JP5277636B2 - 竪型炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉上部から原料を装入し、炉下部から空気を送風することにより、溶融金属を生産する高炉、シャフト炉などの竪型炉の操業方法に関する。

炉上部から原料を装入し、炉下部から空気を送風することにより、溶融金属を生産する高炉、シャフト炉などの竪型炉の炉内を直接、常時観測することは不可能である。その原因としては、炉内環境が非常に高温であること、炉内部に充填層が形成されていること、大量のダストが存在していること、溶融滴下物が存在していること、高圧であること、さらに移動層であること、などが挙げられる。

よって、竪型炉の操業状態を監視するために用いられている常時計測可能なデータは、温度、圧力、ガス成分、変位などであり、図１に示すように、炉体１表面や原料堆積面２などの、炉内充填層（装入物）３の外縁から検出できるものに限られる。

温度としては、炉頂排ガス４の温度、煉瓦５等の炉体を含めた設備温度、羽口６の羽口温度、製品である溶融金属７の温度（溶銑温度）などは連続計測が可能である。煉瓦５、羽口６、溶融金属７の温度は熱電対で測定する。

圧力であれば、導圧管８部分の炉体圧力（炉内壁での圧力）、導圧管９部分の送風圧力
送風圧）が計測可能である。

変位としては、炉内堆積表面（原料堆積面）２の降下速度等が測定可能である。

また、炉頂排ガス４の成分は常時測定が可能である。

なお、図１において竪型炉は高炉であり、１０は溶融物、１１は空気および／または酸素、１２は送風機、１３は熱風炉、１４は熱風である。

しかしながら、このような装入物の外縁部からのデータから、炉内充填層にどのような現象が発生しているかを推定することは困難である。例えば、送風圧力は炉内の通気性を表す重要な指標であり、送風圧力が高くなると、炉内上昇ガスの抗力により装入物の降下が不安定化する事はよく知られている。そこで竪型炉ごとに管理値を定めて、送風圧がそれを上回ると送風を減らして（減産して）装入物の降下不調を未然に回避する。

しかしながら送風圧の上昇の原因は、予期せぬ装入原料性状の変化、炉内半径方向での原料性状（粒度、種類）分布の変化、炉内充填層での粉の発生と蓄積、溶融帯の高さや形状の変化、難溶融性スラグ生成、炉内貯留溶融物の増大、羽口吹込み還元材の性状変化など、様々であり、管理値以下でも突然装入物降下異常が発生する場合がある。また、送風を減らした場合でも、原因が解消されない限りもとの送風量（生産量）に戻す事は困難である。したがって、確実に装入物降下異常を予知、回避するには原因の推定が不可欠である。

高炉の炉況を予知する方法として、「送風圧力又は炉内圧力を検知し、その時系列データを時間周波数解析し、原料装入の時間間隔に対応した周波数成分を中心とする周波数分布を求め、その周波数分布に基づいて異常炉況を事前予知する」方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、「送風圧力又は炉内圧力を検出し、その時系列データを時間周波数解析し、その解析結果から周波数分布の形状または振幅の変動を求めてそれを特徴量とし、該特徴量に基づいて異常炉況を事前予知する」方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、「送風圧力又は炉内圧力検出し、その時系列データを時間周波数解析し、その解析結果から、基準となる周波数分布に対する周波数分布の変位及びパワー変動指数の少なくとも１つから、炉況を予知する」方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特許第３３１９２９７号公報 特許第３５２１７６０号公報 特許第３４８７２０３号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、炉況の悪化を早期に検出することは可能でも、原因が何かを推定することは出来ない。また、特許文献２に記載の方法や特許文献３に記載の方法でも、炉況の悪化を早期に検出することは可能でも、原因が何かを推定することは出来ない。

以上のように、従来の技術では竪型炉の不調原因を特定することが困難である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、炉況の悪化の原因を早期に特定することが可能となる、竪型炉の操業方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）炉下部から空気を送風し、炉上部から原料を装入することにより、溶融金属を生産する竪型炉において、
連続計測可能な操業データを周波数解析し、該周波数解析で得られる周波数分布のピーク値に対応する周期性を有する他の操業条件を特定し、前記竪型炉の操業不調の原因を前記他の操業条件として前記操業不調の原因を除去するように前記他の操業条件を調整することを特徴とする竪型炉の操業方法。
（２）送風圧力の周波数解析を行い、該周波数解析で得られる周波数分布において溶融物排出周期に対応する周波数成分が増加した場合、炉内溶融物が操業不調の原因と特定することを特徴とする（１）に記載の竪型炉の操業方法。
（３）送風圧力の周波数解析を行い、該周波数解析で得られる周波数分布において装入周期に対応する周波数成分が増加した場合、装入物が操業不調の原因と特定することを特徴とする（１）に記載の竪型炉の操業方法。
（４）炉下部から空気を送風し、炉上部から原料を装入することにより、溶融金属を生産する竪型炉において、羽口先温度の測定データの周波数解析を行い、該周波数解析で得られる周波数分布において溶融物排出周期に対応する周波数成分が増加した場合、炉内の溶融物レベルが上昇していると判断することを特徴とする、炉内溶融物レベル検知方法。

本発明によれば、高炉、シャフト炉等の竪型炉における連続計測可能なデータを周波数解析して、出銑滓などの他の周期性と照合することで、当該データの変化の主要因を容易に推定できるようになる。これにより炉況の悪化の原因を早期に特定することが可能となる。

本発明に至った経緯を図面を用いて説明する。

特開２００６−１７６８４９号公報にも記載されているように残銑滓量（炉内溶融物量）の計測は重要であり、本発明者らも新しい原理による残銑滓量の推定方法を探索中であった。図２に、ある高炉における炉内溶融物の排出が不十分な時の送風圧力と羽口温度の変化を示す。図２において送風圧力の急上昇が観察される。高炉から排出される溶融物には溶銑とスラグがあり、Ａが溶銑の排出を行わない時間、Ｂがスラグの排出を行わない時間であるので、このときはスラグの排出が遅れ、炉内の溶融物高さが上昇したことは容易に推察できる。その結果、炉内は図３に示すような状態から図４に示すような状態になり、炉内のガスが流れる範囲が狭くなり送風圧が上昇する。先に述べたように、送風圧上昇原因は本来推定しにくいが、本件のように明らかに溶融物排出不調と同時期に起きている場合は、溶融物排出不調が原因と推定することができる。また、高炉の羽口に設置した羽口先温度計で測定した羽口先温度も、図２に示すように上昇する傾向がみられるが、これは、送風によりコークスが旋回しながら燃焼する領域（レースウェイ）１５が図４に示すようにつぶされることにより、最高燃焼温度点が羽口に近づいたためと推定される。このことから、羽口先温度の上昇は炉内溶融物の上昇により引き起こされる事が確認される。しかしながら羽口先温度は、炉内溶融物レベルより、レースウェイでの燃焼温度の影響を強く受けることから、温度の絶対値から直接炉内溶融物レベルを推定することは困難である。

そこで、本発明者らは、上記の高炉のある出銑口での出銑がおよそ1日に５〜６回であることに着目し、当該出銑口直上の羽口先温度を周波数解析した。その結果、図５に示すように、周波数分布は通常は出銑口の出銑周期の半分に相当する位置にピークをもつ緩やかな分布をしているのに対し、溶融物排出不調時は出銑周期に高いピークを持つことを確認した。溶融物排出は、２つの出銑口により交互におこなわれるため、通常期は一方の出銑口の出銑周期の半分の位置にピークをもつものの、溶融物レベルは低いため、ピークの強度はあまり高くなかったと考えられる。一方、溶融物の排出が不十分になると、溶融物レベルが高くなり、出銑周期に強いピークを持つようになったと考えられる。ピークの周波数が変わったのは、本解析に用いた羽口先温度計が一方の出銑口の直上であったため、当該羽口の影響が特に強調されたものと推定される。以上の結果から、羽口先温度計の測定値の絶対値から直接炉内溶融物のレベル上昇を検知することは、レースウェイの燃焼温度などの影響が大きいため困難であるが、周波数解析を行なうことにより可能となることが分かった。

さらに本発明者らは、上記と同時期の送風圧力の周波数解析を行った。結果を図６に示す。図６に示すように、通常期は周波数に対して強度は単調減少であるのに対して、溶融物排出不調時は上記の羽口先温度と同様に出銑周期に一致する位置にピークを持つことが確認された。先に述べたように、様々な要因から送風圧は上昇するが、周波数解析することにより、送風圧上昇の原因が出銑周期に関連することが分かり、これにより炉内溶融物レベル上昇が原因であるか否かを判定することができることが分かった。

高炉は昼夜を問わず操業される連続生産設備であるが、操業データの周期性に関しては注目されていなかった。しかしながら、これらの結果から、高炉で得られる連続データを周波数解析することにより、そのデータに強く影響している操業因子を推定可能である事がわかった。上記においては、炉内溶融物の排出周期に関する周期性について検討したが、高炉操業に存在する周期性としては、装入周期、出銑周期、熱風炉切り替え周期、季節変動（外気温、湿度、原料への降雨などによる）、交代勤務に伴う操業者依存、定期修繕にともなう設備改善、原料貯槽高さ変動に伴う原料粒径変動、などの様々な因子が挙げられる。送風温度や羽口温度などをふくめた連続計測データを周波数解析することにより、そのとき当該データに最も強く影響を及ぼす因子を特定可能である。

以上のことから、本発明では、炉下部から空気を送風し、炉上部から原料を装入することにより、溶融金属を生産する高炉等の竪型炉において、連続計測可能なデータを周波数解析して、出銑滓などの他の周期性と照合することで、連続計測可能なデータの変化の主要因を容易に推定できる。すなわち、連続計測可能な操業データを周波数解析し、該周波数解析で得られる周波数分布のピーク値に対応する周期性を有する他の操業条件を当該竪型炉の操業不調の原因として特定し、操業不調の原因を除去するように操業条件を調整する。

常時測定可能な、連続計測可能なデータとしては、例えば、排ガス温度、炉体を含めた設備温度、製品である溶融金属温度等の温度、送風圧、炉内壁での圧力等の圧力、炉内堆積表面の降下速度等の変位を挙げることができる。

また、照合する周期性のある操業因子としては、装入周期、出銑周期、熱風炉切り替え周期、外気温、湿度、原料への降雨などによる季節変動、交代勤務に伴う操業者依存、定期修繕にともなう設備改善、原料貯槽高さ変動に伴う原料粒径変動などの様々な因子が挙げられる。

したがって、たとえば、送風圧または炉下部に取り付けた圧力計の周波数解析を行い、その周波数分布から溶融物排出周期と装入周期に対応する周波数成分が増加した場合、それぞれ炉内溶融物と装入物が竪型炉不調原因と特定する。

また、羽口先温度計の測定データの周波数解析を行い、その周波数分布が溶融物排出周期に対応する周波数成分が増加した場合、炉内の溶融物レベルが上昇していると判断することができ、羽口先温度の測定を炉内溶融物レベル検知方法として用いることができるとともに、炉内の溶融物レベルが竪型炉不調原因として早期に特定して、炉内溶融物レベルを調整する操業を行なうことができる。

２本の出銑口を有し、出銑滓は交互出銑のみを実施、送風圧が単純にある一定の管理値以上になった場合に減産する操業を行なっていた容積５０００ｍ³の高炉において、本発明を適用した操業試験を行なった。

具体的には送風圧の周波数解析を行い、溶融物排出周期の周波数における強度が高い場合は、通常１本の出銑口を、臨時に２本に変更した。また、装入周期の周波数における強度が高い場合は、焼結鉱の粒径アップ（篩目変更）や、塊鉱石を減らして、焼結鉱を増やすなどの原料品質改善を行った。周波数分布に変化が見られないのに送風圧が上昇した場合は、コークスの粒径アップや強度アップあるいは微粉炭吹込み比を減らしてコークス比をアップすることで対応した。管理値圧は参考とした。

また、羽口先温度計で測定した羽口先温度についても周波数解析を行い、溶融物排出周期の周波数における強度が高い場合は、通常１本の出銑口を、臨時に２本にした。

上記のような操業を１年間おこない、炉況の悪化の原因を早期に特定して対策を講じることで、出来うる限り減産を回避した。図７に本発明適用前に、図８に本発明適用後に発生した減産理由とその回数を示す。

図７と図８とを比較すると、本発明を適用することで高炉の不調原因を早期に特定でき、大幅に減産頻度を低減できたことが分かる。

竪型炉（高炉）の一例の模式図。 羽口先温度と送風圧力の時間変化を示すグラフ。 炉内状況の説明図（溶融物レベル低）。 炉内状況の説明図（溶融物レベル高）。 羽口先温度の周波数解析結果を示すグラフ。 送風圧の周波数解析結果を示すグラフ。 減産理由を示すグラフ（本発明適用前）。 減産理由を示すグラフ（本発明適用後）。

符号の説明

１ 炉体
２ 原料堆積面
３ 炉内充填層（装入物）
４ 炉頂排ガス
５ 煉瓦
６ 羽口
７ 溶融金属
８ 導圧管
９ 導圧管
１０ 溶融物
１１ 空気および／または酸素
１２ 送風機
１３ 熱風炉
１４ 熱風
１５ レースウェイ
１６ 羽口先温度計
１７ ガス流れ
１８ 溶融物（貯銑滓）

Claims (3)

1. 炉下部から空気を送風し、炉上部から原料を装入することにより、溶融金属を生産する竪型炉において、
   排ガス温度、炉体を含めた設備温度、溶融金属温度、送風圧、炉内壁での圧力、炉内堆積表面の変位のうちの少なくとも１つの連続計測可能な操業データを周波数解析し、
   該周波数解析で得られる周波数分布が、装入周期、出銑周期、熱風炉切り替え周期、季節変動、原料粒径変動のうちの少なくとも１つの操業因子の周期に対応するピークを有する操業条件を、前記竪型炉の操業不調の原因として特定し、
   前記操業不調の原因を除去するように前記操業条件を調整することを特徴とする竪型炉の操業方法。
2. 前記連続計測可能な操業データが送風圧であり、前記操業因子の周期が出銑周期であることを特徴とする請求項１に記載の竪型炉の操業方法。
3. 前記連続計測可能な操業データが送風圧であり、前記操業因子の周期が装入周期であることを特徴とする請求項１に記載の竪型炉の操業方法。

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