JP5895505B2 - 高炉の炉頂ガス圧力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の炉頂ガス圧力制御方法、特に、従来のフィードバック制御に比べ、より高い精度で炉頂ガスの圧力制御を行うことができる炉頂ガス圧力制御方法に関する。

高炉では、鉄鉱石の還元反応を促進するため、炉内ガス圧力を数百kPaまで高めた高圧操業が行われる。このとき、高炉内での反応を安定的に行うためには、炉内圧力を制御する必要がある。ここで、炉内には鉄鉱石やコークス等の充填物があり、高炉の上下方向で圧力勾配があることから、炉頂ガス圧力を制御することで、炉内圧力の制御を行うことが一般的である。また、炉頂ガス圧力の調整については、高炉炉頂ガスフローの経路中に設けられたセプタム弁等の圧力調整手段によって行われている。

なお、炉頂ガスの圧力調整については、上記のセプタム弁以外にも、炉頂ガスを水洗浄する湿式徐塵器であるリングストリングワッシャ（ＲＳＷ）のエレメントの開度を駆動シリンダによって調整することもでき、また、ガスフロー中に炉頂タービンを設置し、炉頂発電を行っている場合には、タービンの調整（静翼の角度調整や、前圧制御弁の弁開度調整）などによっても行うことができる。

従来、炉内圧力の制御については、高炉の炉頂ガス圧力の測定値と、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値との比較によって得られた結果に基づくフィードバック制御を一般的に採用している。ただし、従来のフィードバック制御では、いわゆる「吹抜け」等の高炉操業の異常時に、炉頂ガス圧が急激に上昇し、炉頂ガス圧力の調整が間に合わず、高い精度で炉内圧力を制御することができないという問題があった。その結果、保護装置である炉頂ブリーダ弁が作動して発煙を生じるという問題を引き起こし、さらに、炉頂ブリーダ弁の作動にとどまらず、原料装入装置の安全弁が作動する場合もあり、環境・設備へのダメージを発生させてしまうおそれがあった。

そのため上記問題を解決すべく、基本的なフィードバック制御に、所定の補正演算を付加する技術が開発されている。
例えば特許文献１では、炉頂ガス圧力測定手段と、該炉頂ガス圧力測定手段で測定した炉頂ガス圧力測定値を入力とし、予め設定した炉頂ガス圧力設定値と比較して炉頂ガス圧力制御信号を出力する炉頂ガス圧力調節器と、シャフト部ガス圧力測定手段と、該シャフト部ガス圧力測定手段で測定したシャフト部ガス圧力測定値を入力として炉頂ガス圧力補正信号を出力する補正演算器と、前記炉頂ガス圧力制御信号に前記炉頂ガス圧力補正信号を加算して補正する加算器と、該加算器で加算して補正された信号を入力として炉頂ガス圧力制御手段の制御信号を出力する炉頂ガス圧力制御手段調節器と、を有することを特徴とする高炉の炉頂ガス圧力制御装置が開示されている。

また、基本的なフィードバック制御に加えて、原料装入シーケンスに基づく装入開始タイミング信号による補正演算を実施する技術が開発されている。
例えば特許文献２では、高炉への原料シーケンス内の信号により一定のタイミングをとり、弁開度信号発生器を介してセプタム弁もしくは該セプタム弁と直列又は並列に設置した可変絞り機構を予測制御することを特徴とする高炉炉頂ガス圧力の制御方法が開示されている。
さらに、特許文献３では、高炉の炉頂圧力を、炉頂ガスにより発電する炉頂圧発電機と、該炉頂圧発電機と並列に設けられたセプタム弁により制御する際に、高炉原料の装入時に、炉頂圧力が変動しないよう、前記炉頂圧発電機側をフィードフォワード制御することを特徴とする高炉の炉頂圧力制御方法が開示されている。

特開２００１−３１６７０８号公報 特公昭５５−１６２０４号公報 特開２００７−２５４７６９号公報

ただし、特許文献１〜３の技術では、いずれも、原料装入動作に伴う炉頂ガスの圧力変動に十分対応できるものではなかった。

すなわち、本発明者らは、原料装入動作に伴う炉頂ガス圧力の変動について詳細に検討し、主に２つの要因によって発生することに着目した。１つは、高炉内に装入する原料に応じた炉頂ガス圧力の変動であり、もう１つは、原料を装入する際に、炉頂に設置されている原料バンカーと高炉とが弁の開動で通じ、該原料バンカー内圧力と前記炉頂ガス圧力との差に起因して生じる圧力変動である。

前者の炉内圧力の変動については、原料の種類や重量から、演算により圧力の変動を適切に予測できれば、特許文献１〜３の技術によって対応することが可能であることがわかった。
しかしながら、後者の炉内圧力の変動については、特許文献１〜３のいずれの技術においても考慮されていなかった。通常、高炉炉頂の原料バンカーから炉内に原料を装入する際には、原料バンカー内の圧力を炉頂ガス圧力と同一にする「均圧」という作業が行われるが、厳密に同一圧力にすることは困難であるため、±数kPa程度以上の差圧が存在し、従来技術ではこの圧力変動を加味した形で制御を行えないことがわかった。

本発明は、上記問題に鑑み開発されたものであって、従来のフィードバック制御に比べ、より高い精度で炉頂ガスの圧力制御を行うことができる、炉頂ガス圧力制御方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、高炉の炉頂ガス圧力の測定値と、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値との比較によるフィードバックする制御に加えて、上記２つの要因によって発生する炉頂ガス圧力変動を考慮した圧力制御を行うと、より高い精度で炉頂ガスの圧力制御が実現することを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明は、上記知見に基づき開発されたもので、その要旨構成は以下の通りである。
（１）高炉の炉頂ガス圧力の測定値と、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値との比較結果に基づいて、前記炉頂ガスの圧力制御を行うことに加え、前記高炉内に装入する原料の種類及び質量から算出された炉頂ガス圧力の変動幅、及び、原料を前記高炉内へ装入するため、原料を格納した原料バンカーから該原料を装入する際に、該原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅を予測し、該予測値に基づく圧力制御を行うことを特徴とする高炉の炉頂ガス圧力制御方法。

（２）前記原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅は、前記原料装入前の、炉頂ガス圧力の測定値、原料バンカー内圧力の測定値及び原料バンカー内ガス容積から算出されることを特徴とする上記（１）に記載の高炉の炉頂ガス圧力制御方法。

（３）前記炉頂ガス圧力制御における炉頂ガス圧力調整の手段は、前記高炉の炉頂と直接又は管を通じて接続された、セプタム弁、炉頂ブリーダ弁、リングスリットワッシャ（ＲＳＷ）及び炉頂圧タービンのうちの少なくとも１つであることを特徴とする上記（１）に記載の高炉の炉頂ガス圧力制御方法。

本発明によれば、従来のフィードバック制御に比べ、より高い精度で炉頂ガスの圧力制御を行うことができる炉頂ガス圧力制御方法を提供することが可能となる。

本発明に従う炉頂ガス圧力制御方法を説明するため、高炉及びその周辺設備について模式的に示した図である。 各圧力調整手段を模式的に示した図である。 (ａ)は、実施例及び比較例について、経過時間と炉頂ガス圧力との関係を示した図であり、(ｂ)は、経過時間と炉頂バンカー内圧力との関係を示した図である。

以下、本発明を、図面を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明に従う炉頂ガス圧力制御方法を説明するため、高炉及びその周辺設備について模式的に示した図である。

本発明による高炉の炉頂ガス圧力制御方法は、高炉の炉頂ガス圧力の測定値と、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値との比較結果に基づいて、前記炉頂ガスの圧力制御を行うことに加え、前記高炉内に装入する原料に応じた炉頂ガス圧力の変動幅、及び、原料を前記高炉内へ装入するため、原料を格納した原料バンカーから該原料を装入する際に、該原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅を予測し、該予測値に基づく圧力制御を行うことを特徴とするものであり、各工程について以下に詳しく説明する。

（測定値と目標値との比較結果に基づく圧力制御）
本発明による高炉の炉内ガス圧力制御方法は、高炉の炉頂ガス圧力の測定値と、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値との比較結果に基づく制御、つまりフィードバック制御を行う。この制御によって、前記目標値と前記測定値との間に生じる圧力差を埋めるような圧力制御が可能となる。

ここで、前記炉頂ガス圧力の測定については、図１に示すように、高炉１に設けられた炉頂ガス圧力計３によって行うことができる。また、前記炉頂ガス圧力の目標値については、高炉１に装入する原料の種類や重量等によって適宜設定することができる。

前記フィードバック制御は、図１に示すように、前記炉頂ガス圧力計３によって測定した炉頂ガス圧力の測定値９を、炉頂ガス圧力調節器４へと送り、該炉頂ガス圧力調節器４によって、目標値８との比較が行われる。その後、比較結果に基づいて、図１に示すように、前記炉頂ガス圧力調節器４から炉頂ガス圧力調節器制御出力１０を加算器１３へとフィードバックすることで行われる。
例えば、目標値８に比べて測定値９が低い場合には、高炉１の炉頂ガス圧力が高くなるように前記炉頂ガス圧力調節器制御出力１０をフィードバックし、一方、目標値８に比べて測定値９が高い場合には、高炉１の炉頂ガス圧力が低くなるように前記炉頂ガス圧力調節器制御出力１０をフィードバックする。その後、フィードバックの結果に基づいて、セプタム弁６の開閉などの炉頂ガスの圧力調整が行われる。

（予測値に基づく圧力制御）
本発明による高炉の炉頂ガス圧力制御方法は、上記のいわゆるフィードバック制御に加えて、前記高炉内に装入する原料に応じた炉頂ガス圧力の変動幅、及び、原料を格納した原料バンカーから該原料を装入する際に、該原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅を予測し、該予測値に基づいて圧力制御を行う。
これによって、従来のフィードバック制御では達成できなかった炉頂ガス圧力の変動幅の予測値に基づくいわゆるフィードフォワード制御ができる結果、より炉頂ガス圧力の変動が小さく高精度な制御が可能となる。

ここで、前記高炉内に装入する原料に応じた炉頂ガス圧力の変動幅とは、前記高炉内に装入した原料の種類や体積、又は重量等の影響によって、前記高炉内の炉内圧力が変化する結果、予測される炉頂ガス圧力の変動幅のことをいう。
前記炉頂ガス圧力の変動幅の算出方法については、高い精度で算出できる方法であれば特に限定はしない。例えば、図１に示すように、演算器１２を用いて、前記装入原料の種類及び重量に基づいて算出することが可能である。演算器１２では、原料種別信号２３及び原料重量信号２４を取り込み、装入原料の種類の判別、またその重量から変化する（炉頂原料がバンカー内に装入される）体積量に基づいて変動幅を算出することができる。

前記高炉内に装入する原料に応じた炉頂ガス圧力の変動幅の算出の流れとしては、図１に示すように、原料バンカー２０に格納された原料の状態に基づいて原料装入制御装置２２から、原料種別信号２３及び原料重量信号２４を演算器１２へ送り、該演算器１２によって変動幅を算出する。
例えば、前記原料の種類及び重量から炉内へ投入する原料の体積が大きくなる場合、例えば、鉱石に比べコークスは体積が大きくなることから、コークスの場合には、炉頂ガス圧力が急激に高くなると予測され、原料の種類及び重量から上昇する圧力幅を算出する。一方、前記原料の種類及び重量から炉内へ投入する原料の体積が小さくなる場合、例えば鉄鉱石の場合には、炉頂ガス圧力上昇が小さいと予測され、原料の種類及び重量から上昇する圧力幅を算出する。

前記原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅とは、前記原料バンカーと前記高炉内とが、該バンカーの弁の開動作によって通じることにより両者の内圧差に起因して生じると予測される炉頂ガス圧力の変動幅のことである。
前記炉頂ガス圧力の変動幅の算出方法については、高い精度で算出できる方法であれば特に限定はしない。例えば、図１に示すように、演算器１２を用いて、前記原料装入前の、炉頂ガス圧力の測定値、原料バンカー内圧力の測定値及び原料バンカー内ガス容積に基づいて算出することが可能である。演算器１２では、前記原料種別信号２３及び前記原料重量信号２４に従って算出することができる。

前記原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅の算出の流れとしては、図１に示すように、前記原料投入前に、前記炉頂ガス圧力を前記炉頂ガス圧力計３によって測定し、前記原料バンカー２０内の圧力を前記炉頂バンカー圧力計１１によって測定し、前記原料バンカー２０内のガス容積を前記原料バンカー２０の容積、前記原料の種類及び重量、並びに、前記原料バンカー内の圧力から得た後、各取得値を前記演算器１２へと送り、該演算器１２によって変動幅を算出する。
例えば、前記原料バンカー２０の圧力が前記炉頂ガス圧力に比べて著しく低い場合には、炉頂ガス圧力の急激な低下が予測され、前記原料バンカー２０内の圧力と炉頂ガス圧力との差や、原料バンカー２０内のガス容積から予測される炉頂ガス圧力の変動幅を算出し、一方、前記原料バンカー２０の圧力と前記炉頂ガス圧力とがほとんど同じ場合には、炉頂ガス圧力の変動がほとんどないと予測され、それに応じた変動幅を算出する。

そして、前記演算器１２では、算出された各変動幅の予測値（前記装入原料に応じた炉頂ガス圧力の変動幅の予測値、及び、前記原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅の予測値）について、加算を行い、予測される炉頂ガス圧力変動幅を算出する。その後、前記演算器１２は、図１に示すように、前記予測した変動幅を変動幅出力１４として前記加算器１３へと送る。
そして、該加算器１３において、前記フィードバック制御によって得られた炉頂ガス圧力調節制御出力１０と、変動幅出力１４とを組み合わせることで、前記炉頂ガスの圧力制御を行うことができる。例えば、炉頂ガス圧力調節制御出力１０の結果のみでは、前記炉頂ガス圧力を下げるように制御する場合であっても、前記変動幅出力１４と組み合わせた結果、全体として前記炉頂ガス圧力を高めるように制御を行う場合もあるし、その逆の場合もあり得る。

（圧力調整手段）
本発明による炉頂ガスの圧力制御において、前記炉頂ガスの圧力調整を行う方法については、上述の制御の結果に基づいて高精度に圧力を調整できる方法であれば、特に限定はしない。例えば、図１に示すように、前記高炉１の炉頂と直接又は管を通じて接続された圧力調整手段（図１では、管を通じて接続されたセプタム弁６）によって行うことで、高精度の圧力調整が可能となる。

ここで、前記圧力調整手段として、図１に示すように、セプタム弁６を用いることが好ましい。なぜなら、高精度に炉頂ガスの圧力調整を行うことができるからである。前記セプタム弁６は、図１に示すようにセプタム弁制御装置５と接続されており、該セプタム弁制御装置５から送られる指示（前記炉頂ガス制御出力１０と前記演算器１２からの変動幅出力１４との加算結果に基づいた指示）によって、前記高炉１からのガスの流れ７を調整する。

また、前記圧力調整手段は、より高精度に圧力調整を行う点から、前記セプタム弁６に加えて、図２に示すような、炉頂ブリーダ弁１５、リングスリットワッシャ１７（ＲＳＷ）又は炉頂圧タービン２１を用いることができ、これらの圧力制御手段１５、１７、２１を組み合わせて用いることも可能である。

前記炉頂ブリーダ弁１５とは、図２に示すように、前記高炉１の上昇管２に付設され、前記炉頂ガス制御出力１０と前記演算器１２からの変動幅出力１４との加算結果に基づいて弁を開閉することで圧力の調整を行う。前記ＲＳＷ１７は、図２に示すように、前記高炉１と前記セプタム弁６との間に設けられ、前記炉頂ガスを水洗浄するとともに、炉頂ガスの流量の調整を図ることで、炉頂ガス圧力の調整を行う。前記炉頂圧タービン２１は、図２に示すように、前記セプタム弁６と並行して設けられ、タービンの回転数等を制御することによって、ガス流量の調整を図り、炉頂ガス圧力の調整を行う。

次に、実施例及び比較例により本発明の効果を説明するが、本実施例はあくまで本発明を説明する一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

（本発明例）
本発明例としては、図１に示すように、（１）炉頂ガス圧力計３によって測定した炉頂ガス圧力の測定値９を、炉頂ガス圧力調節器４へと送り、該炉頂ガス圧力調節器４によって、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値（280kPa）との比較結果に基づいて高炉１の炉頂ガスの圧力制御を行うことに加え、（２）原料バンカー２０に格納された原料（鉄鉱石、コークス、又は、鉄鉱石とコークスとの混合物）に基づいて原料装入制御装置２２から、原料種別信号２３及び原料重量信号２４を演算器１２へ送り、該演算器１２によって炉頂ガス圧力の変動幅Ａを予測し、前記原料投入前に、前記炉頂ガス圧力を前記炉頂ガス圧力計３によって測定し、前記原料バンカー２０内の圧力を前記炉頂バンカー圧力計１１によって測定し、前記原料バンカー２０内のガス容積を前記原料バンカー２０の容積、前記原料の種類（鉄鉱石、コークス、又は、鉄鉱石とコークスとの混合物）及び質量、並びに、前記原料バンカー内の圧力から得た後、各測定値及び得られた値を前記演算器１２に送へ送り、該演算器１２によって炉頂ガス圧力の変動幅Ｂを予測し、予測値（Ａ＋Ｂ）に基づく圧力制御を行う本発明の炉頂ガス圧力制御方法によって、目標値（280kPa）を維持するように炉頂ガス圧力の制御を行った。
なお、前記炉頂ガスの圧力調整については、図１に示すように、セプタム弁６を用いて調整し、前記高炉１の炉頂にある原料バンカー２０は３式ある。

（従来例）
（１）炉頂ガス圧力計３によって測定した炉頂ガス圧力の測定値９を、炉頂ガス圧力調節器４へと送り、該炉頂ガス圧力調節器４によって、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値（280kPa）との比較結果に基づいて高炉１の炉頂ガスの圧力制御を行った。なお、上記（２）の制御は行っていない。
なお、前記炉頂ガスの圧力調整については、図１に示すように、セプタム弁６を用いて調整し、前記高炉１の炉頂にある原料バンカー２０は３式ある。

（評価）
高炉内へ４度の原料装入（装入タイミングは図３(ｂ)中に矢印で示す。）を行った後、本発明例及び従来例のそれぞれについて、経過時間と炉頂ガス圧力（kPa）との関係を得た。得られた関係については図３(ａ)に示す。また、バンカー圧力計のタイムチャートを図３(ｂ)に示す。
図３(ａ)及び(ｂ)の結果から、従来の炉頂ガス圧力制御方法では、炉頂バンカーの装入開始に伴って炉内ガス圧力の上昇・下降が大きく発生したが（炉頂ガスの圧力変化で検出）、本発明にかかる炉頂ガス圧力制御方法（本発明例）では、従来のフィードバック制御（従来例）に比べて、目標値（280kPa）からの乖離が小さく、圧力の変動も小さいことから、安定した炉頂ガス圧力の制御が行えていることがわかった。

本発明によれば、従来のフィードバック制御に比べ、より高い精度で炉頂ガスの圧力制御を行うことができる炉頂ガス圧力制御方法を提供することが可能となり、高炉異常時の吹き抜け時にしばしば発生していた炉頂ガス圧力の急激な変動を解消することができる結果、炉頂ブリーダ弁が作動することもなくなり、高炉の炉頂での発煙や、環境・設備へのダメージの発生を解消できる点において高い産業上の利用可能性を有する。

１ 高炉
２ 上昇管
３ 炉頂ガス圧力計
４ 炉頂ガス圧力調節器
５ セプタム弁制御装置
６ セプタム弁
７ 炉頂ガスの流れ
８ 炉頂ガス圧力設定値（目標値）
９ 炉頂ガス圧力測定値
１０ 炉頂ガス圧力調節器制御出力
１１ 炉頂バンカー圧力計
１２ 演算器
１３ 加算器
１４ 変動幅出力
１５ 炉頂ブリーダ弁
１６ ダストキャッチャー
１７ リングスリットワッシャ
１８ エレメント
１９ エレメント駆動シリンダ
２０ 炉頂原料バンカー
２１ 炉頂圧タービン
２２ 原料装入制御装置
２３ 原料種別信号
２４ 原料重量信号

Claims (3)

1. 高炉の炉頂ガス圧力の測定値と、予め設定した炉頂ガス圧力の目標値との比較結果に基づいて、前記炉頂ガスの圧力制御を行うことに加え、
   前記高炉内に装入する原料の種類及び質量から算出された炉頂ガス圧力の変動幅、及び、原料を前記高炉内へ装入するため、原料を格納した原料バンカーから該原料を装入する際に、該原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅を予測し、該予測値に基づく圧力制御を行うことを特徴とする高炉の炉頂ガス圧力制御方法。
2. 前記原料バンカー内圧力と炉頂ガス圧力との差に起因して生じる炉頂ガス圧力の変動幅は、前記原料装入前の、炉頂ガス圧力の測定値、原料バンカー内圧力の測定値及び原料バンカー内ガス容積から算出されることを特徴とする請求項１に記載の高炉の炉頂ガス圧力制御方法。
3. 前記炉頂ガス圧力制御における炉頂ガス圧力調整の手段は、前記高炉の炉頂と直接又は管を通じて接続された、セプタム弁、炉頂ブリーダ弁、リングスリットワッシャ（ＲＳＷ）及び炉頂圧タービンのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の高炉の炉頂ガス圧力制御方法。

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