JP6409490B2 - 落下軌跡推定方法、落下軌跡の推定式の補正方法及び装入量分布推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベル式の高炉に装入される原料の落下軌跡を推定する落下軌跡推定方法等に関するものである。

高炉操業は、原料である鉱石とコークスを炉頂から交互に炉内に装入して鉱石及びコークスを層状に堆積させ、炉下部の羽口から熱風等を吹き込むことにより生成されて炉内を上昇するガスにより、原料を昇温させるとともに、原料中の酸化鉄を還元溶解して溶銑を生成させ、炉下部の出銑口から排出する。

原料として装入される鉱石には、塊鉱石、焼結鉱、ペレットなどの鉄原料のほか、石灰石などの副原料も含まれる。

高炉の原料装入方式として、ベル式装入方式と、ベルレス式装入方式とが知られている。ベル式装入方式を採用したベル高炉では、大ベルを介して装入される原料を炉内に突出するムーバブルアーマーに衝突させて、落下軌跡を調整するようになっている。

ところで、大ベルから装入される原料の落下軌跡は、炉下部から吹き上げるガス流の影響を受けて、変化することが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０００−２５６７１２号公報 特開２０１１−０３３６１９号公報 特開２０１２−０６７３４０号公報 特開２０１２−２３７５６０号公報

材料とプロセス；1992 Vol.5 No,1,p109

したがって、ベル式高炉において、原料の落下軌跡を正確に推定するためには、原料粒子へのガス流の影響を正確に考慮する必要がある。そこで、本願発明は、ベル式高炉において、ガス流の影響を考慮しながら落下軌跡をより正確に推定することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係るベル式高炉に装入される原料の落下軌跡推定方法は、（１）落下原料がムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報をノッチに応じて取得し、この取得した音量情報に基づき、前記衝突音が発生する最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第１の位置」という）、及び、前記衝突音が最大になる最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第２の位置」という）を特定するとともに、前記第１の位置から落下軌跡における炉径方向外側のラインを推定し、前記第２の位置から落下軌跡における炉径方向内側のラインを推定することを特徴とする。

（２）落下軌跡推定モデルに基づき規定された落下軌跡の推定式（以下、「推定式」という）に含まれるパラメータを補正する推定式の補正方法であって、落下原料がベル式高炉のムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報をノッチに応じて取得し、
この取得した音量情報に基づき、前記衝突音が発生する最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第１の位置」という）を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向外側のラインが前記第１の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする。

（３）落下軌跡推定モデルに基づき推定される落下軌跡の推定式（以下、「推定式」という）に含まれるパラメータを補正する推定式の補正方法であって、落下原料がベル式高炉のムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報をノッチに応じて取得し、この取得した音量情報に基づき、前記衝突音が最大になる最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第２の位置」という）を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向内側のラインが前記第２の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする。

（４）炉周方向における落下原料の装入量分布の円周バランスを推定する装入量分布推定方法であって、ムーバブルアーマーが炉周方向に複数設置されたベル式高炉において、各前記ムーバブルアーマーを各待機位置から同時に駆動し、落下原料が各前記ムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報を取得し、この取得した音量情報に基づき、各前記ムーバブルアーマーについて、衝突音が発生し始めるタイミング（以下、「第１のタイミング」という）を特定するとともに、前記第１のタイミングが相対的に早いムーバブルアーマーが設置されている炉周方向位置において前記落下原料の装入量が多いと推定することを特徴とする。

本願発明によれば、ガス流の影響を考慮しながら、落下軌跡をより正確に推定することができる。

ベル式高炉における原料搬送工程と炉頂装入装置の概略構成例を模式的に示した模式図である。 ムーバブルアーマーを含むベル高炉の一部における模式図である。 原料がムーバブルアーマーに衝突したときの衝突音の変化を、ムーバブルアーマーの開度毎に測定した測定データである。 ムーバブルアーマーの位置に応じて変化する鉱石及びコークスの衝突音に関する測定データである。 ムーバブルアーマーを駆動する駆動装置の機能ブロック図である。 各設置位置において取得された音量の最大値をプロットした測定データである（補修前）。 各設置位置において取得された音量の最大値をプロットした測定データである（補修後）。

図１は、ベル式高炉における原料搬送工程と炉頂装入装置の概略構成例を模式的に示している。

同図を参照して、ベル式高炉の炉頂部には、上から下に向かって、ヘッドシュート５、固定ホッパー６ａ，６ｂ、旋回シュート８、小ベルホッパー９および大ベルホッパー１１が配置されている。固定ホッパー６ａは、底部に固定ホッパーゲート７ａを備えている。固定ホッパー６ｂは、底部に固定ホッパーゲート７ｂを備えている。小ベルホッパー９は、小ベル１０を備えている。大ベルホッパー１１は、大ベル１２を備えている。

ベル式高炉における原料装入では、各種原料をベルトコンベア２ａでサージホッパー３に装入し、ここに一旦貯留する。その後、サージホッパー３内の原料を装入コンベア２ｂにより炉頂まで搬送し、ヘッドシュート５により等分して２つの固定ホッパー６ａ，６ｂに貯留する。

次いで、旋回シュート８の旋回を開始させた後、固定ホッパーゲート７ａ，７ｂを開いて固定ホッパー６ａ，６ｂ内の原料を旋回シュート８により円周方向に分配しつつ、小ベルホッパー９内の原料を下方の大ベルホッパー１１内に装入する。さらに大ベル１２を炉底側に下動させて開くことで、大ベルホッパー１１内の原料をムーバブルアーマー１３に向かって衝突させる。原料がムーバブルアーマー１３に衝突することで、炉内１４における原料の落下位置が調整される。ムーバブルアーマー１３は、アーマー回転軸１３ａを回転軸として所定量回転させることができる。ムーバブルアーマー１３は、炉周方向に複数個設置することができる。

ここで、本発明者は、落下原料がムーバブルアーマー１３に当接したときの振動に関する情報を取得することにより、ガス流を踏まえた落下原料の落下軌跡を直接決定できることを知見した。この点について、図２乃至図４を参照しながら、詳細に説明する。図２はムーバブルアーマーを含むベル高炉の一部における模式図である。図３は、落下原料がムーバブルアーマーに衝突したときの衝突音の変化を、ムーバブルアーマーの開度毎に測定した測定データである。図４は、ムーバブルアーマーの位置に応じて変化する鉱石及びコークスの衝突音に関する測定データである。ノッチとは、ムーバブルアーマー１３を所定角度まで傾動する際の角度と対応している。例えば、３ノッチとは待機位置に位置するムーバブルアーマー１３を３ノッチに相当する角度だけ炉内に傾動することを意味し、ノッチ数の増加に応じてムーバブルアーマー１３は炉径方向中心側に接近する。なお、本実施形態では、回転式のムーバブルアーマー１３を使用したが、本発明はこれに限るものではなく、炉中心側に向かって炉径方向にスライド移動するムーバブルアーマー１３を用いることもできる。

図３を参照して、大ベル１２が開き動作を開始した直後は、落下流量が少ないため、衝突音が小さい。この衝突音は、落下流量の増大に応じて大きくなり、落下流量が一定値（最大値）に達することにより飽和する。つまり、衝突音は、大ベル１２が開き、落下流量が一定になったタイミングで最大となる。本実施形態では、大ベル１２が開き動作を開始してから約四秒後に、落下流量が一定値に到達している。その後、大ベル１２上の原料が減少するため、落下流量が減少して、衝突音も小さくなる。

ここに、待機位置に位置するムーバブルアーマー１３のノッチを増加していくと、ムーバブルアーマー１３の先端部が落下原料の外側のラインに衝突して、衝突音が発生する（図２参照）。ムーバブルアーマー１３のノッチを更に増加させると、落下原料とムーバブルアーマー１３との接触幅が増加し、この接触幅に比例して、衝突音が増大する。そして、ムーバブルアーマー１３のノッチが所定数（本実施形態の場合、１２ノッチ）に到達すると、接触幅が変わらなくなるため、衝突音は飽和する。衝突音の増大が止まり、ノッチを増加させても衝突音の最大値が上昇しない場合には、図２の点線で図示するように、ムーバブルアーマー１３の先端が落下原料の内側のラインに到達したものと推定できる。

図４のグラフは、大ベル１２が開き動作を開始してから８秒後の図３で示した音量データである。図４より、ムーバブルアーマー１３のノッチ角度が１度になると落下原料に当たり始め、４〜５度に達すると落下原料の全てに当たると推定される。また、図４に示すように、鉄鉱石は、コークスよりも衝突音の最大値が大きいことがわかる。

図４の情報より、図２の実線で示すムーバブルアーマー１３の位置（ムーバブルアーマー１３が落下原料の外側のラインに接触する位置）をA点（第１の位置に相当する）、破線で示すムーバブルアーマー１３の位置（ムーバブルアーマー１３が落下原料の内側のラインに接触する位置）をＢ点（第２の位置に相当する）としたときに、A点及びＢ点の炉径位置及び高さ位置を特定できる。すなわち、落下原料の落下軌跡を推定することができる。ここに、炉径位置とは、炉径方向におけるA点（Ｂ点）と高炉の炉中心との距離ｒのことである。高さ位置とは、たとえばストックレベルからA点（Ｂ点）までの距離ｈのことである。ストックレベルとは、開き位置に位置する大ベル１２の下端部から１ｍ下方の位置と定義する。

次に、A点及びＢ点を特定するための装置および方法について図５を参照しながら説明する。図５は、ムーバブルアーマーを駆動する駆動装置の機能ブロック図である。アーマーボックス２１にはムーバブルアーマー１３が収められており、アーマーボックス２１の外面には振動センサー２２が設けられている。振動センサー２２は、ムーバブルアーマー１３の振動を検出して、この検出結果（衝突音に関する情報に相当する）を増幅器２３に送信する。振動センサー２２には、歪ゲージ式の振動センサーを用いることができる。増幅器２３は、振動センサー２２から受信した信号を増幅して、これをデータ収集装置２４に送信する。データ収集装置２４は、例えば、コントローラ、記憶装置から構成することができる。コントローラは、増幅器２３から受信した増幅信号を解析して、これを音量情報に変換した後、記憶装置に記憶する。本実施形態では、振動情報から間接的に衝突音の大きさを検出したが、本発明はこれに限るものではなく、衝突音の音量を直接検出するマイクロフォンを用いることもできる。

上述の構成において、ムーバブルアーマー１３を待機位置から衝突音が最大となるノッチ（つまり、落下原料の全てに衝突する全量衝突位置）を越えて動かし、そのときの衝突音の変化をデータ収集装置２４の記憶装置に記憶する。具体的には、図４に図示するように、ムーバブルアーマー１３のノッチ角度に応じた音量データをデータ収集装置２４の記憶装置に記憶する。データ形式は、マップ、或いはデータテーブルの形式であってもよい。

そして、上述の収集結果に基づき、A点及び／又はB点を求める。これらのA点及びB点は様々な用途に用いることができる。

（用途１）
落下軌跡を推定する推定式（モデル式）に基づき推定される落下軌跡の外側のラインがA点を通過するように、推定式に含まれるパラメータをフィッティングすることで、ガス流れを考慮したモデル改善を行うことができる。また、落下軌跡を推定する推定式（モデル式）に基づき推定される落下軌跡の内側のラインがB点を通過するように、推定式に含まれるパラメータをフィッティングすることで、ガス流れを考慮したモデル改善を行うことができる。これらのフィッティング処理の双方を実施してもよいし、いずれか一方を実施してもよい。

モデルについては、周知のモデルを使用することができる。具体的には、例えば、単一粒子の落下軌跡を推定する推定モデルやDEM（離散要素法）モデルを使用することができる。
（単一粒子の推定モデル）
ガスが粒子に及ぼす抗力Fが粒子に加速度を生じさせるため、単一粒子の場合と同様に以下の微分方程式が成立する。
ここで、Fxはガスが粒子に及ぼす水平方向（X方向）の抗力であり、Fyはガスが粒子に及ぼす垂直方向（Y方向）の抗力であり、Bはガスが粒子に及ぼす抗力に関する係数であり、ｍは粒子の質量であり、ｇは重力加速度であり、uはガスと粒子の相対速度である。これらの微分方程式を、数値計算（例えば、Runge-Kutta-Gill法）に基づき演算することにより、ガス流の流れを考慮した落下軌跡が求められる。

また、大ベル１２の端部における装入物滑走速度u₀[m/s]は、以下の式（３）に基づき算出することができる。
測定されたA点、B点のうちいずれか、又はこれらの中間ポイントを通過するように、パラメータを決定する。例えば、高炉操業時の測定結果に基づき、式（２）の抵抗係数Bを測定結果に整合するように調整することにより、モデルを改善できる。休風時（ガス供給停止時）の測定結果に基づき、式（３）の摩擦係数μを測定結果に整合するように調整することにより、モデルを改善できる。

（DEMモデル）
DEMとは、粉体の挙動を多数の粒子群の粒子１個ごとに随次その運動を追跡する方法であり、粒子毎に下記の運動方程式（４）及び（５）を用いて算出できる。

各粒子の運動を規定する式（４）は、式（１）及び式（２）の右辺に、さらに、粒子間および粒子，壁間に衝突が加わった形式をとる。衝突力であるFは、以下の式（６）及び式（７）に基づき、算出される。なお、以下の式（６）及び（７）については、H. Mio et al. / Minerals Engineering 33 (2012) 27-33に開示されているため、詳細な説明を省略する。
Fnは垂直方向の衝突力であり、Ftは水平方向の衝突力であり、Kはバネ定数であり、ηは減衰係数であり、μは摩擦係数である。測定されたA点、B点に基づき、上述の式（６）及び式（７）のパラメータK、η、μのうち二つのパラメータを最適化できる。例えば、パラメータK、ηを決定し、残りのパラメータμについては従来の値を用いることができる。

（用途２）
高炉の周方向に複数のムーバブルアーマー１３を設置して、各ムーバブルアーマー１３を駆動したときの音量変化を検出し、この検出結果を原料の円周バランス（装入量分布）を修正するために用いることができる。図６は、高炉の周方向に８つのムーバブルアーマー１３を設置し、各設置位置において取得された音量の最大値をプロットした測定データである。なお、０°と３６０°のデータは同一であるが、重複して記載している。

同図を参照して、測定された音量データから、落下量が円周方向において均一でないことがわかる。音量の標準偏差は、１．３６であった。本発明者は、休風時に大ベル１２を観察して、その原因を調べたところ、大ベル１２の表面を保護するライナーの一部が脱落していることがわかった。そこで、脱落箇所を補修して（装入量分布を改善するアクションに相当する）、各位置における音量の最大値を改めて測定したところ、図７の結果が得られた。図６及び図７を比較参照して、測定された音量データに基づき補修を行うことで、円周バランスが大幅に改善された。具体的には、音量の標準偏差が１．３６から０．３８に改善した。

また、別の方法として、各ムーバブルアーマー１３を同時に待機位置から駆動し、落下原料が衝突し始めたときのタイミングに基づき、装入量分布を推定してもよい。すなわち、落下原料が多い場合には、ムーバブルアーマー１３に衝突するタイミング（言い換えると、衝突音が発生するタイミング）が相対的に早くなるため、各ムーバブルアーマー１３がA点に到達したタイミングを音声情報から特定することで、装入量分布を推定することができる。つまり、各ムーバブルアーマー１３を待機位置から落下原料の全てに衝突する全量衝突位置を超えて駆動したときの衝突音に関する情報に基づいて、衝突音の最大値や衝突音の発生タイミングを調べることで、炉周方向における装入量分布を推定することができる。

２ａ：ベルトコンベア
２ｂ：装入コンベア
３：サージホッパー
５：ヘッドシュート
６ａ，６ｂ：固定ホッパー
８：旋回シュート
９：小ベルホッパー
１０：小ベル
１１：大ベルホッパー
１２：大ベル
１３：ムーバブルアーマー
１３ａ：アーマー回転軸
１４：炉内

Claims (4)

1. ベル式高炉に装入される原料の落下軌跡推定方法であって、
   落下原料がムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報をノッチに応じて取得し、
   この取得した音量情報に基づき、前記衝突音が発生する最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第１の位置」という）、及び、前記衝突音が最大になる最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第２の位置」という）を特定するとともに、前記第１の位置から落下軌跡における炉径方向外側のラインを推定し、前記第２の位置から落下軌跡における炉径方向内側のラインを推定することを特徴とする原料の落下軌跡推定方法。
2. 落下軌跡推定モデルに基づき規定された落下軌跡の推定式（以下、「推定式」という）に含まれるパラメータを補正する推定式の補正方法であって、
   落下原料がベル式高炉のムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報をノッチに応じて取得し、
   この取得した音量情報に基づき、前記衝突音が発生する最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第１の位置」という）を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向外側のラインが前記第１の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする推定式の補正方法。
3. 落下軌跡推定モデルに基づき推定される落下軌跡の推定式（以下、「推定式」という）に含まれるパラメータを補正する推定式の補正方法であって、
   落下原料がベル式高炉のムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報をノッチに応じて取得し、
   この取得した音量情報に基づき、前記衝突音が最大になる最小のノッチにおける前記ムーバブルアーマーの先端位置（以下、「第２の位置」という）を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向内側のラインが前記第２の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする推定式の補正方法。
4. 炉周方向における落下原料の装入量分布の円周バランスを推定する装入量分布推定方法であって、
   ムーバブルアーマーが炉周方向に複数設置されたベル式高炉において、
   各前記ムーバブルアーマーを各待機位置から同時に駆動し、落下原料が各前記ムーバブルアーマーに衝突して発生する衝突音の音量情報を取得し、
   この取得した音量情報に基づき、各前記ムーバブルアーマーについて、衝突音が発生し始めるタイミング（以下、「第１のタイミング」という）を特定するとともに、前記第１のタイミングが相対的に早いムーバブルアーマーが設置されている炉周方向位置において前記落下原料の装入量が多いと推定することを特徴とする装入量分布推定方法。