JP2019143190A

JP2019143190A - 高炉の操業方法

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Publication number: JP2019143190A
Application number: JP2018027619A
Authority: JP
Inventors: 光輝照井; Mitsuteru Terui; 佑介柏原; Yusuke Kashiwabara; 深田　喜代志; Kiyoshi Fukada; 喜代志深田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: JP6844557B2

Abstract

【課題】所望の操業指標を実現するために必要な装入物分布を精度よく決定可能な高炉の操業方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る高炉の操業方法は、高炉内に鉱石とコークスを交互に層状に装入して高炉を操業する高炉の操業方法であって、炉半径方向の鉱石及びコークスの分布データを測定し、測定された分布データに対して独立成分分析を施すことにより分布データの特徴量を抽出する抽出ステップと、抽出ステップにおいて抽出された分布データの特徴量と高炉の操業指標との関係性に基づいて炉半径方向の鉱石及びコークスの分布を決定する決定ステップと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉の操業方法に関する。

一般に、高炉では、炉頂部から原料である鉱石（鉱石にコークスの一部が混合される場合もある）とコークスが交互に装入され、炉内には鉱石層とコークス層が交互に堆積した状態で原料が充填される。高炉の操業では、炉頂部におけるこれら装入物の分布を適正な状態に維持することが重要であり、装入物分布が適正でないとガス流の分布の不均一化、ガス通気性の低下、還元効率の低下等の要因によって生産性の低下や高炉操業の不安定化を招く。このような背景から、炉頂部から原料を装入する手段として、旋回シュート（分配シュート）を備えたベルレス装入装置が広く用いられている。この装入装置は、旋回シュートの傾動角及び旋回数を制御することによって炉半径方向の原料の落下位置と堆積量を調整することにより装入物分布を制御する。

鉄と鋼、清水他、６９（１２）、Ｓ７２６、１９８３加納学の公式ウェブサイト、"独立成分分析"、［online］、平成３０年１月３０日検索、インターネット＜URL:http://manabukano.brilliant-future.net/document/text-ICA.pdf＞

銑鉄を製造する高炉（「溶鉱炉」ともいう）では、通常、原料である鉄鉱石（単に「鉱石」とも記す）と還元材であるコークスとをそれぞれが交互に層状となるように炉頂部から装入し、炉内に鉱石層とコークス層とを交互に形成している。そして、図１（ａ）に示す高炉１の概略縦断面図における炉半径方向（炉口径方向）の鉱石層及びコークス層の堆積後の分布（装入物分布）を調整することにより、炉内のガス流を制御している。高炉の安定操業を維持するためには、高炉内で良好な通気性(ガスの流れやすさ)を確保し、炉下部の羽口（図１に示す符号２）と呼ばれる孔から炉内に供給される高温の空気の流れを安定化させることが重要である。高炉内における通気性は、装入される鉱石及びコークスの性状や粒度、炉頂部からの装入物の装入方法による影響を大きく受ける。高炉内に装入される装入物は、通常、図１（ｂ）に示すように鉱石ＯとコークスＣが層状になるように交互に装入される。また、高炉中のガスの流れは、通常、図１（ｂ），（ｃ）に示される高炉の半径方向の鉱石層やコークス層の厚みＬｏ，Ｌｃの分布やこれらの厚みの比（Ｌｏ／（Ｌｏ＋Ｌｃ））を調整することにより制御される。

従来、装入物分布が高炉の操業に及ぼす影響は、実機での実測データや模型を用いた実験により検討されている。例えば非特許文献１に示されているように、炉上部に装入された鉱石とコークスの装入量の比が高炉内の装入物の構造や炉内のガス流に及ぼす影響が模型による実験によって確認されており、この結果により得られた知見の一部を実操業に反映しようという試みがある。しかしながら、実際の高炉では操業指標に影響を及ぼす外乱が多数あるため、整理された条件下で実施された前述の模型実験によって得られた知見通りの結果とはならないことは往々にして起こりうる。このため、設定した装入物分布とその結果である操業指標との関連性を炉内現象の推定に基づいて明確化することは容易ではない。結果、所望の操業指標を実現するために必要な装入物分布を精度よく決定することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、所望の操業指標を実現するために必要な装入物分布を精度よく決定可能な高炉の操業方法を提供することにある。

本発明に係る高炉の操業方法は、高炉内に鉱石とコークスを交互に層状に装入して高炉を操業する高炉の操業方法であって、炉半径方向の鉱石及びコークスの分布データを測定し、測定された分布データに対して独立成分分析を施すことにより分布データの特徴量を抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにおいて抽出された前記分布データの特徴量と高炉の操業指標との関係性に基づいて炉半径方向の鉱石及びコークスの分布を決定する決定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る高炉の操業方法は、上記発明において、前記分布データが、高炉の半径方向の位置と時間による鉱石及びコークスの分布データであることを特徴とする。

本発明に係る高炉の操業方法は、上記発明において、前記分布データが、高炉の装入物堆積面上の位置と時間による鉱石及びコークスの分布データであることを特徴とする。

本発明に係る高炉の操業方法によれば、所望の操業指標を実現するために必要な装入物分布を精度よく決定することができる。

図１は、高炉の概略縦断面図、高炉の装入物分布、及び層厚比の概略を説明するための図である。図２は、実機で測定した高炉炉口部における層厚比の分布の一例を示す図である。図３は、図２に示す層厚比に対して独立成分分析を実施した際の各基底の炉半径方向の分布を示す図である。図４は、独立成分分析によって算出した各基底の重みとコークス比の相関を示す図である。図５は、実機において測定した高炉炉口における無次元半径方向の層厚比の分布の３０分毎の時系列推移データの一例を示す図である。図６は、図５に示す層厚比の分布の時系列推移データを独立成分分析の各基底に分解した結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る高炉の操業方法について説明する。

まず、本発明に係る高炉の操業方法で用いる独立成分分析(Independent Component Analysis : ICA)の概略について説明する。独立成分分析とは、分布を有するある観測値を統計的に互いに独立である複数個の成分(以下、これを基底と呼称する)に分類することを意味する。具体的には、ある観測値Ｘに対して独立成分分析が可能である場合、観測値Ｘは基底Ｓ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）を用いて以下の数式（１）に示すような線形結合式で表される。ここで、基底Ｓ_ｉは観測値Ｘの分布を特徴付ける量（特徴量）であり、ａ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は各基底Ｓ_ｉの重みを表す。また、基底Ｓ_ｉの個数ｎは任意であり、基底Ｓ_ｉ及び重みａ_ｉは、例えば非特許文献２に記載の手法によって算出できる。

本発明の発明者らは、数式（１）に示す観測値Ｘを高炉の炉上部における装入物の炉半径方向の装入物分布(又は装入物分布の比率)のデータとして独立成分分析を実施して特徴量を抽出した。装入物分布は通常、一回に装入された全装入物の厚さに対する鉱石層の厚さの比で表されることが多い。炉半径方向の装入物の厚さの分布において、鉱石層の厚さをＬｏ、コークス層の厚さをＬｃとした場合、装入物の全厚さＬｏ＋Ｌｃに対する鉱石層の厚さＬｏの比率Ｌｏ／（Ｌｏ＋Ｌｃ）の分布は図１（ｃ）に示すようになる。

本発明では、図１（ｃ）に示す鉱石層の層厚比Ｌｏ／（Ｌｏ＋Ｌｃ）を装入物分布の観測値Ｘとし、層厚比Ｌｏ／（Ｌｏ＋Ｌｃ）に対して独立成分分析を実施する。なお、装入物の厚さＬｏ，Ｌｃは日々の操業において高炉の炉上部に設置されている非接触式の測定機によって通常定期的に測定され、随時測定データが蓄積されている。数式（１）に示す各基底Ｓ_ｉの重みａ_ｉと高炉操業における種々の指標（操業指標）との相関を調べることで、高炉操業に及ぼす各基底Ｓ_ｉの影響度合いが明らかとなる。また、相関の高い重みａ_ｉを有する基底Ｓ_ｉが作用するような装入物分布を決定することにより、高炉を安定的に操業して操業の改善が見込まれる。

なお、炉半径方向の装入物の厚さの分布、例えば装入された全装入物の厚さに対する鉱石層の厚さの比の炉半径方向の分布は、旋回シュートの傾動角と旋回速度、ならびに装入物の装入速度から装入物の落下位置と落下量を推定することにより求めることができる。しかしながら、この方法では、装入物が落下して着地する場所の堆積面の傾斜や、装入物の安息角、すなわち転がり難さが変化した場合に推定精度が低下する。このため、送風量や微粉炭吹込み量等の操業条件ならびに銘柄や粒度等の原料条件が変動する局面での適用は困難である。しかしながら、操業条件や原料条件が変動し不安定となりがちな局面でこそ本発明による操業の改善が望まれるため、本発明の発明者らは操業条件や原料条件が変動する局面でも装入物の厚さの分布を精度良く把握できる方法を模索した。

本発明の発明者らはまず、旋回シュートの旋回の間隙で測定が可能な非接触式のレベル計によって、コークスと鉱石のそれぞれ１回の装入の前後で炉半径方向の装入物堆積面の高さの分布を測定した。そして、１回の装入前後の堆積面高さの差の分布と予め準備しておいた堆積物の下降速度の分布とを足し合わせることで、コークスと鉱石のそれぞれ１回の装入での全装入物の厚さに対する鉱石層の厚さの比の分布を得た。この方法によれば、装入物が堆積面に着地した後の転がり距離が変化しても、装入物が転がった後の堆積面を測定するので原料条件が変動してもノイズと思われる基底や基底の影響度合いの変動は減少する。

ところが、この方法でも微粉炭吹込み量や送風量を変化させた場合にはノイズとみられる基底や基底の影響度合いの変動が認められた。そこで、本発明の発明者らは、堆積物の下降速度の分布を一定としたことがノイズの原因であると推定し、堆積物の下降速度の分布を直接測定することによってこの問題を解決することを想到した。具体的には、堆積物の下降速度の分布を直接測定するにあたっては、炉半径方向で非接触式のレベル計を走査させ、１回の装入の間に炉半径方向の各位置で少なくとも３回以上装入物上面（堆積面）のレベルを測定した。その結果、旋回シュートが通過した位置では通過後数秒間は装入物による堆積面の上昇だけでなく装入物の転がり等による堆積面の高速な変動が認められたが、その後は高速な変動は終息し、緩やかな堆積面の下降が観測できた。こうして装入物の着地による堆積面の上昇と共に装入物が着地しない間の堆積面の下降を測定することにより、堆積面の下降速度の変動によるノイズが解消された。

これにより、上述した送風量や微粉炭吹込み量等の操業条件ならびに銘柄や粒度等の原料条件が変動する局面で適用しても基底や基底の影響度合いに関して異常な値が出力されることを抑制できる．結果、基底と操業指標との相関関係を評価し、評価結果に基づいて装入物分布を決定することにより、非定常期も含めて高炉を安定的に操業できる。

以下、本発明に係る高炉の操業方法の実施例について説明する。

［実施例１］
図２は、実機において測定した高炉炉口における無次元半径(ｒ／Ｒ_０：Ｒ_０は高炉上部(炉口)の半径（図１（ａ）参照）)方向の層厚比の分布データの一例を示す図である。図２に示す層厚比の分布データに対して独立成分分析を行い、図２に示す層厚比の分布データを独立成分分析の各基底に分解した結果を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、独立成分分析における基底の数は任意であるが、本実施例では基底の数を３とした。すなわち、図２に示す層厚比の分布データは図３（ａ）〜（ｃ）に示す基底１〜３を用いて以下に示す数式（２）のように表される。

数式（２）に示す基底１〜３の重みａ_１，ａ_２，ａ_３と操業指標との相関を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。本実施例では、操業指標としてコークス比を選択した。ここで、コークス比とは、溶銑１トン当たりを生産するために必要なコークスの重量（ｋｇ）であり、コークス比が低い程操業は安定しているとされる。また、コークス比及び重みのデータは日毎の平均値とし、データの量は３か月分とした。また、重みのデータは、日々実測している炉口の装入物分布から計算した層厚比の分布データから算出される値とした。図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、基底１，３の重みａ_１，ａ_３とコークス比の相関は低い（相関係数Ｒの値が相対的に小さい）が、基底２の重みａ_２とコークス比の相関は高く（相関係数Ｒの値が相対的に大きい）、基底２の重みａ_２が正側へ移行する程コークス比が低下することが確認された。

従って、基底２の重みａ_２が正側に移行する、換言すれば基底２の影響が正に作用するような装入物分布を設定すれば、コークス比の低減が見込めることになる。なお、図３（ｂ）に示すように、基底２は、元データである層厚比の炉半径方向の分布データに対して炉半径方向の中間部の値を低減させる方向に作用する。すなわち、基底２の重みが正側に移行するということは、炉半径方向の中間部の層厚比が低下すること、つまり炉半径方向の中間部のコークス層厚が増加する、及び／又は、炉半径方向の中間部の鉱石層厚が減少する装入物分布に移行することに等しい。

そこで、装入物分布を特に変更せずに操業を続けた場合(比較例)と、上記知見に基づき基底２の影響を正に作用させる、つまり炉半径方向の中間部の鉱石層厚を低減させる方向へと装入物分布を変更した場合(実施例)とにおける操業指標を比較した。比較結果を以下の表１に示す。表１に示すように、実施例によれば、比較例と比較して、高炉内の通気性を表す通気抵抗指数が低下し、コークス比が低減した。以上のことから、基底と操業指標との相関関係を評価し、評価結果に基づいて装入物分布を決定することにより、高炉を安定的に操業できることが確認された。

［実施例２］
図５は、実機において測定した高炉炉口における無次元半径(ｒ／Ｒ０：Ｒ０は高炉上部(炉口)の半径（図１（ａ）参照）)方向の層厚比の分布の３０分毎の時系列推移データの一例を示す図である。図５に示す層厚比の分布の時系列推移データに対して独立成分分析を行い、図５に示す層厚比の分布の時系列推移データを独立成分分析の各基底に分解した。独立成分分析における基底の数は前述のように任意であり、基底の数を増やすほど多様な特徴量を抽出することができる。しかしながら、基底の数が多すぎると層厚比の測定誤差や外乱に起因する統計ノイズの影響が高まるので、重みが操業指標と高い相関を示す基底が見つかることを目安として基底の数を決定することが望ましい。本実施例では無次元半径方向の位置と層厚比の２次元データを扱った実施例１に対して時間が加わった３次元データを扱うので、基底の数は実施例１よりも多い４とした。図５に示す層厚比の分布の時系列推移データを独立成分分析の各基底に分解した結果を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。このように、無次元半径方向の位置と層厚比の２次元データに時間を加えて３次元データに対して独立成分分析を行うことにより、送風量や微粉炭吹込み量等の操業条件、及び／又は、銘柄や粒度等の原料条件の変動が、遅れ時間を伴ってコークス比等の操業指標に影響を与える場合にも、実施例１に示した高炉を安定的に操業できる効果を享受することができた。

以上、本発明の発明者らによってなされた発明を適用した実施例について説明したが、本実施例による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば本実施例では、分析対象として無次元半径方向の位置と層厚比の２次元の分布データ、ならびに、それに時間を加えた３次元の分布データを用いたが、本発明は本実施例に限定されることはなく、例えば装入物分布が高炉の中心軸を対象軸とした軸対称性が失われる状況では、装入物堆積面上の位置と層厚比と時間の４次元のデータに適用することもできる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１高炉
２羽口
Ｃコークス
Ｏ鋼石

Claims

高炉内に鉱石とコークスを交互に層状に装入して高炉を操業する高炉の操業方法であって、
炉半径方向の鉱石及びコークスの分布データを測定し、測定された分布データに対して独立成分分析を施すことにより分布データの特徴量を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された前記分布データの特徴量と高炉の操業指標との関係性に基づいて炉半径方向の鉱石及びコークスの分布を決定する決定ステップと、
を含むことを特徴とする高炉の操業方法。
前記分布データが、高炉の半径方向の位置と時間による鉱石及びコークスの分布データであることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
前記分布データが、高炉の装入物堆積面上の位置と時間による鉱石及びコークスの分布データであることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。