(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属容器の流出孔を流下する溶融金属流に混入して前記溶融金属容器から流出するスラグの検知方法であって、前記溶融金属流を赤外線カメラで撮影し、撮影した画像の各画素を、溶融金属及びスラグの輝度エネルギー差を利用して溶融金属とスラグとに判別し、スラグと判別された画素の数を撮影毎に積算するとともに、１画像のうちで溶融金属の画素数とスラグの画素数との合計値に対するスラグの画素数の百分率［スラグと判定された画素数×１００／（溶融金属と判定された画素数＋スラグと判定された画素数）］を前記溶融金属流におけるスラグ面積率として撮影毎に求め、スラグと判定された画素の数の積算値が閾値を越える時点か、或いは、前記スラグ面積率が閾値を越える時点か、どちらか早い方をスラグの流出時点と判定することを特徴とする、スラグの流出検知方法。
【請求項２】
前記溶融金属容器が転炉であり、且つ前記溶融金属が溶鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のスラグの流出検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉及び取鍋などの溶融金属容器に設置される流出孔を介して該溶融金属容器から、取鍋やタンディッシュなどの他の溶融金属容器に溶銑及び溶鋼などの溶融金属を排出する際に、溶融金属の排出の末期、溶融金属に巻き込まれて流出するスラグを検知する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転炉を用いた溶銑の脱炭精錬工程においては、精錬剤として生石灰（ＣａＯ）などの造滓剤を添加したり、副原料としてマンガン鉱石を添加したり、除去された溶銑中の不純物自体がスラグになったりし、更には、酸化精錬であることに起因して鉄の酸化物が不可避的に発生することから、スラグをなくすることは不可能であり、脱炭精錬終了後の溶鋼上にはスラグが形成される。形成されたスラグは、転炉から取鍋などへの出鋼過程の末期、転炉内の溶鋼が少なくなってくると溶鋼に巻き込まれ、溶鋼とともに取鍋内に排出される。このスラグは鉄酸化物及びマンガン酸化物などの酸素ポテンシャルの高い、所謂「低級酸化物」を含んでいるので、大量のスラグが取鍋内に流出した場合には、脱酸のために添加した溶鋼中のＡｌとスラグ中の低級酸化物とが反応して溶鋼中にアルミナが形成され、清浄性の高い鋼を得ることができなくなるという問題が発生する。また、取鍋の耐火物がスラグによって溶損し、取鍋耐火物の寿命が低下するという問題も発生する。
【０００３】
同様に、連続鋳造工程においては、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入する際、取鍋内の溶鋼量が少なくなった注入過程の末期に、取鍋内のスラグが溶鋼に巻き込まれ、溶鋼とともにタンディッシュに流出する。この場合のスラグは、一般的にはすでに低級酸化物は還元されており、酸化度の低いスラグであるので、巻き込まれたスラグがタンディッシュ内で全て浮上して溶鋼と分離してしまえば問題にはならないが、タンディッシュで浮上しきれずに鋳型内まで持ち来たされる場合には、スラグは鋳片に捕捉され、鋳片の清浄性が低下するといった問題が発生する。
【０００４】
従って、スラグの流出を防止するために多数の提案がなされている。例えば、特許文献１には、転炉から出鋼口を介して取鍋へ溶鋼を出鋼する際に、転炉からの出鋼流を比較高温計で監視し、比較高温計で検知される流体が溶鋼からスラグに変わった時点で前記出鋼口に蓋体を挿入し、スラグの流出を防止する方法が開示されている。また、特許文献２には、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入流の幅方向放射エネルギー分布を２次元ＣＣＤカメラで測定し、測定結果のうちの連続する最大幅部分を溶鋼注入流の径として検出し、溶鋼注入流の径の幅及びその積分値が増大したときにスラグ流出と判定して、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を終了する方法が開示されている。
【特許文献１】特公昭５５−４７３１１号公報
【特許文献２】特開平２−２５１３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２ともに、溶鋼よりもスラグの方が、放射エネルギーが大きいことを利用して溶鋼とスラグとを判別しているが、これらの従来技術には、次のような問題点がある。即ち、特許文献１及び特許文献２ともに、出鋼流或いは注入流の放射エネルギー全体が増大したときにスラグが流出したと判定しており、このような判定方法では、スラグが出鋼流或いは注入流の一部分にしか混在しない状態が長時間連続した場合には、放射エネルギーの増加量が少ないためにスラグ流出の検知時期が遅れてしまい、検知した時点ではすでに大量のスラグが流出しまうことが発生する。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、転炉から取鍋への出鋼時及び取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入時などのように、溶融金属容器から他の溶融金属容器に流出孔を介して溶融金属を排出する際に、溶融金属の排出の末期、溶融金属流に混入して流出するスラグの検知を的確に判定し、スラグの流出量をばらつきなく所定量に制御することのできるスラグの流出検知方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための第１の発明に係るスラグの流出検知方法は、溶融金属容器の流出孔を流下する溶融金属流に混入して前記溶融金属容器から流出するスラグの検知方法であって、前記溶融金属流を赤外線カメラで撮影し、撮影した画像の各画素を、溶融金属及びスラグの輝度エネルギー差を利用して溶融金属とスラグとに判別し、スラグと判別された画素の数を撮影毎に積算するとともに、１画像のうちで溶融金属の画素数とスラグの画素数との合計値に対するスラグの画素数の百分率［スラグと判定された画素数×１００／（溶融金属と判定された画素数＋スラグと判定された画素数）］を前記溶融金属流におけるスラグ面積率として撮影毎に求め、スラグと判定された画素の数の積算値が閾値を越える時点か、或いは、前記スラグ面積率が閾値を越える時点か、どちらか早い方をスラグの流出時点と判定することを特徴とするものである。
【０００８】
第２の発明に係るスラグの流出検知方法は、第１の発明において、前記溶融金属容器が転炉であり、且つ前記溶融金属が溶鋼であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、転炉や取鍋などの溶融金属容器から流下する溶融金属流を赤外線カメラにより周期的に撮影し、撮影した画像の各画素を溶融金属とスラグとに判別し、スラグと判別された画素数を撮影毎に積算して、この画素数の積算値に基づいてスラグ流出を判定するので、スラグが溶融金属流の一部分にしか混在しない状態が長時間継続しても、スラグ流出の検知時期を的確に把握することができ、スラグの流出量をばらつきなく所定量に制御することが可能となる。その結果、溶鋼清浄性の向上、脱酸剤原単位の削減などが達成されて工業上有益な効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態例を示す図であって、転炉から取鍋に溶鋼を出鋼する際に本発明を実施した例を示す概略断面図、図２は、図１に示すスラグストッパーの概略拡大図である。
【００１１】
図１に示すように、外殻を鉄皮１０とし、鉄皮１０の内側に耐火物１１が施工された転炉３の側壁には、溶鋼１を取鍋４に排出するための流出孔である出鋼口１２が設置されている。この転炉３の出鋼口１２の近傍には、スラグストッパー９が設置されており、スラグストッパー９は、転炉３とは距離を隔てた位置に設置されるスラグストッパー制御装置８によって制御されている。また、転炉３から取鍋４への出鋼流１Ａに混合して流出するスラグ２を検知するために、赤外線カメラ６及び検知部７からなるスラグ検知装置５が設置されている。
【００１２】
赤外線カメラ６は、出鋼流１Ａ及びその背景を二次元で撮影し、被写体の放射エネルギーに基づいて、溶鋼１、スラグ２及び背景に分別して表示する装置である。また、赤外線カメラ６は、撮影した画像中における溶鋼１、スラグ２及び背景の占める各画素の数を計測する機能を有している。赤外線カメラ６により撮影された二次元の画像、並びに、赤外線カメラ６により計測された溶鋼１、スラグ２及び背景の占める各画素数は検知部７に送られる。検知部７は、送られた画像及び各画素数に基づいてスラグ流出の検知並びにスラグ流出の判定を行う装置である。赤外線カメラ６でなくても例えばＣＣＤカメラなどでも被写体の放射エネルギーを計測することは可能であるが、検出感度が高いことから本発明では赤外線カメラ６を使用している。但し、赤外線カメラ６の代わりにＣＣＤカメラを使用しても、本発明を実施することはできる。検知部７の信号は、スラグストッパー制御装置８に入力されている。
【００１３】
スラグストッパー９は、図２に示すように、転炉３の鉄皮１０に固定されるアーム支持台１８に軸受１９を介して回転自在に支持されたアーム１３と、アーム１３の先端部に取り付けられた鋳鉄製のストッパー１４と、アーム１３のストッパー１４の側とは反対側の先端部にシリンダーロッド１６を介して連結される油圧シリンダー１５と、から構成されている。この油圧シリンダー１５は、鉄皮１０に固定されるシリンダー支持台２０に軸受２１を介して回転自在に支持されている。アーム１３とシリンダーロッド１６との連結部は固定されておらず、連結したまま互いに自在に動くようになっている。また、ストッパー１４の中心部を貫通してガス供給管１７が設けられ、ガス供給管１７を介して供給される窒素ガスが、ストッパー１４を出鋼口１２に嵌合したときに、出鋼口１２の流路内に噴射されるようになっている。また更に、油圧シリンダー１５には２本の油圧配管２２，２３が設置され、油圧配管２２，２３を介して供給・排出される作動油によって油圧シリンダー１５が作動するようになっている。尚、図２では、ガス供給管１７及び油圧配管２２，２３は、その一部分のみを表示し、全体の表示は省略している。
【００１４】
シリンダーロッド１６の突出部が短縮するように油圧シリンダー１５が作動することで、アーム１３は、ストッパー１４が出鋼口１２に近づくように軸受１９を回転軸として回転し、図２に破線で示すように、シリンダーロッド１６の突出部が最も短縮した時点で、ストッパー１４が出鋼口１２に嵌合するようになっている。ガス供給管１７を介して流れる窒素ガス流量及び油圧配管２２，２３における作動油の流れの方向は、スラグストッパー制御装置８によって制御されている。
【００１５】
このような構成の転炉３及びスラグ検知装置５を用いて、次のようにして本発明を実施する。
【００１６】
転炉３に溶銑を装入し、更に生石灰などの造滓剤を装入して、上吹きランス（図示せず）または底吹き羽口（図示せず）若しくは双方から酸素ガスを溶銑に供給して脱炭精錬を実施する。溶銑は脱炭精錬されて溶鋼１が溶製され、造滓剤は溶融してスラグ２が生成される。溶製した溶鋼１を取鍋４に出鋼するに当たり、出鋼口１２が下面側に位置するように転炉３を傾動させる。転炉３の傾動により、溶鋼１は出鋼口１２を通って取鍋４に流下する。溶鋼１の出鋼が進み、転炉３に滞留する溶鋼１が少なくなると、溶鋼１の上に浮遊するスラグ２が溶鋼１に巻き込まれ、出鋼流１Ａに混入して取鍋４に流出する。
【００１７】
この出鋼流１Ａを赤外線カメラ６で連続して監視し、一定周期で出鋼流１Ａの二次元画像を撮影する。そして、被写体の放射エネルギーに基づき、撮影した二次元画像を溶鋼１、スラグ２及び背景に分別処理するとともに、撮影した画像中における溶鋼１、スラグ２及び背景として分別した各画素数を計測する。分別処理された画像並びに溶鋼１、スラグ２及び背景として分別された各画素数は検知部７に送られる。
【００１８】
図３に、或る時刻において赤外線カメラ６により撮影された出鋼流１Ａの二次元画像を示す。図３において、「Ｚ」として示す放射エネルギーの極めて低い部分（以下、「範囲（Ｚ）」と記す）は出鋼流１Ａの背景であり、「Ｘ」として示す放射エネルギーレベルの高い部分（以下、「範囲（Ｘ）」と記す）が出鋼流１Ａつまり溶鋼１である。また、出鋼流１Ａのなかに放射エネルギーレベルの高い「Ｙ」として示す部分（以下、「範囲（Ｙ）」と記す）が存在し、範囲（Ｙ）の部分がスラグ２である。
【００１９】
撮影した二次元画像を、範囲（Ｘ）、範囲（Ｙ）及び範囲（Ｚ）の３つの範囲に判別する方法を、図４を用いて説明する。図４は、図３に示すＡ−Ａ’線上の放射エネルギー分布を示す概略図である。背景つまり範囲（Ｚ）の部分は、放射エネルギーが極めて低く、出鋼流１Ａの部分、つまり範囲（Ｘ）及び範囲（Ｙ）とは明確に判別することができる。出鋼流１Ａの部分で、溶鋼１の放射エネルギーはＥm であり、スラグ２の放射エネルギーは溶鋼１の放射エネルギー（Ｅm ）よりも高いＥs であるので、溶鋼１とスラグ２とを判別することができる。具体的には、図４に示すように、Ｅm よりも大きく且つＥs よりも小さい所定のエネルギー閾値Ｅc を設定しておき、計測される放射エネルギーレベルがエネルギー閾値Ｅc を越えた範囲をスラグ２つまり範囲（Ｙ）とし、それ以外を溶鋼１つまり範囲（Ｘ）として判別する。
【００２０】
赤外線波長領域におけるスラグ２の放射率は、溶鋼１の放射率の１．２〜１．５倍であり、これによって計測される放射エネルギーレベルに差が発生するので、赤外線カメラ６を使用することによって、出鋼流１Ａにおける溶鋼１とスラグ２とを明確に区別することが可能となる。図４は、出鋼流１Ａにスラグ２が混入した状態を示しており、スラグ２が混入していない場合には、画像は範囲（Ｘ）と範囲（Ｚ）とで構成され、出鋼流１Ａが全てスラグ２の場合には、画像は範囲（Ｙ）と範囲（Ｚ）とで構成される。
【００２１】
赤外線カメラ６は、図４に示す画像処理を画像全体で行い、１画像のうちで範囲（Ｘ）、範囲（Ｙ）、範囲（Ｚ）の各範囲の占める画素数を計測する。範囲（Ｘ）、範囲（Ｙ）、範囲（Ｚ）の各画素数を合計した画素数は１画像の画素数と一致することになる。尚、範囲（Ｘ）の画素数と範囲（Ｙ）の画素数との合計値に対する範囲（Ｙ）の画素数の百分率［範囲（Ｙ）の画素数×１００／（範囲（Ｘ）の画素数＋範囲（Ｙ）の画素数）］は、出鋼流１Ａにおけるスラグ２の面積率（％）となる。
【００２２】
検知部７には、撮影の毎に赤外線カメラ６から、溶鋼１、スラグ２及び背景に分別処理された画像、及び、溶鋼１、スラグ２及び背景として分別した各画素数が入力される。検知部７は、入力されたデータを記憶するとともに各画素数を積算する。そして、これらのデータのうちでスラグ２の画素数の積算値に基づいてスラグ流出を判定する。つまり、予め閾値を定めておき、スラグ２の画素数の積算値が閾値を超えた時点を「スラグ２が流出した時点」と判定して、その判定信号をスラグストッパー制御装置８に出力する。閾値は赤外線カメラ６の仕様（画素数）によって変化するが、操業条件などに応じて適宜設定変更することもできる。この場合、前述した、出鋼流１Ａにおけるスラグ２の面積率を併用して、スラグ流出を判定してもよい。つまり、スラグ２の画素数の積算値が閾値を越える時点か、或いは、出鋼流１Ａにおけるスラグ２の面積率が所定の閾値（例えば４０％）を越える時点のどちらか早い方を、スラグ２の流出時点と判定する。このようにすることで、より精度良く、スラグ流出を検知することができる。
【００２３】
検知部７からスラグ流出の判定信号を受けたスラグストッパー制御装置８は、アーム１３の先端に設置したストッパー１４によって出鋼口１２が閉塞されるように油圧シリンダー１５を作動させると同時に、ガス供給管１７から窒素ガスが流れるように電磁弁（図示せず）を制御する。出鋼流１Ａはストッパー１４によって止められるのみならず、出鋼口１２の内部に噴射される窒素ガスによって、出鋼口１２の内部の溶鋼１及びスラグ２は転炉３の内部に押し戻される。これにより、出鋼口１２の溶鋼１による閉塞は防止される。転炉３は、スラグストッパー９の作動と同時にまたは作動直後に、炉口が上となるように傾動し、その後、出鋼口１２が上になるように更に傾動し、スラグ２は炉口からスラグポット（図示せず）に排出される。
【００２４】
図５及び図６に、スラグ２の画素数の積算値の推移とスラグストッパー９の作動時期との関係を示す。図５は、出鋼流１Ａにスラグ２の混入が急激に起こった場合を、一方、図６は、スラグ２の混入が徐々に起こった場合を例示しており、図５に示すスラグ２の画素数の積算値Ｓ1 と、図６に示すスラグ２の画素数の積算値Ｓ2 とは同等であり、取鍋４にはほぼ同程度のスラグ２が流出した時点で、出鋼口１２が閉鎖される。
【００２５】
このように、本発明によれば、転炉３からの出鋼流１Ａを画像処理して、撮影した画像の各画素を溶鋼１、スラグ２及び背景に判別し、スラグ２と判別された画素数を撮影毎に積算し、スラグ２と判別された画素数の積算値に基づいてスラグ流出を判定するので、スラグ２が出鋼流１Ａの一部分にしか混在しない状態が長時間継続しても、スラグ流出の検知時期を的確に把握することができ、スラグ２の流出量をばらつきなく所定の範囲に制御することが可能となる。
【００２６】
尚、本発明は上記説明に限るものではなく種々の変更が可能である。例えば、上記説明では、溶銑を脱炭精錬して得た溶鋼１の転炉３からの出鋼時に適用しているが、溶銑を予備脱燐処理して得た脱燐溶銑を転炉３から溶銑鍋などへ出湯する際にも適用することができる。また、転炉３からの出鋼流１Ａに代えて、取鍋４からタンディッシュへの溶鋼の注入流に対しても同様に適用することができる。更に、スラグストッパー９の構造も上記に限るものではなく、出鋼口１２を閉塞することができる限り、どのような構造であってもよい。また更に、スラグストッパー９を使用することなく、検知部７がスラグ流出を判定した時点で、転炉３を傾動させて出鋼口１２からの流出を停止するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】転炉から取鍋に溶鋼を出鋼する際に本発明を実施した例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すスラグストッパーの概略拡大図である。
【図３】赤外線カメラにより撮影された出鋼流１Ａの二次元画像の概略図である。
【図４】図３に示す、Ａ−Ａ’線上の放射エネルギー分布を示す概略図である。
【図５】スラグ画素数の積算値の推移とスラグストッパーの作動時期との関係を示す図である。
【図６】スラグ画素数の積算値の推移とスラグストッパーの作動時期との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  溶鋼
１Ａ  出鋼流
２  スラグ
３  転炉
４  取鍋
５  スラグ検知装置
６  赤外線カメラ
７  検知部
８  スラグストッパー制御装置
９  スラグストッパー
１０  鉄皮
１１  耐火物
１２  出鋼口
１３  アーム
１４  ストッパー
１５  油圧シリンダー
１６  シリンダーロッド
１７  ガス供給管
１８  アーム支持台
１９  軸受
２０  シリンダー支持台
２１  軸受
２２  油圧配管
２３  油圧配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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