JP7017753B2 - 装入物の表面プロフィール検出装置及び操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉内の鉄鉱石やコークス、溶融炉内の金属類、焼却炉内のごみ類、ホッパー内の穀物等の貯蔵物（以下、まとめて「装入物」ともいう。）の表面プロフィールを検出する検出装置に関する。また、本発明は、これら装入物の表面プロフィールを基に、装入物を補給して安定な操業を行う方法に関する。

例えば高炉では、鉄鉱石やコークスの堆積状態を適正にして、炉内のガスの流れを安定させることにより、燃料費低減や炉体の長寿命化が可能となる。適正な堆積状態を得るためには、これら装入物の表面プロフィールを短時間で正確に測定し、予め求めておいた理論的な堆積状態となるように装入物を補給する必要がある。表面プロフィールの測定方法として従来では、図９に示すように、炉壁１を貫通して炉内に挿入されるランス１０の先端に装着したアンテナ１１から装入物２０の表面に向けて検出波Ｍ１を発射し、装入物２０の表面からの反射検出波Ｍ２をアンテナ１１で受信し、ミキシングして得られるビート波の周波数により、アンテナ１１から装入物２０の表面までの距離を測定する方法が一般的であり、ランス１０を移動させながら測定することにより装入物２０の表面プロフィールを求めている。

しかしながら、上記のランス式検出装置では、ランス１０が直線状に移動するため、装入物２０の線状の表面プロフィール、即ち２次元の表面プロフィールしか得られない。また、ランス１０は炉の内径ほどの長さが必要であり、高荷重になるため、炉内に長く挿入しておくと自重により垂れ下がって炉から抜けなくなり、移動の際にもストロークも大きいため、炉外に大きなスペースが必要になる。更に、ランス１０を移動させるための駆動ユニットが別途必要であり、設備費や運転コストが高くなる。加えて、装入物の補給に際してランス１０が邪魔になるため、プロフィール測定中に装入物を補給することができず、測定した表面プロファイルに応じた迅速な装入操作ができない。

そこで本出願人は、図１０に示すように、 検出波送受信手段３１のアンテナ３２と、反射板３３とを対向配置した検出装置３０を提案している。この検出装置３０では、反射板３３が、高炉１の炉内側への傾斜角度Ｘが可変であり、更には、アンテナ３２の開口部の中心を通るアンテナ軸線を中心にした回動角度Ｙも可変であり、傾斜角度Ｘと回動角度Ｙとを制御することにより、図中符号Ｍで示す検出波は、装入物２０の表面を同心円状、あるいは螺旋状に走査することができ、３次元表面プロフィールを検出することができる。しかも、反射板３３の傾斜角度Ｘ及び回動角度Ｙを高速で可変できるため、短時間で測定可能である。

特許第５３９１４５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された検出装置３０では、傾斜角度Ｘと回動角度Ｙとを同時に、かつ、正確に、高速で制御しなければならず、傾斜角度Ｘ及び回動角度Ｙの制御に用いる反射板３３の駆動装置や制御装置への負担も大きい。

そこで本発明は、反射板並びにその駆動装置や制御装置を備えることなく、簡易な装置構成でありながらも、装入物の表面プロフィールを３次元的に検出できる検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の装入物の表面プロフィール検出装置及び操業方法を提供する。
（１）容器の頂部近傍の開口から、容器内の装入物の表面に向けて検出波を送信し、前記装入物の表面で反射された前記検出波を受信して前記装入物の表面プロフィールを検出する検出装置において、
前記検出波の発振及び検波を行うための送受信器と、前記送受信器ごとに接続するアンテナとを備える１つまたは複数の送受信手段と、
前記アンテナを前記開口に向けて取り付けた回転板と、
前記回転板の中心に取り付けられた回転軸と、
前記回転軸を、その軸線を中心に回動させるための駆動源とを備えるとともに、
前記回転板を回動させながら前記送受信手段による送受信を行い、前記装入物の表面を円に沿って線状に走査することを特徴とする装入物の表面プロフィール検出装置。
（２）前記アンテナの軸線と、前記回転軸の軸線との交差角度が可変であることを特徴とする上記（１）記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（３）前記送受信器が複数であり、それぞれ異なる前記スリットに取り付けられており、前記検出波による前記装入物の表面を走査する走査円の直径が互いに異なっていることを特徴とする上記（１）または（２）記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（４）前記送受信器が複数で、それぞれの前記アンテナにて同時に検出波の送受信を行うことを特徴とする上記（１）～（３）の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（５）前記送受信手段が無線信号伝送器と接続しており、送受信情報を無線により外部と通信することを特徴とする上記（１）～（４）の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（６）前記検出波が、マイクロ波またはミリ波であることを特徴とする上記（１）～（５）の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（７）前記開口と前記回転板との空間に、前記開口及び前記回転板の両方に対向する反射板を、配置したことを特徴とする上記（１）～（６）の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（８）前記容器が高炉、溶融炉、焼却炉またはホッパーであることを特徴とする上記（１）～（７）の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
（９）上記（１）～（８）の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置を用いて装入物の表面プロフィールを測定し、前記表面プロフィールを基に前記装入物を補給することを特徴とする操業方法。
尚、以降において、装入物の表面プロフィール検出装置を「検出装置」と略称することがある。

本発明によれば、簡易な装置構成でありながらも、装入物の表面プロフィールを３次元的に検出できる検出装置が提供される。

本発明の検出装置の第１実施形態を示す概略図である。 図１のＡＡ矢視図である。 図１の検出装置による検出波の装入物表面での走査様式を示す図である。 回転板の他の例を示す断面図である。 本発明の検出装置の第２実施形態を、図１に従って示す概略図である。 図５のＡＡ矢視図である。 図５の検出装置による検出波の装入物表面での走査様式を、図３に従って示す図である。 本発明の検出装置の第３実施形態を示す概略図である。 従来のランス式検出装置を示す概略図である。 特許文献１の検出装置を示す概略図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明するが、ここでは高炉を例にして説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の検出装置を、高炉１の軸線に沿って示す概略断面図であり、図２は図１のＡＡ矢視図である。高炉１には、装入物である鉄鉱石とコークスとが、交互に層をなして堆積している。

本発明の検出装置は、送受信手段１００と、送受信手段１００を取り付けた回転板１２０と、回転板１２０を回動させるための駆動源１３０とを備えており、高炉１の炉頂近傍の開口２に設置される。

回転板１２０は、図２に示すように円板であり、その中心に駆動源１３０の回転軸１３１が取り付けられている。回転軸１３１は、その軸線を中心にして駆動源１３０により図中矢印Ｒで示すように回動し、それに伴って回転板１２０も同方向に、回転軸１３１を中心に回動する。また、回転軸１３１にはエンコーダ１４０が連結しており、回転軸１３１の回動角度がエンコーダ１４０により検出される。

送受信手段１００は、検出波Ｍの発振及び検波を行うための送受信器１０１と、送受信器１０１に接続するアンテナ１０２とを備えており、アンテナ１０２を高炉１の開口２に向けて回転板１２０のスリット１２１（図２参照）に取り付けられている。尚、図示の例では、送受信器１０１とアンテナ１０２とが直結しているが、送受信器１０１を回転板１２０の板上適所に配置し、導波管や同軸ケーブルでアンテナ１０２と接続してもよい。

検出波Ｍとしては、炉内が高温で、浮遊物も多く存在していることなどからマイクロ波やミリ波を用いることが好ましい。特に、ミリ波はマイクロ波よりも波長が短く、指向性が高いことなどから好ましい。

検出波Ｍの送受信は、例えばＦＭ－ＣＷ方式で行うことができる。即ち、図１に示すように、送受信器１０１で発振された検出波Ｍはアンテナ１０２から送信され（送信波）、開口２を通じて炉内へと送られた後、装入物２０の表面で反射され、その反射波がアンテナ１０２に入射して送受信器１０１で検波され、送信波と反射波との周波数差（ビート周波数）からアンテナ１０２と装入物２０の表面との間の距離が測定される。従って、駆動源１３０により回転板１２０を回転させながら送受信手段１００による検出波Ｍの送受信を行うことにより、図３に示すように、検出波Ｍは装入物２０の表面を円に沿って走査し、走査円Ｓの各位置において装入物２０による反射波を検出し、走査円Ｓに沿った装入物２０までの距離情報が得られる。一方、エンコーダ１４０により回転軸１３１の回動角度が検出されるため、走査円Ｓ上の検出波Ｍの位置情報が得られる。そして、距離情報と位置情報とから、装入物２０の表面プロフィールとして、走査円Ｓに沿った堆積高さのプロフィールが得られる。

図３に示す走査円Ｓの直径は、任意に変えることができる。例えば、図１に示すように、検出波Ｍの伝搬軸と、回転軸１３１の軸線Ｃとがなす交差角度θにより変えることができる。アンテナ１０２から送信される検出波Ｍの伝搬軸は、アンテナ１０２の開口中心Ａｃを通る線（アンテナ軸線）と一致すると見做せるため、回転板１２０にアンテナ１０２を取り付ける際に、アンテナ軸線の回転板１２０への傾斜角度θ_Ａを調整する。

また、回転板１２０は、図４に示すように、断面が円弧状で、その半径に沿ってスリット１２１が形成されたものでもよい。この湾曲した回転板１２０は、駆動源１３０側が凸となるように設置される。スリット１２１にはアンテナ１０２が取り付けられるが、取付位置におけるスリット１２１の接線Ｋと、アンテナ軸線とが垂直、即ちアンテナ１０２の回転板１２０への傾斜角度θ_Ａ′が９０°の状態で取付けてもよい。この場合も、アンテナ軸線と回転軸１３１の軸線Ｃとの交差角度θが、アンテナ１０２のスリット１２１への取付位置により変わり、走査円Ｓの直径を変えることができる。

上記では検出波Ｍを一本の直線で示したが、実際には検出波Ｍはある広がりをもってアンテナ１０２から送信されるため、装入物２０以外、例えば図１に示す開口２の周壁２ａや側壁１ａでも反射され、その反射波が検出される。また、装入物２０の表面でも、走査円Ｓの周辺の装入物以外の物体（例えばランス）による反射波が検出されることがある。そこで、例えば「メディアンフィルタ処理」と称される補正を行うことが好ましい。

このメディアンフィルタ処理は、測定値（ａ、ｂ、・・・、ｍ、ｎ）を小さい値から大きな値に順に並べ、その中間値をＸとするとき、各測定値と中間値Ｘとの差分（ａ－Ｘ、ｂ－Ｘ、・・・ｍ－Ｘ、ｎ－Ｘ）を求め、差分が予め設定した閾値よりも大きい測定値（例えばａとｍ）を削除して新たな集合を作り、この新たな集合を実際の測定値として取り扱う手法である。本発明でもメディアンフィルタ処理することにより、本来の走査円上の高さよりも極端に高い、または低いものの測定値を除くことができる。

再び図１を参照して説明すると、上記の送受信手段１００による距離情報を、回転板１２０に取付けた無線信号伝送装置１５０で外部の演算回路（図示せず）に伝送するとともに、気密容器１６０に付設した無線信号伝送装置１５０により回転軸１３１の位置情報を演算回路に伝送することもできる。また、外部の制御手段（図示せず）からの送受信器１０１や回転軸１３１の動作を制御する制御信号を受信する。回転演算手段送受信手段１００は回転板１２０とともに回転するため、無線伝送することにより、距離情報を演算回路に送るための配線が不要になる。

上記の送受信手段１００や回転板１２０等の各部品は、耐熱耐圧性の気密容器１６０に収容される。回転板１２０は、その円周端部を支持板１６１により摺動可能に支持してもよい。

気密容器１６０は高炉１の開口２に取り付けられるが、この開口２を通じて、炉内の浮遊物や鉄鉱石片、コークス片が侵入する。そこで、検出波Ｍを透過する材料、例えばセラミック製の非通気性の隔壁１７０で開口２を塞ぐことが好ましい。また、隔壁１７０に浮遊物等が付着するため、開口２側にセラミック製のフィルタ１８０を付設し、気密容器１６０の取付部１６２に設けた貫通孔１６３を通じて隔壁１７０とフィルタ１８０との間の空間に窒素ガス（Ｎ_２）等を供給し、炉内側に噴出させてもよい。尚、フィルタ１８０としては、例えば、宇部興産株式会社製の「チラノ繊維」からなる織布を用いることができる。このチラノ繊維は、シリコン、チタンまたはジルコニウム、炭素、酸素から成るセラミックス繊維である。

（第２実施形態）
上記の第１実施形態は、検出波Ａによる走査円Ｓが一つの場合であるが、走査円Ｓを複数の同心円にすることにより、走査線Ｓに沿った堆積高さのプロフィールが複数得られ、各々のプロフィールを合成することで、装入物２０の表面プロフィールをより正確に知ることができる。

本実施形態では、図７に示すように、検出波Ｍによる走査円Ｓを３つの同心円Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃとする場合を例にして説明する。その装置構成を図５に、図１に従って示すが、ここでは送受信手段１００、回転板１２０及び駆動源１３０の周辺についてのみ記載して説明する。図示されるように、回転板１２０には３つの送受信手段１００ａ、１００ｂ、１００ｃが取り付けられている。３つの送受信手段１００ａ、１００ｂ、１００ｃでは、それぞれのアンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃから３つの検出波Ｍａ、Ｍｂ，Ｍｃが送信されるが、それぞれ回転軸１３１の軸線Ｃとの交差角度θが異なっており、送受信手段１００ａにおける検出波Ｍａとの交差角度をθａ、送受信手段１００ｂにおける検出波Ｍｂとの交差角度をθｂ、送受信手段１００ｃにおける検出波Ｍｃとの交差角度をθｃとする。尚、図の例では、回転軸１３１の軸線Ｃと、検出波Ｍａ，Ｍｂ、Ｍｃとの交差位置が異なっているが、同一になるようにアンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの回転板１２０との傾斜角度を調整してもよい。これにより、開口２の開口面積を小さくすることができる。

また、図６に示すように、回転板１２０には、面上を３等分する位置にそれぞれスリット１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃが形成されており、各スリットそれぞれに送受信手段１００ａ、１００ｂ、１００ｃのアンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが取り付けられている。その際、回転板１２０が平坦な円板である場合には、同図の点線で示す同一円上にて、各送受信手段のアンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを、それぞれの交差角度θａ、θｂ、θｃとなるように角度調整して取り付ける。また、図４に示したように、回転板１２０が湾曲面の場合は、スリット１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃへのアンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの取付位置、即ち回転軸１３１からの離間距離を互いに変えればよい。

図７に示すように、３つの送受信手段１００ａ、１００ｂ、１００ｃがそれぞれ、互いに直径の異なる３つの走査円Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃにて装入物２０の表面を走査するため、装入物２０の堆積状態をより正確に知ることができる。

尚、３つの送受信手段１００ａ、１００ｂ、１００ｃによる走査は、３つ同時でもよいし、スイッチにより切り替えて順に行うこともできる。即ち、図５に示すように、送受信器１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃのそれぞれにアンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを接続して送受信手段１００ａ、１００ｂ、１００ｃとして同時に送受信してもよいし、図示は省略するが、送受信器１０１を一つとし、アンテナ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを接続してスイッチでアンテナを切替えて送受信を順に行うこともできる。

（第３実施形態）
上記の第１実施形態及び第２実施形態はともに、高炉１の開口２の直上に検出装置を設置した状態を示しているが、炉内からの熱を避けるために、図８に示すように、開口２の直上に、開口２に対して例えば４５°傾斜する金属製の反射板２００を設置し、反射板２００と検出装置とを対向配置することもできる。尚、図８は、図１に示す検出装置を用いた場合を示す。また、図５に示すように複数の走査円Ｓａ、Ｓｎ、Ｓｃで走査する検出装置を用いることもできる。

図示される検出装置においても、送受信手段１００のアンテナ１０１から送信される検出波は、図中Ｍで示すように、反射板２００で反射されて開口２を通じて炉内へと進み、装入物（図示せず）の表面で反射されて、その反射波が反射板２００で反射して送受信手段１００へと至り、受信される。

以上、本発明に関して高炉１における装入物２０、即ち鉄鉱石やコークスの表面プロフィールの検出装置について説明したが、この検出装置はそのままの構成で、溶融炉における溶融金属の表面プロフィール、焼却炉におけるごみの表面プロフィール、ホッパーにおける穀物等の各種貯蔵物の表面プロフィールの検出にも応用することができる。

（操業方法）
本発明はまた、上記の検出装置で検出した装入物の表面プロフィールを、安定した高炉１等の操業を行うのに適した理論上の表面プロフィールに近づけて装入物の補給を行い、より安定した操業を行うことを含む。

例えば、高炉１では、検出装置で検出した表面プロフィールを基に、理論堆積状態よりも少ない箇所には多く、多い箇所には少なく鉄鉱石やコークスを補給して操業を行う。

１ 高炉
２ 開口部
２０ 装入物
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 送受信手段
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 送受信器
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ アンテナ
１２０ 回転板
１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ スリット
１３０ 駆動源
１３１ 回転軸
１４０ エンコーダ
１５０ 無線信号伝送装置
１６０ 気密容器
１７０ 隔壁
２００ 反射板

Claims (9)

1. 容器の頂部近傍の開口から、容器内の装入物の表面に向けて検出波を送信し、前記装入物の表面で反射された前記検出波を受信して前記装入物の表面プロフィールを検出する検出装置において、
   前記検出波の発振及び検波を行うための送受信器と、前記送受信器ごとに接続するアンテナとを備える１つまたは複数の送受信手段と、
   前記アンテナを前記開口に向けて取り付けた回転板と、
   前記回転板の中心に取り付けられた回転軸と、
   前記回転軸を、その軸線を中心に回動させるための駆動源とを備えるとともに、
   前記回転板を回動させながら前記送受信手段による送受信を行い、前記装入物の表面を円に沿って線状に走査することを特徴とする装入物の表面プロフィール検出装置。
2. 前記アンテナの軸線と、前記回転軸の軸線との交差角度が可変であることを特徴とする請求項１記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
3. 前記送受信器が複数であり、前記検出波による前記装入物の表面を走査する走査円の直径が互いに異なっていることを特徴とする請求項１または２記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
4. 前記送受信器が複数で、それぞれの前記アンテナにて同時に検出波の送受信を行うことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
5. 前記送受信手段が無線信号伝送器と接続しており、送受信情報を無線により外部と通信することを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
6. 前記検出波が、マイクロ波またはミリ波であることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
7. 前記開口と前記回転板との空間に、前記開口及び前記回転板の両方に対向する反射板を、配置したことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
8. 前記容器が高炉、溶融炉、焼却炉またはホッパーであることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置。
9. 請求項１～８の何れか１項に記載の装入物の表面プロフィール検出装置を用いて装入物の表面プロフィールを測定し、前記表面プロフィールを基に前記装入物を補給することを特徴とする操業方法。

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