JP5521715B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温の耐火レンガのレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、より詳細には、耐火レンガからなる構造物を高温環境化で補修する技術に関する。
に関する。

耐火レンガは、種々の炉等の構造物に使用されているが、耐火物の劣化に伴い、高温環境下で耐火レンガの加工が要求される場合がある。一例として、石炭を乾留するコークス炉の壁面を熱間で補修するための加工が挙げられる。

コークス炉は、炉を加熱するための燃焼室とコークスを生成する炭化室とに分かれており、壁面には耐火レンガが使用されている。炉の長年の使用により、耐火レンガには表面損傷や亀裂、ついには炭化室から燃焼室まで貫通するような破孔が発生する。特に、破孔が発生すると、挿入した石炭が燃焼室にこぼれ落ちて燃焼ガスの供給ポートを閉塞させたり、炭化室からコークスガスが燃焼室に流入して不完全燃焼を起こし、黒煙を発生させたりする原因となる。

炉壁の耐火レンガは６００℃付近で熱膨張率が急激に変化するため、炉をこの温度以下に冷却すると、熱衝撃により炉壁全体へ損傷を与える場合がある。このため、炉壁の補修は、７００℃から操業温度である１０００℃にかけての高温環境下で行うことが望ましい。高温でレンガを加工する方法として、レーザによる方法が着目されている。レーザ加工は切削加工等の機械的な加工と比較して機械的な応力が発生しないため、破孔周辺の正常な炉壁部の強度に影響を与えることなく安全に整形を行えるという利点がある。

ここで、コークス炉は、原料であるコークスの乾留完了後に、一方向にコークスを押し出すので、炉壁に売り返し応力がかかる。このため、強度の弱い目地に沿うように耐火レンガ壁面に亀裂が入りやすい。このとき、耐火レンガは交互に積層されているので、例えば図１０に示すように、亀裂は、耐火レンガ１０の幅（ｘ方向）の約１／２の位置に入りやすい。このように亀裂が入った状態が長く継続すると、亀裂が奥まで進展し、強度が弱くなった部位が破壊され、耐火レンガ炉壁に穴（破孔Ｈ）が生じる。

本願発明者らは、このような破孔Ｈを模擬的に発生させる実験を行った。その結果、炭化室側から押されて破孔Ｈが生ずるときに、耐火レンガ１０同士の接触面に形成された凸部であるダボの抜け方が、加重が掛る上下方向（ｚ方向）と、加重がなく比較的拘束の弱い左右方向（ｘ方向）とでは、破孔Ｈの形状が異なることが判明した。

すなわち、破孔Ｈの左右方向については、加重が掛らないため、左右に広がる変形が可能であり、また、約１／２の位置に亀裂の生じた耐火レンガ１０の片方にはダボがないため、他の耐火レンガ１０との引っかかりも少ないことからダボごと抜けることができる。このため、例えば図１１に示すように、耐火レンガ１０は、目地に沿ってきれいに破壊される。一方、破孔の上下方向については、加重による拘束が強く働くため変形し難い。また、両側にダボがあるため、ダボが抜ける際に、周囲（上下の連結部）も一緒に破壊しながら破孔する。このため、例えば図１２に示すように、耐火レンガ１０の燃焼室側は、テーパー状の断面（符号１０ａ、テーパー部ともいう。）となる。

このような破孔Ｈが生じた耐火レンガ炉壁は、例えば、破孔部に耐火レンガをはめ込み、その周辺を溶射固定することにより補修される。このとき、補修用のはめ込み耐火レンガの設置範囲を広くすることにより、その設置を容易にかつ安定したものとすることができる。例えば特許文献１には、図１３に示すように、破孔Ｈの周囲の耐火レンガ１０を整形切断した後、はめ込み耐火レンガ１１をはめ込み、溶射固定する方法が開示されている。

特開２００８−１４３９６６号公報

ここで、破孔Ｈ周辺のレーザ整形切断は、切断時間の短縮を考慮して、図１０のラインＬ１〜Ｌ４で表される切断ラインに沿って行われる。ここで、上下２本の切断ラインＬ１、Ｌ３では、図１２に示したテーパー部１０ａを切断することになり、当初の厚みよりも薄くなっている耐火レンガ１０を切断することになる。しかし、耐火レンガ炉壁の裏面（燃焼室側）がテーパー状に破壊されているため、レーザ光を照射する耐火レンガ炉壁の表面（炭化室側）からは切断位置の厚みを認識することができない。

また、切断ラインＬ２、Ｌ４にも亀裂が入っていることを考慮すると、かかる位置での耐火レンガ１０の切断は、亀裂の生じていない耐火レンガ１０よりも容易に行うことができると考えられる。すなわち、レーザ切断における耐火レンガ１０の実効厚みは、見た目の耐火レンガ１０の厚みより小さいといえる。しかし、このような亀裂導入による実効厚みが不明であるため、どの程度耐火レンガ１０の切断が容易になっているかを知ることができない。

一方、コークス炉は、図１４に示すように、炭化室と燃焼室とが交互に並んだ構造であり、破孔Ｈ周辺を整形切断する場合、切断対象となる炉壁（例えば、図１４では炉壁１Ｂ）の奥には、破孔Ｈの生じていない正常な炉壁（１Ｃ）が存在する。整形切断する際に、あまりに過剰な出力強度でレーザ光を炉壁に照射すると、切断対象の炉壁を貫通させることはできるが、余剰レーザが正常な炉壁を照射してしまいダメージをあたえることになる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、耐火レンガ炉壁を切断する切断位置における耐火レンガの厚みを推定して、推定結果に基づいて切断時のレーザ光の出力強度を設定することで、他の炉壁に損傷を与えることを防止することが可能な、新規かつ改良されたレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガ炉壁に生じた破孔部を熱間で補修する際に、耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射して、破孔部の周囲を整形切断するレーザ加工装置が提供される。かかるレーザ加工装置は、耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度を測定する発光強度測定部と、発光強度測定部の測定結果に基づいて、耐火レンガ炉壁のレーザ切断条件に応じてレーザ照射部を制御する制御部と、を備え、制御部は、予め設定された耐火レンガの厚みに対するレーザ切断条件を記憶するレーザ情報記憶部と、破孔部の周囲を整形切断する前に、耐火レンガ炉壁を切断する切断ライン上の任意の位置において耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を予備照射して、予備照射時の耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度に基づいて耐火レンガの残存厚みを推定し、推定結果に基づきレーザ情報記憶部を参照して、耐火レンガ炉壁の整形切断時におけるレーザ切断条件を決定する加工条件決定処理部と、加工条件決定処理部により決定されたレーザ切断条件に基づいて、レーザ照射部のレーザ光の出力強度およびレーザ照射部の移動速度を制御する駆動制御部と、を有することを特徴とする。

レーザ情報記憶部は、耐火レンガにレーザ光を連続照射させたときの、耐火レンガの厚みと、当該耐火レンガが貫通するまでのレーザ光の照射時間との関係を記憶し、加工条件決定処理部は、耐火レンガ炉壁表面へのレーザ光の照射開始から当該耐火レンガ炉壁が貫通するまでの照射時間に基づいて、残存厚みを推定してもよい。

また、レーザ情報記憶部は、耐火レンガにレーザパルスを照射させたときの、耐火レンガの厚みと、当該耐火レンガが貫通するまでのレーザパルスの照射回数との関係を記憶し、加工条件決定処理部は、耐火レンガ炉壁が貫通するまでのレーザパルスの照射回数に基づいて、残存厚みを推定してもよい。駆動制御部は、発光強度測定部により測定された耐火レンガ表面の発光強度が所定値以下となったとき、耐火レンガが貫通したと判定してもよい。

耐火レンガ炉壁の整形切断時におけるレーザ切断条件は、加工条件決定処理部により推定される残存厚みを有する耐火レンガ炉壁を貫通可能であり、かつ当該耐火レンガ炉壁裏面側に隣接する耐火レンガ炉壁表面に到達しないように設定することができる。

加工条件決定処理部は、切断ライン上の複数の位置において、レーザ光を予備照射して、耐火レンガの残存厚みを推定するようにしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガ炉壁に生じた破孔部を熱間で補修する際に、耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射して、破孔部の周囲をレーザ加工装置により整形切断するレーザ加工方法が提供される。かかるレーザ加工方法は、レーザ照射部により耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、発光強度測定部により、耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度を測定する発光強度測定ステップと、発光強度測定部による測定結果に基づいて、耐火レンガ炉壁のレーザ切断条件に応じてレーザ照射部を制御する制御ステップと、を含み、制御ステップは、破孔部の周囲を整形切断する前に、耐火レンガ炉壁を切断する切断ライン上の任意の位置において耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を予備照射する予備照射ステップと、予備照射時の耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度に基づいて、耐火レンガの残存厚みを推定する残存厚み推定ステップと、推定結果に基づいて、予め設定された耐火レンガの厚みに対するレーザ切断条件を記憶するレーザ情報記憶部を参照して、耐火レンガ炉壁の整形切断時におけるレーザ切断条件を決定する加工条件決定ステップと、決定されたレーザ切断条件に基づいて、レーザ照射部のレーザ光の出力強度およびレーザ照射部の移動速度を制御する駆動制御ステップと、を有することを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、耐火レンガ炉壁を切断する切断位置における耐火レンガの厚みを推定して、推定結果に基づいて切断時のレーザ光の出力強度を設定することで、他の炉壁に損傷を与えることを防止することが可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す説明図である。 同実施形態に係るレーザ加工装置の機能構成を示すブロック図である。 同実施形態に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を示すフローチャートである。 耐火レンガ炉壁を炭化室側から見たときの破孔および切断ラインを示す説明図である。 レーザ光の出力と、耐火レンガ表面からの発光強度との関係を示すグラフである。 耐火レンガの厚みと貫通までのレーザ光の照射時間との関係を示すグラフである。 レーザパルスを耐火レンガに照射したときの、照射回数と、照射点における耐火レンガ表面の発光強度の平均値との関係を示すグラフである。 耐火レンガを貫通させるために必要なレーザパルスの照射回数と、レンガ厚みとの関係を示すグラフである。 レーザ加工における適正なレーザ切断条件を決定するための実験の概略を示す説明図である。 耐火レンガ炉壁を炭化室側から見たときの破孔を示す説明図である。 図１０のＩ‐Ｉ切断線における部分断面部である。 図１０のＩＩ‐ＩＩ切断線における部分断面部である。 破孔部にレンガをはめ込み、その周辺を溶射固定する耐火レンガ炉壁の補修方法を示す説明図である。 レーザ加工装置によるコークス炉壁の加工作業を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．レーザ加工装置の構成＞
まず、図１および図２に基づいて、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成を示す説明図である。図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の機能構成を示すブロック図である。

［装置構成］
まず、図１に基づいて、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の装置構成について説明する。本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、図１に示すように、レーザ光を照射するレーザ照射装置１１０と、レーザ加工装置１００を制御する制御装置１２０とを備える。

レーザ照射装置１１０は、被加工物である耐火レンガ炉壁に対してレーザ光を照射する装置であって、図１のレーザ光出力部Ｕ０と、レーザ加工ヘッド部Ｕ１と、加工観察部Ｕ２とからなる。

レーザ光出力部Ｕ０は、制御装置１２０からの照射指示に基づいて、光ファイバ１１１を介してレーザ加工ヘッド部Ｕ１へレーザ光を出力する。本実施形態に係るレーザ照射装置１１０のレーザの種類は特に問わないが、例えばファイバレーザやＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザを用いることができる。以下では、ファイバレーザを用いる場合について説明する。

レーザ加工ヘッド部Ｕ１は、耐火レンガ炉壁に対してレーザ光を出力するユニットであり、コリメータヘッド１１２、反射ミラー１１３、および集光レンズ１１４から構成される。光ファイバ１１１を介してレーザ光出力部Ｕ０から入力されたレーザ光は、コリメータヘッド１１２により平行ビーム５に変換される。平行ビーム５は、反射ミラー１１３で反射され、集光レンズ１１４で集光された後、透過ウィンドウ１１５および加工アシストエアを噴射する加工ノズル１１６を通過して、高温の耐火レンガ１０の加工位置１５に照射される。

加工観察部Ｕ２は、レーザ加工の状態を観察するユニットであって、発光強度測定器１１７、レンズ１１８、および光学フィルタ１１９から構成される。加工観察部Ｕ２は、反射ミラー１１３の後方（反射ミラー１１３に対して集光レンズ１１４と反対側）に設けられている。発光強度測定器１１７は、レーザ光と同軸後方から、レーザ照射点の発光強度を計測する機器であって、例えばＣＣＤカメラやフォトダイオードを用いることができる。以下では、発光強度測定器１１７としてＣＣＤカメラを用いる場合について説明する。この場合、レーザ加工の状態（例えば、加工の進行具合等）の評価には、レーザ照射点の発光の平均値を発光強度として用いるのがよい。

レンズ１１８は、ＣＣＤカメラのレンズである。また、光学フィルタ１１９は、加工に用いるレーザの波長を遮断するとともに、発光点の輝度を減光するフィルタである。光学フィルタ１１９は、レーザ照射点の発光強度を測定する際に、加工に使用されているレーザ自体の光が測定に影響を及ぼすことを防止するため、そして、発光輝度によりＣＣＤカメラのゲインの飽和を防止するために設けられる。加工観察部Ｕ２の発光強度測定器１１７は、ケーブルにより制御装置１２０と接続されている。ＣＣＤカメラを用いて発光輝度を計測する方法としては、予め発光輝度のしきい値を設定しておき、計測時にしきい値以上の輝度情報をもつＣＣＤカメラセルの輝度値のみを積分する方法などを用いることができる。

レーザ照射装置１１０のレーザ加工ヘッド部Ｕ１および加工観察部Ｕ２は、高温となっている耐火レンガ１０の熱輻射の影響を軽減するため、水冷機構（図示せず。）を備えた断熱冷却ボックス１０５に収容されていることが好ましい。このとき、断熱冷却ボックス１０５内にはパージガスが供給される。また、断熱冷却ボックス１０５は、マニピュレータ（図１４の符号１０６）によって上下左右に移動可能に設けられている。

制御装置１２０は、レーザ照射装置１１０の加工観察部Ｕ２の発光強度測定器１１７からの入力情報に基づいて、耐火レンガ１０に照射するレーザ光の出力強度を決定し、レーザ照射装置１１０のレーザ光出力部Ｕ０へ照射指示を行う。また、制御装置１２０は、レーザ照射装置１１０を移動させる移動機構の制御も行う。制御装置１２０の機能構成については、後述する。

［機能構成］
次に、図２に基づいて、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の機能構成について説明する。レーザ加工装置１００は、切断位置決定装置２２０により決定された切断ラインに基づいて、耐火レンガ炉壁を切断する。破孔検出装置２１０により耐火レンガ炉壁に破孔Ｈが検出されると、切断位置決定装置２２０は、破孔Ｈを塞ぐ補修をするため、破孔Ｈの周辺を整形切断する切断ラインを決定し、レーザ加工装置１００へ出力する。レーザ加工装置１００は、図２に示すように、レーザ照射装置１１０と、制御装置１２０と、レーザ照射装置１１０を移動させる移動機構１３０とを備える。

レーザ照射装置１１０は、制御装置１２０からの照射指示に基づいて、被加工物に対してレーザ光を照射する装置であり、図１に示したように構成されている。レーザ照射装置１１０は、発光強度測定器１１７により、レーザ加工の状態を評価する値として、レーザ照射点における発光強度を制御装置１２０へ出力する。

制御装置１２０は、図２に示すように、位置制御部１２１と、照射制御部１２２と、出力強度決定処理部１２３と、レーザ情報記憶部１２４と備える。位置制御部１２１および照射制御部１２２は、移動機構１３０およびレーザ照射装置１１０を駆動制御する駆動制御部である。また、出力強度決定処理部１２３は、耐火レンガ炉壁を整形切断する前に、予備加工を実施して、整形切断時のレーザによる切断条件を決定する加工条件決定処理部である。

位置制御部１２１は、レーザ照射装置１１０を移動させる移動機構１３０を制御する。位置制御部１２１は、被加工物の加工位置に応じてレーザ照射装置１１０を移動させる移動機構１３０、例えばマニピュレータ（図１４の符号１０６）を制御する。そして、位置制御部１２１は、移動機構１３０の駆動情報を受けて、レーザ照射装置１１０の位置を認識し、次の移動機構１３０の駆動制御に利用する。

照射制御部１２２は、レーザ照射装置１１０へレーザ光の照射指示を行う。例えば、照射制御部１２２は、出力強度決定処理部１２３の指示に基づいて、耐火レンガ１０を加工する際のレーザ光の出力強度を決定する予備照射を行うための照射指示をレーザ照射装置１１０に行う。また、照射制御部１２２は、切断位置決定装置２２０により決定された被加工物の加工位置（切断ライン）に従って、出力強度決定処理部１２３により決定された出力強度でレーザ光を出力するようレーザ照射装置１１０に指示する。

また、照射制御部１２２には、発光強度測定器１１７から測定結果（例えば、レーザ照射点における発光強度）が入力される。照射制御部１２２は、発光強度測定器１１７の測定結果より、耐火レンガ１０が貫通したか否かを判定することができ、また、正常に耐火レンガ１０の加工が行われているか否かを判断することができる。なお、予備照射時は、照射制御部１２２は、入力された発光強度測定器１１７の測定結果を、出力強度決定処理部１２３へ出力する。

出力強度決定処理部１２３は、耐火レンガ炉壁を整形切断する前に、予備加工を実施して、整形切断時のレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）を決定する。出力強度決定処理部１２３は、出力強度決定部１２３１と、タイマー部１２３２と、カウント部１２３３とを備える。

出力強度決定部１２３１は、予備照射による耐火レンガ炉壁のレーザ加工の状態に基づいて、整形切断時のレーザ光の出力強度を決定する。出力強度決定部１２３１は、切断ライン上の任意の位置において、耐火レンガ１０が貫通するまでレーザを照射する予備加工を行う。そして、出力強度決定部１２３１は、例えば、予備加工におけるレーザの照射時間をタイマー部１２３２から取得し、あるいは、予備加工におけるレーザパルスの照射回数をカウント部１２３３から取得する。そして、出力強度決定部１２３１は、後述するレーザ情報記憶部１２４を参照して、取得した値に基づき、整形切断時における適切なレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）を決定する。この際、出力強度決定部１２３１は、予備加工のための照射指示を照射制御部１２２へ出力し、発光強度測定器１１７の検出結果を照射制御部１２２から受け取る。

タイマー部１２３２は、出力強度決定部１２３１の測定開始指示に従って経過時間の測定を開始し、測定停止指示に従って測定を停止して、測定した経過時間を出力強度決定部１２３１へ通知する。本実施形態では、タイマー部１２３２予備加工において、耐火レンガ１０へのレーザ照射開始時点から耐火レンガ１０が貫通するまでの時間を測定する。また、カウント部１２３３は、出力強度決定部１２３１のカウント開始指示に従ってレーザパルスの照射回数のカウントを開始し、カウント停止指示に従ってカウントを停止して、カウント数を出力強度決定部１２３１へ通知する。本実施形態では、カウント部１２３３予備加工において、耐火レンガ１０が貫通するまでに照射されたレーザパルス数を測定する。なお、出力強度決定処理部１２３は、タイマー部１２３２またはカウント部１２３３のうち少なくともいずれか一方を備えていればよい。

レーザ情報記憶部１２４は、予め取得された予備照射の結果と耐火レンガの厚みとの関係を記憶する。レーザ情報記憶部１２４は、例えば、後述する図６または図８のような予備照射の結果と耐火レンガの厚みとの関係を記憶している。図６および図８は後述の実施例と同じレーザ出力、集光スポット径、アシストエア条件で、実施例の切断と同様に高温（１０００℃）の状態の耐火レンガを切断して得たものである。かかる情報は、図９に基づいて後述する実験により予め取得され、レーザ情報記憶部１２４に記憶されている。このような情報は、照射制御部１２２や出力強度決定処理部１２３により参照され、正常にレーザ加工が行われているかの判断や、整形切断時のレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）の決定に用いられる。

このようなレーザ加工装置１００によって加工するコークス炉の耐火レンガ炉壁は、長期間にわたる使用によって、耐火レンガ表面が部分的に約１０ｍｍ以上の深さで摩耗や欠落損傷している場合が多く、レーザ整形する場合において、切断対象となる耐火レンガの厚みが必ずしも一定ではない。また、レンガ表面には、コークスの製造過程でカーボンが付着している部位が存在し、当該部位ではレーザ光の吸収状態が無垢のレンガ表面とは異なるため、カーボンの付着の有無に応じてレーザ加工速度（切断可能速度）が異なる。ここで、一定の厚みの材料を切断する従来のレーザ切断であれば、予め定めたレーザ出力やレーザ集光条件、レーザ操作速度等を精緻に設定することで、被切断材料の裏面から透過する過剰なレーザ出力を極力小さくする所望のレーザ条件を設定することが可能である。

しかし、上述したように、残存厚みが部位により異なり、かつ残存厚みが不明である耐火レンガの切断においては、一定の切断条件を設定するだけではレーザ光が耐火レンガの裏面に透過する状態が切断部位に応じて常に変化するため、裏面を透過するレーザ出力を抑制することができない。すなわち、切断裏面から透過する過剰なレーザ出力を低く抑えるための、一定のレーザ切断条件が存在しない。そこで、本実施形態に係るレーザ加工装置１００では、整形切断前に、予備加工により切断位置における耐火レンガの残存厚みを推定して整形切断時のレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）を決定する。これにより、整形切断において、耐火レンガ後方へ透過する過剰なレーザ出力を極力低下させることができる。

＜２．レーザ加工方法＞
以下、図３に基づいて、本実施形態に係るレーザ加工装置１００を用いたレーザ加工方法について説明する。なお、図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００を用いたレーザ加工方法を示すフローチャートである。

レーザ加工装置１００によるレーザ加工を開始する前に、レーザによる切断位置を決定する。本実施形態では、耐火レンガ炉壁の破孔Ｈの周囲を整形するためにレーザ加工装置１００による切断が行われる。このため、まず、破孔検出装置２１０により、耐火レンガ炉壁の表面をスキャンして（ステップＳ１００）、当該炉壁に生じた破孔Ｈを検出する（ステップＳ１１０）。破孔検出装置２１０は、破孔Ｈが検出されない間は、炉壁のスキャンを継続する。

一方、破孔検出装置２１０により、例えば図４に示すような破孔Ｈが検出されると、切断位置決定装置２２０は、耐火レンガ炉壁の切断地位を決定する（ステップＳ１２０）。切断位置は、はめ込みレンガの形状等に基づき、破孔Ｈをその内部におおよそ含むような切断ラインにより特定することができる。例えば図４に示すように、ｚ方向（上下方向）については破孔Ｈの破断面と略同一位置を切断位置し、またｘ方向（左右方向）については耐火レンガ１０のｚ方向における中間位置を切断位置とすることで、切断ラインＬ１、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３、Ｌ４１、Ｌ４２からなる略矩形状の切断位置を設定することができる。切断位置決定装置２２０により耐火レンガ炉壁の切断位置が決定されると、耐火レンガ炉壁の切断位置がレーザ加工装置１００に通知され、レーザ加工装置１００による整形切断が開始される。

本実施形態に係るレーザ加工では、耐火レンガ炉壁を整形切断する前に、整形切断時のレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）を決定する予備加工が行われる（ステップＳ１３０）。予備加工は、整形切断時に、切断位置における耐火レンガ１０を確実に切断でき、かつ、レーザ加工装置１００からみて加工対象である耐火レンガ炉壁の奥にある他の耐火レンガには到達しない程度のレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）を決定する。具体的には、レーザ加工装置１００は、切断位置の耐火レンガの残存厚みを推定し、レーザ情報記憶部１２４を参照して、推定した残存厚みを有する耐火レンガ１０を切断する適正なレーザ出力および切断速度を決定する。

切断位置における耐火レンガ１０の残存厚みの推定は、例えば、耐火レンガ１０へのレーザ光照射開始から耐火レンガ１０を貫通するまでに要した時間や、耐火レンガ１０を貫通させるまでに出力したレーザパルスの照射回数に基づいて行うことができる。

まず、耐火レンガ１０の残存厚みを推定するためには、耐火レンガ１０の貫通したことを検知することが必要である。例えば、レーザ光の照射による耐火レンガ表面からの発光強度より特定することができる。ここで、図５に、レーザ光の出力と、耐火レンガ表面からの発光強度との関係を示す。

レーザ光が耐火レンガ１０に照射されると、耐火レンガ表面近傍でレーザ光が吸収されて、耐火レンガ表面の温度が上昇し、溶融あるいは蒸発温度に到達する。この間、レーザ光照射点近傍の発光は、該当部の温度上昇に伴い、発光強度を増加させ、図５の期間Ｔ１のように発光強度は変化する。その後、レーザ光の照射を継続することにより、耐火レンガ１０の厚み方向への掘削が進行するが、かかる期間Ｔ２では、耐火レンガ表面では主に掘削中の穴底部からの発光が観測されるので、図５に示すように、発光強度は略一定の値で推移する。

そして、レーザ光が耐火レンガ１０の裏面に到達し、耐火レンガ１０に貫通孔が生じると、レーザ光照射により加熱される部位が貫通孔の周囲部のみに減少するため、耐火レンガ表面の発光強度が急減する（期間Ｔ３）。その後はレーザ光の照射を継続しても、切断カーフ周囲の加熱による発光強度の弱い状態となる（期間Ｔ４）。このような耐火レンガ表面からの発光強度の変化に基づき、耐火レンガ１０が貫通した時点を特定することができる。

かかる技術を用いて、例えば、レーザ光の照射開始から耐火レンガ１０が貫通するまでの時間（照射時間）を測定することが可能となる。ここで、レーザ光の出力強度を一定にした場合、一般に、耐火レンガ１０の厚みが大きい程、耐火レンガ１０を貫通させるためのレーザ光の照射時間は長くなる。例えば、レーザ出力を１０ｋＷ、集光径を０．５ｍｍとしたときの耐火レンガ１０の厚みと貫通までのレーザ光の照射時間との間には、図６に示すような略比例関係がある。かかる関係より、耐火レンガ１０を貫通させるまでのレーザ光の照射時間より、耐火レンガ１０の残存厚みを推定することが可能となる。

また、例えば、予備加工において、レーザパルスを耐火レンガ１０に照射し、レーザ照射開始から耐火レンガ１０が貫通するまでの照射回数を測定することも可能となる。耐火レンガに照射されたレーザパルスの照射回数が増加する程、耐火レンガ１０の掘削は進行する。そして、耐火レンガ表面の発光強度より、耐火レンガ１０が貫通したことを検出することができる。例えば、レーザパルスを耐火レンガ１０に照射したときの、照射回数と、照射点における耐火レンガ表面の発光強度の平均値との関係を図７に示す。ここでは、レーザ出力１０ｋＷのレーザパルスを、レーザパルス時間３０ｍｓｅｃで繰り返し照射した。図７に示すように、レーザパルス照射回数が２５回までは略一定の発光強度が検出されていたが、２５回を過ぎると発光強度が急減した。図５に示した加工状態とレーザの発光強度との関係より、２５回レーザパルスを照射したとことで、耐火レンガ１０が貫通したことがわかる。

このように、耐火レンガ１０を貫通させるために必要なレーザパルスの照射回数と、レンガ厚みとの関係を調べると、図８に示すように比例関係があることがわかった。耐火レンガ１０の厚みが大きくなるにつれてレーザパルスの照射回数も増加する。また、図８より、１回のレーザパルス照射で加工される耐火レンガ１０の深さは約３．０ｍｍであることがわかった。したがって、耐火レンガ１０を貫通されるまでに照射されたレーザパルスの照射回数を測定することで、耐火レンガ１０の残存厚みを推定することが可能となる。

図３の説明に戻り、ステップＳ１３０の予備加工は、切断位置の通知を受けたレーザ加工装置１００の照射制御部１２２が、出力強度決定処理部１２３に対して整形切断時のレーザによる切断条件（出力強度および切断速度）の決定処理の開始を指示することにより開始される。照射制御部１２３は、耐火レンガ１０に対して、予め設定された予備加工時における所定のレーザ出力（例えば１０ｋＷ）で、レーザを連続照射、あるいはパルス照射するよう照射制御部１２２に指示する。

照射制御部１２２は、レーザ照射装置１１０を駆動して、照射位置の耐火レンガ１０が貫通するまで耐火レンガ１０に対してレーザを照射する。このとき、出力強度決定処理部１２３では、レーザを連続照射する場合にはタイマー部１２３２により照射時間を測定し、レーザをパルス照射する場合にはカウント部１２３３により照射回数を測定する。そして、発光強度測定器１１７により測定される耐火レンガ表面の発光強度が所定値以下となったとき、照射制御部１２２は耐火レンガ１０が貫通したと判定し、出力強度決定処理部１２３に判定結果を通知する。耐火レンガ１０の貫通の通知を受けた出力強度決定処理部１２３の出力強度決定部１２３１は、耐火レンガ１０が貫通するまでの照射時間をタイマー部１２３２から取得し、あるいは、耐火レンガ１０が貫通するまでの照射回数をカウント部１２３３３から取得する。

出力強度決定部１２３１は、取得した照射時間に基づいて、レーザ情報記憶部１２４に予め記憶されているレーザの照射時間と推定されるレンガ厚みとの関係より、レーザの予備加工位置における耐火レンガ１０の残存厚みを推定する。照射回数を取得した場合には、出力強度決定部１２３１は、レーザ情報記憶部１２４に予め記憶されているレーザの照射回数と推定されるレンガ厚みとの関係より、レーザの予備加工位置における耐火レンガ１０の残存厚みを推定することができる。

そして、出力強度決定部１２３１は、推定された残存厚みの耐火レンガ１０を整形切断するときの適正なレーザ切断条件（レーザ出力、切断速度）を決定する。レンガ厚みとレーザ切断条件との関係については、予めレーザ情報記憶部１２４に記憶されており、出力強度決定部１２３１は、推定したレンガ厚みに関連付けられたレーザ切断条件をレーザ情報記憶部１２４から取得して、整形切断時のレーザ切断条件を決定することができる。

［レーザ切断条件の設定］
ここで、適正なレーザ切断条件の設定方法の一例を説明する。レーザ加工における適正なレーザ切断条件は、図９に示す装置を用いて実験的に決定することができる。まず、加熱炉３００中に切断用レンガ（切断試験レンガ１２）を設置し、加熱炉３００を約１０００℃まで加熱した。加熱温度は、実炉における耐火レンガ切断時の温度に近い温度とする。例えば、実炉が１０００℃に加熱される場合には、実験においては加熱炉３００の温度を約７００〜１３００℃の範囲に設定すればよく、これにより、実炉と同等の切断性で検証することができる。

次いで、加熱炉３００の前後の扉２０１、２０２を開放し、前面からレーザ光を照射し、後面にレーザ出力計を設置して後方でのレーザ出力を計測した。当該実験では、レーザ出力１０ｋＷを連続出力し、レーザ集光径を０．５ｍｍとして切断試験レンガ１２の表面に集光焦点が位置するように焦点位置を調整した。このとき、ノズル先端からは２００Ｌ／分でドライエアを噴射させて切断を行った。

このような条件においてレーザ加工ヘッド部Ｕ１を速度Ｖ（ｍｍ／分）で移動させて、切断時に切断試験レンガ１２の裏面で観測されるレーザ出力を計測した。このとき、切断試験レンガ１２裏面のレーザ出力計も、レーザ加工ヘッド部Ｕ１と同期して移動させて、レーザ出力を計測した。

本実験では、過剰でないレーザ切断条件を、隣接する耐火レンガ炉壁に損傷を与えないこととした。すなわち、切断試験レンガ１２の裏面のレーザ出力計による計測値が１ｋＷ以下の条件を適正なレーザ切断条件として設定した。そして、切断試験レンガ１２の厚みを２０ｍｍから１５０ｍｍまで、１０ｍｍずつ変化させて、レーザ出力計による計測値（すなわち、切断試験レンガ１２の裏面からのレーザの透過出力）が１ｋＷ以下となる切断速度Ｖを決定した。

このようにして、切断試験レンガ１２の厚みに対して、レンガ裏面に透過してくる過剰出力の値が１ｋＷ以下となる条件が取得されると、これらはレーザ切断条件としてレーザ情報記憶部１２４に記録される。出力強度決定部１２３１は、レーザ情報記憶部１２４に記憶されたレンガ厚みとレーザ切断条件との関係を表すテーブルに基づき、整形切断時のレーザ切断条件を決定することができる。

レーザ切断条件は、レーザ出力（ｋＷ）、レーザ集光径（ｍｍφ）、レーザ移動速度（ｍｍ／分）、ノズルの口径およびエア噴射量（Ｌ／分）の４つの基本パラメータによって決定される。ここで、レーザ集光径やエア噴射量が同一であっても、レーザ出力とレーザ移動速度との組み合わせは無限に存在する。無限にあるレーザ出力とレーザ移動速度との組み合わせから１つの組合せを決定するため、例えば、生産性を高めることについて考慮すると、レーザ移動速度を極力速くするという条件を設定することができる。かかる条件は、切断対象のレンガ厚みを固定値として耐火レンガを切断する場合、レーザ出力が高いほど、レーザ移動速度を速めて切断することができることに基づく。本実験では、レーザ出力を最大（例えば、１０ｋＷ）に設定してレーザ切断条件を決定することで、レーザ移動速度をより速めている。レーザ移動速度を速めると、切断可能な厚みに対し、裏面に透過してくる過剰出力を減少することができるので、切断位置のレンガ厚みに応じてレーザ移動速度を決定すればよい。

しかし、あまりにレーザ移動速度を速くすると、過剰出力は小さくなるが、安定した切断ができなくなる。そこで、レーザ移動速度の適正範囲は、裏面過剰出力が１ｋＷ以下となる速度Ｖ_１よりも大きく、当該レンガ厚みでの安定切断可能な最大速度Ｖ_２以下とすることができる。すなわち、
Ｖ_１＜Ｖ≦Ｖ_２
となる。実用上は、例えばレーザ移動速度をＶ_２に設定するようにしてもよい。

また、残存レンガ厚みがあまり薄くなると、レーザ出力を１０ｋＷと一定にした条件下では、裏面への過剰出力を１ｋＷ以下とするには要求されるレーザ移動速度が速くなり過ぎてしまい、移動機構のハード上の制約が発生し、要求されるレーザ移動速度に設定できない可能性もある。この場合、レーザ情報記憶部１２４に、例えばレーザ出力を５ｋＷに落としたときの、各レンガ厚みに対するレーザ移動速度、裏面への過剰出力との関係を表すテーブルをさらに記憶させておき、残存レンガ厚みが所定値以下、例えば３０ｍｍ以下のときには、レーザ出力を１０ｋＷから５ｋＷに低下し、レーザ出力が５ｋＷの状態におけるレーザ切断条件を表すテーブルに基づき、裏面への過剰出力が１ｋＷ以下となるレーザ切断条件を決定すればよい。

なお、上述したレーザ切断条件の４つの基本パラメータのうち、レーザ出力やレーザ集光径等の条件が異なると、切断試験レンガ１２の裏面からのレーザの透過出力が１ｋＷ以下となる切断速度Ｖは異なってくる。この場合にも、上記と同様の方法によって適正なレーザ切断条件を決定することができる。

また、隣接する耐火レンガ炉壁への損傷は、耐火レンガの裏面から透過してくるレーザ出力と、隣接する耐火レンガ炉壁にレーザが照射されるときのレーザ光径（使用する集光レンズや隣接する耐火レンガ炉壁との距離によって決定される）、およびレーザ光の移動速度、すなわち切断速度によって決まる。例えば、焦点距離の短い集光レンズを用いると、切断する耐火レンガの裏面に透過するレーザの広がりは大きく、隣接する耐火レンガ炉壁表面でのレーザ出力密度（ｋＷ／ｃｍ^２）が小さくなり、隣接する耐火レンガ炉壁は加工され難くなる。すなわち、隣接する耐火レンガ炉壁の損傷は小さくなる。

なお、隣接する耐火レンガ炉壁に損傷を与えないレーザ切断条件の設定方法は、１つのレーザ加工装置における一例であって、レーザ加工装置の構成やコークス炉の構成の変化に応じて適宜変化するものである。

図３の説明に戻り、予備加工は、切断位置決定装置２００により決定された切断ライン上の１または２以上の位置において行われる。予備加工の複数点で行うことにより、切断ライン上における耐火レンガ１０の残存厚みが異なる場合にも、それぞれの厚みに応じて適正なレーザ切断条件で加工することができる。例えば、図４に示すように、切断ラインＬ１、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３、Ｌ４１、Ｌ４２が設定されている場合には、例えば、各ラインの両端位置に当たる点Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４や、各ラインの中間点等において予備加工を行い、耐火レンガ１０の残存厚みを推定してもよい。複数の位置で予備加工を行うことにより、切断ラインにおける耐火レンガ１０の厚みの変化を認識することも可能となり、整形切断時のレーザ切断条件をより精度よく設定することができる。

ステップＳ１３０により予備加工が行われ、耐火レンガ１０の整形切断時のレーザ切断条件が決定されると、照射制御部１２２は、決定されたレーザ切断条件で耐火レンガ１０を切断ラインに沿って切断するようレーザ照射装置１１０を制御する。このとき、レーザ照射装置１１０は、位置制御部１２１により制御される移動機構１３０により移動される。このようにして、耐火レンガ炉壁が切断位置で整形切断される（ステップＳ１４０）。

そして、照射制御部１２２は、切断ラインにおける耐火レンガ１０の整形切断が完了したか否かを判定し（ステップＳ１５０）、すべての切断ラインにおける耐火レンガ１０の整形切断が完了している場合には、レーザ加工処理を終了する。一方、すべての切断ラインにおける耐火レンガ１０の整形切断が完了していない場合には、ステップＳ１３０に戻り、予備加工（ステップＳ１３０）、耐火レンガ炉壁の整形切断（ステップＳ１４０）を繰り返す。なお、図３に示すレーザ加工処理では、１回の処理で切断する切断ライン毎に、予備加工および整形切断を繰り返したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、すべての切断ラインについて予備加工を行った後、耐火レンガ１０の整形切断をまとめて行ってもよい。

以上、本実施形態に係るレーザ加工装置１００とこれによるレーザ加工方法について説明した。本実施形態によれば、耐火レンガ炉壁に生じた破孔Ｈの周囲を整形切断する際に、まず、予備加工により切断位置における耐火レンガ１０の残存厚みを推定し、推定された残存厚みの耐火レンガ１０に対して適正なレーザ切断条件を決定する。そして、決定したレーザ切断条件に基づき耐火レンガ炉壁を切断することにより、過剰なレーザ出力で加工して、切断対象以外の耐火レンガ炉壁に損傷を与えてしまうことを防止できる。

＜３．実施例＞
本実施形態に係るレーザ加工装置１００により、耐火レンガ炉壁をレーザ加工し、その有効性について検証した。レーザ加工装置１００は、図１および図２に示した装置を用いた。レーザ加工装置１００による加工対象の耐火レンガ炉壁の温度は約１０００℃である。また、耐火レンガ炉壁は、図１４に示したように、炭化室と燃焼室とを交互に形成するように所定の間隔で設けられている。このとき、破孔Ｈの生じた加工対象の耐火レンガ炉壁１Ｂと約５００ｍｍの間隔を隔てて、隣接する窯の耐火レンガ炉壁１Ｃが存在している。

加工対象の耐火レンガ炉壁の破孔Ｈ周辺を炭化室側からみると、図４のようになっている。上述したように、破孔Ｈの形状は、ｚ方向（上下方向）における断面は略平行であるが、ｘ方向（左右方向）における断面はテーパー状となっている。すなわち、図４に示す切断ラインＬ１およびＬ３の線方向においては、元の耐火レンガの厚みよりも減肉して薄くなっている部分を切断することになる。

レーザ照射装置１１０としては、炉外に設置したファイバレーザを用い、レーザ光を光ファイバ１１１でレーザ加工ヘッド部Ｕ１に伝送した。断熱冷却ボックス全体をマニピュレータ１０６により上下左右に移動させて、レーザ光照射点を操作した。耐火レンガを切断する耐火レンガ炉壁の表面でのレーザ集光スポット径は０．５ｍｍとした。

まず、レーザヘッドを停止した状態で、切断ラインＬ１の略中間点にレーザヘッドを移動させ、耐火レンガ炉壁にレーザ出力１０ｋＷにてレーザ光を照射した。加工ノズル１１６からは、レーザ光と同軸にレーザ光照射部に向かって約２００Ｌ／ｍｉｎのドライエアを吹き付け、レーザ加工ヘッド部Ｕ１へのスパッタの飛散防止と、耐火レンガ炉壁の裏面から燃焼室へのレーザ光照射点付近におけるレンガ溶融物の排出とを行った。なお、本実施例では、耐火レンガを除去する加工法であり、溶融を効率的に行うために、レーザ光のパワー密度は１０００Ｗ／ｍｍ^２以上とすることが望ましい。

レーザ光照射点の発光強度測定には、レーザと同軸に設置された発光強度測定器１１７としてＣＣＤカメラを用いた。なお、発光強度測定器１１７としては、ＣＣＤカメラ以外にも、例えばフォトダイオード等を用いることができる。レーザ照射点の発光強度は、ＣＣＤカメラにより撮像された画像について、レーザ非照射時の輝度値を取り除くために予め設定された輝度閾値以上の輝度信号を検知したＣＣＤカメラセルの輝度値を積分したものとした。レーザ光照射開始から発光強度の変化は、図５に示した通りである。図５の期間Ｔが貫通時間となる。

ここで、レーザ加工装置１００のレーザ情報記憶部１２４には、図６に示した、予め事前に調査された耐火レンガが貫通するまでの時間とレンガ厚みとの関係が記憶されている。レーザ出力が同一である場合、耐火レンガが貫通するまでの時間はレンガ厚みに比例する。したがって、貫通時間をタイマー部１２３２で計測することで、レーザ照射位置における耐火レンガの残存厚みを推定することが可能となる。なお、レーザ出力が２ｋＷ以下では、耐火レンガの貫通可能深さが１００ｍｍ未満であった。したがって、１００ｍｍ以上の耐火レンガを切断する場合には、レーザ出力を２ｋＷ以上とすることが望ましい。

本実施例における耐火レンガの貫通時間Ｔは０．８０秒であった。これより、耐火レンガの残存厚みは７２ｍｍと推定される。そこで、レーザ加工ヘッド部Ｕ１を点Ｃ４へ移動させ、レーザ出力１０ｋＷで連続出力し、切断速度４０ｍｍ／分として、レーザ加工ヘッド部Ｕ１を点Ｃ１まで移動させ、破孔Ｈの周辺の切断ラインＬ１での切断を行った。その結果、切断ラインＬ１は不良部なく切断することができた。また、加工対象の耐火レンガ炉壁に隣接する耐火レンガ炉壁にレーザ光が照射されたことによる損傷も見受けられなかった。さらに切断後に切断面の厚みを計測したところ、切断したレンガの厚みは７２ｍｍ±２ｍｍの範囲であり、本実施形態に係る方法による残存厚推定が有効であることが確認された。

次に、切断ラインＬ１の終点Ｃ１においてレーザ出力およびレーザ加工ヘッド部Ｕ１の移動を一旦停止させた後、切断ラインＬ２１およびＬ２２において予備加工および整形切断を行った。切断ラインＬ２１およびＬ２２は、初期のレンガ厚み（１１０ｍｍ）が残存している可能性が高い部分である。

まず、切断ラインＬ２１の略中間点にレーザ加工ヘッド部Ｕ１を移動させてレーザを照射し、実施例１と同様に耐火レンガが貫通するまでの貫通時間を計測した。このときのレーザ照射条件は、レーザ出力１０ｋＷの連続出力とし、レーザ集光径は０．５ｍｍとした。加工ノズル１１６からは、レーザ光と同軸にレーザ光照射部に向かって約２００Ｌ／ｍｉｎのドライエアを吹き付け、レーザ加工ヘッド部Ｕ１へのスパッタの飛散防止と、耐火レンガ炉壁の裏面から燃焼室へのレーザ光照射点付近におけるレンガ溶融物の排出とを行った。レーザ光照射点の発光強度測定には、レーザと同軸に設置された発光強度測定器１１７としてＣＣＤカメラを用いた。発光強度は、ＣＣＤカメラにより撮像された画像について予め設定された輝度閾値以上の輝度信号を検知したＣＣＤカメラセルの輝度値の積分値とした。

実施例１と同様の測定の結果、耐火レンガが貫通するまでの貫通時間Ｔは０．６５秒であった。図６を参照すると、かかるレーザ照射位置における耐火レンガの厚みは５８ｍｍであると推定される。これより、切断ラインＬ２１およびＬ２２のレーザ切断条件は、レーザ出力１０ｋＷ（連続出力）、切断速度４８ｍｍ／分に決定される。この決定されたレーザ切断条件により、レーザ加工装置１００のレーザ加工ヘッド部Ｕ１を点Ｃ１から点Ｄ１まで移動させながらレーザ光を照射して、切断ラインＬ２１で耐火レンガを整形切断する。なお、本実施例では、推定厚みの誤差を考慮して、若干の余裕を持たせて、レンガ厚みが６０ｍｍの場合において適正なレーザ出力条件で整形切断を行った。

切断ラインＬ２１の整形切断後に、切断片を回収してその厚みを計測したところ、約１０８ｍｍの厚みがあった。つまり、切断ラインＬ２１の位置では１０８ｍｍのレンガ厚みがある状態であったが、亀裂の導入によってレーザ切断が容易になっていたため、亀裂のない状態の耐火レンガ厚み６０ｍｍを加工するときのレーザ切断条件で、十分に耐火レンガを切断することが可能であったと考えられる。

仮に、レンガ厚みが１１０ｍｍ残存するものとしてレーザ切断条件を設定した場合には、約２倍のレンガ厚みを有する耐火レンガをも切断可能となり、過剰なレーザ切断条件を選択することになる。この場合、過剰分のレーザが隣接する健全な耐火レンガ炉壁に照射されて、当該炉壁に大きな損傷を与える可能性が高かったと考えられる。しかし、本実施例では、実際にレーザ照射して残存厚みを推定するため、推定された残存厚みは、見かけの厚みではなく、レーザ加工の観点から見た実効的な厚みとしてとらえることができる。このように推定された加工位置における耐火レンガの残存厚みに基づいてレーザ切断条件を設定するため、適正なレーザ切断条件で耐火レンガの整形切断を行うことができる。

切断ラインＬ２１は不良部なく切断することができた。また、加工対象の耐火レンガ炉壁に隣接する耐火レンガ炉壁にレーザ光が照射されたことによる損傷も見受けられなかった。

次いで、切断ラインＬ２２についても切断ラインＬ２１の場合と同様に、予備加工および整形切断を行った。切断ラインＬ２２の略中間点において、レーザ出力１０ｋＷの連続出力、レーザ集光径は０．５ｍｍのレーザ照射条件で予備加工を行ったところ、照射位置における耐火レンガの残存厚みは５６ｍｍと推定された。これより、切断ラインＬ２２のレーザ切断条件は、レーザ出力１０ｋＷ（連続出力）、切断速度５０ｍｍ／分に決定された。そして、決定されたレーザ切断条件により、レーザ加工装置１００のレーザ加工ヘッド部Ｕ１を点Ｄ２から点Ｃ２まで移動させながらレーザ光を照射して、切断ラインＬ２２で耐火レンガを整形切断した。切断ラインＬ２２についても、不良部なく切断することができた。また、加工対象の耐火レンガ炉壁に隣接する耐火レンガ炉壁にレーザ光が照射されたことによる損傷も見受けられなかった。

切断ラインＬ２２の整形切断後に、切断片を回収してその厚みを計測したところ、約１０８ｍｍの厚みがあった。つまり、切断ラインＬ２２の位置では１０８ｍｍのレンガ厚みがある状態であったが、亀裂の導入によってレーザ切断が容易になっていたため、亀裂のない状態の耐火レンガ厚み５０ｍｍを加工するときのレーザ切断条件で、十分に耐火レンガを切断することが可能であったと考えられる。

次に、切断ラインＬ２２の終点Ｃ２においてレーザ出力およびレーザ加工ヘッド部Ｕ１の移動を一旦停止させた後、切断ラインＬ３において予備加工および整形切断を行った。切断ラインＬ３は、切断ラインＬ１と同様に、耐火レンガがテーパー状に破壊されている部分であるため、耐火レンガの残存厚みが元の厚みよりも薄くなっている可能性が高い。そこで、切断ラインＬ３においては、切断ラインＬ３を３等分したときの２つの等分点（点Ｃ２側から順にＭ３１、Ｍ３２）の位置において予備加工を行い、整形切断時のレーザ切断条件を決定した。

実施例３の予備加工では、耐火レンガにレーザパルスを照射して、耐火レンガが貫通するまでの照射回数を計測した。このときのレーザ照射条件は、レーザ出力１０ｋＷ、出力継続時間３０ｍｓｅｃのパルス出力とし、レーザ集光径は０．５ｍｍとした。レーザパルスは、耐火レンガの貫通が確認されるまで繰り返し照射される。加工ノズル１１６からは、レーザ光と同軸にレーザ光照射部に向かって約２００Ｌ／ｍｉｎのドライエアを吹き付け、レーザ加工ヘッド部Ｕ１へのスパッタの飛散防止と、耐火レンガ炉壁の裏面から燃焼室へのレーザ光照射点付近におけるレンガ溶融物の排出とを行った。レーザ光照射点の発光強度測定には、レーザと同軸に設置された発光強度測定器１１７としてＣＣＤカメラを用いた。発光強度は、ＣＣＤカメラにより撮像された画像について予め設定された輝度閾値以上の輝度信号を検知したＣＣＤカメラセルの輝度値の積分値とした。

例えば、点Ｍ３１におけるレーザ光照射回数と耐火レンガの表面における発光強度との関係が、図７に示すようになったとする。レーザ光照射開始から２４パルス目まではレーザ照射時の発光強度は緩やかに低下していたが、２５パルス目で発光強度の低下量が大きくなり、２６パルス目の照射においては発光強度が半分以下の急激な発光強度の低下がみられた。さらに、５回照射を行ったが、発光強度は低下したままであった。これより、点Ｍ３１では、２５パルス目のパルス照射中に耐火レンガが貫通したものと推定できる。

同様の方法で点Ｍ３２においてもレーザパルスを照射して、耐火レンガが貫通するまでの照射回数を測定すると、点Ｍ３１と同様、２５パルスとなった。そして、各予備加工位置における耐火レンガが貫通するまでの照射回数を測定すると、図８に示す照射回数とレンガ厚みとの関係より、当該位置における耐火レンガの残存厚みを推定することができる。図８より、耐火レンガが貫通するまでの照射回数が２５回であるときには、残存厚みは７５ｍｍと推定される。

以上の結果に基づいて、切断ラインＬ３のレーザ切断条件は、レーザ出力１０ｋＷ（連続出力）、切断速度３８ｍｍ／分に決定された。そして、決定されたレーザ切断条件により、レーザ加工装置１００のレーザ加工ヘッド部Ｕ１を点Ｃ２から点Ｃ３まで移動させながらレーザ光を照射して、切断ラインＬ３で耐火レンガを整形切断した。切断ラインＬ３についても、不良部なく切断することができた。また、加工対象の耐火レンガ炉壁に隣接する耐火レンガ炉壁にレーザ光が照射されたことによる損傷も見受けられなかった。さらに切断後に切断面の厚みを計測したところ、切断したレンガの厚みは７５ｍｍ±３ｍｍの範囲であり、本実施形態に係る方法による残存厚推定が有効であることが確認された。

本実施例の予備加工では、レーザをパルス化して、耐火レンガが貫通するまでの照射回数に基づき耐火レンガの残存厚みを推定する方法を採用した。ここで、実施例１および２のように、レーザを連続出力させて耐火レンガの貫通加工を行い、貫通時間を計測する方法では、例えば図６の加工条件では深さ方向の加工速度は約９０ｍｍ／ｓｅｃであり、残存厚みの推定をｍｍ単位の精度で行うには、ｍｓｅｃ単位の貫通時間と判定する必要がある。このため、残存厚みの推定精度には限界がある。また、貫通と同時にレーザ出力を停止しなければ予備加工である貫通加工によって隣接する耐火レンガ炉壁に溶損ダメージを与えることになる。

一方、レーザをパルス化して、耐火レンガが貫通するまでの照射回数に基づき耐火レンガの残存厚みを推定する方法では、使用するレーザパルスのパルス幅を正確に設定することにより、１パルスでの加工進展速度を制御することが可能となる。本実施例では、パルス幅を３０ｍｓｅｃとして、１パルス当たりの深さ方向の加工進展を３ｍｍとした。すなわち、耐火レンガが貫通するまでの照射回数によって、３ｍｍ程度以下の精度で耐火レンガの残存厚みを推定することが可能である。レーザパルスの照射条件として、１パルスでの深さ方向の加工進展が大きいほど、残存厚みの推定誤差が大きくなる。したがって、レーザパルスの照射条件としては、１パルス当たり５ｍｍ以下の深さ方向の加工進展となるよう設定することが望ましく、特に、１パルス当たり２〜３ｍｍ程度以下の深さ方向の加工進展がみられるように設定することで、残存厚みの推定精度をより向上させることができる。

また、本実施例では、確認のため、耐火レンガが貫通したと推定された２６パルス目以降にさらに５パルス照射して、そのときの照射点の発光強度が貫通していないと推定されるときの発光強度よりも小さいことを確認した。実施例において、パルス幅が短く、連続出力と比較して加工能力が小さくなるよう制限している。これにより、貫通確認のためのレーザ照射を隣接する耐火レンガ炉壁への損傷を与えることなく行うことができ、また、確実に貫通判定を実施することが可能となる。

次に、切断ラインＬ３の終点Ｃ３においてレーザ出力およびレーザ加工ヘッド部Ｕ１の移動を一旦停止させた後、切断ラインＬ４１およびＬ４２において予備加工および整形切断を行った。切断ラインＬ４１およびＬ４２は、切断ラインＬ２１およびＬ２２と同様に、残存厚みが元のレンガ厚み（１１０ｍｍ）と略同程度残存しているものの、亀裂によりレーザ切断が容易になっている可能性が高い部分である。そこで、切断ラインＬ２１およびＬ２２と同様に、切断ラインＬ４１およびＬ４２の略中間点にレーザ加工ヘッド部Ｕ１を移動させて、予備加工を行い、整形切断時のレーザ切断条件を決定した。

実施例４の予備加工では、実施例３と同様に、耐火レンガにレーザパルスを照射して、耐火レンガが貫通するまでの照射回数を計測した。このときのレーザ照射条件は、レーザ出力１０ｋＷ、出力継続時間３０ｍｓｅｃのパルス出力とし、レーザ集光径は０．５ｍｍとした。レーザパルスは、耐火レンガの貫通が確認されるまで繰り返し照射される。加工ノズル１１６からは、レーザ光と同軸にレーザ光照射部に向かって約２００Ｌ／ｍｉｎのドライエアを吹き付け、レーザ加工ヘッド部Ｕ１へのスパッタの飛散防止と、耐火レンガ炉壁の裏面から燃焼室へのレーザ光照射点付近におけるレンガ溶融物の排出とを行った。レーザ光照射点の発光強度測定には、レーザと同軸に設置された発光強度測定器１１７としてＣＣＤカメラを用いた。発光強度は、ＣＣＤカメラにより撮像された画像について予め設定された輝度閾値以上の輝度信号を検知したＣＣＤカメラセルの輝度値の積分値とした。

実施例３と同様に、切断ラインＬ４１およびＬ４２の略中間点において、レーザパルスの照射回数とレーザ光照射点の発光強度の変化を計測した結果、ともに１３パルス目の照射において発光強度が半分以下の急激な低下がみられた。これより、耐火レンガの貫通に必要なレーザパルスの照射回数は１２パルスであり、切断ラインＬ４１およびＬ４２の耐火レンガの残存厚みは３６ｍｍと推定された。以上の結果をもとに、切断ラインＬ４１およびＬ４２のレーザ切断条件として、レーザ出力１０ｋＷ（連続出力）、切断速度８０ｍｍ／分に決定された。そして、決定されたレーザ切断条件により、レーザ加工装置１００のレーザ加工ヘッド部Ｕ１を点Ｃ３から点Ｄ３、点Ｄ４から点Ｃ４まで移動させながらレーザ光を照射して、切断ラインＬ４１およびＬ４２で耐火レンガを整形切断した。切断ラインＬ４１およびＬ４２についても、不良部なく切断することができた。また、加工対象の耐火レンガ炉壁に隣接する耐火レンガ炉壁にレーザ光が照射されたことによる損傷も見受けられなかった。

切断ラインＬ４１およびＬ４２の整形切断後に、切断片を回収してその厚みを計測したところ、約１０８ｍｍの厚みがあった。つまり、切断ラインＬ４１およびＬ４２の位置では１０８ｍｍのレンガ厚みがある状態であったが、亀裂の導入によってレーザ切断が容易になっていたため、亀裂のない状態の耐火レンガ厚み３６ｍｍを加工するときのレーザ切断条件で、十分に耐火レンガを切断することが可能であったと考えられる。

以上の実施例１〜４の方法により、耐火レンガ炉壁に生じた破孔Ｈの周囲を整形切断し、矩形状にくりぬくことにより、耐火レンガのはめ込み補修に必要な整形切断を行うことができた。この際、切断した耐火レンガ炉壁に隣接する健全な耐火レンガ炉壁表面には、レーザ切断による不要なダメージを与えることはなかった。

なお、上記実施例においては、レーザ集光径を０．５ｍｍ、レーザ出力を１０ｋＷ、レーザパルス幅を３０ｍｓｅｃとして、予備加工および整形切断を行ったが、レーザ条件はかかる例に限定されない。例えば、予備加工においては、耐火レンガの残存厚みを推定するために耐火レンガが貫通するまでのレーザの照射時間あるいはレーザパルスの照射回数が取得できればよいため、耐火レンガを貫通させることの可能なレーザ条件を適宜設定すればよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、耐火レンガ炉壁の破孔検出処理、切断位置決定処理、予備加工および整形切断を、破孔検出装置２１０、切断位置決定装置２２０およびレーザ加工装置１００により自動で行うようにしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、一部の処理の開始等、ユーザの指示により行ってもよい。

１０ 耐火レンガ
１００ レーザ加工装置
１０５ 断熱冷却ボックス
１０６ マニピュレータ
１１０ レーザ照射装置
１１１ 光ファイバ
１１２ コリメータヘッド
１１３ 反射ミラー
１１４ 集光レンズ
１１５ 透過ウィンドウ
１１６ 加工ノズル
１１７ 発光強度測定器
１１８ レンズ
１１９ 光学フィルタ
１２０ 制御装置
１２１ 位置制御部
１２２ 照射制御部
１２３ 出力強度決定処理部
１２３１ 出力強度決定部
１２３２ タイマー部
１２３３ カウント部
１２４ レーザ情報記憶部
１３０ 移動機構
２１０ 破孔検出装置
２２０ 切断位置決定装置
Ｕ０ レーザ光出力部
Ｕ１ レーザ加工ヘッド部
Ｕ２ 加工観察部

Claims (7)

1. コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガ炉壁に生じた破孔部を熱間で補修する際に、前記耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射して、前記破孔部の周囲を整形切断するレーザ加工装置であって、
   前記耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
   前記耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度を測定する発光強度測定部と、
   前記発光強度測定部の測定結果に基づいて、前記耐火レンガ炉壁のレーザ切断条件に応じて前記レーザ照射部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   予め設定された前記耐火レンガの厚みに対するレーザ切断条件を記憶するレーザ情報記憶部と、
   前記破孔部の周囲を整形切断する前に、前記耐火レンガ炉壁を切断する切断ライン上の任意の位置において前記耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を予備照射して、前記予備照射時の前記耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度に基づいて前記耐火レンガの残存厚みを推定し、推定結果に基づき前記レーザ情報記憶部を参照して、前記耐火レンガ炉壁の整形切断時におけるレーザ切断条件を決定する加工条件決定処理部と、
   前記加工条件決定処理部により決定されたレーザ切断条件に基づいて、前記レーザ照射部のレーザ光の出力強度および前記レーザ照射部の移動速度を制御する駆動制御部と、
   を有することを特徴とする、レーザ加工装置。
2. 前記レーザ情報記憶部は、耐火レンガにレーザ光を連続照射させたときの、前記耐火レンガの厚みと、当該耐火レンガが貫通するまでのレーザ光の照射時間との関係を記憶し、
   前記加工条件決定処理部は、前記耐火レンガ炉壁表面へのレーザ光の照射開始から当該耐火レンガ炉壁が貫通するまでの照射時間に基づいて、前記残存厚みを推定することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ情報記憶部は、耐火レンガにレーザパルスを照射させたときの、前記耐火レンガの厚みと、当該耐火レンガが貫通するまでのレーザパルスの照射回数との関係を記憶し、
   前記加工条件決定処理部は、前記耐火レンガ炉壁が貫通するまでのレーザパルスの照射回数に基づいて、前記残存厚みを推定することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記駆動制御部は、前記発光強度測定部により測定された耐火レンガ炉壁表面の発光強度が所定値以下となったとき、耐火レンガが貫通したと判定することを特徴とする、請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記耐火レンガ炉壁の整形切断時におけるレーザ切断条件は、前記加工条件決定処理部により推定される前記残存厚みを有する前記耐火レンガ炉壁を貫通可能であり、かつ当該耐火レンガ炉壁裏面側に隣接する耐火レンガ炉壁表面に到達しないように設定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記加工条件決定処理部は、前記切断ライン上の複数の位置において、レーザ光を予備照射して、前記耐火レンガの残存厚みを推定することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガ炉壁に生じた破孔部を熱間で補修する際に、前記耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射して、前記破孔部の周囲をレーザ加工装置により整形切断するレーザ加工方法であって、
   レーザ照射部により前記耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
   発光強度測定部により、前記耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度を測定する発光強度測定ステップと、
   前記発光強度測定部による測定結果に基づいて、前記耐火レンガ炉壁のレーザ切断条件に応じて前記レーザ照射部を制御する制御ステップと、
   を含み
   前記制御ステップは、
   前記破孔部の周囲を整形切断する前に、前記耐火レンガ炉壁を切断する切断ライン上の任意の位置において前記耐火レンガ炉壁表面にレーザ光を予備照射する予備照射ステップと、
   前記予備照射時の前記耐火レンガ炉壁表面のレーザ光照射点における発光強度に基づいて、前記耐火レンガの残存厚みを推定する残存厚み推定ステップと、
   推定結果に基づいて、予め設定された前記耐火レンガの厚みに対するレーザ切断条件を記憶するレーザ情報記憶部を参照して、前記耐火レンガ炉壁の整形切断時におけるレーザ切断条件を決定する加工条件決定ステップと、
   決定された前記レーザ切断条件に基づいて、前記レーザ照射部のレーザ光の出力強度および前記レーザ照射部の移動速度を制御する駆動制御ステップと、
   を有することを特徴とする、レーザ加工方法。
   

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