JP4336262B2 - 炉内圧力変動予知方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、炉内の圧力変動を予知する方法に関し、具体的には、高炉のシャフト圧の変動を予知する方法に関する。

高炉での非定常現象は、原燃料成分の変動に基づく日常的な変動から、操業の安定を阻害し、さらには操業不調に至る大規模な変動までさまざまである。これらの現象は、炉内の圧力変動、ガスの流れの異常などにも現れ、従来から、炉内に設けた圧力センサによりガス圧力を監視し、炉内の圧力異常があれば、これを回避するように操業条件を変更している。

高炉は、徳利型の圧力容器で、鉄鉱石とコークスを炉頂から互いに層状に装入し、炉下部の羽口から熱風を送風してコークスを燃焼させ、燃焼で発生する高温の還元ガスによって鉄鉱石中の酸化鉄を還元・溶解し、銑鉄を製造するものである。

羽口は、炉周方向に数十本配置され、羽口から高圧・高速で吹き込まれた熱風によって、コークス充填層を燃焼する。高炉上部の塊状帯では、炉内における原燃料の消費に伴って炉頂から装入された鉱石とコークスが降下し、その間に鉱石の昇温及び還元ガスによる還元が進行する。

昇温され還元の進んだ鉱石粒子は、粘性が低下することにより軟化を開始する。軟化した鉱石粒子は相互に融着し、いわゆる融着帯を形成する。融着帯は、融着して通気性の悪くなった鉱石とコークス層が交互に並んだ状態である。融着帯下面で生成した溶鉄及び溶融スラグがコークス充填層および炉芯を滴下し、滴下した溶鉄及び溶融スラグは炉床部に溜まり、出銑口から銑鉄及びスラグとして排出される。

高炉状況を監視するのに、垂直ゾンデ、上部ゾンデ、あるいはプロフィール計、炉底温度計などを配置するとともに、高炉周囲に多数の温度センサおよび圧力センサを配置して、高炉状況を推定している。最近、炉内に多数配置されている温度センサおよび圧力センサの計測データを統合し、定量的に評価する技術として高炉操業解析総合支援システムが開発された（特許文献１参照）。

高炉操業解析総合支援システムは、高炉設備上の計測データの空間的分布特性を、計測データの当値線が形成する図形情報として画像情報化するものである。具体的には、徳利型の高炉外形面を炉高方向・炉周方向の２次元平面に射影展開し、各計測センサの３次元設置位置情報と正確に対応させて該２次元射影平面上に配置し、計測データの当値線図、コンタ図、ベクトル線図を形成する。計測センサが設置されていない領域では、仮想グリッドを設定し、空間的補間処理によって仮想グリッド上の値を算出する。このようにして高炉の空間的分布特性が定量化・可視化できる。また、これらの画像情報を時間推移に伴い逐次更新してゆくと、高炉の空間的分布特性の非定常現象を動画情報として解析することができる。このシステムでは、高炉周囲に設けられた２００〜３００点の温度センサと２０点の圧力センサを使用する。圧力センサは、半径方向で４箇所、高さ方向で５箇所に設置される。

ところで、実際の操業に当っては、通常、溶銑１トン当り、コークスは３５０ｋｇ、鉄鉱石は１６００ｋｇ使用する。したがって、鉄鉱石６００ｋｇ分がスラグになり、またコークスは羽口から吹き込まれる熱風（約１２００℃）で燃焼し、ＣＯを発生させて、酸化鉄を還元する。１２００℃の熱風で加熱することにより、炉内温度は約２０００℃に達する。このような温度に達したＣＯガスは、最終的にはＣＯとＣＯ。。２。。が１対１程度になり炉頂から排出される。ＣＯガスは還元と熱交換を行なって炉頂へ向かうが、炉頂から装入される鉄鉱石の径は２０ｍｍ程度であり、これに対して炉長の炉口径は１０数ｍあるので、ガスは微紛の中を通ることになり、ガスの流れを定常に保つのは一般的に困難である。また、操業条件によっては大量の還元ガスを必要とする状態になり、さらに高炉の状態が不安定になる。そして、一気に高温のガスが炉長に抜けるような状況が発生することもある。炉頂の温度は、約１５０度であるから、高炉自体に損害を与えることにもなりかねない。しかしながら、さらに問題なのは、熱交換を行なわないでガスが上方に抜けることで、鉱石の温度が上がりきらずに炉内下方に降りてくることである。

従来は、ガスの流れの異常などは、オペレータが、多数の圧力センサの棒グラフの動きを目で追いながら判断して、減風などの処置を行なっていた。しかしながら、オペレータの判断は、経験的なものであり、個人差があることから、誤ることもあった。したがって、このようなガスの流れの異常は、定量的にかつ早期に把握することが望まれる。前記した高炉操業解析総合支援システムにおいては、圧力センサから得られる炉内圧力およびその空間変化率を求めて、２次元的に再構成して非定常的な高炉状況の変化を検知するようにしている。しかしながら、炉内圧力の展開図あるいは炉内圧力の空間変化率の展開図では、その時点での炉内状況、すなわち静的な状態での良し悪しは判断できるが、炉内状況が今後どのように変化してゆくかを予知することは困難であった。炉内状況は、悪い状態であってもその状態に変化がなければ、高炉全体に対する影響は少なく、悪い状態から良い状態への変化であっても、急激な変化が起きると大きな問題となる。

炉内圧力の時間変化率をみることも提案されている（特許文献１参照）ものの、圧力の時間変化率をどのように利用すれば有用な情報を得ることができるかについては、あまり検討されてこなかった。これは、炉内温度の変化は時定数が長く、分あるいは数十分単位の時間変化率をみることによっても有用な情報が得られるのに対して、炉内圧力あるいはガスの流れの変化は短時間で起こるので、分単位での圧力変化率をとってみても、有用な情報が得られないと考えられていたからである。

特開２００２−３１７２１７号公報

本発明は、炉内圧力の時間変化率が炉内圧力の急変を明確に示すことを発見して、炉内圧力の時間変化率を炉内圧力の変動を予知するために用いる炉内圧力変動予知方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明の高炉の炉内圧力変動予知方法は、上記課題を解決するために、高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂における複数の測定点で炉内圧力を測定し、前記複数の測定点で測定された炉内圧力の時間変化率を求め、前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最大値と最小値とを選択し、該炉内圧力の時間変化率の最大値と最小値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とし、前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えるか否かに基づいて炉内全体の圧力の変動を予知する。

本発明の高炉の炉内圧力変動予知装置は、高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂の炉壁に配置された複数の圧力センサと、前記複数の圧力センサで測定された炉内圧力の時間変化率を求める手段と、前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最大値と最小値とを選択し、該炉内圧力の時間変化率の最大値と最小値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とする手段と、前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の蘭値を超えると警報表示する表示手段とを有する。

また、前記表示手段は、前記炉内圧力の変動を予知する数値の時間推移をグラフ表示する画面と、送風圧と炉頂圧との差の時間推移をグラフ表示する画面とを備える表示装置であってもよい。

本発明は、上記のように構成したので、炉内圧力変動を早期かつ正確に予測できる。また、大規模あるいは急激な圧力変動を回避することができ、高炉の安定を図ることができる。さらに、圧力変動を早期に回避することにより、不要な減風をすることなく、減風を最小限にでき、したがって減産を最小にすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の作用及び実施の形態を説明する。図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ｄ）〜（ｅ）は、シャフト圧力の展開図であり、高炉シャフトの２次元展開図（３次元形状の徳利状のシャフトを円周方向に展開して平面的に示す図）に、圧力センサで得られた圧力を等圧線で表示したものである。２次元展開図の横軸は角度０°〜３６０°であり、縦軸はシャフトの高さを表す。縦軸の最下部は羽口で、最上部は炉頂に対応している。図に示すように、時間に従って並べることにより、シャフト圧力の時間推移を知ることができる。各図は、１分ごとに作成されている。高炉操業解析総合支援システムでは、シャフト圧力の展開図はモニタ画面に順次表示され、シャフト圧力の変動を動的に把握することができるようになっている。なお、圧力センサは、先に述べたように、半径方向に４点、高さ方向に５点設置されている。

図１、２において、水平方向に伸びる実線が、圧力の等しい地点を結んだ等圧線で、等圧線がほぼ水平に均一であれば、高炉は良好な状況にある。１１時３０分の図１（ａ）及び１１時３１分の図１（ｂ）では、右下部に高圧部が現れているが、ほとんど変化がなく安定している。１１時３２分の図１（ｃ）、１１時３３分の図２（ｄ）では、少し変化がでてきてはいるものの、シャフト全体としてみると大きな変化とはいえない。ところが、１１時３４分の図２（ｅ）では、高圧部が縮小し、続く図２（ｆ）では、高圧部がほぼ消失している。これは、図２（ｄ）すなわち１１時３３分の直後にガス抜けが生じ、その結果図２（ｆ）、（ｄ）のように高圧部が縮小したことを示している。すなわち、１１時３３分直後に急激なガスの流れが起こり、今まで高圧部が存在していたものの安定であった炉内の状況が急変したものである。このようにシャフト圧力展開図をみるかぎり、ガス抜けの結果としての炉内状況の変化はっきりわかる。しかしながら、このようなガス抜けを前もって知ることは、高炉圧力展開図によっては困難であることがわかる。すなわち、ガス抜けの起こる前の図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ｄ）には特別の変化が見出せない。

一方、図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ｄ）〜（ｆ）は、図１、２と同じ時刻にシャフト圧力の時間変化率を算出して展開図としたものである。シャフト圧力の時間変化率は、ここでは、現在のシャフト圧力から１分前のシャフト圧力を引いた差分であり、単位はｈＰａ／ｍｉｎである。図３（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）、（ｂ）に対応するもので、変化はなく安定している。ところが、図３（ｃ）でわかるように、１１時３２分になると、シャフトの中間部で圧力が急上昇し、その１分後の１１時３３分には、図４（ｄ）にみられるように圧力が急激に低下して、これまでの圧力の時間変化率の分布とは全く異なる様相を示している。図１、２でみたように、この直後にガス抜けが起こっている。図３（ｃ）、図４（ｄ）の変化はきわめて明りょうであり、１１時３２分にはガス抜けが生じることが予測可能であることがわかる。図３（ｅ）は、ガス抜け直後の圧力の時間変化率の分布であり、次の図３（ｆ）では、ほぼ変化する以前の安定な分布に戻っている。

なお、図示はしないが、シャフト圧力の勾配である圧力分布の空間変化率の２次元展開図では、高圧部が解消されてガスが炉頂部に向かう様子は明確に示すが、圧力分布の展開図と同様に、高圧部が解消される原因となったガス抜けが起こることを予測させる変化を示すものではなかった。

以上のように、圧力の空間変化率に比較して重要とは考えられていなかった圧力の時間変化率によって、炉内圧力の急変を予知可能であることがわかった。次に、圧力の時間変化率を炉内状況の予知情報とするための定量化について説明する。

図５は、実際のある高炉の操業時に、横軸を時間軸として、縦軸に炉頂圧−送風圧（△）と、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値の差（○）とを取ったグラフである。左の縦軸に圧力（ｈＰａ）、右の縦軸に圧力の時間変化率（ｈＰａ／ｍｉｎ）を示す。ここで、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値の差とは、図３、４図に示したような、シャフト圧の時間変化率の２次元展開図のうちで、時間変化率の最大値と最小値とを選択し、その差を取ったものである。最大値と最小値との差をとると、時間変化率の最大の地点と最小の地点は通常異なるものであるから、場所の情報を失うことになる。しかしながら、求める情報は、炉内全体の変化を予知できるものであり、どの地点が不安定になったかまでを知る必要はない。また、このようにするとスカラー値として情報を得ると、減風など操業条件の変更に利用するにも便利である。

ここでは、時間変化率の最大値と最小値との差を用いたが、炉内圧力の変化を反映するものであれば、これに限らず、時間変化率の最大値と平均値との差でもよく、また、時間変化率の最大値のみでもよい。さらには、時間変化率の平均値と最小値の差などであってもよい。当業者であれば、監視あるいは予知の対象にとって最適なものを選択することができよう。

例えば、図５の８時から９時までをみると、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値の差（以下、「時間変化率の最大差分」ということがある。）は、おおよそ３０ｈＰａ／ｍｉｎ以下におさまり、炉内状況は安定していると判断できる。ところが９時を過ぎ、範囲Ｔ１に入ると、時間変化率の最大差分が連続して４０ｈＰａ／ｍｉｎを超え、９時１５分には、１３０ｈＰａ／ｍｉｎに達している。炉頂圧の推移でみると、時間変化率の最大差分が１３０に達した直後に、炉内圧力損失が８００ｈＰａから６７０ｈＰａまで急激に下がっているのが見られる。これは、高炉のオペレータが全体的な状況をみて危険であることを察知して減圧した結果であるが、減圧以前の時間変化率の最大差分の増加は、炉内状況の悪化を明確に予知しているものである。なお、炉内圧力の調整の後の圧力の時間変化の最大差分は、炉内圧力の調整を反映しているものである。

図６は、図５と同様、炉頂圧−送風圧（△）と、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値の差（○）とを示すグラフであるが、炉の炉内状況が不安定なときのデータである。この場合も、範囲Ｔ２〜Ｔ４から判るように、オペレータが危険を察知して炉内の圧力を減風により強制的に下げる以前には、時間変化率の最大差分が大きな値を連続して示していることがわかる。

これらのデータによると、時間変化率の最大差分の動向を監視して所定の閾値を超えると警報を出すようにすると操業条件の変更を正確かつ早期に指示することができる。

図７は、本発明の一実施形態を実際の高炉操業解析総合支援システムに組み込んだ例を示す。炉内圧力監視の表示画面が、炉頂圧−送風圧の時間推移を表示する画面１０とシャフト圧の時間変化率の最大値と最小値との差を表す画面２００と警報表示用画面３０とから構成されている。シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値との差を表す画面２０には、閾値２５を表す直線が２５ｈＰａ／ｍｉｎの高さに引かれ、閾値を超えたか否かが明りょうにわかるようにされている。この閾値の数値は、適宜設定できるものであり、本実施形態では、安全のために低く設定してある。シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値との差は、各時刻に所定の地点で測定又は算出された圧力に基づいて逐一計算して表示される。その結果閾値を超えると、警報表示画面が赤く点滅することによって、アラームが発せられる。ここで、警報表示画面は単なる一例であって、警報あるいは表示のための他の手段を採用できることはいうまでもない。

本実施形態では、シャフト圧の時間変化率を利用するのに、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値との差を採用したが、先に述べたように、最大値と平均値との差、最大値のみ、あるいは平均値と最小値との差など、時間変化率に基づく情報であって急激な圧力変化を予知できるものであれば、どのようなものでもよい。

（ａ）〜（ｃ）は、高炉のシャフト圧力展開図（その１）である。 （ｄ）〜（ｆ）は、高炉のシャフト圧力展開図（その２）である。 （ａ）〜（ｃ）は、高炉のシャフト圧力の時間変化率展開図（その１）である。 （ｄ）〜（ｆ）、高炉のシャフト圧力の時間変化率展開図（その２）である。 高炉内が安定している状態で、炉頂圧−送風圧（△）と、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値の差（○）との関係を示す図である。 高炉内が不安定な状態で、炉頂圧−送風圧（△）と、シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値の差（○）との関係を示す図である。 高炉操業解析総合支援システムに組み込んだ本発明の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１０…炉頂圧−送風圧の時間推移を表示する画面
２０…シャフト圧の時間変化率の最大値と最小値との差を表示する画面
２５…閾値
３０…警報表示用画面

Claims (7)

1. 高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂における複数の測定点で炉内圧力を測定するステップと、
   前記複数の測定点で測定された炉内圧力の時間変化率を求めるステップと、
   前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最大値と最小値とを選択し、該炉内圧力の時間変化率の最大値と最小値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とするステップと、
   前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えるか否かに基づいて炉内全体の圧力の変動を予知するステップとを有する高炉の炉内圧力変動予知方法。
2. 高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂における複数の測定点で炉内圧力を測定するステップと、
   前記複数の測定点で測定された炉内圧力の時間変化率を求めるステップと、
   前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最大値を選択し、前記炉内圧力の時間変化率の平均値を求め、該炉内圧力の時間変化率の最大値と平均値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とするステップと、
   前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えるか否かに基づいて炉内全体の圧力の変動を予知するステップとを有する高炉の炉内圧力変動予知方法。
3. 高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂における複数の測定点で炉内圧力を測定するステップと、
   前記複数の測定点で測定された炉内圧力の時間変化率を求めるステップと、
   前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最小値を選択し、前記炉内圧力の時間変化率の平均値を求め、該炉内圧力の時間変化率の平均値と最小値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とするステップと、
   前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えるか否かに基づいて炉内全体の圧力の変動を予知するステップとを有する高炉の炉内圧力変動予知方法。
4. 高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂の炉壁に配置された複数の圧力センサと、
   前記複数の圧力センサで測定された炉内圧力の時間変化率を求める手段と、
   前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最大値と最小値とを選択し、該炉内圧力の時間変化率の最大値と最小値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とする手段と、
   前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えると警報表示する表示手段とを有する高炉の炉内圧力変動予知装置。
5. 高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂の炉壁に配置された複数の圧力センサと、
   前記複数の圧力センサで測定された炉内圧力の時間変化率を求める手段と、
   前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最大値を選択し、前記炉内圧力の時間変化率の平均値を求め、該炉内圧力の時間変化率の最大値と平均値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とする手段と、
   前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えると警報表示する表示手段とを有する高炉の炉内圧力変動予知装置。
6. 高炉シャフトの円周方向の角度：０〜３６０°、高さ方向：羽口〜炉頂の炉壁に配置された複数の圧力センサと、
   前記複数の圧力センサで測定された炉内圧力の時間変化率を求める手段と、
   前記複数の測定点で求められた炉内圧力の時間変化率から最小値を選択し、前記炉内圧力の時間変化率の平均値を求め、該炉内圧力の時間変化率の平均値と最小値との差を炉内全体の圧力の変動を予知する数値とする手段と、
   前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値が所定の閾値を超えると警報表示する表示手段とを有する高炉の炉内圧力変動予知装置。
7. 前記表示手段は、前記炉内全体の圧力の変動を予知する数値の時間推移を示す画面と、送風圧と炉頂圧との差の時間推移を示す画面とを備える表示装置である請求項４〜６に記載の高炉の炉内圧力変動予知装置。

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