JP2000046808A - 充填層内部状況の診断方法およびこれに使用する音波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製鉄用の高炉など高温の充填層の温度分布、
充填密度などの内部状況を音波によって診断する方法に
おいて音波の減衰が非常に大きいところ、十分な強度の
音波を発生させる方法を提供する。 【解決手段】 音波発生手段を容器の壁に設けるととも
に、容器の壁の前記と別の１つ以上の個所に音波検出手
段を設けるにあたって、音波発生手段は一端が閉鎖され
他端が開放可能な筒内に可燃性ガスと酸素または酸素を
含むガスを充填し、前記一端に設けた火花放電装置によ
り着火して筒内を進行する圧力波を発生させ、これを他
端から容器内に開放することにより音波とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温の充填層の温度
分布、充填密度などの内部状況を外部から診断する方法
に関するものである。たとえば製鉄用の高炉の炉床部は
コークス粒が堆積した状態にあるが、炉内の温度分布な
どを直接に温度計を挿入することなしに測定するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】高炉において安定操業のためには内部の
状況を把握することが大切であるが、特に炉床部の測定
は困難が大きい。炉床部の中心にはコークスが堆積した
炉芯が形成されているが、炉芯の温度、通気性、通液性
などは高炉操業の安定性に重大なかかわりがあることが
知られている。炉芯の状態の測定手段としてゾンデを挿
入する方法があるが、コークス等が堆積した炉芯の内部
まで温度計を挿入するには装置が大がかりになるので、
このような装置を何箇所にも設けて炉内全体の温度分布
を把握することはなかなかできない。したがって炉底底
盤温度、炉壁温度、送風圧力変動などの間接的な情報で
炉芯状態を推定しているのが現状である。

【０００３】このようなことから特公平８−２６３７６
号公報には衝撃波を利用して高炉炉芯部の温度分布など
を間接的に測定する方法が開示されている。これによれ
ば羽口部に挿入した導波管を介して炉外で発生させた衝
撃波を炉内に導入し、炉芯部を伝搬した衝撃波を炉床炉
壁部に設けた複数の受信センサで受信して衝撃波の減衰
率、伝搬速度から炉芯部の物理特性を推定するものであ
る。そして上記衝撃波の発生手段としてガス状燃料の瞬
間的な燃焼、あるいは火薬等の瞬間的な燃焼によると
し、また導波管は羽口に設置されている微粉炭吹き込み
用バーナの一部を流用することができるとしている。こ
の衝撃波による測定は気体中を伝搬する音波の速度が高
温になると大きくなることを利用している。したがって
衝撃波の発生装置を炉体の何箇所かに設けて順次衝撃波
を発生させ、これをそれぞれ複数個所で受信して衝撃波
の伝搬時間を計測することにより炉体内部の温度分布を
演算して推定することが可能になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高炉の炉床部の中心に
はコークスが堆積しており、音波の減衰が非常に大き
い。そのため上記の特公平８−２６３７６号公報の方法
においては瞬間的な爆発燃焼による衝撃波を利用すると
している。しかしながらこれに記載されている衝撃波発
生装置と微粉炭吹き込み用バーナなどの細長い管とを結
合してこれを炉内に導入する方法では受信した音波の強
度が不十分であることが判明した。また上記公報におい
ては衝撃波を検出するとあるが、どのような周波数範囲
の音波として検出するのかは明らかではない。本発明に
おいては衝撃波を利用して発生させた音波により高炉な
どの充填層の内部の温度分布などを測定するにあたり、
十分な強度の音波を受信できる手段を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであり、粒子が充填された高温の容器の充填層
内部状況の診断方法であって、音波発生手段を前記容器
の壁に設けるとともに、容器の壁の前記と別の１つ以上
の個所に音波検出手段を設け、音波が伝搬する時間によ
り温度分布を測定する方法において、前記音波発生手段
は一端が閉鎖され他端が開放可能な筒内に可燃性ガスと
酸素または酸素を含むガスを充填し、前記一端に設けた
火花放電装置により着火して筒内を進行する圧力波を発
生させ、これを他端から容器内に開放することにより音
波とするものであること、また筒の前記他端近傍には圧
力検出器を設けて音波発生の信号を得ることを特徴とす
る充填層内部状況の診断方法である。ここにおいて、あ
わせて音波検出手段で検出される音波の強度により粒子
の充填状態を測定すること、前記音波検出手段は１ない
し１０００Ｈｚのうちの少なくとも一部分の範囲の周波
数の音波が検出可能なものであることを特徴とする。

【０００６】また、一端が閉鎖され、他端ないし他端か
ら内部に入った位置には仕切り弁が設けられた筒の前記
一端に火花放電装置が設けられ、前記一端と仕切り弁と
の間にはガス導入口が設けられ、筒の前記他端近傍には
圧力検出器が設けられているかまたは、一端が閉鎖さ
れ、他端ないし他端から内部に入った位置には圧力波で
破壊するラプチャーディスクが設けられた筒の前記一端
に火花放電装置が設けられ、前記一端とラプチャーディ
スクとの間にはガス導入口が設けられ、筒の前記他端近
傍には圧力検出器が設けられていることを特徴とする充
填層内部状況の診断方法に使用する音波発生装置であ
る。ここにおいて、前記筒は直径が１０〜１００ｍｍ、
長さが３００〜２０００ｍｍの円筒であること、前記火
花放電装置の近傍には螺旋状の針金などの乱流発生手段
が設けられていることも特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は粒子が充填された高温の
容器の充填層内部状況、たとえば高炉の炉床部の温度分
布などの診断方法であって、音波発生手段を容器の壁に
設けるとともに、容器の壁の前記と別の１つ以上の個所
に音波検出手段を設ける。そして音波発生からそれぞれ
の音波検出手段の検出までの時間などのデータを解析し
て温度分布などを測定する。本発明者らは音波の発生条
件について種々の検討を行なったが、コークスが充填さ
れた高炉の内部を１０ｍ以上にわたって透過するには強
力な音源が必要であることを明らかにした。このため可
燃性ガスの爆発による衝撃波を利用して音波の発生源と
した。

【０００８】しかしながらただ可燃性ガスを爆発させれ
ば十分な強度の音波を発生させることができるというも
のではなく、音波発生手段について多くの条件を満足さ
せる必要があることが実験により判明した。すなわち単
にガスを爆発させる容器を設けてそれに管を結合して衝
撃波を導出すればよいというものではない。開放された
空間でのガス爆発の場合、発生した圧縮波はあらゆる方
向に散乱するため圧縮波の一つ一つの強度は低いものと
なる。これを筒の中を通すことにより圧縮波を一方向に
伝達することができるが、このとき第１波の圧縮波が通
過した後の微小空間がわずかに高温・高圧となるため
に、第２波の通過速度が第１波よりも大きくなる。これ
らが繰り返されると最終的にすべての圧縮波が重なって
一つの強力な圧縮波になる。このようにして発生した衝
撃波が筒から外に出ると局所的な高圧部が発生して音源
として利用できる。

【０００９】このようなことから本発明においては音波
発生手段として一端が閉鎖され他端が開放可能な筒内に
可燃性ガスと酸素または酸素を含むガスを充填し、前記
一端に設けた火花放電装置９により着火して筒内を進行
する圧力波を発生させることとした。図１は本発明の音
波発生手段の例を示す断面図である。１は衝撃波発生管
で反対側の端に仕切り弁２が設けられており、これと閉
鎖端３との間にガスを充填して爆発させる。さらに仕切
り弁２には一端が開放された導波管４が接続されている
が、これは衝撃波発生管１と測定すべき容器との連結な
いしは容器への衝撃波の送り込みのために設けるもので
あって原理的には必須のものではない。衝撃波発生管を
容器に直接取り付け得るといった周囲の状況によっては
無くてもすむ場合がある。

【００１０】爆発させる可燃性ガスの種類としてはプロ
パンが適当であるがアセチレンやブタンなども使用しう
る。できるだけ強力な爆発力を得るには可燃性ガスと酸
素ガスとをあらかじめ当量比混合したガスを使用する
が、爆発力がある程度小さくてもよい場合は空気が一部
混合したガスなど、すなわち酸素を含むガスを使用して
もよい。このような混合ガスを筒内の閉鎖端近傍に導入
して着火し、衝撃波を開放端から放出することになる
が、爆発させるべき混合ガスが着火時までに他の場所の
空気とできるだけ混じらないようにする必要がある。爆
発させるべき混合ガスが筒の中から流出して空気と混合
するのを防止する手段として、図１に示すように衝撃波
発生管１の開放端側に仕切り弁２を設けてこれを閉鎖し
た状態で混合ガスを充填し、仕切り弁を開放すると同時
に着火するのが好ましい。混合ガスの充填にはまずパー
ジガス導入口６から窒素ガスを導入し、その後混合ガス
導入口５から混合ガスを導入する。このとき内部のガス
を入れ替えつつガスを導入できるようにガス導入口から
離れた位置にガス排出口７を設ける。

【００１１】また上記の仕切り弁を用いる方法の他に、
図示しないが衝撃波発生管の開放端側に圧力波で破壊す
るラプチャーディスクを設け、ラプチャーディスクと閉
鎖端との間にガスを充填してもよい。可燃性ガス雰囲気
の加熱炉の安全装置用などとして耐圧を規定したラプチ
ャーディスクも製造されているが、本発明においては特
に専用に製造されたものでなく適当な厚さのアルミ箔や
プラスチックフィルムなど爆発の圧力で容易に破壊する
材料を使用しうる。取り付け方法はたとえばラプチャー
ディスクの位置にフランジを設け、フランジの間に挟ん
で保持すればよい。フランジは周囲をねじ止めする一般
的な方法でもよいが、フランジの一端に蝶番を設け他端
をクランプするようにすれば新しいラプチャーディスク
に迅速に交換できる。

【００１２】また図１に示すように衝撃波発生管１の開
放端近傍には圧力検出器８を設けて音波発生の信号を得
ることにより、音速を測定するための時間の起算点とす
る。取り付け位置は図１に示すように導波管でもまた衝
撃波発生管でもよい。着火の火花発生のための信号を利
用する方法も考えられるが、音速をできるだけ正確に測
定するためにこのように筒の開放端付近で実際に衝撃波
を測定する。なおこのためのセンサは通常の音波受信の
ためのマイクロフォンでは圧力が大きいため破壊してし
まうので、気体の圧力を測定できる圧力発信器を使用す
る。

【００１３】上記のように筒内を進行する圧縮波を利用
して衝撃波を発生させる場合サイズの効果があり、通常
は衝撃波発生管の寸法が少なくとも１００ｍｍ径×２０
００ｍｍ長は必要である。これ以下になると衝撃波の発
生が不安定になってその強度が不十分となるとともに再
現性も不確かになる。しかしながらこの寸法では大きす
ぎて取り扱いが困難なことが多い。そこで本発明におい
ては性能を維持しながら衝撃波発生管の寸法を小さくす
る手段を見いだした。すなわち混合ガスの着火するため
の火花放電装置９の近傍に乱流発生手段を設けるとよ
い。乱流発生手段は火炎の乱流場を形成できるものであ
れば形態は限定されないが、図１に示すような螺旋状の
針金１０などを用いうる。これにより点火初期の火炎の
燃焼速度が増加し、衝撃波発生管の寸法をたとえば５０
ｍｍ径×５００ｍｍ長といった小さいものにしても安定
に衝撃波を得ることができる。このようなことから衝撃
波発生管を円筒としたときの寸法範囲は、乱流発生手段
のない場合の前記した１００ｍｍ径×２０００ｍｍ長を
上限とし、これに乱流発生手段を設けた場合における寸
法の減少可能範囲を考慮して直径が１０〜１００ｍｍ、
長さが３００〜２０００ｍｍが適当である。

【００１４】本発明の充填層内部状況の診断方法はこの
ようにして発生させた音波を容器内部に入射し、容器の
壁の複数箇所に受信センサを設けて先に述べた圧力検出
器の検出を起点に音波が伝搬する時間により音速を測定
する。通常は充填層の一つの断面における壁面に音波発
生手段と音波検出手段とを設けて測定を行なう。図２に
高炉における音波発生手段と音波検出手段の配置の例を
示すが、羽口の位置に一つの音波発生手段１１と複数の
音波検出手段１２とを配置する。さらに音波発生手段１
１を設ける羽口を順次に何箇所か変えるか、音波発生手
段１１を複数設けて順に音波を入射して測定を行なう。

【００１５】図３は高炉の羽口部分における（ａ）は音
波発生手段、（ｂ）は音波検出手段の取り付け方法の例
を示す図である。（ａ）図において１１は音波発生手段
であって図１に示したものと同様なものであり、圧力検
出器８により音波発生信号を取り出すようになってい
る。２１は炉壁、２２は羽口、２３はブローパイプであ
って、ブローパイプの蓋を取り外して音波発生手段１１
を挿入している。２４は微粉炭吹き込みバーナーであ
る。一方（ｂ）図においては微粉炭吹き込みバーナー２
４とこれに接続されているフレキシブルホース２５との
接続を外し、ここに音波検出手段１２を取り付けてい
る。なおこの場合測定データの使用に当たって炉外の伝
搬経路の音波の伝搬時間を補正する。

【００１６】上記のように音波発生手段と音波検出手段
を配置して測定することにより容器内部の音速の種々の
方向からみた投影データを得ることができる。各受信セ
ンサで計測された容器内部の音速分布の投影データか
ら、ＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）法
で計算することにより容器内部の音速分布を求める。こ
のようにして求まるのは充填層の一つの断面における２
次元の音速分布であるが、このような測定を充填層内の
他の断面においても行なえば３次元の音速分布を求める
ことができる。

【００１７】ところで気体の温度と音速との間に対応関
係があることが知られており、上記のようにして求めら
れた音速分布は温度分布に対応することになる。理想気
体中の音速ｖ［ｍ／ｓ］に関しては、絶対温度をＴ
［Ｋ］、（定圧比熱／定容比熱）をγ、ガス定数をＲ、
分子量をＭとしたとき下記の理論式が知られている。 ｖ＝（γＲＴ／Ｍ）^1/2 しかしながら本発明が対象とする高温の充填層において
上式が成立するのか疑問があったので、容器の中にコー
クスを充填して着火し高温にした装置で実験した。これ
によって測定した音速分布のデータと熱電対による温度
分布のデータにより、温度Ｔ［Ｋ］と音速ｖ［ｍ／ｓ］
に関し下記の実験式を求めた。 Ｔ＝９３１×ln（ｖ／１２３） ただし実験した温度範囲は５００〜１３００℃である。
このように指数（対数）関数になっており、２次関数で
ある理論式と異なっている。

【００１８】また一方、高炉の炉芯部の温度分布などを
測定するためには先に説明した音波発生手段についてだ
けでなく、音波検出手段においても配慮が必要なことが
判明した。すなわちコークスが充填された高炉の炉芯部
においては、気体と充填物との摩擦により見掛け上気体
の粘性が上昇したようになり音波の減衰が大きくなる。
このため前記のように混合ガスの爆発を利用した衝撃波
を用いた音源とすることにしたのであるが、音波検出手
段においてもできるだけ高感度のものを使用すべきであ
る。さらに以下に述べるように検出する周波数範囲につ
いても考慮する必要がある。

【００１９】図４の（ａ）は音波発生装置に設けた圧力
検出器の信号、（ｂ）は音波検出器の信号を示すグラフ
であって、横軸の時間は対応している。圧力検出器の信
号である衝撃波は立ち上がりが急峻な鋸歯状波になって
おり、高次の高調波すなわち高い周波数の成分を含んで
いる。一方、圧力検出器は広帯域のマイクロフォンを使
用したものであるが、周期３０ｍｓすなわち３０Ｈｚ程
度の基本波に小さな振幅の高い周波数の波が重畳した形
になっている。この高い周波数の範囲であるが、高速フ
ーリエ変換装置（ＦＦＴアナライザ）を使用して実験を
繰り返したところ、充填層内を伝播した音波には１００
０Ｈｚ以下の成分しかないことが判明した。音波の可聴
周波数範囲の上限は２０ｋＨｚ程度と言われていること
からみると低い周波数である。

【００２０】これらの実験から本発明が目的とする充填
層内部状況の診断においては、音波検出手段は特に低い
周波数をカバーし、１ないし１０００Ｈｚのうちの少な
くとも一部分の範囲の周波数の音波が検出可能なものが
必要なことが判明した。このことは言い換えると、１な
いし１０００Ｈｚの範囲すべては検出できなくても、例
えば３０ないし４０Ｈｚは検出できる必要があるという
ことである。一方１０００Ｈｚを超える周波数について
は検出可能であってもなんら差し支えないことは当然で
ある。このように音波検出手段は可聴周波数の下限ない
しはそれ以下の低い周波数を検出する必要があり、この
ような周波数帯域をカバーする広帯域のマイクロフォン
などを使用すべきである。なお音声用マイクロフォンは
高級品か低級品かに係わりなく一般に１００Ｈｚ程度以
下の低周波域の感度は低下するのでこのようなものの使
用は不適当である。

【００２１】前記のように音波は充填層内において大き
く減衰するが、このことは減衰率のデータから容器内部
における充填状態すなわち充填密度などを推定すること
が可能なことを意味する。容器内部の音波の減衰率分布
のデータを得る計算方法は上記の音速分布の計算方法と
同様であるから、音速分布のデータと同時に処理すると
よい。なお音速自体が充填容器内部の充填状態によって
変わる可能性があるが、本発明者らの実験によると少な
くとも高炉における充填密度の範囲においては影響がな
いことが判明した。したがって温度は音速のみによって
求められると考えてよい。

【００２２】

【実施例】本発明の方法により休風１０時間後の高炉内
部の温度分布を測定した。図２および図３に示したよう
な方法で、音波は羽口１つおきの１４箇所から入射し、
１つの入射波を同時に７箇所の羽口で受信した。受信し
た音波は先に図４に示したように基本波が数サイクルの
振動になっているが、第１波の到達時間から音速を測定
している。これは直進した音波が最初に到達し、回折や
反射した音波は到達時間が遅れると考えられるからであ
る。なお音波は最も距離が長い点で発生強度の１００分
の１（４０ｄＢ減）程度に減衰した。このようにして測
定されたデータからＣＴ法で計算し、前記の実験で求め
た音速と温度との関係を使用して求めた炉内の温度分布
のグラフを図５に示す。図中周囲の数字は羽口番号であ
る。図５に示された炉内の数箇所にソンデを挿入して熱
電対で温度を測定したが図５に記載の温度と良く一致し
ていた。

【００２３】

【発明の効果】本発明は入射した音波の伝搬速度などを
測定して行なう充填層内部状況の診断方法において、原
理的には従来から知られていたものの高炉などに実用化
するには困難があった問題点を解決した。すなわち音波
発生手段として混合ガスの爆発による衝撃波を利用する
に当たり、十分な強度の音波が得られる装置の構造を開
発した。また音波検出手段においても通常の音波の周波
数範囲よりずっと低い周波数を測定することが適当なこ
とを見いだし、充填層における減衰の問題を解決した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の音波発生手段の例を示す断面図

【図２】高炉における音波発生手段と音波検出手段の配
置の例を示す図

【図３】高炉の羽口部分における（ａ）は音波発生手
段、（ｂ）は音波検出手段の取り付け方法を示す図

【図４】（ａ）は音波発生装置に設けた圧力検出器の信
号、（ｂ）は音波検出器の信号を示すグラフ

【図５】本発明の方法で求めた高炉炉内の温度分布の例
を示すグラフ

【符号の説明】

１ 衝撃波発生管 ２ 仕切り弁 ４ 導波管 ５ 混合ガス導入口 ６ パージガス導入口 ７ ガス排出口 ８ 圧力検出器 ９ 火花放電装置 １０ 螺旋状の針金 １１ 音波発生手段 １２ 音波検出手段 ２１ 炉壁 ２２ 羽口 ２３ ブローパイプ ２４ 微粉炭吹き込みバーナー ２５ フレキシブルホース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 国友 和也 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 山地 宏尚 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 井上 衞 愛知県東海市東海町５−３ 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内 (72)発明者 山田 育野 愛知県東海市東海町５−３ 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内 (72)発明者 山根 健司 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内内 (72)発明者 藤原 保彦 愛知県東海市東海町５−３ 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内 Ｆターム(参考） 2F056 VS04 VS07 VS08 VS10 2G047 AC02 BC02 BC04 BC19 CB01 EA11 GA18 GG12 4K015 KA03 KA08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子が充填された高温の容器の充填層内
   部状況の診断方法であって、音波発生手段を前記容器の
   壁に設けるとともに、容器の壁の前記と別の１つ以上の
   個所に音波検出手段を設け、音波が伝搬する時間により
   温度分布を測定する方法において、前記音波発生手段は
   一端が閉鎖され他端が開放可能な筒内に可燃性ガスと酸
   素または酸素を含むガスを充填し、前記一端に設けた火
   花放電装置により着火して筒内を進行する圧力波を発生
   させ、これを他端から容器内に開放することにより音波
   とするものであること、また筒の前記他端近傍には圧力
   検出器を設けて音波発生の信号を得ることを特徴とする
   充填層内部状況の診断方法。
2. 【請求項２】 あわせて音波検出手段で検出される音波
   の強度により粒子の充填状態を測定することを特徴とす
   る請求項１に記載の充填層内部状況の診断方法。
3. 【請求項３】 前記音波検出手段は１ないし１０００Ｈ
   ｚのうちの少なくとも一部分の範囲の周波数の音波が検
   出可能なものであることを特徴とする請求項１または２
   に記載の充填層内部状況の診断方法。
4. 【請求項４】 一端が閉鎖され、他端ないし他端から内
   部に入った位置には仕切り弁が設けられた筒の前記一端
   に火花放電装置が設けられ、前記一端と仕切り弁との間
   にはガス導入口が設けられ、筒の前記他端近傍には圧力
   検出器が設けられていることを特徴とする充填層内部状
   況の診断方法に使用する音波発生装置。
5. 【請求項５】 一端が閉鎖され、他端ないし他端から内
   部に入った位置には圧力波で破壊するラプチャーディス
   クが設けられた筒の前記一端に火花放電装置が設けら
   れ、前記一端とラプチャーディスクとの間にはガス導入
   口が設けられ、筒の前記他端近傍には圧力検出器が設け
   られていることを特徴とする充填層内部状況の診断方法
   に使用する音波発生装置。
6. 【請求項６】 前記筒は直径が１０〜１００ｍｍ、長さ
   が３００〜２０００ｍｍの円筒であることを特徴とする
   請求項４または５に記載の充填層内部状況の診断方法に
   使用する音波発生装置。
7. 【請求項７】 前記火花放電装置の近傍には乱流発生手
   段が設けられていることを特徴とする請求項４ないし６
   のいずれかに記載の充填層内部状況の診断方法に使用す
   る音波発生装置。
8. 【請求項８】 前記乱流発生手段は螺旋状の針金である
   ことを特徴とする請求項７に記載の充填層内部状況の診
   断方法に使用する音波発生装置。