TW201928306A - 位準計測裝置 - Google Patents

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木下貴博
杉橋敦史
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日商新日鐵住金股份有限公司
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    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
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Abstract

提供使用微波，可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面的測定的位準計測裝置。在位準計測裝置中，將發送天線及接收天線配置在罩開口部上方而遠離爐內的熔渣面，可抑制原料金屬或熔渣附著在發送天線及接收天線，因此，可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面的測定。此外，在位準計測裝置中，使發送天線的直徑大於接收天線的直徑，而將發送天線及接收天線配設在罩開口部上方，藉此可抑制熔渣面的位準計測時的不必要反射，且可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面的測定。

Description

位準計測裝置
本發明關於用以計測爐的內部的熔渣面的位準的位準計測裝置。
在轉爐製鋼製程中，為使生產性提升，當將氧等氣體噴吹到熔渣面時，提高送酸速度、縮短吹煉所需時間，乃極為重要。但是，若提高送酸速度，不僅發生噴渣(slopping)(起泡的熔渣從爐口溢出的現象)、或噴濺(spitting)( 熔渣因噴流而飛散的現象)而導致良率降低，原料金屬或熔渣附著在爐口、或設在轉爐的爐口上方的煙道(以下稱為排氣罩)等，有發生作業受到阻礙等問題的可能性。因此，為達成生產性提升，測定轉爐的內容物的位準，正確且即時地掌握成為噴渣預兆的熔渣起泡舉動等，乃極為重要。
因此，例如，如專利文獻1所示，提案出一種採用使用微波的雷達方式的位準計，測定已被裝入在轉爐的熔融物的浴面位準的方法。在此，若熔渣起泡，由於微波的反射率大幅降低，因此必須使用指向性高的天線，因而在專利文獻1中，使用將天線前端形成切口且將天線的指向性朝向爐的中心方向的一對天線。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2016-180126號公報
[發明所欲解決之課題]
但是，在專利文獻1所示之方法中，為了將天線的指向性朝向爐的中心方向，必須在轉爐上部的排氣罩內部插入天線前端。在轉爐吹煉(以下亦僅稱之為吹煉)中的排氣罩內，由於原料金屬或熔渣飛散，因此在設於排氣罩內的天線前端亦附著該等原料金屬或熔渣，而有阻礙因天線所致之微波測定之虞。因此，在專利文獻1中，有無法正確地進行吹煉中的熔渣面測定之虞。
此外，在轉爐或排氣罩的上方空間配置有各種配管或機械等，因此無法充分確保用以將天線設置在最接近轉爐或排氣罩的空間，結果有不得不將天線從轉爐或排氣罩遠離距離來作設置的情形。在該情形下，來自天線的微波有在轉爐上方的各種障礙物作反射的情形，無法檢測真正欲檢測之來自熔渣面的反射微波，有無法正確地進行熔渣面測定之虞。
本發明為鑑於如上所述之問題而完成者，目的在提供一種使用微波，可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面的測定的位準計測裝置。
[用以解決課題之手段]
本發明之位準計測裝置為計測爐的內部的熔渣面的位準的位準計測裝置，其具有以下構成：具備：罩開口部，其在設在前述爐的上方的排氣罩之與前述熔渣面相對向的位置呈開口；發送天線，其設在前述罩開口部的上方，透過前述罩開口部，朝向前述爐的內部照射微波；接收天線，其與前述發送天線為不同個體，設在前述罩開口部的上方，透過前述罩開口部，接收來自前述爐的內部的反射微波；透鏡部，其設在前述發送天線及前述接收天線的各前端，提高前述發送天線及前述接收天線的天線增益；及位準算出部，其由前述反射微波算出前述熔渣面的位準，前述發送天線的直徑大於前述接收天線的直徑，當將前述發送天線的直徑設為φ1 、且前述罩開口部的直徑設為d時，滿足φ1 ＞d/2。
[發明效果]
藉由本發明，將發送天線及接收天線配置在罩開口部上方而遠離爐內的熔渣面，因此可抑制原料金屬或熔渣附著在發送天線及接收天線，因此，可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面的測定。此外，藉由本發明，將發送天線及接收天線形成為不同個體，且使發送天線的直徑大於接收天線的直徑，藉此可抑制熔渣面的位準計測時的不必要反射，且可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面的測定。此外，藉由本發明，藉由透鏡部來提高發送天線及接收天線的各天線增益，可使熔渣面的位準計測時的S/N比提升。
＜關於本發明之位準計測裝置＞
圖1為顯示本發明之位準計測裝置10、及使用本發明之位準計測裝置10的轉爐製鋼製程中的轉爐1的構成的概略圖。
在轉爐製鋼製程中，在轉爐1的內部(以下亦僅稱之為爐內)裝入熔鐵2，對該熔鐵2，由吹管4吹入氧等氣體，藉此進行熔鐵2的成分調整而生成熔鋼。在該熔融物的表面，伴隨處理的進行，生成熔渣。本發明之位準計測裝置10可即時計測如上所示形成在爐內的熔渣面3的位準。在本發明中，「熔渣面」意指在爐內露出於外部之熔融狀態的熔渣的表面。熔渣面3的「位準」意指從爐內底部或預定基準位置所觀看到的爐內的熔渣面3的高度。
在轉爐1所進行的處理中，由於發生蒸氣或粉塵等，為了使所發生的粉塵等不會放出至外部環境，設有在轉爐1的上方打開的爐口附近具有端部且朝上方延伸的排氣罩5。在該排氣罩5，除了用以將吹管4插入在轉爐1內的吹管用開口部之外，在爐口上方形成有罩開口部6的開口。此外，在罩開口部6的周圍設有朝上方延伸設置的開口形成部7作為配管狀的構造物。
開口形成部7使轉爐1上方的上部自由空間與爐內，透過罩開口部6而相連通，可將例如副吹管(未圖示)，視需要，透過罩開口部6而插入在爐內。
罩開口部6在排氣罩5的上壁面，而且與爐內的熔渣面3相對向的位置呈開口，從開口形成部7的上方被插入的棒狀副吹管可通過罩開口部6而配置在熔渣面3上。
除了該構成之外，本發明之位準計測裝置10在插入副吹管的罩開口部6的上方，具有形成有天線設置開口部9a之開口的天線設置部9。在天線設置部9，藉由在轉爐進行的工序的種類，適當使用移動機構而設置天線部10a或副吹管裝置的任一者。設置天線部10a時，透過天線設置開口部9a，照射微波，而且接收，但是另一方面，若設置副吹管裝置，透過天線設置開口部9a、開口形成部7、及罩開口部6，朝向熔渣面或熔鋼被插入副吹管。因此，天線設置開口部9a的直徑、開口形成部7的開口的直徑、及罩開口部6的直徑以大致相同大小形成，俾以容易插入副吹管。此外，天線設置開口部9a、罩開口部6、及開口形成部7的開口以其中心位置以鉛直方向以直線狀排列的方式形成。
當副吹管非插入在罩開口部6之時，位準計測裝置10使天線部10a配置在天線設置部9的天線設置開口部9a。位準計測裝置10具有位準算出部10b，藉由該位準算出部10b，根據依照由天線部10a朝向爐內發送出的發送訊號所收取到的接收訊號，進行運算，可算出熔渣面3的高度而進行熔渣面3的位準計測。在此，天線設置部9的天線設置開口部9a係其直徑與罩開口部6的直徑d大致相等(大致相同直徑)，而且，其中心軸配置在與罩開口部6的中心軸為相同軸上。
罩開口部6的直徑d在防止來自轉爐1的蒸氣、或原料金屬或熔渣的飛散漏至排氣罩5外，由位於轉爐1或排氣罩5的上方的各種配管或機械等的配置所容許的範圍內，容易使用副吹管，而且根據位準計測裝置10中的天線部10a的天線特性、或微波的波長、熔渣面3的雷達反射截面積等，選定為最適大小。
天線設置部9從位於形成在罩開口部6周邊的開口形成部7的最上部的凸緣上部7a，在預定高度具有天線設置開口部9a，將設置在天線設置開口部9a的天線部10a遠離罩開口部6。藉此，天線設置部9可將天線部10a遠離爐內的熔渣面3，因而從熔渣面3飛散的原料金屬或熔渣不易到達天線部10a，可抑制原料金屬或熔渣附著在天線部10a。此外，為了取得較高的距離自由度，不易受限於位於轉爐1或排氣罩5的上方的各種配管或機械等的配置。
若為該實施形態，在天線設置部9，除了設置有天線部10a之外，在該天線部10a與爐內之間設有絕熱板14。絕熱板14藉由例如氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(Si3 O4 )、二氧化矽(SiO2 )等般可透過微波的無機陶瓷所形成。藉此，絕熱板14可一邊在天線部10a與爐內之間進行微波的發送接收，一邊減低來自爐內的熱而可防止天線部10a因熱而損傷的情形。
天線部10a具備有：將微波透過罩開口部6朝向爐內照射的發送天線11；及與該發送天線11以不同個體設置，接收從爐內的熔渣面3反射而通過罩開口部6的反射微波的接收天線12。其中，以朝向爐內被照射的微波的頻率而言，基於爐內狹窄，而且熔渣面3中的微波的反射率小的特性，為超過10[GHz]、90[GHz]以下，較佳為35[GHz]以上、85[GHz]以下為宜。
除了該構成之外，發送天線11形成直徑大於接收天線12的直徑。發送天線11及接收天線12分別為例如圓錐型的喇叭天線，將形成開口的擴徑的前端朝向爐內，使擴徑的前端鄰接而配設在天線設置開口部9a的面內。若為本實施形態，發送天線11形成為擴徑的前端中的直徑大於接收天線12的擴徑的前端中的直徑。將發送天線11中的前端的直徑、與接收天線12中的前端的直徑合計的距離與罩開口部6的直徑d相同。發送天線11及接收天線12的前端遍及與罩開口部6為大致相同直徑的天線設置開口部9a的徑方向的大致全域作配置。
在發送天線11及接收天線12，在各前端設有由例如聚四氟乙烯(Teflon(註冊商標))所成的透鏡部13。發送天線11藉由透鏡部13，使照射至熔渣面3的微波收斂，藉此可提高發送天線11的天線增益。此外，接收天線12藉由透鏡部13，使來自熔渣面3的反射微波收歛，藉此可提高接收天線12的天線增益。
在此，位準計測裝置10可進行利用微波的FM-CW方式的位準計測。此時，照射在爐內的微波的頻率調變的寬幅、與該微波的掃描周期被設定為預先預定的值。從發送天線11朝向爐內被照射的微波(以下亦僅稱之為發送波)的頻率隨著時間經過，連續且直線性變化。
另一方面，藉由成為計測對象物的熔渣面3反射而以接收天線12所接收的反射微波(以下亦僅稱為接收波)，產生與從接收天線12至熔渣面3的距離(以下亦稱為分隔距離)成正比的延遲Δt(秒)。結果，在某同時刻中的發送波與接收波之間，產生對應於分隔距離的頻率的差Δf(Hz)。如上所示之發送波及接收波藉由混合器予以混合時，成為具有相當於Δf的頻率成分的差頻訊號(以下亦稱為拍(beat)波或拍頻(beat)訊號)。
發送波與接收波的時間上的延遲Δt相當於微波從發送天線11在熔渣面3作反射而返回至接收天線12所需的時間。所謂算出分隔距離的處理與算出拍頻訊號的頻率(拍頻Δf)為等效。在此，在現實的計測環境中，在藉由混合器所生成的拍頻訊號(拍波)中，大多是形成為幾個頻率成分互相混合的複合波。
因此，為求出如上所示之由複數個頻率成分所構成之拍頻訊號的頻率，在位準算出部10b，可將由複數個頻率成分所構成的拍頻訊號作為基礎進行傅立葉轉換處理，在生成頻譜訊號後，從頻譜訊號來生成欲求出的分隔距離以主要波峰的形式被給予的距離波形，並根據分隔距離，特定出爐內的熔渣面3的位準。
但是，從天線部10a(亦即，從天線設置部9)至連通到爐內的罩開口部6的距離離得愈遠，飛散至排氣罩5內的原料金屬或熔渣愈難以到達天線部10a或絕熱板14。因此，可抑制飛散至排氣罩5內的原料金屬或熔渣附著在天線部10a或絕熱板14，且可防止造成熔渣面3的測定的障礙。
另一方面，從天線部10a至罩開口部6的距離離得愈遠，從發送天線11所發出的發送波的直徑愈大。如上所示，若發送波寬，在發送波到達爐內之前，會碰到位於形成在罩開口部6的周邊的開口形成部7的上部的凸緣上部7a。結果，產生在熔渣面3作反射的微波以外的不必要反射，因此阻礙熔渣面3的測定。
因此，檢討在從天線設置部9至罩開口部6的距離遠離的情形下，亦可抑制不必要反射的發送天線11的直徑(以下亦稱為發送天線直徑)。
從在前端設有透鏡部13的發送天線11放射的微波，已知一般而言係按照如下式所示之高斯射束的傳播。
[數式4]
其中，ω(x)表示在離天線位於距離x的位置的射束半徑，ω0 表示射束腰半徑，λ表示微波的波長。若應用在從發送天線11照射的微波，ω0 相當於離發送天線11的距離為0的射束半徑。
接著，如圖2所示，將發送天線11的直徑(以下亦稱為發送天線直徑)設為φ1 [m](=2ω0 )，將在從發送天線11至開口形成部7的凸緣上部7a的高度位置的距離r的發送波的照射區域直徑設為φ3 [m](=2ω)，若使用上述數式4來計算照射區域直徑φ3時，照射區域直徑φ3 依所使用的微波的頻率f[Hz]改變，且以下式表示。其中，c設為光速[m/s]。
[數式5]
使用上述數式5，將微波(發送波)的頻率設為40[GHz]，且將發送天線直徑φ1 設為20~280[mm]時，求出相對距離r的發送波的照射區域直徑φ3 ，結果可得圖3所示之結果。
由圖3清楚可知，發送天線直徑φ1 愈小，在近距離的照射區域直徑φ3 愈小，發送天線直徑φ1 愈大，在近距離的照射區域直徑φ3 則愈大。但是，隨著遠離發送天線11(距離r變大)，該傾向反轉，發送天線直徑φ1 愈大，照射區域直徑φ3 則愈小。
因此，可知從發送天線11的前端至開口形成部7上部的凸緣上部7a的高度位置為止的一般距離r為3~5[m]左右，因此在從如此之一般的爐中的發送天線11離3~5[m]的凸緣上部7a的位置，存在用以減小照射區域直徑φ3 的最適發送天線直徑φ1 的範圍。
將距離r=4[m]中的照射區域直徑φ3 相對發送天線直徑φ1 進行計算，取得圖4所示之結果。在距離r=4[m]中，當發送天線直徑φ1 為195[mm]之時，照射區域直徑φ3 變得最小。此外，若為距離r=3[m]，當發送天線直徑φ1 之169[mm]之時，照射區域直徑φ3 成為最小，若為距離r=5[m]，當發送天線直徑φ1 為219[mm]之時，照射區域直徑φ3 成為最小。因此，距離r為3~5[m]之時，發送天線直徑φ1 以169~219[mm]為宜。
接著，若罩開口部6的直徑d由轉爐吹煉設備上的制約而定，如圖2所示，以形成為發送天線直徑φ1 與接收天線直徑φ2 的和與直徑d成為相等的天線尺寸為宜。藉此，由於可有效活用罩開口部6的開口面積，因此可改善發送天線11及接收天線12的發送接收的效率。
此時，發送天線11的中心軸Z1與罩開口部6(亦即，天線設置開口部9a)的中心軸Z2的水平方向的距離依發送天線直徑φ1 的值而改變。結果，與爐內相連通的開口形成部7上部的凸緣上部7a、與來自發送天線11的發送波的干涉量亦改變。因此，如圖2所示，考慮發送天線直徑φ1 、與中心軸Z1、Z2的位置的變化，算出凸緣上部7a與照射區域直徑φ3 相干涉的長度(以下稱為干涉長度)Li=φ3 /2-φ1 /2。
將距離r=4[m]中的干涉長度Li的計算結果顯示於圖5。發送天線直徑φ1 愈大，照射區域直徑φ3 愈小，並且發送天線11的中心軸Z1愈接近罩開口部6的中心軸Z2，因此干涉長度Li愈小。
在此，如在與圖1的對應部分標註同一符號所示之圖6所示，以比較例1而言，檢討具有發送天線111的直徑與接收天線112的直徑為相等的天線部100a的位準計測裝置100。在此，在位準計測裝置100中，如上所述，根據由來自發送天線111的發送波與在接收天線112的接收波所得的拍頻訊號，進行傅立葉轉換處理，生成將橫軸設為頻率(Hz)的頻譜訊號。
接著，根據所得的頻譜訊號，生成將橫軸轉換為距離[m]，且將縱軸設為AD輸入[dB]之如圖7所示之波形(以下亦稱為「距離波形」)。在該距離波形中，在距離為18~25[m]中給予主要波峰的位置，是對應於欲求出的分隔距離(從天線部100a至熔渣面3的距離)。
若將發送天線111及接收天線112形成為不同個體，在空間上分割的發送天線111及接收天線112間會發生微小的發送訊號的繞射。其中，在圖7中，未將發送天線111及接收天線112的前端設為基準(距離0[m])，將生成距離波形的位準算出部10b內的AD轉換器(未圖示)的位置設為基準(距離0[m])。因此，在圖7中，表示繞射波的波峰在橫軸中在距離0[m]未出現，偏離距離1[m]左右而出現。
在圖7中，在橫軸的距離2~4[m]前後出現的波峰表示來自開口形成部7上部的凸緣上部7a的不必要反射。
一般而言，由於繞射波不可避免地發生，因此在天線部100a的電路設計上，在發生繞射波的狀態下，以可進行所需反射微波的測定的方式進行感度等的設計。因此，若可使不必要反射的大小，小於繞射波的大小，可沒問題地測定欲求出的距離，因此，使不必要反射的大小相對於繞射波的大小而變小，乃極為重要。
如圖7所示，在發送天線111的直徑與接收天線112的直徑為相等的位準計測裝置100中，取得來自凸緣上部7a的不必要反射的大小、與繞射波的大小為大致相等的結果。因此，若可從該比較例1的狀態減小不必要反射，可進行距離的測定。
圖7所示之不必要反射因有干涉長度Li而發生，因此相較於圖7中的情形，若減小干涉長度Li，被認為不必要反射亦減小。因此，為了將不必要反射抑制在繞射波以下，由圖5可知，以加大發送天線直徑φ1 ，亦即，使發送天線直徑φ1 大於接收天線直徑φ2 (φ1 ＞d/2)為佳。
在此，根據發明人等的檢討，清楚可知熔渣面3的反射率、或熔渣面3的雷達反射截面積，若熔渣起泡即會大幅降低，若已起泡的熔渣面3的位置位於遠離一定以上，會變得無法測定。關於此點，以下使用雷達方程式來說明之。
若將雷達反射截面積設為σ[m2 ]、作為位準計測裝置10的性能的發送輸出設為Pt [mW]、發送天線增益設為G1 、接收天線增益設為G2 、在爐口上方環境的每1[m]的微波透過率設為T、微波的波長設為λ[m]時，在熔渣面3作反射而返回至接收天線12的接收訊號強度Pr [mW]由下述數式6供予。其中，在此的R表示形成有成為計測對象的熔渣面3時從接收天線12至熔渣面3的距離(分隔距離)[m]。此外，與從接收天線12至熔渣面3的分隔距離R相比，發送天線11與接收天線12之間的距離十分短，因此從發送天線11至熔渣面3的分隔距離亦可視為R而不成問題。
[數式6]
若該接收訊號強度Pr [mW]大於位準計測裝置10的最小接收電力Smin 的10倍，可在位準計測裝置10中進行反射微波的測定。若將此以不等式表示，成為下述數式7。
[數式7]
在此，發送天線增益G1 依發送天線11的前端中的開口面積而定，接收天線增益G2 則依接收天線12的前端中的開口面積而定。例如若使用圓錐型的喇叭天線，將該天線直徑(亦稱為開口直徑)設為φn (n=1、2，φ1 表示發送天線直徑，φ2 表示接收天線直徑)[m]，天線增益Gn (n=1、2，G­1 表示發送天線增益，G2 表示接收天線增益)時，可以下述數式8表示。
[數式8]
η為發送天線11及接收天線12的開口效率。此外，若為開口直徑、與天線長度的比為相同的圓錐喇叭天線，開口效率η即成為相同，在此，發送天線11及接收天線12的開口效率η設為同一。若使用上述數式8，表示反射微波的可測定條件的上述數式7可表示如下述數式9所示。
[數式9]
在此，首先，將發送接收共通的發送接收天線設置在爐口上方之一般的位準計測裝置(後述)作為比較例2，檢討比較例2是否滿足上述數式9所示之可測定條件。在比較例2的位準計測裝置中，最小接收電力Smin 為10-8 [mW]左右。在該比較例2的位準計測裝置中，以一般的參數而言，若將發送輸出Pt 設為10[mW]、微波的波長λ設為6.67[mm](頻率45[GHz])、發送接收天線的開口效率η設為0.25、微波透過率T設為0.98、熔渣面的雷達反射截面積σ設為10-4.3 [m2 ]、形成有熔渣面3時從發送接收天線至熔渣面3的分隔距離R設為25[m]、發送接收天線的直徑φ(由於僅設有發送接收天線，因此φ=φ1 =φ2 )設為250[mm]時，並不滿足表示可測定條件的上述數式9的不等式。因此，關於該位準計測裝置，當設成如上所述之發送輸出Pt 、波長λ、開口效率η等時，並無法經常測定吹煉中的熔渣面3的位準。
因此，為了經常測定熔渣面3的位準，必須加大上述數式9的左邊、或減小右邊。
首先，檢討上述數式9的左邊。以在左邊可變更的參數而言，有天線增益Gn (數式8)、及發送輸出Pt。在此，使用圖8，檢討加大發送輸出Pt 後的情形。圖8顯示將發送接收共通的發送接收天線105設置在爐口上方之成為比較例2的位準計測裝置101的電路構成。如圖8所示，成為比較例的位準計測裝置101在將由振盪器102送出的發送訊號以功率放大器103放大後，透過循環器104而送出至發送接收天線105，且由該發送接收天線105朝向爐內照射微波。
在位準計測裝置101中，以發送接收天線105接收來自爐內的反射微波後，作為接收訊號而透過循環器104送出至低雜訊放大器106。位準計測裝置101將接收訊號以低雜訊放大器106放大，且藉由混合器107，將該接收訊號、與從振盪器102送出之成為參照訊號的發送訊號進行乘算而生成拍頻訊號。位準計測裝置101將拍頻訊號以IF放大器108放大後，以AD轉換器109執行類比數位轉換處理，且將所得訊號送出至個人電腦(PC)110。個人電腦(PC)110可對從AD轉換器109所收取到的訊號進行傅立葉轉換處理等，生成從發送接收天線105至熔渣面3的距離(分隔距離)以主要波峰的形式被給予的距離波形，並根據分隔距離來特定出爐內的熔渣面3的位準。
在此，循環器104具有分離(isolation)特性，例如若循環器104的分離為15[dB]，即使20[dBm]的發送訊號從功率放大器103送至循環器104，繞射至接收側(低雜訊放大器106側)的訊號亦產生5[dBm]。在設有循環器104的位準計測裝置101中，若加大發送輸出Pt ，在循環器104中，從發送側直接繞射至接收側的訊號亦變大。
此時，低雜訊放大器106的動作區域(可放大訊號的最大電力)、或AD轉換器109的動態範圍有上限，因此在超出該上限的訊號部分會產生變形。已變形的訊號具有高頻率成分，因此造成在測定頻率(拍頻訊號的頻率)區域中較大雜訊(寬頻雜訊)的原因。結果，最小接收電力Smin 亦對應雜訊而變大，結果並無法滿足上述數式9的不等式。
接著，檢討上述數式9的左邊中的天線增益Gn (數式8)。位於爐口上方的罩開口部6的直徑d必須限制為不會對排氣罩5的排氣量造成影響的程度的大小(例如600[mm])。例如，若相對於罩開口部6的直徑d，儘可能使用開口尺寸較大的發送接收天線105，發送接收天線105的天線直徑φ(由於僅設有發送接收天線105，因此φ=φ1 =φ2 )以d(罩開口部6的直徑)被供予。
但是，若將罩開口部6的直徑d設為設備制約的2倍左右的大小亦即600[mm]，且將發送接收天線105的頻率設為最適於熔渣面3的位準計測的45[GHz]時，可配合該罩開口部6的直徑d作設置的發送接收天線105的天線增益G以104.9 為大致最大。因此，若將天線增益G加大為此以上，只要不要加大罩開口部6的直徑d，即為不可能。即使使用具有104.9 的天線增益G的發送接收天線105，亦無法滿足上述數式9的可測定條件，並無法常時測定熔渣面3的位準。
因此，本發明人等檢討減小最小接收電力(位準計測裝置10的感度)，亦即減小上述數式9的右邊的方法。在本發明之位準計測裝置10中，藉由將習知的發送接收天線105，分離成發送專用的發送天線11、與接收專用的接收天線12，省去循環器104，且減低造成產生雜訊原因之電路內的發送訊號繞射至接收側。在此，圖9顯示以不同個體設置發送天線11及接收天線12的本發明之位準計測裝置10的電路構成。
如圖9所示，在位準計測裝置10中，在將在振盪器22所發生的發送訊號以功率放大器23放大後，將此送出至發送天線11，且由發送天線11對爐內照射微波。位準計測裝置10若以接收天線12接收來自爐內的反射微波，作為接收訊號而送出至低雜訊放大器26，以該低雜訊放大器26將接收訊號放大後，藉由混合器27，將該接收訊號、與從振盪器22送出之成為參照訊號的發送訊號進行乘算而生成拍頻訊號。
位準計測裝置10在將拍頻訊號以IF放大器28放大後，以AD轉換器29執行類比數位轉換處理，且將所得訊號送出至個人電腦(PC)30。個人電腦(PC)30可對從AD轉換器29所收取到的訊號執行傅立葉轉換處理等，生成從接收天線12至熔渣面3的距離(分隔距離)以主要波峰的形式被給予的距離波形，並根據分隔距離來特定出爐內的熔渣面3的位準。
如上所示，在位準計測裝置10中並未設有循環器104，因此不會有發生循環器104中的發送訊號繞射的情形。另一方面，空間上作分割的發送天線11及接收天線12間的分離特性為30[dB]左右。但是，發送接收的分離特性由使用發送接收天線105時的15[dB]改善為30[dB]，發送訊號的繞射減低至-20[dBm]。結果，可防止發生低雜訊放大器26或AD轉換器29中的訊號變形。
若無變形，因繞射訊號而產生的拍頻被限定在頻率低的區域，因此可與根據來自爐內的反射微波的拍頻作區分。在位準計測裝置10中，可使用未圖示的旁通過濾器，來去除因繞射訊號而在低頻率區域所產生的雜訊，在接收天線12所產生的繞射訊號對熔渣面3的位準測定不會造成任何影響。此時，位準計測裝置10的最小接收電力Smin 成為10-14 [mW]。
例如，在位準計測裝置10中，若將經放大的拍頻訊號進行類比數位轉換處理的AD轉換器29的位元率設為24[bit]，其動態範圍成為146[dB]。從發送天線11對接收天線12的空間上的繞射訊號的強度成為-20[dBm]，因此若將供以使其不會變形的方式進行AD轉換處理之用的動態範圍設為上限，即掌握至-164[dBm]為止的接收訊號。此外，若將取樣頻率設為2[MHz]，以kB TaB(kB ：波茲曼常數、Ta：溫度、B：頻寬)被供予的帶域雜訊在Ta=300[K]中為-110[dBm]，藉由以2048點進行FFT，減低30[dB]，藉此，最小接收電力Smin 被改善至10-14 [mW](=-140[dBm])。
若以不同個體設置發送天線11及接收天線12，如圖2所示，發送天線直徑φ1 及接收天線直徑φ2 可使用罩開口部6的直徑d而表示為φ1 +φ2 =d。因此，與使用發送接收共通的發送接收天線105的情形(φ=d)相比，天線增益Gn 變小為103 左右。但是，即使天線增益Gn 變小，亦若將最大的分隔距離R設為25[m]，若計算接收訊號強度，即成為10-11 [mW]，比最小接收電力Smin 亦即10-14 [mW]的10倍十分大，因此熔渣面3的位準可常時測定。
由以上，若在開口大小有制約的罩開口部6的上方設置天線，以習知的考量方式，為了加大天線增益，以天線尺寸成為位於罩開口部6的直徑d的最大尺寸的方式，配設發送接收共通的1個發送接收天線105。相對於此，在本發明之位準計測裝置10中，設置不同個體的發送天線11及接收天線12。藉此，在位準計測裝置10中，不需要以往因使用發送接收天線105而成為必須的循環器104，抑制發送訊號繞射而降低雜訊，藉此可遍及吹煉整體，進行S/N比高的位準計測。
但是，如上所述，若將發送天線11及接收天線12形成為不同個體，發送天線直徑φ1 及接收天線直徑φ2 在與罩開口部6的直徑d之間，有φ1 +φ2 =d，亦即φ2 =d-φ1 的關係(圖2)。亦即，感度的改善、與天線增益Gn 處於取捨的關係，因此亦可能有使用發送接收共通的發送接收天線105的S/N比較大的直徑d的條件。因此，檢討相較於配設發送接收天線105，以配設有發送天線11及接收天線12者較佳的直徑d的條件。
若為使用發送接收共通的發送接收天線105的比較例2，最小接收電力Smin 為10-8 [mW]，天線直徑φ為d。因此，在發送接收共通的發送接收天線105的可測定條件從上述數式9變成下述數式10。
[數式10]
另一方面，若使用將發送接收分離的發送天線11及接收天線12，最小接收電力Smin 為10-14 [mW]。因此，在將發送接收分離後的發送天線11及接收天線12的可測定條件從上述數式9成為下述數式11。其中，發送天線直徑φ1 及接收天線直徑φ2 以所使用的微波的波長以上為佳，以滿足φ1 ≧λ且φ2 =d-φ1 ≧λ，亦即，λ≦φ1 ≦d-λ為佳。
[數式11]
因此，若使用將發送接收分離後的發送天線11及接收天線12，S/N比變得最高的直徑d的條件可將上述數式10及數式11組合而表示如下述數式12所表示。其中，如上所述，R表示形成有成為計測對象的熔渣面3時從接收天線12至熔渣面3的距離(分隔距離)，λ表示微波的波長，Pt 表示位準計測裝置10中的微波的發送輸出[mW]，σ表示熔渣面3的雷達反射截面積，T表示每1[m]的微波的透過率，η表示接收天線12的開口效率。其中，λ≦φ1 ≦d-λ。
[數式12]
＜作用及效果＞
在以上構成中，在位準計測裝置10中，以與發送天線11為不同個體，另外設置接收天線12，在該等發送天線11及接收天線12的各前端分別設置用以提高各天線增益的透鏡部13。藉此，在位準計測裝置10中，藉由透鏡部13，提高發送天線11的發送天線增益G1 與接收天線12的接收天線增益G2 ，可使熔渣面3的位準計測時的S/N比提升。
此外，在位準計測裝置10中，在排氣罩5設置形成使上部自由空間與爐內相連通的罩開口部6的開口形成部7，並且在罩開口部6的上方設置天線設置部9，藉由天線設置部9，使發送天線11及接收天線12之雙方配設在罩開口部6上方。在位準計測裝置10中，以不同個體設置發送天線11及接收天線12，藉此在電路內，不會有發送訊號直接繞射接收側的情形，可防止發生因繞射訊號所產生的雜訊。
在位準計測裝置10中，將發送天線11及接收天線12配置在罩開口部6上方而遠離爐內的熔渣面3，因此可抑制原料金屬或熔渣附著在發送天線11及接收天線12，因此，可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面3的測定。
此外，在位準計測裝置10中，形成為使發送天線11的直徑φ1 大於接收天線12的直徑φ2 ，而使發送天線11及接收天線12相鄰接而配設在罩開口部6上方的構成，藉此可抑制熔渣面3的位準計測時的不必要反射，且可比習知更正確地進行吹煉中的熔渣面3的測定。
此外，在位準計測裝置10中，考慮發送天線11及接收天線12的天線特性或熔渣面3的特性，將罩開口部6的直徑d選定為最適於使S/N比提升的直徑d，藉此即使配設發送天線11及接收天線12之雙方，亦可使熔渣面3的位準計測時的S/N比提升。
具體而言，藉由使直徑d滿足以上述數式12示條件，即使將發送天線11及接收天線12之雙方配設在罩開口部6上方，亦可使熔渣面3的位準計測時的S/N比提升。
＜其他實施形態＞
在上述之實施形態中，敘述將1個發送天線11與1個接收天線12配設在罩開口部6上方的情形，惟本發明並非侷限於此，亦可形成為如圖10及圖11所示，在1個發送天線31的周圍設置2個以上的接收天線32，將該等配設在罩開口部6上方的構成。
例如，如圖10所示，在天線設置開口部9a，以包圍發送天線31的方式以等間隔配設有複數個接收天線32。在天線設置開口部9a中，以各接收天線32的周緣相接的方式配置在發送天線31的周緣。此外，如圖11所示，在天線設置開口部9a，以發送天線31的中心軸Z1、與罩開口部6的中心軸Z2配置在同一軸上的方式，配設有發送天線31。藉此，罩開口部6的直徑d、發送天線31的直徑φ1 、接收天線32的直徑φ2 具有d=φ1 +2φ2 的關係。
此時，干涉長度Li表示為Li=φ3 /2-d/2。將為d=300[mm]時的干涉長度Li顯示在圖12。若干涉長度Li為0以下，照射區域與凸緣上部7a並不相干涉。若將從發送天線31至開口形成部7的凸緣上部7a的高度位置的距離r設為4[m]，而且設為d=300[mm]時，當發送天線31的直徑φ1 為148~282[mm]之時，干涉長度Li成為0以下。若彙總如上所示之條件，成為Li=φ3 /2-d/2≦0，且成為φ3 ≦d。因此，由上述數式5，可表示如下述式。
[數式13]
其中，接收天線32的直徑φ2 以(d-φ1 )/2被供予，此必須具有微波的波長以上的大小。如上所示之條件為(d-φ1 )/2≧λ。此外，發送天線31的直徑φ1 亦必須具有微波的波長以上的大小。因此，若亦配合上述條件，可表示為λ≦φ1 ≦d-2λ。
此外，上述數式13的不等式有解的條件與下述數式14有1個以上的解的條件相同。
[數式14]
在數式14中，考慮φ1 、c、r、f、d均為正值的情形，將φ1 2 置換成φ’，若將上述數式14變形，即成為下述數式15。
[數式15]
在上述數式15中有1個以上的解的條件如以下數式16表示，另外，數式16可表示如數式17所示。罩開口部6的直徑d必須滿足上述數式13及下述數式17的條件。在具有如以上所示之構成的其他實施形態中亦可得與上述實施形態相同的效果。
[數式16]
[數式17]
其中，在上述之實施形態中，說明適用使用在轉爐製鋼製程的轉爐1作為爐的情形，惟本發明並非限定於此，除了例如熔融還原爐之外，亦可適用於使用在非鐵金屬精錬製程的爐等其他各種爐。以非鐵金屬精錬製程而言，列舉例如銅熔煉製程。
此外，在上述之實施形態中敘述了將天線設置部9的天線設置開口部9a中的直徑，選定為與罩開口部6的直徑d為大致相同大小的情形，惟本發明並非侷限於此，天線設置部-9的天線設置開口部9a中的直徑若設為罩開口部6的直徑d以上，亦可設為各種大小(天線設置開口部9a的直徑≧罩開口部6的直徑d)。
1‧‧‧轉爐(爐)
2‧‧‧熔鐵
3‧‧‧熔渣面
4‧‧‧吹管
5‧‧‧排氣罩
6‧‧‧罩開口部
7‧‧‧開口形成部
7a‧‧‧凸緣上部
9‧‧‧天線設置部
9a‧‧‧天線設置開口部
10‧‧‧位準計測裝置
10a‧‧‧天線部
10b‧‧‧位準算出部
11‧‧‧發送天線
12‧‧‧接收天線
13‧‧‧透鏡部
14‧‧‧絕熱板
22‧‧‧振盪器
23‧‧‧功率放大器
26‧‧‧低雜訊放大器
27‧‧‧混合器
28‧‧‧IF放大器
29‧‧‧AD轉換器
30‧‧‧個人電腦(PC)
31‧‧‧發送天線
32‧‧‧接收天線
100‧‧‧位準計測裝置
100a‧‧‧天線部
101‧‧‧位準計測裝置
102‧‧‧振盪器
103‧‧‧功率放大器
104‧‧‧循環器
105‧‧‧發送接收天線
106‧‧‧低雜訊放大器
107‧‧‧混合器
108‧‧‧IF放大器
109‧‧‧AD轉換器
110‧‧‧個人電腦(PC)
111‧‧‧發送天線
112‧‧‧接收天線
d‧‧‧罩開口部6的直徑
Li‧‧‧干涉長度
Z1、Z2‧‧‧中心軸
φ1‧‧‧發送天線直徑
φ2‧‧‧接收天線直徑
φ3‧‧‧照射區域直徑
圖1為顯示使用本發明之位準計測裝置的轉爐的構成的概略圖。
圖2為供作發送天線及接收天線的配設位置的說明的概略圖。
圖3為顯示距離與射束直徑的關係的圖表。
圖4為顯示發送天線直徑與照射區域直徑的關係的圖表。
圖5為顯示發送天線直徑與干涉長度的關係的圖表。
圖6為顯示發送天線直徑及接收天線直徑相同的比較例1的位準計測裝置的概略圖。
圖7為顯示距離與AD輸入的關係的圖表。
圖8為顯示使用發送接收天線的比較例2的位準計測裝置的電路構成的電路圖。
圖9為顯示本發明之位準計測裝置的電路構成的電路圖。
圖10為顯示其他實施形態的發送天線及接收天線的構成的概略圖。
圖11為供作其他實施形態之發送天線及接收天線的配設位置的說明的概略圖。
圖12為顯示其他實施形態中的發送天線直徑與干涉長度的關係的圖表。

Claims (6)

  1. 一種位準計測裝置，其為計測爐的內部的熔渣面的位準的位準計測裝置， 具備： 罩開口部，其在設在前述爐的上方的排氣罩之與前述熔渣面相對向的位置呈開口； 發送天線，其設在前述罩開口部的上方，透過前述罩開口部而朝向前述爐的內部照射微波； 接收天線，其與前述發送天線為不同個體，且設在前述罩開口部的上方，透過前述罩開口部而接收來自前述爐的內部的反射微波； 透鏡部，其設在前述發送天線及前述接收天線的各前端，提高前述發送天線及前述接收天線的天線增益；及 位準算出部，其由前述反射微波算出前述熔渣面的位準， 前述發送天線的直徑大於前述接收天線的直徑， 當將前述發送天線的直徑設為φ1 、且將前述罩開口部的直徑設為d時，滿足φ1 ＞d/2。
  2. 一種位準計測裝置，其為計測爐的內部的熔渣面的位準的位準計測裝置， 具備： 罩開口部，其在設在前述爐的上方的排氣罩之與前述熔渣面相對向的位置呈開口； 開口形成部，其形成在前述罩開口部的周圍，與前述爐的內部相連通而朝上方延伸設置； 天線設置部，其設在前述開口形成部的上方； 天線設置開口部，其形成在前述天線設置部，與前述罩開口部為大致相同直徑； 發送天線，其設在前述天線設置開口部，朝向前述爐的內部照射微波； 接收天線，其與前述發送天線為不同個體，且設在前述天線設置開口部，接收來自前述爐的內部的反射微波； 透鏡部，其設在前述發送天線及前述接收天線的各前端，提高前述發送天線及前述接收天線的天線增益；及 位準算出部，其由前述反射微波算出前述熔渣面的位準， 前述發送天線的直徑大於前述接收天線的直徑， 當將前述發送天線的直徑設為φ1 、且前述罩開口部的直徑設為d時，滿足φ1 ＞d/2。
  3. 如請求項2之位準計測裝置，其中從前述發送天線的前端至前述開口形成部的高度位置的距離為3~5[m]， 前述發送天線的直徑為169~219[mm]。
  4. 如請求項2或3中任一項之位準計測裝置，其中若將前述發送天線的直徑設為φ1 [m]，則前述接收天線的直徑為d-φ1 [m]， 前述罩開口部的直徑d[m]滿足以下式所示條件： [數式1] 其中，λ≦φ1 ≦d-λ， R表示形成有成為計測對象的前述熔渣面時從前述接收天線至前述熔渣面的距離[m]，λ表示前述微波的波長[m]，Pt 表示前述微波的發送輸出[mW]，σ表示前述熔渣面的雷達反射截面積，T表示每1[m]的前述微波的透過率，η表示前述接收天線的開口效率。
  5. 如請求項2或3中任一項之位準計測裝置，其中前述發送天線的中心軸與前述罩開口部的中心軸配置在同一軸上， 前述接收天線在前述發送天線的周圍配置2個以上。
  6. 如請求項5之位準計測裝置，其中前述罩開口部的直徑d滿足以下式所示條件： [數式2] [數式3] 其中，c表示光速[m/s]，r表示從前述發送天線至前述開口形成部的凸緣上部的高度位置的距離[m]，f表示微波的頻率[Hz]。
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