JP2017160498A - 竪型炉における溶融物レベルの推定方法、及びその推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉などの竪型炉内に残留している溶銑と溶滓が混在する溶融物のレベル（残銑滓量）を正確且つ容易に推定することができる竪型炉における溶融物レベルの推定方法、及びその推定装置を提供する。【解決手段】本発明の竪型炉１１における溶融物レベルの推定方法は、竪型炉１１内に残留している溶銑Ｘと溶滓Ｙとが混在する溶融物Ｍのレベルを推定するに際しては、竪型炉１１に備えられた出銑口１３から吐出される、溶融物Ｍの流れである出銑滓流Ｑを撮像する撮像手段２を設けておき、撮像手段２にて、出銑滓流Ｑの画像を少なくとも２枚以上撮像し、撮像された２枚以上の画像を用いて、出銑滓流Ｑの速度を求め、求めた出銑滓流Ｑの速度を基に、竪型炉１１内に残留している溶融物Ｍのレベルを推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉などの竪型炉内に残留している溶銑と溶滓のレベルを推定する竪型炉内の溶融物レベルの推定方法、及びその推定装置に関する。

従来から、高炉では、その上部から鉄鉱石、コークス、石灰石などの炉内装入物を層状に装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、溶銑（銑鉄）を製造している。
炉内装入物の装入位置や粒度を適切に調整したり、高炉下部に設置された羽口からの送風条件（送風温度や送風湿分など）を適切に制御したりすることで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応が効率よく進行させ、所望とする銑鉄の温度（出銑温度）が確保できるように操業を行っている。

ところで、上記のようにして製造された溶銑は、溶滓（溶融スラグ）が混在した「出銑滓流」の状態で高炉下部に備えられた出銑口から吐出される。この吐出される出銑滓流に関しては、操業中、常に計測されている。
その一方で、高炉内に残留している溶銑及び溶滓のレベルは、常に計測される状況とはなっていない。

高炉において安定した操業を行うためには、高炉内に残留している溶銑及び溶滓（溶融物）のレベル、すなわち残銑滓量を正確に把握することは重要である。例えば、高炉内の残銑滓量が増加すると、送風圧力の上昇、ガス流れの悪化など、場合によっては羽口破損等の操業トラブルを引き起こす可能性といった、高炉内の状況に悪影響を与えるため、残銑滓量の炉内レベル管理を行うことは操業上非常に重要である。

しかしながら、高炉のような竪型炉の操業中においては、これまで一般には、溶融物の炉内レベルを正確に評価することは、極めて難しいのが実情であった。
かかる状況下において、高炉内における溶融物のレベルを推定する技術として、例えば、特許文献１、２に開示されているものがある。
特許文献１は、高炉炉底電位差測定装置において、高炉炉底レンガに複数個の電位測定点を高さ方向に間隔を開けて設け、前記電位測定点から高炉炉体外部まで延びる導線を設け、該導線を用いて前記電位測定点の間の電位差を測定することを目的としている。

特許文献２は、竪型炉の高さ方向に沿って並ぶ複数の電極を設け、その複数の電極のうちの最上部および最下部に設けた２本の電極を電流印加用電極として電流を印加し、該電流印加用電極以外の複数の電極を電圧検出用電極として電圧を計測し、上記印加した電流値と、上記計測した電圧値とから竪型炉内の溶融物レベルを計測する竪型炉内の溶融物レベル計測方法において、竪型炉の出銑口よりも上方で且つ溶融スラグ層があると推定される高さ範囲に２本以上の電圧検出用電極を配置し、その電圧検出用電極によって計測された電圧値に基づき溶融スラグ層の電気抵抗を求め、その求めた溶融スラグ層の電気抵抗を使用して竪型炉内の溶融物レベルの計測値を補正することを目的としている。

すなわち、特許文献１、２いずれも、炉の下部の煉瓦に複数の電極を設置し、電極間の電圧により、炉内の溶融物レベルを推定・評価することを目的としている。

特開２００３−１５５５０８号公報 特開２００８−２６６６６９号公報

しかしながら、特許文献１、２の技術は、炉内の溶融物レベルを推定する際に、煉瓦の損耗・浸潤状態の経時変化や、炉内付着物の有無及びその付着状態の変動、炉内の溶銑及び溶滓の温度・その成分変動等の影響を受けることが想定され、推定結果の信頼性を長期にわたって確保することは非常に困難であると考えられる。
また、特許文献１、２の技術は、高炉炉体に電極設置用の開口を設けたり、費用の嵩む信号発生源（装置）や高電圧電源装置などを準備したりする必要があるので、準備に手間がかかってしまい簡便な手法とは言えない。

ところで、高炉から吐出される出銑滓流の流速測定に関しては、溶融物である溶銑及び溶滓の流速を、機械方式や超音波方式などの流量計で測定することは非常に困難である。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、高炉などの竪型炉内に残留している溶銑と溶滓が混在する溶融物のレベル（残銑滓量）を正確且つ容易に推定することができる竪型炉における溶融物レベルの推定方法、及びその推定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる竪型炉における溶融物レベルの推定方法は、竪型炉内に残留している溶銑と溶滓とが混在する溶融物のレベルを推定するに際しては、前記竪型炉に備えられた出銑口から吐出される、前記溶融物の流れである出銑滓流を撮像する撮像手段を設けておき、前記撮像手段にて、前記出銑滓流の画像を少なくとも２枚以上撮像し、撮像された２枚以上の前記画像を用いて、前記出銑滓流の速度を求め、求めた前記出銑滓流の速度を基に、前記竪型炉内に残留している溶融物のレベルを推定することを特徴とする。

好ましくは、前記竪型炉の炉内圧力を用いて、前記溶融物のレベルの誤差の補正を行うとよい。
本発明にかかる竪型炉における溶融物レベルの推定装置は、竪型炉に備えられた出銑口から吐出される、溶銑と溶滓とが混在する溶融物の流れである出銑滓流の画像を少なくとも２枚以上を撮像する撮像手段と、撮像された２枚以上の前記画像を用いて、前記出銑滓流の速度を求める出銑滓流算出部と、求めた前記出銑滓流の速度を基に、前記竪型炉内に残留している溶融物のレベルを推定する溶融物レベル推定部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、高炉などの竪型炉内に残留している溶銑と溶滓が混在する溶融物のレベル（残銑滓量）を正確且つ容易に推定することができる。

高炉設備を模式的に示す図であり、高炉から吐出された溶銑が、高炉鋳床を経てトピードカーに装入されるまでの間の概略を模式的に示した図である。 本発明の竪型炉における溶融物レベルの推定方法にて、撮像された出銑滓流の画像の一例を示す図である。

以下、本発明にかかる竪型炉における溶融物レベルの推定方法、及びその推定装置の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容だけに限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、出銑滓流Ｑは、種々ある竪型炉１１のうち、高炉から吐出されるものとして例に挙げて説明するが、この高炉１１は一つの例であり、溶銑Ｘと溶滓Ｙとが混在する流れである出銑滓流Ｑが吐出される竪型炉１１であれば、特に限定しない。
また、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。従って、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、高炉設備１０を模式的に示す図であり、高炉１１から吐出された溶銑Ｘが、高炉鋳床１４を経てトピードカー１９に装入されるまでの間を概略的に示した図である。
図１に示す如く、高炉設備１０は、その中核としての高炉１１（高炉本体）と、高炉鋳床１４とを有している。
高炉１１は、外部が鋼板製の鉄皮で覆われ、且つ内部が耐火物（耐火煉瓦）で内張りされた竪型円筒状の炉体を有している。

炉体の最下部（炉床部）の側壁には、炉内に熱風や微粉炭を吹き込む開口（羽口１２）が放射状に設けられていると共に、溶銑Ｘ（銑鉄）が溶滓Ｙ（溶融スラグ）と混在された状態で吐出される出銑口１３が設けてある。
上記した高炉１１の内部では、高炉１１の付帯設備の一つである装入装置により供給された、鉄鉱石とコークスなどの燃料を兼ねる還元材、及び不純物を除去するための石灰石に対して、羽口１２から熱風を吹き入れて内部のコークスを燃焼させ、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、溶銑Ｘを製造する。製造された溶銑Ｘは、炉床部の側壁の出銑口１３より、溶滓Ｙと混在された状態、すなわち出銑滓流Ｑで取り出される。

図１に示すように、高炉１１の周り（出銑口１３の下流側）には、高炉１１から出銑された溶銑Ｘを、トピードカー１９に装入するための高炉鋳床１４が設けられている。
この高炉鋳床１４は、高炉１１の出銑口１３から出銑された溶銑Ｘが流れる出銑樋１５を有している。
この出銑樋１５は、水平方向に長尺で、且つ長手方向の両側、及び幅方向の出銑口１３側に所定の高さを有する側壁が形成された運河状の流路である。

出銑樋１５（溶銑流路）の長手方向中途部には、溶銑Ｘと溶滓Ｙを分別して溶滓Ｙを排出する運河状の排滓樋１６が分岐形成されている。その排滓樋１６の下流近傍には、溶滓Ｙをせき止めて排滓樋１６に案内する潜り堰１７が設けられている。
また、出銑樋１５の最下流側（出銑口１３の反対側）には、潜り堰１７で分別された溶銑Ｘを、トピードカー１９に装入するため傾注樋１８が配備されている。一方で、出銑口１３近傍の出銑樋１５の上部には、吐出された出銑滓流Ｑが外部に飛散することを防止するための出銑樋カバー（図示せず）が設けられている。

なお、分別された溶滓Ｙは、排滓樋１６の下流に設けられている水砕設備など溶滓処理設備に送られる。処理された溶滓Ｙは、徐冷スラグや水砕スラグとして排出され、道路の路盤材やコンクリート細骨材などに再利用される。
さて、本願発明は、高炉１１の出銑口１３から吐出された出銑滓流Ｑを基に、その高炉１１内に残留している、溶銑Ｘと溶滓Ｙとが混在する溶融物Ｍのレベル（残銑滓量）を正確に推定することを可能とする技術である。

次に、本発明にかかる溶融物レベル推定装置１について説明する。
図１に示すように、溶融物レベル推定装置１は、出銑口１３近傍に設けられた撮像手段２を用いて、当該出銑口１３から吐出された出銑滓流Ｑ（溶銑Ｘと溶滓Ｙとが混在する流れ）の画像を撮像し、撮像された画像を用いて、「出銑滓流Ｑの速度ｖ」を求め、その出銑滓流Ｑの速度ｖから、高炉１１内に残留している「溶融物Ｍのレベル」を推定・評価するものである。すなわち、本願発明は、高炉１１外部の状況(出銑滓流Ｑの速度ｖ)から、高炉１１内部の状況(溶融物Ｍのレベル)を推定することにある。

なお、溶融物Ｍのレベルとは、高炉１１内において残留している、溶銑Ｘと溶滓Ｙが混在している溶融物Ｍ(残銑滓量)の全体の高さである。すなわち、溶融物Ｍのレベルは、高炉１１底面から湯面(上面)までの高さ(深さ)である。
溶融物レベル推定装置１は、高炉１１に備えられた出銑口１３から吐出される、溶銑Ｘと溶滓Ｙとが混在する溶融物Ｍの流れである出銑滓流Ｑの画像を、少なくとも２枚以上を撮像する撮像手段２と、撮像された２枚以上の画像を用いて、高炉１１内に残留している溶融物Ｍのレベルを推定する処理装置３とを有する。

処理装置３は、撮像手段２にて撮像された２枚以上の画像を用いて、出銑滓流Ｑの速度ｖを求める出銑滓流算出部４と、求めた出銑滓流Ｑの速度ｖを基に、高炉１１内に残留している溶融物Ｍのレベルを推定する溶融物レベル推定部５と、を有している。
撮像手段２は、出銑口１３の下流側近傍の上部に、且つ吐出された出銑滓流Ｑから所定の距離だけ離れた位置に少なくとも１台配備されている。例えば、撮像手段２を出銑口１３の近傍に２台配備して、出銑滓流Ｑの水平方向と鉛直方向の２方向から撮像してもよい。

本実施形態の撮像手段２は、ＣＣＤカメラ（エリアカメラ）を採用している。また、撮像手段２へのダメージ低減のため赤外線カットフィルタを装着している。
例えば、撮像速度150ｆｐｓ（フレーム／秒）で動作するように設定された撮像手段２にて、出銑口１３から吐出された出銑滓流Ｑの画像を、少なくとも２枚以上撮像する。すなわち、撮像手段２にて、出銑口１３近傍における溶銑Ｘと溶滓Ｙが混在する溶融物Ｍの状況の画像を２枚以上連続して撮像する。なお、撮像手段２の撮像速度については、一例である。

図２に、出銑滓流Ｑの画像の一例を示す。図２において、画像左側が出銑口１３側（高炉１１側）を示し、右側が出銑樋１５側（高炉鋳床１４側）を示している。すなわち、出銑口１３から吐出された出銑滓流Ｑは、上流を示す左側から下流を示す右側へ流れている。
上記のようにして撮像された複数の出銑滓流Ｑの画像は、処理装置３内の記憶部（図示せず）などに記憶される。処理装置３内には、記憶部の他、次に詳しく述べる出銑滓流算出部４と、溶融物レベル推定部５とを備えている。処理装置３は、パソコンと当該パソコン内部で実行されるプログラムとから構成されている。

処理装置３内に備えられた出銑滓流算出部４は、撮像手段２により撮像された２枚以上の画像を用いて、出銑滓流Ｑの速度(流速)ｖを求めるものである。
まず、出銑滓流算出部４において、撮像手段２にて撮像された画像から出銑滓流Ｑの速度ｖを算出する過程について、述べる。
複数の画像から任意の画像を１つのフレーム画像として抽出し、その画像を「フレーム１」とする。加えて、「フレーム１」に連続するフレーム画像（１つ後のフレーム）を「フレーム２」とする。

抽出された「フレーム１」において、所定のパターンを含むエリアを追跡領域Ｇａ（図２中の白色実線）として取り出す。そして、「フレーム２」において、「フレーム１」の追跡領域Ｇａと同じパターンを有するエリアを探索する。すなわち「フレーム２」において、「フレーム１」の追跡領域Ｇａと最も相関の高い領域を探索する。
なお、追跡領域Ｇａの探索においては、当業者常法の画像処理手法（例えば、パターンマッチング手法）を用いるとよい。

パターンマッチング手法により得られた「フレーム１における追跡領域Ｇａ」の位置と、「フレーム２における追跡領域Ｇａ」の位置とを基に、フレーム１〜フレーム２間における追跡領域Ｇａが移動した画素数ΔＬ（ｐｉｘｅｌ）を算出する。
そして、得られた画素数ΔＬ、撮像系の画素分解能Ａ（ｍ／ｐｉｘｅｌ）、撮像速度Ｂ（ｆｐｓ）とし、画素数ΔＬを用いて、出銑滓流Ｑの速度ｖ（ｍ／ｓ）を以下に示す式で求める。

なお、溶融物Ｍレベルの推定の安定性を高めるため、パターンマッチングの検索領域を絞っていてもよい。
続いて、溶融物レベル推定部５において、出銑滓流算出部４にて算出された出銑滓流Ｑの速度ｖを基に、高炉１１内に残留している溶融物Ｍのレベルを推定する過程について、述べる。

ここで、図１に示す如く、高炉１１、出銑滓流Ｑなどに関する各種パラメータを、以下のように設定する。
高炉１１内の溶融物Ｍの湯面の下降速度をｖ_１、算出された出銑滓流Ｑの速度をｖ_２とする。また、高炉１１内の水平方向の断面積をＡ_１とし、出銑口１３の垂直方向の断面積をＡ_２とする。

高炉１１内における溶融物ＭのレベルをＺ_１とし、高炉１１内底面からの出銑口１３の中心軸(断面積Ａ_２の中心を通過する軸心)の高さをＺ_２とする。なお、出銑口１３の高さＺ_２は、出口側を基準とするとよい。高炉１１内圧力をＰ_１とし、高炉１１外圧力をＰ_２とする。
これらパラメータを以上のように設定すると、ベルヌーイの定理により、式(１)と表される。

そして、非圧縮流体・定常流れの場合、連続の方程式より、式(２)が成立する。

ここで、式(２)に実際の高炉１１等の寸法を代入すると、式(２’) と表される。

その式(２’)を用いて、式(１)を出銑滓流Ｑの速度ｖ_２について説くと、式(３)が成立する。

そして、実際の数値（操業の実績値）を代入して計算してみると、式(３)の(第一項＞第二項)の関係が成立する。
したがって、観測される出銑滓流Ｑの速度ｖ_２は、高炉１１内における溶融物ＭのレベルＺ_１に比例することがわかる。
なお、以下に示す式(４)は、高炉内圧力Ｐ_１と高炉外圧力Ｐ_２を等しく(Ｐ_１＝Ｐ_２)したトリチェリの定理として知られている。

以上述べた本発明によれば、撮像手段２により撮像された２枚以上の画像を用いて、観測される出銑滓流Ｑの速度ｖ_２を求め、その出銑滓流Ｑの速度ｖ_２を用いて、高炉などの竪型炉１１内に残留している溶銑Ｘと溶滓Ｙが混在する溶融物ＭのレベルＺ_１を、正確且つ容易に推定・評価することができる。
また、本発明の設備に関しては、出銑口１３近傍に撮像手段２を設けるのみであるので、大規模な設備投資なく且つ簡易に出銑滓流Ｑの速度ｖ_２を求めるとともに、溶融物ＭのレベルＺ_１を推定・評価することができる。本発明を用いれば、機械方式や超音波方式などの流量計では困難な出銑滓流Ｑの流速ｖ_２を、簡便に測定することができる。また、本発明では、出銑滓流Ｑの速度ｖ_２を求める際に、機械式などの流量計と比べて非接触であるため、長期安定性・耐久性・メンテナンス性にも優れる。

なお、以上述べたように実施すれば、高炉１１内における溶融物ＭのレベルＺ_１を正確且つ容易に推定することができるが、出銑滓流Ｑにおける表面と内部の速度誤差や、出銑滓流Ｑの内部における溶滓Ｙの充填率（出銑滓流Ｑ内部の空隙率）などによる影響により、推定された溶融物ＭのレベルＺ_１に誤差が含まれることがある。
その場合、例えば、高炉１１の炉内圧力Ｐ_１の情報を用いて、その溶融物ＭのレベルＺ_１の誤差の補正を行うとよい。このように、溶融物ＭのレベルＺ_１の誤差を補正することで、より高精度に溶融物ＭのレベルＺ_１を推定・評価することが可能となる。

ところで、以上述べた本実施形態については、出銑口１３における配管抵抗等を考慮せずに行ったが、実操業では、前述の考慮しなかった因子の影響を受けるので、観測される出銑滓流Ｑの速度ｖ_２は、高炉１１から出銑される毎に異なることが考えられる。
そのため、本発明を実操業に適用させる際には、高炉１１の出銑毎に管理閾値を定め、閾値を超えた場合は減風処置や、ラップ出銑等の操業アクションを行うことにしてもよい。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 溶融物レベル推定装置
２ 撮像手段
３ 処理装置
４ 出銑滓流算出部
５ 溶融物レベル推定部
１０ 高炉設備
１１ 高炉（竪型炉）
１２ 羽口
１３ 出銑口
１４ 高炉鋳床
１５ 出銑樋
１６ 排滓樋
１７ 潜り堰
１８ 傾注樋
１９ トピードカー
Ｘ 溶銑（銑鉄）
Ｙ 溶滓（溶融スラグ）
Ｍ 溶融物
Ｑ 出銑滓流
Ｇａ 追跡領域
Ｇｂ 投影領域

Claims (3)

1. 竪型炉内に残留している溶銑と溶滓とが混在する溶融物のレベルを推定するに際しては、
   前記竪型炉に備えられた出銑口から吐出される、前記溶融物の流れである出銑滓流を撮像する撮像手段を設けておき、
   前記撮像手段にて、前記出銑滓流の画像を少なくとも２枚以上撮像し、
   撮像された２枚以上の前記画像を用いて、前記出銑滓流の速度を求め、
   求めた前記出銑滓流の速度を基に、前記竪型炉内に残留している溶融物のレベルを推定する
   ことを特徴とする竪型炉における溶融物レベルの推定方法。
2. 前記竪型炉の炉内圧力を用いて、前記溶融物のレベルの誤差の補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の竪型炉における溶融物レベルの推定方法。
3. 竪型炉に備えられた出銑口から吐出される、溶銑と溶滓とが混在する溶融物の流れである出銑滓流の画像を少なくとも２枚以上を撮像する撮像手段と、
   撮像された２枚以上の前記画像を用いて、前記出銑滓流の速度を求める出銑滓流算出部と、
   求めた前記出銑滓流の速度を基に、前記竪型炉内に残留している溶融物のレベルを推定する溶融物レベル推定部と、を有する
   ことを特徴とする竪型炉における溶融物レベル推定装置。