CN116981783A - 熔融物高度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种在炉下部具有排出熔融物的排出孔的熔矿炉的熔融物高度的检测方法，其中，测定从排出孔排出的熔融物的排出距离，使用排出距离、排出孔的高度和熔融物的排出角度来算出从排出孔排出的熔融物的排出速度，使用排出速度来检测熔融物高度。
Description
技术领域
本发明涉及对熔矿炉的熔融物高度进行检测的熔融物高度的检测方法。
背景技术
不能直接目视炉内的熔矿炉之一有高炉。高炉是从炉顶装入含有大量铁成分的矿石和焦炭、并从炉下部吹入空气、纯氧等混合气体进行炼铁的熔矿炉。在高炉底部积存生产出的熔融生铁渣，在熔融生铁渣到达高炉附带设备之前从被称为出铁孔的孔排出到炉外。在进行如上所述的生产方法时，要求为了达成计划的生产量而无故障地稳定操作。
但是，出于开有出铁孔的设备的故障、熔融生铁渣的流动性劣化等原因，有时在高炉底部过量积存熔融生铁渣。这样的话，会发生因气体的流动区域的狭窄引起的通气性的劣化、因熔渣引起的风口堵塞，最坏的情况下导致生产停止。因此，在稳定地操作熔矿炉的方面，需要掌握熔融物高度。
存在以掌握熔矿炉中的熔融物高度为目的的技术。例如，在专利文献1中公开了：在短时间内拍摄两张以上从熔矿炉的排出孔排出的熔融物的表面的模样，根据该模样的变化计算出熔融物的排出速度，根据该排出速度和炉内压力能够计算出熔融物高度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-160498号公报
非专利文献
非专利文献1：杉山乔、其他三人、“高炉滴下帯における液流れの解析(高炉滴落带的液体流动的分析)”、铁与钢、第73年(1987)、第15期、P2044-2051
非专利文献2：泽本正树、“流れの力学(流动力学)”、共立出版、2005年度版、P58-59
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在排出孔的内部流动的熔融物受到排出孔内壁的阻力，因此，与内壁接触流动的熔融物的速度小于在排出孔的中心流动的熔融物的速度。因此，熔融物从排出孔排出时与排出孔的内壁接触的外侧的熔融物的速度慢于在排出孔的中心流动的内侧的熔融物的速度。另一方面，从排出孔排出的熔融物中，被拍摄的是外侧的熔融物的模样，因此，通过拍摄求出的熔融物的出铁速度比实际的排出速度慢。这样，通过专利文献1中公开的方法不能求出准确的熔融物的排出速度，因此，存在根据该排出速度算出的熔融物高度的计算精度降低的问题。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准确地测定熔融物的排出速度、以高精度检测熔融物高度的熔融物高度的检测方法。
用于解决问题的方法
用于解决上述问题的方法如下所述。
(1)一种熔融物高度的检测方法，其是在炉下部具有排出熔融物的排出孔的熔矿炉的熔融物高度的检测方法，其中，测定从上述排出孔排出的熔融物的排出距离，使用上述排出距离、上述排出孔的高度和上述熔融物的排出角度来算出从上述排出孔排出的上述熔融物的排出速度，使用上述排出速度来检测上述熔融物高度。
(2)根据(1)所述的熔融物高度的检测方法，其中，测定上述排出孔的高度。
(3)根据(1)或(2)所述的熔融物高度的检测方法，其中，使用直到从上述排出孔排出为止上述熔融物从上述排出孔受到的阻力和上述排出速度来检测上述熔融物高度。
发明效果
在本发明的熔融物高度的检测方法中，使用从排出孔排出的熔融物的排出距离、排出孔的高度和熔融物的排出角度来算出熔融物的排出速度。由此，与通过拍摄求出熔融物的排出速度的方法相比，能够更准确地计算出熔融物的排出速度。通过使用该熔融物的排出速度来检测熔融物高度，能够实现高精度下的熔融物高度的检测。
附图说明
图1是高炉10的炉下部的局部剖视图。
图2是示出熔融物12从出铁孔14排出的状况的示意图。
图3是熔融物12所通过的出铁孔14的截面示意图。
图4是示出发明例1和发明例2的排出流的图像。
图5是示出发明例1和发明例2的熔融物高度H的检测结果的图。
图6是示出熔融生铁渣平衡的时间变化的图。
具体实施方式
以下，通过发明的实施方式来说明本发明。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。但是，本发明的熔融物高度的检测方法不限于高炉，只要是在炉下部具有将熔融物排出至炉外的排出孔的熔矿炉就能够应用。
在本实施方式的熔融物高度的检测方法中，计算出从排出孔排出至炉外的熔融物的排出速度，使用该排出速度来检测积存在高炉的炉下部的熔融物高度。首先，使用图1～图3对从排出孔排出至炉外的熔融物的排出速度的计算方法进行说明。
图1是高炉10的炉下部的局部剖视图。在高炉10的炉下部，设置有多个排出积存在炉下部的熔融物12的出铁孔14。熔融物12是在炉内以液体的形式存在的熔融生铁和熔渣、或者它们的混合物。熔融物12从出铁孔14排出至炉外，形成抛物线状的排出流16并落下到沟18的熔融物12的液面20上。在本实施方式中，出铁孔14是将积存在熔矿炉的炉下部的熔融物12排出至炉外的排出孔的一例。
图2是示出熔融物12从出铁孔14排出的状况的示意图。在本实施方式的熔融物高度的检测方法中，使用图2(a)所示的熔融物12的排出距离Ltap、出铁孔14的高度htap和熔融物12的排出角度θtap来算出熔融物12的排出速度。熔融物12的排出距离Ltap是熔融物12从出铁孔14排出起到落下到熔融物12的液面的位置为止的距离。排出距离Ltap例如可以使用与成为长度基准的被摄体一起拍摄排出流16而得到的图像来测定。
出铁孔14的高度htap是从出铁孔14的中心到熔融物12落下的液面20为止的高度。从出铁孔14的中心到熔融物12落下的液面20为止的高度可以使用与成为长度基准的被摄体一起拍摄排出流16而得到的图像来测定，另外，也可以使用设置出铁孔14的设计值。需要说明的是，关于出铁孔14的中心位置，随着来自出铁孔14的熔融物12的排出，耐火物发生溶损，其位置发生变化。另外，液面20的高度有时也发生变化。因此，从出铁孔14的中心到熔融物12落下的液面20为止的高度优选使用对排出流16进行拍摄而得到的图像来测定。
熔融物12的排出角度θtap是熔融物12从出铁孔14排出时的排出流16与水平面所成的角度。排出角度θtap可以使用对排出流16进行拍摄而得到的图像来测定，另外，也可以与出铁孔14的中心轴相对于水平面的倾斜角度的设计值相同。即，出铁孔14的高度htap和熔融物12的排出角度θtap可以不必测定。
图2(b)是示出斜向投射的物体30以抛物线状的轨迹运动的状态的图。如图2(b)所示，例如，物体30从高度h以θ的投射角度斜向投射，如果恰好飞了飞行距离L并着地，则作用于该物体30的力只有重力，因此，如果将左右方向设为x、将上下方向设为z，则物体30的运动方程式为下述(1)式和(2)式。
上述(1)式的vx为x方向的初速度(m/s)，(2)式的vz为z方向的初速度(m/s)。另外，m为物体30的质量(kg)，g为重力加速度(9.8m/s2)。
首先，考虑z方向的移动距离。如果将从物体30被投射起到着地为止的时间设为Δt秒，则物体30用时Δt秒恰好下降高度h。因此，对于z方向的移动距离，下述(3)式成立。
上述(3)式的vini为物体30的初速度(m/s)，θ为投射角度(rad)，h为高度(m)。(3)式的右边的第二项为z方向的初速度乘以Δt。
接着，考虑x方向的移动距离。在斜向投射中没有沿x方向施加的力，因此，x方向的初速度维持至着地为止。因此，如果将从物体30被投射起到着地为止的时间设为Δt，则物体30用时Δt秒恰好移动飞行距离L。因此，对于x方向的移动距离，下述(4)式成立。
L＝vini×cosθ×Δt···(4)
上述(4)式的L为物体30的x方向的飞行距离(m)。vini为物体30的初速度(m/s)，θ为投射角度(rad)。
如果使用上述(3)式和(4)式对物体30的初速度vint进行整理，则导出下述(5)式。需要说明的是，下述(5)式中，高度h的基准为物体30的着地位置。
如果将上述(5)式应用于熔融物12的排出速度Vtap的计算，则Vini为熔融物12的排出速度Vtap(m/s)，L为熔融物12的排出距离Ltap(m)，h为出铁孔14的高度htap(m)，θ为熔融物12的排出角度θtap(rad)。因此，通过使用上述(5)式、熔融物12的排出距离Ltap、出铁孔14的高度htap和熔融物12的排出角度θtap，能够计算出熔融物12的排出速度。即，是通过对排出流的形状进行拍摄并与基于力学的推定式组合来推定熔融物的速度的方法，由此能够减小因出铁孔内壁的阻力引起的速度测量的误差，能够准确地计算出熔融物的排出速度。
接着，对根据排出速度Vtap检测熔融物12的高度的方法进行说明。在本实施方式的熔融物高度的检测方法中，使用熔融物12的排出速度Vtap和下述(6)式计算出熔融物12的高度。
上述(6)式的ρl为熔融物12的密度(kg/m3)，vtap为熔融物12的排出速度(m/s)，P1为炉内气体压力(Pa)，g为重力加速度(9.8m/s2)，H为积存在炉下部的熔融物12的高度(m)，P2为出铁孔14出口的气体压力(Pa)，htap为出铁孔14的高度(m)。
熔融物12的密度ρl可以使用过去的实绩值。另外，在熔融物12含有熔融生铁和熔渣的情况下，通过将熔融生铁密度和熔渣密度以混合率按比例分配，能够算出熔融物12的密度ρl。熔融物12的排出速度vtap为通过上述(5)式算出的vint。炉内气体压力P1根据设置在高炉10的炉下部的压力计的测定值求出。出铁孔14出口的气体压力P2可以使用大气压。另外，上述(6)式的熔融物12的高度H和出铁孔14的高度htap的基准为高炉10的炉底位置。
上述(6)式的左边的第一项是表示积存在高炉10的炉下部的熔融物12的机械能的项。上述(6)式的左边的第二项是表示刚从出铁孔14排出后的熔融物12的机械能。需要说明的是，积存在炉下部的熔融物12的动能的项与其它项相比是足够小的值，因此可以忽略。上述(6)式是这些机械能设为相等(第一项与第二项之差为0)的公式，通过使用该(6)式，能够检测积存在炉下部的熔融物12的高度H。
图3是熔融物12所通过的出铁孔14的截面示意图。积存在高炉10的炉下部的熔融物12排出至炉外时，熔融物12从出铁孔14受到阻力。因此，优选使用对上述(6)式考虑了由该阻力带来的影响的下述(7)式来算出熔融物12的高度H。
上述(7)式的ftap为出铁孔14的管摩擦系数(-)，Wtap为出铁孔14的长度(m)，Dtap为出铁孔14的内径(m)，Ke为管入口损失系数(-)。需要说明的是，(-)是指无量纲。
出铁孔14的长度Wtap根据设置出铁孔14时的钻头的侵入长度求出。出铁孔14的内径Dtap根据设置出铁孔14时使用的钻头的直径求出。另外，出铁孔14的管摩擦系数ftap可以通过下述(8)式所示的斯瓦米-杰恩(Swamee-Jain)公式来计算。
上述(8)式的etap为出铁孔粗糙度(m)，Dtap为出铁孔14的内径(m)，Re为流经出铁孔14的流体的雷诺数(-)。
出铁孔粗糙度etap根据开孔方法、炮泥、自出铁开始起的经过时间等而变化，但根据操作分析确认到使用0.0001～0.01m的范围内的值是妥当的。雷诺数Re可以通过下述(9)式计算出。
上述(9)式的μ为熔融物12的粘度(Pa·s)。熔融物12的粘度μ是将熔融生铁和熔渣的粘度以混合率按比例分配而计算出。熔融生铁和熔渣的粘度可以使用过去的实绩值，另外，熔渣的粘度可以使用根据CaO、MgO、Al2O3、SiO2、FeO等的成分浓度和温度推定的非专利文献1中记载的方法来推定。
管入口损失系数Ke可以使用非专利文献2中记载的下述(10)式计算出。
Ke＝0.5+0.3×sin(θtap)+0.2×sin2(0tap)…(10)
上述(10)式中，θtap为熔融物12的排出角度(rad)。
这样，在本实施方式的熔融物高度的检测方法中，使用从出铁孔排出的熔融物12的排出距离Ltap、出铁孔14的高度htap和熔融物12的排出角度θtap来算出从出铁孔14向炉外排出的熔融物12的排出速度vtap。由此，与通过拍摄熔融物12的模样来求出熔融物12的排出速度的方法相比，能够更准确地计算出熔融物12的排出速度vtap。
然后，使用计算出的熔融物12的排出速度vtap和积存在炉下部的熔融物12的机械能与刚从出铁孔14排出至炉外后的熔融物12的机械能相等的上述(6)式，计算出熔融物12的高度H。在本实施方式的熔融物高度的检测方法中，使用与通过拍摄熔融物12的模样而求出熔融物12的排出速度的方法相比更准确地计算出的熔融物12的排出速度vtap来算出熔融物12的高度H，因此熔融物12的高度H的检测精度也提高。
此外，在检测熔融物12的高度H的情况下，优选使用考虑了熔融物12从出铁孔14受到的阻力的上述(7)代替上述(6)式。由此，能够实现熔融物12的高度H的检测精度的进一步提高。
实施例
接着，对使用容量为约5000m3的大型高炉确认了本实施方式的熔融物高度的检测方法的妥当性的实施例进行说明。在本实施例中，拍摄刚开孔后的熔融物的排出流，根据通过该拍摄生成的图像测量排出距离Ltap和出铁孔的高度htap。排出流的拍摄使用动作保证温度为70℃且能够拍摄2064×1544的图像尺寸的图像数据的摄像机来实施。在本实施例中，使用摄像机，改变时间进行两次排出流的拍摄。将根据第一次拍摄图像检测排出速度vtap和熔融物高度H的实施例设为发明例1，将根据第二次拍摄图像检测排出速度vtap和熔融物高度H的实施例设为发明例2。
图4是示出发明例1和发明例2的排出流的图像。图4(a)是发明例1的排出流的图像，图4(b)是发明例2的排出流的图像。如图4(a)、(b)所示，排出流的表层部分、即排出流与外部气体的边界面不是平滑的面，而是不规则地起伏的形状。这表明排出流的表层部分从排出孔的内壁、外部气体受到强烈的粘性阻力，因此，排出流流动仅在排出流的表层附近发生紊流化。此时，表层附近的排出流的流速因紊流而不规则地变动，因此确认到，例如与以往的根据图像的位置变化来推定流速的方法相比，基于本发明的计算方法的精度更优良。在发明例1和发明例2中，根据该图像测量排出距离Ltap和出铁孔的高度htap，使用它们计算出排出速度vtap。将排出距离Ltap、出铁孔的高度htap的测量结果和出铁孔的倾斜角度θtap和排出速度vtap示于下述表1中。
[表1]
进而，使用上述排出速度vtap，计算出发明例1和发明例2中的熔融物高度H。将计算熔融物高度H时使用的各参数示于下述表2中。
[表2]
图5是示出发明例1和发明例2的熔融物高度H的检测结果的图。发明例1和发明例2中检测出的熔融物高度H均落入出铁孔的高度与风口高度之间。进而，排出速度比发明例1快的发明例2中，熔融物高度H更高。
接着，使用作为高炉操作数据的熔融生铁渣平衡，确认了图6所示的熔融物高度H的计算结果的妥当性。熔融生铁渣平衡是指从以体积换算计的出铁渣量减去造铁渣量而得到的值。熔融生铁渣平衡为0是指出铁渣量与造铁渣量相等。熔融生铁渣平衡大于0时，意味着出铁渣量多于造铁渣量，积存在炉下部的熔融物的量减少，因此熔融物高度H降低。另一方面，熔融生铁渣平衡小于0时，意味着出铁渣量少于造铁渣量，积存在炉下部的熔融物的量变多，因此熔融物高度H变高。
造铁渣量根据每单位时间的高炉的氧收支、从炉顶装入的原料中的氧化铁中的所含氧的比例和装入原料中的脉石成分的比例求出。具体而言，使用下述(11)式计算出造铁铁量，使用下述(12)式计算出造渣量，将它们加起来，由此计算出造铁渣量。
Wp＝(Ntop-Ntuy)×(RFe/o)×MFe÷RFeHM…(11)
Ws＝Wp×RG/Fe…(12)
在上述(11)式和(12)式中，Wp为造铁铁量(t/小时)，Ws为造渣量(t/小时)。另外，Ntop为炉顶气体中的每单位时间的氧原子的物质量(mol/小时)，Ntuy为从风口吹入的每单位时间的氧原子的物质量(mol/小时)，RFe/O为从炉顶装入的原料中的氧化铁中的每一个氧原子的铁原子的平均个数(-)，MFe为铁的摩尔质量(t/mοl)，RFeHM为熔融生铁中的铁的质量分率(-)，RG/Fe为每1t熔融生铁的装入脉石成分的质量(t/熔融生铁)。
Ntop通过对炉顶气体进行成分分析而求出。Ntuy通过对从风口吹入的送风气体进行成分分析而求出。RFe/O和RG/Fe通过对从炉顶装入的原料进行成分分析而求出。RFeHM通过对从出铁孔出铁的熔融生铁进行成分分析而求出。
图6是表示熔融生铁渣平衡的时间变化的图。图6所示的发明例1时刻是指作为发明例1进行排出流的拍摄的时刻。另外，发明例2时刻是指作为发明例2进行排出流的拍摄的时刻。
根据熔融生铁渣平衡的时间变化可知，从发明例1的时刻到发明例2的时刻为止积存在炉下部的熔融物的量增加。因此，对于积存在高炉的炉下部的熔融物高度H而言，与发明例1的时刻相比，发明例2的时刻的情况下更高。与此相对，如图5所示，对于通过本实施方式的熔融物高度的检测方法检测出的熔融物高度H而言也是，与发明例相比，发明例2更高，其倾向一致。
接着，对使用熔融物高度平衡对图5所示的熔融物高度H的检测结果进行确认的结果进行说明。熔融物高度平衡根据熔融生铁平衡和熔渣平衡计算出。在此，熔融生铁平衡是在作为对象的出铁中从造铁铁量(t)中减去出铁铁量(t)而得到的值，熔渣平衡是从造渣量(t)中减去出渣量(t)而得到的值。如果这些平衡的值为负则表示炉内的熔融生铁渣量增加，如果这些平衡的值为正则表示炉内的熔融生铁渣量减少。这些平衡为重量(t)，因此，通过将这些平衡值除以密度和炉床截面积，能够换算为熔融物高度平衡。具体而言，使用熔融生铁平衡、熔渣平衡和下述(13)式计算出熔融物高度平衡。
熔融物高度平衡＝[熔融生铁平衡(t)/熔融生铁密度(kg/m3)+熔渣平衡(t)/熔渣密度(kg/m3)]/炉床有效截面积(m2)…(13)
将图6所示的发明例1的时刻和发明例2的时刻的熔融生铁平衡、熔渣平衡和使用它们计算出的熔融物高度平衡示于下述表3中。需要说明的是，上述(13)式中的炉床有效截面积(m2)是根据过去的实绩将炉下部的空隙率设为0.35并使炉下部的截面积乘以该空隙率来计算出。
[表3]
如表3所示，根据熔融物高度平衡计算的发明例1的时刻与发明例2的时刻的熔融物高度的差为1.63m(-0.89-(-2.52)＝1.63)。相对于根据该熔融物高度平衡计算的熔融物高度的差1.63m，可知图5所示的发明例1的熔融物高度与发明例2的熔融物高度的差也为大致相同的值。根据该结果确认到，通过使用本实施方式的熔融物高度的检测方法，能够以高精度检测高炉内的熔融物高度。
符号说明
10 高炉
12 熔融物
14 出铁孔
16 排出流
18 沟
20 液面
30 物体
Claims (3)
1.一种熔融物高度的检测方法，其是在炉下部具有排出熔融物的排出孔的熔矿炉的熔融物高度的检测方法，其中，
测定从所述排出孔排出的熔融物的排出距离，
使用所述排出距离、所述排出孔的高度和所述熔融物的排出角度来算出从所述排出孔排出的所述熔融物的排出速度，
使用所述排出速度来检测所述熔融物高度。
2.根据权利要求1所述的熔融物高度的检测方法，其中，测定所述排出孔的高度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的熔融物高度的检测方法，其中，使用直到从所述排出孔排出为止所述熔融物从所述排出孔受到的阻力和所述排出速度来检测所述熔融物高度。
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