JP2002266011A - 高炉の炉内状況推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 時々刻々と変化する高炉下部の炉内状況を非
定常的に時系列で逐次推定することを可能とし、高炉炉
下部で局部的に煉瓦損耗が進行する懸念のある部位を早
期に予測して、煉瓦損耗抑制対策を迅速かつ適正に実施
することができる高炉の炉内状況推定方法を提供する。 【解決手段】 高炉炉床壁耐火物内に配置された温度計
測手段により耐火物温度の時系列変化を計測し、伝熱逆
問題手法により温度計測値を満足し、かつ炉内稼動面計
算温度が溶銑の凝固温度に等しくなる位置の熱流束値に
基づき炉底付近の炉内状況を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高炉の炉内状況推
定方法に係り、特に高炉の操業管理や炉床壁耐火物の寿
命診断などに大きな影響を及ぼす溶銑流速の把握等、炉
底付近における炉内状況を推定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高炉の炉床壁の浸食ラインは、
高炉の耐火物（以下、単に「煉瓦」という。）内に埋め
込まれた熱電対の温度に基づいて、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。

【０００３】この方法では、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
炉炉底付近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
している従来法による熱流束と煉瓦残存厚みは実際とは
大きな乖離がある。

【０００４】また、高炉内の溶銑流速等を推定して炉床
壁煉瓦の保護を行う発明としては、例えば特開平９−２
２７９１０号公報において「高炉の炉底側壁保護方法」
に係る発明が提案されている。この発明は、「高炉炉底
の側壁温度が局部的に上昇した際、“該温度上昇部位を
挟んで互いに高炉中心角にて９０度以上離れた２つの出
銑口”と“その２つの出銑口間の中央付近に位置する羽
口”とを選択し、２つの出銑口で同時出銑を行うと共に
羽口からトレーサを一定量吹き込み、この吹き込み開始
からトレーサが２つの出銑口より排出され始めるまでの
時間をそれぞれ測定してその時間差を比較することで炉
下部における周方向溶銑流速の偏差を推定し、炉底側壁
付近の溶銑流速が増加していると推定された部位にはそ
の近傍羽口よりＴｉ源を吹き込んで炉底煉瓦の損耗抑制
を図る。」ことを要旨としており、この発明によれば、
高炉の炉下部側壁煉瓦の損耗進行が加速されがちな箇所
を早期に特定し、煉瓦損耗抑制対策が迅速・適正に実施
可能になるというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、同公報に記
載された発明によれば、オンラインで高炉下部における
周方向溶銑流速の偏差を推定することにより、炉下部側
壁煉瓦の損耗進行が加速されがちな箇所を早期に特定し
て、煉瓦損耗抑制対策を迅速・適正に実施しようと試み
ているが、羽口からトレーサを吹き込んだ時にのみスポ
ット的に炉底側壁付近の状況を推定することができ、時
々刻々と変化する高炉炉下部の炉内状況を非定常的に時
系列で逐次推定することはできなかった。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みて創案されたも
のであり、その目的は時々刻々と変化する高炉下部の炉
内状況を非定常的に時系列で逐次推定することを可能と
し、高炉炉下部で局部的に煉瓦損耗が進行する懸念のあ
る部位を早期に予測して、煉瓦損耗抑制対策を迅速かつ
適正に実施することができる高炉の炉内状況推定方法を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明の高炉の炉内状況推定方法によれば、高炉炉床壁
耐火物内に配置された温度計測手段により耐火物温度の
時系列変化を計測し、伝熱逆問題手法により温度計測値
を満足し、かつ炉内稼動面計算温度が溶銑の凝固温度に
等しくなる位置の熱流束値に基づき炉底付近の炉内状況
を推定するものである。ここで、「炉底付近」とは、炉
底、炉床及び炉床壁を含む概念である。

【０００８】上記高炉の炉内状況推定方法において、上
記熱流束値に基づいて、非溶銑部、溶銑部、または異常
溶損を推定する。また、上記熱流束に基づき、耐火物内
部への熱伝導量を修正し、溶銑流動の指標となる対流熱
伝達量に変換することが好ましい。

【０００９】さらに、ｑ_Σを総括熱流束、Ｔ_ｂを炉内溶
銑温度、Ｔ_ｘを稼動面からΔ_ｘ内部にある位置の耐火物
温度、λを耐火物の熱伝導率とした場合に、上記対流熱
伝達量に変換する式は、下記（ａ）式で表わされるもの
である。 ｑ_convec＝（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘ）／〔（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘ）／（ｑ_Σ−Δ_ｘ／λ）〕…（ａ ） そして、上記対流熱伝達量ｑ_convecと溶銑流速ｕとの間
には、Ｃをある定数、ｎを０から１間の実数とした場合
に下記（ｂ）式が成立し、 ｑ_convec＝Ｃ・ｕ^ｎ…（ｂ） 該（ｂ）式に基づいて、溶銑流速を推定することが好ま
しい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を説明するが、本発明は本実施形態に限るものではな
い。本実施形態の高炉の炉内状況推定方法は、伝熱逆問
題手法により、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、温度計測手段
である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。熱電対によ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
法を採用す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。

【００１１】本発明では、Ｊａｍｅｓ．Ｖ．Bｅｃｋの
非定常伝熱逆問題の手法［Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ Ｔｒ
ａｎｓ ｆｅｒ，ｖｏｌ．１３，ｐｐ７０３−７１６
（１９７０）］を適用し、熱電対の温度計測値を満足
し、かつ炉内稼動面計算温度が溶銑の凝固温度に等しく
なる位置の熱流束値を求め、その熱流束値に基づき炉底
付近の炉内状況を推定するものである。

【００１２】図１は、炉床壁の煉瓦温度分布を示す概念
図である。図１において、左側の縦線９は煉瓦の背面、
右側の縦線１０は炉内稼動面であり、４は初期条件の煉
瓦残存厚Ｌ（ｔ−Δｔ）、８は煉瓦溶損があった場合の
煉瓦残存厚Ｌ（ｔ）である。下記の非定常熱伝導方程式
（１），（２），（４），（５）式から未知伝熱境界条
件（３）式を逆推定し、熱電対観測点１のＹ_２（ｔ−Δ
ｔ）から５のＹ_２（ｔ）への温度変化を説明できる煉瓦
温度分布６のＴ（ｔ，ｘ）と熱流束７のｑ（ｔ）を逐次
求める。煉瓦残存厚８のＬ（ｔ）は、煉瓦（又は粘稠
層）の先端温度が溶銑凝固温度に等しくなる位置を稼動
面として決定する。

【００１３】 内部：∂ｃρＴ（ｔ，ｘ）／∂ｔ＝−λ∂^２Ｔ（ｔ，ｘ）／∂ｘ^２…（１） 境界条件−背面：Ｔ（ｔ，０）＝Ｙ_１（ｔ）〔既知：背面熱電対〕…（２） 境界条件−稼動面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝ｑ（ｔ）〔未知〕…（３） 初期条件：Ｔ（ｔ，ｘ）＝Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）〔図１中の２〕…（４） 内部観測点：Ｔ（ｔ，Ｌ）＝Ｙ_２（ｔ，Ｌ）…（５） ここで、ρは煉瓦の密度、ｃは煉瓦の比熱、ｘは煉瓦内
面から任意の位置における距離、Ｙ_１は背面熱電対の計
測値、Ｙ_２は内部熱電対の計測値、Ｌは煉瓦厚みであ
る。

【００１４】これらの式に基づいて、伝熱逆問題手法に
より温度計測値Ｙ_１，Ｙ_２を満足し、かつ炉内稼動面の
計算温度が溶銑の凝固温度に等しくなる位置の熱流束値
ｑ（ｔ）を時系列的に逐次求め、この熱流束値ｑ（ｔ）
に基づき炉底付近が非溶銑部、溶銑部、または異常溶損
であるかを逐次推定する。その具体的な推定方法につい
ては後述する。

【００１５】次に、上記の方法で算出した熱流束ｑ
（ｔ）に基づき、煉瓦（粘稠層）内部への熱伝導量を修
正し、溶銑流動の指標となる対流熱伝達量に変換する。
具体的には、下記（ａ）式を用いて対流熱伝達量ｑ
_convecに変換する。 ｑ_convec＝（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘ）／〔（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘ）／（ｑ_Σ−Δ_ｘ／λ）〕…（ａ ） ここで、ｑ_Σは総括熱流束、Ｔ_ｂは炉内溶銑温度、Ｔ_ｘ
は稼動面からΔ_ｘ内部にある位置の煉瓦（粘稠層）温
度、λは煉瓦（粘稠層）の熱伝導率である。

【００１６】さらに、上記の対流熱伝達量ｑ_convecと溶
銑流速ｕとの間には、下記（ｂ）式の関係が成立するこ
とが経験的に知られている。 ｑ_convec＝Ｃ・ｕ^ｎ…（ｂ） ここで、Ｃはある定数、ｎは０から１間の実数である。
したがって、対流熱伝達量ｑ_convecの大きさと溶銑流速
の大きさとの対応関係を利用し、上記（ｂ）式から溶銑
流速ｕを直接計算できる。

【００１７】Ｃ、ｎを決定できないときには、伝熱逆問
題の解である総括熱流束ｑ_Σより下記表１のような対応
表を作成し、炉内の湯流れをマクロ的に推定することが
できる。

【表１】 表１に示すように、例えば熱流束が５００〜２０００ｋ
ｃａｌ／ｍ^２／Ｈｒの範囲では非溶銑部、１０００〜１
５０００ｋｃａｌ／ｍ^２／Ｈｒの範囲では溶銑部、及び
１５０００ｋｃａｌ／ｍ^２／Ｈｒ以上の範囲では異常溶
損と推定する。

【００１８】上記（２）式では既知境界条件として２点
法と呼ばれる背面熱電対の温度計測値が利用できる場合
を示しているが、これが利用できない１点法の場合は、
下記式（６）に置き換える。 境界条件−背面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝α（Ｔ−Ｔ_ｗ）…（６） ここで、αは背面熱伝達係数、Ｔ_ｗは冷却水温、λは煉
瓦（粘稠層）の熱伝導率を示している。

【００１９】具体的な演算は、Ｊａｍｅｓ．Ｖ．Ｂｅｃ
ｋ［２］の方法を採用する。これは、上記式（５）を満
足させるために、下記式（７）で定義される熱電対埋め
込み位置における煉瓦温度計算値Ｔと計測値Ｙ_２の２乗
誤差Ｆ（ｑ）が最小になるような熱流束ｑを上記
（１），（２），（４）式及び下記（８）式より決定す
ることになる。 Ｆ（ｑ）＝Σｒ｛Ｔ（ｔ，Ｌ）−Ｙ_２（ｔ，Ｌ）｝^２…（７） ∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ＝０…（８） ここで、上記（７）式中のｒは計算に要する将来時刻点
数を示し、現時刻ｔにおいて設定した稼動面熱流束ｑ
（ｔ）に対応して遷移する将来の時刻点における計算温
度Ｔ（ｔ＋ｉ）と観測値Ｙ_２（ｔ＋ｉ）の２乗誤差の総
和が最小になるような熱流束を上記（８）式に基づき探
索することを意味している。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明
は本実施例に限るものではない。図２に示すように、高
炉の炉床壁の煉瓦１１内に埋め込まれた熱電対１２の計
測信号１３、及び煉瓦背面のスタンプ材・冷却水間の総
括熱伝達係数と水温が、コンピュータ１４に送信され
る。そして、コンピュータ１４には、予め煉瓦の熱伝導
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１２の煉瓦背面から計測した設置距離１
５が入力されている。

【００２１】コンピユータ１４では、図３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。すなわち、まず計算開始時の時刻を時間ｔにセッ
トする。ステップ１では、炉床壁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では、炉床壁煉瓦内
の初期温度分布を与える。ステップ３では、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
で煉瓦内に設置された熱電対１２の計測値をコンピュー
タ１４に読み込む。ステップ５にて非定常熱伝導方程式
（１）〜（５）を解き、熱電対１２の計測値を満足し、
かつ炉内稼動面計算温度が溶銑の凝固温度に等しくなる
位置の熱流束値ｑ（ｔ）を求める。

【００２２】次に、この熱流束値に基づき、ステップ６
では煉瓦内部への熱伝導量を修正し、（ａ）式により溶
銑流動の指標となる対流熱伝達量ｑ_convecに変換する。
そして、ステップ７で（ｂ）式におけるＣ，ｎが決定で
きるときには、ステップ８で（ｂ）式基づいて、溶銑流
速ｕを推定する。このように溶銑流速ｕを推定すること
により、時々刻々と変化する高炉下部の炉内状況を非定
常的に時系列で逐次推定することが可能となり、高炉炉
下部で局部的に煉瓦損耗が進行する懸念のある部位を早
期に予測して、煉瓦損耗抑制対策を迅速かつ適正に実施
するものである（ステップ９）。

【００２３】一方、ステップ７で（ｂ）式におけるＣ、
ｎを決定できないときには、ステップ１０で伝熱逆問題
の解である総括熱流束ｑ_Σより上記表１のような対応表
を作成し、ステップ１１で炉内の湯流れをマクロ的に推
定する。そして再び、ステップ３に戻り、時間を△ｔだ
け更新し、上の手順を繰り返す。

【００２４】図４は伝熱逆問題の既知背面温度境界とな
る熱電対の温度計測値を示す説明図であり、非定常熱伝
導方程式（２）に対応している。図５は伝熱逆問題の観
測値となる内面温度計測値を示す説明図であり、計測値
と実績値が０．１℃の範囲で一致しており、非定常熱伝
導方程式（４）に対応している。図６は伝熱逆問題によ
り推定した総括熱流束値を示す説明図であり、非定常熱
伝導方程式（３）に対応している。図７は総括熱流束値
と非定常熱伝導方程式（１）を用いて求めた対流熱伝達
量を示す説明図である。図７において、対流熱伝達量が
ｋｃａｌ／ｍ^２／Ｈｒ以上となっている領域に、炉底の
溶銑流速増加のため炉底溶損が発生しているのが判る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
時々刻々と変化する高炉下部の炉内状況を非定常的に時
系列で逐次推定することを可能とし、高炉炉下部で局部
的に煉瓦損耗が進行する懸念のある部位を早期に予測し
て、煉瓦損耗抑制対策を迅速かつ適正に実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】炉床壁の煉瓦温度分布を示す概念図である。

【図２】本実施例における装置構成図である。

【図３】本実施例における演算フローを示す説明図であ
る。

【図４】伝熱逆問題の既知背面温度境界となる熱電対温
度計測値を示す説明図である。

【図５】伝熱逆問題の観測値となる内面温度計測値を示
す説明図である。

【図６】伝熱逆問題により推定した総括熱流束値を示す
説明図である。

【図７】図７は総括熱流束値と（１）式を用いて求めた
対流熱伝達量を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 熱電対観測点Ｙ_２（ｔ−Δｔ，ｄ） ２ 煉瓦温度分布計算値Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ） ３ 熱流速ｑ（ｔ−Δｔ） ４ 初期条件の煉瓦残存厚Ｌ（ｔ−Δｔ） ５ 熱電対観測点Ｙ_２（ｔ，ｄ） ６ 煉瓦温度分布計算値Ｔ（ｔ，ｘ） ７ 熱流束ｑ（ｔ） ８ 溶損があった場合の煉瓦残存厚Ｌ（ｔ） ９ 煉瓦の背面 １０ 炉内稼動面 １１ 炉床壁煉瓦 １２ 熱電対 １３ 計測信号 １４ コンピュータ １５ 煉瓦背面から計測した設置距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 博之 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4K015 KA01 KA07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高炉炉床壁耐火物内に配置された温度計測
   手段により耐火物温度の時系列変化を計測し、伝熱逆問
   題手法により温度計測値を満足し、かつ炉内稼動面計算
   温度が溶銑の凝固温度に等しくなる位置の熱流束値に基
   づき炉底付近の炉内状況を推定することを特徴とする高
   炉の炉内状況推定方法。
2. 【請求項２】前記熱流束値に基づいて、非溶銑部、溶銑
   部、または異常溶損を推定することを特徴とする請求項
   １に記載の高炉の炉内状況推定方法。
3. 【請求項３】前記熱流束に基づき、耐火物内部への熱伝
   導量を修正し、溶銑流動の指標となる対流熱伝達量に変
   換することを特徴とする請求項１に記載の高炉の炉内状
   況推定方法。
4. 【請求項４】ｑ_Σを総括熱流束、Ｔ_ｂを炉内溶銑温度、
   Ｔ_ｘを稼動面からΔ_ｘ内部にある位置の耐火物温度、λ
   を耐火物の熱伝導率とした場合に、 前記対流熱伝達量に変換する式が、下記（ａ）式で表わ
   されることを特徴とする請求項２に記載の高炉の炉内状
   況推定方法。 ｑ_convec＝（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘ）／〔（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘ）／（ｑ_Σ−Δ_ｘ／λ）〕…（ａ ）
5. 【請求項５】 前記対流熱伝達量ｑ_convecと溶銑流速ｕ
   との間には、Ｃをある定数、ｎを０から１間の実数とし
   た場合に下記（ｂ）式が成立し、 ｑ_convec＝Ｃ・ｕ^ｎ…（ｂ） 該（ｂ）式に基づいて、溶銑流速を推定することを特徴
   とする請求項４に記載の高炉の炉内状況推定方法。