JP4685497B2 - 焼結機の排気ガス流量測定システム - Google Patents

Description

本発明は、製鉄業で用いる鉄鉱石等のドワイトロイド方式焼結機の排気ガス流量測定システムに関する。

図１０は、従来のドワイトロイド方式焼結機のプロセス図である。
図１０に示すように、従来の製鉄業におけるドワイトロイド方式焼結機において、原料槽１から切り出された鉄鉱石等の原料は、ミキサー２で水分を添加し混合された後、サージホッパー３を介し、パレット５上に給鉱される。パレット５上の原料は点火炉４で表面に着火され、原料中の粉コークスが燃焼、発熱することにより焼結反応が起こる。焼結反応は、空気の吸引によって原料の上層から下層へ向かってパレット５の移動とともに進行していく。下向きに空気を吸引するために、パレット５の下部には風箱６（ウィンドボックス）が配設されており、直管部７（ウィンドレッグ）を介して、メインダクト８が連接されている。メインダクト８の先には集塵機９とブロワー１０が設けられ、一元的に空気及び焼結の排気ガスを吸引する。

ドワイトロイド方式焼結機では、長手方向の排気ガス流量や温度を測定して焼結層内温度分布を推定し、その結果に基づいて歩留を一定にして焼結鉱の冷間強度を安定させる方法や、品質と歩留の安定向上を図る方法が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

これらの方法を実現するためには、焼結機の排気ガス流量を長期的に測定することが不可欠であるが、その手段として、直管部７（ウィンドレッグ）において、一般的にはピトー管またはベンチュリー管を用いた流量計が使用され、超音波式流量計を使用する方法も開示されている（特許文献３参照）。

図１１は、ピトー管式流量計の模式図である。
ピトー管式流量計は、排気ガスの流れに対して、正面の小孔１４と直角方向の小孔１５を有するとともに、それぞれの孔から別々に圧力を取り出す細管が内蔵されており、その圧力差を測定することにより流速を求めることを特徴とする。なお、図１１において、１２は排気ガスの流れ、１３は排気ガス管等の配管、１７は圧力計を示す。

図１２は、ベンチュリー管式流量計の模式図である。
ベンチュリー管式流量計は、排気ガスの流れを一部絞った配管の絞り部１６（ベンチュリー管）の前後に圧力差を生じせしめ、この圧力差からピトー管式流量計と同様に流速を求めることを特徴とする。なお、図１２において、１２は排気ガスの流れ、１３は排気ガス管等の配管、１７は圧力計を示す。

前記流量計のいずれもベルヌーイの式を適用した差圧式であるため、計測する排気ガス管内の上流と下流の２点における圧力を計測する必要があり、管内から圧力計１７までを小孔管で接続する方式を利用したことを特徴としている。

図１３は、超音波流量計の模式図である。
超音波流量計１８は、排気ガス管１３の外側から超音波１９を入射し、その反射や通過を測定して流量を計測するため、測定対象に対して、非接触で流量測定することを特徴としている。なお、図１３において、１２は排気ガスの流れ、１３は排気ガス管等の配管を示す。

特開昭５９−７４２４３号公報 特開平７−１６６２５１号公報 特開昭６１−２８２７８８号公報

しかしながら、焼結パレット５から排出される排気ガス流量を測定する場合には、排気ガス中に湿分と焼結ダストが多量に含まれているため、ピトー管やベンチュリー管を用いた差圧式流量計では、その圧力検出端に繋がる小孔管１４や小孔管１５においてダストによる詰りが多発し、連続的に測定することは難しく、かつ、小孔管１４，１５のメンテナンスが頻繁に必要となる等の保全上の問題がある。

また、超音波流量計に関しても、一般的な測定対象はごみや気泡の少ない液体であり、気体や蒸気を測定する場合、送受波器が配管内に直接開口する接液型と呼ばれる形式となるため、焼結機の排気ガス流量を測定する場合には、焼結ダストによる送受波器の汚れにより、超音波信号が減衰し測定が困難となる。

なお、超音波流量計には、流れの上流側と下流側から超音波を交互に発射し、超音波の伝播時間の差を測る時間差式と、液中のごみ（懸濁物質）や気泡に向けて超音波を発射し、反射波の周波数変化から流速を測定するドップラー式とがある。時間差式の超音波流量計は、一般的に精度は良いが、超音波の道筋に湿分やダストがあると測定が困難になるという特徴があり、焼結機の排気ガス流量測定には不向きである。一方、ドップラー式の超音波流量計は、流体中の懸濁物質や連続性のある気泡を利用するため、下水や血流といった液体に利用されることが多い。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、焼結機の排気ガス流量を長期的に安定測定することが可能な流量測定システムを提供すること、及び焼結機の排気ガス流量を長期的に測定するための流量測定システムの設備診断機能を提供することを目的とする。

本発明に係る焼結機の排気ガス流量測定システムは、上述した課題を解決するため、以
下の特徴点を有している。
本発明に係る第１の焼結機の排気ガス流量測定システムは、製鉄業における焼結機の排気ガス流量測定システムにおいて、焼結機の排気ガス管に配設され、時系列の排気ガス流量データおよび温度データを出力する熱式流量計と、前記排気ガス流量および温度データに基づいて所定の演算を行う演算手段と、前記排気ガス流量および温度データを記憶する記憶手段と、前記演算手段へ前記熱式流量計の測定異常を判定するための比較値を設定して入力する数値入力手段と、前記演算手段で前記熱式流量計の測定異常を判定したときに、外部装置へ流量測定システムの設備診断をするための異常信号出力する入出力手段とを具備し、前記熱式流量計は、シース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサを保護用ケースに収納したものであって、前記排気ガス管の内部において前記シース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサとを前記焼結機のグレートバーの間隔よりも離して配設し、且つ、前記シース型温度センサ並びに前記加熱コイル付きシース型温度センサと、前記保護用ケースとの間隔を、焼結機のグレートバーの間隔よりも離して配設し、前記演算手段は、所定の時間における前記排気ガス流量データの変動幅を演算して、測定開始時刻の異なる２つの流量データの変動幅の比を求め、該比と前記数値入力手段で設定した比較値とを比較することによって、前記熱式流量計の測定異常を検出することを特徴とするものである。

本発明に係る焼結機の排気ガス流量測定システムによれば、熱式流量計のシース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサを焼結機のグレートバー同士の間隔よりも離して配設することにより、焼結ダストが付着して固まりを形成することを防ぐことができ、湿分と焼結ダストを多量に含んだ焼結機の排気ガス流量を長期的に測定することが可能となる。

また、熱式流量計から出力された排気ガス流量データに関する所定の時間における変動幅を演算し、その流量データの変動幅から、焼結ダスト等の熱式流量計への付着を判定し、熱式流量計の測定異常を検出することにより、焼結機の排気ガス流量を長期的に測定するための設備診断機能を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る焼結機の排気ガス流量測定システムの実施形態を説明する。

図１及び図２を参照して、本発明の実施例１に係る焼結機の排気ガス流量測定システムを説明する。図１は、本発明に係る第１の焼結機の排気ガス流量測定システムの構成を示す模式図、図２は焼結機のパレットの模式図である。

本発明の実施例１に係る焼結機の排気ガス流量測定システムは、図１に示すように、焼結機の排気ガス管１３の内部に、熱電対あるいは測温抵抗体を用いたシース型温度センサ２０と、加熱用コイルを内包した同じく熱電対あるいは測温抵抗体を用いたシース型温度センサ２１とを備えた熱式流量計２２を設置することにより構成されている。なお、図１において、１２は排気ガスの流れを示す。

熱式流量計２２は、従来から実用化されている流量計の一種であり、被測定流体の質量流量を次のようにして求めることができる。
すなわち、流体の流れの中に加熱した物体を置くと、その加熱物体は流体により熱エネルギーを奪われるため、冷却されて温度が変化する。逆に、流体は加熱物体から熱エネルギーを奪って自己の温度を上昇させる。この時、単位時間に移動する熱量が、〔流体の定圧比熱〕×〔流体の上昇温度差〕×〔流体の質量流量〕に相当することを利用して質量流量を測定することができる。

本発明の実施例１に係る焼結機の排気ガス流量測定システにおいては、流体温度を測定するシース型温度センサ２０と、加熱コイル付きシース型温度センサ２１を排気ガス管１３の側面から流体の流れに対して直角になるように配管内部に設置する。なお、上述したように熱式流量計は流体の定圧比熱を必要とするが、これは事前に測定した排気ガス成分によって予め設定する。

熱式流量計においても、焼結機の排気ガス流量を測定する場合には、時間の経過に伴いシース型温度センサ２０と、加熱コイル付きシース型温度センサ２１の間に焼結ダストが詰り、排気ガスへの移動熱量を正常に測定できなくなる場合がある。焼結ダストは、大部分が直径１ｍｍ未満の粉状粒子であるが、なかには直径５ｍｍ程度の小石状の焼結ダストもある。これらの焼結ダストは、図２に示すように、パレット５の底板として複数枚敷かれているグレートバー２６の間を通り抜けて、直管部７（ウィンドレッグ）からメインダクト８へ吸引さる。このグレートバー２６同士の隙間は、パレット５上に乗せた焼結原料２５を焼成するための空気及び排気ガスの通り道であり、通常５ｍｍ程度の隙間となっている。

本発明者らは、熱式流量計２２を焼結機の直管部７（ウィンドレッグ）へ挿入して、熱式流量計２２に焼結ダストが詰まるプロセスについての実験を行った。その結果、グレートバー２６の隙間２７よりもシース型温度センサ２０と加熱コイル付きシース型温度センサ２１の間隔を狭めて配設した場合に、まず最初に、直径５ｍｍ程度の小石状の焼結ダストが、シース型温度センサ２０と加熱コイル付きシース型温度センサ２１の間に挟まり、そのダストを核にして、湿分を含んだ直径１ｍｍ未満の粉状粒子が付着してゆき、やがては固まりを形成して正常な測定が困難になることを見出した。

そこで、本発明の実施例１に係る焼結機の排気ガス流量測定システムにおいては、直管部７（ウィンドレッグ）のような焼結機の排気ガス管１３内に挿入したシース型温度センサ２０と加熱コイル付きシース型温度センサ２１の間隔２３を、焼結機のパレット５の底板であるグレートバー２６同士の間隔２７よりも離して配設することで、焼結ダストが固まりを形成するための核の発生を防止し、焼結機の排気ガス流量を長期的に測定することを可能としている。
なお、本発明に係る焼結機の排気ガス流量測定システは、図１に示すような配置のみならず、図３に示すような配置とすることも可能である。

図４を参照して、本発明の実施例２に係る焼結機の排気ガス流量測定システムを説明する。図４は、本発明の実施例２に係る焼結機の排気ガス流量測定システムの要部構成を示す模式図である。

直管部７（ウィンドレッグ）のような焼結機の排気ガス管内に挿入した熱式流量計のシース型温度センサ２０並びに加熱コイル付きシース型温度センサ２１の周囲に保護用ケース２４を設けたものでは、シース型温度センサ２０並びに加熱コイル付きシース型温度センサ２１と、保護用ケース２４の間に焼結ダストが詰り、排気ガスへの移動熱量を正常に測定できなくなる場合がある。

発明者らが保護用ケース２４付きの熱式流量計を直管部７（ウィンドレッグ）へ挿入して実施した実験によれば、焼結ダストが詰まるプロセスは、第一の発明と同様であった。
そこで、本発明の実施例２に係る焼結機の排気ガス流量測定システムにおいては、直管部７（ウィンドレッグ）のような焼結機の排気ガス管内に挿入したシース型温度センサ２０並びに加熱コイル付きシース型温度センサ２１と、保護用ケース２４の間隔２３を、焼結機のパレット５の底板であるグレートバーの間隔２７よりも離して配設することで、焼結ダストが固まりを形成するための核の発生を防止し、焼結機の排気ガス流量を長期的に測定することを可能としている。

なお、保護用ケース２４は、焼結ダストの固まりが熱式流量計を直撃し、シース型温度センサ２０や加熱コイル付きシース型温度センサ２１を破損することを防ぐために取り付けることがある。すなわち、焼結機の風箱６（ウィンドボックス）や直管部７（ウィンドレッグ）は、鉄製の構造体を組み合わせて構成されており、内面が必ずしも平坦ではないため、そのような排気ガスの通りの悪い箇所に焼結ダストが固まりを形成し、その固まりが剥がれて直管部７（ウィンドレッグ）を通過することがあるため、保護用ケース２４が取り付けられる。

図１及び図５を参照して、本発明の実施例３に係る焼結機の排気ガス流量測定システムを説明する。図５は、本発明の実施例３に係る焼結機の排気ガス流量測定システムの構成を示す模式図である。

本発明者らは、焼結機の排気ガス管内のガスの流れは乱流であり、熱式流量計が正常に測定できている時、その流量データは絶えず変動し、反対に、流量データの変動が無い場合は、焼結ダストの詰り等により、正常に測定が出来ていないことを見出した。
本発明の実施例３に係る焼結機の排気ガス流量測定システムは、図５に示すように、シース型温度センサ２０および加熱コイル付きシース型温度センサ２１等からなる熱式流量計５１と、演算部５２と、入出力部５３と、記憶部５４と、数値入力部５５を備えている。また、演算部５２および入出力部５３には外部装置５６が接続されている。

本発明の実施例３に係る焼結機の排気ガス流量測定システムでは、焼結機の排気ガス管１３の内部にシース型温度センサ２０と加熱コイル付きシース型温度センサ２１からなる熱式流量計５１を挿入することにより、排気ガス管内の流量データと温度データを出力する。出力されたデータは、演算部５２および入出力５３部を介して、記憶部５４へ記録される。また、演算部５２は、記憶部５４から一定時間の流量データを読み出し、流量データの変動幅を演算する。

図６及び図７を参照して、本発明の実施例３に係る焼結機の排気ガス流量測定システムにおいて異常検出を行う手順を説明する。図６は異常検出を行う第１の手順のフローチャート、図７は異常検出を行う第２の手順のフローチャートである。

実施例３の焼結機の排気ガス流量測定システムを用いて異常検出を行うには、図６に示すように、まず、熱式流量計５１でガス流量を測定し（Ｓ１）、測定した排気ガス流量を記憶部５４に記憶し（Ｓ２）、記憶部５４から演算部５２へ一定時間の流量データを読み出し（Ｓ３）、演算部５２により一定時間の流量データから流量データの変動幅を演算する（Ｓ４）。

続いて、演算部５２で演算された測定開始時刻の異なる２つの流量データの変動幅を比較してα１を求めるとともに（Ｓ５）、数値入力部５５により排ガス流量データの変動幅比の比較値β１を設定する（Ｓ６）。

ここで、α１とβ１を比較し（Ｓ７）、α１がβ１よりも小さい場合には、上述した理由により熱式流量計５１の測定異常と判定することができる。そこで、入出力部５３を介して外部装置５６へ異常信号出力する（Ｓ８）。一方、α１がβ１よりも大きい場合には、熱式流量計５１が正常に測定中であると判定する（Ｓ９）。

このようにして、焼結機の排気ガス流量を長期的に測定するための流量システムの設備診断機能を提供し、早期に焼結機の排気ガス流量システムへのダスト付着を防止することが可能となる。

また、図７に示す手順により異常検出を行ってもよい。
図７に示す手順では、まず、熱式流量計５１でガス流量を測定し（Ｓ１１）、測定した排気ガス流量を記憶部５４に記憶し（Ｓ１２）、記憶部５４から演算部５２へ一定時間の流量データを読み出し（Ｓ１３）、演算部５２により一定時間の流量データから流量データの変動幅を演算する（Ｓ１４）。

続いて、演算部５２で演算されたある時刻Ｔ３の流量データの変動幅α２を求めるとともに（Ｓ１５）、数値入力部５５により排ガス流量データの変動幅の比較値β２を設定する（Ｓ１６）。
ここで、α２とβ２を比較し（Ｓ１７）、α２がβ２よりも小さい場合には、上述した理由により熱式流量計５１の測定異常と判定することができる。そこで、入出力部５３を介して外部装置５６へ異常信号出力する（Ｓ１８）。一方、α２がβ２よりも大きい場合には、熱式流量計５１が正常に測定中であると判定する（Ｓ１９）。

このようにして、焼結機の排気ガス流量を長期的に測定するための流量システムの設備診断機能を提供し、早期に焼結機の排気ガス流量システムへのダスト付着を防止することが可能となる。

本発明に係る焼結機の排気ガス流量測定システムを用いて排気ガス流量測定を行った具体的な結果を説明する。
図８は、操業中の焼結機の排気ガス流量測定データの説明図である。

図８に示す排気ガス流量測定データは、焼結機の直管部７（ウィンドレッグ）に挿入したシース型温度センサ２０と加熱コイル付きシース型温度センサ２１の間隔２３を、焼結機のパレット５の底板であるグレートバー２６間の間隔２７よりも５ｍｍ離して配設することで、焼結機の排気ガス流量を測定したものである。

図８から明らかなように、７日間にわたる長期の連続ガス流量測定が可能であり、本発明の有効性を確認することができた。なお、図８において、縦軸の流量比は、流量計の測定レンジの最大値を１として表した値である。

図９は、ダスト付着前後の焼結機の排気ガス流量測定データの説明図である。
ダスト付着前後の焼結機の排気ガス流量測定データは、焼結機の直管部７（ウィンドレッグ）に挿入したシース型温度センサ２０と加熱コイル付きシース型温度センサ２１に焼結ダストが付着していない状態と、故意に焼結ダストを付着させた状態での排気ガス流量を測定したものである。

図９から明らかなように、焼結ダストの付着の有無により排気ガス流量の変動幅に大きな違いが出ており、この差異を用いて異常検出をする本発明の有効性を確認することができた。なお、図９の縦軸の流量比は、流量計の測定レンジの最大値を１として表した値である。

本発明の実施例１に係る排気ガス流量測定システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施例１における焼結機のパレットの模式図である。 本発明の実施例１に係る焼結機の排気ガス流量測定システムの他の構成を示す模式図である。 本発明の実施例２に係る焼結機の排気ガス流量測定システムの要部構成を示す模式図である。 本発明の実施例３に係る焼結機の排気ガス流量測定システムの構成を示す模式図である。 異常検出を行う第１の手順のフローチャートである。 異常検出を行う第２の手順のフローチャートである。 操業中の焼結機の排気ガス流量測定データの説明図である。 ダスト付着前後の焼結機の排気ガス流量測定データの説明図である。 従来のドワイトロイド方式焼結機のプロセス図である。 ピトー管式流量計の模式図である。 ベンチュリー管式流量計の模式図である。 超音波流量計の模式図である。

符号の説明

１ 原料槽
２ ミキサー
３ サージホッパー
４ 点火炉
５ パレット
６ 風箱（ウィンドボックス）
７ 直管部（ウィンドレッグ）
８ メインダクト
９ 集塵機
１０ ブロワー
１１ 煙突
１２ ガスの流れ
１３ 排気ガス管
１４ 正面の小孔管
１５ 直角方向の小孔管
１６ 配管の絞り部（ベンチュリー管）
１７ 圧力計
１８ 超音波流量計
１９ 超音波
２０ シース型温度センサ
２１ 加熱コイル付きシース型温度センサ
２２ 熱式流量計
２３ シース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサの間隔
２４ シース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサの保護用ケース
２５ 焼結原料
２６ グレートバー
２７ グレートバーの間隔
５１ 熱式流量計
５２ 演算部
５３ 入出力部
５４ 記憶部
５５ 数値入力部
５６ 外部装置

Claims (1)

1. 製鉄業における焼結機の排気ガス流量測定システムにおいて、
   焼結機の排気ガス管に配設され、時系列の排気ガス流量データおよび温度データを出力する熱式流量計と、
   前記排気ガス流量および温度データに基づいて所定の演算を行う演算手段と、
   前記排気ガス流量および温度データを記憶する記憶手段と、
   前記演算手段へ前記熱式流量計の測定異常を判定するための比較値を設定して入力する数値入力手段と、
   前記演算手段で前記熱式流量計の測定異常を判定したときに、外部装置へ流量測定システムの設備診断をするための異常信号出力する入出力手段とを具備し、
   前記熱式流量計は、シース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサを保護用ケースに収納したものであって、前記排気ガス管の内部において前記シース型温度センサと加熱コイル付きシース型温度センサとを前記焼結機のグレートバーの間隔よりも離して配設し、且つ、前記シース型温度センサ並びに前記加熱コイル付きシース型温度センサと、前記保護用ケースとの間隔を、焼結機のグレートバーの間隔よりも離して配設し、
   前記演算手段は、所定の時間における前記排気ガス流量データの変動幅を演算して、測定開始時刻の異なる２つの流量データの変動幅の比を求め、該比と前記数値入力手段で設定した比較値とを比較することによって、前記熱式流量計の測定異常を検出することを特徴とする焼結機の排気ガス流量測定システム。

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