JP5547117B2

JP5547117B2 - 耐火物残厚評価方法

Info

Publication number: JP5547117B2
Application number: JP2011045922A
Authority: JP
Inventors: 政克丸山; 知多佳真鍋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: JP2012181164A

Description

本発明は、高炉炉底部などにおける耐火物残厚を評価するための方法に関する。

従来から、高炉の耐火物残厚の測定には、熱電対法が広く用いられている。たとえば、特許文献１（特に図２）では、耐火物中に厚み方向にずらして埋設した２つの熱電対の温度を測定し、その温度差から熱伝導方程式を解くことで、前記耐火物残厚を算出する方法が提案されている。

しかしながら、この熱電対による残厚測定法は、あまり精度が良くない（図３）ことに加え、温度分布が定常でなければ測定できないので、炉内で溶銑が流動している状態では、正確な測定が困難であるという問題がある。

そこで、特許文献２には、高炉炉底部の耐火物内に埋設した電極と、出銑樋中の溶銑に浸漬した電極との間で形成される回路の電気抵抗値の変化から、耐火物の侵食を測定する方法が提案されている。

特開昭６３−２９５９０９号公報特開昭５９−１８５７１３号公報

しかしながら、出銑樋中の溶銑に浸漬した電極は、測定中に激しく溶損されてゆくので、安定な計測および連続測定が困難であるという問題がある。さらに、鋳床で溶銑に電極を浸漬させて電気抵抗を測定するためには、大掛かりな駆動装置が必要となる。

本発明の目的は、操業中の高炉の耐火物残厚を、炉外から、安定に連続測定できる耐火物残厚評価方法を提供することである。

本発明の耐火物残厚評価方法は、高炉の耐火物による壁面の外側から、複数の電極を既知の位置に埋設し、前記複数の電極の内、任意に対を成す電極間に形成される電気回路の電気抵抗をそれぞれ測定し、前記任意の対の測定結果、ならびに既知の耐火物および溶銑の比電気抵抗、および前記既知のその測定に使用した電極の埋設位置の情報から成る関係式の連立方程式を解くことで、前記電気回路を形成した箇所の電極埋設部の耐火物残厚を換算することを特徴とする。

上記の構成によれば、高炉における炉底部などの耐火物（煉瓦）の残厚を測定するにあたって、その耐火物による壁面内で、円筒状の炉の同じ水平断面の一直径線上の位置などに、対を成す電極を埋設し、それら一対の電極間に形成される電気回路の電気抵抗を測定する。ここで、前記耐火物（煉瓦）は、絶縁体に近く、溶銑も、導電体ではあるものの、その抵抗値は高い。したがって、前記電気回路は、一対の電極から炉内へは、その壁面の厚み方向の最短経路で形成され、炉内でも、溶銑内を最短経路で形成されることが多い。

したがって、測定結果の電気抵抗値に対して、既知の耐火物（煉瓦）および溶銑の比電気抵抗と、電極先端間距離とから、前記耐火物（煉瓦）と溶銑とはそれぞれどれだけの割合になるかを算出し、求めた耐火物（煉瓦）の抵抗値を１／２した値（両方の壁が均等に減っているという推定で）は、前記電気回路を形成した箇所の電極埋設部の耐火物残厚にほぼ対応しており、その抵抗値から残厚を換算することができる。

具体的には、一対の電極ｍ，ｎを、共通の水平断面上で、炉の一直径線上に配置し、前記電極先端間距離をＬ、耐火物（カーボン煉瓦）および溶銑の比電気抵抗をそれぞれρｃ，ρｉ、電極ｍ埋設部の耐火物残厚をＬｍ、電極ｎ埋設部の耐火物残厚をＬｎ、炉の実際の内径、すなわち溶銑部距離をＬｍｎ、測定値をＲｍｎとするとき、
Ｌｍ＋Ｌｎ＋Ｌｍｎ＝Ｌ・・・（１）
ρｉ×Ｌｍｎ＋ρｃ×（Ｌｍ＋Ｌｎ）＝Ｒｍｎ・・・（２）
ただし、
ρｉ＝８．７１×１０^８（ｏｈｍ−ｃｍ）
ρｃ＝１３７５×１０^８（ｏｈｍ−ｃｍ）
である。

そして、操業を続ける程に、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎは小さくなり、反対に溶銑部距離Ｌｍｎは大きくなる。しかしながら、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎは数十ｃｍで、溶銑部距離Ｌｍｎは十数ｍあり、数％にしか過ぎず、しかも上記のように耐火物の比電気抵抗は溶銑の比電気抵抗よりも１５０倍近くも大きいので、溶銑部距離Ｌｍｎは、電極先端間距離Ｌとともに、一定と考えることができる。さらに、簡略的に、
Ｌｍ＝Ｌｎ
から、Ｌｍ，Ｌｎを求める。

これによって、操業中の高炉の耐火物残厚を、炉外から連続測定でき、操業の安定化を図ることができる。また、温度分布やその定常／非定常に関わらず、耐火物の物理形状により決まる電気回路の電気抵抗によって、安定に耐火物残厚を評価することができる。さらにまた、電極を溶銑に浸漬する必要がないことから、安定かつ連続的に耐火物の評価が可能で、大掛かりな駆動装置も必要がない。

上記の構成によれば、高炉における炉底部などの耐火物（煉瓦）の残厚を測定するにあたって、その耐火物による壁面の外側から、複数の電極を埋設し、かつその複数の電極それぞれの埋設位置の情報を予め入手しておき、例えば円筒状の炉の同じ水平断面の一直径線上に位置する電極など、任意の電極を一対で使用し、それら一対の電極間に形成される電気回路の電気抵抗を測定してゆく。ここで、上述のように、耐火物（煉瓦）の比電気抵抗ρｃは、銑鉄の比電気抵抗ρｉと比較すると、大きく異なる（約１５０倍）ので、前記電気回路は、一対の電極から炉内へは、その壁面の厚み方向の最短経路で形成され、炉内でも、銑鉄内を最短経路で形成される。

したがって、測定結果の電気抵抗値Ｒｍｎ、既知の耐火物（煉瓦）および溶銑の比電気抵抗ρｃ，ρｉ、および前記既知のその測定に使用した電極の埋設位置の情報から成る関係式（２）をマトリクス演算、すなわち総ての電極の組み合わせに対して前記電気抵抗値Ｒｍｎを計測し、得られた式（２）の連立方程式を解くことで、前記電気回路を形成した箇所の電極埋設部の耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを換算することができる。これによって、操業中の高炉の各部における耐火物残厚を、炉外から連続測定でき、操業の安定化を図ることができる。

さらにまた、本発明の耐火物残厚評価方法では、前記対を成す電極は、円筒状の炉の同じ水平断面の一直径線上に配置されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記電極先端間距離Ｌ、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎ、炉内径Ｌｍｎの各パラメータを正確に設定することができ、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを高い精度で求めることができる。

また、本発明の耐火物残厚評価方法では、前記電極は、耐火物に埋設されている温度測定用の熱電対の測温部であることを特徴とする。

上記の構成によれば、上述のような耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎの評価を、熱電対の埋設された既存の高炉で実現することができ、コストダウンを図ることができる。すなわち、炉底部など、操業を開始したら電極を設置できない箇所の残厚評価も行うことができる。また、本発明と、熱電対の測定結果から前記残厚Ｌｍ，Ｌｎを推定する熱電対法とを併用することで、前記熱電対法で誤差要因となる溶銑の流れや温度分布による誤差を改善し、測定精度を向上することができる。

さらにまた、本発明の耐火物残厚評価方法では、前記熱電対にて測定した温度を用いて、耐火物および溶銑の比電気抵抗の補正を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、熱電対で測定した電極付近の温度から、前記比電気抵抗ρｃ，ρｉの温度依存についても補正することが可能となり、測定精度を向上することができる。

本発明の耐火物残厚評価方法は、以上のように、高炉における炉底部などの耐火物（煉瓦）の残厚を測定するにあたって、その耐火物による壁面の外側から対を成す電極を埋設し、それら一対の電極間に形成される電気回路の電気抵抗を測定し、その抵抗値から残厚を換算する。

それゆえ、操業中の高炉の耐火物残厚を、炉外から連続測定でき、操業の安定化を図ることができる。また、温度分布やその定常／非定常に関わらず、耐火物の物理形状により決まる電気回路の電気抵抗によって、安定に耐火物残厚を評価することができる。さらにまた、電極を溶銑に浸漬する必要がないことから、安定かつ連続的に耐火物の評価が可能で、大掛かりな駆動装置も必要がない。

本発明の実施の一形態に係る耐火物残厚評価方法を説明するための図である。図１で示す評価方法が適用される高炉の炉底部の模式的な断面図である。本発明の実施の他の形態に係る耐火物残厚評価方法を説明するための図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の一形態に係る耐火物残厚評価方法を説明するための図であり、図２はその評価方法が適用される高炉１の炉底部２の模式的な断面図である。先ず、図２を参照して、図２（ａ）は前記炉底部２の水平断面図であり、図２（ｂ）は前記炉底部２の鉛直断面図である。高炉１の頂部からは、鉄鉱石などの金属原料や、コークスなどの燃料を兼ねる還元剤などが投入され、前記炉底部２には溶銑３が貯留されている。その炉底部２を構成する耐火物（カーボン煉瓦）から成る側壁２ａおよび底壁２ｂの残厚を測定するために、本発明の残厚評価方法が使用される。

前記炉底部２には、複数の熱電対４が埋込まれており、その測定結果から、図示しない測定装置は、たとえば前記特許文献１で示すようにして、広く用いられている熱電対法で、前記耐火物残厚の測定を行う。すなわち、測定装置は、深さの異なる２つの熱電対の測定結果から温度勾配を求め、その温度勾配と溶銑３の温度とから、残厚を推定している。しかしながら、その熱電対法では、炉内の温度分布や、その温度分布が定常／非定常であるかによって、常時安定に耐火物残厚を評価することができない。そこで、その複数の熱電対４を流用して、本発明の評価方法では、前記炉底部２の残厚を測定する。

図１（ａ）は前記炉底部２の側壁２ａに対する残厚測定の原理を説明するための図であり、図１（ｂ）はその測定時の模式的な等価回路図である。本実施の形態では、前記複数の熱電対４を電極として用い、それらの電極の内、任意の２つを対として用いて、その２つの電極間の電気抵抗を測定することで前記残厚を推定する。図１（ａ）は、円筒状の前記炉底部２において、同じ水平断面の一直径線上に位置する熱電対４を用いた測定例を示している。そして、その一対の熱電対４を電極ｍ，ｎとし、電極ｍ埋設部の耐火物抵抗値をｒｍ、電極ｎ埋設部の耐火物抵抗値をｒｎ、溶銑部の抵抗値をｒｍｎ、抵抗計５による測定値をＲｍｎとすると、
ｒｍ＋ｒｎ＋ｒｍｎ＝Ｒｍｎ・・・（３）
である。

一方、電極先端間距離をＬ、電極ｍ埋設部の耐火物残厚をＬｍ、電極ｎ埋設部の耐火物残厚をＬｎ、炉の実際の内径、すなわち溶銑部距離をＬｍｎとすると、
Ｌｍ＋Ｌｎ＋Ｌｍｎ＝Ｌ・・・（１）
である。また、耐火物（カーボン煉瓦）および溶銑３の比電気抵抗をそれぞれρｃ，ρｉとすると、上式（３）は、
ρｉ×Ｌｍｎ＋ρｃ×（Ｌｍ＋Ｌｎ）＝Ｒｍｎ・・・（２）
と表すことができる。ただし、
ρｉ＝８．７１×１０^８（ｏｈｍ−ｃｍ）
ρｃ＝１３７５×１０^８（ｏｈｍ−ｃｍ）
である。

そして、操業を続ける程に、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎは小さくなり、反対に溶銑部距離Ｌｍｎは大きくなる。しかしながら、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎは数十ｃｍで、溶銑部距離Ｌｍｎは１０ｍ近くもあり、数％にしか過ぎず、しかも上記のように耐火物の比電気抵抗は溶銑の比電気抵抗よりも１５０倍近くも大きいので、溶銑部距離Ｌｍｎは、電極先端間距離Ｌとともに、一定と考えることができる。さらに、簡略的に、
Ｌｍ＝Ｌｎ
とできる場合、上式（１），（２）から、残厚Ｌｍ，Ｌｎを求めることができる。たとえば、高炉１の新設時において、側壁２ａの厚みは５０ｃｍ程度であり、炉の内径Ｌｍｎは十数ｍであり、残厚Ｌｍ，Ｌｎは数十ｃｍであり、操業末期には、残厚Ｌｍ，Ｌｎは０ｃｍに近くなる。なお、前記比電気抵抗ρｃ，ρｉならびに電極先端間距離Ｌおよび溶銑部距離Ｌｍｎは、不変の既知の値であるので、予め代表的な測定値Ｒｍｎに対する残厚Ｌｍ，Ｌｎを求めて、演算処理装置６にテーブルとして格納しておくことで、測定者が抵抗計５で測定値Ｒｍｎを求めると、前記演算処理装置６のテーブルを参照して、また演算処理装置６が適宜補間演算を行うことで、対応する残厚Ｌｍ，Ｌｎを、直ちに求めることができる。

ところで、上述の説明では、電極ｍ，ｎとして用いる熱電対４は、円筒状の炉の同じ水平断面の一直径線上の位置に設けられている。その場合、前記電極先端間距離Ｌ、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎ、炉内径Ｌｍｎの各パラメータを正確に設定することができ、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを高い精度で求めることができる。

しかしながら、前記電極ｍ，ｎは、たとえば図２（ａ）において破線で示すように、直径位置からずれたり、或いは上下方向にずれたり、さらには側壁２ａと底壁２ｂとに設ける等、任意の箇所に設けられてもよい。それは、耐火物（煉瓦）から成る炉底部２の比電気抵抗ρｃは、銑鉄の比電気抵抗ρｉと比較すると、大きく異なる（約１５０倍）ので、前記電気回路は、一対の電極ｍ，ｎから炉内へは、その壁２ａ，２ｂの厚み方向の最短経路で形成されるからである。勿論、炉内でも、溶銑３内で、前記電気回路は最短経路で形成される。

その場合、前記電極先端間距離Ｌは、構造的に分っている一対の電極ｍ，ｎの位置情報からおおよそ求められるが、一対の電極ｍ，ｎが一直径線上にない場合、および一直径線上にあっても上下にずれている場合、上述のように、耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎの違いによって、実際に形成される電気回路の経路は異なり、正確には、前記残厚Ｌｍ，Ｌｎと溶銑部距離Ｌｍｎとの割合に応じて決定されることになる。しかしながら、前述のように耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎが数十ｃｍであるのに対し、溶銑部距離Ｌｍｎは十数ｍであるので、残厚Ｌｍ，Ｌｎが電極先端間距離Ｌに占める割合は数％と低く、しかも上記のように耐火物（カーボン煉瓦）の比電気抵抗ρｃと溶銑３の比電気抵抗ρｉとは１５０倍以上異なるので、溶銑部距離Ｌｍｎはほぼ一定と見なしてもよい。

このように本実施の形態では、高炉１における炉底部２などの耐火物（煉瓦）の残厚Ｌｍ，Ｌｎを測定するにあたって、その耐火物による壁面２ａ，２ｂ内に対を成す電極ｍ，ｎを埋設し、それら一対の電極ｍ，ｎ間に形成される電気回路の電気抵抗Ｒｍｎを測定する。したがって、測定結果の電気抵抗値Ｒｍｎに対して、既知の耐火物（カーボン煉瓦）および溶銑３の比電気抵抗ρｃ，ρｉと、電極先端間距離Ｌや構造上の電極ｍ，ｎの位置情報とから、前記耐火物（煉瓦）と溶銑３とはそれぞれどれだけの割合になるかを算出し、求めた耐火物（煉瓦）の抵抗値ｒｍ＋ｒｎを１／２した値（両方の壁が均等に減っているという推定で）は、前記電気回路を形成した箇所の電極埋設部の耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎにほぼ対応しており、その抵抗値ｒｍ＋ｒｎから残厚Ｌｍ，Ｌｎを換算することができる。

これによって、操業中の高炉１の耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを、炉外から連続測定でき、操業の安定化を図ることができる。また、温度分布やその定常／非定常に関わらず、耐火物の物理形状により決まる電気回路の電気抵抗によって、安定に耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを評価することができる。さらにまた、電極を溶銑に浸漬する必要がないことから、安定かつ連続的に耐火物の評価が可能で、大掛かりな駆動装置も必要がない。

また、前記電極ｍ，ｎには、耐火物に埋設されている温度測定用の熱電対４の測温部を用いることで、上述のような耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎの評価を、熱電対４の埋設された既存の高炉１で実現することができ、コストダウンを図ることができる。すなわち、炉底部２など、操業を開始したら電極ｍ，ｎを設置できない箇所の残厚評価も行うことができる。さらにまた、熱電対４で測定した電極ｍ，ｎ付近の温度から、前記比電気抵抗ρｃ，ρｉについても補正することが可能となり、測定精度を向上することができる。また、本発明と、熱電対４の測定結果から前記残厚Ｌｍ，Ｌｎを推定する熱電対法とを併用することで、前記熱電対法で誤差要因となる溶銑３の流れや温度分布による誤差を改善し、精度を向上することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の他の形態では、前述の図１や図２で示す構成を用いるものとする。ただし、電極ｍ，ｎとしては複数の熱電対４の対を用い、抵抗計５による測定値Ｒｍｎを演算処理装置６に順次取込んでゆき、前記式（２）を連立方程式として、それを解くことで、炉底部２の各部の耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを求めることを特徴とする。抵抗計５は、熱電対４からの配線が集まるオペレーションルームなどにおいて、任意の対の熱電対４に順次接続される。演算処理装置６は、その測定値Ｒｍｎを順次取込んでゆき、予め分っている選択した熱電対４の位置情報と合わせて、各部の耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを、前記式（２）の連立方程式を解くことで求めてゆく。

たとえば、水平断面で、図３のような炉底部２を考える。この図３の例は、４本のプローブＰ１〜Ｐ４を備え、一対のプローブＰ１，Ｐ３を一直径線上に、もう一対のプローブＰ２，Ｐ４を前記プローブＰ１，Ｐ３とは直交する直径線上に配置している。したがって、プローブＰ１，Ｐ３間の距離Ｌ１３とプローブＰ２，Ｐ４間の距離Ｌ２４とは相互に等しく、電極先端間距離Ｌとなる。また、隣接するプローブＰ１，Ｐ２；Ｐ２，Ｐ３；Ｐ３，Ｐ４；Ｐ４，Ｐ１間の各距離Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４，Ｌ４１は相互に等しく、（√２／２）Ｌである。

そして、各プローブＰ１〜Ｐ４での耐火物残厚をＬ１〜Ｌ４とすると、総てのプローブＰ１〜Ｐ４の組合わせでの抵抗値の測定結果Ｒは、下記の通りとなる。
ρｉ×Ｌ１２＋ρｃ×（Ｌ１＋Ｌ２）＝Ｒ１２
ρｉ×Ｌ１３＋ρｃ×（Ｌ１＋Ｌ３）＝Ｒ１３
ρｉ×Ｌ１４＋ρｃ×（Ｌ１＋Ｌ４）＝Ｒ１４
ρｉ×Ｌ２３＋ρｃ×（Ｌ２＋Ｌ３）＝Ｒ２３
ρｉ×Ｌ２４＋ρｃ×（Ｌ２＋Ｌ４）＝Ｒ２４
ρｉ×Ｌ３４＋ρｃ×（Ｌ３＋Ｌ４）＝Ｒ３４

この内、前記耐火物および溶銑３の比電気抵抗ρｃ，ρｉ、ならびに構造的に決まる距離Ｌ１３，Ｌ２４；Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４，Ｌ４１は不変の既知の値であり、測定結果Ｒ１３，Ｒ２４；Ｒ１２，Ｒ２３，Ｒ３４，Ｒ４１も既知の値であるので、上記連立方程式を解くことで、４つの未知の耐火物残厚Ｌ１〜Ｌ４を求めることができる。

以上のように、本実施の形態の耐火物残厚評価方法では、高炉１における炉底部２などの耐火物（煉瓦）の残厚Ｌｍ，Ｌｎを測定するにあたって、その耐火物による壁面２ａ，２ｂ内に複数の電極（熱電対４）を埋設し、かつその複数の電極（熱電対４）それぞれの埋設位置の情報を予め入手しておき、それらの電極（熱電対４）の内の任意の電極ｍ，ｎを一対で使用し、それら一対の電極間ｍ，ｎに形成される電気回路の電気抵抗を測定してゆく。したがって、測定結果の電気抵抗値Ｒｍｎ、既知の耐火物（カーボン煉瓦）および溶銑３の比電気抵抗ρｃ，ρｉ、および前記既知のその測定に使用した電極ｍ，ｎの埋設位置の情報から得られる前記式（２）の関係式をマトリクス演算、すなわち総ての電極の組み合わせに対してＲｍｎを計測し、得られた式（２）の連立方程式を解くことで、前記電気回路を形成した箇所の電極埋設部の耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを換算することができる。これによって、操業中の高炉１の各部における耐火物残厚Ｌｍ，Ｌｎを、炉外から連続測定でき、操業の安定化を図ることができる。

１高炉
２炉底部
２ａ側壁
２ｂ底壁
３溶銑
４熱電対
５抵抗計
６演算処理装置
ｍ，ｎ；Ｐ１〜Ｐ４電極

Claims

高炉の耐火物による壁面の外側から、複数の電極を既知の位置に埋設し、
前記複数の電極の内、任意に対を成す電極間に形成される電気回路の電気抵抗をそれぞれ測定し、
前記任意の対の測定結果、ならびに既知の耐火物および溶銑の比電気抵抗、および前記既知のその測定に使用した電極の埋設位置の情報から成る関係式の連立方程式を解くことで、前記電気回路を形成した箇所の電極埋設部の耐火物残厚を換算することを特徴とする耐火物残厚評価方法。
前記対を成す電極は、円筒状の炉の同じ水平断面の一直径線上に配置されることを特徴とする請求項１記載の耐火物残厚評価方法。
前記電極は、耐火物に埋設されている温度測定用の熱電対の測温部であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐火物残厚評価方法。
前記熱電対にて測定した温度を用いて、耐火物および溶銑の比電気抵抗の補正を行うことを特徴とする請求項３記載の耐火物残厚評価方法。