JP2013221213A - 高炉の原料落下位置測定装置およびこれを用いた旋回シュートの角度補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】落下物の測定精度を向上した高炉の原料落下位置測定装置およびこれを用いた旋回シュートの角度補正方法の提供。
【解決手段】高炉１内に原料を投入する旋回シュート２の下方に高炉中心周りに配設された複数のゾンデ３に対してそれぞれの長手方向に設けられた光ファイバーセンサーにより、予め原料の銘柄別に旋回シュート２の傾斜角度と原料の落下位置との関係を測定し、データーベースに蓄積し、実操業中、光ファイバーセンサーにより原料の落下位置を測定し、データーベースを参照して旋回シュート２の傾斜角度の補正角度を算出し、算出した補正角度に基づいて、旋回シュート２が高炉中心周りの次のゾンデに到達するまでの間に旋回シュート２の傾斜角度を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炉頂装入装置から高炉内に装入される原料の落下位置を測定する高炉の原料落下位置測定装置およびこれを用いた旋回シュートの角度補正方法に関する。

一般に高炉では、炉頂装入装置から高炉内に装入される原料の落下位置を測定することにより、高炉内の原料分布を把握して操業の安定化を図っている。例えば、特許文献１には、高炉炉内に長尺体を配置し、その長尺体内部に所定間隔で加速度検出器を設置し、粉粒体の落下状況を把握する落下物測定装置のことが記載されている。また、特許文献２には、高炉炉内に突出して配設される筒体の上面に適宜間隔を置いてストレンゲージを配置し、その抵抗値の変化で落下状況を測定する原料落下位置測定装置が記載されている。

特開平１１−３１５３０９号公報 特開平６−１３６４１９号公報

上記従来の測定装置では、所定間隔あるいは適宜間隔を置いて加速度検出器あるいはストレンゲージなどのセンサーを設置しているため、落下物の測定精度に難点がある。すなわち、これらのセンサーでは、どのセンサーに落下物が接触したかを測定できても、各センサー上のどの位置に落下物が接触したかを測定することができない。

そこで、本発明においては、落下物の測定精度を向上した高炉の原料落下位置測定装置およびこれを用いた旋回シュートの角度補正方法を提供することを目的とする。

本発明の高炉の原料落下位置測定装置は、旋回シュートによって高炉内に投入される原料の落下位置を測定する高炉の原料落下位置測定装置であって、旋回シュートの下方に配設されたゾンデに対して長手方向に設けられた光ファイバーセンサーを含むものである。本発明によれば、旋回シュートによって高炉内に投入される原料が、ゾンデに対して長手方向に設けられた光ファイバーセンサー上のどの位置に落下したのかを測定することができる。

ここで、ゾンデは、高炉中心周りに複数配設されたものであり、光ファイバーセンサーは、複数のゾンデに対してそれぞれの長手方向に設けられたものであることが望ましい。これにより、旋回シュートの旋回によって高炉内に原料が投入される際、高炉中心周りに複数配設されたゾンデごとに光ファイバーセンサーによって原料がどの位置に落下したのかを測定することができる。

また、光ファイバーセンサーは、ゾンデに対してセンサー部が長手方向の異なる位置に配置されるように複数並列に設けられたものであることが望ましい。光ファイバーセンサーでは、そのセンサー部間であっても原料がどの位置に落下したのかを入力信号の変化により検知することが可能であるが、ゾンデに対してセンサー部が長手方向の異なる位置に配置されるように複数並列に設けることによって、センサー部間の距離を実質的に短縮し、測定精度を向上させることができる。

また、ゾンデは、冷却水が導入される冷却部と、この冷却部の上に旋回シュートから投入される原料を堆積させるセルフボックス部とを有し、光ファイバーセンサーは、セルフボックス部の底部の長手方向の両角部に設けられたものであることが望ましい。これにより、光ファイバーセンサーは、ゾンデの冷却部により冷却されるとともに、セルフボックス部に堆積する原料により熱から保護される。

さらに、光ファイバーセンサーは、予め耐火物で覆われた保護構造であることが望ましい。これにより、光ファイバーセンサーは、耐火物で覆われることで、さらに熱から保護される。

また、本発明の旋回シュートの角度補正方法は、高炉内に原料を投入する旋回シュートの下方に高炉中心周りに配設された複数のゾンデに対してそれぞれの長手方向に設けられた光ファイバーセンサーにより、予め原料の銘柄別に旋回シュートの傾斜角度と原料の落下位置との関係を測定し、データーベースに蓄積すること、実操業中、光ファイバーセンサーにより原料の落下位置を測定し、データーベースを参照して旋回シュートの傾斜角度の補正角度を算出すること、算出した補正角度に基づいて、旋回シュートが高炉中心周りの次のゾンデに到達するまでの間に旋回シュートの傾斜角度を補正することを含むことを特徴とする。

これにより、実操業中の旋回シュートのライナーの摩耗や高炉炉況の変化等に起因する原料の落下位置の変化に対して、データーベースに蓄積した原料の銘柄別の旋回シュートの傾斜角度と原料の落下位置との関係から、旋回シュートが高炉中心周りの次のゾンデに到達するまでの間に旋回シュートの傾斜角度を自動補正することが可能となる。

また、旋回シュートは、原料の１チャージ完了ごとに逆旋回させることが望ましい。これにより、前チャージの原料落下開始からゾンデへ原料が衝突する分の原料の落下位置の誤差分を補正することが可能となる。

（１）旋回シュートの下方に配設されたゾンデに対して長手方向に設けられた光ファイバーセンサーを含む高炉の原料落下位置測定装置によれば、旋回シュートによって高炉内に投入される原料が、ゾンデに対して長手方向に設けられた光ファイバーセンサー上のどの位置に落下したのかを測定することができるので、原料の落下位置の測定精度が向上し、操業の安定化を図ることができる。

（２）ゾンデが高炉中心周りに複数配設されたものであり、光ファイバーセンサーが複数のゾンデに対してそれぞれの長手方向に設けられたものであることにより、旋回シュートの旋回によって高炉内に原料が投入される際、高炉中心周りに複数配設されたゾンデごとに光ファイバーセンサーによって原料がどの位置に落下したのかを測定することができ、旋回シュートの１旋回内で原料の落下位置を複数回把握して、より細かく操業の安定化を図ることができる。

（３）光ファイバーセンサーがゾンデに対してセンサー部が長手方向の異なる位置に配置されるように複数並列に設けられたものであることにより、測定精度を向上させることができる。

（４）ゾンデが、冷却水が導入される冷却部と、この冷却部の上に旋回シュートから投入される原料を堆積させるセルフボックス部とを有し、光ファイバーセンサーが、セルフボックス部の底部の長手方向の両角部に設けられたものであることにより、光ファイバーセンサーは、ゾンデの冷却部により冷却されるとともに、セルフボックス部に堆積する原料により熱から保護されるので、光ファイバーセンサーの誤作動が防止され、また長寿命化を図ることができる。

（５）光ファイバーセンサーが予め耐火物で覆われた保護構造であることにより、光ファイバーセンサーは耐火物で覆われることで、さらに熱から保護されるので、光ファイバーセンサーの誤作動がより一層防止され、さらなる長寿命化を図ることができる。

（６）高炉内に原料を投入する旋回シュートの下方に高炉中心周りに配設された複数のゾンデに対してそれぞれの長手方向に設けられた光ファイバーセンサーにより、予め原料の銘柄別に旋回シュートの傾斜角度と原料の落下位置との関係を測定し、データーベースに蓄積すること、実操業中、光ファイバーセンサーにより原料の落下位置を測定し、データーベースを参照して旋回シュートの傾斜角度の補正角度を算出すること、算出した補正角度に基づいて、旋回シュートが高炉中心周りの次のゾンデに到達するまでの間に旋回シュートの傾斜角度を補正することを含む旋回シュートの角度補正方法によれば、実操業中の旋回シュートのライナーの摩耗や高炉炉況の変化等に起因する原料の落下位置の変化に対して、旋回シュートの傾斜角度を自動補正することが可能となり、高炉の自動安定操業が可能となる。

（７）旋回シュートは、原料の１チャージ完了ごとに逆旋回させることにより、前チャージの原料落下開始からゾンデへ原料が衝突する分の原料の落下位置の誤差分を補正することが可能となる。より安定した高炉の自動操業が可能となる。

本発明の実施の形態における高炉の概略断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の片持ちゾンデの斜視図である。 図３の片持ちゾンデの断面図である。 （ａ）は光ファイバーセンサーの断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 光ファイバーセンサーの動作原理を示す説明図である。 原料落下軌跡の測定例を示す説明図である。 旋回シュートの角度補正区間を示す図１のＡ−Ａ断面図である。 旋回シュートの角度補正手順を示すフロー図である。

図１は本発明の実施の形態における高炉の概略断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１の片持ちゾンデの斜視図、図４は図３の片持ちゾンデの断面図である。また、図５（ａ）は光ファイバーセンサーの断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図、図６は光ファイバーセンサーの動作原理を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態における高炉１の炉頂部には、高炉中心周りに旋回する旋回シュート２と、旋回シュート２の下方に高炉中心周りに配設された複数の片持ちゾンデ３とが設けられている。なお、本実施形態においては、片持ちゾンデ３は、図２に示すように、旋回シュート２の旋回方向に１８０°間隔で２個設けられた構成であるが、所定間隔で任意個数設けられた構成とすることも可能である。

旋回シュート２は、炉頂装入装置１ａから装入される鉱石やコークス等の原料を、高炉中心周りに旋回しながら投入するものである。旋回シュート２は、高炉中心周りに旋回するための旋回モーター２ａと、任意の傾動角度θに調整するための傾動モーター２ｂとを備えている。片持ちゾンデ３は、ガス温度や成分分析を行うためのゾンデであり、高炉中心側を斜め下方として高炉１の壁面に片持ち支持されたものである。

また、本実施形態における高炉１には、旋回シュート２によって高炉１内に投入される原料の落下位置を測定する原料落下位置測定装置が設けられている。原料落下位置測定装置は、図３に示すように各片持ちゾンデ３に設けられた光ファイバーセンサー４と、広帯域光を発光し、その反射光を検知する測定器５と、測定器５の検知結果に基づき原料の落下位置を算出する演算装置６とから構成される。

片持ちゾンデ３は、冷却水が導入される冷却部３ａと、この冷却部３ａの上に、旋回シュート２から投入される原料Ｃ（図４参照。）を受けて堆積させるセルフボックス部３ｂとを有する。光ファイバーセンサー４は、セルフボックス部３ｂの底部の片持ちゾンデ３の長手方向の両角部に設けられている。なお、光ファイバーセンサー４は、片持ちゾンデ３のいずれか一方の角部に設けた構成とすることも可能である。

また、光ファイバーセンサー４は、セラミック系樹脂７により覆われるように片持ちゾンデ３に接着されている。なお、セルフボックス部３ｂの底部には、図４（ａ）に示すように光ファイバーセンサー４を覆うように予め耐火物８を設け、堆積させた原料Ｃとともに光ファイバーセンサー４を熱から保護する構成としたり、図４（ｂ）に示すようにセルフボックス部３ｂに堆積させた原料Ｃのみによって保護する構成としたりすることが可能である。

光ファイバーセンサー４は、図５に示すように、所定間隔でセンサー部１０が形成された光ファイバー素線１１と、光ファイバー素線１１を覆う金属管１２とで構成されている。センサー部１０は、光ファイバー素線１１のコア部（図６参照。）に屈折率が変化する回折格子（ブラッグ格子）構造を形成したものであり、一般にＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）センサーと称されるものである。また、光ファイバー素線１１は、センサー部１０間で金属管１２をかしめること（かしめ部１３）により、プリテンション状態（負余長）とされて金属管１２により挟持されている。

センサー部（グレーティング部）１０は、図６に示すように、それぞれブラッグ格子の格子間隔が異なるように形成されており、測定器５から発光された広帯域光（入射光）は、それぞれのブラッグ格子により特定波長のみが反射される。すなわち、それぞれのセンサー部１０の格子間隔の違いにより反射される波長λ₁，λ₂が異なっており、この測定器５から広帯域光を発光し、その反射光を検知すると、それぞれのセンサー部１０の特性（反射波長）の違いから、光ファイバー素線１１のどの位置で歪みが発生したかを検知することが可能となっている。

本実施形態における光ファイバーセンサー４では、この光ファイバー素線１１のセンサー部１０間でかしめて金属管１１で挟持することで、落下物が片持ちゾンデ３に接触することにより金属管１１内の光ファイバー素線１１が振動し、この振動により複数のセンサー部１０に発生した歪みを検知して、演算装置６により原料の落下位置を算出することが可能となっている。

このように、本実施形態における原料落下位置測定装置では、旋回シュート２によって高炉１内に投入される原料が、片持ちゾンデ３に対して長手方向に設けられた光ファイバーセンサー４上のどの位置に落下したのかを測定することができるので、原料の落下位置の測定精度が向上しており、操業の安定化を図ることが可能となっている。

なお、高炉１において片持ちゾンデ３は既存の設備であり、本実施形態における原料落下位置測定装置を実現するためには、高炉１内では、この片持ちゾンデ３に対して光ファイバーセンサー４を設置するだけで良い。そのため、高炉１内に新たに測定機器を設置する必要がなく、高炉炉況への影響もない。

また、本実施形態においては片持ちゾンデ３が、高炉中心周りに複数配設されており、光ファイバーセンサー４が、この複数の片持ちゾンデ３に対してそれぞれの長手方向に設けられているため、旋回シュート２の旋回によって高炉１内に原料が投入される際、高炉中心周りに複数配設された片持ちゾンデ３ごとに光ファイバーセンサー４によって原料がどの位置に落下したのかを測定することが可能となっている。そのため、旋回シュート２の１旋回内で原料の落下位置を複数回把握して、より細かく操業の安定化を図ることが可能となっている。

また、前述のように、本実施形態において光ファイバーセンサー４は、片持ちゾンデ３の長手方向の両角部に並列に設けられているが、これらの光ファイバーセンサー４は、センサー部１０が片持ちゾンデ３の長手方向の異なる位置に配置されるように、例えば片持ちゾンデ３を上方からみて千鳥配列となるように設けられている。これにより、センサー部１０間の距離が実質的に半分に短縮されていることになり、測定精度が向上している。

次に、上記原料落下位置測定装置を用いて高炉１の操業安定化を図るための旋回シュート２の角度補正方法について説明する。

（１）データー測定
まず、高炉１の火入れ前の原料填充時に実操業で使用する旋回シュート２の傾動角度θ（任意角度）で、原料銘柄別の原料落下軌跡の測定を実施する。原料落下軌跡は、上記原料落下位置測定装置により取得する。図７（ａ），（ｂ）は原料落下軌跡の測定例を示している。図７（ａ）に示すように、原料銘柄別に旋回シュート２の傾動角度θにおける高炉中心から原料の落下位置までの距離Ｌ₁を原料落下位置測定装置により測定し、傾動角度θを固定したまま旋回シュート２を旋回させ、ｎ本（光ファイバーセンサー４を設置した片持ちゾンデ数：本実施形態においてはｎ＝２）／３６０°後に高炉中心からの距離Ｌ₁’を原料落下位置測定装置により測定する。

（２）データーベース構築
原料銘柄別の任意角度θにおける原料落下軌跡を高炉中心からの距離で定義する。本実施形態においては、高炉中心からの原料落下距離として、ｎ本の片持ちゾンデにおいて測定した高炉中心からの距離の平均値Ｌ’（＝（Ｌ₁＋Ｌ₁’）／２））を採る。表１に原料銘柄としての鉱石の高炉中心からの原料落下距離のデーターベースの例を示す。同様に原料銘柄としてのコークスの高炉中心からの原料落下距離のデーターベースも構築する。

また、合わせてθ_n−θ_n+1＝Ｌ_n’−Ｌ_n+1’の関係も整理しておく。なお、火入れ前、高炉１への原料填充には、５０〜６０チャージ（原料（鉱石およびコークス）の投入数）程度かかるため、この間で旋回シュート２の任意角度における原料落下軌跡のデーターを多く取ることは言うまでもない。

（３）実測値とデーターベースとの角度補正方法
図８は旋回シュート２の角度補正区間を示す図１のＡ−Ａ断面図、図９は旋回シュート２の角度補正手順を示すフロー図である。

実操業中、光ファイバーセンサー付き片持ちゾンデ３（図８の左側）により原料の落下位置を測定し（ステップＳ１）、データーベースを参照してシュート角度θにおける原料落下距離との差Ｌ”（＝Ｌ’−実測値）を計算する（ステップＳ２）。この差Ｌ”が０の場合（ステップＳ３）には、旋回シュート２の角度をそのまま保持する（ステップＳ４）。

一方、差Ｌ”が０でない場合（ステップＳ３）には、以下で算出した補正角度θ’へ、旋回シュート２が高炉中心周りの次の片持ちゾンデ３（図８の右側）に到達するまでの間に旋回シュート２の傾斜角度を補正する（ステップＳ５）。但し、旋回シュート２の傾動速度の制限により次の片持ちゾンデ３まで旋回する間に、補正角度θ’まで補正できない場合には、上記θ’によらず、補正可能な角度まで補正する。

ここで、補正角度θ’は、次式により求める。

以上により、実操業中の旋回シュート２のライナーの摩耗や高炉炉況の変化等に起因する原料の落下位置の変化に対して、データーベースに蓄積した原料の銘柄別の旋回シュート２の傾斜角度と原料の落下位置との関係から、旋回シュート２が高炉中心周りの次の片持ちゾンデ３に到達するまでの間に旋回シュートの傾斜角度を自動補正することが可能となり、原料落下点を常に同じ点に維持することができるので、高炉の自動安定操業が可能となる。

さらに、旋回シュート２は、原料の１チャージ完了ごとに逆旋回させることが好ましく、前チャージの原料落下開始から片持ちゾンデ３へ原料が衝突する分の原料の落下位置の誤差分を補正することが可能となる。なお、本実施形態においては、片持ちゾンデ３について説明したが、本発明はこれに限られることなく、クロスゾンデなどの他のゾンデにも適用可能である。

本発明は、炉頂装入装置から高炉内に装入される原料の落下位置を高精度に測定する高炉の原料落下位置測定装置およびこれを用いて高炉を自動安定操業するための旋回シュートの角度補正方法として有用である。

１ 高炉
２ 旋回シュート
３ 片持ちゾンデ
４ 光ファイバーセンサー
５ 測定器
６ 演算装置
７ セラミック系樹脂
８ 耐火物
１０ センサー部
１１ 光ファイバー素線
１２ 金属管
１３ かしめ部

Claims (9)

1. 旋回シュートによって高炉内に投入される原料の落下位置を測定する高炉の原料落下位置測定装置であって、
   前記旋回シュートの下方に配設されたゾンデに対して長手方向に設けられた光ファイバーセンサーを含む高炉の原料落下位置測定装置。
2. 前記光ファイバーセンサーは、
   所定間隔でセンサー部が形成された光ファイバー素線と、
   前記光ファイバー素線を覆う金属管であり、前記センサー部間で前記光ファイバー素線を挟持した金属管と
   から構成されたものである請求項１記載の高炉の原料落下位置測定装置。
3. 前記センサー部は、前記光ファイバー素線のコア部に屈折率が変化する回折格子構造を形成したものである請求項２記載の高炉の原料落下位置測定装置。
4. 前記ゾンデは、高炉中心周りに複数配設されたものであり、
   前記光ファイバーセンサーは、複数のゾンデに対してそれぞれの長手方向に設けられたものである
   請求項１から３のいずれかに記載の高炉の原料落下位置測定装置。
5. 前記光ファイバーセンサーは、前記ゾンデに対してセンサー部が長手方向の異なる位置に配置されるように複数並列に設けられたものである請求項１から４のいずれかに記載の高炉の原料落下位置測定装置。
6. 前記ゾンデは、冷却水が導入される冷却部と、この冷却部の上に前記旋回シュートから投入される原料を堆積させるセルフボックス部とを有し、
   前記光ファイバーセンサーは、前記セルフボックス部の底部の長手方向の両角部に設けられたものである
   請求項５記載の高炉の原料落下位置測定装置。
7. 前記光ファイバーセンサーは、予め耐火物で覆われた保護構造である請求項６記載の原料落下位置測定装置。
8. 高炉内に原料を投入する旋回シュートの下方に高炉中心周りに配設された複数のゾンデに対してそれぞれの長手方向に設けられた光ファイバーセンサーにより、予め前記原料の銘柄別に前記旋回シュートの傾斜角度と前記原料の落下位置との関係を測定し、データーベースに蓄積すること、
   実操業中、前記光ファイバーセンサーにより前記原料の落下位置を測定し、前記データーベースを参照して前記旋回シュートの傾斜角度の補正角度を算出すること、
   前記算出した補正角度に基づいて、前記旋回シュートが前記高炉中心周りの次のゾンデに到達するまでの間に前記旋回シュートの傾斜角度を補正すること
   を含む旋回シュートの角度補正方法。
9. 前記旋回シュートは、前記原料の１チャージ完了ごとに逆旋回させることを特徴とする請求項８記載の旋回シュートの角度補正方法。

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