼が発する熱放射光が当る。

【００１９】溶鋼１１の温度は１４００〜１７００°Ｃ
あるいはそれ以上の温度であり、熱放射光は赤外線およ
び可視光を含む。なお、転炉プロセスは、酸素を溶銑中
に吹き込み不純物を酸化させて除去するとともに、不純
物の酸化による発熱により高温の溶鋼を作るプロセスで
あり、転炉に酸素を吹き込む時間は１２〜２０分と非常
に短く、この間に溶鋼温度と成分を目標値にコントロ−
ル必要がある。したがって連続的に正確に溶鋼温度を検
出することが望まれる。

【００２０】イメ−ジファイバ１は、１５０００本以上
の光ファイバ（素線）を細密に結合して直径４ｍｍに束
ねたものであり、その先端（受光端）には、焦点距離が
無限大近くの集光レンズが装着されており、イメ−ジフ
ァイバ１の受光端に、その前方の像が投射される。イメ
−ジファイバ１の出光端には、投射像がそのまま伝達さ
れる。すなわち出光端に、イメ−ジファイバ１の受光端
の前方の光像が現われる。

【００２１】ＣＣＤカメラ３が、波長選択フィルタ２を
通して、イメ−ジファイバ１の出光端の画像を撮影しア
ナログ画像信号（輝度を表わすビデオ信号）を出力す
る。波長選択フィルタ２は、温度に対する輝度変化が大
きい可視域の光を透過させる。ＣＣＤカメラ３のシャッ
タ速度および読取り（ビデオ信号出力）は、コントロ−
ラ４が制御する。オペレ−タはコントロ−ラ４を介して
シャッタ速度およびビデオ信号レベル（レンジ）を調整
し選択しうる。

【００２２】ビデオ信号は画像処理装置５に与えられ
る。画像処理装置５は、ビデオ信号を主走査ｘ方向６４
０画素×副走査ｙ方向４８０画素のデジタルデ−タすな
わち画像デ−タ（輝度を表わすデ−タ）に変換してその
内部のメモリに書込み、これを繰返して、該メモリに常
時、最新の１フレ−ム（１画面）の画像デ−タを保持す
る。画像処理装置５は、パソコン６から要求があると、
メモリの１フレ−ムの画像デ−タをパソコン６に転送す
る。パソコン６は、画像処理装置５が与える画像デ−タ
をその内部のメモリ（以下画像メモリと称す）に書込
む。

【００２３】パソコン６は、温度計測が指示されると、
計測終了が指示されるまで、図４に示す温度計測処理を
実行する。なおこの実施例では、ＣＣＤカメラ３は、３
０フレ−ム／秒の繰返し回数でイメ−ジファイバ１の光
像を撮影し、パソコン６は、温度計測が指示され計測終
了が指示されるまで、略５回／秒の周期で、図４に示す
処理（Ｓ１〜Ｓ２１）を繰返す。

【００２４】図４を参照して、パソコン６の１回の温度
計測処理を説明する。まず画像処理装置５に画像デ−タ
の転送を要求して、１フレ−ム分の画像デ−タをパソコ
ン６の画像メモリに書込む（ステップＳ１）。なお、以
上においては、図４のステップ表現に関して「ステッ
プ」という語は省略し、ステップＮｏ．記号のみを記
す。１フレ−ム分の画像デ−タが画像メモリに書込ま
れるとパソコン６は、画像メモリの画像デ−タを順次読
出してシェ−ディング補正を施し、補正後の画像デ−タ
を画像メモリに更新書込みする（Ｓ２）。このシェ−デ
ィング補正は、ＣＣＤカメラ３の６４０×４８０画素そ
れぞれの光電変換特性のばらつきに対応して、各画素宛
ての画像デ−タ（シェ−ディング補正前デ−タ）を、基
準の光電変換特性のレベルに校正するものである。例え
ば、均一な熱放射光が得られる黒体炉を観察するなどし
て予めＣＣＤカメラ３の光電変換特性を測定して、校正
に必要なデ−タを集収して、パソコン６内のメモリ（デ
−タベ−ス）に書込んでいる。シェ−ディング補正（Ｓ
２）では、画素座標とその補正前デ−タでメモリをアク
セスして校正デ−タ（補正後デ−タ）を読出して、画像
メモリに更新書込みする。

【００２５】次にパソコン６は、フィルタリング（Ｓ
３）を行なう。この実施例では、各画素宛ての画像デ−
タを画像メモリから順次に読出し、１画素（注目画素）
の画像デ−タ毎に、注目画素を中心とする主走査ｘ方向
３画素×副走査方向３画素、計９画像の画像デ−タのそ
れぞれに重み係数ａ〜ｉを乗算した積の和を、係数ａ〜
ｉの和で割算した、重み付け平均値を算出し、これをフ
ィルタリング済画像デ−タとして、画像メモリの注目画
素宛てのアドレスに更新書込みする。なお、注目画素に
宛てる係数ｅの値は、他の係数ａ〜ｄ，ｆ〜ｉの値より
大きい。

【００２６】次にパソコン６は、画像メモリ上の画像デ
−タの中の、最高輝度（ピ−ク値ＬＰｈ）を表わすデ−
タと、その画素座標（メモリ上のアドレス）を摘出する
（Ｓ４）。そしてピ−ク値Ｌｐｈが低輝度異常判定用の
しきい値ＬＰＴｈ以下かをチェックして（Ｓ５）、ＬＰ
Ｔｈ以下であると、出力装置７の中のＣＲＴディスプレ
イに「輝度異常」を表示する。なお、しきい値ＬＰＴｈ
は、転炉操業時の溶鋼温度正常範囲の下限値より低い温
度に対応する輝度値であり、予めパソコン６に入力（設
定）されているものであり、「輝度異常」の表示は、ノ
ズル８の閉塞又は図１に示す温度計測システムの異常が
考えられる。

【００２７】ピ−ク値Ｌｐｈがしきい値ＬＰＴｈを越え
ているとパソコン６は、２値化しきい値ＢＴｈ＝ｋ・Ｌ
ＰＴｈを算出する（Ｓ７）。ｋは、０＜ｋ＜１であり、
図３の（ａ）に示す溶鋼像１１ｉをノズル内面像８ｉｉ
から切出すためのものであり、過去の計測実績から定め
られパソコンに入力（設定）されているものである。次
にパソコン６は、画像メモリの全画像デ−タをしきい値
ＢＴｈで２値化し、２値デ−タをメモリ（２値画像メモ
リ）に書込む（Ｓ８）。２値デ−タの「１」は、画像デ
−タがしきい値ＢＴｈ以上（溶鋼像領域１１ｉに実質上
属する）を意味し、「０」は画像デ−タがしきい値ＢＴ
ｈ未満（実質上溶鋼像領域１１ｉの外）を意味する。

【００２８】次にパソコン６は、２値画像メモリ上の、
周囲が「０」で囲まれた「１」は「０」に、周囲が
「１」で囲まれた「０」は「１」に変更する（Ｓ９）。
これにより、２値画像メモリ上の２値デ−タは、溶鋼像
領域に実質上属する領域内はすべて「１」、該領域の外
はすべて「０」となる。

【００２９】次にパソコン６は、２値画像メモリ上の
「１」のｘ方向分布ヒストグラム（ｘ各位置での、ｙ方
向に分布する「１」の数の積算値）を生成して、その重
心位置Ｗｘを算出する（Ｓ１０）。そしてｙ方向分布ヒ
ストグラム（ｙ各位置での、ｘ方向に分布する「１」の
数の積算値）を生成して、その重心位置Ｗｙを算出する
（Ｓ１１）。この実施例では、位置（Ｗｘ，Ｗｙ）を溶
鋼像１１ｉの中心位置と見なす。

【００３０】パソコン６は次に、前記ｘ方向分布ヒスト
グラムの、ｘ各位置のｙ方向に分布する「１」の数の積
算値、の総和Ｓｈ（溶鋼像領域１１ｉ内の画素数）を算
出する（Ｓ１２）。この総和Ｓｈは、溶鋼像領域１１ｉ
の面積である。次に、溶鋼像領域１１ｉの面積Ｓｈが、
設定範囲内（ＳＴＳ＜Ｓｈ＜ＳＴＬ）であるかをチェッ
クする（Ｓ１３，Ｓ１５）。ＳＴＳは視野狭窄判定用の
しきい値、ＳＴＬはイメ−ジファイバ１の受光端と溶鋼
との距離短縮判定用のしきい値である。設定範囲を小側
に外れていると、「視野狭窄」をＣＲＴディスプレイに
表示し（Ｓ１４）、設定範囲を大側に外れていると、
「距離短縮」をＣＲＴディスプレイに表示する。

【００３１】次にパソコン６は、ＣＣＤカメラ３の画面
の中央位置（Ｘｃ，Ｙｃ）からの溶鋼像１１ｉの中心位
置（Ｗｘ，Ｗｙ）のずれが、設定値Ｒａ以上かをチェッ
クして（Ｓ１７）、Ｒａ以上であると「視野ずれ」をＣ
ＲＴディスプレイに表示する。

【００３２】次にパソコン６は、ピ−ク値Ｌｐｈを溶鋼
温度Ｔに変換する（Ｓ１９）。過去に、転炉上部から保
護管付熱電対の計測プローブを溶鋼に浸漬して溶鋼温度
Ｔを計測し、そのときのピ−ク値ＬＰｈを読取って、ピ
−ク値ＬＰｈ対溶鋼温度Ｔの関係を表わす対照テ−ブル
を作成し、この対照テ−ブルに基づいて、ピ−ク値ＬＰ
ｈをアドレスとし該ピ−ク値ＬＰｈをメモリデ−タとす
るデ−タマップがパソコン６のメモリ上に格納されてい
る。「温度Ｔ算出」（Ｓ１９）でパソコン６は、Ｓ４で
摘出したピ−ク値ＬＰｈに対応する温度Ｔデ−タを、該
デ−タマップから読み出し、ＣＲＴディスプレイに表示
する。

【００３３】次にパソコン６は、上述の検出又は算出デ
−タＬＰｈ，ＢＴｈ，（Ｗｘ，Ｗｙ），Ｓｈ，Ｔ，なら
びに判定デ−タ（輝度異常，視野狭窄，距離短縮，視野
ずれ）を、パソコン６のデ−タ格納用メモリの、オペレ
−タが予め入力したチャ−ジＮｏ．宛ての領域に、時刻
順に時刻デ−タと共に書込む。

【００３４】そして計測終了の指示入力の有無をチェッ
クして、終了指示が無いと、次の計測処理を開始する
（Ｓ２１−Ｓ１）。

【００３５】なお、出力装置７には、上述のＣＲＴディ
スプレイの外に、プリンタおよび外部記憶装置が含まれ
ており、オペレ−タはパソコン６を操作してデ−タ編集
を行なって、判定デ−タと共に、計測デ−タをグラフ形
式又は表形式でＣＲＴディスプレイに表示し又プリント
アウトすることができる。編集前のデ−タおよび編集後
のデ−タを外部記憶装置に書込むこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のシステム構成を示すブロ
ック図である。

【図２】図１に示すノズル８の拡大縦断面図である。

【図３】図１に示すＣＣＤカメラの撮影画面を示す平
面図であり、（ａ）は計測器の設定および測定環境が基
準状態であるときの画像を、（ｂ）はイメ−ジファイバ
１の視野中心線がノズル８の中心線に対してずれたとき
の画像を、（ｃ）はノズル８の開口縁に溶鋼が凝固して
イメ−ジファイバ１が見る溶鋼面が小さくなったときの
画像を、それぞれ示す。

【図４】図１に示すパソコン６の、温度計測処理の概
要を示すフロ−チャ−トである。

【符号の説明】

１：イメ−ジファイバ２：波長選択フィルタ３：ＣＣＤカメラ３ｉｆ：撮影画面４：コントロ−ラ５：画像処理装置６：パソコン７：出力装置８：観測ノズル８ｉｉ：ノズル内面像９：パ−ジガス供給装置１０：耐火物容器１１：溶鋼１１ｉ：溶鋼像

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−252925（ＪＰ，Ａ) 特開平５−312651（ＪＰ，Ａ) 特開平６−93317（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／22859（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 5/00 - 5/62

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属を収容する耐熱側壁あるいは底壁
を貫通するノズルに受光端を挿入したイメ−ジファイ
バ；前記ノズルに不活性ガスを圧入し前記ノズル内へ溶
融金属の進入を防止するガス供給装置；前記イメ−ジフ
ァイバの出光端の画像光を撮影する撮像装置；該撮像装
置が発生する画像信号をデジタルデ−タすなわち画像デ
−タに変換する画像処理装置；および、該画像処理装置が発生する画像デ−タに基づいて前記撮
像装置の撮影画面上の溶融金属像位置および溶融金属温
度を演算するデ−タ処理装置；を備える溶融金属の測温
装置。
【請求項２】デ−タ処理装置は、前記撮影画面上の最高
輝度値を摘出しこれに対応する温度を算出する、請求項
１記載の溶融金属の測温装置。
【請求項３】デ−タ処理装置は、撮影画面上の高輝度領
域の面積を算出して視野狭窄を検出する、請求項１記載
の溶融金属の測温装置。
【請求項４】デ−タ処理装置は、撮影画面上の高輝度領
域の中心位置を算出して視野ずれを検出する、請求項１
記載の溶融金属の測温装置。
【請求項５】デ−タ処理装置は、撮影画面上の高輝度ピ
−ク値ＬＰｈを摘出して、それに基づいて２値化しきい
値を決定し、該２値化しきい値にて画像デ−タを２値化
し、２値化デ−タに基づいて、高輝度領域を検出する、
請求項３又は請求項４記載の溶融金属の測温装置。