JP2018165399A

JP2018165399A - 高炉炉況状態判定装置、高炉の操業方法、及び、高炉炉況状態判定方法

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Publication number: JP2018165399A
Application number: JP2017243469A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　友彦; Tomohiko Ito; 友彦伊藤; 島本　拓幸; Hiroyuki Shimamoto; 拓幸島本; 西村　望; Nozomi Nishimura; 望西村; 山口　達也; Tatsuya Yamaguchi; 達也山口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: JP6617767B2

Abstract

【課題】高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを適切に判定することができる高炉炉況状態判定装置、高炉の操業方法、及び、高炉炉況状態判定方法を提供すること。
【解決手段】高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置において、高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測手段と、温度分布計測手段によって計測された温度分布の情報に基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値に基づいて、温度分布が正常であるかを判定する判定手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置、高炉の操業方法、及び、高炉炉況状態判定方法に関する。

従来、高炉の炉内状況（以下、炉況という。）を監視し、適切な操業条件に変更して高炉の操業を行うことが知られている（特許文献１など）。そのため、高炉の炉況状態の異常を早期に的確に把握することは重要である。高炉は円筒形の炉であるため、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れが発生した場合には、出銑状態の円周方向のばらつきによる操業状態悪化などが発生する場合がある。そのため、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを早期に検知することは、重要な異常検知対象の一つである。

従来、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを検知する方法として、高炉内の原料装入面直上の温度分布を計測して行うものが知られており、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れがある場合には、原料装入面直上の温度分布の偏りや乱れとして表われる。そのため、計測した原料装入面直上の温度分布を可視化し画面表示することによって、その温度分布の可視化情報に基づいて、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを作業者が把握可能となる。

特開２００５−２７２８８０号公報

新井、山本、架谷、化学工学論文集、1989年、第15巻、第6号、p.1073-1075

しかしながら、画面表示された温度分布の可視化情報を、作業者が常時監視するのは実質的に困難である。また、画面表示された温度分布の可視化情報から、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れの判定を作業者が行うと、その判定基準が属人的となるため判定結果にばらつきが生じてしまい、常時適切な判定ができないおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを適切に判定することができる高炉炉況状態判定装置、高炉の操業方法、及び、高炉炉況状態判定方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置であって、高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測手段と、前記温度分布計測手段によって計測された前記温度分布の情報に基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、前記主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値に基づいて、前記温度分布が正常であるかを判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記温度分布計測手段によって計測された前記温度分布の情報を蓄積する温度分布情報蓄積手段を備えており、前記主成分分析手段は、前記温度分布情報蓄積手段に蓄積された温度分布情報に基づいて、主成分分析を行うことを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記判定手段は、前記温度分布の乱れを検知するために、前記主成分分析値として第２主成分値以降の主成分値を用いることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記判定手段は、前記原料装入面直上の温度上昇を検知するために、前記主成分分析値として第１主成分値を用いることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記温度分布計測手段は、３０［ｓ］以内で前記原料装入面直上の全域にわたる温度分布の計測が完了可能であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記温度分布計測手段は、高炉炉頂部に設けられた複数の音波送受信手段のうち１つの音波送受信手段から音波を送信し、相異なる音波送受信手段で前記音波を受信して、前記音波を送信した時点から各音波送受信手段で受信するまでの前記音波の各音波伝搬経路における音波伝搬時間の計測を、全ての音波送受信手段で実施し、前記音波伝搬時間に基づいて高炉炉頂部の温度分布を計測することを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置であって、高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測手段と、前記温度分布計測手段によって計測された前記温度分布の情報に基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、前記主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値に基づいて、炉況状態が正常であるかを判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉の操業方法は、上記の発明の高炉炉況状態判定装置によって判定された高炉の炉況状態に応じて、操業条件を変更することを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定方法は、高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定方法であって、高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測ステップと、前記温度分布計測ステップで得られた温度分布情報に基づいて主成分分析を行う主成分分析ステップと、前記主成分分析ステップで求めた主成分分析値に基づいて、前記温度分布が正常であるかを判定する温度分布異常判定ステップと、を有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定方法は、上記の発明において、前記温度分布計測ステップの後段に該温度分布計測ステップで得られた温度分布情報を蓄積する温度分布情報蓄積ステップを有しており、前記主成分分析ステップでは、前記温度分布情報蓄積ステップで蓄積された温度分布情報に基づいて、主成分分析を行うことを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定方法は、上記の発明において、前記温度分布計測ステップでは、高炉炉頂部に設けられた複数の音波送受信手段のうち１つの音波送受信手段から音波を送信し、相異なる音波送受信手段で前記音波を受信して、前記音波を送信した時点から各音波送受信手段で受信するまでの前記音波の各音波伝搬経路における音波伝搬時間の計測を、全ての音波送受信手段で実施し、前記音波伝搬時間に基づいて高炉炉頂部の温度分布を計測することを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定方法は、上記の発明において、前記温度分布計測ステップで計測された温度分布情報は、高炉炉頂における半径方向の中間部の温度分布情報であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定方法は、上記の発明において、前記主成分分析ステップで求めた主成分分析値を蓄積する主成分分析値蓄積ステップと、原料が前記高炉に装入される繰り返し単位を１チャージとして、前記主成分分析値蓄積ステップで複数のチャージを含む時間にわたって蓄積された主成分分析値の平均値を算出する主成分分析値平均化ステップと、を有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定方法は、高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定方法であって、高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測して得られた温度分布情報に基づいて主成分分析を行い、その主成分分析によって求めた主成分分析値に基づいて、炉況状態が正常であるかを判定することを特徴するものである。

本発明に係る高炉炉況状態判定装置、高炉の操業方法、及び、高炉炉況状態判定方法は、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを適切に判定することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る高炉炉況状態判定装置のブロック図である。図２は、実施形態に係る高炉炉況状態判定方法の一例を示したフローチャートである。図３は、実施形態に係る高炉炉況状態判定方法の他例を示したフローチャートである。図４は、実施形態に係る高炉炉況状態判定方法で温度計測データの使用する範囲を示した図である。図５（ａ）は、正常時における原料装入面直上の温度分布を示す図である。図５（ｂ）は、原料装入面直上の温度分布が正常時におけるＱ統計量の計算結果を示す図である。図６（ａ）は、外周部の温度のみが上昇したときにおける原料装入面直上の温度分布を示す図である。図６（ｂ）は、外周部の温度のみが上昇したときにおけるＱ統計量の計算結果を示す図である。図７（ａ）は、高炉円周方向で温度分布に乱れが発生したときにおける原料装入面直上の温度分布を示す図である。図７（ｂ）は、原料装入面直上の高炉円周方向で温度分布に乱れが発生したときにおけるＱ統計量の計算結果を示す図である。図８は、高炉炉頂部の半径方向における中間部の温度分布データを用いて主成分分析を行った結果を示すグラフである。図９は、音波を用いた温度分布計測装置として、高炉炉頂部の内部に向けて１０個のマイク／スピーカー素子を円周方向に沿って設置した場合を示した図である。図１０は、音速分布を元にした温度の求め方の説明に用いる図である。

以下に、本発明を適用した高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置、高炉の操業方法、及び、高炉炉況状態判定方法の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

実施形態に係る高炉炉況状態判定装置１は、図１に示すように、鉄鉱石を原料として銑鉄を生産する高炉の内部において、高炉の頂部から装入された原料からなる層の最上面である原料装入面の直上にある空間の温度分布（ここでは例えばガス温度分布であり、以下、単に原料装入面直上の温度分布という。）を計測する温度分布計測センサ２と、温度分布計測センサ２からの計測値である温度分布データ（温度分布情報）を収集し蓄積するデータ収集装置３と、データ収集装置３に蓄積された温度分布データに基づいて、温度分布データの主成分値の計算を行う主成分分析装置４と、主成分分析装置４による主成分値の計算結果に基づいて、正常判定を行う判定装置５と、判定装置５の判定結果をオペレータに提示する報知装置６と、によって構成されている。

なお、高炉内への原料装入タイミングの間隔に対して、温度分布計測センサ２による原料装入面直上の全域にわたる温度分布の計測が完了するまでの時間が遅すぎると、計測された温度分布に偏りや乱れが発生している異常判定となる可能性が高くなるおそれがある。そのため、温度分布計測センサ２は、３０［ｓ］以内で原料装入面直上の全域にわたる温度分布の計測が完了するものであり、温度分布計測センサ２からのリアルタイムの温度分布データをデータ収集装置３で収集し蓄積する。

主成分分析装置４は、データ収集装置３に蓄積された温度分布データに基づいて、主成分分析を行って主成分分析値を計算する。判定装置５は、主成分分析装置４によって計算された主成分分析値であるリアルタイムにおける温度分布データの第２主成分以降の主成分値と、安定期における温度分布データから予め計算した第２主成分以降の主成分値との比率を指標として、その指標が予め設定された閾値を超えていないか判断する。なお、前記「安定期」とは、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りが発生していない期間のことである。そして、判定装置５は、前記指標が前記閾値以下であると判断したら、前記温度分布が正常であると判定、すなわち、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れが発生していないと判定、すなわち、炉況状態が正常であると判定する。一方、前記指標が前記閾値を超えていると判断したら、前記温度分布が異常であると判定、すなわち、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れが発生したと判定、すなわち、炉況状態が異常であると判定して、その旨を報知装置６によって警報を鳴らすなどしてオペレータに知らせる。

このように、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れが発生したことを報知装置６からの警報によって知ったオペレータは、例えば、高炉円周方向において原料をどのように装入するかなどを予め複数設定している装入物制御パターンを変更するなどして、高炉円周方向における原料装入や反応の偏りや乱れを抑制するように、高炉の操業条件を変更する。

なお、安定期における温度分布データの中に、温度分布の同心円度の乱れの許容度の「限界」の変化が含まれている場合には、判定装置５が用いる前記閾値を「１」とすればよい。

ここで、高炉内の原料の装入状態が良好な状態では、装入バッチ毎の原料装入面直上の温度分布は高炉円周方向で大きな差がない状態、言い換えると、同心円上で差が小さい温度分布を保ちながら、ガス温度に比べて温度が低い原料が装入されたときに、温度が全体的にある範囲で上下する。そのため、原料装入状態が良好な状態における温度分布データに対して主成分分析を適用すると、その第１主成分値に高炉円周方向で均一な状態で全体的に上下の変化が現れることを本願発明者らは見出した。逆に言うと、この第１主成分値以外の主成分値、つまり、主成分分析値の第２主成分値以降の主成分値に、高炉円周方向均一状態を保ったまま変化する以外の変化、つまり高炉円周方向で同心円状の温度変化以外の乱れの温度変化が現れる。原料装入状態が良好な状態では、この第２主成分値以降の主成分値（高炉円周方向均一状態を保ったままでの上下変動以外の変動）は小さく、ある程度範囲に収まる。そのため、本発明では、この原料装入状態が良好な状態を安定データとして、この安定データに対して、第１主成分値（Ｔ^２統計量）、及び、第２主成分値以降の主成分値（Ｑ統計量）の比率によって異常判定を行う、本実施形態に係る高炉炉況状態判定装置１を提案した。また、本実施形態に係る高炉炉況状態判定装置１では、主成分分析装置４が多変量統計的プロセス管理（ＭＳＰＣ）に基づいて、第１主成分値（Ｔ^２統計量）、及び、第２主成分値以降の主成分値（Ｑ統計量）を計算している。

ここで、多変量統計的プロセス管理とは、管理したい変数間の相関関係を考慮した周知の解析方法である。多変量統計的プロセス管理では、平均的挙動を示す指標であるＴ^２統計量と、乱れ度合（外れ度）を示すばらつき指標であるＱ統計量とを同時に監視する。例えば、Ｔ^２統計量とＱ統計量とのうちいずれか一方が管理限界である閾値を超えた場合に異常と判定する。

また、本実施形態における多変量統計的プロセス管理では、多変量解析である主成分分析を利用している。主成分分析とは、データの特徴抽出及び次元圧縮を目的とする多変量解析である。主成分分析では、データを最もよく表現できる方向に第１主成分を設定し、その第１主成分と直交する空間内で、第１主成分では表現できないデータの変動を最もよく表現できる方向に第２主成分を設定する。この手順で次々と主成分を設定していく。データを最もよく表現できる方向とは、主成分得点の分散が最大となる方向である。主成分得点とは、主成分軸上の座標、すなわち主成分が張る空間（直線）へデータを射影した値である。すなわち、主成分分析とは、複数の要因を総合的に取扱い、主成分を用いて総合的指標を表現する手法といえる。

多変量統計的プロセス管理と主成分分析とは、数式で表現できる。主成分分析は、下記（１）式〜（４）式のように表現できる。多変量統計的プロセス管理は、下記（５）式及び（６）式のように表現できる。

主成分分析について説明すると、まず、データ行列Ｘを下記（１）式とする。

ただし、Ｒは採用する主成分の数、Ｎはサンプル数、Ｐは変数の数である。

データ行列Ｘの特異値分解を、下記（２）式のように表すこととする。

ただし、上記（２）式中、Ｕは直交行列、Ｓは対角行列、Ｖは直交行列である。

対角行列Ｓの対角要素には、特異値ｓ_ｒが降順に並んでいる。また、第ｒ主成分は、負荷量行列Ｖ_Ｒの第ｒ列ｖ_ｒで与えられる。このとき、第Ｒ主成分得点Ｔ_Ｒは、下記（３）式のように表される。

また、主成分と直交する残差は、下記（４）式のように表される。

多変量統計的プロセス管理では、上記（３）式及び（４）式に基づいて、平均的挙動を示す指標としてのＴ^２統計量は、下記（５）式のように表される。

ただし、ｔ_ｒは第ｒ主成分得点である。Ｔ^２統計量は原点からの距離に対応している。

また、乱れ度合（外れ度）を示すばらつき指標としてのＱ統計量は、下記（６）式のように表される。

次に、本実施形態に係る高炉炉況状態判定方法について説明する。図２は、実施形態に係る高炉炉況状態判定方法の一例を示したフローチャートである。図２に示した本実施形態に係る高炉炉況状態判定方法においては、温度分布計測ステップ（ステップＳ１）と、主成分分析ステップ（ステップＳ２）と、温度分布異常判定ステップ（ステップＳ３）と、を有している。

図２に示した本実施形態に係る高炉炉況状態判定方法においては、上述した図１に示めされた鉄鉱石を原料として銑鉄を生産する高炉の内部において、原料装入面直上の温度分布を計測する（ステップＳ１）。次に、温度分布計測ステップ（ステップＳ１）で計測された温度分布データ（温度分布情報）に基づいて、温度分布データの主成分値の計算を行う主成分分析を行う（ステップＳ２）。そして、正常時の高炉炉頂温度分布データＤ１と、主成分分析ステップ（ステップＳ２）で計算した主成分値の計算結果とに基づいて、温度分布が正常であるか否かの判定を行う（ステップＳ３）。

図３は、実施形態に係る高炉炉況状態判定方法の他例を示したフローチャートである。図３に示した本実施形態に係る高炉炉況状態判定方法においては、温度分布計測ステップ（ステップＳ１１）と、温度分布データ蓄積ステップ（ステップＳ１２）と、主成分分析ステップ（ステップＳ１３）と、温度分布異常判定ステップ（ステップＳ１４）と、を有している。

図３に示した本実施形態に係る高炉炉況状態判定方法では、まず、原料装入面直上の温度分布を計測する（ステップＳ１１）。次に、温度分布計測ステップ（ステップＳ１１）で得られた温度分布データを蓄積する（ステップＳ１２）。そして、温度分布データ蓄積ステップ（ステップＳ１２）で蓄積された温度分布データに基づいて、温度分布データの主成分分析を行う（ステップＳ１３）。このように、温度分布計測ステップ（ステップＳ１１）の後段に、温度分布計測ステップ（ステップＳ１１）で計測された温度分布データを蓄積する温度分布データ蓄積ステップ（ステップＳ１２）を設けて、温度分布データ蓄積ステップ（ステップＳ１２）を経て主成分分析ステップ（ステップＳ１３）を実行することは、後で解析を行う場合などに適している。そして、正常時の高炉炉頂温度分布データＤ１１と、主成分分析ステップ（ステップＳ１３）で計算した主成分値の計算結果とに基づいて、温度分布が正常であるか否かの判定を行う（ステップＳ１４）。

高炉においては、装入された原料の分布状況によって、原料が炉内へ降下した際に、炉況の良否が大きく左右される。したがって、挿入された原料の分布（装入物分布）を精度よく制御するため、原料種や原料の粒度などによって、炉内の旋回シュートの傾動角や旋回数や装入する向き（半径方向で内側から外側、または、半径方向で外側から内側）などを予め決定し、装入する。ところが、原料はそれぞれ粒径や形状にバラつきがあるため、狙った場所へ、狙った分布で装入しても、一部が崩れて分布が乱れる（原料の流れ込み）場合がある。特に、高炉の外周よりも少し内側の部分の分布を作りこむために、複雑な装入を行うことがある。本願発明者らは、こうした場合、炉内内側に原料が崩れることがあり、原料が崩れ残った部分から高温のガスが上昇してくることを発見した。また、このような状況が継続すると、炉況が悪化することがわかった。

図４は、実施形態に係る高炉炉況状態判定方法で温度計測データの使用する範囲を示した図である。図４に示すように、高炉炉頂部１０の径方向において外周側よりも内側の領域の温度分布データに対して主成分分析を適用することによって、装入物分布の流れ込みを検知し、炉況を把握することが可能である。こうした原料が流動化した状況は、高炉炉頂部１０の径方向において中心Ｏから半径ｒの３／４の距離よりも内側であって中心Ｏから半径ｒの１／４の距離よりも外側の範囲である図中斜線で示した中間部ＭＡで顕著である。そのため、本実施形態に係る高炉炉況状態判定方向においては、中間部ＭＡに含まれる温度分布データを選択して主成分分析を実行する。装入物分布を変更した際に、こうした温度分布の乱れが生じる場合があり、新たな装入物分布制御が正しく実施できているかどうかを判定するために、温度分布データに基づいた主成分分析計算を用いることが可能である。

なお、原料装入は異なる原料を交互に捲いて行われるが、その繰り返し単位を１チャージと呼ぶことにする。原料が装入され、炉内を経て溶銑となり出銑孔から出銑されるまでおおよそ８時間程度であるという高炉操業の時定数から考えると、炉況と対比するためには、おおよそ１５分から２０分程度で行われる装入の１チャージよりも長い複数のチャージにわたって、主成分分析計算結果を平均化するのがよいと考えられる。

［実施例１］
次に、実際の原料装入面直上の温度分布計測データを用いた、本発明の第１の実施例について説明する。なお、本実施例では、温度分布計測センサ２が、高炉内の原料装入面直上の温度分布を、サンプリング周期１０［ｓ］で計測した温度分布計測データを用いている。また、本実施例では、Ｑ統計量の異常判定の閾値を「１」とし、閾値１を超えたら異常であると判定する。図５（ａ）は、正常時における原料装入面直上の温度分布を示す図である。図５（ｂ）は、原料装入面直上の温度分布が正常時におけるＱ統計量の計算結果を示す図である。図６（ａ）は、外周部の温度のみが上昇したときにおける原料装入面直上の温度分布を示す図である。図６（ｂ）は、外周部の温度のみが上昇したときにおけるＱ統計量の計算結果を示す図である。図７（ａ）は、高炉円周方向で温度分布に乱れが発生したときにおける原料装入面直上の温度分布を示す図である。図７（ｂ）は、原料装入面直上の高炉円周方向で温度分布に乱れが発生したときにおけるＱ統計量の計算結果を示す図である。

図５（ａ）、図６（ａ）及び図７（ａ）に示す温度分布に対して、Ｑ統計量値（本実施例では第２主成分値以降のデータ）及びＴ^２統計量値（第１主成分値）の計算を行っている。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）では、Ｑ統計量値及びＴ^２統計量値をグラフで示しており、各グラフの一番右の値（図中の矢印で示す個所）が計算結果である。

図５（ａ）に示す温度分布状態では、原料装入面直上の高炉円周方向の温度が、ある程度均一であり、また各部の温度分布状態も正常時データに近いため、図５（ｂ）に示すように、Ｑ統計量値及びＴ^２統計量値が共に小さい。

図６（ａ）に示す温度分布状態では、原料装入面直上の外周部の温度が上昇してきたため、図６（ｂ）に示すようにＴ^２統計量値が上昇している。また、図６（ａ）に示すように、原料装入面直上の外周部の温度と外周部以外の温度とにばらつきが発生しているため、図６（ｂ）に示すように、Ｑ統計量値もやや上昇している。しかしながら、原料装入面直上の高炉円周方向で温度分布のばらつきは大きくなっていないため、Ｑ統計量値は異常判定の閾値１を超えていない。

図７（ａ）に示す温度分布状態では、原料装入面直上の高炉円周方向で温度分布が大きく乱れており、図７（ｂ）に示すように、Ｑ統計量値のみが大きく変動し、異常判定の閾値１を超えている。このように、原料装入面直上の温度分布データに対してＱ統計量値を計算する手法を適用し、そのＱ統計量値に適切な閾値を設けることによって、原料装入面直上の高炉円周方向で温度分布の乱れ（温度均一度の乱れ）の検知が可能となる。

[実施例２]
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図８は、高炉炉頂部１０の半径方向における中間部ＭＡの温度分布データを用いて主成分分析を行った結果を示すグラフである。なお、図８には、高炉炉頂部１０の径方向における中心Ｏからの距離が半径ｒの１／４〜１／２の範囲の温度分布データを利用した場合のＱ統計量（図８中の内側）、及び、中心Ｏからの距離が半径ｒの１／２〜３／４の範囲の温度分布データを利用した場合のＱ統計量（図８中の外側）のそれぞれの時間変化を示した。なお、温度分布データは、異常状況の見通しがよくなるように、３０分間の平均値を計算した。また、３０分間では、２チャージの原料が装入された。

図８からわかるように、Ｑ統計量は、装入物分布を変更した時点Ｐの前後で大きく変化している。Ｑ統計量は正常状態からのかい離の程度を示す指標であるから、この場合は、装入物分布が不安定化したと判断することが可能である。また、図８から、中間部ＭＡにおける外側の範囲の温度分布データを利用して計算したＱ統計量のほうが、中間部ＭＡにおける内側の範囲の温度分布データを利用して計算したＱ統計量よりも変化が大きいことがわかる。

このように、装入物分布変更後にＱ統計量が増大した場合には、炉況が悪化したという判定をすることが可能であり、装入物分布を元に戻すなどして、早期に安定化を図るための指標として活用することが可能である。

[音響トモグラフィーを用いた温度分布計測装置]
本実施例で用いる原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測センサ２としては、音波を用いた温度分布計測装置（音響トモグラフィーを用いた温度分布計測装置）を用いることが可能である。

図９は、音波を用いた温度分布計測装置として、高炉炉頂部１０の内部に向けて１０個のマイク／スピーカー素子２０ａ〜２０ｊを円周方向に沿って設置した場合を示した図である。本実施形態においては、図９に示すように、高炉炉頂部１０の内部に向けて、音波送受信手段であるマイク兼スピーカーとなる１０個のマイク／スピーカー素子２０ａ〜２０ｊ（マイク／スピーカー素子２０ａ〜２０ｊを特に区別しない場合には、マイク／スピーカー素子２０という。）を円周方向に沿って設置している。そして、マイク／スピーカー素子２０ａ〜２０ｊのうちの１つである、例えば、マイク／スピーカー素子２０ａのスピーカーから音波を送信し、残りのマイク／スピーカー素子２０ｂ〜２０ｊの各マイクで前記音波を受信し、前記音波を送信した時点から各マイクで受信するまでの前記音波の各音波伝搬経路における音波伝搬時間を計測する。そして、全てのマイク／スピーカー素子２０ａ〜２０ｊのスピーカーから順次音波を送信し、前述したようにして全てのマイク／スピーカー素子２０ａ〜２０ｊについて音波伝搬時間を計測し、その計測した音波伝搬時間に基づいて、原料装入面直上の温度分布を計測する。

ここで、マイク／スピーカー素子２０のスピーカーから発せられた音波は、高炉炉頂部１０内の空間を伝搬していくが、音速は媒質となる気体の温度との間に、下記（７）式の関係がある。

ただし、Ｔは音波伝播経路上の平均温度、Ｃは音速、Ｒは気体定数、γは比熱比、Ｍは気体の分子量である。

なお、上記（７）式における音速Ｃは、音波を発信したマイク／スピーカー素子２０のスピーカーから、残りのマイク／スピーカー素子２０の各マイクまでの距離は既知であるから、スピーカーから音波を発信してマイクで音波を受信するまでの時間を計測することによって求めることができる。これにより、上記（７）式に示した関係から、音波を発信したマイク／スピーカー素子２０のスピーカーから、残りのマイク／スピーカー素子２０の各マイクへの音波伝搬経路上の平均温度を計算することができる。

次に、温度の求め方について説明する。温度分布は、音速分布を元に、例えば以下の方法によって計算される。

図１０に示すように、音波伝搬経路が互いに平行となる一対のマイク／スピーカー素子２０のスピーカーとマイクとの組を考える。スピーカーからｒ軸に垂直なｓ軸方向へ音波信号を送受信する。また、高炉炉頂部１０に設定されたｘｙ軸（原点は炉心と一致）のｘ軸とｒ軸とのなす角をθとすると、高炉炉頂部１０のある点の極座標を（Ｒ，θ）と表すことができる。そして、音速分布をｆ（ｘ，ｙ）とすると、スピーカーで取得される投影データｇ（ｒ，θ）は音波伝搬時間の分布であり、下記（８）式で表される。

ここで、上記（８）式において、下記（９）式とおけば、下記（１０）式のように表すことができる。

上記（１０）式は、Ｘ線ＣＴと同じ形であり、ＣＴのアルゴリズムによって音速分布を再構成することが可能である。

そして、音波伝搬経路が互いに平行となる一対のマイク／スピーカー素子２０のスピーカーとマイクとの他の組についてθを変化させて、ｇ（ｒ，θ）を計算することによって高精度化される。具体的な方法としては、例えば、非特許文献１に記載されているような二次元フーリエ変換法などの適用が可能である。

１高炉炉況状態判定装置
２温度分布計測センサ
３データ収集装置
４主成分分析装置
５判定装置
６報知装置

Claims

高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置であって、
高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測手段と、
前記温度分布計測手段によって計測された前記温度分布の情報に基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、
前記主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値に基づいて、前記温度分布が正常であるかを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
請求項１に記載の高炉炉況状態判定装置において、
前記温度分布計測手段によって計測された前記温度分布の情報を蓄積する温度分布情報蓄積手段を備えており、
前記主成分分析手段は、前記温度分布情報蓄積手段に蓄積された温度分布情報に基づいて、主成分分析を行うことを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
請求項１または２に記載の高炉炉況状態判定装置において、
前記判定手段は、前記温度分布の乱れを検知するために、前記主成分分析値として第２主成分値以降の主成分値を用いることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
請求項１または２に記載の高炉炉況状態判定装置において、
前記判定手段は、前記原料装入面直上の温度上昇を検知するために、前記主成分分析値として第１主成分値を用いることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定装置において、
前記温度分布計測手段は、３０［ｓ］以内で前記原料装入面直上の全域にわたる温度分布の計測が完了可能であることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定装置において、
前記温度分布計測手段は、高炉炉頂部に設けられた複数の音波送受信手段のうち１つの音波送受信手段から音波を送信し、相異なる音波送受信手段で前記音波を受信して、前記音波を送信した時点から各音波送受信手段で受信するまでの前記音波の各音波伝搬経路における音波伝搬時間の計測を、全ての音波送受信手段で実施し、前記音波伝搬時間に基づいて高炉炉頂部の温度分布を計測することを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置であって、
高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測手段と、
前記温度分布計測手段によって計測された前記温度分布の情報に基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、
前記主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値に基づいて、炉況状態が正常であるかを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
請求項１乃至７のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定装置によって判定された高炉の炉況状態に応じて、操業条件を変更することを特徴とする高炉の操業方法。
高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定方法であって、
高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測する温度分布計測ステップと、
前記温度分布計測ステップで得られた温度分布情報に基づいて主成分分析を行う主成分分析ステップと、
前記主成分分析ステップで求めた主成分分析値に基づいて、前記温度分布が正常であるかを判定する温度分布異常判定ステップと、
を有することを特徴とする高炉炉況状態判定方法。
請求項９に記載の高炉炉況状態判定方法において、
前記温度分布計測ステップの後段に該温度分布計測ステップで得られた温度分布情報を蓄積する温度分布情報蓄積ステップを有しており、
前記主成分分析ステップでは、前記温度分布情報蓄積ステップで蓄積された温度分布情報に基づいて、主成分分析を行うことを特徴とする高炉炉況状態判定方法。
請求項９または１０に記載の高炉炉況状態判定方法において、
前記温度分布計測ステップでは、高炉炉頂部に設けられた複数の音波送受信手段のうち１つの音波送受信手段から音波を送信し、相異なる音波送受信手段で前記音波を受信して、前記音波を送信した時点から各音波送受信手段で受信するまでの前記音波の各音波伝搬経路における音波伝搬時間の計測を、全ての音波送受信手段で実施し、前記音波伝搬時間に基づいて高炉炉頂部の温度分布を計測することを特徴とする高炉炉況状態判定方法。
請求項９乃至１１のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定方法において、
前記温度分布計測ステップで計測された温度分布情報は、高炉炉頂における半径方向の中間部の温度分布情報であることを特徴とする高炉炉況状態判定方法。
請求項９乃至１２のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定方法において、
前記主成分分析ステップで求めた主成分分析値を蓄積する主成分分析値蓄積ステップと、
原料が前記高炉に装入される繰り返し単位を１チャージとして、前記主成分分析値蓄積ステップで複数のチャージを含む時間にわたって蓄積された主成分分析値の平均値を算出する主成分分析値平均化ステップと、
を有することを特徴とする高炉炉況状態判定方法。
高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定方法であって、
高炉内における原料装入面直上の温度分布を計測して得られた温度分布情報に基づいて主成分分析を行い、その主成分分析によって求めた主成分分析値に基づいて、炉況状態が正常であるかを判定することを特徴する高炉炉況状態判定方法。