CN116761900A - 熔融物高度的检测方法和熔矿炉的操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种具备具有炉腹部的炉体并且在所述炉体的炉下部具有吹入热风的两个以上风口的熔矿炉中的熔融物高度的检测方法,其中,使用相对于风口前压力的所述炉腹部内的压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系,检测在所述熔矿炉的炉底部积存的熔融物的高度。
Description
技术领域
本发明涉及对熔矿炉中的炉底部的熔融物的高度进行检测的熔融物高度的检测方法和熔矿炉的操作方法。
背景技术
具有用于吹入气体的风口的熔矿炉之一有高炉。高炉是通过将含有大量铁成分的矿石和焦炭从炉顶装入并将空气或纯氧等的混合气体从炉下部吹入而进行炼铁的熔矿炉。在高炉底部积存有由上述方法生成的熔融生铁渣,以一定周期从被称为出铁孔的孔中排出铁渣。在使用如上所述的高炉进行生铁的制造时,为了实现所计划的生铁的生产量,要求无故障且稳定地操作高炉。
然而,由于留有出铁孔的设备的故障或炉内熔融生铁渣的流动性劣化等原因,熔融生铁渣在高炉底部过量积存。于是,发生气体通气性的劣化、由熔渣导致的风口堵塞,最差的情况下会导致生产停止。为了避免这样的故障,优选在熔矿炉的操作中掌握在熔矿炉的炉底部积存的熔融物的高度。
存在以测量熔矿炉的炉底部积存的熔融物高度为目的的技术。例如,专利文献1中公开了在炉下部插入3根棒状电极,对这些电极施加电压、并测量流通的电流,由此掌握熔融物的高度。此外,专利文献2中公开了:根据将炉下部送风压力与炉身下部压力之差除以炉腹气体量的变动值而得到的值,能够测量炉内空隙率和熔融物的高度。这些专利文献1、专利文献2中公开的技术均是对在熔矿炉的炉底部积存的熔融物高度进行测量的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-158206号公报
专利文献2:日本特开昭51-27809号公报
非特許文献
专利文献1:羽田野道春、其他2人,“装入方法、炉体形状および湯面形状の高炉内ガス流れに及ぼす影響”(装入方法、炉体形状以及液面形状对高炉内气流带来的影响)《铁与钢》,第63年(1977年),第2期,第217-226页
非专利文献2:饭田正和、其他2人,“高炉からの溶融物排出速度の解析”(来自高炉的熔融物排出速度的分析)《铁与钢》,第95卷(2009年),第4期,第331-339页
非专利文献3:柏原佑介、其他4人,“未消失混合小塊コークスが高炉下部通気性におよぼす影響”(未消失混合小块焦炭对高炉下部通气性带来的影响),《铁与钢》,第102卷(2016年),第12期,第661-668页
发明内容
发明所要解决的问题
然而,为了通过专利文献1中所公开的方法测量熔融物高度,需要用于使炉内产生电压的棒状电极、电压产生装置、用于测量由电压产生的电流的电流检测装置以及连接它们的电缆。因此,专利文献1中所公开的方法存在由于追加这些设备而使生铁的制造成本变高的问题。
在专利文献2中所公开的方法中,根据将炉下部送风压力与炉身下部压力之差除以炉腹气体量的变动值而得到的值来测量炉内空隙率和熔融物的高度。然而,炉下部送风压力和炉身下部压力根据炉内粒子的粒径、粒度分布而大幅变化。进而,由炉下部送风压力与炉身下部压力之差和炉腹气体量的变化量求出的炉内空隙率也根据炉内粒子的粒径、粒度分布所导致的炉内压力而大幅变化。
这样,炉下部送风压力、炉身下部压力和炉内空隙率受到炉内粒子的粒径、粒度的很大影响,但在专利文献2中并未考虑炉内粒子的粒径、粒度的影响。因此,在专利文献2中所公开的方法中,存在无法准确地掌握在熔矿炉的炉底部积存的熔融物的高度的问题。本发明是鉴于这样的现有技术的问题而完成的,其目的在于提供能够控制生铁的制造成本升高并且以高精度掌握熔融物的高度的熔融物高度的检测方法、以及使用所检测的熔融物高度的熔矿炉的操作方法。
用于解决问题的方法
用于解决上述问题的手段如下所述。
(1)一种熔融物高度的检测方法,其是具备具有炉腹部的炉体并且在上述炉体的炉下部具有吹入热风的两个以上风口的熔矿炉中的熔融物高度的检测方法,其中,使用相对于风口前压力的上述炉腹部内的压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系,检测在上述熔矿炉的炉底部积存的熔融物的高度。
(2)一种熔矿炉的操作方法,其中,在通过(1)所述的熔融物高度的检测方法检测出的熔融物的高度超过预先确定的阈值的情况下,实施使上述熔融物的制造速度减小的操作动作和使上述熔融物的排出速度增加的操作动作中的至少一个。
发明效果
相对于风口前压力的炉腹部内的压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系与原料的粒径、空隙率和炉腹气体量无关,是固定的。因此,通过实施使用该对应关系的本发明的熔融物高度的检测方法,能够控制生铁的制造成本上升并且以高精度检测熔融物的高度。
附图说明
图1是高炉10的剖面示意图。
图2是示出熔融物高度与压力损失的关系的图。
图3是示出压力损失的增加速度与熔融物的高度的关系的图。
具体实施方式
通过发明的实施方式对本发明进行说明。在本实施方式中,使用高炉作为熔矿炉,对该高炉中的熔融物高度的检测方法的实施方式进行说明。但本发明的熔融物高度的检测方法并不限于高炉,只要是在炉体的下方具有两个以上风口且具有炉腹部的熔矿炉就能够应用。
图1(a)是高炉10的剖面示意图。图1(b)是图1(a)的A部的放大图。高炉10具有炉主体20、压力传感器12和两个以上温度传感器14。炉主体20是由炉身部22、炉腰部24、炉腹部26和炉缸部28构成的有底的筒形炉体。压力传感器12设置在炉腹部26的上端。此外,两个以上温度传感器14设置在炉腹部26的高度方向不同的位置。
另外,在炉缸部28,在高炉的周向上设置有两个以上将高温的热风吹入高炉内的风口16。风口16的个数例如为40个。此外,在炉缸部28,在高炉的周向上设置有两个以上将熔融生铁32和熔渣34出铁的出铁孔18。出铁孔18的个数例如为4个。
在这样的高炉10中,从高炉10的炉顶将矿石和焦炭交替且层状地装入高炉内,形成矿石层36和焦炭层38,并且从设置在高炉的炉下部的风口16吹入热风和微粉炭等还原材料,制造熔融生铁32。所制造的熔融生铁32和在熔融生铁32的制造时伴生的熔渣34积存于炉底部,以规定的周期从出铁孔18出铁。在本实施方式中,将熔融生铁32和熔渣34合并地记载为熔融物30。
在这样的高炉操作中,在炉底部积存的熔融物30过量积存时,发生气体的通气性的劣化、由熔渣34导致的风口16的堵塞的问题。因此,为了抑制这样的问题的发生,优选以更高的精度检测在炉底部积存的熔融物30的高度(图1的h)。
在高炉10的炉底部积存的熔融物30的高度变高时,从熔融物30的液面到炉腹部26为止的容积减小,因此,炉腹部内压相对于刚从风口16吹入热风后的风口前压力的压力损失发生变化。因此,为了掌握该压力损失与熔融物30的高度的关系,对压力损失与熔融物30的高度的关系进行确认。
图2是示出熔融物高度与压力损失的关系的图。在图2中,横轴是熔融物高度(m),是将风口16的高度作为基准(0.0m)的高度。纵轴是压力损失(kPa/m),是炉腹部26上端的内压P1相对于风口前压力P2的压力损失,如图1(b)所示,将从风口16到压力传感器12的高度设为L时,该压力损失以(P2-P1)/L来计算。
压力损失和熔融物高度通过使用高炉下部的二维气流数值模型的模拟而求出。具体而言,反复实施非专利文献1中所记载的高炉炉下部的气流分析和熔融物的液面形状分析,直到满足规定的收敛条件(通过分析求出的液面形状与在前一个分析中求出的液面形状的相对误差为0.001%以下),求出满足该收敛条件的熔融物的液面形状和高炉炉下部的压力分布。根据该压力分布计算出压力损失,并根据熔融物的液面形状计算出熔融物高度。
高炉炉下部的气流分析使用非专利文献1中记载的下述(1)~(3)式来实施。下述(1)式是由高炉的填充层内的气体的运动方程式导出的公式。下述(2)式是由气体的状态方程式导出的公式,下述(3)式是由气体的状态方程式导出的公式。
div(ρg×ε×r×q)=0…(2)
p=K×ρg×T…(3)
在求解上述(1)~(3)式时,首先,使用柱面坐标(r、z)来定义满足数学式(2)的流函数ψ,并通过求解上述(1)、(3)式而求出流函数ψ的分布。然后,根据该流函数ψ的分布,计算出炉内的气体速度矢量和气体压力分布。
熔融物的液面形状分析同样地使用非专利文献1中记载的下述(4)式来实施。下述(4)式是由熔融物的液面形状导出的公式,(4)式对气流分析而给出边界条件。此外,下述表1示出下述(1)~(4)式中的各变量的计算方法、测定方法。
p+ρl×g×h=const…(4)
[表1]
在上述(5)式中,μ(T)是平均炉内温度下的粘度(Pa·s)。
气体密度的计算中使用的炉腹气体量可以用下述(6)式计算出。
Vbosh=BV×1·21…(6)
在上述(6)式中,Vbosh是炉腹气体量(Nm3/分钟),BV是来自风口16的送风量(Nm3/分钟)。
作为平均炉内压力,可使用由压力传感器12测定的压力值(P1)。此外,平均炉内温度可使用由两个以上温度传感器14测定的温度的平均值。使用这些值和下述(7)式计算出补正后的气体密度ρg。
在上述(7)式中,ρg是补正后的气体密度(kg/m3),Vbosh是炉腹气体量(Nm3/分钟),P是压力(Pa),T是温度(K)。对(7)式的常数进行说明时,28是炉腹气体的分子量(N2:CO=79:42),101325是标准状态的大气压(Pa),273是标准状态的温度(K)。
关于炉内空隙率,例如在检测熔融物的高度的高炉中,可以将图1(b)所示的P1、P2、L等值代入到厄根(Ergun)公式(流经填充层空隙的气体的流动方程)中来计算。此外,也可以使用非专利文献2中所记载的空隙率值。此外,关于熔融物密度(kg/m3),例如可以对从出铁孔18出铁的熔渣34进行空冷并测定该密度的密度。关于焦炭粒径,可以使用从炉顶装入的焦炭的平均粒径的实测值,也可以使用如非专利文献3中所记载的那样利用高炉的高度对该实测值进行补正后的值。
另外,相对于基本条件改变原料的粒径、空隙率或炉腹气体量,实施上述气流分析和液面形状分析,求出各个条件下的压力损失与熔融物30的高度的关系。需要说明的是,图2中示出,低空隙率是相对于基本条件使空隙率降低的条件,高空隙率是相对于基本条件使空隙率提高的条件。同样地,小粒径、小炉腹气体量是相对于基本条件使粒径减小或使炉腹气体量减少的条件,大粒径、大炉腹气体量是相对于基本条件使粒径增大或使炉腹气体量增多的条件。
如图2所示,确认到压力损失与熔融物30的高度存在规定的对应关系。此外,相对于基本条件改变空隙率、粒径和炉腹气体量时,这些曲线成为使基本条件的曲线向上方或下方平行移动后的曲线。
这样,即使改变空隙率、粒径和炉腹气体量,其曲线也成为使基本条件的曲线沿上下方向平行移动后的曲线,因此可知,如果使用该曲线上的任意的点的切线的斜率、即任意的熔融物高度下的压力损失的增加量与熔融物30的高度的对应关系来检测熔融物30的高度,则可以不受空隙率、粒径和炉腹气体量的影响地检测熔融物30的高度。
如上所述,压力损失由(P2-P1)/L来计算,因此,将P2-P1设为ΔP时,在任意的熔融物高度下的压力损失的增加量可以由下述(8)式表示。需要说明的是,在(8)式中,h是熔融物30的高度。
另一方面,假定熔融物30的高度与时间t呈线性关系、并以某个固定速度上升时,下述(9)式成立。需要说明的是,在下述(9)式中,a、b是任意的常数。
h0×t+b(9)
以熔融物30的高度h对上述(9)式的两边进行微分并整理时,得到下述(10)式。
使用上述(10)式时,上述(8)式可以如下述(11)式那样进行变形。
上述(11)式表示,确认任意的熔融物高度下的压力损失的增加量这一点与确认由下述(12)式计算的压力损失的增加速度这一点含义相同。
需要说明的是,在下述(12)式中,ΔP=P2-P1。
这样,确认任意的熔融物高度下的压力损失的增加量这一点与确认由上述(12)式计算的压力损失的增加速度这一点含义相同,因此可知,即使使用压力损失的增加速度与熔融物高度的对应关系来代替图2所示的任意的熔融物高度下的压力损失的增加量,也可以不受空隙率、粒径和炉腹气体量的影响地检测熔融物的高度。
接着,对压力损失的增加速度的计算方法进行说明。关于炉腹部26的内压,使用由设置在炉腹部26的上端的压力传感器12测定的压力值P1。关于风口前压力,使用通过使用上述(1)~(3)式的高炉炉下部的气流分析计算出炉内的气体速度矢量和气体压力分布、并由该气体压力分布求出的风口前压力值P2。
然后,使用时刻t1和时刻t2时的炉腹部26的内压P1、风口前压力P2、从风口16到压力传感器12的高度L和上述(12)式,求出炉腹部26的内压相对于风口前压力的压力损失的增加速度。
接着,对压力损失的增加速度与熔融物高度的对应关系的求算方法进行说明。图3是示出压力损失的增加速度与熔融物高度的关系的图。图3的横轴是熔融物的高度(m),是将风口高度作为基准(0.0m)时的熔融物高度。图3的纵轴是压力损失的增加速度(kPa/(m×分钟))。
图3所示的图通过使用内容积为5000m3的高炉、使用未发生操作故障的时期的操作参数来制成。在高炉的炉底部积存的熔融物的上升速度通过将每单位时间的熔融生铁生成量(出铁比:2)除以高炉的炉床有效底面积来计算出。此处,炉床有效底面积是指炉床底面积乘以空隙率而得到的值。
将熔融物的高度的初期位置设为从风口高度起4.0m下方,熔融物的高度每增高0.5m时,分别计算出压力损失。然后,根据熔融物的高度从-4.0m的位置起到达到各高度为止所需的时间和此时的压力损失的值计算出压力损失的增加速度。由此,得到成为压力损失的增加速度与熔融物的高度(m)的对应关系的图3所示的曲线。
在本实施方式的熔融物高度的检测方法中,预先掌握图3所示的压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系。然后,在检测熔融物高度的情况下,求出在时刻t1和时刻t2时的炉腹部的内压和风口前压力,使用这些值、L和上述(12)式求出压力损失的增加速度,使用该增加速度与上述对应关系检测在高炉的炉底部积存的熔融物的高度。在图3所示的例子中,在计算出压力损失的增加速度为0.15(kPa/(m×分钟))的情况下,检测出熔融物积存于从风口的高度起到-1.0m的位置。
如上所述,压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系不受空隙率、粒径和炉腹气体量的影响。因此,使用压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系来检测熔融物的高度的本实施方式的熔融物高度的检测方法可以说是能够以比现有技术更高的精度检测在炉底部积存的熔融物的高度的方法。此外,由于能够在不使用电极等设备的情况下检测熔融物的高度,因此,本实施方式的熔融物高度的检测方法成为能够抑制生铁的制造成本上升并且以高精度检测熔融物的高度的方法。
另外,在通过上述熔融物高度的检测方法检测出的熔融物的高度超过预先设定的阈值的情况下,优选实施使熔融物的制造速度减小的操作动作。由此,可以避免熔融物过量积存于高炉底部,从而避免气体通气性的劣化、由熔渣导致的风口堵塞等故障的发生。使熔融物的制造速度减小的动作例如是指来自风口16的送风量的减少。可以代替实施使熔融物的制造速度减小的操作动作而实施使熔融物的排出速度增加的操作动作,或者,也可以与使熔融物的制造速度减小的操作动作一起实施使熔融物的排出速度增加的操作动作。由此,可以避免熔融物过量积存于高炉底部,从而避免气体通气性的劣化、由熔渣导致的风口堵塞等故障的发生。
在本实施方式中,示出了将压力传感器12设置在炉腹部26的上端的例子,但不限于此。压力传感器12并不限于设置在炉腹部26的上端,只要在炉腹部26的范围内,则可以设置在任意位置。
符号说明
10 高炉
12 压力传感器
14 温度传感器
16 风口
18 出铁孔
20 炉主体
22 炉身部
24 炉腰部
26 炉腹部
28 炉缸部
30 熔融物
32 熔融生铁
34 熔渣
36 矿石层
38 焦炭层
Claims (2)
1.一种熔融物高度的检测方法,其是具备具有炉腹部的炉体并且在所述炉体的炉下部具有吹入热风的两个以上风口的熔矿炉中的熔融物高度的检测方法,其中,
使用相对于风口前压力的所述炉腹部内的压力损失的增加速度与熔融物的高度的对应关系,检测在所述熔矿炉的炉底部积存的熔融物的高度。
2.一种熔矿炉的操作方法,其中,在通过权利要求1所述的熔融物高度的检测方法检测出的熔融物的高度超过预先确定的閾值的情况下,实施使所述熔融物的制造速度减小的操作动作和使所述熔融物的排出速度增加的操作动作中的至少一个。
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