JP2015086461A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装入物分布モデル及び高炉数学モデルを利用して、炉内圧力損失が少ない高炉操業方法を提供すること。【解決手段】原料装入条件、送風条件、センサーにより求めた原料層の堆積角及び炉頂ガス組成に基づき炉頂装入物の堆積形状を計算し、前記堆積形状の鉱石層とコークス層の境界面を,下記式（１）を用いて追跡することにより、荷下がりに伴う鉱石層とコークス層の形状変化、融着帯とコークススリットの形成変化及び炉内の圧力分布に関する炉内状況を計算し、前記炉内状況の計算結果に基づき原料装入条件又は送風条件を変更することを特徴とする高炉操業方法。ただし、f：体積存在率、t：時間、u：固体の流速、R：体積消滅速度【選択図】図１

Description

本発明は、高炉操業方法に関する。特に、装入物分布モデル及び高炉数学モデルを利用した高炉操業方法に関する。

近年の資源劣質化により高炉で使用する装入物の多種多様化が求められている。そしてかかる環境下で、高出銑、低還元材比操業が求められ、これを達成するためには、従来以上に高精度な高炉操業技術の開発が期待されている。

大型高炉を安定して操業するには、高炉内での還元ガスの通気性の確保が重要である。
高炉の通気性は、高炉の径方向での鉱石とコークスの層厚比（以下Ｏ/Ｃという。）により径方向に通気抵抗分布が形成されるため、そのコントロールが大切である。

高炉においては、炉頂から鉱石とコークスを順次に炉内に装入し、鉱石層とコークス層が逆V型の斜面を形成する装入物装入方式が一般的である。最近の大型高炉においては、炉頂部に旋回機能を有し、且つ、その俯仰角度が変更できるシュートを設け、このシュートにより原料をリング状に炉内に装入する旋回シュート式原料装入装置が採用されている例が多い（以下、ベルレス高炉と記す。）。
ベルレス高炉においては、旋回シュートの俯仰角度を変更することにより、装入物を炉内周辺部から装入を開始し、炉中心に向け装入する方法が一般に行われている。ここで、コークスを装入して形成したコークス層の斜面の上に鉱石を装入すると、装入時の鉱石の落下エネルギーにより、コークスが炉内側に押し流され、コークス層の崩れや流れ込みが発生する。このコークス層の崩れや流れ込みは、炉径方向を、炉内周辺部、炉中間部及び炉中心部に分割すると、装入鉱石が落下する炉内周辺部及び炉中間部において顕著である。また、この鉱石装入によるコークス層の崩れや流れ込みは、ベル式装入装置を有する高炉（ベル高炉）においても、同様である。

近年、高炉操業は、微粉炭の大量吹き込みにより、低コークス比操業へ移行している。その結果、炉頂から装入するコークス量は、鉱石量に対して減少してきており、その為、コークス層の厚みが薄くなる傾向にある。そして、炉頂から装入するコークス量の低下に伴い、炉内周辺部、炉中間部におけるコークス層表面のプロフィール形状の変化と炉中心部付近の堆積角の変動幅の増大が助長され、局所的にコークス層厚の非常に薄い場所が形成される。
高炉内のガスの通気性は、コークス層により維持され、特に鉱石層が軟化・融着と溶融を開始する融着帯の近傍では、コークス層による通気性確保が重要である。局所的にコークス層厚が非常に薄い場所が形成されると、通気性が悪化し安定的な高炉操業の妨げとなる。

低コークス比操業への移行に際し、装入物分布モデルを用い、装入物装入条件に対応した装入物分布を計算機により計算し、最適な装入物分布を追及する考え方がある。
また、高炉の炉頂からの装入物装入条件と高炉羽口からの送風条件に対応した高炉炉内の温度、圧力及び融着帯形状を数学モデルにより計算機を用い計算し、最適な高炉操業方法を追及する考え方がある。

あらかじめ高炉炉内半径方向のガス流れや装入物の分布状況判断を行うための知識データベースを備えた知識工学システムにより、高炉炉内半径方向のガス流れや装入物の分布状況を推論し、この分布状況が適正領域から外れた場合、装入物分布予測モデル計算を行って適正領域に戻すための最適な装入物分布制御条件を求め、それに基づいて装入物の分布を制御する方法が開示されている（特許文献１）。

高炉炉内の流動、反応、および伝熱を同時解析した高炉数式モデルによってシミュレートした融着帯の位置および形状を炉内の測定ゾンデで得られた情報で検証し、鉱石還元率分布、ガス温度分布、圧力分布、融着帯形状の差が生じた場合には、ガス拡散係数、ガス境膜伝熱抵抗、炉芯の空隙率、装入物降下速度分布をパラメーターとして差異を修正し、実炉における最適な融着帯の位置・形状を探索し、適度な中心流が発達した逆Ｖ型を理想形として、装入物分布条件および送風条件を調整して最適操業条件を見出し、実炉に適用する高炉操業方法が開示されている（特許文献２）。

本発明者等は、高炉のガス分布を制御し、安定な高炉操業を可能とする装入物の分布制御方法を発明した（特許文献３）。当該発明は、高炉の上部で測定された炉内半径方向のガス組成分布（計測値）と、炉頂部の原料堆積層の構造およびガス流れ分布に基づいて算出される炉内半径方向のガス組成分布（計算値）との差が最小になるように、炉内中間部のコークスの堆積角を修正することにより、原料堆積層表面のプロフィール形状の計測値からは検知できない炉内の中間部におけるコークス層の崩れや流れ込みが生じた後の、装入物の層構造を高精度で表すことができるものである。

特公平６−６３００９号公報 特公平６−２８８６号公報 特開２０００−８１０５号公報

高炉の装入物分布又は、高炉内の数式モデルに関する特許文献１又は特許文献２に記載の発明は、下記の課題がある。即ち、特許文献１に記載の発明は、過去の実績により構築されたデータをベースにしているため、炉内中心付近の堆積角の変動、鉱石の落下点付近の原料堆積層表面の乱れ等、検知不能な現象を考慮する事が出来ず、半径方向の装入物分布の変動に対する予測精度が低下し、最適な装入物分布制御を行うことは困難であるという問題がある。

特許文献２に記載の発明は、「理想とされる逆Ｖ型の融着帯形状を与える装入物分布条件および送風条件の探索」を目的として開発されており、高炉内の層構造を考慮していないため、融着帯の圧力損失を正しく推定することが出来ない。低コークス比操業時において、コークススリット厚みの減少に伴い炉内圧力損失が上昇し、高炉操業が不安定となった際の解決手段を提供することが出来ないという問題がある。

本発明者等による特許文献３に記載の発明は、装入物装入条件に対応した装入物の堆積形状をモデルにより高精度に計算するものであり、計算された鉱石層とコークス層の高炉炉内における挙動について言及するものではない。
そこで、本発明者等は、装入物分布モデルにより装入物の堆積形状を計算し、計算された堆積形状の高炉炉内における挙動について、鉱石層とコークス層の境界面を高炉数学モデルにより追跡し、高炉内の荷下がりに伴う鉱石層とコークス層の変化を計算することにより、炉内圧力損失が少ない高炉操業方法を見出し、本発明を完成させるに至った。

本願発明は、装入物分布モデル及び高炉数学モデルを利用して、炉内圧力損失が少ない高炉操業方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、装入物分布モデルにより炉頂での鉱石層とコークス層の堆積形状を計算し、高炉数学モデルにより鉱石層とコークス層の境界面を追跡することにより高炉内の圧力損失が少ない高炉操業が可能であることを見出した。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
＜１＞原料装入条件、送風条件、センサーにより求めた原料層の堆積角及び炉頂ガス組成に基づき炉頂装入物の堆積形状を計算し、前記堆積形状の鉱石層とコークス層の境界面を,下記式（１）を用いて追跡することにより、荷下がりに伴う鉱石層とコークス層の形状変化、融着帯とコークススリットの形成変化及び炉内の圧力分布に関する炉内状況を計算し、前記炉内状況の計算結果に基づき原料装入条件又は送風条件を変更することを特徴とする高炉操業方法。

ただし、f：体積存在率、t：時間、u：固体の流速、R：体積消滅速度
＜２＞前記炉内状況の計算結果において、炉内で圧力損失が最も大きな箇所を特定し、当該箇所に対応する装入コークスの層厚を増加することを特徴とする＜１＞に記載の高炉操業方法。

本発明は、炉内圧力損失が少ない高炉操業方法を提供することができる。
本発明の高炉炉頂装入物の分布制御方法を適用することにより、高炉のガス流れ分布を適正に制御して、低コークス操業下においても安定な高炉操業を行うことができる。

本発明の第一の実施形態を説明する図である。 高炉数学モデルの概略を説明する図である。 高炉数学モデルによる炉内層構造の一例を示す図である。 本発明の第二の実施形態を説明する図である。 装入物の装入スケジュールを変更した際の送風圧力と炉頂圧力の差を示す図である。 旋回シュートによる装入を説明する図である。 装入物の装入スケジュールおよびコークス比を変更した際の送風圧力と炉頂圧力の差を示す図である。

本発明は、まず、高炉に装入した鉱石とコークスが炉頂で形成する鉱石層とコークス層の構造を装入物分布モデルにより計算する。この場合、鉱石装入によるコークス層の崩れや流れ込みも考慮することに特徴がある。次に、炉頂で形成された鉱石層とコークス層の構造が、炉内に降下する際に、昇温・還元・軟化・融着及び溶融していく過程を、高炉数学モデルを用いて解析する。この場合、鉱石層とコークス層の境界面を追跡することに特徴がある。このようにして計算した高炉内の温度分布、圧力分布及び融着帯形状に対応して、適切な装入条件の変更又は送風条件の変更を実施することにより、炉内圧力損失が少ない高炉操業方法を提供することができる。

（第一の実施形態）
本発明に係る第一の実施形態は、まず、原料装入条件、送風条件、センサーにより求めた原料層の堆積角及び炉頂ガス組成（計測値）に基づき炉頂装入物の堆積形状を装入物分布モデルにより計算し、次に、高炉数学モデルにより、堆積形状の鉱石層とコークス層の境界面を追跡することにより、荷下がりに伴う鉱石層とコークス層の形状変化及び融着帯とコークススリットの形成変化並びに炉内の圧力分布を計算し、計算結果に基づき原料装入条件又は送風条件を変更する実施形態である。

図１は、本発明の第一の実施形態を説明する図である。まず、装入物分布モデルにより、炉頂における装入物の堆積形状を高精度に計算する。対象高炉の操業の送風条件、装入物の装入条件、炉頂装入物の表面形状（計測値）、半径方向の温度分布（計測値）およびガス組成分布（計測値）を装入物分布モデルにインプットし、炉頂装入物の堆積形状を高精度に推定する。炉頂装入物の表面形状（計測値）とは、装入物装入後にプロフィール計等により炉頂装入物の表面形状を測定したものをいう。半径方向の温度分布（計測値）及びガス組成分布（計測値）とは、炉頂表面の上部に装入した検出端等により計測した半径方向の温度とガス組成分布である。装入物分布モデルは、本発明者等によるモデル（特開２０００−８１０５号公報）を用いる。

前記装入物分布モデルにおいては、プロフィール計により求められた炉頂装入物の表面形状（計測値）に、斜面に堆積する際の粒度偏析を考慮して原料堆積層の構造を決め、送風条件により与えられる上昇ガス量を原料堆積層の構造に応じて分配し、炉内半径方向のガス流れ分布及び炉内半径方向のガス組成分布を算出する。
しかし、このように算出した炉内半径方向におけるガス組成分布（計算値）と、半径方向の実際のガス組成分布（計測値）は、原料堆積層表面のプロフィール形状計測値からは検知できない炉周辺部及び中間部におけるコークス層の崩れや流れ込みの影響により、一致しない。

そこで、コークス層の崩れや流れ込みに起因する炉内の中間部のコークスの堆積角を修正しながら、さらには、炉内の中心部におけるコークスの堆積角および炉内周辺部における鉱石の堆積角を修正しながら、つまり、炉内の中間部、中心部および周辺部のそれぞれの領域における堆積角の値を少しずつ変更して、炉内半径方向におけるガス組成分布の算出を繰り返すことで、炉内半径方向におけるガス組成分布（計算値）と、半径方向の実際のガス組成分布（計測値）の差が最小となり、炉頂装入物の堆積形状を高精度で推定することができる。

次に、炉頂装入物の堆積形状は、炉内を降下するに従い、昇温と反応により変化する。装入物分布モデルにより得られた炉頂装入物の堆積形状及び送風条件を高炉数学モデルにインプットし、高炉炉内におけるコークス層および鉱石層の層構造の変化を高精度に予測し、高炉炉内の温度分布、鉱石還元率分布、コークスガス化率分布、圧力分布、融着帯形状、炉内層構造等を求める。

本発明に用いる高炉数学モデルを説明する。図２は、高炉数学モデルの概略を説明する図である。
高炉数学モデルは高炉内のガス流れ、固体流れ、液体流れ、反応、伝熱、炉内層構造を同時に求めるものである。図２に示す手順で順次計算を進め、装入に伴う周期的な変動が擬定常状態に達するまで計算を行う。従来の高炉数学モデル（例えば特公平６−２８８６号公報）との最も大きな違いは、炉頂に装入された鉱石層とコークス層の境界面を高精度に追跡することにより、荷下がりに伴う鉱石層およびコークス層の層構造の変化、すなわち、融着帯におけるコークススリットの数、およびコークススリットの半径方向の厚みを高精度に推定できるところにある。

鉱石層とコークス層界面の追跡には、ＶＯＦ法を採用した。ＶＯＦ法とは、流体界面を表現する計算手法で、ある流体の体積存在率fに着目し、界面形状をある流体とそれ以外の流体の境界線(あるいは面)として間接的に追跡する方法である。鉱石層とコークス層の体積存在率fを変数として、荷下がりに伴い変化する鉱石層とコークス層の各時刻における体積存在率分布を（１）式により求めた。

体積存在率fの時間積分にはクランク−ニコルソン法を採用した。クランク−ニコルソン法とは、例えば、（１）式の第２項を、現在と過去２つの時刻で評価し、それらの平均値を用いることで、安定的かつ高精度に計算を行う方法である。荷下がりに伴う層構造の変化を高精度に追跡するには、体積存在率fの対流項である、第２項の取り扱いが重要となるが、Ｕｂｂｉｎｋらが提案したＣＩＣＳＡＭ法（例えば非特許文献、Ubbink O and Issa,R.I.,J.Comput．Phys．153（1999）26−50参照）を使用した。ＣＩＣＳＡＭ法は、（１）式の第２項の取り扱いに関して、流れの方向と界面とがなす角度に応じて、適切な手法を使い分けることにより、界面の移動を高い精度で追跡する方法である。

ここで、f：体積存在率、t：時間、u：固体の流速、R：体積消滅速度である。

塊状帯でのガス流れについては、Ｅｒｇｕｎらが提唱した充填層の圧力損失と流速の関係を使用した。融着帯における融着鉱石層の圧力損失は塊状帯での圧力損失に比例するものとし、比例定数γを温度および高温通気抵抗指数ＫＳ（例えば、鉄と鋼 Vol．87 （2001） P350−P356参照）の関数として与えた。高温通気抵抗指数ＫＳは、各温度における単位長さ当たりの圧力損失を、密度、粘度等で補正した後、温度で積分することにより求められる値であり、高温通気抵抗指数ＫＳが小さいほど融着鉱石層の通気性が良いことを表す。

ここで、T：温度、Tc：融着開始温度、Tm：溶け落ち温度である。

融着帯および炉芯におけるコークス層のガス流れについては、塊状帯と同様、Ｅｒｇｕｎらが提唱した充填層での圧力損失と流速の関係を使用し、ガス流速と圧力損失を求めた。高炉炉内の圧力分布、温度分布の推定精度を上げるために、高炉の炉壁に設置された圧力計により測定された高さ方向の圧力分布と、高炉数学モデルにより求めた高さ方向の圧力分布が一致するように、充填層の空隙率を調整した。

焼結鉱の還元反応に関しては、ヘマタイト／マグネタイト、マグネタイト／ウスタイト、ウスタイト／Ｆｅそれぞれの界面において同時に還元反応が進行するとした３界面未反応核モデルを採用し、コークスのガス化反応に関しては、粒子内における反応速度と拡散速度の比であるＴｈｉｅｌｅ ｍｏｄｕｌｕｓを使用した反応モデルを採用した。また固体の降下挙動に関しては、Ｋｉｎｅｍａｔｉｃモデルを採用し、速度分布を求めた。Ｋｉｎｅｍａｔｉｃモデルは、水平方向の速度が、高さ方向の速度勾配および充填粒子直径に比例すると仮定して、固体の速度分布を求めるモデルである。

図３に高炉数学モデルによる炉内層構造の一例を示す。炉頂に装入された鉱石層１及びコークス層２は、炉内を降下するに従い、昇温と反応を受け、変形していく。鉱石層の炉内側は、軟化・融着した融着帯を形成している。

従来技術(例えば特公平６−２８８６号公報)では、融着帯形状の推定に留まっていたが、本発明は、鉱石層とコークス層の境界面を高い精度で追跡することにより、融着帯形状のみならず、融着帯に存在するコークススリットの数、各コークススリットの形状・厚み、コークススリット層が最も薄い場所、すなわち、炉内で最も圧力損失が高く高炉の安定的な操業を阻害している場所を特定することが可能となった。

高炉数学モデルにより得られた高炉炉内の温度分布、鉱石還元率分布、コークスガス化率分布、圧力分布、融着帯形状、炉内層構造に対応して、装入条件、送風条件を変更することにより、高炉のガス流れ分布の適正化を図ることができる。
送風条件としては、羽口からの送風量、送風温度、酸素富化量及び微粉炭吹き込み量等を変更すること、装入物の装入条件としては、装入バッチあたりの鉱石量、コークス量を変更すること、又は、鉱石、コークスの炉半径方向の装入位置を変更することにより、低コークス操業下においても安定な高炉操業を実施することができる。

（第二の実施形態）
高炉数学モデルによる計算結果において、炉内で圧力損失が最も大きな箇所を特定し、当該箇所に対応するコークス層厚を増加する高炉操業方法である。
図４は、本発明の第二の実施形態を説明する図である。
得られた高炉炉内の圧力分布に基づき、最も圧力損失が高く、通気のネックとなっている場所を特定する。圧力損失が最も高い場所のコークス層の厚みを増加させるように、装入スケジュールを変更する。装入スケジュール変更後の炉頂装入物の堆積形状を装入物分布モデルにより推定する。装入物分布モデルにより推定された炉頂装入物の堆積形状に基づき、再度、高炉数学モデルにより高炉炉内の鉱石還元率分布、コークスガス化率分布、圧力分布、融着帯形状、炉内層構造等を求める。得られた高炉炉内の圧力分布に基づき、最も圧力損失が高く、通気のネックとなっている場所を特定する。圧力損失が最も高い場所のコークス層の厚みを増加させるように、装入スケジュールを変更するという手順を、送風圧と炉頂圧との圧力差が最小となるまで繰り返すことにより、最適な装入物分布を求めることが出来る。

（実施例１及び実施例２）
内容積が５３００ｍ^３の高炉を想定し、コークス比３４５ｋｇ／ｔ、微粉炭比１５４ｋｇ／ｔ、還元材比４９９ｋｇ／ｔの操業条件を基準操業（比較例）として、本発明を適用し、装入物分布を調整した際の高炉内圧力損失の低下効果を検討した。
計算前提条件として、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値は６４．１％、酸素富化量は２７０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、送風温度は１２００℃、送風湿分は１４ｇ／Ｎｍ^３、および微粉炭吹き込み量は６５ｔ／ｈとし、溶銑温度は１５５０℃とした。
基準操業(比較例)における送風圧力と炉頂圧力との圧力差（ΔP）は、図５に示すように１６５ｋＰａであった。基準操業時の操業諸元を表１に示す。基準操業に対して本発明を適用し、高炉炉内の圧力分布を求め、融着帯において通気のネックとなっている部位を特定し、通気のネックとなっている部位に対応して装入物分布モデルに与えるコークスの装入スケジュールを変更した。具体的な装入スケジュールの変更を図６で説明する。旋回シュート４を用い、コークス（Ｃ，Ｍ）及び鉱石（Ｏ）を炉体シャフト部５にＣ、Ｍ，Ｏ_１，Ｏ_２の各バッチで装入するベルレス高炉において、旋回シュート４の傾動角（θ）を分割し、炉壁際に装入する角度をノッチ１とし、炉内側に装入する角度をノッチ１２とし、ノッチ１から、ノッチ１２に旋回シュートの角度を傾動させながら所定の回数、旋回させて装入する。尚、Ｍは高炉の中心流を確保するための中心装入コークスである。装入Ｃの表面に装入するＯ_１を装入する装入スケジュールは、Ｃバッチ１０ノッチの旋回数を比較例では０、実施例１では１、実施例２では２とした。その結果、通気のネックとなっている部位の圧力損失を低下させることができ、送風圧力と炉頂圧力との圧力差（ΔＰ）を１４８ｋＰａに（実施例１）、さらに装入スケジュールを最適化することにより送風圧力と炉頂圧力との圧力差（ΔＰ）を１４２ｋＰａに低減することができた（実施例２）。

（実施例３）
実施例１の基準操業（比較例）に対し、コークス比を３２０ｋｇ／ｔに低下させた操業条件に対して、本発明を適用し送風圧力と炉頂圧力との圧力差を基準操業と同程度に保つことのできる装入スケジュールについて検討した。
計算前提条件として、実施例１と同様、主原料の被還元性指数ＪＩＳ−ＲＩの平均値は６４．１％、酸素富化量は２７０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、送風温度は１２００℃、送風湿分は１４ｇ／Ｎｍ^３、および微粉炭吹き込み量は６５ｔ／ｈとし、出銑温度は１５５０℃とした。
実施例１に用いた装入スケジュールを維持したまま、コークス比を３２０ｋｇ／ｔに低下させた。融着帯において通気のネックとなっている部位の圧力損失は小さく、図７に示すように、送風圧力と炉頂圧力との圧力差を基準操業時より低い１６２ｋＰａに抑えたまま、コークス比３２０ｋｇ／ｔの低コークス操業が可能であった（実施例３）。

装入物分布モデル及び高炉内数学モデルを利用して、炉内圧力損失が少ない高炉操業方法を提供することができる。

１…鉱石、２…コークス、４…旋回シュート、５…炉体シャフト部。

Claims (2)

1. 原料装入条件、送風条件、センサーにより求めた原料層の堆積角及び炉頂ガス組成に基づき炉頂装入物の堆積形状を計算し、
   前記堆積形状の鉱石層とコークス層の境界面を,下記式（１）を用いて追跡することにより、荷下がりに伴う鉱石層とコークス層の形状変化、融着帯とコークススリットの形成変化及び炉内の圧力分布に関する炉内状況を計算し、
   前記炉内状況の計算結果に基づき原料装入条件又は送風条件を変更することを特徴とする高炉操業方法。
   

   

   ただし、f：体積存在率、t：時間、u：固体の流速、R：体積消滅速度
2. 前記炉内状況の計算結果において、炉内で圧力損失が最も大きな箇所を特定し、当該箇所に対応する装入コークスの層厚を増加することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。

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