(57)【要約】【課題】装入物の種類や水分量を状態として検出することが可能な高炉装入物検出方法を提供する。【解決手段】演算処理装置７とデータベース８を用いて高炉装入物の状態を検出する場合に、種類や水分量が分明な装入物からの近赤外領域の反射光を分光してＭ個の波長分のスペクトルからなる反射スペクトル情報を取得し、それに装入物の種類や水分量を属性として付与してデータベース８に記憶し、これを種類や水分量の異なる装入物に対して繰り返して行う。種類や水分量の分明でない装入物からの反射スペクトル情報を新規に取得したら、Ｍ次元空間上の記憶された反射スペクトル情報及び新規に取得した反射スペクトル情報間の距離を求め、その距離が小さい記憶された反射スペクトル情報をデータベース８から選出し、その選出された反射スペクトル情報の属性から新規に反射スペクトルを取得した装入物の種類や水分量を状態として検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のデータを属性と共に記憶することが可能なデータベースと、
演算処理機能を有し、前記データベースと連絡して前記データベースに記憶されたデータを属性と共に読込むことが可能な演算処理機能とを用いて、
高炉に装入される装入物の状態を検出する高炉装入物検出方法であって、
少なくとも種類が分明な装入物からの近赤外領域の反射光を分光した反射スペクトル情報を取得すると共に、少なくともその装入物の種類をその反射スペクトル情報に属性として付与して前記データベースにデータとして記憶し、これを少なくとも種類の異なる装入物に対して繰り返して行って、少なくとも装入物の種類が属性として付与された複数の反射スペクトル情報をデータベースにデータとして記憶し、
少なくとも種類の分明でない装入物からの近赤外領域の反射光を分光した反射スペクトル情報を新規に取得し、
前記データベースに記憶された反射スペクトル情報及び前記新規に取得した反射スペクトル情報のデータが予め設定されたＭ個の波長又は周波数分のスペクトルである場合に、そのＭ次元空間上の記憶された反射スペクトル情報及び新規に取得した反射スペクトル情報間の距離を求め、その距離が最も小さい又は最も小さい方から予め設定された個数分の記憶された反射スペクトル情報を前記データベースから選出し、その選出された反射スペクトル情報の属性から新規に反射スペクトル情報を取得した装入物の少なくとも種類を状態として検出する
ことを特徴とする高炉装入物検出方法。
【請求項２】
前記反射スペクトル情報の属性として、前記装入物の種類に加えて、前記装入物の水分量及び装入物の粉付着率の少なくとも一方を付与し、前記選出された反射スペクトル情報の属性から新たに反射スペクトル情報を取得した装入物の種類に加えて水分量及び粉付着率の少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項１に記載の高炉装入物検出方法。
【請求項３】
前記装入物の水分量及び粉付着率の少なくとも一方について主成分分析を適用して次元圧縮を行うことを特徴とする請求項２に記載の高炉装入物検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉に装入される装入物の状態を検出する高炉装入物検出方法に関し、例えば高炉への装入物であるコークス、鉱石（鉄鉱石）、焼結鉱が夫々どの程度、どのような状態で高炉に装入されているかを検出するものである。
【背景技術】
【０００２】
高炉の炉頂部から高炉内に装入される装入物の量や性状、例えば水分量、粉付着率などの管理は十分とはいえないのが現状である。例えば高炉の炉頂上方に配置されたコンベヤから高炉内に装入される装入物の状態を検出することができれば、例えば高炉の炉内通気状態を管理することができ、高炉操業を安定化することも可能である。このような高炉装入物検出装置としては、例えば下記特許文献１及び特許文献２に記載されるものがある。このうち特許文献１に記載される高炉装入物検出装置は、原料貯蔵層の排出口を囲むようにコイルセンサを配置し、原料の排出に伴って変化するコイルセンサの出力値に基づいて原料の混合度を検出するものである。また、下記特許文献２に記載される高炉装入物検出装置は、カメラで撮像した画像に対して画像処理を行い、コークスの粒度分布を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８０２７３９号公報
【特許文献２】特開２００３−８３８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１に記載される高炉装入物検出装置は装入物の混合度を検出するだけであり、特許文献２に記載される高炉装入物検出装置はコークスの粒度を検出するだけのものであることから、高炉操業を安定化するためには装入物の情報が不足する。また、前記特許文献２に記載される高炉装入物検出装置は、コークスの粒度を検出するだけであるため、高炉のようにコークスのみならず、鉱石や焼結鉱が混合されて装入される場合には、粒度検出のための画像処理のパラメータが夫々で異なるため、夫々の粒度を適正に検出できない可能性がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、少なくとも装入物の種類を状態として検出することが可能な高炉装入物検出方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、複数のデータを属性と共に記憶することが可能なデータベースと、演算処理機能を有し、データベースと連絡してデータベースに記憶されたデータを属性と共に読込むことが可能な演算処理機能とを用いて、高炉に装入される装入物の状態を検出するにあたり、少なくとも種類が分明な装入物からの近赤外領域の反射光を分光した反射スペクトル情報を取得すると共に、少なくともその装入物の種類をその反射スペクトル情報に属性として付与してデータベースにデータとして記憶し、これを少なくとも種類の異なる装入物に対して繰り返して行って、少なくとも装入物の種類が属性として付与された複数の反射スペクトル情報をデータベースにデータとして記憶し、少なくとも種類の分明でない装入物からの近赤外領域の反射光を分光した反射スペクトル情報を新規に取得し、データベースに記憶された反射スペクトル情報及び新規に取得した反射スペクトル情報のデータが予め設定されたＭ個の波長又は周波数分のスペクトルである場合に、そのＭ次元空間上の記憶された反射スペクトル情報及び新規に取得した反射スペクトル情報間の距離を求め、その距離が最も小さい又は最も小さい方から予め設定された個数分の記憶された反射スペクトル情報をデータベースから選出し、その選出された反射スペクトル情報の属性から新規に反射スペクトル情報を取得した装入物の少なくとも種類を状態として検出する高炉装入物検出方法が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、装入物からの近赤外領域の反射光を分光して反射スペクトル情報を新規に取得し、新規に取得された反射スペクトル情報及びデータベースに記憶された反射スペクトル情報から少なくとも装入物の種類を状態として検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の高炉装入物検出方法の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】水分量又は粉付着率一定時に図１の高炉装入物検出方法で取得され且つ正規化された装入物からの反射スペクトル情報の説明図である。
【図３】水分量又は粉付着率一定時に実際に取得された鉱石からの反射スペクトル情報の説明図である。
【図４】水分量又は粉付着率一定時に実際に取得された装入物からの反射スペクトル情報をプロットしたＭ次元空間の説明図である。
【図５】水分量が変化したときの鉱石からの正規化された反射スペクトル情報の説明図である。
【図６】水分量が変化したときのコークスからの正規化された反射スペクトル情報の説明図である。
【図７】水分量が変化したときの焼結鉱からの正規化された反射スペクトル情報の説明図である。
【図８】装入物の水分量と粉付着率の相関を示す説明図である。
【図９】水分量が変化したときに実際に取得された鉱石からの反射スペクトル情報の説明図である。
【図１０】水分量が変化したときに実際に取得された鉱石からの反射スペクトル情報をプロットしたＭ次元空間の説明図である。
【図１１】水分量が変化したときに実際に取得されたコークスからの反射スペクトル情報をプロットしたＭ次元空間の説明図である。
【図１２】水分量が変化したときに実際に取得された焼結鉱からの反射スペクトル情報をプロットしたＭ次元空間の説明図である。
【図１３】図１の高炉装入物検出方法で検出された装入物の種類の正解率の説明図である。
【図１４】図１の高炉装入物検出方法で検出された装入物の水分量と実際値の相関を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、本発明の高炉装入物検出方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、この実施形態の高炉装入物検出方法の概略構成図である。高炉１では、炉頂部から鉱石（鉄鉱石）、コークス、焼結鉱が装入物として装入され、それらが堆積した炉内堆積物に対して炉下部の羽口２から熱風を送風し、装入物の還元、即ち製銑が行われる。炉床部に流れ落ちた溶銑は、溶滓と共に、高炉２の炉底部外周に形成された出銑口から出銑される。
【０００９】
本実施形態では、鉱石、コークス、焼結鉱といった装入物を高炉１の炉頂部から装入するために、高炉１の炉頂部上方にコンベヤ３を配置している。コンベヤ３で搬送された装入物は、一旦、ホッパー（バンカーともいう）４に投入され、そこから回転式分配装置５を介して、炉内に均等に装入される。本実施形態では、コンベヤ３の上方にカメラ６を配置し、このカメラ６で捉えたコンベヤ３上の装入物の反射光から、装入物の種類や水分量などを検出する。この実施形態では、安定した光量を得るために照明が必要であるが、必要に応じて予め設定された波長域の照明を用いてもよい。
【００１０】
この実施形態で採用されたカメラ６は、二次元的に広がる撮像領域を撮像する一般的なものではなく、所謂ラインセンサ型の分光カメラである。このラインセンサは、ＣＣＤやＣＭＯＳなどで構成される撮像素子を１画素ずつ一次元方向に並べて構成され、各撮像素子は装入物からの反射光の色合いや輝度を検出する。このラインセンサで構成されるカメラ６は、例えばコンベヤ３の搬送方向と直交方向に向けて一次元的に捉えた装入物反射光のうち、近赤外領域の反射光を各画素毎に分光して波長別（周波数別でもよい）の反射スペクトル（反射強度）を反射スペクトル情報として取得することができる。
【００１１】
このように近赤外領域の反射光を分光して取得した装入物の反射スペクトルを、例えばコンピュータのような高度な演算処理機能を有する演算処理装置７に取り込み、この演算処理装置７によって装入物の種類の検出、種類が検出された装入物の水分量、或いは種類が検出された装入物の粉付着率を検出する。粉付着率は、粉率ともいう。この演算処理装置７は、データベース８に接続している。データベース８は、大規模容量の記憶装置の記憶領域であり、この実施形態では、演算処理装置７によって、その演算処理装置７で取り込まれる反射スペクトル情報に属性を付与して記憶することができる。また、演算処理装置７は、データベース８に連絡して、そのデータベース８に記憶されている反射スペクトル情報を属性と共に読込むことができる。
【００１２】
演算処理装置７は、既存のコンピュータなどと同様に、入出力部、演算処理部、記憶部などを備えて構成される。この実施形態の高炉装入物検出方法は、演算処理装置７に記憶されて実行されるソフトウエアと、そのソフトウエアで機能する演算処理装置７及びデータベース８によって構築される。図２には、種類毎の装入物反射光の対波長反射スペクトルを示す。赤外分光法では、高炉装入物のように検出物の表面状態が複雑である場合には、得られる反射スペクトルにバラツキが生じる。そこで、例えば装入物の種類毎に多数の反射スペクトルをサンプリングしてデータベース８に蓄積し、分散を正規化したものが図２である。なお、図は、各装入物の水分量（又は粉付着率）が一定で変化しない状態、例えば水分量が１ｗｔ％未満のドライ条件のものである。例えば鉱石は見た目に赤褐色であり、コークスや焼結鉱の見た目は灰色である。そのため、コークスや焼結鉱の反射スペクトルのパターンに対し、鉱石の反射スペクトルのパターンは特徴的である。一方、コークスの反射スペクトルのパターンと焼結鉱の反射スペクトルのパターンとは類似している。しかしながら、両者には、特に１０００〜１２００ｎｍの波長領域に明確なパターンの差がある。この波長毎の反射スペクトルを比較することにより、例えば新規に取得した装入物の種類を、その装入物の状態として検出することが可能となる。
【００１３】
前述したように、実際に取得される装入物の反射スペクトルは、水分量又は粉付着率が一定であっても、図３に示すように、バラツキがある。図は、前述したドライ条件の鉱石の反射スペクトルを複数取得し、対波長で表したものである。鉱石、コークスや焼結鉱は、自然物若しくは自然物を一次加工した程度のものであるため、表面凹凸があり表面の状態は不均一である。そのため、反射スペクトルにもバラツキが生じる。
【００１４】
そこで、この実施形態では、各装入物の反射スペクトルの特性をよく表す波長を予め複数設定し、それらの波長の反射スペクトルを多数取得して反射スペクトル情報として空間座標に表す。例えば、反射スペクトルに対して予め設定された波長の個数がＭ個である場合に、それらの波長の夫々を軸で表してＭ次元の空間を構成し、そのＭ次元空間に取得した多数の反射スペクトル情報を表す。取得した一つ一つの反射スペクトル情報は、Ｍ次元空間で点として表れる。図４は、水分量（又は粉付着率）がドライ一定のときに、実際に取得された装入物からの反射スペクトル情報をプロットしたＭ次元空間を模式的に表したものである。図から明らかなように、装入物の種類、つまり鉱石（○）、コークス（△）、焼結鉱（□）毎に、バラツキはあっても、反射スペクトル情報がまとまっている。従って、例えば図３に星（☆）印で示すような装入物の反射スペクトル情報が新規に取得された場合に、その反射スペクトル情報の最も近い反射スペクトル情報群が、新規に反射スペクトル情報の取得された装入物の種類であるらしいことが分かる。なお、予め設定するＭ個の波長には、装入物の種類を特徴付ける波長に加えて、後述するように、装入物の水分量（又は粉付着率）を特徴付ける波長を選択してもよい。
【００１５】
サンプリングによって取得した装入物の反射スペクトル情報には、例えば装入物の種類を属性として付与してデータベース８に記憶する。演算処理装置７は、カメラ６から反射スペクトル情報を新規に取得したら、データベース８に記憶された全ての反射スペクトル情報に対し、新規に取得した反射スペクトル情報と記憶された反射スペクトル情報とのＭ次元空間上での距離ｄを求める。この距離ｄの最も小さい記憶された反射スペクトル情報をデータベース８から選出し、その選出された反射スペクトル情報の属性から、新規に反射スペクトル情報の取得した装入物の種類が状態として検出できる。新規に取得した反射スペクトル情報と記憶された反射スペクトル情報とのＭ次元空間上での距離ｄは、新規に取得した反射スペクトル情報の各波長の反射スペクトルをλobji（ｉ＝１，２，…，Ｍ）、記憶された反射スペクトル情報の各波長の反射スペクトルをλdbi（ｉ＝１，２，…，Ｍ）としたとき、下記１式で求められる。
ｄ＝√（（λobj1−λdb1）2＋（λobj2−λdb2）2+…＋（λobjM−λdbM）2）      ……… (1)
【００１６】
或いは、新規に取得された反射スペクトル情報に対し、距離ｄの最も小さい記憶された反射スペクトル情報に代えて、距離ｄの最も小さい方から予め設定された個数、例えばＫ個分の記憶された反射スペクトル情報をデータベース８から選出し、それらの反射スペクトル情報の属性から新規に反射スペクトル情報の取得された装入物の種類を状態として検出してもよい。例えば、距離ｄの最も小さい反射スペクトル情報の属性が「鉱石」であっても、残りの「Ｋ−１」個の反射スペクトル情報の属性が「焼結鉱」である場合には、新規に反射スペクトル情報の取得された装入物は「焼結鉱」であるとすることもできる。また、装入物の状態が、例えば後述する水分量や粉付着率のような連続値である場合には、選出されたＫ個の反射スペクトル情報の属性情報としての水分量や粉付着率の平均値や距離ｄの小さいものほど重みを大きくした重み付け平均値などを用いて、新規に反射スペクトル情報の取得された装入物の水分量や粉付着率を検出することもできる。
【００１７】
前述しているように、装入物の反射スペクトル情報の属性として、水分量を付与することもできる。図５には鉱石の、図６にはコークスの、図７には焼結鉱の、夫々水分量が変化したときのバラツキが正規化された反射スペクトル（図では反射率）を示す。何れも、１４５０ｎｍ近傍、及び１９５０ｎｍ近傍の水の吸収波長帯において、水分量の変化に伴って反射スペクトルの変化が見られる。従って、これらの波長帯を含む波長を前述したＭ個の波長に含めて、水分量の異なる反射スペクトルを各装入物の種類毎に多数サンプリングし、装入物の種類と水分量を属性として付与した反射スペクトル情報をデータとしてデータベース８に蓄積し、新規に取得された装入物の反射スペクトル情報を水分量毎の反射スペクトル情報と比較して、その装入物の水分量を状態として検出することができる。ちなみに、各装入物の水分量と各装入物の粉付着率とは、図８に示すように、互いにリニアな関係にある。即ち、装入物の水分量が大きくなれば、その分だけ、その装入物に付着する粉の量が増加するから、装入物の粉付着率も大きくなる。そのため、反射スペクトル情報から得られる水分量は、即ち粉付着率であると考えてよい。
【００１８】
このように水分量（又は粉付着率）が変化したときにも、同じ水分量の装入物から実際に取得される反射スペクトルにはバラツキが存在する。図９は、鉱石の水分量が変化したときの実際に取得された反射スペクトルであるが、コークスや焼結鉱についても、水分量が変化したときの実際に取得される反射スペクトルにはバラツキが存在する。正規化によって図５のように表された鉱石の水分量が変化したときの実際に取得された反射スペクトル情報を図１０のＭ次元空間に模式的に表す。同様に、正規化によって図６のように表されたコークスの水分量が変化したときの実際に取得された反射スペクトル情報を図１１のＭ次元空間に模式的に示す。また、正規化によって図７のように表された焼結鉱の水分量が変化したときの実際に取得された反射スペクトル情報を図１２のＭ次元空間に模式的に示す。これらは、空間がＭ次元であることから分かるように、水分量（又は粉付着率）の変化が顕著に表れる波長域の波長を含めてＭ個の波長の反射スペクトルのデータである。
【００１９】
このように水分量が変化したときの実際に取得されてデータベース８に記憶された反射スペクトル情報と新規に取得された装入物の反射スペクトル情報の距離ｄを前述と同様に算出し、距離ｄの最も小さい記憶された反射スペクトル情報、又は距離ｄの最も小さい方から予め設定された個数、例えばＫ個分の記憶された反射スペクトル情報をデータベース８から選出し、それら選出された反射スペクトル情報の属性から新規に反射スペクトル情報の取得された装入物の種類及び水分量（又は粉付着率）を状態として検出することができる。水分量（又は粉付着率）は連続値であるから、選出されたＫ個の反射スペクトル情報の属性情報としての水分量（又は粉付着率）の平均値や距離ｄの小さいものほど重みを大きくした重み付け平均値などを用いれば、装入物の水分量（又は粉付着率）をより正確に検出することができる。
【００２０】
また、これらの図１０〜１２から明らかなように、鉱石、コークス、焼結鉱の夫々で、水分量（又は粉付着率）が変化したときの反射スペクトル情報の変化の方向性は凡そ決まっている。従って、各装入物毎に水分量が変化したときの反射スペクトル情報の主成分分析を行い、データの次元圧縮を行うことで、より誤差に強い状態検出を可能とすることができる。主成分分析による次元圧縮は、図１０〜１２に示すように、例えば水分量（又は粉付着率）の変化に伴う分散が最大となる軸（＝主成分）への投影であるから、主成分の近傍でバラツいている反射スペクトル情報を主成分上に投影して次元圧縮を行うことができる。次元圧縮された反射スペクトル情報は、水分量（又は粉付着率）の変化のみを反映しているから、この次元圧縮された反射スペクトル情報と新規に取得された装入物の反射スペクトル情報を比較することで、水分量（又は粉付着率）をより正確に検出することが可能となる。
【００２１】
高炉では、装入物の水分量、粉付着率は、高炉の炉内通気性に影響を及ぼす。具体的には、水分量が多いほど、粉付着率が大きいほど、炉内通気性が低下する。炉内通気性の低下は、高炉操業の不安定化に繋がるから、これらの装入物状態を把握することは、高炉操業の安定化を可能とする。この実施形態の高炉装入物検出方法では、高炉装入物の種類を検出するだけでなく、更にそれらの装入物の水分量、粉付着率を検出することができるので、高炉操業の安定化を図ることができる。図１３には、この実施形態の高炉装入物検出方法で検出された装入物の種類の正解率を示す。前述したように、鉱石の反射スペクトルのパターンは明確な特徴を有するために、判別の正解率は１００％であった。一方、コークスと焼結鉱とでは、反射スペクトルのパターンが類似しているものの、前述のように１０００〜１２００ｎｍの波長域において波長に対する変化率に差があるため、若干の誤差はあるものの９０％を超える正解率であった。また、図１４には、この実施形態の高炉装入物検出方法で検出された装入物の水分量と実際値の相関を示す。同図から明らかなように、バラツキはあるものの、水分量を検出することができている。
【００２２】
なお、この実施形態の高炉装入物検出方法では、反射スペクトル情報から装入物の種類、水分量、粉付着率を状態として検出することとしたが、装入物の状態として装入物の成分量を加えることもできる。装入物の反射スペクトル情報には、装入物の成分量が反映する。そこで、例えば銑鉄の仕様や高炉の操業に影響を及ぼす装入物の成分量を属性として反射スペクトル情報に付与し、それをデータベースにデータとして記憶しておけば、新規に取得された反射スペクトル情報に類似する記憶された反射スペクトル情報のデータの属性から新規に反射スペクトル情報を取得した装入物の成分量を状態として検出することができる。
【００２３】
このように本実施形態の高炉装入物検出方法では、複数のデータを属性と共に記憶することが可能なデータベース８と、演算処理機能を有し、データベースと連絡してデータベースに記憶されたデータを属性と共に読込むことが可能な演算処理機能７とを用い、高炉に装入される装入物の状態を検出する。その際、少なくとも種類が分明な装入物からの近赤外領域の反射光を分光した反射スペクトル情報を取得すると共に、少なくともその装入物の種類をその反射スペクトル情報に属性として付与してデータベース８にデータとして記憶し、これを少なくとも種類の異なる装入物に対して繰り返して行って、少なくとも装入物の種類が属性として付与された複数の反射スペクトル情報をデータベース８にデータとして記憶する。その状態で、少なくとも種類の分明でない装入物からの近赤外領域の反射光を分光した反射スペクトルを新規に取得し、データベース８に記憶された反射スペクトル情報及び新規に取得した反射スペクトル情報のデータが予め設定されたＭ個の波長又は周波数分のスペクトルである場合に、そのＭ次元空間上の記憶された反射スペクトル情報及び新規に取得した反射スペクトル情報間の距離を求める。そして、その距離が最も小さい又は最も小さい方から予め設定された個数分の記憶された反射スペクトル情報をデータベース８から選出し、その選出された反射スペクトル情報の属性から新規に反射スペクトルを取得した装入物の少なくとも種類を状態として検出する。これにより、少なくとも装入物の種類を高精度に検出することができる。
【００２４】
また、反射スペクトル情報の属性として、装入物の種類に加えて、装入物の水分量及び装入物の粉付着率の少なくとも一方を付与し、選出された反射スペクトルの属性から新たに反射スペクトルを取得した装入物の種類に加えて水分量及び粉付着率の少なくとも一方を検出する。従って、装入物の種類を特定し、その種類の装入物の水分量及び粉付着率を検出することができるので、これらに基づいて、例えば高炉炉内通気性を管理して高炉操業を安定化することが可能となる。
また、装入物の水分量及び粉付着率の少なくとも一方について主成分分析を適用して次元圧縮を行うことにより、誤差に強い水分量及び粉付着率の状態検出を行うことができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  高炉
２  羽口
３  コンベヤ
４  ホッパー
５  分配装置
６  カメラ
７  演算処理装置
８  データベース
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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