JPH11323412A

JPH11323412A - 高炉炉熱低下検知方法

Info

Publication number: JPH11323412A
Application number: JP13643398A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ujisawa; 優宇治澤; Takaiku Yamamoto; 高郁山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高炉の安定操業を維持管理するために必要な高
炉内反応の異常による炉熱低下を検知する方法を提供す
る。【解決手段】高炉内で生じる主要な反応（鉱石の間接還
元反応、鉱石の水素還元反応、および鉱石の直接還元反
応）の反応速度を考慮した高炉数学モデルに刻々の操業
データを入力して計算される炉内反応量が、さらに実績
の炉頂ガス情報（炉頂ガス組成）を読み込んで算出され
る実績の炉内反応量に一致するように、高炉数学モデル
の炉内反応速度を修正しつつ刻々の操業データを用いて
計算した溶銑温度と、刻々の装入物条件、送風条件およ
び炉体伝熱条件を高炉数学モデルに入力して求められる
理論反応速度から計算された溶銑温度とを比較し、両者
の間に差異が認められた場合、炉熱低下が発生したと判
断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高炉操業の安定維
持管理、特に炉熱管理の精度向上に資するための炉熱低
下検知方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の高炉操業は、ＰＣＩ（微粉炭吹き
込み）を含む原燃料コスト合理化を追及すべく厳しい条
件下で行われている。このような状況下においては、と
りわけ日々の操業の安定維持管理、特に炉熱の維持管理
が重要となる。

【０００３】従来、高炉における炉熱の予測は、一般
に、高炉操業者が過去に習得した経験や高炉に設置され
た種々のセンサーからの情報を基に、コンピューターシ
ステムを介した統計解析手法、あるいは化学工学的手法
に基づく簡略モデルを用いて行われてきた。例えば、特
公平６−３５６０５号公報には、高炉操業中に求めたソ
リューションロスカーボン量および炉頂ガス成分中の窒
素量の移動平均値を複数設けられた閾値と比較する統計
学的総合評価に従い高炉炉熱低下を予測する方法が開示
されている。

【０００４】しかし、これら従来の方法では、高炉操業
者の能力や経験等による個人差があり、また過去におけ
る操業に関する膨大なデータの蓄積等が必要である。さ
らに、高炉は、時の経過と共に変化するため、統計解析
の解析条件、ならびに簡略モデルの計算条件等も必要に
応じて改良していく必要がある。

【０００５】また、高炉内の反応および炉熱の動向は、
羽口への送風条件や原料の装入条件等の操作量の変化
や、原料性状の変化、荷下がり状況などの外乱因子等に
よって、時々刻々、非定常的に変化するものであり、上
記の方法、すなわち操業者の経験や各種センサーからの
情報に基づく統計解析手法等によるのでは、高炉内にお
ける反応の異常および炉熱状況を検知し、時間的変化を
予測して、これに対処するための操業アクションを時々
刻々実行することは、極めて困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような状
況に鑑みなされたもので、高炉の安定操業を維持管理す
るために必要な高炉内反応（以下、単に「炉内反応」と
もいう）の異常による炉熱低下を検知する方法を提供す
ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
高炉内反応異常検知方法にある。

【０００８】高炉内の流動、伝熱に加え、炉内で生じる
主要な反応の速度を考慮した、炉内の気体、固体および
液体の移動現象を追跡できる高炉数学モデルに刻々の操
業データを入力して計算される炉内反応量が、炉頂ガス
組成、装入物条件、送風条件および炉体伝熱条件を用い
て算出される実績の炉内反応量に一致するように、高炉
数学モデルの炉内反応速度を修正しつつ刻々の操業デー
タを用いて計算した溶銑温度と、刻々の装入物条件、送
風条件および炉体伝熱条件を高炉数学モデルに入力して
求められる理論反応速度から計算された溶銑温度とを比
較し、両者の間に差異が認められた場合、炉熱低下が発
生したと判断することを特徴とする高炉炉熱低下検知方
法。

【０００９】前記の「炉内で生じる主要な反応」とは、
後に具体的に反応式で示すが、鉱石の間接還元反応、水
素還元反応および直接還元反応をいう。

【００１０】「刻々の操業データ」とは、前記の高炉内
で生じる反応の反応量を計算するために必要なデータ
で、これについても後述する。

【００１１】また、ここでいう「理論反応速度」とは、
モデルで取り扱う反応、つまり、炉内で生じる主要な反
応の速度であって、特に、刻々の装入物条件、送風条件
および炉体伝熱条件をモデルに入力して求められる反応
速度をいう。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の高炉炉熱低下検
知方法（以下、「本発明方法」ともいう）について具体
的に説明する。

【００１３】図１は本発明方法に使用するモデル（炉内
反応を考慮した高炉数学モデルで、以下、単に「高炉数
学モデル」という）の構成を模式的に示す図である。

【００１４】図示したように、羽口から吹き込まれた熱
風はコークスと反応してその温度が上昇し、コークス層
を通って炉頂へ到る間に、コークスをガス化する（図中
の「コークスガス化」参照）。ガス化により発生するＣ
ＯとＨ₂ によって鉱石はＦｅ₂ Ｏ₃ の状態からＦｅ₃ Ｏ
₄ 、ＦｅＯないしＦｅの状態に還元される（図中の「間
接還元」参照）。還元された鉱石は半溶融状態になり、
逆Ｖ字状に堆積しているコークス層の表面に融着帯を形
成するが、高温の環境下にあってさらに還元が進み（図
中の「直接還元」参照）、鉱石は溶銑となって（図中の
「浸炭反応」参照）、炉底に滴下し、湯溜まり部を形成
する。

【００１５】この高炉数学モデルは、炉底の溶銑の湯留
まり部を除く有効反応部で生じる高炉内現象を取り扱
う。具体的には、高炉内の流動、伝熱に加え、前記の図
１に示した高炉内で生じる主要な反応（以下、単に「炉
内反応」ともいう）を考慮し、これを速度論的に取り扱
う。すなわち、刻々の操業データを用いてこれら個々の
反応の刻々の反応速度を求め、これらの反応の反応量
（炉内反応量）を計算する。ここで、高炉内の流動と
は、気体、固体および液体の流れを意味し、伝熱とは、
主に異相間（気体と固体間、気体と液体間、および固体
と液体間）の対流伝熱（すなわち、熱交換）、および前
記の炉内反応に伴う反応熱の伝搬をいう。なお、これら
高炉内の流動、伝熱、および炉内反応を考慮した物質移
動は、一般に、微分方程式で表される。

【００１６】図２は本発明方法で使用する高炉数学モデ
ルの基本解析フローである。このモデルに、前記の刻々
の操業データとして、炉頂での装入物条件、羽口への送
風条件、および炉体壁での伝熱条件を与える。炉頂での
装入物条件とは、Ｏ／Ｃ比（装入原料における「鉱石／
コークス」重量比）、鉱石およびコークスの組成、なら
びに、鉱石およびコークスの粒径であり、羽口への送風
条件とは、送風量、送風温度、湿分、酸素富化量、なら
びに、補助燃料（微粉炭、タール等）量とその成分であ
り、また、炉体壁での伝熱条件とは、耐火物の厚みおよ
び物性（密度、比熱、熱伝導率）、ならびにステーブ等
を含めた炉体壁の強制冷却能力である。

【００１７】これら刻々の操業データを与えると、モデ
ルに基づいて高炉内の流動、伝熱、および炉内反応を考
慮した物質移動に関する微分方程式の非定常計算が行わ
れ、高炉内の各相（気体、固体および液体）の炉内にお
ける状態分布（すなわち、炉内の温度分布、鉱石の還元
分布等）、炉頂ガス情報（すなわち、排ガス組成、排ガ
ス温度）、出銑量、出銑（溶銑）温度および溶銑成分
（すなわち、出銑情報）、炉体壁内の温度分布等が予測
値として非定常に（つまり、刻々に）出力される。換言
すると、この高炉数学モデルは実炉操業と基本的に同じ
動作を行う完全自立型のシミュレータとして構成されて
いる。

【００１８】なお、湯留まり部は、コークスが充満し、
その間隙に溶銑が一定量滞留する湯留まり内部とそれを
囲む側壁および炉底の耐火物から構成されるとし、出銑
温度は、有効反応部からの出銑量および出銑温度を境界
条件として、湯留まり内部を均一混合槽で、熱放散のみ
が生起するとして算出される。

【００１９】この高炉数学モデルを用いて行う炉熱低下
の検知方法を、図３に示した解析ロジックに基づいて説
明する。

【００２０】まず、「炉熱の純粋予測のループ」では、
前記の図２で説明したように、実績の操業条件、すなわ
ち装入物条件、送風条件および炉体伝熱条件が刻々の操
業データとして読み込まれ、図１に示した主要な個々の
反応についての刻々の反応速度から炉内反応量（後述す
る「計算反応量」）の計算が行われ、それに基づいて炉
内状態、すなわち、炉内温度分布、溶銑温度等の計算が
行われる。

【００２１】この計算で得られる溶銑温度が、前記の課
題を解決するための手段の欄で述べた「刻々の装入物条
件、送風条件および炉体伝熱条件を高炉数学モデルに入
力して求められる理論反応速度から計算された溶銑温
度」である。これによって、高炉内が正常に機能してい
る時の操業操作のもたらす標準的な帰結としての溶銑温
度が、刻々求められる。なお、炉体伝熱条件のうち、刻
々の操業データとして読み込まれるのは、強制冷却によ
る炉体熱放散量である。

【００２２】一方、図３の「炉熱の現状推定のループ」
では、モデルの基本機能としてモデルに取り込まれてな
い未解明の異常現象（荷下がり異常、ガス流れ異常等）
も含んだ実績の炉内状態変化をモデルに反映させるため
に、実績の炉頂ガス情報（炉頂ガス組成）が新たにモデ
ルの入力データとして取り込まれ、実績の炉内反応量
（以下、単に「実績反応量」という）が算出される。そ
して、この実績反応量と、前述したように、モデルで主
要な個々の反応についての刻々の反応速度から求めた、
いわば速度論的に計算された炉内反応量（これを、「計
算反応量」という）との比較がなされ、両者が一致する
ように、高炉数学モデルの炉内反応速度（すなわち、
「理論反応速度」）が時々刻々適応修正され、図示する
ように、前記の炉内反応量の計算にフィードバックされ
る。

【００２３】ここで、上記の時々刻々適応修正される反
応は、下記の（１）式〜（３）式に示す鉱石の間接還元
反応、（４）式〜（６）式に示す鉱石の水素還元反応、
および（７）式〜（９）式に示す鉱石の直接還元反応で
ある。なお、これら鉱石の間接還元反応、水素還元反
応、および直接還元反応のトータルとしての反応量（ト
ータル量）を（１０）式〜（１２）式に示した。

【００２４】（鉱石の間接還元反応） Rh ：３Ｆｅ₂ Ｏ₃ ＋ＣＯ→２Ｆｅ₃ Ｏ₄ ＋ＣＯ₂ ・・・（１） Rm ：Ｆｅ₃ Ｏ₄ ＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ₂ ・・・（２） Rw ：ＦｅＯ＋ＣＯ→ Ｆｅ＋ＣＯ₂ ・・・（３）（鉱石の水素還元反応） Rh′：３Ｆｅ₂ Ｏ₃ ＋Ｈ₂ →２Ｆｅ₃ Ｏ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ・・・（４） Rm′：Ｆｅ₃ Ｏ₄ ＋Ｈ₂ →３ＦｅＯ＋Ｈ₂ Ｏ・・・（５） Rw′：ＦｅＯ＋Ｈ₂ → Ｆｅ＋Ｈ₂ Ｏ・・・（６）（鉱石の直接還元反応） Rsr ：ＦｅＯ（liquid）＋Ｃ→Ｆｅ（liquid）＋ＣＯ・・（７）（ソリューションロス反応） Rsl ：ＣＯ₂ ＋Ｃ→２ＣＯ・・・（８） Rsl ′：Ｈ₂ Ｏ＋Ｃ→ ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・（９）（間接還元反応のトータル量）ＲI ＝Rh＋Rm＋Rw−Rsl ・・・（１０）（水素還元反応のトータル量）ＲH ＝Rh′＋Rm′＋Rw′−Rsl ′ ・・・（１１）（直接還元反応のトータル量）ＲD ＝Rsr ＋Rsl ＋Rsl ′ ・・・（１２）また、前記の計算反応量と実績反応量とを一致させるよ
うに行う反応速度の修正は、上記の（１０）式〜（１
２）式に示した鉱石の間接還元反応のトータル量ＲI 、
鉱石の水素還元反応のトータル量ＲH および鉱石の直接
還元反応のトータル量ＲD が、実績の炉頂ガス情報（炉
頂ガス組成）と装入物条件および送風条件から算出され
る実績の鉱石の間接還元反応量ＲI 、鉱石の水素還元反
応量ＲH および鉱石の直接還元反応量ＲD にそれぞれ一
致するように理論反応速度（すなわち、前記（１）〜
（９）の各反応の反応速度）を修正しつつ収束計算を実
施することにより行う。なお、反応速度の修正は、反応
速度定数を修正することにより行う。

【００２５】上記の適応修正されたその都度の反応速度
を使用して、炉内状態、すなわち炉内温度分布、鉱石お
よびコークスの存在量分布、溶銑温度等が計算される。

【００２６】この計算で得られる溶銑温度が、前記の課
題を解決するための手段の欄で述べた「高炉数学モデル
に刻々の操業データを入力して計算される炉内反応量
が、炉頂ガス組成、装入物条件、送風条件および炉体伝
熱条件を用いて算出される実績の炉内反応量に一致する
ように、高炉数学モデルの炉内反応速度（理論反応速
度）を修正しつつ刻々の操業データを用いて計算した溶
銑温度」である。

【００２７】このように、「炉熱の現状推定のループ」
では、炉熱状況の代表値としての溶銑温度の現状値、す
なわち、炉内の異常現象（荷下がり異常、ガス流れ異常
等）の影響を含んだ現状値が、刻々求められる。なお、
前述したように、「炉熱の純粋予測のループ」で求めら
れた溶銑温度は、異常現象の影響を含まない高炉内が正
常に機能している時の溶銑温度である。

【００２８】そして、前述した「炉熱の純粋予測のルー
プ」で求められた溶銑温度と上記の「炉熱の現状推定の
ループ」で求められた溶銑温度の比較がなされる。すな
わち、高炉数学モデルの炉内反応速度（理論反応速度）
から計算された、高炉内が正常に機能している時の溶銑
温度と、実績反応量と計算反応量とが一致するように行
う修正が時々刻々なされている理論反応速度（つまり、
修正理論反応速度）から計算された、荷下がり異常、ガ
ス流れ異常等の影響も含んだ溶銑温度の比較がなされ、
両者の間に差異が認められ、現状推定値の方が低くなっ
た場合、炉内で生じた異常現象の影響により炉熱低下が
発生したと判断するのである。

【００２９】「差異が認められた場合」の差異の基準と
しては、例えば、経験に基づいてあらかじめ定めた許容
できる差異を用いればよい。また、異常による炉熱低下
が発生したときは、警報等の警告を発するような構成と
しておいてもよい。

【００３０】なお、本発明方法を実施するにあたって
は、高炉内の流動、伝熱、およびモデルで取り扱う反応
に関する微分方程式の非定常計算を時々刻々行う必要が
あるが、現在のコンピュータの演算スピードをもってす
れば、充分可能である。また、本発明方法は完全自立型
の数学モデルをベースとしているため、汎用性が高く、
他高炉への適用も容易に行える。

【００３１】上記本発明方法によれば、操業者が自ら行
う操業操作以外で起こる炉内の異常現象による炉熱低下
を、刻々、自動的に検知することができる。その結果、
早期の対策を講じることが可能となり、本発明方法を実
炉の炉況管理システムに組み込めば、炉熱の安定に大き
く寄与することができる。

【００３２】

【実施例】実炉（炉内容積：５０００ｍ³ ）に対して本
発明方法を適用し、その有効性を調査した。

【００３３】結果の一例を図４に示す。同図において、
溶銑温度の欄の「純粋予測」（細実線で表示）が、刻々
の操業操作を入力し、理論反応速度を用いて求められた
溶銑温度の純粋予測計算値であり、「現状推定」（太実
線で表示）が、操業操作を入力して計算される炉内反応
量が炉頂ガス組成を用いて計算される実績反応量に一致
するようにモデルの炉内反応速度を修正し、この修正し
た反応速度を用いて刻々の操業データを入力し求められ
た溶銑温度の現状推定値である。また、○印は測定によ
り求められた溶銑温度の実績値である。

【００３４】この図に示されるように、溶銑温度の純粋
予測計算値と現状推定値の差異が明らかに大きい場合
（図中に斜線を施して表示）、実績値の溶銑温度の低下
が認められた。また、この時、投入した原料の層高が急
激に下がる荷下がり異常（通常、「スリップ」と称され
る）が発生しており、炉内における異常現象の発生とも
よく対応している。

【００３５】なお、直接還元率の純粋予測計算値と現状
推定値も図中に示したが、溶銑温度の場合と同様に、両
者の差異が明らかな場合（図中に斜線を施して表示）
と、溶銑温度（実績値）の低下および異常現象の発生と
はよく対応している。

【００３６】上記の結果から、本発明の炉内反応速度を
考慮した高炉数学モデルによる炉熱低下の検知が可能で
あることが確認された。

【００３７】

【発明の効果】本発明方法によれば、高炉において、刻
々非定常的に変化する炉熱の低下動向を検知することが
可能であり、この方法を実炉の炉熱管理システムに組み
込めば、炉熱管理の精度向上に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に使用する高炉数学モデルの構成図
である。

【図２】本発明方法に使用する高炉数学モデルの基本解
析フローである。

【図３】高炉数学モデルによる炉熱低下検知の解析ロジ
ックである。

【図４】本発明方法を実炉に適用した結果の一例を示す
図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高炉内の流動、伝熱に加え、炉内で生じる
主要な反応の速度を考慮した、炉内の気体、固体および
液体の移動現象を追跡できる高炉数学モデルに刻々の操
業データを入力して計算される炉内反応量が、炉頂ガス
組成、装入物条件、送風条件および炉体伝熱条件を用い
て算出される実績の炉内反応量に一致するように、高炉
数学モデルの炉内反応速度を修正しつつ刻々の操業デー
タを用いて計算した溶銑温度と、刻々の装入物条件、送
風条件および炉体伝熱条件を高炉数学モデルに入力して
求められる理論反応速度から計算された溶銑温度とを比
較し、両者の間に差異が認められた場合、炉熱低下が発
生したと判断することを特徴とする高炉炉熱低下検知方
法。