JP4969929B2 - Blast furnace interior entry behavior detection device - Google Patents

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Description

本発明は、高炉炉内装入物の層厚及び降下速度を測定する装置に関するものである。   The present invention relates to an apparatus for measuring a layer thickness and a descending speed of a blast furnace interior inclusion.

鉄鋼業において高炉では、炉頂部より還元剤及び熱源としてのコークスと、被還元物としての焼結鉱とを層状に装入している。これは、層状にすることによって層内の空間率を高めに維持し、ガス還元効率を高くすることを狙っているためである。高炉の操業に伴って、シャフト部分に位置する装入物は下方に降下していくが、その降下速度や各々の層厚は常時変動する。その変動が高炉内上下方向、円周方向で一様でないため、高炉内における反応も前記変動に伴って変化することになる。例えば、焼結鉱の層厚分布などにより、ガス流れの経路は変化するが、ガス流れが著しく偏流した場合には、円周方向の降下バランスが崩れ、スリップや吹き抜けなどのトラブルが起こり、高炉の正常な操業が維持できなくなる。従って、高炉炉内の装入物の層厚や降下速度を計測することは、高炉内の装入物の挙動を的確に把握し、適正な操業管理、制御を行う上できわめて重要である。   In the steel industry, in a blast furnace, a coke as a reducing agent and a heat source and a sintered ore as a material to be reduced are charged in layers from the top of the furnace. This is because it aims to maintain a high space ratio in the layer and to increase the gas reduction efficiency by forming a layer. With the operation of the blast furnace, the charge located in the shaft portion descends downward, but the descending speed and the thickness of each layer constantly change. Since the fluctuation is not uniform in the vertical direction and circumferential direction in the blast furnace, the reaction in the blast furnace also changes with the fluctuation. For example, the gas flow path changes depending on the layer thickness distribution of the sintered ore, but if the gas flow drifts significantly, the circumferential descent balance breaks down, causing problems such as slips and blowouts, resulting in a blast furnace Normal operation cannot be maintained. Therefore, measuring the thickness of the charge in the blast furnace and the descending speed is extremely important for accurately grasping the behavior of the charge in the blast furnace and performing appropriate operation management and control.

これまでにも、炉稼働中の装入物降下速度及び層厚を測定する手段として、種々の方法が提案されている。   So far, various methods have been proposed as means for measuring the charge lowering speed and the layer thickness during operation of the furnace.

特許文献1には、コークスと焼結鉱の電気抵抗の違いに基づく測定法が開示されている。これは、電極が設置されたセンサを内部の装入物に直接接触させる方式である。しかし、この方式は、鉄皮から耐火物に貫通するセンサ挿入用の穴を必要とし、このセンサ挿入穴に挿入された、ゾンデで構成された測定系部品の先端が高炉内に突出する構成である。従って、挿入物の降下に伴って、測定系部品への装入物の目詰まりや付着が発生し、測定精度を維持することが難しい。また、装入物による突出部の磨耗や破損が回避できないため、頻繁に部品を交換せねばならず、保守上、ランニングコストの問題もあった。更に、測定系部品の先端がスムーズな装入物降下の障害要因になる可能性もあり、連続的かつ安定的にわたって測定することは困難であった。一方、測定精度の観点からみると、装入物が数十〜百ミリメータ程度の塊であることから容易に推察できるように、それらは空隙を有する複雑な表面形状を持ったまま降下する。このような移動物体に対して、定常的に電極を接触させて、安定した測定を実現することが難しいこともあった。   Patent Document 1 discloses a measurement method based on the difference in electrical resistance between coke and sintered ore. This is a system in which a sensor in which an electrode is installed is brought into direct contact with an internal charge. However, this method requires a sensor insertion hole that penetrates the refractory from the iron skin, and the tip of the measurement system component that is inserted into the sensor insertion hole and that is composed of a sonde protrudes into the blast furnace. is there. Therefore, as the insert is lowered, the charged material is clogged or adhered to the measurement system parts, and it is difficult to maintain measurement accuracy. Further, since it is impossible to avoid wear and damage of the protruding portion due to the charged material, parts must be frequently replaced, and there is a problem of running cost in terms of maintenance. Furthermore, there is a possibility that the tip of the measuring system component may be an obstacle factor for smooth charge drop, and it is difficult to measure continuously and stably. On the other hand, from the viewpoint of measurement accuracy, the charges fall while having a complicated surface shape with a gap, as can be easily guessed from the fact that the charges are lumps of several tens to hundreds of millimeters. In some cases, it has been difficult to achieve stable measurement by bringing the electrode into contact with such a moving object constantly.

特許文献2には、高炉外から中性子線を照射し、内容物による散乱を検出する方法が開示されている。この手法は、炉壁に穴を設けるといった加工の必要がないというメリットがある。しかし、中性子線の減衰や散乱のある鉄皮や耐火物を通じて測定するため、空間的な測定精度が低くなり、精度よく層境界を検出することは難しいという問題があった。   Patent Document 2 discloses a method of detecting scattering by contents by irradiating neutrons from outside the blast furnace. This method has an advantage that there is no need for processing such as providing a hole in the furnace wall. However, since measurement is performed through an iron skin or a refractory that has neutron attenuation or scattering, there is a problem that the spatial measurement accuracy is low and it is difficult to detect the layer boundary with high accuracy.

また、特許文献1及び特許文献2に開示された方法に共通しているのは、測定対象の一点のみを測定することである。上記のように、測定対象であるコークスと焼結鉱は、サイズや形状が大きく異なっていることから、測定する領域によって、信号がばらつく問題があった。測定精度を上げるためには、測定領域、例えば特許文献2では、中性子線の照射領域を小さくする必要があるが、測定のばらつきが大きくなる。一方、照射領域を大きくすれば、平均化された信号が得られるため、測定自体は安定するが、その分精度が低下するため、測定の安定性と精度を両立させることは困難であった。   Moreover, what is common to the methods disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 is to measure only one point to be measured. As described above, since coke and sintered ore, which are measurement objects, are greatly different in size and shape, there is a problem that signals vary depending on the region to be measured. In order to increase the measurement accuracy, in the measurement region, for example, Patent Document 2, it is necessary to reduce the irradiation region of the neutron beam, but the measurement variation increases. On the other hand, if the irradiation area is enlarged, an averaged signal can be obtained, so that the measurement itself is stable, but the accuracy is lowered accordingly, and it is difficult to achieve both measurement stability and accuracy.

特開昭52−14447号公報JP 52-14447 A 特開平11−181509号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-181509 “Ground surface sensing through plant foliage using an FM-CWradar”, Yonatan Noyman, Itzhak Shmulevich, Computers and Electronics in Agriculture 15 (1996) 181-193“Ground surface sensing through plant foliage using an FM-CWradar”, Yonatan Noyman, Itzhak Shmulevich, Computers and Electronics in Agriculture 15 (1996) 181-193

以上のような従来技術の問題点に鑑みて本発明の目的は、高炉内にセンサを挿入することなく、高炉外から、コークスと焼結鉱との層境界を連続的かつ安定的に、従来よりも精度よく検出し、各層の厚みと降下速度を測定することにある。   In view of the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to provide a continuous and stable layer boundary between coke and sintered ore from outside the blast furnace without inserting a sensor into the blast furnace. It is to detect more accurately and measure the thickness and the descending speed of each layer.

こうした問題に対し、本発明は、高炉外に設置したマイクロ波送信器でマイクロ波を高炉側面で高炉内方向に照射し、結像系を通して、その反射波或いは散乱波の分布を検出し、画像化した後に、画像処理によって層境界を認識する手段をとっている。   In order to solve these problems, the present invention irradiates microwaves in the direction of the blast furnace on the side of the blast furnace with a microwave transmitter installed outside the blast furnace, detects the distribution of reflected or scattered waves through the imaging system, and After the conversion, a means for recognizing the layer boundary by image processing is taken.

本発明の要旨とするところは以下の通りである。
(1)高炉の側面からマイクロ波を送受信して高炉内装入物の画像を取得して、該高炉内装入物の動きを測定する高炉内装入物の挙動検出装置であって、高炉の側面の第1の鉄皮開口部に対向して配設され、該鉄皮開口部にマイクロ波を送信して高炉内装入物からの反射波のみを受信して高炉耐火物越しに高炉内装入物の画像を取得する第1のマイクロ波画像取得手段と、前記第1の鉄皮開口部の下方に設けられた第2の鉄皮開口部に対向して、第1のマイクロ波画像取得手段から高さ方向に所定の間隔をおいて配設され、該第2の鉄皮開口部にマイクロ波を送信して高炉内装入物からの反射波のみを受信して高炉耐火物越しに高炉内装入物の画像を取得する第2のマイクロ波画像取得手段と、前記第1のマイクロ波画像取得手段から出力される画像と前記第2のマイクロ波画像取得手段から出力される画像を基に、当該各画像について画像処理を施して、当該画像内の輝度が所定の閾値以上の画素が一定個数以上連なっている部分がある領域をコークス層とすることでコークス層と焼結鉱層を識別し、高炉内装入物の降下速度を測定して出力する画像信号処理手段と、前記画像信号処理手段から出力される高炉内装入物の降下速度の測定値を表示する表示手段とを具備することを特徴とする高炉内装入物の挙動検出装置。
(2)前記第1のマイクロ波画像取得手段及び第2のマイクロ波画像取得手段はそれぞれ、前記第1又は第2の鉄皮開口部越しに高炉内装入物にマイクロ波を照射するマイクロ波送信器と、前記マイクロ波の反射波を受信し、高炉内装入物からの反射信号を抽出して高炉内装入物の二次元画像を出力するための二次元マイクロ波画像検出器と、前記マイクロ波の反射波を前記二次元マイクロ波画像検出器に結像させる結像系とを具備し、前記二次元マイクロ波画像検出器は、前記反射波を検知するマイクロ波検出器を一次元又は二次元に配列した検知器アレイと、該検知器アレイからの出力信号から前記高炉内装入物からの反射波を識別し、二次元画像を作成して出力する距離識別・画像生成処理部とからなることを特徴とする(1)に記載の高炉内装入物の挙動検出装置。
(3)前記マイクロ波送信器は、所定の周波数変調したマイクロ波(FMCW)を送信し、前記距離識別・画像生成処理部は、FMCW方式の測距方法を用いて所定の処理で高炉装入物からの反射マイクロ波を弁別することを特徴とする(2)に記載の高炉内装入物の挙動検出装置。
(4)前記画像信号処理手段は、前記第1のマイクロ波画像取得手段で検出した高炉内装入物の画像、及び前記第2のマイクロ波画像取得手段で検出した高炉内装入物の画像について各画像内の明るさムラを補正するシェーディング補正処理部と、シェーディング補正された画像に対して、前記所定の閾値で0と1とに2値化する2値化処理部と、2値化処理部から出力された画像について、1が埋め込まれた部分が連なっている領域に同一のラベルを付けて一塊として認識させるラベリング処理部と、ラベリング処理部から出力された画像に基づいて、ラベリングされた画像内に一定個数以上の画素の塊が存在する領域をコークス層とすることでコークス層と焼結鉱層とを判別する領域検出部と、領域検出部の出力に基づいてコークス層と焼結鉱層との境界を検出して、その移動速度を同一の境界が第1及び第2のマイクロ波画像取得手段位置を通過する時間差から導出する挙動演算部とからなる(1)〜(3)のうちの一つに記載の高炉内装入物の挙動検出装置。
The gist of the present invention is as follows.
(1) A behavior detection device for a blast furnace interior that acquires microwaves from the side of the blast furnace to acquire an image of the blast furnace interior, and measures the movement of the blast furnace interior, first disposed opposite to the steel shell opening, blast furnace interior container received in the blast furnace refractories over only the reflected wave from the blast furnace interior container and sends microwaves into the iron skin opening The first microwave image acquisition means for acquiring the image of the first and the first microwave image acquisition means opposite to the second core opening provided below the first core opening. is disposed at a predetermined interval in the height direction, the blast furnace interior and sends microwaves into furnace shell opening of the second receives only the reflected wave from the blast furnace interior container in the blast furnace refractories over A second microwave image acquiring means for acquiring an image of the entry, and an output from the first microwave image acquiring means. Image processing is performed on each image based on the image to be output and the image output from the second microwave image acquisition unit, and a certain number or more of pixels having a luminance equal to or higher than a predetermined threshold are connected in the image. An image signal processing means for discriminating the coke layer and the sintered ore layer by making the area where the portion is a coke layer, measuring and outputting the descending speed of the blast furnace interior, and the blast furnace output from the image signal processing means A blast furnace interior entry behavior detection apparatus, comprising: display means for displaying a measured value of a descending speed of the interior entry.
(2) Each of the first microwave image acquisition means and the second microwave image acquisition means radiates microwaves into the blast furnace interior through the first or second iron skin opening. A two-dimensional microwave image detector for receiving a reflected wave of the microwave, extracting a reflected signal from the blast furnace interior, and outputting a two-dimensional image of the blast furnace interior, and the microwave An imaging system that forms an image of the reflected wave of the reflected wave on the two-dimensional microwave image detector, the two-dimensional microwave image detector comprising a one-dimensional or two-dimensional microwave detector for detecting the reflected wave. And a distance identification / image generation processing unit that identifies a reflected wave from the blast furnace interior from the output signal from the detector array, and generates and outputs a two-dimensional image. As described in (1) Behavior detection device of the blast furnace interior container.
(3) The microwave transmitter transmits a predetermined frequency-modulated microwave (FMCW), and the distance identification / image generation processing unit uses a FMCW ranging method to perform blast furnace loading with a predetermined process. The apparatus for detecting the behavior of a blast furnace interior entry according to (2), wherein the reflected microwave from the object is discriminated.
(4) The image signal processing means includes a blast furnace interior input image detected by the first microwave image acquisition means and a blast furnace interior input image detected by the second microwave image acquisition means. A shading correction processing unit that corrects uneven brightness in the image, a binarization processing unit that binarizes the shading-corrected image into 0 and 1 with the predetermined threshold, and a binarization processing unit A labeling processing unit for recognizing a region in which a portion in which 1 is embedded is continuous by attaching the same label and recognizing it as a lump, and a labeled image based on an image output from the labeling processing unit An area detection unit that distinguishes a coke layer and a sintered ore layer by making a coke layer an area where a certain number of pixel clusters exist in the coke layer, and a coke layer based on the output of the area detection unit (1)-(3) It consists of a behavior calculation part which detects the boundary with a condensate layer, and derives the moving speed from the time difference which the same boundary passes the 1st and 2nd microwave image acquisition means position. The behavior detection apparatus for a blast furnace interior entry according to one of the above.

本発明の高炉炉内挿入物挙動の測定装置を単独で、または、これを同一高さの円周方向に複数設置することによって、高炉外から、コークスと焼結鉱との層境界を連続的かつ安定的に、精度よく検出し、各層の厚みと降下速度を測定することが可能となる。   By installing the apparatus for measuring the behavior of inserts in the blast furnace of the present invention alone or by installing a plurality of them in the circumferential direction of the same height, the layer boundary between coke and sintered ore is continuously formed from outside the blast furnace. In addition, it is possible to detect stably and accurately and measure the thickness and descending speed of each layer.

そして、操業時における炉内各部の挿入物の降下速度並びに焼結鉱及びコークスの層厚の変化、差異もしくは不均一性、さらに同一層の傾斜角等の挙動が把握でき、この装入物の挙動に応じて、例えば送風羽口ごとの吹込風量や微粉炭量の制御、炉頂からの装入物装入分布の制御を行うことによって炉況に応じた的確な処置が行え、安定した操業を維持することができる。   It is possible to grasp the descending speed of the inserts in each part of the furnace during operation, changes in the layer thickness of the sintered ore and coke, differences or non-uniformity, and the behavior of the inclination angle of the same layer. Depending on the behavior, for example, by controlling the amount of blown air and pulverized coal for each blower tuyere, and controlling the charge distribution from the top of the furnace, it is possible to perform accurate treatments according to the furnace conditions, and stable operation Can be maintained.

本発明は、高炉外に設置したマイクロ波送信器でマイクロ波を高炉側面に向けて高炉内方向に照射し、コークスと焼結鉱との層境界を連続的かつ安定的に、精度よく検出する技術である。   The present invention irradiates microwaves toward the side of the blast furnace in the direction of the blast furnace with a microwave transmitter installed outside the blast furnace, and continuously and stably detects the layer boundary between coke and sintered ore. Technology.

まず、マイクロ波を送受信して、物体を認識する技術の説明をする。通常、アンテナから放射されるマイクロ波は、波長やアンテナ形状などにより、特定の放射角を持って放射される。放射角が既知のアンテナを用い、幾何学的に高炉の測定対象面を照射するように配置すると、放射マイクロ波は測定対象に照射される。測定対象のマイクロ波に対する、反射、散乱、及び吸収の特性に応じて、放射されたマイクロ波の一部が照射した方向と異なる方向に進路が変わる。このとき、高炉側面方向で高炉外方向に進むマイクロ波(反射マイクロ波)を、結像系を用いて集波し、特定の結像面上に像を結ばせることができる。この結像面にマイクロ波検出器を平面状に配置、或いは、複数のアンテナを並べることで、測定対象を照射エリア毎に分割した信号強度のパターンが得られ、これを画像化することができる。   First, a technique for recognizing an object by transmitting and receiving microwaves will be described. Normally, microwaves radiated from an antenna are radiated with a specific radiation angle depending on the wavelength, antenna shape, and the like. When an antenna with a known radiation angle is used and geometrically arranged to irradiate the measurement target surface of the blast furnace, the radiation microwave is irradiated to the measurement target. Depending on the reflection, scattering, and absorption characteristics of the microwave to be measured, the path changes in a direction different from the direction in which a part of the emitted microwave is irradiated. At this time, microwaves (reflected microwaves) traveling in the blast furnace side direction toward the blast furnace side direction can be collected using an imaging system to form an image on a specific imaging plane. By arranging microwave detectors on this imaging plane in a planar shape or arranging a plurality of antennas, a signal intensity pattern is obtained by dividing the measurement target for each irradiation area, and this can be imaged. .

高炉への装入物質であるコークス及び焼結鉱は、それぞれ直径が50mm程度及び10mm程度の塊であり、表面形状及び物性が異なる。コークスの表面は、比較的なだらかな曲面で構成されており、物性的には、高い電気伝導度を有し、マイクロ波に対して鏡面反射体として作用する。マイクロ波を照射し、反射波を結像して検出する場合、マイクロ波の照射方向に対するコークス表面の傾斜に応じて反射方向が変化する、或いは、表面の凹凸に応じて、反射波の立体角が変化する。これらのうち、画像検出器に導かれる立体角内に反射したマイクロ波成分のみが検出される。例えば、表面が緩やかな凸形であれば、反射マイクロ波の立体角は大きく、つまり、拡散するように反射されるため、レンズ或いは反射ミラーに戻るマイクロ波強度は低下する。このように、結像系を通って、画像検出器で検出されるマイクロ波の強度は被測定対象表面の形状に応じて変化することになる。本発明の高炉内装入物の挙動検出装置では、このような反射マイクロ波の強度を、マイクロ波検出器やホーンアンテナを一次元的に並べて走査する、或いは、二次元的にアレイ化することで、画像として検出することを特徴としている。   Coke and sintered ore, which are charged into the blast furnace, are lumps having diameters of about 50 mm and about 10 mm, respectively, and have different surface shapes and physical properties. The surface of the coke has a relatively gentle curved surface, and has a high electrical conductivity in terms of physical properties, and acts as a specular reflector for microwaves. When the reflected wave is detected by irradiating the microwave, the reflection direction changes according to the inclination of the coke surface with respect to the microwave irradiation direction, or the solid angle of the reflected wave according to the surface irregularities. Changes. Of these, only the microwave component reflected in the solid angle guided to the image detector is detected. For example, if the surface has a gentle convex shape, the solid angle of the reflected microwave is large, that is, since it is reflected so as to diffuse, the intensity of the microwave returning to the lens or the reflecting mirror decreases. In this way, the intensity of the microwave detected by the image detector through the imaging system changes according to the shape of the surface to be measured. In the behavior detection apparatus for blast furnace interior according to the present invention, the intensity of such reflected microwaves can be scanned by arranging a microwave detector and a horn antenna in a one-dimensional manner or in a two-dimensional array. , And detecting as an image.

このようにして得られた画像から、測定対象を特定することができる。上述のように、コークス表面はなだらかに変化しているため、得られる画像では、検出強度が強い領域が比較的大きな面積を持って検出される。一方、焼結鉱は表面に数mmオーダーの凹凸があるためマイクロ波が散乱される上、組成物質のひとつであるマグネタイトがマイクロ波の吸収体として作用するので、検出される信号が全体的に低くなり、信号強度が強い大面積の領域は発生しない。こうした物質の形状やマイクロ波に対する散乱、吸収特性の違いから、マイクロ波の反射強度分布を測定することにより、測定領域内の物質を特定し、それらの層の境界を明瞭に検出できる。コークス層と焼結鉱層の境界の検出では、画像を2値化しラベリング処理することによって、2値化画像において一定以上の反射強度がある領域の位置及び面積を求める。この中で、一定以上の面積を有する塊がある領域をコークス層とし、コークスの有無を判断することで、境界を検出できる。   The measurement object can be specified from the image thus obtained. As described above, since the coke surface changes gently, a region having a high detection intensity is detected with a relatively large area in the obtained image. On the other hand, since the sintered ore has unevenness of the order of several millimeters on the surface, microwaves are scattered and magnetite, which is one of the composition materials, acts as a microwave absorber. A large area with low signal strength is not generated. By measuring the reflection intensity distribution of the microwave from the difference in the shape of the substance and the scattering and absorption characteristics with respect to the microwave, it is possible to identify the substance in the measurement region and clearly detect the boundary between the layers. In detecting the boundary between the coke layer and the sintered ore layer, the image is binarized and subjected to a labeling process to obtain the position and area of a region having a certain or higher reflection intensity in the binarized image. Among these, a region having a block having a certain area or more is set as a coke layer, and a boundary can be detected by determining the presence or absence of coke.

また、このような層境界の検出結果は、測定周期毎に得られるので、マイクロ波送受信器を、高炉の上下方向の2箇所に設置することで降下速度と層厚が同時に測定できる。例えば、図1(a)に示すようにそれぞれの検出装置の中心位置の距離をL、画像中心を層が横切るときの時間差をΔtとすると、降下速度v=L/Δtで求められ、コークス又は焼結鉱の各層が検出装置の位置に存在する時間をそれぞれtc、toとすると、v×tc、v×toでコークス又は焼結鉱の各層厚が求められる。 Moreover, since the detection result of such a layer boundary is obtained for every measurement period, a descent speed and a layer thickness can be measured simultaneously by installing microwave transceivers at two locations in the vertical direction of the blast furnace. For example, as shown in FIG. 1A, if the distance between the center positions of the respective detection devices is L, and the time difference when the layer crosses the center of the image is Δt, the speed of descent can be calculated by the velocity d = L / Δt, the time each layer of sintered ore is present in the position of the detecting device respectively t c, When t o, v × t c, v × t o each thickness of the coke or sinter in is required.

炉外から観測できることについて記述する。高炉の炉頂及び炉腹部の炉壁は、数百mmの厚さの耐火物の外側を数十mm厚の鉄皮が覆った構造になっている。これらのうち、耐火物の材料であるアルミナ系焼結体は、室温〜1200℃の広い温度領域に渡って、100GHz程度以下のマイクロ波を透過する。装入物自体が輻射するマイクロ波は微弱であるため、壁外からこれを検出することは難しいが、本発明装置のように、炉壁外側からマイクロ波を照射すれば、その反射波を、耐火物を通して検出することが可能になる。マイクロ波を透過しない鉄皮には穴を開ける必要があるが、耐火物に何ら加工を施すことなく、測定が可能である。したがって、特許文献1に開示されたような従来技術と異なり、本測定装置は装入物の降下を妨げることはない。   Describe what can be observed from outside the reactor. The furnace top of the blast furnace and the furnace wall of the furnace belly have a structure in which an iron skin having a thickness of several tens of mm covers the outside of a refractory having a thickness of several hundred mm. Of these, the alumina-based sintered body, which is a refractory material, transmits microwaves of about 100 GHz or less over a wide temperature range from room temperature to 1200 ° C. Since the microwave radiated by the charge itself is weak, it is difficult to detect this from the outside of the wall, but if the microwave is irradiated from the outside of the furnace wall as in the apparatus of the present invention, the reflected wave is It can be detected through a refractory. Although it is necessary to make a hole in the iron skin that does not transmit microwaves, measurement can be performed without any processing of the refractory. Therefore, unlike the prior art disclosed in Patent Document 1, the present measuring device does not hinder the lowering of the charge.

本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。本実施の形態の高炉内装入物の挙動測定装置の概略構成、及び高炉の一部の断面図を図1(a)に示し、さらに図1(a)中の第1又は第2のマイクロ波画像取得手段1、4の詳細な構成及び高炉の局所断面の拡大図を図1(b)に示す。本実施の形態においてマイクロ波画像取得手段1、4は、装入物23にマイクロ波を照射するマイクロ波発生器11及びホーンアンテナ12で構成するマイクロ波送信器10と、検出器アレイ14と、装入物表面で反射されたマイクロ波を当該検出器アレイ14を配置した面上に像を結ばせる結像系13と、当該マイクロ波の反射波の検出信号に基づいて高炉内装入物による反射波を識別して画像化する距離識別・画像生成処理部15で構成されている。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 (a) shows a schematic configuration of a behavior measuring apparatus for behavior inside a blast furnace according to the present embodiment and a partial cross-sectional view of the blast furnace, and the first or second microwave in FIG. 1 (a). A detailed configuration of the image acquisition means 1 and 4 and an enlarged view of a local cross section of the blast furnace are shown in FIG. In the present embodiment, the microwave image acquisition means 1, 4 includes a microwave transmitter 10 configured by a microwave generator 11 and a horn antenna 12 for irradiating the charge 23 with microwaves, a detector array 14, An imaging system 13 for forming an image of the microwave reflected on the surface of the charge on the surface on which the detector array 14 is arranged, and reflection by the blast furnace interior based on a detection signal of the reflected wave of the microwave. The distance identification / image generation processing unit 15 is configured to identify and image waves.

サイズが10mm程度の測定対象物(コークス及び焼結鉱)を識別するので、少なくとも5mm以下の画像分解能が必要であるため、照射するマイクロ波の波長は5ミリメートル以下(周波数60GHz以上)であることが望ましい。また、測定対象のうち、コークスのサイズが100mm近くになることもあるため、全測定領域は200mmφ程度以上であることが望ましい。マイクロ波を放射するアンテナは、広がり角が30度以上あれば、耐火物表面から数十mm離して設置することで、上記の測定領域を照射することができる。このときの開口サイズは10mm程度である。   Since measurement objects (coke and sintered ore) having a size of about 10 mm are identified, an image resolution of at least 5 mm or less is required. Therefore, the wavelength of the irradiated microwave is 5 millimeters or less (frequency of 60 GHz or more). Is desirable. Moreover, since the coke size may be close to 100 mm among the measurement objects, it is desirable that the entire measurement region is about 200 mmφ or more. An antenna that radiates microwaves can irradiate the above-described measurement region by being installed several tens of millimeters away from the surface of the refractory when the spread angle is 30 degrees or more. The opening size at this time is about 10 mm.

一方、検出系は、例えば、結像系13である1枚の固定焦点を持つレンズと、マイクロ波の反射波の検出器として、図2に示すようなホーンアンテナ112とマイクロ波検出器140とを並べた検出器アレイ14とで構成される。当該レンズは、ポリエチレンなどの有機材料で作られた誘電体レンズであり、マイクロ波領域で一般的に用いられるものでよい。レンズの直径は測定領域をカバーするため、200mmφ以上であることが望ましい。対象面の測定領域中心からの法線を波軸と呼ぶことにすると、レンズ及び検出面は、軸を中心として直交して配置される(図1(b))。測定対象面31と結像系(レンズ)13との間の距離、及び結像系13とホーンアンテナ112の距離をそれぞれa及びbとし、結像系の焦点距離をfとすると、各距離(a、b、f)は結像条件式1/f=1/a+1/bに基づいて設定される。当該距離になるように、結像系(レンズ)13とホーンアンテナ112を配置する。例えば、f=100mmのレンズを用いた場合、それぞれ200mm離せばよい。但し、耐火物の厚みや屈折率を考慮する必要があり、それぞれ100mm、n=1.8とすると、bの距離は約50mmが延びる。実際には、レンズ及び画像検出器の位置を軸方向に可動調整する機構17を設け、画像を確認しながら調整することが望ましい。また、レンズの代わりに放物面ミラーを用い、結像系におけるパワーロスを少なくすることもできる。   On the other hand, the detection system includes, for example, a single fixed-focus lens that is the imaging system 13, and a horn antenna 112 and a microwave detector 140 as shown in FIG. And a detector array 14 arranged in a row. The lens is a dielectric lens made of an organic material such as polyethylene, and may be generally used in the microwave region. The diameter of the lens is preferably 200 mmφ or more in order to cover the measurement region. If the normal line from the center of the measurement area of the target surface is referred to as a wave axis, the lens and the detection surface are arranged orthogonally about the axis (FIG. 1B). If the distance between the measurement target surface 31 and the imaging system (lens) 13 and the distance between the imaging system 13 and the horn antenna 112 are a and b, respectively, and the focal length of the imaging system is f, each distance ( a, b, f) are set based on the imaging conditional expression 1 / f = 1 / a + 1 / b. The imaging system (lens) 13 and the horn antenna 112 are arranged so as to be the distance. For example, in the case where a lens with f = 100 mm is used, it may be 200 mm apart. However, it is necessary to consider the thickness and refractive index of the refractory, and assuming that 100 mm and n = 1.8, respectively, the distance b increases by about 50 mm. Actually, it is desirable to provide a mechanism 17 for moving and adjusting the position of the lens and the image detector in the axial direction and adjust the position while confirming the image. Further, a parabolic mirror can be used in place of the lens to reduce power loss in the imaging system.

マイクロ波の反射波の検出は、図1の検出器アレイ14によって行う。検出器アレイ14を構成する個々のマイクロ波検出器140は、測定対象で反射又は散乱されたマイクロ波の強度を電圧信号に変換して出力する。出力された個々のマイクロ波検出器140それぞれの電圧信号は、距離識別・画像生成処理部15に入力されて、後述する所定の処理によって高炉内装入物からの反射波による信号を弁別して、マイクロ波検出器140の位置に基づいて画像データ化される。   The detection of the reflected wave of the microwave is performed by the detector array 14 in FIG. The individual microwave detectors 140 constituting the detector array 14 convert the intensity of the microwave reflected or scattered by the measurement target into a voltage signal and output the voltage signal. The output voltage signals of the individual microwave detectors 140 are input to the distance identification / image generation processing unit 15 to discriminate the signals due to the reflected waves from the blast furnace interior by a predetermined process to be described later. Based on the position of the wave detector 140, it is converted into image data.

マイクロ波を検出する検出器アレイは、図2に示すような、マイクロ波検出器140を1次元又は2次元にアレイ化したものを用いることができる。原理的には、ホーンアンテナ112とマイクロ波検出器140を図2(a)のように、並列化すればよいが、望ましくは、図2(b)のように、フォトリソグラフィーによって、半導体基板上にマイクロアンテナ141やマイクロ波検出素子142などを作り込むとよい。いずれの方法でも、検出器アレイ14は、上記波軸と垂直な焦点面内に配置され、測定位置と対応付けて検出信号を処理するようにする。   As the detector array for detecting the microwaves, a detector in which the microwave detectors 140 are arrayed in one dimension or two dimensions as shown in FIG. 2 can be used. In principle, the horn antenna 112 and the microwave detector 140 may be arranged in parallel as shown in FIG. 2A. Preferably, the horn antenna 112 and the microwave detector 140 are formed on the semiconductor substrate by photolithography as shown in FIG. A micro antenna 141, a microwave detection element 142, or the like may be formed in the antenna. In any method, the detector array 14 is arranged in a focal plane perpendicular to the wave axis, and processes the detection signal in association with the measurement position.

1次元のアレイ化を用いた構成では、1軸のリニアガイドなどで走査機構16を構成して上記結像面内で、高炉側面との距離を一定のまま、検出器アレイの配列方向と直交する方向に当該アレイを移動させて走査する。例えば、アンテナ間距離が5mm、41個のアンテナが配列された1次元アンテナアレイを用いた場合、軸を中心に±100mmのストロークを5mmピッチで走査させることになる。一列100ミリ秒の周期で、アレイと垂直方向に5mmピッチで走査して測定すれば、約4秒で41×41画素の画像が得られる。装入物の降下速度が大体10cm/分であることからみても、ほぼ静的といえる画像が得られる。例えば、検出器アレイの配列方向を水平にして走査方向を鉛直しても、逆に検出器アレイの配列方向を鉛直にして走査方向を水平しても良い。一方、2次元アレイを用いた場合は電子的走査が可能であり、機械的な走査機構16は不要になり、通常のCCDカメラと同様に、1次元的に送出した信号を距離識別・画像生成処理部15で受け、リアルタイム(60ミリ秒間隔)で画像を得ることが可能である。   In the configuration using the one-dimensional array, the scanning mechanism 16 is configured by a one-axis linear guide or the like, and the distance from the blast furnace side surface is kept constant within the imaging plane while being orthogonal to the array direction of the detector array. The array is moved in the direction of scanning. For example, when a one-dimensional antenna array in which a distance between antennas is 5 mm and 41 antennas are arranged is used, a stroke of ± 100 mm is scanned at a pitch of 5 mm around the axis. If scanning is performed at a pitch of 5 mm in a direction perpendicular to the array at a period of 100 milliseconds in a row, an image of 41 × 41 pixels can be obtained in about 4 seconds. Even if the descending speed of the charge is about 10 cm / min, an almost static image can be obtained. For example, the arrangement direction of the detector array may be horizontal and the scanning direction may be vertical, or conversely, the arrangement direction of the detector array may be vertical and the scanning direction may be horizontal. On the other hand, when a two-dimensional array is used, electronic scanning is possible, and the mechanical scanning mechanism 16 is not necessary. Like a normal CCD camera, a one-dimensionally transmitted signal is used for distance identification and image generation. An image can be obtained in real time (at intervals of 60 milliseconds) received by the processing unit 15.

次に、前記の距離識別・画像生成処理部15において、耐火物表裏面からの反射マイクロ波成分を分離して除去し、コークス層又は焼結鉱層からの信号のみを検出する方法を以下で詳細に説明する。上記で記載したマイクロ波発生器11に容量可変ダイオードなどを組み込み、周波数を変調できるようにする。発生したマイクロ波のパワーの一部を検出器アレイ14の各検出器に直接送信することにより、マイクロ波距離計で一般的に用いられるFMCW方式(FMCW(周波数変調連続波):Frequency Modulated Continuous Wave)の測距機能を追加する(例えば、非特許文献1を参照のこと)。FMCW方式では、マイクロ波の周波数を時間に対して直線状に増加する。時間間隔δt時間における周波数変化代をδfとすると、δf/δt=G(一定)という関係となる。最低周波数fminから周波数を上記関係によって増加させ、周波数が最高周波数fmaxに達したら元のfminに戻り、このような鋸歯状刃パターンで周波数変調を行うものである。FMCW方式を用いた距離測定において、周波数f1のマイクロ波を送信後、Δt秒後に反射波として受信したとする。そのとき、送信周波数はf2(=f1+G・Δt)に変化している。このときの送信周波数f2と反射波受信周波数f1の差Δfから、Δf=(f2−f1)=GΔtの関係に基づいて反射波が送信から受信までに要した時間(Δt)を算出することができる。送信波と受信波をミキシングし、差の周波数を持ったビート波信号を取り出し、この信号をFFT(高速フーリエ変換)による周波数分析を行い、差の周波数Δfを求め、時間差Δtを算出する。   Next, a method for separating and removing the reflected microwave components from the front and back surfaces of the refractory and detecting only the signal from the coke layer or sintered ore layer in the distance identification / image generation processing unit 15 will be described in detail below. Explained. A variable capacity diode or the like is incorporated in the microwave generator 11 described above so that the frequency can be modulated. By directly transmitting a part of the generated microwave power to each detector of the detector array 14, an FMCW system (FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave): Frequency Modulated Continuous Wave) commonly used in microwave rangefinders. ) Ranging function is added (for example, see Non-Patent Document 1). In the FMCW system, the frequency of the microwave is increased linearly with respect to time. If the frequency change margin at the time interval δt is δf, the relationship is δf / δt = G (constant). The frequency is increased from the minimum frequency fmin according to the above relationship, and when the frequency reaches the maximum frequency fmax, the original frequency fmin is restored, and frequency modulation is performed with such a sawtooth pattern. In distance measurement using the FMCW method, it is assumed that a microwave having a frequency f1 is transmitted and then received as a reflected wave after Δt seconds. At that time, the transmission frequency changes to f2 (= f1 + G · Δt). From the difference Δf between the transmission frequency f2 and the reflected wave reception frequency f1 at this time, the time (Δt) required for the reflected wave from transmission to reception can be calculated based on the relationship Δf = (f2−f1) = GΔt. it can. A transmission wave and a reception wave are mixed, a beat wave signal having a difference frequency is taken out, a frequency analysis is performed on the signal by FFT (Fast Fourier Transform), a difference frequency Δf is obtained, and a time difference Δt is calculated.

本実施の形態においては、走査或いはアレイ化させるマイクロ波送受信器に、上記の周波数変調器とミキシング機能を設けることで、対象までの距離の空間分布を測定できるようになる。このとき、個々のマイクロ波検出器140(マイクロ波検出素子142でもよい)では、図5のように、被測定物60上の場所ごとの反射或いは散乱波が信号として検出されるが、当該検出信号には上記測距機能により、マイクロ波の反射強度と反射物体の距離の情報も含まれている。このようにして検出した信号に対し、常時発生する耐火物表面からの反射ピーク61及び裏面からの反射ピーク62より遠方の信号のみを検出するように、ゲートをかけて積算することで、炉壁の影響を抑制することができる。更に、装入物表面の曲率など三次元的な形状を測定できるため、測定物がコークスであるか、焼結鉱であるかを識別する精度がより向上する。   In this embodiment, by providing the microwave transmitter / receiver to be scanned or arrayed with the frequency modulator and the mixing function, the spatial distribution of the distance to the object can be measured. At this time, the individual microwave detectors 140 (which may be the microwave detection elements 142) detect reflected or scattered waves for each location on the measured object 60 as signals as shown in FIG. The signal includes information on the reflection intensity of the microwave and the distance of the reflecting object by the distance measuring function. By integrating the signals detected in this way by applying a gate so as to detect only the signals far from the reflection peak 61 from the refractory surface and the reflection peak 62 from the back surface, which are always generated, the furnace wall The influence of can be suppressed. Furthermore, since a three-dimensional shape such as the curvature of the charge surface can be measured, the accuracy of identifying whether the measured object is coke or sintered ore is further improved.

尚、本例では、鉄皮と炉内が耐火物で隔てられた構造を想定しているが、耐火物がない構造であるときは、鉄皮の開口部に耐火物を埋め込むことにより、炉内装入物へ擾乱を与えずに測定することが容易にできる。   In this example, it is assumed that the iron shell and the furnace are separated by a refractory. However, when there is no refractory, the furnace is embedded by embedding the refractory in the opening of the iron shell. It is easy to measure without disturbing the interior entry.

図1(b)に示した構成は、検出のために設けた高炉の鉄皮開口の周囲から、幾何光学的に検出エリアを照射する構成で、少なくとも1方向にマイクロ波送信器を配置する。このとき、検出のための結像系を遮ることなくマイクロ波送信器を配置せねばならないため、斜め方向からの照射となる。こうすれば、耐火物表裏面で反射したマイクロ波のうち直接的に検出系に導かれる割合を少なくできるため、検出される信号は、装入物からの反射、散乱成分の比率が大きくなり、感度の高い測定が可能となる。また、望ましくは2方向以上から照射することにより、装入物の形状やサイズをより正確に捉えることが可能となる。   The configuration shown in FIG. 1B is a configuration in which the detection area is geometrically irradiated from the periphery of the blast furnace opening provided for detection, and the microwave transmitters are arranged in at least one direction. At this time, since the microwave transmitter must be arranged without blocking the imaging system for detection, irradiation is performed from an oblique direction. In this way, since the ratio of the microwaves reflected on the front and back surfaces of the refractory can be directly guided to the detection system, the ratio of the reflected and scattered components from the charge increases. Highly sensitive measurement is possible. Moreover, it becomes possible to capture the shape and size of the charged material more accurately by irradiating from two or more directions.

図4に示した構成では、ホーンアンテナ12を送受信のために共用化し、耐火物表面に対して、垂直方向に照射する。この方式では、耐火物の表裏面からの反射波が背景成分となるが、予め装入物がない耐火物のみのデータを保存しておき、検出信号との差分をとることで、装入物から反射されたマイクロ波信号のみを抽出することが可能である。この場合、高炉の鉄皮の開口が1つですむというメリットがある。   In the configuration shown in FIG. 4, the horn antenna 12 is shared for transmission and reception, and the surface of the refractory is irradiated in the vertical direction. In this method, the reflected wave from the front and back of the refractory is the background component, but only the refractory data with no charge is stored in advance and the difference from the detection signal is taken. It is possible to extract only the microwave signal reflected from. In this case, there is an advantage that only one opening of the iron core of the blast furnace is required.

以上のようにして距離識別・画像生成処理部15で出力された、高炉内装入物によるマイクロ波の反射波の検出による画像の例を図3−1(a)に示す。   FIG. 3A shows an example of an image output by the distance identification / image generation processing unit 15 as described above and detected by the reflected wave of the microwave by the blast furnace interior.

図3−1(a)において、画像の上半分は焼結鉱層領域を示し、焼結鉱からの反射マイクロ波画像51は粒が小さく、かつ検出信号の強度が低いことがわかる。一方、画像の下半分はコークス層領域を示し、コークスからの反射マイクロ波画像50では検出強度が強い領域が大きな面積をもって検出されている。   In FIG. 3A, the upper half of the image shows the sintered ore layer region, and it can be seen that the reflected microwave image 51 from the sintered ore has small grains and low detection signal intensity. On the other hand, the lower half of the image shows a coke layer region, and in the reflected microwave image 50 from the coke, a region with high detection intensity is detected with a large area.

図1(a)に示すように、高炉の側面で、鉄皮を除去した高炉壁に対向して、第1のマイクロ波画像取得手段、及びその下に第2のマイクロ波画像取得手段を配設する。各マイクロ波画像取得手段内の距離識別・画像生成処理部15から出力された画像データは、例えばコンピュータ及び所定の情報処理をさせるためのソウトウエアで構成する画像信号処理手段2に入力する。画像信号処理手段の入力部は、例えば、A/D変換ボードで構成しても良い。   As shown in FIG. 1 (a), on the side of the blast furnace, a first microwave image acquisition means and a second microwave image acquisition means are arranged below the blast furnace wall from which the iron skin has been removed. Set up. The image data output from the distance identification / image generation processing unit 15 in each microwave image acquisition unit is input to the image signal processing unit 2 configured by, for example, a computer and software for performing predetermined information processing. The input unit of the image signal processing means may be constituted by an A / D conversion board, for example.

画像信号処理手段2では、例えば、一般的な画像処理手法である2値化処理、ラベリング処理などを用いて複数の測定対象である焼結鉱層及びコークスの層の断面の面積が算出できる。具体的には、図3−2及び図8を用いて画像信号処理手段2の構成、及び処理フローを説明する。   The image signal processing means 2 can calculate the cross-sectional areas of the sintered ore layers and coke layers, which are a plurality of measurement objects, using, for example, a binarization process and a labeling process that are general image processing techniques. Specifically, the configuration and processing flow of the image signal processing means 2 will be described with reference to FIGS. 3-2 and 8.

<シェーディング補正処理部>
まず、検出された画像についてシェーディング補正処理を施す(S201、201)。検出された画像では、画像の中心と周辺部に、結像系に起因した強度差が定常的に発生すること(シェーディング)があり、これを補正する手段を設けておくことが望ましい。具体的には、事前に均一な耐火物を測定したデータを基準画像として保存しておき、実際に測定対象から得られた画像から、基準画像の分布を差し引くことにより、画像内のシェーディングを均一にすることができる。
<Shading correction processing unit>
First, shading correction processing is performed on the detected image (S201, 201). In the detected image, an intensity difference caused by the imaging system may occur constantly (shading) between the center and the periphery of the image, and it is desirable to provide means for correcting this. Specifically, data obtained by measuring uniform refractories in advance is stored as a reference image, and the shading in the image is made uniform by subtracting the distribution of the reference image from the image actually obtained from the measurement target. Can be.

<2値化処理部>
次に、シェーディング補正された画像を2値化処理する(S202、202)。2値化とは、図3−1(b)に結果例を示すように、得られた画像の各部分について、予め設定した値以上又は以下、或いは両者の論理和をとった部分に1を、それ以外の部分に0を埋め込む処理である。
<Binarization processing unit>
Next, the image subjected to the shading correction is binarized (S202, 202). In the binarization, as shown in FIG. 3-1 (b), as an example of the result, for each part of the obtained image, 1 or more or less than a preset value, or 1 that is the logical sum of the two. This is a process of embedding 0 in other portions.

図3−1(b)は、図3−1(a)(距離識別・画像生成処理部15で出力されたマイクロ波の反射波の検出による画像)を、シェーディング補正後に2値化処理した画像である。図3−1(a)における検出強度の最大値と最小値の中間値を閾値として、0と1とに2値化した。   FIG. 3-1 (b) is an image obtained by binarizing FIG. 3-1 (a) (image obtained by detecting the reflected wave of the microwave output from the distance identification / image generation processing unit 15) after shading correction. It is. Binarization was made into 0 and 1 with an intermediate value between the maximum value and the minimum value of the detected intensity in FIG.

<ラベリング処理部>
次に、このようにして得られた2値化画像をラベリングする(S203、203)。ラベリングとは、2値化処理で1が埋め込まれた部分が連なっている領域に同一のラベルを付け、一塊として認識させる処理である。
<Labeling processing section>
Next, the binarized image thus obtained is labeled (S203, 203). Labeling is a process of attaching the same label to an area where a portion where 1 is embedded in a binarization process is connected and recognizing it as a lump.

<領域検出部>
次に、ラベリングされた結果に基づいて、塊となっている領域の長さや幅、面積などの特徴を数値的に算出して、コークスや焼結鉱の領域検出する。コークス層と焼結鉱層との境界検出方法を説明する。説明のために画像は横方向が高炉の水平方向、縦方向が高炉の鉛直方向を示し、コークスと焼結鉱との境界は水平と仮定する。ラベリングされた画像内に一定面積(例えば40画素)以上の塊が存在するかどうかを判定し、存在する場合は当該画像に対応する領域はコークス層に属し、存在しない場合は焼結鉱層に属すとして出力する。出力値が焼結の場合は、一定面積以上の領域の最下座標が画像下端と同じ値になったタイミングで、出力値をコークス層に切り替える。また、出力値がコークスの場合は、一定面積以上の領域が存在しなくなったタイミングで焼結鉱層に切り替える。以上の処理を施すことにより、比較的大面積の塊が存在するコークス層の領域と、それらが存在しない焼結鉱層の領域とを判別することができ、それらの境界を検出できる(S204)。
<Area detection unit>
Next, based on the result of labeling, features such as the length, width, and area of the lump are numerically calculated to detect the area of coke and sintered ore. A method for detecting the boundary between the coke layer and the sintered ore layer will be described. For the sake of explanation, it is assumed that the horizontal direction indicates the horizontal direction of the blast furnace, the vertical direction indicates the vertical direction of the blast furnace, and the boundary between the coke and the sintered ore is horizontal. It is determined whether or not a lump with a certain area (for example, 40 pixels) or more exists in the labeled image. If it exists, the region corresponding to the image belongs to the coke layer, and if not, it belongs to the sintered ore layer. Output as. When the output value is sintering, the output value is switched to the coke layer at the timing when the lowest coordinate of the region of a certain area or more becomes the same value as the lower end of the image. In addition, when the output value is coke, the sinter is switched to the sintered ore layer at a timing when a region of a certain area or more no longer exists. By performing the above processing, it is possible to discriminate between a coke layer region where a relatively large-area lump exists and a sintered ore layer region where they do not exist, and a boundary between them can be detected (S204).

図3−1(b)を例にとると、画像の上半分の焼結鉱層領域では、2値化後にほとんど0のみの領域となり、画像の下半分のコークス層領域については、コークスからの反射マイクロ波画像50の部分が比較的大きな面積をもった1の塊として出現している。この画像から、コークス層と焼結鉱層との境界53を検出することができる。   Taking FIG. 3-1 (b) as an example, in the upper half of the sintered ore layer area, the area becomes almost zero after binarization, and the coke layer area in the lower half of the image is reflected from coke. A portion of the microwave image 50 appears as one lump having a relatively large area. From this image, the boundary 53 between the coke layer and the sintered ore layer can be detected.

<挙動演算部>
最後に、挙動演算部205で、画像内の境界の位置を算出し、高炉内装入物の挙動として、層の種類(コークス→焼結鉱、或いは焼結鉱→コークス)、各層の降下速度、及び画像を撮影した時刻と紐付けて出力する(S205)。
<Behavior calculation unit>
Finally, the behavior calculation unit 205 calculates the position of the boundary in the image, and as the behavior of the blast furnace interior, the type of the layer (coke → sintered ore or sintered ore → coke), the descent speed of each layer, In addition, the image is output in association with the time when the image was taken (S205).

画像信号処理手段2によって出力されたコークス層や焼結鉱層の上記挙動は、コンピュータディスプレー画面上に表示する。また、高炉操業記録用のデータベースに保存するようにしても良い。   The behavior of the coke layer and sintered ore layer output by the image signal processing means 2 is displayed on a computer display screen. Moreover, you may make it preserve | save in the database for blast furnace operation records.

図1に概略を示した本発明の高炉炉内装入物の挙動測定装置を下記のように構成して、高炉装入物の降下速度と、コークス及び焼結鉱の層厚を測定した。   The apparatus for measuring the behavior of the blast furnace interior charge according to the present invention schematically shown in FIG. 1 was configured as follows, and the descending speed of the blast furnace charge and the layer thicknesses of coke and sintered ore were measured.

マイクロ波発生器11から発生したマイクロ波はホーンアンテナ12を通って、空中に放射される。マイクロ波発生器は、ガンダイオード及びこれを駆動する電気回路とから構成されており、94GHzのマイクロ波を発生する。アンテナ先端からは、マイクロ波が約30度の広がり角を持って放射される。これらは炉の上下方向に角度を調整できるように、ゴニオステージ上に設置されている。   Microwaves generated from the microwave generator 11 pass through the horn antenna 12 and are radiated into the air. The microwave generator is composed of a Gunn diode and an electric circuit that drives the Gunn diode, and generates a 94 GHz microwave. Microwaves are radiated from the antenna tip with a divergence angle of about 30 degrees. These are installed on the gonio stage so that the angle can be adjusted in the vertical direction of the furnace.

鉄皮の開口は約220mmφであり、耐火物表面から150mmのところに、焦点距離100mm、直径200mmの誘電体レンズがはめ込まれている。レンズは、波軸方向に移動できるよう配置されたマイクロステージ上に設置されており、位置を調整することができる。また、レンズ表面から波軸に沿って約200mm離れたところに検出器アレイ14が設置されている。検出器アレイは、図2(b)のような1次元アレイ素子を用いており、ホーンアンテナとショットキーダイオードがシリコン基板上に作製されている。個々のアンテナサイズは約2.5mm、アンテナ間隔は、約3mmであり、幅方向に41個が配列されている。全体のサイズは、およそ120mm×40mm×0.5mm厚である。これらは波軸方向と垂直に、アンテナアレイが水平になるように配置され、光軸と垂直な平面上を上下方向に可動する1軸のリニアステージ上に設置されている。このステージは±150mmのストロークがある。尚、これらの検出器アレイとリニアステージは、波軸方向に位置を調整できる手動ステージ上に設置されており、画像を見ながら、最適な位置に調整できる。   The opening of the iron skin is about 220 mmφ, and a dielectric lens having a focal length of 100 mm and a diameter of 200 mm is fitted 150 mm from the surface of the refractory. The lens is installed on a microstage arranged so as to be movable in the wave axis direction, and the position can be adjusted. A detector array 14 is installed at a distance of about 200 mm along the wave axis from the lens surface. The detector array uses a one-dimensional array element as shown in FIG. 2B, and a horn antenna and a Schottky diode are produced on a silicon substrate. The individual antenna size is about 2.5 mm, the antenna interval is about 3 mm, and 41 antennas are arranged in the width direction. The overall size is approximately 120 mm × 40 mm × 0.5 mm thick. These are arranged so that the antenna array is horizontal in the direction perpendicular to the wave axis direction, and are installed on a uniaxial linear stage movable in the vertical direction on a plane perpendicular to the optical axis. This stage has a stroke of ± 150 mm. The detector array and the linear stage are installed on a manual stage whose position can be adjusted in the wave axis direction, and can be adjusted to an optimal position while viewing the image.

以上のマイクロ波送受信機及び結像系、リニアステージなどは、屋外で使用するため、防水仕様の300×400×400mmの密閉型容器内に設置されている。これらは、炉の上下方向に、500mm離して2組設置した。   The above microwave transmitter / receiver, imaging system, linear stage, and the like are installed in a sealed 300 × 400 × 400 mm sealed container for use outdoors. Two sets of these were installed 500 mm apart in the vertical direction of the furnace.

画像信号処理手段にはPC(パーソナルコンピュータ)を用いており、検出器アレイの位置をGPIB経由で制御し、現在位置を取り込むようにした。また、画像生成処理部には48chのA/D変換ボードを用いており、ステージ位置と対応付けた41chのデジタル信号がPCに入力される。PCでは、前述の一連の処理を連続的に行っており、処理結果は、無線LANによって表示手段であるPCに送信、表示される。   A PC (personal computer) is used as the image signal processing means, and the position of the detector array is controlled via GPIB to capture the current position. The image generation processing unit uses a 48ch A / D conversion board, and a 41ch digital signal associated with the stage position is input to the PC. In the PC, the above-described series of processing is continuously performed, and the processing result is transmitted and displayed on the PC as the display means by the wireless LAN.

本実施例では、約120mm平方の部位を3mmピッチで移動させ、4秒周期で前述の画像測定を行った。図6に、シェーディング補正後であって2値化処理前の画像を示す。(a)がコークス層、(b)が焼結鉱層の画像例である。白色のプロットが最も信号強度が強い部分、以下、色が黒色に近づくにつれて信号強度が弱くなることを示す。コークス層では、信号強度が強く、面積の大きな塊が観測される一方、焼結鉱層では、殆どが吸収され、信号強度が低く、大きな塊も観測されない。本例では、図6に示す画像についてS202(2値化処理)及びS203(ラベリング処理)を施し、比較的大面積の塊が観測される領域をコークス層とし、時系列で両層の境界を上記S204で説明した方法で自動検出した。図7は、各センサの上下方向の中心位置を各層の境界が通過した時間をプロットした測定例である。上下2つのセンサから求めた境界は、各位置を通過する時間に差が生じていることがわかる。図の例では、焼結鉱からコークスに移る層境界が500mm進むのに、260秒かかっていることから、降下速度が115mm/分であることがわかった。また、これをもとに、上記式から計算した各層の厚みは、図に示す部分では、コークス層564mm、焼結鉱層535mmと非常に高い精度で測定できた。   In the present example, the above-described image measurement was performed at a cycle of 4 seconds by moving an approximately 120 mm square portion at a pitch of 3 mm. FIG. 6 shows an image after shading correction and before binarization processing. (A) is a coke layer, (b) is an example of an image of a sintered ore layer. The white plot shows the portion with the strongest signal intensity, hereinafter, the signal intensity decreases as the color approaches black. In the coke layer, a lump with a large signal intensity and a large area is observed, whereas in the sintered ore layer, most of the lump is absorbed, the signal intensity is low, and a large lump is not observed. In this example, the image shown in FIG. 6 is subjected to S202 (binarization processing) and S203 (labeling processing), and a region where a relatively large block is observed is defined as a coke layer, and the boundary between both layers is determined in time series. Automatic detection was performed by the method described in S204 above. FIG. 7 is a measurement example in which the time when the boundary of each layer passes through the center position in the vertical direction of each sensor is plotted. It can be seen that the boundary obtained from the upper and lower sensors has a difference in time passing through each position. In the example shown in the figure, it took 260 seconds for the layer boundary moving from the sintered ore to coke to advance by 500 mm, so it was found that the descent rate was 115 mm / min. Also, based on this, the thickness of each layer calculated from the above formula could be measured with a very high accuracy of a coke layer of 564 mm and a sintered ore layer of 535 mm in the portion shown in the figure.

本実施の形態の概略構成、及び高炉断面の一部を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of this Embodiment, and a part of blast furnace cross section. 本実施の形態におけるマイクロ波を受信する検出器アレイの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the detector array which receives the microwave in this Embodiment. 本実施の形態における画像信号処理手段での画像処理の例を示す概念図であり、(a)は2値化処理前、(b)は2値化処理後を示す図である。It is a conceptual diagram which shows the example of the image process in the image signal processing means in this Embodiment, (a) is a figure before a binarization process, (b) is a figure after a binarization process. 画像処理手順を示す図である。It is a figure which shows an image processing procedure. 本実施の形態によって高炉装入物の層境界を測定する概念図である。It is a conceptual diagram which measures the layer boundary of a blast furnace charge by this Embodiment. 本実施の形態によって高炉装入物の層境界を測定する概念図である。It is a conceptual diagram which measures the layer boundary of a blast furnace charge by this Embodiment. 実施例において撮影された高炉装入物のマイクロ波画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the microwave image of the blast furnace charge image | photographed in the Example. 実施例において検出された高炉装入物の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the blast furnace charge detected in the Example. 本実施の形態における画像信号処理手段の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the image signal processing means in this Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1のマイクロ波画像取得手段
2 画像信号処理手段
3 表示手段
4 第2のマイクロ波画像取得手段
10 マイクロ波送信器
11 マイクロ波発生器
12 ホーンアンテナ
13 結像系
14 検出器アレイ
15 距離識別・画像生成処理部
16 一次元検出器アレイの走査機構
17 可動調整機構
18 アイソレータ
19 マイクロ波窓
20 筐体(耐水箱)
21 照射マイクロ波
22 反射、散乱マイクロ波
23 装入物
23a 焼結鉱層
23b コークス層
24 耐火物
25 鉄皮
31 測定領域
32 波軸
50 コークスからの反射マイクロ波画像
51 焼結鉱からの反射マイクロ波画像
52 2値化処理で1になった領域
53 コークス層と焼結鉱層との境界
60 被測定物
61 耐火物表面からの反射ピーク
62 耐火物裏面からの反射ピーク
63 被測定物からの反射ピーク
112 ホーンアンテナ(検出用)
140 マイクロ波検出器
141 マイクロアンテナ
142 マイクロ波検出素子
143 直流増幅素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st microwave image acquisition means 2 Image signal processing means 3 Display means 4 2nd microwave image acquisition means 10 Microwave transmitter 11 Microwave generator 12 Horn antenna 13 Imaging system 14 Detector array 15 Distance identification Image generation processing unit 16 One-dimensional detector array scanning mechanism 17 movable adjustment mechanism 18 isolator 19 microwave window 20 housing (waterproof box)
21 Irradiated microwave 22 Reflected and scattered microwave 23 Charge 23a Sintered ore layer 23b Coke layer 24 Refractory 25 Iron core 31 Measurement area 32 Wave axis 50 Reflected microwave image from coke 51 Reflected microwave from sintered ore Image 52 Area 1 that has become 1 by binarization processing 53 Boundary between coke layer and sintered ore layer 60 Object 61 Reflected peak from refractory surface 62 Reflected peak from refractory back surface 63 Reflected peak from object to be measured 112 Horn antenna (for detection)
140 Microwave detector 141 Microantenna 142 Microwave detection element 143 DC amplification element

Claims (4)

高炉の側面からマイクロ波を送受信して高炉内装入物の画像を取得して、該高炉内装入物の動きを測定する高炉内装入物の挙動検出装置であって、
高炉の側面の第1の鉄皮開口部に対向して配設され、該鉄皮開口部にマイクロ波を送信して高炉内装入物からの反射波のみを受信して高炉耐火物越しに高炉内装入物の画像を取得する第1のマイクロ波画像取得手段と、
前記第1の鉄皮開口部の下方に設けられた第2の鉄皮開口部に対向して、第1のマイクロ波画像取得手段から高さ方向に所定の間隔をおいて配設され、該第2の鉄皮開口部にマイクロ波を送信して高炉内装入物からの反射波のみを受信して高炉耐火物越しに高炉内装入物の画像を取得する第2のマイクロ波画像取得手段と、
前記第1のマイクロ波画像取得手段から出力される画像と前記第2のマイクロ波画像取得手段から出力される画像を基に、当該各画像について画像処理を施して、当該画像内の輝度が所定の閾値以上の画素が一定個数以上連なっている部分がある領域をコークス層とすることでコークス層と焼結鉱層を識別し、高炉内装入物の降下速度を測定して出力する画像信号処理手段と、
前記画像信号処理手段から出力される高炉内装入物の降下速度の測定値を表示する表示手段とを具備することを特徴とする高炉内装入物の挙動検出装置。
An apparatus for detecting behavior of a blast furnace interior entry that acquires an image of the blast furnace interior entry by transmitting and receiving microwaves from a side surface of the blast furnace, and measures the movement of the blast furnace interior entry,
Opposite the first furnace shell opening of the side surface of the blast furnace is arranged, the blast furnace refractory over and receives only the reflected wave from the blast furnace interior container and sends microwaves into the iron skin opening First microwave image acquisition means for acquiring an image of a blast furnace interior entry;
Opposing to the second core opening provided below the first core opening, the first microwave image acquisition means is disposed at a predetermined interval in the height direction, second microwave image acquiring means for acquiring an image of the blast furnace interior container and to send microwave receives only the reflected wave from the blast furnace interior container to blast furnace refractories over the second furnace shell opening When,
Based on the image output from the first microwave image acquisition unit and the image output from the second microwave image acquisition unit, each image is subjected to image processing, and the luminance in the image is predetermined. Image signal processing means that distinguishes the coke layer from the sintered ore layer by measuring the region where there is a portion where more than a certain number of pixels are connected to a certain number or more as a coke layer, and measures and outputs the descending speed of the blast furnace interior When,
A blast furnace interior entry behavior detection apparatus, comprising: display means for displaying a measured value of a descending speed of the blast furnace interior entry output from the image signal processing means.
前記第1のマイクロ波画像取得手段及び第2のマイクロ波画像取得手段はそれぞれ、前記第1又は第2の鉄皮開口部越しに高炉内装入物にマイクロ波を照射するマイクロ波送信器と、
前記マイクロ波の反射波を受信し、高炉内装入物からの反射信号を抽出して高炉内装入物の二次元画像を出力するための二次元マイクロ波画像検出器と、
前記マイクロ波の反射波を前記二次元マイクロ波画像検出器に結像させる結像系とを具備し、
前記二次元マイクロ波画像検出器は、前記反射波を検知するマイクロ波検出器を一次元又は二次元に配列した検知器アレイと、
該検知器アレイからの出力信号から前記高炉内装入物からの反射波を識別し、二次元画像を作成して出力する距離識別・画像生成処理部とからなることを特徴とする請求項1に記載の高炉内装入物の挙動検出装置。
The first microwave image acquisition means and the second microwave image acquisition means are each a microwave transmitter that irradiates microwaves into the blast furnace interior through the first or second iron skin opening,
A two-dimensional microwave image detector for receiving the reflected wave of the microwave, extracting a reflected signal from the blast furnace interior, and outputting a two-dimensional image of the blast furnace interior;
An imaging system for imaging the reflected wave of the microwave on the two-dimensional microwave image detector;
The two-dimensional microwave image detector is a detector array in which the microwave detectors that detect the reflected waves are arranged one-dimensionally or two-dimensionally;
2. The distance identification / image generation processing unit for identifying a reflected wave from the blast furnace interior entry from an output signal from the detector array, and generating and outputting a two-dimensional image. The blast furnace interior entrance behavior detection device described.
前記マイクロ波送信器は、所定の周波数変調したマイクロ波(FMCW)を送信し、
前記距離識別・画像生成処理部は、FMCW方式の測距方法を用いて所定の処理で高炉装入物からの反射マイクロ波を弁別することを特徴とする請求項2に記載の高炉内装入物の挙動検出装置。
The microwave transmitter transmits a predetermined frequency modulated microwave (FMCW),
3. The blast furnace interior entrance according to claim 2, wherein the distance identification / image generation processing unit discriminates the reflected microwave from the blast furnace charge by a predetermined process using an FMCW ranging method. Behavior detection device.
前記画像信号処理手段は、
前記第1のマイクロ波画像取得手段で検出した高炉内装入物の画像、及び前記第2のマイクロ波画像取得手段で検出した高炉内装入物の画像について各画像内の明るさムラを補正するシェーディング補正処理部と、
シェーディング補正された画像に対して、前記所定の閾値で0と1とに2値化する2値化処理部と、
2値化処理部から出力された画像について、1が埋め込まれた部分が連なっている領域に同一のラベルを付けて一塊として認識させるラベリング処理部と、
ラベリング処理部から出力された画像に基づいて、ラベリングされた画像内に一定個数以上の画素の塊が存在する領域をコークス層とすることでコークス層と焼結鉱層とを判別する領域検出部と、
領域検出部の出力に基づいてコークス層と焼結鉱層との境界を検出して、その移動速度を同一の境界が第1及び第2のマイクロ波画像取得手段位置を通過する時間差から導出する挙動演算部とからなる請求項1〜請求項3のうちの一項に記載の高炉内装入物の挙動検出装置。
The image signal processing means includes
Shading for correcting brightness unevenness in each image of the image of the blast furnace interior detected by the first microwave image acquisition unit and the image of the blast furnace interior detected by the second microwave image acquisition unit A correction processing unit;
A binarization processing unit that binarizes the shading-corrected image into 0 and 1 with the predetermined threshold;
A labeling processing unit for recognizing the image output from the binarization processing unit as a lump by attaching the same label to a region where a portion where 1 is embedded is connected;
A region detection unit that determines a coke layer and a sintered ore layer by using, as a coke layer, a region in which a lump of pixels of a certain number or more exists in the labeled image based on the image output from the labeling processing unit; ,
A behavior in which the boundary between the coke layer and the sintered ore layer is detected based on the output of the region detection unit, and the moving speed is derived from the time difference at which the same boundary passes through the first and second microwave image acquisition means positions. The behavior detection device for a blast furnace interior entry according to claim 1, comprising a calculation unit.
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