JP6729202B2

JP6729202B2 - レベル計測方法及びレベル計測装置

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Publication number: JP6729202B2
Application number: JP2016171945A
Authority: JP
Inventors: 貴博木下; 杉橋　敦史; 敦史杉橋; 慎平小野; 鉄平田村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: JP2018036224A

Description

本発明は、炉内のスラグ面のレベルを計測するためのレベル計測方法及びレベル計測装置に関する。

転炉吹錬（以下、単に吹錬とも呼ぶ）では、酸素等のガスをスラグ面に高速且つ多量に吹き付けることから、スラグ面が高速に流動し変動する。吹錬が進行してスラグが滓化すると、滓化促進に伴って、スラグがフォーミングし易くなり、スロッピング（フォーミングしたスラグが炉口から溢れる現象）等が生じる恐れもある。そのため、転炉吹錬では、転炉内におけるスラグ面のレベルをリアルタイムで、より正確に計測することが望まれている。

従来、スラグ面のレベル計測方法としては、特許文献１に示すように、マイクロ波を利用したレベル計測装置が考えられている。特許文献１では、例えば、スラグ面と転炉内のランス側壁との双方にマイクロ波を照射し、スラグ面とランス側壁とでいわゆるコーナーキューブミラーを形成してマイクロ波の反射率を高めることが提案されている。また、その他のレベル計測方法としては、粉塵などの影響を受けにくくするために、マイクロ波の周波数を１０ＧＨｚ以下とすることが提案されている（特許文献２）。

特開２０１５−１１０８１７号公報特開２０１６−２９２１２号公報

しかしながら、特許文献１では、スラグ面の変動速度が速いと、常にコーナーキューブミラーを形成することは難しく、スラグ面の変動に伴い、マイクロ波の反射率が低下し、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう恐れがあるという問題があった。

一方、特許文献２に示すように、周波数が１０ＧＨｚ以下のマイクロ波を使用した場合には、当該マイクロ波の指向性が低いため、転炉内の構造物からの不要反射が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうという問題があった。また、吹錬中のスラグ面は平面ではないため、測定波面の拡がりが大きい低周波数のマイクロ波を用いると、測定波面内で生じるスラグ面との距離の不均一性により、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、スラグ面のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比を向上させることができるレベル計測方法及びレベル計測装置を提供することを目的とする。

本発明のレベル計測方法は、マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測方法であって、ランスを用いて、ガスを前記スラグ面に吹き付ける吹き付け工程と、前記スラグ面に向けて前記マイクロ波を照射し、前記スラグ面からの反射マイクロ波を受信するマイクロ波照射受信工程と、前記スラグ面に向けて照射した前記マイクロ波と前記反射マイクロ波とによりビート信号を生成した後、前記ビート信号に基づいてフーリエ変換処理を実行することにより周波数スペクトル信号を生成し、前記周波数スペクトル信号から前記スラグ面のレベルを特定する演算処理工程と、を備え、前記マイクロ波照射受信工程は、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のとき、第１掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射し、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上になったときに、前記第１掃引周期よりも長い第２掃引周期のマイクロ波に切り替えて、前記第２掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射する。

本発明のレベル計測装置は、マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置であって、ガスを前記スラグ面に吹き付けるランスと、前記スラグ面に向けて前記マイクロ波を照射し、前記スラグ面からの反射マイクロ波を受信するマイクロ波照射受信部と、前記スラグ面に向けて照射された前記マイクロ波と前記反射マイクロ波とによりビート信号を生成するビート信号生成部と、前記ビート信号に基づいてフーリエ変換処理を実行することにより周波数スペクトル信号を生成し、前記周波数スペクトル信号から前記スラグ面のレベルを特定する演算処理部と、を備え、前記マイクロ波照射受信部は、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のとき、第１掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射し、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上になったときに、前記第１掃引周期よりも長い第２掃引周期のマイクロ波に切り替えて、前記第２掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射する。

本発明によれば、スラグ面が所定レベル以上になり、スラグ面の状態が変化しても、第１掃引周期よりも長い第２掃引周期のマイクロ波を炉内に向けて照射することにより、スラグ面の状態変化後に、フーリエ変換処理時における処理利得を大きくし得、かくして、スラグ面のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明のレベル計測方法を用いる転炉の構成を示す概略図である。図２Ａは、送信波及び受信波の関係を示すグラフであり、図２Ｂは、送信波及び受信波の波形を示すグラフであり、図２Ｃは、ビート波の波形を示すグラフであり、図２Ｄは、メインピークが表れた周波数スペクトル信号を示すグラフである。オーバーサンプリング処理利得の説明に供するグラフである。図４Ａ及び図４Ｂは、ＦＦＴによる処理利得の説明に供するグラフである。本発明のレベル計測装置の回路構成を示すブロック図である。レベル計測処理手順を示すフローチャートである。他の実施の形態によるレベル計測処理手順を示すフローチャートである。図８Ａは、掃引周期を１０（ｍｓ）としたときの吹錬前半でのシミュレーション結果であり、図８Ｂは、掃引周期を１（ｍｓ）としたときの吹錬前半でのシミュレーション結果である。図９Ａは、掃引周期を１０（ｍｓ）としたときの吹錬後半でのシミュレーション結果、図９Ｂは、掃引周期を１（ｍｓ）としたときの吹錬後半でのシミュレーション結果である。

＜本発明のレベル計測方法を用いる転炉の構成＞
図１は、転炉製鋼プロセスで用いる転炉１の構成を示した概略図である。転炉製鋼プロセスでは、転炉１内（以下、単に炉内とも呼ぶ）に溶銑２を装入し、かかる溶銑２に対してランス４から酸素等のガスを吹き込むことによって、溶銑２の成分調整を行って溶鋼を生成する。かかる溶融物の表面には、処理の進行に伴ってスラグが生成される。本発明によるレベル計測方法は、このように炉内に形成されるスラグ面３のレベルをリアルタイムで計測し得るようになされている。本発明において、「スラグ面」とは、炉内で外部に露出した、溶融状態のスラグの表面をいう。スラグ面３の「レベル」とは、炉内底部や所定基準位置から見た、炉内におけるスラグ面３の高さをいう。

転炉１で行われる処理では、蒸気やダスト等が発生するため、発生するダスト等を外部環境に放出さないために、転炉１の炉口付近にフード５が設けられている。このフード５には、ランス４を転炉１内に挿入するための開口部や、本発明によるレベル計測方法に用いるアンテナ６が配置される開口部が形成されている。転炉１の炉口上方に配置されたアンテナ６は、マイクロ波を炉内に向けて照射するとともに、炉内のスラグ面３から反射してきた反射マイクロ波を受信し得る。本発明によるレベル計測方法では、炉内に向けて照射するマイクロ波と、スラグ面３から反射してきた反射マイクロ波とを利用して、スラグ面３のレベル計測を行い得る。

ここで、転炉１には、例えば筒状のランス４が炉内に挿入されており、ランス先端が炉内の所定レベルＨの高さに位置決めされている。転炉１では、酸素等のガスをランス先端から炉内のスラグ面３に吹き付けることで、溶融状態のスラグが気泡を含み、スラグや溶銑２が体積膨脹するフォーミングが生じる。ランス４は、例えばスラグのフォーミングが進むと、ランス先端がスラグや溶銑２内に浸漬し、この状態のまま当該ランス先端からスラグの内部にガスが直接噴射される。

ここではランス先端がスラグ内に浸漬する前までを吹錬前半とし、ランス先端がスラグ内に浸漬した後を吹錬後半とすると、吹錬前半では、ランス先端から噴射されたガスがスラグ面３に沿って広範囲に吹き付けられることから、スラグ面３が激しく攪拌されてスラグ面３の変動速度が比較的早くなる。一方、吹錬後半では、ランス先端がスラグ内や溶銑２内に浸漬し、ランス先端周辺のスラグの内部にガスが噴射されることから、吹錬前半に比べて、スラグ面３の変動速度が遅くなる。

このように転炉１では、所定レベルＨ前後でスラグ面３の状態が変化し、スラグ面３の変動速度が変化するが、本発明のレベル計測方法は、後述する「本発明のレベル計測方法の概要」を基に、吹錬中におけるスラグ面３の状態変化後でも、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比を向上できるものである。

＜本発明のレベル計測方法の概要＞
ここでは先ず始めに、マイクロ波を利用したＦＭ−ＣＷ方式のレベル計測方法について説明する。図２Ａに示すように、マイクロ波を生成する際、周波数掃引器によって制御される発振器の周波数変調の幅がＦ（Ｈｚ）に設定され、掃引周期がＴ（秒）に設定されたものとする。炉内に向けて照射されるマイクロ波（以下、単に送信波とも呼ぶ）の周波数は、時間の経過とともに連続的かつ直線的に変化する。

一方、計測対象物となるスラグ面３により反射されてアンテナ６で受信される反射マイクロ波（以下、単に受信波とも呼ぶ）は、アンテナ６からスラグ面３までの距離（以下、離隔距離Ｄと呼ぶ）に比例した遅れΔｔ（秒）を生じることとなる。その結果、ある同時刻における送信波と受信波との間には、離隔距離Ｄに対応した周波数の差Δｆ（Ｈｚ）が生じる。このような送信波及び受信波がミキサによって混合されると、Δｆに相当する周波数成分を有した差周波信号（以下、ビート波又はビート信号とも呼ぶ）となる。

送信波と受信波との時間的遅れΔｔは、アンテナ６とスラグ面３との間をマイクロ波が往復するために要する時間に相当する。また、マイクロ波の伝播速度は光速ｃであるため、時間的遅れΔｔは、以下の式［１］で表すことができる。一方、ビート信号の周波数（ビート周波数）Δｆと時間的遅れΔｔとの間には、以下の式［２］で表される関係が成立する。従って、式［１］と式［２］とを用いることで、離隔距離Ｄは、以下の式［３］により算出することができることがわかる。式［３］から明らかなように、離隔距離Ｄを算出するという処理は、図２Ｃに示したビート信号の周波数（ビート周波数△ｆ）を算出することと等価である。

ここで、現実の計測環境においては、ミキサにより生成されるビート信号（ビート波）が図２Ｃに示したような正弦波となる場合はまれであり、いくつもの周波数成分が混じり合った複合波となる場合が多い。従って、このような複数の周波数成分からなるビート信号の周波数を求める場合には、後述するデジタル信号処理を行うこととなる。

具体的には、複数の周波数成分からなるビート信号を基にフーリエ変換処理を行い、横軸を周波数（Ｈｚ）とした周波数スペクトル信号を生成した上で、更に上記式［３］によって横軸を距離（ｍ）に変換し、縦軸を強度とした、図２Ｄに示したような波形（以下、「距離波形」とも呼ぶ。）を生成する。この距離波形において、メインピークを与える横軸の位置が、求めたい離隔距離Ｄに対応する。レベル計測方法では、このようにして得られた離隔距離Ｄに基づいて炉内におけるスラグ面３のレベルを特定し得る。

上述したように、実際の操業においては、ランス４よりスラグ面３に酸素を高速且つ多量に吹きつけるため、測定面であるスラグ面３も高速に流動して変動する。掃引周期Ｔが、スラグ面の変動周期に比べて長い場合、１測定中にマイクロ波反射面までの距離が変動してしまう。すると、式［１］を式［２］に代入して得られた下記の式［４］から明らかなように、ビート周波数は離隔距離Ｄに相当する周波数Δfを中心とする周波数分布をもつことになる。これは、ビート信号を利用したフーリエ変換処理により得られた、横軸を距離に換算した距離波形において、測定距離におけるピーク強度が低下することに他ならず、測定のＳ／Ｎ比が低下することになる。

ところで、例えばスラグに含まれるＣａＯについて、周波数２．４５（ＧＨｚ）のマイクロ波の反射率を、２５℃から１２００℃まで温度を変えながら測定する検証試験を行ったところ、ＣａＯのマイクロ波の反射率は温度が上昇すると低下することがわかった。

また、ＣａＯを約２８％含有する粉末について、空洞共振器摂動法により誘電率を測定した後、得られた誘電率を反射率に換算して周波数１（ＧＨｚ）〜１０（ＧＨｚ）の範囲で、２５℃における反射率を測定したところ、当該周波数の範囲では、ＣａＯの反射率はほとんど変化していないことがわかった。

このような状態は、９０（ＧＨｚ）程度までは同様であると推定されるため、１（ＧＨｚ）〜９０（ＧＨｚ）の範囲では、ＣａＯの反射率の挙動は変化しないと考えられる。従って、吹錬後半においてスラグの温度が上昇して滓化が促進すると、スラグにおけるマイクロ波の反射率が低下し、アンテナ６に反射してくるマイクロ波の電力は小さくなり、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比が低下することが明らかになった。

そこで、本発明のレベル計測方法では、マイクロ波の掃引周期Ｔを規定し、且つ、スラグ面３のレベル計測中に、マイクロ波の掃引周期Ｔをスラグ面のレベル（高さ位置）に応じて変化させることで、吹錬中におけるＳ／Ｎ比を常時高位に維持させることとした。以下、その具体的な方法を述べる。

スラグ面の変動速度が速い吹錬前半では、マイクロ波の掃引周期Ｔ（１周期）の間におけるスラグ面３の変動が、当該マイクロ波の波長λ以下であれば、スラグ面３の変動が、スラグ面３のレベル計測にはほぼ影響を与えない。従って、スラグ面３が所定レベルＨ未満の吹錬前半では、マイクロ波の掃引周期Ｔを第１掃引周期Ｔ１とし、スラグ面３の変動速度をｖ１とすると、Ｔ１×ｖ１≦λを満たせば、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比低下を抑制できる。そこで、吹錬前半では、マイクロ波の掃引周期Ｔを、Ｔ１≦λ／ｖ１を満たす第１掃引周期Ｔ１に設定し、当該第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波をスラグ面３に向けて照射する。

吹錬後半では、ランス先端がスラグの内部に浸漬されてスラグ面３の変動速度が吹錬前半よりも遅くなる。そこで、吹錬後半では、スラグ面３の変動速度をｖ２（ｖ２＜ｖ１）とし、マイクロ波の掃引周期Ｔを第２掃引周期Ｔ２とすると、吹錬前半と同様に、Ｔ２×ｖ２≦λを満たせば、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比低下を抑制できる。吹錬後半では、上述したようにスラグ面３の変動速度ｖ２が吹錬前半よりも遅くなることから、マイクロ波の第２掃引周期Ｔ２を、吹錬前半の第１掃引周期Ｔ１よりも長くすることができる。

そこで、吹錬後半では、マイクロ波の掃引周期Ｔを、Ｔ２≦λ／ｖ２、Ｔ１＜Ｔ２の条件を満たす第２掃引周期Ｔ２に設定し、当該第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波をスラグ面３に向けて照射する。

吹錬後半では、上述したように、スラグの温度上昇に伴い、スラグ面３においてマイクロ波の反射率が吹錬前半に比べて低下することが確認できたが、マイクロ波の第２掃引周期Ｔ２を、吹錬前半の第１掃引周期Ｔ１よりも長くすることによって、後述するように、スラグ面３のレベル計測時に行われる信号処理の際にＳ／Ｎ比を向上させることができる。これにより、吹錬後半では、スラグの温度上昇によりスラグ面３におけるマイクロ波の反射率が低下することで生じていたＳ／Ｎ比低下を、スラグ面３のレベル計測時に行われる信号処理により改善させることができる。以下、この点について説明する。

離隔距離Ｄを求める際には、ビート信号をデジタル信号処理する必要があるが、当該ビート信号をデジタル信号処理するために、アナログ信号のビート信号をアナログデジタル変換(Ａ／Ｄ変換)する。Ａ／Ｄ変換ではデータが離散的にサンプリングされるが、そのサンプリング周波数Ｆ_ｓは、エイリアシングを防ぐため、ビート周波数Δfの２倍以上とする必要がある。このとき、式［４］によって決められる最大のビート周波数（想定される離隔距離Ｄの最大値に相当するビート周波数Δfの最大値）をＢ（Ｈｚ）とし、フーリエ変換（高速フーリエ変換：ＦＦＴ）を行う際のサンプリング点数をＭとすると、Ｓ／Ｎ比の改善の度合いは下記の式［５］で表すことができる。

この式［５］における第１項は、図３に示すように、ＦＦＴを行った際の横軸の最大周波数が、Ｆ_ｓが大きくなればなるほど高くなるため、ノイズのパワーが一定であれば、Ｆ_ｓを大きくすることでノイズが広帯域に平均化され、注目する周波数におけるノイズ量が相対的に小さくなることを表わしており、オーバーサンプリング処理利得と呼ばれる。例えば、図３に示したように、サンプリング周波数Ｆ_ｓを２倍としたサンプリング周波数Ｆ_ｓ´（＝２Ｆ_ｓ）では、Ｆ_ｓのときに比べてノイズレベルが半分となり、Ｓ／Ｎ比（図中では単にＳ／Ｎと表記する）が向上する。

一方、式［５］における第２項は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ＦＦＴ後の離散化された横軸の周波数領域の間隔はＦ_ｓ／Ｍであるため、サンプリング点数Ｍが大きくなればなるほど、１つのＦＦＴビンの帯域幅Ｂｗ(＝１／Ｍ)は狭くなり、「ボルツマン定数×温度×帯域幅」（Ｗ）で与えられる帯域ノイズが小さくなり、その一方、スラグからの反射信号は単一周波数であるビート周波数Δfの位置に現れるため、ＦＦＴビンが狭くなればなるほど、ピーク強度が高くなることを表わしており、ＦＦＴの処理利得と呼ばれる。

例えば、図４Ｂに示すように、サンプリング点数Ｍを２倍にしたサンプリング点数Ｍ´（＝２Ｍ）では、図４Ａに示したＭのときに比べて、帯域ノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。ここで、サンプリング点数Ｍは、Ｍ＝Ｔ×Ｆ_ｓ（Ｔは掃引周期（秒）、Ｆ_ｓはサンプリング周波数（Ｈｚ））で与えられることから、式［５］は下記式［６］に書き換えることができる。

従って、上記式［６］より、サンプリング周波数Ｆ_ｓを一定とすれば、掃引周期Ｔを長くすることによってサンプリング点数Ｍが増加し、ＦＦＴの処理利得が大きくなることによるＳ／Ｎ比の改善が行える。よって、上述したように、吹錬後半では、マイクロ波の第２掃引周期Ｔ２を、吹錬前半の第１掃引周期Ｔ１よりも長くすることによって、スラグ面３のレベル計測時に行われる信号処理の際にＳ／Ｎ比を向上させることができる。かくして、吹錬後半では、スラグの温度上昇に伴い、スラグ面３においてマイクロ波の反射率が吹錬前半に比べて低下するものの、このマイクロ波の反射率低下に伴い生じるＳ／Ｎ比低下を、スラグ面３のレベル計測時に行われる信号処理により改善させることができる。

＜レベル計測装置について＞
次に、上述した「本発明のレベル計測方法の概要」に従って信号処理を実行するレベル計測装置について以下説明する。図５に示すように、レベル計測装置１０は、アンテナ６（図１）や、発振器、周波数掃引器等を備えたマイクロ波照射受信部１１を有しており、マイクロ波照射受信部１１のアンテナ６から転炉１内のスラグ面３までの離隔距離Ｄを計測し、当該離隔距離Ｄからスラグ面３のレベルを特定し得る。

マイクロ波照射受信部１１は、スラグ面３が所定レベルＨ未満の吹錬前半時、第１掃引周期Ｔ１（秒)で周波数（Hz)が最小周波数ｆ１から最大周波数ｆ２で鋸波状に変化するマイクロ波を送信波（図２Ａ）として、アンテナ６から炉内に向けて照射する。マイクロ波照射受信部１１は、これにより炉内のスラグ面３から反射された反射マイクロ波を受信波（図２Ａ）としてアンテナ６により受信する。

ここで、第１掃引周期Ｔ１は、マイクロ波の波長をλ（ｍｍ）、吹錬前半のスラグ面３の変動速度をｖ１（ｍ／ｓ）とすると、Ｔ１≦λ／ｖ１の条件を満たす。スラグ面３の変動速度ｖ１（ｍ／ｓ）は、例えば過去の操業データや実験データ等の解析に基づいて決定された数値（平均速度、最大速度等）を適用するが、その他、リアルタイムで計測したスラグ面３のレベル変位を基に算出した数値であってもよい。λは、λ＝ｃ／［（ｆ１＋ｆ２）／２］（ｍｍ）（ｃは光速）で表される、掃引の中心周波数におけるマイクロ波の波長であってもよい。

例えば、転炉１において吹錬前半におけるスラグ面３の変動速度の最大値が、５（ｍ／ｓ）程度であることが解析結果から得られている場合には、スラグ面３の変動速度ｖ１を最大速度である５（ｍ／ｓ）とする。この際、周波数が１０〜９０（ＧＨｚ）のマイクロ波において、その波長が３．３〜３０（ｍｍ）程度であるとした場合には、吹錬前半における第１掃引周期Ｔ１は０．６７〜６（ｍｓ）以下とすればよい。

マイクロ波照射受信部１１は、炉内に向けて照射するマイクロ波と反射マイクロ波とをビート信号生成部１２に導き、当該ビート信号生成部１２によりビート信号を生成させる（図２Ｃ）。演算処理部１３は、ビート信号生成部１２からビート信号を受け取ると、ビート信号をアナログデジタル変換した後、これをフーリエ変換し、横軸を周波数（Ｈｚ）とした周波数スペクトル信号を生成する。

この実施の形態の場合、演算処理部１３では、上述した「本発明のレベル計測方法の概要」に従い、エイリアシングを防ぐため、ビート信号をアナログデジタル変換する際のサンプリング周波数Ｆ_ｓが、測定したい最大の離隔距離Ｄに対応したビート周波数△ｆの２倍以上の値に固定する。

演算処理部１３は、更に上記式［３］によって横軸を距離（ｍ）に変換し、縦軸を強度とした、距離波形（図２Ｄ）を生成して、当該距離波形におけるメインピーク位置を離隔距離Ｄとし、これを離隔距離データとして掃引周期切替部１４に送出する。

掃引周期切替部１４は、スラグ面３の状態が変化する所定レベルＨを予め記憶したメモリを有しており、離隔距離データによる離隔距離Ｄから、スラグ面３のレベルが所定レベルＨ以上になったか否かを判断する。掃引周期切替部１４は、スラグ面３のレベルが所定レベルＨ以上になったと判断すると、スラグ面３の温度が高い吹錬後半に移行したと認識し、掃引周期切替信号を生成してこれをマイクロ波照射受信部１１に送出する。マイクロ波照射受信部１１は、掃引周期切替信号に基づいて、炉内に向けて照射しているマイクロ波の掃引周期を、第１掃引周期Ｔ１から第２掃引周期Ｔ２に切り替え、当該第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射する。

ここで、第２掃引周期Ｔ２は、マイクロ波の波長をλ（ｍｍ）、吹錬後半のスラグ面３の変動速度をｖ２（ｍ／ｓ）とすると、Ｔ２≦λ／ｖ２の条件を満たす。この際、吹錬後半のスラグ面３の変動速度ｖ２は、吹錬前半のスラグ面３の変動速度ｖ１よりも遅いことから、Ｔ１＜Ｔ２となる。なお、スラグ面３の変動速度ｖ２（ｍ／ｓ）も、例えば過去の操業データや実験データ等の解析に基づいて決定された数値（平均速度、最大速度等）を適用するが、その他、リアルタイムで計測したスラグ面３のレベル変位を基に算出した数値であってもよい。

例えば、吹錬後半におけるスラグ面３の変動速度の最大値が、０．５（ｍ／ｓ）程度であることが解析結果から得られている場合には、スラグ面３の変動速度ｖ２を最大速度の０．５（ｍ／ｓ）とする。この際、周波数が１０〜９０（ＧＨｚ）のマイクロ波において、その波長が３．３〜３０（ｍｍ）程度であるとした場合には、吹錬後半における第２掃引周期Ｔ２は６．７〜６０（ｍｓ）以下とすればよい。

第１掃引周期Ｔ１及び第２掃引周期Ｔ２については、Ｔ１＜Ｔ２の条件を満たすが、Ｔ１＜Ｔ２≦１０（ｍｓ）であることが望ましく、さらに、Ｔ２＝１０×Ｔ１であることが望ましい。これにより、吹錬前半及び吹錬後半のいずれにおいても、さらなるＳ／Ｎ比の向上が可能となる。

次に、レベル計測装置１０にて実行されるレベル計測処理について、図６に示したフローチャートを用いて簡単に説明する。なお、ここでは、スラグ面３のレベルに応じて、マイクロ波の掃引周期Ｔを変更する例について説明を行う。図６に示すように、レベル計測装置１０はルーチンＲＴ１の開始ステップから入ってステップＳＰ１に移り、第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波をマイクロ波照射受信部１１にて生成し、これを炉内に向けて照射するとともに、ビート信号生成部１２にも導波し、次のステップＳＰ２に移る。

ステップＳＰ２において、マイクロ波照射受信部１１は、炉内から反射マイクロ波を受信し、これをビート信号生成部１２に導波し、次のステップＳＰ３に移る。ステップＳＰ３において、ビート信号生成部１２は、マイクロ波及び反射マイクロ波からビート信号を生成し、これを演算処理部１３に送出して次のステップＳＰ４に移る。

ステップＳＰ４において、演算処理部１３は、ビート信号に対してフーリエ変換等を行うことにより周波数スペクトル信号を生成し、次のステップＳＰ５に移る。ステップＳＰ５において、演算処理部１３は、周波数スペクトル信号を基に、炉内におけるスラグ面３のレベルを特定し、これを離隔距離データとして掃引周期切替部１４に送出して、次のステップＳＰ６に移る。

ステップＳＰ６において、掃引周期切替部１４は、スラグ面３のレベルが、予め設定された所定レベルＨであるか否かを、離隔距離データを基に判断する。ここで否定結果が得られると、このことはスラグ面３のレベルが所定レベルＨ未満であることを意味し、レベル計測装置１０は、上述のステップＳＰ１〜ＳＰ６のループを実行し、マイクロ波照射受信部１１により第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波を炉内に向けて照射し続ける。

これに対してステップＳＰ６において肯定結果が得られると、このことはスラグのフォーミングが進み、スラグ面３のレベルが所定レベルＨ以上となったことを意味し、このときレベル計測装置１０は次のステップＳＰ７に移る。ステップＳＰ７において、掃引周期切替部１４は、スラグ面３のレベルが、予め設定された停止レベルであるか否かを、離隔距離データを基に判断する。ここで否定結果が得られると、このことは、スラグ面３のレベルが、所定レベルＨ以上、停止レベル未満であることを意味し、次のステップＳＰ８に移り、掃引周期切替部１４は、掃引周期切替信号をマイクロ波照射受信部１１に送出する。

ステップＳＰ８において、マイクロ波照射受信部１１は、掃引周期切替信号に基づいて、炉内に向けて照射しているマイクロ波の掃引周期を、第１掃引周期Ｔ１よりも長い第２掃引周期Ｔ２に切り替え、当該第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射し始め、次のステップＳＰ２に移る。これよりレベル計測装置１０は、スラグ面３のレベルが、所定レベルＨ以上、停止レベル未満である限り（すなわち、ステップＳＰ７で肯定結果が得られる限り）、上述のステップＳＰ８、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＰ４、ＳＰ５、ＳＰ６、ＳＰ７のループを実行し、マイクロ波照射受信部１１により第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射し続ける。

これに対してステップＳＰ７で肯定結果が得られると、このことはスラグ面３のレベルが停止レベルに到達したことを意味しており、このときレベル計測装置１０は、スラグ面３が停止レベルに到達したことを知らせる通知等を行い、次のステップＳＰ９に移り、上述したレベル計測処理を終了する。

以上の構成において、レベル計測方法では、炉内でスラグ面３が所定レベルＨ未満のとき、第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波を炉内に向けて照射し、スラグ面３が所定レベルＨ以上になりスラグ面３の状態が変化すると、第１掃引周期Ｔ１よりも長い第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射する掃引周期切替工程を実行するようにした。

このようにレベル計測方法では、スラグ面３が所定レベルＨ以上になり、スラグ面３の状態が変化しても、第１掃引周期Ｔ１よりも長い第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射することにより、スラグ面３の状態変化後に、フーリエ変換処理時における処理利得を大きくし得、かくして、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

特に、転炉１における転炉製鋼プロセスでは、吹錬前半から吹錬後半に移行し、スラグの温度が上昇してゆくと、それに伴い、スラグ面３におけるマイクロ波の反射率が低下してしまう。レベル計測方法では、マイクロ波の反射率が低下し易い吹錬後半に移行すると、マイクロ波の反射率低下に伴い生じるＳ／Ｎ比低下を、第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波に切り替えることで改善させることができる。

＜他の実施の形態＞
上述した実施の形態においては、転炉製鋼プロセスに用いる転炉１を適用した場合ついて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば溶融還元炉の他、非鉄金属精錬プロセスに用いる炉等その他種々の炉にも適用することができる。非鉄金属精錬プロセスとしては例えば銅溶錬プロセスが挙げられる。

また、上述した実施の形態においては、掃引周期が切り替わる目安となる所定レベルとして、ランス４のランス先端の高さ位置を所定レベルとした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ランス先端を基準にそれよりも上方又は下方に位置した箇所や、その他種々の高さ位置を所定レベルとしてしてもよい。

＜他の実施の形態によるレベル計測処理＞
また、上述した実施の形態においては、図６に示したように、スラグ面３のレベルをマイクロ波により計測し、計測したスラグ面３のレベルに応じてマイクロ波の掃引周期Ｔを変更する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、時間の経過によりスラグ面３のレベルを推測し、所定時間経過時にスラグ面３のレベルが所定レベルになったとして、マイクロ波の掃引周期Ｔを変更してもよい。

この場合、予め設定した所定時間が経過するまでは、炉内でスラグ面３が所定レベルＨ未満であるとして、第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波を炉内に向けて照射し続け、その後、当該所定時間が経過したときに、スラグ面３が所定レベルＨになったとして、第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波に切り替え、当該マイクロ波を炉内に向けて照射する。

この実施の形態の場合、例えば、掃引周期切替部１４は、タイマーを備えており、当該タイマーの計測時間に応じてマイクロ波の掃引周期Ｔを変更する。次に、このようなタイマーの時間経過によってマイクロ波の掃引周期Ｔを切り替えるレベル計測処理について、図７に示すフローチャートを用いて以下説明する。この場合、図７に示すように、レベル計測装置１０は、ルーチンＲＴ２１の開始ステップから入ってステップＳＰ２１に移り、掃引周期切替部１４に設けられたタイマーで計測を開始し、次のステップＳＰ２２に移る。

ステップＳＰ２２において、掃引周期切替部１４は、タイマーの計測時間が第１の所定時間を経過したか否かを判断する。第１の所定時間は、炉内における所定レベルＨを目安に予め設定されたものである。ここで第１の所定時間は、例えば吹錬の進行に応じてスラグ面３のレベルがランス先端より高くなる時間に相当するもので、時間的な余裕を見て、適宜設定することができる。

ステップＳＰ２２において、否定結果が得られると、このことはタイマーの計測時間が第１の所定時間を経過していないこと、すなわち、スラグ面３のレベルが所定レベルＨ未満であることを表しており、このとき掃引周期切替部１４は、次のステップＳＰ２３に移る。ステップＳＰ２３において、レベル計測装置１０は、第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波をマイクロ波照射受信部１１で生成し、これを炉内に向けて照射するとともに、ビート信号生成部１２にも導波し、次のステップＳＰ２５に移る。

ステップＳＰ２５において、マイクロ波照射受信部１１は、炉内から反射マイクロ波を受信し、これをビート信号生成部１２に導波し、次のステップＳＰ２６に移る。ステップＳＰ２６において、ビート信号生成部１２は、マイクロ波及び反射マイクロ波からビート信号を生成し、これを演算処理部１３に送出して次のステップＳＰ２７に移る。

ステップＳＰ２７において、演算処理部１３は、ビート信号に対してフーリエ変換等を行うことにより周波数スペクトル信号を生成し、次のステップＳＰ２８に移る。ステップＳＰ２８において、演算処理部１３は、周波数スペクトル信号を基に、炉内におけるスラグ面３のレベルを特定し、次のステップＳＰ２９に移る。

ステップＳＰ２９において、掃引周期切替部１４は、タイマーの計測時間が第２の所定時間を経過したか否かを判断する。ここで、第２の所定時間は、ステップＳＰ２２の第１の所定時間よりも長い時間に設定されており、吹錬の進行が完了する時間に相当するもので、時間的な余裕を見て、適宜設定することができる。ステップＳＰ２９において、否定結果が得られると、ステップＳＰ２２に戻り、当該ステップＳＰ２２にて肯定結果が得られるまで上述した処理を継続し、第１掃引周期Ｔ１のマイクロ波を炉内に照射し続ける。

これに対して、ステップＳＰ２２において、肯定結果が得られると、このことはタイマーの計測時間が第１の所定時間を経過したこと、すなわち、スラグ面３のレベルが所定レベルＨ以上となったことを表しており、このとき掃引周期切替部１４は、次のステップＳＰ２４に移る。ステップＳＰ２４において、レベル計測装置１０は、マイクロ波の掃引周期を第２掃引周期Ｔ２に切り替え、第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波をマイクロ波照射受信部１１で生成して、これを炉内に向けて照射するとともに、ビート信号生成部１２にも導波し、次のステップＳＰ２５に移る。

そして、レベル計測装置１０は、ステップＳＰ２９で肯定結果が得られるまで、上述したステップＳＰ２４、ＳＰ２５、ＳＰ２６、ＳＰ２７、ＳＰ２８、ＳＰ２９、ＳＰ２２を繰り返し、第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射し続ける。これに対して、ステップＳＰ２９において、肯定応答が得られると、このことはタイマーの計測時間が第２の所定時間を経過したこと、すなわち、スラグ面３のレベルが停止レベルになったことを表しており、ステップＳＰ３０に移り、上述したレベル計測処理を終了する。

なお、図６に示した最初のレベル計測処理では、掃引周期の切り替えとレベル計測処理の終了のいずれの処理も、マイクロ波により計測したスラグ面３のレベル（高さ）により判断した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、掃引周期の切り替えだけを、図７のレベル計測処理のように吹錬開始からの時間に応じて判断したり、或いは、レベル計測処理の終了だけを、図７のレベル計測処理のように吹錬開始からの時間に応じて判断してもよい。

以上のようなタイマーの計測時間を利用したレベル計測方法であっても、上述した実施の形態と同様に、スラグ面３の状態変化に応じて第２掃引周期Ｔ２のマイクロ波を炉内に向けて照射できることから、スラグ面３の状態変化後に、フーリエ変換処理時における処理利得を大きくし得、かくして、スラグ面３のレベル計測時におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

鉄鋼転炉において、スラグ面のレベルがランス先端未満にあるとき（吹錬前半）、掃引周期Ｔの違いによりＳ／Ｎ比がどのように変わるかについて、下記のようなシミュレーションを行った。吹錬前半のシミュレーションでは、離隔距離（アンテナ及びスラグ面の距離）Ｄを５（ｍ）、スラグ面の変動速度を５（ｍ／ｓ）、スラグ面におけるマイクロ波の反射率を１０％とした。

また、この条件の下、マイクロ波の掃引周期Ｔを１０（ｍｓ）としたときのビート波を数値解析により生成し、これをフーリエ変換して、得られた結果から、横軸を距離に換算した距離波形を生成した。その結果、図８Ａに示すような結果が得られた。また、同じ条件の下、マイクロ波の掃引周期Ｔを１（ｍｓ）としたときのビート波を数値解析により生成し、これをフーリエ変換して、得られた結果から、横軸を距離に換算した距離波形を生成した。その結果、図８Ｂに示すような結果が得られた。

図８Ａに示すように、掃引周期Ｔを１０（ｍｓ）とした場合には、スラグ面の変動速度が速く、掃引の間に離隔距離Ｄが変化するため、距離波形が横軸方向に拡がってしまい、結果、Ｓ／Ｎ比が７．４（ｄＢ）に低下した。なお、Ｓ／Ｎ比は、ピークの信号強度と平均ノイズレベルとの比をｄＢで表記したものである。これに対して、掃引周期Ｔを１（ｍｓ）と短くした場合には、図８Ｂに示すように、鋭いピークで十分なＳ／Ｎ比（＝９．７（ｄＢ））が得られることが確認できた。

次に、鉄鋼転炉において、スラグ面のレベルがランス先端以上になったとき（吹錬後半）、掃引周期Ｔの違いによりＳ／Ｎ比がどのように変わるかについてもシミュレーションを行った。吹錬後半のシミュレーションでは、離隔距離Ｄを４（ｍ）、スラグ面の変動速度を０．５（ｍ／ｓ）、スラグ面におけるマイクロ波の反射率を６％とした。

また、この条件の下、マイクロ波の掃引周期Ｔを１（ｍｓ）としたときのビート波を数値解析により生成し、これをフーリエ変換して、得られた結果から、横軸を距離に換算した距離波形を生成した。その結果、図９Ａに示すような結果が得られた。また、同じ条件の下、マイクロ波の掃引周期Ｔを１０（ｍｓ）としたときのビート波を数値解析により生成し、これをフーリエ変換して、得られた結果から、横軸を距離に換算した距離波形を生成した。その結果、図９Ｂに示すような結果が得られた。

図９Ａに示すように、掃引周期Ｔを１（ｍｓ）とした場合には、スラグ面におけるマイクロ波の反射率低下に伴い、Ｓ／Ｎ比が７．６（ｄＢ）まで下がった。しかしながら、図９Ｂに示すように、掃引周期Ｔを１０（ｍｓ）と長くした場合には、鋭いピークで十分なＳ／Ｎ比（＝１４．１（ｄＢ））が得られることが確認できた。なお、理論上、掃引周期Ｔを１０倍にすると、Ｓ／Ｎ比は１０（ｄＢ）改善し、図９ＢにおけるＳ／Ｎ比は１７．６（ｄＢ）となるはずである。しかしながら、シミュレーション結果では、６．５（ｄＢ）の改善に留まっている。これは、ランダムノイズが完全なランダムでは無いため、理想通りの特性が出なかったと推測される。

１転炉
３スラグ面
１０レベル計測装置
１１マイクロ波照射受信部
１２ビート信号生成部
１３演算処理部
１４掃引周期切替部

Claims

マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測方法であって、
ランスを用いて、ガスを前記スラグ面に吹き付ける吹き付け工程と、
前記スラグ面に向けて前記マイクロ波を照射し、前記スラグ面からの反射マイクロ波を受信するマイクロ波照射受信工程と、
前記スラグ面に向けて照射した前記マイクロ波と前記反射マイクロ波とによりビート信号を生成した後、前記ビート信号に基づいてフーリエ変換処理を実行することにより周波数スペクトル信号を生成し、前記周波数スペクトル信号から前記スラグ面のレベルを特定する演算処理工程と、
を備え、
前記マイクロ波照射受信工程は、
前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のとき、第１掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射し、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上になったときに、前記第１掃引周期よりも長い第２掃引周期のマイクロ波に切り替えて、前記第２掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射する、レベル計測方法。
前記マイクロ波照射受信工程は、
前記第１掃引周期をＴ１、前記第２掃引周期をＴ２、前記マイクロ波の波長をλ、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のときの前記スラグ面の変動速度をｖ１、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上のときの前記スラグ面の変動速度をｖ２（ｖ２＜ｖ１）としたとき、
前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のとき、Ｔ１≦λ／ｖ１の条件を満たし、
前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上のとき、Ｔ２≦λ／ｖ２の条件を満たす
マイクロ波を照射する、請求項１に記載のレベル計測方法。
前記マイクロ波照射受信工程は、
前記マイクロ波に基づいて計測された前記スラグ面のレベルに基づいて、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベルになったと判断して、前記第１掃引周期のマイクロ波から前記第２掃引周期のマイクロ波に切り替える、請求項１または２に記載のレベル計測方法。
前記マイクロ波照射受信工程は、
予め設定した所定時間経過時に、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベルになったと判断して、前記第１掃引周期のマイクロ波から前記第２掃引周期のマイクロ波に切り替える、請求項１または２に記載のレベル計測方法。
マイクロ波を用いて炉内のスラグ面のレベルを計測するレベル計測装置であって、
ガスを前記スラグ面に吹き付けるランスと、
前記スラグ面に向けて前記マイクロ波を照射し、前記スラグ面からの反射マイクロ波を受信するマイクロ波照射受信部と、
前記スラグ面に向けて照射された前記マイクロ波と前記反射マイクロ波とによりビート信号を生成するビート信号生成部と、
前記ビート信号に基づいてフーリエ変換処理を実行することにより周波数スペクトル信号を生成し、前記周波数スペクトル信号から前記スラグ面のレベルを特定する演算処理部と、
を備え、
前記マイクロ波照射受信部は、
前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のとき、第１掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射し、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上になったときに、前記第１掃引周期よりも長い第２掃引周期のマイクロ波に切り替えて、前記第２掃引周期のマイクロ波を前記スラグ面に向けて照射する、レベル計測装置。
前記マイクロ波照射受信部は、
前記第１掃引周期をＴ１、前記第２掃引周期をＴ２、前記マイクロ波の波長をλ、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のときの前記スラグ面の変動速度をｖ１、前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上のときの前記スラグ面の変動速度をｖ２（ｖ２＜ｖ１）としたとき、
前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル未満のとき、Ｔ１≦λ／ｖ１の条件を満たし、
前記スラグ面のレベルが、前記ランス先端がスラグ内に浸漬するレベル以上のとき、Ｔ２≦λ／ｖ２の条件を満たす
マイクロ波を照射する、請求項５に記載のレベル計測装置。