JPS6137327B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

高炉、電気炉又はガラス溶融炉など、炉内に高
温溶融物を収容して反応を推進させる炉を一括し
て溶鉱炉と呼ぶことと定義し、該溶鉱炉の操業安
定化と炉寿命の延長を図ることについての開発成
果に関しこの明細書で述べるところは、高炉を代
表例としてその炉底耐火物の侵食状況およびその
耐火物侵食面上に消長する凝固層の分布状況や、
その消長の速度を正確かつ迅速に推定把握するこ
とにより、凝固層の層厚分布を制御し出銑出滓な
ど高炉操業の安定化を可能ならしめるようにした
新規な溶鉱炉の操業方法を提案するものである。 （背景技術） 近年の高生産性を追求した高炉の大型化や操業
条件の荷酷化は、炉底耐火物の損耗を速め高炉寿
命を短くしている。そのため低経済成長の状況下
における高炉操業では安定操業を行ない高炉寿命
を延長して銑鉄単価を切り下げることが重要な課
題となつている。 （問題点） この高炉の安定操業と寿命の延長のためには、
まず高炉操業中炉底耐火物の侵食状況を常時把握
し、侵食箇所の保護対策を迅速かつ的確に取るこ
とが不可欠である。 また、同時に該保護対策に由来し耐火物侵食面
上に生成、消滅を繰返す、溶銑、コークス、れん
が破片、その他の装入物の混合した凝固層の分布
状況を常時把握して、耐火物保護対策の定量化を
図るとともに凝固層厚や層厚分布の制御を行なう
ことも必須の重要課題である。 すなわち、上記の凝固層な耐火物の保護の面で
は炉底部耐火物の侵食面全域にわたつて厚く生長
している方が望しいが、厚すぎて出銑口レベル以
上に凝固層が生長したならば炉底が冷え込み状態
となり易く出銑滓作業の妨げとなる。それほど異
常でなくとも、凝固層が炉底中心部で局部的に大
きく生長したような場合、溶銑滓の流路が小さく
なつて通液抵抗が増加し一回の出銑滓作業で排出
できる溶銑滓の量は減少し、溶融物が炉床に残り
気味となるので炉内全体の通気性が悪化したり装
入物の荷下りが悪くなる。 このように安定した出銑滓作業と炉底耐火物の
有効な保護を両立させるためには、炉底部凝固層
の消長を制御できる技術を確立し、最適な凝固層
厚や分布を定量化して最適条件で高炉操業を行な
うことが必要となるわけである。 従つて炉底部耐火物の侵食状況は言うまでもな
く、その侵食面上に生成、消滅を繰返す凝固層の
オンラインによるモニタリングが前提となる。 ここに炉底部耐火物は高炉火入れ以後徐々に損
耗して行くので炉底各部位のセンサーの測温値は
長期間に徐々に上昇するが、短期間には高炉操業
条件の変化や耐火物保護対策の如何によつて耐火
物上に凝固層が生長し測温値は低下する。それ故
火入れ後各部位のセンサーが最高温度値を示す時
点での測温度を用い耐火物の侵食状況を推定し、
そしてセンサー測温度が低下した時点での測温度
を用い前時点で推定した耐火物侵食面上に生長し
た凝固層の分布状況を逐次推定して行くことが必
要となる。 炉底耐火物の侵食ラインが耐火物侵食面上に消
長する凝固層の層厚分布ライン、即ち、凝固層ラ
イン（以下、まとめて「侵食凝固層ライン」と言
う）を推定するために、高炉炉底部に熱電対を複
数配設し炉底部の伝熱計算を行なわなければなら
ないわけである。 （従来技術） 従来、炉底部の侵食凝固層ラインの推定には、
炉底各部の熱電対で検出された実測温度を用いて
単なる一次元伝熱計算か、またときに二次元伝熱
計算として有限要素法が採用されて来た。 炉底コーナ部の侵食凝固層ラインの推定は、一
次元の伝熱計算によつては元来不可能で、高炉炉
底を炉のたて軸を対称軸とする軸対称体（単に
「軸対称体」という）と簡略化しても二次元伝熱
計算が不可欠である。 この二次元伝熱計算には一般に有限要素法が用
いられて来たが、これは非常に時間を要する面倒
な作業である。 有限要素法や差分法など一般の領域法では軸対
称問題の場合、第１図に示す如く対称軸を１とし
て、斜線で示した例えばθ＝０の子午線断面２を
要素分割し、それぞれの要素で熱伝導方程式を満
足するように変数（温度）を決定する。 従つて、侵食ラインの推定にはまず、第２図に
示す如く温度実測位置での炉底の子午線断面２を
考え、適当に侵食凝固層ライン５を仮定し、第２
図の子午線断面２の領域を要素分割して各部の温
度を計算する。 一般に侵食凝固層ライン５は鉄−炭素系の共融
温度（約1150℃）の等温線に一致すると考えられ
ているので、侵食凝固層ライン５上での境界条件
にはこの温度1150℃を与え他の境界には炉底冷却
条件をそれぞれ与える。第２図はこれによつて得
られた計算結果の一例を示し、各等温線７を与え
ている。 次に炉底埋設温度計６の位置での計算値と実測
値とを比較する。それらの差がある温度範囲、例
えば10℃より大きいならば、侵食凝固層ライン５
を少し移動させ新しい計算領域２を再度分割して
上述の操作を繰り返す。 すべての炉底温度計６の位置で計算値と実測値
が、ある温度範囲内で一致するまでこれを繰り返
し、侵食凝固層ライン５を決定する。 この方法によれば炉底温度計６のある時点の実
測値から一つの侵食凝固層ライン５を推定するの
に（技術者１人）×（半日）×（１週間）という多大
な工程を要する。言うまでもなくこの計算には電
子計算機が必要で、また毎回の入力データも非常
に多く、かなり大型の計算機が不可欠である。 さらに侵食凝固層ライン５を実動的に移動さ
せ、内部要素の分割も自動化して入力することは
不可能でないにしてもそれを実行するアルゴリズ
ムは複雑となり、また毎回温度計６位置以外の内
部の不必要な温度計算も加わり大きな計算コスト
を要する。 このように従来の有限要素法などの領域法を用
いて炉底の侵食凝固層ライン５を推定するには多
大の時間を要したのでありそのため、炉底温度上
昇など異常時に際し、すばやく炉底侵食状況を推
定し、迅速かつ的確な炉底保護対策を取ることは
非常に困難な上、また、凝固層厚分布を常時把握
し、耐火物保護対策を時機に逸せず行ない、出銑
滓作業が安定するように層厚分布を最適に制御す
ると言つたことは不可能である。 まして、製鉄所には一般に複数の高炉が設置さ
れているので、それらの高炉のすべてについてそ
れぞれの炉底状況を常時把握し長期的な保護対策
を取り操業の安定化を図ると共に、異常時に即応
するといつた炉体管理は事実上不可能であつたの
である。 （発想の端緒） このような状況のもとで発明者は、最近盛んに
研究され始めて来た境界要素法なる数値計算法に
よつて軸対称問題が二次元問題から一次元問題に
変換されることに着目した。 すなわち、第３図に示す如く子午線断面２の境
界線４（例えば、θ＝０の子午線断面と軸対称領
域の境界面との交線）を要素分割し、各要素（す
なわち線分）９上で熱伝導方程式に対応する境界
積分方程式を満足させればよく、第４図に境界要
素法によつて得られた炉底の伝熱計算の一例と各
等温線７を示す。 第４図からわかるように境界要素法では境界線
４のみ（ただし、れんがの種類が異なる場合には
それらの境界線を含めて）を要素分割して計算す
れば、伝熱問題を解くことができ、内部の温度も
得られた境界上の変数値、すなわち温度と熱流束
の値を用いて求めることができる。 境界要素法ではこのように領域内部、即ち炉底
部れんが８の要素分割は不用となり、炉底れんが
８の侵食凝固層ライン５の推定の自動化が可能に
なる。 侵食凝固層ライン５の推定のプロセスは上述の
有限要素法の場合と同じであるが、境界要素法を
応用することにより、侵食凝固層ライン５の移動
ごとの内部の要素分割が不要となり、また内部温
度に計算も炉底埋設温度計６の位置のみで行なえ
ばよく不要な計算は一切なくなる。 この計算法を適用することによつて１〜２分の
計算時間で１ケースの解（真の侵食ライン：後述
する第６図の１１の位置；真の凝固層ライン：後
述する第７図の１４の位置）が得られるため、工
数や計算コストの削減は言うまでもなく、製鉄所
内の全高炉につき統一的な炉体管理により安定し
た出銑滓作業の実施、および炉底温度上昇など異
常時に対するアクシヨンの迅速化が可能となり高
炉操業の安定化や高炉寿命延長など多大の利益を
上げることができる。 （発明の目的） 以上のべたところを要約して、この発明の目的
は 境界要素法の活用によつて伝熱問題の次元を
ひとつ下げて、軸対称問題を一次元問題に帰着
させ、 かくして高炉炉底の侵食凝固層ラインの推定
にこれを利用して容易に自動化できることか
ら、炉体のオン・ライン管理による出銑滓作業
等高炉操業の安定化や炉寿命の延長を図ること
ができる、溶鉱炉の接業方法を確立するところ
にある。 （発明の構成） この発明は境界要素法を用い、溶鉱炉の炉底部
分の温度をもとに炉底を監視しつつ炉操業を行う
に際し、以下の手順を該炉の操業期間中逐次に採
り、炉底耐火物の侵食形状ならびに炉底耐火物上
に生成した炉内溶融物の凝固層形状を常時に監視
することからなる溶鉱炉の操業方法である。 (a) 炉底耐火物内及び／又は炉底耐火物の外表面
に配設した複数の測温センサーにより、炉底温
度を測定すること。 (b) (a)に従い、炉の操業推移を通した最高温度へ
の到達を検出すること。 (c) (b)の検出温度から境界要素法を用いて炉底に
つき、炉のたて軸を対称軸とする軸対称体とし
て伝熱解析を行い、炉底耐火物の侵食形状を予
測すること。 (d) ついで(b)に従う検出温度よりも炉底温度が低
い範囲での(a)による温度の測定を継続するこ
と。 (e) (d)で測定した温度と、(c)で予測した炉底耐火
物の侵食形状とをもとに境界要素法を用いて炉
底につき、炉のたて軸を対称軸とする軸対称体
として伝熱解析を行い、侵食された炉底耐火物
上に生成した炉内溶融物の凝固層形状を予測す
ること。 (f) その後(b)に従い新たな最高温度が検出された
ならば、再び(c)と同様にして新たに炉底耐火物
の侵食形状を予測し、引続いて(d)及び(e)を繰返
すこと。 (g) (e)の凝固層形状をもとに、その厚み及び分布
を、炉底冷却条件下を含む炉操業条件の選択に
よつて制御し、前記(c)で予測した炉底耐火物の
侵食成長を阻止すること。 さて以下に、境界要素法の計算原理とこれを応
用し、高炉炉底部耐火物の侵食状況および耐火物
侵食面上に正長消滅する凝固層の分布状況をオン
ラインで推定し、複数高炉の炉体管理および操業
の安定化を図る手順について具体的に述べる。 ちなみに境界要素法については、他に境界積分
法、境界積分方程式、特異点解法、グリーン関数
法、周辺積分有限要素法など種々の名前がつけら
れているが、計算原理、すなわち、場合支配微分
方程式を境界上の積分方程式に帰着させ、これを
有限要素法なる数値解法と類似の方法により離散
化、要素分割して値を求めるということにおいて
すべて同一のものであり、ここで言う境界要素法
とはそれらをすべて含むものである。 （計算原理） 境界要素法による軸対称ポテンシヤル問題（定
常伝熱問題）の定式化、離散化および解法につい
て述べる。 (1) 安定化 第５図に示すような軸対称領域Ωを考え、そ
の境界面をΓ（＝Γ_１＋Γ_２＋Γ_３）とする
と、ポテンシヤル問題の支配方程式と境界条件
は次のように表わされる。

【表】 〓 〓 〓〓
〓〓
σ σ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 境界要素法を用い溶鉱炉の炉底部分の温度を
   もとに炉底を監視しつつ炉操業を行うに際し、以
   下の手順を該炉の操業期間中逐次に採り、炉底耐
   火物の侵食形状ならびに炉底耐火物上に生成した
   炉内溶融物の凝固層形状を常時に監視することを
   特徴とする溶鉱炉の操業方法。 (a) 炉底耐火物内及び／又は炉底耐火物の外表面
   に配設した複数の測温センサーにより、炉底温
   度を測定すること。 (b) (a)に従い、炉の操業推移を通した最高温度へ
   の到達を検出すること。 (c) (b)の検出温度から境界要素法を用いて炉底に
   つき、炉のたて軸を対称軸とする軸対称体とし
   て伝熱解析を行い、炉底耐火物の侵食形状を予
   測すること。 (d) ついで(b)に従う検出温度よりも炉底温度が低
   い範囲での(a)による温度の測定を継続するこ
   と。 (e) (d)で測定した温度と、(c)で予測した炉底耐火
   物の侵食形状とをもとに境界要素法を用て炉底
   につき、炉のたて軸を対称軸とする軸対称体と
   して伝熱解析を行い、侵食された炉底耐火物上
   に生成した炉内溶融物の凝固層形状を予測する
   こと。 (f) その後(b)に従い新たな最高温度が検出された
   ならば、再び(c)と同様にして新たに炉底耐火物
   の侵食形状を予測し、引続いて(d)及び(e)を繰返
   すこと。 (g) (e)の凝固層形状をもとに、その厚み及び分布
   を、炉底冷却条件を含む炉操業条件の選択によ
   つて制御し、前記(c)で予測した炉底耐火物の侵
   食成長を阻止すること。