(57)【要約】【課題】転炉から排出される排ガス中に含まれる鉄粉の量（鉄粉濃度）をリアルタイムに計測する。【解決手段】本発明の鉄粉濃度測定装置１は、鉄粉を含む流体が流通する管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイル２１と、第１のコイル２１のインダクタンスを測定することにより、管路内を流通する前記流体における前記鉄粉の濃度を測定する測定部２０と、を備え、測定部２０は、第１のコイル２１とＬＣ共振回路を構成可能とするコンデンサを有していて、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１をもとに、第１のコイル２１のインダクタンスを測定する。【選択図】図２
2017219362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄粉を含む流体が流通する管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイルと、
前記第１のコイルのインダクタンスを測定することにより、前記管路内を流通する前記流体における前記鉄粉の濃度を測定する測定部と、
を備えることを特徴とする鉄粉濃度測定装置。
【請求項２】
前記測定部は、前記第１のコイルとＬＣ共振回路を構成可能とするコンデンサを有していて、前記ＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１をもとに、前記第１のコイルのインダクタンスを測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄粉濃度測定装置。
【請求項３】
前記管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイルと、
前記第１のコイルに隣接するように、前記管路の軸芯回りに巻き回された第２のコイルと、を備え、
前記測定部は、前記第２のコイルに前記共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の交流電流を印加することで、前記管路内の鉄粉の濃度をｆ２の周期で変化させると共に、第１のコイルのインダクタンスを前記周波数ｆ２に同期して積算した上で、前記インダクタンスを測定するものである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄粉濃度測定装置。
【請求項４】
前記管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイルと、
前記第１のコイルに隣接するように、前記管路の軸芯回りに巻き回された第３のコイル及び第４のコイルとを、備え、
前記第３のコイルと第４のコイルとは、前記管路を囲み且つ互いが直交するように配設されており、
前記測定部は、前記第３のコイルに前記共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の交流電流を印加すると共に、前記第４のコイルに前記周波数ｆ２であって９０度位相の遅れた交流電流を印加することで、前記管路内に回転磁界を生成し、
前記生成された回転磁場は、周波数ｆ２の周期で回転する鉄粉の流れを生起すると共に、前記第１のコイルのインダクタンスを周波数ｆ２で変調させ、
前記測定部が、前記変調されたインダクタンスを周波数ｆ２に同期して積算した上で、前記インダクタンスを測定するものである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄粉濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動下にある流体中の鉄粉（磁性体）の濃度をリアルタイムで測定することを可能とする鉄粉濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、転炉の操業においては、転炉内に溶湯（溶銑などの溶解した鉄）を装入すると共に、石灰、スクラップ、回収したダストなどの様々な副原料を転炉内の溶湯に投入して精錬を行っている。すなわち、転炉では溶湯に酸素などのガスを吹き込み、溶湯の中に溶け込んでいる炭素を酸素と反応させて一酸化炭素や二酸化炭素にすることで溶湯中の炭素の量を減らし、鉄の組成を調整するのである。
【０００３】
この際、高温の溶湯に大量の酸素を吹き込む為、大量の鉄粉がダストとして排ガス（転炉の炉口から回収される排ガス）と共に流出してしまい、溶鋼の量が減ってしまう問題が発生している。この問題を回避すべく、精錬のために吹き込の酸素の量を減らし過ぎると、溶鋼の温度が下がり、炭素を除去する速度が下って処理時間が長くなってしまう。
そこで、転炉からの排ガスに含まれる鉄粉の量（鉄粉濃度）を正確に把握し、その鉄粉の量が増えすぎない程度に酸素の吹き込み量などを調整する必要がある。
【０００４】
転炉からの排ガスに含まれる鉄粉の量を知るための技術として、特許文献１のような技術が開発されている。
特許文献１は、製鋼用転炉から精錬中に発生する排ガスを集塵して、当該排ガス中から製鋼ダストを回収し、回収した製鋼ダストを磁選工程により選別して磁着物と非磁着物とに分離し、次いで、磁着物を水により洗浄して付着物を除去することにより、製鋼ダストから鉄粉を製造するものであり、この特許文献１には、転炉から排出される排ガスを湿式集塵機内で水のシャワーで洗浄し、水と共に流れ落ちた鉄粉の量を計量する事により、何％の鉄粉が出てしまったかを測定することで、次のロットでの酸素の吹き込み量を調整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２００４−１４９８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術は、転炉から排出される排ガス中の鉄粉をシャワー水により抽出するものであって、その結果を次のチャージでの酸素の吹き込み量に反映することしかできないものであった。
しかしながら、実際の現場では、リアルタイムで鉄粉の量（鉄粉濃度）を測定することが熱望されており、リアルタイムで鉄粉の量が測定出来れば、ただちに精錬のための酸素の吹き込み量が調整可能となる。
【０００７】
とはいえ、転炉から排出される排ガスは、その温度が１５００℃程度と高温であり、腐敗性の成分を含んでおり、通常の測定器が採用できな状況下である。そのため、磁気センサなどを使用した測定器も高温で壊れてしまい、連続した鉄粉の量の測定は非常に困難であった。加えて、排ガスには、鉄粉すなわち光不透過物質を含むため、光学方式の粉塵測定器は直ぐに汚れてしまうなどして使用に耐えることができないといった問題もあった。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、転炉から排出される排ガス中に含まれる鉄粉の量を、リアルタイムに計測でき、排ガスが存在するような高温環境下においても耐久性を備えた鉄粉濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る鉄粉濃度測定装置は、鉄粉を含む流体が流通する管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイルと、前記第１のコイルのインダクタンスを測定することにより、前記管路内を流通する前記流体における前記鉄粉の濃度を測定する測定部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記測定部は、前記第１のコイルとＬＣ共振回路を構成可能とするコンデンサを有していて、前記ＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１をもとに、前記第１のコイルのインダクタンスを測定するものであるとよい。
好ましくは、前記管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイルと、
前記第１のコイルに隣接するように、前記管路の軸芯回りに巻き回された第２のコイルと、を備え、前記測定部は、前記第２のコイルに前記共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の交流電流を印加することで、前記管路内の鉄粉の濃度をｆ２の周期で変化させると共に、第１のコイルのインダクタンスを前記周波数ｆ２に同期して積算した上で、前記インダクタンスを測定するものであるとよい。
【００１１】
好ましくは、前記管路に対して、当該管路の軸芯回りに巻き回された第１のコイルと、
前記第１のコイルに隣接するように、前記管路の軸芯回りに巻き回された第３のコイル及び第４のコイルとを、備え、前記第３のコイルと第４のコイルとは、前記管路を囲み且つ互いが直交するように配設されており、前記測定部は、前記第３のコイルに前記共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の交流電流を印加すると共に、前記第４のコイルに前記周波数ｆ２であって９０度位相の遅れた交流電流を印加することで、前記管路内に回転磁界を生成し、前記生成された回転磁場は、周波数ｆ２の周期で回転する鉄粉の流れを生起すると共に、前記第１のコイルのインダクタンスを周波数ｆ２で変調させ、前記測定部が、前記変調されたインダクタンスを周波数ｆ２に同期して積算した上で、前記インダクタンスを測定するものであるとよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の技術によれば、転炉から排出される排ガスが存在するような高温環境下においても耐久性を備え、この排ガス中に含まれる鉄粉の量（鉄粉濃度）をリアルタイムに計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】転炉の排ガス処理装置の構成を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示した図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示した図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示した図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示した図である（平面図）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明にかかる鉄粉濃度測定装置の実施形態について説明を行う。
まずは、図１を参照しながら、本実施形態の鉄粉濃度測定装置１が設置される転炉２のガス回収装置３について述べる。
図１は、本発明の転炉２及び転炉２周辺を模式的に示している。以下の説明において、溶銑や溶鋼のことを総称して溶湯４という。
【００１５】
図１に示す転炉２は、上底吹き機能を有するものであって、脱りん処理や脱炭処理等の精錬処理を行うことができる。この転炉２は、上方に向かって開口する炉口を備えている。転炉２には、当該転炉２に装入された溶湯４に対して酸素を吹き込む上吹ランス５が炉口から挿入自在に設けられている。転炉２の炉壁には炉体の傾動により溶湯４を出鋼できるように出湯口が形成され、転炉２の炉底には溶湯４内へ撹拌用ガスを供給できるように底吹き用の羽口が形成されている。
【００１６】
また、転炉２の周囲には、ガス回収装置３が設けられている。このガス回収装置３は、転炉２に装入された溶湯４の精錬処理を行う際に、精錬処理時に発生する鉄粉などからなるダストを含むガス（排ガスということがある）を回収するものである。
詳しくは、ガス回収装置３は、集塵フード６と、ガス流通路７（煙道）と、副原料投入部８とを備えている。
【００１７】
集塵フード６は、転炉２の炉口からの排ガスを回収するものであって当該転炉２の直立時（非傾動時）に炉口に対向する位置に配置されるものとなっている。煙道７は、集塵フード６で回収した排ガスを鉄粉の回収装置へ送るもので、その一端側が集塵フード６に接続され、他端側がガス回収装置３に接続されている。
副原料投入部８は、ガス流通路７又は集塵フード６を介して副原料を転炉２内に投入するためのものである。
【００１８】
ガス回収装置３は、煙道７に続いて設けられた一次集塵機９および二次集塵機１０を有している。この２つの集塵機９，１０においては、集塵用の水は、ポンプ１１を介して貯水池１３から二次集塵機１０に供給され、次いで、二次集塵機１０で回収された集塵水がポンプ１１を介して一次集塵機９に供給されるようになっている。一次集塵機９から排出される鉄粉を含んだ集塵水は、粗粒分離機１４を経由してシックナー１２に至り、シックナー１２で浄化された後に貯水池１３に循環している。
【００１９】
以上述べた仕組みを有するガス回収装置３の集塵機機構（鉄粉回収機構）により、排ガス内に存在する鉄粉を回収することが可能となる。
なお、一般的に、転炉２の炉口から排出される排ガス中には、鉄粉が４０ｇ／ｍ３程度含まれる状態が適正値とされている。そこで、煙道７を流れる流体に含まれる鉄粉の量をリアルタイムに測定出来れば、鉄粉の量が適正値より多ければ、ランス５から吹き付ける酸素の量を減らす制御を行うことができ、逆に、鉄粉の量が適正値より少なければ、酸素の量を増やすなどのフィードバック制御をかけて、常に最適の条件で転炉２を操業できる。
［第１実施形態］
以上述べたような理由から、本発明では、転炉２に、排ガス中の鉄粉の量をリアルタイムに検出するための鉄粉濃度測定装置１を備えている。鉄粉濃度測定装置１の第１実施形態について、以下述べることとする、
第１実施形態の鉄粉濃度測定装置１は、流体が通過する管路（煙道７）の周りに導線を巻き回してなるソレノイドコイル（第１のコイル２１）を配設し、その第１のコイル２１のインダクタンス値を測定部２０において連続して測定することで、第１のコイル２１の中央に形成された中空部（すなわち、煙道７内）に存在する鉄粉の濃度を計測するものである。
【００２０】
図２は、鉄粉濃度測定装置１の構造を示す図である。
鉄粉濃度測定装置１は、鉄粉を含んだ流体が流通する煙道７の外周に巻き回された導線からなる第１のコイル２１で構成されている。第１のコイル２１を構成する導線は煙道７の軸芯回りに煙道７の外壁面に沿って巻き回されている。第１のコイル２１は煙道７の外周面から所定距離だけ離れているが、第１のコイル２１が絶縁導線の場合、煙道７の外周に密着するように巻回されていてもよい。
【００２１】
鉄粉濃度測定装置１を構成する第１のコイル２１のインダクタンスは、第１のコイル２１の中央に形成された中空部に鉄粉があると、その鉄粉の量（濃度）にほぼ比例して増加する。このインダクタンスの増加量を、鉄粉濃度測定装置１に備えられた測定部２０で計測することで、煙道７内の鉄粉の量をリアルタイムに測定することが可能となる。
測定部２０を構成する部材のうち、第１のコイル２１のインダクタンスを測定するものとしては、インダクタンス測定器２０Ａが用いられている。インダクタンス測定器２０Ａは、その内部にコンデンサが配備されており、接続されたコイルに対して並列に接続されるようになっている。接続されたコイルと内蔵されたコンデンサとでＬＣ共振回路が形成され、そのＬＣ共振回路の発振周波数ｆ１から、インダクタンスの値を計測するものとなっている。計測されたインダクタンスと煙道７内の鉄粉の量とは、事前の実験などでその関係を求めておき、テーブルや回帰式の形で持っておくとよい。
【００２２】
本実施形態においては、インダクタンス測定器２０Ａとして、テキサス・インスツルメンツ社製のLDC1614EVMを用いている。このインダクタンス測定器２０Ａは、最大２８ビットの分解能でインダクタンスの値を測定可能であり、結果として、煙道７内の鉄粉の量を１ppm程度の分解能で正確に測定可能となる。
以上述べたように、鉄粉を含む流体が流通する煙道７に対して、煙道７の軸芯回りに巻き回された第１のコイル２１を配備し、第１のコイル２１のインダクタンスを測定することにより、煙道７内を流通する流体における鉄粉の量を測定する構成とすることで、転炉２から排出される排ガスが存在するような高温環境下においても耐久性を備え、この排ガス中に含まれる鉄粉の量をリアルタイムに計測することが可能となる。
［第２実施形態］
次に、本発明にかかる鉄粉濃度測定装置の第２実施形態について述べる。
【００２３】
図３に示す如く、第２実施形態の鉄粉濃度測定装置１においては、第２のコイル２２が、第１のコイル２１に隣接するように配備されている点が、第１実施形態と大きく異なる点である。なお、他の点については、第１実施形態と略同じであるために、説明を省略する。
本実施形態においては、煙道７に対して、煙道７の軸芯回りに巻き回された第１のコイル２１を配備し、第１のコイル２１に隣接するように、煙道７の軸芯回りに巻き回された第２のコイル２２を配備した上で、第２のコイル２２に共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の交流電流を印加する。すると、煙道７内の鉄粉の濃度が周波数ｆ２で変化するようになり、測定部２０において、第１のコイル２１のインダクタンスの値を周波数ｆ２に同期して積算し算出することが可能となる。
【００２４】
具体的には、図３においては、第２のコイル２２が、煙道７の上流（転炉２に近い側）に設けられている。この第２のコイル２２は電磁石コイルであり、煙道７の外周に巻き回された導線からなるソレノイドコイルで構成されている。この第２のコイル２２に、測定部２０の一部を構成する電源２０Ｂから交流電流を流すと、煙道７の内部に強い磁界が発生し、流体中の鉄粉は、強い磁界に惹きつけられて、第２のコイル２２の磁界のある領域に集まる。十分な鉄粉が集まった時点で、第２のコイル２２の電流を無くすと、集まった鉄粉は流体に流されて、第１のコイル２１に向かう。
【００２５】
集まった大量の鉄粉が第１のコイル２１の中を通過するとき、第１のコイル２１のインダクタンスは集まった鉄粉の量に、ほぼ比例して大きくなる。
このようにして、煙道７内において、第２のコイル２２を用いて鉄粉を集めることにより、流体中の鉄粉の量が少ない時でも、任意の時間、鉄粉を集めてから測定することが可能となり、検出感度を高める事が可能となる。例えば、第２のコイル２２に流す電流を、例えばＴ１秒周期（周波数ｆ２）でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すようにすれば、第１のコイル２１で計測されるインダクタンスは、煙道７内の鉄粉の移動速度∨と、第１のコイル２１と第２のコイル２２との距離Ｄで決まる時間Ｔ２＝Ｄ／∨秒だけ遅れて、増加と減少を繰り返す。
【００２６】
そこで、測定部２０において、第１のコイル２１のインダクタンスをＴ１秒周期の「整数分の１」の時間間隔で測定し、Ｔ１秒周期で積和計算すれば、第１のコイル２１のインダクタンスを正確に測定することが可能となる。
仮に、雑音の多い環境でも、雑音はランダムなので電力和となり、積和計算の回数Ｎの平方根に比例して増えていくが、鉄粉の増減はＴ１周期に同期しており、インダクタンスの増減は積和計算の回数Ｎに比例して増えていくので、信号対雑音比（ＳＮ比）をＮの平方根だけ改善することが可能となる。
［第３実施形態］
次に、本発明にかかる鉄粉濃度測定装置１の第３実施形態について述べる。
【００２７】
図４、図５に示す如く、第３実施形態の鉄粉濃度測定装置１においては、第２のコイル２２に代えて、互いに直交するように巻き回された第３のコイル２３と第４のコイル２４とが配備されている点が、第２実施形態と大きく異なる点である。なお、他の点については、第１実施形態と略同じであるために、説明を省略する。
図４、図５に示す如く、本実施形態では、第１のコイル２１の上流側に隣接するように、煙道７の軸芯回りに巻き回された第３のコイル２３（電磁石コイル）及び第４のコイル２４（電磁石コイル）を配備し、第３のコイル２３と第４のコイル２４とは、煙道７を囲み且つ互いが直交するように配設されている。
【００２８】
第３のコイル２３に低い周波数ｆ２の交流電流を印加し、第４のコイル２４に周波数ｆ２であって９０度位相の遅れた交流電流を印加することにより、煙道７内に回転磁界を生成し、生成された回転磁場により、周波数ｆ２の周期で鉄粉の向きが回転する流れとすることにより、第１のコイル２１のインダクタンスの値を周波数ｆ２で変調し、変調されたインダクタンスの値を周波数ｆ２に同期して積算することとしている。
【００２９】
図５は、図４に示された煙道７と第１のコイル２１と第３のコイル２３と第４のコイル２４を真上から見た図である。
この図から明らかなように、第３のコイル２３は、図５における左上から右下を向き且つ管を取りまくように巻き回されている。第４のコイル２４は、図５における右上から左下を向き且つ管を取りまくように巻き回されている。
【００３０】
図４から明らかなように、配管の一方側面（図４の上側面）では、第３のコイル２３を構成する導線の下側を第４のコイル２４を構成する導線が通るように巻き回されており、配管の他方側面（図４では下側面）においても、第３のコイル２３を構成する導線の下側を第４のコイル２４を構成する導線が通るように巻き回されている。
このようなコイル構成となった第３のコイル２３（電磁石コイル）に、測定部２０の一部を構成する電源２０Ｂから、第１のコイル２１の共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の電流を流し、第４のコイル２４（電磁石コイル）に、上の電流より位相が９０度遅れた第１のコイル２１の共振周波数ｆ１より低い周波数ｆ２の電流を流すと、煙道７内に周波数ｆ２の周期でゆっくりと回転する回転磁界が生じる。
【００３１】
そうすると、煙道７内を流動する鉄粉は、直交する２つの電磁石コイル（第３のコイル２３及び第４のコイル２４）が作る回転磁界の影響で磁力線に沿って並び、磁力線の方向には見かけ上の透磁率が高くなり、磁力線に直交する方向には、見かけ上の透磁率が低くなる。つまり、煙道７を流れる流体の向きの透磁率は、周波数ｆ２の周期で大きくなったり小さくなったりするようになる。言い換えれば、煙道７内の鉄粉濃度が周波数ｆ２の周期で変化するようになる。
【００３２】
そのため、測定部２０において、周波数ｆ２の４倍以上の整数倍（Ｎ倍）のサンプリング速度で、第１のコイル２１のインダクタンスを測定し、積和演算を繰り返すと、鉄粉の濃度変化の周波数ｆ２に同期したインダクタンスの変化はＮの整数倍になるが、ランダム雑音によるインダクタンスの変化はＮの平方根倍にしかならないので、信号雑音比（ＳＮ比）をＮの平方根に比例して改善できるようになって、第１のコイル２１のインダクタンスを高い精度で計測でき、ひいては煙道７内の鉄粉の濃度を正確に測定することが可能となる。
【００３３】
ところで、上述した第１実施形態〜第３実施形態では、転炉２から排出される排気ガス中の鉄粉の濃度を測定していたが、本発明の技術は、気体中の鉄粉濃度だけではなく、液体中の鉄粉濃度や、粉体中の鉄粉濃度などを測定することが可能であることは言うまでもない。例えば、潤滑油中の鉄粉濃度も、同様にして測定することが可能である。
なお、煙道７が金属製である場合は、コイルの作る磁界が金属によりシールドされてしまい、煙道７の中に入れない場合がある。このような場合は、金属の煙道７の流体が流れる向きにスロット（開口）を設け、スロットは電気を通さない樹脂やセラミックなどで被覆して煙道７内の流体が漏れないようにしてやれば、煙道７の金属によるショートリングがスロットで切れるので、内部に磁界が入るようになり、内部の鉄粉の測定が可能になることは言うまでもない。
【００３４】
このように本発明の鉄粉濃度の測定装置は、煙道７に代表される管路の外側にコイルを配置し、そのインダクタンスを測定することで、高温で腐食性のある流体に接することもなく、管路内の流体の鉄粉濃度のリアルタイム計測を実現することができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００３５】
１      鉄粉濃度測定装置
２      転炉
３      ガス回収装置
４      溶湯
５      上吹ランス
６      集塵フード
７      煙道（ガス流通路）
８      副原料投入部
９      一次集塵機
１０    二次集塵機
１１    ポンプ
１２    シックナー
１３    貯水池
１４    粗粒分離機
２０    測定部
２０Ａ  インダクタンス測定器
２０Ｂ  電源
２１    第１のコイル
２２    第２のコイル
２３    第３のコイル
２４    第４のコイル
【図１】
2017219362.tif 000003
【図２】
2017219362.tif 000004
【図３】
2017219362.tif 000005
【図４】
2017219362.tif 000006
【図５】
2017219362.tif 000007