(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温空気を吹き込む羽口を有し、コークスを充填した冶金用竪型炉の羽口前に形成されるレースウエイ内のコークス温度を、羽口後方に設けた観察窓を介して光学的に測定するに際し、
観察窓から得られる放射光を高速シャッタを有するテレビカメラと放射温度計に導き、テレビカメラの画像信号と放射温度計の温度信号に基づいてコークス温度を算出するにあたり、テレビカメラの画像信号から輝度ごとに面積率分布を算出し、最も高い輝度の面積率ピークの輝度によって、テレビカメラの画像の輝度を規格化するとともに、当該最も高い輝度の面積率ピークの輝度を放射温度計により得られる温度信号に対応するものとして、前記テレビカメラの画像の輝度または輝度ピークを温度に換算することを特徴とするレースウエイ内コークス温度の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶銑を製造する高炉等の冶金用竪型炉におけるレースウエイ内コークス温度の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レースウエイ内のコークスの温度を測定する方法としては、休風中にレースウエイ内から採取したコークス粉の温度分布を測定する特開平1-191710号公報、特開平1-191711号公報、特開平1-191712号公報が知られている。また、同様にして、稼働中のレースウエイからコークス粉を採取してその温度測定することにより溶銑中Siを制御する方法が知られている。これらの測定では、測定自体が間欠的で稼働中の連続データとなりえないこと、また、測定用のランスの挿入、あるいは休風操作などが外乱となり、稼働中のレースウエイ温度分布を正しく与えない可能性があるという問題がある。
【０００３】
一方、高炉羽口部の覗眼鏡部に放射温度カメラを設置し、レースウエイの輝度を非接触で測定し、レースウエイ内の温度を知る方法が報告されている。羽口前の放射エネルギーを分光法により測定し、２色演算法により羽口前に降下するコークスの実測温度を求める特開平4-42445 号公報、また同様に放射温度計を羽口部に設置し、コークス温度を検出する特開平3-291315号公報がその代表的な従来技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来法は、レースウエイ内のコークス温度分布の連続測定という観点で見た場合、以下の問題点を抱えている。
(1) そもそも、レースウエイ内のコークス温度に分布があるという概念がないため、平均値的なコークス温度、あるいは、発生した粉の温度に着目した特殊な温度しか知ることができない。
(2) コークスは、Ｃ＋O2＝CO2 （高温部での反応）、Ｃ＋CO2 ＝２CO（レースウエイ周辺部の低温部での反応）の２段階の反応で消費される。前者は高温でしかも反応速度が著しく速いため、コークスの表面から反応が進行し、コークス粉の発生量が少ない。一方、後者の反応は比較的低温部のレースウエイ周辺部で反応が進行し、しかも反応速度が遅く、コークス塊の内部まで反応が進行するため、コークス粉発生の主体反応になる。コークスの温度が低いほど反応速度が遅くなり粉の発生量が増加するが、従来の測定方法では、低温部のコークス温度を知ることができない。
(3) 上記の従来法のうち、特に放射温度計を用いた方法では、高温コークス、低温コークスが混合している系では放射エネルギーの大きい高温コークスの温度のみを検出し、低温コークスの温度を知ることができない。
【０００５】
高炉への微粉炭多量吹き込みにともない、燃焼帯（レースウエイ）内でのコークスの滞留時間が増大し、コークス粉の発生に伴う操業の不安定化が重要視されるようになってきた。燃焼時に発生するコークス粉の量は、反応時の温度に左右され、レースウエイ内での温度分布がコークス粉の全発生量を支配している。したがって、レースウエイ内のコークス温度分布の測定が重要となる。
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の有する課題を解決すべくなされたものであって、レースウエイ内の温度分布を連続的に測定する方法を提供することを目的にしている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、高温空気を吹き込む羽口を有し、コークスを充填した冶金用竪型炉の羽口前に形成されるレースウエイ内のコークス温度を、羽口後方に設けた観察窓を介して光学的に測定するに際し、観察窓から得られる放射光を高速シャッタを有するテレビカメラと放射温度計に導き、テレビカメラの画像信号と放射温度計の温度信号に基づいてコークス温度を算出するにあたり、テレビカメラの画像信号から輝度ごとに面積率分布を算出し、最も高い輝度の面積率ピークの輝度によって、テレビカメラの画像の輝度を規格化するとともに、当該最も高い輝度の面積率ピークの輝度を放射温度計により得られる温度信号に対応するものとして、前記テレビカメラの画像の輝度または輝度ピークを温度に換算することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、レースウエイ内のコークスの運動、温度分布を小型燃焼炉を用いて詳細に検討した結果に基づいてなされたもので、以下にその好適な実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
図１は高炉レースウエイ内の温度分布の測定装置を示す概要図である。すなわち、この図において、１は高炉本体、２は高炉本体に設置される羽口、３は羽口２を介して炉内に高温空気を供給するブローパイプである。４はレースウエイ観察装置で、テレビカメラ５と放射温度計６が内蔵されており、分光器７を介してブローパイプ３に接続された観察窓８によって羽口２内を観察することができる。
【００１１】
ここで、テレビカメラ５は、レースウエイ内で高速で移動するコークス粒子を静止像として捉えるために、たとえば1/1000秒より高速のシャッタ速度の電子式あるいは機械式シャッタを有するカメラを使用するのが望ましい。また、放射温度計６は、特定の２波長の放射エネルギーの比から温度を算出する２色放射温度計を用いることが望ましいが、あらかじめ同一条件で校正された放射エネルギーを測定する放射温度計を用いることも可能であり、分光器７で分光された光を用いてバックグラウンドにほぼ対応する温度が測定される。
【００１２】
９はモニタテレビで、テレビカメラ５で撮影された像を入力することによって、高輝度のバックグラウンド上に高温と低温の２種類のコークスの動きを観測することができる。
10は画像処理用計算機で、テレビカメラ５からの映像信号および放射温度計６からの温度信号を入力して、放射温度計６の温度信号を用いてテレビカメラ５の輝度信号を温度に換算するとともに、各温度の視野内の面積割合を算出する。この処理は、テレビカメラ５の信号は、カメラの感度の設定やシャッタスピードの設定、あるいは分光器７、観察窓８での光の散乱の影響を受けるため直接には温度に対応しないために必要とされる。
【００１３】
ここで、羽口２の炉内前方に形成されるレースウエイについて説明すると、小型燃焼炉を用いた研究によると、そのコークスの運動と温度によって、前出図１に模式的に示したように、ジェット領域11と高温コークス領域12、低温コークス領域13の３つの領域に分割することができる。そして、ジェット領域11は羽口２から供給される高速の高温空気により形成される空間領域であり、羽口上部から落下する低温コークス14と高温コークス15がジェット領域11で加速されながらレースウエイの奥部に運ばれる。ジェット領域11の外側に形成される高温コークス領域12では主としてＣ＋O2＝CO2 のコークス燃焼反応が生じ、最も温度が高くなる。その外側の低温コークス領域13では、吸熱反応であるＣ＋CO2 ＝２CO（ソリューションロス反応）が生じ、温度が低下している。高温コークス領域12、低温コークス領域13の両方のコークスが、この図では時計方向に回転しながら羽口上部に移動し、ジェット領域11に落下する。したがって、ジェット領域11を観察窓８から観察した場合に、落下するコークスには高温コークス領域12に由来する明るいコークスすなわち高温コークス15と低温コークス領域13に由来する暗いコークスすなわち低温コークス14が観察される。また、レースウエイ内の高温コークス領域12内面部の高温コークスに由来する強力な輻射エネルギーがあるため、観察窓８から放射温度計６で温度を測定すると、飛翔中のコークス（14および15）の温度ではなく、バックグラウンド16（図１参照）の温度を測定することになる。
【００１４】
このような小型燃焼炉を用いた実験によって得られた微粉炭多量吹き込み時のコークスの粉化挙動とレースウエイ内温度との関係を検討したところ、低温コークス領域13の温度が低下すると、コークス粉の発生が増大することが明らかになった。そこで、本発明は、これらの基礎的な検討に基づき、低温コークス領域13の温度、高温コークス領域12内のコークス温度を連続的に測定する手段の確立を可能としたものである。
【００１５】
そこで、画像処理用計算機10でテレビカメラ５の輝度信号を処理して、輝度信号ごとに面積割合を求めると、典型的には図２(a) に示すように４つのピークが得られる。最も輝度が低いピークは、羽口壁面、微粉炭流の雲などの低温の外乱因子であり、本発明の測定対象外となる。最も高温側のピークは、バックグラウンド16に対応しており、放射温度計６の出力はこのピークの温度に対応することが、基礎的測定により明らかになった。そこで、テレビカメラ５の輝度信号をバックグラウンド16の輝度で規格化し、放射温度計６の温度出力値と比較することにより、図２(b) に示すような規格化輝度と温度の対応関係を得ることができる。なお、対応関係の傾き、つまり温度変化と輝度変化との対応はほぼ同一の条件の黒体炉、分光器を用いて一度校正するとその後は一定値と見なすことができる。この関係を視野内の各場所に適用することによりバックグラウンド16、高温コークス15、低温コークス14の各温度を精度よく求めることができる。なお、本発明では低温部のコークス温度の相対値ではなく、絶対値が重要なので、このような高精度の輝度、温度変換を実施する必要がある。
【００１６】
得られた温度分布を、10℃ごとにその面積割合を算出した結果の一例を図３に示した。各温度の面積割合の分布には、低温コークス14に由来する1560℃、高温コークス15に由来する1740℃、バックグラウンド16に由来する1920℃のピークが得られている。それぞれのピークの温度を低温コークス平均温度ＴC 、高温コークス平均温度ＴH 、バックグラウンド温度ＴB とすると、炉内レースウエイ内の各部の温度に対応した値となっているため、操業管理指標として用いることができる。
【００１７】
【実施例】
本発明法を、大型高炉に適用した例について、以下に説明する。この高炉は内容積4500m3で、出銑比 2.0t/d/m3、微粉炭の多量吹き込み 200kg/t、高温送風1250℃、酸素富化送風 4.0％を行っている高微粉炭比、高出銑比のものである。微粉炭吹き込みを行っている羽口２の後部には、テレビカメラ５、放射温度計６、分光器７を備えた羽口観察装置４を設置した。テレビカメラ５は高速シャッタとし、放射温度計６には比較的少ない光量で温度測定ができる２色温度計を用いたため、分光器７ではハーフミラーにより、約１：５の強度で分光して２色温度計とテレビカメラに光を導いた。テレビカメラ５は走査スピード1/30のインタレース方式のものであり、電子式シャッタにより1/1500秒の速度で画像を撮影、1/30秒ごとに１画面を画像処理用計算機10に送ることができる。２色温度計の最高測定速度は 0.2ミリ秒であるが、テレビカメラ５と同期するように1/30秒ごとに測定し、画像処理用計算機10に出力した。
【００１８】
本測定で得られた低温・高温のコークス温度ＴC ，ＴH と休風中に炉内から採取したコークスの黒鉛化度の測定から得られた温度の対応関係を図４に示した。高温コークス温度ＴH はレースウエイ内のコークス温度とほぼ対応した値が得られている。また、同様に低温コークス温度ＴC はレースウエイ外周部のコークス温度に対応した値となっている。本実施例により、画像処理により求めたコークス温度が、それぞれレースウエイ内のコークスの温度分布を表すことを確認できた。
【００１９】
本発明で得られた低温コークス温度は、コークスの粉化反応Ｃ＋CO2 ＝２COの反応温度に対応しており、低温コークス温度が低下すると粉化が助長される。図５は、低温コークス温度変化時の高炉下部の通気抵抗の変化を示したもので、ほぼ同一の操業条件にもかかわらず、低温コークス温度が1550℃以下になるとコークスの粉化が助長され、生成した粉が炉内の通気を阻害するため、炉下部の通気抵抗が増大している。低温コークス温度ＴC を指標としてコークス強度の変更、送風温度、湿分、酸素富化率の変更により、このようなコークスの粉化を防止することができる。
【００２０】
一方、高温コークス温度ＴH は、高炉の溶銑品質を支配する溶銑中のSiと強い関係がある。溶銑中のSiは、コークス中灰分のSiO2が高温のレースウエイ部で還元されて生成したSiO ガスに依存している。SiO の発生は、高温でしかも送風中の酸素の消費が進んで酸素分圧が低下している高温コークス領域で最も激しく起こる。図６に高温コークス温度ＴH と溶銑温度の影響を0.04％／10℃で補正した溶銑温度補正Siとの関係を示す。高温コークス温度ＴH の上昇により補正Siが上昇している。本発明で得られる高温コークス温度ＴH を指標にして、同一の送風条件でもＴH が低下するように装入物分布制御を実行することにより溶銑中のSiを低下できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、観察窓から得られる放射光を高速シャッタを有するテレビカメラと放射温度計に導き、テレビカメラの画像信号と放射温度計の温度信号に基づいてコークス温度を算出するようにしたので、コークスの粉化を防止し、操業の安定を達成するという本来の目的を達成できるとともに、より高品質の溶銑を得ることができ、その経済効果は著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉レースウエイ内の温度分布の測定装置を示す概要図である。
【図２】  (a) は輝度と面積割合の関係を示す特性図、(b) はテレビカメラの規格化輝度と放射温度計出力の関係を示す特性図である。
【図３】温度分布と面積割合の測定例を示す特性図である。
【図４】本発明法で測定したコークス温度と休風時に採取した羽口コークス温度分布との関係を示す特性図である。
【図５】低温コークス温度と高炉下部通気抵抗の関係を示す特性図である。
【図６】高温コークス温度と溶銑温度補正Si成分の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１  高炉本体（冶金用竪型炉）
２  羽口
３  ブローパイプ
４  レースウエイ観察装置
５  テレビカメラ
６  放射温度計
７  分光器
８  観察窓
９  モニタテレビ
10  画像処理用計算機（演算処理部）
11  ジェット領域
12  高温コークス領域
13  低温コークス領域
14  飛翔中の低温コークス
15  飛翔中の高温コークス
16  バックグラウンド
【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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