JP7074274B1

JP7074274B1 - 溶融物高さの検出方法および溶鉱炉の操業方法

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Publication number: JP7074274B1
Application number: JP2022514573A
Authority: JP
Inventors: 亮太郎松永; 和平市川; 功一 ▲高▼橋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: EP4265742A1; KR20230124064A; JPWO2022168503A1; CN116761900A

Abstract

ボッシュ部を有する炉体と、前記炉体の炉下部に熱風を吹込む複数の羽口とを有する溶鉱炉における溶融物高さの検出方法であって、羽口前圧力に対する前記ボッシュ部内の圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係を用いて、前記溶鉱炉の炉底部に貯留する溶融物の高さを検出する。

Description

本発明は、溶鉱炉における炉底部の溶融物の高さを検出する、溶融物高さの検出方法および溶鉱炉の操業方法に関する。

ガスを吹込むための羽口を有する溶鉱炉の１つに高炉がある。高炉は、鉄分を多く含む鉱石とコークスとを炉頂から装入し、空気や純酸素などの混合ガスを炉下部から吹込むことで製銑を行う溶鉱炉である。高炉底部には、上記方法で生成された溶銑滓が貯留しており、一定周期で出銑孔と呼ばれる穴から排銑滓される。以上のような高炉を用いた銑鉄の製造を行う際、計画された銑鉄の生産量を達成するべく、高炉をトラブル無く安定して操業することが求められる。

しかしながら、出銑孔を空ける設備の故障や炉内溶銑滓の流動性悪化などが原因で、溶銑滓が高炉底部に過剰に貯留することがある。すると、ガス通気性の悪化や溶滓による羽口閉塞が起こり、最悪の場合、生産停止になる。このようなトラブルを避けるために、溶鉱炉の操業において、溶鉱炉の炉底部に貯留する溶融物の高さを把握することが好ましい。

溶鉱炉の炉底部に貯留される溶融物高さの計測を目的とした技術は存在する。例えば、特許文献１には、炉下部に３本の棒状の電極を差し込み、これらの電極に電圧を印加し流れる電流を計測することで、溶融物の高さを把握することが開示されている。また、特許文献２には、炉下部送風圧力とシャフト下部圧力との差をボッシュガス量の変動値で除した値から炉内空隙率と溶融物の高さとが計測できることが開示されている。これら、特許文献１、特許文献２に開示された技術は、どちらも溶鉱炉の炉底部に貯留される溶融物高さを計測する技術である。

特開２０１１－１５８２０６号公報特開昭５１－２７８０９号公報

羽田野道春、他２名、「装入方法、炉体形状および湯面形状の高炉内ガス流れに及ぼす影響」、鉄と鋼、第６３年（１９７７）、第２号、Ｐ２１７‐２２６飯田正和、他２名、「高炉からの溶融物排出速度の解析」、鉄と鋼、Ｖｏｌ．９５（２００９）、Ｎｏ．４、Ｐ３３１－３３９柏原佑介、他４名、「未消失混合小塊コークスが高炉下部通気性におよぼす影響」、鉄と鋼、Ｖоｌ．１０２（２０１６）、Ｎｏ．１２、Ｐ６６１－６６８

しかしながら、特許文献１に開示された方法で溶融物高さを計測するには、炉内に電圧を発生させるための棒状の電極、電圧発生装置、電圧によって生じる電流を計測するための電流検出装置およびこれらを接続するケーブルが必要になる。このため、特許文献１に開示された方法は、これら設備の追加によって銑鉄の製造コストが高くなる、という課題があった。

特許文献２に開示された方法では、炉下部送風圧力とシャフト下部圧力との差をボッシュガス量の変動値で除した値から炉内空隙率と溶融物の高さを計測している。しかしながら、炉下部送風圧力およびシャフト下部圧力は、炉内粒子の粒径や粒度分布により大きく変化する。さらに、炉下部送風圧力とシャフト下部圧力との差と、ボッシュガス量の変化量とから求めている炉内空隙率も、炉内粒子の粒径や、粒度分布による炉内圧力により大きく変化する。

このように、炉下部送風圧力、シャフト下部圧力および炉内空隙率が、炉内粒子の粒径や粒度により大きな影響を受ける所、特許文献２では、炉内粒子の粒径や粒度の影響を考慮していない。このため、特許文献２に開示された方法では、溶鉱炉の炉底部に貯留される溶融物の高さを正しく把握できない、という課題があった。本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、銑鉄の製造コストアップを抑制しつつ、溶融物の高さを高い精度で把握できる溶融物高さの検出方法および検出された溶融物高さを用いる溶鉱炉の操業方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
（１）ボッシュ部を有する炉体と、前記炉体の炉下部に熱風を吹込む複数の羽口とを有する溶鉱炉における溶融物高さの検出方法であって、羽口前圧力に対する前記ボッシュ部内の圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係を用いて、前記溶鉱炉の炉底部に貯留する溶融物の高さを検出する、溶融物高さの検出方法。
（２）（１）に記載の溶融物高さの検出方法で検出された溶融物の高さが予め定められた閾値を超えた場合に、前記溶融物の製造速度を減少させる操業アクションおよび前記溶融物の排出速度を増加させる操業アクションのうち少なくとも１つを実施する、溶鉱炉の操業方法。

羽口前圧力に対するボッシュ部内の圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係は、原料の粒径、空隙率およびボッシュガス量に関わらず一定となる。このため、当該対応関係を用いた本発明に係る溶融物高さの検出方法を実施することで、銑鉄の製造コストアップを抑制しつつ、高い精度で溶融物の高さを検出できる。

高炉１０の断面模式図である。溶融物高さと圧力損失との関係を示すグラフである。圧力損失の増加速度と溶融物高さとの関係を示すグラフである。

本発明を発明の実施形態を通じて説明する。本実施形態では、溶鉱炉として高炉を用い、当該高炉における溶融物高さの検出方法の実施形態を説明する。但し、本発明に係る溶融物高さの検出方法は、高炉に限らず、炉体の下方に複数の羽口を有し、ボッシュ部を有する溶鉱炉であれば適用できる。

図１（a）は高炉１０の断面模式図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部の拡大図である。高炉１０は、炉本体２０と、圧力センサ１２と、複数の温度センサ１４を有する。炉本体２０は、シャフト部２２、ベリー部２４、ボッシュ部２６およびハース部２８から構成される有底の筒形状の炉体である。圧力センサ１２は、ボッシュ部２６の上端に設けられる。また、複数の温度センサ１４は、ボッシュ部２６の高さ方向が異なる位置に複数設けられる。

また、ハース部２８には、高温の熱風を高炉内に吹込む羽口１６が高炉の周方向に複数設けられている。羽口１６の本数は、例えば、４０本である。さらに、ハース部２８には、溶銑３２および溶滓３４を出銑する出銑孔１８が高炉の周方向に複数設けられている。出銑孔１８の本数は、例えば、４本である。

このような高炉１０では、高炉１０の炉頂から鉱石とコークスとが高炉内に交互かつ層状に装入され、鉱石層３６およびコークス層３８を形成させるとともに、高炉の炉下部に設けられた羽口１６から熱風と、微粉炭等の還元材が吹込まれて溶銑３２が製造される。製造された溶銑３２および溶銑３２の製造の際に副生される溶滓３４は、炉底部に貯留され、所定の周期で出銑孔１８から出銑される。本実施形態では、溶銑３２および溶滓３４を合せて溶融物３０と記載する。

このような高炉操業において、炉底部に貯留される溶融物３０が過剰に貯留すると、ガスの通気性の悪化や、溶滓３４による羽口１６の閉塞の問題が発生する。したがって、このような問題の発生を抑制するためには、より高い精度で炉底部に貯留される溶融物３０の高さ（図１のｈ）を検出することが好ましい。

高炉１０の炉底部に貯留される溶融物３０の高さが高くなると、溶融物３０の液面からボッシュ部２６までの容積が減少するので、羽口１６から熱風が吹込まれた直後の羽口前圧力に対するボッシュ部内圧の圧力損失が変化する。そこで、当該圧力損失と溶融物３０の高さとの関係を把握するべく、圧力損失と溶融物３０の高さとの関係を確認した。

図２は、溶融物高さと圧力損失との関係を示すグラフである。図２において、横軸は溶融物高さ（ｍ）であり、羽口１６の高さを基準（０．０ｍ）とする高さである。縦軸は圧力損失（ｋＰａ／ｍ）であり、羽口前圧力Ｐ２に対するボッシュ部２６の上端の内圧Ｐ１の圧力損失であり、図１（ｂ）に示すように、羽口１６から圧力センサ１２までの高さをＬとすると、当該圧力損失は（Ｐ２－Ｐ１）／Ｌで算出される。

圧力損失および溶融物高さは、高炉下部の２次元ガス流れ数値モデルを用いたシミュレーションにより求めた。具体的には、非特許文献１に記載されている高炉炉下部のガス流れ解析と溶融物の液面形状解析とを所定の収束条件（解析により求められた液面形状と、１つ前の解析において求められた液面形状との相対誤差が０．００１％以下）を満足するまで繰り返し実施し、当該収束条件を満足する溶融物の液面形状と、高炉炉下部の圧力分布とを求めた。この圧力分布から圧力損失を算出し、溶融物の液面形状から溶融物高さを算出した。

高炉炉下部のガス流れ解析は、非特許文献１に記載されている下記（１）～（３）式を用いて実施した。下記（１）式は、高炉の充填層内のガスの運動方程式から導かれる式である。下記（２）式は、ガスの状態方程式から導かれる式であり、下記（３）式は、ガスの状態方程式から導かれる式である。

上記（１）～（３）式を解く際には、まず、円筒座標（ｒ、ｚ）を用いて数式（２）を満足する流れ関数ψを定義し、上記（１）、（３）式を解くことにより流れ関数ψの分布を求めた。そして、この流れ関数ψの分布から、炉内のガス速度ベクトルおよびガス圧力分布を算出した。

溶融物の液面形状解析は、同じく非特許文献１に記載されている下記（４）式を用いて実施した。下記（４）式は、溶融物の液面形状から導かれる式であり、（４）式はガス流れ解析に対して境界条件として与えられる。また、下記表１は、下記（１）～（４）式における各変数の算出方法や測定方法を示す。

上記（５）式において、μ_（Ｔ）は平均炉内温度における粘度（Ｐａ・ｓ）である。

ガス密度の算出に用いるボッシュガス量は下記（６）式で算出できる。

上記（６）式において、Ｖ_ｂｏｓｈはボッシュガス量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）であり、ＢＶは羽口１６からの送風量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）である。

平均炉内圧力としては、圧力センサ１２で測定される圧力値（Ｐ１）を用いてよい。また、平均炉内温度は、複数の温度センサ１４で測定される温度の平均値を用いてよい。これらの値と下記（７）式を用いて補正後のガス密度ρ_ｇが算出される。

上記（７）式において、ρ_ｇは補正後のガス密度（ｋｇ／ｍ^３）であり、Ｖ_ｂｏｓｈはボッシュガス量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）であり、Ｐは圧力（Ｐａ）であり、Ｔは温度（Ｋ）である。（７）式の定数について説明すると、２８はボッシュガスの分子量（Ｎ_２：ＣＯ＝７９：４２）であり、１０１３２５は標準状態の気圧（Ｐａ）、２７３は標準状態の温度（Ｋ）である。

炉内空隙率は、例えば、溶融物の高さを検出する高炉において、図１（ｂ）に示したＰ１、Ｐ２、Ｌ等の値をＥｒｇｕｎ式（充填層空隙を流れるガスの流れ式）に代入して算出できる。また、非特許文献２に記載された空隙率値を用いてもよい。また、溶融物密度（ｋｇ／ｍ^３）は、例えば、出銑孔１８から出銑された溶滓３４を空冷して当該密度の密度を測定してもよい。コークス粒子径には、炉頂から装入されるコークスの平均粒径の実測値を用いてもよく、当該実測値を非特許文献３に記載されているように、高炉の高さで補正した値を用いてもよい。

また、上記ガス流れ解析および液面形状解析を、基本条件に対して原料の粒径、空隙率またはボッシュガス量を変えて実施し、それぞれの条件における圧力損失と溶融物３０の高さとの関係を求めた。なお、図２において、低空隙率は、基本条件に対して空隙率を低くした条件であり、高空隙率は、基本条件に対して空隙率を高めた条件であることを示す。同様に、小粒径、小ボッシュガス量は、基本条件に対して粒径を小さく、または、ボッシュガス量を少なくした条件であり、大粒径、大ボッシュガス量は、基本条件に対して粒径を大きく、または、ボッシュガス量を多くした条件である。

図２に示すように、圧力損失と溶融物３０の高さとには所定の対応関係があることが確認された。さらに、基本条件に対して空隙率、粒径およびボッシュガス量を変えた所、これらのプロファイルは、基本条件のプロファイルを上方または下方に平行移動させたプロファイルになった。

このように、空隙率、粒径およびボッシュガス量を変えたとしても、そのプロファイルは基本条件のプロファイルを上下方向に平行移動させたプロファイルになったことから、当該プロファイル上の任意の点の接線の傾き、すなわち、任意の溶融物高さにおける圧力損失の増加量と溶融物３０の高さとの対応関係を用いて溶融物３０の高さを検出すれば、空隙率、粒径およびボッシュガス量の影響を受けずに溶融物３０の高さを検出できることがわかる。

上述したように、圧力損失は、（Ｐ２－Ｐ１）／Ｌで算出されることから、Ｐ２－Ｐ１をΔＰとすると、任意の溶融物高さにおける圧力損失の増加量は、下記（８）式で表すことができる。なお、（８）式において、ｈは溶融物３０の高さである。

一方、溶融物３０の高さが時間ｔと線形的な関係で、ある一定の速度で上昇すると仮定すると下記（９）式が成り立つ。なお、下記（９）式において、ａ、ｂは任意の定数である。

上記（９）式の両辺を溶融物３０の高さｈで微分して整理すると、下記（１０）式が得られる。

上記（１０）式を用いると、上記（８）式は下記（１１）式のように変形できる。

上記（１１）式は、任意の溶融物高さにおける圧力損失の増加量を確認することは下記（１２）式で算出される圧力損失の増加速度を確認することと同義であることを示している。なお、下記（１２）式において、ΔＰ＝Ｐ２－Ｐ１である。

このように、任意の溶融物高さにおける圧力損失の増加量を確認することは上記（１２）式で算出される圧力損失の増加速度を確認することと同義であることから、図２に示した任意の溶融物高さにおける圧力損失の増加量に代えて圧力損失の増加速度と溶融物高さとの対応関係を用いたとしても、空隙率、粒径およびボッシュガス量の影響を受けずに溶融物の高さが検出できることがわかる。

次に、圧力損失の増加速度の算出方法について説明する。ボッシュ部２６の内圧には、ボッシュ部２６の上端に設けられる圧力センサ１２によって測定される圧力値Ｐ１を用いる。羽口前圧力には、上述した（１）～（３）式を用いた高炉炉下部のガス流れ解析によって炉内のガス速度ベクトルおよびガス圧力分布を算出し、このガス圧力分布から求められる羽口前圧力値Ｐ２を用いる。

そして、時刻ｔ１および時刻ｔ２におけるボッシュ部２６の内圧Ｐ１、羽口前圧力Ｐ２、羽口１６から圧力センサ１２までの高さＬおよび上記（１２）式を用いて、羽口前圧力に対するボッシュ部２６の内圧の圧力損失の増加速度が求められる。

次に、圧力損失の増加速度と溶融物高さとの対応関係の求め方について説明する。図３は、圧力損失の増加速度と溶融物高さとの関係を示すグラフである。図３の横軸は溶融物の高さ（ｍ）であり、羽口高さを基準（０．０ｍ）とした溶融物高さである。図３の縦軸は、圧力損失の増加速度（ｋＰａ／（ｍ×ｍｉｎ））である。

図３に示したグラフは、内容積５０００ｍ^３の高炉を用いて、操業トラブルが発生していない時期の操業パラメータを用いて作成した。高炉の炉底部に貯留する溶融物の上昇速度は、単位時間当たりの溶銑生成量（出銑比：２）を高炉の炉床有効底面積で除することで算出した。ここで、炉床有効底面積とは、炉床底面積に空隙率を乗じた値である。

溶融物の高さの初期位置を羽口高さから４．０ｍ下方とし、溶融物の高さが０．５ｍ高くなるごとに圧力損失をそれぞれ算出した。そして、溶融物の高さが－４．０ｍの位置からそれぞれの高さになるまでに要した時間と、その時の圧力損失の値とから圧力損失の増加速度を算出した。これにより、圧力損失の増加速度と溶融物の高さ（ｍ）との対応関係となる図３に示すプロファイルが得られる。

本実施形態に係る溶融物高さの検出方法では、予め、図３に示した圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係を把握しておく。そして、溶融物高さを検出する場合には、時刻ｔ１および時刻ｔ２におけるボッシュ部の内圧および羽口前圧力を求め、これら値とＬと上記（１２）式を用いて圧力損失の増加速度を求め、当該増加速度と上記対応関係とを用いて高炉の炉底部に貯留する溶融物の高さを検出する。図３に示した例において、圧力損失の増加速度が０．１５（ｋＰａ／（ｍ×ｍｉｎ））と算出された場合には、溶融物は羽口の高さから－１．０ｍの位置まで貯留されていると検出される。

上述したように、圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係は、空隙率、粒径およびボッシュガス量の影響を受けない。このため、圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係を用いて溶融物の高さを検出する本実施形態に係る溶融物高さの検出方法は、従来技術よりも高い精度で炉底部に貯留する溶融物の高さを検出できる方法であるといえる。さらに、電極等の設備を用いずに溶融物の高さを検出できることから、本実施形態に係る溶融物高さの検出方法は、銑鉄の製造コストアップを抑制しつつ高い精度で溶融物の高さを検出できる方法となる。

また、上述した溶融物高さの検出方法で検出された溶融物の高さが、予め設定された閾値を超えた場合に、溶融物の製造速度を減少させる操業アクションを実施することが好ましい。これにより、溶融物が高炉底部に過剰に貯留されることが回避され、ガス通気性の悪化や溶滓による羽口閉塞といったトラブルの発生を回避できる。溶融物の製造速度を減少させるアクションとは、例えば、羽口１６からの送風量の低減である。溶融物の製造速度を減少させる操業アクションを実施することに代えて、または、溶融物の製造速度を減少させる操業アクションとともに溶融物の排出速度を増加させる操業アクションを実施してもよい。これにより、溶融物が高炉底部に過剰に貯留されることが回避され、ガス通気性の悪化や溶滓による羽口閉塞といったトラブルの発生を回避できる。

本実施形態では、圧力センサ１２をボッシュ部２６の上端に設けた例を示したが、これに限らない。圧力センサ１２は、ボッシュ部２６の上端に限らず、ボッシュ部２６の範囲内であれば何れの位置に設けてもよい。

１０高炉
１２圧力センサ
１４温度センサ
１６羽口
１８出銑孔
２０炉本体
２２シャフト部
２４ベリー部
２６ボッシュ部
２８ハース部
３０溶融物
３２溶銑
３４溶滓
３６鉱石層
３８コークス層

Claims

ボッシュ部を有する炉体と、前記炉体の炉下部に熱風を吹込む複数の羽口とを有する溶鉱炉における溶融物高さの検出方法であって、
羽口前圧力に対する前記ボッシュ部内の圧力損失の増加速度と溶融物の高さとの対応関係を用いて、前記溶鉱炉の炉底部に貯留する溶融物の高さを検出する、溶融物高さの検出方法。
請求項１に記載の溶融物高さの検出方法で検出された溶融物の高さが予め定められた閾値を超えた場合に、
前記溶融物の製造速度を減少させる操業アクションおよび前記溶融物の排出速度を増加させる操業アクションのうち少なくとも１つを実施する、溶鉱炉の操業方法。