JP4383313B2

JP4383313B2 - 高炉内装入物の表面形状測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP4383313B2
Application number: JP2004301883A
Authority: JP
Inventors: 博喜竹下; 拓史川村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: JP2006112966A

Description

本発明は、原料装入装置から高炉炉内に装入された鉄鉱石（焼結鉱）、コークス等の装入物の堆積表面形状を測定する高炉内装入物の表面形状測定方法および測定装置に関するものである。

高炉操業においては、概念的には、炉頂に備えた原料装入装置によって、炉内に鉄鉱石（鉄鉱石と焼結鉱）とコークスを交互に装入した鉱石層とコークス層に、羽口から熱風を吹き込んでコークスと反応させてＣＯガスを生成し、このＣＯガスで鉄鉱石を加熱して酸化鉄から鉄を還元させ、軟化融着帯を形成後に鉄の溶滴すなわち溶銑を、副生したスラグとともに炉芯部（コークス層）経由で炉底部に滴下させて溜め、適時出銑口から出銑し、スラグを分離して溶銑を製造するものである。
この高炉操業の場合、高炉内に装入された各種原料の反応挙動は直接に観察することが困難であることから、一般には、操業の進行に伴い降下する炉内装入物の表面形状の変化と、炉内に装入した検出端によって装入物堆積表面の各部位から上昇するガス流の流量・流速、温度、成分の分布などを測定することによって炉況を判定し、熱風の吹き込み条件や鉱石とコークスの装入条件（鉄鉱石とコークスの層厚比、装入量、炉径方向の粒度分布、装入分布など）を調整することが行なわれている。

特に、高炉操業を安定維持するためには、炉内装入物の各部位から上昇するガス流の流量・流速、温度、成分などを適正範囲に制御することが重要であり、そのために、炉内装入物の堆積表面形状を適正範囲に管理することが必要である。
この炉内装入物の堆積表面形状は、ベル式高炉ではベルから落下する原料の落下軌跡をムーバブルアーマーにより調整することが一般的である。
また、ベルレス式高炉の場合では、旋回シュートの傾斜角度を変化させて調整することにより堆積表面形状をすり鉢状に形成したり、フラット形状に形成することも行われている。
このような炉内装入物の堆積表面形状を好ましい形状に調整するためには、炉内の装入物の堆積表面形状を把握することが重要であり、従来から各種の提案がある。

例えば特許文献１には、マイクロ波式あるいはレーザ式のプロフィール計を用いて、高炉炉頂部の炉内装入原料の堆積層表面までの深度を炉半径方向に沿って任意の間隔ごとに測定し、測定して得られた深度データを平滑化処理しかつ中心差分による一次近似処理してノイズを除去してテラス長さをコンピュータ処理により精度よく求めることが開示されている。
しかしこの方法では、炉の半径方向の一方向で最深部とテラスまでの傾斜角度とテラス長さを演算するもので、炉内全体の原料堆積層表面のプロフィールを演算できるものではない。また、マイクロ波プロフィール計を炉中心まで移動するため、測定のための所要時間が長くなり、原料堆積層の表面形状が測定開始時点と測定終了時点で変化して、測定精度が低下するという問題がある。また、高温の炉内ガスによりマイクロ波プロフィール計に対する熱負荷が大きくなるという問題もある。

また特許文献２には、炉口側面から計測ランスを高炉の軸心に向けて挿入して、ランス内に収納した距離測定手段（ここではマイクロ波使用）で装入物表面までの距離を測定し、装入物表面のプロフィールを測定することが開示されている。
この測定方法では、炉口部側面から炉口半径の１．２５倍の長さに至る範囲内を測定し、堆積した装入物の中央部の極小点の軸心からの偏心を精度よく検出でき、装入物の円周バランスおよび偏心の有無を常時追跡でき、装入物表面のプロフィール変化を正確に把握して高炉の炉況悪化を未然に防止して高炉操業を安定化できるとしている。また、高炉の軸心を中心として炉口半径の０．２５倍の長さを半径とする円形の範囲内を測定して、装入物の中央部を面状に把握できるので、装入物の表面座標の極小点の偏心をさらに正確に検出できるとしている。
しかしこの方法では、炉口側面から計測ランスを高炉の軸心に向けて挿入して、炉径方向の炉口半径の１．２５倍の長さ範囲を測定することにより、高炉の軸心を中心として０．２５倍の長さの円形の範囲を測定するものであり、炉内全体の原料堆積層表面の形状を精度よく演算できるものではない。また、マイクロ波プロフィール計をランスに収納して炉中心まで移動するため、測定のための所要時間が長くなり、原料堆積層の表面形状が測定開始時点と測定終了時点で変化して、測定精度が低下するという問題がある。また、マイクロ波プロフィール計に対する熱負荷が大きくなるという問題もある。

さらに特許文献３には、高倍率ズームレンズおよびオートフォーカス機構を搭載した赤外線カメラを遮断ガラス、仕切り弁を介して炉外定位置に設置し、この赤外線カメラを電動雲台により円周方向および半径方向に走査し、オートフォーカス機構から得られる合焦距離データおよび電動雲台から得られる走査位置データを組み合わせてデータ処理して炉内装入物の表面プロフィールを測定することが開示されている。
この測定方法では、炉内全体を観察でき、炉内装入物の表面全体のプロフィールを測定することができるとしている。
しかしこの測定方法では、遮断ガラス、仕切り弁を介して炉外定位置に設置した赤外線カメラで炉内領域を走査する構造であり、高倍率ズームレンズを用い、かつ炉外位置にあるため走査距離が長いこともあり、浮遊粉塵の多い炉内では、この浮遊粉塵の影響が大きく測定精度が大きく低下することは避けられない。特に原料装入直後の炉内状態では、浮遊粉塵の影響が顕著である。また、測定所要時間が長くなり、原料堆積層の表面形状が測定開始時点と測定終了時点で変化して、測定精度が低下するなどの問題がある。
特開２００３−７３７１６号公報特開２００２−１１５００８号公報特開平１０−１０３９３４号公報

本発明は、高炉内に装入され、安息状態になった装入物の堆積表面形状を、短時間に、高精度で高炉内装入物の表面形状を測定可能な高炉内装入物の表面形状測定方法および測定装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を有利に解決するために、以下の（１）〜（４）を要旨とする。
（１）高炉炉頂部の装入装置下の炉壁部に、水平方向の２次元平面上で回転・停止を繰り返し、各停止位置で鉛直方向の２次元平面上でレーザビーム走査が可能なレーザー距離計を炉内へ進退自在に設置し、原料装入装置から原料を炉内に装入した後、前記水平方向の２次元平面上の各停止位置毎に、前記鉛直方向の２次元平面上をレーザビーム走査して、０．２〜２度の角度ピッチで炉内装入物の堆積表面までの距離を測定し、この測定値と測定点の鉛直面方向の２次元平面上の角度と水平方向の２次元平面上の各停止位置までの角度から炉内装入物の堆積表面全体の３次元形状を求めることを特徴とする高炉内装入物の表面形状測定方法。
ここで、鉛直方向の２次元平面（以下「２次元平面（鉛直面）」と称す。）上での角度ピッチが０．２度未満の場合は、測定点密度が必要以上に大きくなる。２度超では、レーザー距離計から遠い領域で測定点の密度が不十分で測定精度を安定確保できない。
また、水平方向の２次元平面（以下「２次元平面（水平面）」と称す。）上での回転・停止の角度ピッチについては、０．２〜２度の範囲で選択することが好ましい。０．２度未満では測定点密度が必要以上に大きく、炉内全体の測定所要時間が長くなるため、炉内装入物の堆積形状が測定中に大きく経時変化し測定精度が低下する懸念がある。また、測定装置に対する熱負荷が大きくなる。２度超では、レーザー距離計から遠い領域で測定点密度が不十分で測定精度を安定確保できない。
なお、堆積表面形状の測定タイミングとしては、通常操業の場合には、炉内に装入物を装入すると初期は炉内装入物の流動および炉内粉塵の充満が顕著であるため、十分な測定精度が得られない。しかし、測定開始が遅れると、装入物の装入完了から測定終了までの時間が長くなり、装入物の堆積表面形状の経時変化が顕著になり、目的とする装入分布を精度よく測定することができない。この懸念を解消するためには、装入物の装入後、装入物表面形状のデータを見ながら、３０〜９０秒の範囲内で測定を開始することが好ましい。

（２）前記（１）において、前記レーザー距離計の炉内進退距離を炉壁面から５０〜４５０ｍｍの炉内位置までにしたことを特徴とする高炉内装入物の表面形状測定方法。
ここで、レーザー距離計（中心）が炉壁面から５０ｍｍ未満の炉内位置にある場合、測定結果を表示するメッシュによって異なるが、レーザー距離計設置側の炉壁面近傍部の測定が難しくなる場合がある。また、炉壁面から４５０ｍｍ超の炉内位置にある場合、レーザー距離計の移動距離が長くなり測定所要時間が長くなることから、堆積装入物の表面形状の経時変化が顕著になり、目的とする装入分布を精度よく測定することができない。また、レーザー距離計などの機器や装置部位に対する熱負荷が大きくなり好ましくない。
本発明では、このような条件を満足できるように、炉径、炉内装入物の基準装入レベルおよび堆積表面形状に応じて、レーザー距離計の設置高さおよび炉内位置を考慮する。
（３）前記（１）又は（２）において、前記レーザー距離計を複数配置して、炉内装入物の堆積表面の測定領域を分担したことを特徴とする高炉内装入物の表面形状測定方法。

（４）高炉炉頂部の原料装入装置下の炉壁部に、遮蔽装置により炉内と遮断・連通可能な空間部を設け、この空間部に、炉内に進退自在なスライドアームを備えた固定台と、スライドアーム先端部に配置され水平方向の２次元平面上で設定角度ピッチ毎に回転・停止可能で各停止位置で鉛直方向の２次元平面上をレーザビーム走査して設定角度ピッチ毎に装入物堆積表面までの距離を測定するレーザー距離計と、遮蔽装置、スライドアーム、レーザー距離計を制御する駆動制御装置と、炉内でのレーザー距離計による鉛直方向の２次元平面の各測定点での装入物堆積表面までの距離情報と各測定点の角度情報および水平方向の２次元平面上の各停止位置の角度情報を処理して炉内装入物の堆積表面全体の３次元形状を求めて表示するコンピュータを備えたことを特徴とする高炉内装入物の表面形状測定装置。

本発明によれば、炉内浮遊粉塵の影響を受けにくい、レーザビーム走査機能を備えたレーザー距離計を用いて、炉内堆積装入物表面を、レーザビームで２次元平面（鉛直面）上および２次元平面（水平面）上を走査可能であり、炉内装入物堆積表面全体の表面形状を精度よく測定可能である。
また、レーザー距離計の移動距離を最小限にしており、２次元平面（鉛直面）上では数秒、２次元平面（水平面）上を含む全体領域では数分と短時間で測定可能であり、炉内に装入物を装入直後、３０〜９０秒の範囲内で開始し、堆積形状が大きく変化しない間に全体の測定を完了できる。
また、レーザー距離計を含む測定装置の先端部を炉内に臨ませるものの、各部位に対する高温の炉内ガスによる熱負荷を大幅に軽減でき、測定装置の寿命を延長可能である。

本発明を図１〜図２に基づいて説明する。
図１は、ベル式高炉に適用した本発明の高炉内装入物の表面形状測定装置の構造例とレーザー距離計からの２次元平面（鉛直面）でのレーザビーム走査例を概念的に示した側断面説明図、図２は、図１におけるレーザー距離計から炉壁内周方向のレーザビーム走査例を概念的に示した部分平面説明図である。
ここで用いた本発明の高炉内装入物の表面形状測定装置１は、図１に示すように、高炉２の炉頂部の原料装入装置の大ベル３下方の炉壁部４に設置した、炉内５と遮蔽する開閉自在な耐熱性の遮蔽装置７を備えたマンホール６内に設置したものである。この設置部位の炉径は約１１ｍである。

この例では、炉壁部４内から炉内５に進退自在なスライドアーム９を備えた固定台８と、炉内に移動させたスライドアーム先端部で２次元平面（水平面）上を、基準位置から０〜３６０度の範囲内で回転可能で任意の角度ピッチ（β）で停止可能な回転台１０と、この回転台に支持され回転台１０とともに回転（回転中心１２ｃ）し２次元平面（水平面）上で０〜３６０度の範囲内をレーザビーム１１で走査可能であり、前記停止位置で２次元平面（鉛直面）上の０〜１８０度の範囲内の炉内装入物１３の堆積表面１３ｆをレーザビーム１１で任意の角度ピッチ（α）で走査して、回転中心ｃ（鉛直面）から炉内装入物１３の堆積表面１３ｆの複数の測定点ｘまでの距離Ｌｘを測定するレーザビーム装置を耐熱ガラス（図示省略）で保護した構造のレーザー距離計１２を備えている。

このレーザー距離計１２の回転中心ｃの位置レベルの水平面Ｂｆは、大ベル３下面位置の下方、ここでは、炉内装入物１３の堆積表面の最上面レベルｓｔの約２ｍ上方にある。耐熱遮蔽装置７、スライドアーム９、回転台１０、レーザー距離計１２は、それぞれ駆動装置（図示省略）を備え、この駆動は駆動制御装置１５によって駆動制御可能であり、原料装入装置の装入操作と連動させて駆動することもできる。
また、レーザー距離計１２、回転台１０には、信号処理装置１６を介して、レーザー距離計１２、回転台１０からの各情報を処理して炉内装入物１３の堆積表面１３ｆの３次元形状を求め表示するコンピュータ１４が接続されている。

レーザー距離計１２を支持して回転する回転台１０は、スライドアーム９の移動により、その回転中心１２ｃが表面形状測定装置の設置側の炉壁部４内周面から炉心方向に距離Ｌ（ここでは４５０ｍｍ）の炉内位置に移動し、この回転台１０に支持されたレーザー距離計１２は、図１に示すように、回転中心ｃからレーザビーム１１で２次元平面（鉛直面）上の０〜１８０度の範囲内を角度ピッチ（α）の複数の測定点で炉内装入物１３の堆積表面１３ｆまでの距離Ｌｘを測定する。
この角度ピッチ（α）は、２次元平面（鉛直面）上の表面形状測定精度を左右する測定点密度を決めるものであり、小さい程測定精度を高められるが、測定所要時間を短かくすることも重要である。満足できる測定精度と測定所要時間を確保する条件としては、レーザー距離計１２の回転中心ｃから遠い領域の測定点例えばｘ1 −ｘ2 間の距離ａが１００ｍｍ以内の範囲内であることが好ましい。この条件を満足する角度ピッチ（α）として、ここでは１度を選択している。

一方、レーザー距離計１２は、図２に示すように、炉内位置で、回転台１０の回転により２次元平面（水平面）上で３６０度の範囲を回転（回転中心１２ｃ）し、角度ピッチ（β）で複数位置で停止可能で、各停止位置で、レーザビーム１１で２次元平面（鉛直面）上の０〜１８０度の範囲内を角度ピッチ（α）で走査し、複数の測定点ｘで炉内装入物１３の堆積表面１３ｆまでの距離Ｌｘを測定するものである。
この角度ピッチ（β）は、２次元平面（水平面）方向の表面形状測定精度を左右する測定点密度を決めるものであり、レーザー距離計１２の回転中心１２ｃから遠い領域での測定点例えばｙ1 −ｙ2 間の距離ｂが１００ｍｍ以内の範囲内であることが好ましい。この条件を満足する角度ピッチ（β）として、ここでは１度を選択している。

回転台１０（レーザー距離計１２）の２次元平面（水平面）の回転基点から回転終点までの角度範囲（例えば０〜３６０度の範囲）、回転速度および角度ピッチ（β）、角度ピッチ（β）毎の停止時間、レーザー距離計１２の２次元平面（鉛直面）上のレーザビーム１１の走査基点（ここではレーザー距離計１２の回転中心ｃと同じ高さレベルの水平面Ｂｆ位置にある０度位置）、走査基点から走査終点までの角度範囲、走査速度および角度ピッチ（α）、角度ピッチ（α）毎の停止時間（０．５秒程度）等の駆動（走査）条件はコンピュター１４と駆動制御装置１５により設定制御することができる。
この設定条件で回転台１０を回転しレーザー距離計１２を駆動させて、レーザビーム１１で炉内装入物１３の堆積表面１３ｆに対して、２次元平面（水平面）と２次元平面（鉛直面）に走査し、レーザー距離計１２の回転中心ｃから炉内装入物１３の堆積表面１３ｆの各測定点ｘまでの距離Ｌｘを測定する。
レーザー距離計１２の回転基点からの２次元平面（水平面）上の角度情報とレーザー距離計１２のレーザビーム１１による２次元平面（鉛直面）上の各測定点までの距離測定情報、各測定点の角度情報を、信号処理装置１６で処理してコンピュータ１４に入力して、予め設定された計算プログラムにより、炉内装入物１３の堆積表面１３ｆの各測定点ｘの角度と距離Ｌｘの測定結果から、水平面Ｂｆから各測定点までの垂直距離ｈｘを算定し、炉内装入物１３の堆積表面１３ｆ全体領域の３次元形状を求め表示するものである。

図１に示したような高炉内装入物の表面形状測定装置により、原料装入装置（大ベル）３から装入物を炉内に装入を完了して３０秒経過後、高炉内装入物の表面形状測定を行った。
この実施例では、装入物を炉内に装入を完了して３０秒経過後に、遮蔽装置６の開操作、スライドアーム９の移動操作して、回転台１０（レーザー距離計１２）の位置を炉壁部４から距離Ｌ４５０ｍｍの炉内位置に移動し、この位置で、基点０度位置から２次元平面（水平面）上の３６０度の範囲を１度の角度ピッチ（β）毎に回転・停止させ、この各停止位置で２次元平面（鉛直面）上の走査角度θの範囲（ここでは基点０度位置から２０度の位置を基点として９０度の範囲）をレーザビーム１１で走査して、１度の角度ピッチ（α）毎の測定点ｘで、レーザー距離計１２の回転中心ｃから炉内装入物１３の堆積表面１３ｆまでの距離Ｌｘを測定し、この各測定点ｘまでの距離Ｌｘと、各測定点の２次元平面（鉛直面）上の基点０度位置からの角度から各測定点ｘから水平面Ｂｆまでの垂直距離ｈｘを求め、炉内装入物１３の堆積表面１３ｆ全体の３次元形状を推定（測定）した。
なお、ここでは炉壁内周方向の各角度ピッチ（β）毎の停止時間を１．３秒以内として３６０度領域を４分で走査できるようにし、２次元平面（鉛直面）上での走査角度θ（ここでは１８０度まで拡大）の範囲を、２次元平面（水平面）上の各角度ピッチ（β）毎の停止時間内に走査して、炉内装入物１３の堆積表面１３ｆ全体の３次元形状を約４分で測定できるように各条件を設定した。

この実施例で得られた炉内装入物１３の堆積表面１３ｆ全体の３次元形状は、概念的には図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す通りである。
ここで、図３の（ａ）図は、炉内装入物１３の堆積表面１３ｆの平面図による等高線図を示す説明図、（ｂ）図は（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視断面説明図、（ｃ）図は（ａ）図のＢａ−Ｂｂ矢視断面説明図である。
図３（ａ）の等高線の一部に付した数字は、レーザー距離計１２の回転中心ｃの位置レベルの水平面Ｂｆからの距離（ｍ）を示す。
（実験例）

本発明による炉内装入物１３の堆積表面１３ｆ全体の３次元形状の推定（測定）結果を評価するために、鉱石を装入して図３（ａ）〜（ｃ）と類似の堆積表面形状をつくり、実施例で示すような表面形状測定装置１を用い、同様（ただし、角度ピッチ（α）、角度ピッチ（β）は、０．５度にした。）にして、この装入物堆積表面の３次元形状を測定（推定）し、この結果を他の方法による実測値と比較した。
ここで他の方法とは、本発明によるレーザー距離計１２の回転中心ｃの位置レベルの水平面Ｂｆから測定点ｘまでの垂直距離を実測する装置による距離実測法（比較法）であり、本発明による各測定点の中から選択した各測定点で、本発明による垂直距離と、比較法による実測値と比較した。
その結果、本発明による垂直距離の測定（推定）値は、比較法による実測値に対して±１．７％の誤差範囲に納まっており、十分に満足できるものであった。

本発明は、上記の実施例に限定されるものではない。上記の実施例ではベル式高炉に適用しているが、ベルレス式高炉に適用することもでき、炉内装入物の堆積表面形状がすり鉢形状の場合だけではなく、フラット形状などの他の形状の場合にも適用可能であり、設置位置の最適位置選択が可能である。
また、表面形状測定装置の構造、レーザー距離計の炉内位置、レーザビームの走査条件（走査角度範囲、走査方向、走査速度、測定点密度を決める角度ピッチ（α）、（β）など）、測定時間などは、対象高炉の形式、炉頂部構造、装入方式、装入条件、炉内装入物の堆積表面形状などに応じて変更のあるものである。

本発明の高炉の炉内装入物表面の表面形状測定装置の構造例およびレーザー距離計からの２次元平面（鉛直面）でのレーザビーム走査例を概念的に示す側断面説明図。図１でのレーザー距離計から２次元平面（水平面）でのレーザビーム走査例を概念的に示した部分平面説明図。本発明の実施例で得られた高炉の炉内装入物表面の３次元形状を概念的に示す説明図で、（ａ）図は平面図で示す等高線説明図、（ｂ）図は（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視断面説明図、（ｃ）図は（ａ）図のＢａ−Ｂｂ矢視断面説明図。

符号の説明

１：表面形状測定装置２：高炉
３：原料装入装置（大ベル）４：炉壁部
５：炉内６：マンホール
７：遮蔽装置８：固定台
９：スライドアーム１０：回転台
１１：レーザビーム１２：レーザー距離計
１２ｃ：回転中心（水平面）１３：欠番
ｃ：回転中心（鉛直面）１４：コンピュータ
１５：駆動制御装置１６：信号処理装置

Claims

高炉炉頂部の装入装置下の炉壁部に、水平方向の２次元平面上で設定角度ピッチで回転・停止を繰り返し、各停止位置で鉛直方向の２次元平面上の０〜１８０度の範囲内で、かつ、設定角度ピッチでレーザビーム走査が可能なレーザー距離計を炉内へ進退自在に設置し、原料装入装置から原料を炉内に装入した後、前記レーザー距離計を炉壁面から５０〜４５０ｍｍの炉内位置まで移動し、前記水平方向の２次元平面上の各停止位置毎に、前記鉛直方向の２次元平面上をレーザビーム走査して、炉内装入物の堆積表面までの距離を測定し、この測定値と測定点の鉛直面方向の２次元平面上の角度と水平方向の２次元平面上の各停止位置までの角度から炉内装入物の堆積表面全体の３次元形状を求めることを特徴とする高炉内装入物の表面形状測定方法。
前記レーザー距離計を複数配置して、炉内装入物の堆積表面の測定領域を分担したことを特徴とする請求項１に記載の高炉内装入物の表面形状測定方法。
高炉炉頂部の原料装入装置下の炉壁部に、遮蔽装置により炉内と遮断・連通可能な空間部を設け、この空間部に、炉内に進退自在なスライドアームを備えた固定台と、スライドアーム先端部に配置され水平方向の２次元平面上で設定角度ピッチ毎に回転・停止可能に設けた回転台と、該回転台に支持される、各停止位置で鉛直方向の２次元平面上を０〜１８０度の範囲内で、かつ、設定角度ピッチでレーザビーム走査して設定角度ピッチ毎に装入物堆積表面までの距離を測定するレーザー距離計と、遮蔽装置、スライドアーム、レーザー距離計を制御する駆動制御装置と、炉内でのレーザー距離計による各測定点での装入物堆積表面までの距離情報と各測定点の角度情報および水平方向の２次元平面上の各停止位置の角度情報を処理して炉内装入物の堆積表面全体の３次元形状を求めて表示するコンピュータを備えたことを特徴とする高炉内装入物の表面形状測定装置。