JP7464033B2 - METHOD FOR ESTIMATING PERMEABILITY OF BLAST FURNACE COLLECTED ZONE, APPARATUS FOR ESTIMATING PERMEABILITY OF BLAST FURNACE COLLECTED ZONE, AND METHOD FOR OPERATING BLAST FURNACE - Google Patents
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Description
本発明は、高炉融着層の通気性推定方法、高炉融着層の通気性推定装置、及び高炉の操業方法に関する。 The present invention relates to a method for estimating the permeability of a blast furnace cohesive zone, a device for estimating the permeability of a blast furnace cohesive zone, and a method for operating a blast furnace.
近年の二酸化炭素排出量削減要求の高まりから、二酸化炭素の多量排出産業である鉄鋼業においても二酸化炭素排出量削減技術の開発が余儀なくされている。特に製銑工程からの二酸化炭素排出量は全体の二酸化炭素排出量の約７割を占めている。このため、製銑工程における二酸化炭素排出量の削減は喫緊の課題となっており、二酸化炭素の発生源となるコークスの高炉での使用量（コークス比）のさらなる削減が強く求められている。 In recent years, the growing demand to reduce carbon dioxide emissions has forced the steel industry, which is a major emitter of carbon dioxide, to develop technologies to reduce carbon dioxide emissions. In particular, carbon dioxide emissions from the ironmaking process account for approximately 70% of total carbon dioxide emissions. For this reason, reducing carbon dioxide emissions from the ironmaking process has become an urgent issue, and there is a strong demand for further reductions in the amount of coke used in blast furnaces (coke ratio), which is a source of carbon dioxide.
高炉の安定操業には炉内ガスの円滑な流れを維持することが重要である。一方で、炉下部には昇温及び還元によって鉱石粒子が軟化収縮して相互に融着した融着層と呼ばれる低空隙率領域が形成され、炉内ガスの流れを阻害する。加えて、低コークス比操業では、コークスに対する鉱石の存在比率が上昇して融着層が肥大化するために炉内の通気性が著しく阻害される。このため、低コークス比条件下における高炉の安定操業を実現するためには、通気阻害領域である融着層の通気性の定量的な把握とその改善が重要である。 For stable operation of a blast furnace, it is important to maintain a smooth flow of gas inside the furnace. However, due to heating and reduction, a low porosity area called the fusion layer is formed in the lower part of the furnace, where ore particles soften and shrink due to heating and reduction, and fuse together, hindering the flow of gas inside the furnace. In addition, when operating at a low coke rate, the ratio of ore to coke increases, causing the fusion layer to swell, significantly hindering the air permeability inside the furnace. For this reason, in order to achieve stable operation of a blast furnace under low coke rate conditions, it is important to quantitatively grasp the air permeability of the fusion layer, which is an area that hinders air permeability, and to improve it.
低コークス比操業時の融着層の通気性の改善策の一つとして、鉱石層中にコークスを混合装入する方法が知られている。この方法によれば、炉下部の高温域では、鉱石粒子が軟化収縮する一方で、コークスは非溶融性であるため融着層の収縮を抑制する骨材としての効果を発揮する。また、還元によってメタル化した鉱石粒子とコークスの接触点で局所的にメタルへの浸炭がおこり、鉱石粒子とコークスの境界部において低融点化したメタルが溶融して空隙が発生するため、コークス及びその周囲をガスが集中的に流れて融着層の通気性が確保される。従って、鉱石層中へのコークスの混合装入の効果を最大限に得るためには、混合するコークス及び鉱石の粒子配置が重要である。 One method of improving the air permeability of the fusion layer during low coke rate operation is to mix coke into the ore layer. With this method, in the high temperature region at the bottom of the furnace, the ore particles soften and shrink, while the coke is non-melting and acts as an aggregate to suppress the shrinkage of the fusion layer. In addition, the metal is locally carburized at the contact point between the coke and the ore particles that have been metallized by reduction, and the low-melting-point metal melts at the boundary between the ore particles and the coke, creating voids, which allows gas to flow intensively around the coke and ensures the air permeability of the fusion layer. Therefore, to maximize the effect of mixing coke into the ore layer, the particle arrangement of the mixed coke and ore is important.
このような背景から、特許文献１には、原料装入条件、送風条件、センサーにより求めた原料層の堆積角、及び炉頂ガス組成に基づいて炉頂装入物の堆積形状を計算し、堆積形状における鉱石層とコークス層の境界面を追跡することによって、荷下りに伴う鉱石層とコークス層の形状変化、融着層とコークススリットの形成変化、及び炉内の圧力分布に関する炉内状況を計算し、炉内状況の計算結果に基づいて原料装入条件又は送風条件を変更する方法が提案されている。
In light of this background,
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、鉱石層とコークス層の境界面を追跡する構成になっているため、融着層内部の鉱石及びコークスの粒子配置やその変化を考慮することができない。そのため、鉱石とコークスの粒子配置が影響するコークスの骨材効果や浸炭による通気性の改善効果を正しく評価することができない。またこの結果、低コークス比操業時において、融着層の肥大化に伴い炉内圧力損失が上昇し、高炉操業が不安定となった際の解決手段を提供することができない。
However, because the method described in
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、高炉融着層の通気性を精度よく推定可能な高炉融着層の通気性推定方法及び通気性推定装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、融着層の通気抵抗を低位に保ち、低コークス比操業下においても安定的な操業を行うことが可能な高炉の操業方法を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a method and device for estimating the permeability of the blast furnace cohesive layer that can accurately estimate the permeability of the blast furnace cohesive layer. Another purpose of the present invention is to provide a method for operating a blast furnace that can maintain the air resistance of the cohesive layer at a low level and perform stable operation even under low coke rate operation.
本発明に係る高炉融着層の通気性推定方法は、高炉に装入された鉱石粒子が軟化及び溶融する融着層の通気性を推定する高炉融着層の通気性推定方法であって、前記鉱石粒子のヤング率を算出するヤング率算出ステップと、前記ヤング率算出ステップにおいて算出されたヤング率を用いて前記鉱石粒子及び前記融着層内のコークス粒子の変形量を算出する変形量算出ステップと、前記ヤング率算出ステップにおいて算出されたヤング率及び前記変形量算出ステップにおいて算出された変形量を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く接触力を算出する接触力算出ステップと、前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く流体抗力を算出する流体抗力算出ステップと、前記接触力算出ステップにおいて算出された接触力及び前記流体抗力算出ステップにおいて算出された流体抗力を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子毎の速度及び位置を算出する粒子運動解析ステップと、前記粒子運動解析ステップにおいて算出された前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の位置を用いて前記融着層を所定サイズに分割した各要素領域の空隙率を算出する空隙率算出ステップと、前記空隙率算出ステップにおいて算出された空隙率を用いて高炉内全域のガス流れ及び圧力分布に関する炉内状況を算出する流体解析ステップと、を含む。 The method for estimating the air permeability of the blast furnace cohesive layer according to the present invention is a method for estimating the air permeability of the cohesive layer in a blast furnace, in which ore particles charged into a blast furnace soften and melt, and includes a Young's modulus calculation step of calculating the Young's modulus of the ore particles, a deformation amount calculation step of calculating the deformation amount of the ore particles and the coke particles in the cohesive layer using the Young's modulus calculated in the Young's modulus calculation step, a contact force calculation step of calculating the contact force acting on the ore particles and the coke particles using the Young's modulus calculated in the Young's modulus calculation step and the deformation amount calculated in the deformation amount calculation step, and The method includes a fluid drag calculation step for calculating the fluid drag acting on the particles, a particle motion analysis step for calculating the velocity and position of each of the ore particles and the coke particles using the contact force calculated in the contact force calculation step and the fluid drag calculated in the fluid drag calculation step, a porosity calculation step for calculating the porosity of each element region obtained by dividing the cohesive layer into a predetermined size using the positions of the ore particles and the coke particles calculated in the particle motion analysis step, and a fluid analysis step for calculating the in-furnace conditions related to the gas flow and pressure distribution throughout the blast furnace using the porosity calculated in the porosity calculation step.
なお、前記流体抗力は、固気間運動量交換係数と前記鉱石粒子及び前記コークス粒子と流体の平均相対速度との積として算出され、前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の接触点数に比例して低下する値とするとよい。 The fluid drag is calculated as the product of the solid-gas momentum exchange coefficient and the average relative velocity of the ore particles and the coke particles with the fluid, and is preferably a value that decreases in proportion to the number of contact points between the ore particles and the coke particles.
本発明に係る高炉融着層の通気性推定装置は、高炉に装入された鉱石粒子が軟化及び溶融する融着層の通気性を推定する高炉融着層の通気性推定装置であって、前記鉱石粒子のヤング率を算出するヤング率算出手段と、前記ヤング率算出手段によって算出されたヤング率を用いて前記鉱石粒子及び前記融着層内のコークス粒子の変形量を算出する変形量算出手段と、前記ヤング率算出手段によって算出されたヤング率及び前記変形量算出手段によって算出された変形量を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く接触力を算出する接触力算出手段と、前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く流体抗力を算出する流体抗力算出手段と、前記接触力算出手段によって算出された接触力及び前記流体抗力算出手段によって算出された流体抗力を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子毎の速度及び位置を算出する粒子運動解析手段と、前記粒子運動解析手段によって算出された前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の位置を用いて前記融着層を所定サイズに分割した各要素領域の空隙率を算出する空隙率算出手段と、前記空隙率算出手段によって算出された空隙率を用いて高炉内全域のガス流れ及び圧力分布に関する炉内状況を算出する流体解析手段と、を備える。 The air permeability estimation device for the blast furnace cohesive layer according to the present invention is an air permeability estimation device for estimating the air permeability of the cohesive layer in which ore particles charged into a blast furnace soften and melt, and includes a Young's modulus calculation means for calculating the Young's modulus of the ore particles, a deformation amount calculation means for calculating the deformation amount of the ore particles and the coke particles in the cohesive layer using the Young's modulus calculated by the Young's modulus calculation means, a contact force calculation means for calculating the contact force acting on the ore particles and the coke particles using the Young's modulus calculated by the Young's modulus calculation means and the deformation amount calculated by the deformation amount calculation means, and The apparatus includes a fluid drag calculation means for calculating the fluid drag acting on the ore particles, a particle motion analysis means for calculating the velocity and position of each of the ore particles and the coke particles using the contact force calculated by the contact force calculation means and the fluid drag calculated by the fluid drag calculation means, a porosity calculation means for calculating the porosity of each element region obtained by dividing the cohesive layer into a predetermined size using the positions of the ore particles and the coke particles calculated by the particle motion analysis means, and a fluid analysis means for calculating the in-furnace conditions related to the gas flow and pressure distribution throughout the blast furnace using the porosity calculated by the porosity calculation means.
本発明に係る高炉の操業方法は、本発明に係る高炉融着層の通気性推定方法によって算出された高炉内全域のガス流れ及び圧力分布に関する炉内状況に基づいて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の配置位置を決定し、決定した配置位置に前記コークス粒子を装入するステップを含む。 The blast furnace operation method according to the present invention includes a step of determining the placement positions of the ore particles and the coke particles based on the furnace conditions regarding gas flow and pressure distribution throughout the blast furnace calculated by the blast furnace cohesive zone permeability estimation method according to the present invention, and charging the coke particles into the determined placement positions.
本発明に係る高炉融着層の通気性推定方法及び通気性推定装置によれば、高炉融着層の通気性を精度よく推定することができる。また、本発明に係る高炉の操業方法によれば、融着層の通気抵抗を低位に保ち、低コークス比操業下においても安定的な操業を行うことができる。 The method and device for estimating the permeability of the blast furnace cohesive layer according to the present invention can accurately estimate the permeability of the blast furnace cohesive layer. In addition, the method for operating a blast furnace according to the present invention can keep the air resistance of the cohesive layer low, and can perform stable operation even under low coke rate operation.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定方法、高炉融着層の通気性推定装置、及び高炉の操業方法について説明する。 Below, we will explain the method for estimating the permeability of the blast furnace cohesive zone, the device for estimating the permeability of the blast furnace cohesive zone, and the method for operating a blast furnace, which are one embodiment of the present invention, with reference to the drawings.
本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定方法では、炉頂に形成された鉱石層及びコークス層が炉内を降下する際に鉱石粒子が昇温及び還元に伴い軟化及び収縮していく過程を、コンピュータ等の情報処理装置を用いて高炉数学モデルを解くことにより解析する。ここで、高炉数学モデルとは、以下に示す本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定処理の流れを情報処理装置上で実行可能なように規定したコンピュータプログラムのことを意味する。高炉数学モデルの従来の高炉モデルとの最も大きな違いは、高炉内に装入した全ての粒子の情報（位置、速度、密度、粒子径、ヤング率、ポアソン比等の物理的性質並びに反応性等の化学的性質）を計算に反映させることができる点である。これにより、粒径差や密度差に起因する層構造の変化や粒子同士の相互作用に基づく空隙率や通気性の変化を推定できるため、高炉内部、特に鉱石粒子が溶融することにより鉱石粒子とコークス粒子の接触が増加する融着層における通気性を精度よく推定することができる。情報処理装置は、高炉数学モデルを実行することにより本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定装置として機能する。 In the method for estimating the permeability of the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention, the process in which the ore particles soften and shrink as the temperature rises and the reduction occurs when the ore layer and coke layer formed at the top of the furnace descend inside the furnace is analyzed by solving a blast furnace mathematical model using an information processing device such as a computer. Here, the blast furnace mathematical model means a computer program that defines the flow of the permeability estimation process of the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention, shown below, so that it can be executed on an information processing device. The biggest difference between the blast furnace mathematical model and the conventional blast furnace model is that the information of all particles charged into the blast furnace (physical properties such as position, velocity, density, particle size, Young's modulus, Poisson's ratio, and chemical properties such as reactivity) can be reflected in the calculation. This makes it possible to estimate changes in the layer structure due to particle size differences and density differences, and changes in porosity and permeability due to interactions between particles, so that the permeability inside the blast furnace, especially in the cohesive layer where the contact between the ore particles and the coke particles increases due to the melting of the ore particles, can be accurately estimated. The information processing device functions as a permeability estimation device for the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention, by executing the blast furnace mathematical model.
図１は、本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定処理の流れを示すフローチャートである。図１に示す本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定処理の流れは、高炉内のガス流れ、圧力、固体流れ、及び粒子配置を同時に求めるものであり、図１に示す手順で順次計算を進め、高炉内のガス流れ及び圧力分布が定常状態に達するまで計算を行う。具体的には、本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定処理では、まず、後段の処理で必要な初期値データとして、高炉の寸法、送風諸元、塊コークス（粒径３０～６０ｍｍ程度のコークス）比、小塊コークス（粒径３～１０ｍｍ程度のコークス）比、炉内温度分布等の操業条件、装入物の初期位置（実測値）、初期速度、粒径、密度、反応性等の装入物条件、炉下部の溶銑及び溶滓の密度や量等の残銑滓条件、時間刻み幅、計算格子サイズ、境界条件（羽口ガス吹込速度等）等の計算条件を情報処理装置に入力する（ステップＳ１）。炉内温度分布の情報としては、少なくとも高炉内の半径方向及び高さ方向についての２次元情報が与えられる。なお、これらの初期値データは、情報処理装置が電気通信回線を介して他の情報処理装置から取得してもよいし、オペレータが入力装置を操作することによって情報処理装置に入力してもよい。 1 is a flowchart showing the flow of the permeability estimation process of the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention. The flow of the permeability estimation process of the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention, shown in FIG. 1, is to simultaneously obtain the gas flow, pressure, solid flow, and particle arrangement in the blast furnace, and the calculation is performed sequentially according to the procedure shown in FIG. 1 until the gas flow and pressure distribution in the blast furnace reach a steady state. Specifically, in the permeability estimation process of the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention, first, as initial value data required for the subsequent processing, the dimensions of the blast furnace, blast specifications, lump coke (coke with a particle size of about 30 to 60 mm) ratio, small lump coke (coke with a particle size of about 3 to 10 mm) ratio, operating conditions such as temperature distribution in the furnace, initial position (actual value), initial velocity, particle size, density, reactivity, etc. of the charge, residual pig iron and slag conditions such as density and amount of molten iron and slag in the lower part of the furnace, time step width, calculation grid size, boundary conditions (tuyere gas injection rate, etc.), etc. are input into the information processing device (step S1). As information on the temperature distribution inside the furnace, at least two-dimensional information on the radial and vertical directions inside the blast furnace is given. Note that these initial value data may be acquired by the information processing device from another information processing device via an electric communication line, or may be input to the information processing device by the operator operating an input device.
次に、情報処理装置は、図２に示すように高炉内部の中心軸を含む２次元断面領域を複数の要素領域（メッシュ領域）に分割することにより計算格子を設定する（ステップＳ２）。次に、情報処理装置が、ステップＳ２の処理において設定した各計算格子について、計算格子の温度及び鉱石粒子の被還元性を表すパラメータ（鉱石の還元性指数に応じて設定）を用いて内部に含まれる鉱石粒子のヤング率を算出する（ステップＳ３）。鉱石粒子のヤング率を算出することにより鉱石粒子の軟化収縮挙動を評価することができる。次に、情報処理装置は、ステップＳ２の処理において設定した各計算格子について、計算格子中を装入粒子（鉱石粒子及びコークス粒子）が占める面積を計算格子の面積で除算することにより空隙率を算出する（ステップＳ４）。次に、情報処理装置が、ステップＳ４の処理において算出した空隙率を以下に示す数式（１）に適用して解くことにより高炉内のガス流速分布及び圧力分布を計算する（ステップＳ５，Ｓ６）。 Next, the information processing device sets a computational grid by dividing a two-dimensional cross-sectional area including the central axis inside the blast furnace into a plurality of element regions (mesh regions) as shown in FIG. 2 (step S2). Next, for each computational grid set in the process of step S2, the information processing device calculates the Young's modulus of the ore particles contained therein using the temperature of the computational grid and a parameter (set according to the reducibility index of the ore) representing the reducibility of the ore particles (step S3). By calculating the Young's modulus of the ore particles, the softening and shrinkage behavior of the ore particles can be evaluated. Next, for each computational grid set in the process of step S2, the information processing device calculates the void ratio by dividing the area occupied by the charged particles (ore particles and coke particles) in the computational grid by the area of the computational grid (step S4). Next, the information processing device calculates the gas flow velocity distribution and pressure distribution in the blast furnace by applying the void ratio calculated in the process of step S4 to the following mathematical formula (1) and solving it (steps S5 and S6).
ここで、数式（１）において、ｔは時間、εは空隙率、ρｇはガス密度、ｕｇはガス流速、ｐｇは圧力、μｇはガス粘度、Ｆｆは流体抗力（装入粒子と流体間の相互作用力）を示す。 Here, in formula (1), t is time, ε is void fraction, ρ g is gas density, u g is gas flow rate, p g is pressure, μ g is gas viscosity, and F f is fluid drag (interaction force between charged particles and fluid).
次に、情報処理装置は、ステップＳ５及びステップＳ６の計算が収束したか否か、換言すれば、高炉内のガス流れ及び圧力分布が定常状態に達したか否かを判定する。判定の結果、計算が収束した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、情報処理装置は、高炉内のガス流れ及び圧力分布が定常状態に達したと判断し、次のステップＳ８の処理を実行する。一方、計算が収束していない場合には（ステップＳ７：Ｎｏ）、情報処理装置は、高炉内のガス流れ及び圧力分布が定常状態に達していないと判断し、ステップＳ５及びステップＳ６の処理を再度実行する。 The information processing device then determines whether the calculations in steps S5 and S6 have converged, in other words, whether the gas flow and pressure distribution in the blast furnace have reached a steady state. If the calculations have converged (step S7: Yes), the information processing device determines that the gas flow and pressure distribution in the blast furnace have reached a steady state, and executes the processing in the next step S8. On the other hand, if the calculations have not converged (step S7: No), the information processing device determines that the gas flow and pressure distribution in the blast furnace have not reached a steady state, and executes the processing in steps S5 and S6 again.
ステップＳ８の処理では、情報処理装置が、ステップＳ５の処理によって算出されたガス流速分布を用いて、装入粒子の平均速度とガス流速との差分値（装入粒子と流体の平均相対速度）を含む以下に示す数式（２）により流体抗力（ガス抗力）Ｆｆを算出する。 In the process of step S8, the information processing device calculates a fluid drag (gas drag) Ff by the following formula (2) including a difference value between the average velocity of the charged particles and the gas velocity (average relative velocity between the charged particles and the fluid) using the gas velocity distribution calculated in the process of step S5 .
ここで、数式（２）において、βｔは固気間運動量交換係数を示し、Ｅｒｇｕｎ式を適用して計算することができる。また、ｎｃは、各計算格子内における鉱石粒子とコークス粒子の接触点の数を示し、ｋｃは比例定数である。また、ｕｐは計算格子内に存在する装入粒子の平均速度ベクトルを示す。炉下部のメタル生成領域においては、コークス粒子とメタルの接触界面にて進行する浸炭反応によってメタルの低融点化に伴う優先的な滴下が促進されるため、局所的に空隙が増加して通気性が向上する。本実施形態では、この通気性向上効果を意味する流体抗力の値が鉱石粒子とコークス粒子の接触点の数に比例して低下するとして数式（２）を仮定した。そして、鉱石粒子とコークス粒子に働く流体抵抗力Ｆｄは流体抗力Ｆｆの反作用として以下に示す数式（３）で与えた。なお、数式（３）において、ｄｐは装入粒子の直径を示す。 Here, in formula (2), β t indicates the solid-gas momentum exchange coefficient, and can be calculated by applying the Ergun formula. In addition, n c indicates the number of contact points between the ore particles and the coke particles in each computational grid, and k c is a proportionality constant. In addition, u p indicates the average velocity vector of the charged particles present in the computational grid. In the metal generation region in the lower part of the furnace, the carburization reaction proceeding at the contact interface between the coke particles and the metal promotes preferential dripping due to the lower melting point of the metal, so that the voids increase locally and the permeability is improved. In this embodiment, formula (2) was assumed to assume that the value of the fluid drag force, which means the permeability improvement effect, decreases in proportion to the number of contact points between the ore particles and the coke particles. And the fluid resistance force F d acting on the ore particles and the coke particles was given by the following formula (3) as a reaction to the fluid drag force F f . In addition, in formula (3), d p indicates the diameter of the charged particles.
次に、情報処理装置は、ステップＳ３の処理により算出された鉱石粒子のヤング率を用いて各装入粒子の変形量及び各装入粒子に働く接触力を計算する（ステップＳ９，Ｓ１０）。各装入粒子の変形量は、ステップＳ３の処理により算出された鉱石粒子のヤング率を用いて各装入粒子が接触している他の装入粒子又は壁面との相対変位から計算することができる。また、接触力とは、装入粒子がガスから受ける抗力と、装入粒子が接触している他の装入粒子から受ける力と、装入粒子が接触している壁から受ける力と、装入粒子に働く重力と、装入粒子に働く浮力の合計とする。装入粒子が接触している他の装入粒子又は壁面から受ける力は、装入粒子の変形量及び各装入粒子の変形量等を用いて計算することができる。但し、各装入粒子の変形量及び各装入粒子に働く接触力を所定値として計算してもよい。 Next, the information processing device calculates the deformation amount of each charged particle and the contact force acting on each charged particle using the Young's modulus of the ore particles calculated by the processing of step S3 (steps S9 and S10). The deformation amount of each charged particle can be calculated from the relative displacement of each charged particle with respect to other charged particles or wall surfaces with which it is in contact, using the Young's modulus of the ore particles calculated by the processing of step S3. In addition, the contact force is the sum of the drag force that the charged particle receives from the gas, the force that the charged particle receives from other charged particles with which it is in contact, the force that the charged particle receives from the wall with which it is in contact, the gravity acting on the charged particle, and the buoyancy acting on the charged particle. The force that the charged particle receives from other charged particles or wall surfaces with which it is in contact can be calculated using the deformation amount of the charged particle and the deformation amount of each charged particle. However, the deformation amount of each charged particle and the contact force acting on each charged particle may be calculated as a predetermined value.
次に、情報処理装置は、ステップＳ８の処理によりされた流体抵抗力Ｆｄ及びステップＳ１０の処理により算出された各装入粒子に働く接触力を用いて各装入粒子の位置情報を更新する（ステップＳ１１）。具体的には、情報処理装置は、ステップＳ８の処理によりされた流体抵抗力Ｆｄ及びステップＳ１０の処理において計算した装入粒子に働く接触力を用いて運動方程式を解くことにより、各装入粒子の速度及び位置を算出する。最後に、情報処理装置は、融着層の通気性推定処理の終了条件が満たされたか否かを判定する。そして、終了条件が満たされた場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、情報処理装置は、一連の融着層の通気性推定処理を終了する。一方、終了条件が満たされていない場合には（ステップＳ１２：Ｎｏ）、情報処理装置は、高炉融着層の通気性推定処理をステップＳ３の処理に戻す。 Next, the information processing device updates the position information of each charged particle using the fluid resistance force Fd obtained by the processing of step S8 and the contact force acting on each charged particle calculated by the processing of step S10 (step S11). Specifically, the information processing device calculates the velocity and position of each charged particle by solving the equation of motion using the fluid resistance force Fd obtained by the processing of step S8 and the contact force acting on the charged particle calculated in the processing of step S10. Finally, the information processing device determines whether the termination condition of the permeability estimation process of the fusion layer is satisfied. Then, if the termination condition is satisfied (step S12: Yes), the information processing device terminates a series of permeability estimation processes of the fusion layer. On the other hand, if the termination condition is not satisfied (step S12: No), the information processing device returns the permeability estimation process of the blast furnace fusion layer to the processing of step S3.
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である高炉融着層の通気性推定処理では、情報処理装置が、鉱石粒子のヤング率を算出し、算出されたヤング率を用いて鉱石粒子及びコークス粒子の変形量を算出し、算出されたヤング率及び変形量を用いて鉱石粒子及びコークス粒子に働く接触力を算出し、鉱石粒子及びコークス粒子に働く流体抗力を算出し、算出された接触力及び流体抗力を用いて鉱石粒子及びコークス粒子毎の速度及び位置を算出し、算出された鉱石粒子及びコークス粒子の位置を用いて融着層を所定サイズに分割した各要素領域の空隙率を算出し、算出された空隙率を用いて高炉内全域のガス流れ及び圧力分布に関する炉内状況を算出する。これにより、高炉融着層の通気性を精度よく推定することができる。このようにして計算した高炉内のガス流速及び圧力分布に対応して適切な装入条件の変更を実施することにより、融着層の通気抵抗を低位に保ち、低コークス比操業下においても安定的な操業を行うことができる。 As is clear from the above description, in the permeability estimation process of the blast furnace cohesive layer, which is one embodiment of the present invention, the information processing device calculates the Young's modulus of the ore particles, calculates the deformation amount of the ore particles and coke particles using the calculated Young's modulus, calculates the contact force acting on the ore particles and coke particles using the calculated Young's modulus and deformation amount, calculates the fluid drag acting on the ore particles and coke particles, calculates the speed and position of each ore particle and coke particle using the calculated contact force and fluid drag, calculates the porosity of each element area obtained by dividing the cohesive layer into a predetermined size using the calculated positions of the ore particles and coke particles, and calculates the in-furnace conditions related to the gas flow and pressure distribution throughout the blast furnace using the calculated porosity. This makes it possible to accurately estimate the permeability of the blast furnace cohesive layer. By appropriately changing the charging conditions in accordance with the gas flow velocity and pressure distribution in the blast furnace calculated in this way, the air resistance of the cohesive layer can be kept low, and stable operation can be performed even under low coke rate operation.
図３は、高炉内壁近傍圧力の高炉数学モデルによる計算結果及び実測値を示す。図３に示す本発明例では、融着層において鉱石層が軟化収縮することによる通気阻害影響と、浸炭反応によって局所的に空隙が増加することによる通気改善影響と、を考慮して、高炉内壁近傍の圧力を算出した。鉱石層の軟化収縮影響は数式（５）に示す鉱石のヤング率の関数を介して数学モデルに反映し、浸炭反応の影響は数式（２）に示す流体抗力Ｆｆの計算式に比例定数ｋｃを導入することで数式モデルに反映した。数式（２）に含まれる比例定数ｋｃの値は数式（４）に示す２次関数（Ｔは温度）により求めた。また、比較例１では、浸炭反応の影響を考慮せずに高炉内壁近傍の圧力を算出した。すなわち、比較例１では、計算に数式（２）及び数式（４）は使用しなかった。また、比較例２では、鉱石層の軟化収縮と浸炭反応の影響を考慮せずに離散要素法及び数値流体力学の連成解析により高炉内壁近傍の圧力を算出した。なお、圧力値は羽口先圧力で除算して無次元化した値を使用している。 FIG. 3 shows the calculation results and actual measurement values of the pressure near the blast furnace inner wall by the blast furnace mathematical model. In the present invention example shown in FIG. 3, the pressure near the blast furnace inner wall was calculated taking into consideration the influence of the softening and shrinkage of the ore layer in the fusion layer on the permeability inhibition and the influence of the increase in voids locally due to the carburization reaction on the permeability improvement. The softening and shrinkage influence of the ore layer was reflected in the mathematical model via the function of the Young's modulus of the ore shown in Equation (5), and the influence of the carburization reaction was reflected in the mathematical model by introducing a proportional constant k c into the calculation formula of the fluid drag force F f shown in Equation (2). The value of the proportional constant k c included in Equation (2) was obtained by the quadratic function shown in Equation (4) (T is temperature). In Comparative Example 1, the pressure near the blast furnace inner wall was calculated without considering the influence of the carburization reaction. That is, in Comparative Example 1, Equation (2) and Equation (4) were not used in the calculation. In Comparative Example 2, the pressure near the inner wall of the blast furnace was calculated by a coupled analysis of the discrete element method and computational fluid dynamics without considering the effects of the softening and shrinkage of the ore layer and the carburization reaction. The pressure value was made dimensionless by dividing it by the tuyere pressure.
図３に示すように、本発明例の計算結果の傾向は、比較例１，２の計算結果の傾向と比較して実測値の傾向と概ね一致していることが確認された。なお、本発明例の計算結果は炉上部の塊状帯での実測値を下回っている。これは、本発明例では、伝熱を考慮してないために温度変化によるガスの体積変化が再現されていないことに起因すると考えられる。しかしながら、融着層領域においては圧力損失の傾向を良好に推定しており、融着帯で生じる圧力損失は炉内全域で生じる圧力損失の約７割程度という実機の測定結果にも一致する傾向となった。従って、本発明によれば、融着層近傍における通気性悪化の傾向を良好に推定できることが確認された。 As shown in Figure 3, it was confirmed that the trend of the calculation results of the present invention example is generally consistent with the trend of the actual measured values compared to the trends of the calculation results of Comparative Examples 1 and 2. The calculation results of the present invention example are lower than the actual measured values in the lumpy zone at the top of the furnace. This is thought to be due to the fact that the present invention example does not take heat transfer into account, so the change in gas volume due to temperature change is not reproduced. However, the trend of pressure loss in the cohesive layer region is well estimated, and the pressure loss occurring in the cohesive zone tends to be consistent with the measurement results of the actual machine, which shows that the pressure loss occurring in the cohesive zone is about 70% of the pressure loss occurring throughout the entire furnace. Therefore, it was confirmed that the present invention can well estimate the trend of deterioration in air permeability near the cohesive layer.
図４（ａ），（ｂ）は、焼結鉱層中に小塊コークスを混合装入しない場合及び混合装入した場合の高炉融着層近傍におけるガス流れの計算結果を示す。図４（ｂ）の破線領域に見られるように、小塊コークスを混合装入したことにより融着層の通気性が改善されていることが視覚的に確認できる。そこで、融着層の通気性の改善効果を定量的に確認するために、図４（ｂ）に示す破線領域における鉛直方向へのガス流速を羽口先ガス流速で除算した相対ガス速度を算出した。算出結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、小塊コークスを混合装入した場合には、小塊コークスを混合装入しなかった場合と比較して、融着層領域により多くのガスが流れていることが確認できた。 Figures 4(a) and (b) show the calculation results of the gas flow near the blast furnace cohesive layer when small coke is not mixed in the sintered ore layer and when it is mixed in. As can be seen in the dashed area in Figure 4(b), it can be visually confirmed that the permeability of the cohesive layer is improved by mixing small coke. Therefore, in order to quantitatively confirm the effect of improving the permeability of the cohesive layer, the relative gas velocity was calculated by dividing the vertical gas flow velocity in the dashed area shown in Figure 4(b) by the tuyere gas flow velocity. The calculation results are shown in Figure 4(a). As shown in Figure 4(a), it was confirmed that more gas flows in the cohesive layer area when small coke is mixed in compared to when small coke is not mixed in.
図５は、高炉数学モデルによる高炉融着層の一部を対象とした計算領域を示す。図５に示す計算領域内にコークス、小塊コークス、及び焼結鉱を充填した後、高炉融着層を想定した荷重を与えるために、充填層上面に仮想的な荷重面を設置し荷重を負荷した。また、充填層下部より高炉融着層の条件を模擬したガスを流した。図６（ａ），（ｂ）は、高炉数学モデルによる高炉融着層の一部を対象とした計算領域と１３００℃時点での層構造の計算結果及び最大圧力損失の計算結果を示す。計算結果の内、水準１は焼結鉱層中に小塊コークスを混合装入しない場合、水準２は焼結鉱層中に４ｗｔ％の小塊コークスをランダムに混合装入した場合、水準３は焼結鉱層の上部に４ｗｔ％の小塊コークスを混合装入した場合、水準４は焼結鉱層の下部に４ｗｔ％の小塊コークスを混合装入した場合、水準５は焼結鉱層の中間部に４ｗｔ％の小塊コークスを混合装入した場合を示す。
Figure 5 shows a calculation domain for a part of the blast furnace cohesive layer using a blast furnace mathematical model. After filling the calculation domain shown in Figure 5 with coke, small coke, and sintered ore, a virtual load surface was placed on the top surface of the packed bed and a load was applied to apply a load equivalent to that of the blast furnace cohesive layer. In addition, gas simulating the conditions of the blast furnace cohesive layer was flowed from the bottom of the packed bed. Figures 6 (a) and (b) show the calculation domain for a part of the blast furnace cohesive layer using a blast furnace mathematical model, the calculation results of the layer structure at 1300°C, and the calculation results of the maximum pressure loss. Of the calculation results,
図６（ａ）に示すように、９００℃から１３００℃まで昇温する過程で焼結鉱の還元率が上昇し、耐軟化性が低下したため、焼結鉱層が収縮していることがわかる。また、図６（ｂ）に示すように、最大圧力損失の計算結果より、混合層中における小塊コークスと焼結鉱の粒子配置が融着層中の通気性に影響を及ぼすことが示唆され、特に焼結鉱層の中間部に小塊コークスを混合装入したとき（水準５）に最も通気性が改善することが示された。これは、焼結鉱と小塊コークスとの接触点が増加して浸炭反応が促進されたことが原因と考えられる。これにより、小塊コークスの混合装入量や混合装入位置を制御することにより、高炉の通気性を改善し、高炉の安定操業及び溶銑コストの低減に貢献できることが確認された。 As shown in Figure 6(a), the reduction rate of sintered ore increases during the heating process from 900°C to 1300°C, and the softening resistance decreases, causing the sintered ore layer to shrink. As shown in Figure 6(b), the calculation results for maximum pressure drop suggest that the particle arrangement of small coke and sintered ore in the mixed layer affects the air permeability in the fusion layer, and it was shown that air permeability is most improved when small coke is mixed in the middle of the sintered ore layer (level 5). This is thought to be due to the increased number of contact points between the sintered ore and the small coke, which promotes the carburization reaction. It was confirmed that controlling the amount and position of the small coke mixed in can improve the air permeability of the blast furnace, contributing to stable blast furnace operation and reduced molten iron costs.
〔実施例１〕
内容積が４３００ｍ３の高炉を想定し、塊コークス比２８０ｋｇ／ｔ、小塊コークス比７０ｋｇ／ｔ、微粉炭比２５０ｋｇ／ｔ、及び還元材比６００ｋｇ／ｔの操業条件を基準操業（比較例）として、本発明を適用して小塊コークスの混合装入位置を調整した際の通気抵抗指数の低減効果を検討した。基準操業では、鉱石類原料及び小塊コークスを混合した状態で高炉内に装入した。また、前提条件として、主原料の被還元性指数ＪＩＳ－ＲＩの平均値は６４．５、酸素富化量は４００Ｎｍ３／ｍｉｎ、送風温度は１２００℃、送風湿分は１１ｇ／Ｎｍ３、及び微粉炭吹き込み量は５０ｔ／ｈとし、溶銑温度は１５５０℃とした。試験操業条件及び操業結果を以下の表１に示す。なお、塊コークス、小塊コークス、微粉炭比は溶銑１ｔを製造するに当たり使用した塊コークス、小塊コークス、微粉炭の量（ｋｇ）であり、還元材比はこれらの合計である。また、通気抵抗指数は、羽口から炉頂部までの通気抵抗を指数化した指標であり、以下に示す数式（６）により算出した。ここで、数式（６）において、Ａは送風圧（ｋＰａ）、Ｂは炉頂圧（ｋＰａ）、Ｃは送風量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）、Ｄは酸素富化量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）である。
Example 1
Assuming a blast furnace with an internal volume of 4300 m3, the operation conditions of lump coke ratio 280 kg/t, small coke ratio 70 kg/t, pulverized coal ratio 250 kg/t, and reducing agent ratio 600 kg/t were set as the standard operation (comparative example), and the effect of reducing the air permeability index when the mixed charging position of small coke was adjusted by applying the present invention was examined. In the standard operation, the ore raw material and the small coke were charged into the blast furnace in a mixed state. In addition, as prerequisites, the average value of the reducibility index JIS-RI of the main raw materials was 64.5, the oxygen enrichment amount was 400 Nm3 /min, the blast temperature was 1200°C, the blast moisture was 11 g/ Nm3 , the pulverized coal injection amount was 50 t/h, and the molten iron temperature was 1550°C. The test operation conditions and operation results are shown in Table 1 below. The lump coke, small coke, and pulverized coal ratios are the amounts (kg) of lump coke, small coke, and pulverized coal used to produce 1 ton of molten iron, and the reducing agent ratio is the sum of these. The airflow resistance index is an index of the airflow resistance from the tuyere to the furnace top, and was calculated using the following formula (6). In formula (6), A is the blast pressure (kPa), B is the furnace top pressure (kPa), C is the blast rate ( Nm3 /min), and D is the oxygen enrichment rate ( Nm3 /min).
表１に示すように、基準操業（比較例）における通気抵抗指数は３．５７であった。これに対して、基準操業に本発明を適用し、１バッチ目の鉱石を装入し、２バッチ目に別の炉頂バンカーに貯留した小塊コークスと鉱石を混合した混合物を装入し、３バッチ目に鉱石を装入した（実施例１）。その結果、通気抵抗指数は３．４５に低減した。 As shown in Table 1, the airflow resistance index in the standard operation (comparison example) was 3.57. In contrast, the present invention was applied to the standard operation, and the first batch of ore was charged, the second batch was charged with a mixture of small coke stored in a separate furnace top bunker and ore, and the third batch was charged with ore (Example 1). As a result, the airflow resistance index was reduced to 3.45.
〔実施例２〕
基準操業に対し、塊コークス比を２６５ｋｇ／ｔ、小塊コークス比を５５ｋｇ／ｔに低下させた操業条件に対して、本発明を適用し通気抵抗指数を基準操業と同程度に保つことのできる混合装入方法について検討した。また、前提条件として、主原料の被還元性指数ＪＩＳ－ＲＩの平均値は６４．５、酸素富化量は４００Ｎｍ３／ｍｉｎ、送風温度は１２００℃、送風湿分は１１ｇ／Ｎｍ３、及び微粉炭吹き込み量は５０ｔ／ｈとし、溶銑温度は１５５０℃とした。実施例１に用いた小塊コークスの混合装入方法を維持したまま、塊コークス比を２６５ｋｇ／ｔ、小塊コークス比を５５ｋｇ／ｔに低下させた。その結果、表１に示すように、通気抵抗指数を基準操業時と同程度の３．５６に抑えたまま、塊コークス比２６５ｋｇ／ｔ、小塊コークス比を５５ｋｇ／ｔの低コークス操業が実現できた。
Example 2
The present invention was applied to the operation conditions in which the lump coke ratio was reduced to 265 kg/t and the small coke ratio was reduced to 55 kg/t compared to the standard operation, and a mixed charging method capable of maintaining the air permeability index at the same level as in the standard operation was studied. In addition, the prerequisites were that the average value of the reducibility index JIS-RI of the main raw materials was 64.5, the oxygen enrichment amount was 400 Nm3 /min, the blast temperature was 1200°C, the blast moisture was 11 g/ Nm3 , the pulverized coal injection amount was 50 t/h, and the molten iron temperature was 1550°C. While maintaining the mixed charging method of the small coke used in Example 1, the lump coke ratio was reduced to 265 kg/t and the small coke ratio was reduced to 55 kg/t. As a result, as shown in Table 1, low coke operation with a lump coke rate of 265 kg/t and a small coke rate of 55 kg/t was achieved while keeping the air permeability index at 3.56, which was the same as during standard operation.
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の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の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。 The above describes an embodiment of the invention made by the inventors, but the present invention is not limited to the description and drawings that form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. In other words, other embodiments, examples, and operational techniques made by those skilled in the art based on this embodiment are all included in the scope of the present invention.
Claims (3)
前記鉱石粒子のヤング率を算出するヤング率算出ステップと、
前記ヤング率算出ステップにおいて算出されたヤング率を用いて前記鉱石粒子及び前記融着層内のコークス粒子の変形量を算出する変形量算出ステップと、
前記ヤング率算出ステップにおいて算出されたヤング率及び前記変形量算出ステップにおいて算出された変形量を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く接触力を算出する接触力算出ステップと、
前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く流体抗力を算出する流体抗力算出ステップと、
前記接触力算出ステップにおいて算出された接触力及び前記流体抗力算出ステップにおいて算出された流体抗力を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子毎の速度及び位置を算出する粒子運動解析ステップと、
前記粒子運動解析ステップにおいて算出された前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の位置を用いて前記融着層を所定サイズに分割した各要素領域の空隙率を算出する空隙率算出ステップと、
前記空隙率算出ステップにおいて算出された空隙率を用いて高炉内全域のガス流れ及び圧力分布に関する炉内状況を算出する流体解析ステップと、
を含み、
前記流体抗力は、固気間運動量交換係数と前記鉱石粒子及び前記コークス粒子と流体の平均相対速度との積として算出され、前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の接触点数に比例して低下する値とすることを特徴とする高炉融着層の通気性推定方法。 A method for estimating the permeability of a blast furnace cohesive layer in which ore particles charged into a blast furnace soften and melt, comprising:
A Young's modulus calculation step of calculating the Young's modulus of the ore particles;
a deformation amount calculation step of calculating deformation amounts of the ore particles and the coke particles in the cohesive layer using the Young's modulus calculated in the Young's modulus calculation step;
a contact force calculation step of calculating a contact force acting on the ore particles and the coke particles using the Young's modulus calculated in the Young's modulus calculation step and the deformation amount calculated in the deformation amount calculation step;
A fluid drag calculation step of calculating a fluid drag acting on the ore particles and the coke particles;
a particle motion analysis step of calculating a velocity and a position of each of the ore particles and the coke particles using the contact force calculated in the contact force calculation step and the fluid drag force calculated in the fluid drag force calculation step;
a voidage calculation step of calculating a voidage of each element region obtained by dividing the cohesive layer into a predetermined size using the positions of the ore particles and the coke particles calculated in the particle motion analysis step;
A fluid analysis step of calculating an in-furnace condition related to gas flow and pressure distribution in the entire blast furnace using the void ratio calculated in the void ratio calculation step;
Including,
The method for estimating the permeability of the cohesive zone in a blast furnace is characterized in that the fluid drag is calculated as the product of a solid-gas momentum exchange coefficient and an average relative velocity between the ore particles and the coke particles and a fluid, and is a value that decreases in proportion to the number of contact points between the ore particles and the coke particles .
前記鉱石粒子のヤング率を算出するヤング率算出手段と、
前記ヤング率算出手段によって算出されたヤング率を用いて前記鉱石粒子及び前記融着層内のコークス粒子の変形量を算出する変形量算出手段と、
前記ヤング率算出手段によって算出されたヤング率及び前記変形量算出手段によって算出された変形量を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く接触力を算出する接触力算出手段と、
前記鉱石粒子及び前記コークス粒子に働く流体抗力を算出する流体抗力算出手段と、
前記接触力算出手段によって算出された接触力及び前記流体抗力算出手段によって算出された流体抗力を用いて前記鉱石粒子及び前記コークス粒子毎の速度及び位置を算出する粒子運動解析手段と、
前記粒子運動解析手段によって算出された前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の位置を用いて前記融着層を所定サイズに分割した各要素領域の空隙率を算出する空隙率算出手段と、
前記空隙率算出手段によって算出された空隙率を用いて高炉内全域のガス流れ及び圧力分布に関する炉内状況を算出する流体解析手段と、
を備え、
前記流体抗力は、固気間運動量交換係数と前記鉱石粒子及び前記コークス粒子と流体の平均相対速度との積として算出され、前記鉱石粒子及び前記コークス粒子の接触点数に比例して低下する値とすることを特徴とする高炉融着層の通気性推定装置。 A blast furnace cohesive layer permeability estimation device for estimating the permeability of the cohesive layer in which ore particles charged into a blast furnace soften and melt,
A Young's modulus calculation means for calculating the Young's modulus of the ore particles;
a deformation amount calculation means for calculating deformation amounts of the ore particles and the coke particles in the cohesive layer using the Young's modulus calculated by the Young's modulus calculation means;
a contact force calculation means for calculating a contact force acting on the ore particles and the coke particles using the Young's modulus calculated by the Young's modulus calculation means and the deformation amount calculated by the deformation amount calculation means;
A fluid drag force calculation means for calculating a fluid drag force acting on the ore particles and the coke particles;
a particle motion analysis means for calculating a velocity and a position of each of the ore particles and the coke particles using the contact force calculated by the contact force calculation means and the fluid drag force calculated by the fluid drag force calculation means;
a voidage calculation means for calculating a voidage of each element region obtained by dividing the cohesive layer into a predetermined size using the positions of the ore particles and the coke particles calculated by the particle motion analysis means;
A fluid analysis means for calculating an in-furnace condition related to gas flow and pressure distribution in the entire blast furnace using the void ratio calculated by the void ratio calculation means;
Equipped with
The fluid drag is calculated as the product of a solid-gas momentum exchange coefficient and an average relative velocity between the ore particles and the coke particles and a fluid, and is a value that decreases in proportion to the number of contact points between the ore particles and the coke particles .
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