WO2015133005A1

WO2015133005A1 - 高炉への装入物の装入及び堆積方法、装入物の表面検出装置、並びに高炉の操業方法

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Publication number: WO2015133005A1
Application number: PCT/JP2014/079114
Authority: WO
Inventors: 早衛萱野; 憲二黒瀬
Original assignee: 株式会社ワイヤーデバイス
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-09-11
Also published as: EP3115471A1; KR101740874B1; JP6405362B2; JPWO2015133005A1; KR20160122179A; EP3115471B1; EP3115471A4; US10415107B2; BR112016020497B1; US20170016080A1

Abstract

　送受信手段からの検出波をアンテナ及び反射板を介して高炉内に導き、装入物表面による反射波を反射板で反射して送受信手段で受信する際に、反射板をアンテナとともに回動させ、もしくは更に反射板を回動させてシュータの旋回中または所定旋回毎に装入物表面を線状もしくは面状に走査して装入物の表面プロフィールを測定する。この表面プロフィールを基に堆積プロフィールを求め、予め求めた理論堆積プロフィールと比較し、理論堆積プロフィールからの誤差を修正するようにシュータを制御して新たな装入物を装入する。そして、このような装入方法を用いて高炉を操業する。

Description

高炉への装入物の装入及び堆積方法、装入物の表面検出装置、並びに高炉の操業方法

　本発明は、マイクロ波やミリ波等の検出波を高炉内に送り、炉内に装入された鉄鉱石やコークスで反射された検出波を検波して装入量や表面のプロフィールを検出する装置に関する。また、本発明は、高炉に装入される鉄鉱石やコークス等の装入物の堆積プロフィールを制御する技術に関する。

　高炉では、炉頂の近傍に開口部を設け、開口部を通じて検出波を炉内に送信し（送信波）、炉内に装入された鉄鉱石やコークスで反射された検出波（反射波）を受信し、送信波と反射波との時間差等から鉄鉱石やコークスまでの距離や表面のプロフィールを検出することが行われている。尚、検出波としては、高温で使用でき、炉内の浮遊物や水蒸気等の影響を受けにくいことから、マイクロ波やミリ波が使用されている。

　検出装置として、例えば特許文献１では、図１２に示すように、高炉６の内部に挿入されるランス１の先端開口近傍にアンテナ２を通じて、マイクロ波送受信手段３からのマイクロ波を炉内の装入物７（鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂ）に向けて送信し、装入物７の表面で反射されたマイクロ波をアンテナ２で受信してマイクロ波送受信手段３で検波し、送信と受信との時間差から装入物７の表面までの距離を求めている。その際、ランス１を炉壁５から、炉心（破線４で示す）に向かって往復させることにより、装入物７の堆積プロフィールを求めている。

　しかし、特許文献１の検出装置では、ランス１は、炉の半径ほどの長尺物であり、自重により下方に垂れ下がって炉から抜けなくなったり、移動のためのストロークも長く炉外に大きなスペースが必要になる。また、ランス１を移動するための駆動ユニットも必要になる。そこで、本出願人は先に、特許文献２において、高炉の開口部の直上に反射板を配設し、反射板の反射面と対向してアンテナを配設し、検出波の送受信手段からアンテナを介して送信波を送信し、反射板の反射面で反射して開口部を通じて炉内に入射させ、炉内の鉄鉱石やコークスで反射された反射波を開口部を通じて反射板に入射させて再度反射させて送受信手段に送るとともに、角度可変手段により反射面の反射角度を変えることで送信波を鉄鉱石やコークスの表面を走査させて表面プロフィールを検知する検出装置を提案している。

　しかし、この特許文献２の検出装置では、アンテナを固定し、アンテナと対向して反射板を配置するとともに、反射板の裏面（アンテナとは反対側の面）に角度可変装置を配置している。アンテナには送受信手段が連結しているため、アンテナと反射板とを対向配置すると、送受信手段、アンテナ、反射板及び角度可変手段がほぼ一列に配置され、送受信手段から角度可変手段までの距離が長くなる。

　また、高炉では、図１２にも示すように、通常、炉頂から大ベル８（ベル式装入装置）やシュータ（図１参照：符号１０）により鉄鉱石７ａとコークス７ｂとを交互に装入して層状に堆積させ、これら装入物７の堆積プロフィールが蟻地獄の如き逆鐘状になるように堆積して操作を行う。

　高炉を安定して操業するための重要な要因の１つに、炉内のガス流の分布がある。このガス流の分布は、鉄鉱石やコークスの堆積状況と密接な関係があり、通常は、実験によりガス流の分布が最適となる堆積状態、即ち堆積物の傾斜面の角度や、鉄鉱石の堆積層とコークスの堆積層との層厚比等が最適となるような理論堆積プロフィールを求め、実際の堆積状態が理論堆積プロフィールと合致するように大ベルやシュータの動作を制御している。

　特許文献１の検出装置でも、測定を、鉄鉱石７ａ及びコークス７ｂの各々が理論堆積プロフィールに合わせて所定の厚さとなるように堆積の都度行い、鉄鉱石７ａ及びコークス７ｂの各堆積層の厚さが装入毎に変動しないように、ムーバブルアーマ９の移動範囲（傾斜角度）を制御している。

　実際の堆積プロフィールを理論堆積プロフィールにより近づけるためは、測定頻度を増すことが必要であるが、特許文献１の方法では、鉄鉱石７ａやコークス７ｂの装入の際にランス１が障害物になるため、鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂを装入している間はランス１を炉外に引き抜く必要があり、一回の装入が完了するまでは鉄鉱石７ａやコークス７ｂの堆積プロフィールを測定することができない。また、ランス１の往復にも時間がかかるため、迅速な測定ができない。そのため、理論堆積プロフィールとの乖離が大きくなるのが現実である。

　また、鉄鉱石７ａやコークス７ｂを交互に装入する手段として、上記したように、シュータの旋回により鉄鉱石７ａやコークス７ｂを炉内に装入し、堆積させる方式も知られている。このシュータを用いる方式でもマイクロ波測定装置を炉頂近傍に装着し、マイクロ波で鉄鉱石７ａやコークス７ｂの堆積表面を走査して堆積プロフィールを測定することができるが、上記したランス１を用いる方法をはじめ、従来のマイクロ波測定装置では堆積表面の走査に時間がかかり、測定頻度において改善の余地がある。

　更には、炉内の全面にわたり鉄鉱石７ａやコークス７ｂの堆積プロフィールを測定することができれば、より正確な装入作業を行うことができる。そのためには、マイクロ波を２次元的に走査させる必要があり、特許文献２の検出装置では反射板を、両端に設けた支軸を中心にして回動自在に支持部材に取り付けるとともに、支持部材をその軸線を中心に回転させ、それとともに反射板の裏面に取り付けた棒状片を、支軸と直交するように直線的に移動させることにより、反射面の炉側への傾斜角度を２次元的に変える構成にすることも提案している。

　しかし、このような反射板の回動機構は、支持部材の回動と、棒状片の移動とを同時に制御しなければならず、回動機構は複雑で測定装置の大型化を招く。しかも、支持部材の回動と棒状片の移動の両方の動作を正確に制御しなげればならず、動作を更に早めるにはかなりの困難を伴うことが予想される。また、高炉は高圧、高温下にあり、鉄鉱石やコークスの衝突、粉塵の侵入等の問題もあり、それらの解決も十分には行われていない。

日本国特開平７－３４１０７号公報日本国特許第５３９１４５８号公報

　そこで本発明は、装置を小型化するとともに、装入物の表面を面上に走査する際にも反射板の回動機構を簡素化して制御をより正確に行えるようにし、更には測定をより迅速に行うことにより鉄鉱石やコークスの堆積プロフィール測定をシュータの旋回毎、もしくは所定旋回毎に行うことで、実際の堆積プロフィールを理論堆積プロフィールにより近づけて最適な高炉操業を行うことを目的とする。

　上記課題を解決するために本発明は、下記に示す高炉への装入物の装入及び堆積方法、装入物の表面検出装置、並びに高炉の操業方法を提供する。
（１）高炉の炉頂近傍に設けた開口部の直上に配設され、反射面が開口部側に向けて傾斜した反射板と、反射板の反射面と対向配置されるアンテナと、アンテナと検出波送受信手段とを連結する導波管とを備え、アンテナからの検出波を反射板の反射面で反射して開口部を通じて炉内に入射させ、炉内の装入物で反射された検出波を、開口部を通じて反射板の反射面に入射させてアンテナに送り、検出波送受信手段で検波して装入物の表面までの距離や表面プロフィールを検出する装置において、
　導波管を、該導波管の軸線を中心に所定角度で回動させる導波管回動手段を備え、
　アンテナと反射板とを連結部材により連結し、導波管回動手段によるアンテナの回動とともに反射板を導波管の軸線を中心に回動させることを特徴とする高炉内装入物の表面検出装置。
（２）反射面を所定の角度でアンテナ側及び反アンテナ側に傾斜させる反射板回動手段を備え、反射板回動手段と導波管回動手段とにより検出波を２次元的に走査することを特徴とする上記（１）記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（３）反射板回動手段が、反射板の裏面において、導波管の軸線上に設置され、導波管と一体に回動することを特徴とする上記（２）記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（４）反射板の直径両端に支軸が取り付けられ、連結部材から延出する支持部材に支軸を中心に反射板が回動自在に支持されているとともに、
　反射板回動手段が、導波管の軸線に沿ってアンテナ側または反アンテナ側に直線移動するピストンロッドと、一端がピストンロッドの先端に取り付けられ、他端が反射板の裏面に、反射板の回転中心の上方または下方にずらして取り付けられた棒状部材とを備えるとともに、ピストンロッドにより、棒状部材の他端と反射板の裏面との取り付け部分をアンテナ側または反アンテナ側に向かって移動させることを特徴とする上記（２）または（３）記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（５）アンテナがホーンアンテナであり、反射板の反射面が、アンテナのアンテナ面とは反対側に凸状に湾曲した凹面であることを特徴とする上記（１）～（４）の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（６）アンテナがレンズ付ホーンアンテナであり、反射板の反射面が平面であることを特徴とする上記（１）～（４）の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（７）アンテナの開口を耐熱材料からなる非通気性の隔壁で覆うことを特徴とする上記（１）～（６）の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（８）非通気性の隔壁の反射板側の前面に耐熱材料からなるフィルタが配置されていることを特徴とする上記（７）記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（９）反射板の反射面に不活性ガスを吹き付けることを特徴とする上記（１）～（８）の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（１０）非測定時に、導波管とともに反射板を１８０°回動し、反射板の裏面を高炉の開口部と対向させることを特徴とする上記（１）～（９）の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
（１１）シュータにより、鉄鉱石やコークス等の装入物を高炉の内部に装入し、堆積させる方法であって、
　上記（１）～（１０）の何れか１項に記載の表面検出装置を備えるとともに、
　検出波により装入物の表面を走査する送受信作業を、シュータの１旋回内もしくは所定旋回回数内に完了し、
　シュータの旋回中または所定旋回毎に、装入物の表面プロフィールを測定しながら装入物を装入することを特徴とする高炉内への装入物の装入及び堆積方法。
（１２）表面プロフィールを基に装入物の堆積プロフィールを求め、予め求めた理論堆積プロフィールと比較し、理論堆積プロフィールからの誤差を修正するようにシュータを制御して新たな装入物を装入することを特徴とする上記（１１）記載の高炉への装入物の装入及び堆積方法。
（１３）上記（１１）または（１２）に記載の方法により高炉内に装入物を装入し、堆積させて高炉を操業することを特徴とする高炉の操業方法。

　本発明の検出装置では、アンテナとともに反射板を回動させるため、反射板用の角度可変手段が不要になり、角度可変手段の分だけ全長を短くして省スペースすることができる。また、装入物の表面を面上に走査する際にも、反射板の炉側への傾斜を制御するだけでよく、反射板の回動機構及び制御を簡素化することができる。

　また、鉄鉱石やコークスの堆積プロフィールの測定を迅速に行うことができ、シュータが所定回数旋回した後、もしくは装入の都度行うことができ、例えば理論堆積プロフィールに合致するように装入し堆積させる場合には、理論堆積プロフィールとの誤差を極力無くして鉄鉱石やコークスを堆積して最適な高炉操業を行うことができる。更に、装入物の表面を面上に走査することを迅速に行うこともでき、より正確な堆積を可能にする。

本発明に係る装入物の装入及び堆積方法を実施するための測定装置の全体構成を示す図である。鉄鉱石の堆積プロフィールを説明するための図である、測定装置の他の例を示す図である。測定装置の更に他の例を示す図である。図３または図４の矢印Ａ方向から見た断面図である。挿入物の表面を面状に走査できる測定装置の一例を示す図である。図６に示す測定装置の反射板の周辺構造を矢印Ｂ方向から見た図である。挿入物の表面を面状に走査する場合の、走査様式を説明するための図である。面状に走査して得られる２次元的プロフィールを示す図である。挿入物の表面を扇状に走査する場合の、走査様式を説明するための図である。扇状に走査して得られる３次元的プロフィールを示す図である。従来の堆積プロフィールの測定方法を示す断面図である。

　以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

　図１は本発明方法を実施するための装置構成を示す図であり、図９に従い高炉の断面に沿って示している。

　高炉６の炉頂には、鉄鉱石７ａやコークス７ｂを装入するためのシュータ１０が配設されており、シュータ１０は矢印Ｒで示すように水平方向への旋回、及び矢印Ｖで示すように振り子運動を組み合わせた動きにより投下口１１から鉄鉱石７ａやコークス７ｂを炉内の所定位置に装入する。また、装入物７（鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂ）の堆積プロフィールを測定するための測定装置１００が炉頂付近、例えばシュータ１０の側部の炉外に設置される。

　測定装置１００は、検出波の送受信手段１１０に導波管１１２を通じて連結するアンテナ１１１と、金属製の反射板１２０とが対向して配置されており、反射板１２０の反射面１２０ａが高炉６の開口部６ａを向くように４５°下方に傾斜している。尚、検出波としては、熱や炉内の水蒸気等の影響を受けにくいマイクロ波やミリ波を用いる。

　また、反射板１２０とアンテナ１１１とが、連結部材１１５により連結されている。連結部材１１５は、筒状体であり、その一端がアンテナ１１１の開口周縁に形成されたフランジ部１１１ａに固定され、他端の適所に、例えば図示されるように反射板１２０の反射面１２０ａの上端部分１２１が取り付けられる。アンテナ１１１と反射板１２０とが連結部材１１５により最短距離で連結しているため、アンテナ１１１から反射板１２０に達する検出波の漏れ分が無くなり、検出波の発振電力を有効に使えるとともに、漏れた検出波による不要反射が無く、この不要反射と鉄鉱石７ａやコークス７ｂからの反射とが位相干渉することも無いため測定精度が高まり、信頼性が向上する。

　更に、アンテナ１１１には導波管１１２が取り付けられており、図中に矢印Ｘで示すように、この導波管１１２を、導波管１１２の軸線を中心に時計回りまたは反時計回りに回動自在にする。回動させるには、モータ１３０によりモータ側ギア１３１を回転させ、その回転を導波管１１２に取り付けた導波管側ギア１３２に伝達する。

　尚、導波管１１２には送受信手段１１０が連結しており、この送受信手段１１０も導波管１１２の回動に伴って回動するが、導波管１１２と送受信手段１１０とをカプラー１３５等により分離することにより、送受信手段１１０は固定のままで、導波管１１２のみを回動させることもできる。

　上記構成の測定装置１００では、図中Ｍで示すように、送受信手段１１０からの検出波がアンテナ１１１から送信され、反射板１２０の反射面１２０ａで反射されて開口部６ａを通じて高炉６の内部へと進行する。そして、図中Ｒで示すように、炉内に堆積している鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂで反射された後、同経路を経て送受信手段１１０で受信される。その際、モータ１３０により導波管１１２を回動させることにより、アンテナ１１１とともに反射板１２０が回動し、検出波が紙面とは垂直方向に振られ、その結果、高炉６の鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂの表面を線状に走査し、その距離情報を基に鉄鉱石７ａやコークス７ｂの堆積プロフィールを知ることができる。

　尚、本説明では、測定装置１００の構造を示すために、図１に示すように反射板１２０を紙面と直交して配置しているが、測定装置１００全体を９０°手前側に回転させることもでき、その場合、検出波は紙面の左右方向に振られる。

　本発明によれば、検出波の送受信の際に反射板１２０の反射面１２０ａによる反射角度の変化を、モータ１３０により導波管１１２を所定角度回転させるだけで実施できることから、特許文献１のようなランス１を往復移動させる方法に比べて格段に迅速に行うことができる。具体的には、シュータ１０が１旋回する間に測定を完了することができる。一般的な高炉ではシュータ１０の旋回速度は８ｒｐｍ程度であり、１旋回に要する時間は７．５秒程度であるが、測定装置１００はこのような短時間での測定に十分対応できる。そのため、シュータ１０の１旋回毎に鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂの堆積プロフィールを測定することができ、予め求めた理論堆積プロフィールとの誤差がある場合でも、新たな装入の際に迅速、かつ正確に修正することができる。

　図２は図１の部分拡大図であるが、鉄鉱石７ａの堆積を例示して説明する。予め堆積している鉄鉱石７ａの堆積プロフィールをＰ０とすると、シュータ１０をＶ方向への回転角度θ１にて旋回させると、新たな鉄鉱石７ａが堆積プロフィールＰ０の上に、シュータ１０の回転角度θ１に応じた位置を起点として堆積され、このときの堆積プロフィールを測定装置１００で測定してその堆積プロフィールＰ１を得る。次いで、シュータ１０をＶ方向への回転角度θ２にて新たに旋回させると、新たな鉄鉱石７ａが堆積プロフィールＰ１の上に、シュータ１０の回転角度θ２に応じた位置を起点として堆積され、そのときの堆積プロフィールを測定装置１００で測定してその堆積プロフィールＰ２を得る。このようなシュータ１０の旋回及び測定装置１００による測定を繰り返すことにより、最終的に鉄鉱石７ａの堆積プロフィールＰｎが得られる。このとき、シュータ１０の旋回毎に理論堆積プロフィールと比較しながら、実際のシュータ１０の旋回様式（Ｖ方向への回転角度）を制御することができる。

　また、コークス７ｂについても同様に、シュータ１０の旋回毎に堆積プロフィールを測定することができる。

　従来は、鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂをある程度厚く堆積させてから堆積プロフィールを測定していたため、理論堆積プロフィールに合致するように新たな装入の際に修正することは困難であったが、本発明によればシュータ１０の旋回中、もしくは１回の旋回に伴う少ない堆積量毎に堆積プロフィールを測定できるため、理論堆積プロフィールに合致させることが容易になる。

　また、鉄鉱石７ａの堆積層の厚さと、コークス７ｂの堆積層の厚さとの比率の理論値が決められているが、上記のようにシュータ１０の旋回毎に細かな堆積プロフィールを測定できることから、従来のように厚くコークス７ｂを堆積することがなくなり、コークス７ｂの使用量を削減することができる。

　上記において、シュータ１０は筒状体であることから、測定装置１００からの検出波がシュータ１０に当たる確率は低く、測定に支障は実質的に無い。検出波に当たったとしても、瞬間的であり、しかも、シュータ１０は鉄鉱石７ａやコークス７ｂよりも炉頂側に位置するため、検出される反射波Ｒは特定の位置に現れて堆積プロフィールと区別することができる。また、シュータ１０を旋回させたときの検出パターンを測定しておき、堆積プロフィールから除去するように処理してもよい。

　あるいは、測定装置１００の反射板１２０をシュータ１０の旋回位置よりも下方（炉底側）に配置することにより、シュータ１０で邪魔されることなく送受信を行うこともできる。

　また、シュータ１０が障害になることを防ぐために、シュータ１０の１旋回毎に堆積プロフィールを測定してもよい。

　信号処理はＦＭＣＷ方式が一般的であるが、このＦＭＣＷ方式ではスイープ期間と信号処理期間とで構成されており、スイープ期間は送受信手段１１０の発振器の周波数をスイープし、そのスイープ期間にビート信号をサンプリングしてサンプリングデータを求め、信号処理期間でサンプリングデータをＦＥＴ処理してビート信号の周波数スペクトルが最大となる周波数を求め、その周波数を距離換算して測定距離値を得ている。そのため、スイープ期間と信号処理期間とをシーケンシャル処理すると処理時間がかかるため、スイープ期間の制御に割り込み処理を施してサンプリングデータを取り込むバッファにトグルバッファを採用して時間短縮を行うことが好ましい。これにより、サンプリングデータをトグルバッファの一方に取り込んでスイープ期間の処理と、一つ前のスイープ期間でのサンプリングデータの取り込みが完了しているもう一方のサンプリングデータを使用してバックグランドの信号処理を行うことができ、結果としてスイープ期間の処理と、信号処理期間の処理とが見かけ上同時に行なわれ、処理時間を短縮することができる。そのため、測定装置１００による検出波による走査と相俟って、堆積プロフィールの測定をより迅速に行う。

　尚、理論堆積プロフィールは、従来と同様に炉内のガス流の分布が最適となる堆積状態を実験的に求めることができる。

　上記は理論堆積プロフィールと合致するようにシュータ１０を制御して鉄鉱石７ａやコークス７ｂを装入し、堆積させることを目的としたものである。しかしながら、理論堆積プロフィールの通りに堆積させても、鉄鉱石７ａやコークス７ｂが堆積した傾斜面から滑落することがある。これは、理論堆積プロフィールを作製する際に想定した鉄鉱石７ａやコークス７ｂの粒径や水分量等の性状が、実際に装入される鉄鉱石７ａやコークス７ｂの性状と異なることが主な理由と考えられる。

　しかし、本発明によれば、実際の堆積プロフィールをシュータ１０の旋回と同時に、もしくは旋回毎に測定できるため、実際に堆積した鉄鉱石７ａやコークス７ｂが滑落した場合に、その堆積状態を即座に検知して理論堆積プロフィールにフィードバックすることができる。このように、本発明によれば、理論堆積プロフィールを検証することも可能である。

　本発明において、測定装置１００は種々の変更が可能である。例えば、上記ではアンテナ１１１としてホーンアンテナを用いているが、特に検出波としてミリ波を用いる場合、ホーンアンテナは、指向性を高めるために通常はホーン全長を１６００ｍｍ程度としている。そこで、図３に示すように、反射板１２０の反射面１２０ａを、アンテナ１１１のアンテナ面とは反対側に凸状に湾曲した凹面にすることにより、ホーンアンテナのホーン長を２００ｍｍ程度にまで短くすることができる。尚、ホーンアンテナのホーン開口形状は丸型でも、角型であってもよい。

　あるいは、図４に示すように、アンテナ１１１をレンズ付ホーンアンテナにしてもよい。レンズ１１３は、セラミックスやガラス、フッ素樹脂等の誘電体からなる半凸状体であり、ホーンアンテナからのミリ波を収束して送信することができる。レンズ付ホーンアンテナを用いた場合は、反射板１２０の反射面１２０ａを平面にする。このような構成によっても、ホーンアンテナのホーン長さを同様に短くすることができる。

　尚、アンテナ１１１として、パラボラアンテナを用いることもでき、その場合は、レンズ１１３を付設することなく、また反射板１２０の反射面１２０ａも平面にする。

　また、高炉６からは、開口部６ａを通じて粉塵や高温のガスが反射板１２０へと侵入する。そこで、図３に示すように、連結部材１１５の開口部を、検出波を透過する材料からなる通気性のフィルタ１４０で覆う。このフィルタ１４０として、例えば宇部興産（株）製の「チラノ繊維」からなる織物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、ジルコニウム、炭素及び酸素からなるセラミック繊維であり、これを面状に編んだものは、耐熱性の通気材料となる。

　更に、連結部材１１５のフィルタ１４０とアンテナ１１１との間の適所に、空気等の気体や粉塵等の固体を透過せず、検出波を透過する材料からなる耐熱性の非通気性隔壁１４５を配設し、フィルタ１４０とアンテナ１１１との間の空間を区画してもよい。この非通気性隔壁１４５は、例えばセラミックボードとすることができる。非通気性隔壁１４５により、高炉６からの熱を遮断することができる。

　そして、反射板１２０、フィルタ１４０、非通気性隔壁１４５及びアンテナ１１１を耐圧容器１５０に収容するとともに、ガス供給口１５１を通じて耐圧容器１５０に高圧の不活性ガス（例えば窒素ガス）を供給する。連結部材１１５には、フィルタ側に傾斜している通気孔１１６が複数形成されており、ガス供給口１５１は、この連結部材１１５の直上付近に設けられる。導波管１１２を回動させると、それに伴って連結部材１１５も回動し、通気孔１１６がガス供給口１５１に到達すると、ガス供給口１５１からの不活性ガスが通気孔１１６を通じてフィルタ１４０に向かって噴出され、フィルタ１４０に付着した炉内からの粉塵を払い落とすことができる。また、不活性ガスは、フィルタ１４０を透過して反射板１２０の反射面１２０ａにも到達するため、反射面１２０ａに付着した粉塵も払い落とすことができる。

　一方、連結部材１１５の通気孔１１６がガス供給口１５１の付近に無い場合は、がス供給口１５１からの不活性ガスは耐圧容器１５０と連結部材１１５との隙間に供給されるため、この隙間への粉塵の侵入を防いだり、この隙間に侵入した粉塵を除去することができる。

　このように、連結部材１１５の回動に伴って、通気孔１１６がガス供給口１５１に到達したり、ガス供給口１５１から離間することを繰り返すことにより、不活性ガスの流れも変わり、連結部材１１５も振動し、その振動がフィルタ１４０にも伝わる。そして、この振動によってもフィルタ１４０に付着している粉塵が払い落とされる。更には、反射板１２０が正逆方向に回動するたびに、モータ側ギア１３１及び導波管側ギア１３２が反対方向に切り替えられるため、そのときの振動が導波管１１２を通じてアンテナ１１１、連結部材１１５、更にはフィルタ１４０へと伝わり、フィルタ１４０に付着している粉塵が振動により振い落とされる。

　上記のように非通気性隔壁１４５により高炉６からの熱を遮断しているが、断熱をより確実にするために、アンテナ１１１と導波管１１２との連結部、あるいは導波管１１２の送受信手段１１０により近い位置に、フッ素樹脂やセラミックス等の検出波を透過する材料からなる栓部材１６０を挿入してもよい。

　その他にも、図示は省略するが、耐圧容器１５０の反射板１２０及びフィルタ１４０の直上部分を開口して窓を設け、非測定時に、導波管１１２及び反射板１２０を１８０°回動させて反射面１２０ａ及びフィルタ１４０を窓に対面させることにより、反射面１２０ａ及びフィルタ１４０の粉塵付着状況を観察することができる。上記のように、反射面１２０ａやフィルタ１４０は不活性ガスや振動により付着した粉塵を除去するころができるが、除去が不十分なことがあり、窓を通じて粉塵の付着状況を観察し、粉塵の除去が必要な場合は窓を開放して清掃作業を行うことができる。

　このように、非測定時に導波管１１２及び反射板１２０を１８０°回動させることにより、反射板１２０の裏面（反射面１２０ａとは反対側の面）が高炉６の開口部６ａと対向するため、高炉６から吹き上げられた鉄鉱石やコークスが開口部６ａを通じて装置内に飛来してきても、反射板１２０の裏面に当り、フィルタ１４０を破壊することもない。

　また、高炉６の開口部６ａと測定装置１００との間、例えば、耐圧容器１５０の連結部１３１に仕切弁を設け、測定時には開状態とし、非測定時には閉状態とするともできる。

　更には、上記したように、検出波は紙面に垂直な方向に振られるが、このときの検出波の進行を妨げないように、図５に示すように、耐圧容器１５０の開口部６ａとの連結部１５２を、反射板１２０の反射面１２０ａの回動角度θ（振り幅）に対応して高炉側に漸次拡径する扇形に形成する。

　上記の測定装置１００は、アンテナ１１１と反射板１２０とを連結して同一方向に回動させるため、マイクロ波やミリ波は線状に振られて高炉内に送られ、受信される。即ち、マイクロ波やミリ波は、紙面に垂直方向に線状に走査され、線状の表面プロフィールが得られる。上記したように、炉内の全面にわたり表面プロフィールを測定することができれば、より正確な装入作業を行うことができるため、上記した測定装置１００において、反射板１２０を導波管１１２の回動方向Ｘに加え、反射面１２０ａの炉内側への傾斜角度を変える構成とする。

　図６及び図７（図６の矢印Ｂ方向から見た図）は、そのような測定装置の一例であるが、図示される測定装置１００では、反射板１２０の直径両端にピン状の支軸１２１，１２１が突出して設けられており、支軸１２１，１２１を連結部材１１５から延出する２つの支持部材１１７，１１７により、導波管１１２の軸線と同一の水平位置となるように支持する。そのため、反射板１２０は、支軸１２１，１２１を中心に矢印Ｙ方向に回動自在に支持されているとともに、連結部材１１５及び支持部材１１７，１１７を介して、上記と同様に導波管回動手段によりアンテナ１１１と同方向（矢印Ｘ方向）に回動する。

　また、反射板１２０の裏面には、支軸１２１，１２１よりも水平位置で上方に取付片１２２が設けられており、シリンダ１２５のピストンロッド１２６の先端部に連結する棒状部材１２７が連結している。尚、取付片１２２は、図では支軸１２１の上方に設けられているが、支軸１２１の下方に設けてもよい。そして、シリンダ１２５を駆動することにより、ピストンロッド１２６が矢印Ｆのように前進（図中右側に移動）または後退（図中左側に移動）し、ピストンロッド１２６が前進したときには棒状部材１２７と連動して取付片１２２もアンテナ側に移動し、それに伴って反射面１２０ａが高炉側を向くように反射板１２０を傾斜させる。一方、ピストンロッド１２６が後退したときには、取付片１２２を反アンテナ側に移動させ、それに伴って反射面１２０ａがアンテナ側を向くように反射板１２０を傾斜させる。このようなリンク機構により、シリンダ１２５の駆動により、反射板１２０を支軸１２１，１２１を中心に、矢印Ｙ方向に回動させることができる。それにより、マイクロ波またはミリ波は、Ｍ（Ｒ）で示すように図中左右方向に振られて炉内へと送られる。

　そして、反射板１２０をＸ方向への回動と、Ｙ方向への回動とを組み合わせて行うことにより、マイクロ波またはミリ波を２次元的に走査させることができる。その際、Ｘ方向への回動は導波管１１２を回動させるモータ１３０及びギア１３１，１３２で行い、Ｙ方向への回動はシリンダ１２５で行うため、特許文献２のように、反射板１２０のＸ方向及びＹ方向への傾斜の制御を一つの装置で行う場合に比べて簡素に行うことができ、走査に要する時間の更なる短縮にも容易に対応することができる。

　尚、この場合も、反射面１２０ａへの粉塵等の付着を防止することが好ましく、ガス供給口１５１ａを反射板１２０の上端近傍に設け、そこから耐圧容器１５０に高圧の不活性ガス（例えば窒素ガス）を供給する。図３及び図４に示した測定装置１００では、フィルタ１４０を透過させて不活性ガスを吹き付けていたが、ここでは反射板１２０がフィルタ１４０から離れているため、フィルタ１４０からの不活性ガスが反射面１２０ａに十分に到達しないため、ガス供給口１５１ａを反射板１２０に近づけて設け、不活性ガスを反射面１２０ａに直接吹き付ける。

　また、開口部６ａが広く、ピストンロッド１２６や棒状部材１２７が露出しているため、炉内から吹き上がった鉄鉱石７ａやコークス７ｂがこれらに直接衝突する。そこで、反射板１２０の裏面全体を追うような金属製のカバー１７０を付設し、測定しない間はアンテナ１１１や反射板１２０とともに１８０°回転させてカバー１７０を開口部側に移動してピストンロッド１２６や棒状部材１２７、反射板１２０を炉内からの鉄鉱石７ａやコークス７ｂの衝突からの防御や、粉塵の侵入を防ぐことが好ましい。あるいは、図示は省略するが、開口部６ａを塞ぐように、マイクロ波またはミリ波を透過する材料からなるガード部材を付設してもよい。

　その他の構成には変わりはなく、例えば隔壁１４５を設置したり、レンズ付きホーンアンテナの代わりに図３に示したような単なるホーンアンテナとし、反射面１２０ａを湾曲させてもよい。但し、マイクロ波またはミリ波を２次元的に走査するため、マイクロ波またはミリ波の進行を妨げないように、図５に示した連結部１５２の代わりに、高炉６の開口部６ａに向かって開口径が漸次拡大する角錐状または円錐状とする。

　図８は、上記の反射板１２０をＹ方向にも回動させる方式の測定装置１００を用いて、炉内を面上に走査する概略図であり、図９はその結果を示す一例である。図９に示すように、反射板１２０のＸ方向及びＹ方向への回動により装入物までの距離の分布が３次元的（面状分布と深さ分布）に得られる。尚、同図のＸ軸の数値は、反射板１２０のＸ方向への回動角度であり、Ｙ軸の数値は反射板１２０のＹ方向への回動角度であり、各プロットは、Ｘ方向にある角度で回動させ、Ｙ方向にある角度で回動させたときの装入物表面までの距離を示している。例えば、プロットＰは、反射板１２０をＸ方向に－２４°、Ｙ方向に－２０°回動させてマイクロ波またはミリ波を炉内に送信したときに得られた挿入物までの距離をしており、反射位置と、その位置での深さの情報が得られる。そして、このようなプロットがＸ方向及びＹ方向に連続して得られ、装入物の表面プロフィールを３次元的に得ることができ、それを基に炉心より放射状のプロフィールに変換して、円周バランスが見やすいようなプロフィールを作成することができる。また、反射板１２０のＸ方向及びＹ方向への回動角度を増すことにより、Ｘ方向及びＹ方向の計測範囲を延長することもできる。

　ここで、Ｙ方向の０°を挟んで上下６種類の角度に対応するライン状のプロフィールは、円周バランスがとれている場合は全て同一となる。そのため、これらのプロフィールに差が出た時に、円周バランスが取れていないことを判断することができ、例えば異常警報を発することができる。また、Ｙ方向０°のプロフィール（ラインＬ）を「基準プロフィール」とし、それと異なるプロフィールが発現したときに異常と判断することもできる。

　また、上記の反射板１２０をＹ方向にも回動させる方式の測定装置１００を用いて、図１０に示すように、炉内を扇状に走査することもできる。図１１はその結果を示す概略図である。扇状に走査するために、反射板１２０を、炉心（Ｘ＝－２４°、Ｙ＝０°）から徐々にＸ方向への回動角度を増すとともに、Ｙ方向にも回動角度を増やす。この場合も、円周バランスがとれている場合は、全てのプロフィールが同一になるが、これらのプロフィールに差が出た時に、異常警報を発することができる。

　図１や図９、図１１に示したように、装入物は炉の中心に向かって徐々に深くなるように堆積され、理想的には各部での傾斜の傾き具合が同一になる。しかし、各部での傾き具合が異なるため、図９や図１１に示す表面プロフィールを基に、上記した警報による報知に加えて、各部での傾き具合が同じになるようにシュータ１０の旋回速度を変えるなどして鉄鉱石７ａまたはコークス７ｂの供給量を調整する。

　尚、図１～４に示す測定装置１００のように、反射板１２０をＸ方向のみに回動させる場合は、図９や図１１に示すＹ＝０°に示すラインＬのように、Ｘ方向の表面プロフィールが線状に得られるだけであり、Ｙ方向に回動させた時に得られる他のラインの傾き具合との比較ができない。これに対し、上記のように表面プロフィールを３次元的に測定することにより、鉄鉱石７ａやコークス７ｂを理論プロフィールにより近づけて堆積することができ、より良好な状態で高炉の操業が可能になる。

　また、シュータ１０による表面プロフィールの修正制御と、羽口に供給する微粉炭供給装置の制御とを相関的に行えば、炉内に供給するコークス量を必要最低にでき、従来よりも消費量を削減することができる。

　上記したような測定装置１００の構成上の変更に加えて、検出波を、電界の向きが時計回りまたは反時計回りの一方向に回転する回転波を用いることが好ましい。鉄鉱石７ａやコークス７ｂの表面で反射した検出波は、高炉６の開口部６ａの壁面６０で反射されることがあり（Ｒ´）、正確な測定を阻害する。回転波は、反射により回転方向が反転する性質があるため、鉄鉱石やコークスＣの表面のみで反射された検出波（Ｒ）と、開口部６ａの壁面６０で更に反射された検出波（Ｒ´）とでは、反射の回数が異なるため、受信した検出波を、その電界の回転方向で区別することができる。

　即ち、例えば時計回りの回転波を送信すると、反射板１２０で反射されて反時計回りの回転波となって鉄鉱石７ａやコークス７ｂに入射し、その反射波は時計回りの回転波となり、反射板１２０で反射されて反時計回りの回転波となって受信される。一方、開口部６ａの壁面６０で反射された場合には、鉄鉱石７ａやコークス７ｂの表面で反射された時計回りの回転波が開口部６ａの壁面６０で反射された際に反時計回りの回転波となり、反射板１２０で反射されて時計回りの回転波となって受信される。従って、反時計回りの回転波のみを受信することにより、開口部６ａの壁面６０で反射された回転波（Ｒ´）を排除することができ、正確な測定を実現できる。

　尚、回転波を生成するには、公知の方法で構わず、例えば導波管１１２の内壁に誘電材料からなる９０°位相板を装着すればよい。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１４年３月４日出願の日本特許出願（特願２０１４－４１９０９）及び２０１４年７月２４日出願の日本特許出願（特願２０１４－１５０７６５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明は、高炉に挿入され、堆積した鉄鉱石やコーススの表面プロフィールを正確に、かつ、迅速に測定することができ、より良好な高炉の操業を可能にする。

６　高炉
７ａ　鉄鉱石
７ｂ　コークス
１０　シュータ
１００　測定装置
１１０　送受信手段
１１１　アンテナ
１１２　導波管
１１５　連結部材
１１７　支持部材
１２０　反射板
１２１　支軸
１２２　取付片
１２５　シリンダ
１２６　ピストンロッド
１２７　棒状部材
１３０　モータ
１３１　モータ側ギア
１３２　導波管側ギア
１４０　フィルタ
１４５　非通気性隔壁
１５０　耐圧容器
１５１、１５１ａ　ガス供給口
１５２　連結部
１７０　カバー

Claims

　高炉の炉頂近傍に設けた開口部の直上に配設され、反射面が開口部側に向けて傾斜した反射板と、反射板の反射面と対向配置されるアンテナと、アンテナと検出波送受信手段とを連結する導波管とを備え、アンテナからの検出波を反射板の反射面で反射して開口部を通じて炉内に入射させ、炉内の装入物で反射された検出波を、開口部を通じて反射板の反射面に入射させてアンテナに送り、検出波送受信手段で検波して装入物の表面までの距離や表面プロフィールを検出する装置において、
　導波管を、該導波管の軸線を中心に所定角度で回動させる導波管回動手段を備え、
　アンテナと反射板とを連結部材により連結し、導波管回動手段によるアンテナの回動とともに反射板を導波管の軸線を中心に回動させることを特徴とする高炉内装入物の表面検出装置。
　反射面を所定の角度でアンテナ側及び反アンテナ側に傾斜させる反射板回動手段を備え、反射板回動手段と導波管回動手段とにより検出波を２次元的に走査することを特徴とする請求項１記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　反射板回動手段が、反射板の裏面において、導波管の軸線上に設置され、導波管と一体に回動することを特徴とする請求項２記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　反射板の直径両端に支軸が取り付けられ、連結部材から延出する支持部材に支軸を中心に反射板が回動自在に支持されているとともに、
　反射板回動手段が、導波管の軸線に沿ってアンテナ側または反アンテナ側に直線移動するピストンロッドと、一端がピストンロッドの先端に取り付けられ、他端が反射板の裏面に、反射板の回転中心の上方または下方にずらして取り付けられた棒状部材とを備えるとともに、ピストンロッドにより、棒状部材の他端と反射板の裏面との取り付け部分をアンテナ側または反アンテナ側に向かって移動させることを特徴とする請求項２または３記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　アンテナがホーンアンテナであり、反射板の反射面が、アンテナのアンテナ面とは反対側に凸状に湾曲した凹面であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　アンテナがレンズ付ホーンアンテナであり、反射板の反射面が平面であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　アンテナの開口を耐熱材料からなる非通気性の隔壁で覆うことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　非通気性の隔壁の反射板側の前面に耐熱材料からなるフィルタが配置されていることを特徴とする請求項７記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　反射板の反射面に不活性ガスを吹き付けることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　非測定時に、導波管とともに反射板を１８０°回動し、反射板の裏面を高炉の開口部と対向させることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の高炉内装入物の表面検出装置。
　シュータにより、鉄鉱石やコークス等の装入物を高炉の内部に装入し、堆積させる方法であって、
　請求項１～１０の何れか１項に記載の表面検出装置を備えるとともに、
　検出波により装入物の表面を走査する送受信作業を、シュータの１旋回内もしくは所定旋回回数内に完了し、
　シュータの旋回中または所定旋回毎に、装入物の表面プロフィールを測定しながら装入物を装入することを特徴とする高炉内への装入物の装入及び堆積方法。
　表面プロフィールを基に装入物の堆積プロフィールを求め、予め求めた理論堆積プロフィールと比較し、理論堆積プロフィールからの誤差を修正するようにシュータを制御して新たな装入物を装入することを特徴とする請求項１１記載の高炉への装入物の装入及び堆積方法。
　請求項１１または１２に記載の方法により高炉内に装入物を装入し、堆積させて高炉を操業することを特徴とする高炉の操業方法。