(57)【要約】【課題】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。【解決手段】本発明の検出装置は、マイクロ波やミリ波のような検出波を送受信するためのファーズドアレイモジュールと、フェーズドアレイモジュールのアンテナ素子を高炉等の容器の開口に向けて装着した回転板と、回転板の回転軸を中心に回動させるための駆動源とを備えるとともに、回転板を回動させながらフェーズドアレイモジュールによる送受信を行い、容器内の装入物の表面をトーラス状に走査する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子からの前記検出波の指向性を制御する移相器とを有する１つまたは複数のフェーズドアレイモジュールと、
前記フェーズドアレイモジュールを、前記アンテナ素子のアンテナ面が前記開口を向くように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、
前記フェーズドアレイモジュールによる前記検出波の指向性を制御しながら、前記回転板を回動させて、前記装入物の表面を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。
【請求項２】
前記フェーズドアレイモジュールが、前記回転板の板面に対して、所定の角度で傾斜しており、前記検出波が前記開口から前記装入物に向かって斜め上方から送信され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。
【請求項３】
前記フェーズドアレイモジュールの前記アンテナ素子が、送信用のアンテナ素子群と受信用のアンテナ素子群とに分けられ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。
【請求項４】
前記フェーズドアレイモジュールが複数であり、各フェーズドアレイモジュールによる走査領域が同心円状に分担されており、各走査領域を合成する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。
【請求項５】
前記フェーズドアレイモジュール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。
【請求項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。
【請求項７】
前記アンテナ素子がホーンアンテナであり、前記移相器と導波管で接続する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。
【請求項８】
前記アンテナ素子が、方形扁平アンテナである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。
【請求項９】
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１〜８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。
【請求項１０】
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１〜９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。
【請求項１１】
請求項１〜１０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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１０に示すように、高炉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。
【０００３】
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。
【０００４】
そこで本出願人は、図１１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５３９１４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、
複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子からの前記検出波の指向性を制御する移相器とを有する１つまたは複数のフェーズドアレイモジュールと、
前記フェーズドアレイモジュールを、前記アンテナ素子のアンテナ面が前記開口を向くように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、
前記フェーズドアレイモジュールによる前記検出波の指向性を制御しながら、前記回転板を回動させて、前記装入物の表面を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）前記フェーズドアレイモジュールが、前記回転板の板面に対して、所定の角度で傾斜しており、前記検出波が前記開口から前記装入物に向かって斜め上方から送信され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）前記フェーズドアレイモジュールの前記アンテナ素子が、送信用のアンテナ素子群と受信用のアンテナ素子群とに分けられ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）前記フェーズドアレイモジュールが複数であり、各フェーズドアレイモジュールによる走査領域が同心円状に分担されており、各走査領域を合成する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）前記フェーズドアレイモジュール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）前記アンテナ素子がホーンアンテナであり、前記移相器と導波管で接続する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）前記アンテナ素子が、方形扁平アンテナである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。
（９）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）〜（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。
（１０）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）〜（９）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。
（１１）上記（１）〜（１０）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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】フェーズドアレイモジュールの回転板への取付け様式を説明するための図である。
【図３】フェーズドアレイモジュールの構成を示す概略図である。
【図４】図３のＢＢ矢視図である。
【図５】図１のＡＡ矢視図である。
【図６】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。
【図７】本発明の検出装置の第２実施形態を、図５に従って示す概略図である。
【図８】図７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６に従って示す図である。
【図９】本発明の検出装置の第３実施形態を示す概略図である。
【図１０】従来のランス式検出装置を示す概略図である。
【図１１】特許文献１の検出装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（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は回転板へのフェーズドアレイモジュールの取付け様式を説明するための図である。高炉１には、装入物２０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。
【００１３】
本発明の検出装置は、フェーズドアレイモジュール１００と、フェーズドアレイモジュール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。
【００１４】
図２に示すように、フェーズドアレイモジュール１００は回転板１２０に対して傾斜するように、取り付けられることが好ましい。同図において、フェーズドアレイモジュール１００のアンテナ１０１のアンテナ端面１０１ａを結ぶ線と、回転板１２０の板面とのなす角度を「θ」で表すと、フェーズドアレイモジュール１００を回転板１２０に傾斜して取り付けるとは、角度θが所定の値になることを示す。それに伴い、図１に示すように、検出波Ｍは開口２から装入物２０に向かって斜め上方から送信される。また、角度θは、フェーズドアレイモジュール１００からの送信波Ｍの伝搬経路（例えば、図中の符号Ｍで示す左側の線）と、回転板１２０を回動させるための駆動源１３０からの回転軸１３１の回転軸Ｃの延長線とが、開口２、もしくはより高炉１の炉内側で交差するように調整されることが好ましい。
【００１５】
このようにフェーズドアレイモジュール１００が回転板１２０に傾斜して取り付けられることにより、回転板１２０の板面に平行に取り付ける場合（即ち、角度θ＝０）に比べて開口２の開口径を小さくすることができる。また、図示は省略するが、開口２を仕切板で開閉する場合があるが、開口２とともに仕切板も小さくできるため、開閉のための駆動源の負荷を少なくすることができる。また、開口２の開口径が小さいと、高炉のような圧力容器の場合、検出装置にかかる圧力を小さくすることもできる。
【００１６】
フェーズドアレイモジュール１００は、図３及び図４に示すように、ｎ個のアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）を有しており、個々のアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）は、給電する高周波電流の位相を制御するための移相器１０２と、マイクロストリップライン１０３（１）〜１０３（ｎ）で接続されている。
【００１７】
フェーズドアレイモジュール１００では、移相器１０２からのアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）への各移相量を制御することによりアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）の指向性（検出波の送受信方向）を制御することができ、更にはアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）の連設方向に沿った直線状の走査が可能である。そのため、図１に示すように、検出波Ｍは、高炉１の径方向にある幅を持って送信される。
【００１８】
また、フェーズドアレイモジュール１００は、アンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）のアンテナ面が開口２を通じて装入物２０に向くように、回転板１２０に装着される。尚、図１には、アンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）をまとめて符号１０１で示している。
【００１９】
アンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）は、図３に示すように、送信用のアンテナ素子群１０１Ａと受信用のアンテナ素子群１０１Ｂとに分かれていることが好ましい。検出波Ｍの送受信は、後述するようにＦＭ−ＣＷ方式で行うことができるが、個々のアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）が送信と受信の両方を行う場合、隣接するアンテナからの検出波Ｍを受信してノイズとなる可能性があるが、送信用のアンテナ素子群１０１Ａと受信用のアンテナ素子群１０１Ｂとに分けることにより、より正確に、確実に送受信することができるようになる。
【００２０】
また、アンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）は、高炉１からの高熱に耐え得るようにホーンアンテナとすることが好ましい。また、縦横アスペクト比が大きい方形扁平アンテナが、指向性を向上させることができるため、より好ましい。尚、ホーンアンテナを用いる際は、各マイクロストリップライン１０３（１）〜１０３（ｎ）と、各ホーンアンテナとの接続を導波管１０４（１）〜１０４（ｎ）で行うことになるが、アンテナ接続面での位相が揃うように、例えば導波管１０４（１）〜１０４（ｎ）の管長で調整する必要がある。
【００２１】
回転板１２０は、図４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。また、回転板１２０には、フェーズドアレイモジュール１００のアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）を収容するための開口（図１の符号１２１）が形成されている。回転軸１３１は、その回転軸Ｃ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。このような回転板１２０の回動により、フェーズドアレイモジュール１００も、Ｒ方向に円を描くように回動する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、フェーズドアレイモジュール１００から送信される検出波Ｍ（送信波）は、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、その反射波がフェーズドアレイモジュール１００で検波され、送信波と反射波との周波数差（ビート周波数）からフェーズドアレイモジュール１００のアンテナ素子１０１（１）〜１０１（ｎ）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、フェーズドアレイモジュール１００による検出波Ｍの指向性を制御して送受信を行うことにより、例えば図６の斜線で示すように円形の部分Ｓ（以下「走査領域Ｓ」）を走査することができる。尚、図中の符号１ａは高炉１の内壁を示す。
【００２４】
そして、この走査領域Ｓにおける装入物２０までの距離情報が得られる。一方で、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、走査領域Ｓにおける検出波Ｍの位置情報が得られる。これら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、走査領域Ｓにおける堆積高さのプロフィールが得られる。
【００２５】
また、上記の距離情報を、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。更に、外部の制御手段（図示せず）からのフェーズドアレイモジュール１００や回転軸１３１の動作を制御する制御信号を受信することもできる。フェーズドアレイモジュール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。
【００２６】
上記のフェーズドアレイモジュール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。
【００２７】
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（Ｎ２）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。
【００２８】
（第２実施形態）
第１実施形態は、フェーズドアレイモジュール１００が一つの場合であるが、フェーズドアレイモジュール１００を複数用いて走査領域Ｓを分割し、各々の走査領域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高分解能で検出することができる。
【００２９】
例えば、図７に示すように、回転板１２０に、４つのフェーズドアレイモジュール１００ａ〜１００ｄを、９０°ずつ位相をずらして周方向に等間隔で装着する。また、フェーズドアレイモジュール１００ａ〜１００ｄ毎に、回転板１２０に取り付ける際の傾斜の角度θ（図２参照）を変えて、検出波Ｍの送受信方向を変える。そして、回転板１２０を回動させると、それぞれのフェーズドアレイモジュール１００ａ〜１００ｄからの検出波Ｍによる送受信が同心円状に行われる。例えば、図８に示すように、フェーズドアレイモジュール１００ａによる円形の走査領域Ｓａを中心に、その外側にフェーズドアレイモジュール１００ｂによるある幅を持った円環状の走査領域Ｓｂ、その外側にフェーズドアレイモジュール１００ｃによるある幅を持った円環状の走査領域Ｓｃ、その外側にフェーズドアレイモジュール１００ｄによるある幅を持った円環状の走査領域Ｓｄとなるように、フェーズドアレイモジュール１００ａ〜１００ｄの指向性を調整して、装入物２０の走査領域を分割する。そして、これら走査領域Ｓａ〜Ｓｄの各プロフフィールを合成することにより、装入物２０の走査領域Ｓａ〜Ｓｄを合計した表面プロフィールを検出することができる。走査領域を分割することにより、個々のフェーズドアレイモジュールによる走査領域が少なるため、装入物２０の広範にわたる表面プロフィールを迅速に検出することができる。
【００３０】
尚、フェードアレイモジュール１００ａ〜１００ｄによる走査は、複数（図の例では４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。
【００３１】
（第３実施形態）
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、炉内からの高熱を避けるために、図９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９は、図１に示す検出装置を用いた場合を示しているが、図７及び図８に示すように複数のフェーズドアレイモジュール（１００ａ〜１００ｄ）を用いて、走査領域を分割（Ｓａ〜Ｓｄ）する装置構成とすることもできる。
【００３２】
図示される検出装置においても、フェーズドアレイモジュール１００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で反射してフェーズドアレイモジュール１００へと至り、受信される。その際、フェーズドアレイモジュール１００の連設方向にも走査されるため、図示されるように、送信波Ｍはある幅を持って送受信される。
【００３３】
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。
【００３４】
（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基に、安定した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うことにより、より安定した操業を行うことを含む。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
１  高炉
２  開口
２０  装入物
１００、１００ａ〜１００ｄ  フェーズドアレイモジュール
１０１、１０１（１）〜１０１（ｎ）  アンテナ素子
１０２  移相器
１０３（１）〜１０３（ｎ）  マイクロストリップライン
１０４（１）〜１０４（ｎ）  導波管
１２０  回転板
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020180833.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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