JP2017172024A - 高炉装入物の表面検出装置及び検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定のための開口を最小限にしたり、安全性向上のために仕切弁を２重に付けることができ、更には大ベルを備える高炉においても、装入物の全面の表面プロファイルを測定する。
【解決手段】高炉の装入物の表面プロファイルを測定する装置において、一端の開口部に角度可変の反射板を設置し、他端にアンテナを設置してなり、かつ、前記高炉の側壁の開口を通じて炉内に挿入されるガイド部と、ガイド部を炉内外に移動させるガイド部移動手段と、ガイド部をその軸線を中心に所定角度で回動させるガイド部回動手段と、アンテナに接続する検出波送受信手段と、反射板のアンテナ側への傾斜角度を変える反射板傾斜手段とを備えるとともに、測定時には、ガイド部の開口部を炉内に突出させて、ガイド部回動手段と反射板傾斜手段とを駆動して装入物の表面を面状または線状に走査し、非測定時には開口部を炉外に退避させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波等の検出波を高炉内に送信し、炉内に装入された鉄鉱石やコークスで反射された検出波を受信して、装入物の表面プロフィールを検出する装置、並びに検出方法に関する。

高炉では、炉内に装入された鉄鉱石やコークスの表面プロフィールを検出するために、鉄鉱石やコークスの表面に検出波を送信し（送信波）、鉄鉱石やコークスで反射された検出波（反射波）を受信し、送信波と反射波との時間差等から鉄鉱石やコークスまでの距離や表面のプロフィールを検出することが行われている。尚、検出波としては、高温で使用でき、炉内の浮遊物や水蒸気等の影響を受けにくいことから、マイクロ波やミリ波が使用されている。

このような装入物の表面プロファイルを検出する方法として、図５に示すように、先端が開口し、他端にマイクロ波を送信するためのアンテナ（図示せず）を設置した長尺のランス３０を高炉１の開口２から装入し、ランス３０を矢印Ｆ方向に直線状に移動しながら、先端の開口部３１を通じてマイクロ波の送受信（符号Ｍ）を行うことが行われている。そして、この方法により、ランス３０の移動方向に沿った装入物６０の表面プロファイルが得られる。

しかしながら、上記方法では、ランス３０の移動方向に沿った線状の表面プロファイルしか得られない。また、高炉１の内径にわたりランス３０を移動しなければならず、測定に時間がかかる。更には、ランス３０は長尺物であり、炉内に長く挿入しておくと自重で湾曲して、測定精度の低下に加えて、炉内への挿入操作及び移動操作に支障を来すおそれもある。

そこで、本出願人は先に特許文献１において、図６に示す表面検出装置を提案している。図示されるように、表面検出装置の測定部Ａは、高炉１の炉頂近傍に形成した開口２の直上に設置されており、測定部Ａには反射板５０とアンテナ５１とが対向して収容されている。反射板５０は、アンテナ側または開口側への傾斜角度が矢印Ｘで示すように可変で、かつ、アンテナ５１の軸線を中心にして矢印Ｙ方向に回動するように構成されている。そして、測定時に、反射板５０をＸ方向への回動とＹ方向への回動とを連動して傾斜させることにより、マイクロ波Ｍにより装入物６０の表面を面状に走査し、装入物の表面プロファイルを面状に測定する。

特許第５３９１４５８号公報

ところで、高炉１の炉頂直下には、鉄鉱石やコークスを供給するためのシュータ（図１参照；符号１０）や大ベルが設置されており、特許文献１に記載の表面検出装置の測定部Ａは、マイクロ波Ｍを装入物６０の表面に対して斜め上方から送信して、マイクロ波Ｍの伝搬経路がシュータの旋回経路にかからないようにしている。また、測定部Ａは、炉内の熱から守るために、仕切弁５５を介在させるなどして、開口２からある程度離れて配置されている。そのため、仕切弁５５の厚みが大きいほど開口２は大きくなる。また、安全性向上のために仕切弁５５を２重に付けると、開口２が極端に大きくなり、現実的ではない。

炉内には多くの浮遊物が存在しており、鉄鉱石７ａやコークス７ｂが上方に飛散しており、開口２を通じて浮遊物が測定部Ａに侵入して付着したり、鉄鉱石７ａやコークス７ｂが反射板５０に衝突する。そのため、開口２が大きいほど浮遊物の侵入や付着、鉄鉱石７ａやコークス７ｂの衝突が起こりやすくなり、測定に影響を来すおそれがある。また、メンテナンスの回数も増える。

また、大ベル（図４参照；符号２０）を備える高炉では、測定部Ａを大ベルの上方に設置し、マイクロ波Ｍを斜め上方から送信することができない。シュータ１０を備える高炉では、シュータ１０が旋回しているため、測定部Ａをシュータ１０の上方に設置してマイクロ波Ｍを斜め上方から送信しても、シュータ１０がマイクロ波Ｍの送受信を邪魔しない期間内に測定することができる。しかし、大ベルは、図４に示すように、炉底に向かって徐々に大径になる傘状の固定物であるため、斜め上方からのマイクロ波が大ベルで邪魔され、送信したとしても一部が欠落した表面プロファイルしか得られない。

そこで本発明は、測定のための開口を最小限にしたり、安全性向上のために仕切弁を２重に付けることができ、更には大ベルを備える高炉においても、装入物の全面の表面プロファイルを測定することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の高炉装入物の表面検出装置及び検出方法を提供する。
（１）高炉内に装入された鉄鉱石やコークス等の装入物の表面に検出波を送信し、その反射波を受信して前記装入物の表面プロファイルを検出する装置であって、
円筒状で、その一端の周壁の一部を切欠した開口部を有するガイド部と、
前記開口部の直上に設置した反射板と、
前記反射板と対向して前記ガイド部の他端に設置されたアンテナと、
前記ガイド部をその軸線を中心に所定角度で回動させるガイド部回動手段と、
前記ガイド部を前記高炉の内部側または外部側に移動させるガイド部移動手段と、
前記反射板をアンテナ側または反アンテナ側に所定角度で傾斜させる反射板傾斜手段と、
を備えるとともに、
前記高炉の側壁の開口に、前記開口部を高炉側にして前記ガイド部を挿通してなり、かつ、
測定時には、前記ガイド部を高炉側に移動して前記開口部を炉内に突出させた後、前記アンテナから検出波を前記反射板に送るとともに、前記ガイド部回動手段と前記反射板傾斜手段とを駆動して前記検出波により前記装入物の表面を面状または線状に走査し、
非測定時には、前記ガイド部を高炉外側方向に移動して前記開口部を炉外方向に退避させるか、前記ガイド部を回動して前記開口部以外の周壁を前記装入物の表面に向けることを特徴とする高炉装入物の表面検出装置。
（２）前記反射板傾斜手段において、
前記反射板の両端に突設した支軸が、前記ガイド部の開口部上方の内壁に回動自在に支持されているとともに、一方の前記支軸にクランク機構を介してピストンロッドが連結しており、
前記ピストンロッドを前記ガイド部の軸線方向に所定距離移動させて、前記クランク機構を介して前記反射板を所定角度で回動させることを特徴とする上記（１）記載の高炉装入物の表面検出装置。
（３）前記ガイド部の内部に不活性ガスを流入させることを特徴とする上記（１）または（２）記載の高炉装入物の表面検出装置。
（４）前記アンテナの前面に、前記検出波を透過する材料からなる非通気性の隔壁を介してフィルタを設置して前記ガイド部の内部を画成するとともに、前記隔壁と前記フィルタとの間の空間に不活性ガスを供給することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の高炉装入物の表面検出装置。
（５）前記高炉が大ベルを備えるとともに、前記開口が前記大ベルよりも炉底側下方に形成した開口に前記ガイド部を装入したことを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の高炉装入物の表面検出装置。
（６）高炉内に装入される鉄鉱石やコークス等の装入物の表面に検出波を送信し、その反射波を受信して前記装入物の表面のプロファイルを検出する方法であって、
一端の開口部に傾斜角度が可変の反射板を備え、他端にアンテナを備えるとともに、軸線を中心に回動可能なガイド部を、前記高炉の開口に挿入し、
測定時には、前記ガイド部を高炉側に移動して前記開口部を炉内に突出させた後、前記アンテナから検出波を前記反射板に送るとともに、前記ガイド部回動手段と前記反射板傾斜手段とを駆動して前記検出波により前記装入物の表面を面状または線状に走査し、
非測定時には、前記ガイド部を高炉外側方向に移動して前記開口部を炉外方向に退避させるか、前記ガイド部を回動して前記開口部以外の周壁を前記装入物の表面に向けることを特徴とする高炉装入物の表面プロファイルの検出方法、

本発明の表面検出装置によれば、高炉の開口を最小限にとどめることができ、浮遊物の浸入・付着防止、鉄鉱石やコークスの衝突防止と大幅に抑えるとともに、装入物の表面プロファイルを正確、かつ迅速に測定でき、高炉の操業をより最適に、安定して行うことができる。

本発明の表面検出装置を高炉に取り付けた状態を示す概略図である。 （Ａ）は非測定時における本発明の表面検出装置を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。 測定時における本発明の表面検出装置を示す断面図である。 大ベルを備える高炉に、本発明の表面検出装置を取り付けた状態を示す概略図である。 ランスを用いた表面検出装置を示す概略図である。 特許文献１の表面検出装置を示す概略図である。

以下、表面検出装置について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の表面検出装置を高炉に取り付けた状態を示す模式図である。図示されるように、高炉１の炉頂から装入された鉄鉱石７ａやコークス７ｂ（以下、まとめて「装入物７」という。）はシュータ１０へと送られ、シュータ１０ではＲ方向への旋回及びＶ方向への振り子運動とを連動して、投入口１１から装入物７を炉内の所定位置に投下する。

表面検出装置１００はガイド部１５０を備え、ガイド部１５０の一端に形成した開口部１５１には反射板１２０が設置され、他端には検出波の送受信手段１１０に接続してアンテナ１１１が設置されている。反射板１２０は、アンテナ側または反アンテナ側への傾斜角度が可変であり、Ｘ方向に回動する。また、ガイド部１５０は、その軸線Ｃを中心にしてＹ方向に回動し、それに伴って反射板１２０も同方向に回動する。そして、ガイド部１５０が、シュータ１０の回転を妨げないように高炉１の側壁、あるいは炉頂から側壁に連続する傾斜部に設けられた開口２に、開口部１５１を高炉側にして挿通される。

高炉１の開口２は、ガイド部１５０を挿通できればよく、ガイド部１５０の直径よりも若干大きい程度ですみ、図６に示す特許文献１の表面検出装置１００の開口２に比べて大幅に小さくすることができる。

そして、測定時には、図示されるように、表面検出装置１００は、ガイド部１５０を高炉側に移動して開口部１５１を炉内に突出させた後、アンテナ１１１からの検出波を反射板１２０で反射し、開口部１５１を通じて炉内に送り（図中、符号Ｍ）、炉内に堆積している装入物７の表面を走査し、その反射波を反射板１２０、アンテナ１１１を介して送受信装置１１０で受信して装入物７の表面プロファイルを検出する。また、図示は省略するが（図２参照）、非測定時やメンテナンス時には、ガイド部１５０を高炉１の外側方向に移動して開口部１５１を炉外方向に退避させる。

尚、ガイド部１５０は、反射板１２０とアンテナ１１１とを収容できればよいため短尺であり、測定時と非測定時とで開口部１５１のみを炉内に突出させるだけでよく、移動距離も短い。これに対しランス（例えば図４の符号３０）は、高炉の内径に近い長さが必要で、移動距離も長くなる。このように、ガイド部１５０は、ランスのように高炉の内外にわたり移動する構成は類似するものの、ランスとは全く異なるものである。

図２（Ａ）は表面検出装置１００の詳細を示す断面図であり、ガイド部１５０をその軸線に沿った断面で示している。また、図２（Ｂ）はその上面図であるが、ガイド部１５０を図２（Ａ）と直交する断面で示している。また、何れも、非測定時、即ち開口部１５１を炉外に退避した状態で示している。

図示されるように、表面検出装置１００のガイド部１５０は、金属等の耐熱性材料からなる円筒体であり、一方の先端の周壁の一部（図の例ではほぼ下半分）が所定の長さにわたり切欠して開口部１５１を形成しており、この開口部１５１に反射板１２０が設置されている。また、ガイド部１５０の他方の端部には、反射板１２０と対向してアンテナ１１１が設置されており、アンテナ１１１には導波管１１２を介して検出波の送受信手段１１０が接続している。尚、検出波としては、熱や炉内の水蒸気等の影響を受けにくいマイクロ波やミリ波を用いる。

ガイド部１５０の外周には、ガイド部側ギア１３２が取り付けられている。ガイド部側ギア１３２は、ガイド部側モータ１３０で駆動されるガイド部側モータギア１３１と螺合しており、ガイド部側モータ１３０を駆動してガイド部１５０を、その軸線Ｃを中心にして矢印Ｙ方向に所定角度で回動させる。

このＹ方向への回動角度は、最大で１８０°である。１８０°回動させることにより、ガイド部１５０の開口部１５１が上方を向き、開口部１５１の上面１５２が装入物側を向くことになり、装入物７の反射板１２０への衝突を防止することができる。そのため、ガイド部側ギア１３２は、ガイド部１５０の外周面の全周にわたる円環状であってもよいが、ガイド部１５０の外周を半周する半円環状としてもよい。尚、図２（Ａ）では、半円環状のガイド部側ギア１３２を示している。

また、反射板１２０は、Ｘ方向に沿って傾斜角度を変えるだけであるから、開口部１５１の円周方向の開口幅をあまり広くする必要はない。そのため、開口部１５１の円周方向の開口幅を狭くすることにより、開口部１５１を１８０°まで回動せずとも、例えば９０°程度回動させるだけで、開口部１５１以外の周壁（側壁）を装入物７に向けることもできる。

図２に示すように、非測定時は、開口部１５１を炉外に退避させることもできるが、次の測定時にガイド部１５０を再度移動して開口部１５１を炉内に突出させなければならず、移動のための時間を要する。また、非測定時には、仕切弁１５３、１５４を閉じて炉内からの熱や、浮遊物の浸入、装入物７の衝突を完全に防止することもできるが、この仕切弁１５３、１５４の開閉時間も要する。これに対し、測定時のまま、即ち、ガイド部１５０の開口部１５１を炉内に突出させたまま、ガイド部１５０をＹ方向に回動させて開口部１５１の上面１７０または側面を挿入物側に向けることにより、ガイド部１５０の移動時間や仕切弁１５３、１５４の開閉時間が無くなり、測定に要する時間を短縮することができる。また、開口部１５１を仕切弁１５３、１５４よりも炉内側で止めて退避させることにより、測定時間を短縮することもできる。

尚、図示されるように、仕切弁１５３、１５４を２個構成にすることにより、両仕切弁１５３、１５４を閉めてガイド部１５１を完全に炉外に退避させ、炉内と炉外とを二重に遮断して安全性を高めることができる。

更に、ガイド部１５０は、測定時と非測定時とで、開口部１５１が炉内に突出する位置から、開口部１５１が炉外に退避する位置まで移動する（図中、符号Ｆ）。この移動は、不図示のガイド部移動手段により行われる。ガイド部移動手段としては、例えばガイド部１５０をレール上に載置し、ガイド部１５０をアンテナ側から押したり、アンテナ側に引いたりする機構等を採用することができる。

ガイド部側モータ１３０及びガイド部側モータギア１３１は、高炉１に固定されている。上記したガイド部１５０の移動の際、開口部１５１が炉外に退避した状態では、ガイド部側モータギア１３１がガイド部側ギア１３２の反射板端部１３２ａと螺合するように位置決めされている。一方、図３に示すように、開口部１５１を炉内に突出した状態では、ガイド部側モータギア１３１が、ガイド部側ギア１３２のアンテナ側端部１３２ｂと螺合するように位置決めされている。従って、ガイド部側ギア１３２は、ガイド部１５０のこのような移動距離（ストローク）に相当する長さを持った、幅広のギアである、

一方、反射板１２０の傾斜角度を制御して、Ｘ方向に回動させる反射板傾斜手段を次のように構成することができる。

反射板１２０の直径両端には、ピン状の支軸１２１，１２１が突出しており、この支軸１２１，１２１がガイド部１５０の開口部１５１の近傍の内壁に回動自在に支持されている。また、一方の支軸１２１には、クランク機構１２２が連結しており、クランク機構１２２にはピストンロッド１２６が連結している。ピストンロッド１２６の他端にはラックギア１２６ａが取り付けられており、このラックギア１２６ａはガイド部１５０の外側に設置したピストンロッド側モータ１２５のピストンロッド側ギア１２５ａに螺合している。そして、ピストンロッド側モータ１２５を駆動して所定角度でピルトンロッド側ギア１２５ａを回動させると、ラックギア１２６ａが前進または後退し、それに合わせてピストンロッド１２６が、Ｆ方向に前進または後退する。それに伴って、クランク機構１２２を介して反射板１２０がＸ方向に所定角度で傾斜する。

このように、ガイド部側モータ１３０によるガイド部１５０のＹ方向への回動と、ピストンロッド側モータ１２５による反射板１２０のＸ方向への回動とを連動することにより、アンテナ１１１からの検出波により、装入物７の表面を面状に走査することができる。また、ガイド部１５０の回動を止め、反射板１２０の回動のみを行うことにより、装入物７の表面を線状に走査することもできる。

また、上記の表面検出装置１００は、大ベルを備える高炉にも適用することができる。即ち、図４に示すように、大ベル２０の炉底側下方に開口２を形成し、表面検出装置１００のガイド部１５０を挿入する。そして、上記と同様にして、測定時には開口部１５１を炉内に突出して反射板１２０のＸ方向及びＹ方向への角度を可変しながらマイクロ波Ｍで装入物７の表面を線状または面状に走査する。マイクロ波を大ベル２０の斜め上方から送信する場合では、大ベル２０で邪魔されて一部が欠落した表面プロファイルしか得られなかったが、大ベル２０に邪魔されずに装入物７の表面の全面にマイクロ波Ｍを送信できるため、装入物７の全面の表面プロファイルが得られる。

上記表面検出装置１００は種々の変更が可能であり、アンテナ１１１は、ホーンアンテナの他、図示されるようにレンズ付きホーンアンテナにすることもできる。レンズ１１３は、セラミックスやガラス、フッ素樹脂等の誘電体からなる半凸状体であり、ホーンアンテナからの検出波を収束して送信することができる。また、レンズ付きにすることにより、ホーンアンテナのホーン長を短くして、ガイド部１５０をより短くすることができる。また、図示は両略す４が、アンテナ１１１としてパラボラアンテナを用いることもできる。

また、測定時に開口部１５１を通じて浮遊物がガイド部１５１に侵入する。そこで、ガイド部１５０の内部に窒素ガス等の不活性ガスを供給してもよい。あるいは、図示されるように、アンテナ１１１の前面に、検出波を透過する非通気性の耐熱材料からなる隔壁１４５を配置し、更に隔壁１４５の前面に検出波を透過する耐熱性材料からなるフィルタ１４０を配置してガイド部１５０の内部を画成する。尚、隔壁１４５及びフィルタ１４０は、アンテナ１１１から延びる連結部材１１５に取り付けられる。そして、ガイド部１５０の端部に設けたガス供給口１５５から窒素ガス等の不活性ガスを供給し、連結部材１１５に設けた通気孔１１６を通じて隔壁１４５とフィルタ１４０との間の空間に流入させる。通気孔１１６は、フィルタ側に傾斜しており、隔壁１４５とフィルタ１４０との間の空間に供給された不活性ガスは、フィルタ１４０を透過して反射板側へと流出する。この流出した不活性ガスは、反射板１２０に到達する。それにより、開口部１５１を通じて侵入した浮遊物が、反射板１２０やフィルタ１４０に付着するのを防止でき、正確な検出を安定して行うことができるようになる。

尚、フィルタ１４０として、例えば宇部興産（株）製の「チラノ繊維」からなる織物を用いることができる。このチラノ繊維は、シリコン、チタン、ジルコニウム、炭素及び酸素からなるセラミック繊維であり、これを面状に編んだものは、マイクロ波やミリ波を透過する耐熱性の通気材料となる。

また、アンテナ１１１と導波管１１２との連結部分に、検出波を透過する材料、例えばフッ素樹脂やセラミックスからなる栓部材１６０を挿入してもよい。

１ 高炉
２ 開口
７ 装入物
７ａ 鉄鉱石
７ｂ コークス
１０ シュータ
２０ 大ベル
１００ 表面検出装置
１１０ 送受信手段
１１１ アンテナ
１１２ 導波管
１２０ 反射板
１２１ 支軸
１２２ クランク機構
１２５ ピストンロッド側モータ
１２５ａ ピストンロッド側ギア
１２６ ピストンロッド
１２６ａ ラックギア
１３０ ガイド部側モータ
１３１ ガイド部側モータギア
１３２ ガイド部側ギア
１４０ フィルタ
１４５ 非通気性隔壁
１５０ ガイド部
１５１ 開口部

Claims (6)

1. 高炉内に装入された鉄鉱石やコークス等の装入物の表面に検出波を送信し、その反射波を受信して前記装入物の表面プロファイルを検出する装置であって、
   円筒状で、その一端の周壁の一部を切欠した開口部を有するガイド部と、
   前記開口部の直上に設置した反射板と、
   前記反射板と対向して前記ガイド部の他端に設置されたアンテナと、
   前記ガイド部をその軸線を中心に所定角度で回動させるガイド部回動手段と、
   前記ガイド部を前記高炉の内部側または外部側に移動させるガイド部移動手段と、
   前記反射板をアンテナ側または反アンテナ側に所定角度で傾斜させる反射板傾斜手段と、
   を備えるとともに、
   前記高炉の側壁の開口に、前記開口部を高炉側にして前記ガイド部を挿通してなり、かつ、
   測定時には、前記ガイド部を高炉側に移動して前記開口部を炉内に突出させた後、前記アンテナから検出波を前記反射板に送るとともに、前記ガイド部回動手段と前記反射板傾斜手段とを駆動して前記検出波により前記装入物の表面を面状または線状に走査し、
   非測定時には、前記ガイド部を高炉外側方向に移動して前記開口部を炉外方向に退避させるか、前記ガイド部を回動して前記開口部以外の周壁を前記装入物の表面に向けることを特徴とする高炉装入物の表面検出装置。
2. 前記反射板傾斜手段において、
   前記反射板の両端に突設した支軸が、前記ガイド部の開口部上方の内壁に回動自在に支持されているとともに、一方の前記支軸にクランク機構を介してピストンロッドが連結しており、
   前記ピストンロッドを前記ガイド部の軸線方向に所定距離移動させて、前記クランク機構を介して前記反射板を所定角度で回動させることを特徴とする請求項１記載の高炉装入物の表面検出装置。
3. 前記ガイド部の内部に不活性ガスを流入させることを特徴とする請求項１または２記載の高炉装入物の表面検出装置。
4. 前記アンテナの前面に、前記検出波を透過する材料からなる非通気性の隔壁を介してフィルタを設置して前記ガイド部の内部を画成するとともに、前記隔壁と前記フィルタとの間の空間に不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の高炉装入物の表面検出装置。
5. 前記高炉が大ベルを備えるとともに、前記開口が前記大ベルよりも炉底側下方に形成した開口に前記ガイド部を装入したことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の高炉装入物の表面検出装置。
6. 高炉内に装入される鉄鉱石やコークス等の装入物の表面に検出波を送信し、その反射波を受信して前記装入物の表面のプロファイルを検出する方法であって、
   一端の開口部に傾斜角度が可変の反射板を備え、他端にアンテナを備えるとともに、軸線を中心に回動可能なガイド部を、前記高炉の開口に挿入し、
   測定時には、前記ガイド部を高炉側に移動して前記開口部を炉内に突出させた後、前記アンテナから検出波を前記反射板に送るとともに、前記ガイド部回動手段と前記反射板傾斜手段とを駆動して前記検出波により前記装入物の表面を面状または線状に走査し、
   非測定時には、前記ガイド部を高炉外側方向に移動して前記開口部を炉外方向に退避させるか、前記ガイド部を回動して前記開口部以外の周壁を前記装入物の表面に向けることを特徴とする高炉装入物の表面プロファイルの検出方法。

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