JP5381955B2 - 高炉の炉内状況検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、高炉内装入原料の表層上へ半径方向に載置され、荷下りにつれて降下しつつ、硬質保護管の長さ方向所定位置及び長さ方向複数位置において、炉内ガス成分及び炉内温度を連続的に測定する、消耗型の高炉の炉内状況検知装置に関するものである。

高炉では、原料である塊鉱石、焼結鉱、ペレット等の鉱石と、還元材であるコークスを、炉頂から交互に装入して層状に堆積させる。これら堆積物のうち、高炉内の炉下部に堆積したコークスは、高炉の羽口から吹き込まれる熱風によりガス化する。生成したガスは高炉内を上昇して原料の昇温、還元に寄与する。また、このガスの上昇によって鉱石が溶融して滴下することにより、高炉内の原料は降下する。このように、高炉内は基本的には向流反応器である。

ところで、高炉の操業管理を最適に行うには、高炉炉頂から装入した原料の荷下り挙動、及び荷下りに伴う昇温や還元反応の進行状況などを高精度に把握する必要がある。

高炉内に装入された原料は、原料装入面からの荷下りにおいて、装入時の塊状態から原料の溶融温度の近辺で軟化し、さらに昇温されて完全に溶融する。この軟化から完全に溶融する間の半溶融の部分を軟化融着帯と呼んでいるが、塊状態の厚さと温度、及び軟化融着帯の位置は、高炉の操業状況に大きな影響を及ぼす。

一方で、塊状態の厚さと温度、及び軟化融着帯の位置は、総体的には降下する原料と上昇する高炉ガスの熱バランスで決まり、さらには、原料の性状に起因する還元状況や操業形態の影響を受けやすい。

従って、これらの高炉炉内状況を最適に制御するためには、高炉炉内状況を正しく把握する必要が有り、その方法として、高炉内の温度分布やガス成分を直接測定することにより把握することは、高炉操業上、非常に重要である。

そこで、従来から高炉内の温度分布やガス成分を直接知るための試みが多く行われている。

例えば特許文献１には、硬質保護管の長さ方向に沿って複数の温度感知部及び／又はガス吸引部を形成した測定プローブを、高炉内装入原料の表層上へ半径方向に載置し、荷下りにつれて降下させながら温度及び／又は炉内ガス成分を連続的に測定する消耗型計測装置が記載されている。また、特許文献２には、感温部として光ファイバを用いて、炉内温度を炉内半径方向、垂直方向ともに測定しようとする装置が記載されている。

これらの計測装置は、ある一時点において、炉内半径方向（水平方向）の複数点を計測し、時間の経過による荷下がりに伴って炉内垂直方向の計測が行えるので、垂直水平ゾンデなどと称されている。

また、特許文献３には、融着帯付近に、炉壁から水平にプローブを挿入する、消耗型のいわゆる水平ゾンデが記載されており、その構造は、特許文献２の垂直水平ゾンデとよく似ている。しかしながら、特許文献３の装置は、プローブ後部にコネクタを有し、電磁ソレノイドその他の方法でプローブを保持し、測定後に切り離してプローブを廃棄する点が特許文献２の使用方法と相違している。

前記特許文献１〜３に記載されたような高炉内の水平方向、垂直方向の状態を同時に計測する装置では、プローブを炉体の任意位置に確実に設置し、かつ原料の降下とともにプローブを水平に降下させることが非常に重要である。

高炉内への投入時に、プローブの先端が炉中心を向かない場合は、炉中央付近の状態を知ることができず、また、高炉内へのプローブの投入が水平でない場合は、プローブ先端とプローブ後端で高低差が生じてしまい、炉半径方向の分布だけでなく、炉内垂直方向の分布も正確に捉えることができないといった不都合が生ずるためである。

しかしながら、特許文献１や特許文献２のような、プローブを保持せず、単純に後部からプローブを高炉内に押し込む構造では、鞘管とプローブの径の違いから、鞘管とプローブの軸線にずれが生じる。鞘管１とプローブ２の軸線にずれが生じると、図６のように、プローブ２は先端から高炉内に落下して炉内原料に対して水平にならない、もしくは先端を支点として倒れ、先端が炉中心を向かなくなる。なお、図６中の３はプローブ２の押し込み管、４ａ，４ｂは鞘管１の高炉炉壁５側の部分に設置されたバルブである。

また、特許文献１や特許文献２のような、押し込みによる挿入方法では、高炉内へのプローブの挿入に成功しても、プローブの後端は炉壁部分に位置することになるので、炉壁からプローブの長さ範囲しか測定することができない。従って、炉中心部の状況を知るためには、炉内半径に相当する長さを有するプローブが必要となるので、装置が長大となって取扱いが難しくなる。また、コストも増大する。

一方、特許文献３の様な、プローブ後端を保持する方法では、炉内の任意の位置にプローブを落下することができない。

特公昭５７−４８６２１号公報 特許２７８６８１１号公報 特公平４−２８９３公報

本発明が解決しようとする問題点は、プローブを保持せず、単純に後部からプローブを高炉内に押し込む構造では、鞘管とプローブの径の違いから、鞘管とプローブの軸線にずれが生じるという点である。一方、プローブ後端を保持する方法では、炉内の任意の位置に落下することができないという点である。

本発明は、高炉半径方向の任意の位置へのプローブの挿入・落下を正確に行うと共に、プローブが水平に炉内を降下できて炉内状況を正確に測定できる高炉用垂直水平ゾンデを提供することを目的とするものである。

発明者らは、従来技術が有する問題点を解決するためには、従来技術では押し込み操作により混然一体に行われていたプローブの挿入とプローブの載置を、明確に区別することが重要であると考えた。

すなわち、高炉半径方向の測定したい炉内部分に、プロープを正確に配置するためには、当該位置まで正確にプローブの挿入を行うべきである。その際、プローブの載置を並行して実施すると、正確な半径方向位置への挿入が実施できないばかりか、プローブの水平保持ができず、いわゆる斜めに挿入されたり、落下してしまうことになる。

従って、プローブの挿入とプローブの載置を並行して実施せず、高炉半径方向の炉内測定部分にプローブを挿入した後に、プローブを載置することを考えた。プローブの挿入が完了した時点では、原料の装入面が直下にあるとは限らないので、プローブの載置は、プローブの落下という形態になる場合が多いが、プローブの落下距離は、高々１m程度なので、特に問題になることはない。

高炉半径方向の炉内測定部分にプローブを挿入した後に、プローブを載置することを体現するための構成は以下の様になる。

すなわち、本発明の高炉の炉内状況検知装置は、
硬質保護管の長さ方向所定位置にガス採取部を有すると共に、硬質保護管の長さ方向複数位置に温度感知部を有するプローブを、高炉半径方向に向けて高炉内装入原料の表層上に載置し、荷下りにつれて降下しつつ前記ガス採取部と前記温度感知部で炉内ガス成分と炉内温度を連続的に測定する消耗型の高炉炉内状況検知装置であって、
前記プローブと、
このプローブの上面を磁着保持する保持部を先端に設けた挿入管と、
これらプローブ及び保持部を内装する鞘管と、
この鞘管に沿って前記挿入管を前後進させる前後進機構と、を備え、
前記保持部によりプローブの上面を磁着した状態で挿入管を鞘管に沿って前進させることでプローブを炉内半径方向の所定位置まで挿入した後、当該位置で保持部を消磁してプローブを炉内装入原料の表層に降下させるようにしたことを最も主要な特徴としている。

上記本発明の高炉の炉内状況検知装置では、挿入管の先端に設けた保持部によりプローブの上面を磁着した状態でプローブを炉内半径方向の所定位置まで挿入した後、当該位置で保持部を消磁してプローブを炉内挿入原料の表層に降下させる。

従って、高炉半径方向の測定したい炉内部分に、プローブを正確に配置することが可能になる。

本発明では、挿入管の先端に設けた保持部によりプローブ上面を磁着し、高炉内に完全に挿入した後に消磁して落下させることで、落下の際に炉壁、鞘管、挿入管と接触すること無く炉内装入原料上にプローブを落下させることが可能である。従って、常に狙った位置にプローブを載置することができるようになる。

また、高炉半径方向における消磁位置の変化により、炉壁付近のみ測定する、炉中央付近のみを測定するなど、高炉半径方向の任意の位置の測定を行うことができる。さらに、本発明では消耗品であるプローブを保持するための特別な機構を必要とせず、安価な構造とすることができる。

本発明の高炉の炉内状況検知装置の概略全体構成を示した図である。 本発明の高炉の炉内状況検知装置のプローブの詳細を示した図で、（ａ）は一部断面して示す正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図ある。 本発明の高炉の炉内状況検知装置の保持部を横断面方向から示した図である。 本発明の高炉の炉内状況検知装置のプローブを高炉内に挿入した状態を示した図である。 本発明の高炉の炉内状況検知装置のプローブを高炉内に挿入した後、プローブを開放した状態を示した図である。 保持部を持たないプローブを高炉内に挿入した状態を示した図である。

本発明では、高炉半径方向の任意の位置へのプローブの挿入・落下を正確に行うようにするという目的を、挿入管の先端に設けた保持部によりプローブの上面を磁着し、高炉内に完全に挿入した後に消磁して落下させることによって実現した。

以下、本発明の高炉の炉内状況検知装置を、図１〜図５を用いて説明する。
図１は本発明の高炉の炉内状況検知装置の概略全体構成を示した図であり、本発明の高炉の炉内状況検知装置１１は、以下のような構成である。

１２は高炉炉壁５から炉外に向けて設けられた鞘管であり、プローブ１３と、このプローブ１３の例えば後端部上面を磁着する保持部１４が内部に挿入されている。１５は鞘管１２の後端から先端部を貫通挿入された挿入管で、先端面に前記保持部１４が取付けられている。

前記挿入管１５は、前記鞘管１２に沿って、図１に示した後退限位置から、先端に設けた保持部１４が完全に高炉内に挿入可能な長さを、前進及び後進可能に構成されている。この前後進機構１６として、図１では、前記保持部１４から挿入管１５の後端に向けてラック１６ａを設け、このラック１６ａに例えばサイクロ減速機付モータ１６ｂの回転軸に取付けたピニオン（図示省略）を噛み合わせたものを示している。

一方、前記プローブ１３は、図２に示すように、長手方向等間隔位置における両側面の例えば６箇所に、計測用の孔１３ａａを設けた硬質保護管１３ａの内部に、例えば２本のシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂと１本のガス分析管１３ｃを挿入配置した構成である。

図２の例では、２本のシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂは、共に３点の温度測定部１３ｂａａ〜１３ｂａｃ，１３ｂｂａ〜１３ｂｂｃを有している。そして、一方のシース熱電対１３ｂａは、温度測定部１３ｂａａ〜１３ｂａｃが、硬質保護管１３ａの一方側面の後端側の３箇所の孔１３ａａに対応する位置となるように設置されている。また、他方のシース熱電対１３ｂｂは、温度測定部１３ｂｂａ〜１３ｂｂｃが、硬質保護管１３ａの他方側面の先端側の３箇所の孔１３ａａに対応する位置となるように設置されている。これら２本のシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂの後端側はプローブ１３の後端より引き出され、シースドラム１７に巻かれている（図１参照）。

一方、ガス分析管１３ｃは１点のガス採取部１３ｃａを有している。そして、このガス分析管１３ｃは、ガス採取部１３ｃａが、硬質保護管１３ａの一方側面の先端の孔１３ａａに対応する位置となるように設置されている。

前記の鞘管１２と挿入管１５、及び鞘管１２とシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂの間はそれぞれグランドパッキンによりシールされており、高炉内のガス流出を防ぐ構造となっていることは言うまでもない。

前記構成の横断面円形のプローブ１３の例えば後端部上面を磁着保持する保持部１４の横断面は、例えば図３のように、山型の切欠き１４ａを設けることにより２面で確実に磁着保持すると同時に、外径の異なるプローブ１３も保持できるようにしている。図３は、１２０度の切欠き１４ａを設けることにより、呼び径が３２Ａと４０Ａの外径のプローブ１３を磁着保持できるものを示している。

図２及び図３の例では、プローブ１３の後端部上面に１２０度の角度をなす山型の磁着板１８を溶接し、呼び径が３２Ａと４０Ａの外径のプローブ１３の保持力が、それぞれ常温時で３８２２N、４１１６Nと、保持力を増加させたものを示している。しかしながら、磁着板１８がなくても十分な保持力が得られる場合は、この磁着板１８を省略しても良いことは言うまでもない。

また、前記保持部１４は、例えばN₂ガスによって１８０℃以下に冷却し、高炉内での温度上昇による磁力の低下を防止している。しかしながら、保持部１４を冷却しなくても十分な保持力が得られる場合は、保持部１４を冷却しなくても良いことは言うまでもない。

上記構成の本発明の高炉の炉内状況検知装置１１を用いて、高炉内にプローブ１３を挿入した後原料表層上に載置し、連続的に炉内の温度計測及びガス分析を行う際には、以下のように行う。

先ず、鞘管１２の高炉炉壁５近傍に設置した２つのバルブ１９ａ，１９ｂを開にする。その後、前後進機構１６のサイクロ減速機付モータ１６ｂを始動し、保持部１４によって後部上面を磁着したプローブ１３を高炉内に挿入する。この際、挿入管１５の先端に取付けた保持部１４は、図４に示すように、鞘管１２から完全に露出し、高炉内に到達している。

プローブ１３の高炉内への挿入が終了した後は、任意の位置でサイクロ減速機付モータ１６ｂを停止し、保持部１４を消磁してプローブ１３を高炉内に落下させ（図５参照）、挿入管１５を待機位置まで後退させる。

原料表層上に載置されたプローブ１３は荷下りとともに炉内を降下するので、この降下に伴ってシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂをシースドラム１７より送り出す。この間、シース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂ及びガス分析管１３ｃを用いて、連続的に炉内の温度計測及びガス分析を行う。

全てのシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂが溶断するか、もしくは所定の計測が終了した後は、両バルブ１９ａ，１９ｂの間に配置されたカッター装置２０によってシース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂを切断し、高炉内にプローブ１３、シース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂを廃棄する。最後に２つのバルブ１９ａ，１９ｂを閉じて計測を終了する。

本発明の高炉の炉内状況検知装置１１を用いて、上記のようにして連続的に炉内の温度計測及びガス分析を行う際に、例えば炉内半径５．７mに対して長さ４．５mのプローブ１３を使用する場合、１回の測定で炉中心から炉壁にわたる半径方向全体のデータを得ることはできない。

しかしながら、本発明の高炉の炉内状況検知装置１１を使用すれば、測定する部位を精度よく制御することができるので、通常の操業においては十分である。また、半径方向全体のデータが必要な場合は、プローブ１３の長さを長くして、炉内半径に近付ければよい。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、前記保持部１４の、プローブ１３との磁着面は、プローブ１３を確実に保持できるものであれば、山型の切欠き１４ａを設けなくても良い。

また、シース熱電対１３ｂａ，１３ｂｂの温度測定部１３ｂａａ〜１３ｂａｃ，１３ｂｂａ〜１３ｂｂｃは３箇所に限らないことも言うまでもない。なお、この温度測定部の数により、シース内の熱電対素線の本数が決定されることも言うまでもない。

５ 高炉炉壁
１１ 高炉の炉内状況検知装置
１２ 鞘管
１３ プローブ
１３ａ 硬質保護管
１３ａａ 孔
１３ｂａ，１３ｂｂ シース熱電対
１３ｂａａ〜１３ｂａｃ，１３ｂｂａ〜１３ｂｂｃ 温度測定部
１３ｃ ガス分析管
１３ｃａ ガス採取部
１４ 保持部
１４ａ 切欠き
１５ 挿入管
１６ 前後進機構
１６ａ ラック
１６ｂ サイクロ減速機付モータ

Claims (5)

1. 硬質保護管の長さ方向所定位置にガス採取部を有すると共に、硬質保護管の長さ方向複数位置に温度感知部を有するプローブを、高炉半径方向に向けて高炉内装入原料の表層上に載置し、荷下りにつれて降下しつつ前記ガス採取部と前記温度感知部で炉内ガス成分と炉内温度を連続的に測定する消耗型の高炉炉内状況検知装置であって、
   前記プローブと、
   このプローブの上面を磁着保持する保持部を先端に設けた挿入管と、
   これらプローブ及び保持部を内装する鞘管と、
   この鞘管に沿って前記挿入管を前後進させる前後進機構と、を備え、
   前記保持部によりプローブの上面を磁着した状態で挿入管を鞘管に沿って前進させることでプローブを炉内半径方向の所定位置まで挿入した後、当該位置で保持部を消磁してプローブを炉内装入原料の表層に降下させるようにしたことを特徴とする高炉の炉内状況検知装置。
2. 前記挿入管は、後退限位置から先端に設けた保持部が完全に高炉内に挿入可能な長さを前進移動するものであることを特徴とする請求項１に記載の高炉の炉内状況検知装置。
3. 前記保持部の冷却機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉の炉内状況検知装置。
4. 前記保持部は、プローブの横断面に対してプローブの上側２点以上で接触する横断面形状であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の高炉の炉内状況検知装置。
5. 温度感知部は、シース内に２本以上の熱電対素線を有するシース熱電対であることを特徴とする請求項４に記載の高炉の炉内状況検知装置。

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