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公開番号2025024413
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-20
出願番号2023128498
出願日2023-08-07
発明の名称粒度分布測定方法
出願人日本製鉄株式会社
代理人弁理士法人まこと国際特許事務所
主分類G01N 15/0227 20240101AFI20250213BHJP(測定;試験)
要約【課題】混合粒度堆積体の全体質量分布を粒子の種類を区別して精度良く算出可能な粒度分布測定方法を提供する。
【解決手段】第1種類及び第2種類の粒子のそれぞれについて単一粒度試料を用意し、単一粒度試料の第1粒径分布を算出するステップST1と、単一粒度試料の第1円形度分布を算出するステップST2と、第1種類及び第2種類の粒子が配合された混合粒度堆積体の第2粒径分布を算出するステップST3と、混合粒度堆積体の第2円形度分布を算出するステップST4と、第2粒径分布を近似する第1粒径分布の線形和の第1係数を算出するステップST5と、第2円形度分布を近似する第1円形度分布の線形和の第2係数を算出するステップST6と、表面確率モデルを用いて、第2係数から、混合粒度堆積体の全体個数分布を算出するステップST8と、全体個数分布と質量比とに基づき、混合粒度堆積体の全体質量分布を算出するステップST9と、を有する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
粒度の大きさで決まる区分である粒度区分が同一となる粒度を有する粒子だけからなる試料である単一粒度試料を、第１種類の粒子については、複数の粒度区分について用意し、第１種類とは異なる種類である第２種類の粒子については、前記複数の粒度区分のうちの１つの粒度区分について用意し、それぞれの前記単一粒度試料の表層を、前記単一粒度試料の堆積状態を変更して撮像し、基準位置から前記表層の粒子までの距離を示す距離画像を取得し、前記単一粒度試料の前記距離画像に基づいて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第１粒径分布を、前記第１種類の粒子については、前記複数の粒度区分毎に算出し、前記第２種類の粒子については、前記１つの粒度区分について算出する第１粒径分布算出ステップと、
前記単一粒度試料の前記距離画像に基づいて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の円形度と個数との関係を示す第１円形度分布を、前記第１種類の粒子については、前記複数の粒度区分毎に算出し、前記第２種類の粒子については、前記１つの粒度区分について算出する第１円形度分布算出ステップと、
前記複数の粒度区分に属する前記第１種類の粒子と前記１つの粒度区分に属する前記第２種類の粒子とが配合された混合粒度堆積体の表層を、前記混合粒度堆積体の堆積状態を変更して撮像し、基準位置から前記表層の粒子までの距離を示す距離画像を取得し、前記混合粒度堆積体の前記距離画像に基づいて、前記混合粒度堆積体の前記表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第２粒径分布を算出する第２粒径分布算出ステップと、
前記混合粒度堆積体の前記距離画像に基づいて、前記混合粒度堆積体の前記表層の粒子の円形度と個数との関係を示す第２円形度分布を算出する第２円形度分布算出ステップと、
前記第２粒径分布を、前記第１種類の粒子について算出した前記複数の粒度区分毎の前記第１粒径分布と、前記第２種類の粒子について算出した前記１つの粒度区分についての前記第１粒径分布との線形和で近似し、前記線形和の係数である第１係数を算出する第１係数算出ステップと、
前記第２円形度分布を、前記第１種類の粒子について算出した前記複数の粒度区分毎の前記第１円形度分布と、前記第２種類の粒子について算出した前記１つの粒度区分についての前記第１円形度分布との線形和で近似し、前記線形和の係数である第２係数を算出する第２係数算出ステップと、
表層の粒子の個数分布から堆積した粒子全体の個数分布を推定する表面確率モデルを用いて、前記第２係数から、前記第１種類の粒子の前記複数の粒度区分及び前記第２種類の粒子の前記１つの粒度区分と、前記混合粒度堆積体の前記第１種類の粒子の前記複数の粒度区分及び前記第２種類の粒子の前記１つの粒度区分毎の粒子全体の個数割合との関係である全体個数分布を算出する全体個数分布算出ステップと、
前記全体個数分布と、前記第１種類の粒子の前記複数の粒度区分及び前記第２種類の粒子の前記１つの粒度区分についての質量比とに基づき、前記第１種類の粒子の前記複数の粒度区分及び前記第２種類の粒子の前記１つの粒度区分毎の粒子全体の質量割合との関係である全体質量分布を算出する全体質量分布算出ステップと、
を有し、
前記第１係数算出ステップでは、前記第１種類の粒子の前記複数の粒度区分のうち、前記第２種類の粒子の前記１つの粒度区分と異なる粒度区分に対する前記第１係数のみを確定し、
前記第２係数算出ステップでは、前記第１種類の粒子の前記複数の粒度区分のうち、前記第２種類の粒子の前記１つの粒度区分と異なる粒度区分に対する前記第２係数が、前記第１係数算出ステップで確定した前記第１係数に比例するという条件下で、前記第２係数を算出する、
粒度分布測定方法。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記第１粒径分布算出ステップにおいて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第１粒径分布に代えて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の粒径と個数との関係を示す第１粒径分布を算出し、
前記第２粒径分布算出ステップにおいて、前記混合堆積体の前記表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第２粒径分布に代えて、前記混合堆積体の前記表層の粒子の粒径と個数との関係を示す第２粒径分布を算出する、請求項１に記載の粒度分布測定方法。
【請求項３】
前記第１粒径分布算出ステップにおいて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第１粒径分布に代えて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の粒径と体積との関係を示す第１粒径分布を算出し、
前記第２粒径分布算出ステップにおいて、前記混合堆積体の前記表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第２粒径分布に代えて、前記混合堆積体の前記表層の粒子の粒径と体積との関係を示す第２粒径分布を算出する、請求項１に記載の粒度分布測定方法。
【請求項４】
粒度の大きさで決まる区分である粒度区分が同一となる粒度を有する粒子だけからなる試料である単一粒度試料を、第１種類の粒子及び前記第１種類とは異なる種類である第２種類の粒子のそれぞれについて用意し、それぞれの前記単一粒度試料の表層を、前記単一粒度試料の堆積状態を変更して撮像し、基準位置から前記表層の粒子までの距離を示す距離画像を取得し、前記単一粒度試料の前記距離画像に基づいて、前記単一粒度試料の前記表層の粒子の円形度と個数との関係を示す第１円形度分布を、前記第１種類の粒子及び前記第２種類の粒子のそれぞれの前記粒度区分毎に算出する第１円形度分布算出ステップと、
前記単一粒度試料の前記粒度区分にそれぞれ属する前記第１種類の粒子と前記第２種類の粒子とが配合された混合粒度堆積体の表層を、前記混合粒度堆積体の堆積状態を変更して撮像し、基準位置から前記表層の粒子までの距離を示す距離画像を取得し、前記混合粒度堆積体の前記距離画像に基づいて、前記混合粒度堆積体の前記表層の粒子の円形度と個数との関係を示す第２円形度分布を算出する第２円形度分布算出ステップと、
前記第２円形度分布を、前記第１種類の粒子及び前記第２種類の粒子のそれぞれの前記粒度区分毎に算出した前記第１円形度分布の線形和で近似し、前記線形和の係数を算出する係数算出ステップと、
表層の粒子の個数分布から堆積した粒子全体の個数分布を推定する表面確率モデルを用いて、前記係数から、前記第１種類の粒子及び前記第２種類の粒子のそれぞれの前記粒度区分と、前記混合粒度堆積体の前記第１種類の粒子及び前記第２種類の粒子のそれぞれの粒度区分毎の粒子全体の個数割合との関係である全体個数分布を算出する全体個数分布算出ステップと、
前記全体個数分布と、前記第１種類の粒子及び前記第２種類の粒子のそれぞれの前記粒度区分についての質量比とに基づき、前記第１種類の粒子及び前記第２種類の粒子の前記粒度区分毎の粒子全体の質量割合との関係である全体質量分布を算出する全体質量分布算出ステップと、
を有する、粒度分布測定方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結鉱、ペレット等の粒子の粒度分布を測定する方法に関する。特に、本発明は、互いに種類の異なる第１種類の粒子（例えば、焼結鉱）と第２種類の粒子（例えば、ペレット）とが配合された混合粒度堆積体（堆積した粒子群）について、粒度区分（粒径の程度を表す指標である粒度の大きさで決まる区分）と混合粒度堆積体の粒度区分毎の粒子全体の質量割合との関係である全体質量分布を、粒子の種類を区別して精度良く算出可能な粒度分布測定方法に関する。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
コークスや焼結鉱等の高炉原料は、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送され、高炉に装入される。この際、原料を構成する粒子の粒度（粒径の程度を表す指標）が高炉操業の生産性に影響を及ぼすことが知られている。このため、原料の搬送過程で、原料の粒度分布を連続的に測定して、品質を維持することが望ましい。
ここで、焼結鉱の生産量が足りない場合には、ペレットが補助的に原料として加えられ、焼結鉱と混合した状態で搬送される場合がある。この場合、焼結鉱及びペレットの粒度分布は、たとえ同一の粒度区分であっても区別可能に測定できることが望ましい。
【０００３】
高炉原料の粒度は、一般的に、ベルトコンベアから一定時間間隔で試料を採取（サンプリング）し、４時間又は８時間毎に試料を縮分した後、篩にかけることで測定される。したがって、原料の品質のばらつきや生産設備の不具合などで、原料の粒度分布が短時間で変動していたとしても、サンプリング後の篩を用いた間欠的な測定では、時間間隔が粗くなってしまうため、粒度分布の時間的な変動を正確に捉えることができない。
【０００４】
粒子の粒径を非接触で連続的に測定可能な方法しては、例えば、非特許文献１に記載の方法が提案されている。非特許文献１に記載の方法は、線状のレーザ光を出射するレーザ光源とエリアスキャンカメラとが一体となった光切断方式の３Ｄカメラを用いた測定方法である。
非特許文献１に記載の方法では、ベルトコンベアに接触させたロータリエンコーダ等の移動距離検出手段を用いて、ベルトコンベアが一定距離進む毎に、ベルトコンベア上に堆積された粒子の断面上縁の位置を、３Ｄカメラによって測定することで、各画素の画素値が基準位置からの距離（例えば、３Ｄカメラからの距離）を示す距離画像（３Ｄ画像や深さ画像と称される場合もある）を生成する。積み重なる粒子の境界付近において、照射されたレーザ光が途切れて暗くなることや、粒子の凹凸の段差が大きくなることから、距離画像において、粒子の境界付近に相当する画素領域の画素値は、他の画素領域の画素値と異なる値になり易い。非特許文献１に記載の方法では、この特性を利用して粒子の境界を決定して各粒子を識別し、各粒子の粒径を算出している。積み重なる粒子のうち、他の粒子によって隠されている部分を有する粒子の寸法は、実際の寸法よりも小さくなる。このため、非特許文献１に記載の方法では、３Ｄカメラで算出できる各粒子の高さ情報（ベルトコンベアの底部からの高さ）を用いて、表層の粒子（以下、適宜「表層粒子」という）を優先的に抽出し、距離画像における各表層粒子を楕円と見なした場合の短軸径を粒径としている。
【０００５】
粒子の粒径を非接触で連続的に測定可能な方法しては、非特許文献１に記載の方法と同様に３Ｄカメラを用いた、非特許文献２や特許文献１に記載の方法も提案されている。
非特許文献２及び特許文献１には、各粒子を識別するためのエッジ検出方法や表層粒子を認識する画像処理方法について詳しく記載されており、特に特許文献１には、測定をより高速化する方法も記載されている。
【０００６】
非特許文献２に記載の方法では、堆積した粒子について取得した距離画像に画像処理を施して、重なりの少ない表層にある表層粒子を抽出し、各表層粒子の粒径を篩のメッシュサイズによって決まる粒度区分に振り分けて、粒度区分と粒度区分毎の表層粒子の個数との関係である表層粒子の個数分布（表面個数分布）を算出する。そして、非特許文献２に記載の方法では、粒度に応じた表層への現れやすさや見えやすさの度合いを表すモデル、すなわち、表層粒子の個数分布から堆積した粒子全体の個数分布（全体個数分布）を推定するモデルである表面確率モデルを用いて、表層粒子だけではなく隠れた粒子も含む、堆積した粒子全体の個数分布を推定する。さらに、非特許文献２に記載の方法では、粒度区分毎の体積比（又は質量比）を用いて、堆積した粒子全体の質量割合の分布（全体質量分布）を推定している。
【０００７】
本発明者らは、非特許文献２に記載の方法を、複数の粒度区分に属する粒子（コークス）が所定の質量割合で配合されて堆積した混合粒度堆積体に適用し、その全体質量分布が精度良く推定できるか否かの確認試験を行った。
この確認試験の結果、粒度区分が同一となる粒度を有する粒子だけからなる試料である単一粒度試料であったとしても、コークスや焼結鉱等の不定形粒子の場合、表層粒子の粒径は粒子の姿勢によって変わるため、単一粒度試料の粒径分布が粒度区分よりも広がることが分かった。このため、３Ｄカメラで測定した表層粒子の粒径を篩によって決まる粒度区分に振り分けて、粒度区分毎に表層粒子の個数を集計し、非特許文献２に記載の方法を適用しただけでは、粒度分布（全体質量分布）がぼけて、篩によって測定した結果と精度良く合致しないことが分かった。
【０００８】
そこで、本発明者らは、混合粒度堆積体の粒度分布を精度良く算出可能な特許文献２に記載の方法を提案している。
特許文献２に記載の方法では、混合粒度堆積体を構成する粒子が属する複数の粒度区分について、単一粒度試料（粒度区分が同一となる粒度を有する粒子だけからなる試料）をそれぞれ用意し、各単一粒度試料について表層の粒子の粒径を測定することで、単一粒度試料の表層の粒子の粒径と個数（又は、面積若しくは体積）との関係を示す第１粒径分布を算出する。また、前記複数の粒度区分に属する粒子が配合された混合粒度堆積体について表層の粒子の粒径を測定することで、混合粒度堆積体の表層の粒子の粒径と個数（又は、面積若しくは体積）との関係を示す第２粒径分布を算出する。さらに、算出した第２粒径分布を、算出した第１粒径分布の線形和で近似し、この線形和の各係数を、混合粒度堆積体が複数の粒度区分の単一粒度試料の組み合わせで構成されていると考えた場合の、混合粒度堆積体の表層の粒子の異なる粒度区分の個数割合であると見なす。そして、以降は、その係数を用いて非特許文献２に記載の方法と同様の手順で全体質量分布を算出することで、篩を用いて測定した結果とよく合致する精度の良い算出が可能である。
しかしながら、特許文献２に記載の方法では、焼結鉱とペレットなど、互いに種類の異なる粒子が配合された混合粒度堆積体の粒度分布を、種類を区別して算出することについて、特に考慮されていない。
【０００９】
本発明者らは、特許文献２に記載の方法を、複数の粒度区分に属する第１種類の粒子と、この複数の粒度区分のうちの１つの粒度区分に属する、第１種類と異なる第２種類の粒子とが所定の質量割合で配合されて堆積した混合粒度堆積体に適用し、その全体質量分布が種類毎に精度良く算出できるか否かの確認試験を行った。
具体的には、１０ｍｍ＜粒度≦１５ｍｍ（すなわち、メッシュサイズが１５ｍｍの篩は通過するが１０ｍｍの篩は通過しない粒度）、１５ｍｍ＜粒度≦２５ｍｍ（すなわち、メッシュサイズが２５ｍｍの篩は通過するが１５ｍｍの篩は通過しない粒度）、２５ｍｍ＜粒度≦３５ｍｍ（すなわち、メッシュサイズが３５ｍｍの篩は通過するが２５ｍｍの篩は通過しない粒度）、３５ｍｍ＜粒度≦５０ｍｍ（すなわち、メッシュサイズが５０ｍｍの篩は通過するが３５ｍｍの篩は通過しない粒度）の計４つの粒度区分に属する第１種類の粒子としての焼結鉱と、上記４つの粒度区分のうちの１つの粒度区分である１０ｍｍ＜粒度≦１５ｍｍの粒度区分に属する第２種類の粒子としてのペレットとが所定の質量割合で配合されて堆積した混合粒度堆積体に、特許文献２に記載の方法を適用する確認試験を行った。
以下、本明細書では、ペレット（第２種類の粒子）が属する１０ｍｍ＜粒度≦１５ｍｍの粒度区分を「粒度区分１」と称し、焼結鉱（第１種類の粒子）が属する１０ｍｍ＜粒度≦１５ｍｍの粒度区分を「粒度区分２」、１５ｍｍ＜粒度≦２５ｍｍの粒度区分を「粒度区分３」、２５ｍｍ＜粒度≦３５ｍｍの粒度区分を「粒度区分４」、３５ｍｍ＜粒度≦５０ｍｍの粒度区分を「粒度区分５」とそれぞれ称する。粒度区分１及び粒度区分２は、粒度区分に属する粒度の範囲としては同一であるが、粒子の種類が異なるために、別の名称を付している。
【００１０】
図１は、上記の確認試験で用いた粒度区分１～５の各単一粒度試料の粒径分布（第１粒径分布）を算出した結果の一例を示す。具体的には、図１では、粒度区分１～５の各単一粒度試料の表層の粒子の粒径と面積との関係を示す第１粒径分布を纏めて図示している。また、図２は、上記の確認試験で用いた混合粒度堆積体の全体質量分布を算出した結果の一例を示す。図２（ａ）は、粒度区分１のペレットが１０％、粒度区分２の焼結鉱が２５％、粒度区分３の焼結鉱が２５％、粒度区分４の焼結鉱が２５％、粒度区分５の焼結鉱が１５％の質量割合で配合された混合粒度堆積体の全体質量分布を算出した結果を示す。図２（ｂ）は、粒度区分１のペレットが２０％、粒度区分２の焼結鉱が２５％、粒度区分３の焼結鉱が２５％、粒度区分４の焼結鉱が２０％、粒度区分５の焼結鉱が１０％の質量割合で配合された混合粒度堆積体の全体質量分布を算出した結果を示す。図２において「篩」で示すグラフは篩を用いて測定されたデータ（配合された粒子の現実の状態が反映された質量割合）であり、「３Ｄ」で示すグラフは３Ｄカメラを用いた特許文献２に記載の方法で算出されたデータである。
図１に示すように、粒度区分１のペレットの第１粒径分布と、粒度区分２（粒度区分に属する粒度の範囲としては粒度区分１と同一）の焼結鉱の第１粒径分布とは、ほとんど重なっているため、両者を精度良く区別できない。これに起因して、図２に示すように、特許文献２に記載の方法で算出される混合粒度堆積体の全体質量分布は、篩によって測定した結果と精度良く合致しないことが分かった。
（【００１１】以降は省略されています）

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