JP7003782B2

JP7003782B2 - 還元粉化性管理装置、還元粉化性管理プログラム、及び還元粉化性管理方法

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Publication number: JP7003782B2
Application number: JP2018059439A
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Inventors: 守利水谷
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Description

本発明は、還元粉化性管理装置、還元粉化性管理プログラム、及び還元粉化性管理方法に関する。

高炉及び直接還元製鉄法の還元炉等（以下、単に高炉等と称する）を用いた製鉄法において、高炉等に装入される製鉄用原料の品質を管理して、高炉等の操業を安定させることが知られている。製鉄用原料は、焼結鉱、焼成ペレット、非焼成塊成鉱、塊鉱石等を含む。高炉等の操業のために管理される製鉄用原料の品質は、例えば、鉄分等の化学成分、粉率、強度、被還元性、及び耐還元粉性を含み、測定方法はＪＩＳにおいて規定されている。例えば、製鉄用原料の強度は落下強度ＳＩ（JIS-M8711(2011)）及び回転強度ＴＩ（JIS-M8712(2009)）で規定され、製鉄用原料の被還元性は還元指数ＲＩ（Reduction Index、JIS-M8713(2009)）で規定される。また、製鉄用原料の耐還元粉性は、製鉄用原料を昇温する昇温工程、製鉄用原料を還元する還元工程、製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び製鉄用原料を転動する転動工程を含むＲＤＩ試験で測定された還元粉化指数ＲＤＩ（Reduction Degradation Index、JIS-M8720(2009)）で規定される。高炉等の操業を管理する作業者は、ＪＩＳで規定される測定方法により測定される製鉄用原料の品質項目が管理条件を充足するように、製鉄用原料の製造方法を調整し、高炉等に装入される製鉄用原料の配合割合を調整することで、高炉等の操業を安定させることができる。

また、亀裂及び亀裂破壊により発生する弾性波のアコースティックエミッション（Acoustic Emission、ＡＥ）エネルギを測定し、測定したＡＥエネルギの波形を解析することで、亀裂等を評価するＡＥ法が知られている。

さらに、ＡＥ法を使用して、還元粉化指数ＲＤＩを推定する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載される技術では、還元粉化指数ＲＤＩは、ＲＤＩ試験におけるＡＥエネルギの総和と、還元粉化指数還元粉化指数及び回転強度ＳＩの差である還元粉化指数変化量ΔＲＤＩとの間の相関関係とに基づいて推定される。すなわち、特許文献１に記載される技術では、還元粉化指数ＲＤＩは、ＲＤＩ試験におけるＡＥエネルギの総和は、還元粉化指数変化量ΔＲＤＩに相関するとの知見に基づいて推定される。特許文献１に記載される技術は、ＲＤＩ測定中に発生するＡＥエネルギの総和から、簡易的かつ直接的に還元粉化指数ＲＤＩを推定することができる。

特開２０１６－７９５００号公報

特許文献１に記載される技術では、還元粉化指数ＲＤＩは、ＲＤＩ試験の昇温工程、還元工程及び冷却工程に亘って測定されたＡＥエネルギの総和から導出される還元粉化指数変化量ΔＲＤＩを使用して推定される。一方、高炉等の内部に装入された製鉄用原料が向流移動層において還元粉化される工程は、昇温工程及び還元工程を含むが冷却工程を含まない。特許文献１で測定されるＡＥエネルギは、ＲＤＩ試験の冷却工程で発生するＡＥエネルギを含むので、冷却工程を含まない高炉等の内部での製鉄用原料の還元粉化性の推定精度が低下し、高炉等の内部の還元粉化性の管理精度が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、高炉等の内部での製鉄用原料の還元粉化性を精度良く管理可能な還元粉化性管理方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決する本発明は、以下に還元粉化性管理プログラム、還元粉化性管理方法、及び還元粉化性管理装置を要旨とするものである。
（１）製鉄用原料を昇温する昇温工程、昇温された製鉄用原料を還元する還元工程、還元された製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び冷却された製鉄用原料を転動する転動工程を含む処理を所定の条件で実行して製鉄用原料の還元粉化指数を測定するＲＤＩ試験において製鉄用原料から伝搬する弾性波を示す弾性波信号を取得し、
弾性波信号に対応する弾性波のＡＥエネルギを演算し、
還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギを演算し、
還元工程ＡＥエネルギに基づいて、製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定し、
製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、還元粉化性調整信号を出力する、
ことを含むことを特徴とする還元粉化性管理方法。
（２）製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定することは、
還元工程ＡＥエネルギと所定のＡＥエネルギしきい値とを比較し、
還元工程ＡＥエネルギがＡＥエネルギしきい値以上であるときに、製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する、
ことを含む、（１）に記載の還元粉化性管理方法。
（３）冷却工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である冷却工程ＡＥエネルギを演算し、
還元粉化指数を取得し、
還元工程ＡＥエネルギと冷却工程ＡＥエネルギとの合計の値に対する還元工程ＡＥエネルギの比率を還元粉化指数に乗算して補正還元粉化指数を演算する、ことを更に含み、
製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定することは、
補正還元粉化指数と所定の補正指数しきい値とを比較し、
補正還元粉化指数が補正指数しきい値以上であるときに、製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する、
ことを含む、（１）に記載の還元粉化性管理方法。
（４）製鉄用原料を昇温する昇温工程、昇温された製鉄用原料を還元する還元工程、還元された製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び冷却された製鉄用原料を転動する転動工程を含む処理を所定の条件で実行して製鉄用原料の還元粉化指数を測定するＲＤＩ試験において製鉄用原料から伝搬する弾性波を示す弾性波信号を取得し、
弾性波信号に対応する弾性波のＡＥエネルギを演算し、
還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギを演算し、
還元工程ＡＥエネルギに基づいて、製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定し、
製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、還元粉化性調整信号を出力する、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする還元粉化性管理プログラム。
（５）製鉄用原料を昇温する昇温工程、昇温された製鉄用原料を還元する還元工程、還元された製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び冷却された製鉄用原料を転動する転動工程を含む処理を所定の条件で実行して製鉄用原料の還元粉化指数を測定するＲＤＩ試験において製鉄用原料から伝搬する弾性波を示す弾性波信号を取得する弾性波取得部と、
弾性波信号に対応する弾性波のＡＥエネルギを演算するＡＥエネルギ演算部と、
還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギを演算する還元工程エネルギ演算部と、
還元工程ＡＥエネルギに基づいて、製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定するＡＥエネルギ判定部と、
製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、還元粉化性調整信号を出力する調整指示出力部と、
を有することを特徴とする還元粉化性管理装置。

一実施形態では、高炉等の内部での製鉄用原料の還元粉化性を精度良く管理することができる。

工程（１）～（４）における経過時間、及び温度と製鉄用原料である焼結鉱から発生するＡＥエネルギとの関係を示す図である。第１実施形態に係る還元粉化性管理システムの概略図である。図２に示す演算装置を示す図である。図２に示す還元粉化性管理システムが高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を管理する還元粉化性管理処理のフローチャートである。第２実施形態に係る還元粉化性管理システムの概略図である。図５に示す演算装置を示す図である。図５に示す還元粉化性管理システムが高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を管理する還元粉化性管理処理のフローチャートである。本実施例で用いたシャフト炉の縦断面図を示す図である。（ａ）は還元粉化指数ＲＤＩと還元粉化指数変化量ΔＸとの関係を示す図であり、（ｂ）は還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tと還元粉化指数変化量ΔＸとの関係を示す図であり、（ｃ）は補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩと還元粉化指数変化量ΔＸとの関係を示す図である。

以下図面を参照して、還元粉化性管理装置、還元粉化性管理プログラム、及び還元粉化性管理方法について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されない。

（ＪＩＳに規定されるＲＤＩ試験における還元試験における作業工程）
ＪＩＳに規定されるＲＤＩ試験における還元試験における作業工程を以下に示す。
（１）約５Ｌ／ｍｉｎの流量で窒素を流して還元反応管内の空気を置換しながら、製鉄用原料を収納する還元反応管を電熱炉で加熱して製鉄用原料を５５０℃±１０℃に達するまで加熱する（昇温工程）。
（２）１５Ｌ／ｍｉｎの流量で窒素を流し、温度平衡のため少なくとも１５分間５５０℃の等温を保持する（保持工程）。
（３）窒素を還元ガスに置換し、還元ガスを還元反応管に１５Ｌ／ｍｉｎ±０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で３０分間流し、製鉄用原料を還元する（還元工程）。
（４）電気炉の加熱を止め、且つ約５Ｌ／ｍｉｎ±０．５Ｌの流量で窒素を流して製鉄用原料を１００℃以下の温度になるまで冷却する（冷却工程）。
（５）還元反応管から製鉄用原料を取り出し、ドラムに装入してドラムを３０回転／分±１回転／分の回転速度で合計９００回転させて転動する（転動工程）。
（６）ドラムからすべての製鉄用原料を取り出し、公称目開き２．８ｍｍのふるいを用いて製鉄用原料をふるう（ふるい分け工程）。
（７）還元粉化指数ＲＩＤを以下の式によって算出する（算出工程）。

ここで、ｍ₀は製鉄用原料の還元後、転動前の質量（ｇ）であり、ｍ₁は２．８ｍｍのふるいに残った製鉄用原料の質量（ｇ）である。ＪＩＳに規定されるＲＤＩ試験では、温度が５５０℃である還元反応管に還元ガスを流すことで製鉄用原料を還元し、還元された製鉄用原料を回転するドラム内で転動させることで粉化の程度を測定することで、高炉等の模擬的条件下での還元粉化性を測定する。

本願発明の発明者らは、工程（３）で示される還元工程のみならず、工程（１）、（２）及び（４）のそれぞれで示される昇温工程、保持工程及び冷却工程において製鉄用原料に亀裂が発生することを見出した。

図１は、工程（１）～（４）における経過時間、及び温度と製鉄用原料である焼結鉱から発生するＡＥエネルギとの関係を示す図である。図１において、横軸は経過時間（分）を示し、右縦軸は還元反応管内の温度（℃）を示し、左縦軸は焼結鉱から発生される弾性波の重心周波数を示す。また、図１において、「１」は昇温工程で発生する弾性波を示し、「２」は還元工程で発生する弾性波を示し、「３」は冷却工程で発生する弾性波を示す。

亀裂に伴って焼結鉱から発生される弾性波は、還元工程のみならず、冷却工程においても検出されるので、製鉄用原料の亀裂は、還元工程のみならず、冷却工程においても発生すると推察される。なお、製鉄用原料の亀裂は、昇温工程及び保持工程においても発生すると推察されるが、昇温工程及び保持工程において測定されるＡＥエネルギは、大きさが小さいため、無視してもよい。

（実施形態に係る還元粉化性管理方法の概要）
実施形態に係る還元粉化性管理方法は、ＲＤＩ試験の還元工程におけるＡＥエネルギに基づいて、製鉄用原料の還元粉化性を調整することで、冷却工程において製鉄用原料に発生する亀裂に応じたＡＥエネルギの影響を排除して製鉄用原料の還元粉化性を調整することができる。実施形態に係る還元粉化性管理方法は、冷却工程において製鉄用原料に発生する亀裂に応じたＡＥエネルギの影響を排除して製鉄用原料の還元粉化性を調整することで、冷却工程を有さない高炉等の内部での製鉄用原料の還元粉化性を精度よく管理できる。

（第１実施形態に係る還元粉化性管理システム）
図２は、第１実施形態に係る還元粉化性管理システムの概略図である。

還元粉化性管理システム１は、還元炉部１０と、ガス供給部２０と、排ガス処理部３０と、ＡＥ検出部４０と、演算装置５０を有する。還元粉化性管理システム１は、ＲＤＩ試験の還元工程におけるＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギＥ_R-TがＡＥエネルギしきい値Ｅ_th以上であるときに、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整することを示す還元粉化性調整信号を出力する。還元粉化性管理システム１は、ＲＤＩ試験の還元工程におけるＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tを使用することで、冷却工程において製鉄用原料に発生する亀裂に応じたＡＥエネルギの影響を排除して製鉄用原料の還元粉化性を調整することができる。

還元炉部１０は、製鉄用原料Ｓを収納する反応管１１と、反応管１１を内包して加熱する加熱炉１２とを有する。反応管１１は、反応管内管１３と、反応管外管１４と、一対のガス整流用穴あき目皿１５と、ガス流入口１６と、ガス排出口１７と、試料温度測定用熱電対１８と、反応管蓋１９とを有する。反応管外管１４は反応管１１の外縁を形成し、反応管内管１３は反応管１１の内縁を形成する。一対のガス整流用穴あき目皿１５は反応管内管１３の上下方向に互いに離隔される。製鉄用原料Ｓは、一対のガス整流用穴あき目皿１５の間に装入される。ガス流入口１６はガス供給部２０から供給されるガスを反応管１１の内部に導入する導入口であり、ガス排出口１７は反応管１１の内部からガスを排出する排出口である。試料温度測定用熱電対１８は、反応管１１の内部の温度に応じた電流が流れる熱電対であり、試料温度測定用熱電対１８を流れる電流は、不図示の制御装置に供給される。試料温度測定用熱電対１８から電流が供給される制御装置は、反応管内管１３の内部の温度が所望の温度になるように加熱炉１２を制御する。反応管蓋１９は、反応管１１の開口部に着脱可能に配置され、反応管１１を密封する蓋である。

加熱炉１２は、筐体１２０と、炉温制御用熱電対１２１とを有する。筐体１２０は、反応管１１を内包可能な大きさを有する。炉温制御用熱電対１２１のそれぞれは、試料温度測定用熱電対１８から電流が供給される制御装置によって制御される電流が、不図示の電源から通電されることで発熱する。炉温制御用熱電対１２１のそれぞれが発熱することで、製鉄用原料Ｓを収納する反応管１１が加熱される。

ガス供給部２０は、複数のガスシリンダ２１と、複数のガスシリンダ２１のそれぞれに接続されたガス流量計２２と、ガス混合容器２３とを有し、複数のガスシリンダ２１のそれぞれから供給されるガスをガス混合容器２３で混合して還元ガスを製造する。複数のガスシリンダ２１のそれぞれは、Ｎ₂ガス、ＣＯガス、ＣＯ₂ガス、Ｈ₂ガスを収容する。ガス流量計２２のそれぞれは、複数のガスシリンダ２１のそれぞれから供給されるガスの流量を測定する。ガス混合容器２３は、例えば、昇温工程、保持工程及び冷却工程では、Ｎ₂ガスが供給され、還元工程ではＣＯガスの体積分率が３０％及びＮ₂ガスの体積分率が７０％である還元ガスが供給される。

排ガス処理部３０は、排ガス管３１と、排ガス処理設備３２とを有する。排ガス管３１は、一端がガス排出口１７に接続され、他端が排ガス処理設備３２に接続され、反応管１１の内部から還元ガス等を排ガス処理装置３２に排出する。排ガス処理設備３２は、毒性のあるＣＯガスや爆発性のＨ２ガスなどを含有する排出ガスの種類及び量に応じた反応処理が実行可能な設備である。

ＡＥ検出部４０は、ＡＥ導波部材４１と、ＡＥセンサ４２とを有する。ＡＥ導波部材４１は、棒状のＡＥ導波棒であり、一対のガス整流用穴あき目皿１５の間に装入された試料Ｓ内に延出しており、試料Ｓから発生する弾性波をＡＥセンサ４２に伝搬させる。ＡＥセンサ４２は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子を含み、ＡＥ導波部材４１を伝搬する弾性波を検出し、検出した弾性波に応じた信号を出力する。

図３は、演算装置５０を示す図である。

演算装置５０は、通信部５１と、記憶部５２と、入力部５３と、出力部５４と、処理部６０とを有する。通信部５１、記憶部５２、入力部５３、出力部５４及び処理部６０は、バス２００を介して互いに接続される。演算装置５０は、ＲＤＩ試験の還元工程におけるＡＥエネルギに基づいて、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定する。一例では、演算装置５０は、高炉等への装入物の搬送を監視制御する監視制御装置である。また、演算装置５０は、単一の装置として示されるが、複数の装置として構成されてもよい。例えば、演算装置５０は、ＡＥセンサ４２が検出した弾性波の周波数及びＡＥエネルギを測定するＡＥ測定装置と、ＡＥ測定装置が測定した弾性波の周波数及びＡＥエネルギから対象物の粒度を想定する解析用パーソナルコンピュータとで構成されてもよい。

通信部５１は、イーサネット（登録商標）などの有線の通信インターフェース回路を有する。通信部５１は、ＬＡＮ４３を介してＡＥセンサ４２及び不図示の上位制御装置と通信を行う。

記憶部５２は、例えば、半導体記憶装置、磁気テープ装置、磁気ディスク装置、又は光ディスク装置のうちの少なくとも一つを備える。記憶部５２は、処理部６０での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。例えば、記憶部５２は、アプリケーションプログラムとして、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定する還元粉化性管理処理を処理部６０に実行させるための還元粉化性管理プログラム等を記憶する。還元粉化性管理プログラムプログラムは、例えばＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部５２にインストールされてもよい。また、記憶部５２は、還元粉化性管理処理で使用される種々のデータを記憶する。

入力部５３は、データの入力が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、タッチパネル、キーボード等である。作業者は、入力部５３を用いて、文字、数字、記号等を入力することができる。入力部５３は、作業者により操作されると、その操作に対応する信号を生成する。そして、生成された信号は、作業者の指示として、処理部６０に供給される。

出力部５４は、映像や画像等の表示が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬ（Electro－Luminescence）ディスプレイ等である。出力部５４は、処理部６０から供給された映像データに応じた映像や、画像データに応じた画像等を表示する。また、出力部５４は、紙などの表示媒体に、映像、画像又は文字等を印刷する出力装置であってもよい。

処理部６０は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部６０は、演算装置５０の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵである。処理部６０は、記憶部５２に記憶されているプログラム（ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等）に基づいて処理を実行する。また、処理部６０は、複数のプログラム（アプリケーションプログラム等）を並列に実行できる。

処理部６０は、弾性波取得部６１と、ＡＥエネルギ演算部６２と、還元工程エネルギ演算部６３と、ＡＥエネルギ判定部６４と、調整指示出力部６５とを有する。これらの各部は、処理部６０が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして演算装置５０に実装されてもよい。

（第１実施形態に係る還元粉化性管理システムによる還元粉化性管理処理）
図４は、還元粉化性管理システム１が高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を管理する還元粉化性管理処理のフローチャートである。図４に示す還元粉化性管理処理は、予め記憶部５２に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部６０により演算装置５０の各要素と協働して実行される。

まず、弾性波取得部６１は、還元工程の間、ＡＥセンサ４２が検出した複数の弾性波のそれぞれの波形を示す弾性波信号を取得する（Ｓ１０１）。弾性波取得部６１は、ＣＯガスを収容するガスシリンダ２１の排出弁が開動作することを検知して弾性波信号の取得を開始してもよく、不図示の作業者による入力部５３を介する還元工程開始指示の入力に応じて弾性波信号の取得を開始してもよい。また、弾性波取得部６１は、ＣＯガスを収容するガスシリンダ２１の排出弁が閉動作することを検知して弾性波信号の取得を終了してもよく、不図示の作業者による入力部５３を介する還元工程終了指示の入力に応じて弾性波信号の取得を終了してもよい。

次いで、ＡＥエネルギ演算部６２は、還元工程の間に弾性波取得部６１によって取得された弾性波信号に対応する複数の弾性波のそれぞれのＡＥエネルギを演算する（Ｓ１０２）。ＡＥエネルギ演算部６２は、複数の弾性波のそれぞれの波形の包絡線で囲まれた部分の面積を、複数の弾性波のそれぞれのＡＥエネルギとして演算する。

次いで、還元工程エネルギ演算部６３は、還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tを演算する（Ｓ１０３）。還元工程エネルギ演算部６３は、Ｓ１０２の処理で演算されたＡＥエネルギの合計を、還元工程の間に発生した還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tとして演算する。

次いで、ＡＥエネルギ判定部６４は、Ｓ１０３の処理で演算された還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tに基づいて、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定する（Ｓ１０４）。具体的には、ＡＥエネルギ判定部６４は、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-TとＡＥエネルギしきい値Ｅ_thとを比較し、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-TがＡＥエネルギしきい値Ｅ_th以上であるときに、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する。ＡＥエネルギしきい値Ｅ_thは、高炉等の内部での還元粉化が所望の状態になるように、高炉等の操業条件、及び製鉄用原料の種類等に基づいて決定される。ＡＥエネルギしきい値Ｅ_thは、例えば、高炉等に装入される製鉄用原料の混合比率と高炉等の炉内の状態とを経時的に観察した結果に基づいて決定されてもよい。

そして、調整指示出力部６５は、製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、製鉄用原料の還元粉化性を調整することを示す還元粉化性調整信号を出力する（Ｓ１０５）。還元粉化性調整信号が出力されると、作業者は、当該製鉄用原料の製造方法を調整し、又は、製鉄用原料の平均値がＡＥエネルギしきい値Ｅ_th未満になるように、高炉等に装入される製鉄用原料全体の配合を調整することで、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整する。作業者は、例えば、還元粉化性が小さいペレットの製鉄用原料への混合比率を上昇させることで、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を低下させてもよい。

（第１実施形態に係る還元粉化性管理システムの作用効果）
還元粉化性管理システム１は、還元工程の間のＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tに基づいて、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整するので、高炉等の内部での製鉄用原料の還元粉化性を精度良く管理することができる。すなわち、還元粉化性管理システム１は、ＲＤＩ試験の冷却過程で発生する亀裂の影響を除外した指標を使用するので、高炉等の内部での還元粉化の程度をより正確に反映した指標を使用して、還元粉化性を管理することができる。より具体的には、還元粉化性管理システム１は、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tに基づいて、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整するので、ヘマタイトからマグネタイトに変化する還元反応に伴う膨張に亀裂の量に起因する粉化を反映した管理が可能である。

（第２実施形態に係る還元粉化性管理システムの構成及び機能）
図５は、第２実施形態に係る還元粉化性管理システムを示す図である。還元粉化性管理システム２は、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tによって還元粉化指数ＲＤＩを補正した補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩが補正指数しきい値Ｉ_th以上であるときに、高炉等の製鉄用原料の還元粉化性を調整することを示す還元粉化性調整信号を出力する。還元粉化性管理システム２は、転動工程を含むＲＤＩ試験により算出される還元粉化指数ＲＤＩに基づいて製鉄用原料の還元粉化性を調整するので、還元反応に伴う亀裂の伝播に耐える組織の強度に起因する粉化を反映した管理が可能である。

第２実施形態に係る還元粉化性管理システム２は、演算装置７０が演算装置５０の代わりに配置されることが還元粉化性管理システム１と相違する。演算装置７０以外の還元粉化性管理システム２の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された還元粉化性管理システム１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

図６は、演算装置７０を示す図である。

演算装置７０は、処理部８０が処理部６０の代わりに配置されることが演算装置７０と相違する。処理部８０以外の還元粉化性管理システム２の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された還元粉化性管理システム１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

処理部８０は、弾性波取得部８１と、ＡＥエネルギ演算部８２と、還元工程エネルギ演算部８３と、冷却工程エネルギ演算部８４と、還元粉化指数演算部８５と、ＡＥエネルギ判定部８６と、調整指示出力部８７とを有する。これらの各部は、処理部８０が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして演算装置７０に実装されてもよい。

（第２実施形態に係る還元粉化性管理システムによる還元粉化性管理処理）
図７は、還元粉化性管理システム２が高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を管理する還元粉化性管理処理のフローチャートである。図７に示す還元粉化性管理処理は、予め記憶部５２に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部８０により演算装置７０の各要素と協働して実行される。

まず、弾性波取得部８１は、弾性波取得部６１と同様に、還元工程の間、ＡＥセンサ４２が検出した複数の弾性波のそれぞれの波形を示す弾性波信号を取得する（Ｓ２０１）。

次いで、弾性波取得部８１は、冷却工程の間、ＡＥセンサ４２が検出した複数の弾性波のそれぞれの波形を示す弾性波信号を取得する（Ｓ２０２）。弾性波取得部６１は、ＣＯガスを収容するガスシリンダ２１の排出弁が閉動作することを検知して弾性波信号の取得を開始してもよく、不図示の作業者による入力部５３を介する還元工程終了指示の入力に応じて弾性波信号の取得を開始してもよい。また、弾性波取得部６１は、反応管１１の温度が所定の冷却停止温度まで低下したことを検知して弾性波信号の取得を終了してもよく、不図示の作業者による入力部５３を介する冷却工程終了指示の入力に応じて弾性波信号の取得を終了してもよい。

次いで、ＡＥエネルギ演算部８２は、還元工程の間に弾性波取得部６１によって取得された弾性波信号に対応する複数の弾性波のそれぞれのＡＥエネルギを演算する（Ｓ２０３）。次いで、ＡＥエネルギ演算部８２は、冷却工程の間に弾性波取得部６１によって取得された弾性波信号に対応する複数の弾性波のそれぞれのＡＥエネルギを演算する（Ｓ２０４）。

次いで、還元工程エネルギ演算部８３は、還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tを演算する（Ｓ２０５）。還元工程エネルギ演算部８３は、Ｓ２０３の処理で演算されたＡＥエネルギの合計を、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tとして演算する。

冷却工程エネルギ演算部８４は、冷却工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である冷却工程ＡＥエネルギＥ_C-Tを演算する（Ｓ２０６）。冷却工程エネルギ演算部８４は、Ｓ２０４の処理で演算されたＡＥエネルギの合計を、冷却工程ＡＥエネルギＥ_C-Tとして演算する。

次いで、還元粉化指数演算部８５は、還元粉化指数ＲＤＩを取得する（Ｓ２０７）。還元粉化指数演算部８５は、不図示の作業者による入力部５３を介する還元粉化指数ＲＤＩの入力に応じて還元粉化指数を取得してもよい。

次いで、還元粉化指数演算部８５は、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tと冷却工程ＡＥエネルギＥ_C-Tと合計の値に対する還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tの比率Ｒ_Eを還元粉化指数ＲＤに乗算して補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩを演算する（Ｓ２０８）。還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tと冷却工程ＡＥエネルギＥ_C-Tと合計の値に対する還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tの比率である還元工程比率Ｒ_Eは、
Ｒ_E ＝Ｅ_R-T／（Ｅ_R-T ＋Ｅ_C-T）
で示される。

次いで、ＡＥエネルギ判定部８６は、Ｓ２０８の処理で演算された補正還元粉化指数Ｒ_ＥｘＲＤＩに基づいて、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定する（Ｓ２０９）。具体的には、ＡＥエネルギ判定部８６は、補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩと補正指数しきい値Ｉ_thとを比較し、補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩが補正指数しきい値Ｉ_th以上であるときに、高炉等に装入される製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する。補正指数しきい値Ｉ_thは、高炉等の内部での還元粉化が所望の状態になるように、高炉等の操業条件、及び製鉄用原料の種類等に基づいて決定される。補正指数しきい値Ｉ_thは、例えば、高炉等に装入される製鉄用原料の混合比率と高炉等の炉内の状態とを経時的に観察した結果に基づいて決定されてもよい。

そして、調整指示出力部８７は、製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、製鉄用原料の還元粉化性を調整することを示す還元粉化性調整信号を出力する（Ｓ２１０）。

（第２実施形態に係る還元粉化性管理システムの作用効果）
還元粉化性管理システム２は、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tによって還元粉化指数ＲＤＩを補正した補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩに基づいて製鉄用原料の還元粉化性を調整するので、還元粉化性管理システム１よりも製鉄用原料の還元粉化性を精度良く管理できる。還元粉化性管理システム２は、転動工程を含むＲＤＩ試験により算出される還元粉化指数ＲＤＩに基づいて製鉄用原料の還元粉化性を調整するので、還元反応に伴う亀裂の伝播に耐える組織の強度に起因する粉化を反映した管理が可能である。

以下、本実施形態に係る指標及び比較例である従来のＲＤＩと、直接還元炉を用いた還元実験の結果とを比較する。

（実施例で使用された試料）
本実施形態に係る指標、及び従来のＲＤＩの算出、並びに直接還元炉を用いた還元実験は、表１に示す４つの試料のそれぞれを使用して実施された。試料１及び２は焼結鉱であり、試料３及び４はペレットである。試料１～４のそれぞれの平均直径は、１２．５ｍｍである。

（還元工程ＡＥエネルギＥ_R-T及び補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩの算出）
実施形態に係る還元粉化性管理方法において還元工程ＡＥエネルギＥ_R-T及び補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩを算出するときのＲＤＩ試験は、ＪＩＳの還元粉化試験方法に準じた。すなわち、試料１～４のそれぞれについて、試料重量：５００ｇ、還元時間：３０ｍｉｎ、還元ガス流量：１５ＮＬ／ｍｉｎで実施した。還元後の試料のそれぞれを所定径の筒内で回転粉化を行わせ、次いで篩分を行い、３．１５ｍｍ角の網を通過したものの割合を測定し、還元粉化指数（ＲＤＩ）を評価した。

表２は、試料１～４のそれぞれの還元粉化指数ＲＤＩ、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-T、冷却工程ＡＥエネルギＥ_C-T、還元工程比率Ｒ_E、及び補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩを示す。

（炉内粉率の測定）
図８は、本実施例で用いた直径０．１ｍ、高さ４．０ｍのシャフト炉１００の縦断面図を示す図である。

ガス組成が（３２．１％ＣＯ－１３．６％ＣＯ₂－４．８％Ｈ₂－４０．６％Ｎ₂）である還元ガスを不図示の加熱炉内で９５０℃まで加熱し、シャフト炉１００の下部の還元ガス導入管１０４より炉内にガス流量３００ＮＬ／ｍｉｎの流速で導入した。試料１～４のそれぞれは、シャフト炉１００上部に設置した製鉄用原料ホッパ１０１に約３００ｋｇ充填され、炉内に装入された。シャフト炉１００及び製鉄用原料ホッパ１０１には温度制御用の検出管を設け、カンタル抵抗線による縦割り二つ炉の通電加熱により、シャフト炉１００、及び製鉄用原料ホッパ１０１を加熱した。シャフト炉１００の数学モデルによる計算からシャフト炉１００の炉内温度分布を導出し、本実験の温度分布として設定した。炉壁から挿入された１２本の熱電対１０６により、シャフト炉１００の炉内の温度分布を制御した。Ｎ₂雰囲気にてガス加熱管、シャフト炉１００を予熱後、これらの温度が１０００℃に達した段階で試料１～４のそれぞれの排出を開始し、窒素ガスから還元ガスに切換え、炉内温度が安定するまで実験を継続した。炉内温度安定後、鉱石の排出と還元ガスの吹き込みを急停止し、冷却用のＮ₂ガスをシャフト炉下部から吹き込み、炉内ペレットを冷却した。冷却後、ペレットを炉底から徐々に排出し、その取り出し容積量から炉内の高さ位置に相当する試料を採取し、篩分を行い、３．１５ｍｍ以下の粒径を持つものの割合を測定した。還元粉化の度合は、シャフト炉１００に装入される前の試料１～４の粉率と、シャフト炉１００から排出された試料１～４の粉率の差である還元粉化指数変化量ΔＸにより評価した。

（実施形態に係る還元粉化性管理方法、及び従来のＲＤＩと実測値との比較）
表３は、実施形態に係る還元粉化性管理方法、及び従来のＲＤＩと実測値との比較を示す。表３において、項目「還元粉化管理指標」に含まれる「ＲＤＩ」は、従来の還元粉化指数ＲＤＩであり、上述のようにＪＩＳの還元粉化試験方法に準じて算出された。

項目「還元粉化管理指標」に含まれる「Ｅ_R-T」は、第１実施形態に係る還元粉化性管理方法で使用される還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tである。項目「還元粉化管理指標」に含まれる「Ｒ_EｘＲＤＩ」は、第２実施形態に係る還元粉化性管理方法で使用される補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩである。補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩは、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-T、冷却工程ＡＥエネルギＥ_C-Tから演算される還元工程比率Ｒ_E、及び還元粉化指数ＲＤＩから演算される。

項目「測定値」は、図８に示すシャフト炉１００における還元粉化性を示すものであり、「ΔＸ」は、シャフト炉１００に装入される前の試料１～４の粉率と、シャフト炉１００から排出された試料１～４の粉率の差である還元粉化指数変化量である。

図９（ａ）は、還元粉化指数ＲＤＩと、還元粉化指数変化量ΔＸとの関係を示す図である。図９（ｂ）は、還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tと、還元粉化指数変化量ΔＸとの関係を示す図である。図９（ｃ）は、補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩと、還元粉化指数変化量ΔＸとの関係を示す図である。図９（ａ）において、横軸は還元粉化指数ＲＤＩを示し、図９（ｂ）において、横軸は還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tを示し、図９（ｃ）において、横軸は補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩを示す。また、図９（ａ）～９（ｃ）において、縦軸は還元粉化指数変化量ΔＸを示す。また、図９（ａ）～９（ｃ）において、矢印Ａは試料１を示し、矢印Ｂは試料２を示し、矢印Ｃは試料３を示し、矢印Ｄは試料４を示す。

図９（ａ）に示すように、従来の還元粉化性管理方法で使用される還元粉化指数ＲＤＩと還元粉化指数変化量ΔＸとの間では、焼結鉱である試料１と試料２との間で対応関係が反転している。一方、第１実施形態に係る還元粉化性管理方法で使用される還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tと還元粉化指数変化量ΔＸとの間では、試料１～４の何れでも順序が一致している。第１実施形態に係る還元粉化性管理方法は、試料１～４の何れでも実測値である還元粉化指数変化量ΔＸと順序が一致する還元工程ＡＥエネルギＥ_R-Tを使用するので、還元粉化指数ＲＤＩを使用するよりも精度良く還元粉化性を管理できる。

さらに、第２実施形態に係る還元粉化性管理方法で使用される補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩと還元粉化指数変化量ΔＸとの間では、試料１～４の何れでも順序が一致する上に、試料１～４のそれぞれの大きさの比率も略一致する。第２実施形態に係る還元粉化性管理方法は、試料１～４のそれぞれの大きさの比率も略一致する補正還元粉化指数Ｒ_EｘＲＤＩを使用するので、還元粉化指数ＲＤＩを使用するよりも更に精度良く還元粉化性を管理できる。

１、２還元粉化性管理システム
１０還元炉部
２０ガス供給部
３０排ガス処理部
４０ＡＥ検出部
５０、７０演算装置

Claims

製鉄用原料を昇温する昇温工程、昇温された前記製鉄用原料を還元する還元工程、還元された前記製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び冷却された前記製鉄用原料を転動する転動工程を含む処理を所定の条件で実行して前記製鉄用原料の還元粉化指数を測定するＲＤＩ試験において製鉄用原料から伝搬する弾性波を示す弾性波信号を取得し、
前記弾性波信号に対応する弾性波のＡＥエネルギを演算し、
前記還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギを演算し、
前記冷却工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である冷却工程ＡＥエネルギを演算し、
前記還元粉化指数を取得し、
前記還元工程ＡＥエネルギと前記冷却工程ＡＥエネルギとの合計の値に対する前記還元工程ＡＥエネルギの比率を前記還元粉化指数に乗算して補正還元粉化指数を演算し、
前記還元工程ＡＥエネルギに基づいて、前記製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定し、
前記製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、還元粉化性調整信号を出力する、ことを含み、
前記製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定することは、
前記補正還元粉化指数と所定の補正指数しきい値とを比較し、
前記補正還元粉化指数が前記補正指数しきい値以上であるときに、前記製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する、
ことを含む、ことを特徴とする還元粉化性管理方法。
製鉄用原料を昇温する昇温工程、昇温された前記製鉄用原料を還元する還元工程、還元された前記製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び冷却された前記製鉄用原料を転動する転動工程を含む処理を所定の条件で実行して前記製鉄用原料の還元粉化指数を測定するＲＤＩ試験において製鉄用原料から伝搬する弾性波を示す弾性波信号を取得し、
前記弾性波信号に対応する弾性波のＡＥエネルギを演算し、
還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギを演算し、
前記冷却工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である冷却工程ＡＥエネルギを演算し、
前記還元粉化指数を取得し、
前記還元工程ＡＥエネルギと前記冷却工程ＡＥエネルギとの合計の値に対する前記還元工程ＡＥエネルギの比率を前記還元粉化指数に乗算して補正還元粉化指数を演算し、
前記還元工程ＡＥエネルギに基づいて、前記製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定し、
前記製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、還元粉化性調整信号を出力する、処理をコンピュータに実行させる還元粉化性管理プログラムであって、
前記製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定することは、
前記補正還元粉化指数と所定の補正指数しきい値とを比較し、
前記補正還元粉化指数が前記補正指数しきい値以上であるときに、前記製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する、
ことを含む、ことを特徴とする還元粉化性管理プログラム。
製鉄用原料を昇温する昇温工程、昇温された前記製鉄用原料を還元する還元工程、還元された前記製鉄用原料を冷却する冷却工程、及び冷却された前記製鉄用原料を転動する転動工程を含む処理を所定の条件で実行して前記製鉄用原料の還元粉化指数を測定するＲＤＩ試験において製鉄用原料から伝搬する弾性波を示す弾性波信号を取得する弾性波取得部と、
前記弾性波信号に対応する弾性波のＡＥエネルギを演算するＡＥエネルギ演算部と、
還元工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である還元工程ＡＥエネルギを演算する還元工程エネルギ演算部と、
前記冷却工程の間に発生したＡＥエネルギの総和である冷却工程ＡＥエネルギを演算する冷却工程エネルギ演算部と、
前記還元粉化指数を取得し、前記還元工程ＡＥエネルギと前記冷却工程ＡＥエネルギとの合計の値に対する前記還元工程ＡＥエネルギの比率を前記還元粉化指数に乗算して補正還元粉化指数を演算する還元粉化指数演算部と、
前記還元工程ＡＥエネルギに基づいて、前記製鉄用原料の還元粉化性を調整するか否かを判定するＡＥエネルギ判定部と、
前記製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定されたときに、還元粉化性調整信号を出力する調整指示出力部と、を有し、
前記ＡＥエネルギ判定部は、
前記補正還元粉化指数と所定の補正指数しきい値とを比較し、
前記補正還元粉化指数が前記補正指数しきい値以上であるときに、前記製鉄用原料の還元粉化性を調整すると判定する、
ことを特徴とする還元粉化性管理装置。