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太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第186号(2024)：関根 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――◇報 告◇

3Dレーザースキャナを用いたキルン点検手法の開発
Development of a Kiln Inspection Method Using a
3D Laser Scanner

関

根

麻里子*,

星

健

太*,

住

吉

裕次郎*,

森

寛

晃**

SEKINE, Mariko*;

HOSHI, Kenta*;

SUMIYOSHI, Yujiro*; MORI, Hiroaki**

要

旨

工場設備の老朽化が進み，設備故障やそれに伴う修繕回数が増加している．また，今後のマンパワー不足に備えて，点検技術の省力化・効率化が急務である．そこで，ありのままの形状を取得できる 3D レーザースキャナに着目し，セメント製造の主要設備であるキルンを対象とした新たな点検手法の開発に取組んだ．まず，キルンの形状特性を把握するため 3D レーザースキ
ャナを用いて複数工場のキルンを計測した．楕円近似を用いた形状評価により，キルン径に応じたキルン固有の形状特性を把握でき，全体形状を示すオーバリティ率分布や局所変形分布が取得可能となった．これまで不明だった支点間を含むキルンの全体形状や局所変形を精緻に得られ，合理的なシェル切替範囲の決定や変形箇所の詳細点検スクリーニングなどへの活用が期待できる．キルン健康度の評価に使える管理指針の設定には，故障時の計測に加えて定期的なデータ蓄積が求められる．
キーワード：工場設備，キルン，シェル，３Ｄレーザースキャナ，点検，形状評価，
楕円近似――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――* 中央研究所 研究開発推進部 インフラ先進技術チーム
Infrastructure Advanced Technology Team, Research & Development Promotion Department, Central Research Laboratory** 中央研究所 研究開発推進部 インフラ先進技術チーム リーダー
Manager, Infrastructure Advanced Technology Team, Research & Development Promotion Department, Central ResearchLaboratory

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太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第186号(2024)：関根 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

ABSTRACTWith the aging of factory equipment, the number of equipment failures and associatedrepairs has been increasing.
In addition, in preparation for future manpower shortages,
there is an urgent need to make inspection techniques more labor-saving and efficient. We
focused on a 3D laser scanner for its capacity to capture the true shape of a kiln and worked
to develop a new inspection method for kilns, the main equipment used in cement production.
The dimensions of kilns were measured at several plants using a 3D laser scanner tounderstand the shape characteristics of the kilns, and shape evaluation was performed byusing the elliptic approximation.
By this method, it was possible to understand kilnspecific shape characteristics depending on the kiln diameter and obtain overall shape
distribution of the kiln and local deformation distribution. The precise information obtained
for the overall shape and local deformation of the kiln included the distance between thefulcrums which was previously unknown.
This implies possible applications of the
proposed method to the determination of a reasonable shell switching range or detailed
inspection screening of deformed areas.
In order to establish management guidelines thatcan be used to evaluate kiln health, periodic data accumulation will be necessary in addition
to measurement at the time of failure.

Keywords：Factory Equipment, Kiln, Shell,3D laser scanners, Inspection,
Shape Evaluation, elliptic approximation

１．は じ め に
セメント製造の主要設備であるロータリーキルン(以下，キルン)は巨大な円筒状の回転炉であり，複数の支点と一つの駆動装置によって全長を支持，回転する設備である．原料焼成のため内部は 1450℃に達し，表面の鋼製シェルを保護するため，内側は耐火物のレンガが施工されている．レンガはわずかに台形の断面をしておりシェルの内径に沿って積まれ，
基本的にはレンガ同士の一様な圧縮力によりその配列が保たれている(Fig.1)が，温度や過大なシェル
変形，キルン中心軸のずれにより，レンガの溶融，損耗，剥離，圧壊や，配列が崩れる斜行(Fig.2)などのレンガ故障 1)2)が生じる．レンガ故障を防ぐため，
キルンの定期点検項目 3)としてシェルの変形や，厚さ，剛性，レンガ損耗状況を定期的に把握しており，
特にシェルは機械的応力を極力小さくするように管理されている．
セメント工場の稼働年数は古いもので 90 年を超えており，老朽化による設備故障やそれに伴う修繕回数が増加している．また，今後のマンパワー不足に備えて，点検技術の省力化・効率化が求められている．従来の点検は主に手作業で行われているが，Fig.1 Schematic cross section diagram of kilns(キルン構造の模式図)

Fig.2 Bricks out of alignment(斜行したレンガ)36
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例えば，先進機器を導入して耐火レンガやシェルのありのままの形状を把握し，適切なタイミングで修繕や設備更新を行うことで，レンガ故障のない安定運転を実現できる可能性がある．著者らはこれまでに，セメント製造の主要設備であるキルンを対象に，内部の全ての耐火レンガの残厚を効率的に精度よく取得する方法 4）を確立した．本稿では点検技術の高度化を目指し，3D レーザースキャナを用いてシェル形状を効率的に精度よく取得する方法を検討した．

２．3D レーザースキャナによるキルン計測
2.1 キルン概要
計測は全国の工場の３基のキルンで実施し，ここでは１号，２号，３号キルンと呼称する．１号キルンは直径 5.5m，全長 100m の大径キルンである．２号キルンは直径 3.75m，全長 76m の小径キルンであり， 31～34m（キルン口元端から長手方向、以降同様）の範囲で直径が 3.75 から 3.45m に徐々に小さくなる．3 号キルンは 1 号キルンと同様に大径キルンに分類され，直径 5.25m，全長 80m であり，32～
36m で直径が 4.75m に徐々に小さくなる．また，３号キルンではシェル厚が規定値以下となるなどの，
健康度の低いシェルを交換する切替が 37～42m に実施された．
キルンの運転を停止する大規模な点検・修繕は半
年に一回の頻度で行われており，このタイミングで
キルン内部のレンガを更新する．古いレンガを解体し，シェル表面が露出した範囲を対象にキルン内部から計測を実施した．１号キルンと２号キルンは初回計測時に停止した位置を基準とし，基準から 90°，180°回転させた状態の計３パターンの位置(以下，
停止角度)で計測を実施した．なお，１号キルンでは2021 年に０°，2022 年に 180°，2023 年に 90°の停止角度の計測を実施し，２号キルンは１日のうちに 90°毎に停止角度を変え，３回計測した．３号キルンは切替工事の前後の２回計測し，停止角度は２回とも同じであった．
2.2 計測機概要
新たなキルン形状計測手法として，地形測量に用いられ，近年ではインフラ調査などで活用 5)6)されている 3D レーザースキャナ（以下，3DLS）に着目した．
3DLS は測定対象物にレーザーを照射し，その距離と照射角度から対象物の座標値を算出する．また，Fig.3 に示すようにレーザー発出部が垂直方向に

Fig.3 3D Laser Scanner(3D レーザースキャナ)
360°回転し，本体全体が水平方向に 180°回転する
ことで全周囲における３次元空間の点群座標を取得できる．本検討では FARO 製の FocusS-Plus150 を用いた．計測時の点間距離は 10m 先にレーザーを垂直に照射した場合 6.3mm の設定とした．この設定では全周囲を計測するのに約４分要する．
2.3 計測方法
3DLS はレーザーを放射状に照射するため，計測対
象が計測機器から離れるほど得られる点群の間隔が大きくなる事や，照射角度が小さいとキルン内部の凹凸により死角が増える等の問題が生じる．これらを防ぐため，キルン内部の計測は 3DLS を長手方向に20m ずつ移動させて複数回計測を行い，各計測で得られたデータを繋ぎ合わせた．各計測では Fig.4 に示す直径約 14cm の樹脂製基準球(以下，リファレンスボール)を複数個ランダムに配置して計測データに含めることで，任意の３個のリファレンスボールで構成される三角形を計測データの合成目印とした．
リファレンスボールは計 10 個使用し，上手と下手の計測範囲に５個ずつ配置する．リファレンスボー
ルの移動と設置の作業時間は５分程要，計測時間を合わせると 10 分弱必要となり，全長 100m のキルン
は約１時間程度で計測できた．円滑に作業するには３名以上いると良い．

Fig.4 Reference ball
(リファレンスボール)37
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なお，計測間隔について本計測では 20m を採用したが，シェル表面が露出したキルン内部において30m 間隔で計測しても問題ない事を別途確認している．より計測間隔を大きくする際は，リファレンス
ボールに照射されるレーザー点数が少なくなるため，
点群密度の設定を大きくする必要があるが，計測時間が極端に長くなる．定期修繕中の限られた時間で作業する場合，キルン内部の計測間隔は 30m までが適当である．
2.4 点群処理
得られた点群データは格子状に整列していないランダム点群であり，計測時の機器を中心とした座標系で構成される．複数の点群データの合成や新たな座標の設定には，3D 計測データ処理ソフトウェア
Galaxy-Eye modeler を使用した．リファレンスボー
ルの位置関係から自動的に全点群データを合成して，これに最小二乗法で円筒を近似した．Fig.5 に示す
ように，近似円筒の中心軸をキルンの中心軸と仮定
し，これを Z 軸とする円筒座標系(中心軸から点群までの半径方向距離を R，中心角θはキルンの頭上
方向を０°とする)を点群の座標系に設定した．全点群について，中心角１°，Z 軸５cm の範囲毎に R の
平均値 r を算出した．なお，中心角１°は，１号キ
ルンにおける周方向約５cm に相当する．この平均化によって，計測器からの距離により点密度が異なる
ランダム点群は格子状に均一となり，シェル表面の点群データについて中心角を行，軸方向長さを列とする行列で表すことが可能となる．以降，平均化した点群を用いてキルン形状を表す．

３．計 測 結 果
点群処理を実施した１号キルンの停止角度 180°における計測結果の一例を Fig.6 に示す．Fig.6 では r の値を用いたカラーマッピングで形状を表しており，垂直方向は青，水平方向は赤で表され，水平方向は垂直方向より r が５cm 程度大きい．キルンは真円のように見えるが，実際には形状特性として，軸に直交する断面は楕円状に変形していることが確認された．Fig.7 にキルン 13.5～15m の断面を示す．
この図は r のレンジをキルン表面付近に合わせることで変形を顕著に表した図であり，断面垂直方向が潰れる楕円変形の他に，向かって右下と左上方向に
局所的に内側へ隆起するような変形を確認できる．
キルン口元から 15m 付近で，レンガ故障が発生し，これに伴いシェルの受熱温度が高くなり変形が生じたと考えられる．従来，このような変形が生じた際

Fig.6 Deformation of kiln No.1
(1 号キルン形状)
ｒ(m)
2.77
2.76
2.75
2.74
2.73
2.72
2.71
2.70

local deformation

Distance from discharge end (m)13.5

Fig.5 Coordinate axis setting(座標設定)

14.0

14.5

15.0

Fig.7 Locally deformed steel shell surface
in kiln No.1
(1 号キルン局所変形)

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は変形を囲うように健全な箇所に２点基準をとり，基準点から同一高さに水糸を張って，水糸からシェ
ル表面までの距離を測る事で変形程度を把握している．Fig.8 にキルン 13～15m の円周右下 1/4 範囲における 3DLS 計測から求めた 3D 散布図と同箇所を水糸で計測した結果を示す．図上 a～d の４ラインについて，従来の水糸の計測結果と，3DLS による計測結果を比較すると，両者の局所変形の大きさがおおむね一致している事が確認できた．水糸はライン上の計測に限られるのに対し，3DLS は面的に形状を取得でき，シェル局所変形の程度を詳細に確認できる．
これまで確認の難しかった支点間を含む全体形状・
局 所 変形 デー タ を短 時間 で 精緻 に得 ら れる 点が3DLS を用いるメリットと言える．

状は把握できていないことから，まずは各キルンの基本的な形状特性を確認することとした．複数のキルン形状を把握するにあたり，統一した形状評価手法が必要である．ここではキルン中心軸に直交する断面形状を評価する．
Fig.6 で確認された通り，自重により軸に直交する断面形状は楕円に近い形状である 2)．そこで，各断面に最小二乗法でフィッティングさせた近似楕円を，自重の影響を受けた健全なキルンの断面形状と仮定し，式１に示される近似楕円のオーバリティ率から形状を評価する．

４．シェル形状評価

式１ オーバリティ率：ωr = (a-b)/d×100(%)
a：近似楕円の長軸半径b：近似楕円の短軸半径
d：胴体半径(設計値)

キルン形状において Fig.6,7 で示された通り，全体の変形と局所変形が混在していることや，レンガ
故障を引き起こす変形程度が不明であることから，
3DLS を用いた本手法を点検に活用するためには複数キルンのデータ蓄積が必要である．現状，キルン
形状について，全国のキルンの形状個体差が不明であること，従来の管理方法では支点付近の変形程度
や回転芯を計測するにとどまり，支点間の詳細な形

さらに，近似楕円からの誤差情報を可視化する方法のイメージを Fig.9 に示す．断面を構成する計測データの各点について，中心軸からの距離 r が近似
楕円の半径より小さい場合（シェル表面が内側）を
赤，一致する場合を黄色，大きい場合（シェル表面が外側）を緑とし，キルン 3D コンタにカラーマッピ
ングした．キルン内部からの視点で，赤は凸，緑は凹の変形が表せる．

Fig.8 Comparison of deformations measured by 3DLS and leveling string at the erosion site
(溶損箇所における 3DLS と水糸計測で取得した変形量の比較)

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ないことが確認された．オーバリティ率は１以下と，大径の１号キルンより小さい値であったが，変形し易さを比較するには別の停止角度の計測が望まれる．
切替を実施した 37～42m では切替前と比較して切替
後のオーバリティ率が低下し，変形が改善されたように見えるが，計測事例が少なく，オーバリティ率
0.2 程度の低減が変形の改善を表すのか，誤差なのかは不明である．
キルン各断面の近似楕円のオーバリティ率からキルン各断面の変形程度と，停止角度の変化に伴い生じる変形量を把握することができた．特に大径の１号キルンでは支点間中央付近で停止角度の変化に伴うオーバリティ率の変動幅が大きい傾向があることが確認された．今後，さらにデータ蓄積をして，オーバリティ率の基準値を設定することで，シェル切替範囲を合理的に決めることができる可能性がある．
Fig.9 Evaluation method of local deformation(局所変形判定方法)

５．形 状 特 性
5.1 オーバリティ率
１～３号キルンの各断面に近似した楕円のオーバ
リティ率をそれぞれ Fig.10～12 に示す．図中の二重線の縦軸はキルン長手方向における支点位置を表す．Fig.10 の１号キルンにおいて，オーバリティ率は支点付近で小さく，楕円変形が小さい事がわかる．
支点部はシェル厚が大きいため変形が抑制されていると考えられる．また，支点間では停止角度０°，180°のオーバリティ率は大きく，おおむね一致している．一方，停止角度 90°のオーバリティ率は小さ
い．特に支点間中央付近はオーバリティ率の変動幅が大きく，特に負荷がかかると考えられる．Fig.11の２号キルンにおいて，停止角度０°と 180°のオーバリティ率は同じ傾向であり，停止角度 90°は異なるオーバリティ率であった．これにより１号キルンと同様に停止角度により変形しやすさが異なり，変動幅を有することが示された．１号キルンの最大
オーバリティ率は 1.4 程度であるが２号キルンのオーバリティ率は１以下であり，小径かつ支点間距離が小さいため剛性が大きく変形しにくいことが示唆される．Fig.12 の３号キルンにおいて，切替前後でオーバリティ率の分布はおおむね一致しており，同一停止角度であればオーバリティ率に大きな違いは

5.2 局所変形
局所変形の分布は断面形状と近似楕円の誤差情報から求めた．Fig.13 は上から停止角度０°(21 年計測)，180°(22 年計測)，90°(23 年計測)の１号キルンの計測データから得られる局所変形の分布を表し，
キルン 3D コンタの向きは 21 年計測時の停止角度0°に統一した．15m 付近に着目すると，停止角度180°，90°では，停止角度０°には見られない局所的な赤い特徴がキルン下方に確認できる．これはFig.7 に示すレンガ故障後のシェル塑性変形を捉えたものである．Fig.14 の２号キルンは停止角度０°，90°，180°の計測データから得られる局所変形の分布を表し，１号キルンと同様に図の向きを停止角度0°に統一した．停止角度３パターンの局所変形位置を比較すると，キルン５，15m 付近にはキルン側面の緑と下方の赤い特徴が見られ，局所変形が確認できる．Fig.15 の３号キルンは切替前後の同じ停止角度で計測された．局所変形分布はほぼ同じであるが，切替部分を Fig.16 に拡大して示す．切替前では 39ｍの周方向に変形が確認された．支点位置と一致しており，局所的な負荷が生じていたと考えられる．
切替後は局所変形が解消しており，シェルの切替により健康度が回復した．キルン軸方向に赤線で示される変形は，切替前１カ所と切替後３箇所で確認され，線状であることと，35ｍ側と 45m 側で 90°ずれていることからシェル接合で生じる溶接線と考える．
各キルンにおいて停止角度に関わらず，同一箇所に表れる赤や緑の特徴は永久変形とみなすことができる．複数の停止角度による計測で，永久変形と一40
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時的な変形を検知できる可能性がある．従来の水糸計測は故障発生時のみ該当箇所で実施され，故障部以外の局所変形の有無は不明である．当手法はキルン全面に対して局所変形の有無とその位置を検知でき，詳細点検の要否判断のスクリーニングに使える可能性がある．

Fig.10 Ovality by position of kiln No. 1(1 号キルンオーバリティ率分布)

Fig.11 Ovality by position of kiln No. 2(2 号キルンオーバリティ率分布)

Fig.12 Ovality by position of kiln No. 3(3 号キルンオーバリティ率分布)

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Fig.13 3D contour diagram of Local deformationin kiln No.1
(1 号キルンの局所変形)

Fig.15 3D contour diagram of Local deformationin kiln No.3
(3 号キルンの局所変形分布)

Fig.14 3D contour diagram of Local deformationin kiln No.2
(2 号キルンの局所変形分布)

Fig.16 3D contour diagram of Local deformationfrom 37 to 42m in kiln No.3
(3 号キルン 37-42m の局所変形分布)42
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６．お わ り に
本稿ではキルン点検技術の高度化を目指し，3DLSを活用したキルン形状の評価方法について検討した事例を報告した．楕円近似を用いた形状評価により，キルン径に応じたキルン固有の形状特性を把握でき，全体形状を示すオーバリティ率分布や局所変形分布が取得可能となった．これまで不明だった支点間を含むキルンの全体形状や局所変形を精緻に得られ，合理的なシェル切替範囲の決定や変形箇所の詳細点
検スクリーニングなどへの活用が期待できる．キルン設備の修繕や更新を適切なタイミングで行いながらキルン安全運転ができるよう，故障時の計測に加えて定期的にデータを蓄積し，キルン健康度の評価に使える管理指針の設定に繋げたい．

参 考 文 献1) 戸田 雅,大野 誠,尾関文仁 ほか. セメントロ
ータリーキルンのオーバリティが内張り耐火物の損耗に与える影響. 耐火物.
2017,69(10),p.502-506.
2) 戸田 雅. ロータリーキルンの耐火物のトラブ
ルとその要因について. 紙パ技協誌.
2019,73(8),p.770-773.
3) 望月禎仁. ロータリーキルンの設備診断. 紙パ
技協誌. 2017,71 (11),p.1297-1300.
4) 関根麻里子,星 健太,森 寛晃. 3D レーザース
キャナを用いたロータリーキルン点検技術. セ
メント技術大会講演要旨. 2023,77,e2102.
5) 中村隆寛,妹尾悠貴,石田航星ほか. 3 次元レー
ザースキャナを用いた建築物の計測手法に関する研究 その 1：利用目的ごとの計測手順の整理.
日本建築学会大会学術講演梗概集・建築デザイ
ン発表梗概集(CD-ROM). 2020,e1452.
6) 山下淳子,木村沙智,川村日成. 3 次元点群デー
タを活用したインフラ構造物の維持管理. 精密工学会誌. 2019,85(3),p.228-231.