JP2018087364A

JP2018087364A - レベル計測装置およびレベル計測方法

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Publication number: JP2018087364A
Application number: JP2016230627A
Authority: JP
Inventors: 貴博木下; Takahiro Kinoshita; 杉橋　敦史; Atsushi Sugibashi; 敦史杉橋
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: JP6750479B2

Abstract

【課題】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レベル計測装置およびレベル計測方法を提供する。【解決手段】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および受信アンテナ１２の各アンテナ利得Ｇが高められることにより、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比を向上できる。また、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。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、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比を向上できる。【選択図】図１

Description

本発明は、炉内のスラグ面のレベルを計測するためのレベル計測装置およびレベル計測方法に関する。

転炉吹錬（以下、単に吹錬とも呼ぶ）では、酸素等のガスをスラグ面に高速且つ多量に吹き付けることから、スラグ面が高速に流動し変動する。吹錬が進行してスラグが滓化すると、滓化促進に伴って、スラグがフォーミングし易くなり、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）等が生じる恐れもある。そのため、転炉吹錬では、転炉内におけるスラグ面のレベルをリアルタイムで、より正確に計測することが望まれている。

従来、スラグ面のレベル計測装置としては、特許文献１に示すように、マイクロ波を利用したレベル計測装置が考えられている。特許文献１では、例えば、スラグ面と転炉内のランス側壁との双方にマイクロ波を照射し、スラグ面とランス側壁とでいわゆるコーナーキューブミラーを形成してマイクロ波の反射率を高めることが提案されている。また、その他のレベル計測装置としては、粉塵などの影響を受け難くするために、マイクロ波の周波数を１０ＧＨｚ以下とすることが提案されている（特許文献２）。

さらに、近年では、レベル計測装置として、マイクロ波の送信および受信にそれぞれ用いられ、鉛直方向の下端が斜めに切り欠かれた開口面を有する一対のアンテナを有した、スラグ高さ測定装置も提案されている（特許文献３）。

特開２０１５−１１０８１７号公報特開２０１６−２９２１２号公報特開２０１６−１８０１２６号公報

しかしながら、スラグがフォーミングすると、マイクロ波の反射率は大きく低下するため、Ｓ／Ｎ比も低下してしまう恐れがあり、特許文献１のように、単に測定方向を最適化するのみでは吹錬中のスラグ面の測定を常時正確に行い難いという問題があった。また、特許文献２に示すように、周波数が１０ＧＨｚ以下のマイクロ波を使用した場合には、当該マイクロ波の指向性が低いため、転炉内の構造物からの不要反射が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうという問題があった。また、吹錬中のスラグ面は平面ではないため、測定波面の拡がりが大きい低周波数のマイクロ波を用いると、測定波面内で生じるスラグ面との距離の不均一性により、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。

さらに、特許文献３では、炉口上方の排気フードに設けた開口部に送信アンテナと受信アンテナの２つを設けると、送信および受信の両方行うことができる送受信アンテナだけを当該開口部に設置する場合に比べて、送信アンテナと受信アンテナの各アンテナ寸法が小さくなる。このため、特許文献３では、送信アンテナと受信アンテナの各アンテナ寸法が小さくなる分、送信アンテナと受信アンテナの性能を表すアンテナ利得が低下してしまい、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうこともある。

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、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レベル計測装置およびレベル計測方法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、マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置であって、前記炉内に向けて前記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別体に設けられており、前記スラグ面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それぞれ設けられ、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの各アンテナ利得を高めるためのレンズ部と、炉口上方の排気フードに設けられており、前記炉内と連通するための開口部を有したアンテナ設置部と、を備え、前記アンテナ設置部は、前記開口部が所定の直径に選定されており、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを同一の前記開口部に配設させた構成を有することを特徴とする。

本発明のレベル計測方法は、マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測方法であって、炉口上方の排気フードに設けられ、前記炉内と連通するための開口部が所定の直径に選定されたアンテナ設置部に対し、送信アンテナおよび受信アンテナを同一の前記開口部に配設させた状態にする準備工程と、前記送信アンテナから、前記送信アンテナのアンテナ利得を高めるためのレンズ部を介し、前記炉内に向けて前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射工程と、前記スラグ面からの反射マイクロ波を、前記受信アンテナのアンテナ利得を高めるためのレンズ部を介し、前記受信アンテナにより受信する反射マイクロ波受信工程と、を備えることを特徴とする。

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。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に設けることで、レベル計測装置の回路内において、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、その分、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。さらに、本発明によれば、送信アンテナおよび受信アンテナのアンテナ特性やスラグ面の特性を考慮して、開口部の直径をＳ／Ｎ比を向上させるのに最適な直径に選定したことで、送信アンテナおよび受信アンテナの両方を配設しても、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を用いた転炉の構成を示す概略図である。従来のレベル計測装置の回路構成を示す回路図である。広帯域ノイズが発生する際の説明に供するグラフである。開口部に収まる最大寸法の従来の送受信アンテナを示す概略図である。本発明のレベル計測装置の回路構成を示す回路図である。開口部に収まる最大寸法の送信アンテナおよび受信アンテナを示す概略図である。

＜本発明のレベル計測装置について＞
図１は、転炉製鋼プロセスで用いる転炉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内（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の炉口付近に排気フード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や、本発明によるレベル計測装置１０のアンテナ部１０ａおよびアンテナ設置部７が設けられている。

ここで、本発明のレベル計測装置１０は、アンテナ部１０ａと、当該アンテナ部１０ａから受け取った受信信号に基づいてスラグ面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装置本体１０ｂと、当該アンテナ部１０ａを排気フード５に設置するアンテナ設置部７と、を備えている。アンテナ設置部７は、例えば筒状に形成されており、炉内と連通した開口部６を有する。開口部６は、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直径ｄが最適な大きさに選定されている。

アンテナ設置部７の開口部６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１５が設けられている。断熱板１５は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｏ_４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等のように、マイクロ波が透過可能な無機セラミックスから成る断熱材で形成されており、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することで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、かつ炉内のスラグ面３から反射してき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。

送信アンテナ１１および受信アンテナ１２は、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るようにして開口部６内に隣接して配設されている。この実施の形態の場合、送信アンテナ１１および受信アンテナ１２は、同一形状からなり、拡径の先端における直径が同じに形成されている。この場合、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、を合わせた距離が、開口部６の直径ｄと同じであり、開口部６の直径ｄの全域に亘って送信アンテナ１１および受信アンテナ１２の先端が配置され得る。

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））でなるレンズ部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を介して受信アンテナ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、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、スラグがフォーミングすると、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大きく低下し、一定距離以上遠くにある、フォーミングしたスラグ面３の位置が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[ｍ^２]、レベル計測装置の性能である送信出力をＰ_ｔ[ｍＷ]、アンテナ利得をＧ、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２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Ｓ_ｍｉｎ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３となる。

ここで、アンテナ利得Ｇは送信アンテナ１１および受信アンテナ１２の先端における開口面積によって決められ、例えば円錐型のホーンアンテナを用いる場合には、そのアンテナ半径をｒ[ｍ]としたとき、下記の数４で表すことができる。

ηは受信アンテナ１２の開口効率である。また、送信アンテナ１１が受信アンテナ１２と同一の形状を有していれば、送信アンテナ１１の開口効率もηとなる。従って、反射マイクロ波の測定可能条件を表した上記数３は、上記数４を用いると、下記の数５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を比較例とし、上記数５に示した測定可能条件を比較例が満たすか否か検討する。比較例のレベル計測装置では、最小受信電力Ｓ_ｍｉｎが１０^−８［ｍＷ］程度である。この比較例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Ｐ_ｔ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［ｍ^２］、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］、送受信アンテナのアンテナ半径ｒを１２５［ｍｍ］とすると、測定可能条件を示した上記数５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Ｐ_ｔ、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５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５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Ｇと、送信出力Ｐ_ｔとがある。ここで送信出力Ｐ_ｔを大きくした場合について、図２を用いて検討する。図２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、比較例となるレベル計測装置１０１の回路構成を示す。図２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Ｐ_ｔ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、図３に示すように、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Ｓ_ｍｉｎもノイズに応じて大きくなってしまい、結局、上記数５の不等式を満たすことはできない。

次に、上記数５の左辺におけるアンテナ利得Ｇについて検討する。炉口上方にある開口部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、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、図４に示すように、送受信アンテナ１０５のアンテナ半径ｒは、ｄ／２で与えられる。しかしながら、アンテナ設置部７の開口部６の直径ｄを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、当該開口部６に設置可能な送受信アンテナ１０５のアンテナ利得Ｇは、１０^４．９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、開口部６の直径ｄを大きくしない限り不可能である。１０^４．９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５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５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５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５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間には、微小な送信信号の回り込みが発生する。一般的に、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、ごく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Ｓ_ｍｉｎは１０^−１４［ｍＷ］となる。

例えば、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、ｋ_ＢＴａＢ（ｋ_Ｂ：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Ｓ_ｍｉｎ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、これら送信アンテナ１１および受信アンテナ１２の各アンテナ半径ｒは、図６に示すように、炉口上方の開口部６の直径ｄを用いて、ｒ＝ｄ／４と表すことができる。そのため、図４のように送受信共通の送受信アンテナ１０５を使用した場合（ｒ＝ｄ／２）に比べ、アンテナ利得Ｇが１０^３程度となる。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Ｓ_ｍｉｎ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、開口部６の大きさに制約がある炉口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Ｇを大きくするために、アンテナ寸法が開口部６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、各アンテナ半径ｒは、開口部６の直径ｄの１／４となる（図６）。つまり、感度の改善と、アンテナ利得Ｇ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比が大きくなる開口部６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開口部６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を用いた場合、最小受信電力Ｓ_ｍｉｎが１０^−８［ｍＷ］であり、アンテナ半径ｒがｄ／２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５から下記の数６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Ｓ_ｍｉｎが１０^−１４［ｍＷ］であり、アンテナ半径ｒがｄ／４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５から下記の数７のようになる。

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比が高くなる開口部６の条件は、上記数６および数７を組み合わせて、下記の数８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までの距離を示し、λはマイクロ波の波長を示し、Ｐ_ｔ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。

＜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Ｇ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。また、レベル計測装置１０では、炉内と連通するための開口部６を有したアンテナ設置部７を炉口上方の排気フード５に設け、所定の直径に選定した同じ開口部６内に、送信アンテナ１１および受信アンテナ１２の両方を配設させるようにした。

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および受信アンテナ１２の各アンテナ利得Ｇが高められることにより、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、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。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、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、開口部６の直径ｄを上記数８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、同一の開口部６内に配設しても、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。

上述した実施の形態においては、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。

１転炉
３スラグ面
６開口部
７アンテナ設置部
１０レベル計測装置
１１送信アンテナ
１２受信アンテナ

Claims

マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置であって、
前記炉内に向けて前記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別体に設けられており、前記スラグ面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それぞれ設けられ、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの各アンテナ利得を高めるためのレンズ部と、
炉口上方の排気フードに設けられており、前記炉内と連通するための開口部を有したアンテナ設置部と、を備え、
前記アンテナ設置部は、
前記開口部が所定の直径に選定されており、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを同一の前記開口部に配設させた構成を有する
ことを特徴とするレベル計測装置。
前記アンテナ設置部の開口部の直径ｄが、下記の式

（Ｒは、計測対象となる前記スラグ面が形成されたときの、前記受信アンテナから前記スラグ面までの距離を示し、λは前記マイクロ波の波長を示し、Ｐ_ｔは前記マイクロ波の送信出力［ｍＷ］を示し、σは前記スラグ面のレーダー反射断面積を示し、Ｔは１［ｍ］辺りの前記マイクロ波の透過率を示し、ηは前記受信アンテナの開口効率を示す）
で表される条件を満たす
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記アンテナ設置部の開口部には、前記炉内と前記レンズ部との間に、前記マイクロ波を透過する断熱材からなる断熱板が設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレベル計測装置。
マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測方法であって、
炉口上方の排気フードに設けられ、前記炉内と連通するための開口部が所定の直径に選定されたアンテナ設置部に対し、送信アンテナおよび受信アンテナを同一の前記開口部に配設させた状態にする準備工程と、
前記送信アンテナから、前記送信アンテナのアンテナ利得を高めるためのレンズ部を介し、前記炉内に向けて前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射工程と、
前記スラグ面からの反射マイクロ波を、前記受信アンテナのアンテナ利得を高めるためのレンズ部を介し、前記受信アンテナにより受信する反射マイクロ波受信工程と、
を備えることを特徴とするレベル計測方法。