JPH0696726B2

JPH0696726B2 - 高炉壁厚測定方法とその装置

Info

Publication number: JPH0696726B2
Application number: JP2189640A
Authority: JP
Inventors: 安則谷澤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1990-07-18
Publication date: 1994-11-30
Anticipated expiration: 2009-11-30
Also published as: JPH0474813A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、高炉の炉壁厚を高精度に測定する方法とその
装置に関する。

〔従来の技術〕

高炉においては、周知のように、500〜1500mmの厚みの
耐火煉瓦によって内張されている。この炉壁を構成する
耐火煉瓦は、操業に際しては、常に高温下で使用される
ため、経年の操業により、内側より徐々に溶損して減厚
していく。また、炉内に溜まった溶銑および溶滓の流動
による侵食によって、炉壁は損傷し局部的に削られる場
合もある。

この炉壁の減厚や損傷を放置したのでは、最終的に鉄皮
が炉内溶銑に晒され溶損し、高炉寿命の著しい低下を招
き、時には大事故を引き起こす場合もある。したがっ
て、炉底側壁の耐火煉瓦の残存厚を知ることは、高炉操
業を行う上で、重要管理項目の一つとなっている。

従来より、公知の耐火煉瓦の残存厚測定方法としては、
たとえば耐火煉瓦側壁に取付けた熱電対による測定温
度、あるいは耐火煉瓦側壁の熱流束の測定値に基づき、
伝熱シミュレーションを行い炉壁厚を測定する方法や、
炉底冷却用媒体の供給を一時中断して、底部温度の上昇
速度から非定常伝熱シミュレーションを行い、炉壁厚を
推定する方法等が行われている。前記伝熱シミュレーシ
ョン解析は、有限要素法（FEM）あるいは境界要素法（B
EM）により解析を行う方法で、具体的には炉内温度を一
定として、先ず炉内侵食ラインを適当な位置に仮定し、
炉外の熱伝達率の冷却条件を与え、熱電対等の温度計位
置での温度t_i ^*を算出し、実温度t_iとの差が一定値（た
とえば10℃）以下となるように前記炉内侵食ラインを移
動させて計算を行い、収束するまで前記計算を繰り返す
収束解析方法である。

一方、近年、高炉壁厚の推定方法にも種々改良が加えら
れ、幾つかの発明が開示されている。

たとえば、特開昭59−191885号公報においては、耐火煉
瓦の厚み方向にコンデンサーロッドを埋設し、耐火煉瓦
の摩耗損傷と同時に削り取られて短くなったコンデンサ
ーロッドの容量変化を検知し炉壁厚を直接的に測定する
方法が開示されている。

また、特公昭57−31073号公報においては、高炉鉄皮外
より赤外線検知器等により特に温度の高い部分（ホット
スポット）を検知し、炉壁厚の薄くなっている部分を探
査する方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記従来公知方法では、たとえば第１図に示さ
れるように、かなり粗い間隔で設置した熱電対11、11に
より測定した温度分布測定値、あるいは熱流束測定値に
基づいて炉壁厚を推定しているため、局部損傷Ａを受け
た炉壁部分を探査する場合、有限要素法を用いた伝熱シ
ミュレーションでは測定点間の平均的壁厚推定となるた
め、このような局部的侵食の推定は不可能であり、図中
鎖線で示されるような壁厚ラインと成らざるを得なかっ
た。仮に、局部損傷にも対応しようとする場合には、温
度計測等の計測点密度を上げればよいが、たとえば大型
の高炉においては、炉底側壁面積は200m²にも及ぶため
熱電対等の数が膨大となり経済的に到底対応できない問
題点があった。さらに、多数の熱電対の校正を定期的に
行う必要があるなど、測定精度維持のための管理を必要
としていた。

一方、前記特開昭59−191885号公報に開示された炉壁厚
推定方法においては、やはり測定カ所が限定され、広範
囲に渡って測定しようとした場合には、多数のコンデン
サーロッドを必要とし、不経済となる。また、周囲の耐
火物と性状の近似したコンデンサーロッドとしなければ
ならず、特に特殊な耐火物を使用している炉底および炉
下部に配設するためにはそのコンデンサーロッドの製作
が難しい、さらにはコンデンサーロッドの設置により煉
瓦積みが困難となる等の問題点もある。

他方、特公昭57−31073号公報記載技術によれば、破損
状況がかなり進行しないと検出できず、突発的な事故防
止に対しては効果を奏するが、予備的な炉壁厚推定が行
えるほどの測定精度が期待できない等の問題の他、設備
的にも大掛かりなものとなるため設備コストが大きい等
の問題点がある。

そこで本発明の目的と、設置および多数点位置における
検出が簡素な手段により容易に行うことができ、もって
壁厚を高精度で推定することができる方法およびその装
置を提供することになる。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、方法的には、炉体耐火物が外壁面近傍に光
ファイバーを巡らせ配置し、この光ファイバーにパルス
光を入射させ、光ファイバーのある位置における後方散
乱光を検出して散乱時におけるストークス光と反ストー
クス光との強度比に基づいて当該位置における温度を検
出するとともに、この温度検出を複数位置において行
い、各温度検出値に基づいて高炉の壁厚を推定すること
で解決できる。

また、装置的には、高炉の炉底における炉体耐火物の外
壁面近傍に高さ方向に間隔を置き周壁方向に沿って配置
した光ファイバーと、この光ファイバーにレーザパルス
光を入射させるレーザ光の入射手段と、光ファイバーの
多数位置における後方散乱光を検出して散乱時における
ストークス光と反ストークス光との強度比に基づいて各
位置における温度を検出する温度検出器と、前記各温度
検出値に基づいて高炉の壁厚を推定する炉壁厚推定手段
とを備えたことで解決できる。

〔作用〕

従来法にように、耐火煉瓦側壁に熱電対を取り付けて、
その計測温度に基づいて伝熱シミュレーションを行い高
炉耐火物の壁厚を推定した場合には、計測点の分布が粗
く、たとえば第11図に示されるように、局部的な損傷Ａ
が計測点の中間に位置した場合には、その損傷を探傷す
ることができなかった。

これに対して、本発明では、炉体耐火物の外壁面近傍に
光ファイバーを巡らせ配置し、この光ファイバーにパル
ス光を入射させ、光ファイバーのある位置における後方
散乱光を検出して散乱時におけるストークス光と反スト
ークス光との強度比に基づいて当該位置における温度を
検出するようにしている。しかも、測定原理的に、一本
の光ファイバーに対して、その長さ方向検出位置を適宜
多数設定できるので、温度検出点を所期の数だけ設定で
き、したかって、実質的に耐火物外壁面の温度分布を高
密度に計測できることが可能となる。そのため、従来の
粗い計測点での検出または推定に比較して、格段に高密
度にて温度分布の計測を行うことができるため、低コス
トかつ高精度で高炉壁厚の残存ラインの推定を行うこと
ができる。

また、光ファイバーは被覆管を含めφ1mm程度の線状物
であるため、設置に際しても何ら炉構造物に悪影響を与
えることなく容易に設置可能である。

〔発明の具体的な構成〕

以下、本発明を具体例に基づき詳説する。

第１図に示されるように、高炉１の建設時、あるいは改
修時において、耐火煉瓦３の外周に沿って、所定の間隔
Ｐで分布型温度計測用光ファイバー４（以下、単に光フ
ァイバーという）が巻回される。

前記光ファイバー４は、第２図に示されるように１本の
光ファイバー４によって、連続的に巻回してもよく、ま
た第３図に示されるように、複数の光ファイバー４によ
って段状に巻回することもできる。また、その巻回間隔
Ｐについては、500mm以内、特に250mm以内が好ましい。

光ファイバー４の巻回に際しては、保護のために前記光
ファイバー４をたとえば1mm程度のSUS管で被覆すること
ができる。また、その巻き付けに際しては、第１図のよ
うに単に耐火煉瓦３の外周に沿って巻回することもでき
るが、たとえば第４図に示されるように、その位置保持
の確実のために耐火煉瓦３の外周に沿って、設置溝3aを
形成させ、さの設置溝3a内に収めて巻回することもでき
る。

以上の要領にて、光ファイバー４の巻回が完了し、鉄皮
２が構築された後、耐火煉瓦３と鉄皮２との隙間部分に
スタンプ材５が充填される。

前記光ファイバー４の一端は炉外に設置される計測制御
器６に接続され、その信号は演算処理装置７による壁厚
の推定の基礎とされる。なお、計測のためには、前述の
ように光ファイバーの一端を計測制御器６に接続するこ
とで足りるが、万一断線等が発生した場合を考慮して他
端も炉外に出しておくと、断線後に他端側からの計測も
可能となる。

次いで、前記光ファイバー４を用いた温度計測システム
または計測原理について詳説する。

前記光ファイバー４としては、第５図に示されるよう
に、コア8Aおよびクラッド8Bが光伝送用石英ファイバー
で構成され、その外周が樹脂被覆９されたものが使用さ
れる。前記光ファイバー４の寸法例は、コア径が50μ
ｍ、クラッド径が125mμ、樹脂被覆９を含めた全径とし
て250μｍと極細いものである。

前述のような先端開放の光ファイバー４に対して、その
一端より、第８図のように、レーザ光源10からレーザパ
ルス光の光を入射すると、光ファイバー４の各部で散乱
を生じ、後方散乱光が入射側に戻る。この後方散乱光中
には、第９図のように、入射光に基づくレーリー光と、
温度に依存した強度を発するストークス光と、温度に依
存しない反ストークス光とが含まれる。そこで、第８図
のように、フィルター11などを介して後方散乱光検出器
12により後方散乱光を検出し、その信号を増幅器13によ
り増幅して、レーザ光源10のコントロールも行う機能を
有する計測制御器６に取り込み、当該散乱位置における
温度を検知する。

この温度検出原理としては、いま入射位置から散乱位置
までの距離をｌおよび往復時間をｔ、光ファイバー中の
光速をＣ、真空中の光速をC₀、光ファイバーの屈折率を
ｎとすれば、次記の（１）および（２）式が成り立つ。

ｌ＝Ｃ×t/2（ｍ） ……（１）Ｃ＝C₀/n（m/s） ……（２）しかるに、ストークス光の強度Psは温度に依存するのに
対して、反ストークス光の強度Paは温度に依存しないか
ら、第10図のように、両者に強度差が生じる。この強度
の比は、（３）式のように、温度の依存性を示す。

Pa/Ps＝（λs/λａ）^４exp（−（hcν）/kt） ……
（３）ここで、k:ボルツマン係数（J/k） h:プランク定数（J/k） ν：ラマンシフト量（cm^-1）したがって、レーザパルス光の往復時間から対象の散乱
位置を定めながら、（３）式により、当該位置について
の温度を検出できる。

なお、検出精度は、測定時間ｔと、検出パワーと入射パ
ルス幅で決まり、前述のような光ファイバー４によれ
ば、入射端から1m程度の位置で、±１〜５℃の温度測定
精度を示す。したがって、温度精度自体はさほど高くな
いが、本発明が対象とする高炉においては、そして壁厚
を推定する温度精度からして実際上の問題はなく、むし
ろ多数点での温度情報を得ることができることの方が大
きな利点として現れる。

かくして、以上のように光ファイバー４を用いて耐火煉
瓦３外壁面近傍において温度の測定を行えば、光ファイ
バー４に沿って連続的な温度計測を行うことができるた
め、耐火煉瓦３の表面温度を高密度で計測することがで
き、この高密度２次元温度分布に基づいて、壁厚演算処
理装置７により伝熱シミュレーション解析を行うことに
より、従来に比してより高精度の高炉耐火物の壁厚ライ
ンの推定を行うことができる。この壁厚の推定は高炉の
周方向ならびに高さ方向の両者について行うことができ
る。

なお、前記光ファイバー４は、煉瓦３の外壁に巻回され
ているため、煉瓦３の侵食が進んだ状態でも、高々300
℃程度の温度上昇に留まるため、光ファイバー４の劣化
損傷の心配も少なく、長期に渡って高精度の温度を維持
し得る。

また、高炉炉底の温度を測定しようとした場合には、第
６図に示されるように、高炉炉底に光ファイバー４を敷
設することにより、高密度の２次元温度分布を知ること
ができる。

ところで、前述したように、光ファイバー４の測定位置
（レーザパルス光入射位置からの距離位置）と検出温度
との相関は炉内損傷位置特定精度の確保のためには特に
重要である。しかし、光の速度は導体の質量や密度によ
って変化し、また計器内のたとえば、時間を計測するた
めの基準信号を発するタイマーも経時的に変化するのが
普通であるため、長期的には誤差を生じる。したがって
誤差補正のために、定期的な校正が必要となる。そのた
め、第７図に示されるように、長さの異なる光ファイバ
ー４、４′をたとえば実質的に一束とし巻回し測定する
ことによって、長さが既知の短い方の光ファイバー４′
の遠方端位置での反射波が戻ってくるまでの時間を基準
として、長い方の光ファイバー４における距離の検出値
を補正することによって前述したような定期的な校正を
不要とし測定位置の精度向上を図ることができる。な
お、前記光ファイバーの束の本数は多ければ多いほど測
定精度の向上を図ることができる。

ところで、本発明においては、光ファイバーの埋設位置
は、炉体耐火物の外壁面近傍であればよく、耐火物の内
部でもよい。

〔発明の効果〕

以上詳説した通り、本発明によれば、炉構造に制限を与
えることなく光ファイバーを容易に設置できるととも
に、敷設コストが著しく低減し、しかも高炉耐火物の炉
壁厚を高精度で推定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る炉壁厚測定方法の実施例を示す
図、第２図〜第４図は耐火煉瓦外壁面への光ファイバー
巻回方法を示す図、第５図は光ファイバー断面図、第６
図は高炉炉底に対する光ファイバー敷設図、第７図は光
ファイバーの配置変形例の斜視図、第８図〜第10図は測
定原理の説明図、第11図は従来法による問題点を説明す
るための説明図である。１…高炉、２…鉄皮、３…耐火煉瓦、４…光ファイバ
ー、５…スタンプ材、６…制御計測器、７…壁厚演算処
理装置、8A…コア、8B…クラッド、９…樹脂被覆、10…
レーザ光源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炉体耐火物の外壁面近傍に光ファイバーを
巡らせ配置し、この光ファイバーにパルス光を入射さ
せ、光ファイバーのある位置における後方散乱光を検出
して散乱時におけるストークス光と反ストークス光との
強度比に基づいて当該位置における温度を検出するとと
もに、この温度検出を複数位置において行い、各温度検
出値に基づいて高炉の壁厚を推定することを特徴とする
高炉壁厚測定方法。
【請求項２】高炉の炉底における炉体耐火物の外壁面近
傍に高さ方向に間隔を置き周方向に沿って配置した光フ
ァイバーと、この光ファイバーにレーザパルス光を入射
させるレーザ光の入射手段と、光ファイバーの多数位置
における後方散乱光を検出して散乱時におけるストーク
ス光と反ストークス光との強度比に基づいて各位置にお
ける温度を検出する温度検出器と、前記各温度検出値に
基づいて高炉の壁厚を推定する炉壁厚推定手段とを備え
たことを特徴とする高炉壁厚測定装置。