JP4687166B2 - コークス炉炉壁形状計測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、製鉄設備であるコークス炉の劣化診断を行うための炭化室炉壁形状測定方法及び装置に関するものである。

製鉄プロセスに不可欠なコークス製造を行うコークス炉においては、日々の操業によって、炉壁を構成するレンガの損耗や、レンガ表面へカーボンが付着、成長するなどして、炉壁レンガ表面に凹凸が生じる。このような凹凸が大きくなるとコークス押出し装置（以下、押出し機と称する）によるコークス押出し時の押し詰まりなど操業の阻害要因となる。また押し詰まり状態が度重なると、炉壁に負荷がかかり炉寿命を低下させてしまう。

従って、操業においては炉壁形状を計測し、適切な時期に補修を行う炉壁形状管理が必須である。コークス炉炭化室の炉壁のプロファイルを測定する方法として、コークス押出装置の押出しラム先端部に距離測定手段を取り付け、押出しラムを炭化室に挿入して移動させ、移動中に前記距離測定手段により炉壁と前記距離測定手段の間の距離を測定し、そこから炉壁のプロファイルを測定する方法が開発されている。このようなコークス炉炭化室の炉壁形状計測方法においては、コークス押出し機の押出しラム先端に取り付けた距離計測手段のセンサ位置が、炭化室の床面の状況や、押出しラムの機械的な湾曲により、炭化室挿入時に、炭化室の幅方向に変化する。

そのため、押出しラム先端部の距離計測手段のセンサ部と壁面との距離を計測するだけでは、正確な壁面形状計測を行うことができない。従って、何らかの方法で押出ラム先端部位置が、炭化室に挿入時にどのような軌跡を描くのかを測定し、この軌跡と前記距離計測手段の出力を合わせて、炉壁のプロファイルを測定しなければならない。

これまでのコークス押出し機の押出しラム先端部軌跡計測方法として、例えば特許文献１に開示された方法がある。図８は、特許文献１に開示された方法を説明する概念図である。すなわち、押出しラム先端に設けた距離計、炭化室出入り口それぞれに設置された距離参照用平面板、炉体上の基準点、距離計センサー部近傍に設けられた参照点、炉体上の反射ミラー、および押出し機上の反射光受光手段から構成されている。炉壁形状計測方法としては、押出し機の押出しラム先端部にコークス炉炭化室の両側壁面に対向する形で距離計測手段のセンサーを設け、炭化室内へ挿入し、走査する。コークス炉炭化室入口と炭化室出口には、それぞれ炭化室出入口との位置関係が既知である単一または複数の距離参照用平面板が設けてあり、コークス押出し時には炭化室入口と出口で、それぞれ前記距離計測手段で距離計測手段のセンサー部と距離参照用平面板との距離を計測する。これらの結果から、押出しラム先端部走査基準線を検出する。また、炉内では一定の間隔をもって、連続的に距離計測を行う。

押出しラムの先端部は、炉底部の状況等によって炉内で窯幅方向へ変位する。よって、距離計の窯幅方向の変位は各計測地点で補正する必要がある。そこで、距離計のセンサー部近傍に参照点を設けておき、コークス炉炉体上の位置が既知の場所には複数の炉体基準点を設ける。カメラを参照点と基準点が同一視野内に収まるようなコークス押出し機上の所定位置に設置し、このカメラで参照点と基準点を押出しラムの走査とともに順次撮影する。距離計が炭化室内を通過する際の窯幅方向の変位は、初期位置における参照点のずれを計算する。しかしながら、押出しラム走査中は振動によって、カメラの光軸方向がずれる。このため押出しラムが炉外にあったときの初期位置を基準として、カメラの光軸方向を補正し、窯幅方向の変位を算出する。さらに、振動以外に押出し機自体の方向が変化して、カメラの光軸がずれることが想定されるため、距離計のセンサー部の位置補正を行う。すなわち、炉体上に設けた反射ミラーにレーザ光を押出し機上から照射し、反射光受光手段上に投影されたレーザ光を前述のカメラ１とは別のカメラ（反射光受光位置検出用カメラ）で順次撮影し、押出し機自体の傾きによるカメラ方向のぶれを補正する。各計測地点における炉壁形状は、左右両炉壁までの距離計測値を距離計の窯幅方向の変位を補正し、炉壁形状を算出する。炉体に設ける基準点としては反射シートを用い、押出し機上から光を照射しその反射光をカメラで撮影するものである。
特開２００３−３１５０３５号公報

しかしながら、炉体基準点として反射シートを用いた場合は、設置する場所が屋外となるため日差しが強い場合には、背景との識別が困難になる。また、反射シートに汚れが付着した場合にも十分に光を反射できなくなる。このような状態では計測精度の低下の原因となるため、反射シートの交換が必要で、これを頻繁に行わなければならないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、炉体基準点としての反射シートを頻繁に交換することなく、炉壁形状計測の計測精度を向上させるコークス炉炉壁形状計測方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、コークス炉の炭化室へ押出し機の押出しラム先端部に設置した距離計を挿入走査して、炭化室炉壁形状を計測するコークス炉炉壁形状計測方法において、
押出し機本体に設置した単数または複数のスリット光源から線状スリット光を炭化室の窯口両側の部材に投影し、前記投影されたスリット光像および前記距離計近傍に設けた参照点を押出し機本体に設けたカメラで撮像し、その撮像された画像に基づいて、前記スリット光像が切断した端点を炉体の基準点とし、
前記窯口入り口の両側の部材上に設けられた反射ミラーと、押出し機本体に固定された、収束光投光手段、反射光受光手段、および反射光受光位置検出用カメラを用いた計測により、前記押し出し機本体に設けたカメラのコークス炉炉体に対する角度の、押し出しラムの炉内挿入に伴う角度変位量を算出し、
前記参照点が前記炭化室入口にあるときの前記基準点の中点と、炭化室出口に設けられた距離参照用平面板における距離計測値と、前記算出した角度変位量から算出される前記参照点のずれ量とに基づいて、炭化室の走査基準線を求め、前記参照点の走査基準線からの変位量を算出することによって、
前記基準点に対する前記参照点の相対位置から炭化室内における距離計測手段の窯幅方向の位置を補正して炉壁形状を得ることを特徴とするコークス炉炉壁形状計測方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、コークス炉の押出し機の押出しラム先端部に、炭化室炉壁に対向する形で設置した距離計を有するコークス炉炉壁形状計測装置において、
コークス炉の押出し機本体に設置した、炭化室の窯口両側の部材に線状スリット光を投影する単数または複数のスリット光源と、
前記距離計近傍に設けた参照点と、押出し機本体に設けたカメラにて撮像された画像に基づき、スリット光像が切断した端点を炉体の基準点と判断する手段と、
前記窯口入り口の両側の部材上に設けられた反射ミラーと、押出し機本体に固定された、収束光投光手段、反射光受光手段、および反射光受光位置検出用カメラと、
前記反射ミラー、前記収束光投光手段、前記反射光受光手段、および前記反射光受光位置検出用カメラを用いた計測により、前記押し出し機本体に設けたカメラのコークス炉炉体に対する角度の、押し出しラムの炉内挿入に伴う角度変位量を算出する角度変位量算出手段と、
前記参照点が前記炭化室入口にあるときの前記基準点の中点と、炭化室出口に設けられた距離参照用平面板における距離計測値と、前記算出した角度変位量から算出される前記参照点のずれ量とに基づいて、炭化室の走査基準線を求め、前記参照点の走査基準線からの変位量を算出する手段とを備え、
前記基準点に対する前記参照点の相対位置から炭化室内における距離計測手段の窯幅方向の位置を補正して炉壁形状を得ることを特徴とするコークス炉炉壁形状計測装置である。

本発明では、線状スリット光を測定対象となる炭化室の両側の部材に投影し、前記投影されたスリット光像が部材上の段差において切断された端点を炉体の基準点とし、距離計近傍に設けた参照点とともに、炉外に設けたカメラで同時に撮影し、炭化室内における距離計の窯幅方向の位置を補正して炉壁形状を得るようにしたので、炉壁形状の計測精度を向上することが可能である。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。コークス炉炭化室の一部と押出し機を、押出し方向の側面から見た概念図であり、図中、１はスリット光像、２はＨ形鋼、３は押出し機本体、４は参照点、５はスリット光源、６はカメラ、７は距離計センサー部、８は炭化室、および９は押出しラムをそれぞれ示す。

押出し機本体３にカメラ６とスリット光源５を設置し、このスリット光源５から炭化室幅方向に長いスリット光を照射し、コークス炉炭化室８の両側にあるＨ形鋼２（バックステイとも称す）上に投影する。ここで、スリット光はカメラの光軸に対して非平行にするとよい。押出しラム９の先端部には、距離計センサー部７と、この距離計センサー部の近傍に参照点４を設けている。投影されたスリット光像１をカメラ６で、参照点４とともに撮影する。

図２は、カメラにて撮影された画像の一例を示すものである。１および１’は、それぞれ炭化室の両側にあるＨ形鋼２上に投影された左側および右側のスリット光像を示している。ここで、炭化室の両側にあるＨ形鋼２は窯口より数10cm程度、カメラ側に突出しているため、線状のスリット光はＨ形鋼表面では直線であるが、その間の窯口部分では切断されて、かつ下側に（これは、スリット光をカメラの上側からカメラの光軸に対して交差するように投影しているためである）投影される。両側にある炭化室炉壁１０の間には、押出しラムの先端部に設けた参照点４が撮影されている。

図３は、図２の画像を所定の閾値によって２値化処理した２値化画像である。スリット光が映し出された部分を白とすると、画像上、炭化室両側のＨ形鋼の窯口側エッジは、スリット光像1および1’として検出される。このとき、画像上でスリット光像1の右端の座標と、スリット光像1’の左端の座標を算出する。Ｈ形鋼のエッジは窯口（炭化室）に対して位置は不変であるから、炉体上の位置が不変な基準点として利用可能となる。

距離計近傍に設けた参照点は、耐熱性をもった光ファイバに緑色のレーザ光を炉外に設置した光源から透過させ、その先端部は距離計センサー近傍に固定し、カメラの方向を向いている。参照点は、Ｈ形鋼上のスリット光像とともに撮影され、撮影された参照点の像は、スリット光像の処理と同様に２値化処理され、その像の重心座標を求める。

また、炉内の火炎等を２値化によって消去できない場合は、各画像のスリット光の像が写っている部分（図４および図５）のみについて処理を行い、線状スリット光像、基準点の座標を算出するようにするとよい。

次に、このように算出された基準点の座標を用いたコークス炉炉壁形状計測方法を前掲の図８を参照して以下に説明する。押出し機本体に固定されたカメラ１、収束光投光手段、反射光受光手段、反射光受光位置検出用カメラが炉体に対してある方向を向いている場合の反射ミラーへの収束光の入射角度をθ1とし、収束光投光手段と反射ミラーとの距離をL00、反射ミラーと反射光受光手段との距離をL01、そのときの反射光受光手段上の反射光の位置（光源位置を基準とする位置）をａとする。

そして、カメラ１等の方向がθ2だけ変化し、収束光投光手段と反射ミラーとの距離がL10に，反射ミラーと反射光受光手段との距離がL11に変化した場合の、受光手段上の反射光の位置（光源位置を基準とする位置）をｂとすると、当初の入射角度θ1、及び角度の変化θ2は以下の式で表される。
θ1=tan^−１（a/（L00＋L01））
θ2＝tan^−１（b/（L00＋L01））-tan^−１（a/（L00＋L01））
但し、L00＋L01≒L10＋L11
これより、反射ミラーへの収束光の入射角度、すなわち相互に固定された撮像手段等の炉体に対する方向（すなわち、炉体に対する押出機の角度）が算出される。

ここでは、反射光受光手段に投射された反射光の位置を検出するため、反射光受光位置検出用カメラを用い、この反射光受光位置検出用カメラは基準点検出用のカメラ１と相互に固定された位置関係にある。

カメラ１では、押出しラムの押出し作業とともに順次、画像の撮影を行い、撮影された画像データは画像処理装置に送られる。画像処理装置では画像データ中の基準点の位置と、前記θ1、θ2から炉体に対するカメラ１の相対的な位置を算出し、画像データ中の参照点の位置からカメラ１に対する参照点の相対的な位置を算出することにより、距離計測手段センサ部の炉体に対する位置を算出する。算出された距離計測手段センサ部の位置データは、信号処理装置に送られる。

押し出し機上に設置されたカメラ１の視野は、窯口の両側にそれぞれ１つずつ設けた基準点及び炉内に挿入された押出ラムに設けられた参照点を視野内に収めることが可能なように調整されている。

押出しラムの炭化室挿入直前（初期位置）にカメラ１によって撮影された画像上での参照点および基準点のｘ座標をそれぞれｘ0、ｘ1、ｘ2とする。この画像は押出しラムの炭化室の挿入に伴い振動等の影響を受けて変化する。そのときの画像上での参照点および基準点のｘ座標をそれぞれｘ'0、ｘ'1、ｘ'2とし、カメラ１の視野角をθ3とする。また、カメラ１の水平方向の視野をX [dot]とする。

カメラ１から２つの基準点を結ぶ直線におろした垂線の長さをL0、また、撮影を行った瞬間の押出しラムの参照点とカメラ１との距離をLとすると、この瞬間の参照点および基準点の初期位置からのずれｄ0、ｄ1、ｄ2はそれぞれ以下のように表される。
d0=x'0 − x0
d1=x'1 − x1
d2=x'2 − x2
これを角度変化に換算すると、変化分をそれぞれΔθ'0、Δθ'1、Δθ'2とすると以下のように表される。
Δθ'0=d0/X×2×θ3
Δθ'1= d1/X×2×θ3
Δθ'2= d2/X×2×θ3
これらの角度変化量には、カメラ１の横ずれとカメラ１の炉体に対する回転が含まれている。そこで、前記角度変化θ2を用いて、横ずれ（ｘ方向）の成分のみを算出する。
Δθ"0=Δθ'0 − θ2
Δθ"1=Δθ'1 − θ2
Δθ"2=Δθ'2 − θ2
これらを長さに換算すると、以下のようになる。
D0=L×tan(Δθ"0)
D1=L0×tan(Δθ"1)
D2=L0×tan(Δθ"2)
簡単化のために、参照点９押出ラムの中心位置に設けられているものとし、距離測定センサは、押出ラムの中心軸に対して左右対称に設けられているものとする。走査基準線は、炭化室入側において（(D1+D2)/2，L0）を通る。炭化室出側で距離測定センサ４により距離参照用平面板までの距離を測定し、その結果により、押出ラムの中心位置がどの程度ずれているかを算出する。このずれの量をｄとし、測定時の押出ラムの押し出し量（参照点とカメラ１との距離）をL2とする。さらに、そのとき、前記カメラ１により計測されたD0の値をD02とする。

すると、走査基準線は、炭化室出口において、（D02-d，L2）を通る。よって、（(D1+D2)/2，L0）と（D02-d，L2）を結ぶ直線を走査基準線として、測定時に、D0として求められた参照点９の位置が、この走査基準線より、どの程度左右方向にずれているかを計算する。

この値と、距離測定センサにより測定された測定値を組み合わせることにより、走査基準線から炉壁までの距離を測定することができる。よって、押出しラムの押し出しに伴って、上記の方法を用いて走査基準線から炉壁までの距離を測定することにより、コークス炉炉壁形状を測定することができる。

本発明の一実施例としてスリット光は、コークス炉炭化室内の赤色と明確に判別可能にするため緑色レーザ光を用いた。スリットは4.5m先の両Ｈ形鋼表面上に投影できるように、長さ1.5m、さらにできるだけ線上スリット光像とするため幅3mm以下になるように調整した（図６）。スリット光の長さをこれほどとれない場合は、複数のスリット光源を用いるようにすればよい。また、カメラはCCDカメラを用い、緑色光が透過可能なフィルターを取り付けた。カメラで撮影された画像は、パソコンへ取り込み、前述した処理を行い、炉体基準点の位置を求め、炉壁形状を算出した。

また、Ｈ形鋼上に投影された像を明確に判別するために、カメラの光軸に対して、レーザスリット光の進行方向は5度下向きに傾けた（図７）。このような装置構成で炉壁形状計測を行うことで、計測精度を向上することが可能となった。

本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。 カメラにて撮影された画像の一例を示すものである。 図２の画像を所定の閾値によって２値化処理した２値化画像である。 図３の画像のうち、スリット光像（左側）の部分を切り取ったものである。 図３の画像のうち、スリット光像（右側）の部分を切り取ったものである。 スリット光の概念図である。 カメラの光軸とスリット光の方向を説明するための図である。 特許文献１に開示された方法を説明する概念図である。

符号の説明

１ スリット光像（左側）
１’ スリット光像（右側）
２ Ｈ形鋼
３ 押出し機本体
４ 参照点
５ スリット光源
６ カメラ
７ 距離計センサー部
８ 炭化室
９ 押出しラム
１０ 炭化室炉壁

Claims (2)

1. コークス炉の炭化室へ押出し機の押出しラム先端部に設置した距離計を挿入走査して、炭化室炉壁形状を計測するコークス炉炉壁形状計測方法において、
   押出し機本体に設置した単数または複数のスリット光源から線状スリット光を炭化室の窯口両側の部材に投影し、前記投影されたスリット光像および前記距離計近傍に設けた参照点を押出し機本体に設けたカメラで撮像し、その撮像された画像に基づいて、前記スリット光像が切断した端点を炉体の基準点とし、
   前記窯口入り口の両側の部材上に設けられた反射ミラーと、押出し機本体に固定された、収束光投光手段、反射光受光手段、および反射光受光位置検出用カメラを用いた計測により、前記押し出し機本体に設けたカメラのコークス炉炉体に対する角度の、押し出しラムの炉内挿入に伴う角度変位量を算出し、
   前記参照点が前記炭化室入口にあるときの前記基準点の中点と、炭化室出口に設けられた距離参照用平面板における距離計測値と、前記算出した角度変位量から算出される前記参照点のずれ量とに基づいて、炭化室の走査基準線を求め、前記参照点の走査基準線からの変位量を算出することによって、
   前記基準点に対する前記参照点の相対位置から炭化室内における距離計測手段の窯幅方向の位置を補正して炉壁形状を得ることを特徴とするコークス炉炉壁形状計測方法。
2. コークス炉の押出し機の押出しラム先端部に、炭化室炉壁に対向する形で設置した距離計を有するコークス炉炉壁形状計測装置において、
   コークス炉の押出し機本体に設置した、炭化室の窯口両側の部材に線状スリット光を投影する単数または複数のスリット光源と、
   前記距離計近傍に設けた参照点と、押出し機本体に設けたカメラにて撮像された画像に基づき、スリット光像が切断した端点を炉体の基準点と判断する手段と、
   前記窯口入り口の両側の部材上に設けられた反射ミラーと、押出し機本体に固定された、収束光投光手段、反射光受光手段、および反射光受光位置検出用カメラと、
   前記反射ミラー、前記収束光投光手段、前記反射光受光手段、および前記反射光受光位置検出用カメラを用いた計測により、前記押し出し機本体に設けたカメラのコークス炉炉体に対する角度の、押し出しラムの炉内挿入に伴う角度変位量を算出する角度変位量算出手段と、
   前記参照点が前記炭化室入口にあるときの前記基準点の中点と、炭化室出口に設けられた距離参照用平面板における距離計測値と、前記算出した角度変位量から算出される前記参照点のずれ量とに基づいて、炭化室の走査基準線を求め、前記参照点の走査基準線からの変位量を算出する手段とを備え、
   前記基準点に対する前記参照点の相対位置から炭化室内における距離計測手段の窯幅方向の位置を補正して炉壁形状を得ることを特徴とするコークス炉炉壁形状計測装置。