JP2008145141A

JP2008145141A - 高炉の炉内状況推定方法

Info

Publication number: JP2008145141A
Application number: JP2006329836A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Shinotake; 昭彦篠竹; Shinroku Matsuzaki; 眞六松崎; Kazuya Kunitomo; 和也国友; Masaaki Naito; 誠章内藤; Misao Hashimoto; 操橋本; Toshihiro Nagane; 利弘長根; Asao Hatanaka; 朝夫圃中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】高炉の炉内状況の推測は温度計測に依存しているのが現状で、耐火レンガの損耗を推定するのに利用された宇宙線ミュオンを用いて炉内状況の推定を行う。
【解決手段】宇宙線ミュオンを計測する計測装置により高炉を透過して飛来する高炉透過の宇宙線ミュオン強度と、該高炉透過の宇宙線ミュオンの飛来方向の判別情報と、高炉を非透過の非透過宇宙線ミュオン強度とを一定時間蓄積し、該実測による蓄積データに基づいて、高炉の状態を密度として炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表し、特定箇所における強度比より当該箇所に存在する炉内充填物の密度を求め、該密度より炉内を構成する充填物を推定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、高炉の炉内充填物の状況を推定する高炉の炉内状況推定方法に係り、高炉を透過する宇宙線ミュオンを利用して、高炉の充填構造を推定する高炉の炉内状況推定方法に関する。

高炉の適正な操業を維持するために、炉内状況をモニターして、操業条件を変更することが行われている。操業条件を適正に変更して操業を続けるためには、炉内状況をできるだけ正確に知る必要がある。

一般に、高炉炉底においては、炉内の溶銑流や温度分布を直接計測できないため、炉底底盤および炉側壁耐火物内に熱電対を埋設し、この温度分布をモニターしている。例えば、埋設深度を変えた２点の温度から定常熱伝導を仮定して１１５０℃ライン（炭素飽和溶銑の凝固点）を推定してレンガの稼動面（過去最高温度になった時点の１１５０℃ライン）から現在の１１５０℃ラインを粘稠層（凝固層）と推定している。粘稠層が小さくなれば耐火物溶損の危険があり、逆に粘稠層がおおきくなれば炉内が不活性になって安定操業ができなくなる。したがって、適正な操業を維持するためには、高炉炉底の状況を正確にモニターすることが必要となる。

操業条件を管理する方法あるいは炉内状況をモニターする方法としては、例えば以下のような提案がなされている．
１）特許文献１では、高炉炉底側壁部に熱電対を埋設し、この熱電対の連続的な温度変化を直接測定し、温度の絶対値および温度上昇／下降を判断基準にして予め設定した装入ＴｉＯ２の増量・減風・休風等の操業条件を管理する方法を開示している。

２）特許文献２では、高炉炉床壁に埋設された熱電対２点の温度、または１点の温度と外面の伝熱条件から、１次元定常伝熱を伝熱逆問題手法により仮定して炉内から外部へ向かう熱流束を算出し、無流束の大小、増減を判断基準にして炉床壁耐火物の損傷状況を推定し、その損傷状況に応じた損傷防止アクションを行う方法を開示している。

３）特許文献３、特許文献４では、高炉炉床壁に埋設された熱電対２点の温度、または１点の温度と外面の伝熱条件から、伝熱逆問題解析手法を用いて稼動面の熱流束または温度を計算し、稼動面の熱流束または温度の絶対値および／または変動を判断基準にして、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方法を開示している。

４）特許文献５、特許文献６では、高炉炉内に設けた検出端を介して計測され、炉内状態が反映された第１の時系列情報に基づいて、リカレンスプロットを作成するプロット作成を行い、このリカレンスプロット構造に基づいて高炉の炉内状況を判断する方法を開示している。特に、特許文献６では、高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた熱電対により計測された時系列の温度情報から得られた時系列の熱流束情報と、高炉炉底の出銑孔付近に埋め込まれた熱電対により計測された時系列の温度情報から得られた時系列の熱流束情報とに基づいて、２変数の相互リカレンスプロットを作成し、その相互リカレンスプロットに基づいて、高炉炉底における湯流れ状態を判断することを開示している。

５）特許文献７では、宇宙線ミュオンを利用して高炉炉底耐火物の損耗量（厚さ）を計測する方法が提案されている。

この計測方法は、高炉炉底を通過したミュオンの強度を測定し、築炉時に計測したミュオン強度の第１データと、時間経過後のミュオン強度の第２データと、予め求めておいたミュオンの強度変化と耐火物厚さとの関係を示す特性線に基づいて、第２データの取得時におけるミュオン強度から耐火物の厚さを推定する。

この特性線は、ミュオンの物質貫通力はエネルギーＥと貫通力Ｘ（ｍ）との間に以下の関係を有するとして得ており、物質の比重を7.8の鉄としている。

Ｘ=7.8×2.5×10³In(1.56・E＋１）
そして、築炉時（耐火物最大厚さ）に上記第１データを測っておくことで、上記数式及び各部の寸法及び比重から右下がりの特性線を引くことができる。したがって、適宜ミュオン強度を測定することで、耐火物の厚さが推定でき、高炉の改修時期の決定が行える。
特開平７−２０７３１０号公報特開２００２−３６３６１９号公報特開２００１−２３４２１７号公報特開２００２−２６６０１１号公報特開２００２−２１２６１２号公報特開２００３−３０１２１０号公報特開平８−２６１７４１号公報

しかしながら、高炉炉壁のレンガ厚みは、初期状態で約２ｍの厚みがあり、これに対して、この側壁レンガ内に埋設される熱電対の位置は、通常レンガの背面から５０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度とかなり銑皮（炉外）側に配置されるため、炉内の熱状態が変化した場合、レンガ内の非定常熱伝導によって温度が変化するために時間遅れが大きい。また、高炉炉底底盤は炉内稼動面から熱電対までさらに遠く、初期状態で大半の高炉では３〜４ｍ、ないしはそれ以上離れている。

非定常変化時に、定常熱伝導を仮定して炉内状況を推定するような上記特許文献１、特許文献２に開示の方法では誤差が大きいという問題がある。

また、上記特許文献３、特許文献４の方法では非定常変化を定常と仮定する点が改善されているといえるが、炉内の湯流れ（溶銑流）の状態が変化しても耐火物内の熱伝導による時間遅れは残り、炉内の状態が変化してから温度検出位置の熱流束または温度が明確に変動し始めるまでにかなりの時間を要するという問題がある。

さらに、特許文献５および６には、炉内状況を判断するためのカオス応用技術（リカレンスプロツトを行う方法）を開示し、特に特許文献６は、炉内の湯流れ状態の診断を開示するが、炉底が活性か不活性かを判断するに止まっている。

このように、特許文献１〜６に開示の方法はいずれも温度を計測することを前提とするものであるのに対し、引用文献７に開示の方法では、炉内を透過した宇宙線ミュオンの強度を計測するという全く別の手法を用いる点において、炉内状況の推定に大きな期待が寄せられる。

しかし、ミュオンを利用して高炉炉底耐火物の損耗量を計測するといっても、築炉時に計測した第１データのミュオン強度と耐火物の厚さを起点として描かれる特性線を使用し、実際に操業されている高炉内を通過したミュオンの強度をこの特性線にプロットし、そのときの耐火物厚さが高炉炉底の耐火物の厚さと推定しているに過ぎない。このような計測方法では、ミュオンが通過する高炉内の物質に溶銑が多いか、スラグあるいはコークスが多いかにより検出するミュオン強度に差が生じるため、計測する都度前記特性線を求める数式に用いる物質の比重値を変更する必要がある。

また、炉内のミュオンが通過する部分に存在する物質（混合物質）の特定は経験と推測に頼らざるを得ず、この特性線が現実の炉内状態に近いものを示しているかは不明であり、さらなる改良を必要としている。

さらに、ミュオンの利用は耐火物の厚さという限られた炉内状況を推定するのに用いられているだけで、炉内の充填物が炉底の底盤、側壁に対して、例えば隙間を有して充填されているか、その隙間の場所はといった炉内の状況を二次元的に高精度に推定するまでには至っていない。

また、炉内の充填物がどのような充填構造をなしているかを推定するまでには至っていない。

本発明は、このような観点に鑑みなされたもので、宇宙線ミュオンを利用して炉内状況、炉内充填物の構造といった炉内状況を推定できる高炉の炉内状況推定方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。

（１）宇宙線ミュオンを計測する計測装置により高炉を透過して飛来する高炉透過の宇宙線ミュオン強度と、該高炉透過の宇宙線ミュオンの飛来方向の判別情報と、高炉を非透過の非透過宇宙線ミュオン強度とを一定時間蓄積し、該実測による蓄積データに基づいて、高炉の状態を密度として炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表し、高炉の耐火物と推定される強度比と境界をなす炉内充填物の強度比から該炉内充填物の密度を求め、該充填物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）前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、前記高炉炉外で、該高炉から水平方向に離れた位置で行うことを特徴とする上記（１）に記載の高炉の炉内状況推定方法。

（３）前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、該炉底の周囲の複数箇所で同時あるいは時間をずらして行い、各計測位置での計測結果に基づいて炉底状態を二次元で推定することを特徴とする上記（２）に記載の高炉の炉内状況推定方法。

（４）宇宙線ミュオンを計測する計測装置により高炉を透過して飛来する高炉透過の宇宙線ミュオン強度と、該高炉透過の宇宙線ミュオンの飛来方向の判別情報と、高炉を非透過の非透過宇宙線ミュオン強度とを一定時間蓄積し、該実測による蓄積データに基づいて、高炉の状態を密度として炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表し、特定箇所における強度比より当該箇所に存在する炉内充填物の密度を求め、該密度より炉内を構成する充填物を推定することを特徴とする高炉の炉内状況推定方法。

（５）前記密度より推定した炉内を構成する充填物は、コークス・銑鉄混合部とコークフリーゾーン部との比較により識別されることを特徴とする上記（４）に記載の高炉の炉内状況推定方法。

（６）前記密度より推定した炉内を構成する充填物は、銑鉄部とスラグ部とガス部との比較により識別されることを特徴とする上記（４）に記載の高炉の炉内状況推定方法。

（７）前記密度より推定した炉内を構成する充填物は、滴下帯部と融着帯部と塊状帯部との比較により識別されることを特徴とする上記（４）に記載の高炉の炉内状況推定方法。

（８）前記特定箇所における強度比より求めた炉内充填物の密度に基づいて、該充填物を構成する物質の混合比率を求めることを特徴とする上記（４）から（７）のいずれかに記載の高炉の炉内状況推定方法。

（９）前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、前記高炉炉外で、該高炉から水平方向に離れた位置で行うことを特徴とする上記（４）から（８）のいずれかに記載の高炉の炉内状況推定方法。

（１０）前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、該炉底の周囲の複数箇所で同時あるいは時間をずらして行い、各計測位置での計測結果に基づいて炉底状態を二次元で推定することを特徴とする上記（９）に記載の炉底耐火物の損耗状態確認方法。

（１１）前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、前記高炉の炉底基礎部で行うことを特徴とする上記（４）から（８）のいずれかに記載の高炉の炉内状況推定方法。

請求項１〜３に係る発明によれば、炉内充填物及び底盤、炉壁の密度を炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表すことができる。このため、耐火レンガなどの耐火物と境界をなす炉内充填物を密度から推定可能となり、特定位置における耐火物と境界をなす炉内充填物との関係から、炉内状況が正常か否かが判別できる。その結果、炉内状況を高精度に推定でき、その状況に合わせて高炉の制御を行える。

請求項４〜１０に係る発明によれば、炉内充填物及び底盤、炉壁の密度を炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表すことができる。このため、炉内を構成する充填物を密度から推定可能となり、特定位置における充填物を推定することが可能となり、炉内状況が正常か否かが判別できる。その結果、炉内状況を高精度に推定でき、その状況に合わせて高炉の制御を行える。

また、推定密度よりその充填物の混合比も推定でき、高炉の制御をより一層緻密に行える。

第１の実施の形態
図１は本発明の第１の実施の形態による高炉の炉内状況推定方法を説明する縦断面図、図２は図１の平面図を示す。図３は宇宙線ミュオンの計測装置の概略構成を示す斜視図である。

図１及び図２において、高炉１は、グランドレベル（ＧＬ）に対して高さＨの位置に設けられており、炉底２の底盤３及び側壁４は耐火物としての耐火レンガ５により内張りされている。６は出銃口のレベルを示す。

本実施の形態において、宇宙線ミュオン（以下ミュオンと称す）μの計測装置１１は、高炉１から水平方向に距離Ｌ離れた位置に配置し、高炉１側から到来するミュオンμを計測すると共に、高炉１を透過しないで到来したミュオンμも計測するようにしている。

図３において、本実施の形態における宇宙線ミュオンの計測装置１１は、前部計測面を高炉に向けて設置される計測部１２と、計測部１２で計測した計測結果に基づいて、ミュオンの強度と計測した宇宙線ミュオンの入射方向（水平方向の角度と仰角）を求めて記憶部１３に記憶すると共に、後述する損耗状態の判定を行う判定部１４を有する演算部１５とにより構成されている。演算部１５での演算結果は表示器１６に表示される。表示形態としては、演算結果を表として表したり、図５〜図８に示す図表、Ｆ/Ｂ強度比の分布モデル図などをカラー表示により表示させたりすることができ、特にＦ/Ｂ強度比の分布モデル図をカラー表示させることにより、図５（ｅ）に示すＦ/Ｂ強度比のレベルをカラーによるグラディエーション化で視覚により判別することができる。

なお、本実施の形態では、炉底２の底盤レンガから見て、水平距離Ｌを高炉炉床径の0.8〜1.6倍で、炉底中央のレンガ残存推定位置を見上げる仰角が5〜25度の位置に計測部１２を配置している。

計測部１２は、前側検出器１２１と、該前側検出器１２１と同じ構成の後側検出器１２２とを対向配置し、前側検出器１２１と後側検出器１２２との間に鉄板１２３を配置した構成としている。

前側検出器１２１と後側検出器１２２は、垂直方向に延びる水平方向検知用の第１の検知部１２４を水平方向にｍ行配置すると共に、水平方向に延びる垂直方向検知用の第２の検出部１２５を垂直方向にｎ列配置し、これらｍ行の第１の検知部１２４とｎ列の第２の検知部１２５を前後に配置した構成としている。第１の検知部１２４と第２の検知部１２５とは、例えばアルミニュウムケース内に例えばミュオンの入射により発光するプラスチックシンチレータを長さ方向に沿って配設すると共に、該プラスチックシンチレータの後方に複数個の光電子増倍管を該アルミニュウムケースの長さ方向に沿って等ピッチに配設した構成としている。

したがって、プラスチックシンチレータが発光すると、その発光点の後方位置における光電子増倍管からパルス信号が出力されることになる。この場合、第１の検知部１２４と第２の検知部１２５とからそれぞれパルス信号が出力される。

また、前側検出器１２１及び後側検出器１２２における第１の検出部１２４同士、第２の検出部１２５同士の位置関係は予め設定され、第１の検知部１２４の水平方向に並ぶ各列は例えば高炉炉底２の中心点から径方向における距離が予め判明し、第２の検知部１２５の垂直方向に並ぶ各列は高炉炉底２の所定点に対して垂直方向における距離が予め判明している。

ここで、ある瞬間に高炉炉底２を透過したミュオンμを検知したとする。ミュオンμは前側検出器１２１の第１の検出部１２４と第２の検出部１２５を透過し、さらに鉄板１２３を透過したミュオンμは後側検出器１２２を透過する。水平方向にｍ行に並んだ第１の検出部１２４に着目すると、ミュオンμが透過した前側検出器１２１では左端から例えば６番目であり、後側検出器１２２にあっては左端から７番目であったとすると、水平方向におけるミュオンμの入射角が求まり、高炉炉底に対するこのミュオンμの水平方向における飛来軌跡が求まる。

また、垂直方向にｎ列並んだ第２の検出部１２５に着目すると、ミュオンμが透過した前側検出器１２１では例えば下から４番目であり、後側検出器１２２にあっては下から３番目であったとすると、高炉側から飛来したミュオンμの仰角が求まり、高炉炉底２に対するこのミュオンμの仰角方向における飛来軌跡が求まる。

これらの飛来軌跡は千差万別であり、計測部１２に到来するミュオンμは計測部１２の一点に集中することはなく、高炉炉底２に対する水平平面においては図４に示すように、飛来軌跡が疎の部分もあれば密の部分もあり、また交差する部分も存在するが、このような計測を長時間にわたって行うと、炉底２の炉内７の全域、及び側壁４、底盤３のみを透過したミュオンμを計測することができる。また、仰角方向においても同様である。

なお、計測部１２を炉底２の底盤３よりも上方に配置している場合には、炉底２の底盤３を透過したミュオンμについては計測できないので、本実施の形態では計測部１２を炉底２の底盤３よりも少し下の位置に配置することにより、炉底２の底盤３を透過したミュオンμの計測を可能としている。

ミュオンに比べ数１０倍近い多量の軟成分（電子、ガンマ線など）バツクグラウンドを除去するために、中間に置いた鉄による軟成分かつくる多重発生信号を用いた；前方（後方）カウンターを通ったミュオンはそのまま鉄中を直進し後方（前方）カウンターに単一の信号を与えるが、軟成分は鉄中で多数の粒子と光子に変わるため、後方（前方）カウンターに複数の信号を与える。

また、本実施の形態では、前側検出器１２１において高炉側から飛来したミュオンμの強度の検出（以下Ｆ強度とする）を行うと共に、後側検出器１２２において、高炉を通過していないミュオンμの強度を併せて検出（以下Ｂ強度とする）し、このＦ強度およびＢ強度の値を上記記憶部１３に記憶している。

前側検出器１２１で計測したミュオンμのＦ強度は、高炉を透過するので、高炉を透過することなく後側検出器１２２で計測されたミュオンμのＢ強度はＦ強度よりも大きい。また、密度の大きい銑鉄が存在する炉底２の炉内を透過したＦ強度は、銑鉄(密度が約7g/cm^３)に比べて密度の小さい耐火レンガ（耐火レンガの成分はカーボンで、密度が約2g/cm³)を透過したＦ強度よりも小さいことはいうまでもないことである。そうすると、高炉を透過しないミュオンμの計測強度であるＢ強度との対比（Ｆ/Ｂ）でＦ強度を調べると、そのミュオンμの透過した飛来軌跡が炉底２の炉内を透過したものであるのか、耐火レンガのみを透過したものであるのかを判断することができる。

ここで、高炉の構造を図７を参照して説明する。図７に示すように、高炉内は概ね５つの領域、すなわち、原料が装入前と同じように塊として存在する塊状帯２０１、原料が熱と荷重とにより半溶融状態になっている融着帯２０２、溶けた銑鉄やスラグがコークスの間を降下する滴下帯２０３、コークスが羽口２５１からの送風によって燃焼、運動するレースウェイ２０４、溶融生成物（銑鉄、スラグ）が貯溜される湯溜まり２０５、に大別することができる。滴下帯２０３は、コークスが長時間にわたって殆ど静止している領域（炉芯２０３ａ）と、連続的にコークスがレースウェイ２０４に移動する領域（活性コークス帯２０３ｂ）とに分けられる。なお、２５２は出銑孔、３０１、３０２は熱電対である。

ところで、炉内７を透過したミュオンμのＢ強度は、炉内７内の充填物の密度によって異なる。本実施の形態では、このＦ/Ｂ強度比とミュオンμの透過した物質の密度(Density)との間に相関関係があることに着目し、炉底２の炉内が全て鉄で満たされたと仮定し、そのときの物質の密度（density）を7.8g/cm³とした状態１、5.85g/cm³とした状態２、3.9g/cm³とした状態３、1.95g/cm³とした状態４について、炉底２におけるＦ/Ｂ強度比の分布モデルをモンテカルロシミュレーション（Monte Carlo Simulation)に基づいて作成し、これらの状態１〜状態４により得られた密度とＦ/Ｂ強度比の特性線を得ている。

ここで、状態１の密度は例えば鉄に相当し、状態２の密度は例えばコークスと鉄との混合物（鉄の比率が大）に相当し、状態３の密度は例えばコークスと鉄との混合物（コークス比率が大）に相当し、状態４の密度は例えば耐火レンガに近い値である。

図５の（ａ）〜（ｄ）は状態１〜状態４におけるこのＦ/Ｂ強度比の分布モデルを夫々示し、Ｘ方向は水平方向、Ｙ方向は仰角方向、Ｚ方向はＦ/Ｂ強度値を示している。また、図５において、Ｘ方向は図２のαで示すように、計測部１２の中心点から炉底２の炉壁の外周面に接する左端の接線を０（mrad）とし、右端の接線まで時計回りに１０００（mrad）スキャンした状態（計測部１２の中心点と炉心の中心を結ぶ位置は丁度５００mradとなっている）を示し、Ｙ方向は図１のβで示すように、水平線を０（mrad）とし、仰角５００（mrad）までスキャンした状態を示している。

なお、モンテカルロシミュレーションによるＦ/Ｂ強度比の分布モデルの作成方法についての説明は省略するが、図５（ａ）〜（ｄ）（ｆ）に示すＦ/Ｂ強度比の分布モデル図は、Ｆ/Ｂ強度比を等高線として表し、Ｆ/Ｂ強度比が高いほど等高線が高い位置に存在するので、図５の各モデル図は周囲から中心に向かって等高線が低くなっている。また築炉時における炉底２の底盤３、及び側壁４の耐火レンガ５の厚さといった炉底構造が予め判明しているので、操業の開始後における耐火レンガと溶銑との境目となる位置は、この炉底２のデータから築炉時における耐火レンガの表面から後退した位置となる。なお、図５（ｅ）に等高線とＦ/Ｂ強度比との関係を示し、上から下に向かってＦ/Ｂ強度比が小さくなり、これを色彩によるグラディエーション化を施して示すと、一番上が赤色、一番下が濃紺色となり、その間をオレンジ色、黄色、黄緑色、緑色、青色と順次変化することで示され、これに対応して図５（ａ）〜（ｄ）（ｆ）のＦ/Ｂ強度比の分布モデル図は外周側の等高線が暖色系で、中心部が寒色系で示される。なお、図５（ａ）〜（ｄ）（ｆ）の等高線の一部に示す数値はＦ/Ｂ強度比値を示す。また、後述する図６も同様である。

図５（ａ）において、Ｘ方向に５００（mrad）の位置が炉底２の水平方向における中心位置であり、仰角において、水平と略等しい０〜１５０（mrad）程度の範囲にあっては底盤３の耐火レンガのみを透過するものと推測できるので、この範囲でのＦ/Ｂ強度比は大きい値を示している。仰角をさらに上げ、１５０〜２００（mrad）の範囲にあってはＦ/Ｂ強度比が徐々に低下する傾向にあり、仰角が３５０〜５００（mrad）の範囲に達すると、Ｆ/Ｂ強度比が大きく低下する。ここで仰角が５００（mrad）で、水平方向が５００（mrad）の位置は炉底２の底盤３表面よりも上方に位置しているので、この位置でのＦ/Ｂ強度比は銑鉄部を透過したミュオンμのＦ/Ｂ強度比とすることができ、この位置でのＦ/Ｂ強度比は0.257である。したがって、図５（ａ）より、炉内の充填物の密度を7.8g/cm³とした状態１にあっては、密度7.8 g/cm³でのＦ/Ｂ強度比が0.257として与えられる。

図５（ｂ）に示す炉内充填物の密度を5.85g/cm³とした場合のＦ/Ｂ強度比の分布モデルにおいて、仰角４００〜５００（mrad）での炉内中心部に存在する部分のＦ/Ｂ強度比が0.341として与えられる。

図５（ｃ）に示す炉内充填物の密度を3.1g/cm³とした場合のＦ/Ｂ強度比の分布モデルにおいて、仰角４００〜５００（mrad）での炉内中心部に存在する部分のＦ/Ｂ強度比が0.426として与えられる。

図５（ｄ）に示す炉内充填物の密度を1.95g/cm³とした場合のＦ/Ｂ強度比の分布モデルにおいて、仰角４００〜５００（mrad）での炉内中心部に存在する部分におけるＦ/Ｂ強度比が0.554として与えられる。

このように、密度と、各密度におけるＦ/Ｂ強度比との関係を示したのが図６である。

図６は、縦軸にＦ/Ｂ強度比、横軸に密度(g/cm³)を表しており、図５の（ａ）〜（ｄ）に示す４点をプロットして得たＦ/Ｂ強度比-密度特性線を示している。

この図６に示すＦ/Ｂ強度比-密度特性線を用いることにより、実際に測定したミュオン強度のＦ/Ｂ強度比が判明すれば、炉底２の炉内に充填されている物質の密度を推定することが可能となる。なお、図６（ａ）は図５（ｆ）に示す実測値のＦ/Ｂ強度比の分布モデル図、図６（ｂ）は図５（ｄ）に示すＦ/Ｂ強度比の分布モデル図である。

図５（ｆ）は計測部１２で計測したミュオンμの飛来軌跡、及びＦ値及びＢ値を実測値のデータとし、これらの実測データに基づくモンテカルロシミュレーションによるＦ/Ｂ強度比の分布モデルを示している。

図５（ｆ）において、実測値は仰角βが大きくなるにつれて、Ｆ/Ｂ強度比が低くなる傾向を示し、最もＦ/Ｂ強度比が低い値は0.341である。このＦ/Ｂ強度比が0.341を示す仰角は、図７に示す湯溜まり２０５に対応する。そして、図６の特性線において、実測値によるＦ/Ｂ強度比0.341に対応する密度（g/cm³）は6.3470である。

この場合、炉底２の底盤の表面の上に密度（g/cm³)6.3470の物質が存在していることが推定できることになる。

ただし、この値は、図５（ｆ）における選択点を通る経路上の平均密度である。実際には、炉床部にある充填物は溶融もしくは凝固した銑鉄（密度約7g/cm³)またはコークス（密度約１g/cm³）であると考えられる。したがって、この光路上の充填物は、銑鉄／コークスの混合物で、混合比が９：１であると推定することができる。

同様の方法で求めた平均密度の値が大きくなればより銑鉄の比率が大きくなり、平均密度の値が小さくなればよりコークスの比率が大きくなっていると推定することができる。

炉床部のコークス比率が大きくなれば、フリーゾーンが縮小し、炉芯が沈下傾向にあると判断することができるので、鉱石／コークス比を下げるなど、炉芯が浮力を受けて浮上し、炉床が活性な状態を維持するような制御を実行することもできる。

なお、図５および図６を参照しながら説明した上述のモンテカルロシミュレーションによるＦ/Ｂ強度比の分布モデルの作成及び図６に示すＦ/Ｂ強度比-密度特性線の作成、実測値のＦ/Ｂ強度比の分布モデルからのデータの抽出、この抽出したデータから密度を演算する処理は図３に示す演算部１５の判定部１４により実行される。

また、例えば炉壁に埋設している温度計が温度異常を検知した場合、この温度異常発生部分だけを狙うように高さ、水平角度、仰角などを調節して計測部１１を配置し、上記の手法により得た耐火レンガの損耗プロファイルを適用することで、当該異常と推測された箇所での炉内充填物の密度を推定するようにしても良い。このように、高炉の築炉時から継続して監視していなくても、高炉の操業途中において随時耐火レンガ境界をなす炉内充填物の密度を推定耐火レンガの損耗量の推測が可能となるのは、Ｆ/Ｂ強度比を利用していることによる。
第２の実施の形態
図５（ｆ）において、実測値は仰角βが大きくなるにつれて、Ｆ/Ｂ強度比が低くなる傾向を示し、最もＦ/Ｂ強度比が低い値は0.341である。このＦ/Ｂ強度比が0.341を示す仰角は、図７に示す湯溜２０５に対応する部分に相当する。ここで、図６の特性線において、実測値によるＦ/Ｂ強度比0.34に対応する密度（g/cm³）を調べると、密度(g/cm³)は6.3470である。図７の炉内構造はあくまでも一つの推定したモデルであり、炉底２の炉内状況が常に図７に示すようになっているものではない。

したがって、Ｆ/Ｂ強度比0.341から言えることは、炉底２の底盤の上に光路上の平均密度(g/cm³)6.3470の物質が存在していることが推定できることになる。

銑鉄の密度(g/cm³）が7.0、コークスの密度（g/cm³）が1.0であることから、密度（g/cm³）が6.3470であるということは、光路上の充填物は銑鉄／コークスの混合物で、混合比が約９：１であると推測することができる。

コークスと溶銑との混合比の分布が求められると、溶銑流を正しく推定することができ、この推定結果に基づいて炉床の活性化などのために、例えば炉底側壁冷却、羽口先制御等の操業アクションを行うことができる。

また、図７に示すように、高炉の炉内において、銑鉄部の上に銑鉄よりも軽いスラグ部があり、またその上にガス部が存在すると推定されるが、この場合においても、銑鉄部とスラグ部とガス部（高温ガス）との密度は異なるので、上述した手法により、これら銑鉄部とスラグ部とガス部との識別が行える。この場合、銑鉄部とスラグ部とガス部の状況は出銑滓に伴い時間変化するので、時間平均情報となるが、二次元解析により半径方向分布や円周方向の偏りがわかれば、炉内の通液性や炉状況判定に用いることができる。

本実施の形態では、ミュオンμの仰角方向における計測範囲を湯溜２０５程度までとして底盤と炉床銑鉄部との識別を行っているが、銑鉄部／スラグ部、スラグ部／ガス部の識別を行うためには、仰角方向における計測範囲を広げるか、或いは計測部１１を上方に移動させればよい。

さらに、図７に示す滴下帯２０３、融着帯２０２、塊状帯２０１の識別を上述した手法により識別することができる。上述のように、滴下帯２０３は炉芯２０３ａと活性コークス帯２０３ｂとにより構成されているが、ここは一部滴下メタル、スラグを含むが、大部分がコークスとガスとの混合物で、半溶融状態の鉄鉱石とコークスの層からなる融着帯とは密度が異なることは明らかであり、鉄鉱石とコークスが塊として存在する塊状帯とも密度が異なることも明らかである。

したがって、これら滴下帯２０３と融着帯２０２と塊状帯２０１とが存在すると予測される箇所でのミュオンμの計測を行い、上述の手法によりＦ/Ｂ強度比から各滴下帯と融着帯と塊状帯と推定される箇所の密度を求め、求めた密度から滴下帯、融着帯、塊状帯を識別することができる。ここで、融着帯２０２が識別できると、湯溜２０５や炉芯２０３ａと同様に融着帯２０２の形状も図５（ｆ）に示すような表示方法で推定することができる。

なお、滴下帯、融着帯、塊状帯は位置変化する場合がある時間平均情報となる。

湯溜２０５周辺を計測する場合、炉芯２０３ａ周辺を計測する場合、滴下帯２０３周辺を計測する場合、融着帯２０２周辺を計測する場合、塊状帯２０１周辺を計測する場合においてはそれぞれ仰角方向の計測範囲が異なるので、これらの計測範囲をカバーするには、カバーする帯域に合わせて計測部１１を高炉１からさらに遠くに設置することで同じ仰角範囲で高炉１の計測範囲を上方まで広げることができる。また、計測部１１の設置距離を変更せずに、設置高さを上方に変更することでも所望する帯域での計測を行うことができる。

第３の実施の形態
上記した第１の実施の形態では、計測部１２を高炉１から水平方向に離れた位置に設置し、−箇所のみで炉底２を透過したミュオンμを計測し、仰角方向のデータを加えることにより、図５および図６に示すように３次元的にＦ/Ｂ強度比の分布モデル図を作成し、底盤３と境界をなす炉内充填物の密度を計測している。

これに対し、本第３の実施の形態は、炉底２の周囲の複数箇所で炉底２を透過したミュオンμの計測を行うことにより、底盤３だけでなく、側壁４の耐火レンガと炉内との境界を２次元的に容易に得ることができる。

したがって、図５および図６に示すモンテカルロシミュレーションによって得られるＦ/Ｂ強度比の分布モデル図が二次元で表示でき、炉底２の底盤３又は側壁４における耐火レンガと境界をなす炉内充填物の密度の推測を高精度に行える。

また、第２の実施の形態に記述したように、計測部１１における仰角方向における計測範囲を広げるか、計測部１１を上方に移動させるかして銑鉄部/スラグ部、スラグ部/ガス部の識別を行う場合においても、高炉炉体の周囲の複数箇所で高炉炉体を透過したミュオンμの計測を行うことにより、図５及び図６に示すモンテカルロシュミレーションによって得られるＦ/Ｂ強度比の分布モデル図を２次元で表示するのと同様の手法を用いて、湯溜２０５のほか、滴下帯２０３、融着帯２０２、塊状帯２０１の密度の推測も高精度に行うこともできる。

ここで、炉底２の周囲の複数箇所で炉底２を透過したミュオンμの計測を行う方法として、例えば、計測部１２を炉底２の周囲に複数配置することにより実現できる。この場合、計測部１２を配置箇所の数だけ用意する必要があり、また複数箇所で同時にミュオンμの計測を行わなければならない必要性もなく、またミュオンμの計測期間も長いので、一つの計測部１２を複数の計測箇所に移動して計測することも可能である。

以上のように、上記した各実施の形態にあっては、炉底２を透過して計測部１２で計測するミュオンμは種々の飛来軌跡を辿ったものであるため、これらのデータを蓄積することにより、モンテカルロシミュレーションを用いて炉底２の炉内及び底盤、側壁の状態を二次元として容易に推定可能である。

そして、Ｆ/Ｂ強度比を用いることによりミュオンμが実際に透過した物質（一つの物質もあれば複数の物質の混合物もある）の密度を知ることができ、炉底２の炉内及び底盤、側壁との状態をＦ/Ｂ強度比と密度の関係で表すことができる。このことから、実際に計測したデータから炉内に存在すると思える物質の密度が推定でき、底盤あるいは側壁と境界をなす炉内充填物を推測することができる。

このように、ミュオンμの透過した物質固有の情報とすることができるＦ/Ｂ強度比を用いることにより、高炉の炉底炉盤、炉壁あるいは高炉の内壁と境界をなす炉内充填物の密度を推測でき、この密度より判明する物質が炉内状況にとって望ましいものであるか否かが判断でき、この判断結果に基づいて高炉の制御が行える。

本発明の第１の実施の形態による高炉の炉内状況推定方法を説明する縦断面図。図１の平面図。図１、図２に示すミュオンの計測装置の概略構成を示す斜視図。ミュオンの飛来軌跡を示す図。（ａ）〜（ｄ）は炉内物質の密度を変数とし、密度とＦ/Ｂ強度比との関係を示すＦ/Ｂ強度比の分布モデル図、（ｅ）はＦ/Ｂ強度比のレベルを示す図、（ｆ）は実測値を示すＦ/Ｂ強度比の分布モデル図。Ｆ/Ｂ強度比と密度との関係を示す特性線図で、（ａ）は実測値でのＦ/Ｂ強度比の分布モデル図、（ｂ）は図５の（ｄ）に示すＦ/Ｂ強度比の分布モデル図高炉の炉内状況を模式的に示した縦断面図。

符号の説明

１高炉
２炉底
３底盤
４側壁
５耐火レンガ
６出銑口
７炉内
８炉底基礎部
１１計測装置
１２計測部
１２１前側検出器
１２２後側検出器
１２３鉄板
１２４第１の検出部
１２５第２の検出部
１３記憶部
１４判定部
１５演算部
２０１塊状帯
２０２融着帯
２０３滴下帯
２０３ａ炉芯
２０３ｂ活性コークス帯
２０５湯溜
２５１羽口
２５２出銑孔
３０１熱電対

Claims

宇宙線ミュオンを計測する計測装置により高炉を透過して飛来する高炉透過の宇宙線ミュオン強度と、該高炉透過の宇宙線ミュオンの飛来方向の判別情報と、高炉を非透過の非透過宇宙線ミュオン強度とを一定時間蓄積し、該実測による蓄積データに基づいて、高炉の状態を密度として炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表し、高炉の耐火物と推定される強度比と境界をなす炉内充填物の強度比から該炉内充填物の密度を求め、該充填物を推定することを特徴とする高炉の炉内状況推定方法。
前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、前記高炉炉外で、該高炉から水平方向に離れた位置で行う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。
前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、該炉底の周囲の複数箇所で同時あるいは時間をずらして行い、各計測位置での計測結果に基づいて炉底状態を二次元で推定す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。
宇宙線ミュオンを計測する計測装置により高炉を透過して飛来する高炉透過の宇宙線ミュオン強度と、該高炉透過の宇宙線ミュオンの飛来方向の判別情報と、高炉を非透過の非透過宇宙線ミュオン強度とを一定時間蓄積し、該実測による蓄積データに基づいて、高炉の状態を密度として炉底透過の宇宙線ミュオン強度と非透過宇宙線ミュオン強度との強度比で表し、特定箇所における強度比より当該箇所に存在する炉内充填物の密度を求め、該密度より炉内を構成する充填物を推定することを特徴とする高炉の炉内状況推定方法。
前記密度より推定した炉内を構成する充填物は、コークス・銑鉄混合部とコークフリーゾーン部との比較により識別され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。
前記密度より推定した炉内を構成する充填物は、銑鉄部とスラグ部とガス部との比較により識別され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。
前記密度より推定した炉内を構成する充填物は、滴下帯部と融着帯部と塊状帯部との比較により識別され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。
前記特定箇所における強度比より求めた炉内充填物の密度に基づいて、該充填物を構成する物質の混合比率を求めることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の高炉の炉内状況推定方法。
前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、前記高炉炉外で、該高炉から水平方向に離れた位置で行うことを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載の高炉の炉内状況推定方法。
前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、該炉底の周囲の複数箇所で同時あるいは時間をずらして行い、各計測位置での計測結果に基づいて炉底状態を二次元で推定することを特徴とする請求項６に記載の高炉の炉内状況推定方法。
前記高炉炉底を透過して飛来する炉底透過の宇宙線ミュオンの計測は、前記高炉の炉底基礎部で行うことを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載の高炉の炉内状況推定方法。