TWI811970B - 液體殘留量的檢測方法及檢測裝置、熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置、立式爐的操作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種能夠於任意時間點檢測立式爐中的熔融物的殘留量的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置、以及使用該檢測方法的立式爐的操作方法。本發明的熔融物殘留量的檢測方法是立式爐中熔融物的排出結束後殘留於爐底部的熔融物殘留量的檢測方法，所述立式爐為自立式爐的爐下部吹入含氧氣體，使碳燃燒，藉此產生高溫還原氣體，將自立式爐的爐頂裝入並於立式爐內形成固體填充結構的鐵源原料藉由高溫還原氣體熔融及還原而製造熔融物，並使熔融物自立式爐的出銑孔排出，所述熔融物殘留量的檢測方法使用熔融物自所述出銑孔的製造速度與使用熔融物的排出加速度、排出時間及初始排出速度所算出的熔融物的排出速度的差量，對熔融物的殘留量進行檢測。
Description
本發明是有關於一種液體殘留量的檢測方法及檢測裝置、立式爐中的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置、以及立式爐的操作方法。
例如，於如高爐的立式爐中，將成為原料的鐵礦石及焦炭自爐頂裝入高爐內，並且自設置於爐下部的風口吹入熱風。藉由自風口吹入的熱風使焦炭燃燒，而生成高溫的還原氣體。藉由該高溫的還原氣體將鐵礦石熔融、還原，而製造熔鐵。熔鐵及於製造熔鐵時所副生的熔渣（下文有時記載為「礦渣」）蓄積於爐底部，以一定週期自出銑孔排出。
於此種高爐操作中，為了確定出鋼週期，進行穩定且經濟的操作，重要的是把握蓄積於高爐的爐底部的熔鐵、礦渣等熔融物的殘留量或熔融物的液面高度。若熔融物的殘留量變得過多、熔融物的液面高度變得過高，則存在送風壓力的變動增大而無法維持穩定的操作狀態的情形。進而，若熔融物的液面高度上升至風口附近，則發生礦渣引起的風口堵塞，於最差的情形時變得無法操作。為了使熔融物的液面高度變得過高而變得不穩定的高爐變得穩定，需要增加自爐頂的焦炭的裝入量、或改變自風口吹入爐內的熱風量等處置，導致高爐的操作成本增大。
高爐內的熔融物的殘留量可藉由熔鐵渣的製造量與自出銑孔的排出量的物質平衡而大致推定。例如，熔鐵渣的製造量可根據每單位時間自爐頂裝入的裝入物量與其成分濃度進行把握。又，熔鐵渣自出銑孔的排出量可藉由收容熔鐵的魚雷車的重量測定與由礦渣製造的水渣的重量測定進行把握。藉由計算以所述方式把握的熔鐵渣的製造量與熔鐵渣的排出量的差量，可推定高爐內的熔融物的殘留量。
然而，藉由所述方法，每次出鋼作業僅能夠推定一次熔融物的殘留量。熔融物的出鋼作業大致每隔2小時～3小時實施一次左右。因此，於以熔融物的殘留量作為指標進行操作動作的情形時，每隔2小時～3小時獲得一次該指標，因此存在應對延遲而故障變得重大的可能性。因此，就避免高爐的故障的觀點而言，能夠於任意時間點獲得熔融物的殘留量變得非常重要。
作為獲得熔融物的殘留量或液面高度的技術，專利文獻1中揭示了如下方法：於高爐側面設置電極，並對該電極流通電流，藉此測定電壓，並基於所測得的電壓計測熔融物的液面高度。專利文獻2中揭示了如下方法：利用相機拍攝自出銑孔排出的熔鐵渣流，根據該影像算出熔鐵渣的排出速度，並基於該排出速度推定高爐內的熔融物的殘留量。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2006-176805號公報
專利文獻2：日本專利特開2017-160498號公報
[非專利文獻]
非專利文獻1：「鐵鋼物性值便覽」、製鐵篇（2006年），日本鐵鋼協會，P437
非專利文獻2：杉山喬、其他3人，「高爐滴下帶中的液流解析」，鐵與鋼，第73年（1987），第15號，P2044-2051
非專利文獻3：柏原佑介、其他4人，「未消失混合小塊焦炭對高爐下部通氣性造成的影響」，鐵與鋼，Vol.102（2016），No.12，P661-668
非專利文獻4：野內泰平、其他2人，「操作與出鋼方法對高爐爐床的排渣性造成的影響」，鐵與鋼，Vol.92（2006），No.12，P269-274
[發明所欲解決之課題]
然而，專利文獻1及專利文獻2所揭示的方法均需要於產生粉塵等的環境設置用以對由高爐內的熔融物引起的電阻、電位或所排出的出鋼渣流的速度進行測定的特別的感測器或相機。因此，實施該些方法存在如下課題：除了花費導入特別的感測器或相機等設備的初始費用，亦花費對該些設備進行維持管理的保養費用。本發明是鑒於此種課題而完成，其目的在於提供一種能夠於不新設置特別的感測器或相機等的情況下於任意時間點檢測立式爐中的熔融物的殘留量的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置、以及使用該檢測方法的立式爐的操作方法。又，本發明的其他目的在於提供一種不限於立式爐、而是能夠於任意時間點檢測藉由在內部填充固體而形成有固體填充結構的容器內的液體的殘留量的液體殘留量的檢測方法及檢測裝置。
[解決課題之手段]
用以解決所述課題的手段如以下所述。
[1]一種液體殘留量的檢測方法，其將於藉由在內部填充固體而形成有固體填充結構的容器內以滲入所述固體填充結構的至少一部分空隙的狀態收容的液體自設置於所述容器的下部的排出孔排出後，對殘留於所述容器的底部的所述液體的殘留量進行檢測，所述液體殘留量的檢測方法是使用所述液體的供給速度與使用所述液體自所述排出孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度所算出的所述液體的排出速度的差量，對所述液體的殘留量進行檢測。
[2]如[1]所記載的液體殘留量的檢測方法，其使用所述液體自所述排出孔的排出結束時的所述液體的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率，使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述液體的殘留量，對排出結束後的所述液體的液面高度進行檢測。
[3]一種熔融物殘留量的檢測方法，其是立式爐中熔融物的排出結束後殘留於所述立式爐的爐底部的熔融物殘留量的檢測方法，所述立式爐為自立式爐的爐下部吹入含氧氣體，使碳燃燒，藉此產生高溫還原氣體，將自所述立式爐的爐頂裝入並於所述立式爐內形成固體填充結構的鐵源原料藉由所述高溫還原氣體熔融及還原而製造熔融物，並使所述熔融物自所述立式爐的出銑孔排出，所述熔融物殘留量的檢測方法使用所述熔融物的製造速度與使用所述熔融物自所述出銑孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度所算出的所述熔融物的排出速度的差量，對所述熔融物的殘留量進行檢測。
[4]如[3]所記載的熔融物殘留量的檢測方法，其使用所述熔融物自所述出銑孔的排出結束時的所述熔融物的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率，使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述熔融物的殘留量，對排出結束後的所述熔融物的液面高度進行檢測。
[5]一種立式爐的操作方法，其於藉由[4]所記載的熔融物殘留量的檢測方法檢測到的所述液面高度超過預先確定的臨限值的情形時，實施降低所述熔融物的製造速度的操作動作及提高所述熔融物的排出速度的操作動作中的至少一種。
[6]一種液體殘留量的檢測裝置，其將於藉由在內部填充固體而形成有固體填充結構的容器內以滲入所述固體填充結構的至少一部分空隙的狀態收容的液體自設置於所述容器的下部的排出孔排出後，對殘留於所述容器的底部的所述液體的殘留量進行檢測，所述液體殘留量的檢測裝置包括：供給速度獲得部，獲得所述液體的供給速度；排出速度獲得部，使用所述液體自所述排出孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度，獲得所述液體的排出速度；以及殘留量算出部，使用所述液體的供給速度與所述液體的排出速度的差量，算出所述液體的殘留量。
[7]如[6]所記載的液體殘留量的檢測裝置，其進而包括：液面高度算出部，使用所述液體自所述排出孔的排出結束時的所述液體的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率，使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述液體的殘留量，對排出結束後的所述液體的液面高度進行檢測。
[8]一種熔融物殘留量的檢測裝置，其是立式爐中熔融物的排出結束後殘留於所述立式爐的爐底部的熔融物殘留量的檢測裝置，所述立式爐為自立式爐的爐下部吹入含氧氣體，使碳燃燒，藉此產生高溫還原氣體，將自所述立式爐的爐頂裝入並於所述立式爐內形成固體填充結構的鐵源原料藉由所述高溫還原氣體熔融及還原而製造熔融物，並使所述熔融物自所述立式爐的出銑孔排出，所述熔融物殘留量的檢測裝置包括：製造速度獲得部，獲得所述熔融物的製造速度；排出速度獲得部，使用所述熔融物自所述出銑孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度獲得所述熔融物的排出速度；以及殘留量算出部，使用所述熔融物的製造速度與所述熔融物的排出速度的差量，算出所述熔融物的殘留量。
[9]如[8]所記載的熔融物殘留量的檢測裝置，其進而包括：液面高度算出部，使用所述熔融物自所述出銑孔的排出結束時的所述熔融物的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率，使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述熔融物的殘留量，對排出結束後的所述熔融物的液面高度進行檢測。
[發明的效果]
根據本發明的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置，能夠於不花費用以導入特別的感測器或相機的初始費用或保養費用的情況下，於任意時間點檢測立式爐中的熔融物的殘留量。藉此，能夠抑制熔鐵的製造成本的增加，並且於所需的時間點實施基於熔融物的殘留量的操作動作，因此與先前相比，能夠避免立式爐的故障，而能夠實現穩定的立式爐的操作。
以下，藉由發明的實施形態對本發明進行說明。於本實施形態中，使用高爐作為立式爐，對該高爐中的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置的實施形態進行說明。但本發明的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置並不限於高爐，只要為自爐頂向爐內裝入鐵源原料及焦炭、自爐下部吹入含氧氣體而製造熔融物、並自出銑孔排出熔融物的立式爐即可應用。
圖1是高爐20的爐底部附近的截面示意圖。自高爐20的爐頂向爐本體10內以交替且層狀的方式裝入作為原料的鐵礦石與焦炭，並且自設置於爐本體10的爐下部的風口12吹入作為含氧氣體的熱風與粉煤等還原材。藉由自風口12吹入的熱風使焦炭或粉煤所含的碳燃燒，藉此，產生高溫還原氣體。藉由該高溫還原氣體將鐵礦石熔融、還原而製造熔鐵。其後將鐵礦石的熔融、還原所使用的高溫還原氣體自爐頂以爐頂氣體的形式排出。所製造的熔鐵及於製造熔鐵時所副生的礦渣蓄積於爐底部，以特定的週期自出銑孔18排出。於本實施形態中，將熔鐵及礦渣合併記載為熔融物16。鐵礦石為鐵源原料的一例。
於爐本體10的爐底部形成填充自爐頂裝入的焦炭而成的固體填充結構14。蓄積於爐本體10的爐底部的熔融物16填充於該固體填充結構14的間隙。於將熔融物16自出銑孔18排出的情形時，若自出銑孔18的排出速度快於熔融物16的製造速度，則爐底部中的熔融物16的殘留量逐漸變少。若熔融物16的殘留量變少，而熔融物16的液面高度降低至與出銑孔18相同的高度，則高溫還原氣體開始自爐內噴出。若高溫還原氣體開始自出銑孔18噴出，則變得難以自出銑孔18排出熔融物16。因此，打開其他出銑孔，並且關閉開始噴出高溫還原氣體的出銑孔18，藉此，使熔融物16繼續自爐本體10排出。
於本實施形態的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置中，算出高爐20中的熔融物16的製造速度與熔融物16的排出速度。然後，藉由取所算出的熔融物16的製造速度與熔融物16的排出速度的差量，而可對任意時間下的熔融物16的殘留量進行檢測。如上所述，只要能夠對任意時間下的熔融物16的殘留量進行檢測，則能夠於所需的時間點檢測熔融物16的殘留量，又，亦能夠連續檢測熔融物16的殘留量。
圖2表示本實施形態的熔融物殘留量的檢測裝置30的結構。如圖2所示，熔融物殘留量的檢測裝置30包括獲得熔融物16的製造速度的製造速度獲得部31、獲得熔融物16的排出速度的排出速度獲得部32、及算出熔融物16的殘留量的殘留量算出部33。又，熔融物殘留量的檢測裝置30進而包括對排出結束後的熔融物16的液面高度進行檢測的液面高度算出部34。該些製造速度獲得部31、排出速度獲得部32、殘留量算出部33、液面高度算出部34由包括處理資訊的中央處理單元（central processing unit，CPU）（中央運算處理裝置）及記憶裝置的通用電腦等構成，進行下文所述的計算。熔融物殘留量的檢測裝置30進而包括預先儲存下文所述的計算所使用的各種數值的資料庫35。
首先，對利用熔融物殘留量的檢測裝置30的製造速度獲得部31獲得熔融物16的製造速度的方法進行說明。熔融物16的製造速度PV根據自風口12吹入的熱風的送風量與成分濃度、自爐頂裝入的原料的裝入量與成分組成及自爐頂排出的爐頂氣體的排出量與成分濃度求出。具體而言，熔融物16的製造速度PV是藉由下述（1）式所算出。
[數1]
於所述（1）式中，PV為熔融物的製造速度（kg/sec）。TV為爐頂氣體的流量（Nm
3/sec）。F
O為爐頂氣體中的O原子的物質量濃度（mol/Nm
3）。BV為自全部風口12吹入的熱風的流量（Nm
3/sec）。E
O為熱風中的氧氣的體積分率（-）。OM（-）為每1 mol原料中還原對象物的氧原子的原子數相對於金屬原子的原子數的比。M
M為金屬原子的原子量（g/mol）。再者，（-）意指為無因次。
爐頂氣體的流量TV是藉由下述（2）式所算出。
TV＝BV×E
N/F
N…（2）
於所述（2）式中，TV為爐頂氣體的流量（Nm
3/sec）。BV為自風口12吹入的熱風的流量（Nm
3/sec）。E
N為熱風中的氮氣的體積分率（-）。F
N為爐頂氣體中的氮氣的體積分率（-）。
爐頂氣體中的O原子的物質量濃度F
O及氮氣的體積分率F
N可藉由利用爐頂氣體分析器41藉由氣相層析法或紅外分光法對爐頂氣體進行分析而求出。自全部風口12吹入的熱風的流量BV可藉由設置於各風口12的流量計42求出。
熱風中的氧氣的體積分率E
O可藉由下述（3）式算出。熱風中的氮氣的體積分率E
N可藉由下述（4）式算出。
E
O＝（X×0.21＋Y）/（X＋Y）…（3）
E
N＝（X×0.79）/（X＋Y）…（4）
於所述（3）、（4）式中，X為空氣的吹入流量（Nm
3/sec）。Y為氧氣的吹入流量（Nm
3/sec）。
又，亦可考慮空氣中的濕分，而藉由下述（5）、（6）式算出熱風中的氧氣的體積分率E
O及熱風中的氮氣的體積分率E
N。
E
O＝（X×0.21＋Y）/[X＋Y＋X×（Z/18）×22.4]…（5）
E
N＝（X×0.79）/[X＋Y＋X×（Z/18）×22.4]…（6）
於所述（5）、（6）式中，X為空氣的吹入流量（Nm
3/sec）。Y為氧氣的吹入流量（Nm
3/sec）。Z為空氣中的濕分（kg/m
3）。空氣中的濕分Z可藉由利用濕度計43測定空氣而求出。
每1 mol原料中還原對象物的氧原子的原子數相對於金屬原子的原子數的比OM可藉由化學分析測定原料的成分濃度，並根據該成分濃度求出。
熔融物16包括熔融金屬與其以外的礦渣的混合物。因此，較佳為於藉由所述（1）式所算出的熔融物16的製造速度PV加上礦渣的製造速度。於該情形時，熔融氧化物的製造速度可藉由根據原料的成分濃度算出熔融氧化物相對於熔融金屬的質量比，並使該質量比乘以熔融金屬的製造速度而求出。
其次，對利用熔融物殘留量的檢測裝置30的排出速度獲得部32獲得熔融物16的排出速度的方法進行說明。出銑孔18的排出口因熔融物16而逐漸熔損，因此伴隨時間的經過，排出口徑變大。因此，熔融物16的排出速度逐漸加快。由於排出速度相對於時間以一次函數的方式加快，故而熔融物16的排出速度v是藉由下述（7）式算出。
[數2]
v=v
0 +a×t…（7）
於所述（7）式中，v為熔融物16的排出速度（m
3/sec）。v
0為熔融物16的初始排出速度（m
3/sec）。t為排出時間（sec）。a為排出加速度（m
3/sec
2）。如上所述，於本實施形態中，使用熔融物16的排出加速度a、排出時間t及初始排出速度v
0算出熔融物16的排出速度v。
又，於排出時間T內所排出的熔融物16的排出量V是藉由下述（8）式所算出。
[數3]
於所述（8）式中，V為熔融物16的排出量（m
3）。T為排出時間（sec）。a為排出加速度（m
3/sec
2）。v
0為初始排出速度（m
3/sec）。
繼而，對算出所述（8）式中的初始排出速度v
0的方法進行說明。根據伯努利定律，分別求出由出銑孔附近的熔融物16所具有的能量與所排出的熔融物16所具有的能量的差所算出的壓力損失及根據達西-威斯巴哈（Darcy-Weisbach）方程式所算出的出銑孔內的壓力損失。設該些壓力損失相等，而導出下述（9）式。
[數4]
於所述（9）式中，P
i － O為立式爐的爐內壓與大氣壓的壓力差（atm）。ρ為熔融物16的密度（kg/m
3）。g為重力加速度（9.8 m/sec
2）。Z
S為排出開始時的熔融物16的高度與出銑孔18的出口側的高度的差（m）。d
th為出銑孔18的口徑（m）。λ為出銑孔18的內壁的摩擦係數（-）。L
th為出銑孔深度（m）。出銑孔深度是自出銑孔18排出熔融物16時所通過的耐火物長度（m）。v
0為初始排出速度（m
3/sec）。
出銑孔18的內壁的摩擦係數λ是藉由下述（10）式求出。
[數5]
於所述（10）式中，λ為出銑孔18的內壁的摩擦係數（-）。e為出銑孔內壁粗糙度（m）。d
th為出銑孔18的口徑（m）。ρ為熔融物16的密度（kg/m
3）。v
0為初始排出速度（m
3/sec）。S
dh為出銑孔18的截面面積。μ為熔融物16的黏度（Pa・s）。
立式爐的爐內壓可藉由設置於風口12內的壓力計44求出。大氣壓使用通常的值即可。熔融物16的密度ρ及黏度μ為熔鐵及礦渣的密度及黏度，本實施形態中使用黏性高而對壓力損失的影響大的礦渣的密度及黏度。熔融物16的密度ρ使用固定值（過去的實績值）即可。又，亦可使用非專利文獻1所記載的方法，使用熔融礦渣中的FeO的重量比率算出熔融物16的密度。又，於藉由非專利文獻1所記載的方法推定熔融物的黏度時，熔融物溫度可使用藉由熱電偶等溫度計45測定所排出的熔融物的溫度所得的值。
計算開始時的熔融物16的高度可藉由將初始殘留量V
0代入下文所述的（13）式而求出。出銑孔18的出口側的高度可藉由計測出銑孔18的位置而求出。出銑孔18是使用鑽頭開孔，因此出銑孔18的口徑d
th可藉由測定鑽頭的直徑而求出。又，出銑孔深度L
th可藉由測定出銑孔18開孔時的鑽頭的進入長度而求出。
出銑孔內壁粗糙度e根據開孔方法或泥漿材料、自出鋼開始起的經過時間等而變化，但根據操作解析已確認適當的是使用0.0001 m～0.01 m的範圍內的值。熔融物16的黏度μ可設為固定值（0.25 Pa・s～0.35 Pa・s）。熔融物16的黏度μ亦可使用根據CaO、MgO、Al
2O
3、SiO
2、FeO等成分濃度與溫度推定的非專利文獻2所記載的方法進行推定。出銑孔18的截面面積S
dh可使用出銑孔18的口徑d
th，並使用下述（11）式而求出。
S
dh＝（d
th/2）
2×π…（11）
藉由解出所述（9）、（10）式，可求出熔融物16的初始排出速度v
0。可使用該v
0、藉由排出量測定器46所測得的熔融物16的排出量V的實測值、藉由排出時間測定器47所測得的該熔融物16的排出時間T的實測值、及所述（8）式求出排出加速度a。只要能夠求出初始排出速度v
0與排出加速度a，則可使用所述（7）式連續算出熔融物16的排出速度v。
根據以所述方式求出的熔融物16的製造速度PV與熔融物16的排出速度v的差量，可連續檢測蓄積於爐本體10的爐底部的熔融物16的殘留量。具體而言，藉由熔融物殘留量的檢測裝置30的殘留量算出部33，使用下述（12）式，對任意時間t（sec）下的熔融物16的殘留量進行檢測。
[數6]
於所述（12）式中，V為熔融物16的殘留量（kg）。V
0為熔融物16的初始殘留量（kg）。PV為熔融物16的製造速度（kg/sec）。v為熔融物16的排出速度（m
3/sec）。ρ為熔融物16的密度（kg/m
3）。初始殘留量V
0為根據爐本體10的容量所設定的固定值。認為高爐內的熔融物16通常於距出銑孔1 m-2 m上變化，因此以熔融物16的高度成為1 m～2 m的方式，根據爐本體10的容量設定初始殘留量V
0。藉由使用所述（12）式，可對任意時間下的熔融物16的殘留量V進行檢測，因此能夠於所需的時間點檢測立式爐的熔融物16的殘留量，進而亦能夠連續檢測立式爐的熔融物16的殘留量。
藉由使用本實施形態的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置，可於任意時間點檢測立式爐的熔融物16的殘留量。藉此，可於所需的時間點實施以熔融物16的殘留量為指標的操作動作，因此與於每隔2小時～3小時的時間點實施的先前相比，能夠進一步避免高爐操作的故障。進而，於本實施形態的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置中，可於不使用特別的感測器或相機的情況下檢測熔融物16的殘留量。由此，不存在產生用以導入特別的感測器或相機的初始費用或保養費用的情況，亦可抑制熔鐵的製造成本的增加。
所述中示出使用（1）式連續檢測熔融物16的製造速度PV的例，但不限於此。例如，可根據自爐頂裝入的原料的裝入速度與原料的成分濃度算出熔融物16的製造速度PV，亦可根據製造單位重量熔鐵所使用的還原材量、爐頂氣體的成分、送風氣體的量及成分、以及原料的氧化度算出製造速度PV。
繼而，對利用熔融物殘留量的檢測裝置30的液面高度算出部34檢測熔融物16的液面高度的方法進行說明。熔融物16的液面高度可使用下述（13）式求出。
[數7]
於所述（13）式中，Z為熔融物16的液面高度（m）。V為熔融物16的量（kg）。ρ為熔融物16的密度（kg/m
3）。S為爐床截面面積（m
2）。ε
ave為固體填充結構14的平均空隙率（-）。爐床截面面積S可根據立式爐的爐底徑求出。作為平均空隙率ε
ave，於最初算出液面高度時可使用空隙率ε的初始值0.4，之後可使用藉由下述（14）式所算出的空隙率、或過去10天左右的該空隙率的算術平均值。
圖3是排出結束時的高爐20的爐底部附近的截面示意圖。如圖3所示，熔融物16的液面因由固體填充結構14及熔融物16的黏性等所產生的通液阻力，於熔融物流的上游側及下游側產生壓力差，該壓力差導致朝向出銑孔18傾斜。此時，出銑孔18的高度與出鋼結束時的熔融物16的液面高度Z的高低差Z
f、爐床徑D
h、及熔融物16的液面的傾斜角θ使得下述（14）式成立。
[數8]
於所述（14）式中，Z
f為出銑孔18的高度與排出結束時的熔融物16的液面高度Z的高低差（m）。k為以實驗方式求出的無因次任意常數（-）。無因次任意常數k可藉由非專利文獻4所記載的方法求出。例如，於通常的高爐的情形時，為k＝7.0。D
h為爐床徑（m）。μ為熔融物16的黏度（Pa・s）。ρ為熔融物16的密度（kg/m
3）。g為重力加速度（9.8 m/s
2）。d
p為固體填充結構14的粒徑（m）。ε為固體填充結構14的空隙率（-）。v
f為排出結束時的熔融物16的排出速度（m
3/sec）。S為爐床截面面積（m
2）。
固體填充結構14的粒徑d
p於自立式爐的爐頂裝入焦炭的情形時，可使用自爐頂裝入的焦炭的平均粒徑。如非專利文獻3所記載般，亦可使用考慮了自爐上部裝入的焦炭的初始粒徑分布、及焦炭下降至爐下部之前化學反應或物理性的衝擊等導致粒徑分布發生變化的影響的值。排出結束時的熔融物16的排出速度v
f可使用所述（7）式求出。
使用熔融物16的殘留量、空隙率ε
ave的初始值0.4、及所述（13）式算出第一次排出結束時的熔融物16的液面高度。根據該液面高度及出銑孔18的高度，算出第一次排出結束時的高低差Z
f、即傾斜角θ。藉由使用該傾斜角θ與所述（14）式，可算出第一次排出結束時的空隙率ε。
如上所述，於本實施形態中，根據熔融物排出結束時的熔融物的殘留量算出熔融物的液面的傾斜角，並基於該傾斜角算出排出部爐內側附近的固體填充結構的空隙率ε。並且，亦可將該空隙率ε用於算出排出結束後的熔融物16的液面高度。藉此，更新為反應最新的爐況的空隙率，因此使用該空隙率所算出的熔融物16的液面高度的檢測精度提高。
於使用所述（12）式所檢測到的熔融物16的殘留量或使用所述（13）式所檢測到的熔融物16的液面高度超過預先確定的臨限值的情形時，較佳為實施降低熔融物16的製造速度的操作動作。藉此，可避免熔融物16的液面高度變得過高，而可避免氣體通氣性變差或礦渣引起的風口堵塞等故障的發生。降低熔融物16的製造速度的動作例如為降低自風口12吹入的熱風量。亦可代替實施降低熔融物16的製造速度的操作動作，或於實施降低熔融物16的製造速度的操作動作的同時，實施提高熔融物16的排出速度的操作動作。
又，將上述熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置變更一部分，不限於高爐或立式爐，可對收容於內部形成有固體填充結構的所有容器內的液體的殘留量進行檢測。即，可於將以滲入固體填充結構的至少一部分空隙的狀態收容於容器內的液體自設置於容器的下部的排出孔排出後，對殘留於容器的底部的液體的殘留量進行檢測。
具體而言，本實施形態的液體殘留量的檢測裝置30與上述熔融物殘留量的檢測裝置30同樣，包括獲得液體的供給速度的供給速度獲得部31、獲得液體的排出速度的排出速度獲得部32、及算出液體的殘留量的殘留量算出部33。又，該液體殘留量的檢測裝置30進而包括對排出結束後的液體的液面高度進行檢測的液面高度算出部34。
並且，藉由供給速度獲得部31，利用與上述熔融物殘留量的檢測裝置30的製造速度獲得部31同樣的方法，獲得液體的供給速度。又，藉由排出速度獲得部32，利用與上述熔融物殘留量的檢測裝置30的排出速度獲得部32同樣的方法，獲得液體的供給速度及液體的排出速度。進而，藉由殘留量算出部33，利用與上述熔融物殘留量的檢測裝置30的殘留量算出部33同樣的方法，並使用所算出的液體的供給速度與液體的排出速度的差量，算出液體的殘留量。並且，藉由液面高度算出部34，利用與上述熔融物殘留量的檢測裝置30的液面高度算出部34同樣的方法，並使用液體自排出孔的排出結束時的液體的液面的傾斜角算出固體填充結構的空隙率。並且，使用所算出的空隙率與排出結束後的液體的殘留量，對排出結束後的所述液體的液面高度進行檢測。
本實施形態的液體殘留量的檢測方法及檢測裝置並不限於高爐製程，可應用於以滲入固體填充結構的至少一部分空隙的狀態收容於內部形成有固體填充結構的所有容器內的所有製程。
[實施例]
繼而，對實施例進行說明。於本實施例中，使用高爐操作中的各操作條件或測定值，求出所述（1）式及（7）式，並根據該些求出所述（12）式。然後，使用（12）式，每隔1分鐘檢測該高爐操作中的熔融物的殘留量。進而，使用（13）式，根據所檢測出的熔融物的殘留量，每隔1分鐘檢測熔融物的液面高度，同時使用所述（14）式，於每次排出結束時算出（13）式所使用的固體填充結構的平均空隙率ε
ave。
對所述熔融物的殘留量進行檢測，並且算出高爐操作中的通氣阻力指數K。通氣阻力指數K是用以評價立式爐的通氣性的通常的指標，藉由下述（15）式算出。
[數9]
於所述（15）式中，P
b為自風口吹入的熱風的送風壓力（atm）。P
t為爐頂氣體的排出壓力（atm）。BV為自風口的熱風的送風量（Nm
3/sec）。
通氣阻力指數比K
r於將作為對象的立式爐的平均的通氣阻力指數設為K
ave時，為藉由下述（16）式所算出的值。
[數10]
圖4的（a）～圖4的（d）為表示本實施例的結果的曲線圖。圖4（a）為表示熔融物的殘留量（m
3）的變動的曲線圖。圖4（a）的白色四邊形表示藉由每次排出作業的測定所檢測出的熔融物的殘留量。圖4的（a）的虛線表示熔融物的殘留量的管理值。
圖4的（b）是表示熔融物的液面高度的變動的曲線圖。圖4的（b）的黑色四邊形表示藉由每次排出作業的測定所檢測出的熔融物的液面高度。圖4的（b）的虛線表示熔融物液面高度的管理值，點線表示風口的高度。即，以熔融物的液面高度未到風口位置的方式，將低於風口的高度的位置設為熔融物液面高度的管理值。圖4的（c）為表示平均空隙率ε
ave（-）的變動的曲線圖。平均空隙率ε
ave（-）為ε的1天的移動平均值。圖4的（d）為表示通氣阻力指數比（-）的變動的曲線圖。
如圖4的（a）、圖4的（b）所示，於經過20小時之前，熔融物的殘留量增加。對應於該熔融物的殘留量的增加，熔融物的液面高度亦變高。經過18小時後，熔融物的殘留量及熔融物的液面高度超過管理值，因此實施降低熔鐵的製造速度的操作動作。藉此，經過20小時後，熔融物的殘留量開始減少，對應於此，熔融物的液面高度亦變低。如圖4的（c）所示，填充結構的平均空隙率伴隨熔融物的殘留量的增加而降低，其後，伴隨熔融物的殘留量的減少而降低，圖4的（b）所示的熔融物的殘留量成為0後轉為上升。
如圖4的（d）所示，通氣阻力指數比伴隨熔融物量的增加及熔融物的液面高度的上升而上升。通氣阻力指數比的上升意指爐內通氣性的降低，因此若通氣阻力指數比上升，則高爐操作變得不穩定。然而，經過18小時後，實施降低熔融物的製造速度的操作動作，而減少熔融物的殘留量，因此通氣阻力指數比降低，而可實現穩定的高爐的操作。
另一方面，於每次排出作業的熔融物的殘留量的檢測中，經過18小時後、經過21小時前，熔融物的殘留量大幅增加，而有熔融物的液面高度到達風口位置之虞。即便熔融物的液面高度未到風口位置，通氣阻力指數比亦大幅上升，高爐操作變得不穩定，因此無法實現穩定的高爐的操作。
如上所述，於本實施形態的熔融物殘留量的檢測方法及檢測裝置中，可於任意時間點偵測立式爐中的熔融物的殘留量，因此能夠於所需的時間點實施以該熔融物的殘留量為指標的操作動作。藉此，與每次排出作業檢測熔融物的殘留量的先前相比，可避免高爐操作中的故障，而能夠實現穩定的高爐的操作。進而，可於不使用特別的感測器或相機的情況下檢測熔融物的殘留量，因此亦可抑制花費用以導入特別的感測器或相機的初始費用或保養費用導致的熔鐵的製造成本的增加。
10:爐本體
12:風口
14:固體填充結構
16:熔融物（液體）
18:出銑孔（排出孔）
20:高爐（容器）
30:殘留量檢測裝置
31:製造速度獲得部（供給速度獲得部）
32:排出速度獲得部
33:殘留量算出部
34:液面高度算出部
35:資料庫
41:爐頂氣體分析器
42:風口流量計
43:濕度計
44:風口壓力計
45:熔融物溫度計
46:排出量測定器
47:排出時間測定器
Z
f:高低差
圖1是高爐的爐底部附近的截面示意圖。
圖2是殘留量檢測裝置的方塊圖。
圖3是排出結束時的高爐的爐底部附近的截面示意圖。
圖4的（a）～圖4的（d）是表示實施例的結果的曲線圖。
10:爐本體
12:風口
14:固體填充結構
16:熔融物(液體)
18:出銑孔(排出孔)
20:高爐(容器)
Claims (9)
- 一種液體殘留量的檢測方法，其將於藉由在內部填充固體而形成有固體填充結構的容器內以滲入所述固體填充結構的至少一部分空隙的狀態收容的液體自設置於所述容器的下部的排出孔排出後，對殘留於所述容器的底部的所述液體的殘留量進行檢測， 所述液體殘留量的檢測方法使用 所述液體的供給速度與 使用所述液體自所述排出孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度所算出的所述液體的排出速度 的差量，對所述液體的殘留量進行檢測。
- 如請求項1所述的液體殘留量的檢測方法，其使用所述液體自所述排出孔的排出結束時的所述液體的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率， 使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述液體的殘留量，對排出結束後的所述液體的液面高度進行檢測。
- 一種熔融物殘留量的檢測方法，其為立式爐中熔融物的排出結束後殘留於所述立式爐的爐底部的熔融物殘留量的檢測方法，所述立式爐為自立式爐的爐下部吹入含氧氣體，使碳燃燒，藉此產生高溫還原氣體，將自所述立式爐的爐頂裝入並於所述立式爐內形成固體填充結構的鐵源原料藉由所述高溫還原氣體熔融及還原而製造熔融物，並使所述熔融物自所述立式爐的出銑孔排出， 所述熔融物殘留量的檢測方法使用 所述熔融物的製造速度與 使用所述熔融物自所述出銑孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度所算出的所述熔融物的排出速度的差量，對所述熔融物的殘留量進行檢測。
- 如請求項3所述的熔融物殘留量的檢測方法，其使用所述熔融物自所述出銑孔的排出結束時的所述熔融物的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率， 使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述熔融物的殘留量，對排出結束後的所述熔融物的液面高度進行檢測。
- 一種立式爐的操作方法，其於藉由如請求項4所述的熔融物殘留量的檢測方法所檢測到的所述液面高度超過預先確定的臨限值的情形時， 實施降低所述熔融物的製造速度的操作動作及提高所述熔融物的排出速度的操作動作中的至少一種。
- 一種液體殘留量的檢測裝置，其將於藉由在內部填充固體而形成有固體填充結構的容器內以滲入所述固體填充結構的至少一部分空隙的狀態收容的液體自設置於所述容器的下部的排出孔排出後，對殘留於所述容器的底部的所述液體的殘留量進行檢測， 所述液體殘留量的檢測裝置包括： 供給速度獲得部，獲得所述液體的供給速度； 排出速度獲得部，使用所述液體自所述排出孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度，獲得所述液體的排出速度；以及 殘留量算出部，使用所述液體的供給速度與所述液體的排出速度的差量，算出所述液體的殘留量。
- 如請求項6所述的液體殘留量的檢測裝置，其進而包括：液面高度算出部，使用所述液體自所述排出孔的排出結束時的所述液體的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率，使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述液體的殘留量，對排出結束後的所述液體的液面高度進行檢測。
- 一種熔融物殘留量的檢測裝置，其為立式爐中熔融物的排出結束後殘留於所述立式爐的爐底部的熔融物殘留量的檢測裝置，所述立式爐為自立式爐的爐下部吹入含氧氣體，使碳燃燒，藉此產生高溫還原氣體，將自所述立式爐的爐頂裝入並於所述立式爐內形成固體填充結構的鐵源原料藉由所述高溫還原氣體熔融及還原而製造熔融物，並使所述熔融物自所述立式爐的出銑孔排出， 所述熔融物殘留量的檢測裝置包括： 製造速度獲得部，獲得所述熔融物的製造速度； 排出速度獲得部，使用所述熔融物自所述出銑孔的排出加速度、排出時間及初始排出速度獲得所述熔融物的排出速度；以及 殘留量算出部，使用所述熔融物的製造速度與所述熔融物的排出速度的差量，算出所述熔融物的殘留量。
- 如請求項8所述的熔融物殘留量的檢測裝置，其進而包括：液面高度算出部，使用所述熔融物自所述出銑孔的排出結束時的所述熔融物的液面的傾斜角，算出所述固體填充結構的空隙率，使用所算出的所述空隙率與排出結束後的所述熔融物的殘留量，對排出結束後的所述熔融物的液面高度進行檢測。
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