JP6033690B2 - 高炉内装入物のプロフィル測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、高炉内装入物の表面の形状（プロフィル）の測定装置に関するものである。

一般に、銑鉄の製造における高炉には、炉頂から装入物として、粉鉄鉱石を焼き固めた焼結鉱や塊状鉄鉱石等（以下では単に鉄鉱石または鉱石と記す）及びコークスが交互に装入されて堆積し、炉内に鉱石層およびコークス層が形成される。そして、高炉下方にあ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（間接還元）、一部はコークスにより直接的に還元されて、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。炉内に形成された鉱石層およびコークス層は、炉内を徐々に降下する。

以上の工程において、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頂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。高炉内炉頂部における装入物のプロフィル（表面形状）は、ベル式装入装置ではムーバブルアーマを、また、ベルレス式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、炉頂部の装入物のプロフィルは、高炉の中心鉛直方向（軸心）を軸として中央部が低い略逆円錘形状をなしている。高炉内装入物のプロフィルは、高炉の操業にとって重要な情報であり、従来から炉内に装入され堆積した装入物のプロフィルを測定する装置が開発され、実用化されてきた。

例えば特許文献１には、マイクロ波発信器と、アンテナと、これらを連結する導波管と、マイクロ波を反射する反射板と、反射板駆動装置と、これらを連結する駆動軸と、を有し、アンテナ、導波管のアンテナ側の端部、反射板、駆動軸の反射板側の端部が、高炉の炉内に向けた開口部を有する耐圧容器内に収納されているプロフィル測定装置が開示されている。

このようなプロフィル測定装置において、従来、アンテナや反射板を高炉内の粉塵等から保護するため、耐圧容器の開口部（図２の炉内側開口部２１参照）に、マイクロ波を透過させる耐圧耐熱ガラスがはめ込まれている。

特開２０１１−１４５２３７号公報

しかしながら、プロフィル測定時には、反射板の向きを変え、それに応じてマイクロ波の反射方向を変えて測定を行う。そのため、耐圧容器の開口部に耐圧耐熱ガラスをはめ込む場合、反射方向の全ての範囲にわたって耐圧耐熱ガラスを設ける必要があり、面積の大きいガラスが必要となる。さらに、耐圧耐熱ガラスとしての性能を保つために、面積に伴って厚みも必要になる。また、設置後の耐圧耐熱ガラスのメンテナンスが極めて困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、高濃度粉塵下の高炉内の影響を受けることがなく、高精度に高炉内装入物のプロフィルが測定できるプロフィル測定装置において、耐圧耐熱ガラスの面積を縮小し厚みを少なくするとともにメンテナンスが容易に行えるようにすることにある。

上記問題を解決するため、本発明は、高炉の炉頂部に設置され、高炉内装入物のプロフィルを測定するプロフィル測定装置であって、マイクロ波の発信および受信が可能なマイクロ波送受信器と、前記マイクロ波送受信器から発信されたマイクロ波を放射するアンテナと、前記マイクロ波送受信器と前記アンテナとを連結する導波管と、前記アンテナから放射されたマイクロ波を前記高炉の炉内に向けて反射する反射板と、前記反射板を駆動する反射板駆動装置と、前記反射板と前記反射板駆動装置とを連結する駆動軸と、前記反射板で反射されたマイクロ波を透過する耐圧耐熱ガラスと、からなり、前記アンテナ、前記反射板、および前記耐圧耐熱ガラスが、前記高炉の炉内に向けた炉内側開口部を有する耐圧容器内に収容され、前記耐圧耐熱ガラスは、前記反射板の炉内に向けた反射方向に固定され、前記反射板とともに前記駆動軸を中心に回転することを特徴とする、高炉内装入物のプロフィル測定装置を提供する。

前記高炉内装入物のプロフィル測定装置において、前記耐圧耐熱ガラスおよび前記反射板が、前記駆動軸を中心に回転する回転容器に収容されていてもよい。また、前記耐圧容器の、前記耐圧耐熱ガラスが配置されている位置の頂面に、上部開口部および前記上部開口部を開閉可能な蓋が設けられてもよい。

前記耐圧耐熱ガラスの周囲に、前記高炉の外側から、前記高炉内の炉圧よりも高い圧力で窒素ガスが吹き込まれることが好ましい。また、前記炉内側開口部を開閉自在な弁が設けられてもよい。

本発明によれば、反射板とともに耐圧耐熱ガラスも回転し、マイクロ波の反射方向に常にガラスが配置されるので、ガラスの面積および厚みを最小限に縮小できる。また、耐圧耐熱ガラスを上部まで回転させることにより、メンテナンスが容易に行える。

本発明の測定装置を備えた高炉炉頂部の実施の形態の例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態にかかる測定装置の概略を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線から見た測定装置の縦断面図である。 図３のＢ−Ｂ線から見た測定装置の平面図である。 回転容器の例を示す斜視図である。 非測定時の状態の例を示す縦断面図である。 本発明にかかる測定装置を用いた測定方法例の説明図であり、（ａ）は炉内の状態を示す説明図、（ｂ）は補正量を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、本発明にかかるプロフィル測定装置１を高炉２に設置した例を示す。高炉２の炉口部にはベルレス式装入装置５が設けられ、鉄鉱石やコークス等の装入物４が、分配シュート６を通って炉内に装入される。本実施形態では、プロフィル測定装置１は、炉頂部付近の、炉体３よりも外側に、炉体３の中心軸に対して対称位置に二個所設置されている。なお、プロフィル測定装置１は、高炉２炉頂部の外側に一個所のみ設置してもよい。

図２は、図１のプロフィル測定装置１部分を拡大した図であり、図３は、プロフィル測定装置１の縦断面図であり、図４は、プロフィル測定装置１の平面図である。プロフィル測定装置１は、図３、図４に示すように、アンテナ１１および反射板１２と、アンテナ１１および反射板１２をそれぞれ支持、駆動、制御する導波管１３、マイクロ波送受信器１４、駆動軸１５、反射板駆動装置１６、および、マイクロ波が透過可能な耐圧耐熱ガラス１７を有する。そして、このプロフィル測定装置１は、反射板駆動装置１６を除いた部分が、耐圧容器２０に収容されている。耐圧容器２０は、底面に、炉内に向けた炉内側開口部２１を有し、図１に示すように高炉２の炉頂部付近に設置される。

アンテナ１１は、例えばφ２５０〜φ３６０ｍｍ程度のパラボラアンテナであり、導波管１３を介して、マイクロ波送受信器１４に連結されている。マイクロ波送受信器１４は、周波数が一定範囲で連続的に時間変化するマイクロ波を発生し、当該マイクロ波の発信および受信が可能なものである。マイクロ波送受信器１４には、データ処理部１８が信号線１９で接続されている。

マイクロ波送受信器１４で発生した、周波数が連続的に変化するマイクロ波は、アンテナ１１から放射されて反射板１２で反射され、耐圧耐熱ガラス１７を透過して、高炉２内の測定対象である装入物４の表面に照射される。照射されたマイクロ波は装入物４の表面で反射し、この反射波をマイクロ波送受信器１４で受信して検出する。データ処理部１８では、アンテナ１１でのマイクロ波の放射から受信までの間の周波数の変化分ΔＦから、アンテナ１１から測定対象（装入物４の表面）までのマイクロ波の往復時間ΔＴが求められ、アンテナ１１から測定対象までの距離が算出される。この測定は、マイクロ波を発射する電気信号と、装入物表面からの反射波を受信して得られる電気信号とをミキシングして測定するＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式（周波数変調連続波方式）と呼ばれる。当該方式のマイクロ波距離計は、市販の装置を用いてもよい。なお、マイクロ波による当該距離測定方式は、実施形態として使用可能な一例である。

測定に用いるマイクロ波の発信周波数帯域は、１０ＧＨｚ以上、好ましくは２４ＧＨｚ程度とし、周波数を高くするほど、アンテナ１１を小型化できる。マイクロ波を用いることにより、温度や粉塵等の環境の影響を受けにくく、高炉２内のプロフィルを正確に測定できる。また、パラボラアンテナは指向性が高いため、所望する位置に向けて高精度にマイクロ波を放射できる。さらに、放射時のマイクロ波の広がりが抑制されるために、炉内に向けた開口部２１を小さくすることができる。

図３、４に示すように、アンテナ１１のマイクロ波の送受信方向（中心軸線方向）の延長上に、反射板１２と反射板駆動装置１６とを連結する駆動軸１５が設けられている。すなわち、駆動軸１５の中心軸線が、アンテナ１１の中心軸線と一致するように、駆動軸１５が設けられている。図３に示すように、反射板１２は、アンテナ１１の中心軸線に対して略４５°の角度で駆動軸１５に固定されている。反射板１２は、例えばステンレスの板材からなり、アンテナ１１の正面側から見た面積が、アンテナ１１よりも少し大きいものとする。形状は限定しないが、操作性の上では円形が好ましい。反射板駆動装置１６により駆動軸１５をその中心軸の周りに回転させることで、アンテナ１１からその中心軸方向に放射されたマイクロ波を、反射板１２で、例えば図２に示すように、高炉２の炉内側へ向けて反射し、高炉２の直径方向に走査する。プロフィル測定装置１は、マイクロ波が炉の中心軸を通るように配置することが望ましい。

耐圧耐熱ガラス１７は、反射板１２の反射方向の投影面全体を覆う大きさおよび形状とし、マイクロ波を透過させるものとする。また、高炉２内の圧力に対して十分な耐圧性能が必要であり、例えば耐圧設計０．３ＭＰａ程度、耐熱温度２００℃程度、厚さ４０ｍｍ程度の強化ガラスや、耐熱温度１０００℃程度、厚さ２５ｍｍ程度の石英ガラスなどが用いられる。

本実施形態において、反射板１２および耐圧耐熱ガラス１７は、互いの位置関係を固定した状態で、円筒状の回転容器２２内に収容されている。回転容器２２は、例えば図５に示すように、円筒状の本体２２ａの外周にレール２２ｂを有し、耐圧容器２０内に固定されたレール受け２３（図３、４）に沿って、駆動軸１５を中心として回転する。したがって、回転容器２２内で反射板１２が回転した際に、耐圧耐熱ガラス１７も反射板１２の反射方向に配置された状態で回転するため、耐圧耐熱ガラス１７は、最小限の面積および厚みで、常に反射板１２で反射したマイクロ波を透過させることができる。

以上のように、耐圧耐熱ガラス１７が、常に反射板１２の反射方向の投影面に配置された状態で反射板１２とともに回転することにより、耐圧耐熱ガラス１７の面積および厚みを最小限に縮小することができるので、コストを抑えることができる。一例として、本発明の構成では３００φで２５ｍｍ厚の石英ガラスが適用される装置の場合、従来の構成ではおよそ４００ｍｍ×１２００ｍｍの大きさで４０ｍｍ厚のガラスが必要であった。

耐圧容器２０の炉内側開口部２１は、高炉２の炉内に連通している。炉内側開口部２１は、反射板１２で反射したマイクロ波が、炉内の所定範囲に照射されるように形成される。また、図３に示すように、炉内側開口部２１を開閉可能な例えばスイング式の弁２４が設けられる。弁２４は、プロフィル測定時以外には、高炉２から耐圧容器２０側に粉塵等が入り込むのを防ぐために、図３の二点鎖線で示す位置に配置させて炉内側開口部２１を塞ぐ。プロフィル測定時には、図３の実線で示すように下方に向けて退避させ、炉内側開口部２１を開放する。プロフィル測定を行わないときには、図６に示すように、弁２４を閉じるとともに、耐圧耐熱ガラス１７が上側に配置されるように回転容器２２を回転させることにより、耐圧耐熱ガラス１７を高炉２の熱等から保護することができる。なお、弁２４は仕切式のものでもよい。

さらに、耐圧容器２０は、反射板１２および耐圧耐熱ガラス１７が配置されている位置の頂面に上部開口部２５を有し、上部開口部２５を閉じる蓋２６が設けられている。図６に示すように耐圧耐熱ガラス１７が上側に配置されるまで回転容器２２を回転させた後、蓋２６を開けることにより、耐圧耐熱ガラス１７の点検や清掃、あるいは交換等を容易に行うことができる。

尚、耐圧容器２０および回転容器２２の内面は、炉内側開口部２１、上部開口部２５、および反射板１２の反射面側を除いて、発信周波数帯域に対応した電波吸収体２７で覆われている。電波吸収体２７を設けることにより、耐圧容器２０内でのマイクロ波の乱反射や多重反射に起因する測定ノイズが抑制される。

また、プロフィル測定時には、高炉２内部のガスや粉塵等が耐圧容器２０内に侵入するのを防ぎ、さらに耐圧容器２０を介して外部へ高炉２内のガス等が漏洩するのを防止する目的で、耐圧容器２０内に、例えば炉内圧の１．１倍程度の圧力になるように、窒素ガスで加圧を行う。図３に示すように、窒素ガスは、耐圧耐熱ガラス１７の表面に沿って吹き込むことで、耐圧耐熱ガラス１７の表面に炉内の粉塵等が付着することが防止でき、粉塵等の付着によるマイクロ波の減衰を防止することができる。さらに、プロフィル測定時には、耐圧容器２０の炉内側開口部２１の位置に水平方向に、高炉２の外側から、炉内圧よりも少し高い圧力、例えば炉内圧＋０．４ＭＰａ程度の圧力で窒素ガスを吹き込む。これにより、高炉２の吹き上げ等が起きたときでも、炉内側に圧力が作用するため、炉内の粉塵等が入り込むことがなく、プロフィル測定装置１を保護することができる。尚、耐圧容器２０内に吹き込むガスは、窒素以外の不活性ガスでもよい。

さらに、耐圧容器２０の炉内側開口部２１や、耐圧容器２０内のマイクロ波送受信器１４の周囲等に、高炉２の外側から冷却水を流し、プロフィル測定装置１を炉内の熱から保護するようにしてもよい。尚、窒素ガスの吹き込みによっても、耐熱容器２０内の冷却効果が発揮される。

以下、本発明のプロフィル測定装置１を用いて高炉内装入物のプロフィルを測定する手順の例を説明する。なお、以下に説明する測定方法は一例であり、本発明は、この測定方法に限って使用されるものではない。

先ず、プロフィル測定装置１の反射板１２の向きを初期位置に向けて、マイクロ波送受信器１４からマイクロ波を発信する。マイクロ波は、導波管１３、アンテナ１１を介して、反射板１２により反射され、耐圧耐熱ガラス１７を透過して高炉内装入物４に照射され、装入物４までの距離Ｄを測定する。そして、反射板１２を、例えば直下のプロフィルを測定する初期位置から、予め設定した所定位置、例えば炉の内径方向反対側を測定する位置までの間、反射板駆動装置１６により回転させる。所望の空間分解能に応じて予め設定した角度ごとに、装入物４までの距離を測定してその距離データが、また、反射板駆動装置１６はそのときの走査角度データが、データ処理部１８へ送られる。その後、反射板１２を初期位置側へ戻し、例えば１分など所定の時間間隔Ｔで、再度同様の測定を行う。データ処理部１８は、入力された走査角度データおよびそのときの距離データに基づいて、高炉内の各位置の装入物プロフィルを演算する。このとき、例えばマイクロ波を直下に向けた位置などの任意の位置において、予め設定した同一走査角度時の１回目の距離データＤ１と２回目の距離データＤ２から、高炉内装入物４の降下速度Ｖを演算する。降下速度Ｖは、以下の式で求められる。
Ｖ＝（Ｄ２−Ｄ１）／Ｔ＝ΔＤ／Ｔ

次に、測定した距離データの補正量を求める。本実施形態においては、炉の内径方向の水平距離に応じて、測定時の時間差による降下量の補正を行う。すなわち、図７（ａ）に示すように、初期位置を測定した測定開始時から測定終了時までには装入物４が降下するため、降下補正量ｒは、図７（ｂ）に示すように、初期位置から炉内径Ｌの水平方向の距離ｘが増すにつれて減少し、初期位置の反対側では０となる。測定位置による測定時間差を考慮し、その時間ｔで降下する量ｒを、炉の内径方向の距離に応じて補正する。つまり、初期位置の反対側を測定した時刻における装入物４の高さ位置を、補正により求める。尚、降下補正量ｒは、以下の式で求められる。
ｒ＝Ｖ×ｔ

このように、プロフィル測定値を降下補正量ｒで補正することにより、測定中の装入物４の降下の影響を排除した高炉内装入物４のプロフィルが求められる。なお、降下速度Ｖを、炉内位置によらず一定とすることで、簡易的なプロフィルを求めることもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、高温で粉塵等が発生する炉内の表面形状の測定装置に適用できる。

１ プロフィル測定装置
２ 高炉
３ 炉体
４ 装入物
５ ベルレス式装入装置
６ 分配シュート
１１ アンテナ
１２ 反射板
１３ 導波管
１４ マイクロ波送受信器
１５ 駆動軸
１６ 反射板駆動装置
１７ 耐圧耐熱ガラス
１８ データ処理部
２０ 耐圧容器
２１ 炉内側開口部
２２ 回転容器
２４ 弁
２５ 上部開口部
２６ 蓋
２７ 電波吸収体

Claims (5)

1. 高炉の炉頂部に設置され、高炉内装入物のプロフィルを測定するプロフィル測定装置であって、
   マイクロ波の発信および受信が可能なマイクロ波送受信器と、
   前記マイクロ波送受信器から発信されたマイクロ波を放射するアンテナと、
   前記マイクロ波送受信器と前記アンテナとを連結する導波管と、
   前記アンテナから放射されたマイクロ波を前記高炉の炉内に向けて反射する反射板と、
   前記反射板を駆動する反射板駆動装置と、
   前記反射板と前記反射板駆動装置とを連結する駆動軸と、
   前記反射板で反射されたマイクロ波を透過する耐圧耐熱ガラスと、からなり、
   前記アンテナ、前記反射板、および前記耐圧耐熱ガラスが、前記高炉の炉内に向けた炉内側開口部を有する耐圧容器内に収容され、
   前記耐圧耐熱ガラスは、前記反射板の炉内に向けた反射方向に固定され、前記反射板とともに前記駆動軸を中心に回転することを特徴とする、高炉内装入物のプロフィル測定装置。
2. 前記耐圧耐熱ガラスおよび前記反射板が、前記駆動軸を中心に回転する回転容器に収容されていることを特徴とする、請求項１に記載の高炉内装入物のプロフィル測定装置。
3. 前記耐圧容器の、前記耐圧耐熱ガラスが配置されている位置の頂面に、上部開口部および前記上部開口部を開閉可能な蓋が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の高炉内装入物のプロフィル測定装置。
4. 前記耐圧耐熱ガラスの周囲に、前記高炉の外側から、前記高炉内の炉圧よりも高い圧力で窒素ガスが吹き込まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の高炉内装入物のプロフィル測定装置。
5. 前記炉内側開口部を開閉自在な弁が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の高炉内装入物のプロフィル測定装置。

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