JP7307341B2 - 炉内ガス圧力の変動検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉内におけるガス圧力の変動を検知することができる変動検知方法に関する。

高炉内のガス流を安定化させることは、高炉の安定操業を行う上で重要であるとともに、出銑量の安定供給や還元材比の抑制の観点からも重要である。ここで、特許文献１には、炉内の圧力変動を予知する方法が記載されている。

特許文献１では、高炉シャフト内の複数の測定点において炉内圧力を測定し、炉内圧力の時間変化率の最大値及び最小値の差を、炉内全体の圧力変動を予知する数値としている。また、炉内圧力の時間変化率の平均値及び最大値の差や、炉内圧力の時間変化率の平均値及び最小値の差を、炉内全体の圧力変動を予知する数値としている。そして、この圧力変動を予知する数値が閾値を超えるか否かに基づいて、炉内全体の圧力の変動を予知している。

特許第４３３６２６２号公報

特許文献１において、炉内圧力の時間変化率の最大値及び最小値の差を、圧力変動を予知する数値として用いる場合には、時間変化率が突発的に上昇したときの値が最大値となったり、時間変化率が突発的に低下したときの値が最小値となったりすることがある。このような瞬時値としての最大値や最小値は、炉内の実際の圧力変動から乖離した値となりやすいため、炉内の圧力変動を予知する上では改善の余地がある。

また、炉内圧力の時間変化率の平均値及び最大値の差、または、炉内圧力の時間変化率の平均値及び最小値を、圧力変動を予知する数値として用いる場合も同様に、瞬時値としての最大値や最小値を用いること、十分な時間にわたって圧力変動を観察しないことから、炉内の実際の圧力変動から乖離した値となりやすいため、炉内の圧力変動を予知する上では改善の余地がある。

本願第１の発明である炉内ガス圧力の変動検知方法は、高炉の炉周方向における複数の測定点で炉内のガス圧力を連続的に測定し、少なくとも時間標準偏差を用いて定義されるガス圧力変動指数が閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知する。時間標準偏差は、所定時間内で算出された複数の炉周標準偏差の標準偏差である。炉周標準偏差は、所定の炉高位置における炉周方向の複数の位置でのガス圧力の標準偏差である。

ガス圧力変動指数は、下記式（Ｉ）で表すことができる。

Ｉ＝σｃ×σｔ ・・・（Ｉ）

上記式（Ｉ）において、Ｉはガス圧力変動指数であり、σｃは炉周標準偏差であり、σｔは時間標準偏差である。

ガス圧力変動指数は、時間標準偏差とすることができる。

ガス圧力変動指数は、下記式（ＩＩ）で表すことができる。

Ｉ＝Σσｔ／ｎ ・・・（ＩＩ）

上記式（ＩＩ）において、Ｉはガス圧力変動指数であり、σｔは時間標準偏差であり、ｎは、第２の所定時間Δｔ２に含まれる時間標準偏差の総数である。

ガス圧力変動指数は、下記式（ＩＩＩ）で表すことができる。

Ｉ＝Σ（σｃ×σｔ）／ｎ ・・・（ＩＩＩ）

上記式（ＩＩＩ）において、Ｉはガス圧力変動指数であり、σｃは炉周標準偏差であり、σｔは時間標準偏差であり、ｎは、第３の所定時間Δｔ３に含まれる時間標準偏差の総数である。

ガス圧力変動指数は、下記式（ＩＶ）で表すことができる。

Ｉ＝σｃａ×σｔ ・・・（ＩＶ）

上記式（ＩＶ）において、Ｉはガス圧力変動指数であり、σｃａは、炉周標準偏差を炉高方向の所定領域内に含まれる複数の炉高位置で算出したときにおいて、複数の炉高位置での炉周標準偏差を平均した平均値であり、σｔは、平均値σｃａに関する時間標準偏差であって、所定時間内で算出された複数の平均値σｃａの標準偏差である。

ここで、所定領域としては、羽口から炉頂部までの領域とすることができる。また、所定領域としては、羽口から炉頂部までの領域を炉高方向で複数の領域に区画したときの最上部に位置する領域とすることができる。さらに、所定領域としては、羽口から炉頂部までの領域を炉高方向で複数の領域に区画したときの各領域とすることができる。ここで、複数の領域についてそれぞれ算出された複数のガス圧力変動指数のうち少なくとも１つが閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知することができる。

本願第２の発明である炉内ガス圧力の変動検知方法は、高炉の炉周方向における複数の測定点で炉内のガス圧力を連続的に測定し、所定の炉高位置における炉周方向の複数の位置でのガス圧力の標準偏差σｃが第１閾値よりも大きく、かつ、所定時間内で算出された複数の標準偏差σｃの標準偏差σｔが第２閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知する。

本願第３の発明である炉内ガス圧力の変動検知方法は、高炉の炉高方向及び炉周方向における複数の測定点で炉内のガス圧力を連続的に測定し、同一の炉高位置における炉周方向の複数の位置でのガス圧力の標準偏差を炉高方向の所定領域内に含まれる複数の炉高位置で算出したときにおいて、複数の炉高位置での標準偏差を平均した平均値σｃａが第１閾値よりも大きく、かつ、所定時間内で算出された複数の平均値σｃａの標準偏差σｔが第２閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知する。

本願第１の発明によれば、上述したガス圧力変動指数を定義し、ガス圧力変動指数が閾値よりも大きいことを判別することにより、ガス圧力の変動を検知することができる。

本願第２の発明によれば、標準偏差σｃが第１閾値よりも大きく、かつ、標準偏差σｔが第２閾値よりも大きいことを判別することにより、ガス圧力の変動を検知することができる。また、本願第３の発明によれば、平均値σｃａが第１閾値よりも大きく、かつ、標準偏差σｔが第２閾値よりも大きいことを判別することにより、ガス圧力の変動を検知することができる。

時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１を説明する図である。 時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１を説明する図である。 互いに異なる炉高位置に配置された複数の圧力センサを説明する概略図である。 所定の炉高位置において、炉周方向に配置された複数の圧力センサを説明する概略図である。 炉高位置及び炉周角度のそれぞれを座標軸とし、ガス圧力の分布を示す二次元画像データを示す図である。 炉内のガス圧力の変動を検知する処理を示すフローチャートである。 実炉の操業における平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係と、ガス圧力変動指数が所定値（０．３または０．５）であるときのラインを示す図である。 炉周標準偏差σｃ及び時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が１０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 炉周標準偏差σｃ及び時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が６０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が１０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が１０分）及び所定時間Δｔ２（１０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が１０分）及び所定時間Δｔ２（６０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 炉周標準偏差σｃ、時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が１０分）及び所定時間Δｔ３（１０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 炉周標準偏差σｃ、時間標準偏差σｔ（所定時間Δｔ１が１０分）及び所定時間Δｔ３（６０分）によって定義されたガス圧力変動指数の経時変化を示す図である。 実炉の操業における平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係と、平均炉周標準偏差σｃａの閾値及び時間標準偏差σｔの閾値のラインを示す図である。

高炉に装入された装入物（コークスや鉱石）の層の充填構造が変化すると、炉内のガス流が変動することにより、炉内のガス圧力が変化する。充填構造の変化としては、例えば、炉壁の付着物が脱落することなどによる炉壁状態の変化、装入物の性状の変化、装入物の粉化によって発生する粉体の増加、融着帯形状の変化が挙げられる。また、ガス流が変動することによって、充填構造がさらに変化することがある。上述した理由により、炉内における複数の測定点でのガス圧力を測定すれば、炉内のガス圧力の変動を検知することができる。

（第１実施形態）
本実施形態は、以下に説明するようにガス圧力変動指数Ｉを定義し、ガス圧力変動指数Ｉに基づいて、炉内のガス圧力の変動を検知するものである。具体的には、ガス圧力変動指数Ｉが予め定めた閾値Ｉｔｈよりも大きいときには、炉内のガス圧力に変動が発生したことを検知することができる。また、ガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈ以下であるときには、炉内のガス圧力に変動が発生していないと判断することができる。なお、ここでいうガス圧力の変動とは、後述するように、炉内におけるガス流の異常に寄与するガス圧力の変動である。

ガス圧力変動指数Ｉは、下記式（１）によって定義することができる。

Ｉ＝σｃ×σｔ ・・・（１）

上記式（１）において、σｃは、所定の炉高位置における高炉の周方向（以下、炉周方向という）の複数の位置でのガス圧力の標準偏差（以下、炉周標準偏差という）である。炉高位置とは、高炉の高さ方向（以下、炉高方向という）における位置である。上述した所定の炉高位置は、高炉の羽口（熱風を吹き込む、いわゆる通常羽口）から炉頂部までの範囲内において、適宜決めることができる。例えば、ガス圧力が変動した場合に高炉の安定操業に対して影響を与えやすい位置を考慮して、所定の炉高位置を決めることができる。なお、炉周標準偏差σｃの詳細については、後述する。

上記式（１）において、σｔは、所定時間Δｔ１内における炉周標準偏差σｃの標準偏差（以下、時間標準偏差という）であり、言い換えれば、所定時間Δｔ１内において炉周標準偏差σｃが変動するときの標準偏差である。所定時間Δｔ１は、適宜決めることができるが、例えば、１～６０分のうちの任意の時間とすることができる。なお、時間標準偏差σｔの詳細については、後述する。

上記式（１）では、炉周標準偏差σｃ及び時間標準偏差σｔを用いて、ガス圧力変動指数Ｉを定義しているが、これに限るものではない。ガス圧力変動指数Ｉは、少なくとも時間標準偏差σｔを用いることによって定義することができる。以下、ガス圧力変動指数Ｉの他の定義について説明する。

第１の定義としては、ガス圧力変動指数Ｉを下記式（２）によって定義することができる。

Ｉ＝σｔ ・・・（２）

上記式（２）によれば、時間標準偏差σｔがガス圧力変動指数Ｉとなる。上記式（１）では、炉周標準偏差σｃ及び時間標準偏差σｔの両方に着目しているが、時間標準偏差σｔだけに着目して、ガス圧力変動指数Ｉを定義することもできる。なお、上述したように、時間標準偏差σｔを算出するためには、炉周標準偏差σｃを算出する必要がある。

第２の定義としては、ガス圧力変動指数Ｉを下記式（３）によって定義することができる。

Ｉ＝Σσｔ／ｎ ・・・（３）

上記式（３）において、ｎは、第２の所定時間Δｔ２に含まれる時間標準偏差σｔの総数であり、Σσｔは、所定時間Δｔ２内で算出された複数の時間標準偏差σｔを積算した値（積算値）である。ガス圧力変動指数Ｉは、積算値Σσｔを総数ｎで除算した値（すなわち、時間平均値）である。所定時間Δｔ２は、適宜決めることができるが、例えば、所定時間Δｔ２を１０～１２０分のうちの任意の時間とすることができる。

第３の定義としては、ガス圧力変動指数Ｉを下記式（４）によって定義することができる。

Ｉ＝Σ（σｃ×σｔ）／ｎ ・・・（４）

上記式（４）において、ｎは、第３の所定時間Δｔ３に含まれる時間標準偏差σｔの総数であり、Σ（σｃ×σｔ）は、所定時間Δｔ３内で算出された時間標準偏差σｔ及び炉周標準偏差σｃの乗算値（複数）を積算した値（積算値）である。ガス圧力変動指数Ｉは、積算値Σ（σｃ×σｔ）を総数ｎで除算した値（すなわち、時間平均値）である。所定時間Δｔ３は、適宜決めることができるが、例えば、所定時間Δｔ３を１０～１２０分のうちの任意の時間とすることができる。

第４の定義では、上記式（１）～（４）に示す炉周標準偏差σｃの代わりに、複数の炉高位置における炉周標準偏差σｃを平均した値（以下、平均炉周標準偏差という）を用いることができる。この場合には、上記式（１）～（４）で定義されるガス圧力変動指数Ｉは、下記式（５－１）～（５－４）によって定義される。

Ｉ＝σｃａ×σｔ ・・・（５－１）
Ｉ＝σｔ ・・・（５－２）
Ｉ＝Σσｔ／ｎ ・・・（５－３）
Ｉ＝Σ（σｃａ×σｔ）／ｎ ・・・（５－４）

上記式（５－１）～（５－４）において、σｃａは、上述した平均炉周標準偏差である。σｔは、所定時間Δｔ１内における平均炉周標準偏差σｃａの標準偏差（以下、時間標準偏差という）であり、言い換えれば、所定時間Δｔ１内において平均炉周標準偏差σｃａが変動するときの標準偏差である。なお、平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの詳細については、後述する。

平均炉周標準偏差σｃａは、下記式（６）によって表される。

σｃａ＝Σσｃ／Ｎ ・・・（６）

上記式（６）において、Σσｃは、複数の炉高位置における炉周標準偏差σｃの積算値であり、Ｎは、積算値Σσｃの算出に用いられる炉高位置の総数である。総数Ｎは予め決めておくことができる。

積算値Σσｃの算出に用いられる炉高位置としては、羽口から炉頂部までの領域（以下、全体領域という）内で設定されたすべての炉高位置とすることができる。例えば、羽口から炉頂部までの高さが２０ｍ程度の高炉において、略１．５ｍ間隔で炉高位置が設定される場合、全体領域についてΣσｃの算出に用いられる炉高位置の総数Ｎは１４個となる。

一方、積算値Σσｃの算出に用いられる炉高位置としては、全体領域のうち、炉高方向の一部の領域（以下、部分領域という）内に含まれる炉高位置とすることができる。

全体領域を炉高方向において複数の部分領域に区画すれば、各部分領域に含まれる複数の炉高位置での炉周標準偏差σｃを用いて、平均炉周標準偏差σｃａを算出することができる。ここで、炉高方向における各部分領域の距離が等しくなるように、複数の部分領域を区画することができる。部分領域の数は、適宜決めることができるが、例えば、部分領域の数を３つ以上とすることができる。例えば、全体領域についてΣσｃの算出に用いられる炉高位置の総数Ｎが１４個であるとき、高炉の最上端（炉頂圧力）と最下端（送風圧力）を除いた１２個の炉高位置について、炉高方向を上部・中部・下部の３つに等分すると、各部分領域についてΣσｃの算出に用いられる炉高位置の総数Ｎは４個となる。

複数の部分領域を設定する場合には、すべての部分領域のそれぞれにおいて、平均炉周標準偏差σｃａを算出することもできるし、一部（１つ又は複数）の部分領域だけにおいて、平均炉周標準偏差σｃａを算出することもできる。複数の部分領域において、平均炉周標準偏差σｃａを算出する場合には、部分領域毎にガス圧力変動指数Ｉが算出される。高炉の操業においては、原料の装入を適切に行うためにシャフト上部におけるガス圧力の変動を検知することが重要であることを考慮すれば、高炉の最も上方の最上部に位置する部分領域において、平均炉周標準偏差σｃａを算出することが好ましい。

次に、時間標準偏差σｔの算出方法について説明する。上述したように、時間標準偏差σｔは、所定時間Δｔ１内における炉周標準偏差σｃ又は平均炉周標準偏差σｃａから算出されるが、この算出方法としては、例えば以下の２つの方法が挙げられる。

第１の算出方法では、図１に示すように、所定時間Δｔ１が経過するたびに時間標準偏差σｔを算出することができる。後述するように、ガス圧力は、圧力センサによって所定のサンプリング周期で測定されるため、所定の算出周期で（例えば、ガス圧力が測定されるたびに）、炉周標準偏差σｃや平均炉周標準偏差σｃａが算出される。所定時間Δｔ１は、圧力センサのサンプリング周期よりも長い時間に設定されるため、所定時間Δｔ１内においては、複数の炉周標準偏差σｃや、複数の平均炉周標準偏差σｃａが算出される。したがって、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃに基づいて時間標準偏差σｔを算出したり、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の平均炉周標準偏差σｃａに基づいて時間標準偏差σｔを算出したりすることができる。

第２の算出方法では、図２に示すように、時間軸に対して所定時間Δｔ１を時間δｔだけずらしながら、各所定時間Δｔ１において、時間標準偏差σｔを算出することができる。ここで、時間δｔは所定時間Δｔ１よりも短い時間に設定されるため、前後の２つの所定時間Δｔ１は、一部において互いに重なる時間帯を含む。第２の算出方法では、所定時間Δｔ１の設定方法が第１の算出方法と異なるだけであり、所定時間Δｔ１毎に時間標準偏差σｔを算出する方法は、上述した第１の算出方法と同じである。

所定時間Δｔ１は、上述したように適宜設定することができるが、例えば、１～６０分の範囲内の時間とすることができる。所定時間Δｔ１が短すぎると、時間標準偏差σｔの算出において、圧力センサの測定誤差の影響が出やすくなることがあり、ガス圧力変動指数Ｉに基づいてガス圧力の変動を検知する上で悪影響を与えることがある。一方、所定時間Δｔ１が長すぎると、時間標準偏差σｔの算出が遅れるとともに、ガス圧力変動指数Ｉの算出が遅れるため、ガス圧力変動指数Ｉに基づいてガス圧力の変動を検知することが遅れてしまう。これらの点を考慮して、所定時間Δｔ１を設定することができる。

次に、上述した炉周標準偏差σｃについて、詳細に説明する。炉周標準偏差σｃは、同一の炉高位置に設けられた複数の圧力センサによって測定されたガス圧力に基づいて算出することができる。

図３に示すように、高炉１の同一の炉高位置には、炉周方向において複数の圧力センサ２が配置されている。ここで、圧力センサ２が配置された位置がガス圧力の測定点である。また、図４に示すように、同一の炉高位置にある複数の圧力センサ２は、炉周方向において等間隔に配置することができる。同一の炉高位置に配置される圧力センサ２の数は、適宜決めることができる。なお、同一の炉高位置とは、厳密に同一の炉高位置にある場合のみに限らず、設備上その他の理由による誤差も含む範囲である。また、炉周方向において等間隔とは、厳密に等間隔の場合のみに限らず、設備上その他の理由による誤差も含む範囲である。

圧力センサ２は、所定のサンプリング周期（例えば、１秒）において炉内のガス圧力を連続的に測定し、この測定結果を検知装置１０に出力する。圧力センサ２により測定されるガス圧力の単位は、例えばｋＰａである。検知装置１０は、圧力センサ２によって測定されたガス圧力に基づいて、炉周標準偏差σｃ又は平均炉周標準偏差σｃａを算出したり、時間標準偏差σｔを算出したりするとともに、上記式（１）～（４），（５－１）～（５－４）のいずれかに基づいてガス圧力変動指数Ｉを算出する。

炉周標準偏差σｃを算出するときにおいて、圧力センサ２の測定値に異常が認められる場合には、この測定値は、炉周標準偏差σｃの算出から除外することができる。例えば、特定の圧力センサ２の測定値が、他の圧力センサ２の測定値に対して所定値以上ずれているときには、特定の圧力センサ２の測定値に異常があると判別することができる。この判別処理は、検知装置１０によって行うことができる。

炉周標準偏差σｃを算出するときには、圧力センサ２の測定値だけを用いることもできるし、圧力センサ２が配置されていない位置でのガス圧力を推定した上で、この推定値を用いることもできる。ガス圧力の推定は、例えば、特許第３８１４１４３号公報、特許第４０９４２４５号公報や特許第４０９４２９０号公報に記載された技術を用いることができる。具体的には、炉周方向をＸ軸とし、炉高方向をＺ軸とした二次元平面（Ｘ－Ｚ平面）において、複数の圧力センサ２が配置された複数の地点と、各圧力センサ２によって測定されたガス圧力（測定値）とに基づいて、空間補間を行うことにより、圧力センサ２が配置されていない位置でのガス圧力を推定することができる。この推定処理は、検知装置１０によって行うことができる。

上述したようにガス圧力を推定することにより、図５に示す二次元画像データを生成することができる。図５では、複数の等圧線が示されており、複数の黒点は、圧力センサ２が配置された地点を示している。

図５において、縦軸は無次元化した炉高位置［－］を示し、横軸は炉周方向における基準位置からの角度（以下、炉周角度という）θ［度］である。炉周角度θは、図４に示すように、基準点Ｐｒ及び炉中心Ｏを結ぶ仮想線Ｌｒと、炉壁の任意の点Ｐｎ及び炉中心Ｏを結ぶ仮想線Ｌｎとのなす角度である。炉周角度θは０～３６０度の範囲となり、点Ｐｎが点Ｐｒと一致しているときに炉周角度θが０度となる。図５に示す炉高位置について、最下端でのガス圧力は送風圧力に相当し、最上端でのガス圧力は炉頂圧力に相当する。

図５に示す二次元画像データは、炉高位置及び炉周角度θのそれぞれにおいて、複数の分割線（点線）によって分割されている。分割線の数は、例えば、炉高位置及び炉周角度θのそれぞれにおいて、１０以上とすることができる。分割線の交点に圧力センサ２が配置されていない場合であっても、分割線の交点におけるガス圧力を推定することにより、分割線の交点におけるガス圧力を用いて、炉周標準偏差σｃを算出することができる。

同様に、分割線の交点におけるガス圧力を用いて、平均炉周標準偏差σｃａを算出することができる。

炉内において、炉周方向における充填構造のバランスが良く、かつ充填構造が安定的に保たれている状態（以下、理想状態という）では、ガスは高炉の炉下部から炉頂部に向かって理想的に流れる。このとき、同一の炉高位置において、ガス圧力は、炉周角度θにかかわらず略等しくなり、炉周方向における圧力分布は一定となる。したがって、炉周標準偏差σｃは、ゼロ又はゼロに近い値となる。

また、充填構造が理想状態にあるとき、羽口が設けられた位置において、ガス圧力が最も高くなる。そして、炉頂部に向かうにしたがい、装入物層の圧力損失によってガス圧力が低下し、炉頂部において、ガス圧力が最も低くなる。このように、充填構造が理想状態にあるときには、炉全体におけるガス圧力の偏差は、炉高方向におけるガス圧力の偏差だけに依存することになる。

炉内のガス流の異常は、以下に説明する現象によって発生するため、本実施形態のようにガス圧力の変動を検知することにより、ガス流の異常が発生する前に対策を取ることが可能になる。

まず、炉内では、炉周方向における充填構造の均一性（例えば、装入物の空隙率分布や粒子径分布など）が崩れることがある。炉周方向における充填構造の均一性が崩れたことを起因として、充填構造の変化が、高炉の下方から上方に向かって経時的に推移する。結果として、炉全体における充填構造が変化して、ガス流の異常が発生する。なおここで、炉周方向における充填構造の均一性が崩れていても、この均一性が崩れた状態が維持されていれば、ガス流の異常は発生しないと考えられる。

炉周方向における充填構造の均一性が崩れると、同一の炉高位置におけるガス圧力は、炉周角度θに応じて異なり、炉周標準偏差σｃが上昇することになる。また、炉周方向における充填構造の均一性が崩れたことに起因して、炉周方向の圧力分布が変化し、さらにガス流速分布が変化することなどに起因して、高炉の下方から上方に向かって充填構造が経時的に推移する。よって、炉高位置に応じてガス圧力が変動し、平均炉周標準偏差σｃａが時間の推移とともに変動することになる。そして、充填構造の変化が経時的に進行すれば、時間標準偏差σｔが上昇することになる。

炉周方向の充填構造が変化してガス流速分布・圧力分布の変化が発生するまでの過程においては、上述した炉周標準偏差σｃ（又は平均炉周標準偏差σｃａ）及び時間標準偏差σｔが変動する。このため、これらから算出されるガス圧力変動指数Ｉ（少なくとも時間標準偏差σｔを用いて算出されるガス圧力変動指数Ｉ）に着目すれば、ガス圧力の変動を検知して、ガス流の異常の発生を早期に検知することができる。ガス流の異常が発生するまでの過程においては、ガス圧力変動指数Ｉが高くなるため、ガス圧力変動指数Ｉを閾値Ｉｔｈと比較することにより、ガス流の異常に寄与するガス圧力の変動を早期かつ定量的に検知することができる。

ここで、時間標準偏差σｔが大きくても、炉周標準偏差σｃ又は平均炉周標準偏差σｃａが小さければ、高炉の操業への悪影響は少ないこともあり得る。したがって、ガス圧力の変動を検知する上では、時間標準偏差σｔだけでなく、炉周標準偏差σｃ又は平均炉周標準偏差σｃａも考慮することが好ましい。

次に、ガス圧力の変動を検知する方法について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。図６に示す処理は、図３及び図４に示す検知装置１０によって行われる。

ステップＳ１０１では、高炉１に設けられた複数の圧力センサ２を用いて、ガス圧力を測定する。ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で測定された複数のガス圧力から炉周標準偏差σｃを算出する。ここで、炉周標準偏差σｃを算出すれば、平均炉周標準偏差σｃａも算出することができる。

ステップＳ１０３では、所定時間Δｔ１が経過したか否かを判別する。例えば、検知装置１０に設けられたタイマの計測結果に基づいて、所定時間Δｔ１が経過したか否かを判別することができる。所定時間Δｔ１が経過していなければ、ステップＳ１０１の処理に戻り、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２の処理が繰り返される。所定時間Δｔ１が経過しているとき、ステップＳ１０４において、時間標準偏差σｔを算出する。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２で算出された炉周標準偏差σｃと、ステップＳ１０４で算出された時間標準偏差σｔを上記式（１）に代入することにより、ガス圧力変動指数Ｉを算出する。なお、上述したとおり、上記式（１）の代わりに、上記式（２）～（４）、（５－１）～（５－４）のいずれかを用いて、ガス圧力変動指数Ｉを算出することもできる。上記式（５－１）～（５－４）に基づいてガス圧力変動指数Ｉを算出するときには、平均炉周標準偏差σｃａが用いられる。

ここで、時間標準偏差σｔは所定時間Δｔ１が経過するたびに算出されるが、所定時間Δｔ１内には複数の炉周標準偏差σｃが存在する。ガス圧力変動指数Ｉを算出するときには、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃの平均値を用いることができる。また、別の方法として、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃのうち、任意の１つの炉周標準偏差σｃ（例えば、直近に算出された炉周標準偏差σｃ）を用いることができる。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で算出したガス圧力変動指数Ｉが予め定めた閾値Ｉｔｈよりも大きいか否かを判別する。閾値Ｉｔｈは、過去の操業実績から定めることができる。上述したように、複数の部分領域のそれぞれにおいて、ガス圧力変動指数Ｉを算出する場合があるが、この場合には、各部分領域で算出されたガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈよりも大きいか否かを判別する。

ガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈ以下であるときには、図６に示す処理を終了する。この場合には、炉内のガス圧力の変動が発生していないと判断することになる一方、ガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈよりも大きいときには、ステップＳ１０７において、炉内のガス圧力の変動が発生していることを検知する。

ここで、複数の部分領域のそれぞれにおいて、ガス圧力変動指数Ｉを算出した場合には、少なくとも１つのガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈよりも大きいときには、ステップＳ１０７において、炉内のガス圧力の変動が発生していることを検知する。また、すべてのガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈ以下であるときには、炉内のガス圧力の変動が発生していないと判断して、図６に示す処理を終了する。このとき、閾値Ｉｔｈとして、複数の部分領域のそれぞれについて異なる値を設定しておくことができる。

図６に示す処理は、炉内のガス圧力の変動が発生していることを検知しているだけであるが、ガス圧力の変動が発生していることを検知したときには、作業者に対して警告を行うことができる。この警告は、作業者に対してガス流の改善を促すための警告であり、具体的な警告内容は適宜決めることができる。また、警告の手段としては、例えば、音声を出力したり、ディスプレイでの表示を行ったりすることができる。

ガス流を改善させる処理としては、例えば、減風が挙げられる。過度の減風を行うと、高炉の生産効率が低下してしまうおそれがあるが、本実施形態では、ガス圧力の変動が発生し、将来においてガス流の異常が発生することを予測したときに予め減風を行うことができるため、過度の減風を行う必要が無くなる。ガス圧力の変動を検知したタイミング、言い換えれば、ガス流の異常が実際に発生するよりも前のタイミングにおいて、予め減風を行うようにすれば、ガス流の異常が実際に発生してから減風を行うよりも減風量を抑えることができる。したがって、過度の減風によって炉況が大きく変動してしまうことを回避することが可能となる。

図７には、ある期間の実炉の操業において、圧力センサ２によって測定されたガス圧力から算出された平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係を示す。図７において、横軸は平均炉周標準偏差σｃａであり、縦軸は時間標準偏差σｔである。平均炉周標準偏差σｃａは、高炉１の羽口から炉頂部までの領域（全体領域）に含まれる、すべての炉高位置での炉周標準偏差σｃを平均した値である。なお、図７においては、３４個の圧力センサの１分間で測定されたガス圧力（ｋＰａ）を用いて、二次元画像データを炉高方向及び炉周方向にそれぞれ１４分割する分割線の交点についてガス圧力を推定した。所定時間Δｔ１は１０分とし、１分（上記時間δｔ）ずつずらしながら時間標準偏差σｔを算出した。

図７において、実線は、ガス圧力変動指数Ｉが０．５であるときの平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係を示し、点線は、ガス圧力変動指数Ｉが０．３であるときの平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係を示す。

ガス圧力変動指数Ｉが０．５よりも大きいときには、言い換えれば、平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係（図７中のプロット）が図７の領域Ａ（右上がり斜線のハッチング領域）に含まれるときには、多くの場合において実際に減風を行った。すなわち、後に減風を行う必要があるようなガス流の異常が発生した。

一方、ガス圧力変動指数Ｉが０．３よりも大きく、かつ０．５以下であるときには、言い換えれば、平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係（図７中のプロット）が図７の領域Ｂ（右下がり斜線のハッチング領域）に含まれるときには、直後に減風を行う必要がなかったものの、炉内の充填構造が大きく変動していたことが推定された。ガス圧力変動指数Ｉが０．３以下であるときには、言い換えれば、平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係（図７中のプロット）が図７の領域Ｃ（白抜きの領域）に含まれるときには、炉内の充填構造があまり変動していないと推定された。

上述したように、ガス圧力変動指数Ｉに基づいて、炉内の充填構造の変化を推定することができ、ガス圧力変動指数Ｉが０．５よりも大きいときには、操業を継続することによって、減風を要するガス流の異常が発生したと考えられる。したがって、ガス圧力変動指数Ｉが０．５よりも大きいときには、ガス圧力の変動を検知することにより、早めに減風などの対策を取ることが可能になる。

以下、実炉を用いてガス圧力変動指数Ｉを算出した結果について、図８～図１４を用いて説明する。図８～図１４において、縦軸はガス圧力変動指数Ｉであり、炉高方向を３等分したときの下部、すなわち炉下部に含まれる４個の炉高位置についての平均炉周標準偏差σｃａを用いた。なお、ガス圧力の単位はｋＰａとした。また、図８～図１４において、横軸は時間［分］であり、ある同一期間（約１０時間）の高炉操業についての解析結果である。

図８には、上記式（５－１）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は１０分とし、閾値Ｉｔｈは０．５とした。ガス圧力変動指数Ｉの算出に用いられる炉周標準偏差σｃａとしては、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃａの平均値を用いた。

図９には、上記式（５－１）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は６０分とし、閾値Ｉｔｈは０．５とした。ガス圧力変動指数Ｉの算出に用いられる炉周標準偏差σｃａとしては、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃａの平均値を用いた。

図１０には、上記式（５－２）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は１０分とし、閾値Ｉｔｈは０．０５とした。

図１１には、上記式（５－３）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は１０分とし、第２の所定時間Δｔ２も１０分とし、ｎを１０個とした。閾値Ｉｔｈは０．０５とした。

図１２には、上記式（５－３）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は１０分とし、第２の所定時間Δｔ２は６０分とし、ｎを６０個とした。閾値Ｉｔｈは０．０５とした。

図１３には、上記式（５－４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は１０分とし、所定時間Δｔ３も１０分とし、ｎを１０個とした。閾値Ｉｔｈは０．５とした。ガス圧力変動指数Ｉの算出に用いられる炉周標準偏差σｃａとしては、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃａの平均値を用いた。

図１４には、上記式（５－４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示す。ここで、時間標準偏差σｔを算出するための所定時間Δｔ１は１０分とし、所定時間Δｔ３は６０分とし、ｎを６０個とした。閾値Ｉｔｈは０．５とした。ガス圧力変動指数Ｉの算出に用いられる炉周標準偏差σｃａとしては、所定時間Δｔ１内に含まれる複数の炉周標準偏差σｃａの平均値を用いた。

図８から図１４を比較すると、ガス圧力変動指数Ｉの具体的な挙動は互いに異なるものの、ガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈよりも大きくなるタイミングや、ガス圧力変動指数Ｉが閾値Ｉｔｈよりも大きくなっている継続時間は、ほぼ同様である。したがって、上記式（５－１）～（５－４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉのいずれを用いても、炉内のガス圧力の変動を検知することができる。上記式（１）～（４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉ用いる場合についても同様である。

図８及び図９は、上記式（５－１）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示すが、所定時間Δｔ１が互いに異なっている。ここで、図８に示すように、所定時間Δｔ１を短くすることにより、ガス圧力変動指数Ｉの細かな挙動を把握することができる。また、図９に示すように、所定時間Δｔ１を長くすることにより、ガス圧力変動指数Ｉの大まかな挙動を把握することができる。このため、上記式（５－１）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉについては、把握しようとするガス圧力変動指数Ｉの挙動を考慮して、所定時間Δｔ１を決めることができる。

上記式（５－１）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉを用いる場合、時間標準偏差σｔだけでなく、平均炉周標準偏差σｃａの大きさも考慮することができる点において好ましい。

図１１及び図１２は、上記式（５－３）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示すが、所定時間Δｔ２（すなわちｎ）が互いに異なっている。ここで、図１１に示すように、所定時間Δｔ２を短くすることにより、ガス圧力変動指数Ｉの細かな挙動を把握することができる。また、図１２に示すように、所定時間Δｔ２を長くすることにより、ガス圧力変動指数Ｉの大まかな挙動を把握することができる。このため、上記式（５－３）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉについては、把握しようとするガス圧力変動指数Ｉの挙動を考慮して、所定時間Δｔ２を決めることができる。

図１３及び図１４は、上記式（５－４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉの経時変化を示すが、所定時間Δｔ３（すなわちｎ）が互いに異なっている。ここで、図１３に示すように、所定時間Δｔ３を短くすることにより、ガス圧力変動指数Ｉの細かな挙動を把握することができる。また、図１４に示すように、所定時間Δｔ３を長くすることにより、ガス圧力変動指数Ｉの大まかな挙動を把握することができる。このため、上記式（５－４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉについては、把握しようとするガス圧力変動指数Ｉの挙動を考慮して、所定時間Δｔ３を決めることができる。

上記式（５－１）～（５－２）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉは、経時的な変動が大きかったり、閾値をまたいで値が上下したりと、変動検知や操業アクション判断のタイミングが難しい場合があるが、上記式（５－３）～（５－４）によって定義されるガス圧力変動指数Ｉは時間平均値を用いるため、変動検知や操業アクション判断がより行いやすい。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態について述べた炉周標準偏差σｃ（又は平均炉周標準偏差σｃａ）及び時間標準偏差σｔに基づき、炉内のガス圧力の変動を検知するものである。具体的には、炉周標準偏差σｃが予め定めた閾値σｃ＿ｔｈ（第１閾値）よりも大きく、かつ、炉周標準偏差σｃの時間標準偏差σｔが予め定めた閾値σｔ＿ｔｈ（第２閾値）よりも大きいときには、炉内のガス圧力の変動を検知する、炉内ガス圧力の変動検知方法である。また、平均炉周標準偏差σｃａが予め定めた閾値σｃａ＿ｔｈ（第１閾値）よりも大きく、かつ、平均炉周標準偏差σｃａの時間標準偏差σｔが予め定めた閾値σｔ＿ｔｈ（第２閾値）よりも大きいときには、炉内のガス圧力の変動を検知する、炉内ガス圧力の変動検知方法である。炉周標準偏差σｃ（又は平均炉周標準偏差σｃａ）及び時間標準偏差σｔについては、第１実施形態で述べた通りであるので、説明を省略する。

図１５には、実炉の操業において、圧力センサ２によって測定されたガス圧力から算出された平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係を示す。図１５の横軸及び縦軸は、図７と同じく、それぞれ平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔである。平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの算出の詳細は図７について述べた通りであり、図中のプロットも図７に示すデータと同じものである。

図１５には、平均炉周標準偏差σｃａの閾値σｃａ＿ｔｈと、時間標準偏差σｔの閾値σｔ＿ｔｈを示す。図１５において、閾値σｃａ＿ｔｈは１．８であり、閾値σｔ＿ｔｈは０．２８である。

本実施形態においても、炉周標準偏差σｃ（又は平均炉周標準偏差σｃａ）及び時間標準偏差σｔをそれぞれ閾値と比較判定することにより、第１実施形態と同様に、炉内のガス圧力の変動を検知することができる。すなわち、平均炉周標準偏差σｃａ及び時間標準偏差σｔの関係（図１５中のプロット）が図１５の領域Ｄ（右上がり斜線のハッチング領域）に含まれるときには、多くの場合において実際に減風を行った。すなわち、後に減風を行う必要があるようなガス流の異常が発生した。したがって、平均炉周標準偏差σｃａが閾値σｃａ＿ｔｈよりも大きく、かつ、時間標準偏差σｔが閾値σｔ＿ｔｈよりも大きいときには、ガス圧力の変動を検知することにより、早めに減風などの対策を取ることが可能になる。

１：高炉、２：圧力センサ、１０：検知装置

Claims (11)

1. 高炉の炉周方向における複数の測定点で炉内のガス圧力を連続的に測定し、
   所定の炉高位置における炉周方向の複数の位置でのガス圧力の標準偏差である炉周標準偏差について、所定時間内で算出された複数の前記炉周標準偏差の標準偏差である時間標準偏差を求め、
   少なくとも前記時間標準偏差を用いて定義されるガス圧力変動指数が閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知することを特徴とする炉内ガス圧力の変動検知方法。
2. 前記ガス圧力変動指数は、下記式（Ｉ）で表されることを特徴とする請求項１に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
   Ｉ＝σｃ×σｔ ・・・（Ｉ）
   上記式（Ｉ）において、Ｉは前記ガス圧力変動指数であり、σｃは前記炉周標準偏差であり、σｔは前記時間標準偏差である。
3. 前記ガス圧力変動指数は、前記時間標準偏差であることを特徴とする請求項１に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
4. 前記ガス圧力変動指数は、下記式（ＩＩ）で表されることを特徴とする請求項１に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
   Ｉ＝Σσｔ／ｎ ・・・（ＩＩ）
   上記式（ＩＩ）において、Ｉは前記ガス圧力変動指数であり、σｔは前記時間標準偏差であり、ｎは、第２の所定時間Δｔ２に含まれる前記時間標準偏差の総数である。
5. 前記ガス圧力変動指数は、下記式（ＩＩＩ）で表されることを特徴とする請求項１に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
   Ｉ＝Σ（σｃ×σｔ）／ｎ ・・・（ＩＩＩ）
   上記式（ＩＩＩ）において、Ｉは前記ガス圧力変動指数であり、σｃは前記炉周標準偏差であり、σｔは前記時間標準偏差であり、ｎは、第３の所定時間Δｔ３に含まれる前記時間標準偏差の総数である。
6. 前記ガス圧力変動指数は、下記式（ＩＶ）で表されることを特徴とする請求項１に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
   Ｉ＝σｃａ×σｔ ・・・（ＩＶ）
   上記式（ＩＶ）において、Ｉは前記ガス圧力変動指数であり、σｃａは、前記炉周標準偏差を炉高方向の所定領域内に含まれる複数の炉高位置で算出したときにおいて、前記複数の炉高位置での前記炉周標準偏差を平均した平均値であり、σｔは、前記平均値σｃａに関する前記時間標準偏差であって、所定時間内で算出された複数の前記平均値σｃａの標準偏差である。
7. 前記所定領域は、羽口から炉頂部までの領域であることを特徴とする請求項６に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
8. 前記所定領域は、羽口から炉頂部までの領域を炉高方向で複数の領域に区画したときの最上部に位置する領域であることを特徴とする請求項６に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
9. 前記所定領域は、羽口から炉頂部までの領域を炉高方向で複数の領域に区画したときの各領域であり、前記複数の領域についてそれぞれ算出された複数のガス圧力変動指数のうち少なくとも１つが前記閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知することを特徴とする請求項６に記載の炉内ガス圧力の変動検知方法。
10. 高炉の炉周方向における複数の測定点で炉内のガス圧力を連続的に測定し、
    所定の炉高位置における炉周方向の複数の位置でのガス圧力の標準偏差が第１閾値よりも大きく、かつ、所定時間内で算出された複数の前記標準偏差の標準偏差が第２閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知することを特徴とする炉内ガス圧力の変動検知方法。
11. 高炉の炉高方向及び炉周方向における複数の測定点で炉内のガス圧力を連続的に測定し、
    同一の炉高位置における炉周方向の複数の位置でのガス圧力の標準偏差を炉高方向の所定領域内に含まれる複数の炉高位置で算出したときにおいて、前記複数の炉高位置での前記標準偏差を平均した平均値が第１閾値よりも大きく、かつ、所定時間内で算出された複数の前記平均値の標準偏差が第２閾値よりも大きいとき、炉内のガス圧力が変動したことを検知することを特徴とする炉内ガス圧力の変動検知方法。

Images