JP5935828B2 - 未溶融鉱石検出方法及び高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉羽口部で観測される未溶融鉱石を検出する未溶融鉱石検出方法、及びそれを用いた高炉操業方法に関する。

従来の高炉操業方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、羽口部で未溶融鉱石の上方よりの落下回数を数え、該落下回数が予め設定した基準値以下となるように、炉頂から装入する周辺部の鉱石とコークスとの比率を調整するものである。ここでは、高炉羽口部にカメラを設置し、画像内輝度の低下回数を未溶融鉱石の落下回数として数えている。

特開平５−１８６８１１号公報

ところで、近年の技術開発の進歩により、羽口部から高炉炉内に微粉炭や酸素、都市ガス等、さまざまな燃料を熱風と共に吹き込むことが可能となった。すると、これにより、未溶融鉱石が落下した際に、羽口部において還元反応などにより鉱石が赤熱する現象がみられるようになった。
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、画像内輝度の低下回数を未溶融鉱石の落下回数として数えているため、上記のように鉱石が赤熱し画像内輝度が上昇した場合には、未溶融鉱石の落下回数としてカウントされない。すなわち、未溶融鉱石の落下を適切に検知することができず、落下頻度の測定精度が低い。
そこで、本発明は、羽口部において適切に未溶融鉱石を検出することができる未溶融鉱石検出方法、及びそれを用いた高炉操業方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る未溶融鉱石検出方法の一態様は、高炉の羽口部で上方よりの未溶融鉱石の落下を検出する未溶融鉱石検出方法であって、前記羽口部に設けられた監視窓を通してレースウェイ部を撮像し、その撮像画像の輝度の一定時間当たりの上昇方向及び下降方向の何れかの変化量が許容値以上であるとき、未溶融鉱石が落下していると判断することを特徴としている。

このように、未溶融鉱石が落下したとき、還元反応などにより未溶融鉱石が赤熱する場合としない場合とがあることを考慮して、レースウェイ部の撮像画像内の輝度の時間変化のうち短時間に上昇または下降する現象を監視する手法を用いて未溶融鉱石の落下を検出する。したがって、従来検出できなかった還元反応などにより輝度が上昇する落下未溶融鉱石を検出可能となり、精度良く未溶融鉱石の落下を検出することができる。

また、上記において、前記撮像画像の輝度の代表値の移動平均をとり、その移動平均データの移動標準偏差値が閾値を超えているとき、未溶融鉱石が落下していると判断することが好ましい。
このように、上昇、下降にかかわらず変化の大きい場合には移動標準偏差値が大きくなるという性質を利用することで、両者を信号処理で統一的に扱うことができ、閾値処理によって未溶融鉱石の落下の判定を容易に行うことができる。また、炉況等により未溶融鉱石の落下が輝度の変化として小さく現れる場合であっても、移動標準偏差フィルタによりロバストに検知することが可能である。

さらに、上記において、前記撮像画像の輝度の代表値として、前記撮像画像内の最大輝度を用いることが好ましい。
このように、羽口の先端開口部の面積や撮像装置（カメラ）の取り付け状態などにより、撮像画像におけるレースウェイ撮像領域の割合が変化することを考慮し、撮像画像内でシルエットとなる黒色部分（羽口の先端開口部の外側やランスの先端部）の影響を受けない値を代表値として用いることができる。

また、本発明に係る高炉操業方法の一態様は、上記の何れかの未溶融鉱石検出方法の検出結果に基づいて、炉頂から装入する周辺部の鉱石とコークスとの比率を調整することを特徴としている。
このように、未溶融鉱石落下検出結果に基づいて操業条件を調整することができるので、安定した高炉操業を実現することができる。

本発明によれば、未溶融鉱石が赤熱する場合としない場合とに夫々対応した輝度の短時間の上昇、下降両方の特徴を検出することができるので、羽口部における精度の良い未溶融鉱石の検出が可能となる。
また、未溶融鉱石落下検出結果に基づいて炉頂装入物分布を調整するので、高炉を安定的に稼働することができ、生産性の向上と燃料比の低下とを図ることができる。

本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。 カメラの設置位置を示す図である。 カメラで撮像した画像の例を示す図である。 未溶融鉱石落下検出処理手順を示すフローチャートである。 未溶融鉱石検出過程を示す図である。 微粉炭吹き込み条件を変化させた際の１時間にわたる羽口撮像画像内の最大輝度データである。 移動平均をかけていない図６の最大輝度データに対して移動標準偏差フィルタを適用した結果の説明図である。 １０秒の移動平均をかけた図６の最大輝度データに対して移動標準偏差フィルタを適用した結果の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。
この図１に示すように、高炉１の羽口２の内側には、炉内の熱風炉からの熱風を送風するための送風管（ブローパイプ）３が接続され、この送風管３を貫通してランス４が設置されている。ランス４からは、炉内に微粉炭、酸素、都市ガスなどの燃料が吹き込まれる。

羽口２の熱風送風方向前方のコークス堆積層には、レースウェイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間でコークス燃焼、ガス化（鉄鉱石の還元、即ち造銑）が行われる。
また、羽口部には、図２に示すように、オペレータが炉内を監視するための炉内監視用窓６が形成されている。そして、炉内監視用窓６近傍には、当該炉内監視用窓６を通してレースウェイ５を撮像するためのカメラ１１が設置されている。

図３は、カメラ１１で撮像した画像の例を示す図である。この図３に示すように、撮像画像には、羽口２を構成する小羽口２ａの先端開口部に相当する円形状内側に、レースウェイ５とランス４のシルエットとが写る。
カメラ１１で撮像したレースウェイ部の撮像画像は、未溶融鉱石落下検出部１２に入力する。未溶融鉱石落下検出部１２は、カメラ１１で撮像した撮像画像を用いて、羽口２の上方から落下した未溶融鉱石を検出する。

未溶融鉱石は、レースウェイ５が破壊することにより落下するものである。このとき、黒色団塊状の未溶融鉱石が上方より落下することで羽口内部の輝度が大幅に低下したり、上方より落下した未溶融鉱石に燃料が吹き付けられることで鉱石が赤熱し、羽口内部の輝度が大幅に上昇したりする現象が生じる。
そこで、未溶融鉱石落下検出部１２は、羽口内部の画像の輝度が短時間に上昇あるいは下降する現象、すなわち羽口内部の画像の輝度の一定時間当たりの上昇方向または下降方向の変化量が許容値以上となる現象を監視することで、未溶融鉱石の上方よりの落下を検出する。未溶融鉱石落下検出部１２による検出結果は、モニター１３に表示しオペレータに通知される。

また、未溶融鉱石落下検出部１２による未溶融鉱石検出結果は、炉頂装入物調整部１４にも入力される。炉頂装入物調整部１４は、当該検出結果に基づいて、炉頂から装入する装入物分布（鉱石とコークスとの比率）を調整する。例えば、未溶融鉱石の落下検出結果をもとに、未溶融鉱石の落下頻度を測定し、測定した落下頻度が基準値以下となるように炉頂装入物分布を調整する。

図４は、未溶融鉱石落下検出部１２で実行する未溶融鉱石落下検出処理手順を示すフローチャートである。この未溶融鉱石落下検出処理は、所定時間ごとに繰り返し実行するものであり、先ずステップＳ１で、未溶融鉱石落下検出部１２は、カメラ１１で撮像した撮像画像を取得する。
次にステップＳ２で、未溶融鉱石落下検出部１２は、前記ステップＳ１で取得した撮像画像（グレースケール）に対して画像内の最大輝度を選択し、これを画像内の輝度の代表値とする。

次にステップＳ３では、未溶融鉱石落下検出部１２は、前記ステップＳ２で選択した代表値の時系列データに対して移動平均を取り、ステップＳ４に移行する。ここでは、未溶融鉱石の落下が観測される時間よりも短い間隔で移動平均を取るものとし、例えば１０秒に相当するデータ長で移動平均を取る。
ステップＳ４では、前記ステップＳ３で求めた移動平均データに対して移動標準偏差フィルタをかける。これは、現在の時刻から任意に設定した過去のＮ点のデータを用いて標準偏差を求めるフィルタである。ここでは、上記Ｎとして、例えば１０秒に相当するデータ長を選択する。

ステップＳ５では、前記ステップＳ４で得られた結果に対して閾値処理を行う。そして、前記ステップＳ４で得られた値が予め設定した閾値以下であるか否かを判定する。ここで、上記閾値は、操業条件によって決まる未溶融鉱石の落下時における輝度の変動度合いに応じて、適宜設定するものとする。
そして、閾値を超えていると判定した場合にはステップＳ６に移行し、未溶融鉱石が落下している（未溶融鉱石検知）と判断してから未溶融鉱石落下検出処理を終了する。

一方、前記ステップＳ５で、閾値以下であると判定した場合には、ステップＳ７に移行し、未溶融鉱石は落下していない（未溶融鉱石非検知）と判断してから未溶融鉱石落下検出処理を終了する。
以下、未溶融鉱石落下検出処理について、具体的な例を用いて説明する。
先ず、未溶融鉱石落下検出部１２は、初めに特定の羽口２に設置したカメラ１１で撮像したレースウェイ部の撮像画像を取得し（図４のステップＳ１）、次に取得した撮像画像内の最大輝度を選択する（ステップＳ２）。

ここで、最大輝度の時系列データが図５（ａ）の符号ａに示すように変動しているものとする。図５（ａ）のデータは、サンプル周期０．３秒にて取得した６０秒の最大輝度データである。また、ここでの輝度は、カメラ１１で撮像したグレースケール画像を、黒と白の間を２５６階調で示したものである。この最大輝度の時系列データに対して、１０秒に相当するデータ長で移動平均を取ると（ステップＳ３）、その結果は図５（ａ）の符号ｂに示すようになる。

このように、１０秒の移動平均データを求めることで、移動平均を取らない場合と比較して輝度の推移が判別し易くなっていることがわかる。
仮に、図５（ａ）の符号ａに示す最大輝度の時系列データに対して、１０分の移動平均データを求めると，その結果は図５（ａ）の符号ｃに示すようになる。このように、１０分の移動平均では輝度データが平滑化されすぎることにより輝度の短時間での変動を判別することができない。本実施形態のように、移動平均を取る時間間隔を１０秒に設定することで、輝度の推移を判別し易くすることができる。なお、移動平均を取る時間間隔は、数秒〜３０秒程度の範囲内で適宜設定するものとする。

さらに、このようにして求めた移動平均データに対して、１０秒に相当するデータ長で移動標準偏差フィルタを適用すると（ステップＳ４）、その結果は図５（ｂ）に示すようになる。このように、移動平均データに対して移動標準偏差フィルタをかけることにより、短時間の輝度変化を強調することができる。
図５（ａ）の符号ｂに示す移動平均データには、レースウェイ５自体の輝度変化が含まれる。そのため、この移動平均データに単純な閾値処理を適用しただけでは、未溶融鉱石を適切に検出することができない。

これに対して、本実施形態では、移動標準偏差フィルタを適用することにより、閾値処理を適用して、撮像画像の輝度の代表値の一定時間当たりの上昇方向または下降方向の変化量が許容値以上であるか否かを判定することができる。このとき、移動標準偏差フィルタを適用することにより短時間の輝度変化を強調することができるので、輝度の微小な変動であっても閾値処理により適切に検出することができる。さらに、標準偏差を用いることにより、輝度が短時間に上昇した場合であっても、下降した場合であっても、同様に検出可能となる。

図５に示す例では、時刻ｔ１で撮像画像の輝度の代表値が短時間に上昇しており、この時刻ｔ１で移動標準偏差値が閾値を超える。したがって、未溶融鉱石落下検出部１２は、時刻ｔ１で未溶融鉱石が落下していると判断する。
以下、羽口撮像画像の最大輝度データに移動平均をかけることの効果について、図６〜図８を用いて説明する。図６には、図５と同様に、移動平均をかけていない羽口撮像画像の最大輝度データをａで、１０秒の移動平均をかけた羽口撮像画像の最大輝度データをｂで、１０分の移動平均をかけた羽口撮像画像の最大輝度データをｃで示している。図６では、時刻ｔ２に微粉炭の吹き込み条件が変化し、時刻ｔ３で未溶融鉱石の落下が発生した。図６より明らかなように、微粉炭の吹き込み条件が変化したタイミングで最大輝度の変化幅が変化していることが分かる。

この羽口撮像画像の最大輝度データに対して移動平均をかけない場合の移動標準偏差フィルタの出力は、図７に示すように、時刻ｔ２における微粉炭吹き込み条件変化で生じた高周波の輝度変動の影響により移動標準偏差値が上昇している。そのため、時刻ｔ３における未溶融鉱石落下時の移動標準偏差値と同等の閾値処理を行った場合に、時刻ｔ２の微粉炭吹き込み条件変化時を未溶融鉱石落下と誤判断してしまう可能性がある。一方、羽口撮像画像の最大輝度データに対して１０秒の移動平均をかけた場合の移動標準偏差フィルタの出力は、図８に示すように、時刻ｔ２における微粉炭吹き込み条件変化時にも移動標準偏差値がさほど上昇していない。これは、外乱となる高周波成分が移動平均によって予め除去された効果であって、未溶融鉱石が落下した時刻ｔ３でのみ移動標準偏差値が上昇している。そのため、移動標準偏差値に対する閾値処理で未溶融鉱石の落下を適切に検出することができる。

以上のように、レースウェイ部をカメラ１１によって撮像し、撮像画像の輝度が短時間に上昇または下降する現象を監視するので、黒色団塊状の未溶融鉱石が上方より落下することで画像内輝度が低下する現象と、上方より落下した未溶融鉱石に燃料が吹き付けられることで鉱石が赤熱し、画像内輝度が上昇する現象とを検出することができる。したがって、適切に未溶融鉱石の落下を検出することができる。

さらに、このとき、撮像画像内の最大輝度を撮像画像の輝度の代表値として選択し、当該代表値の短時間での上昇、下降を監視する。このように、代表値を用いて未溶融鉱石の落下を検出するので、信号処理の高速化が図れる。また、撮像画像における小羽口２ａの先端開口部の面積は羽口ごとの個体差やカメラ１１の取り付け状態などにより変化するため、例えば撮像画像内の平均輝度ではシルエットの黒色部分の影響を大きく受け、代表値としては不適切であるが、本実施形態のように、代表値を撮像画像内の最大輝度とすることで、画像内輝度の変化を適切に監視することができる。

また、画像内輝度の短時間の上昇、下降を検出するに当たり、最大輝度の時系列データに対して移動平均を取るので、輝度の推移を判別し易くすることができる。ここで、移動平均を取る時間は、未溶融鉱石の落下が観察される時間よりも短い間隔（例えば１０秒）とするので、適切に輝度の推移を判別することが可能となる。
さらに、上昇、下降にかかわらず変化の大きい場合には移動標準偏差値が大きくなるという性質を利用し、移動平均データに対して移動標準偏差フィルタをかけることで、両者を信号処理で統一的に扱うことができる。また、閾値処理を適用することが可能となるため、容易且つ適切に未溶融鉱石の落下を検出することができる。

さらに、輝度の微小な上昇や微小な下降であっても検出可能となる。そのため、炉況等により未溶融鉱石の落下が輝度の変化として小さく現れる場合であっても、移動標準偏差フィルタによりロバストに検知することが可能である。
また、未溶融鉱石は溶銑と比較して温度が低いため、落下頻度が高いと溶銑温度を下げることにより炉況の不安定化を招くといった問題があるが、以上のように、未溶融鉱石の落下を適切に監視することで、未溶融鉱石の落下頻度を低減するように炉頂装入物分布を調整するなど、操業方法を調整することができ、炉況を安定化させて生産性を向上させることができる。

１…高炉、２…送風管、３…羽口、４…ランス、５…レースウェイ、６…炉内監視用窓、１１…カメラ、１２…未溶融鉱石落下検出部、１３…モニター、１４…炉頂装入物調整部

Claims (3)

1. 高炉の羽口部で上方よりの未溶融鉱石の落下を検出する未溶融鉱石検出方法であって、
   前記羽口部に設けられた監視窓を通してレースウェイ部を撮像し、その撮像画像の輝度の代表値の一定時間当たりの移動平均をとり、その移動平均データの移動標準偏差値が閾値を超えているとき、未溶融鉱石が落下していると判断することを特徴とする未溶融鉱石検出方法。
2. 前記撮像画像の輝度の代表値として、前記撮像画像内の最大輝度を用いることを特徴とする請求項１に記載の未溶融鉱石検出方法。
3. 前記請求項１又は２に記載の未溶融鉱石検出方法の検出結果に基づいて、炉頂から装入する周辺部の鉱石とコークスとの比率を調整することを特徴とする高炉操業方法。

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