JP6743316B1

JP6743316B1 - 炉壁の形状・損耗測定装置及び炉壁の形状・損耗測定方法

Info

Publication number: JP6743316B1
Application number: JP2020073384A
Authority: JP
Inventors: 二郎大野
Original assignee: MSK JAPAN CO., LTD.
Current assignee: MSK JAPAN CO., LTD.
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2040-04-16
Also published as: JP2021089265A

Abstract

【課題】十分な情報を短時間で提供する炉壁の形状・損耗測定装置を提供する。【解決手段】発光点Ｏを含む第１の平面と炉壁の面との交線上にマークを生成する光源と、該マークの画像を取得する第１のカメラと、プロセッサと、を備え、該光源及び該第１のカメラは回転軸の周りに回転可能に構成され、該第１のカメラの視野中心軸上をｗ軸とし、該ｗ軸上の該第１のカメラの主点Ｃを原点とし、該原点を含み該ｗ軸に垂直な面内で互いに直交する二直線をｕ軸及びｖ軸として、該プロセッサが、第１のカメラによって取得された画像における該マーク上の測定点のｕ、ｖ座標から該測定点の方位角及び仰俯角を求め、該方位角、該仰俯角及び該視野中心軸と該第１の平面との相対的な位置関係から炉壁の形状・損耗を定めることができるように構成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、炉壁の形状・損耗測定装置及び炉壁の形状・損耗測定方法に関する。本発明は特に製鋼用電気炉に適する。

製鋼用電気炉は鉄スクラップを高温で溶解し溶融状態の鋼を取り出すプロセスを繰り返す。高温にさらされる炉壁は耐火物によって形成されている。上記のプロセスの繰り返しによって耐火物からなる炉壁の表面は徐々に損耗する。この損耗を放置すると炉体破損などの大きな事故が発生する可能性が高まる。そこで、耐火物の損耗の状態を定める方法が開発されている。

従来の方法には耐火物の内部の温度測定に基づいて間接的に炉壁の損耗の状態を推定する方法がある（たとえば、特許文献１-３）。しかし、これらの方法では炉壁の損耗の状態を直接測定することはできなかった。また、レーザビームとリニアアレイセンサとを組み合わせて炉壁の形状を測定する方法が開発されている（たとえば、特許文献４）。しかし、この方法は測定手順が煩雑であり測定時間が長いので、たとえば、電気炉の出鋼から原料の投入の間に炉壁の形状を測定することはできない。このように、炉壁の補修機による補修のために炉壁の損耗状態の十分な情報を短時間で提供する炉壁の形状・損耗測定装置及び炉壁の形状・損耗測定方法は従来開発されていなかった。

特開平３-２２３６５８号公報特開平８−９４２６４号公報特開２０１７−２２７３５０号公報特開昭５８−１９６４０６号公報

したがって、炉壁の補修機による補修のために炉壁の損耗状態の十分な情報を短時間で提供する炉壁の形状・損耗測定装置及び炉壁の形状・損耗測定方法に対するニーズがある。本発明の技術的課題は炉壁の補修機による補修のために炉壁の損耗状態の十分な情報を短時間で提供する炉壁の形状・損耗測定装置及び炉壁の形状・損耗測定方法を提供することである。

本発明の第１の態様の炉壁の形状・損耗測定装置は、中心軸を有し、該中心軸に垂直な断面がほぼ、該中心軸上に中心を有する円形の形状を有する炉壁に使用され、該炉壁上に光線によるマークを生成する光源と、該マークの画像を取得する第１のカメラと、プロセッサと、を備える。該光源及び該第１のカメラは該中心軸の近傍に設置され、該中心軸の方向の回転軸の周りに回転可能に構成され、該光源の発光点Ｏは実質的に該回転軸上に位置し、該光源は該発光点Ｏを含む第１の平面と該炉壁の面との交線上に該マークを生成するように構成され、該光源及び該第１のカメラが相対的な位置関係を維持しながら該回転軸の周りに回転すると該第１の平面が該回転軸の周りに回転するように構成され、該第１のカメラの視野中心軸上をｗ軸とし、該ｗ軸上の該第１のカメラの主点Ｃを原点とし、該原点を含み該ｗ軸に垂直な面内で互いに直交する二直線をｕ軸及びｖ軸として、該プロセッサが、該回転軸の周りに回転する該第１のカメラによって取得された画像における該マーク上の測定点のｕ、ｖ座標から該測定点の方位角及び仰俯角を求め、該方位角、該仰俯角及び該視野中心軸と該第１の平面との相対的な位置関係から、該主点Ｃと該測定点との間の距離及び該主点Ｃから該測定点へ向かう方向を求め、該主点Ｃと該測定点との間の距離及び該主点Ｃから該測定点へ向かう方向から炉壁の形状・損耗を定めることができるように構成されている。

本態様の炉壁の形状・損耗測定装置は、炉壁の補修機による補修のために炉壁の損耗状態の十分な情報を短時間で、たとえば、電気炉の出鋼から原料の投入の間に提供することができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、該第１の平面は該ｕ軸及び該ｗ軸が形成する平面に直交するように構成されている。

本実施形態によれば、該主点Ｃと該測定点との間の距離を求めるための演算が簡単になる。

本発明の第１の態様の第２の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、該発光点Ｏが該ｕ軸上に位置するように構成されている。

本発明の第１の態様の第３の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、点Ｃ及び点Ｏ間の距離をｄ、該ｗ軸と該第１の面との交点をＰ_０、該ｗ軸と点Ｏ及び点Ｐ_０を結ぶ直線とのなす鋭角をγとして、ｄが５００ミリメータから１５００ミリメータの範囲であり、γが８度から２３度の範囲である。

本実施形態によれば、上記の距離及び角度を適切に設定することにより高い精度で炉壁の内周に沿った形状・損耗を測定することができる。

本発明の第１の態様の第４の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、該光源が該第１の平面内にレーザ光線を射出するレーザライン生成器であり、該マークがレーザラインである。

本実施形態によれば、光線によるマークとしてレーザラインを使用することにより炉のプロセス間で炉が高温の状態で短時間に測定を実施することができるので、炉のプロセス間で炉が高温の状態で実施される炉壁の補修機による補修のために炉壁の損耗状態の十分な情報を提供することができる。

本発明の第１の態様の第５の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、該レーザライン生成器が射出するレーザ光線の方向を変えることができるように構成されている。

本実施形態によれば、炉壁の広い範囲の内周に沿った形状・損耗を測定することができる。

本発明の第１の態様の第６の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置は、該炉壁の画像を取得する第２のカメラと、表示器と、をさらに備え、該第２のカメラは、該炉壁の内周に沿って該炉壁の画像を取得することができるように、該中心軸の近傍に設置され、該回転軸の周りに回転可能に構成され、該プロセッサが、該炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を作成し、該表示器によって表示するように構成されている。

本実施形態によれば、オペレータに炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を提供することができるので、炉壁の補修機による補修が効率的に実施できる。

本発明の第１の態様の第７の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、該光源がプロジェクタであり、該マークが該プロジェクタによって生成されたマークである。

本実施形態によれば、マークの画像及び炉壁の画像を1台のカメラで取得することができる。

本発明の第１の態様の第８の実施形態の炉壁の形状・損耗測定装置において、該光源及び該第１のカメラが該中心軸の近傍に回転可能に設置された該炉壁の補修機に取り付けられている。

本実施形態によれば、炉壁の形状・損耗測定装置を補修機と連動させることが容易になる。

本発明の第２の態様の炉壁の形状・損耗測定方法は、中心軸を有し、該中心軸に垂直な断面がほぼ、該中心軸上に中心を有する円形の形状の炉壁を有する炉に使用される炉壁の形状・損耗測定方法であって、該炉壁上に光線によるマークを生成する光源と、該マークの画像を取得する第１のカメラと、プロセッサと、を使用し、該光源及び該第１のカメラは該中心軸の近傍に設置され、該中心軸の方向の回転軸の周りに回転可能に構成され、該光源の発光点Ｏは実質的に該回転軸上に位置し、該光源は該発光点Ｏを含む面と該炉壁の面との交線上に該マークが生成されるように構成され、該第１のカメラは視野中心軸が該回転軸を通過するように設置され、該方法は、該光源及び該第１のカメラが該回転軸の周りに回転しながら、所定の高さで該炉壁の内周に沿って該マークの画像を取得するステップと、該プロセッサが、該炉壁の内周に沿って取得した該マークの画像を使用して該炉壁の形状・損耗を定めるステップと、を含む。

本態様の炉壁の形状・損耗測定方法は、炉壁の補修機による補修のために炉壁の損耗状態の十分な情報を短時間で、たとえば、電気炉の出鋼から原料の投入の間に提供することができる。

本発明の第２の態様の第１の実施形態の炉壁の形状・損耗測定方法は、該炉壁の画像を取得する第２のカメラと、表示器と、をさらに使用し、該第２のカメラは該中心軸の近傍に設置され、該回転軸の周りに回転可能に構成され、該第２のカメラによって該炉壁の内周に沿って該炉壁の画像を取得するステップと、該プロセッサが、該炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を作成するステップと、該プロセッサが、該炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を該表示器によって表示するステップと、をさらに含む。

本実施形態によれば、オペレータに炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を提供することができるので炉のプロセス間で炉が高温の状態で実施される炉壁の補修機による補修が効率的に実施できる。

本発明の第２の態様の第２の実施形態の炉壁の形状・損耗測定方法は、該炉壁が基準状態のときに定めた該炉壁の形状と新たに定めた該炉壁の形状との差分から該炉壁の損耗量を定める。

本実施形態によれば、基準状態からの炉壁の損耗量を正確に測定することができる。

製鋼用のアーク式電気炉の断面を示す図である。本発明の一実施形態による炉壁の形状・損耗測定装置の配置を示す透視図である。炉壁の形状・損耗測定装置の配置を示す平面図である。炉壁の形状・損耗測定装置の構成を示すブロック図である。基準状態の炉壁の内周の形状を定める方法を示す流れ図である。レーザライン生成器の発光点、第１のカメラの主点及び炉壁の位置関係を説明するための図である。点Ｏ、点Ｃ、点Ｐ_０及び上記の点を含む面の間の位置的関係を説明するための図である。レーザライン生成器の位置調整方法を説明するための図である。第１のカメラの主点Ｃからレーザライン上の測定点Ｌまでの距離の定め方を説明するための図である。第１のカメラの画像から測定点Ｌの方位角α及び測定点Ｌの仰俯角βを定める方法を説明するための図である。図５のステップＳ１０２０に記載された、レーザラインの画像を使用して基準状態の炉壁の内周の形状を定める方法を示す流れ図である。測定点Ｌの方位角α、仰俯角β及び第１のカメラの主点Ｃから測定点Ｌまでの距離ｌの間の関係を示す図である。炉壁の形状・損耗測定装置によって測定された基準状態の炉壁の内周の形状を示す図である。出鋼後の炉壁の内周の形状・損耗を定める方法を示す流れ図である。炉壁の形状・損耗測定装置によって測定された出鋼後の炉壁の内周の形状を示す図である。炉壁の内周の画像及びレーザラインの画像を別々に示す図である。炉壁の内周の画像にレーザラインの画像を重ね合わせた合成画像を示す図である。

図１は、製鋼用のアーク式電気炉３００の断面を示す図である。電気炉３００の炉壁３１０は、中心軸３２０を有し、中心軸３２０に垂直な断面が中心軸３２０上に中心を有するほぼ円形の形状を有する。図１に示す断面は中心軸３２０を含む。電気炉３００には原料である鉄スクラップ及び副原料である石灰石が投入され、アークによって高温に加熱される。鉄スクラップは溶解し、鉄スクラップ中の銅、スズ、ニッケル、クロムなどの不純物は石灰石に吸収されてスラグとなる。不純物を含むスラグは比重が小さいので不純物が除去された溶鋼上に浮上する。溶鋼及びスラグは炉壁３１０に設けられた出鋼口及び排滓口からそれぞれ取り出される。このように、電気炉３００においては、原料及び副原料の投入、原料の溶解、出鋼及び排滓のプロセスが繰り返される。

高温にさらされる炉壁３１０は、耐火煉瓦及びキャスタブル耐火物によって形成されている。上記のプロセスの繰り返しによって炉壁の表面は徐々に損耗する。この損耗を放置すると炉体破損などの大きな事故が発生する可能性が高まる。そこで、炉３００には、プロセス間、すなわち、出鋼から原料の投入の間などに炉壁の損耗の大きな個所にキャスタブル耐火物を吹き付けるための補修機２００が設置されている。補修機２００は、アーク式電気炉３００の中心軸３２０とほぼ一致する中心軸３２０の方向の回転軸の周りに回転可能に構成されている。補修機２００の先端にはキャスタブル耐火物を炉壁３１０に吹き付けるノズル２１０が設けられている。また、ノズル２１０はキャスタブル耐火物の炉壁上の吹き付け位置を変えるために角度を変化させることができるように構成されている。補修機２００の回転位置とノズル２１０の角度を変えることにより炉壁の任意の位置にキャスタブル耐火物を吹き付けることができる。

溶鋼上のスラグの位置の炉壁３１０の損耗が最も大きい。この溶鋼上のスラグの鉛直方向の位置を示す水平な直線をスラグライン３３０と呼称する。図１においてスラグライン３３０を破線で示している。炉壁３１０の形状・損耗を監視する際には炉壁３１０のスラグライン３３０の高さの部分を優先的に監視する必要がある。

図２は本発明の一実施形態による炉壁の形状・損耗測定装置１００の配置を示す透視図である。本実施形態において、炉壁の形状・損耗測定装置１００の光源としてラインジェネレータの名称で市販されているレーザライン生成器を使用する。炉壁の形状・損耗測定装置１００は、炉壁上に光線によるマークとしてレーザラインを生成するレーザライン生成器１０１と、レーザラインの画像を取得する第１のカメラ１０３と、炉壁の画像を取得する第２のカメラ１０５と、を含む。レーザライン生成器１０１、第１のカメラ１０３及び第２のカメラ１０５は、中心軸３２０の近傍に設置され、補修機２００に固定された平板１５０上に設置してもよい。補修機２００は中心軸３２０とほぼ一致する中心軸３２０の方向の回転軸の周りに回転可能に構成されている。レーザライン生成器１０１は回転軸の近傍にレーザ光線を平面内に射出するように設置される。レーザライン生成器１０１は上記の平面内に射出するレーザ光線の方向を変えることができるように構成してもよい。補修機２００が回転軸の周りに回転すると、レーザライン生成器１０１も回転軸の周りに回転し、一例としてスラグライン３３０の高さで炉壁の内周に沿ってレーザラインを形成する。第１のカメラ１０３は、レーザライン生成器１０１とともに回転軸の周りに回転しながらスラグライン３３０の高さで炉壁の内周に沿ってレーザラインの画像を取得する。第２のカメラ１０５は、レーザライン生成器１０１及び第１のカメラ１０３とともに回転軸の周りに回転しながら内周に沿って炉壁の画像を取得する。炉壁の内周に沿ったレーザラインの画像及び内周に沿った炉壁の画像を取得するための回転軸の周りの１回転に要する時間は約１０秒である。

レーザラインは炉壁３１０の中心軸３２０を含む断面内において一例としてスラグライン３３０の高さの近傍に形成される。レーザラインの長さは一例として炉壁３１０上で５００ミリメートルである。一般的に、本発明の一実施形態による炉壁の形状・損耗測定装置１００による測定対象は、スラグラインの高さの炉壁の領域に限定されず炉底部を含む炉壁の全域である。必要に応じて、平面内に射出するレーザ光線の方向を変えることができるようにレーザライン生成器１０１を構成したり、レーザラインの長さをスラグラインから炉底中心部まで達するように長くできるレーザライン生成器１０１を構成することによって、炉底部を含む炉壁の全域を測定することができる。

図３は炉壁の形状・損耗測定装置１００の配置を示す平面図である。以下において、補修機２００の回転軸が中心軸３２０と一致するものとして説明する。補修機２００が中心軸３２０の周りに回転すると平板１５０も中心軸３２０の周りに回転する。回転中にレーザライン生成器１０１と第１のカメラ１０３との位置関係は変化しない。第２のカメラ１０５の視野角は一例として７０度である。

図４は炉壁の形状・損耗測定装置１００の構成を示すブロック図である。炉壁の形状・損耗測定装置１００は、レーザライン生成器１０１と、第１のカメラ１０３と、第２のカメラ１０５と、プロセッサ１１０と、表示器１２０と、を含む。また、プロセッサ１１０は、中心軸３２０の周りの回転中の周方向位置、すなわち回転角度をエンコーダなどの検出器１３０から取り込むことができるように構成されている。プロセッサ１１０は回転中の周方向位置とその位置で第１のカメラ１０３及び第２のカメラ１０５によって取得した画像とを結びつける。プロセッサ１１０は、第１のカメラ１０３によって取得したレーザラインの画像から炉壁の形状・損耗を定める。また、プロセッサ１１０は、第２のカメラ１０５によって取得した炉壁の画像と炉壁の形状・損耗の情報を合成した画像を表示器１２０に表示する。プロセッサ１１０の上記の機能は後で詳細に説明する。レーザライン生成器１０１のレーザの波長は一例として４０５ナノメータであり、第１のカメラ１０３は、上記の波長を選択的に透過させるフィルタを備えている。

図５は基準状態の炉壁３１０の内周の形状を定める方法を示す流れ図である。基準状態とは定期補修直後の耐火物の損耗がない状態をいう。定期補修とは、炉が高温の状態で実施されるプロセス間の補修とは別に、定期的に炉の温度を低くして実施される補修である。

図５のステップＳ１０１０において、第１のカメラ１０３によって基準状態の炉壁３１０の内周のレーザラインの画像を取得する。

図５のステップＳ１０２０において、プロセッサ１１０は、レーザラインの画像を使用して基準状態の炉壁の内周の形状を定める。最初に、図５のステップＳ１０２０において使用される本発明の一実施形態による測定方法について説明する。

図６は、レーザライン生成器１０１の発光点、第１のカメラ１０３の主点及び炉壁３１０の面の位置関係を説明するための図である。図６においてレーザライン生成器１０１の発光点及び第１のカメラ１０３の主点をそれぞれ点Ｏ及び点Ｃで表す。また、炉壁面をＦで表す。レーザライン生成器１０１は、点Ｏが実質的に回転軸上に位置するように設置される。ここで、「実質的に」とは、点Ｏの回転軸からの距離が、点Ｏの高さにおける回転軸に垂直なほぼ円形の炉の断面の半径の10％以下であることをいう。レーザライン生成器１０１は平面π（以下、面πと呼称する）内にレーザ光線を射出し、面πと炉壁面との交線上にレーザラインを生成する。図６の点Ｌは、炉壁３１０上に形成されるレーザライン上の測定点を表す。レーザライン生成器１０１が回転軸の周りに回転するとレーザラインは炉壁面Ｆに沿って移動し、レーザライン生成器１０１とともに移動する第１のカメラ１０３が炉壁面Ｆの周方向の各位置においてレーザラインの画像を取得する。図６において点Ｐ_０は第１のカメラ１０３の主点Ｃを通る視野中心軸と面πとの交点を表す。回転中に点Ｏ、点Ｃ及び点Ｐ_０の相対的な位置関係は以下に説明するように不変である。

図７は、点Ｏ、点Ｃ、点Ｐ_０及び上記の点を含む面の間の位置関係を説明するための図である。点Ｃを原点とし、視野中心軸をｗ軸とするｕｖｗ直交座標系を定める。ｕ軸及びｖ軸はｗ軸に直交する平面内において互いに直交する二直線とする。図７においてｕ軸、ｖ軸及びｗ軸は、それぞれｅｕ、ｅｖ及びｅｗで示される。本実施形態において、点Ｏがｕ軸上に位置するように構成する。点Ｃ及び点Ｏ間の距離をｄで表す。ｕ軸及びｗ軸を含む平面を面Ωとし、ｖ軸及びｗ軸を含む平面を面Σとする。面Ω及び面Σは互いに直交する。点Ｏを含む面πは面Ωと直交するように定める。どのようにして面πが面Ωと直交するように面πの位置を定めるかにつては後で説明する。面π上の点Ｏ及び点Ｌを結ぶ直線と面Σとの交点を点Ｐ３であらわす。点Ｐ_０及び点Ｐ３の二点は面Σ及び面πの二平面に含まれるので、点Ｐ_０及び点Ｐ３を結ぶ直線は二平面の交線である。ここで点Ｌの座標を（ｕ，ｖ，ｗ）とする。点Ｌから面Ωに下した垂線の足を点Ｌｕとする。点Ｌｕの座標は（ｕ，０，ｗ）で表せる。点Ｌから面Σに下した垂線の足を点Ｌｖとする。点Ｌｖの座標は（０，ｖ，ｗ）で表せる。点Ｌｖから面Ωに下した垂線の足を点Ｌｗとする。点Ｌｗの座標は（０，０，ｗ）で表せる。点Ｏ及び点Ｐ_０を結ぶ直線と点Ｃ及び点Ｐ_０を結ぶｗ軸とのなす角度（鋭角）をγで表す。点Ｏを通る回転軸をｍで表す。図７において回転軸ｍは一点鎖線で示される。距離ｄ及び角度γは固定値であり、面Σ、面π及びそれらの面内の点は相互の位置関係を維持しながら回転軸ｍの周りに回転する。

図７において点Ｃを原点とするｘｙｚ直交座標系を定める。ｘ軸はｕ軸と一致させる。ｙ軸は回転軸と平行に定める。ｙ軸及びｚ軸は、ｖ軸及びｗ軸をそれぞれｕ軸の周りに角度Φ回転させたものと一致する。

ここで、どのようにして面πが面Ωと直交するように面πの位置を定めるかにつて説明する。第１のカメラ１０３の画像の垂直軸が図２の平板１５０と垂直になるように第１のカメラ１０３を平板１５０に固定する。レーザライン生成器１０１のレーザ照射面πが平板１５０と垂直になるようにレーザライン生成器１０１を平板１５０に固定する。平板１５０を水平面に対して角度Φ傾斜させた状態で補修機２００に固定する。平板１５０の面は面Ωと一致する。

図８はレーザライン生成器１０１の位置調整方法を説明するための図である。図８はｕ軸及びｗ軸が形成する面Ωを示す。図８においてＲは反射板を示す。反射板Ｒはレーザ照射面πと交差する位置に鉛直方向に対して角度Φ傾斜させる。すなわち、反射板Ｒは面Ωと直交している。第１のカメラ１０３によって、反射板Ｒ上に形成されるレーザラインを観察し、レーザラインが画像の垂直軸方向となるようにレーザライン生成器１０１の位置及びレーザ照射面πの向きなどを調整する。点Ｏから反射板Ｒまでの距離がｄ１及びｄ２のときの、ｗ軸及び点Ｃと、レーザラインとΩ面との交点とを結ぶ直線のなす角度（鋭角）をそれぞれα１及びα２で表すと、ｄ２＜ｄ１であればα１＜α２である。このように点Ｏから反射板Ｒまでの距離が大きくなると上記の角度は小さくなる。上記の角度は後で説明する方位角に対応する。

図９は点Ｃから点Ｌまでの距離ｌの求め方を説明するための図である。角度αは点Ｃと点Ｌｗを結ぶ直線ＣＬｗ（ｗ軸）と点Ｃと点Ｌｕを結ぶ直線ＣＬｕとのなす角度（鋭角）であり測定点Ｌの方位角と呼称する。角度βは点Ｃと点Ｌｕを結ぶ直線ＣＬｕと点Ｃと点Ｌを結ぶ直線ＣＬとのなす角度（鋭角）であり測定点Ｌの仰俯角と呼称する。図８において点Ｐ１及び点Ｐ２を結び、点Ｐ_０を通る直線は、図７における面Σ及び面πの二平面の交線に対応する。

図９において、二点を結ぶ線分の長さを以下のように定める。

|CL| = l, |CLu | = lu, |CLw | = w, |LwLu | = u, |LwLv | = v, |CO | = d

ここで、たとえば|CL|は、点Ｃと点Ｌを結ぶ線分の長さを表す。また、２本の線分のなす角度を以下のように定める。

∠LwCLu = α, ∠LCLu = β, ∠CP₀O ＝γ, ∠CLuO = η
∠LuCO = φ, ∠LuOC = ξ, ∠OC P₀= π/2

ここで、たとえば∠LwCLuは点Ｃと点Ｌｗを結ぶ線分と点Ｃと点Ｌｕを結ぶ線分とがなす角度を表す。

点Ｃ、点Ｐ０及び点Ｌｕを頂点とする三角形について以下の関係が成立する。

点Ｃ、点Ｐ０及び点Ｏを頂点とする三角形について以下の関係が成立する。

点Ｃ、点Ｌｕ及び点Ｏを頂点とする三角形について以下の関係が成立する。

点Ｃ、点Ｌｕ及び点Lを頂点とする三角形について以下の関係が成立する。

式（１）-（３）を使用して式（４）からｌｕを消去して整理すると以下の式が得られる。

ここで、距離ｄ及び角度γは固定値であるので、測定点Ｌの方位角α及び測定点Ｌの仰俯角βを求めることによって式（１）-（５）を使用して点Ｃと測定点Ｌとの距離ｌを求めることができる。

製鋼用の電気炉を測定対象とする場合に距離ｄは５００ミリメータから１５００ミリメータであるのが好ましく、角度γは８度から２３度であるのが好ましい。

図１０は、第１のカメラ１０３の画像から測定点Ｌの方位角α及び測定点Ｌの仰俯角βを定める方法を説明するための図である。第１のカメラ１０３の視野中心軸をｙ軸とし、互いに直交するｕ方向及びｖ方向のグリッドを備えた平板π_ｕｖを、平板π_ｕｖがｙ軸と直交し、第１のカメラ１０３の主点Ｃからの距離がｗであり、ｕ方向が画像の水平方向となるように配置する。平板π_ｕｖ上の任意の点Ｌの座標を（ｕ，ｖ）で表すと、点Ｌの方位角α及び仰俯角βは以下の式で表せる。

第１のカメラ１０３の画像上の全ての画素に対して座標（ｕ，ｖ）から方位角α及び仰俯角βを定める。一般的にカメラまたはレンズを変えるごとに上記の手順によって画像上の全ての画素に対して方位角α及び仰俯角βを定める必要がある。

図１１は、図５のステップＳ１０２０に記載された、レーザラインの画像を使用して基準状態の炉壁の内周の形状を定める方法を示す流れ図である。

図１１のステップＳ２０１０において、プロセッサ１１０によって、第１のカメラ１０３のレーザラインの画像におけるレーザライン上の測定点Ｌの方位角α及び仰俯角βを定める。

図１１のステップＳ２０２０において、プロセッサ１１０によって、方位角α、仰俯角β及び式（２）-（５）を使用して第１のカメラ１０３の主点Ｃから測定点Ｌまでの距離ｌを求める。測定点Ｌは炉壁３１０上の点であるので距離ｌ、方位角α及び仰俯角βから炉壁３１０の形状が定まる。

図１２は、測定点Ｌの方位角α、仰俯角β及び第１のカメラ１０３の主点Ｃから測定点Ｌまでの距離ｌの間の関係を示す図である。図１２の横軸は測定点Ｌの方位角αを表す。単位は度である。図１０の縦軸は第１のカメラ１０３の主点Ｃから測定点Ｌまでの距離ｌを表す。単位は10ミリメータ（1センチメータ）である。図１２は仰俯角βの６個の異なる値に対して方位角αと距離ｌとの間の関係を示している。方位角α、仰俯角β、角度γ及び距離ｄの数値は以下のとおりである。
α= -1.0〜+1.0 deg
β= 0〜30 deg
γ= 13 deg
d= 800 mm

図１２によると方位角に対する距離の平均勾配は300(mm/deg)である。上述のように距離が大きくなると方位角は小さくなる。第１のカメラ１０３の水平視野角60度、水平画素数1200とすると距離分解能は
300/(1200/60) = 15 (mm/画素)
となる。

本実施形態では距離ｌを求めるための演算を簡単にするために、点Ｏがｕ軸上に位置し、面πが面Ωと直交するように構成している。一般的に、点Ｏがｕ軸上に位置せず面πが面Ωと直交しない場合でも、測定点の方位角α、測定点の仰俯角β及び第１のカメラ１０３の視野中心軸と面πとの位置関係から距離ｌを求めることができる。

図１３は、炉壁の形状・損耗測定装置１００によって測定された基準状態の炉壁の内周の形状を示す図である。図１３の横軸は、スラグラインの高さにおける炉壁の内周に沿った位置を示す。この位置は回転軸の周りの回転角度に対応する。図１３において、横軸に沿って出鋼口と排滓口の位置を示した。図１３の縦軸は、第１のカメラ１０３の主点Ｃから炉壁上のスラグラインの高さの測定点Ｌまでの距離ｌ、すなわちスラグラインの高さの炉壁の形状を示す。縦軸の上方向は炉壁の損耗の方向を示す。縦軸の下方向はキャスタブル耐火材の堆積の方向を示す。縦軸の目盛は２０ミリメータである。

図１３の横軸方向の太い線は基準状態、すなわち炉壁の損耗がない状態における出鋼口と排滓口との間の距離ｌの平均値である。

図１４は出鋼後の炉壁３１０の内周の形状・損耗を定める方法を示す流れ図である。出鋼後とは原料などの投入、原料の溶解、出鋼及び排滓のプロセスが終了し、次のプロセスが始まるまでの期間をいう。本実施形態によれば光線によるマークとしてレーザラインを使用することにより出鋼後に炉が高温の状態で炉壁の形状・損耗を短時間で測定することができる。

図１４のステップＳ３０１０において、第１のカメラ１０３及び第２のカメラ１０５によって出鋼後の炉壁の内周のレーザラインの画像及び出鋼後の炉壁の内周の画像をそれぞれ取得する。

図１４のステップＳ３０２０において、プロセッサ１１０がレーザラインの画像を使用して出鋼後の炉壁の内周の形状を定める。出鋼後の炉壁の内周の形状を定める手順は、図５に示した手順と同じである。

図１５は、炉壁の形状・損耗測定装置１００によって測定された出鋼後の炉壁の内周の形状を示す図である。図１５の横軸は、スラグラインの高さにおける炉壁の内周に沿った位置を示す。図１５において、横軸に沿って出鋼口と排滓口の位置を示した。図１５の縦軸は、第１のカメラ１０３の主点Ｃから炉壁上のスラグラインの高さの測定点Ｌまでの距離ｌ、すなわちスラグラインの高さの炉壁の形状を示す。縦軸の上方向は炉壁の損耗の方向を示す。縦軸の下方向はキャスタブル耐火材の堆積の方向を示す。縦軸の目盛は２０ミリメータである。

図１５の横軸方向の太い線は図１３と同様に基準状態、すなわち炉壁の損耗がない状態における出鋼口と排滓口との間の距離ｌの平均値を示す。

図１５の測定は図１２に示した基準状態から約２か月経過した後に実施された。この間に補修機によるプロセス間の補修は繰り返し実施されていた。図１５によると、排滓口の付近の二個の丸で囲った箇所は損耗量が特に大きい。

炉壁の内周に沿った位置ごとに出鋼後の距離ｌと基準状態の距離ｌとの差から炉壁の損耗量を求めてもよい。

図１４のステップＳ３０３０において、プロセッサ１１０が出鋼後の炉壁の内周の画像に出鋼後の炉壁の内周の形状・損耗を示す情報を加えた合成画像を生成する。

図１４のステップＳ３０４０において、プロセッサ１１０が炉壁の内周の画像に出鋼後の炉壁の内周の形状・損耗を示す情報を加えた合成画像を表示器１２０に表示する。

図１６は、炉壁の内周の画像及びレーザラインの画像を別々に示す図である。図１６の右側のレーザラインの画像において、右方向が炉壁の損耗方向を示す。

図１７は、炉壁の内周の画像にレーザラインの画像を重ね合わせた合成画像を示す図である。図１７において、基準状態で測定されたレーザライン（図に「基準ライン」と記載）を実線で示し、プロセス間で測定されたレーザライン（図に「損耗ライン」と記載）を破線で示す。レーザラインの右方向の移動は損耗を示すので損耗ラインが基準ラインと比較して右方向に移動している箇所にキャスタブル耐火材を堆積することによって効率的に炉壁の補修を実施することができる。なお、損耗ラインが基準ラインと比較して左方向に移動している箇所はキャスタブル耐火物が基準状態よりも厚く堆積された箇所である。レーザラインの画像は、炉壁の位置変化をわかりやすくするように長さに対して水平方向の変化を拡大したものであってもよい。拡大率は３倍から１０倍の範囲であってもよい。レーザラインの画像に対応する箇所の損耗量を示す数字を重ね合わせてもよい。このように炉壁の画像に炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を作成し表示することによって効率的な炉壁の補修が可能となる。

第１のカメラ１０３及び第２のカメラ１０５が回転中に同時に取得した画像に基づいて合成画像を生成してもよい。あるいは第１のカメラ１０３が回転中に取得した画像に基づいてあらかじめ周方向のそれぞれの位置の損耗量またはレーザライン画像を求めておき、補修機２００によって補修を行う際に第２のカメラ１０５によって補修すべき箇所の炉壁の画像を取得し、その画像と対応する周方向の位置の損耗量またはレーザライン画像から合成画像を生成してもよい。オペレータは上記の画像を参照することにより補修機２００による炉壁の補修を適切に実施することができる。

上記の説明は、光源としてレーザライン生成器を使用し、光線によるマークとしてレーザラインを使用する実施形態に関するものである。上述のように、光線によるマークとしてレーザラインを使用することにより炉のプロセス間で炉が高温の状態で短時間に測定を実施することができる。他の光源を使用する実施形態について以下に説明する。光源としてストライプやグリッドなどのパターンをＬＥＤ光線によって炉壁に照射するプロジェクタを使用してもよい。このようなプロジェクタはたとえばOpto Engineering社から販売されている（商品名LTPRSMHP3W SERIES）。上記のプロジェクタによって発光点を含む面と炉壁の面との交線上に線または線上に配列された複数のドットを生成させることによってレーザラインを使用する場合と同様に炉壁の形状・損耗の測定を実施することができる。レーザラインを使用する場合にはレーザラインの画像を採取するカメラ及び炉壁の画像を採取するカメラの２台のカメラが必要であるが、本実施形態では１台のカメラによって光線によるマーク及び炉壁の画像を採取することができる。さらに、線または線上に配列されたドットなどの光線によるマークを生成することのできるどのような光源であっても本発明に使用することができる。

Claims

中心軸を有し、該中心軸に垂直な断面がほぼ、該中心軸上に中心を有する円形の形状の炉壁を有する炉に使用される炉壁の形状・損耗測定装置であって、
該炉壁上に光線によるマークを生成する光源と、該マークの画像を取得する第１のカメラと、プロセッサと、を備え、
該光源及び該第１のカメラは該中心軸の近傍に設置され、該中心軸の方向の回転軸の周りに回転可能に構成され、
該光源の発光点Ｏは実質的に該回転軸上に位置し、該光源は該発光点Ｏを含む第１の平面と該炉壁の面との交線上に該マークを生成するように構成され、
該光源及び該第１のカメラが相対的な位置関係を維持しながら該回転軸の周りに回転すると該第１の平面が該回転軸の周りに回転するように構成され、
該第１のカメラの視野中心軸上をｗ軸とし、該ｗ軸上の該第１のカメラの主点Ｃを原点とし、該原点を含み該ｗ軸に垂直な面内で互いに直交する二直線をｕ軸及びｖ軸として、
該プロセッサが、該回転軸の周りに回転する該第１のカメラによって取得された画像における該マーク上の測定点のｕ、ｖ座標から該測定点の方位角及び仰俯角を求め、該方位角、該仰俯角及び該視野中心軸と該第１の平面との相対的な位置関係から、該主点Ｃと該測定点との間の距離及び該主点Ｃから該測定点へ向かう方向を求め、該主点Ｃと該測定点との間の距離及び該主点Ｃから該測定点へ向かう方向から炉壁の形状・損耗を定めることができるように構成された炉壁の形状・損耗測定装置。
該第１の平面は該ｕ軸及び該ｗ軸が形成する平面に直交するように構成された請求項１に記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
該発光点Ｏが該ｕ軸上に位置するように構成された請求項１または２に記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
点Ｃ及び点Ｏ間の距離をｄ、該ｗ軸と該第１の平面との交点をＰ_０、該ｗ軸と点Ｏ及び点Ｐ_０を結ぶ直線とのなす鋭角をγとして、ｄが５００ミリメータから１５００ミリメータの範囲であり、γが８度から２３度の範囲である請求項３に記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
該光源が該第１の平面内にレーザ光線を射出するレーザライン生成器であり、該マークがレーザラインである請求項１から４のいずれかに記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
該レーザライン生成器が射出するレーザ光線の方向を変えることができるように構成された請求項５に記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
該炉壁の画像を取得する第２のカメラと、表示器と、をさらに備え、
該第２のカメラは、該炉壁の内周に沿って該炉壁の画像を取得することができるように、該中心軸の近傍に設置され、該回転軸の周りに回転可能に構成され、
該プロセッサが、該炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を作成し、該表示器によって表示するように構成された請求項５または６に記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
該光源がプロジェクタであり、該マークが該プロジェクタによって生成されたマークである請求項１から４のいずれかに記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
該光源及び該第１のカメラが該中心軸の近傍に回転可能に設置された該炉壁の補修機に取り付けられた請求項１から７のいずれかに記載の炉壁の形状・損耗測定装置。
中心軸を有し、該中心軸に垂直な断面がほぼ、該中心軸上に中心を有する円形の形状の炉壁を有する炉に使用される炉壁の形状・損耗測定方法であって、該炉壁上に光線によるマークを生成する光源と、該マークの画像を取得する第１のカメラと、プロセッサと、を使用し、該光源及び該第１のカメラは該中心軸の近傍に設置され、該中心軸の方向の回転軸の周りに回転可能に構成され、該光源の発光点Ｏは実質的に該回転軸上に位置し、該光源は該発光点Ｏを含む第１の平面と該炉壁の面との交線上に該マークを生成するように構成され、該光源及び該第１のカメラが相対的な位置関係を維持しながら該回転軸の周りに回転すると該マークを含む該第１の平面が該回転軸の周りに回転するように構成され、該第１のカメラの視野中心軸上をｗ軸とし、該ｗ軸上の該第１のカメラの主点Ｃを原点とし、該原点を含み該ｗ軸に垂直な面内で互いに直交する二直線をｕ軸及びｖ軸として、該方法は、
該光源及び該第１のカメラを該回転軸の周りに回転させながら、該炉壁の内周に沿って該マークの画像を取得するステップと、
該プロセッサによって、該画像における該マーク上の測定点のｕ、ｖ座標から該測定点の方位角及び仰俯角を求めるステップと、
該プロセッサによって、該方位角、該仰俯角及び該視野中心軸と該第１の平面との相対的な位置関係から、該主点Ｃと該測定点との間の距離及び該主点Ｃから該測定点へ向かう方向を求め、該主点Ｃと該測定点との間の距離及び該主点Ｃから該測定点へ向かう方向から炉壁の形状・損耗を定めるステップと、を含む炉壁の形状・損耗測定方法。
該炉壁の画像を取得する第２のカメラと、表示器と、をさらに使用し、該第２のカメラは該回転軸の方向の中心軸の近傍に設置され、該回転軸の周りに回転可能に構成され、
該第２のカメラによって該炉壁の内周に沿って該炉壁の画像を取得するステップと、
該プロセッサが、該炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を作成するステップと、
該プロセッサが、該炉壁の画像に該炉壁の形状・損耗を示す情報を加えた画像を該表示器によって表示するステップと、をさらに含む請求項１０に記載の炉壁の形状・損耗測定方法。
該炉壁が基準状態のときに定めた該測定点と該第１のカメラとの間の距離と新たに定めた該測定点と該第１のカメラとの間の距離との差分から該炉壁の損耗量を定める請求項１０または１１に記載の炉壁の形状・損耗測定方法。