JP2015004086A - 未溶融鉱石検出方法及び高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト、低メンテナンスで未溶融鉱石の落下を検出する未溶融鉱石検出方法、及びそれを用いた高炉操業方法を提供する。
【解決手段】高炉１の複数の羽口２にそれぞれ圧力計１１を設置し、複数の圧力計１１で羽口圧力値をそれぞれ測定する。そして、測定した複数の羽口圧力値の非同期的な変動を検出したとき、羽口部に未溶融鉱石が付着していると判断する。このとき、複数の羽口圧力値の平均値を当該羽口圧力値の同期成分として採用し、各羽口圧力値から同期成分（平均値）をそれぞれ減算することで、上記羽口圧力値の非同期成分を抽出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高炉羽口部で観測される未溶融鉱石を検出する未溶融鉱石検出方法、及びそれを用いた高炉操業方法に関する。

従来の高炉操業方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、羽口部で未溶融鉱石の上方よりの落下回数を数え、該落下回数が予め設定した基準値以下となるように、炉頂から装入する周辺部の鉱石とコークスとの比率を調整するものである。ここでは、高炉羽口部にカメラを設置し、モニター上で未溶融鉱石の落下回数を数えたり、画像内輝度の低下回数を未溶融鉱石の落下回数として数えたりしている。

特開平５−１８６８１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、未溶融鉱石を検出するためにカメラを設置する必要がある。そのため、カメラを設置するためのコストがかかると共に、設置したカメラのメンテナンスが必要となる。
そこで、本発明は、低コスト、低メンテナンスで未溶融鉱石を検出する未溶融鉱石検出方法、及びそれを用いた高炉操業方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る未溶融鉱石検出方法の一態様は、高炉の羽口部で未溶融鉱石を検出する未溶融鉱石検出方法であって、複数の前記羽口部の内部の圧力値である羽口圧力値をそれぞれ測定し、測定した複数の羽口圧力値の非同期的な変動を検出したとき、前記羽口部に未溶融鉱石が付着していると判断することを特徴としている。

このように、羽口部に未溶融鉱石が付着したとき、熱風の送風が妨げられることに起因してその羽口部内部の圧力値が上昇し、他の羽口部とは異なる挙動を示すことを利用して、複数の羽口圧力値を総合的に判定する手法を用いて未溶融鉱石を検出する。羽口圧力値を測定する圧力計は通常操業で利用するものであり、一般的に高炉にすでに備えられているものである。したがって、カメラ等の新たな設備を設置することなく、未溶融鉱石を検出することができる。そのため、その分のコストやメンテナンスを削減することができる。

また、上記において、前記複数の羽口圧力値の平均値を各羽口圧力値からそれぞれ減算した圧力差分値のうち、少なくとも１つが予め設定した許容値以上に変動しているとき、複数の羽口圧力値が非同期的に変動していると判断することが好ましい。
このように、複数の羽口圧力値の平均値を算出することで、複数の羽口圧力値の同期成分を抽出することできる。したがって、当該平均値を各羽口圧力値から減算して圧力差分値を算出することで、羽口圧力値の非同期成分を抽出することができる。したがって、圧力差分値が許容値以上に変動しているかを監視することで、適切に複数の羽口圧力値の非同期的な変動を検出することができる。

さらに、上記において、前記複数の羽口圧力値の中央値を各羽口圧力値からそれぞれ減算した圧力差分値のうち、少なくとも１つが予め設定した許容値以上に変動しているとき、複数の羽口圧力値が非同期的に変動していると判断することが好ましい。
このように、複数の羽口圧力値の中央値を、複数の羽口圧力値の同期成分として採用し、非同期的な変動を検出する。これにより、使用する羽口圧力値が比較的少ない場合であっても、当該同期成分を適切に抽出することができる。そのため、複数の羽口圧力値の非同期的な変動を安定して検出することができる。

また、上記において、複数の前記圧力差分値をそれぞれ２階微分した結果を予め設定した閾値と比較し、少なくとも１つが前記閾値以下であるとき、前記羽口部に未溶融鉱石が付着していると判断することが好ましい。
このように、圧力差分値の２階微分をとることで、当該圧力差分値の変動を効率的に検知することができる。複数の羽口圧力値の時間平均値はそれぞれ異なる値となるため（ベースが異なるため）、同期成分を減算しただけの圧力差分値に対しては閾値処理を適用することができない。上記のように２階微分をとることでベースを揃えることができ、閾値処理を適用することができ、容易に当該圧力差分値の変動を検知することができる。

さらにまた、本発明に係る高炉操業方法の一態様は、上記の何れかの未溶融鉱石検出方法の検出結果に基づいて、炉頂から装入する周辺部の鉱石とコークスとの比率を調整することを特徴としている。
このように、未溶融鉱石検出結果に基づいて操業条件を調整することができるので、安定した高炉操業を実現することができる。

本発明によれば、通常の操業に利用している羽口部の圧力値のみを用いて未溶融鉱石の検出を行うことができる。そのため、未溶融鉱石の検知のためにカメラ等の新たな設備を設ける必要がない。したがって、低コスト、低メンテナンスで未溶融鉱石を検出することができる。
また、未溶融鉱石検出結果に基づいて炉頂装入物分布を調整するので、高炉を安定的に稼動することができ、生産性の向上と燃料比の低下とを図ることができる。

本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。 未溶融鉱石付着時の模式図である。 未溶融鉱石の検出原理を説明する図である。 未溶融鉱石検出処理手順を示すフローチャートである。 未溶融鉱石検出過程を示す図である。 本実施形態の効果を説明する図である。 未溶融鉱石検出方法の別の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。
この図１に示すように、高炉１の羽口２の内側には、炉内に熱風炉からの熱風を送風するための送風管（ブローパイプ）３が接続され、この送風管３を貫通してランス４が設置されている。ランス４からは、炉内に微粉炭、酸素、都市ガスなどの燃料が吹き込まれる。

羽口２の熱風送風方向前方のコークス堆積層には、レースウェイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間でコークス燃焼、ガス化（鉄鉱石の還元、即ち造銑）が行われる。
また、羽口部には、図２に示すように、オペレータが炉内を監視するための炉内監視用窓６が形成されている。そして、炉内監視用窓６近傍には、羽口２の内部の圧力を計測するための圧力計１１が設置されている。ここで、圧力計１１は、高炉１に設けられた複数の羽口２に対してそれぞれ設置するものとする。

圧力計１１で検出した羽口２の内部の圧力値（羽口圧力値）は、未溶融鉱石落下検出部１２に入力する。未溶融鉱石落下検出部１１は、圧力計１１で検出した複数の羽口圧力値に基づいて、羽口２の先端に付着した未溶融鉱石２０を検出する。
未溶融鉱石２０は、レースウェイ５が破壊することにより落下するものであり、一部の未溶融鉱石２０は羽口２の先端に付着する。このとき、付着した未溶融鉱石２０によって熱風の送風が妨げられ、羽口内部の圧力が上昇する。

そこで、未溶融鉱石落下検出部１２は、羽口内部の圧力上昇を監視することで、未溶融鉱石２０の付着を検出し、これにより未溶融鉱石２０の上方からの落下を検出する。未溶融鉱石落下検出部１２による検出結果は、モニター１３に表示されることでオペレータに通知される。
また、未溶融鉱石落下検出部１２による未溶融鉱石検出結果は、炉頂装入物調整部１４にも入力される。炉頂装入物調整部１４は、当該検出結果に基づいて、炉頂から装入する装入物分布（鉱石とコークスとの比率）を調整する。例えば、未溶融鉱石２０の落下検出結果をもとに、未溶融鉱石２０の落下頻度を測定し、測定した落下頻度が基準値以下となるように炉頂装入物分布を調整する。

図３は、未溶融鉱石落下の検出原理を説明する図である。
この図３は、２つの羽口（羽口ａと羽口ｂ）に対して圧力値をプロットしたものである。未溶融鉱石２０が落下し、羽口ａの先端のみに未溶融鉱石２０が付着した場合、羽口ａにおいて熱風の送風が妨げられるため、図中破線で囲んだ部分に示すように羽口ａの圧力が微小に上昇する。そして、その後、未溶融鉱石２０が羽口ａの先端から自然に剥がれ落ちることで、羽口ａの圧力は通常値まで低下する。この羽口ａの圧力変動は、羽口ｂの圧力変動とは非同期の変動となる。

したがって、本実施形態では、複数の羽口２に設置した圧力計１１でそれぞれ検出した羽口圧力値に基づいて、上記のような非同期の圧力変動を検知し、これをもって未溶融鉱石２０の落下を検知する。
図４は、未溶融鉱石落下検出部１２で実行する未溶融鉱石落下検出処理手順を示すフローチャートである。この未溶融鉱石落下検出処理は、所定時間ごとに繰り返し実行するものであり、先ずステップＳ１で、未溶融鉱石落下検出部１２は、各圧力計１１で検出した羽口部の圧力値を取得する。

次にステップＳ２で、未溶融鉱石落下検出部１２は、前記ステップＳ１で取得した同時刻における圧力値の平均値を算出し、ステップＳ３に移行する。ここで、各羽口部の圧力値の平均値をとることは、圧力データの同期成分を抽出することと同義である。
ステップＳ３では、未溶融鉱石落下検出部１２は、前記ステップＳ１で取得した各羽口圧力値から、前記ステップＳ２で算出した圧力平均値をそれぞれ減算し、これを圧力差分値としてステップＳ４に移行する。ここで、羽口圧力値から圧力平均値を減算することは、当該羽口圧力値の非同期成分を抽出することと同義である。

ステップＳ４では、前記ステップＳ３で算出した各圧力差分値を２階微分し、ステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、前記ステップＳ４で得られた結果に対して閾値処理を行う。ここでは、前記ステップＳ４で得られた各値が予め設定した閾値（例えば、−３）以下であるか否かを判定する。ここで、上記閾値は、圧力の変動度合いに応じて適宜設定するものとする。

そして、閾値以下となる値が存在すると判定した場合にはステップＳ６に移行し、その羽口２の先端に未溶融鉱石２０が付着している（未溶融鉱石検知）と判断してから未溶融鉱石落下検出処理を終了する。
一方、前記ステップＳ５で、すべての値が閾値を上回っていると判定した場合には、ステップＳ７に移行し、いずれの羽口部にも未溶融構成２０は付着していない（未溶融鉱石非検知）と判断してから未溶融鉱石落下検出処理を終了する。

以下、未溶融鉱石落下検出処理について、具体的な例を用いて説明する。
ここでは、８つの羽口２にそれぞれ圧力計１１を設置し、これらの圧力計１１で検出した羽口圧力値に基づいて、未溶融鉱石２０の検出処理を行う場合について説明する。先ず、未溶融鉱石落下検出部１２は、初めに８つの圧力計１１で検出した羽口圧力値を取得し（図４のステップＳ１）、次に取得した８つの羽口圧力値の平均値をとる（ステップＳ２）。

ここで、８つの羽口部の圧力変動が、例えば図５（ａ）に示すようになっているものとする。この例では、図６に示すように、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４で比較的大きな圧力変動が発生している。このうち、時刻ｔ１及びｔ４での圧力変動は、８つ全ての羽口部で同時刻に同様の圧力変動が起こる同期変動である。
一方、時刻ｔ２では、１つの羽口部（羽口Ａ）で他の羽口部とは異なる圧力変動が起こる非同期変動が発生している。また、時刻ｔ３でも同様に、１つの羽口部（羽口Ｂ）で他の羽口部とは異なる圧力変動が起こる非同期変動が発生している。

このような場合、各時刻において８つの羽口圧力値の平均値をとり、これをプロットすると、図５（ｂ）に示すようになる。このように、同時刻における羽口圧力値の平均をとり、これをプロットすることで、８つの羽口圧力データの同期波形を抽出することができる。
次に、未溶融鉱石落下検出部１２は、圧力計１１で検出した羽口圧力値（図５（ａ））から、８つの羽口圧力値の平均値（図５（ｂ））を減算する（ステップＳ３）。８つの羽口圧力値についてこの同期成分を減算する処理を行った結果は、図５（ｃ）に示すようになる。減算処理後の圧力差分値は、非同期変動がない場合は略一定値となり、非同期変動がある場合は、非同期変動が起きている時刻で大きく変動する。

そのため、未溶融鉱石落下検出部１２は、圧力差分値が許容値以上に変動しているか否かを判定することで、非同期変動が発生しているか否かを判定することができる。しかしながら、図５（ｃ）に示すように、８つの圧力差分データは、それぞれベースが異なる。そのため、この図５（ｃ）に示す圧力差分データをそのまま用いて閾値処理を行うことはできない。仮に、図５（ｃ）に示す圧力差分データをそのまま用いて非同期変動の判定を行おうとした場合、各圧力差分データのベースに応じて８つの閾値を設定し、８つの閾値処理を行う必要があり、判定処理が複雑化する。

そこで、これを効率良く判定するために、未溶融鉱石落下検出部１２は、上記圧力差分データを２階微分し（ステップＳ４）、その結果に対して閾値処理を適用する（ステップＳ５）。未溶融鉱石２０の落下時における圧力変動は山形になることがわかっているため、２階微分を取ることで、効率良く山形の形状を抽出することができる。これをプロットしたものが図５（ｄ）である。このように、定常成分を取り除くことで、ベースの揃ったデータが得られる。

そして、未溶融鉱石落下検出部１２は、２階微分した結果と閾値（例えば−３）とを比較し、閾値以下となっている場合に圧力差分値が許容値以上に変動しており、羽口部に未溶融鉱石が付着していると判断する。この例では、図５（ｄ）に示すように、時刻ｔ２と時刻ｔ３とで、２階微分値が閾値（−３）以下となる。したがって、この場合、時刻ｔ２と時刻ｔ３とで未溶融鉱石２０が落下したと判断することができる。
また、時刻ｔ１や時刻ｔ４のように、全ての羽口部で同期して圧力値が変動している場合には、未溶融鉱石２０の落下を非検知とすることができる。このように、羽口圧力値から非同期成分を抽出して未溶融鉱石２０を検出するので、未溶融鉱石２０の誤検出を防止することができる。このように、精度良く未溶融鉱石２０を検知することができる。

ところで、羽口部において未溶融鉱石の落下回数を数える方法としては、羽口部にカメラを設置し、カメラで撮影した映像を観察して未溶融鉱石の落下回数を数えたり、撮像画像の輝度の低下回数を未溶融鉱石の落下回数として数えたりする方法がある。しかしながら、この方法を採用した場合、未溶融鉱石の検知のために新たにカメラを設置する必要があるため、カメラを設置するコストや、設置したカメラをメンテナンスする工数がかかる。
これに対して、本実施形態では、通常の操業で利用している羽口部の圧力値のみを用いて未溶融鉱石の検知を行うことができる。したがって、未溶融鉱石を検知するための新たな設備を設置するためのコストやメンテナンスの工数がかからない。

また、未溶融鉱石の検知に際し、複数の羽口部の圧力値を測定し、これらの複数の羽口圧力値を総合的に判定することで、未溶融鉱石が落下する際に羽口部を一時的に塞ぐことに起因して、当該羽口内部において圧力値が一時的に変動する現象を検知することができる。この圧力変動は、単一の羽口に非同期的な挙動として現れる。したがって、複数の羽口部の圧力値から非同期成分を抽出することにより、未溶融鉱石の落下を適切に検知することができる。

さらに、圧力値の非同期成分は、同時刻の複数の羽口圧力値の平均値を同期成分として採用し、その同期成分（平均圧力値）を元の圧力値から減算し、２階微分をとることで容易に抽出可能である。２階微分をとることにより閾値処理を適用することができ、効率よく未溶融鉱石の検知が可能となる。
このように、単一の羽口圧力値からでは判定することのできない非同期の微小変動を、複数の羽口圧力値を総合的に判定することにより精度良く検知することができる。

また、未溶融鉱石は溶銑と比較して温度が低いため、落下頻度が高いと溶銑温度を下げることにより炉況の不安定化を招くといった問題があるが、以上のように、未溶融鉱石の落下を適切に監視することで、未溶融鉱石の落下頻度を低減するように炉頂装入物分布を調整するなど、操業方法を調整することができ、炉況を安定化させて生産性を向上させることができる。

（変形例）
なお、上記実施形態においては、同時刻の複数の羽口圧力値の平均値を同期成分として採用する場合について説明したが、使用する羽口圧力値が少ない場合は、１つの羽口の圧力変動が平均圧力値に及ぼす影響が大きいため、同時刻の複数の羽口圧力値の中央値を同期成分として採用することもできる。これにより、安定して非同期成分を抽出することができる。

また、上記実施形態においては、圧力差分値を２階微分することで閾値処理が可能なデータを得るようにする場合について説明したが、２階微分に代えて１階微分を適用することもできる。さらに、閾値処理が可能なデータを得るために、例えば図５（ｃ）の圧力差分値に対して、非同期成分や見やすいように各圧力差分値から自身の時間平均値を減算する処理を行って、図７に示すようにベースを揃えたデータを得るようにしてもよい。

１…高炉、２…送風管、３…羽口、４…ランス、５…レースウェイ、６…炉内監視用窓、１１…圧力センサ、１２…未溶融鉱石落下検出部、１３…モニター、１４…炉頂装入物調整部、２０…未溶融鉱石

Claims (5)

1. 高炉の羽口部で未溶融鉱石を検出する未溶融鉱石検出方法であって、
   複数の前記羽口部の内部の圧力値である羽口圧力値をそれぞれ測定し、
   測定した複数の羽口圧力値の非同期的な変動を検出したとき、前記羽口部に未溶融鉱石が付着していると判断することを特徴とする未溶融鉱石検出方法。
2. 前記複数の羽口圧力値の平均値を各羽口圧力値からそれぞれ減算した圧力差分値のうち、少なくとも１つが予め設定した許容値以上に変動しているとき、複数の羽口圧力値が非同期的に変動していると判断することを特徴とする請求項１に記載の未溶融鉱石検出方法。
3. 前記複数の羽口圧力値の中央値を各羽口圧力値からそれぞれ減算した圧力差分値のうち、少なくとも１つが予め設定した許容値以上に変動しているとき、複数の羽口圧力値が非同期的に変動していると判断することを特徴とする請求項１に記載の未溶融鉱石検出方法。
4. 複数の前記圧力差分値をそれぞれ２階微分した結果を予め設定した閾値と比較し、少なくとも１つが前記閾値以下であるとき、前記羽口部に未溶融鉱石が付着していると判断することを特徴とする請求項２又は３に記載の未溶融鉱石検出方法。
5. 前記請求項１〜４の何れか１項に記載の未溶融鉱石検出方法の検出結果に基づいて、炉頂から装入する周辺部の鉱石とコークスとの比率を調整することを特徴とする高炉操業方法。

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