JP6699802B2

JP6699802B2 - 炉の制御方法

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Publication number: JP6699802B2
Application number: JP2019520906A
Authority: JP
Inventors: 児玉　俊文; 俊文児玉; 勝太天野; 幸雄 ▲高▼橋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: TW201939016A; BR112020017230B1; KR20200121875A; BR112020017230A2; WO2019168141A1; JPWO2019168141A1; KR102500640B1; TWI721381B; CN111788463A; EP3760991A1; EP3760991A4; EP3760991B1; CN111788463B

Description

本発明は、分光特性測定装置、分光特性測定方法、及び炉の制御方法に関する。

対象物の色の特徴を定量化する手段として、プリズム、回折格子、可変フィルタ等の素子を用いた分光計測の手法が知られている。また、この分光計測を対象物の細分化した領域に対して細かく行うイメージング分光法ないしはマルチスペクトル撮像手法が数通りの原理に基づいて開発され、近年市販されるようになっている。具体的には、透過特性を連続的に変化させることができる可変フィルタを撮像系に埋め込む方式（特許文献１参照）や、エリアセンサカメラの画素に透過特性の異なるフィルタ膜をモザイク状に張り付けて等価的に複数の分光画像を同時に取得する方式（非特許文献１参照）が知られている。

ところが、特許文献１に記載の方式には、それぞれの波長でのデータ取得タイミングが異なるために、移動体等の時間的に非定常な対象物の分光特性を測定できないという問題がある。また、非特許文献１に記載の方式には、観測波長の数を増やすと画像の解像度が低下するという問題点があり、対象物の広範な部分の詳細な分光スペクトル分布の取得が困難である。

これに対して、回折格子とエリアセンサカメラとを組み合わせたイメージング分光器（非特許文献２参照）が提案されている。非特許文献２に記載のイメージング分光器を用いることにより、対象物の直線状領域の詳細な分光特性を取得できる。非特許文献２に記載のイメージング分光器は、一方向の視野内の測定分解能、すなわち解像度や測定波長範囲内の波長分解能をそれぞれ１０００以上の高い分解能で測定することが可能であり、特許文献２に開示されているような印刷物の濃度や色彩の詳細な検査や、近年では森林や圃場の植生分布の解析等に用いられている。

特開２００８−１３９０６２号公報特開２０００−３５６５５２号公報

株式会社アルゴ、"分光フィルタ搭載ハイパースペクトルカメラ"、［online］、平成３０年１月１５日検索、インターネット＜URL:https://www.argocorp.com/cam/special/IMEC/IMEC_snapshot.html＞ダイトロン株式会社、"イメージング分光器ImSpector"、［online］、平成３０年１月１５日検索、インターネット＜URL:http://www.daitron.co.jp/products/category/?c=zoom&pk=1942&sw=1＞

しかしながら、非特許文献２に記載のイメージング分光器の測定視野が１ライン（１次元）であるために、大型の製造装置や製造状態等の対象物を遠方から測定する場合には対象物の位置と測定視野との対応付けが難しい。具体的には、イメージング分光器の測定視野である１次元のライン方向に対して直交する方向に対象物が移動すると、対象物がすぐに測定視野から外れてしまい測定不能となってしまう。このように、イメージング分光器の測定視野から対象物が外れる度にイメージング分光器の測定視野と対象物の位置との再調整が必要になる。このような問題を解決するために、対象物及び測定装置の位置決めを正確に行うことが考えられるが、実用上は対象物が移動したり、測定装置の固定状態が変化したりする等して測定装置と対象物との位置関係が変化し、対象物の分光特性を安定して測定することは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、対象物との位置関係が変化する場合であっても、対象物の位置と測定視野との対応付けを正確に行い、対象物の分光特性を安定して測定可能な分光特性測定装置及び分光特性測定方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、炉を所望の状態に安定して制御可能な炉の制御方法を提供することにある。

本発明に係る分光特性測定装置は、対象物の直線状領域が発する光又は該直線状領域からの反射光を分光情報として取得するイメージング分光装置と、前記直線状領域を包含する対象物の２次元領域の画像を撮影する２次元撮像装置と、前記２次元撮像装置によって撮影された画像に基づいて前記イメージング分光装置が前記分光情報を取得する範囲を決定する演算装置と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る分光特性測定方法は、イメージング分光装置を用いて対象物の直線状領域が発する光又は該直線状領域からの反射光を分光情報として取得するステップと、２次元撮像装置を用いて前記直線状領域を包含する対象物の２次元領域の画像を撮影するステップと、前記２次元撮像装置によって撮影された画像に基づいて前記イメージング分光装置によって前記分光情報を取得する範囲を決定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る炉の制御方法は、本発明に係る分光特性測定方法を利用して炉の前記分光情報を測定することによって前記炉の燃焼状態を測定し、測定された前記炉の燃焼状態に基づいて前記炉の燃焼状態を制御するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る分光特性測定装置及び分光特性測定方法によれば、対象物との位置関係が変化する場合であっても、対象物の位置と測定視野との対応付けを正確に行い、対象物の分光特性を安定して測定できる。また、本発明に係る炉の制御方法によれば、炉を所望の状態に安定して制御できる。

図１は、本発明の一実施形態である分光特性測定装置の構成を示す模式図である。図２は、イメージング分光装置の測定視野の幅とイメージング分光装置の測定視野方向における２次元撮像装置の撮像視野の幅との関係を示す模式図である。図３は、２次元撮像装置の撮影画像及びイメージング分光装置によって測定された分光スペクトル強度を示す図である。図４は、２次元撮像装置の撮影画像及びイメージング分光装置によって測定された分光スペクトル強度を示す図である。図５は、２次元撮像装置の撮影画像及びイメージング分光装置によって測定された分光スペクトル強度を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である分光特性測定装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である分光特性測定装置の構成を示す模式図である。図２は、図１に示すイメージング分光装置４の測定視野の幅とイメージング分光装置４の測定視野方向における２次元撮像装置６の撮像視野の幅との関係を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である分光特性測定装置１は、炉やレーザ溶接箇所等の対象物Ａの分光特性（分光スペクトル強度）を測定するための装置であり、この例では固定板２の上に設置されている。分光特性測定装置１は、結像用レンズ３、イメージング分光装置４、結像用レンズ５、２次元撮像装置６、及び演算装置７を備えている。

イメージング分光装置４は、結像用レンズ３を介して対象物Ａの直線状領域（１次元領域）が発する光又はその直線状領域からの反射光を分光して分光特性を取得し、取得した分光特性を表示装置８に出力する。

２次元撮像装置６は、対象物Ａとの間の距離に合わせてイメージング分光装置４の測定視野を含むように配置されている。２次元撮像装置６は、結像用レンズ５を介してイメージング分光装置４が分光特性を取得する直線状領域を包含する対象物Ａの２次元領域の画像を撮影し、撮影した画像を表示装置８に出力する。なお、図２に示すように、イメージング分光装置４の測定視野の幅Ｗ１に対して２次元撮像装置６の撮像視野の幅Ｗ２を大きくすることが望ましい。これにより、２次元撮像装置６の撮影画像によりイメージング分光装置４の測定視野をもれなく確認することができる。

この時、イメージング分光装置４及び２次元撮像装置６は、イメージング分光装置４の測定視野方向及び２次元撮像装置６の撮影方向が、イメージング分光装置４及び２次元撮像装置６の設置面と平行になり、またイメージング分光装置４及び２次元撮像装置６の光軸中心が、設置面から同じ高さになるように配置されることが望ましい。

さらに、イメージング分光装置４及び２次元撮像装置６の光軸は、出来る限り近い方が好ましく、略同一であることがさらに好ましい。イメージング分光装置４及び２次元撮像装置６の光軸が離れていると、後述するイメージング分光装置４の測定視野と２次元撮像装置６の撮像視野との対応関係が取りづらくなる。但し、後述する演算装置７によって、後述するイメージング分光装置４の測定視野と２次元撮像装置６の撮像視野との対応関係を補正できる場合もある。

演算装置７は、２次元撮像装置６の撮影画像に基づいてイメージング分光装置４によって２次元情報を取得する対象物Ａの範囲を決定する。なお、２次元情報を取得する対象物Ａの範囲は、表示装置８に出力されている画像に基づいてユーザが決定してもよい。

このような構成を有する分光特性測定装置１を用いて対象物Ａの分光特性を測定する際には、まず、イメージング分光装置４の測定視野と２次元撮像装置６によって撮影された対象物Ａを含む撮影画像との対応付けを行う。具体的には、ユーザは、対象物Ａまでの距離と同一の位置に波長が既知である点光源を、イメージング分光装置４の測定視野の一方の端に配置し、２次元撮像装置６によって点光源をマークする。次に、固定板２を動かして、イメージング分光装置４の測定視野のもう一方の端に点光源がくるようにして、２次元撮像装置６によって点光源の像をマークする。このようにして、点光源の像がイメージング分光装置４の測定視野の両端に位置したときの、２次元撮像装置６によって撮影された点光源の像の位置をマークする。これにより、イメージング分光装置４の測定視野の幅Ｗ１が決まると共に、イメージング分光装置４の測定視野と２次元撮像装置６の撮像視野との対応関係が明確になるので、分光特性測定装置１と対象物Ａとの位置関係が変化した場合であっても、対象物Ａの位置と測定視野との対応付けを正確に行い、対象物Ａの分光特性を安定して測定することができる。

なお、イメージング分光装置４の測定視野の一方の端に配置し、２次元撮像装置６によって点光源をマークした後、点光源をイメージング分光装置４の測定視野のもう一方の端に移動させて、イメージング分光装置４の測定視野と２次元撮像装置６の撮像視野を対応付けてもよい。また、点光源を複数用意し、イメージング分光装置４の測定視野の両端に配置して、上記の対応付けを行ってもよい。対象物Ａの直線状領域は、イメージング分光装置４の測定視野内に設定されるが、測定視野の幅Ｗ１と同じ幅であってもよい。

次に、イメージング分光装置４を用いて対象物Ａの分光特性を測定する。２次元撮像装置６の対象物Ａの撮影画像と、イメージング分光装置４の測定視野の幅Ｗ１に基づいて、演算装置７によって、分光特性を測定する範囲を決定する。対象物Ａ自身が発光している場合、又は、対象物Ａが他の光源からの光を反射している場合でも、本発明は適用可能である。分光特性は、基本的には、直線状領域の任意の点で測定できるが、直線状領域全体にわたって測定してもよい。つまり、直線状領域の一方の端から順に、所定の時間、所定の間隔で、直線状領域のもう一方の端まで測定し、１次元の分光特性を求めてもよい。また、直線状領域を複数設定して、２次元の分光特性としてもよい。分光特性は、任意の波長で測定できる。波長は、１種類であっても、複数用いてもよい。

なお、分光特性を測定している際には、２次元撮像装置６の撮影画像を定期的に確認し、対象物Ａの画像の位置が視野の対応付けを行った際にマークした２点を結ぶ直線上から外れた場合、対象物Ａの画像が直線上に位置するように固定板２の位置を修正する。なお、イメージング分光装置４と２次元撮像装置６とを同一の光学系に結合して分光特性を測定する、すなわち単一の光軸をハーフミラー等により分割して分光特性を測定する等の変更も可能である。この場合、光軸が完全に一致するので、両者の視野の対応関係がより正確になる。

対象物Ａの画像の位置が、視野の対応付けを行った際にマークした２点を結ぶ直線上から外れたかどうかは、例えばイメージング分光装置４が測定した分光特性が、予め設定した閾値以下になったか否か等で判定できる。具体的には、分光強度が予め設定した閾値以下になった場合等である。また、対象物Ａの画像の位置の修正は、固定板２の位置の修正の他に、他の手段を用いてもよい。

このように、本発明の一実施形態である分光特性測定装置１では、イメージング分光装置４を用いた分光特性の測定において、イメージング分光装置４の１次元の測定視野を包含する２次元の撮像視野を有する２次元撮像装置６を併設して同時に測定するので、対象物Ａの測定視野外れを画像として検知して測定視野を修正することができる。

これにより、対象物Ａと、イメージング分光装置４の光軸に対して略垂直方向との位置関係が変化する場合であっても、対象物Ａの位置と測定視野との対応付けを正確に行い、対象物Ａの分光特性を安定して測定することができる。また、事前に対象物Ａとイメージング分光装置４との距離を把握して測定しているので、対象物Ａまでの距離の長短に関わらず、対象物Ａの分光特性を安定して測定することができる。この点については、対象物Ａと分光特性測定装置１との距離が大体１５ｍ以上の時に特に効果を発揮する。そのため、対象物Ａが炉等の危険物である場合には、対象物Ａに近づかなくても分光特性を安定して測定できるため、特に好適である。なお、対象物Ａとの距離の上限は、分光特性測定装置１に使用されるイメージング分光装置４、２次元撮像装置６、及び結像用レンズ３，５の性能に依存する。そのため、現実的には、５０ｍ以下となる。また、測定すべき対象物と外乱物との識別が容易になるので、測定結果の信頼性を向上させることもできる。

本実施例では、図１に示す分光特性測定装置１を用いて製鋼工場の精錬炉から発せられる火炎の分光特性を測定した。分光特性測定装置１から精錬炉までの距離は、安全上のために及び火花や溶鋼飛沫から装置を保護するために約２０ｍとした。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、分光特性の測定開始時における２次元撮像装置６の撮影画像及びイメージング分光装置４によって測定された分光スペクトル強度（発光強度）を示す図である。火炎は、図３（ａ）のハッチングで示された部分に相当する。なお、図中、破線Ｌ１はイメージング分光装置４の観察ラインを示し、破線Ｌ２は分光スペクトルの測定位置を示す。すなわち、破線Ｌ１と破線Ｌ２の交点の、分光特性を測定する。また、この実施例では、前述した直線状領域は、図３（ａ）のハッチングで示された部分と破線Ｌ１とが重なる部分Ｒとした。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、分光特性の測定開始時においては、イメージング分光装置４の測定視野が精錬炉から発せられる火炎を含んでいたために、火炎の分光スペクトルを測定できた。ところが、精錬炉の操業が進行したところ、火炎の発生位置が高さ方向に変化したために、火炎が発生しているのにも拘わらず火炎の位置がイメージング分光装置４の測定視野から外れてしまい、図４（ａ），（ｂ）に示すように火炎の分光スペクトル強度が減少した。

そこで、２次元撮像装置６の撮影画像に基づいてイメージング分光装置４の測定視野の高さ方向の位置を修正した。その結果、図５（ａ），（ｂ）に示すように火炎の位置がイメージング分光装置４の測定視野に入り、火炎の分光スペクトルを適正に取得することができた。このような構成によれば、火炎との位置関係が変化する場合であっても火炎の分光特性、換言すれば精錬炉の燃焼状態を安定して測定し、測定結果に基づいて精錬炉の状態を安定して制御することができる。なお、この実施例では、破線Ｌ１と破線Ｌ２との交点で分光特性を測定した例を示したが、破線Ｌ２は、直線状領域の範囲内であれば、任意に設定できることは言うまでもない。

次に、本発明による分光特性測定装置及び分光特性測定方法を、転炉の操業に適用し、炉の制御を行った例を示す。

容量３００ｔの上吹き転炉（酸素ガス上吹き、アルゴンガス底吹き）を用いて溶銑を酸化精錬して脱燐及び脱炭を行った。上吹きランスはラバール型のノズルを同一円周上に等間隔に配置したものを使用した。なお、ノズルのスロート径は７３．６ｍｍ、出口径は７８．０ｍｍ、５孔、ノズル傾角は１５°のものを用いた。分光特性測定装置１と転炉との間の距離は約２０ｍとした。

まず、転炉内に鉄スクラップを装入した後、以下の表１に示す成分及び温度の溶銑を装入した。次いで、底吹羽口からアルゴンガスを、上吹きランスから酸素ガスを溶銑浴面に吹き付けて溶銑の酸化精錬を開始した。なお、鉄スクラップの装入量は、酸化精錬終了後の溶鋼温度が１６５０℃となるように調整した。次いで、酸素精錬中にＣａＯ系溶媒剤として生石灰を投入して、溶融鉄中の炭素濃度が０．０５質量％となるまで酸化精錬を行った。石灰の投入量は炉内に生成されるスラグの塩基度が２．５となるように調整した。

酸素吹錬中に、所定の測定時間間隔Δｔ：１〜１０秒で、分光特性測定装置１で転炉の炉口付近の炉口燃焼火炎を撮影し、波長６１０ｎｍの光の発光強度Ｉｎを算出する解析を行った。ここで、６１０ｎｍという波長は事前検討から決めた値であり、鋼種や操業条件、炉の形状が異なる場合、あるいは転炉以外の設備、例えば精錬鍋に適用する場合は、その都度決定することが望ましい。得られた各時点における波長６１０ｎｍの発光強度Ｉｎを用いて、以下の数式（１），（２）に示す発光強度の移動平均変化率を算出した。

発光強度移動平均変化率
＝{Ｉ（ｎ,ｓ）―Ｉ（ｎ−ｍ,ｓ）}/[{Ｉ（ｎ,ｓ）＋Ｉ（ｎ−ｍ,ｓ）}/２] …(１)
Ｉ（ｎ,ｓ）＝Σ^s-1 _i=0Ｉ_n-I …(２)

ここで、数式（１），（２）において、Ｉ（ｎ,ｓ）は可算数をｓとし、時刻ｎを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（ａ.ｕ.）、Ｉ（ｎ−ｍ,ｓ）は可算数をｓとし、時刻ｎからｍ×Δｔ秒前を基準とする特定波長の移動平均（ａ.ｕ.）である。また、ｍは自然数、ｓは移動平均の可算数（０以上の整数）、Δｔは測定時間間隔（ｓ）である。

得られた各時点における発光強度移動平均変化率を転炉炉内状況の指標とし、転炉操業を監視した。そして、得られた発光強度移動平均変化率が予め決定された閾値１．６を下回った時点で、上吹きランスからの酸素ガス流量、上吹きランスのランス高さ、及び底吹きガス流量の少なくとも一つを調整した。さらに、本発明例では、吹錬中の特定波長の発光強度が減少した場合に、都度視野調整を実施した。

具体的には、上吹きランスからの酸素ガス流量を１０００Ｎｍ^３/ｍｉｎから８３３Ｎｍ^３/ｍｉｎへと減少させ、ランス高さは３.０ｍから２．５ｍへと低下させ、底吹きガス流量は１５Ｎｍ^３/ｍｉｎから３０Ｎｍ^３/ｍｉｎへと増加させた。なお、表２中の実施率とは、全吹錬数に対して炉口燃焼火炎の分光測定を安定して行えたチャージの割合である。火炎の分光測定を安定して行えなかった吹錬では、すなわち発光強度の移動平均変化率が数式（２）を満たすことがなかったときは、既存のプロセスコンピューターによる熱物質計算に基づき、溶湯中炭素濃度が０．４５質量％と推定された時点で、上記した上吹き条件及び底吹き条件の調整を行った。

なお、比較例として、分光測定の視野調整を行わなかった水準及び発光強度変化に関係なく、既存のプロセスコンピューターによる熱物質計算に基づき、溶湯中炭素濃度が０．４５質量％と推定された時点で、上記した上吹き条件及び底吹き条件の調整を行った水準を示す。

表２に示すように、本発明例では、いずれも比較例に比べてスラグ中の全鉄分量が少なく、鉄歩留りが向上した。また、本発明例と比較例とでは、精錬時間はほぼ同じであり、生産性はほぼ同等だった。これにより、本発明を適用することによって、転炉の操業条件を最適化できることが明らかとなった。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、対象物との位置関係が変化する場合であっても、対象物の位置と測定視野との対応付けを正確に行い、対象物の分光特性を安定して測定可能な分光特性測定装置及び分光特性測定方法を提供することができる。

１分光特性測定装置
２固定板
３，５結像用レンズ
４イメージング分光装置
６２次元撮像装置
７演算装置
８表示装置
Ａ対象物

Claims

イメージング分光装置を用いて対象物の直線状領域が発する光又は該直線状領域からの反射光を分光情報として取得するステップと、２次元撮像装置を用いて前記直線状領域を包含する対象物の２次元領域の画像を撮影するステップと、前記２次元撮像装置によって撮影された画像に基づいて前記イメージング分光装置によって前記分光情報を取得する範囲を決定するステップと、を含む分光特性測定方法を利用して炉の前記分光情報を測定することによって前記炉の燃焼状態を測定し、測定された前記炉の燃焼状態に基づいて前記炉の燃焼状態を制御するステップを含むことを特徴とする炉の制御方法。