JP4890645B2 - 配合原料の水分測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、配合原料の水分測定方法に関する。特に本発明は、赤外線の水による吸収を利用して、複数の種類の配合前原料を配合して得られる焼結原料中の水分を測定する技術に関連する。
本願は、２００８年７月７日に、日本に出願された特願２００８−１７６７８６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

焼結鉱を製造する際には、原料として二以上の銘柄の鉄鉱石と、燃料である粉コークスや石灰石等の副原料とを配合して得られた焼結原料を焼結機内で焼結して焼結鉱とする。ここでは、配合する前の鉄鉱石および副原料を配合前原料と呼び、配合した後の原料を配合原料あるいは焼結原料と呼ぶ。

焼結工程では、ミキサーにおいて焼結原料に水を添加して混合し、造粒する。次に、造粒した焼結原料を焼結機に層状に装入し、その表面に着火する。焼結機は装入した焼結原料の下方から空気を吸引する。これにより、焼結原料の上方から下方に向けて空気が通過する。そして、粉コークスが燃焼しながら表面から下方向に徐々に焼結反応が進行する。

焼結原料の造粒とは、焼結原料中の含有水分を媒介として３〜５ｍｍ程度の擬似粒子を作る工程である。この擬似粒子は、粒径１ｍｍ以上の核粒子に主に粒径０．５ｍｍ以下の細かい粒子が付着した構造を有する。このとき、焼結原料の造粒性は含有水分量に大きく依存する。例えば、水分が足りなければ細かい粒子が残り焼結機での通気性が悪くなり生産性が低下する。逆に、水分が過剰であっても粒子間の結合力が低下するので目標とするサイズの粒子を作ることができない。従って、焼結機の造粒工程では焼結原料の水分管理が特に重要である。焼結機に装入する焼結原料の含有水分量を一定に保持するためには、ミキサー出側の造粒後の焼結原料の含有水分量を測定する必要がある。そして、測定された焼結原料の含有水分量が目標値になるように水添加量を管理する。

原料ヤードからベルトコンベアで送られてくる鉄鉱石の水分は一定ではない。例えば、原料がヤードに積まれている状態で降雨があれば、ヤードの山の表層と内部で水分が異なる。従って、焼結原料の含有水分量を常時監視しておき、含有水分量が変化したら水添加量を変更して焼結原料の含有水分量を一定に保つことが望ましい。これにより、焼結機内の通気性が良好に維持され、安定した操業と焼結品質を確保することができる。

乾燥質量法は、正確で信頼性の高い水分測定方法である。この方法は、焼結原料の試料を搬送ラインから採取し、雰囲気加熱チャンバーや赤外線ランプを備える乾燥機でその試料を完全に乾燥させる。そして、乾燥前後で測定したその焼結原料の試料の質量を比較することで、その焼結原料の試料が含有していた水分量が求められる。しかしながら、乾燥質量法は試料採取という作業と乾燥時間（３０分〜２時間）が必要であり、測定は間欠的になる。また、測定値が得られるまでの時間遅れがきわめて大きいという問題がある。

焼結原料の試料を採取することなくオンラインで被測定対象物の含有水分量を測定する方法として、赤外線水分計を用いた含有水分測定方法がある。この方法においては、被測定対象物の表面に赤外線を照射し、反射光を観察する。赤外線の光路に水分が存在すると、赤外線の特定波長では水分量に応じて赤外線が吸収され、その波長での分光反射率が低下する。この現象を利用して被測定対象物の含有水分量を測定する。非接触で連続的な測定が可能であり、時間遅れなく被測定対象物の含有水分量が判明するという利点がある。

以下、３波長式赤外線水分計について詳しく説明する。３波長式赤外線水分計においては、水による吸収波長λ_Ｗとして１．９μｍ以上２．０μｍ以下付近の波長が用いられる。水による吸収波長λ_Ｗの長波長側と短波長側に参照波長（λ_Ｌ、λ_Ｓ）がそれぞれ定められる。参照波長（λ_Ｌ、λ_Ｓ）には、吸収波長λ_Ｗのできるだけ近くの波長であり、且つ水分による影響を受けない波長が選択される。

λ_Ｗ、λ_Ｌ、λ_Ｓの３波長で被測定対象物の分光反射率ｒ_Ｗ、ｒ_Ｌ、ｒ_Ｓをそれぞれ測定する。測定したｒ_Ｌとｒ_Ｓとに基づき、波長λ_Ｗにおける被測定対象物の基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅを算出する。ここで被測定対象物の基準分光反射率とは、乾燥状態の被測定対象物の、波長λ_Ｗにおける分光反射率を仮定した計算値である。通常は、波長と分光反射率との関係図において、（λ_Ｓ、ｒ_Ｓ）と（λ_Ｌ、ｒ_Ｌ）との間を直線で結び、波長λ_Ｗにおけるその直線上の値をｒ_Ｗ０ｅとする。すなわち、以下に示す（２）式で表現される。ｒ_Ｗとｒ_Ｗ０ｅとから、以下に示す（３）式によって被測定対象物の吸光度ｋを求め、求められた被測定対象物の吸光度ｋを所定の一次式、例えば以下に示す（４）式に代入し、被測定対象物の含有水分量ｗを定める。
ａ＝ｋ／ｗ …（１）
ｒ_Ｗ０ｅ＝ｒ_Ｓ＋（λ_Ｗ−λ_Ｓ）×（ｒ_Ｌ−ｒ_Ｓ）／（λ_Ｌ−λ_Ｓ） …（２）
ｋ＝−ｌｎ（ｒ_Ｗ／ｒ_Ｗ０ｅ） …（３）
ｋ＝ａ×ｗ＋ｂ …（４）
ここで、ｗは被測定対象物の含有水分量（通常、質量％で表示）である。ｋは被測定対象物の吸光度である。ａ、ｂは被測定物の特性に依存した定数である。被測定物に対応した定数ａ、ｂが不正確であると水分測定に誤差を生じる。

被測定対象物の含有水分量ｗと、水分による赤外線吸光度ｋと、の関係は、被測定対象物の種類によって異なる。赤外線の浸透深さが物質によって異なることが、理由の１つである。また、被測定対象物の吸水性などの影響により、赤外線で観測する被測定対象物の表層付近の水分量と被測定対象物の全体の含有水分量とが一致しないことも理由の他の１つである。そこで、被測定対象物の試料について、含有水分量による赤外線吸光度ｋ_Cと含有水分量ｗ_Cとを予め実験的に測定しておく。そして、この測定結果に基づいて、被測定対象物における吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係を（４）式のように定めておく。吸光度ｋと含有水分量ｗの関係式は検量線と呼ばれる。

ここで、焼結原料を被測定対象物として、上記３波長式赤外線水分計を用いて含有水分量を測定する場合、焼結原料の含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係（検量線）については、予め実験的に上記（４）式の定数ａ、ｂを定めたとしても、その後の焼結原料の配合変更などによって、ｗとｋとの関係は変化する。従って、３波長式赤外線水分計を用いて焼結原料の含有水分量ｗを正確に測定するためには、ｗとｋとの関係、即ち検量線を実測に基づいてタイムリーに修正しつつ測定を行う必要がある。

特許文献１においては、屋外で粉体の水分を赤外線水分計で測定するに際し、大気湿度の変化による測定変動が無視できない程度であるとしている。そこで、特許文献１では、赤外線による測定光路中の大気湿度を測定し、湿度測定値に応じて赤外線による水分測定値を補正する方法を開示している。具体的には、湿度測定値に応じて、上記（４）式の定数ｂを変化させている。

特許文献２は、赤外線水分計による焼結鉱原料の水分測定方法において、混合原料の性状が原料配合変更毎に少しずつ異なるため、配合変更のたびに水分計を校正することを開示している。具体的には、水分制御装置から得られる目標水分値と水分指示値の偏差から統計的手法を用いて自動的に補正値を算出し、水分値のドリフト（上記（４）式のｂの変動に相当）をゼロドリフト操作によって校正している。

特許文献３に開示されている方法は、赤外線による焼結原料の水分測定方法において、焼結原料の配合変更のつど、その直後に絶対乾燥式の水分測定手段により精密水分測定を行い、同時刻の赤外線吸収による水分測定値を対応させている。そして、規定回数の両者の測定値を用い、一次回帰を行って新たな検量線を算出している。実施例においては、規定回数として通常は５〜６回としている。

特開昭５９−７２０４７号公報 特開昭６２−８３９号公報 特開平６−３４５３２号公報

配合した焼結原料の含有水分量ｗを赤外線測定により求める場合、大気湿度の変化による測定変動は重大ではないことが判明した。

一方、特許文献２、３に記載の通り、焼結原料の配合を変更すると、赤外線水分計で測定した吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係が変化する。従って、原料配合を変更したような場合には吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係、即ち検量線を速やかに修正する必要がある。ここで、原料配合を変更した際のｋとｗとの関係（検量線）の変動は、上記（４）式における定数ｂが変動するだけでなく、定数ａも変動することが判明した。従って、特許文献２に記載の発明のように、定数ｂのみが変動するとの前提でドリフト調整を行ったのでは、正確な水分測定を行い得ないことがわかった。また、特許文献３に記載のように、規定回数のオフラインでの乾燥質量法測定を行って一次回帰を行おうとしても、焼結原料の含有水分量は短時間の間ではさほど変化しないので、正確な一次回帰式を得るに十分な水分の変化が得られない。また、規定回数の乾燥質量法測定には時間がかかるので、迅速に修正を行うことが困難となる。

本発明は、赤外線の水による吸収を利用した配合原料の含有水分測定において、原料配合が変更になっても速やかに吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係（検量線）を修正し、常に正確に配合原料の含有水分量ｗの測定を行うことのできる水分測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
（１）本発明の、３波長式赤外線水分計を用いた配合原料の含有水分測定方法は、３波長式赤外線水分計を用いた配合原料の含有水分測定方法において、
水により吸収される波長λ_Ｗより長い長波長側参照波長λ_Ｌと、前記波長λ_Ｗより短い短波長側参照波長λ_Ｓと、の参照波長組み合わせとして、
前記長波長側参照波長λ_Ｌの候補である長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を複数仮定する工程と；
複数の前記長波長側参照波長候補λ_Ｌ’の各々を用いた場合ごとに、水分が除去された状態の前記複数の配合前原料各々の吸光度ｋ_０を測定する工程と；
複数の前記長波長側参照波長候補λ_Ｌ’の各々を用いた場合ごとに、前記複数の配合前原料各々の前記吸光度ｋ_０の二乗和を前記配合前原料の個数で除した値である、ｋ_０二乗和平均値を計算する工程と；
前記複数の長波長側参照波長候補λ_Ｌ’のうち、前記ｋ_０二乗和平均値が０．００１以下になる長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を、前記長波長側参照波長λ_Ｌとして選択する工程と；
により選ばれた参照波長組み合わせを用いる。
（２）上記（１）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記ｋ_０二乗和平均値が最も小さい値となる長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を前記長波長側参照波長λ_Ｌとして選択しても良い。
（３）上記（１）に記載の配合原料の水分測定方法は、前記長波長側参照波長λ_Ｌの候補である長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を複数仮定する工程と；前記短波長側参照波長λ_Ｓの候補である短波長側参照波長候補λ_Ｓ’を複数仮定する工程と；複数の前記長波長側参照波長候補λ_Ｌ’と、複数の前記短波長側参照波長候補λ_Ｓ’と、を組み合わせた参照波長組み合わせ候補を複数仮定する工程と；複数の前記参照波長組み合わせ候補各々を用いた場合ごとに、水分が除去された状態の前記複数の配合前原料各々の吸光度ｋ_０を測定する工程と；複数の前記参照波長組み合わせ候補各々を用いた場合ごとに、前記複数の配合前原料各々の吸光度ｋ_０の二乗和を配合前原料の個数で除した値である、ｋ_０二乗和平均値を計算する工程と；前記複数の参照波長組み合わせ候補のうち、前記ｋ_０二乗和平均値が０．００１以下になる参照波長組み合わせ候補を前記参照波長組み合わせとして選択する工程と；を更に備えても良い。
（４）上記（３）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記複数の参照波長組み合わせ候補のうち、前記ｋ_０二乗和平均値が最も小さい値となる参照波長組み合わせ候補を前記参照波長組み合わせとして選択しても良い。
（５）上記（１）又は（３）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記参照波長組み合わせは、特定の波長を通すバンドパスフィルターを複数利用して選択されても良い。
（６）上記（１）又は（３）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記参照波長組み合わせは、連続波長の赤外線分光測定結果に基づき選択されても良い。
（７）上記（１）又は（３）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記配合原料は焼結原料であり；前記水により吸収される波長λ_Ｗは、１．９μｍ以上２．０μｍ以下の波長であり；前記長波長側参照波長λ_Ｌは、２．２μｍ以上２．４μｍ以下の波長範囲から選択される波長であっても良い。
（８）上記（７）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記短波長側参照波長λ_Ｓは、１．６μｍ以上１．８μｍ以下の波長範囲から選択される波長であっても良い。
（９）前記（１）又は（３）に記載の配合原料の水分測定方法では、前記配合原料の試料の吸光度ｋ_Ｃを測定する工程と；乾燥質量法によって前記配合原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃを測定する工程と；前記配合原料の試料の吸光度ｋ_Ｃを、前記配合原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃで除算することで比例係数ａを算出する工程と；前記配合原料の吸光度ｋを、前記比例係数ａで除算することで前記配合原料の含有水分量を算出する工程と；を備えても良い。

上記（１）の本発明によれば、吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係が原点近傍を通過する一次式となるため、原料配合変更後のオフラインで乾燥質量法により配合原料の試料の水分測定を１回だけ行ってそのときの測定含有水分量ｗ_Ｃと赤外線吸光度ｋ_Ｃとから検量線を作成することができる。即ち、検量線を正確且つ迅速に修正することができる。これにより、配合原料の含有水分量ｗを赤外線測定によって連続的に正確に測定することが可能となると共に、好適な長波長側参照波長λ _Ｌ を選択出来る。
上記（２）の発明によれば、最適な長波長側参照波長λ_Ｌを選択出来る。
上記（３）の発明によれば、好適な参照波長組み合わせを選択出来る。
上記（４）の発明によれば、最適な参照波長組み合わせを選択出来る。
上記（５）の発明によれば、簡単な構成で好適な参照波長を選択できる。
上記（６）の発明によれば、正確に好適な参照波長を選択出来る。
上記（７）、（８）の発明によれば、配合原料として焼結原料が用いられる際に、焼結原料の吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係が原点近傍を通過する一次式となるため、上記（１）と同様の効果が得られる。
上記（９）の発明によれば、正確且つ迅速な焼結原料の含有水分測定が可能となる。

配合前原料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄごとに乾燥質量法で測定した含有水分量（％）と赤外線水分計で測定した吸光度ｋとの関係を示す図である。 配合前原料Ａを乾燥した状態で連続する赤外線領域の波長で測定した分光反射率を示す図である。 配合前原料Ｂを乾燥した状態で連続する赤外線領域の波長で測定した分光反射率を示す図である。 配合前原料Ｃを乾燥した状態で連続する赤外線領域の波長で測定した分光反射率を示す図である。 参照波長（λ_Ｓ、λ_Ｌ）の組み合わせ別に、配合前原料７銘柄の乾燥状態での吸光度ｋ_０の二乗和平均を比較する図である。 配合前原料ごとに乾燥状態吸光度ｋ_０の評価結果を示す図であり、λ_Ｓ＝１．７μｍ、λ_Ｌ＝２．３μｍの波長を用いた場合（塗り潰した正方形）と、λ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍの波長を用いた場合（塗り潰していない正方形）を示す。 配合後の焼結原料α、β、γについて、λ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍの波長を用いた場合の、乾燥質量法で評価した含有水分量ｗと赤外線水分測定で得られた吸光度ｋとの関係を示す図である。 配合後の焼結原料α、β、γについて、λ_Ｓ＝１．７μｍ、λ_Ｌ＝２．３μｍの波長を用いた場合の、乾燥質量法で評価した含有水分量ｗと赤外線水分測定で得られた吸光度ｋとの関係を示す図である。 本発明の焼結原料の水分測定装置を示す概念図である。

赤外線の水による吸収を利用した配合原料（焼結原料）の含有水分量ｗの測定において、原料配合を変更した際のｋとｗとの関係（検量線）は、上述の通り、上記（４）式における定数ａとｂとがともに変動する。そのため、原料配合変更後の正しい定数ａとｂとを求めるためには、水分量の異なる２以上の配合原料の試料を採取し、それぞれの含有水分量ｗ_Ｃと、吸光度ｋ_Ｃと、を測定する必要がある。これにより、異なった含有水分量における２以上の測定値を得ることができるため、原料配合変更後の正しい定数ａとｂとを求めることができる。

ここで、原料配合を変更した際に（４）式のａは変動するにしてもｂが変動しないようにできれば、修正すべきは定数ａのみとなる。従って、原料変更後の配合原料の試料について測定した吸光度ｋ_Ｃと真の含有水分量ｗ_Ｃとが１組あれば足りることとなる。

従来、３波長式赤外線水分計において、水分吸収波長λ_Ｗとして１．９μｍ付近の吸収帯を用いて焼結原料の含有水分量ｗを測定するに際し、参照波長λ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍが固定値として用いられていた。そしてこの場合、測定した焼結原料の分光反射率ｒ_Ｓ、ｒ_Ｌに基づき、基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅを前記（２）式で計算した結果、計算した基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅと、焼結原料を乾燥して測定した乾燥状態での真の分光反射率ｒ_Ｗ０ａとが一致しないことが明らかとなった。また、ｒ_Ｗ０ｅとｒ_Ｗ０ａとの差は配合前原料鉄鉱石や配合後の焼結原料によって異なる。

これに対し、基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅと乾燥状態での真の分光反射率ｒ_Ｗ０ａとを一致させることができれば、前記（３）式で吸光度ｋを算出したとき、水分ｗがゼロのときに吸光度ｋがゼロになり、吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係が、
ｋ＝ａ×ｗ …（５）
となる。即ち（４）式のｂがゼロとなる。この場合、定めるべき定数がａひとつとなるので、原料配合変更後の焼結原料の試料に対して乾燥質量法水分測定を１回行えば定数ａを定めることができる。そして、参照波長λ_Ｓ、λ_Ｌを適切に選択することにより、ｒ_Ｗ０ｅとｒ_Ｗ０ａとを好適に一致させ得ることが明らかとなった。
尚、ここで言う「ｂがゼロになる」とは、ｂをゼロと見なしてもその影響が水分測定における許容誤差の範囲内であることを意味する。

以下、焼結原料を被測定対象物として本実施形態を説明するが、本発明の適応対象は焼結原料の含有水分測定に限られるものではない。本発明は、例えば、複数の配合前原料を配合して得られる配合原料の水分測定方法にも適用できる。

現在、一般に用いられている赤外線水分計はいずれも、水吸収波長λ_Ｗとして１．９６μｍの値、短波長側の参照波長λ_Ｓとして１．８μｍの値、長波長側の参照波長λ_Ｌとして２．１μｍの値を採用している。

配合される前の配合前原料の銘柄４種類Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについてそれぞれ、赤外線水分計により測定した吸光度ｋと、同じ試料について乾燥質量法により測定した含有水分量ｗとの比較を行う。一般に用いられている赤外線分光計を用い、基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅを前記（２）式で計算し、吸光度ｋを前記（３）式で計算する。測定した含有水分量ｗと計算した吸光度ｋとの関係を比較すると、図１に示す結果が得られる。吸光度ｋと、乾燥質量法による含有水分量ｗとの関係は、配合前原料の銘柄Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎に直線的関係を有する。その直線を前記（４）式で表すとすると、配合前原料の銘柄Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎に直線の傾きａが異なり、また縦軸切片の値ｂも異なることが明らかである。配合した焼結原料は、これらの配合前原料の銘柄Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを数種類配合したものであり、配合後の焼結原料の含有水分量を赤外線水分計で測定する場合にも、含有水分量と赤外線水分計で測定する吸光度ｋとの関係は、配合条件に応じて傾きａ、切片の値ｂのいずれも変化してしまう。また、配合後の焼結原料の含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係は、配合前の個別銘柄の関係を配合割合に応じて加算したものに一致しないことも明らかとなった。これは、配合した焼結原料中で水分が均一に分布せず、水の吸収性がよい銘柄に水分が偏在することなどが原因であろうと推定される。

従って、焼結原料の含有水分量を赤外線水分計により精度良く測定するためには、配合する銘柄や配合する割合を変更するたびに、変更後の配合の焼結原料の、含有水分量ｗと赤外線水分計による吸光度ｋとの関係（検量線）を迅速に修正する必要がある。また、その修正についても、焼結原料の含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係を前記（４）式のような一次式で表したとき、縦軸切片ｂのみならず、傾きａも修正する必要がある。ａとｂとをともに修正するためには、異なる含有水分量を有する２以上の焼結原料の試料に対して乾燥質量法による含有水分量ｗ_Ｃの測定と赤外線水分計による吸光度ｋ_Ｃの測定とを行い、２組以上の測定値を用意する必要がある。しかしながら、このような測定値を迅速に得ることは難しい。

次に、赤外線分光計を用いて、配合前原料Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれについて、完全に乾燥した状態で分光反射率ｒ_Ｗ0ａを測定する。具体的には、ＦＴ−ＩＲ赤外線分光計を用い、連続する赤外線領域の波長（１．６μｍ以上２．４μｍ以下の範囲）で測定を行う。その結果を図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示す。

図２Ａ、図２Ｂ，図２Ｃを参照し、波長が１．９６μｍ（即ち、水による吸収波長λ_Ｗ）のときに測定した分光反射率を求める。この分光反射率は、乾燥させた状態の配合前原料Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれのの真の分光反射率ｒ_Ｗ０ａである。また、図２Ａ、図２Ｂ，図２Ｃを参照し、波長が１．８μｍ（即ち、短波長側参照波長λ_Ｓ）のとき、波長が２．１μｍ（即ち、長波長側参照波長λ_Ｌ）のときに測定した分光反射率ｒ_Ｓ、ｒ_Ｌを求める。図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃには、上述した各参照波長における分光反射率ｒ_Ｓ、ｒ_Ｌを直線で結んで求めた基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅがそれぞれ記入されている。この基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅはすなわち（２）式で計算するｒ_Ｗ０ｅである。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃから明らかなように、配合前原料には地合スペクトル（例えば鉄鉱石であれば固有の分光特性スペクトル）があるため、乾燥状態における真の分光反射率ｒ_Ｗ０ａと基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅとが乖離していることがわかる。特に配合前原料Ｂで乖離の度合いが大きい。このため水分がゼロであっても吸光度がゼロにならないことがわかった。

そこで、参照波長を短波長側１．８μｍ、長波長側２．１μｍと固定するのではなく、乾燥状態の配合前原料の真の分光反射率ｒ_Ｗ０ａと基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅとができるだけ一致するように参照波長を選定することができるか、検討を行った。このような参照波長を選定することができれば、吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係が原点から伸びる直線となるので、ｗとｋとの関係式（検量線）がｋ＝ａ×ｗと表現され、未知の係数はａのみとなる。そうすると、間欠的に得られる、乾燥質量法での配合前原料の試料の水分測定値ｗ_Ｃを真として、検量線の傾きａを変更（再設定）することで、赤外線水分計の測定精度を高めることができる。即ち、正確な検量線を得られるため、測定された配合原料の吸光度ｋから精度良くその配合原料の含有水分量ｗを決定できる。

ただし、複数の配合前原料（鉄鉱石や副原料）が配合される焼結原料について含有水分量を測定する場合には、分光反射率ｒ_Ｗ０ａと基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅとが極力一致するような参照波長の選択は、特定の配合前原料について考慮して選択するのではなく、ほぼ全ての配合前原料について考慮して選択しなければならない。そこで次に述べる手法で好適な参照波長を探索した。焼結原料として用いられる主な配合前原料の銘柄７種類（Ａ〜Ｇ）を配合前原料の試料として選択した。これら配合前原料の試料を乾燥して含有水分量をゼロとした。水により吸収される波長λ_Ｗを１．９６μｍとした。短波長側の参照波長λ_Ｓとして１．６μｍと１．７μｍ、１．８μｍを候補とした。長波長側の参照波長λ_Ｌとして２．１μｍ、２．２μｍ、２．３μｍ、２．４μｍを候補とした。そして、λ_Ｓおよびλ_Ｌの各候補波長における分光反射率（それぞれｒ_Ｓ、ｒ_Ｌ）を測定した。波長λ_Ｗでの乾燥状態における真の分光反射率測定値ｒ_Ｗ０ａと、（２）で計算する基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅに基づき、下記（３）’式によって配合前原料の試料の吸光度ｋ_０を算出した。
ｋ_０＝−ｌｎ（ｒ_Ｗ０ａ／ｒ_Ｗ０ｅ） …（３）’
乾燥状態とは（４）式のｗにゼロを代入することであるから、ｋ_０はｂに等しい。

こうして算出した配合前原料の吸光度ｋ_０の二乗を、７種類それぞれについても計算した。次に、それぞれの吸光度ｋ_０の二乗に対し、その和（即ち二乗和）を計算した。そして、その二乗和を配合前原料の数で割った値（即ち二乗和平均）を算出した。λ_Ｓとλ_Ｌとの組み合わせ毎に、計算した二乗和平均を図３に示す。図３は、二乗和平均の値が右に向かって小さくなるように並べてある。図３から明らかなように、長波長側の参照波長λ_Ｌを２．１μｍ（現在の通常の赤外線水分計が使用している値）とした場合は吸光度ｋ_０の二乗和平均が最も大きくなることがわかる。これは、図２から見て取れるように、焼結原料の反射スペクトルの２．１μｍ付近に小さなピーク（形状は焼結原料の銘柄により異なる）が存在することが原因である。一方、短波長側の参照波長λ_Ｓを１．７μｍ、長波長側の参照波長λ_Ｌを２．３μｍとしたときに、ｋ_０の二乗和平均を最も小さくすることができた。なお、上記実施形態ではｋ₀の二乗和平均を評価することで、複数種類の配合前原料に対する好適な参照波長を選択しているが、本発明はそのような評価手法に限定されるものではない。本発明は、例えばｋ₀の絶対値の総和や、ｋ₀の四乗和等を評価して好適な参照波長を選択しても良い。さらに、配合割合が常に多い配合前原料あるいは常に少ない配合前原料ある場合、その配合割合に応じた重みを付けて二乗和などを計算して好適な参照波長を選択しても良い。

尚、被測定対象物が焼結原料の場合には、長波長側の参照波長λ_Ｌが２．２μｍ以上２．４μｍ以下の範囲内にあれば、ｋ_０の二乗和平均を０．００１以下と非常に少ないレベルに保持することができる。更に、長波長側の参照波長λ_Ｌが２．２μｍ以上２．４μｍ以下の範囲内にあるときには、短波長側の参照波長λ_Ｓが１．６μｍ以上１．８μｍ以下の範囲内のいずれの波長であっても、ｋ_０の二乗和平均を小さくできる。

図４には、配合前原料Ａ〜Ｇのそれぞれについて、λ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍの波長を用いた場合と、λ_Ｓ＝１．７μｍ、λ_Ｌ＝２．３μｍの波長を用いた場合の、上記（３）’式による吸光度ｋ_０を示している。λ_Ｗはいずれも１．９６μｍである。図４から明らかなように、λ_Ｓ＝１．７μｍ、λ_Ｌ＝２．３μｍの波長を用いた場合（図中、塗り潰した正方形）は、λ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍの波長を用いた場合（図中、塗り潰していない正方形）と対比し、吸光度ｋ_０すなわち（４）式のｂがどの鉄鉱石銘柄でも非常に小さな値となることが明らかである。

次に、配合前の原料の個別銘柄ではなく、複数の配合前原料を配合した焼結原料について、λ_Ｓとλ_Ｌを変更したときの吸光度ｋと、乾燥質量法で測定した含有水分量ｗとの対比を行った。

配合する配合前原料と配合量を変化させ、３種類の焼結原料（配合後）（サンプル名：α、β、γ）を用意した。これら３種類の焼結原料について、含有水分量を０〜７％で変化させた焼結原料の試料を準備した。各焼結原料の試料について、乾燥質量法による含有水分量ｗの評価を行った。

赤外線水分測定において、λ_Ｗを１．９６μｍとし、λ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍの波長を用いた場合と、λ_Ｓ＝１．７μｍ、λ_Ｌ＝２．３μｍの波長を用いた場合について、吸光度ｋを評価した。吸光度ｋの評価に際しては、（２）式及び（３）式を用いた。

横軸を乾燥質量法で評価した含有水分量ｗ、縦軸を赤外線水分測定で得られた吸光度ｋとし、配合後の焼結原料α、β、γについて比較を行った。図５に従来から汎用的に使われている波長セットλ_Ｓ＝１．８μｍ、λ_Ｌ＝２．１μｍの波長を用いた場合を示す。また、図６に配合前原料ごとの評価で乾燥状態での吸光度ｋ_０の二乗和平均が最も低い値を示した波長セットλ_Ｓ＝１．７μｍ、λ_Ｌ＝２．３μｍの波長を用いた場合を示す。図５によると、焼結原料（配合後）の含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係は、焼結原料の種類によって、傾きａと切片ｂの両方が変動していることがわかる。それに対し図６によると、焼結原料（配合後）の種類が変わると、傾きａは変動するものの、いずれの焼結原料でも含有水分量と吸光度との関係は原点を通過していることがわかる。

即ち、複数の配合前原料をそれぞれ乾燥して水分を除去し、水分を除去した配合前原料のそれぞれについて吸光度ｋ_０を測定し、測定した複数の配合前原料の吸光度ｋ_０の二乗和平均を算出したとき、ｋ_０の二乗和平均が小さな値となるような参照波長λ_Ｓとλ_Ｌとを選択して赤外線水分測定を行うこととすれば、測定対象として複数の配合前原料が配合された焼結原料を用いた場合においても、吸光度ｋと含有水分量ｗの関係（検量線）は常に原点近傍を通過する直線上にあることがわかる。すると、検量線ｋ＝ａｗ＋ｂにおいて、許容測定誤差に照らしてｂ＝０と見なすことができる。この結果、配合前原料の銘柄や割合が変化した場合において、配合変更後の焼結原料について乾燥質量法で評価した含有水分量ｗ_Ｃと、赤外線吸光法で評価した吸光度ｋ_Ｃのデータが１セットあれば、このデータから、上記（１）式を用いてａを算出し、このａで前記（５）式を修正することにより、前記（５）式によって焼結原料の含有水分量ｗを精度良く測定することが可能になる。ｂに関する許容測定誤差とは次に述べる概念である。図６では配合によらずｂがゼロ付近にあるが、厳密にはｂが０±０．００５以内である。この０．００５の不確かさは水分測定における誤差０．２％に相当する。よって、もし水分測定で許容される誤差が０．２％であれば、ｂをゼロと見なしても実用上問題ない。このように、ｂが許容測定誤差以下ということは、ｂをゼロと見なしてもその影響が水分測定で許される誤差範囲内であることを示す。

水分を除去した複数の配合前原料について吸光度ｋ_０を測定し、吸光度ｋ_０の二乗和平均が小さくなるようなλ_Ｓとλ_Ｌを選択するに際しては、吸光度ｋ_０の二乗和平均が０．００１以下となるλ_Ｓとλ_Ｌを選択すれば、従来と比較して吸光度ｋ_０の二乗和平均が１／２以下となり、精度の良い水分測定を行うことができる。

また、λ_Ｓとλ_Ｌとのうち、λ_Ｌの方が焼結原料の水分測定精度に影響が大きい。従って、λ_Ｓとしては従来から用いられている値を用い、λ_Ｌのみを最適化すべく、上記吸光度ｋ_０の二乗和平均が小さくなるλ_Ｌを選択しても良い。

また、吸光度ｋ_０の二乗和平均が最も小さい値となった参照波長組み合わせを選択すれば、最も好ましい結果を得ることができる。

最適なλ_Ｌの選択、あるいは最適なλ_Ｓとλ_Ｌとの組み合わせの選択のためには、複数のλ_Ｌ、あるいは複数のλ_Ｓとλ_Ｌとの組み合わせについて、波長λ_Ｗにおける基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅを算出し、乾燥された配合前原料の試料に対して実測したｒ_Ｗ０ａとｒ_Ｗ０ｅから吸光度ｋ_０を求めることが必要である。このとき、各λ_Ｌ、λ_Ｓにおける分光反射率の測定に際しては、当該波長のバンドパスフィルターを用いることによって行うことができる。バンドパスフィルターは、当該波長の±０．０５μｍの赤外線を通過するフィルターを用いることができる。

また、バンドパスフィルターを用いるのではなく、連続波長の赤外線分光測定を行い、当該連続波長の赤外線分光測定結果から、所定のλ_Ｌ、λ_Ｓにおける分光反射率ｒ_Ｌ、ｒ_Ｓを読み取ることによって、最適なλ_Ｌ、あるいは最適なλ_Ｓとλ_Ｌとの組み合わせの選択を行うこともできる。連続波長の赤外線分光測定に際しては、例えばＦＴ−ＩＲ分光光度計を用いることができる。

以上詳述してきたことから明らかなように、本発明では焼結原料の含有水分量を赤外線水分計によって測定するに際し、長波長側の参照波長λ_Ｌとして２．２μｍ以上２．４μｍ以下の波長範囲から選択する適切な波長を用いる。これにより、焼結原料の配合条件が変わっても、含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係（検量線）で傾きは変動するものの、いずれの焼結原料でも含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係（検量線）は原点近傍を通過する。従って、赤外線を焼結原料に照射し、その反射光を検出し、赤外線の水による吸収を利用してその焼結原料の含有水分量ｗを測定する方法であって、水により吸収される波長λ_Ｗと、λ_Ｗより長波長側の参照波長λ_Ｌ、短波長側の参照波長λ_Ｓの３波長で分光反射率ｒ_Ｗ、ｒ_Ｌ、ｒ_Ｓを測定し、このｒ_Ｌとｒ_Ｓとから波長λ_Ｗにおける基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅを算出し、ｒ_Ｗとｒ_Ｗ０ｅから焼結原料の吸光度ｋを求め、予め乾燥質量法等により測定した焼結原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃと吸光度ｋ_Ｃとに基づき求めた含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係（検量線）から焼結原料の含有水分量ｗを算出する方法において、前記λ_Ｗとして波長１．９以上２．０μｍ以下の範囲に属する吸収波長を用い、前記λ_Ｌとして２．２μｍ以上２．４μｍ以下の波長範囲から選択する波長を用いることを特徴とする焼結原料の水分測定方法により、従来に比較して好ましい焼結原料の水分測定を行うことが可能となる。

上記本発明の方法において、予め測定した配合原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃと、吸光度ｋ_Ｃとに基づき求めた含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係から焼結原料の含有水分量ｗを算出するに際し、含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係は原点近傍を通過するので、吸光度ｋを比例係数ａで除算して焼結原料の含有水分量を算出することが可能である。尚、予め配合原料の試料の含有水分量ｗを測定するためには、乾燥質量法を用いることが好適である。

上記実施の形態において、短波長側の参照波長λ_Ｓとしては、従来から用いられているλ_Ｓをそのまま用いることとしてもよいが、λ_Ｓとして１．６μｍ以上１．８μｍ以下の波長範囲から選択する波長を用いてもよい。

次に、上記本発明の水分測定方法を実現する本発明の焼結原料の水分測定装置について図７に基づいて説明する。

本発明の、赤外線の水による吸収を利用して焼結原料の含有水分量を測定する水分測定装置１は、水により吸収される波長λ_Ｗを有する第１の赤外線と、波長λ_Ｗよりも長い波長λ_Ｌを有する第２の赤外線と、波長λ_Ｗよりも短い波長λ_Ｓを有する第３の赤外線と、を焼結原料に照射する光源２と、第１〜第３の赤外線の反射光を検出する検出器３と、波長λ_Ｗ、波長λ_Ｌ、波長λ_Ｓの３波長それぞれの赤外線を透過するバンドパスフィルター４と、演算装置５とを有する。焼結原料の分光反射率ｒ_Ｗ、ｒ_Ｌ、ｒ_Ｓは、水により吸収される波長λ_Ｗと、長波長側の参照波長λ_Ｌ、短波長側の参照波長λ_Ｓのそれぞれのバンドパスフィルター４（４_ｗ、４_Ｌ、４_Ｓ）を用いてそれぞれ求められる。演算装置５は、ｒ_Ｌとｒ_Ｓとから波長λ_Ｗにおける基準分光反射率ｒ_Ｗ０ｅを算出し、ｒ_Ｗとｒ_Ｗ０ｅから吸光度ｋを求め、予め測定した焼結原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃと吸光度ｋ_Ｃとに基づき求めた含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係から焼結原料の含有水分量ｗを算出する。前記λ_Ｗとして波長１．９μｍ以上２．０μｍ以下の範囲に属する吸収波長が用られ、前記λ_Ｌとして２．２μｍ以上２．４μｍ以下の波長範囲から選択する波長が用いられる。
このような本発明の焼結原料の水分測定装置を用いることにより、いずれの焼結原料６でも含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係は原点近傍を通過することとなる。３枚のバンドパスフィルター４（４_ｗ、４_Ｌ、４_Ｓ）の選択については、モーターの回転を用いたバンドパスフィルター選択装置７を用いることができる。

上記本発明の焼結原料の水分測定装置において、λ_Ｓとして１．６μｍ以上１．８μｍ以下から選択する波長を用いることとすることができる。

以上のようにして適切な参照波長を選択した本発明の配合原料（又は焼結原料）の水分測定方法又は水分測定装置においては、配合後の焼結原料の配合前原料の銘柄や配合割合が変化しても、赤外線分析における吸光度ｋと含有水分量ｗとの関係は、常に原点近傍を通過する一次式となる。つまり、予め測定した焼結原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃと吸光度ｋ_Ｃとから求められる検量線から焼結原料の含有水分量を算出するに際し、含有水分量ｗと吸光度ｋとの関係は原点近傍を通過するので、吸光度ｋを比例係数ａで除算して焼結原料の含有水分量を算出することが可能となる。従って、任意の焼結原料について、例えば１日のうちで決められたタイミングにおいて焼結機に装入される焼結原料について、前記吸光度ｋ_Ｃを測定するとともに、乾燥質量法によって含有水分量ｗ_Ｃを測定し、前記（１）式によって比例定数ａを算出することとすれば、本発明の水分測定方法及び水分測定装置の測定精度を常に正確に保持することが可能となる。

１ 水分測定装置
２ 光源
３ 検出器
４ バンドパスフィルター
５ 演算装置
６ 焼結原料
７ バンドパスフィルター選択装置

Claims (9)

1. ３波長式赤外線水分計を用いた配合原料の含有水分測定方法において、
   水により吸収される波長λ_Ｗより長い長波長側参照波長λ_Ｌと、前記波長λ_Ｗより短い短波長側参照波長λ_Ｓと、の参照波長組み合わせとして、
   前記長波長側参照波長λ_Ｌの候補である長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を複数仮定する工程と；
   複数の前記長波長側参照波長候補λ_Ｌ’の各々を用いた場合ごとに、水分が除去された状態の複数の配合前原料各々の吸光度ｋ_０を測定する工程と；
   複数の前記長波長側参照波長候補λ_Ｌ’の各々を用いた場合ごとに、前記複数の配合前原料各々の前記吸光度ｋ_０の二乗和を前記配合前原料の個数で除した値である、ｋ_０二乗和平均値を計算する工程と；
   前記複数の長波長側参照波長候補λ_Ｌ’のうち、前記ｋ_０二乗和平均値が０．００１以下になる長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を、前記長波長側参照波長λ_Ｌとして選択する工程と；
   により選ばれた参照波長組み合わせを用いることを特徴とする、配合原料の水分測定方法。
2. 前記ｋ_０二乗和平均値が最も小さい値となる長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を前記長波長側参照波長λ_Ｌとして選択することを特徴とする請求項１に記載の配合原料の水分測定方法。
3. 前記長波長側参照波長λ_Ｌの候補である長波長側参照波長候補λ_Ｌ’を複数仮定する工程と；
   前記短波長側参照波長λ_Ｓの候補である短波長側参照波長候補λ_Ｓ’を複数仮定する工程と；
   複数の前記長波長側参照波長候補λ_Ｌ’と、複数の前記短波長側参照波長候補λ_Ｓ’と、を組み合わせた参照波長組み合わせ候補を複数仮定する工程と；
   複数の前記参照波長組み合わせ候補各々を用いた場合ごとに、水分が除去された状態の前記複数の配合前原料各々の吸光度ｋ_０を測定する工程と；
   複数の前記参照波長組み合わせ候補各々を用いた場合ごとに、前記複数の配合前原料各々の吸光度ｋ_０の二乗和を配合前原料の個数で除した値である、ｋ_０二乗和平均値を計算する工程と；
   前記複数の参照波長組み合わせ候補のうち、前記ｋ_０二乗和平均値が０．００１以下になる参照波長組み合わせ候補を前記参照波長組み合わせとして選択する工程と；
   を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の配合原料の水分測定方法。
4. 前記複数の参照波長組み合わせ候補のうち、前記ｋ_０二乗和平均値が最も小さい値となる参照波長組み合わせ候補を前記参照波長組み合わせとして選択することを特徴とする請求項３に記載の配合原料の水分測定方法。
5. 前記参照波長組み合わせは、特定の波長を通すバンドパスフィルターを複数利用して選択されることを特徴とする請求項１又は３に記載の配合原料の水分測定方法。
6. 前記参照波長組み合わせは、連続波長の赤外線分光測定結果に基づき選択されることを特徴とする請求項１又は３に記載の配合原料の水分測定方法。
7. 前記配合原料は焼結原料であり；
   前記水により吸収される波長λ_Ｗは、１．９μｍ以上２．０μｍ以下の波長であり；
   前記長波長側参照波長λ_Ｌは、２．２μｍ以上２．４μｍ以下の波長範囲から選択される波長である；
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の配合原料の水分測定方法。
8. 前記短波長側参照波長λ_Ｓは、１．６μｍ以上１．８μｍ以下の波長範囲から選択される波長であることを特徴とする請求項７に記載の配合原料の水分測定方法。
9. 前記配合原料の試料の吸光度ｋ_Ｃを測定する工程と；
   乾燥質量法によって前記配合原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃを測定する工程と；
   前記配合原料の試料の吸光度ｋ_Ｃを、前記配合原料の試料の含有水分量ｗ_Ｃで除算することで比例係数ａを算出する工程と；
   前記配合原料の吸光度ｋを、前記比例係数ａで除算することで前記配合原料の含有水分量ｗを算出する工程と；
   を備えることを特徴とする請求項１又は３に記載の配合原料の水分測定方法。

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