(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面にレーザビームを投光するビーム投光装置と、被測定面の投光位置からのレーザビームの散乱光を受光するビーム受光装置と、を備え、前記ビーム投光装置の投光点とビーム受光装置の受光点は、一定の基準長Ｌを隔てており、
更に被測定面演算装置を備え、該被測定面演算装置により、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置からの水平距離Ｃとを演算し、更に、投光角αを変化させて被測定面を走査して散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出し、該死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄを演算する、ことを特徴とする粒度検出装置。
【請求項２】
前記被測定面演算装置により、粒径Ｄを（Ｈ2 ＋Ｃ2 ）0.5 ×Δαの式で算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の粒度検出装置。
【請求項３】
一定の基準長Ｌを隔てた投光点と受光点からレーザビームを投光／受光し、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置からの水平距離Ｃとを演算し、更に、投光角αを変化させて被測定面を走査して散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出し、該死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄを演算する、ことを特徴とする粒度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉炉頂面における粒度偏析を測定する粒度検出装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鉱石を溶解する高炉では、通常、炉の上部からコークスと鉄鉱石を交互に装入し、その後攪拌機により炉頂面のプロファイルが断面Ｖ字形となるように設定する。炉頂プロファイルを所望のＶ字形にすることは高炉の燃費を節約する上で非常に重要な意味をもっており、従って炉頂プロファイルを正確に測定する手段が要求される。
【０００３】
この要求を満たすために、特公昭５６−９６４４号公報、特開昭５４−６５０５９号公報等が提案され出願されている。
特公昭５６−９６４４号公報の「表面形状検出方法」は、図４に模式的に示すように、光切断用光線としてレーザー光線１を使用し、このレーザー光線を走査用ミラー２で偏向して被測定物体の表面３に投射し、この投射により加熱された表面部分Ｐから放出される長波長の放射光により被測定物の被加熱部分Ｐを撮像し、該被加熱部分の軌跡から被測定物体の表面形状を検出するものである。
【０００４】
また、特開昭５４−６５０５９号公報の「プロファイル測定装置」は、図５に模式的に示すように、繰返し発振するパルスレーザを光源としてレーザビーム５で被測定面３を走査し、被測定面３からの散乱光６を所定の開口径をもつ受光光学系７で集光し、その受光光学系７の焦点面上に描かれる像の軌跡から被測定面３のプロファイルを求めるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、高炉炉頂での原料装入にともなって起こる基本的な物理現象は、▲１▼装入物粒子の集合体としての運動と、▲２▼粒度構成に起因して起こる粒度偏析とからなる。▲１▼の集合体としての運動は、上述した炉頂プロファイルの測定により間接的に把握できるが、▲２▼の粒度偏析は従来測定手段がなく、そのため経験と感に頼って高炉を操業せざるを得ない問題点があった。
【０００６】
すなわち、高炉炉頂面のように、高温下で操業されかつ内部に多くの光散乱媒体があり、通常のカメラ等で内部を臨めない場合において、内部に積層する粒子（鉱石やコークス）の粒度（粒径）を計測する適当な手段がなく、かかる手段の開発が従来から強く要望されていた。
【０００７】
本発明はかかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高炉炉頂面のように、高温下で操業されかつ内部に多くの光散乱媒体がある環境下で、粒度偏析が測定でき、操業へのフィードバックがかけられる粒度検出装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被測定面にレーザビームを投光するビーム投光装置と、被測定面の投光位置からのレーザビームの散乱光を受光するビーム受光装置と、を備え、前記ビーム投光装置の投光点とビーム受光装置の受光点は、一定の基準長Ｌを隔てており、更に被測定面演算装置を備え、該被測定面演算装置により、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置からの水平距離Ｃとを演算し、更に、投光角αを変化させて被測定面を走査して散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出し、該死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄを演算する、ことを特徴とする粒度検出装置が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、前記被測定面演算装置により、粒径Ｄを（Ｈ2 ＋Ｃ2 ）0.5 ×Δαの式で算出する。
【０００９】
また、本発明によれば、一定の基準長Ｌを隔てた投光点と受光点からレーザビームを投光／受光し、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置からの水平距離Ｃとを演算し、更に、投光角αを変化させて被測定面を走査して散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出し、該死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄを演算する、ことを特徴とする粒度検出方法が提供される。
【００１０】
上述した本発明の装置及び方法によれば、ビーム投光装置、ビーム受光装置、及び被測定面演算装置を備え、一定の基準長Ｌを隔てた投光点と受光点からレーザビームを投光／受光することにより、三角測量技術（レーザスキャニング等）により基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置からの水平距離Ｃとを演算することができる。この場合、超高感度光検出技術（ホトン・カウンティング相当）を組み合わせることにより、光散乱媒体が多い場所でも、微弱光信号を正確に検知することができる。
【００１１】
更にこの技術を応用し、投光角αを変化させて被測定面を走査する際の散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出することにより、この死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄとその位置（垂直高さＨと水平距離Ｃ）を演算することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による粒度検出装置の全体構成図である。この図において、本発明の粒度検出装置１０は、被測定面３にレーザビーム５（レーザ光）を投光するビーム投光装置１２（投光部）と、被測定面３の投光位置からのレーザビーム５の散乱光６を受光するビーム受光装置１４（受光部）と、を備えている。被測定面３は、この図では高炉に装入されたコークスと鉄鉱石の積層面であるが、本発明はこれに限定されず、その他の被測定面にも適用することができる。
【００１３】
図１において、ビーム投光装置１２（投光部）は、レーザコントローラ１２ａ、レーザ電源１２ｂ、レーザ発振器１２ｃおよびミラースキャナ１３からなる。ミラースキャナ１３は、レーザ発振器から出射されたレーザビームの軸を中心に回転可能な反射ミラーであり、レーザ発振器１２ｃから出射されたレーザビーム５を被測定面３に向けて反射し、かつミラーの揺動により被測定面３を走査するようになっている。
【００１４】
ビーム受光装置１４（受光部）は、ミラースキャナ１４ａ、レンズ１４ｂ、回転式光減衰器１４ｃ、フアイバアレイ１４ｄおよび受光制御盤１５からなる。ミラースキャナ１４ａは、反射面に平行な軸を中心に揺動可能な反射ミラーである。ビーム投光装置１２で投光される被測定面３の位置に応じてミラーを揺動させ、被測定面３の投光位置からのレーザビーム５の散乱光６を常に安定して受光器アレイ１４ｄに向けて反射させるようになっている。レンズ１４ｂは、ミラースキャナ１４ａと受光器アレイ１４ｄの中間に位置し、受光器アレイ１４ｄの検出面上に散乱光６を集光する。
【００１５】
更に、本発明の粒度検出装置１０は、被測定面演算装置１６（システム制御部）を備えている。この被測定面演算装置１６（システム制御部）は、システム制御盤１６ａとディスプレイ１６ｂとからなる。
【００１６】
図２は、図１の装置による炉頂プロファイルの測定原理を示す図である。この図に示すように、ビーム投光装置１２の投光点Ａとビーム受光装置１４の受光点Ｂは、一定の基準長Ｌを隔てて設置されている。また、上述の被測定面演算装置１６により、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面３の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置Ｂからの水平距離Ｃとを演算するようになっている。
【００１７】
図３は、図１の装置による粒度検出の測定原理を示す図である。この図に示すように、投光点Ａからのレーザビーム５の投光角αを変化（増加又は減少）させて被測定面３を走査すると、投光される被測定面３の位置によっては、受光点Ｂから被測定面３上の散乱光を観察できない死角が存在する。すなわち、受光点Ｂからみて粒子の裏側にレーザビーム５が投光される場合には、散乱光はほとんど観察されず、表側を走査する場合のみ散乱光を観察することができる。この散乱光の強度が低下する死角の投光角αに対するピッチ角度Δα（以下、死角ピッチと呼ぶ）は、粒子の直径Ｄにほぼ比例して増減する。死角ピッチΔαはｎ番目の死角開始角度αn とｎ＋１番目の死角開始角度αn+1 との差（すなわち、Δα＝αn+1 −αn ）である。従って、死角ピッチΔαを検出し、被測定面演算装置１６により、死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄとその位置を演算することができる。
【００１８】
粒子がほぼ球形であり、死角ピッチΔαがほぼ直径に対応する場合には、幾何学的に、被測定面演算装置１６により、粒径Ｄを（Ｈ2 ＋Ｃ2 ）0.5 ×Δαの式１で概算値を算出することができる。なお、この式で、Ｃは投光位置Ｂからの水平距離であり、Ｌ／２−Ｒ（Ｒは半径位置）と置き換えることができる。また、式１におけるＨとＣ（又はＲ）は、死角ピッチΔαの走査中にも変化するが、概算上はその平均値等を代表値（グローバル値）として用いることができる。更に、実際の鉱石やコークスは、表面が凸凹しており、細いレーザビーム５を用いると死角ピッチΔαが直径に対応しない場合がある。このような場合には、レーザビーム５の投光径を適宜変化させて、粒径Ｄを代表する死角ピッチΔαが得られるように調節する必要がある。例えば、表面の凹凸が非常に激しい場合には、使用する鉱石又はコークスの既知の直径の半分程度の投光径ｄを用いることにより、鉱石とコークスの分散状態を把握することができる。
【００１９】
上述した装置は、以下のように使用する。
（Ａ）まず、一定の基準長Ｌを隔てた投光点Ａと受光点Ｂからレーザビーム５を投光／受光し、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面３の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置Ａからの水平距離Ｃとを演算する。
（Ｂ）更に、投光角αを変化させて被測定面３を走査して散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出し、この死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄを演算する。
【００２０】
（Ａ）と（Ｂ）は、単一の走査により同時に行うことが好ましい。しかし、必要により（Ａ）と（Ｂ）を別々のステップとして行うこともできる。
【００２１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
上述した本発明の装置及び方法によれば、ビーム投光装置、ビーム受光装置、及び被測定面演算装置を備え、一定の基準長Ｌを隔てた投光点と受光点からレーザビームを投光／受光することにより、三角測量技術により基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面の基準長Ｌからの垂直高さＨと投光位置からの水平距離Ｃとを演算することができる。この場合、超高感度光検出技術（ホトン・カウンティング相当）を組み合わせることにより、光散乱媒体が多い場所でも、微弱光信号を正確に検知することができる。
【００２３】
更にこの技術を応用し、投光角αを変化させて被測定面を走査する際の散乱光の強度が低下する死角ピッチΔαを検出することにより、この死角ピッチΔαから粒子の粒径Ｄとその位置（垂直高さＨと水平距離Ｃ）を演算することができる。
【００２４】
従って、本発明の粒度検出装置は、高炉炉頂面のような、操業中で、かつ内部に多くの光散乱媒体がある環境下で、粒度偏析が測定でき、操業へのフィードバックがかけられる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による粒度検出装置の全体構成図である。
【図２】炉頂プロファイルの測定原理を示す図である。
【図３】粒度検出の測定原理を示す図である。
【図４】炉頂プロファイルを検出する従来例の構成図である。
【図５】炉頂プロファイルを検出する別の従来例の構成図である。
【符号の説明】
１  レーザー光線
２  走査ミラー
３  被測定面
５  レーザビーム
６  散乱光
７  受光光学系
１０  粒度検出装置
１２  ビーム投光装置（投光部）
１３  ミラースキャナ
１４  ビーム受光装置（受光部）
１４ａ  ミラースキャナ
１４ｂ  レンズ
１４ｃ  回転式光減衰器
１４ｄ  受光器アレイ
１５  受光制御盤
１６  被測定面演算装置（システム制御部）
【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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