JP6311659B2 - 高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置に関する。

高炉操業の高度化に伴い、鉱石及びコークスの装入物の層厚分布を把握することは非常に重要となっている。層厚分布を推定する従来技術として、例えば特許文献１で示される方法がある。特許文献１は、高炉の炉頂における温度分布とガス流速分布の変化から高炉装入物の層厚分布を推定する方法に関する。

また、炉内状態を推定する従来技術として、例えば非特許文献１で示される方法がある。非特許文献１の推定方法は、高炉を軸対称として２次元のメッシュに分割し、与えられた条件のもとに、固体（鉱石、コークス）の流れ、液体（溶銑）の流れ、ガスの流れ、伝熱、化学反応を計算し、炉内の状態を推定する。

特開平９−２８７００８号公報

川崎製鉄技報 29(1997)1,30-36 「高炉操業シミュレータの開発と溶銑シリコン低減への適用」

特許文献１の推定方法では、装入物が持込む水分などの外乱により、高炉装入物の層厚分布を高精度に推定できないという問題がある。非特許文献１の推定方法は、オフライン利用で開発されたものであり、例えば、新しい操業形態を実施するときなどの事前検討として利用する。また、非特許文献１では、高炉装入物の層厚分布は入力データとして与えるものであり、これに基づき炉内推定を行うため、高炉装入物の層厚分布を推定するものとはなっていない。

本発明の目的は、高炉の操業中に高炉装入物の層厚分布を精度良く推定することが可能な高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置を提供することである。

本発明の高炉内の層厚分布の推定方法は、高炉の炉内のガス成分を計測する装置によって前記炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測工程と、前記計測工程で計測された前記ガス成分の分布から、予め定められた対応関係に基づいて前記炉内の径方向に沿った鉱石層とコークス層の層厚分布を前記高炉の操業中に推定する推定工程と、を含み、前記対応関係は、前記層厚分布についての入力データから前記炉内をシミュレートして前記ガス成分の分布を計算する物理モデルから得られた、互いに異なる複数の前記入力データに対する前記物理モデルの計算結果に基づいていることを特徴とする。

上記高炉内の層厚分布の推定方法において、前記対応関係は、複数の前記入力データおよび前記物理モデルの計算結果から主成分分析および重回帰を用いて定められていることが好ましい。

本発明の高炉の操業方法は、上記高炉内の層厚分布の推定方法と、前記炉内に鉱石およびコークスを装入する装入工程とを含み、前記推定工程で推定された層厚分布に基づいて前記装入工程における鉱石およびコークスの装入方法を変更することを特徴とする。

本発明の高炉内の層厚分布の推定装置は、高炉の炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測装置と、前記計測装置によって計測された前記ガス成分の分布から、予め定められた対応関係に基づいて前記炉内の径方向に沿った鉱石層とコークス層の層厚分布を前記高炉の操業中に推定する推定部と、を備え、前記対応関係は、前記層厚分布についての入力データから前記炉内をシミュレートして前記ガス成分の分布を計算する物理モデルから得られた、互いに異なる複数の前記入力データに対する前記物理モデルの計算結果に基づいていることを特徴とする。

本発明に係る高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置は、炉内の径方向に沿ったガス成分の分布から、予め定められた対応関係に基づいて炉内の径方向に沿った鉱石層とコークス層の層厚分布を高炉の操業中に推定する。上記の対応関係は、層厚分布についての入力データから炉内をシミュレートしてガス成分の分布を計算する物理モデルから得られた、互いに異なる複数の入力データに対する物理モデルの計算結果に基づいている。本発明に係る高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置によれば、高炉の操業中に高炉装入物の層厚分布を精度良く推定することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る高炉内の層厚分布の推定装置を示す図である。 図２は、層厚分布の説明図である。 図３は、ガス利用率分布の一例を示す図である。 図４は、高炉物理モデルによるガス利用率分布の計算を説明する図である。 図５は、入力推定逆モデルの構築に係るオフライン処理フローである。 図６は、入力初期値の説明図である。 図７は、入力セットの説明図である。 図８は、層厚分布の推定に係るオンライン処理フローである。 図９は、実施例の計算結果を示す図である。

以下に、本発明の実施形態に係る高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態］
図１から図９を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、高炉内の層厚分布の推定方法、高炉の操業方法、および高炉内の層厚分布の推定装置に関する。図１は、実施形態に係る高炉内の層厚分布の推定装置を示す図である。

図１に示すように、実施形態に係る高炉内の層厚分布の推定装置１は、高炉１００内の鉱石層１１１とコークス層１１２の層厚分布を推定する。実施形態に係る高炉内の層厚分布の推定装置１は、ガスサンプラー２と、推定部３と、判定処理部４と、記憶部５と、制御部１０とを有する。

高炉１００は、巨大な向流移動層反応炉であり、図１に示すように、炉頂部に炉頂バンカー１０１を備え、炉下部に羽口１０２を備える。炉頂バンカー１０１は、高炉１００の炉頂部から内部（炉内）に装入物１１０を装入する。ここで、装入物１１０は、酸化鉄を主体とする鉄原料である鉱石（例えば、鉄鉱石、焼結鉱、塊鉱石等）、およびコークスである。炉頂バンカー１０１は、高炉１００の炉頂部から炉下部に向かって鉱石層１１１とコークス層１１２とを交互に形成するように、炉内に装入物１１０を順次装入し、これにより、鉱石層１１１とコークス層１１２との多層構造を有する炉内混合物１１３を形成する。なお、この炉内混合物１１３は、図１に示す鉱石層１１１とコークス層１１２との多層構造の他に、塊状帯、融着帯、および滴下帯等を含む。

高炉１００は、羽口１０２から吹き込まれた高温ガスを炉内ガスとして炉下部側から炉頂部側に向かい流通させ、炉頂バンカー１０１によって炉内に装入した各装入物１１０（鉱石およびコークス）のうち、コークスを炉内ガスによって燃焼させる。高炉１００は、コークスの燃焼によって生成した一酸化炭素を含む還元性ガスを用い、炉内の各装入物１１０のうちの鉱石に含まれる酸化鉄を還元して、銑鉄１１５を製造する。銑鉄１１５は、溶融した状態の溶銑となって高炉１００の炉下部に流れ、その後、高炉１００の外部に送出される。

また、高炉１００には、高炉１００の炉体温度を計測する温度計６、および高炉１００内のガス圧力を計測する圧力計７が配置されている。温度計６は、例えば図１に示すように、高炉１００の壁部に設けられ、操業中の高炉１００の炉本体の温度である炉体温度を連続的または断続的に測定する。温度計６は、炉体温度を測定する都度、得られた炉体温度の測定データを制御部１０に送信する。圧力計７は、操業中の高炉１００におけるガス圧力を連続的または断続的に測定する。本実施の形態において、圧力計７は、例えば、操業中の高炉１００のガス圧力として、高炉１００の炉内に供給される高温ガス（熱風）の圧力、高炉１００の炉内ガスの圧力等を測定する。圧力計７は、ガス圧力を測定する都度、得られたガス圧力の測定データを制御部１０に送信する。

入力部８は、キーボードおよびマウス等の入力デバイスを用いて構成され、作業者の入力操作に対応して各種情報を制御部１０に入力する。この入力部８による入力情報として、例えば、推定部３による推定処理に必要なパラメータを設定するための情報（高炉１００の諸元等）、制御部１０に対して指示する指示情報等が挙げられる。

表示部９は、液晶ディスプレイ等の表示デバイスを用いて構成され、制御部１０によって表示指示されたデータを表示する。この表示部９によって表示されるデータとして、例えば、操業中の高炉１００の炉内状態の推定データ、高炉１００の各種測定データ、高炉１００の操業実績データ等が挙げられる。

制御部１０は、プログラムを実行するＣＰＵ、このプログラム等を格納するＲＯＭ、および演算データ等を一時的に記憶するＲＡＭ等を用いて構成される。制御部１０は、ガスサンプラー２、推定部３、記憶部５、表示部９、および炉頂バンカー１０１の各動作を制御し、且つ、高炉内の層厚分布の推定装置１の各構成部間における信号の入出力を制御する。具体的には、制御部１０は、ガスサンプラー２の測定タイミングを制御し、推定部３による演算処理および推定処理を制御し、記憶部５へのデータの保存および記憶部５からのデータの読み出しを制御する。また、制御部１０は、入力部８の入力情報に基づいて、表示部９によるデータの表示内容および表示期間等を制御する。

記憶部５は、不揮発性のメモリ等を有する記憶装置である。記憶部５には、後述する入力推定逆モデル５ａおよび高炉１００の操業に係る実績データ５ｂが保存される。

ガスサンプラー２は、操業管理対象である高炉１００の炉内を流れる高温ガス（以下、「炉内ガス」と称する。）を計測する。ガスサンプラー２は、細長い筒状のゾンデ２ａを有し、予め定められた時間間隔で炉内ガスのサンプリングを行う。ガスサンプラー２は、高さ方向における高炉１００の上部に配置されている。ガスサンプラー２のゾンデ２ａは、操業中の高炉１００の炉壁から中心部へ向けてバッチ的に装入される。ガスサンプラー２は、炉内ガスの温度や、炉内ガスの成分比を計測する。炉内ガスの成分には、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ₂、水素Ｈ₂、窒素Ｎ₂等が含まれる。ガスサンプラー２は、炉内ガスの成分比として、炉内ガス中の各ガス成分の濃度［体積％］、具体的には、一酸化炭素のガス成分濃度［ＣＯ］、二酸化炭素のガス成分濃度［ＣＯ₂］、水素のガス成分濃度［Ｈ₂］、および窒素のガス成分濃度［Ｎ₂］等を測定する。

ガスサンプラー２は、高炉１００の炉内の径方向に沿った複数の位置において炉内ガスをサンプリングし、炉内ガスの成分比を計測する。つまり、本実施形態のガスサンプラー２は、高炉１００の炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測装置としての機能を有する。また、ガスサンプラー２は、高炉１００の炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測工程を実行する。なお、本明細書において、特に記載しない場合、「径方向」とは高炉１００の中心軸線ＣＰと直交する方向を示すものとする。

推定部３は、ガスサンプラー２によって計測されたガス成分の分布から、予め定められた対応関係に基づいて炉内の径方向に沿った鉱石層１１１とコークス層１１２の層厚分布を高炉１００の操業中に推定する。ここで、図２を参照して説明するように、層厚分布は、層厚比の径方向に沿った分布である。図２において、横軸は高炉１００の径方向位置を示す。径方向位置は、高炉１００における径方向の位置である。径方向位置の原点（中心）は中心軸線ＣＰを示し、径方向位置の座標値が大きくなるに従って高炉１００の炉壁に近づく。層厚比は、炉内混合物１１３における鉱石層１１１の厚さの割合である。

本実施形態の層厚比は、鉱石層１１１の厚さＬ_Ｏとコークス層１１２の厚さＬ_Ｃを合わせた層厚（Ｌ_Ｏ＋Ｌ_Ｃ）に対する鉱石層１１１の厚さＬ_Ｏの比であり、下記式（１）で表される。層厚分布は、高炉１００の径方向に沿った層厚比の分布である。
層厚比 ＝ Ｌ_Ｏ／（Ｌ_Ｏ＋Ｌ_Ｃ）…（１）

本実施形態の推定部３は、ガス利用率に基づいて層厚分布を推定する。ガス利用率は、下記式（２）で表されるものであり、炉内ガス中の一酸化炭素の濃度［ＣＯ］と二酸化炭素の濃度［ＣＯ₂］の合計濃度に対する二酸化炭素の濃度［ＣＯ₂］の比を示す。ガス利用率は、高炉１００の炉内での還元反応の進行を推定するために用いられる。ガス利用率は、炉内で計測される指標のうちで安定的に計測可能な指標であり、非常に重要である。ガス利用率は、ガスサンプラー２によって計測されたガス成分比から計算される。図３は、ガス利用率分布の一例を示す図である。図３において、横軸は高炉１００の径方向位置を示し、縦軸はガス利用率を示す。ガス利用率分布は、高炉１００の径方向に沿ったガス利用率の分布である。
ガス利用率 ＝ ［ＣＯ₂］／（［ＣＯ₂］＋［ＣＯ］）…（２）

推定部３が層厚分布を推定する際に用いる所定の対応関係は、高炉物理モデルに基づいて定められている。高炉物理モデルは、少なくとも層厚分布を含む入力データおよび高炉１００の諸元に基づいて操業中の高炉１００の炉内をシミュレートし、ガス利用率分布を推定する数学モデルである。高炉物理モデルとしては、例えば、非特許文献１に記載されたモデルが用いられる。本実施形態の所定の対応関係は、以下に説明するように、ガス利用率分布の実績が高炉物理モデルによる計算結果と一致するように予め定められている。本実施形態では、高炉物理モデルに基づいて構築された、ガス利用率分布から層厚分布を推定する入力推定逆モデルが用いられる。推定部３は、入力推定逆モデルによってガス利用率分布の実績から層厚分布を推定する。つまり、推定部３は、ガス利用率分布の実績が高炉物理モデルによる計算結果と一致するように、高炉物理モデルの入力である層厚分布を推定する。

図４を参照して、入力推定逆モデルの構築方法について説明する。図４には、高炉物理モデルのモデル入力である（ａ）層厚分布、およびモデル出力である（ｂ）ガス利用率分布が示されている。まず、径方向に沿った層厚分布（ｘ）から計算される径方向に沿ったガス利用率分布（ｙ）への順方向の推定を考える。この場合、ガス利用率分布ｙと層厚分布ｘの関係は、下記［数１］によって表現できる。層厚分布ｘの各要素ｘ_ｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）は、径方向の位置Ｐ_ｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）における層厚比である。また、ガス利用率分布ｙの各要素ｙ_ｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）は、径方向の位置Ｐ_ｉにおけるガス利用率である。重回帰係数ａは、入力の層厚分布ｘのうち径方向のある位置Ｐ_ｉにおいて変化があったときに、出力であるガス利用率分布ｙに対してその変化のあった位置Ｐ_ｉを中心にどれだけ影響があったかという影響係数のような意味を持つ。

よって、出力ｙから入力ｘを逆推定するためには、影響行列Ａの逆行列Ａ^-1を求めればよいことになる。しかし、対象としているのは分布系であるため、隣接関係が大きいほど相関が強く、逆行列を求めることができない。そこで、本実施形態では、主成分分析を適用して入力推定逆モデルを構築する。主成分分析により出力ｙの次元を適当な次元に圧縮することが可能となり、出力ｙから入力ｘへの逆影響係数ｂを求めることが可能となる。求められた逆影響係数ｂは、入力推定逆モデルとして記憶部５に保存される。

図５から図７を参照して、入力推定逆モデルの構築手順について説明する。図５は、入力推定逆モデルの構築に係るオフライン処理フロー、図６は、入力初期値の説明図、図７は、入力セットの説明図である。図５の処理フローは、高炉物理モデルの計算処理を実行可能なワークステーションやパソコン等の演算装置において実行される。

ステップＳ１では、入力初期値の設定が実行される。図６に示す入力初期値の層厚分布（以下、「デフォルト分布」と称する。）Ｓ_xdは、層厚分布のデフォルト値である。デフォルト分布Ｓ_xdは、例えば、高炉１００における層厚分布の目標値である。入力初期値の設定は、オペレータの手入力によってなされても、記憶装置に保存されたデータファイルの読み込みによってなされてもよい。入力初期値の設定がなされると、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、入力セットの作成がなされる。入力セットＸｓは、図７を参照して説明するように、デフォルト分布Ｓ_xdと、デフォルト分布Ｓ_xdに対して各々の径方向位置Ｐ_ｉの層厚比を所定値だけ増減させた層厚分布Ｓ_x1，Ｓ_x2，…，Ｓ_x2ｍとを合わせた層厚分布のセットである。層厚分布Ｓ_x1は、位置Ｐ_１の層厚比をデフォルト分布Ｓ_xdに対して所定値だけ増加側（鉱石層１１１の厚さＬ_Ｏの比率が増加する側）に振った層厚分布である。層厚分布Ｓ_x2は、位置Ｐ_１の層厚比をデフォルト分布Ｓ_xdに対して減少側（鉱石層１１１の厚さＬ_Ｏの比率が減少する側）に所定値だけ振った層厚分布である。同様にして、位置Ｐ_２，Ｐ_３，…，Ｐ_ｍについて、デフォルト分布Ｓ_xdに対して層厚比を増減させた層厚分布Ｓ_x3，Ｓ_x4，…，Ｓ_x2ｍが作成される。入力セットＸｓが作成されると、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、出力セットが作成される。出力セットＹｓは、入力セットＸｓの各層厚分布Ｓ_xd，Ｓ_x1，…，Ｓ_x2ｍに対する高炉物理モデルの計算結果のセットである。入力推定逆モデル５ａを構築する演算装置には、高炉物理モデルの計算処理プログラムおよび各パラメータが記憶されている。計算処理プログラムおよび各パラメータは、高炉１００の諸元に基づいて予め定められている。高炉１００の諸元には、例えば、コークス比、送風量、送風温度等が含まれる。演算装置は、１つの層厚分布Ｓ_xが与えられると、高炉物理モデルの計算処理を行い、入力された層厚分布Ｓ_xに対するガス利用率分布の計算結果Ｒ_yを出力する。例えば、デフォルト分布Ｓ_xdに対しては計算結果Ｒ_ydが出力され、層厚分布Ｓ_xj（ｊ＝１，２，…，２ｍ）に対して計算結果Ｒ_yj（ｊ＝１，２，…，２ｍ）が出力される。出力セットＹｓが作成されると、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、入出力セット間の影響係数が算出され、入力推定逆モデルが構築される。典型的には、下記式（３）の逆影響行列Ｂの各要素である逆影響係数ｂが算出される。逆影響係数ｂの算出には、主成分分析が適用されてガス利用率分布の次元が圧縮される。また、重回帰によって、出力セットＹｓから入力セットＸｓを推定する推定精度が最適となるように逆影響係数ｂが決定される。本実施形態では、逆影響係数ｂが入力推定逆モデルを構成する。構築された入力推定逆モデル５ａは、高炉内の層厚分布の推定装置１の記憶部５に保存される。入力推定逆モデル５ａが構築されると、本処理フローが終了する。
ｘ ＝ Ｂｙ…（３）

次に、図８を参照して、本実施形態の高炉内の層厚分布の推定装置１による層厚分布の推定について説明する。図８は、本実施形態の層厚分布の推定に係るオンライン処理フローである。図８の処理フローは、高炉１００の操業中に実行される。

ステップＳ１１において、制御部１０は、高炉モデル計算に必要な高炉１００の諸元を含むパラメータ設定などを行う。ステップＳ１１が実行されるとステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、制御部１０は、データ収集のタイミングであるか否かを判定する。本実施形態の制御部１０は、予め定められた時間間隔でガスサンプラー２に炉内ガスのサンプリングを実行させる。制御部１０は、炉内ガスのサンプリングタイミングが到来していると、ステップＳ１２で肯定判定する。ステップＳ１２の判定の結果、データ収集のタイミングであると肯定判定された場合（ステップＳ１２−Ｙ）にはステップＳ１３に進み、否定判定された場合（ステップＳ１２−Ｎ）にはステップＳ１２の判定が繰り返される。

ステップＳ１３において、制御部１０は、データの収集および変数の定義を指令する。制御部１０は、ガスサンプラー２に対して炉内ガスのサンプリングを指令する。ガスサンプラー２は、制御部１０の指令に応じて高炉１００の中心軸線ＣＰに向けてゾンデ２ａを装入し、径方向の各位置Ｐ_ｉにおいて炉内ガスをサンプリングし、また炉内ガスの温度を計測する。制御部１０は、推定部３に対して変数定義を指令する。推定部３は、ガスサンプラー２によって収集された最新の実績データを取得する。推定部３は、取得した実績データから層厚分布ｘの推定に必要な変数を得る計算、例えば、ガスサンプラー２で測定された一酸化炭素の濃度［ＣＯ］および二酸化炭素の濃度［ＣＯ_２］からガス利用率を計算する。また、推定部３は、炉内の圧力、炉体の温度等の操業実績データを取得する。ステップＳ１３が実行されると、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、制御部１０は、判定処理部４に対して異常値判定の実行を指令する。判定処理部４は、ステップＳ１３で収集された実績データや計算された変数を推定部３から受け取り、これらの値が異常値であるか否かを判定する。実績データや変数が予め定められた許容範囲から外れている場合、異常値であると判定される。判定処理部４は、判定結果を推定部３に出力する。推定部３は、ステップＳ１４の判定の結果、異常値が存在すると肯定判定された場合（ステップＳ１４−Ｙ）にはステップＳ１７の処理に進み、否定判定された場合（ステップＳ１４−Ｎ）にはステップＳ１５の処理に進む。

ステップＳ１５において、推定部３は、モデル入力の推定を行う。推定部３は、ステップＳ１３で収集された実績データおよび計算された変数から、入力推定逆モデル５ａによって層厚分布を計算する。具体的には、推定部３は、上記式（３）のガス利用率分布ｙの各要素にステップＳ１３で計算した各位置Ｐ_ｉのガス利用率分布の値を代入して、層厚分布ｘを計算する。ステップＳ１５で層厚分布ｘが算出されると、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、推定部３および制御部１０は、計算結果の表示および保存を行う。推定部３は、収集した実績データ、およびステップＳ１５で計算した層厚分布ｘを記憶部５に保存する。制御部１０は、推定された層厚分布ｘを記憶部５から読み込み、表示部９に表示させる。ステップＳ１６が実行されると、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７において、制御部１０は、処理を終了するか否かを判定する。オペレータによって処理を終了する指示がなされている場合など、オンライン処理フローの終了条件が成立している場合（ステップＳ１７−Ｙ）には、今回の処理フローが終了し、終了条件が成立していない場合（ステップＳ１７−Ｎ）にはステップＳ１２に移行する。

本実施形態の制御部１０は、図８のオンライン処理フローで推定された層厚分布ｘに基づいて、装入工程における鉱石およびコークスの装入方法を変更する。制御部１０は、推定された層厚分布ｘと、目標の層厚分布（ここでは、デフォルト分布Ｓ_xd）とを比較する。炉内の各位置Ｐ_ｉ（ｉ＝１，２，…ｍ）について、推定された層厚分布ｘの層厚比がデフォルト分布Ｓ_xdの層厚比よりも大きい（鉱石層１１１の厚さＬ_Ｏの比率が目標値よりも大きい）場合には、その位置Ｐ_ｉにおける層厚比を低減させるように炉頂バンカー１０１による装入方法を変更する。一方、制御部１０は、位置Ｐ_ｉについて、推定された層厚分布ｘの層厚比がデフォルト分布Ｓ_xdの層厚比よりも小さい（鉱石層１１１の厚さＬ_Ｏの比率が目標値よりも小さい）場合には、その位置Ｐ_ｉにおける層厚比を増加させるように炉頂バンカー１０１による装入方法を変更する。

（実施例）
図９を参照して実施例について説明する。図９の上段（ａ）には層厚分布、下段（ｂ）には上段の層厚分布に対応するガス利用率分布が示されている。なお、図９では、径方向位置が無次元化されている。ガス利用率分布の欄には、それぞれガスサンプラー２によって計測された実績のガス利用率分布（破線）と、ガス利用率の計算値（実線）が示されている。上段の層厚分布は、下段のガス利用率分布の実績から入力推定逆モデル５ａによって推定された層厚分布の推定結果である。また、下段の実線のガス利用率分布は、層厚分布の推定結果を入力として、高炉物理モデルによって計算されたガス利用率分布である。図９に示すように、様々なパターンのガス利用率分布において、実績（破線）と計算結果（実線）の相関度が高い。すなわち、異なるガス利用率実績３事例について、いずれも実績とほぼ同様な推定ができている。従って、実際の炉内状態、すなわち、ガス利用率実績と整合性がとれた形で装入物１１０の層厚分布を推定できていることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の高炉内の層厚分布の推定装置１は、高炉１００の炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測装置（ガスサンプラー２）と、計測装置によって計測されたガス成分の分布（ガス利用率分布ｙ）から、予め定められた対応関係（入力推定逆モデル５ａ）に基づいて炉内の径方向に沿った鉱石層１１１とコークス層１１２の層厚分布ｘを高炉１００の操業中に推定する推定部３と、を備えている。上記の対応関係（入力推定逆モデル５ａ）は、層厚分布ｘについての入力データから炉内をシミュレートしてガス成分の分布（ガス利用率分布ｙ）を計算する物理モデル（高炉物理モデル）から得られた、互いに異なる複数の入力データ（Ｓ_xd，Ｓ_x1，Ｓ_x2，…，Ｓ_x2ｍ）に対する物理モデル（高炉物理モデル）の計算結果（Ｒ_yd，Ｒ_y1，Ｒ_y2，…，Ｒ_y2m）に基づいている。

物理モデル（高炉物理モデル）に基づいて複数の入力と出力のセット（Ｓ_xd，Ｒ_yd）、（Ｓ_x1，Ｒ_y1）、（Ｓ_x2，Ｒ_y2）、…、（Ｓ_x2ｍ，Ｒ_y2m）が作成され、出力ｙから入力ｘを推定する推定精度が最適となるように入力推定逆モデル５ａが構築される。この入力推定逆モデル５ａによって実績のガス利用率分布ｙから実際の炉内の層厚分布ｘが推定される。よって、本実施形態の高炉内の層厚分布の推定装置１は、オンラインで高精度に高炉１００の炉内の層厚分布ｘを推定することができる。また、ガス利用率分布ｙは、外乱の影響を受けにくい情報である。よって、本実施形態の高炉内の層厚分布の推定装置１は、ガス利用率分布ｙに基づいて外乱による影響を抑制しつつ高精度で層厚分布ｘを推定することができる。

本実施形態に係る高炉内の層厚分布の推定方法は、高炉１００の炉内のガス成分を計測する装置（ガスサンプラー２）によって炉内の径方向に沿ったガス成分の分布（ガス利用率分布ｙ）を計測する計測工程と、計測工程で計測されたガス成分の分布から、予め定められた対応関係（入力推定逆モデル５ａ）に基づいて炉内の径方向に沿った鉱石層１１１とコークス層１１２の層厚分布ｘを高炉１００の操業中に推定する推定工程と、を含む。計測工程は、ガスサンプラー２によって実行される。推定工程は、推定部３によって実行される。本実施形態では、オンライン処理フロー（図８）のステップＳ１３が計測工程に対応し、ステップＳ１５が推定工程に対応する。本実施形態の高炉内の層厚分布の推定方法は、高炉物理モデルに基づく入力推定逆モデル５ａによって層厚分布ｘを高精度に推定することができる。なお、高炉内の層厚分布の推定方法は、更に、収集したデータから入力推定逆モデル５ａに与える変数を定義する変数定義工程（ステップＳ１３）や、層厚分布ｘの推定結果を表示・保存する工程（ステップＳ１６）を含んでもよい。

上記の対応関係（入力推定逆モデル５ａ）は、複数の入力データ（Ｓ_xd，Ｓ_x1，Ｓ_x2，…，Ｓ_x2ｍ）および物理モデル（高炉物理モデル）の計算結果（Ｒ_yd，Ｒ_y1，Ｒ_y2，…，Ｒ_y2m）から主成分分析および重回帰を用いて定められている。主成分分析により出力ｙの次元を適当な次元に圧縮することが可能となり、出力ｙから入力ｘへの逆影響係数ｂ（入力推定逆モデル５ａ）を求めることが可能となる。また、重回帰によって、出力ｙから入力ｘを推定する最適な逆影響係数ｂ（入力推定逆モデル５ａ）を決定することが可能となる。

本実施形態に係る高炉の操業方法は、上記の高炉内の層厚分布の推定方法と、炉内に鉱石およびコークスを装入する装入工程とを含み、推定工程で推定された層厚分布ｘに基づいて装入工程における鉱石およびコークスの装入方法を変更する。装入工程は、炉頂バンカー１０１によって実行される工程である。炉頂バンカー１０１は、制御部１０の指令によって高炉１００の炉内に鉱石およびコークスを装入する。また、炉頂バンカー１０１は、制御部１０の指令によって鉱石およびコークスの装入方法を変更する。高炉１００の操業中に層厚分布ｘの推定結果に基づいて装入工程における鉱石およびコークスの装入方法が変更されることで、層厚分布ｘのフィードバック制御を行い、層厚分布ｘを目標に近づける修正が可能となる。

［実施形態の変形例］
上記実施形態では、ガスサンプラー２による炉内ガスのサンプリングおよび層厚分布ｘの推定が予め定められた時間間隔で実行された。これに加えて、あるいはこれに代えて、鉱石やコークス等の装入物の性状が変化するタイミングに基づいて炉内ガスのサンプリングおよび層厚分布ｘの推定が実行されてもよい。炉頂バンカー１０１による装入方法が同じであっても、鉱石やコークスの性状が変化すると層厚分布ｘに変化が生じやすい。装入物の性状変化に合わせて炉内ガスのサンプリングおよび層厚分布ｘの推定がなされることで、層厚分布ｘの変化が生じた場合に速やかにその変化を検知することができる。

装入物の性状は、例えば、装入物の産地に応じて異なる。また、コークスがコークス炉からヤードを経由して高炉１００へ送られたか、ヤードを経由せずに直接高炉１００へ送られたか等によっても性状が異なる。図８のオンライン処理フローにおいて、高炉１００へ装入される装入物の性状が変化した場合に、層厚分布ｘの推定に進むようにされてもよい。例えば、ステップＳ１２において、炉内装入物１１０の性状が変化したかが判定されてもよい。炉内装入物の性状が変化したことは、例えば、オペレータによって入力部８に入力され、実績データ５ｂとして保存される。また、炉内装入物の搬送元（ストックヤード等）が切り替わった場合に、炉内装入物１１０の性状が変化すると判定されてもよい。

なお、炉内ガスのサンプリングは、ガス利用率分布ｙの変化が生じ始めるタイミングに基づいて実行されることが好ましい。ガス利用率分布ｙの変化は、それまでと異なる性状の装入物が炉内においてガスサンプラー２よりも下方まで移動した後に生じると考えられる。このため、炉内における装入物の移動速度を考慮して、異なる性状の装入物がガスサンプラー２よりも下方まで移動したと推定されるタイミングで炉内ガスのサンプリングおよび層厚分布ｘの推定がなされることが好ましい。

上記の実施形態および変形例に開示された内容は、適宜組み合わせて実行することができる。

１ 高炉内の層厚分布の推定装置
２ ガスサンプラー
２ａ ゾンデ
３ 推定部
４ 判定処理部
５ 記憶部
５ａ 入力推定逆モデル
５ｂ 実績データ
６ 温度計
７ 圧力計
８ 入力部
９ 表示部
１０ 制御部
１００ 高炉
１０１ 炉頂バンカー
１０２ 羽口
１１０ 装入物
１１１ 鉱石層
１１２ コークス層
１１３ 炉内混合物
ＣＰ 中心軸線
Ｓ_xd デフォルト分布
ｘ 層厚分布
Ｘｓ 入力セット
ｙ ガス利用率分布
Ｙｓ 出力セット

Claims (3)

1. 高炉の炉内のガス成分を計測する装置によって前記炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測工程と、
   前記計測工程で計測された前記ガス成分の分布から、予め定められた入力推定逆モデルを用いて前記炉内の径方向に沿った鉱石層とコークス層の層厚分布を前記高炉の操業中に推定する推定工程と、
   を含み、
   前記入力推定逆モデルは、前記層厚分布についての入力データから前記炉内をシミュレートして前記ガス成分の分布を計算する物理モデルを用いて、互いに異なる複数の前記入力データに対する前記物理モデルの計算結果を算出し、主成分分析および重回帰を用いて、互いに異なる複数の前記入力データと該入力データに対する前記物理モデルの計算結果との対応関係を求めることにより、予め定められている
   ことを特徴とする高炉内の層厚分布の推定方法。
2. 請求項１に記載の高炉内の層厚分布の推定方法と、
   前記炉内に鉱石およびコークスを装入する装入工程とを含み、
   前記推定工程で推定された層厚分布に基づいて前記装入工程における鉱石およびコークスの装入方法を変更する
   ことを特徴とする高炉の操業方法。
3. 高炉の炉内の径方向に沿ったガス成分の分布を計測する計測装置と、
   前記計測装置によって計測された前記ガス成分の分布から、予め定められた入力推定逆モデルを用いて前記炉内の径方向に沿った鉱石層とコークス層の層厚分布を前記高炉の操業中に推定する推定部と、
   を備え、
   前記入力推定逆モデルは、前記層厚分布についての入力データから前記炉内をシミュレートして前記ガス成分の分布を計算する物理モデルを用いて、互いに異なる複数の前記入力データに対する前記物理モデルの計算結果を算出し、主成分分析および重回帰を用いて、互いに異なる複数の前記入力データと該入力データに対する前記物理モデルの計算結果との対応関係を求めることにより、予め定められている
   ことを特徴とする高炉内の層厚分布の推定装置。

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