JP2001234217A - 高炉炉底状況の推定および予測方法 - Google Patents
高炉炉底状況の推定および予測方法Info
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Abstract
値から、または1点の熱電対計測値と煉瓦背面の冷却条
件から温度的に非定常状態にある煉瓦内温度分布、煉瓦
残存厚み、耐火物内面に付着する炉内溶融物の凝固層厚
みと煉瓦稼働面または炉内溶融物の凝固層稼働面におけ
る熱流束を予測する方法を提供することを課題とする。 【解決手段】 高炉炉床壁耐火物内に配置された温度検
出手段により耐火物温度を計測し、計測値に基づいて、
伝熱逆問題手法を使って、耐火物稼働面における熱流束
値、耐火物残存厚みおよび耐火物内面に付着する炉内溶
融物の凝固層厚みを推定する。高炉炉床壁耐火物内に配
置された温度検出手段により耐火物温度を計測し、計測
値に基づいて、伝熱逆問題手法を使って推定し得られた
熱流束値の時間変動より将来の耐火物の残存厚みと耐火
物内面に付着する炉内溶融物凝固層厚みの変化を予測す
る。
Description
状況推定方法に関し、特に、高炉の操業管理ならびに炉
床壁耐火物寿命診断のため、炉床壁耐火物の浸食状況、
及び炉床壁耐火物内面に付着している凝固層の形成の状
況を把握する方法に関するものである。
炉の耐火物内に埋め込まれた熱電対の温度を基に、2点
間の温度と距離およびその煉瓦の熱伝導率から熱流束を
計算し、炉内稼働面の温度を例えば溶銑の凝固する温度
に仮定して残存厚みを算出する方法で推定されている。
方法では、炉床壁煉瓦内の温度分布が煉瓦内に埋め込ま
れた2点の熱電対温度を結ぶ直線上にあることが前提に
なっており、煉瓦内の温度分布が常に定常状態にあると
仮定して熱流束を算出している。しかし炉床壁煉瓦は大
きな熱容量を有しており、煉瓦内の温度分布が定常状態
になるのに長時間要するのに対し、高炉炉底の炉内状況
は時々刻々変化するため、煉瓦内の温度分布が先に述べ
たような定常状態になることはなく、煉瓦内の温度分布
を定常状態にあると仮定して推定している従来法の熱流
束と煉瓦残存厚みは実際とは大きな乖離がある。
れた2点の熱電対計測値から、または1点の熱電対計測
値と煉瓦背面の冷却条件から温度的に非定常状態にある
煉瓦内温度分布、煉瓦残存厚み、耐火物内面に付着する
炉内溶融物の凝固層厚みと煉瓦稼働面または炉内溶融物
の凝固層稼働面における熱流束を予測する方法を提供す
ることを課題とする。
置された温度検出手段により耐火物温度を計測し、計測
値に基づいて、伝熱逆問題手法を使って、耐火物稼働面
における熱流束値、耐火物残存厚みおよび耐火物内面に
付着する炉内溶融物の凝固層厚みを推定する。
手段により耐火物温度を計測し、計測値に基づいて、伝
熱逆問題手法を使って推定し得られた熱流束値の時間変
動より将来の耐火物の残存厚みと耐火物内面に付着する
炉内溶融物凝固層厚みの変化を予測する。
逆問題の考え方により、材料内部の温度計測値と材料の
片側の抜熱境界値より、材料のもう一方側の伝熱境界条
件である熱流束値を推定するという方法を採用し、熱電
対の埋め込み位置から材料稼働面までの伝熱抵抗のため
生じる熱電対の伝熱応答遅れを修正し、材料稼働面で起
こっている伝熱の非定常変化を忠実に計算することがで
きる。材料内部の温度計測値は伝熱方向に1点あれば逆
問題演算が可能であるが、2点あれば抜熱側の温度計測
値を抜熱境界条件として採用することで、逆問題演算精
度が向上する。
熱問題の手法[Int. J. Mass Transfer, vol.13, pp703
-716(1970)]を適用し、非定常伝熱方程式の数値解よ
り、高炉炉床壁煉瓦内に埋め込まれた熱電対計測値を最
も良く説明できる熱流束を時系列的に逐次求め、熱流束
と非定常伝熱差分方程式の解として求められる煉瓦内温
度分布を同時に決定できるようにした。
間の熱移動を表わす概念図である。高炉炉内にある溶銑
からカーボン煉瓦5へ流入する熱流束2がカーボン煉瓦
5内を通過し、煉瓦背面のスタンプ材層6を経由し、鉄
皮7表面又はステーブ内を流れる冷却水8により抜熱さ
れる。熱流束2を検出するために熱電対1がカーボン煉
瓦5内に設置されている。
と、カーボン煉瓦内の熱移動を支配する方程式は以下の
式で表せる。 ρcp∂T/∂t = −∂(λ∂T/∂x)/∂x (1) T(E, t) = Y(t) (2) λ∂T(L, t)/∂x = hw(T(L, t)―Tw) (3) T(x, t) = T(x,t−Δt) (4) ここで、ρはカーボン煉瓦の密度、cpはカーボン煉瓦
の比熱、xはカーボン煉瓦内面から任意の位置における
距離、Eはカーボン煉瓦内面から熱電対設置点までのx
方向距離、Yはその計測値を示す。Lはカーボン煉瓦厚
み、hw、Twは各々、スタンプ材から散水冷却間の総括
熱伝達係数、水温を示す。
電対計測点に於ける鋳型 温度T(E, t)と計測温度Y
(t)の2乗誤差を以下の(5)式で定義し、これが最
小となるような熱流束q(t,0)≡λ∂T/∂xx=0を(6)
式より決定する。 F(q) = (T(E, t)−Y(t))2 (5) ∂F(q)/∂q = 0 (6)
煉瓦内温度分布10である。x0、x2は各々カーボン煉
瓦内面位置11、背面位置14を示し、これらの差x0
−x 2がカーボン煉瓦残存厚みLb16である。カーボン
煉瓦内面位置x0(11)におけるカーボン煉瓦温度T0
(12)が炉内稼働面を規定する温度Ts13、例えば
溶銑の凝固する温度より高い場合はカーボン煉瓦の稼働
面温度T0(12)が炉内稼働面を規定する温度Ts13
になるような位置x1(15)を新しいカーボン煉瓦の
稼働面とし、x2(14)とx1(15)の差x2−x1を
新しいカーボン煉瓦残存厚みLa17とする。
1)におけるカーボン煉瓦温度T0(12)が炉内稼働
面を規定する温度Ts13より低い場合を示している。
この場合、カーボン煉瓦内面に炉内溶融物の凝固層が形
成したとして凝固層内の温度分布18を計算し、凝固層
表面温度が炉内稼働面を規定する温度Ts13になる位
置x1(15)を求め、x0(11)とx1(15)の距
離の差Ls(19)がカーボン煉瓦に付着した凝固層厚
みとなる。
を引き起こす際に煉瓦稼働面または炉内溶融付着物稼働
面に大きな熱流束変動が生じることがわかっており、こ
のような大きな熱流束変動を生じる前の予兆となる特徴
的な熱流束変動をとらえることで、その後に起こる炉底
煉瓦溶損の予防につなげることができる。
ーボン煉瓦内5に埋め込まれた熱電対1の計測信号2
0、カーボン煉瓦背面のスタンプ材6・冷却水間の総括
熱伝達係数と水温をコンピュータ21に送信する。
煉瓦の熱伝導度、比熱と密度、炉内溶融物の凝固層の熱
伝導度、比熱と密度、熱電対1のカーボン煉瓦背面から
計測した設置距離22が入力されている。コンピュータ
21には、図5に示すフローチャートの命令に従って、
以下に記すような演算が行われる。
ステップ1で、炉底カーボン煉瓦の物性値および熱電対
計測位置を与える。ステップ2で、炉底カーボン煉瓦内
の初期温度分布を与える。 ステップ3で時間tに微小
時間間隔Δtを加算し、時間を更新する。ステップ4に
てカーボン煉瓦内に設置された熱電対の指示値をコンピ
ュータ21に読み込み、ステップ5にてステップ4で読
み込んだ熱電対指示値に基づき、カーボン煉瓦稼働面の
熱流束とカーボン煉瓦内温度分布を計算する。
(2)式及び(3)式を境界条件にして(1)式を離散
化して解く。(1)〜(4)式より計算した熱電対計測
点に於けるカーボン煉瓦温度T(E, t)と計測温度Y
(t)の2乗誤差を前述の(5)式により計算する。
(q)の熱流束qに関する偏微分係数がゼロに近づくよ
うに、仮定した熱流束値q0を以下の手順に従って修正
する。
したカーボン煉瓦温度計測点におけるカーボン煉瓦温度
計算値をT(E, t)0、修正した熱流束q1を境界条件にし
て計算したカーボン煉瓦温度計測点におけるカーボン煉
瓦温度計算値をT(E, t)1とすると、T(E, t)1をΔq≡
q1 −q0に関してテーラー展開すると以下のようにな
る。 T(E, t)1 =T(E, t)0 + (∂T(E, t)0/∂q0)・(q1 −q0) (13 ) ここで、感度係数β0を次式のように定義する。 β0≡ ∂T(E, t)0/∂q0 = T(E, t)1 −T(E, t)0 )/εq0 (14) ここで、
εはqの最適値を探索するために設定する微小値であ
り、例えば、0.001とする。(13)式と(14)
式を(6)式に代入し、q1に関して整理すると、 q1= q0 +(T(E, t)0−Y(t))/β0 (15) q1とq2を比較し、下記の収束判定式を満足すればq1
が求める熱流束である。 (q1 −q0)/q0 < 0.001 (16)
準に上と同様の手順で以下の(17)式に従ってqmの
計算を行い、(18)式を満足するまで、計算を繰り返
し、熱流束qを決定し、同時にカーボン煉瓦内表面温度
T(0,t)が計算される。 qm=qm-1 +(T(E, t)m-1−Y(t))/βm-1 m=2,3,… (17 ) (qm −qm-1)/qm-1 < 0.001 m=2,3,… (18)
算したカーボン煉瓦稼働面温度を、炉内稼働面を規定す
る温度Tsと比較する。例えば、Tsは、溶銑の凝固温
度に設定することができる。
温度がTsより大きい場合は、ステップ7に移行し、ス
テップ5で求めたカーボン煉瓦温度分布でTsと一致す
る面を新しいカーボン煉瓦稼働面とし、Tsより大きい
カーボン煉瓦部位は溶損したとする。
温度がTsより小さいか、等しい場合は、ステップ8に
移行し、カーボン煉瓦稼働面先端にTsに等しい炉内溶
融物層を微少厚みΔxだけ付着させ、ステップ5と同
様、(1)式から(6)式を解き、炉内溶融付着物層内
の温度分布を計算する。このとき、炉内溶融付着物層先
端温度がTsより小さければ、再び、Tsに等しい炉内
溶融物層を微少厚みΔxだけ付着させ、(1)式から
(6)式を解き、炉内溶融付着物層先端温度がTsより
大きくなるまでこの操作を繰り返し、ステップ9に移行
し、Tsになっている炉内溶融付着物層先端を炉内溶融
付着物層稼働面とする。再び、ステップ3に戻り、時間
をΔtだけ更新し、上の手順を繰り返す。
づき、上述の方法にて計算したカーボン煉瓦稼働面また
は炉内溶融凝固付着物層稼働面の熱流束値の時間推移
を、図7は炉底残存厚みの変化の計算値を示す。図7に
おいて、炉内溶融付着物層の物性値はカーボン煉瓦と同
じとして計算した。図6より経過時間225時間近傍の
急激な熱流束上昇が引き金になって、炉底カーボン煉瓦
の溶損を引き起こしているのがわかる。
ピークは経過時間が約320時間であるのに対し、本発
明法では、熱流束の乱れのピークは経過時間が約245
時間であり、早期発見が可能となった。(図6、図8参
照)
は炉内溶融凝固付着物層稼働面の熱流束値の非定常変化
挙動と炉底煉瓦残存厚みおよび炉内溶融凝固付着物層厚
みの非定常変化挙動が明確になることで、炉底煉瓦溶損
の早期発見が可能となり、炉底溶損を防止する適切なア
クションの実施による炉底長寿命化効果をもたらす。
度分布の概念図。
離 5:カーボン煉瓦 6:スタンプ材 7:鉄皮 8:冷却水 9:x方向座標 10:カーボン煉瓦内温度分布 11:カーボン煉瓦内面 12:カーボン煉瓦稼働面温度 13:炉内稼働面を規定する温度(例えば溶銑の凝固温
度) 14:カーボン煉瓦背面 15:炉内稼働面 16:計算前のカーボン煉瓦残存厚み 17:計算後のカーボン煉瓦残存厚み 18:炉内溶融凝固付着物層内温度分布 19:炉内溶融凝固層付着厚み 20:熱電対計測信号 21:コンピュータ
Claims (2)
- 【請求項1】 高炉炉床壁耐火物内に配置された温度検
出手段により耐火物温度を計測し、計測値に基づいて、
伝熱逆問題手法を使って、耐火物稼働面における熱流束
値、耐火物残存厚みおよび耐火物内面に付着する炉内溶
融物の凝固層厚みを推定することを特徴とする高炉炉底
状況推定方法。 - 【請求項2】 高炉炉床壁耐火物内に配置された温度検
出手段により耐火物温度を計測し、計測値に基づいて、
伝熱逆問題手法を使って推定し得られた熱流束値の時間
変動より将来の耐火物の残存厚みと耐火物内面に付着す
る炉内溶融物凝固層厚みの変化を予測することを特徴と
する高炉炉底状況予測方法。
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