JP6686947B2 - 高炉炉況状態判定装置及び高炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置、及び、高炉の操業方法に関する。

従来、高炉の炉内状況（以下、炉況という。）を監視し、適切な操業条件に変更して高炉の操業を行うことが知られている（特許文献１など）。そのため、高炉の炉況状態、特に炉内の通気状態の変化を正しく、より早く把握及び推定し、炉内の通気状態を常に良好に維持することが特に重要である。

特許文献１には、高炉におけるシャフト圧の時間変化率の最小値と最大値との差など、シャフト圧の時間変化率に関する閾値を設けて、炉内の通気状態の異常判定を行うことが開示されている。

特許第４３３６２６２号公報

高炉の通気状態の悪化現象の一つである吹き抜けは、その現象が小さい場合でも高炉内で原料の崩れが発生して、後々の大トラブルの起因となり得る。そのため、炉内で吹き抜けが発生したら、減風などの対応を行うのが望ましい。しかしながら、トレンド監視だけでは、吹き抜けが把握しにくく、オペレータが吹き抜けに気付くのが遅くなったり見逃したりする場合がある。

また、シャフト圧の値が、どの程度変化した場合に、吹き抜けと判定するのかの一元化した指標を設定するのは難しい。例えば、特許文献１に開示された技術のように、シャフト圧の時間変化率の最小値と最大値との差など、シャフト圧の時間変化率に関する閾値を設けただけでは、シャフト圧つまりのような圧力計の異常により、シャフト圧が一か所だけ急激に変化した場合にも吹き抜けと判定されてしまい、吹き抜け以外のノイズに弱い判定システムになってしまう。また、この技術では、異なる炉体円周方位（炉体円周方向における異なる位置）におけるシャフト圧の時間変化率の差を用いるため、吹き抜けが発生していない炉体円周方位の圧力の影響により実際に吹き抜けが発生しているのかや、吹き抜けが発生している炉体円周方位の特定をすぐには行えないなどの問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、吹き抜け発生を的確に判定することができる高炉炉況状態判定装置、及び、高炉の操業方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、高炉の炉況状態として吹き抜け発生を判定する高炉炉況状態判定装置であって、前記高炉における炉体のシャフト部分周りの複数の測定点に設けられ、炉内における通気状態を示す計測対象量であるシャフト圧を計測するための複数の計測手段と、前記複数の計測手段によって計測された前記シャフト圧の計測値を、シャフト円周方位ごとの計測値データに分類する分類手段と、前記シャフト円周方位ごとの前記計測値データに基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、前記主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値が、予め設定された閾値を超えたかを判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記複数の計測手段によって計測された各計測値を収集する計測値収集手段を備えており、前記分類手段は、前記計測値収集手段に収集された各計測値を、前記シャフト円周方位ごとの前記計測値データに分類することを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段と、前記判定手段によって前記主成分分析値が前記閾値を超えたと判定されたときに警報を鳴らして報知する報知手段と、の少なくとも一方を備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉炉況状態判定装置は、上記の発明において、前記主成分分析値として第１主成分値を用いることを特徴とするものである。

また、本発明に係る高炉の操業方法は、上記の発明の高炉炉況状態判定装置の判定結果に基づいて、操業条件を変更することを特徴とするものである。

本発明に係る高炉炉況状態判定装置、及び、高炉の操業方法は、吹き抜けを的確に判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炉況状態判定装置のブロック図である。 図２は、主成分分析における第１主成分の数学的なイメージを示す図である。 図３は、シャフトの特定方位（円周方向）における異なる高さ方向３段に設置されたシャフト圧センサ値の時系列データを示す図である。 図４は、７５［ｓ］と９２０［ｓ］とにおけるシャフト圧データに対して、主成分分析装置による主成分分析を行い、その第１主成分値（統計量）の計算結果を示す図である。

以下に、本発明を適用した高炉の炉況状態を判定する高炉炉況状態判定装置、及び、高炉の操業方法の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

実施形態に係る高炉炉況状態判定装置１は、図１に示すように、鉄鉱石を原料として銑鉄を生産する高炉における炉体のシャフト部分に設置された複数のシャフト圧計測センサから出力されたシャフト圧センサ値を収集するデータ収集装置２と、データ収集装置２に収集されたシャフト圧センサ値を、シャフト円周方位ごとのシャフト圧データに分類するデータ分類装置３と、シャフト圧データの主成分分析値の計算を行う主成分分析装置４と、主成分分析装置４によって計算された主成分分析値が、予め設定された閾値を超えたか判定する判定装置５と、前記シャフト円周方位ごとの前記主成分分析値及び前記閾値や、判定装置５の判定結果などを表示する表示装置６と、判定装置５の判定結果に基づいて、前記主成分分析値が前記閾値を超えたと判定された旨をオペレータに報知する報知装置７と、によって構成されている。なお、表示装置６と報知装置７とは、少なくともどちらかを備えていればよいが、表示装置６と報知装置７との両方を備えるのが好ましい。

ここで、高炉の炉体圧力は高い正圧力で一定圧に制御されているが、正常操業の場合でも原料装入などの外乱の影響があるため、常に変動幅は小さいながらも、高炉全体の圧力が同期して変化している。当然ながら、炉体外殻から装入され、炉内の外周部の圧力を測定するためにシャフト円周方向及びシャフト高さ方向に設置された複数のシャフト圧計測センサによって計測されるシャフト圧も、正常安定操業時には、高い正圧力で操業されているため、それぞれ同期しながら変化をしている。そのため、シャフト圧に主成分分析を行うと、その変動が第１主成分に現れ、安定操業時には第１主成分軸上の一定範囲の幅で変動する。本願発明者らは、特に吹き抜けが発生した際には、吹き抜けが発生した炉体円周方位と同方位で同期して、瞬間的にシャフト圧が上昇したり下降したりする、つまり、吹き抜け発生と同期してシャフト圧は変化するが、通常の正常な範囲の変動よりも大幅に大きいことに着目した。そして、炉内で荷崩れが発生するような吹き抜けが発生した場合には、図２に示すように、同一円周上同期変動が現れる第１主成分軸上で、正常の変動範囲を大きく逸脱して変化することを見出した。

本実施形態に係る高炉炉況状態判定装置１によって炉況状態を判定する対象である高炉のシャフト部分には、シャフト円周方向に４点または８点、且つ、シャフト高さ方向に６〜１０段で、複数のシャフト圧計測センサが設置されている。そして、データ収集装置２は、主成分分析装置４による主成分分析値の計算に必要な、高炉のシャフト周りの複数点におけるシャフト圧センサ値を、複数のシャフト圧計測センサから受け取る。

データ分類装置３は、データ収集装置２に収集された高炉のシャフト周りの複数箇所におけるシャフト圧センサ値それぞれを、シャフト円周方位ごとのシャフト圧データに分類する。例えば、シャフト円周方向に４点、且つ、シャフト高さ方向に６段で、複数のシャフト圧計測センサを設置した場合には、シャフト円周方位が４つの方位に区分けされ、シャフト高さ方向の各段において同じ方位に位置するシャフト圧計測センサを同一センサ群とする。そして、同一センサ群の各シャフト圧計測センサからのシャフト圧センサ値を、同一方位におけるシャフト圧データとして分類する。

ここで、主成分分析を用いた方法では、高炉のシャフトにおける円周方向及び高さ方向の全シャフト圧力データを用いて主成分分析値の計算を行い、主成分分析値として第１主成分値の大きさで吹き抜けを判定する方法が考えられる。しかしながら、吹き抜けが発生していない、つまり圧力変化が小さいシャフト円周方位のシャフト圧の計測値の影響により、第１主成分値の変化が通常の安定時と比べて顕著に大きくはならず、吹き抜け判定用の閾値を適切に設定することが困難であると考えられる。

そのため、主成分分析装置４は、データ分類装置３によって分類されたシャフト円周方位ごとのシャフト圧データについて、それぞれ主成分分析を行って第１主成分値を計算する。判定装置５は、主成分分析装置４によって計算されたシャフト円周方位ごとの第１主成分値が、予め設定された第１主成分値の閾値を超えていないかの判定を行う。表示装置６には、シャフト円周方位ごとに、主成分分析装置４によって計算された第１主成分値及び閾値や、判定装置５の判定結果などを表示する。報知装置７は、判定装置５によって第１主成分値が閾値を超えたと判定した場合に、警報を鳴らすなどして、第１主成分値が閾値を超えたと判定された旨をオペレータに報知する。なお、判定装置５が用いる前記閾値は、例えば、過去の吹き抜けが生じたときにおけるシャフト圧データの第１主成分値の計算結果に基づいて設定すれば良い。

次に、主成分分析装置４によって実施される、シャフト円周方位ごとのシャフト圧データの主成分分析について説明する。主成分分析とは、同期する複数個（複数次元）のデータ群について、元のデータ群の持つ情報量の損失をできる限り小さくしつつ、元のデータの持つ特徴が良く反映された少数の変数へと置換（低次元化）する数学的処理を指す。これは、例えば、高炉のシャフト圧データの場合であれば、高炉一基に対して、例えばシャフト圧計測センサを３０点設置したとすると、これに主成分分析を適用し、３０点のデータ群の特徴を良好に反映する数個の変数に仮に置き換えられたとすれば、これら３０点のデータ群全てを観察することなく、主成分分析により生成された少数の変数を監視することで、炉内の状態をより簡便に推定可能であることを表している。なお、同期とは、プロセスにおける時間推移または操業アクションに対して、操業上の変数の挙動に協調性があることを指す。以降、主成分分析のより具体的な手法を説明する。

主成分分析では、Ｐ個の変数｛ｘ_ｐ｝（ｐ＝１，２，・・・，Ｐ）の持つ情報を、情報の損失を最小限に抑えながら、｛ｘ_ｐ｝の一次結合として与えられる互いに独立なＭ個（Ｍ≦Ｐ）の主成分｛ｚ_ｍ｝を用いて、下記（１）式のように表現する。（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）

なお、下記（２）式の条件がある。

上記（１）式において｛ｗ_ｐｍ｝は、結合係数を表す。また、上記（１）式において｛ｘ_ｐ｝は、シャフト圧データ群に相当する。また、上記（１）式において、Ｍ＝１の場合では、複数個（Ｐ個）のシャフト圧データは、一つの主成分データｚ_１に変換されたことになる。また、Ｍ＝１の場合には、主成分データｚ_１を第１主成分と言う。第１主成分ｚ_１は、上記（１）式で与えられるため、上記（１）式の結合係数を下記（３）式のようなベクトル表記とする。

また、高炉操業中のある時刻におけるシャフト圧データを、下記（４）式のようなベクトル表記で表す。

このとき、シャフト圧データｘに対応する第１主成分ｚ_１は、下記（５）式のように表される。

第１主成分ｚ_１の分散σ^２ _ｚ１は、下記（６）式のように表される。

なお、上記（６）式中、Ｎはシャフト圧データのサンプル数を表す。また、上記（６）式において、行列Ｖは共分散行列であり、下記（７）式のように表される。

第１主成分ｚ_１は、上記（２）式の条件の下分散σ^２ _ｚ１が、最大となるように決定される必要がある。これは、Ｌａｇｒａｎｇｅ未定乗数法を用いて解くことが可能であり、乗数λを用いて下記（８）式の変数Ｊ_１を最大にする結合係数ｗ_１を求めればよい。

上記（８）式の最大値を与える結合係数ｗ_１を求めるには、変数Ｊ_１の結合係数ｗ_１による偏微分値が０となる結合係数ｗ_１を求めればよく、結局、上記（８）式の偏微分から下記（９）式のような条件式が得られる。

上記（９）式の条件式は、固有値問題であり、乗数λが満たす条件は下記（１０）式の固有方程式を用いて表される。

したがって、乗数λ及び第１主成分ｚ_１は、共分散行列Ｖの最大固有値及び固有ベクトルとして求めることができる。本発明では、各時刻におけるシャフト圧データに主成分分析を適用して、第１主成分ｚ_１を算出する。

図２は、主成分分析における第１主成分の数学的なイメージを示す図である。なお、図２においては、簡便のためシャフト圧データを、シャフト圧Ａとシャフト圧Ｂとの２点と仮定する。これらシャフト圧データが同期するものであるならば、高炉操業中に計測されたシャフト圧データを二次元的にプロットすると、図２に示すようになる。このとき、シャフト圧データの有する特徴を良く表現する指標として、先に説明した新たな情報量として定義された第１主成分は、図２のｚ_１軸に相当し、高炉操業中のシャフト圧データはｚ_１軸方向を移動する。

炉内の通気状態の異常から高炉の操業異常の予知を行うためには、図２の楕円領域に相当する正常な操業範囲におけるデータベースを、事前に構築する必要がある。これは、まず高炉内に異常が発生していない正常な操業区間について、シャフト圧データの時系列データに主成分分析を適用し、第１主成分ｚ_１の時系列データを作成する。また、この正常な時間区間における第１主成分最大値ｚ_{１，ｍａｘ}を求める。正常な時間区間について、これら第１主成分最大値ｚ_{１，ｍａｘ}を求めることは、正常な操業を行っている場合におけるシャフト圧データの変動幅、及び、正常な操業範囲からの逸脱量の最大値を求めていることになる。高炉の操業異常を予知する場合には、異常が起こりつつある操業範囲のシャフト圧データから算出した第１主成分を、正常な操業範囲のシャフト圧データから算出した第１主成分最大値ｚ_{１，ｍａｘ}で除した指数で、閾値越えの判定を行う。

［実施例］
次に、本発明の実施例として、実際の高炉におけるシャフト圧力を用いた吹き抜け判定について説明する。図３は、シャフトの特定方位（円周方向）における異なる高さ方向３段に設置されたシャフト圧センサ値の時系列データを示す図である。この時系列データにおいては、前記特定方位において、７５［ｓ］と９２０［ｓ］とで吹き抜けが発生している。図４は、７５［ｓ］と９２０［ｓ］とにおけるシャフト圧データに対して、主成分分析装置４による主成分分析を行い、その第１主成分値（統計量）の計算結果を示す図である。吹き抜けが発生した７５［ｓ］と９２０［ｓ］とでは、第１主成分値が大きく変化しており、予め設定された閾値１を超えている。一方、それ以外の時刻においては、特定高さの圧力の変動が大きい場合でも、第１主成分値の変化は小さく、閾値１を上回ることはなかった。

なお、高炉のオペレータには、シャフト円周方位ごとの第１主成分値及び閾値の情報として、図４に示すような画面を表示装置６に表示して見せるとともに、第１主成分値が閾値を超えた（上回った）場合には、吹き抜けが発生した炉況状態の異常を、表示装置６に表示したり、報知装置７により警報を鳴らしたりするなどして、オペレータに気を付かせ、吹き抜けが抑えられるように、減風などの高炉の操業条件を変更する対処行動をオペレータに行わせる。

以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。例えば、吹き抜けが発生した際には、炉口ガス温度分布（高炉の頂部から装入された原料からなる層の最上面である原料装入面の直上にある空間の温度分布）に変動が生じることから、炉内における通気状態を示す計測対象量として、シャフト圧力に替えて炉口ガス温度を用いてもよい。

１ 高炉炉況状態判定装置
２ データ収集装置
３ データ分類装置
４ 主成分分析装置
５ 判定装置
６ 表示装置
７ 報知装置

Claims (5)

1. 高炉の炉況状態として吹き抜け発生を判定する高炉炉況状態判定装置であって、
   前記高炉における炉体のシャフト部分周りの複数の測定点に設けられ、炉内における通気状態を示す計測対象量であるシャフト圧を計測するための複数の計測手段と、
   前記複数の計測手段によって計測された前記シャフト圧の計測値を、シャフト円周方位ごとの計測値データに分類する分類手段と、
   前記シャフト円周方位ごとの前記計測値データに基づいて、主成分分析を行う主成分分析手段と、
   前記主成分分析手段による主成分分析によって求められた主成分分析値が、予め設定された閾値を超えたかを判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
2. 請求項１に記載の高炉炉況状態判定装置において、
   前記複数の計測手段によって計測された各計測値を収集する計測値収集手段を備えており、
   前記分類手段は、前記計測値収集手段に収集された各計測値を、前記シャフト円周方位ごとの前記計測値データに分類することを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
3. 請求項１または２に記載の高炉炉況状態判定装置において、
   前記判定手段による判定結果を表示する表示手段と、前記判定手段によって前記主成分分析値が前記閾値を超えたと判定されたときに警報を鳴らして報知する報知手段と、の少なくとも一方を備えることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定装置において、
   前記主成分分析値として第１主成分値を用いることを特徴とする高炉炉況状態判定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の高炉炉況状態判定装置の判定結果に基づいて、操業条件を変更することを特徴とする高炉の操業方法。

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