(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉炉内に設置する計測用コイルであって、
中心部が中空の、耐摩耗性に優れた耐火物からなるボビンと、
該ボビンの外側に巻回した耐熱性被覆の金属電線と、
該金属電線を前記ボビンに固定するための耐熱性樹脂と、
コイル外周面を覆う断熱材カバーと、
を備えたことを特徴とする高炉炉内計測用コイル。
【請求項２】
前記コイルを構成する材料は、少なくとも２５０℃以上の耐熱性を持つことを特徴とする請求項１に記載の高炉炉内計測用コイル。
【請求項３】
前記断熱材カバーは、耐熱性樹脂によってコイルと一体化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高炉炉内計測用コイル。
【請求項４】
前記断熱材カバーは弾性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高炉炉内計測用コイル。
【請求項５】
高炉炉内の計測対象が、装入原料の混合度であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高炉炉内計測用コイル。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の高炉炉内計測用コイルを用いることを特徴とする装入原料の混合度計測方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の高炉炉内計測用コイルを備えたことを特徴とする装入原料の混合度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉炉内において原料の特性を測定するための計測用コイル及び装入原料の混合度計測方法並びに装置に係り、特に、原料貯蔵槽から高炉側に装入される混合原料中の各原料の混合度を計測する際に用いるのに好適な、耐久性が高く、且つ、安価に製造可能な高炉炉内計測用コイル、及び、これを用いた装入原料の混合度計測方法並びに装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼業において高炉はＣＯ2排出量が一番多い設備であり、ＣＯ2排出を削減するための操業改善技術開発が多くなされている。中でも、装入原料の適正な装入（原料の混合装入におけるコークス混合比率の最適化、装入後の原料配置の最適化など）は重要な要素となってきている。ＣＯ2排出削減に対する技術として、生鉱石や焼結鉱にコークスを所定量
混合して装入するコークス混合装入が近年行われている。しかしながら原料の装入が適切になされているか直接調べる手段はなく、その後の操業状況から間接的に情報を得るか、模型実験による検証を行っている。
【０００３】
特許文献１には、混合装入において適切な混合度で操業が行われていることを確認するため、混合装入原料の混合度を装入直前に測定する技術が開示されている。本技術は、高炉炉内の垂直シュート近傍にコイルセンサを設置し、装入原料がセンサコイルの中心部を通過する際の交流磁場に対する信号変化が、原料の電磁気的性質の違いにより異なるという原理を用いている。この信号変化を解析して、原料の混合度の時間変化を調べるものである。
【０００４】
又、特許文献２には、特殊な恒電気抵抗合金の素材を、スパイラル又はトロイダル等の所望の形状となし、これをそのままの状態で常温用又は耐熱用絶縁体に固定するか絶縁体中に埋め込むことにより絶縁体に取り付けて作製する渦電流式センサの製造方法に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０４７９１号公報
【特許文献２】特開昭６４−２０４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高炉炉内に計測用コイルを設置する場合、休風と呼ばれる高炉の定期修理時のみにしか行えない。これは数ヶ月に１度しか行われないため、その耐熱性、耐久性が問題となる。高炉の炉頂部の中心でガスの温度は４００℃〜５００℃にも達する。高温のガスのほとんどは集塵装置によって回収され、また原料の装入上面から離れるに従って温度も下がる。しかしながら、原料の装入状況を調べるために高炉炉内に設置する計測用コイル近傍においても、常温に比べるとかなり高温である。更には、原料装入時に原料の一部は計測用コイル本体に衝突する可能性がある。従って、原料が衝突しても破損することがないようにコイル本体の機械的耐久性能も必要とされる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のコイルセンサ３２では、その図４に示され、段落００２４に記載されている如く、耐熱性に優れた不導体の管体（例えばセラミック管）３２ａに検出コイル３２ｂと励磁コイル３２ｃが直接巻回されているだけであり、特に、コイルを含む全体としての耐熱性や耐久性に関する対策は採用されていなかった。
【０００８】
又、特許文献２に開示されている渦電流式センサでは、恒電気抵抗線が使用されているが、このまま高炉炉内に設置した場合、装入する原料が衝突して破損するという課題があった。また、この電線の作製に当たっては非常にコストがかかるという問題もあった。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決するべくなされたもので、高炉炉内で使用するにあたり、耐久性があり、且つ、安価に製造することが可能な高炉炉内計測用コイルを提供することを第１の課題とする。
【００１０】
本発明は、又、前記コイルを用いた高炉原料の混合度を計測する技術を提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高炉炉内に設置する計測用コイルであって、中心部が中空の、耐摩耗性に優れた耐火物からなるボビンと、該ボビンの外側に巻回した耐熱性被覆の金属電線と、該金属電線を前記ボビンに固定するための耐熱性樹脂と、コイル外周面を覆う断熱材カバーと、を備えることにより、前記第１の課題を解決したものである。
【００１２】
ここで、前記コイルを構成する材料は、少なくとも２５０℃以上の耐熱性を持つようにすることができる。
【００１３】
又、前記断熱材カバーは、耐熱性樹脂によってコイルと一体化することができる。
【００１４】
又、前記断熱材カバーは弾性を有することができる。
【００１５】
又、高炉炉内の計測対象を、装入原料の混合度とすることができる。
【００１６】
本発明は、又、前記の高炉炉内計測用コイルを用いることを特徴とする装入原料の混合度計測方法により、前記第２の課題を解決したものである。
【００１７】
又、前記の高炉炉内計測用コイルを備えたことを特徴とする装入原料の混合度計測装置により、同じく前記第２の課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、例えばアルミナやシリカのような耐火物からなるボビンを使用し、該ボビンの外側に耐熱性の金属電線を巻回してセンサを構成し、前記金属電線を耐熱性樹脂によって前記ボビンに固定し、コイル外周面は断熱材カバーで覆ったので、原料が衝突しても破損することなく安定に測定ができる。
【００１９】
更に、各部材に耐熱性能を持たせたので、例えば耐熱温度２５０℃以上の材料を使用した場合には、高炉の炉頂から到達する熱があっても耐久し、安定して測定できる。又、反応性が低い耐火物を用いているので、高炉で発生するＨ2Ｓ、ＣＯなどの有毒ガスにも強
い。
【００２０】
また、特許文献２のような特殊な線を使用しないので、製造コストも安価である。
【００２１】
また、耐久性のあるコイルを使用することで、長期間に渡り安定した計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す（ａ）平面図及び（ｂ）断面図
【図２】前記実施形態の配設位置を示す高炉炉頂部の（ａ）全体の断面図及び（ｂ）垂直シュート周辺の拡大断面図
【図３】前記実施形態の配設位置の温度変化の例を示すタイムチャート
【図４】実施例のインピーダンス特性を示す図
【図５】実施例のインピーダンス変化を示すタイムチャート
【図６】本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図
【図７】第１実施形態のコイルを用いた場合における原料装入時の（ａ）高周波と（ｂ）低周波でのコイルインピーダンスの変化の例を示すタイムチャート
【図８】図７のデータから算出した原料装入度の変化状態を示すタイムチャート
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
図２に例示する如く、高炉１０の炉体本体１２と炉頂バンカー１４は、炉体本体１２の熱による膨張を考慮して膨張分を吸収できるように、垂直シュート２０においては隙間Ｓを持たせる構造となっている。またその外側は蛇腹式のカバー２６によって、炉頂バンカー１４と炉体本体１２を接続しており、外気と遮断するような構造となっている。
【００２５】
垂直シュート２０は上部垂直シュート２２と下部垂直シュート２４に分断され、その間に数１００ｍｍ程度の隙間Ｓがあり、本発明に係る計測用コイル３０は、図２（ｂ）に示す如く、この隙間Ｓに設置される。
【００２６】
本発明者らの調査によれば、高炉の定常操業における炉内の前記隙間Ｓでの温度は２００℃以下であることがわかっている。この場所における温度の時間変化の様子を図３に示す。
【００２７】
図１に本発明に係る計測用コイル３０の第１実施形態を示す。計測用コイル３０本体は、ボビン３２とそれに巻いた金属電線３４からなる。ボビン３２は原料衝突に対する機械的強度を持たせるため、焼結して成型する耐火物を用いる。主な成分はＡｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などである。また、中心部は中空となっており、この部分を原料が落下、装入されてい
く。更に、中心の中空部を通過する原料の電磁気的性質を測定するために、ボビン３２は電気的に絶縁性を持った材質でなければならない。
【００２８】
コイルを構成する金属電線３４は、原料装入に伴う信号を得るために巻き数を適切にする。このとき、設置寸法の制約から金属電線３４を密に巻く必要があり、互いに隣り合う線に接触しても電気的に導通がないよう、絶縁体による被覆が必要となる。計測用コイル設置スペースに制約があることから、できるだけ細い線を使用する。樹脂被膜付きの金属電線には、比較的高温下でも長時間使用できるものがあり、これを採用することができる。本実施形態で採用した金属電線は、φ１．０ｍｍの銅線で耐熱温度は２５０℃であった。設置スペースの制約が緩い場合は、使用可能な温度が４００℃にも達する、金属電線にセラミクスファイバなどで被覆した耐熱電線を利用することも可能である。金属電線としては、安価な銅線が好適であるが、他に銀線やニッケル線なども使用できる。
【００２９】
コイルは励磁検出を兼ねた単一コイル、励磁、検出を分けたコイルなど用途に応じて電線を巻けばよい。励磁と検出に分けた場合は、図１（ｂ）に例示したように、検出コイル３４ａの上に重ねて励磁コイル３４ｂを巻いたコイル、特許文献１の図４に示されるように、励磁・検出を上下方向に分けて巻いたものなども考えられる。
【００３０】
前記金属電線３４を所定の回数、ボビン３２に巻いてコイルを作製する。巻く回数は、電線に流す励磁電流の周波数（測定周波数）と金属電線３４を所定回数巻いたときのコイルの共振周波数を比較して決めればよい。特にコイルが安定に動作するためには、測定周波数の１０倍程度に共振周波数がなるようコイル巻き数を決定するが、高炉内部に設置する場合では、コイル周囲には金属（鉄）が存在することとなる。このような場合には、コイルの見かけインダクタンスは低下するので、次式により共振周波数ｆcは高くなる。
【００３１】
ｆc＝１／√(ＬＣ)      （１）
（Ｌはコイルのインダクタンス、Ｃは静電容量）
【００３２】
周囲に金属があるとコイルの性能は低下するが、見かけインダクタンスの低下を見込んで、コイルの巻き数を増やすことで、計測性能をコイルの周囲に何もない状況のときと同等に向上させることも可能である。
【００３３】
ボビン３２に巻いた金属電線３４は解けないよう固定する必要がある。固定には２５０℃以上耐熱のシリコンなどを主成分としたゴムコンパウンドなどの耐熱性樹脂３６を使用するのが簡便である。これらの材料は、酸性やアルカリ性の物質に対しても安定で、Ｈ2ＳやＣＯなどの有毒ガスが発生する高炉炉内においても材質の変化はない。この材料以外にも２５０℃以上の耐熱があり、高炉内で発生するガス成分に対して安定な材料、例えば、金属化合物（ＡｌＮ3、ＺｒＯ2など）を主成分とした常温硬化型の耐熱接着剤などを用いてもよい。なお、固定用の耐熱性樹脂３６も電気的に絶縁であることが必要である。
【００３４】
コイル（ボビン３２）の内径が垂直シュート２０の内径よりも大きすぎると測定精度が損なわれる。よって、コイルの径は小さくする必要があるが、コイル径が小さい場合はコイル外面（電線が巻かれている面）と垂直シュートカバー２６との間に隙間が空く場合があり、計測用コイル３０の周囲の部材に当たって跳ねた原料の一部が侵入する可能性が高い。計測用コイル３０と垂直シュートカバー２６の間に入り込んだ原料は、コイルの電線を傷つけ、コイルが損傷することがある。こうしたトラブルを避けるため、コイル周囲は２５０℃以上の耐熱性のある断熱材カバー３８で覆い、計測用コイル３０と垂直シュートカバー２６の間の空間を埋める。この断熱材カバー３８により、高炉内の雰囲気温度が上昇しても直ちに電線の温度が上昇するのを避けることができる。よって、短時間の間、高温なガスが上昇してきたとしても、電線に直接熱が加わることはない。
【００３５】
前記断熱材カバー３８としては、１０００℃の耐熱性がある住宅用耐火ボードや、ガラス繊維でできた耐火フェルトを用いることができる。特に耐火フェルトのように、弾性があるものを使用した場合には、コイルに原料が当たった際にも断熱材カバー３８がクッションの役割をして、衝撃を吸収することができる。
【００３６】
なお、前述した耐熱性樹脂３６、例えばパテで固まる耐熱性シリコンゴムを用いて、断熱材カバー３８とコイル本体を一体化すれば、より頑丈に計測用コイルを作製可能である。
【００３７】
また、コイルの設置の際、垂直シュート２０のカバー部は限られた範囲でしか高さ方向に開口しない場合がある。この開口高さに合わせて計測用コイル３０を作製すると、取り付け、取り外しが簡便である。
【実施例】
【００３８】
本発明の第１実施形態の計測用コイル３０を、高炉１０の垂直シュート２０の隙間Ｓに取り付けた。この場所に設置するための作製したコイルは、ボビン３２をＡｌ2Ｏ3とＳｉＯ2を主成分とする焼結成型した耐火物で作製した。金属電極３４には銅線を用いた。ボ
ビン３２の機械特性を考慮し、本実施例においては曲げ特性１５０ｋｇｆ／ｃｍ2以上で
、ＳｉＣの微粒子を用いたショットブラスト試験によって耐摩耗性が十分あることを確認した。
【００３９】
垂直シュート２０の内径がφ８６０ｍｍであることから、原料装入時の原料存在範囲がコイル径の８０％になるようにコイルの内径はφ１１００ｍｍとした。ボビン３２の内径は、強度も考慮してφ１０００ｍｍとした。垂直シュート２０の内径よりもコイルの内径のほうが広いので、ほぼ全量の原料はコイルに衝突せず装入される。また、垂直シュート２０のカバー２６の内径はφ１１００ｍｍであったので、コイルを覆う断熱材カバー３８の外径を１０８０ｍｍとして作製した。また、コイルの上下面に５ｍｍ厚の断熱材カバー３８を取り付けた。コイルのボビン３２と銅線（３４）、およびコイル本体とカバーを固定する耐熱性樹脂３６には耐熱性シリコンゴム（耐熱２５０℃）を使用した。
【００４０】
コイルでは原料落下時の様子を計測することから、落下速度（５００Ｈｚ相当）より十分早い測定周波数を用いることが必要であり、ほぼ止まっているように見える１７６ｋＨｚで測定を行うこととした。計測用コイルは励磁、検出の２つのコイルからなり、それぞれ耐熱銅線を１０ターン巻いて作製した。高炉の炉外において外乱がまったくない状況では、励磁、検出ともコイルの共振周波数は４６０ｋＨｚであった。図４にその状況を示す。励磁、検出コイルは、図１（ｂ）に示したように、検出コイル３４ａの外側に励磁コイル３４ｂを巻くようにし、計測用コイル３０の高さ（３５ｍｍ）が垂直シュートカバー２６の隙間開口（４０ｍｍ）より低くなるように作製した。
【００４１】
このような計測用コイルを高炉炉内に設置し測定を行ったところ、図５に示すように、コイル内部に何も通過している物がないときのインピーダンスは大きく変化することはなく、４ヶ月間まったく問題なく動作していることが確認できた。
【００４２】
なお、コイル上面に原料が積層して測定に影響が出るような場合には、図６に示す第２実施形態の如く、断面が中心側が下がった楔形になるよう、コイルの中心側に傾いた形状にしてもよい。
【００４３】
以上のように構成された計測用コイルは、高炉の操業において事前に混合された原料（鉄鉱石、焼結鉱、コークス）が装入される際の混合度計測に適用可能である。原料装入の際にはボビン３２の中空部を原料が落下していく。このとき、所定の周波数の交流電流を励磁コイル３４ｂに流し、交流磁場を発生させる。交流磁場は装入される原料に作用する。印加された磁場の応答として検出コイル３４ａに現れる誘導起電力は、コイル自体の誘導起電力と原料の電磁気的性質の違いにより励磁電流に対する位相が、それぞれ異なる変化を示す。また、原料の量の違いにより誘導起電力の大きさも異なる。従って、装入原料の混合度を測定できる。ここで、焼結鉱及びコークス以外の成分である鉄鉱石は、赤鉄鉱石が主であるため、ほぼ非磁性であり、コークス及び焼結鉱と区別できる。
【００４４】
第１実施形態のコイルを用いて、特許文献１に開示されたのと同様な方法により測定を実施した。測定周波数は１７６ｋＨｚと５６ｋＨｚの２周波で、それぞれの周波数について位相検波処理して、各周波数の実部と虚部の時間変化を得た。図７（ａ）、（ｂ）には、それぞれの周波数における、混合された原料が装入される際の検出コイルに現れる信号（インピーダンス）変化を示す。なお、図７中のＺ0、Ｚ1は、それぞれの周波数において、全量が焼結鉱であったときのインピーダンスを表している。
【００４５】
特許文献１に詳細に記載したように、予めオフラインで各原料の量と検出コイルのインピーダンス（または励磁電流で規格化した検出電圧の変化）から、データ内のコークス、および焼結鉱の混合率が算出可能である。図８に、このようにして算出した焼結鉱及びコークスの混合度の変化の様子を示す。ここで、３種の原料（焼結鉱、コークス、鉄鉱石）の和が常に１となるように変化する。
【符号の説明】
【００４６】
１０…高炉
１２…炉体本体
１４…炉頂バンカー
２０…垂直シュート
３０…計測用コイル
３２…ボビン
３４…金属電線
３４ａ…検出コイル
３４ｂ…励磁コイル
３６…耐熱性樹脂
３８…断熱材カバー
Ｓ…隙間
【図１】
0005928000.tif 000002
【図２】
0005928000.tif 000003
【図３】
0005928000.tif 000004
【図４】
0005928000.tif 000005
【図５】
0005928000.tif 000006
【図６】
0005928000.tif 000007
【図７】
0005928000.tif 000008
【図８】
0005928000.tif 000009