JP6795046B2 - 溶鋼流中のスラグ検出のためのヒストグラム作成方法 - Google Patents
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Description
本願は、2017年2月14日に日本に出願された特願2017−025440号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
しかしながら、溶鋼とスラグとが混在した溶鋼流を撮像して得られた撮像画像のヒストグラムにおいて複数のサブピークが観測される場合、上述の方法を用いることは難しく、スラグの検出精度が低下する虞がある。
また、溶鋼流の温度は、例えば鋼種または出鋼操業の条件に応じて100℃以上も変化する。そのため、固定のしきい値を用いて判定しようとすると、溶鋼流の温度が変化した場合に、スラグの検出精度が低下する虞がある。
また、本発明者らは、鋼種または出鋼操業の条件に応じて溶鋼流の温度が変化したとしても、最大ピーク点がスラグに対応する場合には、最大ピーク点の温度よりも低い温度を有する中間ピーク点の個数が、最大ピーク点の温度よりも高い温度を有する中間ピーク点の個数よりも多くなることを見出した。
(1)本発明の一態様に係る溶鋼流中のスラグ検出のためのヒストグラム作成方法は、転炉から取鍋に向かって流出する、溶鋼およびスラグを含む溶鋼流を撮像して撮像画像を取得する撮像工程と;前記撮像画像に画像処理を施すことで、前記撮像画像を構成する各画素の濃度に対応する濃度パラメータを横軸として且つ、前記濃度パラメータを持つ前記画素の合計数である画素数を縦軸とするヒストグラムを作成するヒストグラム作成工程と;前記ヒストグラムについて、前記画素数が最大値である最大ピーク点を検出する最大ピーク点検出工程と;前記ヒストグラムについて、前記画素数が前記最大ピーク点の画素数未満で且つ所定の画素数しきい値以上の極大値である中間ピーク点を検出する中間ピーク点検出工程と;前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも大きな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nhと、前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも小さな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nlとを計数する中間ピーク点計数工程と;前記個数Nlが前記個数Nhよりも大きいことを検知した後に、前記最大ピーク点は前記スラグに対応すると判定する最大ピーク点種別判定工程と;を有する。
(2)本発明の別の態様に係る溶鋼流中のスラグ検出のためのヒストグラム作成方法は、転炉から取鍋に向かって流出する、溶鋼およびスラグを含む溶鋼流を撮像して撮像画像を取得する撮像工程と;前記撮像画像に画像処理を施すことで、前記撮像画像を構成する各画素の濃度に対応する濃度パラメータを横軸として且つ、前記濃度パラメータを持つ前記画素の合計数である画素数を縦軸とするヒストグラムを作成するヒストグラム作成工程と;前記ヒストグラムについて、前記画素数が最大値である最大ピーク点を検出する最大ピーク点検出工程と;前記ヒストグラムについて、前記画素数が前記最大ピーク点の画素数未満で且つ所定の画素数しきい値以上の極大値である中間ピーク点を検出する中間ピーク点検出工程と;前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも大きな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nhと、前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも小さな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nlとを計数する中間ピーク点計数工程と;前記個数Nhが前記個数Nlよりも大きいことを検知した後に、前記最大ピーク点は前記溶鋼に対応すると判定する最大ピーク点種別判定工程と;を有する。
まず、本実施形態に係るスラグ検出方法に用いられるスラグ検出装置100の構成について説明する。
図1は、スラグ検出装置100の概略構成を示す模式図である。なお、図1において、溶鋼M及びスラグSを収容する転炉3は断面で示している。
図1に示すように、スラグ検出装置100は、転炉3から取鍋4への出鋼の際、傾動させた転炉3の出鋼口31から取鍋4に向かって流出する溶鋼流F中のスラグSを検出するために用いられる。スラグ検出装置100は、転炉3の出鋼口31から取鍋4に向かって略鉛直に流出する溶鋼流Fを略水平方向から撮像する撮像手段1と、この撮像手段1に接続された画像処理手段2とを備えている。
本実施形態では、撮像手段1として、赤外光域に主感度を有する熱画像カメラを用いている。なお、本実施形態のように熱画像カメラ(サーモグラフィ)を用いる場合、撮像画像における画素領域の温度又は濃度(温度に換算する前の濃度)の値を算出可能である。一方、CCDカメラを用いる場合、当該画素領域の濃度の値を算出可能である。
図2は、本実施形態に係るスラグ検出方法の概略手順を示すフロー図である。
本実施形態に係るスラグ検出方法は、転炉3から取鍋4に向けって流出する、溶鋼M及びスラグSを含む溶鋼流Fを撮像手段1によって撮像して得られる撮像画像に基づき、溶鋼流F中のスラグSを検出する方法であって、図2に示すように、撮像工程ST1と、ヒストグラム作成工程ST2と、最大ピーク点検出工程ST3と、中間ピーク点検出工程ST4と、中間ピーク点計数工程ST5と、最大ピーク点種別判定工程ST6と、第1判定工程ST7と、第2判定工程ST8とを有している。
以下、各工程の内容について、順次説明する。
撮像工程ST1においては、撮像手段1によって、転炉3から取鍋4に向かって流出する溶鋼流Fを撮像して撮像画像を取得する(図1参照)。
本実施形態では、撮像手段1として熱画像カメラを用いており、撮像工程ST1で取得される撮像画像は、撮像画像を構成する各画素の濃度を所定の換算式で温度に換算したものになる。すなわち、撮像工程ST1で取得される撮像画像は、画素毎に検出した温度の値を有する。
撮像手段1によって得られた撮像画像は、画像処理手段2に記憶される。
ヒストグラム作成工程ST2では、画像処理手段2が、撮像工程ST1で取得した撮像画像に画像処理を施すことで、撮像画像を構成する各画素の濃度に対応する濃度パラメータを横軸とし、この濃度パラメータを持つ画素の合計数である画素数を縦軸とするヒストグラムを作成する。ヒストグラムは1枚の撮像画像毎に作成しても良いし、連続する複数枚の撮像画像を平均化した平均画像について作成しても良い。なお、当該平均画像を用いる場合、撮像手段1の視野内の溶鋼流Fに対応する画素領域の長さLを溶鋼流Fの速度Vで除算して得られた時間(=L/V)内で連続する複数枚の撮像画像を平均化することが望ましい。
上記の濃度パラメータとしては、濃度そのものの他、温度を例示できる。本実施形態のように撮像手段1が熱画像カメラである場合、横軸が温度又は濃度(温度に換算する前の濃度)であるヒストグラムを作成可能である。一方、撮像手段1がCCDカメラである場合、横軸が濃度であるヒストグラムを作成可能である。
本実施形態では、前述のように、撮像手段1の視野が、溶鋼流Fのみならず背景も含むように設定されている。このため、ヒストグラムの作成に際して、画像処理手段2は、撮像画像における、所定のしきい値(例えば、1000℃)以上の温度を有する画素領域が溶鋼流Fに対応する画素領域であると判定し、この画素領域を対象としてヒストグラムを作成する(すなわち、横軸である温度が前記所定のしきい値未満の画素領域についてはヒストグラム作成の対象としない)。これにより、ヒストグラムに及ぼす背景の影響を回避することが可能である(背景に対応する画素数が最大値にならない)。
なお、画像処理手段2は、背景に対応する画素領域も含んだ撮像画像全体についてヒストグラムを作成し、後述の最大ピーク点検出工程ST3における最大ピーク点の検出範囲から、所定のしきい値(例えば、1000℃)未満の温度を除外することで、背景の影響を回避しても良い。
また、図3Aに示す撮像画像は図示の都合上、モノクロ表示となっているが、実際には、画像処理手段2が具備するモニターにおいて、各画素の温度に応じて異なる色が付されて表示される。すなわち、溶鋼流Fに対応する画素領域の温度は、背景に対応する画素領域の温度よりも高いため、撮像工程ST1で得られる実際の撮像画像では、その高い温度に対応する色が色付けされている。
また、溶鋼流Fに対応する画素領域のうち、図3Aにおいて太破線で囲まれた、スラグSが存在すると考えられる画素領域(具体的には、後述の第1判定工程ST7でスラグSに対応すると判定された画素の領域)の温度(見かけの温度)は、その他の画素領域(実質的に溶鋼Mのみが存在する画素の領域)の温度(見かけの温度)よりも高くなっており、その高い温度に対応する色が色付けされている。
なお、転炉3から排出される溶鋼流Fにおいて、スラグSが存在する画素領域に対応する部位の実際の温度(実温度)と、実質的に溶鋼Mのみが存在する画素領域に対応する部位の実際の温度(実温度)とは、同等の値であると考えられる。しかしながら、スラグSの放射率が溶鋼Mの放射率よりも高く(溶鋼の放射率に比べてスラグの放射率は概ね1.5倍程度である)、撮像手段1における放射率の設定を何れの画素についても同じにするのが一般的であるため、前述のように、取得された撮像画像においては、スラグSが存在する画素領域の温度は、実質的に溶鋼Mのみが存在する画素領域の温度よりも高く測定される。後述の図5Aについても同様である。
図3Bは、図3Aに示す撮像画像(平均画像)について作成したヒストグラムを示す図である。図3Bのヒストグラムの作成に際しては、背景の影響を回避するため、横軸の温度範囲を所定のしきい値(1000℃)以上とし(ただし、画素数の分布に特徴が見られなかった1400℃未満については図示省略)、横軸を10℃ピッチで区分し、縦軸を各区分の温度を有する画素の数としている。
最大ピーク点検出工程ST3では、画像処理手段2が、ヒストグラム作成工程ST2で作成したヒストグラムについて、画素数が最大値である最大ピーク点を検出する。図3Bに示すヒストグラムでは、符号P1で示す点が最大ピーク点となる。
中間ピーク点検出工程ST4では、画像処理手段2が、ヒストグラム作成工程ST2で作成したヒストグラムについて、画素数が最大ピーク点P1の画素数未満で且つ所定の画素数しきい値Th以上の極大値である中間ピーク点を検出する。画素数しきい値Thは、図3Bに示すように、最大ピーク点P1の画素数の50%に設定されている。図3Bに示すヒストグラムでは、符号P2で示す点が中間ピーク点となる。
中間ピーク点計数工程ST5では、画像処理手段2が、検出した中間ピーク点P2のうち、最大ピーク点P1の温度よりも高い温度を有する中間ピーク点P2の個数Nhと、最大ピーク点P1の温度よりも低い温度を有する中間ピーク点P2の個数Nlとをそれぞれ計数する。図3Bでは、Nh=1、Nl=6となる。
最大ピーク点種別判定工程ST6では、画像処理手段2が、個数Nh<個数Nlの場合(個数Nlが個数Nhよりも大きい場合)、最大ピーク点P1は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定し、一方、個数Nh>個数Nlの場合(個数Nhが個数Nlよりも大きい場合)、最大ピーク点P1は溶鋼流Fに存在する溶鋼Mに対応すると判定する。図3Bでは、Nh=1、Nl=6であるから、Nh<Nlとなり、最大ピーク点P1は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定されることになる。
最大ピーク点種別判定工程ST6において、最大ピーク点P1が溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定した場合、画像処理手段2は第1判定工程ST7を実行する。すなわち、図3Bのヒストグラムについては、第1判定工程ST7が実行されることになる。
第1判定工程ST7では、画像処理手段2が、撮像画像を構成する各画素のうち、最大ピーク点P1を基準にして決定した第1しきい値未満の温度を有する画素は溶鋼流Fに存在する溶鋼Mに対応し、第1しきい値以上の温度を有する画素は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定する。以下、図4を適宜参照しつつ、より具体的に説明する。
図4に示すように、第1しきい値は、ヒストグラム作成工程ST2で作成したヒストグラムにおいて、最大ピーク点P1を通り且つ正の傾きを有する第1直線L1で表わされる。具体的には、第1直線L1は、図4に示す点P3と最大ピーク点P1とを通る直線である。点P3は、画素数しきい値Th未満の画素数を有し且つ最大ピーク点P1の温度よりも所定値TD(例えば、50℃)以上低い温度を有する点のうち、最も高い温度を有するピーク点である。(すなわち、点P3は、所定の画素数しきい値Th未満の画素数を有し且つ最大ピーク点P1の温度よりも所定値TD以上低い温度を有する点であって極大値となる点のうち、最も高い温度を有する点である)。
ここで、所定値TD以上低い温度を有する点のうち、最も高い温度を有する点を判断対象としてピーク点か否かを判断する場合は、当該点と当該点の低温側に隣接する点とを結ぶ線の勾配に注目し、当該線が正の傾き(当該線が右上がりの線)であれば当該判断対象の点を点P3とみなす。
なお、本実施形態に係るスラグ検出方法は、ヒストグラムにおいて所定の画素数しきい値Thを超えるピークが多い溶鋼流に対して特に好適に適用される。また、所定の画素数しきい値Thの設定有無に関わらず、最大ピーク点P1の画素数の50%以上のピークが例えば3点以上となる溶鋼流に対しても特に好適に適用される。このようなピークの特徴は、精練における溶鋼とスラグの混合状況によって決定される。
上記の、第1しきい値(第1直線L1)は、横軸の温度をXとし、縦軸の画素数をYとすると、以下の式(1)で表わされることになる。
Y=aX+b ・・・(1)
ただし、aは正の定数であり、bは定数である。これらの定数は第1直線L1が点P3と最大ピーク点P1とを通ることから決定される。
一方、画像処理手段2は、第1しきい値以上の温度を有する画素は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定する。すなわち、Y≦aX+bを満足する画素(図4でハッチングを施した領域にある画素)は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定する。
最大ピーク点種別判定工程ST6において、最大ピーク点P1が溶鋼流Fに存在する溶鋼Mに対応すると判定した場合、画像処理手段2は第2判定工程ST8を実行する。
図5Aは、撮像工程ST1において取得される撮像画像の一例であって、図3Aと異なる他の例を示す図である。具体的には、図5Aは、撮像手段1の走査周期毎に連続的に取得した5枚の撮像画像を平均化した平均画像の他の例を示す。
図5Bは、図5Aに示す撮像画像(平均画像)について作成したヒストグラムを示す図である。図5Bのヒストグラムについては、中間ピーク点計数工程ST5において、画像処理手段2が、最大ピーク点P1の温度よりも高い温度を有する中間ピーク点P2の個数Nh=5、最大ピーク点P1の温度よりも低い温度を有する中間ピーク点P2の個数Nl=0と計数する。したがって、その後の最大ピーク点種別判定工程ST6において、画像処理手段2は、個数Nh>個数Nlであるため、最大ピーク点P1が溶鋼流Fに存在する溶鋼Mに対応すると判定する。
最大ピーク点種別判定工程ST6で当該判定がなされたことにより、画像処理手段2は第2判定工程ST8を実行する。第2判定工程ST8においては、画像処理手段2が、撮像画像を構成する各画素のうち、最大ピーク点P1を基準にして決定した第2しきい値以下の温度を有する画素は溶鋼流Fに存在する溶鋼Mに対応し、第2しきい値よりも高い温度を有する画素は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定する。以下、図6を適宜参照しつつ、より具体的に説明する。
図6に示すように、第2しきい値は、最大ピーク点P1を通り且つ負の傾きを有する第2直線L2で表わされる。そして、第1直線L1の傾きの絶対値よりも第2直線L2の傾きの絶対値の方が大きくなっている(好ましくは、第2直線L2の傾きの絶対値は、第1直線L1の傾きの絶対値の1.5〜2.5倍である)。第1直線L1は、図6に示す点P3と最大ピーク点P1とを通る直線である。なお、点P3は低温側に隣接する点との間の線の勾配が正であるため、図4と同様に、画素数しきい値Th未満の画素数を有し且つ最大ピーク点P1の温度よりも所定値TD(例えば、50℃)以上低い温度を有する点のうち、最も高い温度を有するピーク点である。
Y=aX+b ・・・(1)
ただし、aは正の定数、bは定数である。これらの定数は第1直線L1が点P3と最大ピーク点P1とを通ることから決定される。
Y=−2aX+c ・・・(2)
ただし、aは正の定数、cは定数である。そして、aは第1直線L1から決定され、cは第2直線が最大ピーク点P1を通ることから決定される。
一方、画像処理手段2は、第2しきい値よりも高い温度を有する画素は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定する。すなわち、例えば、図6に示すヒストグラムにおいて、Y>−2aX+cを満足する画素(図6でハッチングを施した領域にある画素)は溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定することになる。
そこで、中間ピーク点計数工程ST5において計数した個数Nhおよび個数Nlが互いに等しい場合、例えば以下に示す方法(i)または(ii)で最大ピーク点P1が溶鋼MまたはスラグSのいずれに対応するかを判定する。
(i)溶鋼流の実温度および放射率に基づいて、最大ピーク点P1が溶鋼Mに対応する場合の温度及び最大ピーク点P1がスラグSに対応する場合の温度をそれぞれ推定しておき、判定対象とするヒストグラムの最大ピーク点P1の温度がこれらの温度のいずれに近いかによって、最大ピーク点の種別を判定する。
(ii)転炉3内のスラグ量及び溶鋼量は推定可能でありかつ、転炉3をどの程度傾動させれば溶鋼Mを主体とした溶鋼流Fが流出するかを幾何学的に推定可能であることに基づき、溶鋼流Fの流出時間から最大ピーク点P1が溶鋼MまたはスラグSのいずれに対応するかを判定する。
具体的には、本実施形態に係るスラグ検出方法によれば、スラグSの流出量等(流出量、画素数、面積、体積など)がゼロより大きくなった場合に出鋼操業を終了したり、スラグSの流出量等が予め定めた所定値より大きくなった場合に出鋼操業を終了したり、溶鋼Mの流出量等に対するスラグSの流出量等の割合が所定値より大きくなった場合に出鋼操業を終了する等の制御を行うことが可能である。
具体的には、本実施形態に係るスラグ検出方法では、前述のように、図3Aに示す撮像画像について作成した図3Bに示すヒストグラムについて、最大ピーク点P1が溶鋼流Fに存在するスラグSに対応すると判定される。そして、図4に示すように、式(1)で表わされる第1直線L1によって、ハッチングを施した領域にある画素がスラグSに対応すると判定されることになる。
図4に示す例では、139個の画素がスラグSに対応すると判定された。
図8は図示の都合上、モノクロ表示となっているが、図8(c)に示す差分画像において、背景に対応する画素領域に比べて温度の高い画素領域(背景に対応する画素領域の色(緑色)とは異なる色(黄色、赤色)が付された画素領域)は、その中心から周辺に向けて温度が低下しており、且つ、溶鋼流Fの落下に伴って縦長に延ばされている形態から考えて、スラグSが存在すると考えられる画素領域である。この温度の高い画素領域(黄色、赤色が付された画素領域)の画素数を計数すると、111個であった。
同様にして、本実施形態に係るスラグ検出方法で検出したスラグSを質量に換算すると22kg(真値の137.5%)となり、特許文献1に記載のスラグ検出方法で検出したスラグSを質量に換算すると1kg(真値の6.3%)となる。すなわち、本実施形態に係るスラグ検出方法によれば、質量で+37.5%の誤差となり、−93.7%の誤差が生じる特許文献1に記載の方法に比べて、溶鋼流F中のスラグSを精度良く検出可能であるといえる。
2: 画像処理手段
3: 転炉
4: 取鍋
100: スラグ検出装置
ST1: 撮像工程
ST2: ヒストグラム作成工程
ST3: 最大ピーク点検出工程
ST4: 中間ピーク点検出工程
ST5: 中間ピーク点計数工程
ST6: 最大ピーク点種別判定工程
ST7: 第1判定工程
ST8: 第2判定工程
F: 溶鋼流
M: 溶鋼
S: スラグ
Claims (2)
- 転炉から取鍋に向かって流出する、溶鋼およびスラグを含む溶鋼流を撮像して撮像画像を取得する撮像工程と;
前記撮像画像に画像処理を施すことで、前記撮像画像を構成する各画素の濃度に対応する濃度パラメータを横軸として且つ、前記濃度パラメータを持つ前記画素の合計数である画素数を縦軸とするヒストグラムを作成するヒストグラム作成工程と;
前記ヒストグラムについて、前記画素数が最大値である最大ピーク点を検出する最大ピーク点検出工程と;
前記ヒストグラムについて、前記画素数が前記最大ピーク点の画素数未満で且つ所定の画素数しきい値以上の極大値である中間ピーク点を検出する中間ピーク点検出工程と;
前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも大きな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nhと、前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも小さな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nlとを計数する中間ピーク点計数工程と;
前記個数Nlが前記個数Nhよりも大きいことを検知した後に、前記最大ピーク点は前記スラグに対応すると判定する最大ピーク点種別判定工程と;
を有することを特徴とする溶鋼流中のスラグ検出のためのヒストグラム作成方法。 - 転炉から取鍋に向かって流出する、溶鋼およびスラグを含む溶鋼流を撮像して撮像画像を取得する撮像工程と;
前記撮像画像に画像処理を施すことで、前記撮像画像を構成する各画素の濃度に対応する濃度パラメータを横軸として且つ、前記濃度パラメータを持つ前記画素の合計数である画素数を縦軸とするヒストグラムを作成するヒストグラム作成工程と;
前記ヒストグラムについて、前記画素数が最大値である最大ピーク点を検出する最大ピーク点検出工程と;
前記ヒストグラムについて、前記画素数が前記最大ピーク点の画素数未満で且つ所定の画素数しきい値以上の極大値である中間ピーク点を検出する中間ピーク点検出工程と;
前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも大きな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nhと、前記最大ピーク点の前記濃度パラメータよりも小さな濃度パラメータを有する前記中間ピーク点の個数Nlとを計数する中間ピーク点計数工程と;
前記個数Nhが前記個数Nlよりも大きいことを検知した後に、前記最大ピーク点は前記溶鋼に対応すると判定する最大ピーク点種別判定工程と;
を有することを特徴とする溶鋼流中のスラグ検出のためのヒストグラム作成方法。
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