JP6620581B2

JP6620581B2 - レベル計及びレベル計測方法

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Publication number: JP6620581B2
Application number: JP2016022431A
Authority: JP
Inventors: 洋介川上; 泰明草田; 長谷川　昇; 昇長谷川; 杉橋　敦史; 敦史杉橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2036-02-09
Also published as: JP2017142104A

Description

本発明は、レベル計及びレベル計測方法に関する。

転炉製鋼プロセスにおいて生産性を向上させるためには、送酸速度を上げて吹錬に要する時間を短縮することが重要となる。しかしながら、送酸速度を上げるとスロッピングが発生して歩留まりの低下を招くだけでなく、炉口やフード等に地金やスラグが付着して操業が阻害される等の問題が生じる可能性がある。なお、スロッピングとは、フォーミングしたスラグが炉口から溢れる現象である。

従って、生産性の向上を図るためには、転炉の内容物のレベルを測定し、スロッピングの予兆となるスラグのフォーミング挙動等を正確にリアルタイムで把握することが重要となる。そのため、従来、転炉に装入された溶融物の浴面レベルを測定する方法が考案されており、例えば、以下の特許文献１に示すような、マイクロ波を用いたレーダ方式のレベル計が提案されている。

吹錬中の転炉内における溶融物の浴面レベル（より詳細には、溶銑又は溶鋼の表面に生成するスラグの表面レベル）は、上吹きランス（メインランス）からの酸素ジェットの運動エネルギーによってキャビティ（凹み）が生じる。そこで、以下の特許文献１に開示されているレベル計では、アンテナを垂直に保持するのではなく、メインランスの側壁又は転炉の側壁に向けて傾斜させることで、より安定にレベル計測が可能となるとしている。

また、以下の特許文献１では、転炉内のスラグ面におけるマイクロ波の照射中心からランス側壁までの距離ｄをマイクロ波の照射半径ｒで除した値（ｄ／ｒ）が所定の範囲内となるように、マイクロ波を照射するアンテナを傾斜させることで、吹錬中の転炉内におけるスラグの表面レベルを、より確実にリアルタイムで計測可能とすることができる、としている。

特開２０１５−１１０８１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術で着目されている（ｄ／ｒ）というパラメータは、転炉内における耐火物の損耗状況や、上吹きランス（メインランス）に設けられたノズルの溶損状況などにより変動するものであり、転炉設備の経時変化に伴って、アンテナの最適な傾斜度合いは、変化していく。そのため、上記特許文献１に開示された技術では、転炉設備の経時変化に応じて、アンテナの最適な傾斜度合いを、（ｄ／ｒ）の値を参考にしつつ、調整していく必要がある。

このように、転炉設備の経時変化によらず、より精度よくスラグの表面レベルをリアルタイムに計測可能な技術が希求されている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、転炉設備の経時変化によらず、より精度よくスラグの表面レベルをリアルタイムに計測することが可能な、レベル計及びレベル計測方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、マイクロ波を用いて転炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計であって、所定周波数のマイクロ波を射出するマイクロ波射出部と、前記転炉の内部に向けて前記マイクロ波を照射するとともに、前記スラグ面で反射した前記マイクロ波を受信するアンテナ部と、前記アンテナ部が受信した前記マイクロ波の反射波を検出する検出部と、を有するマイクロ波照射ユニットと、前記アンテナ部を駆動して、前記マイクロ波の照射方向を水平面内で変化させるアンテナ駆動機構と、前記マイクロ波照射ユニットを制御するとともに、前記マイクロ波射出部により射出されるマイクロ波と、前記検出部にて検出されたマイクロ波の反射波と、に基づいて、前記スラグ面のレベルを算出する演算処理ユニットと、を備え、前記演算処理ユニットは、前記スラグ面のレベル計測に先立って、前記アンテナ駆動機構により前記アンテナ部から照射するマイクロ波を前記水平面内に所定の走査間隔で走査させ、各走査点における前記マイクロ波の反射波の測定結果を利用して、前記スラグ面の計測位置を決定する制御部と、決定された前記計測位置にマイクロ波を照射することで検出された前記マイクロ波の反射波を利用して、前記スラグ面のレベルを算出する演算処理部と、を有し、前記制御部は、前記スラグ面の計測位置を決定する際に、前記走査に用いる前記マイクロ波の周波数を、前記アンテナ部から前記転炉の炉口までの距離に対応する周波数以上、前記アンテナ部から前記転炉の炉底までの距離に対応する周波数以下に制限する、レベル計が提供される。

前記レベル計は、前記転炉の内部において吹錬に伴い発生する音を計測するサウンドレベル計測ユニットを更に備え、前記演算処理ユニットは、前記サウンドレベル計測ユニットによる前記音の計測結果に基づいて、前記スラグ面のレベル計測に先立って前記マイクロ波を走査させる時期を決定する走査時期決定部を有しており、前記制御部は、走査時期決定部により決定された走査時期に、前記アンテナ駆動機構により前記アンテナ部から照射するマイクロ波を前記水平面内に所定の走査間隔で走査させることが好ましい。

前記走査時期決定部は、前記サウンドレベル計測ユニットによる音圧の測定結果が所定時間以上低下したときを、走査時期と決定することが好ましい。

前記走査時期決定部は、前記サウンドレベル計測ユニットによる音圧の測定結果が、前記転炉の内部に保持されている溶鉄の揺動周期以上の時間低下したときを、走査時期と決定することが好ましい。

前記制御部は、前記アンテナ駆動機構により、走査に先立ち設定される定点の周りを前記水平面内で直交する直交２軸のそれぞれの方向で走査させ、前記マイクロ波の射出波と前記マイクロ波の反射波との合成波のパワースペクトルにおけるピーク強度が最大となる位置を、前記スラグ面の計測位置としてもよい。

前記制御部は、前記アンテナ駆動機構により、走査に先立ち設定される定点の周りを前記水平面内で直交する直交２軸のそれぞれの方向で走査させ、前記マイクロ波の射出波と前記マイクロ波の反射波との合成波のパワースペクトルにおけるスペクトル面積が最大となる位置を、前記スラグ面の計測位置としてもよい。

前記定点を、前チャージでの前記スラグ面の計測位置とすることが好ましい。

前記走査間隔は、前記アンテナ部の配置角度により規定されており、前記制御部は、走査角度間隔Ｐを、前記アンテナ部のアンテナ径をＤ_０とし、アンテナ部の先端から前記転炉の炉口までの垂直距離をＨとし、前記アンテナ部によるマイクロ波の拡散角をθ_０としたときに、以下の式（１）で算出される値以下の値に設定することが好ましい。

前記演算処理部は、検出された前記マイクロ波の反射波と、前記転炉の内部に向けて照射された前記マイクロ波の射出波と、の差周波信号をフーリエ変換して、前記アンテナ部と前記スラグ面との間の距離に関するスペクトルを算出し、当該スペクトルを前記距離に沿って空間的に平均化した後に、平均化後の全にスペクトルにおけるピーク位置を、前記スラグ面のレベルと決定することが好ましい。

前記演算処理部は、決定した前記スラグ面のレベルに関する情報を時間的に平均化した上で、前記スラグ面のレベルと、前記転炉における処理の経過時間と、を関連付けたトレンドチャートを生成してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、マイクロ波を用いて転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、前記スラグ面のレベル計測に先立って、前記マイクロ波を照射するアンテナ部を駆動することで前記マイクロ波を水平面内に所定の走査間隔で走査させて、各走査点における前記マイクロ波の反射波の測定結果を利用して、前記スラグ面の計測位置を決定し、決定した計測位置において、前記転炉の内部に向けて前記アンテナ部からマイクロ波を照射して、前記転炉の側からの前記マイクロ波の反射波を前記アンテナ部で検出し、前記転炉の内部に向けて照射される前記マイクロ波と、前記アンテナ部が検出した前記マイクロ波の反射波と、に基づいて、前記スラグ面のレベルを算出し、前記スラグ面の計測位置を決定する際に、前記走査に用いる前記マイクロ波の周波数を、前記アンテナ部から前記転炉の炉口までの距離に対応する周波数以上、前記アンテナ部から前記転炉の炉底までの距離に対応する周波数以下に制限する、レベル計測方法が提供される。

前記レベル計測方法は、前記転炉の内部において吹錬に伴い発生する音を計測するサウンドレベル計測ユニットにより、前記転炉の内部において発生する音を計測し、前記サウンドレベル計測ユニットによる前記音の計測結果に基づいて、前記スラグ面のレベル計測に先立って前記マイクロ波を走査させる時期を決定し、決定された走査時期に前記マイクロ波を水平面内に所定の走査間隔で走査させることが好ましい。

以上説明したように本発明によれば、転炉設備の経時変化によらず、より精度よくスラグの表面レベルをリアルタイムに計測することが可能となる。

本発明の実施形態に係るレベル計の構成の一例を模式的に示した説明図である。同実施形態に係るレベル計の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。マイクロ波を利用したレベル計の原理を説明するための説明図である。同実施形態に係るマイクロ波照射ユニットの設置方法を説明するための説明図である。マイクロ波照射領域の大きさについて説明するための説明図である。同実施形態に係るアンテナ駆動機構を説明するための説明図である。同実施形態に係る演算処理ユニットの構成の一例を示したブロック図である。同実施形態に係るレベル計における走査時期決定処理を説明するための説明図である。同実施形態に係るレベル計における計測位置決定処理を説明するための説明図である。同実施形態に係るレベル計における計測位置決定処理を説明するための説明図である。同実施形態に係るレベル計における計測位置決定処理を説明するための説明図である。同実施形態に係るレベル計における計測位置決定処理を説明するための説明図である。同実施形態に係る演算処理ユニットにおける演算処理を説明するための説明図である。同実施形態に係る演算処理ユニットで生成されるトレンドチャートの一例を模式的に示した説明図である。同実施形態に係るレベル計測方法の流れの一例を示した流れ図である。同実施形態に係る演算処理ユニットのハードウェア構成の一例を示したブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（レベル計の構成について）
まず、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、本発明の実施形態に係るレベル計の構成について説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係るレベル計の構成の一例を模式的に示した説明図である。

本実施形態に係るレベル計１０は、転炉に存在する溶融物（溶銑や溶鋼やスラグ）のうちスラグを計測対象物Ｓとし、かかるスラグの表面（スラグ面ともいう。）の位置を、マイクロ波により計測する装置である。ここで、スラグ面の位置を、スラグ面のレベル（：図１における離隔距離ｗ、以下、「スラグレベル」又は「スラグの表面レベル」ともいう。）と呼ぶ。このレベル計１０は、図１Ａに示したように、マイクロ波照射ユニット１００と、アンテナ駆動機構１５０と、演算処理ユニット２００と、を備える。また、本実施形態に係るレベル計１０は、図１Ｂに示したように、マイクロ波照射ユニット１００、アンテナ駆動機構１５０、及び、演算処理ユニット２００に加えて、サウンドレベル計測ユニット１３０を更に備えることが好ましい。

マイクロ波照射ユニット１００は、計測対象物Ｓに対してマイクロ波を照射するとともに、計測対象物Ｓからのマイクロ波の反射波を検出するユニットである。このマイクロ波照射ユニット１００の詳細な構成については、以下で詳述する。

サウンドレベル計測ユニット１３０は、計測対象物Ｓで発生している音（より詳細には、転炉に存在する溶融物へ噴射される酸素ガスに起因するジェット音）のサウンドレベル（例えば、音圧など）を計測するユニットである。本実施形態に係るレベル計１０は、このようなサウンドレベル計測ユニット１３０を更に備えることで、以下で詳述するマイクロ波の照射方向の走査時期を、より正確に特定することが可能となる。このサウンドレベル計測ユニット１３０は、特に限定されるものではなく、公知のサウンドレベル計を利用することが可能である。サウンドレベル計測ユニット１３０で計測された、計測対象物Ｓで発生している音のサウンドレベルに関する情報は、随時、演算処理ユニット２００に対して出力される。

このサウンドレベル計測ユニット１３０の配設位置については、特に限定されるものではなく、計測対象物で発生している音を集音可能な位置であれば、任意の位置に設置することが可能である。

アンテナ駆動機構１５０は、マイクロ波照射ユニット１００が有するアンテナの配設角度を少なくとも調整する駆動機構である。かかるアンテナ駆動機構１５０が動作することで、マイクロ波照射ユニット１００におけるアンテナの配設角度が変化し、所望の方向へマイクロ波を照射することが可能となる。かかるアンテナ駆動機構１５０は、例えば、アクチュエータや、サーボモータや、ステッピングモータ等といった公知の駆動機構を利用することが可能である。

また、アンテナ駆動機構１５０は、マイクロ波照射ユニット１００が有するアンテナの配設角度以外にも、アンテナの配置状態を変化させるために、様々な設置条件を調整することが可能である。

なお、アンテナ駆動機構１５０の配設位置については、特に限定されるものではなく、マイクロ波照射ユニット１００が有するアンテナに対して作用を及ぼすことが可能な位置であれば、任意の位置に設置することが可能である。

演算処理ユニット２００は、マイクロ波照射ユニット１００により検出されたマイクロ波に関する信号データを利用して、計測対象物Ｓであるスラグの表面レベルを算出するユニットである。この演算処理ユニット２００の詳細についても、以下で詳述する。

＜マイクロ波照射ユニットの構成について＞
続いて、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、本実施形態に係るマイクロ波照射ユニット１００の構成を詳細に説明する。

本実施形態に係るマイクロ波照射ユニット１００は、例えば、周波数変調連続波（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄ−ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ：ＦＭ−ＣＷ）方式を採用したユニットとして実現される。このマイクロ波照射ユニット１００は、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、マイクロ波射出部の一例である周波数掃引器１０１及び発振器１０３と、方向性結合器１０５と、アンテナ部として機能するアンテナ１０７と、ミキサ１０９と、検出部として機能する検出器１１１と、を備える。

周波数掃引器１０１は、後述する発振器１０３から発振されるマイクロ波の周波数を制御して、連続的かつ直線的に周波数を変化させる機器である。周波数変調の幅と、変調の周期については、事前に調整を行い、マイクロ波が所望の精度で射出・検出できるように設定しておけばよい。また、用いる周波数掃引器１０１についても特に限定されるものではなく、公知のものを利用すればよい。

発振器１０３は、周波数掃引器１０１による制御のもとで、周波数掃引器１０１により指定された周波数のマイクロ波を発振する機器である。かかる発振器１０３により発振される周波数（中心周波数）については、以下で詳述する。また、発振されるマイクロ波の強度については、特に限定されるものではないが、計測対象物までの大まかな離隔距離の大きさに応じて、適切な強度を選択すればよい。発振器１０３から発振された周波数を掃引して射出するマイクロ波は、後述する方向性結合器１０５に出力されるとともに、一部が後述するミキサ１０９に出力される。なお、用いる発振器１０３については、公知のものを利用可能であるが、スラグレベルのリアルタイム計測を実現するためには、周波数掃引器１０１による周波数掃引に容易に追随できる程の応答速度を有する機器を用いることが好ましい。

方向性結合器１０５は、発振器１０３から発振されたマイクロ波を後述するアンテナ１０７へと導波するとともに、アンテナ１０７が受信したマイクロ波（すなわち、計測対象物Ｓからの反射マイクロ波）を、後述するミキサ１０９へと導波する機器である。方向性結合器１０５についても、特に限定されるものではなく、公知のものを利用することが可能である。

アンテナ１０７は、マイクロ波の送受信器として機能するものであり、発振器１０３から射出されるマイクロ波を計測対象物Ｓに向けて照射するとともに、計測対象物Ｓからの反射波を受信する。本実施形態に係るマイクロ波照射ユニット１００では、アンテナ１０７は、後述するように、転炉の炉口の上方に存在する開口部に設置される。従って、アンテナ１０７の大きさは、かかる開口部に適合可能なような大きさとすることが好ましい。アンテナ１０７の形状については特に限定されるものではないが、例えば、カセグレン型やホーン型のアンテナを利用することが好ましい。また、アンテナ１０７から放射されたマイクロ波の指向性を向上させるために、テフロン（登録商標）等の誘電体でできたレンズをアンテナ１０７の先端等に取り付けてもよい。

また、かかるアンテナ１０７は、アンテナ駆動機構１５０によって開口部への配設角度が制御されており、任意の方向にマイクロ波を照射し、計測対象物Ｓの様々な部位からの反射波を受信することが可能となる。

ミキサ１０９は、発振器１０３から射出されるマイクロ波（すなわち、送信波）と、方向性結合器１０５から導波された、計測対象物Ｓからの反射マイクロ波（すなわち、受信波）と、を混合して、後段の検出器１１１へと出力する。

検出器１１１は、ミキサ１０９によって送信波と受信波とが混合されることで生成した信号と、周波数変調との同期信号を検出する機器である。検出器１１１によるこのような検出処理により、アンテナ１０７が受信した反射マイクロ波が検出されることとなる。この検出器１１１によって検出された検出信号が、演算処理ユニット２００へと出力される。かかる検出器１１１については、計測対象物Ｓからの反射波の大きさ等を事前に検証しておき、所望の精度・応答速度で信号を検出可能なものを利用することが好ましい。

［マイクロ波距離計の原理］
このような構成を有するマイクロ波照射ユニット１００は、いわゆるマイクロ波距離計として機能するものであるが、以下では、図２を参照しながら、ＦＭ−ＣＷ方式のマイクロ波距離計の原理を簡単に説明する。

いま、図２の最上段に示したように、周波数掃引器１０１によって制御される発振器１０３の周波数変調の幅がＦ［Ｈｚ］に設定され、変調の周期がＴ［秒］に設定されたものとする。図２の最上段に示したように、送信波の周波数は、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Ｓにより反射されてアンテナ１０７で受信された受信波は、計測対象物Ｓまでの離隔距離ｗ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ｗに対応した周波数の差Δｆ［Ｈｚ］が生じる。このような送信波及び受信波がミキサ１０９によって混合されると、Δｆに相当する周波数成分を有する差周波信号（ビート波）となる。

いま、送信波と受信波との時間的遅れΔｔは、マイクロ波が、アンテナ１０７と計測対象物Ｓとの間を往復するために要する時間に相当する。また、マイクロ波の伝播速度は光速ｃであるため、時間的遅れΔｔは、以下の式１０１で表すことができる。一方、ビート波の周波数Δｆと時間的遅れΔｔとの間には、以下の式１０２で表される関係が成立する。従って、式１０１と式１０２とを用いることで、離隔距離ｗは、以下の式１０３により算出することができることがわかる。式１０３から明らかなように、離隔距離ｗを算出するという処理は、図２に示したビート波の周波数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１０９により生成されるビート波が図２に示したような正弦波となる場合はまれであり、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波の周波数を求める場合には、後述する演算処理ユニット２００によってデジタル信号処理を行うこととなる。

具体的には、複数の周波数成分からなるビート波をフーリエ変換して、横軸を周波数[Ｈｚ]としたスペクトルを生成した上で、更に上記式１０３によって横軸を距離［ｍ］に変換し、縦軸を強度とした、図２下段に示したような波形（以下では、「距離波形」ともいう。）を生成する。この距離波形において、メインピークを与える横軸の位置が、求めたい離隔距離ｗとなる。

［アンテナ１０７の設置方法について］
さて、以上のような原理に基づくマイクロ波照射ユニット１００の計測対象物Ｓへの設置方法（より詳細には、アンテナ１０７の設置方法）について、図３を参照しながら詳細に説明する。図３は、本実施形態に係るマイクロ波照射ユニットの設置方法について説明するための説明図である。

本実施形態に係るレベル計１０の計測対象物Ｓは、図３左側の図に示したように、製鋼プロセスで用いられる転炉の内部に存在するスラグ表面である。転炉製鋼プロセスでは、図３に示したような転炉の内部に溶銑を装入し、かかる溶銑に対してメインランスから酸素を吹き込むことによって、溶銑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。

また、転炉で行われる処理では、蒸気やダストなどが発生するため、発生するダスト等を外部環境に出さないためのフードが、転炉の炉口付近に設けられている。このフードには、メインランスを転炉内に挿入するための開口部や、サブランスを転炉内に挿入するための開口部（すなわち、サブランス孔）が設けられている。

本実施形態に係るマイクロ波照射ユニット１００のアンテナ１０７は、図３右側の図に示したように、転炉の炉口側に位置するサブランス孔のような開口部に設置される。また、先だって説明したように、アンテナ１０７の近傍には、アンテナ駆動機構１５０が配設されており、アンテナ駆動機構１５０が稼働することでアンテナ１０７の配設角度を変更できるようになっている。

また、転炉の内部において吹錬に伴い発生する音を計測可能な位置には、サウンドレベル計測ユニット１３０（より詳細には、サウンドレベル計測ユニット１３０が有するマイクロフォン等の集音機器など（図示せず。））が設けられることが好ましい。

本実施形態に係るマイクロ波照射ユニット１００では、転炉内に新たに溶鋼が装入され精錬処理が開始され、以下で詳述するような所定の条件が成立した状態で、転炉の内部に向けて所定の周波数のマイクロ波が照射され、マイクロ波照射ユニット１００のアンテナ１０７の配設角度がアンテナ駆動機構１５０により制御され、最適な条件でスラグの表面レベルの計測が可能な位置を走査する。そのような位置が特定されると、マイクロ波照射ユニット１００から特定された位置に向けてマイクロ波が照射され、スラグの表面レベルのリアルタイム計測が開始される。

なお、本実施形態において、アンテナ１０７の設置箇所は、サブランス孔に限定されるわけではなく、転炉の内部（スラグ表面）を臨むことが可能なフードの位置に新たに専用の開口部を設け、かかる新たな開口部にアンテナ１０７を設置してもよい。

次に、図４を参照しながら、アンテナ１０７の特性について、簡単に説明する。図４は、マイクロ波の照射領域の大きさについて説明するための説明図である。

図４に模式的に示したように、アンテナ１０７から照射されるマイクロ波は、アンテナ１０７の特性の一つである拡散角θ_０で規定される範囲に拡散しながら、計測対象物Ｓに対して照射される。ここで、アンテナ１０７の直径（アンテナ径）をＤ_０とし、一般的な転炉において、スラグ表面までの一般的な距離である８〜２２ｍを離隔距離ｗとした場合に、最大の離隔距離であるｗ＝２２ｍの位置でのマイクロ波の照射領域の大きさ（照射領域の径）φの大きさがどのように変化するかを考える。

アンテナから照射されるマイクロ波の最小拡散角は、アンテナの径Ｄ_０とマイクロ波の周波数とで規定される。ここで、本実施形態に係るアンテナ１０７は、開口部という大きさの限られた場所に設置されているため、アンテナ径Ｄ_０は制限されることとなる。例えば、ダスト等が外部に漏出することを防止するためにフードに大きな開口を設けることができないという制約上、開口部の大きさは、せいぜい３００〜４００ｍｍ程度に制限される。従って、アンテナ１０７の径Ｄ_０も、開口部の大きさが３００ｍｍの場合は例えば２５０〜２７５ｍｍ程度となる。

この場合に、照射されるマイクロ波の周波数が１０ＧＨｚであり、アンテナ径Ｄ_０が２５０ｍｍであった場合、最大の離隔距離であるｗ＝２２ｍの位置での照射領域の径φは、３ｍ程度の大きさとなる。照射領域の径φは、用いるマイクロ波の周波数を大きくするほど小さな値となり、２４ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合で１．５ｍ程度となり、３９ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合で０．９ｍとなり、４８ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合で０．７ｍとなり、９４ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合で０．３ｍとなる。

ここで、照射領域の径φが大きくなりすぎると、アンテナ１０７から照射されるマイクロ波の強度も分散することとなり、十分な反射波の強度が得られないこととなる。また、マイクロ波が広く拡散する（換言すれば、拡散角θ_０が大きい）場合には、アンテナ１０７から７ｍ程度に位置する炉口やフードなどからの反射波がノイズ成分となって計測感度を著しく低下させる上、ノイズ成分の増加に伴って転炉内に侵入するマイクロ波の強度も低下してしまう。また、転炉の使用回数が増加すると、炉口に地金やスラグ等が付着して炉口の径が狭くなり、拡散角θ_０が大きい場合には、マイクロ波の一部が炉口で遮蔽されてしまうということも生じうる。以上のような理由から、照射領域に供給されるマイクロ波の強度を好ましい範囲に維持するためには、照射領域の径φ大きさを１．５ｍより小さくできる、２４ＧＨｚ以上の周波数を用いることが好ましい。

以上、図３及び図４を参照しながら、マイクロ波照射ユニット１００におけるアンテナ１０７の設置方法について、詳細に説明した。

なお、転炉製鋼プロセスにおいて、吹錬前は底吹きのみの状態であることから、計測対象物であるスラグ表面は比較的穏やかであるが、吹錬が開始されるとメインランスから大量の酸素が噴射されるため、表面は激しく変動する上、スラグの酸化反応によって激しく気泡が発生する状態（フォーミング状態）となる。かかる状態では、スラグ表面からのマイクロ波の反射率が小さくなり、吹錬前の溶銑レベル計測に比べて高い測定感度が求められることとなる。従って、吹錬中であってもより精度よくスラグ表面の位置の計測を行うために、マイクロ波照射ユニット１００全体として、電力比が４０ｄＢ以上であることが好ましい。

また、吹錬中のスラグ表面は、上述のように激しく上下動を繰り返しており、０．５秒で±１ｍ程度変動する場合もある。そのため、平均的な表面レベルを計測するためには、時定数を短くして瞬時値を計測してから、得られた計測結果を平均化することが重要である。この際、精度５０ｍｍ以下でスラグ表面のレベルを計測するためには、３０ミリ秒程度以下の応答速度を有することが好ましい。これ以上の計測時間では、表面の変動分が検出信号のピーク強度の低下及び幅の増大につながり、感度を低下させる可能性がある。なお、上記応答速度の下限は特に限定するものではなく、応答速度が早ければ早いほど、実際のスラグの表面レベルの変化に追随した計測結果を得ることが可能となる。

以上、図１Ａ〜図４を参照しながら、本実施形態に係るレベル計１０が備えるマイクロ波照射ユニット１００の構成について、詳細に説明した。

＜アンテナ駆動機構によるアンテナ配設角度の制御について＞
続いて、図５を参照しながら、アンテナ駆動機構１５０によるアンテナ１０７の配設角度の制御について、簡単に説明する。図５は、本実施形態に係るアンテナ駆動機構を説明するための説明図である。

本実施形態に係るアンテナ駆動機構１５０は、先だって説明したように、アクチュエータや、サーボモータや、ステッピングモータ等といった公知の駆動機構を利用して、構成されている。アンテナ駆動機構１５０は、後述する演算処理ユニット２００の制御のもと、これら公知の駆動機構が駆動することでアンテナ１０７の配設方向を調整し、アンテナ１０７から照射されるマイクロ波の照射方向を変化させる機構である。

かかるアンテナ駆動機構１５０は、図５に模式的に示したように、アンテナ１０７を、アンテナ支点を中心として、水平面内で直交する直交２軸方向（図５では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に回転させることで、マイクロ波の照射方向（ひいては、マイクロ波の照射位置）が水平面内で走査可能なように構成されている。

ここで、本実施形態に係るアンテナ駆動機構１５０において、直交２軸を駆動方向として採用しているのは、以下の理由による。すなわち、転炉自体は高さ方向に対して対称ではなく、また、アンテナ１０７自体も転炉の中心軸上には位置しないため、直交２軸を駆動方向とした方が、マイクロ波の照射方向をより簡便に制御可能だからである。

ここで、各軸におけるアンテナ１０７の回転角の大きさについては、特に限定されるものではなく、アンテナ１０７が設けられる開口部の開口径や、転炉の大きさ等に応じて適宜決定されればよい。各軸におけるアンテナ１０７の回転角の大きさは、マイクロ波の照射方向が鉛直方向となる場合のアンテナ１０７の向きを基準として、例えば、各軸において±１０度程度とすることができる。

以上、図５を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ駆動機構１５０によるアンテナ１０７の配設角度の制御について、簡単に説明した。

＜演算処理ユニットの構成について＞
続いて、図６〜１２を参照しながら、本実施形態に係る演算処理ユニット２００の構成を詳細に説明する。
図６は、本実施形態に係る演算処理ユニットの構成の一例を示したブロック図であり、図７は、本実施形態に係るレベル計における走査時期決定処理を説明するための説明図である。図８Ａ〜図１０は、本実施形態に係るレベル計における計測位置決定処理を説明するための説明図である。図１１は、本実施形態に係る演算処理ユニットにおける演算処理を説明するための説明図であり、図１２は、本実施形態に係る演算処理ユニットで生成されるトレンドチャートの一例を模式的に示した説明図である。

本実施形態に係るレベル計１０が備える演算処理ユニット２００は、マイクロ波照射ユニット１００を制御するとともに、マイクロ波照射ユニット１００の発振器１０３から射出されるマイクロ波と、検出部１１１にて検出された反射マイクロ波とに基づいて、スラグのレベルを算出する処理ユニットである。より詳細には、演算処理ユニット２００は、マイクロ波照射ユニット１００によって検出されたビート波の検出信号に対してデジタル信号処理を施し、スラグ表面の位置を算出するユニットである。

この演算処理ユニット２００は、マイクロ波照射ユニット１００に設けられた演算処理用のチップとして実装されていてもよく、マイクロ波照射ユニット１００の外部に設けられ、マイクロ波照射ユニット１００からデータの取得が可能な、各種コンピュータやサーバ等の情報処理装置として実現されていてもよい。

この演算処理ユニット２００は、図６に示したように、走査時期決定部２０１と、制御部の一例である計測制御部２０３と、演算処理部２０５と、表示制御部２０７と、記憶部２０９と、を主に備える。

走査時期決定部２０１は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。走査時期決定部２０１は、必要に応じて後述する演算処理部２０５と互いに連携しつつ、スラグ面のレベル計測に先立ってマイクロ波の照射方向を走査する時期（以下、単に「走査時期」ともいう。）を決定する。この際、本実施形態に係るレベル計１０がサウンドレベル計測ユニット１３０を有している場合には、走査時期決定部２０１は、サウンドレベル計測ユニット１３０による転炉内部で発生する音（ジェット音）の計測結果に基づいて、走査時期を決定することが好ましい。以下、走査時期決定部２０１による走査時期の決定処理について、図７を参照しながら、簡単に説明する。

本発明者は、マイクロ波を用いた転炉内のスラグ面の計測技術について鋭意検討したところ、スラグ表面まで到達するマイクロ波のパワーは、転炉内に存在する大量の粉じん等のために僅かであることから、スラグ表面で反射したマイクロ波を効率良くアンテナ１０７で受信することが重要であると知見した。そのため、マイクロ波によるスラグ表面の計測に適したタイミング（時期）が存在するのかを新たに検討したところ、転炉内に存在するスラグにフォーミングが生じた以降に計測を行うことで、酸素ガスに起因するキャビティの影響を抑制しつつ、好適にマイクロ波による計測が可能である、との知見を得るに至った。また、先だって説明したように、転炉設備の状態は経時的に変化していくため、転炉内に新たに溶鋼が装入され精錬処理される毎にマイクロ波の照射方向を走査して、マイクロ波の反射波が最も強く検出される位置を特定することで、転炉設備の経時変化にも対応可能であるとの知見を得た。

本発明者は、上記のような知見に基づき、後述するような走査時期決定部２０１によるマイクロ波を用いた走査時期の特定処理と、計測制御部２０３による計測位置の決定処理と、を実施することに想到した。

上記のようなフォーミングは、転炉内に装入された溶鋼に対して酸素ガスの吹き込みを開始してから、所定時間が経過した後に発生する。そのため、走査時期決定部２０１は、溶鋼に対して処理を開始してから所定時間が経過した場合（例えば、酸素ガスの吹き込みを開始してから、数分が経過した後）に、フォーミングが生じたと判断し、走査時期が到来したと決定することができる。このような処理を実施することで、走査時期決定部２０１は、レベル計１０にサウンドレベル計測ユニット１３０が設けられていない場合であっても、走査時期を簡便に決定することが可能となる。なお、処理を開始してからの経過時間については、事前に過去の操業データ等を解析するなどして、適切な値に設定することが好ましい。

また、レベル計１０にサウンドレベル計測ユニット１３０が設けられている場合、スラグにフォーミングが生じているか否かについては、転炉の近傍に設けられたサウンドレベル計測ユニット１３０からの出力に着目することで、判定することが可能である。すなわち、フォーミングが発生していない場合には、図７左図に模式的に示したように、サウンドレベル計測ユニット１３０により計測される酸素ジェット音のサウンドレベル（例えば、音圧）は、高い値を示すと考えられる。一方で、フォーミングが発生すると、メインランスの周囲の空間は膨張したスラグで覆われていくため、図７右図に模式的に示したように、サウンドレベル計測ユニット１３０により計測される酸素ジェット音のサウンドレベルは、徐々に減少していき、小さい値を示すようになると考えられる。

そこで、走査時期決定部２０１は、サウンドレベル計測ユニット１３０から出力される、転炉内で発生している音のサウンドレベル（例えば、音圧）に関する情報に着目することで、転炉内でフォーミングが発生しているか否かを判断することが可能となる。

この際、スラグが突発的に膨張したりスラグの表面が揺動したりして、一時的にサウンドレベル計測ユニット１３０の計測値が小さく観測される場合もあると考えられる。そこで、本実施形態に係る走査時期決定部２０１は、サウンドレベル計測ユニット１３０による音圧の測定結果が所定時間以上低下したときを、走査時期と決定することが好ましい。より好ましくは、走査時期決定部２０１は、サウンドレベル計測ユニット１３０による音圧の測定結果が、転炉の内部に保持されている溶鉄の揺動周期以上の時間低下したときを、走査時期と決定する。

ここで、溶鉄の揺動周期（スロッシング周期）Ｔ_ｎは、以下の式１１１で表わされるＨｏｕｓｎｅｒ（ハウスナー）の式から算出される揺動の固有振動数ｆ_ｎを利用して、以下の式１１３により算出することが可能である。ここで、以下の式１１１及び式１１３において、ｎは、固有振動数の次数であり、ｇは、重力加速度であり、Ｌは、転炉の幅であり、Ｈは、転炉内における溶鉄の深さである。なお、走査時期を決定する際に着目する揺動周期は、次数ｎ＝１として算出すればよい。

音圧が連続的に低下している期間が、上記式１１１及び式１１３から算出される揺動周期よりも短い場合には、着目している音圧の低下は、スラグのフォーミングに起因するのではなく、突発的なスラグの膨張やスラグ表面の揺動に起因すると判断することができる。逆に、音圧が連続的に低下している期間が、上記式１１１及び式１１３から算出される揺動周期以上である場合には、揺動周期以上の長さにわたってメインランスの先端部がスラグによって覆われていることを意味するわけであるから、スラグのフォーミングが発生していると判断することができる。

走査時期決定部２０１は、以上のようにしてサウンドレベル計測ユニット１３０からの出力を利用することで、走査時期をより正確に決定することが可能となる。

走査時期決定部２０１は、以上のようにして走査時期が到来した旨を判断すると、かかる判断結果を示す情報を、後述する計測制御部２０３に出力する。

なお、転炉内部の空間の深さや、転炉内に挿入されるメインランスの長さは、転炉操業における操業パラメータとして、予め設定されている値である。これらの値を利用することで、転炉内に挿入されたメインランスの先端部から転炉の底部までの大まかな距離は、事前に特定することが可能である。そこで、走査時期決定部２０１は、後述する演算処理部２０５と互いに連携しながら、以下のようにして走査時期が到来したか否かの判断を行うことも可能である。

すなわち、走査時期決定部２０１は、サウンドレベル計測ユニット１３０から出力される音圧が低下した場合に、演算処理部２０５と連携して、演算処理部２０５に音圧が低下した時点におけるスラグ表面の転炉底部からの高さを算出させる。その上で、算出されたスラグ表面の転炉底部からの高さと、操業パラメータから事前に特定された、メインランスの先端部から転炉の底部までの大まかな距離と、の差分が所定の閾値以下であれば、フォーミングが発生していると判断することが可能である。また、かかる判断方法を、上記のような揺動周期に基づく判断結果の検証に利用することも可能である。

以上、本実施形態に係る走査時期決定部２０１について、詳細に説明した。

再び図６に戻って、計測制御部２０３について説明する。
計測制御部２０３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。計測制御部２０３は、本実施形態に係るマイクロ波照射ユニット１００による計測対象物Ｓの計測処理、及び、アンテナ駆動機構１５０によるアンテナ１０７の調整処理を、それぞれ統括して制御する。

より詳細には、計測制御部２０３は、マイクロ波照射ユニット１００によって計測対象物Ｓのレベル位置の計測を開始する場合に、マイクロ波照射ユニット１００の動作を開始させるための制御信号を出力する。

また、計測制御部２０３は、スラグ表面のリアルタイム計測に先立ち、マイクロ波照射ユニット１００のアンテナ１０７の配設角度を調整するために、アンテナ１０７の近傍に設けられたアンテナ駆動機構１５０に対して、配設角度を変化させるための制御信号を出力する。以下では、計測制御部２０３による計測位置の決定処理について、図８Ａ〜図１０を参照しながら、詳細に説明する。

先ほどから言及しているように、転炉設備は、経時変化により、転炉内の耐火物が損耗したり、上吹きランス（メインランス）に設けられたノズルが溶損したりするため、溶鋼が転炉内に装入され精錬処理される毎に、最適なアンテナの配設角度を定めることが好ましい。そのため、計測制御部２０３は、走査時期決定部２０１からマイクロ波を用いた計測に適した時期が到来した旨が通知されると、マイクロ波照射ユニット１００及びアンテナ駆動機構１５０を制御して、マイクロ波の最適な照射位置を決定するための走査処理を実施する。

マイクロ波の最適な照射位置は、アンテナ駆動機構１５０によりアンテナ１０７の傾斜角度を変化させながら、水平面内をくまなく走査することで、特定することが可能である。ここで、マイクロ波を利用した計測に最適な照射位置とは、その周囲と比較して、スラグ表面からのマイクロ波の反射波の検出強度が高くなっている位置である。そこで、計測制御部２０３は、走査時期決定部２０１により決定された走査時期に、アンテナ駆動機構１５０により水平面内を所定の走査間隔で走査させ、各走査点におけるマイクロ波の反射波の測定結果を利用して、スラグ面の計測位置を決定する。

この際、着目するチャージと、前チャージとでは、転炉やメインランスの状態が著しく変化することは少ないと考えられる。そのため、着目するチャージにおける最適な計測位置（換言すれば、最適なアンテナ１０７の配設角度）は、前チャージにおける計測位置の近傍にある可能性が高いと考えられる。そこで、計測制御部２０３は、前チャージにおける計測終了時のアンテナ１０７の位置を中心に、着目するチャージにおける最適な測定位置の走査を行う。

このような走査処理は、図８Ａ及び図８Ｂに模式的に示したように、前チャージにおける計測位置を中心として、所定の走査範囲を設定した上で、かかる走査範囲内の各走査点を、図５に示したような水平面内で直交する直交２軸のそれぞれの方向で走査させ、マイクロ波の射出波とマイクロ波の反射波との合成波（すなわち、ビート波）のパワースペクトルに注目することで行われる。

ここで、以上のような走査処理における走査範囲の広さは、特に限定されるものではなく、転炉操業から許容される走査時間や、演算処理ユニット２００の装置的なリソース（マシンスペック等）に応じて、適宜決定すればよい。

また、各走査点をどのような順序で巡って、パワースペクトルを測定していくかについては、特に限定されるものではなく、例えば図８Ａに示したように、走査範囲の端から順に走査していっても良いし、例えば図８Ｂに示したように、前チャージにおける計測位置をスタート位置として、らせん状に走査していっても良い。

各走査点において、計測制御部２０３は、マイクロ波照射ユニット１００に対して、ＦＭ−ＣＷ方式における掃引周波数１周期分の測定を実施させ、後述する演算処理部２０５により、得られた測定結果を利用した高速フーリエ変換処理によるパワースペクトルの算出処理を実施させる。かかるパワースペクトルの算出処理については、以下で改めて詳述する。その上で、計測制御部２０３は、各走査点について、図９に模式的に示したように、（１）ビート波のパワースペクトルのピーク強度と、（２）ビート波のパワースペクトルのスペクトル面積と、の少なくとも何れか一方を特定していく。その後、計測制御部２０３は、各走査点のうち、（１）ピーク強度が最大となる走査点の位置、又は、（２）スペクトル面積が最大となる走査点の位置、を、着目しているチャージにおける、最適な計測位置（最適なアンテナ１０７の配設角度でもある。）として決定する。

計測制御部２０３は、パワースペクトルのピーク強度やスペクトル面積を考慮する際に、ノイズの影響による誤差の発生を抑制するために、図９に示したように、処理に用いる周波数帯域を、周波数ｆ_Ｌ以上ｆ_Ｈ以下の範囲に制限することが好ましい。このような周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈの具体的な値は、特に限定するものではないが、例えば、周波数ｆ_Ｌとして、アンテナ１０７から転炉の炉口までの距離に対応する周波数を選択し、周波数ｆ_Ｈとして、アンテナ１０７から転炉の炉底までの距離に対応する周波数を選択してもよい。このような処理に利用する周波数の選択処理は、所定のバンドパスフィルタを用いたフィルタ処理により実現することが可能である。これにより、排ガス系統に吸引されるダストや転炉内に投入される副原料による反射成分の影響を極力抑え、より精度の良い位置決めを実現することが可能となる。

なお、以上のような周波数の選択処理は、最適な計測位置を決定する際の処理だけでなく、最適な計測位置が決定した後におけるスラグ表面のレベルのリアルタイム計測処理においても、実施することが好ましい。

以上のような走査処理において、走査範囲内を漏れなく走査するためには、図８Ａ及び図８Ｂに示したような走査点間の距離（すなわち、走査間隔Ｐ）を適切な値に設定することが好ましい。より詳細には、図１０に模式的に示したように、前走査点でのマイクロ波の照射領域と、現走査点でのマイクロ波の照射領域と、の間で重複部分が存在するように、走査間隔Ｐを定めることが好ましい。そのためには、走査間隔Ｐを、考えられる最小のスポット半径、すなわち、転炉炉口までスラグ面が到達している状態でのスポット半径よりも小さくすることが重要となる。

いま、アンテナ１０７のアンテナ径をＤ_０とし、アンテナ１０７の先端から転炉の炉口までの垂直距離をＨ_０とし、アンテナ部によるマイクロ波の拡散角をθ_０としたときに、転炉炉口までスラグ面が到達している状態でのスポット半径φ_０は、アンテナ１０７と転炉の炉口との間の幾何学的な位置関係から、以下の式１１５で算出することができる。従って、例えば図５に示したように、アンテナ１０７の配設角度が、角度によって規定されており、アンテナ駆動機構１５０によって制御される走査間隔Ｐが走査角度間隔として表わされる場合、かかる走査角度間隔Ｐは、以下の式１１７で算出される値以下の値となるように設定されればよい。

なお、走査間隔Ｐは、小さければ小さいほど好ましいが、小さくすればするほど走査点の数が増加することとなり、走査に時間を要するようになる。そのため、操業上許容される時間を考慮に入れて、走査間隔Ｐを決定することが好ましい。

以下では、更に具体的な例を挙げながら、計測制御部２０３による計測位置の決定処理について、詳細に説明する。
いま、図５に示したような水平２軸を便宜上Ｘ，Ｙとし、前チャージ測定終了時点でのアンテナの配設角度が（Ｘ，Ｙ）＝（３．５°，−１．５°）で表わされる角度であったとする。また、計測制御部２０３により、図８Ａ及び図８Ｂに示したような走査範囲が±１°に設定され、走査間隔Ｐが０．２°に設定されていたものとする。更に、アンテナ１０７によるマイクロ波の拡散角θ_０は１°であり、アンテナ１０７のアンテナ径Ｄ_０は２８０ｍｍであり、アンテナから炉口までの距離Ｈ_０は１０ｍであったとする。

このとき、許容される走査間隔Ｐの上限値は、上記式１１７から、１．８°となるため、上記のような０．２°であれば、十分許容内にあると言える。なお、０．１°単位での精密な動作を保証するためには、アンテナ駆動機構１５０は、サーボモータ又はステッピングモータを用いて構成されることが好ましい。

以上のような場合、計測制御部２０３は、（Ｘ，Ｙ）＝（４．５°，−０．５°）、（４．３°，−０．５°）、（４．１°，−０．５°）、・・・、（２．５°，−０．５°）、（２．５°，−０．７°）、（２．７°，−０．７°）、（２．９°，−０．７°）、・・・、（４．５°，−０．７°）、・・・、というように、（３．５°，−１．５°）を中心に合計１００点の走査点について、処理を実施することができる。

この際、計測制御部２０３は、各走査点について、ＦＭ−ＣＷの掃引周波数１周期分の測定を行い、演算処理部２０５によりパワースペクトル分布を算出させる。

その後、計測制御部２０３は、算出された各走査点でのパワースペクトル分布について、ピーク強度又はスペクトル面積の少なくとも何れか一方を算出する。その上で、計測制御部２０３は、計１００点のピーク強度又はスペクトル面積を比較し、最も大きい値が算出された点を特定する。例えば、（３．３°，−１．９°）に対応する走査点で、最大のピーク強度又はスペクトル面積が与えられるとすると、計測制御部２０３は、上記比較処理終了の後、アンテナ１０７の配設角度を（３．３°，−１．９°）に設定して、その後の測定を実施する。

計測制御部２０３は、以上のようにして、スラグ表面のレベルをリアルタイム計測するために最適な計測位置を決定すると、以降は、アンテナ１０７の傾斜角度を固定して、スラグ表面のレベルのリアルタイム計測処理を開始する。

以上、図８Ａ〜図１０を参照しながら、計測制御部２０３による計測位置の決定処理について、詳細に説明した。

再び図６に戻って、本実施形態に係る演算処理ユニット２００が備える演算処理部２０５について、詳細に説明する。

演算処理部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。演算処理部２０５は、マイクロ波照射ユニット１００から出力されたビート波の検出信号を利用してデジタル信号処理を行うことにより、転炉内におけるスラグ表面の位置を算出する演算処理を実施する。また、演算処理部２０５は、算出したスラグ表面の位置を、転炉における吹錬処理の経過時間毎に記録したトレンドチャートを生成することも可能である。

演算処理部２０５は、算出したスラグ表面の位置やトレンドチャートといった、マイクロ波照射ユニット１００による計測結果を表す各種の情報を算出すると、得られた結果を表す情報を、表示制御部２０７に出力する。また、演算処理部２０５は、得られた結果を表す情報を、プリンタ等の出力装置を介して、例えば帳票のようなかたちで出力したり、転炉による操業を管理する操業管理コンピュータ等などに、得られた結果を表すデータそのものを出力したりすることも可能である。

かかる演算処理部２０５における演算処理の詳細については、以下で改めて説明する。

表示制御部２０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部２０７は、演算処理部２０５から伝送された、計測対象物Ｓである転炉内のスラグ表面の位置に関する計測結果を、演算処理ユニット２００が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理ユニット２００の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、レベル計１０の利用者は、転炉内のスラグ表面の位置に関する計測結果を、その場で把握することが可能となる。

記憶部２０９は、例えば本実施形態に係る演算処理ユニット２００が備えるＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部２０９には、本実施形態に係る演算処理ユニット２００が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部２０９は、走査時期決定部２０１、計測制御部２０３、演算処理部２０５、表示制御部２０７等が、自由にリード／ライト処理を行うことが可能である。

［演算処理部における演算処理について］
次に、図１１及び図１２を参照しながら、演算処理ユニット２００が備える演算処理部２０５における演算処理について、詳細に説明する。図１１は、本実施形態に係る演算処理ユニットにおける演算処理を説明するための説明図であり、図１２は、本実施形態に係る演算処理ユニットで生成されるトレンドチャートの一例を模式的に示した説明図である。

本実施形態に係る演算処理部２０５では、マイクロ波照射ユニット１００から、図１１の最上段に示したようなビート波の検出結果を示す信号が出力されると、まず、得られた信号をＡ／Ｄ変換して、デジタルデータとする。その上で、演算処理部２０５は、得られたビート波のデジタルデータをフーリエ変換（より詳細には、高速フーリエ変換（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：ＦＦＴ））し、図１１の２段目に示したようなスペクトルを生成する。より詳細には、演算処理部２０５は、高速フーリエ変換によって得られたデジタルデータ（図１１の２段目に示した、横軸がビート周波数であるスペクトル）に対して、マイクロ波照射ユニット１００の設定値に基づいて決定される距離係数（上記式１０３の最右辺において、（ｃＴ／２Ｆ）で表される係数）を乗じ、図１１の３段目に示したような距離波形を生成する。かかるフーリエ変換によって得られるスペクトルの横軸を距離に変換した距離波形は、横軸が、アンテナ１０７とスラグ表面の位置との間の距離に対応し、縦軸が信号強度に対応する。

ここで、マイクロ波照射ユニット１００により検出されるビート波は、スラグの表面変動に由来する多くの凹凸が存在するため、図１１の最上段に示したように、微小なピークの集合体として観測される。従って、演算処理部２０５は、距離方向の所定の長さの移動平均処理を行って、得られた距離波形を空間的に平均化する。これにより、平均化前の距離波形における局所的なピークが平坦化されて、有意なピークが強調されることとなる。図１１に示した例では、図１１の３段目に示したような距離波形が空間的に平均化されて、図１１の最下段に示したような、平均化後の距離波形が算出される。

なお、移動平均処理を実施する距離方向の長さについては、特に限定されるものではなく、過去の操業データ等を解析するなどして適宜設定すればよいが、例えば、３００〜５００ｍｍ程度とすることができる。

その後、演算処理部２０５は、空間的に平均した後の距離波形において、予め設定した閾値以上の強度を有するピークのうち最大強度を与える距離を、スラグ表面までの距離として決定する。ここで、演算処理部２０５は、得られたスラグ表面までの距離を、スラグ表面の表面レベルとしてもよいし、例えば、転炉の炉底からの高さなどのように、他の基準へと変換してもよい。なお、かかる処理に用いられる閾値についても特に限定されるものではなく、過去の操業データ等を解析するなどして適宜設定すればよい。

また、演算処理部２０５は、得られたスラグ表面までの距離を利用し、スラグ表面の位置と転炉における吹錬処理の経過時間とを関連付けた、いわゆるトレンドチャートを生成してもよい。かかるトレンドチャートは、図１２に模式的に示したように、例えば横軸に吹錬処理の経過時間をとり、縦軸に得られたスラグ表面のレベルをとったような、時系列経過を示したグラフ図となる。

この際、計測レベルの表面変動に起因する変動に対応するために、演算処理部２０５は、ピークの経時変化を一定時間幅で時間的に移動平均処理し、大局的なレベルの推移を表すトレンドチャートとすることが可能である。かかる時間的な移動平均処理の大きさについても特に限定されるものではないが、例えば、２００ミリ秒程度に設定することが可能である。

更に、演算処理部２０５は、得られたトレンドチャート等に基づいて、スラグ表面の平均的な高さや、スラグ表面の高さの最大値や、スラグ表面の高さの最小値などといった各種の統計量を算出して、吹錬処理を特徴づける特徴量としてもよい。

以上、図１１及び図１２を参照しながら、演算処理部２０５における演算処理について説明した。

以上、本実施形態に係る演算処理ユニット２００の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

なお、上述のような本実施形態に係る演算処理ユニットの各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。

このように、本実施形態に係るレベル計１０は、転炉内に溶鋼が装入され精錬処理される毎に、マイクロ波を用いたスラグ表面のレベル計測に最適な計測位置を決定し、決定した計測位置において、スラグ表面のレベル計測を実施する。そのため、本実施形態に係るレベル計１０では、転炉設備の経時変化によらず、より精度よくスラグの表面レベルをリアルタイムに計測することが可能となる。その結果、適切なタイミングで鎮静剤を投入し、かつ、投入した鎮静剤の効果を把握することが可能となり、スロッピングを効果的に予防できるようになる。また、本実施形態に係るレベル計１０を用いることで、フォーミング状態を一定高さに制御することができ、歩留まりを向上させることも可能となる。また、本実施形態に係るレベル計１０では、マイクロ波照射ユニット１００は転炉の内部へと挿入されず、転炉の炉口上方に設けられた開口部にアンテナが設置されるものであるため、メンテナンスも極めて容易である。

以上、図１Ａ〜図１２を参照しながら、本実施形態に係るレベル計１０について、詳細に説明した。

（レベル計測方法について）
続いて、図１３を参照しながら、本実施形態に係るレベル計１０で実施されるレベルの計測方法の流れについて、簡単に説明する。図１３は、本実施形態に係るレベル計測方法の流れの一例を示した流れ図である。なお、以下では、本実施形態に係るレベル計１０にサウンドレベル計測ユニット１３０が設けられている場合を例に挙げて、説明を行うこととする。

本実施形態に係るレベル計１０では、転炉内に新たに溶鋼が装入され精錬処理が開始されると、サウンドレベル計測ユニット１３０により、転炉内の音圧等のサウンドレベルが随時計測され（ステップＳ１０１）、その計測結果が、演算処理ユニット２００へと出力される。

演算処理ユニット２００の走査時期決定部２０１は、サウンドレベル計測ユニット１３０から、転炉内で発生する音に関する計測結果を取得すると、所定時間以上音圧が低下しているか否かを判断する（ステップＳ１０３）。所定時間以上音圧が低下していない場合（ステップＳ１０３−ＮＯ）には、レベル計１０は、ステップＳ１０１に戻って処理を継続する。一方、所定時間以上音圧が低下している場合（ステップＳ１０３−ＹＥＳ）には、走査時期決定部２０１は、マイクロ波の照射方向を走査する時期が到来したと判断し、その旨を、演算処理ユニット２００の計測制御部２０３へと出力する。

次に、演算処理ユニット２００の計測制御部２０３は、マイクロ波照射ユニット１００、アンテナ駆動機構１５０及び演算処理ユニット２００の演算処理部２０５と互いに連携しながら、マイクロ波により所定の走査範囲を走査して、先だって説明したような方法により、スラグ面の計測位置（換言すれば、アンテナ１０７の配設角度であり、マイクロ波の照射方向でもある。）を決定する（ステップＳ１０５）。計測位置が決定すると、計測制御部２０３は、マイクロ波照射ユニット１００の設定（より詳細には、アンテナ１０７の配設角度に関する設定）を、決定した計測位置となるように保持した上で、以下の処理を実施する。

続いて、決定した計測位置において、マイクロ波照射ユニット１００により、転炉内部へマイクロ波が照射され（ステップＳ１０７）、計測対象物であるスラグ表面からのマイクロ波の反射波と、照射したマイクロ波との差周波信号（すなわち、ビート波）が検出される（ステップＳ１０９）。マイクロ波照射ユニット１００は、得られたビート波に対応する信号を、演算処理ユニット２００に出力する。

演算処理ユニット２００の演算処理部２０５は、マイクロ波照射ユニット１００から出力されたビート波に対応する信号に対して、Ａ／Ｄ変換を実施し（ステップＳ１１１）、ビート波のデジタルデータを生成する。その後、演算処理部２０５は、ビート波のデジタルデータをフーリエ変換し、得られた変換結果に距離係数を乗じることで距離スペクトルを算出する（ステップＳ１１３）。

続いて、演算処理部２０５は、得られた距離スペクトルを空間的に平均化した後（ステップＳ１１５）、所定の閾値以上の強度を有するピークのうち、最大ピークを与える距離を、スラグ表面までの距離として特定する（ステップＳ１１７）。

また、演算処理部２０５は、得られたスラグ表面までの距離を一定時間幅で移動平均処理することで時間平均化した後（ステップＳ１１９）、トレンドチャートを生成する（ステップＳ１２１）。次に、演算処理部２０５は、得られたトレンドチャート等を利用して、スラグ表面の平均レベル、最大レベル、最小レベル等といった各種の特徴量を算出する（ステップＳ１２３）。その後、演算処理部２０５は、得られた結果を出力する（ステップＳ１２５）。

以上、図１３を参照しながら、本実施形態に係るレベル計測方法の流れを簡単に説明した。

（ハードウェア構成について）
次に、図１４を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理ユニット２００のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１４は、本発明の実施形態に係る演算処理ユニット２００のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。

演算処理ユニット２００は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理ユニット２００は、更に、バス９０７と、入力装置９０９と、出力装置９１１と、ストレージ装置９１３と、ドライブ９１５と、接続ポート９１７と、通信装置９１９とを備える。

ＣＰＵ９０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１３、又はリムーバブル記録媒体９２１に記録された各種プログラムに従って、演算処理ユニット２００内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるバス９０７により相互に接続されている。

バス９０７は、ブリッジを介して、ＰＣＩ（ＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バスに接続されている。

入力装置９０９は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９０９は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理ユニット２００の操作に対応したＰＤＡ等の外部接続機器９２３であってもよい。更に、入力装置９０９は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９０９を操作することにより、演算処理ユニット２００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。

出力装置９１１は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１１は、例えば、演算処理ユニット２００が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理ユニット２００が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。

ストレージ装置９１３は、演算処理ユニット２００の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１３は、例えば、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１３は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種のデータなどを格納する。

ドライブ９１５は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理ユニット２００に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、ＣＤメディア、ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２１は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（ＳｅｃｕｒｅＤｉｇｉｔａｌｍｅｍｏｒｙｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。

接続ポート９１７は、機器を演算処理ユニット２００に直接接続するためのポートである。接続ポート９１７の一例として、ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（ＳｍａｌｌＣｏｍｐｕｔｅｒＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート、ＲＳ−２３２Ｃポート等がある。この接続ポート９１７に外部接続機器９２３を接続することで、演算処理ユニット２００は、外部接続機器９２３から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２３に各種のデータを提供したりする。

通信装置９１９は、例えば、通信網９２５に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９１９は、例えば、有線もしくは無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＷＵＳＢ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９１９は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＤｉｇｉｔａｌＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒＬｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９１９は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９１９に接続される通信網９２５は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、社内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。

以上、本発明の実施形態に係る演算処理ユニット２００の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０レベル計
１００マイクロ波照射ユニット
１０１周波数掃引器
１０３発振器
１０５方向性結合器
１０７アンテナ
１０９ミキサ
１１１検出器
１３０サウンドレベル計測ユニット
１５０アンテナ駆動機構
２００演算処理ユニット
２０１走査時期決定部
２０３計測制御部
２０５演算処理部
２０７表示制御部
２０９記憶部

Claims

マイクロ波を用いて転炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計であって、
所定周波数のマイクロ波を射出するマイクロ波射出部と、前記転炉の内部に向けて前記マイクロ波を照射するとともに、前記スラグ面で反射した前記マイクロ波を受信するアンテナ部と、前記アンテナ部が受信した前記マイクロ波の反射波を検出する検出部と、を有するマイクロ波照射ユニットと、
前記アンテナ部を駆動して、前記マイクロ波の照射方向を水平面内で変化させるアンテナ駆動機構と、
前記マイクロ波照射ユニットを制御するとともに、前記マイクロ波射出部により射出されるマイクロ波と、前記検出部にて検出されたマイクロ波の反射波と、に基づいて、前記スラグ面のレベルを算出する演算処理ユニットと、
を備え、
前記演算処理ユニットは、
前記スラグ面のレベル計測に先立って、前記アンテナ駆動機構により前記アンテナ部から照射するマイクロ波を前記水平面内に所定の走査間隔で走査させ、各走査点における前記マイクロ波の反射波の測定結果を利用して、前記スラグ面の計測位置を決定する制御部と、
決定された前記計測位置にマイクロ波を照射することで検出された前記マイクロ波の反射波を利用して、前記スラグ面のレベルを算出する演算処理部と、
を有し、
前記制御部は、前記スラグ面の計測位置を決定する際に、前記走査に用いる前記マイクロ波の周波数を、前記アンテナ部から前記転炉の炉口までの距離に対応する周波数以上、前記アンテナ部から前記転炉の炉底までの距離に対応する周波数以下に制限する、レベル計。
前記転炉の内部において吹錬に伴い発生する音を計測するサウンドレベル計測ユニットを更に備え、
前記演算処理ユニットは、前記サウンドレベル計測ユニットによる前記音の計測結果に基づいて、前記スラグ面のレベル計測に先立って前記マイクロ波を走査させる時期を決定する走査時期決定部を有しており、
前記制御部は、走査時期決定部により決定された走査時期に、前記アンテナ駆動機構により前記アンテナ部から照射するマイクロ波を前記水平面内に所定の走査間隔で走査させる、請求項１に記載のレベル計。
前記走査時期決定部は、前記サウンドレベル計測ユニットによる音圧の測定結果が所定時間以上低下したときを、走査時期と決定する、請求項２に記載のレベル計。
前記走査時期決定部は、前記サウンドレベル計測ユニットによる音圧の測定結果が、前記転炉の内部に保持されている溶鉄の揺動周期以上の時間低下したときを、走査時期と決定する、請求項３に記載のレベル計。
前記制御部は、前記アンテナ駆動機構により、走査に先立ち設定される定点の周りを前記水平面内で直交する直交２軸のそれぞれの方向で走査させ、前記マイクロ波の射出波と前記マイクロ波の反射波との合成波のパワースペクトルにおけるピーク強度が最大となる位置を、前記スラグ面の計測位置とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のレベル計。
前記制御部は、前記アンテナ駆動機構により、走査に先立ち設定される定点の周りを前記水平面内で直交する直交２軸のそれぞれの方向で走査させ、前記マイクロ波の射出波と前記マイクロ波の反射波との合成波のパワースペクトルにおけるスペクトル面積が最大となる位置を、前記スラグ面の計測位置とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のレベル計。
前記定点は、前チャージでの前記スラグ面の計測位置である、請求項５又は６に記載のレベル計。
前記走査間隔は、前記アンテナ部の配置角度により規定されており、
前記制御部は、走査角度間隔Ｐを、前記アンテナ部のアンテナ径をＤ_０とし、アンテナ部の先端から前記転炉の炉口までの垂直距離をＨ_０とし、アンテナ部によるマイクロ波の拡散角をθ_０としたときに、以下の式（１）で算出される値以下の値に設定する、請求項１〜７の何れか１項に記載のレベル計。
前記演算処理部は、
検出された前記マイクロ波の反射波と、前記転炉の内部に向けて照射された前記マイクロ波の射出波と、の差周波信号をフーリエ変換して、前記アンテナ部と前記スラグ面との間の距離に関するスペクトルを算出し、
当該スペクトルを前記距離に沿って空間的に平均化した後に、平均化後の全にスペクトルにおけるピーク位置を、前記スラグ面のレベルと決定する、請求項１〜８の何れか１項に記載のレベル計。
前記演算処理部は、決定した前記スラグ面のレベルに関する情報を時間的に平均化した上で、前記スラグ面のレベルと、前記転炉における処理の経過時間と、を関連付けたトレンドチャートを生成する、請求項９に記載のレベル計。
マイクロ波を用いて転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、
前記スラグ面のレベル計測に先立って、前記マイクロ波を照射するアンテナ部を駆動することで前記マイクロ波を水平面内に所定の走査間隔で走査させて、各走査点における前記マイクロ波の反射波の測定結果を利用して、前記スラグ面の計測位置を決定し、
決定した計測位置において、前記転炉の内部に向けて前記アンテナ部からマイクロ波を照射して、前記転炉の側からの前記マイクロ波の反射波を前記アンテナ部で検出し、
前記転炉の内部に向けて照射される前記マイクロ波と、前記アンテナ部が検出した前記マイクロ波の反射波と、に基づいて、前記スラグ面のレベルを算出し、
前記スラグ面の計測位置を決定する際に、前記走査に用いる前記マイクロ波の周波数を、前記アンテナ部から前記転炉の炉口までの距離に対応する周波数以上、前記アンテナ部から前記転炉の炉底までの距離に対応する周波数以下に制限する、レベル計測方法。
前記転炉の内部において吹錬に伴い発生する音を計測するサウンドレベル計測ユニットにより、前記転炉の内部において発生する音を計測し、
前記サウンドレベル計測ユニットによる前記音の計測結果に基づいて、前記スラグ面のレベル計測に先立って前記マイクロ波を走査させる時期を決定し、
決定された走査時期に、前記マイクロ波を水平面内に所定の走査間隔で走査させる、請求項１１に記載のレベル計測方法。