JP4276563B2 - 高炉炉下部状態診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の炉内状況推定方法に係わり、特に高炉の操業管理や炉床壁耐火物の寿命診断等の大きな影響を及ぼす溶銑流速の把握、炉底付近における炉内状況を推定する方法に関する。

高炉炉床の状態を診断する方法としては、炉床耐火物内に熱電対を埋設して温度をモニターし、炉壁および炉盤の煉瓦の残存厚、凝固層厚を推定することが一般的に行われている。上記煉瓦の残存厚、凝固層厚が小さくなれば煉瓦損傷の危険度が高くなり、逆に凝固層厚が厚くなり過ぎると炉底の不活性化、および炉況悪化を招く危険が大きくなる。これらの問題に鑑み、高炉炉下部の状態を診断して炉内管理を行なう方法として、例えば、以下のような提案がなされている。

１）特許文献１では、高炉炉底側壁部に熱電対を埋設し、この熱電対の連続的な温度変化を直接測定し、温度の絶対値および温度上昇／下降を判断基準にして、予め設定した装入ＴｉＯ₂ の増量・減風・休風等の操業条件を管理する方法を開示している。

２）特許文献２では、高炉炉床壁に埋設された熱電対２点の温度、または１点の温度と外面の伝熱条件から、１次元定常伝熱を伝熱逆問題手法により仮定して、炉内から外部へ向かう熱流束を算出し、熱流束の大小、増減を判断基準にして、炉床壁耐火物の損傷状況を推定し、その損傷状況に応じた損傷防止アクションを行う方法を開示している。

４）特許文献３、特許文献４では、高炉炉床壁に埋設された熱電対２点の温度、または１点の温度と外面の伝熱条件から、伝熱逆問題解析手法を用いて稼働面の熱流束または温度を計算し、稼働面の熱流束または温度の絶対値および／または変動を判断基準にして、将来の耐火物の残存厚みと耐火物内面に付着する炉内溶融物凝固層厚みの変化を予測する方法を開示している。

４）特許文献５、特許文献６では、高炉炉内に設けた検出端を介して計測され、炉内状態が反映された時系列情報に基づいて、リカレンスプロットを作成するプロット作成し、このリカレンスプロット構造に基づいて高炉の炉内状況を判断する方法を開示している。特に、特許文献６では、高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた熱電対により計測された時系列の温度情報から得られた時系列の熱流束情報と、高炉炉底の出銑口付近に埋め込まれた熱電対により計測された時系列の温度情報から得られた時系列の熱流束情報とに基づいて、２変数の相互リカレンスプロットを作成し、その相互リカレンスプロットに基づいて、高炉炉底における湯流れ状態を診断することを開示している。

しかしながら、高炉炉側壁の煉瓦厚みは初期状態で約２ｍの厚みがあり、これに対して、この側壁煉瓦内に埋設される熱電対の位置は、通常煉瓦背面から５０〜１５０ｍｍ程度とかなり鉄皮（炉外）側に設置されるために、炉内の熱状態が変化した場合、煉瓦内の非定常熱伝導によって温度が変化するために時間遅れが大きく、また、高炉炉底盤は炉内稼働面から熱電対まで更に遠く、大半の高炉では３〜４ｍ，ないしはそれ以上離れている。したがって、非定常変化時に定常熱伝導を仮定して炉内状況を推定するような上記特許文献１、特許文献２に開示された方法では、誤差が大きいという問題がある。また、上記特許文献３、特許文献４の方法ではこれらの点は改善されているといえども、炉内の湯流れ（溶銑流）の状態が変化しても温度の変化は緩慢なため、炉内の状態が変化してから稼働面の熱流束または温度が明確に変動し始めるまでにかなりの時間を要するという問題がある。さらに、特許文献５及び６は、炉内状況を判断するためのカオス応用技術（リカレンスプロットを行う方法）を開示し、特に特許文献６は、炉内の湯流れ状態を推定するための有力な手法を開示するが、炉底が活性か不活性かを判断するに止まっている。

特開平７−２０７３１０号公報 特開２００２−３６３６１９号公報 特開２００１−２３４２１７号公報 特開２００２−２６６０１１号公報 特開２００２−２１２６１２号公報 特開２００３−３０１２１０号公報

本発明は、リカレンスプロットを行う方法を用いて、高炉の操業及び管理の指標となる炉底付近における炉内状況を高精度で、かつ正確に診断する方法を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
（１）高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた第1の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第１の時系列情報と、高炉炉底側壁の各出銑口近傍下部に埋め込まれた第2の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第２の時系列情報とに基づいて、高炉炉底と各出銑口下側壁を組とする２変数のリカレンスプロットを出銑口本数分作成し、これらの２変数のリカレンスプロットから、０〜出銑口本数の範囲に分布するプロット点の個数である相関の数に応じて識別した合成リカレンスプロットを作成し、高炉炉下部の活性度を該プロット点の個数である相関の数に従って多段階で診断することを特徴とする高炉炉下部状態診断方法。

（２）高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた第１の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第１の時系列情報と、高炉炉底側壁の各出銑口近傍下部に埋め込まれた第２の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第２の時系列情報とから、逆問題解析により、前記各温度検出手段に対応する高炉炉底の稼働面での時系列の熱流束情報または温度情報を算出し、リカレンスプロット作成手段が逆問題解析手段により求められた各温度検出手段に対応する高炉炉底の稼働面での時系列の熱流束情報または温度情報に基づいて、高炉炉底と各出銑口下側壁を組とする２変数のリカレンスプロットを出銑口本数分作成し、これらの２変数のリカレンスプロットから、０〜出銑口本数の範囲に分布するプロット点の個数である相関の数に応じて識別した合成リカレンスプロットを作成し、高炉炉下部の活性度を該プロット点の個数である相関の数に従って多段階で診断することを特徴とする高炉炉下部状態診断方法。

本発明は、高炉炉底盤中央と各出銑口付近とのそれぞれの温度の時系列情報とで２変数のリカレンスプロットを作成し、そのリカレンスプロットを合成して高炉下部の活性度をプロット点数に従って判断するようにしたので、高炉炉底における活性度を正確に診断することができる。また、本発明の一態様では、出銑口から出銑が行われているにも関わらず炉底内が不活性である状態であっても的確に診断することが可能になる。

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明を実施するために使用する高炉炉下部の診断装置の概要を説明する。図１に示すように、本発明を実施するための高炉炉下部の診断装置は、逆問題解析部１０１、アトラクタ作成部１０２、リカレンスプロット作成部１０３、リカレンスプロット合成部１０４および診断部１０５から構成されている。逆問題解析部１０１では、高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた熱電対３０１により計測された時系列の温度情報と、図２及び図３に示すように、高炉炉底の出銑口付近に埋め込まれた熱電対３０２（１）〜３０２（４）により計測された時系列の温度情報とから逆問題解析により各熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）に対応する高炉炉底の稼働面での時系列の熱流束情報を求める。次に、逆問題解析部１０１での逆問題解析により算出された各熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）についての時系列の熱流束情報に基づいてアトラクタ作成部１０２で軌道を再構成する。このアトラクタ作成部１０２により再構成されたアトラクタに基づいてリカレンスプロット作成部１０３で２変数のリカレンスプロットを作成する。次いで、リカレンスプロット合成部１０４で、この２変数のリカレンスプロットを合成する。そして、合成されたリカレンスプロット上でプロットされた点の個数に基づいて高炉炉底における活性度を多段階で診断する。

ここで、高炉の構成について図２を参照して説明する。図２に示すように、高炉内は概ね５つの領域、すなわち、原料が装入前と同じように塊として存在する塊状帯２０１、原料が熱と荷重とにより半溶融状になっている融着帯２０２、溶けた銑鉄やスラグがコークスの間を降下する滴下帯２０３、コークスが羽口２５１からの送風によって燃焼、運動するレースウェイ２０４、溶融生成物（銑鉄、スラグ）が貯溜される湯溜まり２０５、に大別することができる。滴下帯２０３は、コークスが長時間殆ど静止している領域（炉芯２０３ａ）と、連続的にコークスがレースウェイ２０４に移動する領域（活性コークス帯２０３ｂ）とに分けられる。

一般的に離れた位置にある二ヵ所間の情報は、流体の連続性の性質により上流から下流へと伝達される。また、流れを誘起するような動力源が下流に存在する場合、その動力源に関する下流の情報が上流にも伝達される。本発明の一実施形態では、出銑という動力源により誘起されて炉底中央から出銑口２５２に向かう湯流れによる温度の時系列情報を用いて、高炉炉底の活性度を診断する。

本発明を実施するに際しては、図２及び図３に示すように、高炉炉底３０３の底盤３０３ａ中央に熱電対３０１を埋め込み、炉壁３０３の炉壁３０３ｂには周方向に配置されたＮｏ．１〜Ｎｏ．４の複数の出銑口２５２（１）〜２５２（４）の付近、例えば各出銑口２５２（１）〜２５２（４）の真下位置に、熱電対３０２（１）〜３０２（４）が埋め込まれている。そして、上流側の検出端に相当する底盤３０３（ａ）中央の熱電対３０１について得られる時系列の熱流束信号と、下流側の検出端に相当する出銑口２５２（１）〜２５２（４）付近の各熱電対３０２（１）〜３０２（４）について得られる時系列の熱流束信号とを用いて、高炉炉底における活性度を診断する。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、高炉炉下部の活性度の診断方法に係る本発明の実施の形態を説明する。最初に、図１に示した診断装置の逆問題解析部１０１において熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）により計測された炉底煉瓦を介しての時系列の温度情報から、逆問題解析により、各熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）に対応する炉底３０３の稼働面の時系列の熱流束情報を求める（ステップＳ４０１）。

底盤３０３ａ中央の熱電対３０１を例に説明すると、逆問題解析では、熱電対３０１、熱電対３０１から埋め込まれた炉底３０３煉瓦を含む系を対象にした所定の方程式（偏微分方程式等）と、熱電対３０１に対応する底盤３０３の稼働面での熱流束の仮定値とを用いて、熱電対３０１位置での温度を算出する。次いで、その算出した熱電対３０１位置での温度と、熱電対３０１により実際に計測された温度との誤差が所定の値より小さくなるように、上記熱流束の仮定値を修正し、熱電対３０１位置での温度の算出を繰り返す。その結果、算出した熱電対３０１位置での温度と、熱電対３０１により実際に計測された温度との誤差が所定の値より小さくなったときの熱流束の仮定値を、熱電対３０１に対応する炉底３０３の稼働面での熱流束値とする。

また、例えば、下記の数１に示す式（１）、式（２）に基づいて、熱電対に対応する炉底３０３の稼働面での熱流束を算出する。

上記式（１）は、非定常の熱伝導方程式である。式（１）に対して所定の演算等を施すと、式（２）に示すような積分境界方程式になる。式（２）において、Ｇが共役方程式の解、ｕはスカラー量（本例の場合、温度）、∂ｕ／∂ｎはスカラー勾配（本例の場合、熱流束）である。上記式（２）において、左辺は熱電対３０１に対応する炉底３０３の稼働面に関する積分であり、右辺は所定の既知境界面、例えば熱電対３０１位置を含む面に関する積分である。従って、熱電対３０１での計測温度に基づいて、式（２）の右辺の各値が求められ、その求められた値から式（２）の左辺のスカラー勾配∂ｕ／∂ｎ（熱電対３０１に対応する炉底３０３の稼働面での熱流束）が求められる。

図５に、或る高炉の実績例を示した。底盤３０３（ａ）中央の熱電対３０１について上述した逆問題解析により求められた時系列の熱流束情報をグラフで示したが、符号１〜７を付した部分で高炉炉底中央での熱流束の落ち込みが見られるが、特に符号１〜４を付した部分においては炉底中央での熱流束が大幅に低下する現象、いわゆる炉底不活性が発生した。

次に、アトラクタ作成部１０２において上記逆問題解析により求められた各熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）から得られた熱流束情報に基づいて、アトラクタぽ呼ばれる軌道を再構成する（ステップＳ４０２）。先ず、アトラクタ作成部は、逆問題解析部により算出された各熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）についての熱流束情報から、対象とする現象の２倍以上の次元ｍをもつ遅延ベクトル：ｖ（ｔ）＝｛ｕ（ｔ），ｕ（ｔ＋τ），ｕ（ｔ＋２τ），・・・・・・・・,ｕ（ｔ＋（ｍ−１）τ）｝を作成する。なお、ｕ（ｔ）は時刻ｔにおける熱流束、τは時間遅れ間隔である。続いて、アトラクタ作成部は、作成された遅延ベクトル：ｖ（ｔ）を所定の次元を有する位相空間に写像する。この写像した遅延ベクトル：ｖ（ｔ）の時間推移による軌道を作成することによりアトラクタを再構成する。

続いて、リカレンスプロット作成部１０３において、上述の再構成されたアトラクタに基づいてリカレンスプロットを作成する（ステップＳ４０２）。リカレンスプロットとは再構成されたアトラクタの非定常挙動を２次元表示したものであり、ここで作成するリカレンスプロットは、リカレンスプロットを２変数（上流側の検出端に関する変数、及び下流側の検出端に関する変数）に拡張したものであり、以下の説明では「相互リカレンスプロット」という。

具体的には、一方の変数の再構成アトラクタ上にある現在時刻点から所定の範囲内にある近傍点を、他方の変数の再構成アトラクタ上から検索する。その結果、検索された近傍点の時刻を、横軸を現在時刻、縦軸を近傍点時刻として２次元表示することにより相互リカレンスプロットを作成する。相互リカレンスプロットは、上記のように、炉底中央の熱電対３０１と各出銑口付近の熱電対３０２（１）〜（４）について作成される。すなわち、４本の出銑口に対応して、４枚のリカレンスプロットが得られる。

次に、作成された４枚のリカレンスプロットは、リカレンスプロット合成部１０４で重ね合わせて合成される（ステップＳ４０４）。各リカレンスプロットは、ある時刻の「炉底」と、同じまたは別のある時刻の「出銑口下側壁」の熱流束の動きの相関が強い点がプロットされたもので、「炉底の時刻」と「出銑口下側壁の時刻」をそれぞれ縦軸及び横軸とするものである。各出銑口に対応する４枚の図を重ね合わせると、合成リカレンスプロット上の任意の点で、相関の個数（プロット点の個数）が０〜４の範囲に分布し、５段階で相関の度合いが分る。この相関点の個数が多いほど、「炉底」と「側壁」の熱流束の相関性が多いことになる。

図６は、本発明による合成リカレンスププロットを示すもので、相関の数（０〜４）に応じて識別したものである。熱流束の相関性は、炉底の活性度が高いことを示し、裏返せば、相関の数が少ないほど炉底が不活性であることを示しているといえる。特に、図６の対角線ｌ近傍は同時刻での相関の度合いを表しており、時刻ｔ１では相関４で最も高く、炉底が最も活性化していることを示している。これに対して時刻ｔ２では相関０で最も低く、炉底が全く不活性の状態にあることを示し、また、時刻ｔ３では、相関２で中間の状態にあることが分る。このようにして、ステップ４０５で炉底の活性度を多段階で診断する（ステップＳ４０５）。

なお、各段階をそれぞれ異なるカラーで表示させれば、より分りやすく表示でき、判定も容易である。

このように、本実施形態によれば、活性度あるいは不活性の度合いを段階的に判断できるため、冷却などのアクションの強度や頻度をこの不活性の度合いに応じて制御する場合、より適切な制御を実行することができる。

本発明は、各出銑口に対応した温度センサを備えているから、出銑口の数と活性度とを関係付けることが可能になり、さらに高炉炉下部の状況を正確に診断することができる。図７は、４本の出銑口のうち２本の出銑口を使用した状態の４枚の相互リカレンスプロットを、相関が２以上あった点を黒とし、相関が１以下の点を白として、合成したものである。そして、対角線上で相関が１以下の点が所定時間（例えば４，５日）以上継続することを検知して活性度が低下したと判断する。すなわち、使用している出銑口の本数と同数の相関が検出されれば、黒くプロットされ、使用している出銑口の本数未満の相関しかなければ、プロットしないもので、相関が検出されない継続時間をモニタするものである。先に説明した多段階の診断に付加するとより正確な高炉炉下部の診断が可能となる。

本実施形態では、２本の出銑口が使用される場合を説明したが、３本以上の出銑口が使用される場合でも、出銑口の数に対応して閾値を設ければ、使用出銑口が増加しても、正しい活性度を判定することができる。

本発明を実施する高炉炉下部状況診断装置の概略を示す図である。 高炉内の状況を模式的に示した断面図である。 熱電対３０１、３０２（１）〜３０２（４）の配置関係を示す図である。 本発明の一実施形態による高炉炉底状態の診断処理を示すフローチャートである。 高炉底盤３０３ａ中央の熱電対３０１についての逆問題解析により求められた時系列の熱流束情報を示す図である。 本発明の一実施形態によって求められた合成リカレンスプロットを示す図である。 本発明の他の実施形態で作成された合成リカレンスプロットを示す図である。

符号の説明

２５１…羽口
２５２…出銑口
３０１，３０２（１）〜３０２（４）…熱電対
３０３…炉底

Claims (2)

1. 高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた第１の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第１の時系列情報と、高炉炉底側壁の各出銑口近傍下部に埋め込まれた第２の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第２の時系列情報とに基づいて、高炉炉底と各出銑口下側壁を組とする２変数のリカレンスプロットを出銑口本数分作成し、これらの２変数のリカレンスプロットから、０〜出銑口本数の範囲に分布するプロット点の個数である相関の数に応じて識別した合成リカレンスプロットを作成し、高炉炉下部の活性度を該プロット点の個数である相関の数に従って多段階で診断することを特徴とする高炉炉下部状態診断方法。
2. 高炉炉底の底盤中央に埋め込まれた第１の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第１の時系列情報と、高炉炉底側壁の各出銑口近傍下部に埋め込まれた第２の温度検出手段により計測された時系列の温度情報から得られた第２の時系列情報とから、逆問題解析により、前記各温度検出手段に対応する高炉炉底の稼働面での時系列の熱流束情報または温度情報を算出し、リカレンスプロット作成手段が逆問題解析手段により求められた各温度検出手段に対応する高炉炉底の稼働面での時系列の熱流束情報または温度情報に基づいて、高炉炉底と各出銑口下側壁を組とする２変数のリカレンスプロットを出銑口本数分作成し、これらの２変数のリカレンスプロットから、０〜出銑口本数の範囲に分布するプロット点の個数である相関の数に応じて識別した合成リカレンスプロットを作成し、高炉炉下部の活性度を該プロット点の個数である相関の数に従って多段階で診断することを特徴とする高炉炉下部状態診断方法。

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