JP3828809B2 - 高炉炉床部空隙率の推定方法及び管理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉炉床部空隙率の推定方法及び管理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉炉内において、原料となる鉄鉱石はコークスとともに炉頂から炉体内に供給され、羽口から炉体内に圧送される熱風によって温度が上昇し、コークスによって還元されて溶銑となる。溶銑は炉底部に貯留し、溶銑の上に接して溶滓（スラグ）が貯留する。高炉炉内に貯留した溶銑の上部でかつ溶滓が存在する部位の高さ方向の位置を、ここでは銑滓レベルという。
【０００３】
炉床部には、コークス等の固体と溶銑・溶滓等の液状物とが混在して充填されている。炉床部空間において、コークス等の固体が占める部分以外の空間の比率を、空隙率と呼ぶ。高炉の安定した操業のためには、炉床部の空隙率を最適に保持することが必要である。炉床部の空隙率が低下すると、銑滓の炉床部での流通が悪化し、出銑毎での出銑量、スラグ比、溶銑成分、スラグ成分などの差が大きくなり、安定操業に支障を来す。また、炉床部での空隙率が低下して銑滓の流通が悪化した場合、炉内の銑滓レベルの変動が大きくなり出銑時間も安定せず短くなる傾向を示す。その結果、出銑回数も増加し、作業負荷が増大する。このため、できるだけ炉床部の空隙率を高めに維持して炉床部での銑滓の流通性を高位に保つことが望ましい。
【０００４】
いったん、炉床部の空隙率が低下すると、空隙率を最適な値に回復させるのには時間がかかるため、空隙率低下の早期検知、早期アクションが重要である。
【０００５】
出銑を行っていないときは、時間の経過とともに炉底部に貯留する溶銑量が増大し、銑滓レベルが上昇する。炉底部に設けられた出銑口を開口すると、溶銑及び溶滓が出銑口から炉外に導き出され、炉内の銑滓レベルが低下する。
【０００６】
一般に、炉内の銑滓貯留量は、銑滓の生成と排出との物質収支より大まかに推定することができる。例えば、銑滓の生成量は、単位時間あたりに高炉に装入した装入物の量とその成分から計算でき、溶銑の排出量は溶銑を収容するトーピードカーの重量変化の測定によって把握し、溶滓の排出量はスラグから製造した水滓の重量をスケールコンベアなどによって測定できるため、これらの銑滓の生成量と排出量の差分より炉内の銑滓量の増加量を推定できる。
【０００７】
高炉炉底部付近の鉄皮表面の高さ方向２個所間において電位差が検出され、その電位差は高炉炉内の銑滓レベルと関係があることが知られている。Development & application of new techniques for blast furnace process control at SSAB Tunnplant, Lulea works. 1995 Ironmaking conference Proceedings pp271 - 279 によると、測定点として炉底部及び羽口上部の鉄皮表面を用いて電位差を測定した結果、出銑の開始・終了のインターバルと測定した電位差の時間的変動との間に相関が見られる点が記載されている。検出される電位差は０．２ｍＶ前後であり、出銑口を閉鎖している間に電位差は０．１ｍＶほど増大し、出銑口を開いて出銑を行っている間に電位差は０．１ｍＶほど減少して元に戻る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、いったん、炉床部の空隙率が低下すると、空隙率を最適な値に回復させるのには時間がかかるため、空隙率低下の早期検知、早期アクションが重要である。従って、空隙率の直接的な測定が必要であるが、従来は炉床部の空隙率を直接的に測定する手段がなかった。
【０００９】
本発明は、炉床部の空隙率を直接的に測定する手段を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
炉床部の銑滓貯留量と銑滓レベルとの関係は、炉床部の空隙率によって大きな影響を受ける。同一の銑滓貯留量であっても、空隙率が大きければ銑滓レベルは低く留まり、空隙率が小さければ銑滓レベルが高い位置となる。従って、炉床部の銑滓貯留量と銑滓レベルとを把握することができれば、これから炉床部の空隙率を推定することが可能になる。
【００１１】
高炉において、出銑を行っていないときは、炉床部における銑滓の貯留量は銑滓生産速度に応じて増大していく。出銑終了時における銑滓レベルは出銑口の位置にあることがわかっている。従って、出銑終了時からの経過時間に銑滓生産速度をかけあわせて得た銑滓の貯留量は、出銑口より上側に貯留された銑滓の貯留量を表す。
【００１２】
高炉鉄皮表面に高さ方向に間隔を開けて設けた複数個の電位測定点の間の電位差は、炉床部の銑滓レベルと関係を持っていることが知られている。そして、出銑を行っていないときにおいて、現在の電位差Ｅと出銑終了時の電位差Ｅ₀との差ΔＥを算出すると、ΔＥ、銑滓生産速度から計算した出銑口より上側の貯銑量、炉床部の空隙率の３者の間には明確な関係があり、同一の貯銑量において、空隙率が小さいときにはΔＥが大きく、空隙率が大きいときにはΔＥが小さいことが明らかになった。
【００１３】
高炉炉体の電位差測定点を、高炉鉄皮表面ではなく内部の炉底レンガに設けて電位測定点の間の電位差を測定すると、５ｍＶ前後の電位差が存在し、かつ高炉炉内の銑滓レベルの変動に伴って電位差が５ｍＶ前後の幅で大きな変化を示すことが明らかになった。従来知られている高炉炉体の鉄皮表面で検出される電位差と比較すると、電位差の値および銑滓レベルの変動に伴う電位差の変動量ともに、１桁程度高い値である。そのため、ノイズの影響による誤差が非常に小さくなり、従来知られているいずれの方法と比較しても高い精度で銑滓レベルを推定することが可能になった。
【００１４】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）高炉鉄皮表面又は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、前記電位測定点の間の電位差を測定し、該高炉が出銑を行っていないときの前記測定電位差の時間変化ΔＥ／Δｔと、銑滓生産速度Ｗとから下記（１）式に基づいて炉床部装入物の空隙率εを推定することを特徴とする高炉炉床部空隙率の推定方法。
ΔＥ／Δｔ＝ａＷ／ε （１）
但し、ａは予め定められる比例定数。
（２）前記複数個の電位測定点のうち、少なくとも１個の取り付け位置を出銑口レベル以上とし、少なくとも１個の取り付け位置を出銑口レベル未満とすることを特徴とする上記（１）に記載の高炉炉床部空隙率の推定方法。
（３）前記電位測定点は、高炉炉底レンガ表面に設けることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の高炉炉床部空隙率の推定方法。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の高炉炉床部空隙率の推定方法によって空隙率を推定し、推定した空隙率が予め定めた適正空隙率よりも低下した場合は、装入コークス粒径上昇、および、装入コークス強度上昇のうちのいずれか又は両方を行って空隙率を適正化することを特徴とする高炉炉床部空隙率の管理方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
高炉における銑滓の生成速度Ｗ（ｍ³／ｈ）は、装入物の分析値と装入量より計算が可能である。銑鉄中の鉄分の質量割合は０．９５程度であり、銑鉄およびスラグの密度は７×１０³（kg／ｍ³）程度および２．５×１０³（kg／ｍ³）程度であるため、銑鉄単位質量当たりのスラグ質量比をＳ（ｋｇ／ｔ）、時間当たりの原料装入量をＧ（ｔ／ｈ）、原料中の鉄分質量割合をＦ（−）とすると、銑滓の生成速度Ｗは次式で求められる。
Ｗ＝（Ｇ×Ｆ/0.95）（1/7＋Ｓ/2.5/1000）
【００１６】
従来、炉床部の通液性は直接的には測定できないため、銑滓の成分、温度、量などのばらつきで評価していた。すなわち、複数の出銑口から出た銑滓の各出銑口毎の成分（銑中Ｓｉ、スラグ中Ｓなど）、溶銑温度、銑鉄当たりのスラグ量などの日内平均値の差が炉ごとに経験的に定まる値より大きくなったときには炉床通液性不良と判断し、一定範囲内に収まっているときには良好と判断する。
【００１７】
高炉の炉底付近の内部構造は、図１に示すように、鉄皮１の内側に炉底レンガ２が築造され、炉底レンガ２の最外周と鉄皮１との間にはステーブ５が設けられたりあるいはスタンプ材６が充填されている。ここでは、炉底レンガ２に複数個の電位測定点１１を設け、電位測定点１１から高炉炉体外部まで延びる導線１２を設けた。鉄皮１やステーブ５、スタンプ材６にはこの導線１２を通すための開口が設けられる。導線１２は電位測定点１１において炉底レンガ２に接触し、鉄皮１、ステーブ５、スタンプ材６などとの間に導通を生じないように外部に導かれ、高炉炉体外部において導線１２に別の導線１４を接続し、電圧計１３を用いて複数の電位測定点１１の間の電位差を測定した。
【００１８】
出銑終了時の電位差をＥ₀とし、出銑を行っていないときにおいて、現在の電位差Ｅと出銑終了時の電位差Ｅ₀との差ΔＥを算出した。炉床通液性が良好であることを出銑口間で溶銑成分やスラグ比の差がほとんどないことによって確認し、銑滓生産速度を２種類に変化させ、水準１においては銑滓生産速度を８２〜９０ｍ³／ｈとし、水準２においては銑滓生産速度を５７〜６３ｍ³／ｈとした。図２に、出銑終了からの経過時間を横軸とし、電位差の差ΔＥを縦軸として、水準１（●）と水準２（○）の対比を行った。まず、電位差の差ΔＥは出銑終了からの時間経過とともに一定速度で増加し、増加速度は銑滓生産速度と明瞭な関係を有し、銑滓生産速度が大きい方がΔＥの増加速度が大きいことが明らかである。
【００１９】
次に、銑滓生産速度を８２〜９０ｍ³／ｈと一定に保ち、炉床通液性が良好な時期と悪化している時期とにおいて、出銑終了からの経過時間とΔＥの増加傾向との関係を図３に示す。同一の銑滓生産速度であれば、炉床通液性が良好なとき（●）のΔＥ増加速度は、炉床通液性が悪化したとき（○）のΔＥ増加速度よりも小さいことが明らかである。
【００２０】
以上の結果に基づき、銑滓生産速度を横軸とし、電位差の差（ΔＥ）増加速度（ｍＶ／ｈ）を縦軸として、炉床通液性が良好な時期のデータを●、悪化した時期のデータを○として図４にプロットすると、●と○とは明確に分離できた。前述のように、炉床通液性は炉床部の空隙率によって直接的に影響を受ける因子であるから、高炉炉体高さ方向における電位差を測定すれば、該測定電位差の時間変化に基づいて炉床部装入物の空隙率を推定できることが明らかである。即ち、高炉が出銑を行っていないときの測定電位差の時間変化と銑滓生産速度とを対比し、該対比結果に基づいて炉床部装入物の空隙率を推定することができる。
【００２１】
電位差の差ΔＥを評価するにあたっては、基準となるＥ₀の測定は出銑終了時に限定する必要はない。出銑を行っていない時期における時刻ｔ₁とその後の時刻ｔ₂において測定した電位差をそれぞれＥ₁、Ｅ₂とし、ΔＥ＝Ｅ₂−Ｅ₁、Δｔ＝ｔ₂−ｔ₁とする。ΔＥ／Δｔを上記電位差の差（ΔＥ）増加速度とすれば、この値を銑滓生産速度と対比することにより、炉床部の空隙率を推定することができる。空隙率をε、銑滓生産速度をＷとおくと、比例定数をａとおいて、
ΔＥ／Δｔ＝ａＷ／ε （１）
と表現することができる。即ち、予め比例定数ａを定めておけば、ΔＥ／ΔｔとＷとから空隙率εを推定することができる。
【００２２】
また、炉床通液性の良否の境界における空隙率を臨界空隙率ε_cとおくことができる。空隙率εがε_cより大きければ通液性は良好であり、空隙率εがε_cより小さければ通液性が悪化していると評価する。そして、測定電位差の差（ΔＥ）の増加速度（ΔＥ／Δｔ）については、
ΔＥ／Δｔ＝ａＷ／ε_c （２）
よりも増加速度が小さいときは炉床通液性が良好であり、これよりも増加速度が大きいときは炉床通液性が悪化していると判断することができる。臨界空隙率ε_c、比例定数ａともに、高炉や高炉操業により定まる定数である。
【００２３】
本発明の電位測定点については、高炉鉄皮表面又は炉底レンガに設けることができる。
【００２４】
電位測定点を高炉鉄皮表面に設けるに際しては、図５に示すように、高炉鉄皮１表面に複数個の電位測定点１１を高さ方向に間隔を開けて設ける。銑滓レベルを評価するために有効な電位差は、高炉の高さ方向に発生しているからである。電位差を測定するのであるから個数は最低でも２個必要であり、高さ方向３個所以上にわたって３個以上の電位測定点１１を設ければ、高炉高さ方向の電位分布を評価に加えることも可能である。高さ方向複数の電位測定点の間で電位差を測定するので、この複数の電位測定点１１のセットを電位差測定装置１２と称する。
【００２５】
複数の電位測定点１１の高さ方向取り付け位置は、溶銑と溶滓の境界面を挟むように配置すると、電位差測定値から銑滓レベルを評価するためには好ましい結果を得ることができる。具体的には、少なくとも１個の取り付け位置を出銑口３のレベル以上とし、少なくとも１個の取り付け位置を出銑口３のレベル未満とするように配置すれば、銑滓レベル評価のための電位差測定を行う上で好ましい。図５において、電位測定点１１ａは出銑口３のレベル未満に配置され、電位測定点１１ｂは出銑口３のレベル以上であって羽口４の位置に配置されている。羽口４のレベルを明らかにするため、図５（ｂ）に羽口４を部分図にて示している。
【００２６】
高炉の炉底付近の内部構造は、図１に示すように、鉄皮１の内側に炉底レンガ５が築造され、炉底レンガ５の最外周と鉄皮１との間にはステーブ６が設けられたりあるいはスタンプ材７が充填されている。本発明においては、電位測定点の設置位置を、図５に示す高炉鉄皮表面に代えて、図１に示す炉底レンガ５に設けるとより好ましい。高炉炉体内部に位置する炉底レンガにおける電位測定点１１を用いて電位を測定するために、電位測定点１１から高炉炉体外部まで延びる電極１０を設ける。鉄皮１やステーブ６、スタンプ材７にはこの電極１０を通すための開口が設けられる。電極１０は電位測定点１１において炉底レンガ５に接触し、鉄皮１、ステーブ６、スタンプ材７などとの間に導通を生じないように外部に導かれ、高炉炉体外部において電極１０に別の導線１４を接続し、電圧計１３を用いて複数の電位測定点１１の間の電位差を測定する。
【００２７】
高炉炉体内部の炉底レンガ５に設けた電位測定点１１の間の電位差を測定すると、５ｍＶ前後の電位差が存在し、かつ高炉炉内の銑滓レベルの変動に伴って電位差が５ｍＶ前後の幅で大きな変化を示す。従来知られている高炉炉体の鉄皮表面で検出される電位差と比較すると、電位差の値および銑滓レベルの変動に伴う電位差の変動量ともに、１桁程度高い値である。そのため、ノイズの影響による誤差が非常に小さくなり、従来知られているいずれの方法と比較しても高い精度で銑滓レベルを推定することが可能になった。
【００２８】
炉底レンガ５における高炉半径方向の電位測定点１１の配置位置は、図６（ａ）に示すように最も外周側である炉底レンガ表面に設けても良いし、図６（ｂ）に示すように炉底レンガ５に非貫通孔２０を設けた上で当該非貫通孔２０の奥端を電位測定点１１とする、すなわち炉底レンガ５の内部に電位測定点を設けても良い。炉底レンガ２に非貫通孔３０を設けることは、炉底レンガの侵食が進行した際に溶銑もれなどによる炉底損傷を招きやすくなるという理由から好ましくないので、通常は炉底レンガ表面に電位測定点を設けることが好ましい。
【００２９】
電位測定点を炉底レンガに設ける場合においても、電位測定点の高炉高さ方向の配置位置、および高炉円周方向の配置位置についての考え方は、電位測定点を高炉鉄皮表面に設ける場合と同様である。
【００３０】
高炉炉床部の空隙率εが前記臨界空隙率ε_cよりも大きいときは、空隙率は適正空隙率であるということができる。一方、空隙率が臨界空隙率ε_cよりも小さくなると、空隙率が適正空隙率よりも低下したということができる。従って、臨界空隙率ε_cを適正空隙率として予め定めておき、本発明の高炉炉床部空隙率の推定方法によって空隙率εを推定し、測定した空隙率εが予め定めた適正空隙率よりも低下した場合は、空隙率が低下して炉床部の通液性が悪化したと判断することができる。このときには、炉床部の充填物であるコークスの性状を改善することにより、空隙率を改善することができる。即ち、本発明の上記（５）にあるように装入コークス条件を調整して空隙率を適正化することとすれば、空隙率の悪化を迅速にキャッチして早期アクションを行うことが可能になる。コークス条件の調整方法としては、本発明の上記（６）にあるように装入コークス粒径上昇、装入コークス強度上昇のいずれか又は両方の方法を採用すると好ましい。特に炉中心部に装入するコークスの性状の改善が有効である。
【００３１】
【実施例】
炉内容積３２７３ｍ³、炉床径１２．０ｍの高炉において、本発明を用いて炉床部空隙率の推定と空隙率の管理を行った。図１に示すように、電位測定点を炉底レンガ表面とし、下方の測定点は炉底カーボンレンガ１段目レベルとし、上方の測定点は出銑口から３．８ｍ上方の羽口と同一レベルとした。この２点間の電位差を測定してＥとし、出銑をしていないときの単位時間当たりの電位差増加量ΔＥ／Δｔ（ｍＶ／ｈ）を求め、同時に銑滓生産速度Ｗ（ｍ³／ｈ）を装入物の分析値と装入量によって求めた。この高炉においては、上記（１）式の比例定数ａ＝０．０１８であり、また炉床状態が良好な状態を保持できる空隙率範囲は上記（２）式の臨界空隙率ε_cより大きい場合であり、臨界空隙率ε_c＝０．３６であった。即ち、炉床状態を良好に保つには、
ΔＥ／Δｔ＜ａＷ／ε_c＝０．０５×Ｗ （３）
に保持すると好適であることがわかっている。
【００３２】
高炉にて出銑を行っていないときに電位測定点２点間の電位差Ｅを測定し、単位時間当たりの電位差増加量ΔＥ／Δｔ（ｍＶ／ｈ）を求め、同時に銑滓生産速度Ｗ（ｍ³／ｈ）を装入物の分析値と装入量によって求めた。そして、ΔＥ／Δｔが上記（３）式を満たしているときは炉底部の流通性が良好であると判断し、ΔＥ／Δｔが増大して上記（３）式を超えたときには空隙率が低下して炉底部の流通性が悪化したと判断し、直ちに装入コークスの性状改善アクションを行った。具体的には、装入するコークスの粒径を増大するとともに、コークス強度の増加を行った。より具体的には、コークス炉の操業変更を実施し、配合石炭銘柄変更・炉温変更を行い、コークスの平均粒径を約１０％上昇（４８ｍｍから５３ｍｍへ）するとともに、冷間強度を１ポイント（８５から８６へ）上昇させた操業を１週間継続した。
【００３３】
本発明の適用時と適用前とにおいて、出銑毎のスラグ比、出銑時間、溶銑温度、銑鉄中Ｓｉ、銑鉄中Ｓの各ばらつき（標準偏差）を調査した。結果を表１に示す。表１より明らかなように、出銑毎のスラグ比、出銑時間、溶銑温度、銑鉄中Ｓｉ、銑鉄中Ｓの各ばらつき（標準偏差）が減少した。また、ばらつきを減少できたため、溶銑温度の低下を図ることができ、銑鉄中ＳｉやＳのレベルを下げることができ、溶銑品質の向上を図ることができる。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【発明の効果】
本発明は、高炉鉄皮表面に高さ方向に間隔を開けて設けた複数個の電位測定点の間の電位差を測定し、該高炉が出銑を行っていないときの前記測定電位差の時間変化に基づいて炉床部装入物の空隙率を推定することを可能にした。
【００３６】
本発明はまた、電位測定点を炉底レンガに設けることにより、空隙率の推定精度を一層向上させることができた。
【００３７】
本発明はさらに、推定した空隙率が予め定めた適正空隙率よりも低下した場合は、装入コークス条件を調整して空隙率を適正化することにより、空隙率の早期適正化を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】炉底レンガで電位差を測定する本発明を示す図であり、（ａ）は高炉部分断面図、（ｂ）は電位差測定装置付近の部分拡大図、（ｃ）は高炉羽口付近の部分断面図である。
【図２】出銑終了後の経過時間と測定電位差ΔＥとの関係における銑滓生産速度の影響を示す図である。
【図３】出銑終了後の経過時間と測定電位差ΔＥとの関係における炉床通液性の影響を示す図である。
【図４】銑滓生産速度と電位差増加速度（ΔＥ／Δｔ）との関係における炉床通液性の影響を示す図である。
【図５】高炉鉄皮表面で電位差を測定する本発明を示す図であり、（ａ）は高炉部分断面図、（ｂ）は高炉羽口付近の部分断面図である。
【図６】炉底レンガにおける電位測定点を示す図であり、（ａ）は炉底レンガ表面を電位測定点とし、（ｂ）は炉底レンガ内部を電位測定点としたものである。
【符号の説明】
１ 鉄皮
２ 炉内構造物
３ 出銑口
４ 羽口
５ 炉底レンガ
６ ステーブ
７ スタンプ材
８ 溶銑
９ スラグ
１０ 電極
１１ 電位測定点
１２ 電位差測定装置
１３ 電圧計
１４ 導線
２０ 非貫通孔

Claims (4)

1. 高炉鉄皮表面又は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、前記電位測定点の間の電位差を測定し、該高炉が出銑を行っていないときの前記測定電位差の時間変化ΔＥ／Δｔと、銑滓生産速度Ｗとから下記（１）式に基づいて炉床部装入物の空隙率εを推定することを特徴とする高炉炉床部空隙率の推定方法。
   ΔＥ／Δｔ＝ａＷ／ε （１）
   但し、ａは予め定められる比例定数。
2. 前記複数個の電位測定点のうち、少なくとも１個の取り付け位置を出銑口レベル以上とし、少なくとも１個の取り付け位置を出銑口レベル未満とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉炉床部空隙率の推定方法。
3. 前記電位測定点は、高炉炉底レンガ表面に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉炉床部空隙率の推定方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の高炉炉床部空隙率の推定方法によって空隙率を推定し、推定した空隙率が予め定めた適正空隙率よりも低下した場合は、装入コークス粒径上昇、および、装入コークス強度上昇のうちのいずれか又は両方を行って空隙率を適正化することを特徴とする高炉炉床部空隙率の管理方法。

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