JP5452189B2

JP5452189B2 - 炉内観察装置と方法

Info

Publication number: JP5452189B2
Application number: JP2009270447A
Authority: JP
Inventors: 孝男倉田; 法生新田
Original assignee: Nippon Steel Corp; IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP2011112306A

Description

本発明は、炉内に挿入される箱体と、該箱体の内部に配置される撮像装置とを備え、前記箱体の壁面に設けられた窓部を通して、前記撮像装置が炉内を観察するように構成された高温に加熱された炉内の観察装置と方法に関する。

高温に加熱した炉として、例えば、製鉄用高炉に高温の熱風を供給する熱風炉は、地上より約５０ｍの高さと１０ｍ以上の内径を有し、内壁温度は運転時で約１６００℃、休風時で約１４００℃にも達する。また、かかる熱風炉は、大型設備であるため建設期間が約３年と長く、しかも完成後は約２０年という長期に渡って連続運転される。したがって、１基でも使用不能な状況となれば、長期間の操業停止を余儀なくされるため、定期的に炉内診断するメンテナンスが重要となる。その１つの手段として、炉壁の損傷状況を監視することが古くから行われている。

炉内観察方法には、赤外線等のレーザ光を壁面に照射して距離を測定することにより損傷の程度を計測する方法や、ＣＣＤカメラ等の撮像装置により炉壁を撮像して画像処理等を施すことにより損傷の程度を計測する方法等が既に存在している。例えば、特許文献１に記載の炉壁観察装置は、炉壁に光を照射する照明装置と、該光を照射した炉壁を撮像する撮像装置と、を有する。そして、照明装置と撮像装置とは水冷構造を有する１つの箱体内に収容されており、該箱体に設けられガラスなどで形成された撮像用の観察窓から照明装置の光を照射している。

また、本願の他の先行技術文献として、下記の特許文献２がある。
特許文献２では、筒状のケーシングが外側室と内側室に区画されて、外側室を水冷構造として高温から保護し、内側室に内蔵されている監視カメラが外側室に備えられた観察窓から炉内を監視する炉内観察装置が示されている。更にこの装置では、ケーシングの外周部に冷却用気体の通気間隙を設けると共に、ケーシングの先端に照射光を照射するライトを設け、そのライトを高温の熱から守るため、更にライト周囲のケーシング部に気体吐出孔を設けて、その気体吐出孔を通過した冷却用気体と、ライトの側面の通気間隙を通過した冷却用気体とでライトを冷却して、高温の熱からライトを保護する構造も開示されている。

特開２００５−１４６１６４号公報特開２００７−２７８６２７号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に示すように、装置外周部を水冷構造とした場合、観察窓等の窓部は、装置側が水冷されると共に炉内側が高温の輻射熱を受けるため、窓部の厚さ方向に急激な温度勾配が生じて、窓部が破損する場合があった。また、窓部の周囲を水冷壁で囲むように固定する構造とした場合には、窓部の厚さ方向には温度勾配が生じないが、高温の炉内にさらされる窓部は、炉内の高熱により膨張して割れる場合があった。すなわち、窓部は、箱体の壁部に組み込まれているので、熱膨張すると、その分、箱体の壁部に力を作用させる。当該力が、許容値を超えると、窓部は、その反作用力に耐えられなくなり割れてしまう。
また、観察窓は、炉内にさらされて汚れが付着することや、破損することがあるため、観察窓を交換できるようにすることが望まれる。

そこで、本発明の主目的は、炉内観察において、炉内の高熱により、観察用の窓部に厚み方向の急激な温度勾配や熱膨張が生ることを防ぎ、窓部が割れることを防止することにある。
なお、本発明の他の目的は、炉内観察において、観察用の窓部を交換できるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、炉内に挿入される箱体と、該箱体の内部に配置される撮像装置とを備え、前記箱体の壁面に設けられた窓部を通して、前記撮像装置が炉内を観察するように構成された炉内観察装置であって、
前記箱体内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置を備え、
前記箱体は、前記窓部の周縁部を支持する窓支持部を有し、
該窓支持部および前記窓部の少なくともいずれかにより、冷却ガス抜き孔が形成され、該冷却ガス抜き孔を通して、前記箱体内から前記箱体外部の炉内へ冷却ガスが流出するようになっており、
前記冷却ガス抜き孔は、前記窓部の外周面の近傍に位置しており、これにより、冷却ガスは、前記窓部の外周面の少なくとも一部と前記冷却ガス抜き孔の両方を通過することで前記炉内へ流出するようになっており、
さらに、箱体内側に形成された開口と該開口と連通する炉内側に形成された開口との間で壁の厚み方向に前記窓部が移動自在に嵌合する前記窓支持部と、
前記炉内と反対側を向く面が前記箱体内側に形成された前記開口より大きい平面である板状の前記窓部と、により構成される弁構造を備え、
前記弁構造は、箱体内の圧力が炉内の圧力よりも高いときに、前記箱体内の圧力により前記窓部を炉内側へ押し付け、前記冷却ガスが前記冷却ガス抜き孔を通して箱体内から炉内へ流れることを可能とし、
前記炉内の圧力が箱体内の圧力より高いときに、前記炉内の圧力により前記窓部を箱体内側へ押し付け、前記窓部の前記炉内と反対側を向く面で前記箱体内側に形成された前記開口を塞ぐことにより前記炉内のガスが、前記冷却ガス抜き孔を通して炉内から箱体内へ流れることを阻止する、ことを特徴とする炉内観察装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によると、前記冷却ガス供給装置は、前記撮像装置に冷却ガスを噴出することで、該撮像装置を局所的に冷却する局所冷却手段を有する。

また、本発明の好ましい実施形態によると、前記冷却ガス供給装置は、前記箱体の一端部において箱体内に冷却ガスを供給する広域冷却手段を有し、
前記箱体内の他端部には、連通孔が形成され、該連通孔を通して、前記箱体内から前記炉内へ冷却ガスが流出するようになっており、
さらに、箱体内において、前記連通孔から間隔を置いて該連通孔を覆う遮蔽部材が設けられ、
前記間隔は、炉内から箱体内へ輻射光が直接的に入らないように設定されている。

また、好ましくは、前記窓部は、前記箱体に対し脱着可能である。

また、本発明によると、上述の炉内観察装置を使用した炉内観察方法であって、１０００℃以上の炉内にて前記箱体内に冷却ガスを供給しながら炉内を観察することを特徴とする炉内観察方法が提供される。

上述した本発明によると、窓部の周縁部を支持する窓支持部および前記窓部の少なくともいずれかにより、冷却ガス抜き孔が形成され、該冷却ガス抜き孔を通して、前記箱体内から前記箱体外部の炉内へ冷却ガスが流出するようになっており、前記冷却ガス抜き孔は、前記窓部の外周面の近傍に位置しており、これにより、冷却ガスは、前記窓部の外周面と前記冷却ガス抜き孔の両方を通過することで前記炉内へ流出するようになっているので、当該冷却ガスで窓部を冷却することができる。その結果、炉内の高熱により、観察用の窓部が熱膨張して割れることを防止できる。
なお、前記窓部は、前記箱体に対し脱着可能であるので、前記窓部が汚れたり破損した場合には、新しい窓部に簡単に交換することができる。本発明の実施形態による他の効果は、以下において明らかにする。

本発明に係る炉内観察装置の第一実施形態を示す構成図である。図１の窓部に設けられる弁構造の構成例である。図１の連通孔付近を示す拡大図である。箱体に対し窓部を着脱可能にする場合の説明図である。本発明に係る炉内観察装置の動作を示す図である。撮像範囲ごとに得られた画像を合成する画像処理手段を示すブロック図である。本発明に係る炉内観察装置の第二実施形態を示す概略構成図である。図１の窓部に設けられる弁構造の別の構成例である。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第一実施形態による炉内観察装置２１の構成図である。炉内観察装置２１は、炉内４４ａに挿入される箱体４２と、該箱体４２の内部に配置される撮像装置８とを備え、箱体４２の壁面に設けられた窓部５を通して、撮像装置８が輻射光Ｈで発光している炉内４４ａを観察するように構成される。

第一実施形態によると、炉内観察装置２１は、箱体４２内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置５０を備える。冷却ガス供給装置５０は、冷却ガス供給装置５０は、箱体４２内の圧力を炉内４４ａの圧力より高く維持できる圧力と流量で、冷却ガスを箱体４２内に供給する。これにより、炉内４４ａの高温ガスが後述の冷却ガス抜き孔５３と連通孔５５を通して箱体４２内へ流入することを防止できる。

本実施形態によると、箱体４２は、窓部４、５の周縁部を支持し箱体４２の壁部を構成する窓支持部４２ｃを有する。該窓支持部４２ｃには、冷却ガス抜き孔５３が形成され、該冷却ガス抜き孔５３を通して、箱体４２内から箱体４２外部の炉内４４ａへ冷却ガスが流出するようになっている。図１または後述の図２のように、冷却ガス抜き孔５３は、窓部４、５の外周面の近傍に位置しており、これにより、冷却ガスは、窓部４、５の外周面と冷却ガス抜き孔５３の両方を通過することで炉内４４ａへ流出するようになっている。冷却ガス抜き孔５３により、冷却ガスが窓部４、５（窓部４、５の外周面）を通過することで、炉内４４ａの高温（例えば１２００℃）に曝される窓部４、５を効率よく冷却することができる。
なお、窓支持部４２ｃは、窓部４、５の周縁部に沿って該周縁部を囲み、複数の冷却ガス抜き孔５３が、該周縁部に沿った方向に間隔をおいて、窓支持部４２ｃに設けられてよい。

冷却ガス供給装置５０は、局所冷却手段５２および広域冷却手段５１の少なくとも一方を有する。図１の例では、冷却ガス供給装置５０は、局所冷却手段５２および広域冷却手段５１の両方を有する。

局所冷却手段５２は、撮像装置８に冷却ガスを噴出することで、該撮像装置８を局所的に冷却する。図１の例では、局所冷却手段５２は、箱体４２内に設けられるエアチューブである。エアチューブ５２は、撮像装置８に近接する位置で開口し、該開口から撮像装置８に冷却ガスを噴出する。これにより、重要な機器である撮像装置８を、炉内４４ａの熱から確実に保護することができる。エアチューブ５２は、箱体４２の外部から撮像装置８に近接する箱体４２内の位置まで延びていてよい。エアチューブ５２には、常温の空気が冷却ガスとして送風機から供給されてよい。この場合、当該冷却ガスをクーラーで常温より低温度に冷却してから、当該冷却ガスを前記開口から撮像装置８に噴出してもよい。代わりに、常温よりも低温でかつ比熱の大きいアルゴンガスやヘリウムガス等の不活性ガスが、冷却ガスとして、当該不活性ガスを圧縮して蓄積したタンクからエアチューブ５２を通って前記開口から撮像装置８に噴出するようにしてもよい。特に、炉内を無酸素雰囲気や還元性雰囲気に保つ必要がある場合は、不活性ガスを冷却ガスとして使用することが好ましい。

広域冷却手段５１は、箱体４２の一端部において箱体４２内に冷却ガスを供給する、広域冷却手段５１は、例えば、常温の空気を冷却ガスとして送風機（図示せず）により、配管を通して箱体４２内へ供給する構成を有してよい。この場合、広域冷却手段５１に、クーラーを設け、冷却ガスを当該クーラーで常温より低温度に冷却してから、当該冷却ガスを箱体４２内に供給してもよい。代わりに、広域冷却手段５１は、常温よりも低温でかつ比熱の大きいアルゴンガスやヘリウムガス等の不活性ガスを、冷却ガスとして、当該不活性ガスを圧縮して蓄積したタンクから配管を通して箱体４２内へ供給する構成を有していてもよい。特に、炉内を無酸素雰囲気や還元性雰囲気に保つ必要がある場合は、不活性ガスを冷却ガスとして使用することが好ましい。このような広域冷却手段５１と連通孔５５により、後述するように箱体４２内の全体を低温（例えば４０℃以下）に維持できる。

好ましくは、前記冷却ガスが、冷却ガス抜き孔５３を通して箱体４２内から炉内４４ａへ流れることを可能にするが、炉内４４ａのガスが、冷却ガス抜き孔５３を通して炉内４４ａから箱体４２内へ流れることを阻止する弁構造が窓部５に設けられる。図２（Ａ）は、図１の窓部５付近の拡大図であり、弁構造の構成例を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。図２（Ｂ）のように、窓部５を形成する部材の４隅が、冷却ガス抜き孔５３を覆わないように切り欠かれている。図２のように、窓部４、５は、ガラス（好ましくは耐熱ガラス）で形成された板状の部材であってよく、箱体４２の側壁内に、側壁の厚み方向に移動自在に嵌合している。通常は、上述のように箱体４２内の圧力は、炉内４４ａの圧力よりも高いので、図２（Ａ）のように、箱体４２内の圧力により窓部５は炉内４４ａ側へ押し付けられることで形成された小空間５７を介して、冷却ガス抜き孔５３から炉内４４ａへ流れる。一方、万一、炉内４４ａの圧力が箱体４２内の圧力より高くなった場合には、窓部５が、図２（Ｃ）のように、炉内４４ａの圧力により箱体４２内側へ押し付けられることで、上述の小空間５７が塞がれるので、炉内４４ａと箱体４２内とが非連通状態となる。その結果、炉内４４ａの高温ガスが、箱体４２内へ流入することが阻止される。図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）のＤ−Ｄ矢視図である。符号４２ａ、４２ｂは、箱体４２の壁部に形成された開口を示す。即ち、図２（Ｂ）において符号４２ａが示す破線は、開口４２ａの輪郭線であり、同様に、図２（Ｄ）において符号４２ｂが示す破線は、開口４２ｂの輪郭線である。
なお、上述した冷却ガス抜き孔５３および弁構造と同じ構成を持つ冷却ガス抜き孔５３と弁構造が窓部４（後述する）にも設けられる。窓部４と窓部５は、それぞれ、紫外線や赤外線なども含めた光を少なくとも一部を透過させる材料で形成された部材であってよい。

箱体４２内の他端部には、連通孔５５が形成され、該連通孔５５を通して、箱体４２内から箱体４２外部の炉内４４ａへ冷却ガスが流出するようになっている。広域冷却手段５１と連通孔５５により、箱体４２内において、箱体４２の一端部から他端部まで冷却ガスが流れることで、箱体４２内のほぼ全体が冷却される。従って、箱体４２内の各機器を炉内４４aの熱から保護することができる。

箱体４２内において、連通孔５５から間隔を置いて該連通孔５５を覆う遮蔽部材が設けられる。前記間隔は、炉内４４ａから箱体４２内へ輻射光が直接的に入らないように設定されている。図３は、連通孔５５付近の拡大図である。この連通孔５５に対しては、遮蔽部材５８（例えば、遮蔽板）が設けられる。遮蔽部材５８は、連通孔５５を通して箱体４２内から炉内４４ａへ冷却ガスが流れる流路を確保するように、連通孔５５から間隔を置いて該連通孔５５を覆う。当該間隔は、炉内４４ａから箱体４２内へ輻射光が直接的に入らないように設定されている、即ち、任意の方向から、炉内４４ａから連通孔５５を直進して通過することで箱体４２内へ進入して来た輻射光（例えば、図３の符号Ｌ_１、Ｌ_２で示す輻射光）が、第１次的に遮蔽部材５８に衝突するように、前記間隔が設定されている。具体的には、遮蔽部材５８の横幅ｄ_１、連通孔５５が形成されている箱体内壁面から遮蔽部材５８までの距離ｄ_２、および、連通孔５５の寸法ｄ_３に基づいて、前記間隔が設定されている。これにより、箱体４２内を炉内４４ａの輻射光（輻射熱）から保護することができる。図３において、輻射光Ｌ_１、Ｌ_２は、それぞれ、エア抜き孔５５を直進して通過し得る輻射光のうち、エア抜き孔５５の貫通方向Ｃと最大の角度をなす方向からエア抜き孔５５を通過する輻射光である。

好ましくは、窓部５は、箱体４２に対し脱着可能である。図４（Ａ）は、図２（Ａ）に相当するが、窓部５を、箱体４２に対し脱着可能にした構成を示す。図４（Ａ）のように、箱体４２の内圧により窓部５が押し付けられる箱体４２壁部の被押付部４２ｄが、ボルト６１などの結合手段により箱体４２の本体に着脱可能に取り付けられている。図４（Ａ）の状態から、箱体４２を炉内４４ａから取り出し、ボルト６１を外すことで、図４（Ｂ）のように被押付部４２ｄを箱体４２から取り外すことができる。次いで、図４（Ｃ）のように、窓部５を箱体４２の本体から取り外すことができる。新しい窓部５を箱体４２の本体に取り付ける場合は、上記と逆の手順を行う。
なお、窓部５を箱体４１に対し着脱可能にする上述の構成と同じ構成で、窓部４を箱体４２に対し着脱可能にしてよい。

上述した本発明の第一実施形態によると、窓部５の周縁部を支持する窓支持部４２ｃには、冷却ガス抜き孔５３が形成され、該冷却ガス抜き孔５３を通して、箱体４２内から箱体外部の炉内４４ａへ冷却ガスが流出するようになっており、冷却ガス抜き孔５３は、窓部５の外周面の近傍に位置しており、これにより、冷却ガスは、窓部５の外周面と冷却ガス抜き孔５３の両方を通過することで炉内４４ａへ流出するようになっているので、当該冷却ガスで窓部５を冷却することができる。その結果、炉内４４ａの高熱により、観察用の窓部５が熱膨張して割れることを防止できる。
なお、上述のように実際に製作した炉内観察装置２１では、窓部５が割れないことを確認したが、冷却ガス抜き孔５３を形成しない場合には、窓部５が熱膨張により割れた。

以下、炉内観察装置２１の他の構成例と他の動作・効果について詳細に説明する。

炉内観察装置２１は、レーザ光Ｌを照射するレーザ発振装置１と、レーザ光Ｌの照射範囲を調整可能な投光レンズ２と、レーザ光Ｌを反射させて所望の観察部分を照らす投光ミラー３と、投光ミラー３からのレーザ光Ｌを透過させる窓部４と、観察部分からの反射光Ｒを透過させる上述の窓部５と、窓部５を透過した反射光Ｒを反射させる受光ミラー６と、受光ミラー６からの反射光Ｒを集光させるとともに撮像範囲を調整可能な受光レンズ７と、受光レンズ７により集光された反射光Ｒを受光して画像を取得する上述の撮像装置８と、投光ミラー３を駆動させる投光用モータ９と、受光ミラー６を駆動させる受光用モータ１０と、投光用モータ９及び受光用モータ１０の駆動を制御する制御手段１１と、を有し、投光レンズ２及び受光レンズ７は、レーザ光Ｌの照射範囲と撮像装置８の撮像範囲とが略同じ大きさとなるように調整されており、制御手段１１は、照射範囲と撮像範囲が略一致するように投光ミラー３及び受光ミラー６を連動させる。

前記レーザ発振装置１は、炉内４４ａの観察部分を照らすための照明（レーザ光Ｌ）を照射する装置である。炉壁は輻射光Ｈで発光しているため、観察部分を所望の照明で照らし出すためには、輻射光Ｈよりも強いレーザ光Ｌを照射する必要がある。例えば、高炉用熱風炉では、輻射光Ｈは赤外域の２〜３μｍにピーク波長を有する光である。この場合、レーザ発振装置１には、例えば、１．０６μｍ又は０．５３μｍ（第２高調波）の波長のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置が採用される。勿論、レーザ発振装置１は、輻射光Ｈのピーク波長（２〜３μｍ）から十分離れた波長、好ましくは可視光域（０．３８〜０．７７μｍ）の波長のレーザ光Ｌを照射できるものであれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置に限られるものではなく、炉の種類（熱風炉、コークス炉、転炉等）や輻射光の強さに応じて適宜選択されるものである。また、輻射光Ｈに抗して観察部分を照らし出すために、広がり角は極力小さくするように調整するのが好ましい。なお、レーザ発振装置１には、結晶や素子を励起させるエネルギーを付与する電源１２が接続されている。

前記投光レンズ２は、レーザ光Ｌの照射範囲を調整する機器である。投光レンズ２には、例えば、共焦点レンズ式のものを使用することが好ましいが、単焦点レンズ式のものを使用してもよい。投光レンズ２は、レーザ発振装置１から照射された極細（直径１ｍｍ程度）のレーザ光Ｌを観察部分（約８ｍ先の炉壁）において直径５０ｃｍ程度の照射範囲を形成するように調整される。なお、レーザ光Ｌの直進性から広がり角が十分に小さく、レーザ発振装置１のみで照射範囲を調整することができる場合や所望の照射範囲を確保できる場合には、投光レンズ２を省略してもよい。また、図１では、レーザ発振装置１と投光レンズ２とを直に接続するようにしているが、光ファイバ等の伝送管を用いて接続するようにしてもよい。伝送管を用いることにより、レーザ発振装置１と投光レンズ２とを離して配置することができ、レイアウトの自由度を向上させることができる。

前記投光ミラー３は、レーザ発振装置１から照射されたレーザ光Ｌを反射して所望の観察部分を照らす機器である。図１に示した投光ミラー３には、投光用モータ９が接続されており、一定方向にスイングして角度を変更できるように構成されている。また、スイング方向と略垂直な方向に投光用ミラー３の角度を変化させる第二投光用モータを接続してもよい。なお、投光レンズ２と投光ミラー３との間（投光ミラー３の上流側）に、光学フィルタ１３を配置してもよい。光学フィルタ１３は、レーザ光Ｌの波長のみを通し、それ以外の波長をカットする。光学フィルタ１３には、例えば、干渉フィルタが使用される。また、光学フィルタ１３は、投光ミラー３と窓部４の間（投光ミラー３の下流側）に配置してもよい。

前記窓部４及び窓部５は、炉の内部（特に炉壁）を観察するための窓部である。窓部４及び窓部５は、炉内４４ａに挿入される箱体４２に設けられている。また、炉内４４ａは高温状態であるため、好ましくは、窓部４及び窓部５は耐熱ガラスにより構成される。投光系と受光系とで異なる窓部（窓部４及び窓部５）を使用していることにより、投光系と受光系の光軸をずらすことができ、観察部分に対して斜めにレーザ光Ｌを照射することができ、炉壁の凹凸や亀裂の影を大きく映し出すことができ、その影の部分を画像として撮像することができる。

前記受光ミラー６は、窓部５を透過したレーザ光Ｌの反射光Ｒを反射して撮像装置８に入射させる機器である。図１に示した受光ミラー６には、受光用モータ１０が接続されており、一定方向にスイングして角度を変更できるように構成されている。また、スイング方向と略垂直な方向に受光用ミラー６の角度を変化させる第二受光用モータを接続してもよい。なお、受光ミラー６の下流側に光学フィルタ１５を配置してもよい。光学フィルタ１５は、レーザ光Ｌの波長のみを通し、それ以外の波長をカットする。光学フィルタ１５には、例えば、干渉フィルタが使用される。また、光学フィルタ１５は、受光ミラー６の上流側に配置してもよい。

前記受光レンズ７は、撮像装置８の撮像範囲を調整する機器である。受光レンズ７には、例えば、望遠レンズ式のものを使用することが好ましい。かかる望遠レンズの絞りと焦点を調節することにより撮像装置８の撮像範囲を、レーザ光Ｌの照射範囲と略同じ大きさとなるように調節する。理想的には照射範囲と撮像範囲が一致することが好ましいが、少なくとも撮像範囲の中に照射範囲が含まれ、かつ、それ以外の部分が極力含まれないように調整される。例えば、観察部分（約８ｍ先の炉壁）において直径５０ｃｍ程度の撮像範囲を形成するように調整される。なお、受光レンズ７は、望遠レンズ式のものに限られず、複数のレンズの組み合わせにより焦点を調節できる形式のものであってもよい。

前記撮像装置８は、受光レンズ７からの反射光Ｒを受光して画像を取得する機器である。かかる撮像装置８には、例えば、ＣＣＤカメラが使用される。図１に示した撮像装置８では、受光レンズ７との間に高速シャッター１６を備えている。高速シャッター１６は、レーザ光Ｌの照射タイミングと同期させて制御手段１１により開閉される。かかる高速シャッター１６を配置することにより、撮像装置８に輻射光Ｈが入射し難くすることができ、撮像装置８を熱から保護することができる。なお、高速シャッター１６は、ＣＣＤカメラに内蔵されていてもよいし、画像をデジタル的に切り取るデジタルシャッターでもよい。

前記制御手段１１は、レーザ発振装置１の照射タイミング、高速シャッター１６の開閉タイミング、投光ミラー３及び受光ミラー６のスイングタイミング等を制御する機器である。制御手段１１は、レーザ発振装置１の照射タイミングと高速シャッター１６を開くタイミングとを同期させる。かかる処理により、必要なタイミングでレーザ光Ｌを観察部分に照射するとともに、その反射光Ｒを受光して画像を取得することができる。また、制御手段１１は、照射範囲と撮像範囲が略一致するように投光ミラー３及び受光ミラー６を連動させる。具体的には、投光用モータ９と受光用モータ１０の回転を制御して、投光ミラー３と受光ミラー６を連動させる。例えば、投光用モータ９と受光用モータ１０にロータリエンコーダ等の回転量を検知できるセンサを設置しておき、このデータを計測しながら連動させる。照射範囲と撮像範囲とを一致させる条件（投光用モータ９と受光用モータ１０の回転量）は、炉内観察装置２１の機器構成や窓部の配置（距離）等の条件によって異なるため、実際に使用する条件で照射範囲と撮像範囲とが一致するように試験又はシミュレーションすることによって連動させる条件（投光用モータ９と受光用モータ１０の回転量）を事前に求めておくことが好ましい。

また、制御手段１１は、コンピュータ１７に接続されており、コンピュータ１７からの指令に基づいて上述した処理を行うように設定されるとともに作動する。コンピュータ１７は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶装置、キーボード等の入力装置及びディスプレイ等の出力装置を備え、撮像装置８により取得した画像を処理する画像処理手段を構成する。ここで、図６は、撮像範囲ごとに得られた画像を合成する画像処理手段を示すブロック図である。コンピュータ１７の記憶装置３１には、撮像範囲ごとに得られた画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が保存されている。コンピュータ１７のＣＰＵにより操作される画像処理手段３２は、記憶装置３１に保存された画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を呼び出し、これらの画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３をパノラマ合成したパノラマ画像Ｐ４をディスプレイ等の出力装置に出力する。かかる処理により、撮像した炉壁の全体像を容易に把握することができる。なお、画像処理手段３２は、上述した画像合成以外にも、撮像範囲ごとに得られた画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のコントラスト、ホワイトバランス、トリミング等の調整や壁面の凹凸や亀裂の影の抽出等を処理することもできる。

図５は、炉内観察装置２１の動作を示す図である。なお、図１と同じ構成部品については同じ符号を付すとともに、炉内観察装置２１の構成は簡略して図示している。

図５に示すように、窓部４及び窓部５が設けられた壁面部は、上述のように、炉の開口部から炉内４４ａに挿入される炉内観察装置２１の各機器を囲う箱体４２である。また、炉内観察装置２１は、レーザ発振装置１の照射範囲と撮像装置８の撮像範囲とが、観察部分である炉壁２３において略同じ大きさ（図５で網掛けした観察部分Ｓ）となるように調整されている。炉壁２３と窓部４及び窓部５との位置・距離関係は炉によって異なるため、設置箇所を模擬した試験設備等を利用して予め照射範囲と撮像範囲とが略同じ大きさとなるように調整しておくことが好ましい。勿論、炉内観察装置２１を所定の箇所に設置してから照射範囲と撮像範囲とが略同じ大きさとなるように調整してもよいし、設置後に微調整するようにしてもよい。なお、照射範囲と撮像範囲の調整に際しては、図１に示した投光レンズ２及び受光レンズ７を用いる。

投光系の窓部４と受光系の窓部５とが別々に形成されている。かかる構成を採用することにより、観察部分Ｓにおいて斜めからレーザ光Ｌを照射することができ、観察部分Ｓにおける凹凸や亀裂の影を大きく明確に映し出すことができる。また、窓部４における反射光Ｗや炉内４４ａの粉塵等による散乱光Ｄが撮像装置８に入射することを防止することができ、ノイズの少ない画像を取得することができる。

また、制御手段１１により投光用モータ９及び受光用モータ１０を駆動させて、投光ミラー３及び受光ミラー６を連動して回動させ、図５に示したように、レーザ発振装置１の照射範囲と撮像装置８の撮像範囲とが略一致した状態を維持させながら、観察部分Ｓを炉壁２３の所定の方向に走査させる。ここでは、図５のＡＢ方向に観察部分Ｓを走査させる場合を図示しているが、投光ミラー３及び受光ミラー６にさらに別のモータを設置することにより、ＡＢ方向と略垂直な方向に観察部分Ｓを走査させるようにしてもよい。また、投光ミラー３及び受光ミラー６は、投光用モータ９及び受光用モータ１０により一定の速度で滑らかに回動させてもよいし、所定の位相間隔で間欠的に回動させてもよいし、レーザ光Ｌの照射タイミングに同期させて回動させるようにしてもよい。

上述したように、照射範囲と撮像範囲とが略同じ大きさとなるように調整することにより、観察部分Ｓで示したように狭い範囲を鮮明に撮像することができる。また、照射範囲と撮像範囲が略一致するように投光ミラー３と受光ミラー６とを連動させることにより、広範囲の炉壁２３を複数の画像として撮像することができる。さらに、これらの画像を図６で示したようにパノラマ合成することにより、炉壁２３の全体像を容易に観察することができる。

次に、本発明に係る炉内観察装置２１の他の実施形態について説明する。ここで、図７は、本発明に係る炉内観察装置２１の第二実施形態を示す概略構成図である。なお、図１に示した炉内観察装置２１と同じ構成部品については同じ符号を付し重複した説明を省略する。

図７に示した炉内観察装置２１は、上述の箱体４２を軸中心に回転させる駆動手段４３をさらに有する。かかる炉内観察装置２１は、例えば、炉４４の上部に形成された開口部から炉内４４ａに挿入され、窓部４及び窓部５が観察部分である炉壁と対峙するように配置される。そして、投光ミラー３及び受光ミラー６を連動させて回動させることにより、観察部分Ｓを炉壁の上下方向に沿って走査させることができる。なお、図７に示した炉内観察装置２１では、レーザ発振装置１と投光レンズ２とを光ファイバ１８で接続した場合を図示している。

前記箱体４２は、高温状態の炉内４４ａに挿入されるため、水冷ジャケットを有していることが好ましい。したがって、箱体４２は、外部から冷却水を水冷ジャケットに注水し、外部に冷却水を排水することができるように構成されている。箱体４２全体は水冷ジャケットにより保護し、窓部は冷却ガスによりその外周面を冷却することによって保護することで、炉内観察装置２１全体をより高い炉内温度においても保護することができる。また、箱体４２の上端の外周部には、駆動手段４３と連結される歯車が形成されている。駆動手段４３は、回転駆動可能に配置されたモータ４３ｍと、モータ４３ｍの先端に接続された歯車４３ｇとから構成されている。また、モータ４３ｍは炉内観察装置２１の制御手段１１に接続されており、制御手段１１又はコンピュータ１７の指令に基づいて回転駆動される。なお、駆動手段４３の構成は図示したものに限定されず、手動で回転できる構成であってもよいし、ベルト駆動やチェーン駆動により回転できる構成であってもよい。

かかる第二実施形態のように、駆動手段４３を配置して炉内観察装置２１そのものを炉４４に対して相対的に回転できるようにしたことにより、観察部分Ｓを炉壁の水平方向に沿って走査させることができる。したがって、１つの炉内観察装置２１を用いるだけで、炉壁の広範囲に渡って画像を取得することができる。炉内観察装置２１は、駆動手段４３により、ゆっくりと滑らかに回転させてもよいし、上下方向の走査が完了してから所定の位相間隔で間欠的に回転させるようにしてもよい。

図７に示すように、炉内観察装置２１を炉４４の中央上部から挿入することにより、炉内観察装置２１を駆動手段４３で回転させた場合であっても窓部４及び窓部５と炉壁との距離を一定に保持することができ、炉内観察装置２１を回転させたことによる照射範囲と撮像範囲の大きさと位置の微調整を省略することができる。なお、炉内観察装置２１の回転により、窓部４及び窓部５と炉壁との距離が変化する場合には、回転ごとに照射範囲と撮像範囲の大きさと位置を微調整してもよいし、予めデータを取得しておくことにより回転位相と連動して照射範囲と撮像範囲の大きさと位置を自動的に調整するようにしてもよい。

さらに、駆動手段４３は、炉内観察装置２１を回転駆動させるものに限定されず直進駆動させるものであってもよいし、回転駆動用と直進駆動用の両方の機能を備えていてもよい。炉内観察装置２１を直進駆動させることにより、投光ミラー３及び受光ミラー６の操作だけでは撮像できない部分を観察することができる。炉内観察装置２１を直進駆動させる場合には、箱体４２の長さを直進駆動させたい長さと同等以上に形成し、ジャッキやアクチュエータにより箱体４２を駆動させるようにすればよい。また、炉内観察装置２１を炉壁又は床面等の炉内４４ａで駆動される移動台車や壁面ロボットに搭載して駆動させるようにしてもよい。

なお、図７では、冷却ガス供給装置５０などの図示を省略しているが、炉内観察装置２１の第二実施形態は、図１〜図３に基づいて上述した第一実施形態の構成（各機器や各部材）も有している。

炉内４４ａの温度が１０００℃以上である場合に、窓部４、５が割れる可能性が高くなるので、炉内４４ａの温度が１０００℃以上の場合において、上述の第一実施形態または第二実施形態の炉内観察装置を採用するのがよい。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

特に、本発明の炉内観察装置は、特許請求の範囲の請求項１に記載された構成さえ有していればよいので、本発明においては、上述した第一実施形態または第二実施形態で述べた他の構成については省略してもよい。

第一実施形態においても、第二実施形態の水冷ジャケットが箱体４２に設けられてよい。また、第一実施形態または第二実施形態において、水冷ジャケットを省略してもよい。

光学フィルタ１３、１５を省略し、その代わりに、窓部４、５にそれぞれ光学フィルタ１３、１５と同じフィルタ機能を持たせてもよい。

本発明は、既存の炉内観察装置に対しても改造により適用可能である。

窓部３の位置は、図１の場合に限られず、図１の場合と異なっていてもよい。

図７では、炉内観察装置２１を炉４４の中央上部から挿入したが、他の方向（例えば水平方向）から炉４４内に挿入してもよい。

窓部４、５に設けられる弁構造の構成は、図２の構成に限定されない。例えば、窓部４、５に設けられる弁構造として、図８に示す構成を採用してもよい。

図８（Ａ）は、図１の窓部５付近の拡大図であり、弁構造の他の構成例を示す。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。図８のように、窓部５における炉内４４ａ側を向く面５ａの外周部に、炉内４４ａ側に突出した突出部５６が固定されている。このような突出部５６が、面５ａの外周部に沿って間隔をおいて複数設けられている。通常は、上述のように箱体４２内の圧力は、炉内４４ａの圧力よりも高いので、図８（Ａ）のように、箱体４２内の圧力により窓部５が炉内４４ａ側へ押し付けられることで、窓部５における炉内４４ａと反対側を向く面５ｃの外周部と箱体４２に形成された炉内４４ａ側を向く面４２ｅとの間に図２と同様の小空間５７が形成されるとともに、各突出部５６が、箱体４２に形成された炉内４４ａと反対側を向く面４２ｆに接触する。この状態では、箱体４２内の冷却ガスが、図８（Ａ）、（Ｂ）の破線矢印で示すように、小空間５７、窓部５の外周面５ｂと箱体４２との隙間、および、複数の突出部５６の間の空間（冷却ガス抜き孔）をこの順に通って炉内４４ａへ流れる。一方、万一、炉内４４ａの圧力が箱体４２内の圧力より高くなった場合には、窓部５が、図８（Ｃ）のように、炉内４４ａの圧力により箱体４２内側へ押し付けられることで、上述の小空間５７が塞がれるので、炉内４４ａと箱体４２内とが非連通状態となる。その結果、炉内４４ａの高温ガスが、箱体４２内へ流入することが阻止される。

図８（Ａ）、（Ｂ）において、窓部５の複数の突出部５６の間の空間（具体的には、複数の突出部５６、窓部５の面５ａ、および、箱体４２の面４２ｆにより区画形成される空間）が、本発明の冷却ガス抜き孔となる。

また、図８（Ｂ）において符号４２ｂが示す破線は、箱体４２の壁部に形成された開口４２ｂの輪郭線である。

図８の構成でも、冷却ガスが、前記冷却ガス抜き孔を通して箱体４２内から炉内４４ａへ流れることを可能にするが、炉内４４ａのガスが、冷却ガス抜き孔５３を通して炉内４４ａから箱体４２内へ流れることを阻止する。

なお、図８の弁構造を窓部４に適用してもよい。また、図８の弁構造の他の構成は、図２の場合と同じである。

（実施例１）
図１に示す炉内観察装置を用い、高炉用の熱風炉内の様子を、炉内温度１４００〜１６００℃にて観察した。窓部の冷却構造は図２の構造とし、窓部の四隅から冷却ガスを透過した。冷却ガスとしてはエアーを用い、広域冷却手段と局所冷却手段からの冷却ガスの投入量の比が２：１となるように、窓部４と窓部５と連通孔５５からの冷却ガスの透過量の比が１：１：３となるように、冷却ガスの箱体内での平均流速がエアホース下流で５ｍ／ｓとなるようにセッティングして２時間観察した。
炉内観察中、撮像装置に全く異常はなく最後まで観察できた。また、炉内観察後に装置を炉内から取り出して窓部をチェックしたところ、窓部４、５共に割れやひびは全く生じていなかった。
（実施例２）
窓部の冷却構造（弁構造）を図８の構造とする以外は、実施例１と同じ条件で、熱風炉内を観察した。その結果、炉内観察中は、撮像装置に全く異常はなく最後まで観察でき、また、炉内観察後に装置を炉内から取り出して窓部をチェックしたところ、窓部４、５共に割れやひびは全く生じていなかった。
（比較例１）
窓部４，５からは装置内から炉内へ冷却ガス通らないように、窓部の４隅に切り欠きを設けない窓とする以外は、実施例１と同じ条件として（すべての冷却ガスが連通孔５５から透過する構造）、熱風炉内を１０分間観察した。その結果、窓にはひび割れが生じていた。

１レーザ発振装置、２投光レンズ、３投光ミラー、
４窓部、５窓部、６受光ミラー、
７受光レンズ、８撮像装置、９投光用モータ、
１０受光用モータ、１１制御手段、１２電源、
１３，１５光学フィルタ、１６高速シャッター、１７コンピュータ、
２１，４１炉内観察装置、３１記憶装置、３２画像処理手段、
４２箱体、４３駆動手段、４３ｍモータ、
４３ｇ歯車、４４炉、４４ａ炉内、
５０冷却ガス供給装置、５１広域冷却手段、５２局所冷却手段（エアチューブ）、
５３，５５連通孔、５７小空間、５８遮蔽部材

Claims

炉内に挿入される箱体と、該箱体の内部に配置される撮像装置とを備え、前記箱体の壁面に設けられた窓部を通して、前記撮像装置が炉内を観察するように構成された炉内観察装置であって、
前記箱体内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置を備え、
前記箱体は、前記窓部の周縁部を支持する窓支持部を有し、
該窓支持部および前記窓部の少なくともいずれかにより、冷却ガス抜き孔が形成され、該冷却ガス抜き孔を通して、前記箱体内から前記箱体外部の炉内へ冷却ガスが流出するようになっており、
前記冷却ガス抜き孔は、前記窓部の外周面の近傍に位置しており、これにより、冷却ガスは、前記窓部の外周面の少なくとも一部と前記冷却ガス抜き孔の両方を通過することで前記炉内へ流出するようになっており、
さらに、箱体内側に形成された開口と該開口と連通する炉内側に形成された開口との間で壁の厚み方向に前記窓部が移動自在に嵌合する前記窓支持部と、
前記炉内と反対側を向く面が前記箱体内側に形成された前記開口より大きい平面である板状の前記窓部と、により構成される弁構造を備え、
前記弁構造は、箱体内の圧力が炉内の圧力よりも高いときに、前記箱体内の圧力により前記窓部を炉内側へ押し付け、前記冷却ガスが前記冷却ガス抜き孔を通して箱体内から炉内へ流れることを可能とし、
前記炉内の圧力が箱体内の圧力より高いときに、前記炉内の圧力により前記窓部を箱体内側へ押し付け、前記窓部の前記炉内と反対側を向く面で前記箱体内側に形成された前記開口を塞ぐことにより前記炉内のガスが、前記冷却ガス抜き孔を通して炉内から箱体内へ流れることを阻止する、ことを特徴とする炉内観察装置。
前記冷却ガス供給装置は、前記撮像装置に冷却ガスを噴出することで、該撮像装置を局所的に冷却する局所冷却手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の炉内観察装置。
前記冷却ガス供給装置は、前記箱体の一端部において箱体内に冷却ガスを供給する広域冷却手段を有し、
前記箱体内の他端部には、連通孔が形成され、該連通孔を通して、前記箱体内から前記炉内へ冷却ガスが流出するようになっており、
さらに、箱体内において、前記連通孔から間隔を置いて該連通孔を覆う遮蔽部材が設けられ、
前記間隔は、炉内から箱体内へ輻射光が直接的に入らないように設定されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の炉内観察装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の炉内観察装置を使用した炉内観察方法であって、１０００℃以上の炉内にて前記箱体内に冷却ガスを供給しながら炉内を観察することを特徴とする炉内観察方法。