JP3855639B2 - 高炉内装入物表面のプロフィール測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉内装入物の表面の形状（プロフィール）を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般に、高炉には、炉頂から装入物として鉄鉱石及びコークスが交互に装入され、炉内に鉱石層とコークス層とが形成される。炉内に形成された鉱石層及びコークス層は、炉内を徐々に降下する。羽口から吹き込まれる熱風とコークスとの反応によって生じるＣＯガスにより、鉄鉱石は加熱、還元され、軟化融着帯を形成した後、溶滴となる。溶滴、すなわち溶銑は、コークス層の間を通過して炉底部に溜まる。
【０００３】
高炉に装入された鉄鉱石及びコークスによって形成される炉口部の装入物分布を調整し、適正なガス分布を得ることは非常に重要である。炉内装入物のプロフィールは、ベル式装入装置ではムーバブルアーマを、また、ベルレス装入装置では分配シュートを介する装入物の落下軌跡により決定される。
通常、炉口部の装入物は、中央部が低いすり鉢状をなしている。高炉内の装入物のプロフィールは、高炉の操業にとって重要な情報であり、従来より炉内に装入された装入物のプロフィールを測定する方法が開発され、実用化されてきた。
【０００４】
例えば、特開平９−２６３８０９号公報には、炉口部空間内に、炉口径方向に計測ランスを挿入し、この計測ランスに下向きに取り付けられた複数のマイクロ波用アンテナを用いて、炉内装入物表面までの距離をそれぞれ測定し、これに基づき挿入物表面の傾斜角度を算出して、表面プロフィールを推定する方法が提案されている。
【０００５】
また、特公平６−７２９２１号公報には、ＦＭレーダを装入物上方で移動させて装入物のプロフィールを検出するプロフィール計に、各測定点において得られるビート信号の高周波成分及び低周波成分をそれぞれ通過させるフィルタ、及び各フィルタを通過した周波成分の振幅の比を検出する回路を備え、振幅比が所定の閾値を超えたときの距離演算装置からの出力を用いてプロフィールを求める方法が開示されている。
【０００６】
特開昭５６−１１７０８０号公報及び特開昭５６−１１７０８１号公報には、竪型炉の側壁を貫通させて炉口径方向に挿入するランスの長手方向の複数位置に重錘を懸吊りし、装入物の表面に重錘を着床させて、表層分布の変位を測定する方法が提案されている。
【０００７】
ところで、最近の高炉操業においては、細粒鉱石等の品質の劣る原料を使用する比率が増加し、原料の性状変化が大きくなっており、炉内装入物の表面のプロフィールが、その変化の影響を受けやすくなっている。
また、高炉内のガス流れが安定化し、炉心部の通気性及び通液性が改善するとされている高炉の中心部に、コークスのみを装入するコークス中心装入方法が開発され、実施されている。
【０００８】
しかし、前述の特開平９−２６３８０９号公報、特公平６−７２９２１号公報、特開昭５６−１１７０８０号公報及び特開昭５６−１１７０８１号公報で提案された方法による場合は、炉内装入物の円周バランス及び偏心有無の評価・判別ができないという問題があった。これらの方法は、何れも炉口の軸心回りの一方位のみの装入物表面のプロフィールを測定する方法であり、前記一方位に対向する方位のプロフィールは、炉内装入物が同心円状に堆積しており、前記一方位のプロフィールと対称であるとみなしているので、すり鉢状になっている装入物の中央部の極小点の位置が、軸心を超えた対向方位側にある場合は、炉内装入物の円周バランス及び偏心有無の正しい評価・判別を行うことができないという問題があった。
【０００９】
また、「製鉄研究」第３１７号（１９８５）には、マイクロ波回路を組み込んだプローブ（ランス）を高炉の炉頂部において炉口径方向に挿入し、走行・回動させながら装入物表面までの距離を連続的に測定することにより、装入物表面の堆積形状を測定する方法が提案されている。測定時のプローブ動作モードとしては、３つの方位の装入物分布を測定する「Ｔモード」、炉の略半円相当の装入物表面プロフィールを面状に把握する「面モード」、軸心回りの一方位の装入物分布を、所定の時間間隔をおいて２回測定する「降下速度モード」の３種類のモードが提案されている。
【００１０】
しかし、この「製鉄研究」で提案された方法においては、下記の問題がある。すなわち、「Ｔモード」においては、３つの方位のプロフィール測定を行うことができるが、軸心を超えた対向する方位のプロフィール測定ができない。
「面モード」においては、高炉の略半円相当の装入物表面のプロフィールを面状に把握することができ、装入物の円周バランスを確認することを目的としているが、プローブを炉内に挿入して測定する時間が長いので、測定時間内に装入物が降下し、正確な装入物の円周バランスの確認ができないという問題がある。また、測定時間が長いと、装入物の荷下がりにより炉頂温度が上昇するので、次の装入物を炉内に投入する必要が生じる。従って、この「面モード」測定方法は、通常の操業には不適である。
【００１１】
また、「降下速度モード」は、所定間隔をおいて２回、一方位の装入物分布測定を行い、データ相互間のレベル差で降下速度分布を算出する方法であるが、この方法は、前述の特開平９−２６３８０９号公報、特公平６−７２９２１号公報、特開昭５６−１１７０８０号公報及び特開昭５６−１１７０８１号公報で提案された方法と同様に、軸心を超えた対向する方位のプロフィール測定を行うことができない。
【００１２】
前記「製鉄研究」で提案された方法に用いる測定装置は、マイクロ波用アンテナをプローブ（ランス）先端部に取り付け、マイクロ波発振回路はプローブの後端部に配置したものであり、炉内に配する先端部のアンテナと炉外に配する後端部のマイクロ波発振回路との間は、プローブ内に組み込んだ導波管を用いて電磁的に接続したものである。この装置は、熱に弱い（通常、80℃以下で使用するもの）電子部品より構成されるマイクロ波発振回路を、炉外に設置できる点で有利であるが、長いプローブ内を導波管で接続しているので、プローブの撓みにより、マイクロ波の距離信号に誤差が生じやすいという欠点を有する。距離測定用センサとしては、導波管は極力短い方が望ましい。
【００１３】
最近の低品位鉱石を使用する操業及びコークスを中心に装入する操業においては、高炉軸心部へのガス流れを確保しつつ、炉壁流をコントロールする必要がある。このため、従来の軸心回りの一方位のみのプロフィール情報ではなく、高炉軸心部付近の装入物プロフィールを正確に把握して、装入物分布を制御することが重要である。
【００１４】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、計測ランスを、炉口径方向の範囲として、炉口部側面から炉口半径の１．２５倍の長さに至る範囲内において走行させることにより、装入物の中央部の極小点の位置が軸心から偏心している場合においても、この偏心を精度よく検出することができ、装入物のプロフィールを正確に検出することができる高炉内装入物表面のプロフィール測定方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、高炉の軸心を中心とし、炉口半径の０．２５倍を半径とする円形の範囲内を測定することにより、装入物の中央部を面状に把握することができ、装入物の極小点の偏心をさらに正確に検出することができる高炉内装入物表面のプロフィール測定方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
第１発明の高炉内装入物表面のプロフィール測定方法は、高炉の炉口部側面から、高炉の軸心に向けて計測ランスを挿入し、該計測ランスに設けられた距離測定手段を用いて、装入物表面までの距離を測定し、装入物表面のプロフィールを測定する高炉内装入物表面のプロフィール測定方法において、炉口径方向の範囲として、前記炉口部側面から炉口半径の１．２５倍の長さに至る範囲内を測定することを特徴とする。
【００１９】
第１発明においては、炉口部側面から炉口半径の１．２５倍の長さに至る範囲内を測定するので、装入物の中央部の極小点の位置が軸心から偏心している場合においても、この偏心を精度よく検出することができ、装入物の円周バランス及び偏心の有無を常時、追跡することができる。従って、装入物表面のプロフィールの変化を正確に把握することができ、高炉の炉況悪化を未然に防止して、高炉の操業を安定化させることができる。なお、装入物の極小点の位置は、前記範囲を超えることはないことが確認されている。
【００２０】
第２発明の高炉内装入物表面のプロフィール測定方法は、第１発明において、前記軸心を中心とし、炉口半径の０．２５倍の長さを半径とする円形の範囲内を測定することを特徴とする。
第２発明においては、装入物の中央部を面状に把握することができるので、装入物の極小点の偏心をさらに正確に検出することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係るプロフィール測定装置を示す模式図であり、図中、１は高炉である。高炉１の内面には、耐火材２０が内張りされており、その内側には鉱石層１１及びコークス層１２が堆積している。
本発明のプロフィール装置の計測ランス３の一端には、マイクロ波を送受信するためのマイクロ波用アンテナ４が設けられており、マイクロ波用アンテナ４には導波管５を介しマイクロ波発振回路６が接続されている。マイクロ波発振回路６は、ＦＭ−ＣＷ（周波数連続変調波）方式によりマイクロ波を導波管５を介しマイクロ波用アンテナ４に送信する。計測ランス３の他端には、マイクロ波用アンテナ４から送信されたマイクロ波と、装入物表面２にて反射し、マイクロ波用アンテナ４が受信したマイクロ波とを混合検波し、装入物のレベル高さに対応するビート信号を生成して、マイクロ波用アンテナ４から装入物までの距離を求めるマイクロ波信号処理回路７が取り付けられている。計測ランス３のマイクロ波信号処理回路７の取付け側端部は、電動又は油圧アクチュエータ等からなるランス走行機構８及びランス回動機構９夫々を介してランス走行フレーム１０の一端部に取り付けられている。
【００２６】
本発明のプロフィール測定装置は、図１に示したように、高炉１の炉口部に常設することを基本に設計してあるが、必要な場合には炉内から炉外に取り出すことができるように、着脱自在に構成されている。高炉１内の装入物表面２の上方に計測ランス３を常設することは、計測ランス３を水冷ジャケット構造にした場合、耐久性に問題ないことが確認されている。
【００２７】
熱的に弱い電子部品より構成されるマイクロ波発振回路６は、高炉内の高温雰囲気に晒されるが、水冷ジャケット構造の計測ランス３内に収納されており、炉外から窒素ガスも供給されるので十分に冷却される。また、窒素ガスはマイクロ波用アンテナ４内に吹き出させ、炉内に浮遊しているダストをパージして、マイクロ波用アンテナ４の放射面にダストが付着するのを防止するのが望ましい。
以上のように、計測ランス３、マイクロ波用アンテナ４及びマイクロ波発振回路６が高炉炉内の高温雰囲気に晒されても、高炉１内へ常設するのが可能になっている。
この装置は、マイクロ波用アンテナ４とマイクロ波発振回路６とを近接させて設置することができるので、導波管５を短くすることができる。従って、マイクロ波の距離信号は、計測ランス３の撓みに影響されない。
【００２８】
炉口部に挿入された計測ランス３は、制御装置１３が、操作デスク１４から測定要求信号を受信してランス走行機構８及びランス回動機構９を駆動することにより、走行及び回動されるようになしてある。ランス走行機構８及びランス回動機構９には、夫々、走行距離検出器１８及び回動角度検出器１９が接続されており、ランス走行距離Ｔ及びランス回動角θが検出されるべくなしてある。検出されたランス走行距離Ｔ、ランス回動角θ、及びマイクロ波信号処理回路７により求められた距離Ｈの信号は、制御装置１３へ出力される。制御装置１３は、ランス走行距離Ｔ、ランス回動角θ及び距離Ｈをデータ処理装置１５へ出力し、データ処理装置１５はこれをデータ処理し、（ｘ，ｙ，ｚ）の直交座標の信号群として、演算器１６に伝送する。演算器１６は画像処理を行い、画像表示器１７へ出力した信号に基づき、画像表示器１７において画像が表示されるようになしてある。
【００２９】
この実施形態に係るプロフィール測定方法においては、前記プロフィール測定装置を用い、計測ランス３を、炉口径方向の範囲として、炉口部の側面から（Ｒ＋Ｅ）の長さに至る範囲内で走行させ、高炉１内に堆積した鉱石層１１及びコークス層１２のプロフィールを測定する。ここで、Ｒは炉口半径、Ｅは軸心Ｉ−Ｉを超えた長さを示し、Ｒの０．２５倍の長さである。
【００３０】
例えば、後述する図３に示す炉口径φ１０ｍの大型高炉においては、Ｅは＋１．２５ｍ（５×０．２５）である。通常、この大型高炉において、高炉の軸心Ｉ−Ｉからの装入物分布のずれｅ（装入物分布の極小点）は最大１ｍであることが確認されている。
計測ランス３は片持ち支持構造であり、これ以上測定範囲を拡大した場合、冷却構造とはいえ、機械的強度を強大に向上させる必要があるので、Ｅは炉口半径Ｒの０．２５倍の長さに限定している。
【００３１】
そして、計測ランス３を走行及び回動させることにより、軸心Ｉ−Ｉを中心とし、０．２５×Ｒ（Ｒ：炉口半径）の長さを半径とする円形範囲内を測定する。軸心部を面状に測定することにより、装入物分布のずれｅをより正確に検出することができる。装入物分布のずれｅは、上述したように、０．２５×Ｒの長さを半径とする円形範囲内に収まることは確認されている。
【００３２】
この実施の形態に係る方法においては、まず、制御装置１３がランス走行機構８を駆動して計測ランス３を走行させ、マイクロ波用アンテナ４からマイクロ波を連続的に送信して被測定面からの反射波を受信し、マイクロ波信号処理回路７が送信波と受信波とを混合検波して、装入物のレベル高さに対応するビート信号を生成し、マイクロ波用アンテナ４から被測定面までの距離Ｈを求める。使用するマイクロ波は、１０ＧＨz 付近のＸバンドが一般的であるが、さらに高い周波数を使用してもよい。
【００３３】
計測ランス３が軸心Ｉ−Ｉから炉口半径Ｒの０．２５倍の位置に達した場合、ランス走行機構８及びランス回動機構９を駆動することにより、軸心Ｉ−Ｉを中心とし、炉口半径Ｒの０．２５倍の長さを半径とする円形範囲内の各位置における距離Ｈを求める。
図２は、本発明の実施の形態に係るプロフィール測定装置の計測ランス３から送信したマイクロ波の装入物表面２上の位置の軌跡Ｌを示した模式的平面図である。
【００３４】
走行距離検出器１８、回動角度検出器１９及びマイクロ波信号処理回路７は、制御装置１３を介しランス走行距離Ｔ、ランス回動角θ、及び距離Ｈの信号をデータ処理装置１５へ出力し、データ処理装置１５はこれをデータ処理し、（ｘ，ｙ，ｚ）の直交座標の信号群として、演算器１６へ出力する。
演算器１６は、データ処理装置１５から入力された（ｘ，ｙ，ｚ）の直交座標の信号群に基づき画像処理を行い、画像表示器１７へ信号を出力し、画像表示器１７はこれに基づき装入物の分布画像を表示する。
【００３５】
図３は、炉口径φ１０ｍの大型高炉において、炉口の径方向範囲として、炉口部側面から、軸心Ｉ−Ｉを１ｍ超えた位置まで測定した場合の鉱石層１１及びコークス層１２の層厚分布を示したグラフであり、横軸は、軸心からの炉口径方向距離、縦軸は公称ストックレベルからの深さ方向の位置を示す。図３においては、炉内半円分の面状プロフィールＳも重ねて示してある。
図４は、図３に示した鉱石層１１とコークス層１２の層厚分布を基に、鉱石層厚／コークス層厚と炉口径方向距離との関係を示したグラフである。
【００３６】
図３より、鉱石層１１及びコークス層１２は、中央部が低いすり鉢状に堆積しており、装入物分布の極小点Ｐが軸心Ｉ−Ｉよりｅ（略０．５ｍ）だけずれていることが判る。
【００３７】
本発明の方法においては、計測ランス３の走行及び回動を組み合わせて求められた軸心Ｉ−Ｉ付近のプロフィールＳから、装入物分布の極小点Ｐを特定することができる。
従来の炉口の軸心回りの一方位のみのプロフィールを測定する方法においては、装入物の極小点Ｐの位置が軸心Ｉ−Ｉを超えた、対向する方位側にある場合は、正しい装入物バランスの評価及び判別ができないという問題点があったが、本発明の方法による場合は、上述したように、極小点Ｐの位置を正確に検出することができ、装入物のバランスを正確に評価することができる。
【００３８】
実際の操業においては、各シフト（８ｈ）２回程度のプロフィール測定を行い、装入物表面２のプロフィールの変化を監視する。装入物プロフィール測定の項目のうち、傾斜角及び装入物分布バランスはガス流分布に大きく影響するので、日常分布調整の判断材料として欠くことができない指標の一つである。装入物の分布バランスが片寄り、偏心している場合、ガス流分布が軸心Ｉ−Ｉよりずれ、ガス流が軸心Ｉ−Ｉを通らなくなって高炉１全体のガス利用率が低下し、燃料費が増加することになる。また、炉況悪化につながる虞もある。原料装入系に起因する装入物分布バランスの片寄り（偏心）を防止するために、ベルレス装入装置においては、炉頂原料ホッパから分配シュートへの原料流下のセンタリング調整を行い、ベル装入装置においては、ムーバブルアーマのストローク変更を行い、装入物分布調整を行う。また、操業面からは、羽口からの円周方向風量の入れ方調整等を行って円周方向バランスを調整する必要がある。
【００３９】
本発明のプロフィール測定方法においては、上述したように、装入物の円周バランス及び偏心の有無を常時、追跡することができ、装入物表面２のプロフィールの変化を正確に把握することができるので、高炉の炉況悪化を未然に防止して、高炉の操業を安定化させることができる。
【００４０】
なお、前記実施の形態においては、粉塵、熱、騒音及び光等の影響が少なく、非接触で測定できるマイクロ波を用いて装入物までの距離Ｈを測定しているが、これに限定されるものではなく、機械式サウンジング装置を応用した、測定点毎に計測ランス３の停止と重錘の昇降とを繰り返す機械式プロフィール計を適用してもよく、また光学式のレーザも適用することが可能である。
【００４１】
また、前記実施の形態においては、計測ランス３が軸心Ｉ−Ｉから炉口半径Ｒの０．２５倍の位置に達したとき、計測ランス３を軸心Ｉ−Ｉを中心とし、炉口半径Ｒの０．２５倍の長さを半径とする円形範囲内において、三次元的に装入物表面２のプロフィールを求める場合につき説明しているが、計測ランス３を回動させることなく、直線的に移動させ、二次元的に装入物表面２のプロフィールを求めることにしてもよい。但し、軸心Ｉ−Ｉ付近を面状に測定する方が、装入物の極小点Ｐを正確に検出することができる。
また、計測ランス３を軸心Ｉ−Ｉを中心とし、炉口半径Ｒの０．２５×２倍の長さを一辺とする正方形範囲内の装入物表面２の三次元的プロフィールを求めるように計測ランス３を走行及び回動させるのが好ましい。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、第１発明による場合は、炉口部側面から炉口半径の１．２５倍の長さに至る範囲内を測定するので、装入物の中央部の極小点の位置が軸心から偏心している場合においても、この偏心を精度よく検出することができ、装入物の円周バランス及び偏心の有無を常時、追跡することができる。従って、装入物表面のプロフィールの変化を正確に把握することができ、高炉の炉況悪化を未然に防止して、高炉の操業を安定化させることができる。
【００４３】
第２発明による場合は、装入物の中央部を面状に把握することができるので、装入物の極小点の偏心をさらに正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロフィール測定装置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るプロフィール測定装置の計測ランスから送信したマイクロ波の装入物表面上の位置の軌跡を示した模式的平面図である。
【図３】炉口径φ１０ｍの大型高炉において、炉口の径方向範囲として、炉口部側面から、軸心Ｉ−Ｉを１ｍ超えた位置まで測定した場合の鉱石層及びコークス層の層厚分布を示したグラフである。
【図４】鉱石層厚／コークス層厚と炉口径方向距離との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１ 高炉
２ 装入物表面
３ 計測ランス
４ マイクロ波用アンテナ
５ 導波管
６ マイクロ波発振回路
７ マイクロ波信号処理回路
８ ランス走行機構
９ ランス回動機構
１０ ランス走行フレーム
１１ 鉱石層
１２ コークス層
１３ 制御装置
１５ データ処理装置
１６ 演算器
１７ 画像表示器
１８ 走行距離検出器
１９ 回動角度検出器
Ｒ 炉口半径
Ｐ 極小点
Ｌ ランス走行・回動軌跡
Ｅ 高炉の軸心を超えた炉口径方向の測定範囲
ｅ 装入物の極小点の軸心からのずれ
Ｉ−Ｉ 高炉軸心
θ 回動角
Ｓ ランス回動時のプロフィール

Claims (2)

1. 高炉の炉口部側面から、高炉の軸心に向けて計測ランスを挿入し、該計測ランスに設けられた距離測定手段を用いて、装入物表面までの距離を測定し、装入物表面のプロフィールを測定する高炉内装入物表面のプロフィール測定方法において、
   炉口径方向の範囲として、前記炉口部側面から炉口半径の１．２５倍の長さに至る範囲内を測定することを特徴とする高炉内装入物表面のプロフィール測定方法。
2. 前記軸心を中心とし、炉口半径の０．２５倍の長さを半径とする円形の範囲内を測定する請求項１記載の高炉内装入物表面のプロフィール測定方法。

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