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公開番号2025080149
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-23
出願番号2023193194
出願日2023-11-13
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 20240101AFI20250516BHJP(測定;試験)
要約【課題】ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される混合粒度堆積体の全体質量分布を精度良く算出可能な方法を提供する。
【解決手段】本発明は、参照混合粒度堆積体の全体質量分布を篩を用いて測定し、全体個数分布を算出し、表面個数分布を算出するステップST11～ST13と、単一粒度試料の第1粒径分布を未知の定数を用いて仮定するステップST14と、ベルトコンベアBC上に堆積した状態で搬送される参照混合粒度堆積体の距離画像に基づいて、参照混合粒度堆積体の第2粒径分布を算出するステップST15と、第2粒径分布が、表面個数分布の表面個数割合を係数とする第1粒径分布の線形和で近似されるように、未知の定数を決定して、第1粒径分布を算出するステップST16と、算出した第1粒径分布を用いて、ベルトコンベアBC上に堆積した状態で搬送される対象混合粒度堆積体の全体質量分布を算出するステップST21～ST24と、を有する。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項１】
ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される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である参照混合粒度堆積体について、前記粒度区分と前記参照混合粒度堆積体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、篩を用いて測定する第１ステップと、
前記全体質量分布と、前記粒度区分から算出される体積比とに基づき、前記参照混合粒度堆積体について、前記粒度区分と前記参照混合粒度堆積体の前記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第２ステップと、
表層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と、前記全体個数分布とに基づき、前記参照混合粒度堆積体について、前記粒度区分と前記参照混合粒度堆積体の前記粒度区分毎の表層粒子の個数割合である表面個数割合との関係を示す表面個数分布を算出する第３ステップと、
前記複数の粒度区分のうちの同一の粒度区分に含まれる粒径を有する粒子だけからなる試料である単一粒度試料の表層粒子の粒径と個数との関係を示す第１粒径分布を、未知の定数を用いて、前記複数の粒度区分毎に仮定する第４ステップと、
前記ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される前記参照混合粒度堆積体の表層を撮像し、基準位置から表層粒子までの距離を示す距離画像を取得し、前記距離画像に基づいて、前記参照混合粒度堆積体の前記表層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第５ステップと、
前記第２粒径分布が、前記粒度区分毎の前記表面個数割合を係数とする、前記複数の粒度区分毎に仮定した前記第１粒径分布の線形和で近似されるように、前記未知の定数を決定して、前記複数の粒度区分毎に前記第１粒径分布を算出する第６ステップと、
前記ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される粒度分布の測定対象となる前記混合粒度堆積体である対象混合粒度堆積体の表層を撮像し、基準位置から表層粒子までの距離を示す距離画像を取得し、前記距離画像に基づいて、前記対象混合粒度堆積体の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す前記第２粒径分布を算出する第７ステップと、
前記対象混合粒度堆積体の前記第２粒径分布を、前記複数の粒度区分毎に算出した前記第１粒径分布の線形和で近似し、前記線形和の係数を算出する第８ステップと、
前記表面確率モデルを用いて、前記線形和の係数から、前記対象混合粒度堆積体について、前記粒度区分と前記対象混合粒度堆積体の前記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第９ステップと、
前記全体個数分布と、前記粒度区分から算出される体積比とに基づき、前記対象混合粒度堆積体について、前記粒度区分と前記対象混合粒度堆積体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第１０ステップと、
を有する、粒度分布測定方法。
続きを表示（約 640 文字）【請求項２】
前記第４ステップにおいて、前記単一粒度試料の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す第１粒径分布に代えて、前記単一粒度試料の前記表層粒子の粒径と面積との関係を示す第１粒径分布を仮定し、
前記第５ステップにおいて、前記参照混合堆積体の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す第２粒径分布に代えて、前記参照混合堆積体の前記表層粒子の粒径と面積との関係を示す第２粒径分布を算出し、
前記第７ステップにおいて、前記対象混合堆積体の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す第２粒径分布に代えて、前記対象混合堆積体の前記表層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、請求項１に記載の粒度分布測定方法。
【請求項３】
前記第４ステップにおいて、前記単一粒度試料の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す第１粒径分布に代えて、前記単一粒度試料の前記表層粒子の粒径と体積との関係を示す第１粒径分布を仮定し、
前記第５ステップにおいて、前記参照混合堆積体の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す第２粒径分布に代えて、前記参照混合堆積体の前記表層粒子の粒径と体積との関係を示す第２粒径分布を算出し、
前記第７ステップにおいて、前記対象混合堆積体の前記表層粒子の粒径と個数との関係を示す第２粒径分布に代えて、前記対象混合堆積体の前記表層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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークスや焼結鉱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、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される複数の粒度区分（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）に属する粒子が配合された混合粒度堆積体（堆積した粒子群）について、粒度分布、すなわち、粒度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、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 4,400 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。
【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（コークス粒子）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では、主としてトレイ内に堆積した状態の単一粒度試料及び混合粒度堆積体を用いた場合の精度を評価しており、本発明者らが検討したところによれば、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される単一粒度試料及び混合粒度堆積体を用いたときには、以下に述べるように、特許文献２に記載の方法では、十分な精度で粒度分布（全体質量分布）を算出できない場合のあることが分かった。
【０００９】
まず、本発明者らは、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される単一粒度試料の粒径分布を算出した。
図１は、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される単一粒度試料の第１粒径分布をを算出した結果の一例を示す。具体的には、図１に示す結果は、メッシュサイズが３８ｍｍの篩は通過するが２５ｍｍの篩は通過しない（すなわち、２５ｍｍ＜粒度≦３８ｍｍ）粒子（コークス粒子）だけからなる粒度区分１の単一粒度試料と、メッシュサイズが５０ｍｍの篩は通過するが３８ｍｍの篩は通過しない（すなわち、３８ｍｍ＜粒度≦５０ｍｍ）粒子（コークス粒子）だけからなる粒度区分２の単一粒度試料と、メッシュサイズが７５ｍｍの篩は通過するが５０ｍｍの篩は通過しない（すなわち、５０ｍｍ＜粒度≦７５ｍｍ）粒子（コークス）だけからなる粒度区分３の単一粒度試料を、それぞれベルトコンベア上に所定の質量分だけ堆積させ、これらをベルトコンベアの上方に配置した３Ｄカメラ（線状のレーザ光による光切断法を用いた３Ｄカメラ）でそれぞれ撮像し、取得した距離画像に基づいてそれぞれ算出した第１粒径分布（単一粒度試料の表層粒子の粒径と個数との関係）を纏めて図示したものである。第１粒径分布は、５ｍｍ間隔の粒径範囲毎に表層粒子の個数を集計することで算出した。
また、結果の図示は省略するが、本発明者らは、粒度区分１～３の各粒度区分に属する粒子（コークス粒子）が互いに異なる所定の質量割合でそれぞれ配合され、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される複数の混合粒度堆積体についても同様に、ベルトコンベアの上方に配置した３Ｄカメラで取得した距離画像に基づいて第２粒径分布をそれぞれ算出した。
そして、本発明者らは、算出した図１に示す第１粒径分布と、算出した第２粒径分布とを用いて、特許文献２に記載の方法を適用することで、各混合粒度堆積体の全体質量分布を算出した。
【００１０】
図２及び図３は、ベルトコンベア上に堆積した状態で搬送される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の粒子が１９．２％、粒度区分２の粒子が４４．４％、粒度区分３の粒子が３６．４％の質量割合で配合された混合粒度堆積体（以下、これを適宜「混合粒度堆積体Ｎｏ．１」という）について得られた結果である。図２（ｂ）は、粒度区分１の粒子が１７．４％、粒度区分２の粒子が４２．８％、粒度区分３の粒子が３９．８％の質量割合で配合された混合粒度堆積体（以下、これを適宜「混合粒度堆積体Ｎｏ．２」という）について得られた結果である。図２（ｃ）は、粒度区分１の粒子が２１．６％、粒度区分２の粒子が４８．７％、粒度区分３の粒子が２９．７％の質量割合で配合された混合粒度堆積体（以下、これを適宜「混合粒度堆積体Ｎｏ．３」という）について得られた結果である。図２（ｄ）は、粒度区分１の粒子が１１．２％、粒度区分２の粒子が４６．０％、粒度区分３の粒子が４２．７％の質量割合で配合された混合粒度堆積体（以下、これを適宜「混合粒度堆積体Ｎｏ．４」という）について得られた結果である。図３（ａ）は、粒度区分１の粒子が２．３％、粒度区分２の粒子が３６．１％、粒度区分３の粒子が６１．６％の質量割合で配合された混合粒度堆積体（以下、これを適宜「混合粒度堆積体Ｎｏ．５」という）について得られた結果である。図３（ｂ）は、粒度区分１の粒子が２．２％、粒度区分２の粒子が３０．８％、粒度区分３の粒子が６７．１％の質量割合で配合された混合粒度堆積体（以下、これを適宜「混合粒度堆積体Ｎｏ．６」という）について得られた結果である。図２及び図３において「篩」で示すグラフは混合粒度堆積体からサンプリングした試料について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。
（【００１１】以降は省略されています）

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