JP5206437B2 - 放射測温装置及び放射測温方法 - Google Patents
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また、この構成によれば、放射率が測定できない溶融スラグの温度を、その放射率を0.96〜1とすることにより、算出することができる。つまり、この際、温度算出部は、例えばPlanckの放射式やWienの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を0.96〜1のいずれかの値とし、かつ、溶融スラグの熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、溶融スラグの温度を算出することができる。
ここでは、表面が波立っている測温対象、つまり、表面に凹凸がある測温対象の温度を測定する。波の谷間(凹部)に位置する部位において、測温対象の熱放射により発せられる光は、当該測温対象の表面から発せられる直接光以外にも、その直接光が測温対象で反射した反射光をも含む。従って、最高輝度検出部は、直接光及び反射光を含む光の輝度を、最高輝度として検出することができ、温度算出部は、この最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出することができる。この際、波の大きさにより、反射光を含むか否か又は何次の反射光まで含むかが異なるが、上記構成によれば、この波の大きさに応じた値を放射率として使用する。よって、より正確な温度測定が可能となる。なお、放射率を決定する際に使用される波の大きさは、直接光の反射が起こりうる大きさに適宜設定されることが望ましい。
ここでは、表面が波立っている測温対象、つまり、表面に凹凸がある測温対象の温度を測定する。この構成によれば、温度算出部は、最高輝度における測温対象の放射率を1として、測温対象の温度を算出することができる。つまり、温度算出部は、例えばPlanckの放射式やWienの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を1とし、かつ、測温対象の熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、測温対象の温度を算出することができる。なお、上述の通り、表面に波が生じている場合、撮像部により撮像される熱放射輝度の分布には、直接光だけでなく反射光も含まれる。従って、このように波立っている溶融物の最高輝度に対する放射率は1に近づく。また、仮に、その溶融物が熱放射輝度の少なくとも一部を透過させる場合、その溶融物の厚みが厚くなるほど、見かけの放射率(実効放射率)は1に近づく。従って、この構成によれば、放射率を1と近似することにより、放射率が未知の測温対象の温度を測定することを可能にしている。
この構成によれば、最高輝度検出部は、複数枚の撮像画像の中から最高輝度を検出する。上述の通り、最高輝度検出部は、撮像画像中の最高輝度を検出するが、測温対象が溶融物であるので、測温対象の厚みや表面状態は変化し、その変化に応じて最高輝度も変化する。そこで、上記構成では、測温対象を複数枚撮像して、その複数の撮像画像にわたる最高輝度を検出することにより、厚みや表面状態に依存しない最も高い最高輝度を検出できる確率を高めることを可能にしている。例えば、測温対象の厚みに最高輝度の放射率が依存する場合、測温対象の厚みが最大となった最高輝度が検出される確率を高めることができる。また、更に例えば、測温対象の表面状態(波の形状)に依存する反射光が撮像画像に含まれる確率をも高めることができる。よって、放射測温装置の温度測定精度を向上させることができる。
この構成によれば、高速シャッターにより、撮像素子を露光する時間を測温対象の流動状態(波立ちや測温対象の厚みの変化状態)に応じた所定時間にすることができる。従って、撮像部は、流動する測温対象が像流れしぼやけて撮像され、最高輝度が他の輝度と平均化されてしまうことを防止し、直接光及び反射光を含む光の輝度を撮像画像に含めることができる。
この構成によれば、測温対象の温度を算出することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る放射測温装置の構成について説明するための説明図である。図11は、高炉から出銑される出銑流について説明するための説明図である。図12は、高炉から出銑される出銑流による熱放射輝度ヒストグラムについて説明するための説明図である。
製鉄所の高炉は、鉄鉱石・コークス・石灰石などから高温の還元反応を利用して溶銑及び溶融スラグを生成する。この高炉の炉底には、溶銑及び溶融スラグが滴下して湯溜まりを形成している。図1に示すように、高炉の側面における湯溜まりの位置には、出銑口10が設けられており、この出銑口10に貫通孔11を開けることにより、溶銑及び溶融スラグの混合物(以下「出銑流1」ともいう。)が流出する。出銑口10にはマッド材が充填されており、ドリル等で機械的に貫通孔11を開孔する。貫通孔11の開孔直後の出銑口径(貫通孔11の口径)は、ドリル径にほぼ等しいが、出銑の経過と共に侵食され、次第に拡大する。出銑開始時は出銑流量が炉内での溶銑及び溶融スラグの生成量よりも少なく、炉内の溶銑及び溶融スラグ量は、増加する。出銑を続けると出銑口径が拡大する。この出銑口径の拡大に伴い出銑流量が増加して、炉内の湯溜まり量が低下に転じる。通常は出銑開始から2〜4時間程度で、湯面レベルが出銑口付近まで低下するので、マッド材を出銑口10の貫通孔11に充填して、出銑口10を閉塞させる。このような出銑作業を繰り返しながら銑鉄が製造される。出銑された溶銑及び溶融スラグは、出銑樋12を搬送されて、出銑樋12後尾において比重分離される。
次に、このような高炉で行われている関連技術に係る出銑温度の測定方法について説明する。関連技術による出銑温度の管理は、出銑樋12の下流において、溶銑の温度を熱電対で測定するのが一般的である。この温度測定方法は、「浸漬消耗型熱電対」と呼ばれる使い捨て熱電対プローブを人手で溶銑に浸漬するバッチ的測定方法である。熱電対を使用した接触式の測温装置は、精度・信頼性の高い測温が可能である。しかし、熱電対プローブは人手で浸漬されるので、出銑流1に作業者が接近する必要があり、更に出銑流1の高温により熱電対プローブは溶解するので、再利用できない場合が殆どである。そこで、関連技術による測温は、作業者が受ける負荷や貴金属熱電対プローブのコスト等の制約から、出銑中数回の間欠的な測定に限られる。また、出銑開始からしばらくの間は、出銑樋12を構成する耐火物により抜熱されるので、出銑樋12下流において測定される溶銑温度は、出銑口10から出銑された時点における温度(炉内状況を把握する上で真に知りたい温度)よりも低い恐れがある。
しかしながら、高炉の操業状態を管理する上では、溶銑温度を測定するだけでなく、溶銑と同様に高炉から流出する溶融スラグの温度をも測定することが望まれていた。一方、上記関連技術に係る特許文献1に記載の放射測温装置では、この溶融スラグの温度を測定できない。そこで、更に溶融スラグの温度を測定することができるような放射測温装置の開発が希求されていた。
(1)溶融スラグの輝度に相当する濃度の代表値を特定することが難しいこと、
(2)許容しうる程度に正確な溶融スラグの放射率を定めて温度を算出することが難しいこと、
などの問題点があり、上記関連技術に係る放射測温装置は、十分な精度で温度を測定することが困難であった。
本発明の発明者らは、高炉において行われている測温や、上記関連技術に係る測温装置の問題点などについて、鋭意研究を行った結果、上記のような問題点を解明し、溶銑だけでなく溶融スラグや他の溶融物である測温対象をも測温することが可能な本発明の一実施形態に係る放射測温装置を発明した。以下、本発明の一実施形態に係る放射測温装置について説明する。
(2−1.概要:溶融スラグの放射率)
本発明の発明者らは、この本発明の一実施形態に係る放射測温装置を発明するにあたり、放射率が予め特定されていない溶融スラグ(測温対象の一例)において、最高画像輝度Lmax(最高濃度)を使用すれば溶融スラグの温度を測定できることを見出した。この際、本発明の発明者らは、更に、最高画像輝度Lmaxにおける溶融スラグの見かけの放射率を、特定の値に仮定できることを見出し、その値として、溶融スラグの場合には0.96〜1(特に望ましくは1)のいずれかの値を使用可能であることを見出した。ここで言う「見かけの放射率(実効放射率とも言う。)」とは、物質固有に定まる放射率ではなく、観察対象の状態や形状などによって変化する実効的な放射率を指す。
特性1:溶融スラグが光学的に半透明であること
特性2:溶融スラグの熱画像には反射光が含まれること
この特性1,2について具体的に説明すると以下の通りである。なお、以下では、熱放射光の強さを物理量である熱放射輝度Iで表し、これに対応した観測量である画像輝度(濃度)Lは必要に応じて記述する。
溶融スラグの見かけの放射率が局所的に高くなることについて本発明の発明者らが解明した特性1について、図2〜図4を参照しつつ説明する。ここでの説明は特性1を単独で扱い、特性2は含まないものとする。図2及び図3は、溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。図4は、溶融スラグの厚みと見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
次に、溶融スラグの見かけの放射率が局所的に高くなることについて本発明の発明者らが解明した特性2について、図5〜図7を参照しつつ説明する。ここでは説明を判り易くするため、上記特性1の説明において「溶融スラグの表面が平坦である場合に放射率が溶融スラグの厚みの関数となる」と説明した見かけの放射率のことを「平坦表面放射率」と呼び単にεと記す。そして、平坦表面放射率が溶融スラグの表面形状に依存して変化することを「見かけの放射率」(記号E)として扱う。図5は、溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。図6及び図7は、溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
以上、本発明の発明者らが、出銑流1中の溶融スラグで局所的に見かけの放射率が高くなっていること等について鋭意研究を行った結果明らかにした溶融スラグの特性1,2と、その特性1,2に基づき今回初めて明らかにした溶融スラグの見かけの放射率Eについて説明した。この見かけの放射率Eについてまとめると、以下の条件1,2が言える。
条件2:溶融スラグの表面が波立っている場合、撮像画像には1重又は多重反射光が含まれるため、最高輝度(最高画像輝度Lmax)における溶融スラグの見かけの放射率Eは、上記条件1の放射率(平坦表面放射率ε)から更に1に近づく。
図1に、本発明の一実施形態に係る放射測温装置100の構成を示す。
図1に示すように、本実施形態に係る放射測温装置100は、撮像部110と、画像処理部121と、画像データ記憶部122と、最高輝度検出部123と、温度算出部124と、校正データ記憶部125と、表示部131と、温度データ記憶部132とを有する。
表示部131は、温度算出部124が算出した溶融スラグの温度Tを表示する。この溶融スラグの温度Tは、上述の通り、同じ湯溜まりから出銑された溶銑の温度ともほぼ等しく、また、高炉の湯溜まりから出銑された直後であるため湯溜まりの温度をも反映している。従って、放射測温装置100によれば、湯溜まりの温度をより正確に測定することができる。また、温度算出部124が算出した溶融スラグの温度Tは、温度データ記憶部132に記録されてもよい。放射測温装置100は、関連技術に係る接触式の測温装置の間欠測温に比べて、秒オーダーのごく短い時間間隔で測定を繰り返すことができる。よって、温度データ記憶部132に測定温度Tを記録することで、高炉の内部の温度の変化を連続的に測定することができる。
次に、本実施形態に係る放射測温装置100の動作について、図9を参照しつつ説明する。図9は、本実施形態に係る放射測温装置の動作について説明するための説明図である。
次に、本実施形態に係る放射測温装置100の測定例について、図10を参照しつつ説明する。図10は、本実施形態に係る放射測温装置による測定例について説明するための説明図である。ここでは、操業中の高炉に対して、本実施形態に係る放射測温装置100により、出銑口10から出銑される溶融スラグの温度Tを測定した。また、放射測温装置100の性能を比較するために、出銑樋12の下流において、関連技術に係る接触式の測温装置である熱電対を出銑流1に浸漬することにより、出銑流1の測温を行った。出銑流1の温度と溶融スラグの温度Tとはほぼ等しくなることが予想される。
以上、本発明の一実施形態に係る放射測温装置100について説明した。この放射測温装置100によれば、最高画像輝度Lmaxから温度Tを算出することにより、表面が波立つ溶融物の一例である溶融スラグの温度Tを正確に測定することができる。この際、放射測温装置100は、溶融スラグの正確な放射率εが判っている必要はない。関連技術に係る上記特許文献1の放射測温装置は、溶銑の流出が無ければ出銑流1の測温を行うことは難しかったが、本実施形態に係る放射測温装置100、溶融スラグの温度Tを測定することにより、溶銑があまり含まれない出銑流1(例えば出銑開始後の約数十分間)の温度をも測定することができる。また、放射測温装置100は、連続的な測温が可能であるので、高炉内部の温度の時間変化を測定することが可能である。従って、高炉内部の熱状況について、これまでより多くの情報を得ることができ、高炉操業をより安定させることができる。この際、放射測温装置100は、溶融物の一例である溶融スラグの平坦表面放射率εは0.96に近似する。そして、放射測温装置100は、溶融スラグの表面が大きく波立っている場合、見かけの放射率Eを1と近似する。その結果、測定誤差を減少させることができる。従って、放射測温装置100は、著しく波立つような溶融物の温度を測定できるだけでなく、関連技術では測温を困難にしていた著しい波立ちを逆に利用して、測温精度を向上させることができる。更にこの際、放射測温装置100は、出銑開始初期のように溶融スラグが大半を占める場合だけでなく、溶銑と不均一に混合されて混濁した状態であっても、溶融スラグの最高輝度を検出して測温することが可能である。
条件4:測温対象の表面が波立った状態である場合、つまり、測温対象の表面に凹部が存在する場合、撮像画像には1重又は多重反射光が含まれるため、その最高画像輝度Lmaxにおける見かけの放射率Eは、上記条件3の平坦表面放射率ε(条件1を満たさない場合には真の放射率)よりも更に1に近づく。
10 出銑口
11 貫通孔
12 出銑樋
13 樋カバー
100 放射測温装置
110 撮像部
121 画像処理部
122 画像データ記憶部
123 最高輝度検出部
124 温度算出部
125 校正データ記憶部
131 表示部
132 温度データ記憶部
Sl 溶融スラグ
Me 溶銑
S 表面
Lmax 最高画像輝度
Claims (10)
- 放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置であって、
前記測温対象から発せられる前記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部と、
前記最高輝度検出部が検出した最高輝度に基づいて、前記測温対象の温度を算出する温度算出部と、
を有し、
前記温度算出部は、前記熱放射光に対する前記測温対象の大気との界面の反射損失をlnとすると、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として(1−ln)〜1のいずれかの値を使用して、前記測温対象の温度を算出し、前記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として0.96〜1のいずれかの値を使用して、前記溶融スラグの温度を算出することを特徴とする、放射測温装置。 - 前記温度算出部は、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を前記放射率として使用することを特徴とする、請求項1に記載の放射測温装置。
- 前記温度算出部は、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として1を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、請求項1又は2に記載の放射測温装置。
- 前記最高輝度検出部は、前記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる前記最高輝度を検出することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の放射測温装置。
- 前記撮像部は、前記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光する高速シャッターを有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の放射測温装置。
- 放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温方法であって、
前記測温対象から発せられる前記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップで撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出ステップと、
前記最高輝度検出ステップで検出した最高輝度に基づいて、前記測温対象の温度を算出する温度算出ステップと、
を有し、
前記温度算出ステップでは、前記熱放射光に対する前記測温対象の大気との界面の反射損失をlnとすると、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として(1−ln)〜1のいずれかの値を使用して、前記測温対象の温度を算出し、前記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として0.96〜1のいずれかの値を使用して、前記溶融スラグの温度を算出することを特徴とする、放射測温方法。 - 前記温度算出ステップでは、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を前記放射率として使用することを特徴とする、請求項6に記載の放射測温方法。
- 前記温度算出ステップでは、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として1を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、請求項6又は7のいずれかに記載の放射測温方法。
- 前記最高輝度検出ステップでは、前記撮像ステップで撮像した複数の撮像画像にわたる前記最高輝度を検出することを特徴とする、請求項6〜8のいずれか1項に記載の放射測温方法。
- 前記撮像ステップでは、高速シャッターにより、前記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光することを特徴とする、請求項6〜9のいずれか1項に記載の放射測温方法。
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