专利名称：熔融金属的测温装置和测温方法
技术领域：
本发明涉及熔融金属的测温装置和测温方法，其是在收容熔融金属的容器的壁上，设置贯穿该壁的管嘴，把面对着该管嘴前端的熔融金属的热辐射光，通过图像光纤(image fiber)导出，从导出的热辐射光中，连续地测量熔融金属的温度。
背景技术：
在转炉、AOD炉等的精炼熔融金属的炉中，熔融金属的温度被精度良好地连续测量，如把它作为操作信息，对于提高精炼效率、改善质量及提高操作上的成品率、诸单位消费资源的消减等，是极为有用的。连续地掌握熔融金属温度，将其控制为对每个钢种设定的温度推移图形，对于有效地进行精炼是很重要的。为此，对于测量精炼炉熔融金属温度的方法，在过去曾做过各种试验和改进。最初，是将精炼炉倾动，用带保护管的消耗型热电耦的计测探头，操作员通过手工作业来测量熔融金属温度。但是，由于将炉倾动，存在着妨碍操作上的安全性、以及测量时间延长引起的生产效率的问题。为此，开发出了能提高作业性、生产效率的辅助吹氧管。该方法是在水冷吹氧管的前端，自动安装带保护管消耗型热电耦的计测探头，用遥控可自动进行温度测量作业。
但是，这些采用计测探头的方法，虽然能进行精度良好的测温，但是由于是间歇的测温，所以，不能连续地测量精炼中的熔融金属温度，不能极为精细地实现精炼控制。另外，由于温度测量用的计测探头是消耗品，所以成本也高。
与此相对，为了能连续地对熔融金属进行测温，过去作了各种试验。例如在日本特开昭61-91529号公报、日本特开昭62-52423号公报、日本特开平8-15040号公报中，揭示了一种装置，该装置，一边把非活性气体压入贯穿熔融金属容器壁的管嘴中来防止熔融金属侵入到管嘴内，一边把面对着管嘴前端的熔融金属的热辐射光，通过光纤导入到辐射温度计等。另外，在US6,172,367(日本特开2000-502183号公报)中，也揭示了光纤方式的熔融金属测温。该方法虽然能够连续测温，但是，当光纤的视野中心偏离了管嘴中心时，或者光轴相对于管嘴中心轴倾斜时，或者在测量中由于精炼气体的原因，造成管嘴前端附近的熔融金属凝固，其阻塞了光纤视野的一部分时，光纤受光的辐射能减少，所以，观察到的温度偏低。这时，从辐射温度计的输出中，由于不能判断出是视野被阻塞还是实际温度降低，所以，存在着测量值可靠性的问题。这些问题是由于使用了光纤、成为所谓的点计测而引起的。另外，在日本特开平8-15040号公报中，为了不产生光轴的偏离，把光纤朝着熔融金属送出，使光纤的前端接触熔融金属，但是，由于光纤的消耗，存在着成本高的问题。
另外，本申请人在特开平11-142246号公报中，提出了一种装置，该装置中，是把熔融金属发出的热辐射光，通过图像光纤取入到摄像装置(例如CCD像机)中，从摄像画面上的最高亮度值，测量熔融金属的温度。该发明中使用的图像光纤方式，由于能够进行图像计测，所以，大大改善了上述的问题。图像光纤，是例如把15000根以上的光纤(芯线(素線))细密地结合，形成为直径约4mm左右的光纤束。在其前端，安装着焦距接近无限大的聚光镜头，其前方的像被投影到图像光纤的受光端。投影的像(光像)原样地传递到图像光纤的出光端。即，图像光纤具有光像传递功能。把看见前方的像从其受光端传递到出光端。摄像装置对出光端的光像进行摄影，产生图像信号，这样，可进行图像计测，以及根据该图像计测，进行图像解析。这样，可以识别在光纤中，在未形成的风口前端的凝固金属造成的视野狭窄，可进行正确的温度测量。另外，即使光轴有一些偏离，造成视野内的光像移动，相对于此也能通过图像处理，正确地测量温度。本装置也具有可连续测量熔融金属温度的优点。由于用图像光纤进行2维的观察，用图像处理自动地抽出熔融金属，所以，即使产生一些光轴偏离，也没有问题。
但是，采用上述图像光纤的装置中，即使一时地确保了光轴的一致，由于在转炉、AOD炉等的更换作业时，必须装卸光纤，所以，有时光轴产生大的偏离。另外，特别是高价的图像光纤因过热而容易热损伤，并且，在装卸时容易折损。另外，把管嘴和图像光纤分隔开的耐压窗玻璃的清扫、管嘴前端的熔损量的测量等，是在高温下的作业中进行的，所以，要求能容易且迅速地进行。为此，本申请人提出了特开2001-83013号公报的申请。
在特开2001-83013号公报中，把从熔融金属导入热辐射光的风口部、精炼气体(パ一ジガス)导入部、耐压窗玻璃保持部、图像光纤对中心部(芯出部)、图像光纤保护管等各部，可装卸地连结，用可相互嵌入并密接的凸状及凹状部，构成图像光纤对中心部，使对中心简易化。但是，该对中心部的构造中，由凸状和凹状部构成的各部，由于嵌入并密接，所以，不容易调节光轴的偏离。另外，与管嘴的连接是采用法兰构造，所以装卸所需时间长，不容易实现高温环境下的迅速作业。另外，该方式中，相对于管嘴是单管的情况，当管嘴是双重管嘴时，必须要有2个管嘴气体导入部，所以，从图像光纤前端到热辐射光入口即管嘴前端的距离增大，光轴的调节更加不容易进行。
在日本特开昭60-129628号公报和特开昭61-17919号公报中，揭示了连续测量熔融金属温度的方法。该方法是，测温管嘴贯穿转炉或铁水包的耐火物，在该测温管嘴的后端，设置辐射温度计，一边从测温用管嘴朝着熔融金属喷出气体，一边从面对着管嘴前端的熔融金属的热辐射光中，测量熔融金属温度。但是该方法中，从管嘴喷出的气体，常常使得管嘴前端附近的耐火物和熔融金属界面冷却，所以，在管嘴前端附近，生成称为“泡罩(mushroom)”的凝固钢(以下称为凝固金属)，该凝固金属的增多使得管嘴阻塞频繁发生。结果，辐射温度计观测到的是温度低于熔融金属的凝固金属，这样，测量值有较大的误差。
为了除去凝固金属，曾考虑过把氧气混合到吹入气体中，利用氧化反应热，使凝固金属熔解的方法。但是，该方法中，由于熔融金属温度的上升，管嘴被急剧地熔损，从而不能进行测温。另一方面，为了抑制凝固金属的增多，曾考虑过通过减少非活性气体的流量，极力抑制熔融金属界面的冷却的方法。但是，该方法中，当流量不足时，熔融金属进入管嘴内部，不仅受光器材被破坏，而且引起熔融金属流出到外部的重大事故。
为了防止凝固金属的附着，在日本特开平11-281485号公报中揭示了一种方法，该方法是，把测温用管嘴的内径定为3～5mm，把从测温用管嘴朝着熔融金属喷出的非活性气体的流量，控制在使得管嘴前端的凝固金属不继续增多、并且熔融金属不进入管嘴的范围。
但是，该方法中，管嘴内径非常小，只有3～5mm，而且，管嘴所贯穿的耐火物的厚度约有1m左右，所以，当耐火物热变形时，管嘴上产生弯曲，这时，不能充分确保可观察的视野。另外，在精炼炉中，由于氧气的吹入而发热，以及由于冷却材等的添加而产生的去热的不平衡，这样，使熔融金属的温度变化加大，不能完全防止凝固金属引起的阻塞管嘴前端。
本发明者经过更为详细的调查，发现在实施本方式的熔融金属连续测温中，随着时间的经过，管嘴所贯穿的耐火砖，由于高温引起热膨涨，其位置会产生稍微的移动。因此，管嘴本身也弯曲，从而产生视野变狭窄的现象。为了解决这一现象，必须把图像光纤前端的受光部，与管嘴的弯曲方向对应地稍稍移动，以使得光轴一致。这样的使图像光纤前端受光部的微调节，在已往的技术中是不可能的，必须要有新的对策。
收容熔融金属的容器的壁，由于受到来自熔融金属的热传导，是处于高温状态。因此，管嘴和图像光纤连接装置，也受到热传导和辐射热两方面的影响而成为高温状态。另外，进行炉倾动的该装置，当炉上部的防护罩内面曝露时，受到附着在防护罩内面的赤热金属结渣的热辐射。为了保护图像光纤和摄像装置不受这些热影响，要采取冷却方式及其控制。
来自熔融金属的热辐射光，照射到测温用管嘴内面，或从该管嘴一直照射到图像光纤的连接部的内面，所以，在来自熔融金属的直接光的周边，存在着内面反射光，测温装置有时不能正确地测量温度。为了解决这一问题，即使采取使测温用管嘴的中心轴与图像光纤的光轴一致的对策，也不能得到充分的效果。
为了防止熔融金属侵入而将非活性气体压入测温用管嘴内，所以，该管嘴前端附近的熔融金属凝固，遮住了来自熔融金属的热辐射光时，图像光纤的视野变狭窄或者阻塞。
对于测温用管嘴的闭塞，在日本特开昭60-231141号公报、CAMP-ISIJ Vol.2(1989)-P.216中，提出了一种把非性气体切换为氧气，将管嘴前端部的金属结渣溶解的方法。但是，该方法如果实施过度，则管嘴的溶损显著增大，另外，如果不达到使用时间，则即使流出氧气，凝固金属也不溶流。该提案中，未明确实施方法，不能有效地利用氧气使金属结渣溶流。
另外，日本特开昭60-129628号公报中，揭示了一种测温方法，该方法是把适量的氧气，混合到从测温管嘴吹入的非活性气体中。但是，根据吹入气体中的氧气的混合度，吹入气体与熔融金属的界面温度变化很大。另外，不容易进行气体混合比例的微调节，所以，不容易进行高精度的熔融金属温度测量。
在日本特开平11-326061号公报中，揭示了一种方法，该方法是，测温用管嘴不是专用的，通常还作为吹炼用管嘴，将混合了氮气的氧气流入，抑制管嘴的凝固金属的增多，在温度测量时，将氮气流入管嘴，在测温结束后，返回到吹炼用管嘴。该方法是在某个点测量温度的所谓间歇测温，不能达到连续测量熔融金属温度的目的。
因此，上述多个问题未得到解决，迫切要求及早解决这些问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的是提供能连续地测量熔融金属的测温装置和测温方法。本发明的要旨如下。
(1)、本发明的熔融金属测温装置，设有贯穿收容熔融金属的容器壁的管嘴，把面对着该管嘴前端的熔融金属的热辐射光，通过图像光纤(图像传送光纤)导出，从导出的热辐射光来测量熔融金属的温度，其特征在于，该管嘴是双重管构造，在将精炼气体通入内管的同时，观察熔融金属的热辐射光，并且，将防止管嘴溶损用的保护冷却气体通入外管；管嘴和图像光纤安装部的构造是，由管嘴部、清洗、冷却气体导入部、带窗口玻璃的图像光纤安装部、以及图像光纤保护管的四个可连接的部分构成；在清洗、冷却气体导入部，设置一个部位以上的接合部分，具有可进行使熔融金属的热辐射光与图像光纤相连通用的光轴对中心的构造；在图像光纤后端，连接着CCD摄像机等的摄像装置，该摄像装置用于测量热辐射亮度的2维分布；摄像装置收容在具有冷却构造的密闭盒内，被设置在收容熔融金属的容器的外壁附近。
(2)、在(1)记载的装置中，其特征在于，还备有把CCD摄像机产生的图像信号变换为数字信号的AD变换装置、计算机、管嘴气体控制装置、像机控制装置；电脑具有根据图像上的高亮度区域(熔融金属像)的亮度来计算熔融金属的温度的功能；并且，电脑从图像判断管嘴前端部的开孔状态，对管嘴气体控制装置发送指示气体种类或气体流量的信号。
(3)、在(2)记载的装置中，其特征在于，从输入到电脑的图像上的高亮度区域(熔融金属像)的亮度，计算熔融金属的温度时，从预先指定的区域内，抽出高亮度区域(熔融金属像)，从其亮度值推定熔融金属的温度。
(4)、在(1)记载的装置中，其特征在于，用热电耦等来测量密闭盒内的摄像装置本体或周围环境温度，控制送入密闭盒内的冷却气体或冷却水的流量、压力，以使上述温度保持在摄像装置的容许上限温度以下。
(5)、在(1)记载的装置中，其特征在于，作为内插保护有图像光纤缆的内管挠性软管、和内装保护有内管挠性软管的图像光纤保护管的三重构造，把冷却、精炼气体通入内管挠性软管和图像光纤保护管、并将它们放出到外部时，利用该气体，可从外部把相当于图像光纤前端镜头部分的部位冷却。
(6)、在(1)记载的装置中，其特征在于，在管嘴和图像光纤安装部的构造中，把清洗、冷却气体导入部、或/和带窗口玻璃的图像光纤安装部，做成为水冷构造。
(7)、在(5)或(6)记载的装置中，其特征在于，用热电耦等测量图像光纤芯线或其周围环境温度，控制清洗、冷却气体或/和冷却水的流量或/和压力，以使上述温度保持在图像光纤和镜头的容许上限温度以下。
(8)、在(2)记载的装置中，其特征在于，当图像上的热辐射光造成的高亮度区域(熔融金属像)的面积减少，从亮度值换算的熔融金属的温度精度恶化时，从上述管嘴吹入含高浓度氧的气体，把管嘴前端部生成的结渣(凝固金属)熔融。
(9)、本发明的熔融金属的测温方法，其特征在于，在除去浸渍在精炼炉内的熔融金属中的、双重管构造的管嘴前端附着的结渣的方法中，把工作中的精炼炉成为空炉状态，把碳化氢类气体、液体燃料、或可燃性气体，单独地或2种以上混合地流入双重管构造的管嘴的外管和内管的空隙流路中，把含氧气体流入该管嘴的内管，该含氧气体，是把氧气调节至可燃烧的浓度范围内的气体，由此工作中的精炼炉在空炉的状态下，把附着在管嘴前端的结渣溶流、除去后，将熔融金属投入到精炼炉内、对该熔融金属测温时，把防止熔融金属侵入用的非活性气体，压入浸渍在精炼炉的熔融金属内的上述管嘴的同时，把面对着该管嘴前端部的熔融金属的热辐射光介由图像光纤取入到摄像装置，把摄像装置输出的图像信号变换为数字图像数据，根据该数字图像数据，进行运算处理，测量摄影画面上的熔融金属的温度。
图1是用于实施本发明的熔融金属测温装置的概念图。
图2是图1所示熔融金属测温装置的管嘴连接装置部的局部放大图。
图3(a)是图2所示管嘴连接装置部的光轴调节部的详图，图3(b)是表示(a)中A-A断面部分的图。
图4是表示图像光纤保护管构造的图。
图5是表示图像光纤前端用具的水冷构造的图。
图6是本发明熔融金属测温装置的系统构造图。
图7是图6所示CCD像机的摄影画面，是表示随着管嘴前端凝固金属的增多、熔融金属面减小的图。图7(a)表示在管嘴前端几乎没有凝固金属的状态。图7(b)表示在管嘴前端虽然附着了凝固金属，但仍可以测温的状态。图7(c)表示管嘴前端的凝固金属增多，成为不能测温的状态。
图8是图6所示CCD像机的摄影画面，是表示在管嘴内面，呈现熔融金属面反射光的图。图8(a)表示在管嘴内面，呈现了熔融金属面反射光的状态。图8(b)表示进行测温区域的指定、除去熔融金属面的反射光，进行测温的状态。
具体实施例方式
下面，参照
本发明的实施例。图1表示实施例的整体设备概念图。图2表示管嘴连接装置部的局部放大图。图3表示光轴调节部的详图。
图1中，在熔融金属1的容器、即精炼炉2的侧壁下部，设有连续测温用管嘴9，该连续测温用管嘴9，通过连接装置部3与图像光纤保护管4连接。从与熔融金属1相接的管嘴前端入射的热辐射光，从连接装置内的图像光纤前端部的受光部，经过图像光纤保护管4，由摄像装置即CCD像机收容盒5内的CCD像机(カメラ)27摄像，作为图像而被信号化，经过像机电缆7、21，送到图像处理装置。另一方面，像机和图像光纤的清洗、冷却用气体，从气体配管22、在气体混合容器8被导入像机电缆7，将CCD像机收容盒5内冷却，同时，经过图像光纤保护管4将连接装置部3冷却。
气体混合容器8，设置在固定平台上，而CCD像机收容盒5，安装在可动的精炼炉的侧壁台上。该CCD摄像机收容盒5，又被内藏在钢制的CCD像机盒保护箱6内，以避免受到粉尘、飞散下的凝固金属、结渣等的影响。其表面由绝热板覆盖着，与周围环境温度及炉壁、保护罩、附着凝固金属、结渣等的热传导及辐射热隔绝。CCD摄像机收容盒5的上面，是可拆卸式的盖，其侧面和下面共计5个面，可被冷却水冷却。CCD摄像机如果受到超过其机器特性以上的耐热温度时，其性能得不到保证，所以，必须保持在其耐热温度以下。另外，CCD摄像机收容盒5，由于周围环境温度高，来自炉体的热传导大，所以，必须对盒表面积的50％以上进行水冷。本实施例中，为了更加降低照相机温度，如前所述，对侧面和下面共计5个面进行水冷。
图2和图3的(a)(b)中，设置了连接用具(治具)，该连接用具的作用是，能使从测温管嘴9的、与熔融金属相接的前端部位入射的热辐射光，尽量多地通到图像光纤4，另外，也能迅速且容易地调节由于种种原因引起的相对于热辐射光光轴的偏离。
连续测温用管嘴9，贯穿精炼炉保护耐火物10、精炼炉铁皮11和管嘴法兰部23，先与管嘴外管气体供给配管12相连接。该外管用配管12，借助联轴器24可容易地装卸。另外，连续测温用管嘴，通过调节用法兰13与图像光纤连接装置连接。调节用法兰13虽然用螺栓紧固，但是在螺栓紧固前，可朝着管嘴的轴直角方向活动，做成为可调节图像光纤连接装置的位置的构造。通常，为了迅速且容易地装卸图像光纤连接装置，在连续测温用管嘴与图像光纤连接装置之间，采用联轴器19。即，在实际操作时，由于连续测温用管嘴残存长度尺寸的测量频度较高，所以，通过把该联轴器卸下进行测量，可大幅度缩短装卸时间。
在联轴器19的靠图像光纤一侧，连接着连接用块26，该连接用块26与图像光纤前端用具20连接着。此外，该连接用块26，借助可迅速装卸的联轴器25，与管嘴内管气体供给配管14相连接，在炉体更换等时，借助该联轴器25可迅速且容易地装卸。该连接用块26是长方体形状，由蝶形螺钉(蝶ネジ)构造的光轴调节装置16支承固定着。该蝶形螺钉构造的光轴调节装置16，可调节与热辐射光的光轴成直角方向的位置。另外，该光轴调节装置16，通过光轴调节装置支承部17被固定在精炼炉铁皮11上。联轴器19的靠图像光纤一侧的连接装置类，由于是在高温环境下装卸，所以，在考虑作业负荷的基础上，要尽量减轻其本身的重量。
使连续测温用管嘴9的光轴与图像光纤前端用具20的光轴一致的光轴调节作业，是按照下述顺序进行的。在管嘴残存长度尺寸测量等的作业结束后，把图2所示的全部配管、用具(治具)类重新连接起来。先将调节法兰13的连接螺栓拧松，用该光轴调节装置16，将连接用块26相对于光轴朝着轴的直角方向微调节，这样，使光轴一致，最后，将拧松的调节法兰13的连接螺栓拧紧。该调节法兰13，也可以用球窝接头那样的连接用具代替，该球窝接头能调节固定侧连续测温用管嘴和可动的图像光纤侧的位置。另外，光轴调节装置16，除了手动式的光轴调节蝶形螺钉构造外，也可以是遥控式的电动螺钉方式。为了在炉体附近进行光轴调节作业，连接上对热辐射光进行摄像的便携移动式电视监视器，一边观察画面上的图像画面，一边实施调节，这样可以使作业迅速化。
图像光纤由于其耐热性，图像光纤和镜头具有容许上限温度，若不在此温度以下，就有可能破损。因此，导入下述的冷却方式。
如图4所示，图像光纤缆30插在テフロン(注册商标)等的软质内管挠性软管29内，该内管挠性软管29又插在以不锈钢制的柔性管为代表的图像光纤保护管4内。在该图像光纤保护管4和内管挠性软管29的内部，通入清洗、冷却气体，由此将图像光纤缆冷却。为了提高冷却效果，最好在图像光纤保护管4的外侧，卷绕陶瓷纤维绝热材等的耐热带。
图像光纤的冷却用气体，穿过图像光纤保护管4内，从图像光纤安装部15放出到大气中。图3表示具体的气体放出构造。如图3所示，从图像光纤安装部15，通过冷却、精炼气体放出管28，直接吹到图像光纤前端用具20的外侧。这样，图像光纤前端受光部，也从外部被气体强制冷却。
另一方面，为了更加提高冷却能力，也可以设置冷却水配管，对图像光纤前端受光部进行水冷。其直接冷却构造是把图像光纤前端用具20做成为水冷套构造。但是，为了图像光纤的卸下、安装时的便利，最好采用图5所示的方法。即，在图像光纤前端用具20的外侧，卷绕水冷钢管31，将其与冷却水用柔性软管32相连接。
一边用热电耦对图像光纤前端用具20进行温度测量，一边控制冷却气体或冷却水等冷却媒体的流量，使上述温度达到目标温度。
图6是本发明系统的概略构造图。在熔融金属1的容器即精炼炉2的侧壁下部，设有贯穿壁的测温用管嘴9，在该测温用管嘴9的背面，连接着图像光纤4(30)。通过管嘴精炼气体配管33，把非活性气体(氩气、氮气、CO2气体等)压入该管嘴内。从与溶钢相接的该管嘴的前端开口部，把非活性气体朝着熔融金属1吹出，这样，可防止熔融金属侵入到管嘴内，吹出的非活性气体成为气泡在熔融金属中浮起。因此，从该管嘴朝着熔融金属吹出的非活性气体与熔融金属1的界面上的熔融金属所发出的热辐射光，进入图像光纤4(30)的受光端。
图像光纤4，例如可采用把15000根以上的光纤(芯线)细密结合而形成的直径约为4mm左右的光纤束，在其前端(受光端)，安装着焦距接近无限大的聚光镜头，其前方的像投影在图像光纤4(30)的受光端上。投影像原样地被传递到图像光纤4(30)的出光端。
摄像装置，例如可采用CCD摄像机27，该CCD摄像机27，对图像光纤4(30)出光端的图像进行摄像，输出模拟图像信号(表示亮度的视频信号)。CCD摄像机27的快门速度和读入(视频信号输出能级(レベル))，通过控制器38被控制。
接着，上述模拟图像信号(视频信号)被送到图像输入装置36。图像输入装置36，把视频信号变换为主扫描X方向640像素×副扫描Y方向480像素×256灰度等级的数字图像数据(表示亮度的数据)，并写入其内部的存储器，反复该动作，保持最新的数字图像数据。图像输入装置36，把保持着的数字图像数据转送给电脑37，电脑37把该数字图像数据写入内部存储器(下面称为图像存储器)。CCD摄像机以一秒钟20～30画面的反复次数，对图像光纤的光像进行摄影，把一次的数字图像数据称为一帧(一个画面)。
电脑37以每秒约5次的周期，对取入的数字图像数据进行如下所述的温度计测处理。将其结果显示在外部输出装置38即CRT显示器上。另外，输出装置38也包含着打印机和外部存储装置。
图7表示用数字图像数据表示的图像。在理想状态，如图7(a)所示，在摄像画面40的中央，有管嘴内面像41，在该像41的中心，有熔融金属像42。熔融金属像42是熔融金属的光像，在摄像画面内是最高的亮度，管嘴内面像41是低亮度。该管嘴内面像的外区域，是图像光纤4(30)的出光端面的外区域，是最低的亮度。另外，为了使图像亮度成为恰当的值，电脑37把电子快门切换信号送给照相机控制装置。
下面参照图7(a)的例子，简单说明用电脑37进行的温度计测处理方法。被取入电脑的各像素数据，是表示亮度的数据，为了抽出熔融金属像，把熔融金属像和管嘴内面像的各亮度2值化(2值化)进行识别。具体地说，设定用于2值化的“阈值a”，与该“阈值a”比较，亮度在“阈值a”以上的像素数据，作为熔融金属像42(“1”)，亮度不足“阈值a”的像素数据，作为管嘴内面像41(“0”)来识别。这里，在2值图像存储器中，周围被“0”包围的“1”，被变换为“0”；周围被“1”包围的“0”，被变换为“1”。“1”的全部区域实际上是熔融金属像42，“0”的全部区域实际上是管嘴内面像41。这里，用于2值化的“阈值a”，并无特别规定，可以适当设定，只要是从计测实绩来的能充分识别熔融金属像的值均可。
这样，从抽出的熔融金属像的亮度，换算为温度，可测量熔融金属的温度。熔融金属像的亮度，最好将熔融金属像内的像素平均化。从亮度到温度的换算，例如可根据在一个像素单位，由预先被脱机的黑体炉校正过的亮度-温度换算的光电变换特性来进行换算。
接着，生成2值图像存储器上“1”的X方向分布柱状图(在X各位置的Y方向分布的“1”的积算值)，同样地，生成Y方向分布柱状图。另外，求出上述X方向分布柱状图的X各位置的Y方向分布“1”的数的积算值Sh。把该Sh作为熔融金属像42的面积而求出。
进行这样的温度测量时，熔融金属像42如果是图7(a)所示的状态，即，在测温管嘴前端外周部，几乎没有凝固金属的状态时，熔融金属的热辐射光被充分地取入摄像装置，可稳定且精度良好地实施熔融金属的测温。
但是，在测温中，由于向管嘴内通入非活性气体(氩气等)，所以，在管嘴前端周边生成并增多凝固金属。这样，熔融金属的热辐射光的入射通路截面变狭窄。这样的例子如图7(b)、(c)所示。图7(b)中，表示管嘴前端的凝固金属还不太大，熔融金属像42还确保一定程度的大小，借助电脑的温度计测处理，能得到精度比较好的温度。图7(c)中，表示管嘴前端的凝固金属增多，熔融金属像42变得极小，所以，即使进行温度计测处理，也得不到足够精度好的温度的情况。
通过事先整理温度计测的推定温度和实际温度的误差数据、与熔融金属像42的面积Sh的相关关系，可定量地推定能得到优良精度的测温数据的、熔融金属像45的面积Sh的范围。
这样，预先设定不足推定温度的容许精度时的、熔融金属像42的面积Sh的“阈值b”，不足该“阈值b”时，实施以下的处理。这里所述的“阈值b”，是根据推定温度的容许精度而决定的值，另外，推定温度的容许精度，是根据目的而适当设定的。
不足上述“阈值b”时的处置是，在精炼中，例如为了除去管嘴前端的凝固金属，如前所述，从管嘴精炼气体的非活性气体切换为氧气。如图6所示，管嘴气体控制装置39，打开精炼气体控制阀，把非活性气体(例如Ar气体)通过管嘴内管气体配管33导入内管。另一方面，打开外管气体控制阀，把冷却气体(例如Ar气体)通过管嘴外管气体配管34导入外管。然后，打开氧气控制阀，在把氧气导入管嘴内管气体配管33的同时，关闭精炼气体控制阀，阻断精炼气体(例如Ar气体)。对于外管不必特别地进行气体种类的变更。这样，氧气代替精炼气体流入测温管嘴9的内管内，可以使该管嘴前端生成的凝固结渣溶流。经过了预定的溶流时间后，打开精炼气体控制阀，关闭氧气控制阀，切换为Ar，作为精炼气体，继续熔融金属的测温。这里所说的预定的结渣溶流时间，是指在该时间内，管嘴前端的凝固金属充分溶流出来，得到能测温的熔融金属像，并且，能防止溶流时间过多而造成不仅前端凝固金属溶流而且管嘴本身也溶流。该时间根据过去的实绩等适当设定。一边计测一边监视熔融金属像42的面积Sh，当Sh到达某“阈值b”以下时，进行氧气开孔，反复该操作，可持续地进行熔融金属的测温。
接着，来自熔融金属面的热辐射光，照射到测温用管嘴内面，并从该管嘴一直照射到图像光纤的连接部的内面，所以，测温装置的测量中也包含了反射光，这样就不能进行正确的温度测量。该状况如图8(a)所示，在摄影画面40上的管嘴内面像41内，在熔融金属像的两外侧或一外侧，可观察到管嘴内面反射光43的像。
对于该问题，可采用使测温用管嘴中心轴与图像光纤光轴尽量一致、使摄影画面上的高亮度区域的中心位置与测温位置一致等的对策，虽然能得到一定程度的效果，但是采用以下的方法，可更提高精度。
本发明中，如图8(b)所示，把熔融金属的热辐射光，通过图像光纤取入摄像装置而得到摄像画面，对于该摄像画面，用图像处理装置36和电脑37，预先设定除去了管嘴内面反射光43的测温指定区域44，可正确地进行测温。
在此，管嘴内面反射光的识别方法，是利用熔融金属像与管嘴内面反射光的亮度差。通常，由于管嘴内面反射光的亮度比熔融金属像低，所以，通过比较摄像画面上两者的像，就可以识别。
测温指定区域44的设定方法，并没有特别规定，可以任意地指定除去了管嘴内面反射光43的测温区域。
但是，作为例子也可以采用以下的方法。
先在上述2值图像存储器上生成“1”的X方向分布柱状图(X各位置的Y方向分布的“1”的数的积算值)，把其重心位置作为Wx。同样地，生成Y方向分布柱状图，把其重心位置作为Wy。接着，位置(Wx、Wy)视为熔融金属像42的中心位置，即，把(Wx、Wy)定义为测温指定区域44的中心位置，用电脑37指定应测温区域的中心点和某可选择范围内区域的边界点(在图7(b)中相当于圆的半径)，设定在图像处理装置36中。
另外，作为在操作上更为简便的方法是，操作者在熔融金属像的中心指定例如圆弧等的区域，由此来定义测温区域。本方法中，比前述的方法更增加了测温区域指定的频度，管理上更好。
这里，测温指定区域44的中心点和测温区域指定区域的边界点，之所以不能作为常数决定，是因为熔融金属像42不总是在管嘴内面像41的中心的原故。如前所述，当测温管嘴中心轴与图像光纤的光轴偏离，或者管嘴前端的凝固金属是偏置生成时，熔融金属像42有时接近管嘴内面像41。因此，测温指定区域44的中心点和测温区域指定区域的边界点，最好根据摄像画面上的熔融金属像的位置，用前述的指定方法适当地变更。
另外如上所述那样，根据采用设定测温指定区域的方法指定的、高亮度区域面积的变化，从管嘴的内侧，把氧气吹向面对着熔融金属的管嘴前端部，这样，可抑制反射光的影响、和附着在管嘴前端的凝固金属两方面的影响，可以用更高的精度测温。
如前所述，在精炼中，也可以把精炼气体切换为氧气，使管嘴前端的结渣溶流，但是，当内管侧生成有过多的结渣时，用该方法的溶流也是有限的。为此，提出另一种方法，该方法是，把精炉成为空炉状态，用燃烧使附着在管嘴前端的结渣溶流，将其除去。
具体地说，采用双重管构造的测温管嘴时，把碳化氢类气体、液体燃料或可燃性气体，单独地或2种以上混合地流入管嘴外管。把含氧气体流入该风口的内管，该含氧气体是把氧气调节在可燃烧浓度范围内的气体。
用图6说明该方法。管嘴气体控制装置39，使氧气一边被氧气控制阀控制流量、一边通过管嘴内管气体配管33流入内管，同时，使LPG一边被外管气体控制阀控制流量、一边通过管嘴外管气体配管34流入外管。
上述的燃烧产生后，附着的结渣量减少，可除去。可燃烧浓度范围的氧气浓度，没有特别规定，可根据实验或操作实绩等适当设定，但最好在50％容量以上，这样燃烧效果比较好。另外，与氧气混合的气体，是作为助燃剂使用，所以，最好采用非活性气体(N2、Ar等)。
吹入的碳化氢类气体，没有特别规定，但从燃烧性和成本方面考虑，最好采用LPG、LNG等，液体燃料也没有特别规定，但从燃烧性和成本方面考虑，最好选择灯油等。另外，可燃性气体也没有特别规定，但从燃烧性和成本方面考虑，最好采用含有CO的气体。这里所述的碳化氢类气体、液体燃料、可燃性气体等，可以单独流入，也可以与氮气、Ar、CO2等的非活性气体混合流入。
在空炉时，管嘴前端的结渣溶流时，例如突然地往内管内流入氧气，往外管内流入LPG时，有时也不会使LPG气体点火。为此，在结渣溶流前，至少把管嘴前端结渣的内面(管嘴长度方向的中心轴侧)预热，这样，在其后实施的结渣溶流时，氧气能容易地使结渣点火燃烧。进行上述的预热时，附着的结渣量几乎不减少，只是将结渣加热。
上述可预热内管气体中的氧浓度范围，没有特别规定，可根据作为目的的预热条件和实验、操作实绩等适当设定。例如，可以采用空气，也可以采用氧气与非活性气体(N2、Ar等)混合、调整后的气体。
与结渣溶流时同样地，流入管嘴外管流路的燃烧气体，并无特别限定，但从燃烧性和成本方面考虑，最好采用LPG、LNG等碳化氢类气体。液体燃料也没有特别限定，但从燃烧性和成本方面考虑，最好选择灯油等适当的燃料。另外，可燃性气体也没有特别限定，但从燃烧性和成本方面考虑，最好采用CO。
预热方法没有特别规定，可以采用适当使用具有加热功能物的方法。预热时间也没有特别规定，可根据实验、操作实绩等适当设定。
如图6所示，该预热方法是，在结渣溶流前，预热用空气(Air)一边被空气控制阀控制流量、一边通过管嘴内管气体配管33流入内管。LPG一边被外管气体控制阀控制流量、一边通过管嘴外管气体配管34流入外管，将炉内高温的耐火物作为点火源使其点火。根据本发明人的实验，预热时间最好确保在大约5分钟以上。
如上所述那样，在除去了管嘴前端附着的结渣后，把熔融金属投入到精炼炉内进行精炼时，利用测温用管嘴，可精度良好地对该熔融金属测温。
这样，在本发明中，可根据管嘴内管中的气体流量和/或内压变化，检测出结渣的状态。当管嘴前端的结渣增多，内管的气体流路要被阻塞时，气体流量减少，气体压力增高，所以，可根据该变化，检测出结渣的增多状况。
另外，采用安装在管嘴上的图像光纤时，通过该光纤对熔融金属的热辐射光进行摄像，根据该摄像得到的测温装置画面上的有效像素数的增减，可检测结渣的增多状况。
例如，当管嘴前端的结渣增多，内管有显著的阻塞倾向时，热辐射光的摄像视野变狭窄，摄像画面上的有效像素数减少。通过知道该有效像素数变化，就可以知道管嘴前端的结渣增多的状况。
工业实用性本发明能常时准确掌握熔融金属温度，通过进行恰当的操作和设备管理，可大幅度减低制造成本，同时可稳定地熔炼出高品质的钢。
权利要求
1.熔融金属的测温装置，设有贯穿收容熔融金属的容器壁的管嘴，把面对着该管嘴前端的熔融金属的热辐射光，通过图像光纤(图像传送光纤)导出，从导出的热辐射光来测量熔融金属的温度，其特征在于，该管嘴是双重管构造，在将精炼气体通入内管的同时，观察熔融金属的热辐射光，并且，将防止管嘴溶损用的保护冷却气体通入外管；管嘴和图像光纤安装部的构造是，由管嘴部、清洗、冷却气体导入部、带窗口玻璃的图像光纤安装部、以及图像光纤保护管的四个可连接的部分构成；在清洗、冷却气体导入部，设置一个部位以上的接合部分，具有可进行使熔融金属的热辐射光与图像光纤相连通用的光轴对中心的构造；在图像光纤后端，连接着CCD摄像机等的摄像装置，该摄像装置用于测量热辐射亮度的2维分布；摄像装置收容在具有冷却构造的密闭盒内，被设置在收容熔融金属的容器的外壁附近。
2.如权利要求1所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，还备有把CCD摄像机产生的图像信号变换为数字信号的AD变换装置、计算机、管嘴气体控制装置、像机控制装置；电脑具有根据图像上的高亮度区域(熔融金属像)的亮度来计算熔融金属的温度的功能；并且，电脑从图像判断管嘴前端部的开孔状态，对管嘴气体控制装置发送指示气体种类或气体流量的信号。
3.如权利要求2所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，从输入到电脑的图像上的高亮度区域(熔融金属像)的亮度，计算熔融金属的温度时，从预先指定的区域内，抽出高亮度区域(熔融金属像)，从其亮度值推定熔融金属的温度。
4.如权利要求1所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，用热电耦等来测量密闭盒内的摄像装置本体或周围环境温度，控制送入密闭盒内的冷却气体或冷却水的流量、压力，以使上述温度保持在摄像装置的容许上限温度以下。
5.如权利要求1所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，作为内插保护有图像光纤缆的内管挠性软管、和内装保护有内管挠性软管的图像光纤保护管的三重构造，把冷却、精炼气体通入内管挠性软管和图像光纤保护管、并将它们放出到外部时，利用该气体，可从外部把相当于图像光纤前端镜头部分的部位冷却。
6.如权利要求1所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，在管嘴和图像光纤安装部的构造中，把清洗、冷却气体导入部、或/和带窗口玻璃的图像光纤安装部，做成为水冷构造。
7.如权利要求5或6所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，用热电耦等测量图像光纤芯线或其周围环境温度，控制清洗、冷却气体或/和冷却水的流量或/和压力，以使上述温度保持在图像光纤和镜头的容许上限温度以下。
8.如权利要求2所述的熔融金属的测温装置，其特征在于，当图像上的热辐射光造成的高亮度区域(熔融金属像)的面积减少，从亮度值换算的熔融金属的温度精度恶化时，从上述管嘴吹入含高浓度氧的气体，把管嘴前端部生成的结渣(凝固金属)熔融。
9.熔融金属的测温方法，其特征在于，在除去浸渍在精炼炉内的熔融金属中的、双重管构造的管嘴前端附着的结渣的方法中，把工作中的精炼炉成为空炉状态，把碳化氢类气体、液体燃料、或可燃性气体，单独地或2种以上混合地流入双重管构造的管嘴的外管和内管的空隙流路中，把含氧气体流入该管嘴的内管，该含氧气体，是把氧气调节至可燃烧的浓度范围内的气体，由此工作中的精炼炉在空炉的状态下，把附着在管嘴前端的结渣溶流、除去后，将熔融金属投入到精炼炉内、对该熔融金属测温时，把防止熔融金属侵入用的非活性气体，压入浸渍在精炼炉的熔融金属内的上述管嘴的同时，把面对着该管嘴前端部的熔融金属的热辐射光介由图像光纤取入到摄像装置，把摄像装置输出的图像信号变换为数字图像数据，根据该数字图像数据，进行运算处理，测量摄影画面上的熔融金属的温度。
全文摘要
本发明提供的熔融金属的测温装置，为了防止图像光纤和摄像装置受到热影响而采用的冷却方式及其控制都很容易，且能稳定地进行测温。该测温装置，由管嘴部、清洗、冷却气体导入部、带窗口玻璃的图像光纤安装部、图像光纤保护管这样四个可连接的部分构成。双重构造的管嘴中，将从热辐射光的导入部即管嘴前端，到图像光纤前端受光部的距离缩短，能接受更多的热辐射光。
文档编号G01K1/12GK1527932SQ02814079
公开日2004年9月8日 申请日期2002年7月26日 优先权日2001年7月27日
发明者山下幸介, 田中智昭, 杉浦雅人, 堀越清美, 真, 人, 昭, 美 申请人:新日本制铁株式会社, 日铁机械设备设计株式会社