TW202212576A - 作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置 - Google Patents

作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置 Download PDF

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Abstract

一種作業指導方法，係包含第一預測步驟及顯示步驟，第一預測步驟，係使用可計算高爐內的狀態之物理模型，來預測現在的作業狀態在未來仍保持的情況之前述高爐內的狀態；顯示步驟，係將在預測高爐內的狀態時之風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及爐內全體的源自氧化鐵之氧收支顯示於輸出裝置。

Description

作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置
本發明係關於作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置。
在製鐵業的高爐程序中，鐵水溫度及鐵水的生產速度(以下稱為「煉鐵速度」)乃是重要的管理指標。若鐵水溫度變高，不僅會消耗剩餘的還原材，還會因爐內氣體的膨脹而使原料下降變得不穩定。又若鐵水溫度極端降低，熔渣的排渣性會變差，而使高爐的生產性顯著降低。操作者為了控制鐵水溫度，主要是操作鼓風濕分、粉煤比。另一方面，在高爐，是要求按照後工序所指定的目標煉鐵速度來進行作業。為了控制該煉鐵速度，是將鼓風流量、富氧流量進行調整。
又高爐程序，因為是在填充有固體的狀態下進行作業，程序全體的熱容量大，而有對於操作(操作動作)的響應之時間常數較長的特徴。再者，自高爐的上部(爐頂部)裝入的原料，直到下降到高爐的下部(爐下部)為止存在數小時的無用時間(dead time)。因此，為了適切地進行高爐作業，必須根據未來高爐的狀態來決定操作動作。
基於這樣的背景，在專利文獻1提出一種使用物理模型來預測未來之高爐的控制方法。專利文獻1所載之高爐的控制方法，是以符合現在爐頂氣體之組成的方式調整物理模型所包含之氣體還原速度參數，使用參數調整後的物理模型來預測爐熱。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平11-335710號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，專利文獻1所利用的物理模型，是根據偏微分方程式等之複雜的數學式來進行鐵水溫度、煉鐵速度的預測，從參與作業之操作者的觀點來看，難以理解其算出根據，而成為信頼並使用控制系統上的阻礙。
又起因於原料粉化、未燃粉煤的發生所導致之透氣性惡化而造成爐內氣體的竄流(channeling)等，現狀的物理模型仍存在難以預測的現象，因此目前要想達成高爐作業之完全自動化是困難的。因此，用於提高操作者的技能之人機協同技術也應是必要的，但根據上述般的物理模型之控制系統並無法充分對應於如此般待解決的問題。
本發明是有鑑於上述問題而開發完成的，其目的是為了提供一種作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法以及作業指導裝置，能讓操作者考慮爐內狀態而導出適切的操作動作。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題而達成目的，本發明的作業指導方法，係包含第一預測步驟及顯示步驟，前述第一預測步驟，係使用可計算高爐內的狀態之物理模型，來預測現在的作業狀態在未來仍保持的情況之前述高爐內的狀態；前述顯示步驟，係將在預測前述高爐內的狀態時之風徑(raceay)區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及爐內全體的源自氧化鐵之氧收支顯示於輸出裝置。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中，前述顯示步驟，關於前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支，係將現在的狀態及現在的作業狀態在未來仍保持的情況的狀態可比較地並列顯示。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中進一步包含第二預測步驟，前述第二預測步驟，係使用前述物理模型來預測在由操作者輸入之任意假想的作業條件下進行作業的情況之未來高爐內的狀態；前述顯示步驟，關於前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支，係將現在的狀態及在前述假想的作業條件下進行作業的情況的狀態在圖表(graph)上可比較地並列顯示。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中，前述第二預測步驟，係讓可將表示前述作業條件的複數個操作變數指定成任意值之輸入介面顯示於前述輸出裝置，根據藉由前述輸入介面所指定之操作變數來預測未來高爐內的狀態。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中，前述風徑區域的氧收支，係代表被吹入風徑區域之氧的供給速度和在風徑區域燃燒之碳的消耗速度之關係，前述爐內全體的碳收支，係代表從爐頂供給之源自焦炭的碳的供給速度和在爐內燃燒之碳的消耗速度之關係，前述源自氧化鐵的氧收支，係代表從爐頂供給之源自氧化鐵之鐵的投入速度、從爐頂供給之源自氧化鐵之氧的投入速度、基於從爐頂供給之氧化鐵的氣體的還原反應速度三者之關係，前述顯示步驟，在前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支當中，係將前述源自氧化鐵的鐵的投入速度以外沿著前述圖表上的第一軸方向並列顯示，並將前述源自氧化鐵的鐵的投入速度在與前述第一軸方向正交之第二軸方向顯示。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中，前述顯示步驟，係將在前述第一預測步驟及前述第二預測步驟的至少一方所預測之作業狀態之煉鐵速度、包含焦炭比及粉煤流量比之作業指標在預測前後的變化可比較地顯示。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中，前述顯示步驟，除了前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支以外，還將代表爐內輸入熱量和在爐內消耗的熱之關係之爐內的熱收支顯示於前述輸出裝置。
又本發明的作業指導方法，係在上述發明中，前述顯示步驟係將各收支換算成每單位重量的鐵水而顯示。
為了解決上述問題而達成目的，本發明的高爐之作業方法，係包含：遵循基於上述作業指導方法的指導來控制高爐的步驟。
為了解決上述問題而達成目的，本發明的鐵水之製造方法，係包含：遵循基於上述作業指導方法的指導來控制高爐而製造鐵水之步驟。
為了解決上述問題而達成目的，本發明的作業指導裝置，係具備預測機構及顯示機構，前述預測機構，係使用可計算高爐內的狀態之物理模型，來預測現在的作業狀態在未來仍保持的情況之前述高爐內的狀態；前述顯示機構，係顯示在預測前述高爐內的狀態時之風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及爐內全體之源自氧化鐵的氧收支。 [發明之效果]
依據本發明的作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置，係顯示在預測高爐內的狀態時之風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及爐內全體之源自氧化鐵的氧收支。如此，能讓操作者導出適切的操作動作。因此，可實現高爐之高效率且穩定的作業。
針對本發明的實施形態之作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法以及作業指導裝置，參照圖式做說明。
[作業指導裝置的構成] 首先，針對本發明的實施形態之作業指導裝置的構成，參照圖1做說明。作業指導裝置100係具備：資訊處理裝置101、輸入裝置102、輸出裝置103。
資訊處理裝置101是由個人電腦或工作站等的通用裝置所構成，且具備有RAM111、ROM112及CPU113。RAM111係暫時儲存與CPU113所執行的處理有關之處理程式、處理資料，而發揮作為CPU113的工作區之功能。
ROM112係儲存：執行本發明的實施形態之作業指導方法的控制程式112a、控制資訊處理裝置101全體的動作之處理程式、處理資料。
CPU113係按照在ROM112內所儲存的控制程式112a及處理程式來控制資訊處理裝置101全體的動作。該CPU113，係在後述的作業指導方法中，發揮作為進行第一預測步驟的第一預測機構、進行第二預測步驟的第二預測機構及進行顯示步驟的顯示機構之功能。
輸入裝置102是由鍵盤、滑鼠、數字鍵盤等的裝置所構成，是在對資訊處理裝置101輸入各種資訊時被操作。輸出裝置103係由顯示裝置、印刷裝置等所構成，用於輸出資訊處理裝置101的各種處理資訊。輸出裝置103係在後述的作業指導方法中，顯示風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支、爐內全體之源自氧化鐵的氧收支、爐內的熱收支等。又「風徑區域」是指，藉由從風口吹入之熱風中的氧而使爐內的焦炭燃燒之2000℃左右的區域。
[物理模型的構成] 接下來說明，在本發明的實施形態之作業指導方法所使用之物理模型。本發明所使用的物理模型，與參考文獻1(羽田野道春等著“基於高爐非穩態模型之開爐作業的探討”，鐵與鋼，vol.68，p.2369)所載的方法同樣的，是由將鐵礦石的還原、鐵礦石和焦炭間的熱交換、及鐵礦石的熔解等之複數個物理現象納入考慮之偏微分方程式群所構成。又本發明所使用的物理模型，是可計算代表不穩定狀態下之高爐內的狀態之變數(輸出變數)的物理模型(以下稱為「非穩態模型」)。
如圖2所示般，在對該非穩態模型賦予的邊界條件當中，隨時間而改變之主要者(輸入變數，高爐的操作變數(也稱為作業因子))如下。 (1)爐頂的焦炭比(CR)[kg/t]：每1噸鐵水之焦炭的投入量 (2)鼓風流量(BV)[Nm 3/min]：朝高爐鼓風之空氣的流量 (3)富氧流量(BVO)[Nm 3/min]：朝高爐吹入之富氧的流量 (4)鼓風溫度(BT)[℃]：朝高爐鼓風之空氣及富氧的溫度 (5)粉煤流量(粉煤吹入量，PCI)[kg/min]：對每1噸鐵水生成量所使用之粉煤的重量 (6)鼓風濕分(BM)[g/Nm 3]：朝高爐鼓風之空氣的濕度
又藉由非穩態模型所形成之主要的輸出變數如下。 (1)爐內之氣體利用率(ηCO)：CO 2/(CO+CO 2) (2)焦炭、鐵的溫度 (3)鐵礦石的氧化度 (4)原料的下降速度 (5)溶損反應碳量(溶損碳量) (6)鐵水溫度 (7)煉鐵速度(鐵水生成速度) (8)爐體熱損失量：藉由冷卻水將爐體冷卻時，冷卻水所帶走的熱量
在本發明，計算輸出變數時的時間步長(時間間隔)設定成30分。時間步長可按照目的而改變，並不限定為本實施形態的數值。
上述非穩態模型，例如可如下式(1)、(2)般表示。藉由使用該非穩態模型，能夠計算包含時時刻刻改變的鐵水溫度及煉鐵速度之輸出變數。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
在此，在上述式(1)、(2)中，x(t)代表在非穩態模型內計算之狀態變數(焦炭、鐵的溫度，鐵礦石的氧化度，原料的下降速度等)，y(t)代表作為控制變數之鐵水溫度(Hot Metal Temperature:HMT)、煉鐵速度等。又C代表用於從在非穩態模型內計算之狀態變數中提取控制變數之矩陣或函數。
又上述式(1)中的u(t)代表非穩態模型的輸入變數，亦即鼓風流量、富氧流量、粉煤流量、鼓風濕分、鼓風溫度及焦炭比。該u(t)可用「u(t)=(BV(t)，BVO(t)，PCI(t)，BM(t)，BT(t)，CR(t))」表示。
[作業指導方法] 接下來說明本實施形態的作業指導方法。本實施形態的作業指導方法係進行第一預測步驟、第二預測步驟、收支算出步驟、顯示步驟。第一預測步驟及第二預測步驟哪個先實施皆可。又第一預測步驟及第二預測步驟不一定要雙方都實施，僅實施其中一方亦可。
(第一預測步驟) 在第一預測步驟，係使用前述非穩態模型，預測現在的作業狀態在未來仍保持的情況之在未來的任意時刻之高爐內的狀態。作為在本步驟所預測之高爐內的狀態，例如可列舉：鐵水溫度、煉鐵速度、高爐的透氣度、代表爐頂的壓力和風口的壓力之差的壓力損失等。在本實施形態是說明，在本步驟預測鐵水溫度及煉鐵速度的情況。又關於第一預測步驟的具體例，隨後敘述。
(第二預測步驟) 在第二預測步驟，係使用前述非穩態模型，預測在由操作者輸入之任意假想的作業條件下進行作業的情況之未來高爐內的狀態。在本步驟，例如讓將表示作業條件之複數個操作變數指定成任意的值之輸入介面(參照圖15)顯示於輸出裝置103，根據操作者所指定的操作變數的值來預測在未來任意的時刻之高爐內的狀態。在本實施形態是說明，在本步驟預測鐵水溫度及煉鐵速度的情況。又關於第二預測步驟的具體例，隨後敘述。
(收支算出步驟) 在收支算出步驟，係算出爐內的物質收支及熱收支。作為爐內的物質收支可列舉：風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支及爐內全體的源自氧化鐵的氧收支。
風徑區域的氧收支，係代表被吹入風徑區域之氧的供給速度和在風徑區域燃燒之碳的消耗速度之關係(參照後述圖3)。又爐內全體的碳收支，係代表從爐頂供給之源自焦炭的碳的供給速度和在爐內燃燒之碳的消耗速度之關係(參照後述圖4)。
又源自氧化鐵的氧收支，係代表從爐頂供給之源自氧化鐵的鐵的投入速度、從爐頂供給之源自氧化鐵的氧的投入速度、基於從爐頂供給之氧化鐵的氣體之還原反應速度三者之關係(參照後述圖5)。又爐內的熱收支，係代表爐內輸入熱量和在爐內消耗的熱之關係(參照後述圖7)。
在本步驟，具體而言係算出：現在的物質收支及熱收支、在第一預測步驟預測高爐內的狀態時之未來任意時刻的物質收支及熱收支、在第二預測步驟預測高爐內的狀態時之未來任意時刻的物質收支及熱收支。又關於在收支算出步驟算出之各收支的詳細，隨後敘述(參照後述圖3~圖9、圖11~圖14、圖15~圖19)。
(顯示步驟) 在顯示步驟，讓在收支算出步驟所算出之各收支顯示於輸出裝置103，而對操作者進行提示。在本步驟係在輸出裝置103顯示：現在的物質收支及熱收支、在第一預測步驟預測高爐內的狀態時之未來任意時刻的物質收支及熱收支、在第二預測步驟預測高爐內的狀態時之未來任意時刻的物質收支及熱收支。又關於在顯示步驟顯示之所算出的各收支之詳細，隨後敘述(參照後述圖11~圖14、圖16~圖19)。
在實施前述第一預測步驟的情況，在本步驟，關於在風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支、爐內全體之源自氧化鐵的氧收支，是如以下般進行顯示。亦即，在本步驟，關於這些收支，是將現在的狀態及現在的作業狀態在未來仍保持的情況之狀態在一圖表上沿著同一軸方向可比較地並列顯示(參照圖11及圖13)。藉此，對於操作者，可將現在的作業狀態在未來仍保持的情況之爐內的物質收支進行視覺提示，因此易於讓操作者導出適切的操作動作。
又除了前述第一預測步驟以外還進行第二預測步驟的情況，在本步驟，關於風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支、爐內全體之源自氧化鐵的氧收支，是如以下般進行顯示。亦即，在本步驟，關於這些收支，是將現在的狀態、現在的作業狀態在未來仍保持的情況之狀態或在假想的作業條件下進行作業的情況之狀態，在圖表上沿著同一軸方向可比較地並列顯示(參照圖16及圖18)。藉此，對於操作者，可將在假想的作業條件下進行作業的情況之爐內的物質收支進行視覺提示，因此易於讓操作者導出適切的操作動作。
又在本步驟，在風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支、及爐內全體之源自氧化鐵的氧收支當中，將除了源自氧化鐵之鐵的投入速度以外沿著圖表上之第一軸方向並列顯示。而且，將源自氧化鐵之鐵的投入速度在與第一軸方向正交之第二軸方向顯示(參照圖11、圖13、圖16及圖18)。亦即，在各收支的值當中有互相成比例的值的情況，不是同軸而是配置在其他軸進行提示。藉此，對於操作者，能夠還包含各收支的值彼此的關係來進行提示，因此易於讓操作者導出適切的操作動作。
又在本步驟，除了風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及源自氧化鐵的氧收支以外，亦可顯示以下的資訊。亦即，在本步驟，除了這些收支以外，還能讓代表爐內輸入熱量和在爐內消耗的熱之關係之爐內的熱收支顯示於輸出裝置103(參照圖12、圖14、圖17及圖19)，而對操作者進行提示。藉此，對於操作者，可將爐內的熱收支進行視覺提示，因此易於讓操作者導出適切的操作動作。
又在本步驟，將風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支、源自氧化鐵的氧收支及爐內的熱收支以每單位時間顯示亦可(參照圖11、圖12、圖16及圖17)。或是，在本步驟，將各收支換算成每單位重量的鐵水來顯示亦可(參照圖14、圖15、圖18及圖19)。如此般，藉由將爐內的物質收支及熱收支換算成每單位重量的鐵水來顯示，能夠將每單位重量的鐵水之粉煤量、焦炭量、溶損反應碳量、鐵水及熔渣顯熱對於操作者進行提示。
又在本步驟，係將在第一預測步驟及第二預測步驟的至少一方所預測之作業狀態的煉鐵速度、包含焦炭比及粉煤流量比之作業指標在預測前後的變化可比較地顯示(參照圖11、圖13、圖16及圖18)。藉此，對於操作者，可將作業狀態及作業指標在預測前後的變化進行視覺提示，因此易於讓操作者導出適切的操作動作。
[各收支的詳細] 以下說明，在收支算出步驟所算出且在顯示步驟所顯示之各收支的詳細。
(風徑區域的氧收支) 首先說明風徑區域的氧收支。被吹入風徑區域的氧，是由鼓風空氣(包含富氧)、鼓風濕分及粉煤中的氧所構成。將各自的供給(投入)速度[kmolO/sec]用O_in(1)、O_in(2)、O_in(3)表示。又在風徑區域燃燒的碳，是源自焦炭或源自粉煤。因此，風徑區域的氧和碳的反應成為下式(3)~(6)之任一者。
Figure 02_image005
Figure 02_image007
Figure 02_image009
Figure 02_image011
在此，將基於上述式(3)之碳的消耗速度用C_out(1)表示，將基於上述式(4)之碳的消耗速度用C_out(2)表示，將基於上述式(5)、(6)之碳的消耗速度用C_out(3)表示。在上述式(3)~(6)任一者的反應形態中，因為C和O的莫耳比為1:1，如下式(7)所示般，被吹入風徑區域之氧的供給速度[kmolO/sec]和碳的消耗速度[kmolC/sec]必須一致。
Figure 02_image013
又圖3係將上述式(7)的收支關係用條形圖表示。
(爐內全體的碳收支) 接下來說明爐內全體之焦炭中的碳收支。在風徑區域，除了藉由上述式(3)、(4)所消耗的碳以外，在爐內還因下式(8)~(12)所示般的反應而使碳被消耗。
Figure 02_image015
Figure 02_image017
Figure 02_image019
Figure 02_image021
Figure 02_image023
在此，將基於上述式(8)之碳的消耗速度用C_out(4)表示，將基於上述式(9)~(12)之碳的消耗速度用C_out(5)表示。又將從爐頂供給之源自焦炭之碳的供給速度(以下稱為「從爐頂供給之碳的供給速度」)用C_top_in表示，在穩定狀態，碳的消耗速度和碳的供給速度應成為相等，而使下式(13)成立。
Figure 02_image025
但必須注意，在焦炭比剛變更後等的過渡狀態，上述式(13)並不成立。又圖4係將上述式(13)所示之碳的供給速度和碳的消耗速度之收支關係用條形圖表示。
又在從爐頂供給之碳的供給速度C_top_in和礦石中之源自氧化鐵之鐵份的供給速度(以下稱為「礦石中之鐵份的供給速度」)Fe_top_in之間，以下的關係是成立的。亦即，在C_top_in和Fe_top_in之間，若使用作為操作者的操作變數之焦炭比CR[kg/t]，下式(14)所示般的比例關係是成立的。
Figure 02_image027
(源自氧化鐵的氧收支) 接下來說明源自氧化鐵的氧收支。礦石中之源自氧化鐵的氧，是藉由下式(15)~(17)所示的反應之任一者而被還原。
Figure 02_image029
Figure 02_image031
Figure 02_image033
另一方面，將藉由上述式(15)~(17)所示的反應所生成之CO 2、H 2O還原成CO、H 2氣體之上述式(9)、(10)的反應也會產生。
在此，從上述式(15)~(17)的合計所代表的礦石中之氧化鐵的還原速度O_red(0)減去上述式(9)、(10)、(15)的合計所代表之直接還原的反應速度O_red(1)後的值，成為氣體還原反應速度O_red(2)=O_red(0)-O_red(1)。又若將從爐頂供給的礦石中之源自氧化鐵之氧的供給速度(以下稱為「礦石中之氧的供給速度」)用O_top_in表示，在穩定狀態下，下式(18)所示般的氧收支是成立的。
Figure 02_image035
再者，在前述礦石中之鐵份的供給速度Fe_top_in和礦石中之氧的供給速度O_top_in之間，若使用爐頂之礦石氧化度a(約1.5)，下式(19)所示般的比例關係是成立的。
Figure 02_image037
圖5係將礦石中之氧的供給速度、礦石中之鐵份的供給速度及氣體還原反應速度用條形圖表示。又圖6係將在圖3~圖5所說明之風徑區域的氧收支、爐內全體之源自焦炭的碳收支及爐內全體之源自氧化鐵的氧收支統合在一起。圖6顯示爐內的物質收支之每單位時間的值。又在圖6的縱軸，正側表示爐內的值之增加量，負側表示風口的值之減少量。又如圖6所示般，可明示連結各收支的值之線段(例如線段OG、線段AF、線段BE)，可將線段BE的斜率代表粉煤比PCR明示於圖表中。 如此般，對於與各收支的值關連之操作變數也明示於圖表中，關於讓例如煉鐵速度及鐵水溫度產生了變化之因素等，對於操作者可進行視覺提示。
圖中之線段AF的斜率，是與上述式(14)所示之焦炭比CR成比例。又線段BE的斜率是代表每莫耳裝入鐵之粉煤中的碳量，是與粉煤比成比例。又線段OG的斜率是上述式(19)的a，是代表礦石中之鐵份的供給速度Fe_top_in和礦石中之氧的供給速度O_top_in之比例常數。
使用爐內的物質收支之統合圖表來提示現狀的物質收支、和操作者將操作變數變更時之物質收支，藉此可定量地掌握操作者將操作變數變更時之煉鐵速度[t/min]的變化(參照圖16及圖18)。
例如，在其他操作變數維持不變而僅讓粉煤流量增加的情況，因為線段OB的長度維持不變而線段AB變長，線段OA的長度所代表之風徑區域之碳的消耗速度降低。藉此，與從爐頂供給之碳的供給速度(C_top_in)對應之線段CA也變短。結果，與該線段CA成比例，與從爐頂供給的礦石中之鐵份的供給速度(Fe_top_in)對應之線段CF也變短，因此煉鐵速度降低。
(爐內的熱收支) 接下來說明爐內的熱收支。被投入爐內的輸入熱量，是源自風口的焦炭及粉煤之燃燒熱、在爐內之間接還原熱、鼓風顯熱。將其等分別用Q_in(1)、Q_in(2)、Q_in(3)表示。又在爐內消耗的熱可分類成：鐵水及熔渣的顯熱、直接還原反應熱、基於鼓風濕分之焦炭的氣化反應熱、從爐壁釋放到冷卻水或大氣之熱損失、從爐頂排出之氣體的顯熱等。將其等分別用Q_out(1)、Q_out(2)、Q_out(3)、Q_out(4)、Q_out(5)表示。
圖7係將其等用條形圖表示。圖7顯示爐內的熱收支之每單位時間的值。爐內的熱收支，在穩定狀態下，下式(20)的關係是成立的。
Figure 02_image039
在此，圖6及圖7所示之爐內的物質收支及熱收支是每單位時間的值。另一方面，為了求出與每單位重量的鐵水之鐵水顯熱大致成比例之鐵水溫度、每單位重量的鐵水之炭材量、即還原材比等，必須求出每單位重量的鐵水之物質收支及熱收支。於是，將圖6及圖7所示的變數除以Fe_top_in(從爐頂供給的礦石中之鐵份的供給速度)而得的值顯示於圖8及圖9。如此般，將爐內的物質收支及熱收支換算成每單位重量的鐵水來顯示，可對操作者提示每單位重量的鐵水之粉煤量、焦炭量、溶損反應碳量、鐵水及熔渣顯熱。
[第一預測步驟的具體例] 以下說明作業指導方法之第一預測步驟的具體例。首先，假定現在所有的操作變數之操作量維持一定，進行未來的鐵水溫度及煉鐵速度之預測計算。具體而言，將現在的時間步長用t=0表示，使用下式(21)、(22)來算出未來的鐵水溫度及煉鐵速度。
Figure 02_image041
Figure 02_image043
如此般求出的控制變數(在此為鐵水溫度及煉鐵速度)之響應y 0，在本實施形態稱為「自由響應」。圖10(c)、(d)的實線表示，讓焦炭比增加的操作動作在2小時前實施的情況之煉鐵速度及鐵水溫度的自由響應。如圖10所示般，藉由讓焦炭比增加，煉鐵速度降低1000t/day左右，鐵水溫度上升100℃左右。
又圖11及圖12所顯示的，係對於圖8及圖9所示之爐內的物質收支及熱收支之條形圖，將在第一預測步驟所預測之爐內狀態下的物質收支及熱收支的條形圖並列在旁邊。
在圖11及圖12中，表示O_in、C_out、C_top_in、C_out、O_top_in、O_red、Q_in及Q_out的條形圖中，左側是即將讓焦炭比增加之前(現狀)的值。又右側是自讓焦炭比增加時起算12小時後的值。又在圖11、12中，表示Fe_top_in的條形圖中，上側是即將讓焦炭比增加之前(現狀)的值，下側是自讓焦炭比增加時起算12小時後的值。
在圖11中，代表煉鐵速度之線段AE的長度減少的現象，是受到與焦炭比成比例之線段AF的斜率增加、以及與從爐頂供給之碳的供給速度(C_top_in)對應之線段CA的長度變短的影響。又線段AF之斜率增加的現象，是讓焦炭比增加之直接效果。藉此，與煉鐵速度對應之線段AE變短。又與其成比例，從爐頂供給之礦石中的氧的供給速度(O_top_in)也減少，因此基於直接還原之碳的消耗速度也變小。再者，因為與煉鐵速度大致成比例之滲碳速度也降低，線段CO的長度也減少。因此，與來自爐頂的碳供給速度(C_top_in)對應之線段CA變短，而使煉鐵速度進一步降低。
又如圖12所示般可看出，朝爐內供給之每單位時間的熱量之總量及其明細雖沒有變化，但鐵水及熔渣的顯熱減少，且熱損失、爐頂氣體顯熱增加。
又圖13及圖14係顯示，將在圖11及圖12所示之爐內之每單位時間的物質收支及熱收支換算成每單位重量的鐵水。又如圖13所示般，可將連結各收支的值之線段(例如線段O’G’、線段A’F’、線段B’E’)明示，可將線段A’B’是代表粉煤比PCR明示於圖表中。
如圖13所示般可知，線段O’A’在焦炭比增加後變長。這代表著，因為讓焦炭比增加，經由爐內的直接還原及滲碳反應後之風口高度之每單位重量的鐵水之焦炭量增加。又代表粉煤比之線段A’B’也變長。這是因為，與圖11同樣的，粉煤流量維持不變而使煉鐵速度降低，藉此使每單位重量的鐵水之粉煤量增加。
再者，如圖14所示般，藉由使煉鐵速度降低，關於每單位重量的鐵水之供給熱量，鼓風顯熱、風口之碳的燃燒熱都變大。又關於在圖12降低之每單位時間的鐵水及熔渣顯熱也是，因為就每單位重量的鐵水之量而言是增加的，可知鐵水溫度增加。如此般，藉由將每單位時間及每單位重量的鐵水之物質收支及熱收支利用圖進行提示，關於讓煉鐵速度及鐵水溫度產生了變化之因素，能讓操作者考察。
[第二預測步驟的具體例] 以下說明第二預測步驟的具體例。藉由進行前述第一預測步驟並根據其結果將爐內的物質收支及熱收支進行提示，雖可預測爐內的狀態及控制變數之未來變化，但必須對應於該變化而讓操作者採取適切的操作動作。例如，在圖10預測鐵水溫度會上升到1600℃附近而過高。於是，藉由進行第二預測步驟，還能一併提示操作者讓假想的操作變數變化時之未來爐內的物質收支及熱收支。
操作者可操作的操作變數(假想的操作變數)，如前述般，包括鼓風流量、富氧流量、粉煤流量、焦炭比、鼓風濕分及鼓風溫度。因此，例如圖15所示般，讓可將各操作變數指定成任意值之輸入介面顯示於輸出裝置103，根據藉由該輸入介面所指定的操作變數來預測未來高爐內的狀態。具體而言，設藉由輸入介面所指定的操作變數為u1，例如藉由下式(23)、(24)進行假想的作業條件下之未來預測。
Figure 02_image045
Figure 02_image047
例如是考慮，如前述圖10般，在從讓焦炭比增加時起算2小時後的時點，讓粉煤流量減少而將鐵水溫度維持在適當的範圍。在此，在操作者操作圖15之粉煤流量PCI的值而讓粉煤流量減少150kg/min的情況，藉由上述式(23)、(24)所預測之煉鐵速度及鐵水溫度的結果(響應y 1)如圖10(c)、(d)的虛線所示。如圖10(c)、(d)所示般可知，藉由讓操作者進行讓粉煤流量減少的操作，能讓藉由焦炭比的增加而變得過高之鐵水溫度返回適切的水準。
又圖16~圖19所顯示的，是對於圖11及圖12所示的條形圖，將第一預測步驟所預測之爐內狀態的物質收支及熱物質收支之條形圖用第二預測步驟所預測之爐內狀態的物質收支及熱收支之條形圖替換。圖16係將爐內的物質收支以每單位時間表示的圖表，圖17係將爐內的熱收支以每單位時間表示的圖表，圖18係將爐內的物質收支以每單位重量的鐵水表示的圖表，圖19係將高爐內的熱收支以每單位重量的鐵水表示的圖表。
在圖16~圖19中，表示O_in、C_out、C_top_in、C_out、O_top_in、O_red、Q_in及Q_out之條形圖中，左側是即將讓焦炭比增加之前(現狀)的值。又右側是進行假想的操作動作之後的值。又在圖中，表示 Fe_top_in之條形圖中，上側是即將讓焦炭比增加之前(現狀)的值，下側是進行假想的操作動作之後的值。
將圖11和圖16做比較可知，藉由讓粉煤流量減少而使風口之碳的消耗速度上升，從爐頂供給之碳的供給速度(C_top_in)增加。又可知，其結果，藉由焦炭比的增加而降低之煉鐵速度，可回復到焦炭比增加前的水準。
又藉由使煉鐵速度增加而使粉煤流量減少，代表粉煤比之圖16的線段BE之斜率、圖18之線段A’B’的長度減少，因此可補償基於焦炭比的增加之鐵水及熔渣顯熱的上升。藉此，如圖10(d)的虛線所示般，能使鐵水溫度保持在與焦炭比增加前的水準大致同等的值。
又在圖16~圖19係提示最典型的操作動作的例子，亦即，對於基於焦炭比的增加之煉鐵速度降低及鐵水溫度上升，讓粉煤流量減少。除此以外，例如藉由鼓風流量或氧流量的增加也能達成同樣的控制目的，再者基於操作變數之複合動作的解也是可考慮的。
[高爐之作業方法] 也能將本實施形態的作業指導方法運用於高爐的作業方法。在此情況，除了前述作業指導方法之第一預測步驟、第二預測步驟、收支算出步驟及顯示步驟以外，還包含遵循基於顯示步驟的指導來控制高爐的步驟。
[鐵水之製造方法] 也能將本實施形態的作業指導方法運用於鐵水之製造方法。在此情況，除了前述作業指導方法之第一預測步驟、第二預測步驟、收支算出步驟及顯示步驟以外，還進行：遵循基於顯示步驟的指導來控制高爐而製造鐵水的步驟。
依據如以上所說明之本實施形態的作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置，可顯示在預測高爐內的狀態時之風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支及爐內全體之源自氧化鐵的氧收支。藉此，能讓操作者導出適切的操作動作。因此，能夠實現高爐之高效率且穩定的作業。
又依據本實施形態的作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置，可將操作者所指定之假想的作業條件下之爐內狀態的預測結果或無操作狀態下的未來預測結果連同物質收支及熱收支一起進行提示。藉此，能讓操作者定量且有根據地掌握操作動作的效果，而能夠自己導出適切的操作動作。
以上是針對本發明的作業指導方法、高爐之作業方法、鐵水之製造方法、作業指導裝置，藉由用於實施發明之形態及實施例來具體地說明，但本發明的趣旨並不限定於這些記載，必須根據申請專利範圍的記載進行更廣的解釋。又根據這些記載所進行之各種變更、改變等，當然也包含於本發明的趣旨。
100:作業指導裝置 101:資訊處理裝置 102:輸入裝置 103:輸出裝置 111:RAM 112:ROM 112a:控制程式 113:CPU
[圖1]係顯示本發明的實施形態之作業指導裝置的概略構成之方塊圖。 [圖2]係顯示在本發明的實施形態之作業指導方法所使用之物理模型的輸入變數及輸出變數的一例。 [圖3]係顯示風徑區域的氧收支之圖表。 [圖4]係顯示爐內全體之源自焦炭的碳收支之圖表。 [圖5]係顯示爐內全體之源自氧化鐵的氧收支之圖表。 [圖6]係將爐內的物質收支以每單位時間表示的圖表。 [圖7]係將爐內的熱收支以每單位時間表示的圖表。 [圖8]係將爐內的物質收支以每單位重量的鐵水表示的圖表。 [圖9]係將爐內的熱收支以每單位重量的鐵水表示的圖表。 [圖10(a)~(d)]係顯示，在本發明的實施形態之作業指導方法中，基於物理模型之煉鐵溫度及鐵水溫度的預測結果。 [圖11]係爐內的物質收支以每單位時間表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值。 [圖12]係爐內的熱收支以每單位時間表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值。 [圖13]係爐內的物質收支以每單位重量的鐵水表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值。 [圖14]係爐內的熱收支以每單位時間表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值。 [圖15]係顯示可將複數個操作變數指定成任意值之輸入介面的一例。 [圖16]係爐內的物質收支以每單位時間表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值及粉煤流量減少後的值。 [圖17]係爐內的熱收支以每單位時間表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值及粉煤流量減少後的值。 [圖18]係爐內的物質收支以每單位重量的鐵水表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值及粉煤流量減少後的值。 [圖19]係爐內的熱收支以每單位重量的鐵水表示的圖表，係顯示讓焦炭比增加的前後之值及粉煤流量減少後的值。

Claims (11)

  1. 一種作業指導方法，係包含第一預測步驟及顯示步驟， 前述第一預測步驟，係使用可計算高爐內的狀態之物理模型，來預測現在的作業狀態在未來仍保持的情況之前述高爐內的狀態； 前述顯示步驟，係將在預測前述高爐內的狀態時之風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及爐內全體的源自氧化鐵之氧收支顯示於輸出裝置。
  2. 如請求項1所述之作業指導方法，其中， 前述顯示步驟，關於前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支，係將現在的狀態及現在的作業狀態在未來仍保持的情況的狀態可比較地並列顯示。
  3. 如請求項2所述之作業指導方法，其進一步包含第二預測步驟， 前述第二預測步驟，係使用前述物理模型來預測在由操作者輸入之任意假想的作業條件下進行作業的情況之未來高爐內的狀態； 前述顯示步驟，關於前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支，係將現在的狀態及在前述假想的作業條件下進行作業的情況的狀態在圖表上可比較地並列顯示。
  4. 如請求項3所述之作業指導方法，其中， 前述第二預測步驟，係讓可將表示前述作業條件的複數個操作變數指定成任意值之輸入介面顯示於前述輸出裝置，根據藉由前述輸入介面所指定之操作變數來預測未來高爐內的狀態。
  5. 如請求項2至4之任一項所述之作業指導方法，其中， 前述風徑區域的氧收支，係代表被吹入風徑區域之氧的供給速度和在風徑區域燃燒之碳的消耗速度之關係， 前述爐內全體的碳收支，係代表從爐頂供給之源自焦炭的碳的供給速度和在爐內燃燒之碳的消耗速度之關係， 前述源自氧化鐵的氧收支，係代表從爐頂供給之源自氧化鐵之鐵的投入速度、從爐頂供給之源自氧化鐵之氧的投入速度、基於從爐頂供給之氧化鐵的氣體的還原反應速度三者之關係， 前述顯示步驟，在前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支當中，係將前述源自氧化鐵的鐵的投入速度以外沿著前述圖表上的第一軸方向並列顯示，並將前述源自氧化鐵的鐵的投入速度在與前述第一軸方向正交之第二軸方向顯示。
  6. 如請求項3或4所述之作業指導方法，其中， 前述顯示步驟，係將在前述第一預測步驟及前述第二預測步驟的至少一方所預測之作業狀態之煉鐵速度、包含焦炭比及粉煤流量比之作業指標在預測前後的變化可比較地顯示。
  7. 如請求項1至6之任一項所述之作業指導方法，其中， 前述顯示步驟，除了前述風徑區域的氧收支、前述爐內全體的碳收支以及前述源自氧化鐵的氧收支以外，還將代表爐內輸入熱量和在爐內消耗的熱之關係之爐內的熱收支顯示於前述輸出裝置。
  8. 如請求項1至7之任一項所述之作業指導方法，其中， 前述顯示步驟，係將各收支換算成每單位重量的鐵水而顯示。
  9. 一種高爐之作業方法，係包含：遵循基於如請求項1至8之任一項所述之作業指導方法的指導來控制高爐的步驟。
  10. 一種鐵水之製造方法，係包含：遵循基於如請求項1至8之任一項所述之作業指導方法的指導來控制高爐而製造鐵水的步驟。
  11. 一種作業指導裝置，係具備預測機構及顯示機構， 前述預測機構，係使用可計算高爐內的狀態之物理模型，來預測現在的作業狀態在未來仍保持的情況之前述高爐內的狀態； 前述顯示機構，係顯示在預測前述高爐內的狀態時之風徑區域的氧收支、爐內全體的碳收支以及爐內全體之源自氧化鐵的氧收支。
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