JP4362352B2

JP4362352B2 - 炉壁観察装置

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Publication number: JP4362352B2
Application number: JP2003387628A
Authority: JP
Inventors: 雅人杉浦; 秀江川; 正彦横溝; 学國永
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005146164A

Description

本発明は、コークス炉炭化室をはじめとする高温の炉壁を観察する炉壁観察装置に関するものである。

コークス炉の炭化室をはじめとする高温の炉室においては、炉室を構成する炉壁が耐火物で構成され、該耐火物の劣化状況を的確に把握することが必要である。特にコークス炉の炭化室は、過酷な条件下で通常２０年以上の長期間にわたって連続操業されるものであり、炭化室を構成する耐火煉瓦は熱的、化学的および機械的要因によって徐々に劣化する。

図７に示すような炭化室の炉壁には、耐火物の劣化に伴い熱的、機械的な要因で壁面縦方向にクラック３１（縦割れ）が発生する。このクラックは、レンガの目地開き５０とレンガ割れ５１が連続して発生する。クラック３１の成長は長期的にはレンガ脱落や壁面崩壊の原因となるが、それ以前に、クラック部位からコークスガスが燃焼室にリークして、煙突から黒煙が発生する環境上の問題を引き起こす。従って、炭化室内の特に炉壁を構成する耐火煉瓦のクラック発生状況を常時把握しておくことは、コークス炉操業管理上極めて重要である。

炭化室ではコークス乾留時に炉壁にカーボン付着層が成長することがある。クラック発生部にカーボン付着層が成長すると、クラック内にもカーボン付着物が入り込み、この場合には炭化室からクラックを通じて燃焼室へ貫通するガスリークを免れ、黒煙の発生はない。従って、黒煙発生時にその原因となるクラック発生個所を突き止め、対策を講じるためには、カーボン詰まりがなく燃焼室まで貫通しているクラックのみを見つけ出す必要がある。ここでは、そのような貫通しているクラックを「開口クラック３２」と呼ぶ。

操業の合間の短時間を利用してコークス炉窯口から炉内壁を観察する方法では、炉内が高温であるので窯口の外から内部を観察せざるをえず、炭化室は炉幅（間口）が４００ｍｍ程度であるのに対して奥行きが１５ｍと深いので、炉奥の内壁耐火物は遠方から浅い角度での観察となり、表面の観察は非常に難しい。

特許文献１では、コークス炉炭化室の窯口よりカメラ（通常の２次元ＩＴＶカメラ）を搭載したカメラ搬送用ブームを炉内に挿入し、炉長方向に移動しながら炉内壁面を撮影する方法が開示されている。炭化室の幅は非常に狭いので、カメラを炭化室内壁に正対したのではカメラと内壁との距離が得られず、撮影範囲が狭くなって必要な範囲の画像が得られないので、カメラを壁面に対して斜めに取り付けて浅い角度で壁面を視野に入れて撮影する。特許文献２に記載のものも、炉壁に対して斜めの方向からカメラで撮像している。

特許文献３、特許文献４に記載のものは、撮像装置を収納した容器の外側に鏡面を配置し、炉壁面の像を鏡面で反射させて撮像装置で撮像する。これにより、コークス炉炭化室のように相対する壁面の間隔が狭いような場所においても、壁面に垂直な方向から広い範囲の像を撮像することが可能になっている。

上記特許文献２、特許文献４に記載のものは、撮像カメラやデータ収録装置を断熱容器の内部に収納している。炉外からの冷却水供給は行わず、従って冷却水配管を必要としない。測定及び得られた画像データや測定データの収録を断熱容器内の検査ユニットの内部にて完結せしめ、高温下にある炭化室内における信号線及び給電線等の配設を不要とし、これらの配線の水冷構造を必要としない簡素な構成にして壁面検査を実現する。

特開平３−１０５１９５号公報特開２００１−３０５８号公報特開平１１−１０６７５５号公報特開２００３−２６８３７７号公報

コークス炉炭化室の炉壁を観察する従来の装置は、いずれも高温状態の炉壁観察を目的としているため、炉壁レンガは自発光しており、炉壁の自発光像を撮像することによって必要とする炉壁表面状態の情報を撮像している。炉壁の自発光像を撮像すれば、撮像した画像においてクラック等の欠陥発生場所を特定することができる。

本発明においては、炉壁レンガ表面に発生しているクラックのうち、カーボン付着物が入り込んだクラックは除外し、カーボン詰まりがなく燃焼室まで貫通している開口クラックのみを検出することが必要である。ところが、炉壁の自発光像を観察したのでは、カーボン付着物が入り込んだクラックも開口クラックも同じような画像として得られるため、開口クラックのみを検出することが難しい。

図６において、（ａ）は開口クラック３２の発生部分の炉壁断面図であり、（ｂ）はカーボン３３が入り込んだクラック３１発生部分の炉壁断面図である。（ｃ）は（ａ）の部分の自発光像を撮像した画像であり、（ｄ）は（ｂ）の部分の自発光像を撮像した画像である。自発光２８は、健全な炉壁、開口クラック３２、カーボンが３３が入り込んだクラック３１のいずれの部分についても、当該部分の温度が同じである限り同じ光強度で発せられる。レンガ内部の温度はほぼ一定であることから、自発光を撮像する限り、開口クラック３２の撮像画像（図６（ｃ））とカーボン３３が入り込んだクラック３１の撮像画像（図６（ｄ））の輝度は同等であり、両者のクラックを区別することは困難である。

本発明は、コークス炉炭化室をはじめとする高温の炉壁を観察する炉壁観察装置において、カーボン付着物が入り込んでいない開口クラックのみを検出することが可能な炉壁観察装置を提供することを目的とする。

炉壁の自発光像を撮像することによってクラックを観察する場合、上記のように開口クラックとカーボンが詰まったクラックとを区別することが難しい。その理由は、自発光観察ではクラック内部の温度の違いが画像濃淡となるので、クラック内部にカーボン詰まりがあるかないかの情報が得られないからである。

それに対し、図５（ａ）（ｂ）に示すように、照明装置を用いて炉壁面に対して照射光２９を照射し、照射光２９による反射光３０によって形成される炉壁を観察することとすれば、開口クラック３２の場合は図５（ａ）に示すように内部に浸入した照射光２９が戻らないので、図５（ｃ）に示すように必ず暗く見える。一方、図５（ｂ）に示すようにクラック３１にカーボン３３が詰まっていれば、反射光３０があるので図５（ｄ）に示すようにそれほど暗くは見えない。従って、炉壁面に光を照射してその照射した炉壁を観察することにより、開口クラック３２を検出することが可能になる。

高温の炉壁面に光を照射してその反射光３０を観察するに際しては、撮像画像は反射光３０に自発光２８が加わった画像となる。従って、反射光３０の情報によって開口クラック３２を検出するためには、極力自発光２８の影響を抑えることが有効である。ここで、１０００℃程度の炉壁が発する自発光のスペクトル成分は、プランクの黒体放射の式に則り可視光領域においては長波長成分すなわち赤色成分が主体であるので、それより短波長の青色側のスペクトル成分は少ない。そのため、炉壁面に照射する光を青色あるいは紫外の光とし、撮像装置で撮像するに際して青色あるいは紫外側のみを透過するフィルタを介することとすれば、自発光の影響を抑えて反射光の情報を優先して撮像することが可能になる。

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通り
である。
（１）密閉型断熱容器内に収納した照明装置と撮像装置とで、観察窓越しに密閉型断熱容器の外側に配設した鏡面に映る炉壁表面を炉の奥行き方向に移動しつつ撮像し、得られた画像に基づき画像処理装置で相対する炉壁の開口クラックを検出する炉壁観察装置であって、密閉型断熱容器は、照明装置と撮像装置とを内蔵して、吸熱能力を有する液体を充填したジャケットと、その外側を覆う断熱材と、観察窓とを有し、鏡面は、内部に冷却水を収納する金属製容器の表面を鏡面研磨して設けられていて水の沸騰温度に近い温度以下に保持され、炉壁面と略４５度の角度を成すように配設され、照明装置は、波長０．３〜０．５μｍの範囲に発光ピークを有するＬＥＤを光源として、所定の発光時間でストロボ発光し、出射された光を鏡面に反射させて炉壁面に略垂直方向から照射し、撮像装置は、炉壁面からの自発光を遮断する波長選択フィルタと、照射された炉壁面による反射光により鏡面に映った該炉壁面の像を、ストロボ発光に同期して撮像するための高速シャッターとを有し、画像処理装置は、炉壁面画像の濃淡情報に基づき、所定の閾値で２値化処理して局所的に暗い領域を開口クラックの候補箇所として求め、次に、開口クラックの候補箇所に対して隣接長方形を当てはめて、該隣接長方形の短辺、長辺の値に基づき開口クラックか誤検出かを、開口クラックは高さ方向に長く開口幅は小さいことを基に判断する特徴量判定処理を実行すること、を特徴とする炉壁観察装置。
（２）前記画像処理装置は、炉壁面画像の濃淡情報に基づき、該炉壁面画像を小面積に分割し、各小面積毎に平均輝度を求め、平均輝度に基づき閾値を決定し２値化処理を実施して、局所的に暗い領域を開口クラックの候補箇所として求め、次に、該候補箇所に対して隣接長方形を当てはめて、該隣接長方形の短辺、長辺の値に基づき開口クラックか誤検出かを判断する特徴量判定処理を実行することを特徴とする上記（１）に記載の炉壁観察装置。
（３）前記密閉型断熱容器内にワイヤレス伝送送信機を収納し、炉外にはワイヤレス伝送受信機と画像記録装置を配置し、撮像装置で撮像した画像をワイヤレス伝送送信機からワイヤレス伝送受信機に送信し、画像記録装置に記録することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の炉壁観察装置。

本発明は、コークス炉炭化室をはじめとする高温の炉壁を観察する炉壁観察装置において、炉壁面に光を照射してその照射した炉壁を観察することにより、カーボン付着物が入り込んでいない開口クラックを精度良く検出することができる。これにより、コークス炉煙突から黒煙発生時にその原因となるクラック発生個所を突き止め、迅速に対策を講じることが可能になる。

本発明の炉壁観察装置は、炉壁４２に光を照射する照明装置１と、該光を照射した炉壁４２を撮像する撮像装置２とを有する。照明装置１によって炉壁４２に光を照射し、その照射した炉壁４２を撮像装置２で撮像することにより、撮像面に開口クラック３２が存在する場合にはその開口クラック３２において内部に浸入した照射光が戻らないので必ず暗く見え、クラック３１にカーボン詰まりがあれば反射光があるのでそれほど暗くは見えない。従って、炉壁面に光を照射してその照射した炉壁を観察することにより、開口クラック３２を検出することが可能になる。撮像装置２としてはＣＣＤカメラ２ａとそれを制御するカメラコントローラ２ｂなどを用いることができる。

本発明の炉壁観察装置は高温の炉内において炉壁の観察を行うので、照明装置１と撮像装置２およびその他炉内に搬入する機器については炉内の高温環境から保護することが必要である。本発明においては、特許文献３に記載のように、照明装置１と撮像装置２とを水冷構造の筐体内に収納し、炉内に挿入した該筐体に給排水配管を接続し、炉外から該筐体への冷却水の給排水を行うこととしても良い。

本発明においては、図１に示すように、照明装置１と撮像装置２とを密閉型断熱容器１１内に収納し、炉壁観察中において断熱容器１１は外部から冷却媒体の供給を受けないこととすると実用性の観点からより好ましい。外部から冷却媒体の供給を受けないので給排水配管を必要とせず、断熱容器と給排水配管との接続を必要としない。従って、炉内に設置する炉壁観察装置を軽量かつ小型化することができ、炉内に挿入し移動する構造物、例えばコークス炉炭化室４１のコークス押し出し機４３に容易に着脱することが可能になる（図２）。

外部から冷却媒体の供給を受けない断熱容器１１として、その表面を断熱材によって被覆した容器を適用することができる。これにより、３分程度の短時間であれば高温のコークス炉内に滞在して内部の電子機器を正常に作動させることができる。断熱材としては、例えばセラミックファイバーボードまたはケイ酸カルシウムボードなどを用いることができる。

断熱容器は、図１に示すように、吸熱能力を有する液体を充填したジャケット１４と、さらにその外側を覆う断熱材１３とを有することとするとより好ましい。吸熱能力を有する液体として水（冷却水１５）を用いることができる。断熱容器１１を高温の炉内に挿入した際、断熱容器１１の外側を断熱材１３が覆っているので、断熱材１３を通過して内部に侵入する熱量を小さくすることができ、さらに内部に侵入した熱は吸熱能力を有する液体の温度を上昇するのに費やされる。水をはじめとする液体は熱容量が大きいため、断熱容器内部の温度上昇を遅らせることができる。これにより、高温のコークス炉内に５分程度滞在することが可能になる。

本発明においては、照明装置１は炉壁面に対して垂直方向あるいは略垂直方向から光を照射することができ、撮像装置２は炉壁面を垂直方向あるいは略垂直方向から見た面を撮像することができるように配置すると好ましい。光を炉壁面に対して略垂直方向から照射し、同じく略垂直方向から炉壁面を撮像することにより、縦方向の細い割れやレンガ間の目地開きを明確に判別することができるとともに、開口クラックとカーボンが詰まったクラックとの差異をより明確に判別することができる。また、略垂直方向から炉壁面を撮像することにより、撮像された炉壁面のどの部位についても均等な縮尺で画像を得ることができ、どの部位でもピントのあった画像を得ることができる。

照明装置から照射する光は、通常は狭い発光面積の光源から光が広がる照明範囲２４の範囲内に照射される。炉壁面に対して垂直方向あるいは略垂直方向から光を照射するとは、この光の広がりの範囲内に炉壁面に対して垂直方向又は略垂直方向が含まれればよい。また、撮像装置においては撮像レンズに入射する一定の広がりを有する撮像範囲２３が撮像される。炉壁面を垂直方向あるいは略垂直方向から見た面を撮像するとは、撮像する広がり範囲内に炉壁面に対して垂直方向又は略垂直方向が含まれればよい。

コークス炉炭化室は相対する炉壁４２の間隔が狭いことが特徴である。そのため、撮像装置２の撮像方向を炉壁に垂直方向に向けようとすると、撮像装置２と炉壁４２との間隔を短くせざるを得ず、撮像視野として十分な広さの炉壁表面を撮像することが困難となる。

本発明においては、図１に示すように、断熱容器１１の外側に鏡面１２を配置し、炉壁面の映像を鏡面１２に反射して撮像装置２で撮像することとすると好ましい。断熱容器内に配置した撮像装置２の撮像方向を炉壁４２に平行な方向とし、断熱容器１１の外側であって撮像装置２の撮像方向に鏡面１２を配置する。鏡面１２の角度は、撮像装置２の位置から観察したときに炉壁表面の映像が鏡面１２に映る如く調整する。鏡面１２の向きを壁面の垂直方向から略４５°であって同時に撮像装置２の撮像方向から略４５°の方向とすれば、鏡面１２に映った壁面の像を撮像装置２で撮像することにより、撮像装置２は炉壁面を垂直方向あるいは略垂直方向から見た面を撮像することができる。鏡面１２は断熱容器１１の外側に配置するので、撮像のために断熱容器１１に設ける観察窓１９の大きさを極力小さくすることができ、断熱容器内への熱の侵入を最小限とすることができる。

断熱容器１１の外側に設ける鏡面１２を１面のみとした場合、同時に観察できる壁面としては炭化室の相対する壁面のうちの一方の面のみとなる。これに対し、図１に示すように角度の異なった２枚の鏡面（１２ａ、１２ｂ）を配置し、各鏡面によって相対する炉壁（４２ａ、４２ｂ）の各表面が映し出されるようにすると好ましい。これにより、相対する２つの炉壁表面を１台の撮像装置２で同時に撮像することが可能になる。図１に示す例では、撮像装置２の撮像範囲２３の範囲において２枚の鏡面に映った両方の炉壁（４２ａ、４２ｂ）の撮像装置視野（２２ａ、２２ｂ）を、１台のＣＣＤカメラ２ａによって同時に撮像している。

本発明においては、図１に示すように照明装置１からの光を同じ鏡面１２に反射して炉壁面に照射することにより、炉壁面に対して垂直方向あるいは略垂直方向から光を照射することができる。図１において、照明装置１としての青色あるいは紫外ストロボ光源１ａから照明範囲２４の範囲で射出された光が、鏡面１２で反射し、炉壁４２の撮像装置視野２２の範囲に向けて炉壁表面にほぼ垂直に光が照射されている。

図１に示す例では、２台の照射装置を準備し、各照射装置によって異なる一方の炉壁表面に光を照射している。本発明においては、１台の照射装置のみを準備し、この１台の照射装置の照射範囲を２枚の鏡面の両方を含む範囲とし、１台の照射装置によって両方の炉壁表面に光を照射することとしても良い。

断熱容器１１の外側に設ける鏡面１２は直接高温の炉内雰囲気にさらされる。内部に冷却水１７を収容する金属製容器の表面を鏡面１２とすることにより、本発明の炉壁観察装置が高温の炉内に滞在する短時間の間であれば鏡面１２を水の沸騰温度に近い温度に保持することができ、容器表面に形成した鏡面１２が酸化により劣化することなく光学的性能を長期間にわたって維持することができる。

本発明においては、図５（ａ）（ｂ）に示すように炉壁４２の表面に照射光２９を照射し、壁面で反射した反射光３０の状況を撮像することによって開口クラック３２の位置を検出する。図５（ａ）は炉壁４２の表面に開口クラック３２が存在する場合である。開口クラック３２においては内部に侵入した照射光が閉じ込められて戻らないので、この炉壁表面を撮像した撮像画像（図５（ｃ））では開口クラック３２の部分が暗く見える。一方、図５（ｂ）は内部にカーボン３３が詰まったクラック３１が存在する場合である。カーボン３３が詰まったクラック３１は照射光が反射して反射光３０が返ってくるので、この炉壁表面を撮像した撮像画像（図５（ｄ））ではクラック３１が明るく見えるので識別が可能になるのである。

一方、コークス炉炭化室４１などの高温の炉内においては、その高温に起因して炉壁が自発光している。自発光においては、図６に示すように開口クラックもカーボンが詰まったクラックもともに明るく見えるので、反射光に比較して自発光が勝っている場合には、自発光に邪魔されて開口クラックの検出が困難になることがある。

本発明においては、照明装置１から発する光として、波長０．３〜０．５μｍの範囲に発光ピークを有する光を用いると好ましい。波長０．３〜０．５μｍの範囲に発光ピークを有する光は紫外から青色に属する。炉壁観察時において、コークス炉炭化室４１の内部温度は１０００℃程度であり、この温度に起因する自発光２８は赤外域の２μｍに発光ピークを有する光であり、赤色側に偏した光である。そのため、自発光２８は波長０．５μｍより短波長側のスペクトル強度が弱いという特徴を有する。照明装置１から発する光を青色あるいは紫外の光とし、撮像装置２において波長選択フィルタ２ｃで赤色側を遮断して青色側を透過させて撮像することとすれば、自発光２８の影響を抑えて照射装置１からの光で反射した反射光３０は十分な強度をもって撮像される。したがって照明装置１による反射光３０の情報に基づいた検出が可能になる。

波長０．３〜０．５μｍの範囲に発光ピークを有する青色もしくは紫外の光を発する照明装置１の光源としては、ＬＥＤを用いると好ましい。ＬＥＤは単色性が高いので青色あるいは紫外光を効率よく発光させることができる。また素子が小型であるので、比較的自由に照明の形状をつくることができる。スイッチング特性にも優れるので、ストロボ光源として使用できる。

照明装置１から青色あるいは紫外の光を発する上記本発明において、照明装置１から発する光は、ストロボ発光していると好ましい。光源として青色ＬＥＤもしくは紫外ＬＥＤであって、ストロボ発光するＬＥＤを用いる場合、発光時間１０μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃ程度でストロボ発光させ、発光時の瞬間的光強度を連続発光時よりははるかに大きくすることができる。またこのような強い光でも、短時間の発光なので消費電力は少なくて済み、断熱容器内に配置した電池を電源とする場合でも十分に電力を供給することができる。照明装置１からの光を短時間のストロボ発光させ、撮像装置での撮像をストロボ発光に同期させた高速シャッターによる撮像とすれば、照明装置１で照射した光の反射光３０は全量を撮像装置２に取り込み、一方で自発光２８については高速シャッターを用いているので撮像装置２に取り込む光の量を抑制することができ、自発光の影響を抑えた良好な撮像画像を得ることが可能になる。

断熱容器内の撮像装置２で撮像した画像は、画像記録装置６に記録する。画像記録装置６を断熱容器内に配置することも可能であるが、画像記録装置６を炉外に配置するとより好ましい。この場合、断熱容器１１と炉外との間に信号ケーブルを配設することが不可能なので、断熱容器内にワイヤレス伝送送信機４を収納し、炉外にはワイヤレス伝送受信機５と画像記録装置６を配置し、撮像装置２で撮像した画像をワイヤレス伝送送信機４からワイヤレス伝送受信機５に送信し、画像記録装置６に記録することとなる。ワイヤレス伝送については、電磁波を用いた無線送信、あるいは可視光や赤外線などの光を用いたワイヤレス伝送を用いることができる。

画像記録装置６を炉外に配置する本発明においては、撮像情報とともに撮像装置の炉内位置情報４７を同時に画像記録装置６に記録することもできる。炉壁観察装置の断熱容器１１を搭載した押し出し機４４の現在位置データから、撮像装置２の撮像現在位置を炉内位置情報４７として算出し、炉外の画像記録装置６にデータを伝送することができるからである。これにより、画像記録装置６においてリアルタイムに水平方向の撮像位置と撮像データとを対応させることが可能になり、観察中において即座に炉内の開口クラック発生個所を特定することができる。

本発明の炉壁観察装置は、図３に示すように炉内の特定の位置について炉壁表面の静止画像を採取することができる。図３（ａ）は撮像装置全視野２５の範囲に２枚の鏡面（１２ａ、１２ｂ）を配し、各鏡面に映る炉壁（４２ａ、４２ｂ）を撮像する様子を示す。図３（ｂ）は１枚の鏡面に映った炉壁４２の静止画像を示す。さらに、撮像装置を炉の奥行き方向に移動しつつ撮像を行い、撮像データを画像記録装置６に記録することとしても良い。例えばコークス炉炭化室の押し出し機４３に炉壁観察装置の断熱容器１１を装着し、コークス押し出し機４３を一定速度で炉内に挿入しあるいは抽出する動作によって炉壁観察装置を移動する。連続的に撮像を行いつつ炉壁観察装置を移動し、撮像結果を動画として観察することが可能である。

より好ましくは、炉壁観察装置を炉の奥行き方向に移動しつつ撮像を行い、画像記録装置６に記録した撮像データを画像処理装置７において加工して結合することにより、図４に示すように炉の奥行き方向の広い範囲を１枚の静止画像として取り出すことも可能である。例えば、照明装置１として照射間隔が１／３０秒で照射時間が１ｍ秒のストロボ発光青色あるいは紫外ＬＥＤ１ａを用い、撮像装置２がストロボ発光に同期して１／３０秒に１回１ｍ秒の間露光するように設定する。適当な時間間隔で静止画像を選択し、つなぎ合わせることによって炉の奥行き方向広い範囲を１枚の静止画像とすることができる。図４に示す例では、開口クラック３２として存在する目地開き５０とレンガ割れ５１とは暗い画像として撮像され、カーボンが詰まったクラック３１として存在する目地開き５０ａとレンガ割れ５１ａとは明るい画像として撮像されているので、両者を明確に区別することができる。

本発明において、撮像したデータに基づいて画像処理装置７で炉壁表面状況の静止画像を作成し、コンピュータディスプレイ上に表示し、あるいは印刷し、画像上において開口クラックを目視で検出することとしても良い。炉壁表面において局所的に暗い領域であってクラック状に連続した個所を探し出し、その場所を開口クラックであると特定することができる。

本発明でより好ましくは、画像処理装置７は撮像装置２で撮像した画像を解析し、炉壁の開口クラック３２を抽出することとすると良い。画像処理装置７は、炉壁面画像の濃淡情報に基づき、局所的に暗い領域をレンガ割れ５１もしくはレンガ目地開き５０による開口クラック３２と識別することとすることができる。炉壁面画像の明るさに閾値を設け、この閾値よりも暗い部分を抽出し、抽出した暗い部分の連続状況をも考慮に入れ、開口クラック３２か否かを判定することができる。閾値は予め画像処理装置７に記憶させておけばよい。あるいは画像の平均輝度を求めて、その値に基づき閾値を決定するようにすれば、光源の光量変化などに追従した開口クラック抽出が可能になる。

本発明は以上に詳述したとおり、相対する炉壁の表面を観察する場合、なかんずくコークス炉炭化室の炉壁を観察する場合に高い効果を発揮することができる。炭化室炉壁のカーボン詰まりのない開口クラックを検出することで、コークスガスのリークが発生している炉壁部位を特定することができる。特定されたところのみを補修すればよいので、極めて効果的に黒煙発生を抑制することができる。本発明装置を使って定期的に炉壁観察を行えば、統計的に開口クラックの発生頻度の高い炉内位置を特定し、その部位では炉壁カーボン付着を促進するといった操業管理を行うこともできる。

コークス炉炭化室４１の炉壁表面の開口クラック３２を検出するする目的で、図１に示す炉壁観察装置を用いた。炉壁観察装置の炉内に挿入する部分については密閉型断熱容器１１に収納し、断熱容器１１は外部から冷却媒体の供給を受けない方式とした。断熱容器１１の外形寸法は、高さ５００ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ５００ｍｍであり、総重量は約５０ｋｇである。

炉壁観察装置の断熱容器１１としては、外周に断熱材１３としてセラミックファイバーボードを用い、断熱材１３の厚さは３０ｍｍとした。断熱材１３の内側には、ステンレス鋼製のジャケット１４を配置した。ジャケット内には合計３０リットルの冷却水１５を充填した。断熱容器１１の炉壁に面する部分において、冷却水１５の層の厚さは４０ｍｍである。

断熱容器１１の内部には、照明装置１としてストロボ発光する青色ＬＥＤアレイ光源を２セット配置した。青色ＬＥＤのスペクトルは、中心波長が０．４７μｍ、半値幅が０．０３μｍである。ストロボは１／３０ｓｅｃ同期、発光時間１ｍｓｅｃで点灯させた。光源のパワーは１０Ｗ程度である。撮像装置２としてモノクロＣＣＤカメラ２ａを配置した。カメラレンズの前には波長選択フィルタ２ｃとしてカットオフ波長０．５μｍの短波長透過干渉フィルタを取り付け、赤色成分の炉壁自発光を遮断し、中心波長０．４７μｍの青色ＬＥＤの反射光のみを撮像した。撮像装置２で撮像した画像信号は、ワイヤレス伝送送信機４によって炉外に送信される。断熱容器１１及び断熱材１３には観察窓１９及び電波射出孔２０を配置し、観察窓１９には金属蒸着による熱線反射コーティングを施した石英ガラスをはめ込んでいる。また、電源３として充電式蓄電池を配置し、照明装置１、撮像装置２、ワイヤレス伝送送信機４及びそれらを制御する制御装置に対する供給電源とした。

断熱容器１１の前方には図１に示すように鏡面１２を配置する。鏡面１２の長手方向は炉の高さ方向とし、２枚の鏡面１２は炉壁４２との角度を４５°とし、左右の炉壁４２を同時に撮像装置２の視野にとらえることができる。撮像装置視野２２は、左右の炉壁毎に長辺側長さが６００ｍｍ、短辺側長さが２００ｍｍとなるように鏡面を配置した。鏡面１２は内部に冷却水１７を収容するステンレス鋼板製の貯水塔１６の表面を鏡面研磨したものを用いた。貯水塔１６は、図１に示すように断面三角形の長い形状とし、３面の外面のうちの２面を鏡面１２とし、残り１面については断熱材１８で断熱する構造とした。

炉壁観察装置と鏡面１２をコークス押出機４３に取り付けた。炉壁観察装置の総重量が約５０ｋｇと比較的軽量であり、更に冷却水配管や信号ケーブルを配置する必要がないので、押し出しラム４４の高さ方向の任意の位置に容易に取り付けることが可能である。本実施例においては、図２に示すように、押し出しラムヘッド４４の後面の位置に支持装置を用いて取り付けた。ラムビームの上に取り付け位置を設定し、高さを変えて観察することもできる。

ワイヤレス伝送にはデジタル信号の電波を用いた無線通信を採用している。撮像装置２の出力をワイヤレス伝送送信機４からワイヤレス伝送信号２１として炉外のワイヤレス伝送受信機５に送る。断熱容器１１の電波が通過する部分には電波射出孔２０を設け、シリカコーティングを施した石英ガラスを配置している。シリカコーティングによって炉からの輻射熱を遮断し、かつ金属コーティングではないので電波の伝搬を阻害することがない。

炉外にはワイヤレス伝送受信機５が配置され、受信した画像を記録する画像記録装置６と画像処理を行う画像処理装置７が配置される。画像記録装置６には押し出しラムの現在位置データに基づいて求められた撮像装置の炉内位置情報４７も送られてきている。画像処理装置７においては、各時刻に撮像された撮像情報を撮像装置の炉内位置情報４７に基づいて並べ、炭化室の奥行方向全長を１枚の静止画像として生成することができ、クラックの発生個所を特定することができる。具体的には、押出機４３の移動に伴い、撮像装置の炉内位置情報４７が１５０ｍｍ増加する毎に、伝送された静止画像を画像処理装置６に取り込む。静止画像の炉幅方向（短辺側）長さは２００ｍｍなので、隣り合った画像は５０ｍｍの重複部分を有する。この重複部分を用いてパターンマッチング処理を行い、画像の重なりについて微調整を行うことができる。このようにして炭化室の奥行方向全長を図４に示すような１枚の静止画像として生成する。

画像処理装置７は、開口クラックを抽出するため、部分２値化処理を実行する。すなわち、画像を小面積に分割し、各小面積毎に平均輝度を求め、平均輝度に基づき閾値を決定して２値化処理を実施する。部分２値化を行う理由は、壁面レンガ肌荒れによる表面状態の変化や照明自体の出力変動により健全部の反射光強度が変化しても安定して開口クラックを検出するためである。２値化処理の結果、開口クラックの候補箇所が求まる。この段階ではレンガの局所的な剥離等を誤検出することがある。そこで、特微量判定処理として、各候補箇所に対して隣接長方形を当てはめ、短辺、長辺の値を参照して開口クラックか誤検出かを判断する。炉の構造上、クラックは高さ方向に長く開口幅は小さいという特徴を有する。

３０年以上稼働しているコークス炉炭化室４１の炉壁クラックを本発明装置で観察した。図２に示すように押し出しラムヘッド後面に装置を取り付け、コークスを排出して空窯にした炭化室に挿入した。壁面温度はおよそ１０００℃である。押し出しラムは約３００ｍｍ／ｓｅｃの一定速度で挿入した。レンガ多段にわたる縦方向クラックが複数本撮像され、画像処理の結果、レンガ奥まで貫通した開口クラックとカーボン付着物が詰まったクラックとを分離して把握することができた。

コークス炉炭化室内に挿入した本発明の炉壁観察装置を示す平面断面図である。コークス炉炭化室内に挿入した本発明の炉壁観察装置を示す側面断面図である。本発明の炉壁観察装置での観察結果例を示す図である。本発明の炉壁観察装置での観察結果例を示す図である。本発明の炉壁観察装置を用いた観察状況を示す図であり、（ａ）（ｂ）は炉壁面の断面図、（ｃ）（ｄ）は炉壁面の撮像画像である。従来の自発光に基づく観察状況を示す図であり、（ａ）（ｂ）は炉壁面の断面図、（ｃ）（ｄ）は炉壁面の撮像画像である。炉壁面に存在するクラックの発生状況を示す図である。

符号の説明

１照明装置
１ａ青色又は紫外ストロボ光源
１ｂストロボ電源
２撮像装置
２ａＣＣＤカメラ
２ｂカメラコントローラ
２ｃ波長選択フィルタ
３電源
４ワイヤレス伝送送信機
５ワイヤレス伝送受信機
６画像記録装置
７画像処理装置
１１断熱容器
１２鏡面
１３断熱材
１４ジャケット
１５冷却水
１６貯水塔
１７冷却水
１８断熱材
１９観察窓
２０電波射出孔
２１ワイヤレス伝送信号
２２撮像装置視野
２３撮像範囲
２４照明範囲
２５撮像装置全体視野
２６画面接合位置
２７広い領域の画像
２８自発光
２９照射光
３０反射光
３１クラック
３２開口クラック
３３カーボン
３６目地
４０炉壁表面
４１コークス炉炭化室
４２炉壁
４３押し出し機
４４押し出しラム
４６ラム駆動装置
４７炉内位置情報
５０目地開き
５１レンガ割れ

Claims

密閉型断熱容器内に収納した照明装置と撮像装置とで、観察窓越しに密閉型断熱容器の外側に配設した鏡面に映る炉壁表面を炉の奥行き方向に移動しつつ撮像し、得られた画像に基づき画像処理装置で相対する炉壁の開口クラックを検出する炉壁観察装置であって、
前記密閉型断熱容器は、前記照明装置と撮像装置とを収納し、吸熱能力を有する液体を充填したジャケットと、その外側を覆う断熱材と、観察窓とを有し、
前記鏡面は、内部に冷却水を収納する金属製容器の表面を鏡面研磨して設けられていて水の沸騰温度に近い温度以下に保持され、炉壁面と略４５度の角度を成すように配設され、
前記照明装置は、波長０．３〜０．５μｍの範囲に発光ピークを有するＬＥＤを光源として、所定の発光時間でストロボ発光し、出射された光を鏡面に反射させて炉壁面に略垂直方向から照射し、
前記撮像装置は、炉壁面からの自発光を遮断する波長選択フィルタと、前記照射された炉壁面による反射光により鏡面に映った該炉壁面の像を、前記ストロボ発光に同期して撮像するための高速シャッターとを有し、
前記画像処理装置は、炉壁面画像の濃淡情報に基づき、所定の閾値で２値化処理して局所的に暗い領域を開口クラックの候補箇所として求め、
次に、該開口クラックの候補箇所に対して隣接長方形を当てはめて、該隣接長方形の短辺、長辺の値に基づき開口クラックか誤検出かを、開口クラックは高さ方向に長く開口幅は小さいことを基に判断する特徴量判定処理を実行すること、
を特徴とする炉壁観察装置。
前記画像処理装置は、炉壁面画像の濃淡情報に基づき、該炉壁面画像を小面積に分割し、各小面積毎に平均輝度を求め、平均輝度に基づき閾値を決定し２値化処理を実施して、次に、局所的に暗い領域を開口クラックの候補箇所として求め、該候補箇所に対して隣接長方形を当てはめて、該隣接長方形の短辺、長辺の値に基づき開口クラックか誤検出かを判断する特徴量判定処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の炉壁観察装置。
前記密閉型断熱容器内にワイヤレス伝送送信機を収納し、炉外にはワイヤレス伝送受信機と画像記録装置を配置し、前記撮像装置で撮像した画像をワイヤレス伝送送信機からワイヤレス伝送受信機に送信し、前記画像記録装置に記録することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の炉壁観察装置。