JP2011145237A - 高炉内装入物のプロフィル測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で、機構部が高炉内の熱や高濃度粉塵等の影響を受けずに、高精度なプロフィル測定を行うことができる高炉内装入物のプロフィル測定装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波発信器１８と、マイクロ波を放射するアンテナ１１と、 マイクロ波発信器１８とアンテナ１１とを連結する導波管１７と、マイクロ波を反射する反射板１２と、反射板駆動装置２１と、反射板１２と反射板駆動装置２１とを連結する駆動軸２２と、を有し、アンテナ１１、導波管１７のアンテナ１１側の端部１７ａ、反射板１２、駆動軸２２の反射板１２側の端部２２ａが、高炉２の炉頂部に設置され高炉２の炉内に向けた開口部１３を有する耐圧容器１０内に収納され、マイクロ波発信器１８および反射板駆動装置２１が、耐圧容器１０の外側に配置されている。
【選択図】図４

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。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）、また、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方法が開発され、実用化されてきた。

例えば特許文献１に、炉中心軸上を外れた炉頂部の炉外位置に、マイクロ波の送受信アンテナおよび発信回路を備えたマイクロ波プローブを設け、マイクロ波プローブを回動させてマイクロ波を送受信することにより、炉中の装入物の表面輪郭を測定する測定装置が開示されている。

また、例えば特許文献２には、炉体の側面から高炉の軸心に向けて、マイクロ波の送受信機能を備えたゾンデ管を挿入し、マイクロ波を高炉内装入物へ向けて発信して、高炉内装入物の表面までの距離を測定する方式が開示されている。

特許第２８７０３４６号公報 特開２００２−２７５５１６号公報

しかしながら、前記特許文献１の測定装置は、マイクロ波プローブ自体を移動させて炉内全体のプロフィルを測定するため、装置が大がかりとなる。また、マイクロ波の送受信を行う回路を備えたマイクロ波プローブは、高温、高圧で各種ガスや粉塵が多く発生する炉内に接近して設置すると炉内環境の影響を受けて故障の原因となるが、炉内部から離れた位置に設置すると、炉内装入物の表面全体にマイクロ波を走査するためには、プローブ収納ケースの高炉側の開口を大きく設けなければならないという問題点がある。

前記特許文献２も、アンテナ自体を動かせて測定するものである。また、ゾンデ管を炉体の側面から挿入して測定するため、原料の装入時には、ゾンデ管を炉体の外へ退避させなければならず、原料装入時の連続測定ができないという問題がある。

本発明の目的は、プロフィル測定装置自体の構造が簡易で、その機構部が高炉内の熱や高濃度粉塵等の影響を受けずに、高精度なプロフィル測定を行うことができる高炉内装入物のプロフィル測定装置を提供することにある。

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、マイクロ波発信器と、マイクロ波を放射するアンテナと、前記マイクロ波発信器と前記アンテナと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、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、を有し、前記アンテナ、前記導波管の前記アンテナ側の端部、前記反射板、前記駆動軸の前記反射板側の端部が、前記高炉の炉頂部に設置され前記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、前記マイクロ波発信器および反射板駆動装置が、前記耐圧容器の外側に配置されていることを特徴とする高炉装入物のプロフィル測定装置を提供する。

前記耐圧容器は、前記開口部を有する反射板収容部とアンテナ収容部とが、マイクロ波透過部材で仕切られ、前記アンテナは、前記アンテナ収容部において、前記マイクロ波透過部材に対面して配置されていてもよい。

また、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、マイクロ波発信器と、マイクロ波を放射するアンテナと、前記マイクロ波発信器と前記アンテナと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、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、を有し、前記反射板および前記駆動軸の前記反射板側の端部が、前記高炉の炉頂部に設置され前記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、前記アンテナ、前記導波管、前記マイクロ波発信器、反射板駆動装置が、前記耐圧容器の外側に配置され、前記耐圧容器は、一つの側壁がマイクロ波透過部材で形成され、前記アンテナが、前記マイクロ波透過部材に対面して配置されていることを特徴とする高炉装入物のプロフィル測定装置を提供する。

前記アンテナと前記駆動軸は、それぞれの中心軸線が一致するように配置され、 前記反射板は、前記アンテナの側面から見て前記アンテナの中心軸線に対して４５°の角度となるように前記駆動軸に固定され、アンテナから放射されたマイクロ波が前記反射板によって反射され、高炉内装入物の表面において高炉の中心軸を通る直径方向に走査するように、前記反射板駆動装置により前記駆動軸を回転させて反射板を操作することが好ましい。

前記耐圧容器の開口部が通気性を有する耐熱ボードに覆われ、前記耐圧容器内に前記高炉の外側から窒素が吹き込まれることが好ましい。

前記アンテナがパラボラアンテナであることが好ましい。

本発明によれば、高濃度粉塵下の高炉内においても、器等の機構部に高炉内の影響を与えることがなく、且つ高精度で高炉内装入物のプロフィルが測定できる。また、高炉の鉄鉱石やコークスの装入等の操業に影響を与えることなく、高頻度で、装入物表面のプロフィ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。

本発明の測定装置を備えた高炉炉頂部の例を示す縦断面図である。 本発明の測定装置の構成を示す部分拡大図である。 図２のＡ−Ａ切断線における断面の模式図である。 図２のＢ−Ｂ切断線における断面の模式図である。 本発明の異なる実施形態を示す側面図である。 本発明のさらに異なる実施形態を示す側面図である。 本発明により測定した高炉装入物のプロフィルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明のプロフィル測定装置１を高炉２に設置した例を示す。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、一個所設置されている。なお、当該プロフィル測定装置１を複数台、高炉２の炉頂部の外側に配設してもよいことは明らかである。

図２は、図１のプロフィル測定装置１の部分を拡大した図であり、図３は、プロフィル測定装置１を上から見た平面図であり、図４は、図３の左側面から見たプロフィル測定装置１の側面図である。プロフィル測定装置１は、図２〜４に示すように、耐圧容器１０に収容されたアンテナ１１および反射板１２と、耐圧容器１０の外側に配置されて、アンテナ１１および反射板１２を支持、駆動、制御する各機構部（例えば反射板駆動装置２１、駆動軸２２）を有している。

耐圧容器１０は、底面に、炉内に向けた開口部１３を有し、高炉２の炉頂部付近に設置される。開口部１３には通気性を有する耐熱ボード１４がはめ込まれ、さらに炉内側に、仕切弁１５が設けられている。仕切弁１５は、仕切弁駆動部１６によって開閉され、プロフィルの測定時に開き、例えば高炉２休止時等には閉じられる。こうして、プロフィルの測定時にマイクロ波が開口部１３を透過できるようにする。

アンテナ１１は、例えばφ２５０ｍｍ程度のパラボラアンテナであり、耐圧容器１０の壁面を貫通する導波管１７を介して、耐圧容器１０の外側に配置されたマイクロ波発信器１８に連結されている。したがって、導波管１７のアンテナ１１側の端部１７ａは耐圧容器１０内に収納され、他端側は耐圧容器１０の外側に配置される。耐圧容器１０の外側に配置された導波管１７の途中には、高炉２内部のガス等を遮断するための遮断弁１９が設けられている。マイクロ波発信器１８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、当該マイクロ波の送信および受信が可能である。マイクロ波発信器１８にはデータ処理部２０が信号線で接続されている。なお、各図において、アンテナの形状は簡略化して示した。

マイクロ波発信器１８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により反射板１２を経て測定対象に向けて放射され、測定対象物で反射したマイクロ波（反射波）を受信して検出する。データ処理部２０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、アンテナから測定対象（装入物表面）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、用いることが可能な一例である。

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、高精度に所望する位置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１３を小さくすることができるので好ましい。

図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）は、耐圧容器１０の開口部（面）１３の垂線に対して垂直方向に設けられ、図３、４に示すように、アンテナ１１の中心軸線の延長上に、反射板１２と反射板駆動装置２１とを連結する駆動軸２２が設けられている。すなわち、駆動軸２２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２２が設けられている。駆動軸２２は耐圧容器１０の壁面を貫通し、反射板１２側の端部２２ａは耐圧容器１０内に収納され、他端側は耐圧容器１０の外側に配置される。図４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２２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２１により駆動軸２２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の内側へ向けて反射し、高炉２の中心軸を通る直径方向に走査する。

また、測定時には、高炉２内部のガスや粉塵等が耐圧容器１０内に侵入するのを防ぐとともに、耐圧容器１０から外部へガス等が漏洩するのを防止する目的で、耐圧容器１０内に、例えば大気圧＋０．４ＭＰａ程度に窒素ガスのパージを行う。耐圧容器１０の開口部１３には、通気性を有する耐熱ボード１４がはめ込まれているため、窒素ガスが炉内に通過可能であり、耐熱ボード１４の炉内側の面に粉塵等が付着するのを防ぐとともに、アンテナ１１や反射板１２を炉内の熱から保護することができる。なお、通気性を有する耐熱ボード１４としては、例えばセラミックファイバによるものが市販されている。

以上のように、アンテナ１１と反射板１２を耐圧容器１０内に収容し、その他の機構部を耐圧容器１０の外側に配置することにより、炉内のガスや熱等の影響を受けないように回路や駆動機構部を保護することができる。

また、例えば図４に示すように、耐圧装置１０の開口部１３を耐圧装置１０の底面の一部とし、アンテナ１１を開口部１３の位置から外すことにより、アンテナ１１に高炉２内の影響を受けにくくすることができる。

上記の実施形態では、反射板１２を、アンテナ１１の中心軸線に対して４５°の角度で固定することとした。本発明はこれに限るものではないが、例えばアンテナ１１の中心軸線に対する反射板１２の取り付け角度を可変とした場合には、反射板１２自体が大きくなり、耐圧容器１０や反射板駆動装置２１を大型にする必要が生じるため、好ましくない。

図５は、本発明の異なる実施形態を示し、耐圧容器１０が、マイクロ波透過部材３１によって、底面に開口部１３を有する反射板収容部３２とアンテナ収容部３３とに仕切られたものである。アンテナ１１と反射板１２は、マイクロ波透過部材３１を介して対面して配置され、アンテナ１１から放射されたマイクロ波が、マイクロ波透過部材３１を介して反射板１２に到達する。この場合には、アンテナ収容部３３には炉内に通じる開口部１３が無く、アンテナ１１を炉内の環境から十分に保護することができる。マイクロ波透過部材３１としては、例えばセラミック板が用いられる。マイクロ波透過部材３１は、仕切り壁全体、またはアンテナ１１の大きさより少し大きめに設けられる。その他の構成は、前述の実施形態と同様である。この場合は、高炉２内部のガス等が導波管１７に侵入しないので遮断弁１９は必ずしも設置する必要は無い。

図６は、さらに異なる実施形態を示し、アンテナ１１を耐圧容器１０の外側に配置したものである。耐圧容器１０は、底面に開口部１３を有し、一つの側壁がマイクロ波透過部材で形成されている。耐圧容器１０内には、反射板１２および駆動軸２２の反射板側の端部２２ａのみが収納され、アンテナ１１は炉内の影響を受けない。図５と同様、アンテナ１１と反射板１２は、マイクロ波透過部材３１を介して対面して配置され、アンテナ１１から放射されたマイクロ波が、マイクロ波透過部材３１を介して反射板１２に到達する。マイクロ波透過部材３１は、耐圧容器１０の一つの側壁全体、またはアンテナ１１の大きさと同じ大きさに設けられる。その他の構成は、前述の実施形態と同様である。

以上のようなプロフィル測定装置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について説明する。なお、以下に説明する測定手順は一例であり、本発明は、以下の測定方法に限って使用されるものではない。

先ず、反射板１２の向きを、例えば直下に向けた初期位置に固定し、マイクロ波発信器１８からマイクロ波を発信する。マイクロ波は、導波管１７、アンテナ１１を介して、反射板１２により反射されて直下の高炉内装入物４に照射され、高炉内装入物４までの距離を測定する。この距離データを例えば１秒など所定の時間間隔で測定し、データ処理部２０において、高炉内装入物４の降下速度を演算する。

次に、高炉内装入物４のプロフィル測定を開始する。反射板１２の初期位置から、予め設定した所定位置までの間、反射板駆動装置２１により反射板１２を回転させる。所望の空間分解能に応じて予め設定した角度ごとに、高炉内装入物４までの距離を測定してその距離データを、また、反射板駆動装置２１はそのときの走査角度データを、データ処理部２０へ送る（往路測定）。その後、往路測定と同様に、所定位置から初期位置までの間をマイクロ波が走査し、走査角度データおよび距離データをデータ処理部２０へ出力する（復路測定）。データ処理部２０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、往路測定と復路測定による同一走査角度時の距離データを平均化することにより、測定中の高炉内装入物４降下の影響を排除した高炉内装入物４のプロフィルを演算する。

なお、走査角度範囲が狭くて短時間で一連の測定が完了するときには、往路の測定データだけでも、十分な精度のプロフィルが得られる。また、高炉内装入物が中央から対称形であると仮定し、例えばプロフィル測定装置１の直下付近および対向部の所定範囲の測定データのみを用いて、全体のプロフィルを予測することもできる。

また、本発明のプロフィル測定装置１を、高炉２の中心軸に対して対称位置に二個所設置してもよい。この場合には、例えば互いに対向する側のプロフィルを測定するようにすれば、マイクロ波の入射角度が大きくなるため、反射波の強度が大きく、さらに測定精度が高くなる。

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。

図１に示すように、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測定を行い、図７の結果を得た。本発明により、十分な精度の測定結果が得られることがわかった。

本発明は、高熱やガス等が発生する炉内のプロフィルを測定するプロフィル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 高炉内装入物
５ ベルレス式装入装置
６ 分配シュート
１０ 耐圧容器
１１ アンテナ
１２ 反射板
１３ 開口部
１４ 耐熱ボード
１５ 仕切弁
１６ 仕切弁駆動部
１７ 導波管
１７ａ、２２ａ 端部
１８ マイクロ波発信器
１９ 遮断弁
２０ データ処理部
２１ 反射板駆動装置
２２ 駆動軸
３１ マイクロ波透過部材
３２ 反射板収容部
３３ アンテナ収容部

Claims (6)

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、
   マイクロ波発信器と、
   マイクロ波を放射するアンテナと、
   前記マイクロ波発信器と前記アンテナと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、
   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、を有し、
   前記アンテナ、前記導波管の前記アンテナ側の端部、前記反射板、前記駆動軸の前記反射板側の端部が、前記高炉の炉頂部に設置され前記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、
   前記マイクロ波発信器および反射板駆動装置が、前記耐圧容器の外側に配置されていることを特徴とする、高炉装入物のプロフィル測定装置。
2. 前記耐圧容器は、前記開口部を有する反射板収容部とアンテナ収容部とが、マイクロ波透過部材で仕切られ、
   前記アンテナは、前記アンテナ収容部において、前記マイクロ波透過部材に対面して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の高炉装入物のプロフィル測定装置。
3. 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、
   マイクロ波発信器と、
   マイクロ波を放射するアンテナと、
   前記マイクロ波発信器と前記アンテナと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、
   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、を有し、
   前記反射板および前記駆動軸の前記反射板側の端部が、前記高炉の炉頂部に設置され前記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、
   前記アンテナ、前記導波管、前記マイクロ波発信器、反射板駆動装置が、前記耐圧容器の外側に配置され、
   前記耐圧容器は、一つの側壁がマイクロ波透過部材で形成され、前記アンテナが、前記マイクロ波透過部材に対面して配置されていることを特徴とする、高炉装入物のプロフィル測定装置。
4. 前記アンテナと前記駆動軸は、それぞれの中心軸線が一致するように配置され、
   前記反射板は、前記アンテナの側面から見て前記アンテナの中心軸線に対して４５°の角度となるように前記駆動軸に固定され、
   アンテナから放射されたマイクロ波が前記反射板によって反射され、高炉内装入物の表面において高炉の中心軸を通る直径方向に走査するように、前記反射板駆動装置により前記駆動軸を回転させて反射板を操作す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装入物のプロフィル測定装置。
5. 前記耐圧容器の開口部が通気性を有する耐熱ボードに覆われ、前記耐圧容器内に前記高炉の外側から窒素が吹き込まれ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装入物のプロフィル測定装置。
6. 前記アンテナがパラボラアンテナであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の高炉装入物のプロフィル測定装置。

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