JP6928572B2

JP6928572B2 - ノズルの劣化判断装置及び方法

Info

Publication number: JP6928572B2
Application number: JP2018057931A
Authority: JP
Inventors: 延浩朴; 隆二山口; 優輝門脇
Original assignee: JP Steel Plantech Co
Current assignee: JP Steel Plantech Co
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: JP2019166554A

Description

本発明は、タンディッシュに設けられたノズルの劣化状況を、リアルタイムで判断できるノズルの劣化判断装置及び方法に関する。

連続鋳造方法において、鋳片の中でも小さい断面積を有するビレットを鋳造する場合には、タンディッシュの溶鋼排出口に設けたノズルから、浸漬ノズルなどの導管を用いないでモールドに向けて大気中（或いは雰囲気ガス中）を落下させる、いわゆるオープンノズル方式で注湯する方式がとられる。
タンディッシュに設けられるノズルは耐火物等によって形成されているが、溶鋼から化学的、機械的なアタックを受け、使用時間が長くなるとノズルの内面が形状変化し、注湯流が乱れる原因となる。
注湯流が乱れると、これによってモールド内の湯面が乱れ、これに起因して鋳片表面の性状が悪化し、圧延時に圧延疵が発生することが知られている。

なお、溶鋼が排出される状態をカメラで撮影する技術として、例えば特許文献１には、転炉出鋼時の出鋼流を撮影し、撮影画像に基づいて出鋼流中に混入しているスラグを検出するスラグ検出方法が開示されている。

特許第４４１９８６１号公報

上述した圧延時の表面疵発生状況を監視し、この発生状況に基づいてノズル交換の時期を判断する方法では、予め表面疵が発生するまでのノズル使用時間を測定し、その使用時間毎にノズルを交換するため、リアルタイムでノズルの劣化度合いが判断できず、ノズルがまだ使用可能な状態でノズルを交換することになったり、ノズルの劣化が想定外に早く進んで圧延時に表面疵が発生したりすることがあった。
また、特許文献１のように単に出鋼流中にスラグが混入しているかどうかを判断する技術では、ノズルの劣化原因となるモールド内の湯面の乱れとの関係が何ら開示されておらず、ノズルの劣化判断には適用することはできない。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、タンディッシュに設けられたノズルの劣化状況をリアルタイムで判断できる技術を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るノズルの劣化判断装置は、タンディッシュに設けられたノズルを通してモールド内に注湯される溶鋼の注湯流の動画を撮影するカメラと、
前記動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行い、前記画像処理の結果に基づいて前記注湯流の乱れを検出し、前記乱れの大きさに基づいて前記ノズルの劣化を判断するよう構成された計算機と、を含むものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記画像処理で得られた前記注湯流の第１側面の輪郭データの第１標準偏差と第２側面の輪郭データの第２標準偏差と、を算出するとともに、前記第１標準偏差と前記第２標準偏差との和の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出するよう構成されているものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記注湯流の同一位置における幅の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出するよう構成されているものである。

（４）また、上記（２）又は（３）に記載のものにおいて、前記計算機は、前記時間平均の大きさが所定の閾値を超えたときに、前記ノズルが交換を要する程度まで劣化していると判断するよう構成されているものである。

（５）本発明に係るノズルの劣化判断方法は、タンディッシュに設けられたノズルを通してモールド内に注湯される溶鋼の注湯流の動画をカメラで撮影することと、
前記動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行うことと、
前記画像処理の結果に基づいて前記注湯流の乱れを検出することと、
前記乱れの大きさに基づいて前記ノズルの劣化を判断することと、を含むものである。

（６）また、上記（５）に記載のものにおいて、前記乱れを検出することは、
前記画像処理で得られた前記注湯流の第１側面の輪郭データの第１標準偏差と第２側面の輪郭データの第２標準偏差と、を算出することと、
前記第１標準偏差と前記第２標準偏差との和の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出することとを含むものである。

（７）また、上記（５）に記載のものにおいて、前記乱れを検出することは、
前記注湯流の同一位置における幅の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出することを更に含むものである。

（８）また、上記（６）又は（７）に記載のものにおいて、前記時間平均の大きさが所定の閾値を超えたときに、前記ノズルが交換を要する程度まで劣化していると判断すること、を更に含むものである。

本発明によれば、鋳片の表面疵の発生頻度が著しく増大する前に、注湯流の乱れに基づいてノズルの劣化が判断できるため、圧延製品の表面疵発生を防止して、品質を安定させることができる。

実施の形態におけるノズルの劣化判断装置の説明図である。図１に示すカメラで撮影した注湯流の画像の一例である。実施の形態における注湯流の基準線の決め方の説明図である。実施の形態１における計算機の処理の流れを説明する説明図である。実施の形態１におけるノズル交換時期を示すグラフである。ノズル交換時期を決定する閾値の決め方を説明するグラフである。ノズル交換前と交換後での注湯流の変化を示す画像である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係るノズルの劣化判断装置１は、図１に示すように、取鍋３から注がれる溶鋼５をタンディッシュ７に受け入れて、タンディッシュ７からモールド９にオープンノズル方式で注湯して、鋳片１１を連続鋳造する連続鋳造装置に適用されるものであって、タンディッシュ７に設けられたノズル１３を通してモールド９内に注湯される溶鋼５の注湯流１９の動画を撮影するカメラ１５と、前記動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行い、前記画像処理の結果に基づいて注湯流１９の乱れを検出し、前記乱れの大きさに基づいてノズル１３の劣化を判断するよう構成された計算機１７と、を含むものである。
以下、構成を具体的に説明する。

＜タンディッシュ＞
タンディッシュ７は、モールド９の上方に設置され、取鍋３によって運ばれた溶鋼５を受け入れて、介在物の浮上分離を行って、底部に設けたノズル１３から溶鋼５をモールド９に注ぐ機能を有している。

＜ノズル＞
ノズル１３は、耐溶損性に優れた耐火物等で形成され、タンディッシュ７の底部に交換可能に設置されている。本発明が対象としているのは、上述したいわゆるオープンノズル方式であり、タンディッシュ７内の溶鋼５はノズル１３から大気中（或いは雰囲気ガス中）を落下する。
図２は、タンディッシュ７から落下する注湯流１９の画像であるが、ノズル１３が正常な状態では図２（ａ）に示すように、注湯流１９の輪郭線Ａ、Ｂがほぼ真っ直ぐな状態になっている。ノズル１３が摩耗等して劣化すると図２（ｂ）に示すように、輪郭線Ａ、Ｂに乱れが生ずる。

＜カメラ＞
カメラ１５は、ノズル１３を通してモールド９内に注湯される溶鋼５の注湯流１９の動画を撮影するものであり、動画を撮影できるものであれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、カメラは注湯流１９から５ｍ程度離れた位置に設置され、画素数は１９２０（横）×１０８０（縦）のものを用いている。本実施形態の場合には、フレーム速度は３０〜１２０ＦＰＳ程度のものを用いることが好ましい。フレーム速度が３０ＦＰＳ未満であると、本実施形態においてはフレーム間の時間で注湯流１９が画面を完全に通過してしまうことが発生しており、このことから、注湯流１９の輪郭線Ａ、Ｂの形状変化を連続して捉えることが難しくなって、十分な精度が得られない可能性が有ると考えられる。また、フレーム速度が１２０ＦＰＳを超えると、データ量が多くなりすぎて処理速度、メモリ容量に対する要求が高くなりすぎることとなる。

＜計算機＞
計算機１７は、カメラ１５で撮影された動画の画像情報を取り込み、自身の有するメモリに格納する機能（画像取込手段）、画像情報を読み出して動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行って、画像処理の結果に基づいて注湯流１９の乱れを検出する機能（乱れ検出手段）、乱れの大きさに基づいてノズル１３の劣化を判断する機能（乱れ判断手段）を有している。これら各手段は、計算機内のＣＰＵが所定のプログラムを実行することで実現される。
以下、各機能の主な機能について説明する。

＜乱れ検出手段＞
乱れ検出手段の有する画像処理と乱れ検出の各方法について説明する。
図３は、注湯流１９の動画を構成する１枚の画像であり、注湯流１９は一本の帯状の画像となっている。
乱れ検出手段は、このような画像に対して、以下のような画像処理を行う。
《画像処理》
乱れ検出手段は、水平走査線に沿って個々の画素の輝度を入力値とし、輝度が所定の閾値をまたいで変化する領域を求め、これを１画素分ずつ垂直方向に移動しながら繰り返して得られる線として、注湯流１９の幅方向における両側面（第１側面と第２側面）の輪郭線Ａ、Ｂを求める。図３では図中右側の輪郭線Ａと図中左側の輪郭線Ｂである。
各輪郭線Ａ、Ｂに対して、各輪郭線Ａ、Ｂの所定の基準線からの距離を、輪郭線Ａ、Ｂを形成している画素ごとに（又は所定の微小間隔ごとに）リアルタイムで数値化して輪郭データとする（図４（ａ）参照）。
この処理によって、一つの画像（ある瞬間の画像）の輪郭線Ａ、Ｂのそれぞれについて、について、輪郭データが得られる。

基準線の決め方は種々のものが想定できるが、例えば、ある１画像における注湯流１９の上端と下端での水平方向における中点を求め、上端の中点と下端の中点とを結んだ直線を「基準線」として定めることができる。この場合の基準線は、図３に示した輪郭線Ａ、Ｂの間に示したものとなる。
ここで、「注湯流１９の下端での水平方向における中点」は、注湯流１９の下端における、水平線と両側面の輪郭線Ａ、Ｂとの交点の間の中点であり、「注湯流１９の上端での水平方向における中点」は、注湯流１９の両側面の輪郭線Ａ、Ｂのうち、上端側において短い方（図３の例では輪郭線Ｂの方）の上端から水平線をひき、その水平線と両側面の輪郭線Ａ、Ｂとの交点の間の中点である。

図４（ａ）で示したものは、図３に示すように、ある１画像について輪郭線Ａ、Ｂを含む座標を設定して、上記のように定めた基準線に平行な座標軸ｘを改めて基準線として設定したものである。

乱れ検出手段は、画像処理で得られた各画像における注湯流１９の輪郭線Ａ（本発明の第１側面に相当）の輪郭データの標準偏差（STD(A)）（本発明の第１標準偏差に相当）と、輪郭線Ｂ（本発明の第２側面に相当）の輪郭データの標準偏差（STD(B)）（本発明の第２標準偏差に相当）を算出する（図４（ｂ）参照）。
そして、第１標準偏差と第２標準偏差との和の所定期間における時間平均を乱れの大きさとして検出する（図４（ｃ）参照）。

＜乱れ判断手段＞
乱れ判断手段は、乱れ検出手段によって検出された時間平均の大きさが予め定めた所定の閾値を超えたときに、ノズル１３が交換を要する程度まで劣化していると判断する（図５参照）。図５に示す例は、第１標準偏差と第２標準偏差との和の６０秒移動平均の大きさで劣化判断する例である。即ち、この場合には所定期間は６０秒となる。
なお、閾値の決め方としては、疵発生率と乱れ検出手段によって検出される上記時間平均との関係を予め調査しておき、疵発生率が許容範囲を越える状態となったときの上記時間平均を閾値とすればよい。

閾値の決め方に関しては、図６に示すように、疵発生率と輪郭線Ａ、Ｂ間の距離の変化（注湯流１９のばらつき）の関係を求めておき、疵発生率が急激に大きくなるときのばらつきを閾値とすればよい。
図６に示す例では、注湯流１９の幅変動のばらつき（本実施形態の場合は第１標準偏差と第２標準偏差との和）が３ｍｍ以上となると、圧延時の疲発生比率が急激に増加していることから、注湯流１９の幅変動のばらつきが３ｍｍ以上となった時点で、ノズル１３を交換するようにすればよい。

図７は、ノズル交換前（図７（ａ））とノズル交換後（図７（ｂ））の注湯流１９の画像を示しており、ノズル１３の交換によって注湯流１９が正常状態になっていることが分かる。
なお、ノズル１３の交換は、乱れ判断手段がノズル交換時期であると判断した場合、交換信号を交換装置に出すようにすれば（図１参照）、交換装置によって注湯中に交換装置を用いて極めて短時間（１秒以内）で行うことができる。

上記のように構成された本実施の形態に係るノズルの劣化判断装置１を用いることで、以下のようなノズル判断方法を実施することができる。
タンディッシュ７に設けられたノズル１３を通してモールド９内に注湯される溶鋼５の注湯流１９の動画をカメラ１５で撮影することと、前記動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行うことと、前記画像処理の結果に基づいて注湯流１９の乱れを検出することと、前記乱れの大きさに基づいてノズル１３の劣化を判断することを含み、
前記乱れを検出することは、
前記画像処理で得られた注湯流１９の第１側面の輪郭データの第１標準偏差と第２側面の輪郭データの第２標準偏差と、を算出することと、前記第１標準偏差と前記第２標準偏差との和の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出することとを含むことを特徴とするノズルの劣化判断方法。

以上説明した本実施の形態によれば、鋳片の表面疵の発生頻度が著しく増大する前に、注湯流１９の乱れに基づいてノズル１３の劣化が判断できるため、圧延製品の疵発生を防止して、品質を安定させることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１においては、注湯流１９の乱れを検出する態様として、乱れ検出手段が２つの輪郭データの標準偏差の和の時間平均を検出する例であったが、本実施の形態では、乱れ検出手段が、注湯流１９の同一位置における幅の所定期間における時間平均を乱れの大きさとして検出するようにしたものである。
「注湯流１９の幅」は、実施の形態１で説明した注湯流１９の間に設定した基準線に直交する方向に沿って取った輪郭線Ａ、Ｂの間の距離とする（図３参照）。
また、同一位置における位置は、例えば、基準線の中点とすればよい。
もっとも、幅の決め方や、同一位置の決め方はこれに限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
例えば、幅は水平線と各輪郭線Ａ、Ｂとの交点間の距離としてもよいし、同一位置は、中点よりも下方や上方で所定位置を決めてもよい。

本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、鋳片の表面疵の発生頻度が著しく増大する前に、注湯流１９の乱れに基づいてノズル１３の劣化が判断できるため、圧延製品の疵発生を防止して、品質を安定させることができる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態の構成には限られない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の記載に基づいて定まるものであり、その範囲内において構成要素の省略や変形、改良を施した構成の全てが本発明に含まれる。

１ノズルの劣化判断装置
３取鍋
５溶鋼
７タンディッシュ
９モールド
１１鋳片
１３ノズル
１５カメラ
１７計算機
１９注湯流
Ａ、Ｂ輪郭線

Claims

タンディッシュに設けられたノズルを通してモールド内に注湯される溶鋼の注湯流の動画を撮影するカメラと、
前記動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行い、前記画像処理の結果に基づいて前記注湯流の乱れを検出し、前記乱れの大きさに基づいて前記ノズルの劣化を判断するよう構成された計算機と、を含むノズルの劣化判断装置。
前記画像処理で得られた前記注湯流の第１側面の輪郭線（Ａ）の、微小間隔ごとの所定の基準線からの距離を示す輪郭データの標準偏差である第１標準偏差と、前記画像処理で得られた前記注湯流の第２側面の輪郭線（Ｂ）の、前記微小間隔ごとの前記基準線からの距離を示す輪郭データの標準偏差である第２標準偏差と、を算出するとともに、前記第１標準偏差と前記第２標準偏差との和の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出するよう構成されている請求項１に記載のノズルの劣化判断装置。
前記画像処理で得られた前記注湯流の第１側面の輪郭線（Ａ）と第２側面の輪郭線（Ｂ）の間の、同一位置において所定の基準線に直交する方向に沿って取った距離である前記注湯流の同一位置における幅の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出するよう構成されている請求項１に記載のノズルの劣化判断装置。
前記計算機は、前記時間平均の大きさが所定の閾値を超えたときに、前記ノズルが交換を要する程度まで劣化していると判断するよう構成されている請求項２又は３に記載のノズルの劣化判断装置。
タンディッシュに設けられたノズルを通してモールド内に注湯される溶鋼の注湯流の動画をカメラで撮影することと、
前記動画を構成する複数の画像のそれぞれに対して画像処理を行うことと、
前記画像処理の結果に基づいて前記注湯流の乱れを検出することと、
前記乱れの大きさに基づいて前記ノズルの劣化を判断することと、を含むノズルの劣化判断方法。
前記乱れを検出することは、
前記画像処理で得られた前記注湯流の第１側面の輪郭線（Ａ）の、微小間隔ごとの所定の基準線からの距離を示す輪郭データの標準偏差である第１標準偏差と、前記画像処理で得られた前記注湯流の第２側面の輪郭線（Ｂ）の、前記微小間隔ごとの前記基準線からの距離を示す輪郭データの標準偏差である第２標準偏差と、を算出することと、
前記第１標準偏差と前記第２標準偏差との和の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出することとを含む請求項５に記載のノズルの劣化判断方法。
前記乱れを検出することは、
前記画像処理で得られた前記注湯流の第１側面の輪郭線（Ａ）と第２側面の輪郭線（Ｂ）の間の、同一位置において所定の基準線に直交する方向に沿って取った距離である前記注湯流の同一位置における幅の所定期間における時間平均を前記乱れの大きさとして検出することを更に含む、請求項５に記載のノズルの劣化判断方法。
前記時間平均の大きさが所定の閾値を超えたときに、前記ノズルが交換を要する程度まで劣化していると判断すること、を更に含む請求項６又は７に記載のノズルの劣化判断方法。