WO2019116909A1 - レベル計測装置 - Google Patents
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- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/284—Electromagnetic waves
Definitions
- the present invention relates to a level measuring device for measuring the level of slag surface inside a furnace.
- Patent Document 1 the method of measuring the bath surface level of the molten material charged to the converter using the radar type level meter using a microwave is proposed.
- the reflectance of the microwaves is greatly reduced, and it is necessary to use an antenna with high directivity. Therefore, in Patent Document 1, the tip of the antenna is notched and the directivity of the antenna is A pair of antennas directed towards the center of the
- the antenna since various pipes and machines are disposed in the space above the converter and the exhaust hood, a space for installing the antenna in the immediate vicinity of the converter and the exhaust hood can not be sufficiently secured. As a result, In some cases, the antenna must be installed at a distance from the converter and the exhaust hood. In such a case, the microwaves from the antenna may be reflected by various obstacles above the converter, so that it is not possible to detect the reflected microwaves from the slag surface that you really want to detect. There was a risk that the measurement could not be performed correctly.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a level measurement apparatus capable of performing measurement of the slag surface during blowing more accurately than in the past using microwaves. .
- a level measurement apparatus is a level measurement apparatus for measuring the level of a slag surface inside a furnace, wherein a hood opening portion is provided at a position facing the slag surface of an exhaust hood provided above the furnace. And a transmitting antenna provided above the hood opening for irradiating microwaves toward the inside of the furnace through the hood opening, and the transmitting antenna separately from above the hood opening.
- the transmission antenna includes: a lens unit that enhances a gain; and a level calculation unit that calculates the level of the slug surface from the reflected microwave Diameter greater than the diameter of the receiving antenna, the diameter of the transmitting antenna and phi 1, the diameter of the hood opening when the d, satisfy ⁇ 1> d / 2, having the structure.
- the transmitting antenna and the receiving antenna are disposed above the hood opening to move away from the slag surface in the furnace, adhesion of the bare metal or the slag to the transmitting antenna and the receiving antenna can be suppressed.
- Measurement of slag surface during blowing can be performed more accurately than before.
- by setting the transmitting antenna and the receiving antenna separately and making the diameter of the transmitting antenna larger than the diameter of the receiving antenna unnecessary reflection at the time of measuring the level of the slag surface can be suppressed.
- Measurement of slag surface during blowing can be performed more accurately than before.
- the S / N ratio at the time of measuring the level of the slag surface can be improved by increasing each antenna gain of the transmitting antenna and the receiving antenna by the lens unit.
- FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a converter 1 in a converter steelmaking process in which the level measuring device 10 of the present invention and the level measuring device 10 of the present invention are used.
- the molten iron 2 is charged into the inside of the converter 1 (hereinafter, also simply referred to as the inside of the furnace), and a gas such as oxygen is blown into the molten iron 2 from the lance 4 to make components of the molten iron 2 Make adjustments to produce molten steel.
- a gas such as oxygen is blown into the molten iron 2 from the lance 4 to make components of the molten iron 2 Make adjustments to produce molten steel.
- the level measuring device 10 is configured to be able to measure the level of the slag surface 3 thus formed in the furnace in real time.
- slag surface refers to the surface of molten slag exposed to the outside in the furnace.
- the “level” of the slag surface 3 refers to the height of the slag surface 3 in the furnace as viewed from the bottom of the furnace and a predetermined reference position.
- the opening forming portion 7 communicates the upper free space above the converter 1 with the inside of the furnace through the hood opening 6.
- a sublance (not shown) may be connected to the hood opening 6 as needed. Can be inserted into the furnace.
- the hood opening 6 is an upper wall surface of the exhaust hood 5 and is opened at a position facing the slag surface 3 in the furnace, and a rod-like sublance inserted from above the opening forming portion 7 is the hood opening. Through the part 6 it can be arranged on the slag surface 3.
- the level measurement apparatus 10 has the antenna installation portion 9 in which the antenna installation opening 9a is opened above the hood opening 6 into which the sublance is inserted.
- the antenna unit 10a or the sublance device is installed in the antenna installation unit 9 using a moving mechanism, as appropriate.
- the antenna unit 10a microwaves are irradiated and received through the antenna installation opening 9a.
- the sublance device is installed, the antenna is installed. The sublance is inserted toward the slag surface or the molten steel through the installation opening 9 a, the opening forming portion 7, and the hood opening 6.
- the diameter of the antenna installation opening 9a, the diameter of the opening of the opening forming portion 7, and the diameter of the hood opening 6 are formed to have substantially the same size in order to facilitate the insertion of the sublance.
- the openings of the antenna installation opening 9a, the hood opening 6, and the opening forming portion 7 are formed such that the central positions thereof are linearly aligned in the vertical direction.
- the level measurement apparatus 10 arranges the antenna unit 10 a in the antenna installation opening 9 a of the antenna installation unit 9 when the sublance is not inserted into the hood opening 6.
- the level measurement device 10 has a level calculation unit 10b, and the level calculation unit 10b performs an operation based on the reception signal received based on the transmission signal transmitted from the antenna unit 10a to the inside of the furnace,
- the level of the slag surface 3 can be measured by calculating the height of the slag surface 3.
- the diameter of the antenna installation opening 9 a of the antenna installation unit 9 is approximately equal to the diameter d of the hood opening 6 (approximately the same diameter), and the central axis thereof is the same as the central axis of the hood opening 6. It is located on the top.
- the diameter d of the hood opening 6 prevents the steam from the converter 1 and the scattering of metal or slag from leaking out of the exhaust hood 5, and various pipes and machines above the converter 1 and the exhaust hood 5.
- the wavelength of the microwave, the radar reflection cross section of the slug surface 3, etc. Size has been selected.
- the antenna installation part 9 has the antenna installation opening 9a at a predetermined height from the flange top 7a at the top of the opening forming part 7 formed around the hood opening 6, and the antenna installation opening 9a
- the antenna unit 10a installed in the housing is away from the hood opening 6.
- the heat insulating plate 14 is provided between the antenna unit 10a and the inside of the furnace.
- the heat insulating plate 14 is made of, for example, an inorganic ceramic which can transmit microwaves, such as alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 O 4 ), silicon dioxide (SiO 2 ) or the like. Accordingly, the heat insulating plate 14 can transmit and receive microwaves between the antenna unit 10a and the inside of the furnace, and can reduce the heat from the inside of the furnace to prevent the antenna unit 10a from being damaged by the heat.
- the antenna unit 10a is provided separately from the transmitting antenna 11 that radiates microwaves into the furnace through the hood opening 6 and the transmitting antenna 11, and is reflected from the slag surface 3 in the furnace to be a hood And a receiving antenna 12 for receiving the reflected microwave that has passed through the opening 6.
- the frequency of microwaves irradiated toward the inside of the furnace is preferably more than 10 GHz and not more than 90 GHz, since the inside of the furnace is narrow and the reflectance of microwaves on the slag surface 3 is small. Is preferably 35 GHz or more and 85 GHz or less.
- the transmitting antenna 11 is formed to have a diameter larger than the diameter of the receiving antenna 12.
- Each of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 is, for example, a conical horn antenna, and the open end of the enlarged diameter is directed to the inside of the furnace, and the expanded end is adjacent and disposed in the plane of the antenna installation opening 9a. It is set up.
- the transmission antenna 11 is formed such that the diameter at the end of the enlarged diameter is larger than the diameter at the end of the enlarged diameter of the reception antenna 12.
- the distance obtained by combining the diameter of the tip of the transmitting antenna 11 and the diameter of the tip of the receiving antenna 12 is the same as the diameter d of the hood opening 6.
- the distal ends of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 are disposed over substantially the entire radial direction of the antenna installation opening 9 a which has a diameter substantially the same as that of the hood opening 6.
- a lens unit 13 made of, for example, polytetrafluoroethylene (Teflon (registered trademark)) is provided at each end of each of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12.
- the transmission antenna 11 can increase the antenna gain of the transmission antenna 11 by causing the lens unit 13 to converge the microwaves irradiated to the slag surface 3.
- the receiving antenna 12 can increase the antenna gain of the receiving antenna 12 by causing the lens unit 13 to converge the reflected microwaves from the slag surface 3.
- the level measuring apparatus 10 can perform the level measurement of the FM-CW method using a microwave.
- the width of the frequency modulation of the microwaves irradiated into the furnace and the sweep period of the microwaves are set in advance to predetermined values.
- the frequency of the microwave (hereinafter, also simply referred to as a transmission wave) irradiated from the transmission antenna 11 into the furnace changes continuously and linearly with the passage of time.
- the reflected microwave (hereinafter, also simply referred to as a received wave) reflected by the slag surface 3 as the measurement object and received by the receiving antenna 12 has a distance from the receiving antenna 12 to the slag surface 3 (hereinafter, separation distance) And a delay ⁇ t (seconds) proportional to As a result, a difference ⁇ f (Hz) in frequency corresponding to the separation distance occurs between the transmission wave and the reception wave at a certain same time.
- a difference frequency signal (hereinafter also referred to as a beat wave or a beat signal) having a frequency component corresponding to ⁇ f is obtained.
- the time delay ⁇ t between the transmission wave and the reception wave corresponds to the time required for the microwave to reflect from the transmission antenna 11 at the slag surface 3 and return to the reception antenna 12.
- the process of calculating the separation distance is equivalent to calculating the frequency of the beat signal (beat frequency ⁇ f).
- the beat signal (beat wave) generated by the mixer often becomes a complex wave in which several frequency components are mixed.
- the level calculation unit 10 b performs Fourier transform processing based on the beat signal consisting of a plurality of frequency components to generate a frequency spectrum signal.
- the distance waveform desired to be obtained from the frequency spectrum signal is given by the main peak, and the level of the slag surface 3 in the furnace can be specified based on the distance.
- the diameter of the transmission wave emitted from the transmission antenna 11 increases.
- the transmission wave strikes the flange upper portion 7a at the top of the opening forming portion 7 formed around the hood opening 6 before reaching the furnace.
- unnecessary reflection other than the microwave reflected by the slag surface 3 occurs, measurement of the slag surface 3 is hindered.
- the diameter of the transmission antenna 11 (hereinafter also referred to as transmission antenna diameter) capable of suppressing unnecessary reflection even when the distance from the antenna installation portion 9 to the hood opening 6 is large was examined.
- ⁇ (x) indicates the beam radius at a position at a distance x from the antenna
- ⁇ 0 indicates the beam waist radius
- ⁇ indicates the wavelength of the microwave.
- ⁇ 0 corresponds to the beam radius at a distance of 0 from the transmitting antenna 11.
- the irradiation area diameter ⁇ 3 is calculated using the above equation 4
- the irradiation area diameter ⁇ 3 is used It changes with the frequency f [Hz] of a microwave, and is represented by following Formula. Where c is the speed of light [m / s].
- the smaller the transmission antenna diameter ⁇ 1 the smaller the irradiation area diameter ⁇ 3 at a short distance, and the larger the transmission antenna diameter ⁇ 1 , the larger the irradiation area diameter ⁇ 3 at a short distance.
- the larger the transmit antenna diameter phi 1 the smaller the irradiation region diameter phi 3.
- the transmitting antenna 11 in such a general furnace is at the position of 3 ⁇ 5 [m] apart flange upper portion 7a from revealed that optimal transmission antenna diameter phi 1 the range for reducing the irradiation region diameter phi 3 is present.
- the diameter d of the hood opening 6 is definite constraints on the converter blowing equipment, as shown in FIG. 2, the sum of the transmit antenna diameter phi 1 and the receiving antenna diameter phi 2 and the diameter d It is desirable to have antenna dimensions that are equal. As a result, the opening area of the hood opening 6 can be effectively utilized, so that the efficiency of transmission and reception in the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 can be improved.
- the central axis Z1 and the hood opening 6 of the transmitting antenna diameter phi 1 of the transmission by the value antenna 11 i.e., antenna installation openings 9a
- a level measurement apparatus having an antenna unit 100 a having the same diameter as the diameter of the transmission antenna 111 and the diameter Consider 100.
- Fourier transform processing is performed on the basis of the beat signal obtained from the transmission wave from the transmission antenna 111 and the reception wave from the reception antenna 112, and the horizontal axis represents the frequency ( Frequency spectrum signal was generated.
- the horizontal axis is converted to distance [m], and the vertical axis is AD input [dB] (hereinafter also referred to as “distance waveform”) as shown in FIG. Generated).
- distance waveform the position giving the main peak at a distance of 18 to 25 [m] corresponds to the separation distance (the distance from the antenna unit 100a to the slag surface 3) to be obtained.
- peaks appearing around a distance of 2 to 4 [m] on the horizontal axis indicate unnecessary reflections from the flange upper portion 7a at the top of the opening forming portion 7.
- a wraparound wave is generated unavoidably. Therefore, in the circuit design of the antenna unit 100a, the sensitivity and the like are designed so that the necessary reflection microwave can be measured in a state where the wraparound wave is generated. Therefore, if it is possible to make the magnitude of the unwanted reflection smaller than the magnitude of the coupling wave, it is possible to measure the desired distance without problems. Therefore, the magnitude of the unwanted reflection should be smaller than the coupling wave. is important.
- the unnecessary reflection shown in FIG. 7 occurs due to the presence of the interference length Li, if the interference length Li is smaller than in the case of FIG. 7, the unnecessary reflection is considered to be smaller. Therefore, in order to suppress the following wave echo unwanted reflections from 5 to increase the transmission antenna diameter phi 1, i.e., the transmission antenna diameter phi 1 larger than the receiving antenna diameter ⁇ 2 ( ⁇ 1> d / 2) is good.
- the reflectance of the slag surface 3 or the radar reflection cross-sectional area of the slag surface 3 greatly decreases when the slag is formed, and can not be measured if the position of the formed slag surface 3 is far beyond a certain level. It became clear by the inventors' examination. This point will be described below using the radar equation.
- the radar reflection cross section is ⁇ [m 2 ], the transmission output which is the performance of the level measurement device 10 is P t [mW], the transmission antenna gain is G 1 , the reception antenna gain is G 2 , Assuming that the microwave transmission factor per m] is T and the wavelength of the microwave is ⁇ [m], the received signal strength P r [mW] reflected by the slag surface 3 and returned to the receiving antenna 12 is It is given by the number 6.
- R represents the distance (separation distance) [m] from the receiving antenna 12 to the slag surface 3 when the slag surface 3 to be measured is formed.
- the separation distance from the transmission antenna 11 to the slag surface 3 is also regarded as R. No problem.
- the transmission antenna gain G 1 is determined by the opening area at the tip of the transmit antennas 11
- receive antenna gain G 2 is determined by the opening area of the front end of the receiving antenna 12.
- the antenna diameter also referred to as aperture diameter
- ⁇ n 1, 2
- ⁇ 1 represents a transmitting antenna diameter
- ⁇ 2 is a receiving antenna diameter
- ⁇ is the aperture efficiency of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12. Also, the aperture efficiency ⁇ is the same if the ratio of the aperture diameter to the length of the antenna is the same conical horn antenna, and here, the aperture efficiency ⁇ of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 is the same.
- the equation (7) representing the measurable condition of the reflected microwave can be expressed as the following equation (9) using the equation (8).
- Comparative Example 2 a general level measurement device (described later) in which a transmission / reception common antenna is installed above the furnace opening is referred to as Comparative Example 2, and Comparative Example 2 satisfies the measurable conditions shown in the equation 9 Consider whether or not.
- the minimum received power S min is about 10 ⁇ 8 [mW].
- FIG. 8 shows a circuit configuration of the level measurement apparatus 101 according to Comparative Example 2 in which the transmission / reception antenna 105 common to transmission / reception is installed above the furnace opening. As shown in FIG.
- the level measuring apparatus 101 as a comparative example amplifies the transmission signal sent from the oscillator 102 by the power amplifier 103, sends it to the transmitting and receiving antenna 105 via the circulator 104, and transmits and receives the transmitting and receiving antenna 105.
- the microwave is irradiated from inside to the furnace.
- the level measuring apparatus 101 when the reflected microwave from the inside of the furnace is received by the transmitting and receiving antenna 105, it is sent out to the low noise amplifier 106 as a received signal via the circulator 104.
- the level measuring apparatus 101 amplifies the received signal by the low noise amplifier 106, and the mixer 107 multiplies the received signal by the transmission signal to be the reference signal sent from the oscillator 102 to generate a beat signal.
- the level measuring apparatus 101 executes analog-to-digital conversion processing by the AD converter 109, and sends the obtained signal to the personal computer (PC) 110.
- the personal computer (PC) 110 performs Fourier transform processing etc.
- the level of the slag surface 3 in the furnace can be identified based on the separation distance.
- the circulator 104 has an isolation characteristic. For example, when the isolation of the circulator 104 is 15 [dB], even if a transmission signal of 20 [dBm] is sent from the power amplifier 103 to the circulator 104, A signal of 5 [dBm] is generated to be routed to the receiving side (low noise amplifier 106 side). Level measuring device 101 provided with a circulator 104, a larger transmission power P t, the circulator 104, the signal sneaking from the sender directly receiving side is also increased.
- the diameter d of the hood opening 6 above the furnace opening needs to be limited to a size (for example, 600 [mm]) that does not affect the displacement of the exhaust hood 5.
- a size for example, 600 [mm]
- the diameter d of the hood opening 6 is set to 600 mm, which is about twice the size of the equipment restriction, and the frequency of the transmitting / receiving antenna 105 is set to 45 GHz which is optimal for measuring the level of the slag surface 3
- the antenna gain G of the transmitting / receiving antenna 105 that can be installed to match the diameter d of the hood opening 6 is approximately 104.9 . Therefore, it is impossible to further increase the antenna gain G unless the diameter d of the hood opening 6 is increased. Even using the transmission and reception antenna 105 with 10 4.9 antenna gain G, can not be measurable satisfy the above Equation 9, it is not possible to constantly measure the level of the slag surface 3.
- the present inventors examined a method of reducing the minimum received power (the sensitivity of the level measurement apparatus 10), that is, reducing the right side of the above-mentioned equation (9).
- the circulator 104 is omitted by separating the conventional transmission / reception antenna 105 into the transmission antenna 11 dedicated to transmission and the reception antenna 12 dedicated to reception, which causes noise.
- the wraparound to the receiving side of the transmission signal in the circuit was reduced.
- FIG. 9 shows a circuit configuration of the level measuring apparatus 10 of the present invention in which the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 are separately provided.
- the level measuring apparatus 10 After the transmission signal generated by the oscillator 22 is amplified by the power amplifier 23, this is transmitted to the transmitting antenna 11, and microwaves are irradiated from the transmitting antenna 11 into the furnace. .
- the level measurement apparatus 10 receives the reflected microwave from the inside of the furnace by the receiving antenna 12, it transmits it as a received signal to the low noise amplifier 26, amplifies the received signal by the low noise amplifier 26, and then receives the received signal by the mixer 27.
- a beat signal is generated by multiplying the signal by the transmission signal to be the reference signal sent from the oscillator 22.
- the level measuring device 10 executes analog-to-digital conversion processing by the AD converter 29, and sends the obtained signal to the personal computer (PC) 30.
- the personal computer (PC) 30 executes Fourier transform processing etc. on the signal received from the AD converter 29, and generates a distance waveform in which the distance (separation distance) from the receiving antenna 12 to the slug surface 3 is given by the main peak
- the level of the slag surface 3 in the furnace can be identified based on the separation distance.
- the isolation between the spatially divided transmitting antenna 11 and receiving antenna 12 is about 30 [dB].
- the isolation of transmission and reception is improved from 15 [dB] to 30 [dB] when the transmission and reception antenna 105 is used, and transmission signal wraparound is reduced to -20 [dBm].
- generation of signal distortion in the low noise amplifier 26 and the AD converter 29 can be prevented.
- the level measurement apparatus 10 can remove noise generated in a low frequency region by a wraparound signal using a high pass filter (not shown), and the wraparound signal generated in the receiving antenna 12 is used to measure the level of the slug surface 3. Not affect.
- the minimum reception power S min of the level measurement apparatus 10 is 10 ⁇ 14 [mW].
- the conventional idea is that the antenna dimension is the largest within the diameter d of the hood opening 6 in order to increase the antenna gain.
- One transmission / reception common transmission / reception antenna 105 is disposed so as to be sized.
- the level measurement apparatus 10 of the present invention separate transmission antenna 11 and reception antenna 12 are provided.
- the circulator 104 which is conventionally required by using the transmitting and receiving antenna 105, is not required, and the wraparound of the transmission signal is suppressed to reduce noise, thereby achieving S / S. High level measurement of N ratio becomes possible.
- the minimum reception power S min is 10 ⁇ 8 [mW]
- the antenna diameter ⁇ is d. Therefore, the measurement possible conditions in the transmission / reception common transmission / reception antenna 105 are as shown in the above equation 9 to the following equation 10.
- the minimum reception power S min is 10 ⁇ 14 [mW]. Therefore, the measurement possible conditions at the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 which are separated from each other are as shown in the above equation 9 to the following equation 11.
- the condition of the diameter d at which the S / N ratio becomes highest is expressed by the following equation 12 by combining the equations 10 and 11 Can.
- R indicates the distance (separation distance) from the receiving antenna 12 to the slag surface 3 when the slag surface 3 to be measured is formed
- ⁇ indicates the wavelength of the microwave
- P t represents the transmission power [mW] of the microwave in the level measuring device 10
- sigma represents the radar cross-section of the slag surface 3
- T denotes the transmittance of 1 [m] microwaves around
- eta is The opening efficiency of the receiving antenna 12 is shown. However, ⁇ ⁇ ⁇ 1 ⁇ d ⁇ .
- the receiving antenna 12 is provided separately from the transmitting antenna 11, and the lens portions 13 for increasing the antenna gain are provided at the tips of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12, respectively. I made it.
- the level measuring device 10 the lens unit 13 and the transmitting antenna gain G 1 of the transmitting antenna 11 and receiving antenna gain G 2 of the receiving antenna 12 is increased, the S / N ratio at the time of the level measurement of the slag surface 3 It can be improved.
- the exhaust hood 5 is provided with the opening forming portion 7 forming the hood opening 6 for communicating the upper free space with the inside of the furnace, and the antenna installation portion 9 is provided above the hood opening 6.
- the antenna installation unit 9 arranges both the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 above the hood opening 6. In the level measurement apparatus 10, by separately providing the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12, the transmission signal does not directly go to the receiving side in the circuit, and it is possible to prevent the generation of noise caused by the loop signal.
- the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 are disposed above the hood opening 6 and away from the slag surface 3 in the furnace, adhesion of the bare metal or slag to the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 As a result, the measurement of the slag surface 3 during blowing can be performed more accurately than before.
- the level measuring device 10 by increasing the diameter phi 1 of the transmitting antenna 11 than the diameter phi 2 of the receiving antenna 12 and the transmitting antenna 11 and receiving antenna 12 are adjacent to arranged the hood opening 6 above With the configuration, unnecessary reflection at the time of level measurement of the slag surface 3 can be suppressed, and measurement of the slag surface 3 during blowing can be performed more accurately than in the past.
- the diameter d which is optimal for improving the S / N ratio of the diameter d of the hood opening 6 in consideration of the antenna characteristics of the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 and the characteristics of the slag surface 3 By selecting it, it is possible to improve the S / N ratio at the time of measuring the level of the slag surface 3 even if both the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 are provided.
- the diameter d is set to satisfy the condition represented by the above equation 12, even if both the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 12 are disposed above the hood opening 6, the slag surface 3
- the S / N ratio at the time of level measurement can be improved.
- a plurality of receiving antennas 32 are disposed at equal intervals in the antenna installation opening 9a so as to surround the transmitting antenna 31.
- the peripheral edge of each receiving antenna 32 is disposed in contact with the peripheral edge of the transmitting antenna 31.
- the interference length Li is 0 or less, the irradiation area and the flange upper portion 7a do not interfere with each other.
- From the transmitting antenna 31, and the distance r to the height of the flange upper portion 7a of aperture forming portion 7 4 and [m], and was d 300 [mm], ⁇ diameter phi 1 148 transmitting antenna 31 282
- the interference length Li becomes 0 or less.
- Li ⁇ 3 / 2 ⁇ d / 2 ⁇ 0, and ⁇ 3 ⁇ d. Accordingly, the above equation 5 can be expressed as the following equation.
- the diameter ⁇ 2 of the receiving antenna 32 is given by (d ⁇ 1 ) / 2, which needs to have a size larger than the wavelength of the microwave.
- Such conditions are (d ⁇ 1 ) / 2 ⁇ ⁇ .
- the diameter phi 1 of the transmitting antenna 31 also needs to have a size of more than the wavelength of the microwave. Therefore, the above conditions can also be expressed as ⁇ ⁇ ⁇ 1 ⁇ d ⁇ 2 ⁇ .
- condition that the above inequality 13 has a solution is the same as the condition that the following equation 14 has one or more solutions.
- Equation 15 The condition having one or more solutions in the above equation 15 can be expressed by the following equation 16, and further, the equation 16 can be represented as the equation 17.
- the diameter d of the hood opening 6 needs to satisfy the conditions of Equation 13 and Equation 17 below. Also in the other embodiments having the above configuration, the same effects as those of the above-described embodiments can be obtained.
- the present invention is not limited thereto.
- a nonferrous metal refining process in addition to a smelting reduction furnace, a nonferrous metal refining process
- the present invention can be applied to other various furnaces such as the furnace used for Examples of nonferrous metal refining processes include copper smelting processes.
- the diameter in the antenna installation opening 9a of the antenna installation part 9 was selected as the same magnitude
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Abstract
マイクロ波を用い、吹錬中のスラグ面の測定を従来よりも正確に行え得るレベル計測装置を提供する。レベル計測装置10では、送信アンテナ11および受信アンテナ12をフード開口部6上方に配置して炉内のスラグ面3から遠ざけており、送信アンテナ11および受信アンテナ12への地金やスラグの付着を抑止でき、その分、吹錬中のスラグ面3の測定を従来よりも正確に行える。また、レベル計測装置10では、送信アンテナ11の直径φ1を受信アンテナ12の直径φ2よりも大きくして、送信アンテナ11および受信アンテナ12をフード開口部6上方に配設することで、スラグ面3のレベル計測時における不要反射を抑止でき、吹錬中のスラグ面3の測定を従来よりも正確に行える。
Description
本発明は、炉の内部におけるスラグ面のレベルを計測するためのレベル計測装置に関する。
転炉製鋼プロセスにおいて生産性を向上させるためには、酸素等のガスをスラグ面に吹き付ける際、送酸速度を上げて、吹錬に要する時間を短縮することが重要となる。しかしながら、送酸速度を上げると、スロッピング(フォーミングしたスラグが炉口から溢れる現象)や、スピッティング(噴流によりスラグが飛散する現象)が発生して歩留まりの低下を招くだけでなく、炉口や、転炉の炉口上方に設けた煙道(以下、排気フードと呼ぶ)等に地金やスラグが付着してしまい、操業が阻害される等の問題が生じる可能性がある。従って、生産性の向上を図るためには、転炉の内容物のレベルを測定し、スロッピングの予兆となるスラグのフォーミング挙動等を正確にリアルタイムで把握することが重要となる。
そのため、例えば、特許文献1に示すように、マイクロ波を用いたレーダー方式のレベル計を用い、転炉に装入された溶融物の浴面レベルを測定する方法が提案されている。ここで、スラグがフォーミングすると、マイクロ波の反射率が大きく低下するため、指向性の高いアンテナを用いる必要があるため、特許文献1では、アンテナの先端を切り欠き、かつアンテナの指向性を炉の中心方向に向けた一対のアンテナを用いている。
しかしながら、特許文献1に示す方法では、アンテナの指向性を炉の中心方向に向けるために、転炉上部の排気フード内部にアンテナ先端を挿入する必要がある。転炉吹錬(以下、単に吹錬とも呼ぶ)中の排気フード内には、地金やスラグが飛散しているため、排気フード内に設けたアンテナ先端にも、これら地金やスラグが付着し、アンテナによるマイクロ波の測定を阻害してしまう恐れがある。そのため、特許文献1では、吹錬中のスラグ面の測定を正確に行えない恐れがあった。
また、転炉や排気フードの上方空間には、各種配管や機械等が配置されているため、アンテナを転炉や排気フードの直近に設置するための空間が十分に確保できず、結果として、アンテナを転炉や排気フードから距離を離して設置せざるを得ない場合がある。そうした場合には、アンテナからのマイクロ波が、転炉上方の種々の障害物で反射してしまうことがあり、本当に検出したいスラグ面からの反射マイクロ波を検出することができず、スラグ面の測定が正確に行えない恐れがあった。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ波を用い、吹錬中のスラグ面の測定を従来よりも正確に行え得るレベル計測装置を提供することを目的とする。
本発明のレベル計測装置は、炉の内部におけるスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置において、前記炉の上方に設けられた排気フードの、前記スラグ面と対向する位置に開口されたフード開口部と、前記フード開口部の上方に設けられ、前記フード開口部を介して前記炉の内部に向けてマイクロ波を照射する送信アンテナと、前記送信アンテナとは別体で、前記フード開口部の上方に設けられ、前記フード開口部を介して前記炉の内部からの反射マイクロ波を受信する受信アンテナと、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの各先端に設けられ、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのアンテナ利得を高めるレンズ部と、前記反射マイクロ波から、前記スラグ面のレベルを算出するレベル算出部と、を備え、前記送信アンテナの直径が、前記受信アンテナの直径より大きく、前記送信アンテナの直径をφ1とし、前記フード開口部の直径をdとしたとき、φ1>d/2を満たす、構成を有する。
本発明によれば、送信アンテナおよび受信アンテナをフード開口部上方に配置して炉内のスラグ面から遠ざけたことから、送信アンテナおよび受信アンテナへの地金やスラグの付着を抑止でき、その分、吹錬中のスラグ面の測定を従来よりも正確に行うことができる。また、本発明によれば、送信アンテナおよび受信アンテナを別体とし、送信アンテナの直径を受信アンテナの直径よりも大きくすることで、スラグ面のレベル計測時における不要反射を抑止することができ、吹錬中のスラグ面の測定を従来よりも正確に行うことができる。さらに、本発明によれば、レンズ部により送信アンテナおよび受信アンテナの各アンテナ利得が高められることにより、スラグ面のレベル計測時におけるS/N比を向上させることができる。
<本発明のレベル計測装置について>
図1は、本発明のレベル計測装置10と、本発明のレベル計測装置10が用いられる転炉製鋼プロセスにおける転炉1の構成を示した概略図である。
図1は、本発明のレベル計測装置10と、本発明のレベル計測装置10が用いられる転炉製鋼プロセスにおける転炉1の構成を示した概略図である。
転炉製鋼プロセスでは、転炉1の内部(以下、単に炉内とも呼ぶ)に溶銑2を装入し、かかる溶銑2に対してランス4から酸素等のガスを吹き込むことによって、溶銑2の成分調整を行って溶鋼を生成する。かかる溶融物の表面には、処理の進行に伴ってスラグが生成される。本発明によるレベル計測装置10は、このように炉内に形成されるスラグ面3のレベルをリアルタイムで計測し得るようになされている。本発明において、「スラグ面」とは、炉内で外部に露出した、溶融状態のスラグの表面をいう。スラグ面3の「レベル」とは、炉内底部や所定基準位置から見た、炉内におけるスラグ面3の高さをいう。
転炉1で行われる処理では、蒸気やダスト等が発生するため、発生するダスト等を外部環境に放出させないために、転炉1の上方に開いた炉口付近に端部を有し、上方に延びる排気フード5が設けられている。この排気フード5には、ランス4を転炉1内に挿入するためのランス用開口部の他、炉口上方にフード開口部6が開口されている。また、フード開口部6の周りには上方へ延設された開口形成部7が配管状の構造物として設けられている。
開口形成部7は、転炉1上方の上部自由空間と炉内とを、フード開口部6を介して連通させており、例えばサブランス(図示せず)を、必要に応じ、フード開口部6を介して炉内へ挿入することができる。
フード開口部6は、排気フード5の上壁面であって、かつ炉内のスラグ面3と対向する位置に開口されており、開口形成部7の上方から挿入された棒状のサブランスが、フード開口部6を通じて、スラグ面3上に配置され得る。
かかる構成に加えて、本発明によるレベル計測装置10は、サブランスが挿入されるフード開口部6の上方に、アンテナ設置開口部9aが開口されたアンテナ設置部9を有している。アンテナ設置部9には、転炉で行われる工程の種類により、適宜、移動機構を用いてアンテナ部10a又はサブランス装置のいずれかが設置される。アンテナ部10aが設置される際には、アンテナ設置開口部9aを介して、マイクロ波が照射され、かつ、受信されることとなるが、一方で、サブランス装置が設置される場合には、アンテナ設置開口部9a、開口形成部7、及び、フード開口部6を介して、サブランスが、スラグ面や溶鋼に向けて挿入されることとなる。そのため、アンテナ設置開口部9aの直径、開口形成部7の開口の直径、及び、フード開口部6の直径は、サブランスの挿入を容易にするため、略同一の大きさで形成される。また、アンテナ設置開口部9a、フード開口部6、及び、開口形成部7の開口は、その中心位置が、鉛直方向に直線状に並ぶように形成される。
レベル計測装置10は、フード開口部6にサブランスが非挿入のときに、アンテナ設置部9のアンテナ設置開口部9aにアンテナ部10aを配置させる。レベル計測装置10は、レベル算出部10bを有しており、当該レベル算出部10bによって、アンテナ部10aから炉内に向けて送信した送信信号を基に受け取った受信信号に基づき演算が行われ、スラグ面3の高さを算出してスラグ面3のレベル計測を行い得る。ここで、アンテナ設置部9のアンテナ設置開口部9aは、その直径がフード開口部6の直径dと略等しく(略同一直径)、かつ、その中心軸がフード開口部6の中心軸と同一軸上に配置されている。
フード開口部6の直径dは、転炉1からの蒸気や、地金やスラグの飛散が排気フード5外に漏れることを防ぎ、転炉1や排気フード5の上方にある各種配管や機械等の配置から許容される範囲で、サブランスの使用が容易となるようにし、かつ、レベル計測装置10におけるアンテナ部10aのアンテナ特性や、マイクロ波の波長、スラグ面3のレーダー反射断面積等に基づいて最適な大きさに選定されている。
アンテナ設置部9は、フード開口部6周辺に形成された開口形成部7の最上部にあるフランジ上部7aから、所定の高さにアンテナ設置開口部9aを有しており、アンテナ設置開口部9aに設置されたアンテナ部10aをフード開口部6から遠ざけている。これにより、アンテナ設置部9は、炉内のスラグ面3からアンテナ部10aを遠ざけることができる分、スラグ面3から飛散した地金やスラグがアンテナ部10aまで到達し難くなり、地金やスラグがアンテナ部10aに付着することを抑止できる。また、距離の自由度を高くとれるため、転炉1や排気フード5の上方にある各種配管や機械等の配置に束縛され難くなる。
この実施形態の場合、アンテナ設置部9には、アンテナ部10aが設置されている他、当該アンテナ部10aと炉内との間に断熱板14が設けられている。断熱板14は、例えばアルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3O4)、二酸化ケイ素(SiO2)等のように、マイクロ波が透過可能な無機セラミックスにより形成されている。これにより、断熱板14は、アンテナ部10aと炉内との間でマイクロ波の送受信を可能にしつつ、炉内からの熱を低減して熱によりアンテナ部10aが損傷することを防止し得る。
アンテナ部10aは、マイクロ波をフード開口部6を介して炉内に向けて照射する送信アンテナ11と、当該送信アンテナ11とは別体に設けられ、炉内のスラグ面3から反射してフード開口部6を通過した反射マイクロ波を受信する受信アンテナ12とを備えている。なお、炉内に向けて照射されるマイクロ波の周波数としては、炉内が狭く、かつスラグ面3におけるマイクロ波の反射率が小さいという特性から、10[GHz]超90[GHz]以下、好ましくは35[GHz]以上85[GHz]以下であることが望ましい。
かかる構成に加えて、送信アンテナ11は、直径が受信アンテナ12の直径よりも大きく形成されている。送信アンテナ11および受信アンテナ12は、それぞれ、例えば円錐型のホーンアンテナであり、開口した拡径の先端を炉内に向け、拡径の先端を隣接させてアンテナ設置開口部9aの面内に配設されている。本実施形態の場合、送信アンテナ11は、拡径の先端における直径が、受信アンテナ12の拡径の先端における直径よりも大きく形成されている。送信アンテナ11における先端の直径と、受信アンテナ12における先端の直径とを合わせた距離は、フード開口部6の直径dと同じである。送信アンテナ11および受信アンテナ12の先端は、フード開口部6と略同一の直径であるアンテナ設置開口部9aの径方向の略全域に亘って配置されている。
送信アンテナ11および受信アンテナ12には、各先端に、例えばポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))からなるレンズ部13が設けられている。送信アンテナ11は、スラグ面3に照射するマイクロ波をレンズ部13によって収束させることにより、送信アンテナ11のアンテナ利得を高めることができる。また、受信アンテナ12は、スラグ面3からの反射マイクロ波をレンズ部13により収束させることにより、受信アンテナ12のアンテナ利得を高めることができる。
ここで、レベル計測装置10は、マイクロ波を利用したFM-CW方式のレベル計測を行い得る。この場合、炉内に照射するマイクロ波の周波数変調の幅と、当該マイクロ波の掃引周期とは、予め所定の値に設定されている。送信アンテナ11から炉内に向けて照射されるマイクロ波(以下、単に送信波とも呼ぶ)の周波数は、時間の経過とともに連続的かつ直線的に変化する。
一方、計測対象物となるスラグ面3により反射されて受信アンテナ12で受信される反射マイクロ波(以下、単に受信波とも呼ぶ)は、受信アンテナ12からスラグ面3までの距離(以下、離隔距離とも呼ぶ)に比例した遅れΔt(秒)を生じることとなる。その結果、ある同時刻における送信波と受信波との間には、離隔距離に対応した周波数の差Δf(Hz)が生じる。このような送信波および受信波がミキサによって混合されると、Δfに相当する周波数成分を有した差周波信号(以下、ビート波またはビート信号とも呼ぶ)となる。
送信波と受信波との時間的遅れΔtは、マイクロ波が送信アンテナ11からスラグ面3で反射して受信アンテナ12まで戻るために要する時間に相当する。離隔距離を算出するという処理は、ビート信号の周波数(ビート周波数△f)を算出することと等価である。ここで、現実の計測環境においては、ミキサにより生成されるビート信号(ビート波)には、いくつもの周波数成分が混じり合った複合波となる場合が多い。
従って、このような複数の周波数成分からなるビート信号の周波数を求めるために、レベル算出部10bでは、複数の周波数成分からなるビート信号を基にフーリエ変換処理を行い、周波数スペクトル信号を生成した後、周波数スペクトル信号から求めたい離隔距離がメインピークで与えられる距離波形を生成して、離隔距離に基づいて炉内におけるスラグ面3のレベルを特定し得る。
ところで、アンテナ部10aから(即ち、アンテナ設置部9から)、炉内に連通したフード開口部6までの距離が離れれば離れる程、排気フード5内に飛散する地金やスラグが、アンテナ部10aや断熱板14に到達し難くなる。よって、排気フード5内に飛散する地金やスラグが、アンテナ部10aや断熱板14に付着することを抑制し得、スラグ面3の測定の障害となることを防ぐことができる。
一方で、アンテナ部10aから、フード開口部6までの距離が離れれば離れる程、送信アンテナ11から発する送信波の直径が拡がる。このように送信波が広がった場合には、送信波が炉内に到達する前に、フード開口部6の周辺に形成された開口形成部7の上部にあるフランジ上部7aに当たる。その結果、スラグ面3で反射したマイクロ波以外の、不要反射が生じてしまうため、スラグ面3の測定が阻害されてしまう。
そこで、アンテナ設置部9からフード開口部6までの距離が離れている場合でも、不要反射を抑制し得る、送信アンテナ11の直径(以下、送信アンテナ径とも呼ぶ)を検討した。
先端にレンズ部13を設けた送信アンテナ11から放射されるマイクロ波は、一般的に、次式のようなガウシアンビームの伝搬に従うことが知られている。
ただし、ω(x)は、アンテナから距離xにある位置でのビーム半径を示し、ω0はビームウェスト半径を示し、λはマイクロ波の波長を示す。送信アンテナ11から照射されるマイクロ波に当てはめると、ω0は送信アンテナ11からの距離が0でのビーム半径に相当する。
次に、図2に示すように、送信アンテナ11の直径(以下、送信アンテナ径とも呼ぶ)をφ1[m](=2ω0)とし、送信アンテナ11から開口形成部7のフランジ上部7aの高さ位置までの距離rでの送信波の照射領域径をφ3[m](=2ω)とし、上記数4を用いて照射領域径φ3を計算すると、照射領域径φ3は、用いるマイクロ波の周波数f[Hz]によって変化し、次式で表わされる。ただし、cは光速[m/s]とする。
上記数5を用いて、マイクロ波(送信波)の周波数を40[GHz]とし、送信アンテナ径φ1を20~280[mm]としたときに、距離rに対する送信波の照射領域径φ3を求めたところ、図3に示すような結果が得られた。
図3から明らかなように、送信アンテナ径φ1が小さいほど、近距離での照射領域径φ3は小さくなり、送信アンテナ径φ1が大きいほど、近距離での照射領域径φ3は大きくなる。しかしながら、送信アンテナ11から遠方に離れる(距離rが大きくなる)につれて、この傾向は逆転し、送信アンテナ径φ1が大きいほど、照射領域径φ3は小さくなる。
そのため、送信アンテナ11の先端から、開口形成部7上部のフランジ上部7aの高さ位置までの一般的な距離rは3~5[m]程度であるため、そうした一般的な炉における送信アンテナ11から3~5[m]離れたフランジ上部7aの位置において、照射領域径φ3を小さくするための最適な送信アンテナ径φ1の範囲が存在することが明らかになった。
距離r=4[m]における照射領域径φ3を送信アンテナ径φ1に対して計算したところ、図4に示すような結果を得た。距離r=4[m]においては、送信アンテナ径φ1が195[mm]のときに、最も照射領域径φ3が小さくなる。また、距離r=3[m]の場合には、送信アンテナ径φ1が169[mm]のときに照射領域径φ3が最小となり、距離r=5[m]の場合には、送信アンテナ径φ1が219[mm]のときに照射領域径φ3が最小となる。したがって、送信アンテナ径φ1は、距離rが3~5[m]のとき、169~219[mm]とするのが望ましい。
次に、フード開口部6の直径dが転炉吹錬設備上の制約から定まった場合、図2に示したように、送信アンテナ径φ1と受信アンテナ径φ2との和が直径dと等しくなるようなアンテナ寸法とすることが望ましい。これにより、フード開口部6の開口面積を有効に活用できるため、送信アンテナ11および受信アンテナ12における送受信の効率を良くすることができる。
このとき、送信アンテナ径φ1の値によって送信アンテナ11の中心軸Z1とフード開口部6(即ち、アンテナ設置開口部9a)の中心軸Z2の水平方向の距離が変化する。その結果、炉内と連通する開口形成部7上部のフランジ上部7aと、送信アンテナ11からの送信波との干渉量も変化する。そこで、図2に示したように、送信アンテナ径φ1と、中心軸Z1,Z2の位置の変化とを考慮し、フランジ上部7aと照射領域径φ3とが干渉する長さ(以下、干渉長さと呼ぶ)Li=φ3/2-φ1/2を算出した。
距離r=4[m]における干渉長さLiの計算結果を、図5に示す。送信アンテナ径φ1が大きくなればなるほど、照射領域径φ3が小さくなるとともに、送信アンテナ11の中心軸Z1がフード開口部6の中心軸Z2に近づいていくため、干渉長さLiは小さくなる。
ここで、図1との対応部分に同一符号を付して示す図6のように、比較例1として、送信アンテナ111の直径と受信アンテナ112の直径とが等しいアンテナ部100aを有するレベル計測装置100について検討する。ここで、レベル計測装置100において、上述したように、送信アンテナ111からの送信波と受信アンテナ112での受信波とから得られたビート信号を基にフーリエ変換処理を行い、横軸を周波数(Hz)とした周波数スペクトル信号を生成した。
次いで、得られた周波数スペクトル信号を基に、横軸を距離[m]に変換し、縦軸をAD入力[dB]とした、図7のような波形(以下、「距離波形」とも呼ぶ。)を生成した。この距離波形において、距離が18~25[m]においてメインピークを与える位置が、求めたい離隔距離(アンテナ部100aからスラグ面3までの距離)に対応する。
送信アンテナ111および受信アンテナ112を別体とした場合、空間的に分割した送信アンテナ111および受信アンテナ112間には、微小な送信信号の回り込みが発生する。なお、図7では、送信アンテナ111および受信アンテナ112の先端を基準(距離0[m])とせずに、距離波形を生成するレベル算出部10b内のAD変換器(図示せず)の位置を基準(距離0[m])としている。よって、図7において、回り込み波を示すピークは、横軸において距離0[m]に現れておらず、距離1[m]程度ズレて現れている。
図7において、横軸の距離2~4[m]前後に現れているピークは、開口形成部7上部のフランジ上部7aからの不要反射を示している。
一般に、回り込み波は不可避的に発生するため、アンテナ部100aの回路設計上、回り込み波が発生する状態で、必要な反射マイクロ波の測定ができるように感度等の設計がなされる。そのため、不要反射の大きさを、回り込み波の大きさより小さくできれば、求めたい距離を問題なく測定することが可能となるので、不要反射の大きさを、回り込み波の大きさに対して小さくすることが重要である。
図7に示すように、送信アンテナ111の直径と受信アンテナ112の直径とが等しいレベル計測装置100では、フランジ上部7aからの不要反射の大きさと、回り込み波の大きさとがほぼ等しくなるという結果が得られた。そのため、この比較例1の状態より不要反射を小さくできれば、距離の測定が可能となる。
図7に示す不要反射は、干渉長さLiがあることにより発生しているため、図7における場合よりも、干渉長さLiを小さくすれば、不要反射も小さくなると考えられる。したがって、不要反射を回り込み波以下に抑制するためには、図5から、送信アンテナ径φ1を大きくする、すなわち、送信アンテナ径φ1を受信アンテナ径φ2よりも大きくする(φ1>d/2)のが良い。
ここで、スラグ面3の反射率、或いは、スラグ面3のレーダー反射断面積は、スラグがフォーミングすると大きく低下し、フォーミングしたスラグ面3の位置が、一定以上遠くにあると、測定できなくなることが発明者らの検討により明らかになった。この点について、以下、レーダー方程式を用いて説明する。
レーダー反射断面積をσ[m2]、レベル計測装置10の性能である送信出力をPt[mW]、送信アンテナ利得をG1、受信アンテナ利得をG2、炉口上方環境での1[m]あたりのマイクロ波の透過率をT、マイクロ波の波長をλ[m]とすると、スラグ面3で反射して受信アンテナ12に戻ってくる受信信号強度Pr[mW]は、下記の数6で与えられる。なお、ここでのRは、計測対象となるスラグ面3が形成されたときの、受信アンテナ12からスラグ面3までの距離(離隔距離)[m]を示す。また、送信アンテナ11と受信アンテナ12との間の距離は、受信アンテナ12からスラグ面3までの離隔距離Rに比べて十分短いため、送信アンテナ11からスラグ面3までの離隔距離もRと見なして差し支えない。
この受信信号強度Pr[mW]が、レベル計測装置10の最小受信電力Sminの10倍よりも大きければ、レベル計測装置10において反射マイクロ波の測定が可能となる。これを不等式で表わすと、下記の数7となる。
ここで、送信アンテナ利得G1は送信アンテナ11の先端における開口面積によって決められ、受信アンテナ利得G2は受信アンテナ12の先端における開口面積によって決められる。例えば円錐型のホーンアンテナを用いる場合には、そのアンテナ直径(開口直径とも呼ぶ)をφn(n=1,2であり、φ1は、送信アンテナ径を示し、φ2は、受信アンテナ径を示す)[m]とし、アンテナ利得Gn(n=1,2であり、G1は送信アンテナ利得を示し、G2は受信アンテナ利得を示す)としたとき、下記の数8で表すことができる。
ηは送信アンテナ11および受信アンテナ12の開口効率である。また、開口効率ηは、開口直径と、アンテナの長さとの比が同一の円錐ホーンアンテナであれば同一となり、ここでは、送信アンテナ11および受信アンテナ12の開口効率ηは同一としている。反射マイクロ波の測定可能条件を表した上記数7は、上記数8を用いると、下記の数9のように表すことができる。
ここで、先ず始めに、送受信共通の送受信アンテナを炉口上方に設置した一般的なレベル計測装置(後述する)を比較例2とし、上記数9に示した測定可能条件を比較例2が満たすか否か検討する。比較例2のレベル計測装置では、最小受信電力Sminが10-8[mW]程度である。この比較例2のレベル計測装置においては、一般的なパラメータとして、送信出力Ptを10[mW]、マイクロ波の波長λを6.67[mm](周波数45[GHz])、送受信アンテナの開口効率ηを0.25、マイクロ波の透過率Tを0.98、スラグ面のレーダー反射断面積σを10-4.3[m2]、スラグ面3が形成されたときの、送受信アンテナからスラグ面3までの離隔距離Rを25[m]、送受信アンテナの直径φ(送受信アンテナのみ設けているため、φ=φ1=φ2)を250[mm]とすると、測定可能条件を示した上記数9の不等式を満たさない。このことから、このレベル計測装置について、上記のような送信出力Pt、波長λ、開口効率η等としたときには、吹錬中のスラグ面3のレベルを常時測定は不可能である。
よって、スラグ面3のレベルを常時測定するためには、上記数9の左辺を大きくするか、或いは右辺を小さくする必要がある。
まず、上記数9の左辺について検討する。左辺で変更可能なパラメータとしては、アンテナ利得Gn(数8)と、送信出力Ptとがある。ここで送信出力Ptを大きくした場合について、図8を用いて検討する。図8は、送受信共通の送受信アンテナ105を炉口上方に設置した、比較例2となるレベル計測装置101の回路構成を示す。図8に示すように、比較例となるレベル計測装置101は、発振器102から送出された送信信号をパワーアンプ103で増幅した後、サーキュレータ104を介して送受信アンテナ105に送出し、当該送受信アンテナ105から炉内に向けてマイクロ波を照射する。
まず、上記数9の左辺について検討する。左辺で変更可能なパラメータとしては、アンテナ利得Gn(数8)と、送信出力Ptとがある。ここで送信出力Ptを大きくした場合について、図8を用いて検討する。図8は、送受信共通の送受信アンテナ105を炉口上方に設置した、比較例2となるレベル計測装置101の回路構成を示す。図8に示すように、比較例となるレベル計測装置101は、発振器102から送出された送信信号をパワーアンプ103で増幅した後、サーキュレータ104を介して送受信アンテナ105に送出し、当該送受信アンテナ105から炉内に向けてマイクロ波を照射する。
レベル計測装置101では、炉内からの反射マイクロ波を送受信アンテナ105で受信すると、受信信号としてサーキュレータ104を介してローノイズアンプ106に送出される。レベル計測装置101は、受信信号をローノイズアンプ106で増幅し、ミキサ107によって、当該受信信号と、発振器102から送られた参照信号となる送信信号と、を乗算してビート信号を生成する。レベル計測装置101は、ビート信号をIFアンプ108で増幅した後、AD変換器109でアナログデジタル変換処理を実行し、得られた信号をパーソナルコンピュータ(PC)110に送出する。パーソナルコンピュータ(PC)110は、AD変換器109から受け取った信号にフーリエ変換処理等を行い、送受信アンテナ105からスラグ面3までの距離(離隔距離)がメインピークで与えられる距離波形を生成して、離隔距離に基づいて炉内におけるスラグ面3のレベルを特定し得る。
ここで、サーキュレータ104はアイソレーション特性をもっており、例えばサーキュレータ104のアイソレーションが15[dB]であった場合には、20[dBm]の送信信号がパワーアンプ103からサーキュレータ104に送られても、受信側(ローノイズアンプ106側)へ回り込む信号が5[dBm]生じる。サーキュレータ104を設けたレベル計測装置101では、送信出力Ptを大きくすると、サーキュレータ104において、送信側から直接受信側に回り込む信号も大きくなってしまう。
このとき、ローノイズアンプ106の動作領域(信号を増幅可能な最大電力)や、AD変換器109のダイナミックレンジには上限があるため、この上限を超えた信号部分には歪みが生じてしまう。歪んだ信号は、高い周波数成分をもつため、測定周波数(ビート信号の周波数)領域において大きなノイズ(広帯域ノイズ)の原因となる。結果、最小受信電力Sminもノイズに応じて大きくなってしまい、結局、上記数9の不等式を満たすことはできない。
次に、上記数9の左辺におけるアンテナ利得Gn(数8)について検討する。炉口上方にあるフード開口部6の直径dは、排気フード5の排気量に影響を与えない程度の大きさ(例えば600[mm])に制限する必要がある。例えば、フード開口部6の直径dに対して、できるだけ開口寸法の大きな送受信アンテナ105を用いようとすれば、送受信アンテナ105のアンテナ直径φ(送受信アンテナ105のみ設けているため、φ=φ1=φ2)は、d(フード開口部6の直径)で与えられる。
しかしながら、フード開口部6の直径dを、設備制約の2倍程度の大きさである600[mm]とし、送受信アンテナ105の周波数を、スラグ面3のレベル計測に最適な45[GHz]とした場合、当該フード開口部6の直径dに合わせて設置可能な送受信アンテナ105のアンテナ利得Gは、104.9がほぼ最大である。そのため、これ以上、アンテナ利得Gを大きくすることは、フード開口部6の直径dを大きくしない限り不可能である。104.9のアンテナ利得Gをもつ送受信アンテナ105を使用したとしても、上記数9の測定可能条件を満たすことはできず、スラグ面3のレベルを常時測定することは不可能である。
そこで、本発明者らは、最小受信電力(レベル計測装置10の感度)を小さくする、すなわち上記数9の右辺を小さくする方法を検討した。本発明によるレベル計測装置10では、従来の送受信アンテナ105を、送信専用の送信アンテナ11と、受信専用の受信アンテナ12と、に分離することにより、サーキュレータ104を省き、ノイズが生じる原因となる、回路内における送信信号の受信側への回り込みを低減した。ここで、図9は、送信アンテナ11および受信アンテナ12を別体に設けた、本発明のレベル計測装置10の回路構成を示す。
図9に示すように、レベル計測装置10では、発振器22で発生した送信信号をパワーアンプ23で増幅した後、これを送信アンテナ11に送出し、送信アンテナ11から炉内にマイクロ波を照射する。レベル計測装置10は、炉内からの反射マイクロ波を受信アンテナ12で受信すると、受信信号としてローノイズアンプ26に送出し、当該ローノイズアンプ26にて受信信号を増幅した後、ミキサ27によって、当該受信信号と、発振器22から送られた参照信号となる送信信号と、を乗算してビート信号を生成する。
レベル計測装置10は、ビート信号をIFアンプ28で増幅した後、AD変換器29でアナログデジタル変換処理を実行し、得られた信号をパーソナルコンピュータ(PC)30に送出する。パーソナルコンピュータ(PC)30は、AD変換器29から受け取った信号にフーリエ変換処理等を実行し、受信アンテナ12からスラグ面3までの距離(離隔距離)がメインピークで与えられる距離波形を生成して、離隔距離に基づいて炉内におけるスラグ面3のレベルを特定し得る。
このように、レベル計測装置10ではサーキュレータ104を設けていないことから、サーキュレータ104における送信信号の回り込みが発生することがない。その一方で、空間的に分割した送信アンテナ11および受信アンテナ12間のアイソレーションは30[dB]程度である。しかしながら、送受信のアイソレーションは、送受信アンテナ105を用いたときの15[dB]から30[dB]に改善し、送信信号の回り込みが-20[dBm]に低減する。結果、ローノイズアンプ26やAD変換器29における信号の歪みの発生を防止できる。
歪みが無ければ回り込み信号によって生じるビート周波数は、周波数の低い領域に限定されるため、炉内からの反射マイクロ波に基づくビート周波数と区別することができる。レベル計測装置10では、図示しないハイパスフィルタを用いて、回り込み信号によって低い周波数領域に生じたノイズを除去することが可能であり、受信アンテナ12に生じる回り込み信号は、スラグ面3のレベル測定に何ら影響を与えない。このとき、レベル計測装置10の最小受信電力Sminは10-14[mW]となる。
例えば、レベル計測装置10において、増幅したビート信号をアナログデジタル変換処理するAD変換器29のビットレートを、24[bit]とすれば、そのダイナミックレンジは146[dB]となる。送信アンテナ11から受信アンテナ12への空間的な回り込み信号の強度は-20[dBm]となるので、これを歪まないようにAD変換処理するためのダイナミックレンジを上限とすれば、-164[dBm]までの受信信号は捉えられることになる。さらに、サンプリング周波数を2[MHz]とすれば、kBTaB(kB:ボルツマン定数、Ta:温度、B:帯域幅)で与えられる帯域ノイズはTa=300[K]において-110[dBm]であり、2048点でFFTを行うことによって、30[dB]低減し、これにより最小受信電力Sminは10-14[mW](=-140[dBm])まで改善する。
送信アンテナ11および受信アンテナ12を別体で設けた場合、送信アンテナ径φ1および受信アンテナ径φ2は、図2に示したように、フード開口部6の直径dを用いて、φ1+φ2=dと表すことができる。そのため、送受信共通の送受信アンテナ105を使用した場合(φ=d)に比べ、アンテナ利得Gnが103程度と小さくなる。しかしながら、アンテナ利得Gnが小さくなっても、最大の離隔距離Rを25[m]とした場合、受信信号強度を計算すると、10-11[mW]となり、最小受信電力Sminである10-14[mW]の10倍よりも十分に大きいため、スラグ面3のレベルが常時測定可能である。
以上より、開口の大きさに制約があるフード開口部6の上方にアンテナを設置する場合、従来の考え方では、アンテナ利得を大きくするために、アンテナ寸法がフード開口部6の直径dに収まる最大寸法となるように、送受信共通の1つの送受信アンテナ105を配設している。これに対して、本発明のレベル計測装置10では、別体の送信アンテナ11および受信アンテナ12を設けるようにした。これにより、レベル計測装置10では、従来、送受信アンテナ105を用いることで必要となるサーキュレータ104を不要とし、送信信号の回り込みを抑制してノイズを下げることで、吹錬全般に渡って、S/N比の高いレベル計測が可能になる。
但し、上述したように、送信アンテナ11および受信アンテナ12を別体にした場合、送信アンテナ径φ1および受信アンテナ径φ2は、フード開口部6の直径dとの間で、φ1+φ2=d、すなわち、φ2=d-φ1の関係がある(図2)。つまり、感度の改善と、アンテナ利得Gnとは、トレードオフの関係にあるため、送受信共通の送受信アンテナ105を用いた方がS/N比が大きくなる、直径dの条件もあり得る。そこで、送受信アンテナ105を配設するよりも、送信アンテナ11および受信アンテナ12を配設した方がよい直径dの条件について検討する。
送受信共通の送受信アンテナ105を用いた比較例2の場合、最小受信電力Sminが10-8[mW]であり、アンテナ直径φがdである。従って、送受信共通の送受信アンテナ105での測定可能条件は、上記数9から下記数10のようになる。
一方、送受信を分離した送信アンテナ11および受信アンテナ12を用いた場合、最小受信電力Sminが10-14[mW]である。従って、送受信を分離した送信アンテナ11および受信アンテナ12での測定可能条件は、上記数9から下記数11のようになる。ただし、送信アンテナ径φ1および受信アンテナ径φ2は使用するマイクロ波の波長以上であることが好ましく、φ1≧λ、かつφ2=d-φ1≧λ、つまり、λ≦φ1≦d-λを満たすことが好ましい。
ゆえに、送受信を分離した送信アンテナ11および受信アンテナ12を用いた場合、最もS/N比が高くなる直径dの条件は、上記数10および数11を組み合わせて、下記数12のように表すことができる。なお、上述したように、Rは、計測対象となるスラグ面3が形成されたときの、受信アンテナ12からスラグ面3までの距離(離隔距離)を示し、λはマイクロ波の波長を示し、Ptはレベル計測装置10におけるマイクロ波の送信出力[mW]を示し、σはスラグ面3のレーダー反射断面積を示し、Tは1[m]辺りのマイクロ波の透過率を示し、ηは受信アンテナ12の開口効率を示す。ただし、λ≦φ1≦d-λである。
<作用および効果>
以上の構成において、レベル計測装置10では、送信アンテナ11と別体に受信アンテナ12を設け、これら送信アンテナ11および受信アンテナ12の各先端に各アンテナ利得を高めるためのレンズ部13をそれぞれ設けるようにした。これにより、レベル計測装置10では、レンズ部13により送信アンテナ11の送信アンテナ利得G1と受信アンテナ12の受信アンテナ利得G2とが高められ、スラグ面3のレベル計測時におけるS/N比を向上させることができる。
以上の構成において、レベル計測装置10では、送信アンテナ11と別体に受信アンテナ12を設け、これら送信アンテナ11および受信アンテナ12の各先端に各アンテナ利得を高めるためのレンズ部13をそれぞれ設けるようにした。これにより、レベル計測装置10では、レンズ部13により送信アンテナ11の送信アンテナ利得G1と受信アンテナ12の受信アンテナ利得G2とが高められ、スラグ面3のレベル計測時におけるS/N比を向上させることができる。
また、レベル計測装置10では、上部自由空間と炉内とを連通させるフード開口部6を形成する開口形成部7を、排気フード5に設けるとともに、フード開口部6の上方にアンテナ設置部9を設け、アンテナ設置部9によって、送信アンテナ11および受信アンテナ12の両方をフード開口部6上方に配設させるようにした。レベル計測装置10では、送信アンテナ11および受信アンテナ12を別体に設けることで、回路内において、送信信号が直接受信側に回り込むことがなく、回り込み信号により生じるノイズの発生を防止できる。
レベル計測装置10では、送信アンテナ11および受信アンテナ12をフード開口部6上方に配置して炉内のスラグ面3から遠ざけたことから、送信アンテナ11および受信アンテナ12への地金やスラグの付着を抑止でき、その分、吹錬中のスラグ面3の測定を従来よりも正確に行え得る。
また、レベル計測装置10では、送信アンテナ11の直径φ1を受信アンテナ12の直径φ2よりも大きくして、送信アンテナ11および受信アンテナ12を隣接させてフード開口部6上方に配設させた構成としたことで、スラグ面3のレベル計測時における不要反射を抑止し得、吹錬中のスラグ面3の測定を従来よりも正確に行え得る。
さらに、レベル計測装置10では、送信アンテナ11および受信アンテナ12のアンテナ特性やスラグ面3の特性を考慮して、フード開口部6の直径dをS/N比を向上させるのに最適な直径dに選定したことで、送信アンテナ11および受信アンテナ12の両方を配設しても、スラグ面3のレベル計測時におけるS/N比を向上させることができる。
具体的には、直径dが上記数12で表される条件を満たすようにしたことにより、送信アンテナ11および受信アンテナ12の両方を、フード開口部6上方に配設しても、スラグ面3のレベル計測時におけるS/N比を向上させることができる。
<他の実施形態>
上述した実施形態においては、1つの送信アンテナ11と1つの受信アンテナ12とをフード開口部6上方に配設した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図10および図11に示すように、1つの送信アンテナ31の周囲に2つ以上の受信アンテナ32を設け、これらをフード開口部6上方に配設した構成としてもよい。
上述した実施形態においては、1つの送信アンテナ11と1つの受信アンテナ12とをフード開口部6上方に配設した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図10および図11に示すように、1つの送信アンテナ31の周囲に2つ以上の受信アンテナ32を設け、これらをフード開口部6上方に配設した構成としてもよい。
例えば、図10に示すように、アンテナ設置開口部9aには、送信アンテナ31を取り囲むように複数の受信アンテナ32が等間隔で配設されている。アンテナ設置開口部9aでは、送信アンテナ31の周縁に、各受信アンテナ32の周縁が接するように配置されている。また、図11に示すように、アンテナ設置開口部9aには、送信アンテナ31の中心軸Z1と、フード開口部6の中心軸Z2とが同一軸上に配置されるように、送信アンテナ31が配設されている。これにより、フード開口部6の直径d、送信アンテナ31の直径φ1、受信アンテナ32の直径φ2は、d=φ1+2φ2の関係を有する。
この場合、干渉長さLiは、Li=φ3/2-d/2と表わされる。d=300[mm]の場合の干渉長さLiを、図12に示す。干渉長さLiが0以下の場合、照射領域とフランジ上部7aは干渉しないことになる。送信アンテナ31から、開口形成部7のフランジ上部7aの高さ位置までの距離rを4[m]とし、かつd=300[mm]とした場合、送信アンテナ31の直径φ1が148~282[mm]のときに、干渉長さLiが0以下となる。このような条件をまとめると、Li=φ3/2-d/2≦0となり、φ3≦dとなる。従って、上記数5から、下記の式のように表すことができる。
ただし、受信アンテナ32の直径φ2は、(d-φ1)/2で与えられ、これがマイクロ波の波長以上の大きさをもつ必要がある。そのような条件は、(d-φ1)/2≧λである。また、送信アンテナ31の直径φ1も、マイクロ波の波長以上の大きさを持つ必要がある。従って、上記条件も合わせると、λ≦φ1≦d-2λと表すことができる。
さらに、上記数13の不等式が解を有する条件は、下記数14が、1つ以上の解を有する条件と同じである。
数14において、φ1、c、r、f、dがいずれも正の値であることを考慮して、φ1
2をφ´に置き換え、上記数14を変形すると、下記の数15となる。
上記数15において1つ以上の解を有する条件は、次の数16で表され、さらに数16は、数17のように表すことができる。フード開口部6の直径dは、上記数13および下記数17の条件を満たす必要がある。以上のような構成を有した他の実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上述した実施形態においては、炉として、転炉製鋼プロセスに用いる転炉1を適用した場合ついて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば溶融還元炉の他、非鉄金属精錬プロセスに用いる炉等その他種々の炉にも適用することができる。非鉄金属精錬プロセスとしては例えば銅溶錬プロセスが挙げられる。
また、上述した実施形態においては、アンテナ設置部9のアンテナ設置開口部9aにおける直径を、フード開口部6の直径dと略同じ大きさに選定した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、アンテナ設置部9のアンテナ設置開口部9aにおける直径は、フード開口部6の直径d以上とすれば、種々の大きさとしてもよい(アンテナ設置開口部9aの直径≧フード開口部6の直径d)。
1 転炉(炉)
3 スラグ面
5 排気フード
6 フード開口部
7 開口形成部
7a フランジ上部
9 アンテナ設置部
9a アンテナ設置開口部
10 レベル計測装置
10b レベル算出部
11 送信アンテナ
12 受信アンテナ
3 スラグ面
5 排気フード
6 フード開口部
7 開口形成部
7a フランジ上部
9 アンテナ設置部
9a アンテナ設置開口部
10 レベル計測装置
10b レベル算出部
11 送信アンテナ
12 受信アンテナ
Claims (6)
- 炉の内部におけるスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置において、
前記炉の上方に設けられた排気フードの、前記スラグ面と対向する位置に開口されたフード開口部と、
前記フード開口部の上方に設けられ、前記フード開口部を介して前記炉の内部に向けてマイクロ波を照射する送信アンテナと、
前記送信アンテナとは別体で、前記フード開口部の上方に設けられ、前記フード開口部を介して前記炉の内部からの反射マイクロ波を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの各先端に設けられ、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのアンテナ利得を高めるレンズ部と、
前記反射マイクロ波から、前記スラグ面のレベルを算出するレベル算出部と、
を備え、
前記送信アンテナの直径が、前記受信アンテナの直径より大きく、
前記送信アンテナの直径をφ1とし、前記フード開口部の直径をdとしたとき、φ1>d/2を満たす、レベル計測装置。 - 炉の内部におけるスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置において、
前記炉の上方に設けられた排気フードの、前記スラグ面と対向する位置に開口されたフード開口部と、
前記フード開口部の周りに形成され、前記炉の内部へと連通して、上方へ延設された開口形成部と、
前記開口形成部の上方に設けられたアンテナ設置部と、
前記アンテナ設置部に形成され、前記フード開口部と略同一直径のアンテナ設置開口部と、
前記アンテナ設置開口部に設けられ、前記炉の内部に向けてマイクロ波を照射する送信アンテナと、
前記送信アンテナとは別体で、前記アンテナ設置開口部に設けられ、前記炉の内部からの反射マイクロ波を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの各先端に設けられ、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのアンテナ利得を高めるレンズ部と、
前記反射マイクロ波から、前記スラグ面のレベルを算出するレベル算出部と、
を備え、
前記送信アンテナの直径が、前記受信アンテナの直径よりも大きく、
前記送信アンテナの直径をφ1とし、前記フード開口部の直径をdとしたとき、φ1>d/2を満たす、レベル計測装置。 - 前記送信アンテナの先端から前記開口形成部の高さ位置までの距離が、3~5[m]であり、
前記送信アンテナの直径が、169~219[mm]である、請求項2に記載のレベル計測装置。 - 前記送信アンテナの中心軸と前記フード開口部の中心軸とが同一軸上に配置されており、
前記受信アンテナは、前記送信アンテナの周囲に2つ以上配置されている、請求項2又は3のいずれか一項に記載のレベル計測装置。
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 18889815 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 20207018141 Country of ref document: KR Kind code of ref document: A |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 18889815 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |