JPH02264845A - 粒状体の平均粒度測定方法及び粒度自動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は堆積状態（こある粒状体の平均粒度を、画像
処理を用いて非接触かつ連続的に測定する測定方法及び
その測定方法を用いて粒状体の粒度を自動制御する方法
に関する。

［従来の技術］ 高炉や電気炉においては、その原料である焼結鉱、コー
クス、ベレット等の平均粒度と炉の操業状態との間に高
い相関関係があることが知られており、これら装入物の
粒度管理が炉の安定操業にとって重要なポイントになっ
ている。しかしながら、従来、これらの粒度を短時間で
かつ簡便に測定できる適当な方法がなかったために、オ
ペレータの目視観察や、１日数回程度のサンプリング測
定に゛頼って管理しているにすぎず、十分な管理精度が
得られていなかった。

これに対して、装入物の平均粒度が例えば搬送コンベア
上で、或いはベレットについてはその造粒装置であるベ
レタイザ上で連続的に測定できれば装入物の粒度管理精
度が飛躍的に向上し、炉の操業安定に大きく寄与する。

このような観点から、従来より堆積状態にある粒状体の
平均粒度を非接触かつ連続的に測定する方式の開発に対
する期待は大きかった。

このような要請に対して、従来、堆積状態にある粒状体
をテレビカメラを用いて撮影し、得られた画像を処理す
ることによって粒状体の平均粒度を求める方法として、
特開昭５４−１４８５５８号公報に開示されている方式
がある。

第１０図は特開昭５４−１４８５５８号公報に開示され
ている方式の原理を示した図である。この方式において
は、搬送ベルトコンベア（５２）によって搬送中の装入
物（５０）をフラッシュライト（５４）の照明光下でテ
レビカメラ（５Ｂ）を用いて撮像し、得られた画像を映
像処理装置（５８）を用いてコントラスト強調する。そ
の後、コントラスト強調された画像を処理画像発生装置
（６０）を介して画面荒さ測定装置（６２）で所定の走
査線につき、所定のレベル以上のコントラストを有する
明暗の繰返し数（粒子間平均距離に対応）を求め、而る
後、演算装置（Ｂ４）を用いて明暗の繰返し数を平均粒
度に換算し、表示装置（６Ｂ）を介してこれを表示出力
する。

［発明が解決しようとする課題］ この特開昭５４−１４８５５８号公報に開示されている
方式は、画面内に表示されている粒状体の云わば粒子間
平均距離を求めて平均粒度を推定する方式であり、測定
対象が堆積状態にある鉄鋼原料のような場合には、 ｌ）焼結鉱やコークス或いは造粒中のベレットは粒子表
面に凹凸が多いため、これによって陰影を生じ易くミこ
れを粒界であるかの如く誤認し易い。

２）堆積状態においては、粒界が不明確であることが多
く、隣り合う２個の粒子を１個の粒子であるかの如く誤
認し易い。

等の要因によって、測定結果にばらつきを生じ易く十分
な測定精度を得るのが困難であった。

以上のように画像そのものを処理して明暗の周期を７１
１１定しようとすると外乱の影響を受は易いが、これに
対して、空間周波数解析により画像のパワースペクトル
を演算し、これを処理して明暗の周波数に相当吹る量を
求めるようにすれば、外乱ノイズがスペクトル上であら
ゆる周波数に分散され、外乱の影響を受は難い測定を実
現することができる。

この発明は、上記のような観点から、堆積した粒状体を
撮影した画像のパワースペクトルのｎ次モーメントＭｎ
　　（ｎ　＝０．Ｌ２．・・・）のうち少なくとも１つ
の次数のモーメントを用いて粒状体の平均粒度を求める
ようにしたことにより、精度の高い安定した粒度測定を
実現したものである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、堆積状態にある粒状体を撮影した画像にお
、いて、その画像のパワースペクトルをとってみると、
平均粒径が小さくなるにつれてスペクトルが拡がり（高
周波成分が増える）、また、平均粒径が大きくなるにつ
れてスペクトルが狭まる（低周波成分が増える）傾向が
見られる点に着目し、スペクトルの拡がりを９次モーメ
ントで評価することにより、平均粒度を測定するように
したものである。以下にその原理を説明する。

第１図は粒子画像のパワースペクトラムの９次モーメン
トの演算式を表した図である。図において、（ａ）は粒
度基準画像ｆ　（ｘ、ｙ）とし、（ｂ）はｆ（ｘ　、　
ｙ）をＸ方向及びＸ方向に８倍拡大した画像、即ち粒度
基準画像よりも粒度がａ倍大きい画像であるものとする
。その時（ｂ）の画像は、ａ　　　　　　ａ これら２つの画像に対してパワースペクトルをそれぞれ
とってみると、次式のようになる。

１）基準画像のパワースペクトルＰ（ｕ、Ｖ）Ｐ（ｕ、
ｖ）　−１Ｆ（ｕ、ｖ）　ｌ　２・・・（１） ２）拡大画像のパワースペクトルＰ（ｕ、ｖ）Ｐ（ｕ、
ｖ）　−１Ｆ（ｕ、ｖ）　　２＝ａ’　Ｐ　（ａｕ、ａ
ｖ） （ｕ、ｖ　：空間周波傾 ・・・（２） このようにａ倍拡大画像のパワースペクトルＰ　（ｕ、
ｖ）は、基準画像のパワースペクトルＰ　（ｕ、ｖ）と
比較して、空間周波数ｕ、ｖ方向にそれぞれ１／ａだけ
狭まったスペクトルとなっている。

そこで、スペクトルの拡がりを評価するために、パワー
スペクトルの９次モーメントをとってみる。

ここでは、説明を簡単にするため、スペクトルが原点軸
対称な形をしていると仮定し、空間周波数Ｕ方向のスペ
クトルＰ　（ｕ、ｏ）及びＰ　（ｕ、ｏ）につきそのモ
ーメントを計算する。

ｌ）基準画像のパワースペクトルの０次モーメントＭｎ ２）拡大画像のパワースペクトルの０次モーメン）Ｍｎ （４）式より、平均粒度の推定値ミは、ニー　Ａ　Ｍ　
ｎ３−’　　　　　　　　　　　・”　（５）で与えら
れることが判る。従って、堆積状態にある粒状体の平均
粒度を粒子画像のパワースペクトルの９次モーメントを
用いて求めることが可能である。

次に、平均粒度の変化、外乱である照明の照度変化や、
更にＩＴＩＪ定対象の反射率変化による粒子画像の明る
さの変化等を考慮し、これらの外乱の影響を受けずにひ
とり平均粒度の変化にのみ感するように、相異なる２つ
の次数のモーメントＭ　　、Ｍ　　　の比を用いて評価
することを考える。

＃　　　Ｎａｋ （４）式より ｋ　　−− Ｍ　　　／Ｍ　　　　−ａ　　　Ｍ　　　／Ｍ　　　　
　　−（８）ｊ！　　　　　Ｉ　　＋ｋ　　　　　　　
ＩＩＢ　　＋に−ａ３−ｎＭｎ ・・・（４） 従って、平均粒度の推定値ｉは、 ミーＢ−ｋＥ１７フ１弓劉　　　　　・・・（７）ＣＩ
　＝０、１，２，・・・、　　ｋ＝１、２，３，・・・
）で与えられる。

以上のように、平均粒度は、粒子画像のパワースペクト
ルの０次モーメントのうち少なくとも１つの次数のモー
メントを用いて求めることができることが判った。

第２図は上記の方法に基づく平均粒度λの演算シーケン
スの一例を示す図である。

第２図の（ａ）の原画像に、例えば照明むらに起因した
明るさのむらがある場合には、事前に原画像から、原画
像を移動平均して得られる、（ｂ）のぼかし画像を差し
引くことにより、照明むらを取り除いておく。この画像
から、以下のパワースペクトル演算を直接行なっても構
わないが、第２図の例では輪郭をより強調するために画
像の２値化を行ない、粒子抽出画像（原画像からぼかし
画像を差し引いた後２値化することは、原画像の浮動２
値化を行なったことに対応する。）を演算しておく。

次に、粒子画像からスペクトルを演算するに際しては、
２次元のフーリエ変換により行なっても構わないが、演
算を簡略化し、演算時間を短くするために、第２図にお
いては、粒子抽出画像を横方向にｍ分割し、各分割内で
画像信号を縦方向に平均化した信号の１次元のパワース
ペクトルをそれぞれ求め、求めたｍ個のパワースペクト
ルを平均することにより得られるパワースペクトルＰ　
（ｕ）を（４）式のＰ　（ｕ、ｏ）として用いている。

なお、分割の方向については横方向の代わりに縦方向と
し、画像信号の平均化の方向を縦方向の代わりに横方向
としても構わない。

而る後、このパワースペクトルの２次及び（Ｎ＋ｋ）次
モーメントとして、例えば０次モーメントＭ　と、２次
モーメントＭ２とを（４）式により求め、（７）式に基
づいて平均粒度ミを演算する。ここで、比例定数Ｂは予
め粒径の判っている測定対象について同一の方法で測定
することにより、事前に求めておくものとする。

また、この発明においては、回転皿型転動造粒機の皿内
の粒子の平均粒度を上述の測定方法により測定し、その
測定結果に基づいて液体バインダーの供給量を調整して
、均一な造粒物を得ている。

［作用］ この発明おいては、堆積した粒状体の平均粒度を測定す
るにあたり、堆積した粒状体を撮影した画像あるいはこ
の画像を２値化乃至は浮動２値化して得られる粒子抽出
画像について、そのパワースペクトルの０次モーメント
Ｍｌ　　（ｎ＝０．ｌ−２−−）を求め、少なくとも１
つの次数のモーメントを用いて演算することにより、粒
状体の平均粒度を求める。

そして、上述の平均粒度の測定を回転皿型転動造粒機に
適用し、得られた粒状体の平均粒度に基づいて液体バイ
ンダーの供給量を調節して均一な造粒物を得ている。

［実施例］ 第３図はこの発明の一実施例に係る方法を実施した粒状
体の平均粒度測定装置のブロック図である。例えばベル
トコンベアによって搬送される原料（１）は、その粒界
が識別され易いように、斜め上方に設置された１台乃至
複数台の照明装置（２）によって照明され、その反射光
画像がテレビカメラ（３）によって上方から撮像される
。この時、原料（１）が移動することによる画像のブレ
をなくすために、照明装置（２〉としてストロボ照明を
用いるか、或いはテレビカメラ（３）として高速シャッ
タ付カメラを用いる。

テレビカメラ（３）により撮像された画像は、平均粒度
測定装置（４）に電気信号として入力される。

平均粒度測定装置（４）は、その内部に演０制御回路（
５）を内蔵しており、平均粒度の演算は全てこの演算制
御回路（５）の発生する演算同期信号に基づいて順次行
われる。

入力された画像信号は、まず画像記憶回路（６）におい
て、例えば縦ｔ１２５Ｂ点×２４０点のメッシュに区切
られ、その各点の明るさが２５６段階にディジタル化さ
れて１画面分記憶される。記憶された画像は、演算制御
回路（５）の指令に基づき、次の粒子抽出回路（７）に
送られる。粒子抽出回路（７）においては、入ってきた
画像を第２図で示したように浮動２値化して粒子抽出画
像を求め、これを記憶する。粒子抽出画像は次のパワー
スペクトル演算回路（８）に送られる。

パワースペクトル演算回路（８）は、第２図で示したよ
うに、粒子抽出画像を横方向にｍ分割し、各分割内で画
像信号を縦方向に平均化した信号のパワースペクトルを
各々求め、求めたｍ個のパワースペクトルの平均パワー
スペクトルＰ　（ｕ）を演算して出力する。この平均パ
ワースペクトルＰ　（ｕ）は、平均粒度演算回路（９）
に転送される。

平均粒度演算回路（９）は、平均パワースペクトルＰ　
（ｕ）から２つの相異なる次数のモーメントを演算し、
これらから平均粒度ｉを演算した後、出力する。

次に、上記の粒状体の平均粒度測定方法を回転皿形転動
造粒機の自動制御に適用して、均一な造粒物を得る方法
について説明する。

その説明に先立って、まず粒体の造粒技術についての背
景技術を予め説明する。

粉体の造粒技術には大別すると、自足造粒と強制造粒と
があり、前者は、転勤、流動層、攪拌などによる造粒機
構で、比較的粒子形状に歪が許され、大量処理する場合
に用いられる。後者は、押出し、圧縮などによる造粒機
構で、粒子形状が均一、且つち密な造粒体を造るのに用
いられる。

鉱物原料の処理など比較的大きな造粒物（１０〜１５＋
＋ｓ）を大量生産する場合は、主に自足造粒、特に転勤
造粒法が用いられる。この転勤造粒法は、傾斜した回転
皿内の供給粉体に液体バインダーを散液して凝集造粒物
を形成させ、且つ回転皿の分級効果を利用し、目的粒径
に成長した造粒物をリムより排出させるものである。

この方法においては、供給粉体の含水率・粒子形状の変
化などにより、粒径が変動し易いために常にオペレータ
が目視で監視しながら、状況に応じて液体バインダーの
量などを調節しなければならなかった。その際、肉眼監
視では、高速運動している造粒物の粒径を正確にとらえ
る事が難しいため、充分な粒度管理精度が得られず、日
較差で±１５〜１０ｍ＋ｓのバラツキがあった。

上記の転勤造粒法では、造粒処理を安定化するために、
供給粉体を乾燥又は整粒するなどの前処理が必要である
ことと、常時オペレーター、を配置する必要があること
から、コスト高になっていた。

また、肉眼監視、手動制御のため充分な精度での粒度管
理ができず、次工程の安定化を阻害する大きな原因とな
っていた。このようなことから、この発明の粒状体の平
均粒度のｎ１定方法の確立が待望されていた。

以上のように造粒技術の背景が明らかになったところで
、次に、この発明を適用した回転皿形転動造粒機による
造粒物粒度の自動制御方法を説明する。

第４図は造粒物の粒径自動制御装置及びその関連設備の
説明図である。図において、（１１）Ｇよ回転皿形転動
造粒機であり、乾燥・整粒等の前処理を行っていない含
水率・抗性状の異なる種々の対象粉体を造粒処理するも
のである。（１２）はＣＣＤ高速度カメラであり、回転
皿形転動造粒機（１１）の回転皿内の粒子像を撮影する
。直１３）はカメラコントローラであり、ＣＣＤ高速度
カメラ（１２）で撮影した粒子像を第３図にて説明した
平均粒度」１定装置（４）に送出し、ここで逐次リアル
タイムで粒径を計測する。

（１４）は粒径制御装置であり、平均粒度測定装置（４
）からの粒径に基づいて液体バインダーの流量を演算す
る。（１５）はＰ、１．Ｄ調節計、（１６）は調節弁で
あり、これらが粒径制御装置（１４）での演算結果に基
づいて液体バインダーの流量を調節する。

（１７）は電磁流量計であり、液体バインダーの流量を
計測してＰ、Ｉ、Ｄ調節計（１５）に帰還する。

（１８）は液体バインダータンクで、（１９）はそのタ
ンクから液体バ・インダーを送り出すポンプある。

（２０）は非常用補給水を供給するバルブで、（２１）
はドレンを抜くバルブである。（２２）はヘッドで、（
２３）はスプレーノズルである。

（３０）はビデオスイッチ、（３１）はフレームメモリ
で、（３２）はモニタテレビであり、これらによりＣＣ
Ｄ高速度カメラ（１２）で撮影した粒子像をモニタする
。

以上のように構成された装置において、ＣＣＤ高速度カ
メラ（１２）で撮影された回転皿形転勤造粒機（１１）
の回転皿内の粒子像はカメラコントローラ（１３）を介
して平均粒度測定装置（４）に送出され、第３図で詳細
に説明した方法で粒径が計測される。

そして、平均粒度７ｆｐ１定装置（４）からの粒径に基
づいて液体バインダーの流量が演算され、Ｐ、Ｉ。

Ｄ調節計（１５）により調節弁（１６）の開度が調節さ
れ、液体バインダータンク（Ｉ８）からの液体バインダ
ーの流量が調節される。次に、この液体バインダーはヘ
ッダ（２２）を介してスプレーノズル（２３）に送り出
され、スプレーノズル（２３）から回転皿形転動造粒機
（１１）の回転皿内の粒子に液体バインダーが噴射され
、所望の粒径の造粒物が生成される。

（実施例１） 第５図に示す工程でクロム鉱石ベレットの製造を行なっ
た。屋外保管してあったクロム粉鉱石３００ｔを、乾燥
・整粒等の前処理することなく、ストックビンに装入し
、１５Ｔ／Ｈｒの速度で定量切り出しし、２．５％のベ
ントナイトをバインダーとして加え、ボールミル内で混
合し、回転皿上で転勤造粒した。

その際、液体バインダー（水）量の調整は、第４図に示
す装置を用いて行なった。テレビカメラ（１２）で撮影
された画像は、平均粒度測定装置（４）に電気信号とし
て入力され、６秒毎に演算される粒度を６０秒間（１０
点分）平均して出力された値を粒径制御装置（１４）に
送り込む。ここで電磁流量計（１７）から流量データを
受けて粒径大の場合には水量を減じ、粒径小の場合には
水量を増加させるように流ｆｆｉ調節指示を出し、Ｐ、
１．Ｄ調節計（１５）で設定感度に応じて調節弁（１Ｇ
）の開度を調節した。

このときのＰ、１．Ｄ設定値は、Ｐ（比例帯）３５０％
、■　（積分時間）２５０秒、Ｄ（微分時間）１８０秒
とした。その結果を第６図及び第８図に示す。

第６図はクロム鉱石ベレットの製造データであり、第８
図は水量及び粒径の経時変化を示した特性図である。こ
れらより明らがなように粒径の変化に応じて、これを目
標値に補正するように連続的に水量が増減した。これに
よりクロム鉱石ベレットの目標粒径（１２＋＋ｍ）に対
する粒径変動は標準偏差ａ　＝０、３４、最大粒径１２
．８１１１％最小粒径１１．３ｍｍであり、極めて小さ
い値であった。

（比較例１） 第５図に示す工程でクロム鉱石ベレットの製造を行った
。実施例１と同ロッド、同様のクロム粉鉱石３００ｔを
造粒処理した。但し、液体パインダニ（水）量の調整は
、回転皿上で転動しているベレット粒径をオペレーター
が目視で判断し、手動制御で行なった。その結果を第７
図及び第９図に示す。

第７図はクロム鉱石ベレットの製造データであり、第９
図は水量及び粒径の経時変化を示した特性図である。こ
れらから明らかなように、クロム鉱石ベレットの目的粒
径（１２ｍｍ）に対する粒径変動は、標準偏差Ｕ　＝１
、３２、最大１５．７１１１１１％最小８．７１１１１
であり、実施例１に比較して大幅に大きい値であった。

また、オペレーターの負荷率は約１，５倍であった。

以上のように、回転皿の供給粉体に液体バインダーを散
液して凝集造粒物を形成させ、且つ、回転皿の分級効果
を利用し、目的粒径に成長した造粒物をリムより排出さ
せる回転皿形転動造粒法にこの発明の粒状体の平均粒度
測定方法を適用したことにより、回転皿形転動造粒機の
回転皿内の粒子径を連続的にリアルタイムで測定するこ
とができ、これにより液体バインダー量を調整すること
で、粒径を自動制御することができ、前処理していない
供給粉体の含水率・粒子性状等の諸条件が変動しても粒
径の異常成長や成長不良が起る事がなく、高い精度で、
均一な造粒物を製造することができる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば以下の述べる効果が期待
される。

（１）堆積した粒状体の画像のパワースペクトルの０次
モーメントＭｎをもとに平均粒度を演算するようにした
ので、堆積状態にあり、かつ表面に凹凸の多い粒状体゛
に対しても精度の高い安定した測定が可能となる。

（２）堆積した粒状体の画像を２値化成るいは浮動２値
化した画像を用いるようにしたことにより、画像の明る
さのむらを除去するとともに、粒子の輪郭をより強調し
、精度の高い測定を可能にする。

（３）堆積した粒状体の画像のパワースペクトルる式に
より平均粒度ｉを演算するようにしたことにより、照明
光量変化や、粒子表面反射率等の外乱に起因する画像の
明るさの変動に影響されなし１ｎ１定を可能とする。

（４）画像のパワースペクトルの演算において、画像を
横方向（乃至縦方向）にｍ分割し、各分割内で画像信号
を縦方向（乃至横方向）に平均化した信号のパワースペ
クトルを求、め、これらｍ個のパワースペクトルを平均
化して得られる平均パワースペクトルＰ　（ｕ）を用い
てパワースペクトルのモーメントを演算するようにした
ことにより、演算時間の短縮を実現する。

（５）回転皿型転動造粒機の皿内の粒状体の平均粒度を
上述の方法により高精度に測定して液体バインダーの供
給量を調整するようにしたので、均一な造粒物が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明における粒子画像のパワースペクトル
及びパワースペクトルの０次モーメントの演算式を表し
た図、第２図はこの発明に基づく平均粒度の演算シーケ
ンスの一実施例を示した図、第３図はこの発明の一実施
例に基づく粒状体の平均粒度の測定装置を示すブロック
図である。 第４図はこの発明の他の実施例に基づく造粒物の粒径自
動制御装置及びその関連設備の説明図、第５図はクロム
鉱石ペレットの製造工程を示す図、第６図及び第７図は
自動制御及び手動制御によるクロム鉱石ペレットの製造
データを示す図、第８図及び第９図は自動制御及び手動
制御による水量及び粒径の経時変化を示す特性図である
。 第１０図は特開昭５４−１４８５５８号に開示された方
式の原理図である。 （４）・・・平均粒度測定装置、（５）・・・演算制御
回路、（６）・・・画像記憶回路、（７）・・・粒子抽
出回路、（８）・・・パワースペクトル演算装置、（９
）・・・平均粒度演算回路。 代理人　弁理士　佐　々　木　宗　治

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）堆積した粒状体の平均粒度を測定する方法におい
   て、堆積した粒状体を撮影した画像のパワースペクトル
   のｎ次モーメントＭｎ（ｎ＝０、１、２、・・・）のう
   ち、少なくとも１つの次数のモーメントを用いて粒状体
   の平均粒度を求めるようにしたことを特徴とする粒状体
   の平均粒度測定方法。
2. （２）堆積した粒状体の平均粒度を測定する方法におい
   て、堆積した粒状体を撮影した画像を２値化又は浮動２
   値化することによって得られる粒子抽出画像のパワース
   ペクトルのｎ次モーメントＭｎ（ｎ＝０、１、２、・・
   ・）のうち、少なくとも１つの次数のモーメントを用い
   て粒状体の平均粒度を求めるようにしたことを特徴とす
   る粒状体の平均粒度測定方法。
3. （３）画像のパワースペクトルのｎ次モーメントＭｎ（
   ｎ＝０、１、２、・・・）から粒状体の平均粒度■を求
   めるにあたり、相異なる２つの次数モーメントＭ＿ｌ及
   びＭ＿ｌ＿＋＿ｋ（ｌ＝０、１、２、・・・、ｋ＝１、
   ２、３、・・・）を用いて ▲数式、化学式、表等があります▼（Ｂ：比例係数） なる演算式により求めることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の粒状体の平均粒度測定方法。
4. （４）画像のパワースペクトルのｎ次モーメントを求め
   るにあたり、画像を横方向又は縦方向にｍ分割し、各分
   割内で画像信号を縦方向又は横方向に平均化した信号の
   パワースペクトルをそれぞれ求め、求めたｍ個のパワー
   スペクトルを平均化して得られる平均パワースペクトル
   Ｐ（ｕ）を用いて、ｎ次モーメントＭｎを ▲数式、化学式、表等があります▼ なる式により求めるようにしたことを特徴とする請求項
   １又は２記載の粒状体の平均粒度測定方法。
5. （５）回転皿型転動造粒機の皿内の粒状体の平均粒度を
   請求項１記載の測定方法により測定し、その測定結果に
   基づいて液体バインダーの供給量を調整することを特徴
   とする粒状体の粒度自動制御方法。