(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁気的性質の異なる複数種類の物質の混合物を、交流電流を印加した中空のコイルの内側に配置、またはコイルの軸方向に通過させて、前記コイルに発生する出力電圧を測定し、該出力電圧にもとづいて前記混合物中の物質の混合率を計測する混合物混合率計測方法であって、
前記コイルは、同一軸方向に配置された、前記交流電流を印加する励磁コイルと測定用コイルとからなり、
前記交流電流は、複数周波数を有し、
前記混合物を前記励磁コイルの内側に配置、またはコイルの軸方向に通過させて、前記測定用コイルに発生する出力電圧を測定することを特徴とする混合物混合率計測方法。
【請求項２】
前記測定用コイルから得られる電圧を、励磁コイルに印加した交流電流に対する同相成分とその直交成分とに分けて、それぞれの値に基づいて混合率を算出することを特徴とする請求項１に記載の混合物混合率計測方法。
【請求項３】
高炉の炉頂バンカーの下方において、高炉内へ落下して装入される原料がコイル内を通過するように前記コイルを設置し、高炉へ装入される原料の混合率を計測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の混合物混合率計測方法。
【請求項４】
電磁気的性質の異なる複数種類の物質の混合物からなる被測定物質中の物質の混合率を計測する装置であって、
前記被測定物質を取り囲んで配置、または、通過させる、同一軸方向に配置された励磁コイルと測定用コイルとからなる中空のコイルと、
前記励磁コイルに複数周波数を有している交流電流を印加する交流電源と、
前記被測定物質が前記コイルの内部に配置される、または、内部を通過する際に、前記測定用コイルの出力電圧を測定する電圧測定装置と、
前記測定した出力電圧に基づいて前記被測定物質中の混合率を算出する混合率算出装置とを備えたことを特徴とする混合物混合率計測装置。
【請求項５】
前記電圧測定装置は、前記複数周波数の各々について前記測定用コイルの出力電圧の前記交流電流に対する同相成分と直交成分とを算出し、
前記混合率算出装置は、前記算出した同相成分と直交成分とに基づいて混合率を算出することを特徴とする請求項４に記載の混合物混合率計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合物の混合率計測方法および計測装置に関し、特に高炉装入原料の混合率の計測方法および計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高炉への原料装入は、従来から、鉄鉱石、焼結鉱、コークス等の原料を炉内に層状に交互に積み上げる装入が行われているが、近年では、高炉の通気性向上や鉄鉱石、焼結鉱の還元性を向上させることを目的として鉄鉱石、焼結鉱、コークスを装入前のコンベア上などにおいて、事前に混合したうえで、高炉に装入する「混合装入」と呼ばれる操業方法も行われるようになってきた。
【０００３】
例えば各原料を所定の割合で混合する場合、各原料は原料貯留ホッパーから所定量となるようにコンベア上に切り出され、これらの原料はコンベアで運ばれ、サージホッパー内で各原料が混合される。さらに、混合された原料はサージホッパーから高炉炉頂へコンベアで運ばれた後、高炉炉頂バンカーに貯留され、高炉内へ装入される。
【０００４】
上記のような混合装入操業においては、秤量ホッパーからコンベア上への原料が切り出される際には鉄鉱石、焼結鉱、コークスの各原料の質量比が所定の割合になるように炉外で原料を混合している。しかし、混合された原料がコンベアからサージホッパーや炉頂バンカーに落下、貯留され、そこから再び排出されていく際に、各原料の平均粒径や比重が異なるため、その段階では原料の偏析が発生してしまう。このように、原料が偏析することで、高炉への原料装入時には各原料の質量比が正しく所定の比率とならない場合があり、正確に所定の混合率での混合装入操業が行えない場合には、高炉内部の通気性が低下し、高炉の状態は不安定となり操業効率が低下する可能性もある。従って、実際に高炉に装入される際の各原料の混合率を測定できれば、このような問題に対処することが可能となる。
【０００５】
高炉内に装入された原料の混合率を計測する方法として、磁気検出用素子を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法によれば、各種装入物の混在率と磁気検出素子の出力電圧との関係、および装入物表面からの出力電圧深さと磁気検出用素子で実測した出力電圧の補正値との関係を予め定めておき、実炉における磁気検出用素子で実測した出力電圧値を実測した出力電圧値の測定深さに対応する補正値で補正し、この補正出力電圧値から装入物の混在率を求めた後、高炉の半径方向およびその深さ位置における装入物混合重量比を求めることができるとされている。
【特許文献１】特開昭５６−１４２８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の方法では、磁気検出用素子を高炉内の、原料が装入された表面位置に設置する必要があり、炉内に頻繁に原料が落下している状態では、磁気検出用素子の機械的強度が必要となり、また時には炉内を吹き上がってくる熱風の影響を受けるため熱的強度、安定性も必要であり、正確に原料の混合率を測定することは困難である。また、このような装置を常に高炉内に設置しておくことは、装置の耐久性等の観点からも、現実的ではない。
【０００７】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高炉内のように通常の方法では測定困難な環境においても、装入される原料である混合物の混合率を測定可能な、混合物の混合率計測方法および計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）電磁気的性質の異なる複数種類の物質の混合物を、交流電流を印加した中空のコイルの内側に配置、またはコイルの軸方向に通過させて、前記コイルに発生する出力電圧を測定し、該出力電圧にもとづいて前記混合物中の物質の混合率を計測する混合物混合率計測方法であって、
前記コイルは、同一軸方向に配置された、前記交流電流を印加する励磁コイルと測定用コイルとからなり、
前記交流電流は、複数周波数を有し、
前記混合物を前記励磁コイルの内側に配置、またはコイルの軸方向に通過させて、前記測定用コイルに発生する出力電圧を測定することを特徴とする混合物混合率計測方法。
（２）前記測定用コイルから得られる電圧を、励磁コイルに印加した交流電流に対する同相成分とその直交成分とに分けて、それぞれの値に基づいて混合率を算出することを特徴とする（１）に記載の混合物混合率計測方法。
（３）高炉の炉頂バンカーの下方において、高炉内へ落下して装入される原料がコイル内を通過するように前記コイルを設置し、高炉へ装入される原料の混合率を計測することを特徴とする（１）または（２）に記載の混合物混合率計測方法。
（４）電磁気的性質の異なる複数種類の物質の混合物からなる被測定物質中の物質の混合率を計測する装置であって、
前記被測定物質を取り囲んで配置、または、通過させる、同一軸方向に配置された励磁コイルと測定用コイルとからなる中空のコイルと、
前記励磁コイルに複数周波数を有している交流電流を印加する交流電源と、
前記被測定物質が前記コイルの内部に配置される、または、内部を通過する際に、前記測定用コイルの出力電圧を測定する電圧測定装置と、
前記測定した出力電圧に基づいて前記被測定物質中の混合率を算出する混合率算出装置とを備えたことを特徴とする混合物混合率計測装置。
（５）前記電圧測定装置は、前記複数周波数の各々について前記測定用コイルの出力電圧の前記交流電流に対する同相成分と直交成分とを算出し、
前記混合率算出装置は、前記算出した同相成分と直交成分とに基づいて混合率を算出することを特徴とする（４）に記載の混合物混合率計測装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、混合物中の物質の混合率を容易に精度良く求めることができる。本発明を高炉に装入する原料の混合率の計測に用いると、混合率の計測に用いるセンサー部分を炉内に装入された原料表面に近づける操作をする必要がなく、装入される原料中の物質の混合率を容易に求めることが可能となる。このため、装入原料中の物質の混合率を正確に制御することができ、高炉の操業が安定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明で混合率を測定可能な混合物は、互いに電磁気的性質の異なる複数種類の物質の混合物である。互いに電磁気的性質の異なる複数種類の物質からなる混合物を、交流電流を印加した中空のコイルの内側に配置、または、コイル内部をコイル軸方向に通過させ、混合物がコイルの中空部に配置、または、通過する際の混合物の電磁気的性質を測定することで、複数種類の物質の混合率を検出することができる。
電磁気的性質の異なる複数種類の物質としては、強磁性体、常磁性体等の各種磁性体、導電体、及びこれらの組み合わせ等であり、例えば高炉装入原料の場合は、コークスが導電体であり、焼結鉱は常磁性体であり、コイル内を通過する際にコイルを用いて混合物の電磁気的性質を測定して検出し、その混合率を計測することができる。混合物の電磁気的性質は、コイルに発生する起電力の同相成分とその直交成分（位相が９０°ずれた成分）、すなわち、実部、虚部を測定することで検出可能である。この場合、混合率を計測する複数種類の物質のそれぞれについて単独に物質の質量と出力電圧との関係を測定して検量線を作成し、作成した検量線に基づいて混合物中の物質の混合率を算出することが好ましい。あらかじめ検量線を作成することで、容易に混合率を計測することができる。
【００１１】
計測に用いるコイルは、１つのコイルで混合物の励磁と電磁気的性質の測定を行なう（励磁コイルと測定用コイルを兼用する方法）ことも、励磁と測定とを２つのコイルに分けて行なうことも可能であり、測定対象となる混合物の速度（静止時は速度０）やコイル内での位置、コイルの設置スペース、測定装置の感度などで使い分ければよい。また、計測を行う際にはコイルでの検出感度を向上させるため、起電力の変化成分を高分解能で検出させる必要があるので、予めコイルに誘導される誘導起電力が打ち消された状態にしてから、混合物の混合率を計測することが好ましい。
【００１２】
高炉へ装入される原料の混合率を計測する際には、高炉の炉頂バンカーの下方において、高炉内へ落下して装入される原料がコイル内を通過するようにコイルを設置することが好ましい。
【００１３】
このような計測方法を実施するには、電磁気的性質の異なる複数種類の物質の混合物からなる被測定物質中の物質の混合率を計測する装置であって、前記被測定物質を内側に通過させる、または、内側に置くことを可能とする中空のコイルと、コイルに交流電流を印加する交流電源と、被測定物質がコイルの内側を通過する際に、または、コイル内に置かれた際に、交流を印加されたコイルの出力電圧を測定する電圧測定装置と、測定した出力電圧に基づいて被測定物質中の混合率を算出する混合率算出装置とを備えたことを特徴とする混合物混合率計測装置を用いることができる。
【００１４】
コイルを２つのコイルに分けて行なう場合には、コイルが、励磁コイルと測定用コイルとからなり、励磁コイルが、測定用コイルの被測定物質の入り側、または出側に設置され、励磁コイルに交流電流を印加し、測定用コイルの出力電圧を測定することを特徴とする混合物混合率計測装置を用いることができる。
【００１５】
高炉へ装入される原料の混合率を計測する際には、高炉の炉頂バンカーの下方において、高炉へ装入する原料をコイル内に通過させて、高炉に装入される原料の混合率を計測することが好ましい。
高炉装入原料の混合率測定に本発明を用いた場合の一実施形態を、図面を用いて説明する。図1は、本発明の計測装置の一実施形態であり、混合率を計測するためのコイルの設置状態を示す概略図である。コイル１は芯が中空で、コイルの軸２と、図中に矢印で示す混合物３が移動する方向とは一致している。混合物３において、混合された物質は２種類の電磁気的性質が異なるものであり、ここでは一方を導電体Ａ、もう一方は常磁性体Ｂとする。導電体Ａと常磁性体Ｂとの混合物３が、コイル１の内部を通過する。このとき、コイル１には導電体Ａと常磁性体Ｂのそれぞれの質量に対応した出力電圧のベクトル和の変化として出力が得られる。コイルの出力変化はコイルを励磁と検出について兼用にした場合にはインピーダンスアナライザなどのインピーダンス測定装置４、励磁と検出の２つに分ける場合にはロックインアンプ等で検出する。インピーダンス測定装置を用いる際には、例えば、着目する周波数における物質通過時のコイルのインピーダンスを測定し、インピーダンスの変化から物質の割合を算出する。このとき、下記で示す方法と同様な方法で、予めインピーダンスに関する検量線を作成しておき、測定したインピーダンスから各物質の質量比を求め、導電体Ａと常磁性体Ｂの混合率を計測することができる。
【００１６】
導電体Ａでは高周波の励磁周波数による応答は、渦電流の効果が顕著となり、コイルの電気抵抗の変化に相当する実成分が現れる。また常磁性体Ｂでは、低周波の励磁周波数による応答は、渦電流の効果は小さく、コイル中に鉄芯が存在するのと同様な状況であることからコイルのインダクタンスの変化に相当する虚成分の変化が顕著である。従って、低周波の応答から常磁性体Ｂの量を決定し、高周波の応答から導電体Ａの量を決定することが効果的である。これらの質量比が混合率となる。
【００１７】
実際に高炉原料の混合率を計測する際には、図２に示すように、高炉１０の上部に設置された炉頂バンカー１１の下方にコイル１２（センサーコイル）を取り付け、コイル１２の軸と原料の落下方向が一致するようにする。炉頂バンカー１１の出口部分には流量調整ゲート１３が設置され、流量調節ゲート１３が開くと原料が落下し、落下してくる原料の量と割合によりコイル１２の出力電圧が変化する。設置および計測上の困難はあるが、コイル１２を旋回シュート１４に設置して、旋回シュート付近での計測を行えば、より正確な混合率を求めることが可能である。
【００１８】
本発明の他の実施形態として、コイルを励磁コイルと測定用コイルとに分け、励磁コイルを測定用コイルの直近に設置して測定用コイルを通過する混合物を励磁コイルに交流信号を印加して励磁する方法を用いることができる。測定用コイルの出力はロックインアンプ等で検波を行って混合物が測定用コイルを通過するときの出力電圧の変化を検出する。
【００１９】
測定用コイルには励磁コイルの作る磁場によって誘導起電力が誘導されており計測精度が悪い場合があるが、その場合には原料がコイルを通過していない時に測定用コイルの０点調整を行えばよい。０点調整を行う場合の測定回路の一例を図３に示す。図３において励磁コイル１５は周波数発振器１６と接続しており、励磁はこの発振器１６によって行う。発振器１６は１Ｃｈ１６ａ、２Ｃｈ１６ｂの２つのチャンネルの出力を持っており、その出力は１Ｃｈの信号に対して位相、振幅を変化させた信号を他方のチャンネルから出力可能なものである。発振器の１Ｃｈ１６ａは励磁コイル１５に接続し、２Ｃｈ１６ｂは差動アンプ１７の入力に接続される。また差動アンプ１７のもう一方の入力端子は、測定用コイル２１の出力と接続し差動アンプ１７の出力はロックインアンプ１８に入力され、さらにロックインアンプ１８の出力はデータ記録装置１９に記録される。得られた信号を処理する必要があればＡＤ変換器２０を通して振幅と位相のデータをデータ記録装置１９（コンピュータ）に記録するのが簡便である。なお、ロックインアンプ１８の参照信号は発振器１６の励磁用信号を利用する。また、ロックインアンプ１８のローパスフィルターのカットオフ周波数は、測定用コイル２１を原料が通過するよりも長い時間となるような周波数を選択する。
【００２０】
発振器は２ｃｈ式のものを用いたが、２台の発振器を用いて調節を行っても同様の効果が得られる。また、励磁コイル１５が測定用コイル２１に誘導する電圧は、発振器の２ｃｈ１６ｂの信号を差動アンプ１７に入力しているが、差動アンプの代わりにトランスを用いることも考えられる。
測定用コイル２１の各原料による出力変化は低周波、高周波領域においてそれぞれ予め、高炉の場合は炉外において測定して、検量線を作成しておく。各検量線の近似曲線を調べ、それぞれの周波数における出力電圧の実部、虚部の近似曲線の和が、検出される電圧であるとし、出力電圧データをこれらの式に代入し連立方程式を解くことで、各物質の質量比を算出することができる。これらの検量線を用いて、実測した測定用コイル電圧の実成分、虚成分のデータから各物質の質量比を求めることで混合率を計測する。
【００２１】
なお、一般的には励磁周波数は高炉装入原料（混合物中の物質）の種類に応じてその応答が顕著な周波数帯域を利用することが効果的であるが、励磁周波数を決定する際には、各物質の応答が十分分離可能な変化を示すような周波数とする。異なる物質に関して、同じ、コイル内部の原料が同じ断面積内に含まれる状態で測定した測定用コイル２１の出力が一方の物質に対して１０倍以上となるような励磁周波数を選択するのがよい。
【００２２】
なお、混合率を測定する際には低周波信号と高周波信号を重畳して励磁コイル１５を発振させればよいが、励磁コイル１５の設置スペースの余裕がある場合は、測定周波数ごとに励磁コイル１５を設置してもよい。
【実施例１】
【００２３】
高炉に炉頂部から装入する原料の混合率を、本発明を用いて計測した。図２および、図３に示すものと同様の装置を用い、励磁周波数は低周波が１０ｋＨｚ、高周波は１００ｋＨｚの２種類とした。次に、コークス、焼結鉱それぞれの原料に対する各周波数における測定用コイルの出力電圧の実成分、虚線分に関して検量線を作成した。図４（ａ）がコークスを低周波数で励磁した場合の検量線、図４（ｂ）が焼結鉱の低周波側の検量線、図４（ｃ）がコークスを高周波数で励磁した場合の検量線、図４（ｄ）が焼結鉱の高周波側の検量線である。測定用コイルのコイル軸方向に対する検出可能な範囲を調べ、コイル内の円筒状の空間に物質を充填し、物質のコイルの描く円の中の占有断面積に対するコイル出力の関係を調べ、検量線とした。
【００２４】
炉頂バンカーの下方の測定用コイル部分における原料の落下速度を計算し、ロックインアンプのローパスフィルターのカットオフ周波数は励磁周波数が１０ｋＨｚの時は１ｋＨｚ、１００ｋＨｚの時は１０ｋＨｚとした。図５（ａ）に低周波数で励磁した場合の測定用コイルの出力電圧の実測データを、図５（ｂ）に高周波数で励磁した場合の実測データを示す。以上の結果から求めた原料の混合率である、コークスと焼結鉱との割合の時間変化を図６に示す。さらに、図７には計測方法に関するフローチャートを示す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の計測装置の一実施形態を示す概略図。
【図２】高炉原料の混合率を計測する際の一実施形態を示す概略図。
【図３】本発明の一実施形態であり、測定回路を示す図。
【図４】（ａ）コークスを低周波数で励磁した場合の検量線、（ｂ）焼結鉱を低周波数で励磁した場合の検量線、（ｃ）コークスを高周波数で励磁した場合の検量線、（ｄ）焼結鉱を高周波数で励磁した場合の検量線。
【図５】（ａ）低周波数で励磁した場合の測定用コイルの出力電圧の実測データを示すグラフ、（ｂ）高周波数で励磁した場合の実測データを示すグラフ。
【図６】コークスと焼結鉱との混合率の時間変化を示すグラフ。
【図７】実施例１の計測方法に関するフローチャート。
【符号の説明】
【００２６】
１    コイル
２    コイルの軸
３    混合物
１０    高炉
１１    炉頂バンカー
１２    コイル
１３  流量調整ゲート
１４    旋回シュート
１５    励磁コイル
１６    周波数発振器
１６ａ    １Ｃｈ
１６ｂ    ２Ｃｈ
１７    差動アンプ
１８    ロックインアンプ
１９    データ記録装置
２０    ＡＤ変換器
２１    測定用コイル
Ａ    導電体
Ｂ    常磁性体
【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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