JP2022152972A - 高炉の装入物の表面プロフィールの検出方法及びそのための物体検出装置、並びに高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉１の内壁１ａの近傍で発生する、内壁１ａと装入物２０の両方で反射する距離信号を削除して、装入物２０の表面プロフィールをより正確に検出する。【解決手段】高炉１の装入物２０の表面プロフィールを検出する際に、予め、高炉１の高さ（Ｚ）と、高さ（Ｚ）における高炉１の半径（Ｒ）との関係（Ｚ－Ｒ）を求めておき、測定した測定点Ｐの高さ方向の座標（Ｐｚ）における、測定点Ｐの高炉１の軸線までの距離（Ｒｐ）と、関係（Ｚ－Ｒ）から求めた座標（Ｐｚ）と同じ高さにおける高炉１の半径（Ｒ′）と、を比較し、（Ｒｐ）が（Ｒ′）よりも大きいときに、実際に測定された距離信号群から測定点Ｐを削除する。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉の装入物の表面プロフィールの検出方法及びそのための物体検出装置に関する。また、本発明は、前記の表面プロフィールの検出方法または物体検出装置を用いた高炉の操業方法に関する。

高炉の炉内に供給された鉄鉱石やコークス、石灰（以下、まとめて「装入物」ともいう。）の表面プロフィールを検出し、装入物の表面プロフィールを基に装入物を補給して安定な操業を行うことが行われている。高炉では、装入物の堆積状態を適正にして、炉内のガスの流れを安定させることにより、燃料費低減や高炉の長寿命化が可能となる。適正な堆積状態を得るためには、これら装入物の表面プロフィールを短時間で正確に測定し、予め求めておいた理論的な堆積状態、即ち「理論堆積プロフィール」となるように装入物を補給する必要がある。炉内は高温で、水蒸気や装入物の一部が浮遊していることから、検出波としてマイクロ波やミリ波が好適である。

このような高炉の装入物の表面プロフィールを検出するために、本出願人も先に特許文献１や特許文献２に示す物体検出装置等を提案している。何れの物体検出装置も、検出波を反射板にて高炉の内部へと送信する構成にするとともに、反射板の反射面の高炉側への傾斜角度を可変にするとともに、特許文献１の物体検出装置では反射板を設置した回転板、特許文献２では反射板を設置したガイドパイプをその軸線を中心にして周方向に回動可能にし、反射板の傾斜角度及び回転板やガイドパイプの回動角度を制御することにより、装入物の表面を線状または面状に走査し、その反射検出波を受信して装入物の表面プロフィールを線状または面状に検出している。

国際公開第２０２０／２４１００８号 特許第５３９１４５８号公報

図１は、物体検出装置における検出波Ｍの送受信を示す模式図であるが、高炉１の炉頂近傍の開口部２に設置された物体検出装置１００のａ点から検出波Ｍが炉内の装入物２０に向けて送信され、装入物２０の表面で反射された検出波Ｍが物体検出装置１００のａ点に入射し、ａ点から検出波Ｍの反射位置までの距離が検出される。

その際、高炉１の内壁近傍では、検出波Ｍは内壁１ａのｂ点で反射してから装入物２０の表面に入射する。そして、内壁１ａのｂ点で反射した検出波Ｍｂは、内壁１ａの近傍、例えば装入物２０の表面のｃ点に位置する装入物２０ａに入射し、その反射波Ｍｂｒが内壁１ａのｂ点に至り、ｂ点で反射して物体検出装置１００で受信される。装入物２０である鉄鉱石やコークス、石灰はその直径が数ｃｍの粒体であり、装入物２０ａに入射した検出波Ｍｂは、反射波Ｍｂｒのように、装入物２０ａに入射した方向にも帰る。このときの検出波Ｍの伝搬経路を点線で示すが、ａ点からｂ点までと、ｂ点からｃ点までの合計（伝搬距離Ｌ１）となる。

一方、物体検出装置１００のａ点からの検出波Ｍが、内壁１ａのｂ点で反射せずに直進した場合、検出波Ｍの伝搬経路は、ａ点からｂ点に向かって高炉１の外部にまで延びるものとなる。そして、伝搬経路上で、ｂ点からｃ点に相当する距離だけ炉外にある位置はｄ点となる。このときの検出波Ｍの伝搬経路は、ａ点からｄ点までの直線距離（伝搬距離Ｌ２）となるが、伝搬距離Ｌ１と同距離にある。そのため、物体検出装置１００では、伝搬距離Ｌ２に相当するｄ点からの距離信号として受信される。

このように、特に高炉１の内壁１ａの近傍における装入物２０の表面プロフィールが正確に測定されていないおそれがある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高炉１の外部の測定点を排除して装入物の表面プロフィールをより正確に検出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、下記の高炉の装入物の表面プロフィールの検出方法、物体検出装置及び高炉の操業方法を提供する。
（１）アンテナから検出波を、高炉の内部に堆積している装入物に向けて送信し、前記装入物の表面を面状または線状に走査し、前記表面で反射された前記検出波を前記アンテナで受信して前記装入物までの距離を測定し、その距離信号を基に前記装入物の表面プロフィールを検出する方法において、
予め設定してある、前記高炉の高さ（Ｚ）と、前記高さ（Ｚ）における前記高炉の半径（Ｒ）との関係を基に、
前記高炉の中心からの距離が、前記高さ（Ｚ）における前記半径（Ｒ）よりも大きい距離信号を、実際に測定された距離信号群から削除することを特徴とする高炉の装入物の表面プロフィールの検出方法。
（２）アンテナから検出波を、高炉の内部に堆積している装入物に向けて送信し、前記装入物の表面を面状または線状に走査し、前記表面で反射された前記検出波を前記アンテナで受信して前記装入物までの距離を測定し、その距離信号を基に前記装入物の表面プロフィールを検出する物体検出装置において、
予め設定してある、前記高炉の高さ（Ｚ）と、前記高さ（Ｚ）における前記高炉の半径（Ｒ）との関係を基に、
前記高炉の中心からの距離が、前記高さ（Ｚ）における前記半径（Ｒ）よりも大きい前記距離信号を、実際に測定された距離信号群から削除することを特徴とする物体検出装置。
（３）上記（２）記載の物体検出装置を用いて、前記装入物の供給を制御して操業することを特徴とする高炉の操業方法。

本発明によれば、高炉の外部における測定点を排除するため、装入物の表面プロフィールをより正確に検出することができ、高炉の良好な操業を安定して行うことができる。

図１は、高炉の装入物の表面プロフィールを検出するために用いられる物体検出装置の概略を示す模式図である。 図２は、内壁１ａの外部にあるｄ点からの距離信号を含めた場合に得られる、装入物の表面プロフィールを面状に示す図である。 図３は、内壁１ａの外部の距離信号を削除した場合に得られる、装入物の表面プロフィールを面状に示す図である。 図４は、物体検出装置の一例を示す断面図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１にて説明したように、高炉１の内壁１ａの近傍の装入物２０を測定しようとすると、高炉１の外部にある位置（例えばｄ点）からの距離信号も受信している。測定結果を図２に示すが、図２は高炉１に堆積している装入物２０の表面の全面を示している。図中、高炉１の内壁１ａを円で示し、物体検出装置１００は図中の右上方に設置されているものとする。

図中、円（内壁１ａ）の内部に大量の計測点（図中、斜線で示す）があり、装入物２０の表面プロフィールが測定されている。また、内壁１ａの左側外方にも測定点Ｓが数多く点在しており、これら測定点Ｓが、図１のｄ点に相当する。内壁１ａの左側に行くほど、内壁１ａの外側に測定点が現れやすい。

そこで、図３に示すように、内壁１ａの外側にある測定点Ｓを削除する。削除するには、先ず、高炉１の高さ（Ｚ）と、この高さ（Ｚ）における高炉１の半径（Ｒ）との関係（Ｚ－Ｒ）を求めておく。高炉１の高さ（Ｚ）と半径（Ｒ）との関係（Ｚ－Ｒ）は、高炉１が空の状態で物体検出装置１００により実際に測定してもよいし、高炉１の設計諸元から入手することもできる。

次いで、物体検出装置１００による装入物２０の表面をＸ方向及びＹ方向に走査し、各測定点でのＸ方向（紙面の左右方向）及びＹ方向（紙面の上下方向）、更には高さ（Ｚ）方向（紙面の表裏方向）の位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を得る。

この時、高炉１の外部にある測定点Ｐ（例えば、図２の符号Ｐ）の座標（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）は、物体検出装置１００のａ点から送信された検出波Ｍが内壁１ａ及び装入物２０に反射してａ点に帰る距離信号である。また、図２に示すように、測定点Ｐの高炉１の軸線からの距離、即ち半径をＲｐとすると、関係（Ｚ－Ｒ）から求めたＰｚと同じ高さにおける実際の高炉１の半径（Ｒ′）よりも半径（Ｒｐ）が大きくなり、この測定点Ｐが高炉１の外部になると判断して削除する。

このように高炉１の内壁１ａの内外の測定点を区分することにより、図３に示すような、より明確で、正確な装入物２０の表面プロフィールを得ることができる。

上記した高炉１の外側に位置する装入物からの距離信号を削除する検出方法は、例えば、特許文献１に示されている物体検出装置にも適用することができる。装置の詳細は特許文献１を参照でき、ここでは装置の主要部分を示す。

図４に示すように、物体検出装置１００は、高炉１の炉頂近傍の開口部２に設置される。物体検出装置１００は、符号Ｙで示すように高炉１の開口部２に対して水平に回転する回転板１２０を備える。回転板１２０は、中央部に開口１２１を有する円環状の円板である。回転板１２０には、円筒状の回転軸１１０が取り付けられており、その内部にアンテナ１３５を収容しており、回転板１２０の開口１２１と同心状に取り付けられる。

アンテナ１３５は、導波管１３３を介して検出波Ｍの送受信手段１３０に接続している。導波管１３３は、送受信手段１３０側の上端部分に分離部分１８０があり、送受信手段１３０が回転しない構成となっている。また、導波管１３３は、回転軸１１０の軸線と一致している。尚、アンテナ１３５には、検出波Ｍの指向性を高めるために、誘電体レンズ１３６を付設してもよい。

回転軸１１０の外周面にはギア１１２が設けられており、ギア１１２には、モータ１１３のギア１５５が噛合している。従って、モータ１１３を駆動させることにより、回転軸１１０が図中の符号Ｙで示すように回動し、それに伴って回転板１２０が、回転軸１１０と同方向に、高炉１の開口部２に対して水平に回転する。

回転板１２０の下方の、高炉１の開口部２との間の空間には、炉内に検出波Ｍを送信し、受信するための角度固定反射板１３８と、角度可変反射板１４０とが配設されている。

角度固定反射板１３８は、その反射面の傾斜角度が４５°に固定されている反射板であり、第１の角度固定反射板１３８Ａ、第２の角度固定反射板１３８Ｂ、第３の角度固定反射板１３８Ｃで構成されている。第１の角度固定反射板１３８Ａは、回転板１２０の開口１２１を通じてアンテナ１３５のアンテナ面と対向している。第２の角度固定反射板１３８Ｂは、第１の角度固定反射板１３８Ａと対向配置しており、第２の角度固定反射板１３８Ｂとは第３の角度固定反射板１３８Ｃが対向配置している。そのため、図中の一点鎖線で示すように、アンテナ１３５から送信された検出波Ｍは、第１の角度固定反射板１３８Ａで反射されて第２の角度固定反射板１３８Ｂに送られ、第２の角度固定反射板１３８Ｂで反射された後、第３の角度固定反射板１３８Ｃに送られる。そして、第３の角度固定反射板１３８Ｃで反射されて、角度可変反射板１４０に送られる。

これら第１の角度固定反射板１３８Ａ、第２の角度固定反射板１３８Ｂ及び第３の角度固定反射板１３８Ｃは、回転板１２０から高炉１の開口部２に向かって垂下する固定部材（図示せず）に取り付けられる。あるいは、回転板１２０から高炉１の開口部２に向かって延び、回転板１２０の周縁に取り付けられる側壁１７０に、第１の角度固定反射板１３８Ａ、第２の角度固定反射板１３８Ｂ及び第３の角度固定反射板１３８Ｃが取り付けられる。

尚、検出波Ｍとしては、炉内が高温で、粉塵や水蒸気が存在していることからマイクロ波やミリ波が用いられる。

角度可変反射板１４０は、反射面１４０ａの傾斜角度が図中の符号Ｘで示す方向に可変する反射板である。この角度可変反射板１４０では、反射面１４０ａとは反対側の面（裏面）の中心に、リンク機構１１７の第１リンク１１７ａが固定されており、第１リンク１１７ａには第２リンク１１７ｂが連結している。また、第２リンク１１７ｂには、回転軸１１０の開口１２１を通じて回転軸１１０の内部を貫通する連結棒１１４が連結しており、連結棒１１４の第２リンク１１７ｂとは反対側の端部にラックギア１１８が形成されている。

連結棒１１４は、アンテナ１３５と送受信手段１３０とを接続する導波管１３３を内管とする外管部１１４ａを有し、外管部１１４ａの外周面にラックギア１１８が形成されている。このラックギア１１８には、モータ１２５のギア１１９が噛合しており、モータ１２５を駆動することによりギア１１９が回転し、ラックギア１１８で直線運動に変換される。ここで、モータ１２５には、エンコーダ１２６が接続しており、モータ１２５の回転量、更にはギア１１９の回転量が検出される。

また、連結棒１１４は、回転軸１１０の内部で、アンテナ１３５を避けるように回転板１２０に向かって延びる中間部１１４ｂを有している。外管部１１４ａの回転軸１１０側の端部は外方に屈曲しており、この屈曲部分に中間部１１４ｂが連続している。中間部１１４ｂは、回転板１２０の開口１２１を通じて高炉１の開口部２に延びる下端部１１４ｃを有している。この下端部１１４ｃが、リンク機構１１７の第２リンク１１７ｂに連結している。

連結棒１１４はこのように構成され、モータ１２５の回転がギア１１９を通じてラックギア１１８により直線運動に変換され、図中に符号Ｈで示すように、連結棒１１４が角度可変反射板１４０の側、あるいは反対側へと直線状に移動する。

そして、連結棒１１４が角度可変反射板１４０の側へと移動（図中の下降）すると、リンク機構１１７を介して角度可変反射板１４０の反射面１４０ａが高炉１の内壁を向くように傾斜し、連結棒１１４が角度可変反射板１４０とは反対側へと移動（図中の上昇）すると、リンク機構１１７を介して角度可変反射板１４０の反射面１４０ａが高炉１の軸線を向くように傾斜する。即ち、連結棒１１４の下降及び上昇により、角度可変反射板１４０の反射面１４０ａの傾斜を、図中の符号Ｘ方向に変えることができる。

それに伴って、角度固定反射板１３８の第３の角度固定反射板１３８Ｃから角度可変反射板１４０に送られた検出波Ｍは、符号Ｚで示すように図中左右方向に振られ、回転板１２０の径方向に沿った線状となって炉内に送られる。

検出波Ｍは、炉内に堆積している装入物の表面で反射され、送信時と同経路を辿って送受信手段１３０で受信される。送受信はＦＭＣＷ方式で行われ、送受信手段１３０に接続するアンテナ１３５から送信された検出波Ｍは、角度固定反射板１３８Ａ～１３８Ｃで反射されて角度可変反射板１４０に送られ、角度可変反射板１４０から所定の角度で送信された検出波Ｍ（送信波）は、高炉１の開口部２を通じて炉内へと送られた後、装入物の表面で反射され、その反射波が逆の経路（角度可変反射板１４０→角度固定反射板１３８Ｃ～１３８Ａ→アンテナ１３５→送受信手段１３０）を辿って送受信手段１３０で検波される。そして、送信波と反射波との周波数差（ビート周波数）から送受信手段１３０と装入物の表面との間の距離情報が得られる。

この線状の検出波Ｍの送受信を、回転軸１１０を中心にして回転板１２０を回転させながら行うことにより、高炉１の炉内全域にわたる円形の走査領域における距離情報が得られる。

このとき、モータ１１３に接続するエンコーダ１５０により、回転板１２０の回転位置に相当する回転軸１１０の回動角度が検出されるため、走査領域における検出波Ｍの位置情報が得られる。また、エンコーダ１２６によるモータ１２５及びギア１１９の回転量から、角度可変反射板１４０の反射面１４０ａの傾斜角度が検出され、回転板１２０の径方向における位置情報が検出される。これら距離情報と位置情報とから、装入物の全面の表面プロフィールが得られる。

そして、ある測定点Ｐ（例えば、図２の符号Ｐ）での距離信号と反射板の傾斜角度とから測定点Ｐの位置座標（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）を算出する。この時の測定点の高さ（Ｐｚ）の位置における、予め求めておいた実際の高炉１の半径（Ｒ′）と、この高さ（Ｐｚ）における測定点Ｐの高炉１の中心からの半径（Ｒｐ）とを比較する。この測定点Ｐにおける半径（Ｒｐ）が高炉１の半径（Ｒ′）よりも大きい場合は、この測定点が高炉１の外部に存在していると見做して削除する。

このようにして、補正回路２００により高炉１の外部の測定点を削除する。補正回路２００は、送受信手段１３０に接続されており、装入物２０の全面の表面プロフィールのデータから高炉１の外部の測定点を削除して表示装置（図示せず）等に表示する。

以上、本発明によれば、高炉１の内壁１ａの近傍で発生する、内壁１ａと装入物２０の両方で反射する距離信号を削除して、装入物２０の表面プロフィールをより正確に検出することができる。

１ 高炉
１ａ 内壁
２ 開口部
１００ 物体検出装置
１１４ 連結棒
１１７ リンク機構
１２０ 回転板
１２６ エンコーダ（Ｘ方向）
１３０ 送受信手段
１３５ アンテナ
１３８、１３８Ａ、１３８Ｂ、１３８Ｃ 角度固定反射板
１４０ 角度可変反射板
１５０ エンコーダ（Ｙ方向）
２００ 補正回路

Claims (3)

1. アンテナから検出波を、高炉の内部に堆積している装入物に向けて送信し、前記装入物の表面を面状または線状に走査し、前記表面で反射された前記検出波を前記アンテナで受信して前記装入物までの距離を測定し、その距離信号を基に前記装入物の表面プロフィールを検出する方法において、
   予め、前記高炉の高さ（Ｚ）と、前記高さ（Ｚ）における前記高炉の半径（Ｒ）との関係（Ｚ－Ｒ）を求めておき、
   測定した測定点Ｐの高さ方向の座標（Ｐｚ）における、前記測定点Ｐの前記高炉の軸線までの距離（Ｒｐ）と、
   前記関係（Ｚ－Ｒ）から求めた前記座標（Ｐｚ）と同じ高さにおける前記高炉の半径（Ｒ′）と、を比較し、
   前記（Ｒｐ）が前記（Ｒ′）よりも大きいときに、実際に測定された距離信号群から前記測定点Ｐを削除することを特徴とする高炉の装入物の表面プロフィールの検出方法。
2. アンテナから検出波を、高炉の内部に堆積している装入物に向けて送信し、前記装入物の表面を面状または線状に走査し、前記表面で反射された前記検出波を前記アンテナで受信して前記装入物までの距離を測定し、その距離信号を基に前記装入物の表面プロフィールを検出する物体検出装置において、
   予め、前記高炉の高さ（Ｚ）と、前記高さ（Ｚ）における前記高炉の半径（Ｒ）との関係（Ｚ－Ｒ）を求めておき、
   測定した測定点Ｐの高さ方向の座標（Ｐｚ）における、前記測定点Ｐの前記高炉の軸線までの距離（Ｒｐ）と、
   前記関係（Ｚ－Ｒ）から求めた前記座標（Ｐｚ）と同じ高さにおける前記高炉の半径（Ｒ′）と、を比較し、
   前記（Ｒｐ）が前記（Ｒ′）よりも大きいときに、実際に測定された距離信号群から前記測定点Ｐを削除することを特徴とする物体検出装置。
3. 請求項２記載の物体検出装置を用いて、前記装入物の供給を制御して操業することを特徴とする高炉の操業方法。

Images