WO2022201721A1 - 溶融物高さの検出方法 - Google Patents

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discharge
tap
hole
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亮太郎 松永
晃太 盛家
和平 市川
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/14—Discharging devices, e.g. for slag
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangements of monitoring devices; Arrangements of safety devices

Definitions

  • the present invention relates to a melt height detection method for detecting the melt height of a blast furnace.
  • a blast furnace is one of the blast furnaces where the inside of the furnace cannot be seen directly.
  • a blast furnace is a blast furnace in which iron-rich ore and coke are charged from the top of the furnace and a mixed gas such as air or pure oxygen is blown from the bottom of the furnace to make iron.
  • the produced molten iron slag is stored at the bottom of the blast furnace, and is discharged out of the furnace through a hole called a tap hole before it reaches the blast furnace ancillary equipment.
  • Patent Document 1 There is a technology that aims to grasp the height of the melt in a blast furnace.
  • Patent Document 1 two or more images of the surface pattern of the melt discharged from the discharge hole of the blast furnace are photographed in a short time, and the discharge speed of the melt is calculated from the change in the pattern, and the discharge speed and the It is disclosed that the melt height can be calculated from the furnace pressure.
  • Means for solving the above problems are as follows.
  • a method for detecting the height of a melt in a blast furnace having a discharge hole for discharging the melt in the lower part of the furnace comprising: measuring a discharge distance of the melt discharged from the discharge hole; calculating the discharge speed of the melt discharged from the discharge hole using the height of the discharge hole and the discharge angle of the melt, and detecting the height of the melt using the discharge speed; Height detection method.
  • the melt height detection method according to (1) wherein the height of the discharge hole is measured.
  • the melt height is detected by using the resistance force received by the melt from the discharge hole until it is discharged from the discharge hole and the discharge speed. melt height detection method.
  • the discharge speed of the melt is calculated using the discharge distance of the melt discharged from the discharge hole, the height of the discharge hole, and the discharge angle of the melt.
  • the discharge speed of the melt can be calculated more accurately than the method of obtaining the discharge speed of the melt by photographing.
  • the melt height can be detected with high accuracy.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the lower part of the blast furnace 10.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a molten material 12 is discharged from a tap hole 14; It is a cross-sectional schematic diagram of the tap hole 14 through which the melt 12 passes.
  • 2 is an image showing the discharge flow of invention example 1 and invention example 2.
  • FIG. 5 is a graph showing detection results of melt height H in Invention Examples 1 and 2.
  • FIG. It is a graph which shows the time change of molten iron slag balance.
  • a blast furnace is used as a blast furnace, and an embodiment of a method for detecting the height of a molten material in the blast furnace will be described.
  • the method for detecting the melt height according to the present invention is applicable not only to the blast furnace but also to any blast furnace having a discharge hole for discharging the melt out of the furnace in the lower part of the furnace.
  • the discharge speed of the melt discharged from the discharge hole to the outside of the furnace is calculated, and the discharge speed is used to determine the height of the melt stored in the lower part of the blast furnace.
  • a method for calculating the discharge speed of the molten material discharged from the discharge hole to the outside of the furnace will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 a method for calculating the discharge speed of the molten material discharged from the discharge hole to the outside of the furnace will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view of the lower part of the blast furnace 10.
  • FIG. A plurality of tapping holes 14 are provided in the lower part of the blast furnace 10 to discharge the molten material 12 stored in the lower part of the furnace.
  • the melt 12 is hot metal and slag, or mixtures thereof, that exist as liquids in the furnace.
  • the melt 12 is discharged out of the furnace through the taphole 14 and falls in a parabolic discharge stream 16 to the surface 20 of the melt 12 in the trough 18 .
  • the tap hole 14 is an example of a discharge hole for discharging the molten material 12 stored in the lower part of the blast furnace to the outside of the furnace.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing how the molten material 12 is discharged from the tap hole 14.
  • the discharge distance L tap of the melt 12 is used to calculate the ejection speed of the melt 12 .
  • the ejection distance L tap of the melt 12 is the distance from the ejection of the melt 12 from the tap hole 14 to the position where the melt 12 falls on the surface of the melt 12 .
  • the discharge distance L tap can be measured, for example, using an image obtained by imaging the discharge flow 16 together with a subject serving as a length reference.
  • the taphole 14 height h tap is the height from the center of the taphole 14 to the liquid surface 20 where the melt 12 falls.
  • the height from the center of the tap hole 14 to the liquid surface 20 on which the molten material 12 falls may be measured using an image obtained by imaging the discharge stream 16 together with an object serving as a length reference.
  • a design value for providing the tap hole 14 may be used.
  • the central position of the tapping hole 14 changes as the molten material 12 is discharged from the tapping hole 14 and the refractory is melted. Also, the height of the liquid surface 20 may change. Therefore, it is preferable to measure the height from the center of the tap hole 14 to the liquid surface 20 where the molten material 12 falls using an image obtained by imaging the discharge flow 16 .
  • the discharge angle ⁇ tap of the melt 12 is the angle between the discharge flow 16 and the horizontal plane as the melt 12 is discharged from the taphole 14 .
  • the discharge angle ⁇ tap may be measured using an image obtained by imaging the discharge flow 16, or may be the same as the design value of the inclination angle of the center axis of the tap hole 14 with respect to the horizontal plane. That is, the height h tap of the taphole 14 and the ejection angle ⁇ tap of the melt 12 do not necessarily have to be measured.
  • FIG. 2(b) is a diagram showing a state in which the obliquely projected object 30 moves along a parabolic trajectory.
  • FIG. 2B for example, if an object 30 is obliquely projected from a height h at a projection angle ⁇ and lands after flying a flight distance L, the only force acting on the object 30 is gravity.
  • x be the horizontal direction and z be the vertical direction.
  • vx in the above equation (1) is the initial velocity (m/s) in the x direction
  • vz in the equation (2) is the initial velocity (m/s) in the z direction
  • m is the mass (kg) of the object 30
  • g is the gravitational acceleration (9.8 m/s 2 ).
  • v ini in the above equation (3) is the initial velocity (m/s) of the object 30, ⁇ is the projection angle (rad), and h is the height (m).
  • the second term on the right side of equation (3) multiplies the initial velocity in the z direction by ⁇ t.
  • L in the above equation (4) is the flying distance (m) of the object 30 in the x direction.
  • v ini is the initial velocity of the object 30 (m/s) and ⁇ is the projection angle (rad).
  • the following equation (5) is obtained by arranging the initial velocity v int of the object 30 using the above equations (3) and (4).
  • the reference for the height h is the landing position of the object 30 .
  • the height of the melt 12 is calculated using the discharge speed V tap of the melt 12 and the following equation (6).
  • ⁇ l in the above equation (6) is the density of the melt 12 (kg/m 3 ), v tap is the discharge speed of the melt 12 (m/s), and P 1 is the furnace gas pressure (Pa).
  • g is the gravitational acceleration (9.8 m/s 2 )
  • H is the height (m) of the melt 12 stored in the lower part of the furnace
  • P 2 is the gas pressure at the outlet of the tapping hole 14 ( Pa)
  • h tap is the taphole 14 height (m).
  • a past actual value may be used for the density ⁇ l of the melt 12 .
  • the density ⁇ l of the melt 12 can be calculated by proportionally dividing the hot metal density and the slag density by the mixing ratio.
  • the ejection speed v tap of the melt 12 is v int calculated by the above equation (5).
  • the in-furnace gas pressure P1 is obtained from the measured value of the pressure gauge installed in the lower part of the blast furnace 10 . Atmospheric pressure may be used as the gas pressure P2 at the outlet of the tap hole 14 .
  • the base of the height H of the molten material 12 and the height h tap of the tap hole 14 in the above equation (6) is the bottom position of the blast furnace 10 .
  • One item on the left side of the above equation (6) is a term that indicates the mechanical energy of the melt 12 stored in the lower part of the blast furnace 10 .
  • the two items on the left side of the above equation (6) represent the mechanical energy of the melt 12 immediately after being discharged from the tap hole 14 .
  • the term of the kinetic energy of the melt 12 stored in the lower part of the furnace is a sufficiently small value compared to the other terms, so it can be ignored.
  • the above formula (6) is a formula in which these mechanical energies are equal (the difference between the first and second items is 0), and by using the formula (6), the molten material 12 can be detected.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the tapping hole 14 through which the melt 12 passes.
  • f tap is the pipe friction coefficient (-) of the tap hole 14
  • W tap is the length (m) of the tap hole 14
  • D tap is the inner diameter of the tap hole 14 (m )
  • Ke is the tube inlet loss coefficient (-). Note that (-) means dimensionless.
  • the length W tap of the tap hole 14 is obtained from the penetration length of the drill when the tap hole 14 is provided.
  • the inner diameter D tap of the tap hole 14 is obtained from the diameter of the drill used when forming the tap hole 14 .
  • the pipe friction coefficient f tap of the tap hole 14 can be calculated by Swamy Jane's equation shown in the following equation (8).
  • e tap is the tap hole roughness (m)
  • D tap is the inner diameter (m) of the tap hole 14
  • Re is the Reynolds number (-) of the fluid flowing through the tap hole 14.
  • the tap hole roughness e tap varies depending on the hole opening method, mud material, elapsed time from the start of tapping, etc., but it is appropriate to use a value within the range of 0.0001 to 0.01 m based on operation analysis. One thing has been confirmed.
  • the Reynolds number Re can be calculated by the following equation (9).
  • ⁇ in the above equation (9) is the viscosity (Pa ⁇ s) of the melt 12 .
  • the viscosity ⁇ of the melt 12 is calculated by proportionally dividing the viscosities of the hot metal and molten slag by the mixing ratio.
  • Past performance values may be used for the viscosities of hot metal and slag, and the viscosities of slag are estimated from the concentrations of components such as CaO, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , and FeO and temperature. may be estimated using the method described in
  • the pipe inlet loss coefficient Ke can be calculated using the following formula (10) described in Non-Patent Document 2.
  • ⁇ tap is the ejection angle (rad) of the melt 12 .
  • the discharge distance L tap of the molten material 12 discharged from the tap hole, the height h tap of the tap hole 14, and the height h tap of the molten material 12 is calculated.
  • the discharge speed v tap of the melt 12 can be calculated more accurately than the method of obtaining the discharge speed of the melt 12 by photographing the pattern of the melt 12 .
  • the calculated discharge speed v tap of the melt 12 is calculated using the above equation (6) which assumes that .
  • the discharge speed v tap of the melt 12 calculated more accurately than the method of obtaining the discharge speed of the melt 12 by photographing the pattern of the melt 12 is used. Since the height H of the melted material 12 is calculated by using the height H of the melted material 12, the detection accuracy of the height H of the melted material 12 is also improved.
  • the adequacy of the melt height detection method according to the present embodiment was confirmed using a large blast furnace with a capacity of about 5000 m 3 .
  • the discharge flow of the molten material was imaged immediately after the hole was opened, and the discharge distance L tap and the taphole height h tap were measured from the image generated by the imaging.
  • the imaging of the discharge stream was performed using a video camera capable of capturing image data of an image size of 2064 ⁇ 1544 and having a guaranteed operating temperature of 70°C.
  • a video camera was used to take two images of the discharged flow at different times.
  • An example in which the ejection speed v tap and the melt height H are detected from the first captured image is Invention Example 1, and an example in which the ejection speed v tap and the melt height H are detected from the second captured image is the invention. Take example 2.
  • FIG. 4 is an image showing the discharge flow of Inventive Example 1 and Inventive Example 2.
  • FIG. 4(a) is an image of the discharge flow of Invention Example 1
  • FIG. 4(b) is an image of the discharge flow of Invention Example 2.
  • FIG. 4S. 4(a) and 4(b) the surface layer of the exhaust flow, that is, the interface between the exhaust flow and the outside air is not smooth but has an irregularly wavy shape. This indicates that the surface layer of the discharge flow is subject to strong viscous resistance from the inner wall of the discharge hole and the outside air, so that the discharge flow is turbulent only in the vicinity of the surface layer of the discharge flow.
  • the calculation method according to the present invention is more accurate than the conventional method of estimating the flow velocity from the position change of the image, for example. confirmed.
  • the discharge distance L tap and the tap hole height h tap were measured from the image, and the discharge speed v tap was calculated using these.
  • Table 1 below shows the measurement results of the discharge distance L tap , the tap hole height h tap , the tap hole inclination angle ⁇ tap and the discharge speed v tap .
  • melt height H in Invention Examples 1 and 2 was calculated using the discharge speed v tap .
  • Each parameter used when calculating the melt height H is shown in Table 2 below.
  • FIG. 5 is a graph showing the detection results of the melt height H in Invention Examples 1 and 2.
  • the melt heights H detected in Invention Examples 1 and 2 were both within the height of the tap hole and the height of the tuyere. Furthermore, the melt height H was higher in invention example 2, which has a higher discharge speed than in invention example 1.
  • the hot metal slag balance means a value obtained by subtracting the amount of slag produced from the amount of slag tapped in terms of volume.
  • a hot metal slag balance of 0 means that the amount of tapped slag is equal to the amount of slag produced.
  • the hot metal slag balance is greater than 0, it means that the amount of tapped slag is larger than the amount of slag produced, and the amount of molten material stored in the lower part of the furnace is small, so the molten material height H is low.
  • the hot metal slag balance is less than 0, it means that the amount of tapped slag is less than the amount of slag produced, and the amount of molten material stored in the lower part of the furnace increases, so the height H of the molten material increases.
  • the amount of ironmaking slag was obtained from the oxygen balance of the blast furnace per unit time, the percentage of oxygen contained in iron oxide in the raw material charged from the top of the furnace, and the percentage of gangue in the charged raw material. Specifically, the pig iron production amount was calculated using the following formula (11), the slag production amount was calculated using the following formula (12), and the iron production slag amount was calculated by adding these values.
  • Wp is the pig iron production amount (t/hour)
  • Ws is the slag production amount ( t /hour).
  • N top is the amount of oxygen atoms per hour in the top gas (mol/hour)
  • N tuy is the amount of oxygen atoms per hour blown from the tuyeres (mol/hour).
  • R Fe/O is the average number ( ⁇ ) of iron atoms per oxygen atom in the iron oxide in the raw material charged from the furnace top
  • M Fe is the molar mass of iron (t/mol).
  • R FeHM is the mass fraction (-) of iron in hot metal
  • R G/Fe is the mass of charged gangue per ton of hot metal (t/hot metal).
  • N top is obtained by analyzing the components of the furnace top gas.
  • N tuy can be obtained by analyzing the components of the blast gas blown from the tuyeres.
  • R Fe/O and R G/Fe can be obtained by analyzing the composition of raw materials charged from the top of the furnace.
  • R FeHM is obtained by component analysis of hot metal tapped from the tap hole.
  • Fig. 6 is a graph showing the time change of the molten iron slag balance.
  • the time of invention example 1 shown in FIG. 6 is the time when the discharge flow was imaged as invention example 1.
  • the time of invention example 2 is the time when the discharge flow was imaged as invention example 2.
  • FIG. 6 is a graph showing the time change of the molten iron slag balance.
  • the time of invention example 1 shown in FIG. 6 is the time when the discharge flow was imaged as invention example 1.
  • the time of invention example 2 is the time when the discharge flow was imaged as invention example 2.
  • the amount of molten material stored in the lower part of the furnace increases from the time of Invention Example 1 to the time of Invention Example 2. Therefore, the height H of the molten material stored in the lower part of the blast furnace is higher at the time of invention example 2 than at the time of invention example 1.
  • the melt height H detected by the melt height detection method according to the present embodiment is also higher in Invention Example 2 than in Invention Example. The trends coincided.
  • the melt height balance is calculated from the hot metal balance and the slag balance.
  • the hot metal balance is the value obtained by subtracting the amount of tapped iron (t) from the amount of pig iron (t) in the target tapped iron
  • the slag balance is the amount of slag output from the amount of slag (t). It is the value after subtracting (t). If these balance values are negative, it indicates that the amount of molten iron slag in the furnace increases, and if positive, it indicates that it decreases.
  • these balances are weights (t)
  • they can be converted to melt height balances by dividing these balance values by the density and the cross-sectional area of the hearth.
  • the molten iron balance, the slag balance, and the following equation (13) were used to calculate the melt height balance.
  • Molten material height balance [hot metal balance (t)/hot metal density (kg/m 3 ) + slag balance (t)/molten slag density (kg/m 3 )]/hearth effective cross-sectional area (m 2 ) ⁇ (13)
  • Table 3 below shows the hot metal balance, the slag balance, and the melt height balance calculated using these at the time of Invention Example 1 and at the time of Invention Example 2 shown in FIG.
  • the effective cross-sectional area of the hearth (m 2 ) in the above equation (13) was calculated by multiplying the cross-sectional area of the furnace lower part by the porosity, taking the porosity of the lower part of the furnace as 0.35 based on the past results.
  • the melt height difference of 1.63 m calculated from this melt height balance the difference between the melt height of Invention Example 1 and the melt height of Invention Example 2 shown in FIG. I know it will be. From this result, it was confirmed that the melt height in the blast furnace can be detected with high accuracy by using the melt height detection method according to the present embodiment.

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Abstract

炉下部に溶融物を排出する排出孔を有する溶鉱炉の溶融物高さの検出方法であって、排出孔から排出される溶融物の排出距離を測定し、排出距離と、排出孔の高さと溶融物の排出角度と、を用いて排出孔から排出される溶融物の排出速度を算出し、排出速度を用いて溶融物高さを検出する。

Description

溶融物高さの検出方法
　本発明は、溶鉱炉の溶融物高さを検出する溶融物高さの検出方法に関する。
　炉内を直接目視できない溶鉱炉の１つに高炉がある。高炉は、鉄分を多く含む鉱石とコークスとを炉頂から装入し、空気や純酸素などの混合ガスを炉下部から吹き込むことで製銑を行う溶鉱炉である。高炉底部には生産された溶銑滓が貯留されており、溶銑滓が高炉付帯設備に達する前に出銑孔と呼ばれる穴から炉外に排出される。以上のような生産方法を行う際には、計画された生産量を達成するべくトラブル無く安定して操業することが求められる。
　しかしながら、出銑孔を空ける設備の故障や溶銑滓の流動性悪化などが原因で、溶銑滓が高炉底部に過剰に貯留されることがある。すると、ガスの流動領域の狭窄による通気性の悪化や溶滓による羽口閉塞が起こり、最悪の場合は生産停止になる。このため、溶鉱炉を安定して操業する上で溶融物高さの把握は必要である。
　溶鉱炉における溶融物高さの把握を目的とした技術は存在する。例えば、特許文献１には、溶鉱炉の排出孔から排出される溶融物の表面の模様を短時間で２枚以上撮影し、当該模様の変化から溶融物の排出速度を算出し、当該排出速度と炉内圧力とから溶融物高さを計算できることが開示されている。
特開２０１７－１６０４９８号公報
杉山喬、外３名、「高炉滴下帯における液流れの解析」、鉄と鋼、第７３年（１９８７）、第１５号、Ｐ２０４４－２０５１ 澤本正樹、「流れの力学」、共立出版、２００５年度版、Ｐ５８－５９
　しかしながら、排出孔の内部を流れる溶融物は排出孔内壁の抵抗を受けるため、内壁に接して流れる溶融物の速度は、排出孔の中心を流れる溶融物の速度よりも小さくなる。このため、溶融物が排出孔から排出されるときに排出孔の内壁に接してきた外側の溶融物の速度は排出孔の中心を流れてきた内側の溶融物の速度よりも遅くなる。一方、排出孔から排出される溶融物のうち、撮影されるのは外側の溶融物の模様なので、撮影によって求められる溶融物の出銑速度は実際の排出速度よりも遅くなる。このように、特許文献１に開示された方法では正確な溶融物の排出速度を求めることができないので、当該排出速度から算出される溶融物高さの算出精度が低くなるという課題があった。本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、溶融物の排出速度を正確に測定し、高い精度で溶融物高さを検出できる溶融物高さの検出方法を提供することである。
　上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
（１）炉下部に溶融物を排出する排出孔を有する溶鉱炉の溶融物高さの検出方法であって、前記排出孔から排出される溶融物の排出距離を測定し、前記排出距離と、前記排出孔の高さと、前記溶融物の排出角度と、を用いて前記排出孔から排出される前記溶融物の排出速度を算出し、前記排出速度を用いて前記溶融物高さを検出する、溶融物高さの検出方法。
（２）前記排出孔の高さを測定する、（１）に記載の溶融物高さの検出方法。
（３）前記排出孔から排出されるまでに前記溶融物が前記排出孔から受ける抵抗力と、前記排出速度とを用いて前記溶融物高さを検出する、（１）または（２）に記載の溶融物高さの検出方法。
　本発明に係る溶融物高さの検出方法では、排出孔から排出される溶融物の排出距離と、排出孔の高さと、溶融物の排出角度とを用いて溶融物の排出速度を算出する。これにより、撮影によって溶融物の排出速度を求める方法よりも正確に溶融物の排出速度を算出できる。この溶融物の排出速度を用いて溶融物高さを検出することで、高い精度での溶融物高さの検出が実現できる。
高炉１０の炉下部の部分断面図である。 溶融物１２が出銑孔１４から排出される状況を示す模式図である。 溶融物１２が通る出銑孔１４の断面模式図である。 発明例１および発明例２の排出流を示す画像である。 発明例１および発明例２の溶融物高さＨの検出結果を示すグラフである。 溶銑滓バランスの時間変化を示すグラフである。
　以下、本発明を発明の実施形態を通じて説明する。本実施形態では、溶鉱炉として高炉を用い、当該高炉における溶融物高さの検出方法の実施形態を説明する。但し、本発明に係る溶融物高さの検出方法は、高炉に限らず、炉下部に溶融物を炉外に排出する排出孔を有する溶鉱炉であれば適用できる。
　本実施形態に係る溶融物高さの検出方法では、排出孔から炉外に排出される溶融物の排出速度を算出し、当該排出速度を用いて高炉の炉下部に貯留されている溶融物高さを検出する。まず、図１～図３を用いて排出孔から炉外に排出される溶融物の排出速度の算出方法について説明する。
　図１は、高炉１０の炉下部の部分断面図である。高炉１０の炉下部には、炉下部に貯留される溶融物１２を排出する出銑孔１４が複数設けられている。溶融物１２は炉内で液体として存在している溶銑および溶滓、またはこれらの混合物である。溶融物１２は出銑孔１４から炉外に排出され、放物線状の排出流１６となって樋１８の溶融物１２の液面２０に落下する。本実施形態において、出銑孔１４は、溶鉱炉の炉下部に貯留される溶融物１２を炉外に排出する排出孔の一例である。
　図２は、溶融物１２が出銑孔１４から排出される状況を示す模式図である。本実施形態に係る溶融物高さの検出方法では、図２（ａ）に示す溶融物１２の排出距離Ｌｔａｐと、出銑孔１４の高さｈｔａｐと、溶融物１２の排出角度θｔａｐとを用いて溶融物１２の排出速度を算出する。溶融物１２の排出距離Ｌｔａｐは、溶融物１２が出銑孔１４から排出されてから溶融物１２の液面に落下する位置までの距離である。排出距離Ｌｔａｐは、例えば、長さの基準となる被写体とともに排出流１６を撮像して得られる画像を用いて測定できる。
　出銑孔１４の高さｈｔａｐは、出銑孔１４の中心から溶融物１２が落下する液面２０までの高さである。出銑孔１４の中心から溶融物１２が落下する液面２０までの高さは、長さの基準となる被写体とともに排出流１６を撮像して得られる画像を用いて測定してよく、また、出銑孔１４を設ける設計値を用いてもよい。なお、出銑孔１４の中心位置は、出銑孔１４からの溶融物１２の排出とともに耐火物が溶損しその位置が変化する。また、液面２０の高さも変化する場合がある。このため、出銑孔１４の中心から溶融物１２が落下する液面２０までの高さは、排出流１６を撮像して得られる画像を用いて測定することが好ましい。
　溶融物１２の排出角度θｔａｐは、溶融物１２が出銑孔１４から排出される際の排出流１６と水平面とがなす角度である。排出角度θｔａｐは、排出流１６を撮像して得られる画像を用いて測定してもよく、また、出銑孔１４の中心軸の水平面に対する傾斜角度の設計値と同じとしてもよい。すなわち、出銑孔１４の高さｈｔａｐおよび溶融物１２の排出角度θｔａｐは、必ずしも測定しなくてもよい。
　図２（ｂ）は、斜方投射された物体３０が放物線状の軌跡で運動する状態を示した図である。図２（ｂ）に示すように、例えば、物体３０が高さｈから投射角度θで斜方投射され、飛距離Ｌだけ飛んで着地したとすると、この物体３０に働く力は重力のみなので、左右方向をｘとし、上下方向をｚとすると、物体３０の運動方程式は下記（１）式および（２）式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記（１）式のｖｘはｘ方向の初速度（ｍ／ｓ）であり、（２）式のｖｚはｚ方向の初速度（ｍ／ｓ）である。また、ｍは物体３０の質量（ｋｇ）であり、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓ２）である。
　まず、ｚ方向の移動距離について考える。物体３０が投射されてから着地するまでの時間をΔｔ秒とすると、物体３０はΔｔ秒かけて高さｈだけ下降する。このため、ｚ方向の移動距離については下記（３）式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　上記（３）式のｖｉｎｉは物体３０の初速度（ｍ／ｓ）であり、θは投射角度（ｒａｄ）であり、ｈは高さ（ｍ）である。（３）式の右辺の第２項目はｚ方向の初速度にΔｔを乗じている。
　次に、ｘ方向の移動距離について考える。斜方投射ではｘ方向に掛かる力はないので、ｘ方向の初速度が着地するまで維持される。このため、物体３０が投射されてから着地するまでの時間をΔｔとすると、物体３０はΔｔ秒かけて飛距離Ｌだけ移動する。このため、ｘ方向の移動距離については下記（４）式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　上記（４）式のＬは物体３０のｘ方向の飛距離（ｍ）である。ｖｉｎｉは物体３０の初速度（ｍ／ｓ）であり、θは投射角度（ｒａｄ）である。
　上記（３）式および（４）式を用いて物体３０の初速度ｖｉｎｔについて整理すると下記（５）式が導かれる。なお、下記（５）式において、高さｈの基準は物体３０の着地位置である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上記（５）式を溶融物１２の排出速度Ｖｔａｐの計算に適応すれば、Ｖｉｎｉが溶融物１２の排出速度Ｖｔａｐ（ｍ／ｓ）となり、Ｌが溶融物１２の排出距離Ｌｔａｐ（ｍ）となり、ｈは出銑孔１４の高さｈｔａｐ（ｍ）となり、θは溶融物１２の排出角度θｔａｐ（ｒａｄ）となる。したがって、上記（５）式と、溶融物１２の排出距離Ｌｔａｐと、出銑孔１４の高さｈｔａｐと、溶融物１２の排出角度θｔａｐとを用いることで溶融物１２の排出速度が算出できる。すなわち、排出流の形状を撮影して力学に基づく推定式と組み合わせることで溶融物の速度を推定する方法であり、これにより出銑孔内壁の抵抗に起因する速度計測の誤差を低減でき、溶融物の排出速度を正確に算出することが可能となる。
　次に、排出速度Ｖｔａｐから溶融物１２の高さを検出する方法について説明する。本実施形態に係る溶融物高さの検出方法では、溶融物１２の排出速度Ｖｔａｐと、下記（６）式とを用いて溶融物１２の高さを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　上記（６）式のρｌは溶融物１２の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、ｖｔａｐは溶融物１２の排出速度（ｍ／ｓ）であり、Ｐ１は炉内ガス圧力（Ｐａ）であり、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓ２）であり、Ｈは炉下部に貯留される溶融物１２の高さ（ｍ）であり、Ｐ２は出銑孔１４出口のガス圧力（Ｐａ）であり、ｈｔａｐは出銑孔１４の高さ（ｍ）である。
　溶融物１２の密度ρｌは過去の実績値を用いてよい。また、溶融物１２が溶銑および溶滓を含む場合には、溶銑密度と溶滓密度とを混合率で按分することで溶融物１２の密度ρｌを算出できる。溶融物１２の排出速度ｖｔａｐは上記（５）式で算出されるｖｉｎｔである。炉内ガス圧力Ｐ１は高炉１０の炉下部に設置されている圧力計の測定値から求められる。出銑孔１４出口のガス圧力Ｐ２は大気圧を用いてよい。また、上記（６）式の溶融物１２の高さＨおよび出銑孔１４の高さｈｔａｐの基準は高炉１０の炉底位置である。
　上記（６）式の左辺の１項目は、高炉１０の炉下部に貯留される溶融物１２の力学的エネルギーを示す項である。上記（６）式の左辺の２項目は、出銑孔１４から排出された直後の溶融物１２の力学的エネルギーを示す項である。なお、炉下部に貯留される溶融物１２の運動エネルギーの項は、他項と比較して十分小さい値であるので無視してよい。上記（６）式は、これらの力学的エネルギーが等しい（１項目と２項目との差が０）とする式であり、当該（６）式を用いることで炉下部に貯留される溶融物１２の高さＨを検出できる。
　図３は、溶融物１２が通る出銑孔１４の断面模式図である。高炉１０の炉下部に貯留されている溶融物１２が炉外に排出される際に、溶融物１２は出銑孔１４から抵抗力を受ける。このため、上記（６）式に当該抵抗力による影響を考慮した下記（７）式を用いて溶融物１２の高さＨを算出することが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上記（７）式のｆｔａｐは出銑孔１４の管摩擦係数（－）であり、Ｗｔａｐは出銑孔１４の長さ（ｍ）であり、Ｄｔａｐは出銑孔１４の内径（ｍ）であり、Ｋｅは管入口損失係数（－）である。なお、（－）は無次元であることを意味する。
　出銑孔１４の長さＷｔａｐは出銑孔１４を設けるときのドリルの侵入長さから求められる。出銑孔１４の内径Ｄｔａｐは出銑孔１４を設ける際に使用されるドリルの直径から求められる。また、出銑孔１４の管摩擦係数ｆｔａｐは下記（８）式に示すスワミージェインの式で計算できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　上記（８）式のｅｔａｐは出銑孔粗度（ｍ）であり、Ｄｔａｐは出銑孔１４の内径（ｍ）であり、Ｒｅは出銑孔１４を流れる流体のレイノルズ数（－）である。
　出銑孔粗度ｅｔａｐは、開孔方法やマッド材、出銑開始からの経過時間などで変化するが、操業解析から０．０００１～０．０１ｍの範囲内の値を用いることが妥当であることが確認されている。レイノルズ数Ｒｅは、下記（９）式で算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　
　上記（９）式のμは溶融物１２の粘度（Ｐａ・ｓ）である。溶融物１２の粘度μは溶銑および溶滓の粘度を混合率で按分して算出される。溶銑および溶滓の粘度は過去の実績値を用いてよく、また、溶滓の粘度はＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＦｅＯなどの成分濃度と温度とから推定する非特許文献１に記載されている方法を用いて推定してもよい。
　管入口損失係数Ｋｅは、非特許文献２に記載されている下記（１０）式を用いて算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　上記（１０）式においてθｔａｐは溶融物１２の排出角度（ｒａｄ）である。
　このように、本実施形態に係る溶融物高さの検出方法では、出銑孔から排出される溶融物１２の排出距離Ｌｔａｐと、出銑孔１４の高さｈｔａｐと、溶融物１２の排出角度θｔａｐとを用いて、出銑孔１４から炉外へ排出される溶融物１２の排出速度ｖｔａｐを算出する。これにより、溶融物１２の模様を撮影することによって溶融物１２の排出速度を求める方法よりも正確に溶融物１２の排出速度ｖｔａｐを算出できる。
　そして、算出した溶融物１２の排出速度ｖｔａｐと、炉下部に貯留されている溶融物１２の力学的エネルギーと、出銑孔１４から炉外に排出された直後の溶融物１２の力学的エネルギーとが等しいとする上記（６）式とを用いて溶融物１２の高さＨを算出する。本実施形態に係る溶融物高さの検出方法では、溶融物１２の模様を撮影することによって溶融物１２の排出速度を求める方法よりも正確に算出された溶融物１２の排出速度ｖｔａｐを用いて溶融物１２の高さＨを算出するので、溶融物１２の高さＨの検出精度も向上する。
　さらに、溶融物１２の高さＨを検出する場合に、上記（６）式に代えて出銑孔１４から溶融物１２が受ける抵抗力を考慮した上記（７）を用いることが好ましい。これにより、溶融物１２の高さＨの検出精度のさらなる向上が実現できる。
　次に、容量約５０００ｍ３の大型高炉を用いて本実施形態に係る溶融物高さの検出方法の妥当性を確認した実施例を説明する。本実施例では、開孔直後の溶融物の排出流を撮像し、当該撮像によって生成された画像から排出距離Ｌｔａｐと出銑孔の高さｈｔａｐを計測した。排出流の撮像は、動作保証温度が７０℃であって２０６４×１５４４の画像サイズの画像データが撮像できるビデオカメラを用いて実施した。本実施例では、ビデオカメラを用いて、時間を変えて排出流の撮像を２回行った。１回目の撮像画像から排出速度ｖｔａｐおよび溶融物高さＨを検出した実施例を発明例１とし、２回目の撮像画像から排出速度ｖｔａｐおよび溶融物高さＨを検出した実施例を発明例２とする。
　図４は、発明例１および発明例２の排出流を示す画像である。図４（ａ）が発明例１の排出流の画像であり、図４（ｂ）が発明例２の排出流の画像である。図４（ａ）（ｂ）に示すとおり、排出流の表層部分、すなわち排出流と外気との境界面はなめらかな面ではなく、不規則に波打った形状となっている。これは排出流の表層部分は排出孔の内壁や外気から強い粘性抵抗力を受けているので、排出流の表層近傍のみ排出流流れが乱流化していることを示している。このとき表層近傍の排出流の流速は乱流により不規則に変動するため、例えば従来の画像の位置変化から流速を推定する方法と比較して、本発明による算出方法がより精度に優れることを確認した。発明例１および発明例２において、当該画像から排出距離Ｌｔａｐおよび出銑孔の高さｈｔａｐを計測し、これらを用いて排出速度ｖｔａｐを算出した。排出距離Ｌｔａｐ、出銑孔の高さｈｔａｐの計測結果および出銑孔の傾斜角度θｔａｐおよび排出速度ｖｔａｐを下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　さらに、上記排出速度ｖｔａｐを用いて、発明例１および発明例２における溶融物高さＨを算出した。溶融物高さＨを算出する際に用いた各パラメータを下記表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　図５は、発明例１および発明例２の溶融物高さＨの検出結果を示すグラフである。発明例１および発明例２で検出された溶融物高さＨは、いずれも出銑孔の高さと羽口高さとの間に収まっていた。さらに、発明例１よりも排出速度が速い発明例２の方が溶融物高さＨは高くなった。
　次に、高炉操業データである溶銑滓バランスを用いて、図６に示した溶融物高さＨの算出結果の妥当性を確認した。溶銑滓バランスとは、体積換算での出銑滓量から造銑滓量を減じた値を意味する。溶銑滓バランスが０とは、出銑滓量と造銑滓量とが等しいことを意味する。溶銑滓バランスが０より大きいときは出銑滓量が造銑滓量よりも多いことを意味し、炉下部に貯留される溶融物の量は少なくなるので溶融物高さＨは低くなる。一方、溶銑滓バランスが０より小さいときは出銑滓量が造銑滓量より少ないことを意味し、炉下部に貯留される溶融物の量は多くなるので溶融物高さＨは高くなる。
　造銑滓量は、単位時間当たりの高炉の酸素収支と、炉頂から装入される原料中の酸化鉄における含有酸素の割合と、装入原料中の脈石分の割合から求めた。具体的には下記（１１）式を用いて造銑鉄量を算出し、下記（１２）式を用いて造滓量を算出し、これらを合算することで造銑滓量を算出した。
　Ｗｐ＝（Ｎｔｏｐ－Ｎｔｕｙ）×（ＲＦｅ／Ｏ）×ＭＦｅ÷ＲＦｅＨＭ・・・（１１）
　Ｗｓ＝Ｗｐ×ＲＧ／Ｆｅ・・・（１２）
　上記（１１）式および（１２）式において、Ｗｐは造銑鉄量（ｔ／時間）であり、Ｗｓは造滓量（ｔ／時間）である。また、Ｎｔｏｐは炉頂ガス中の時間あたりの酸素原子の物質量（ｍｏｌ／時間）であり、Ｎｔｕｙは羽口から吹込まれる時間当たりの酸素原子の物質量（ｍｏｌ／時間）であり、ＲＦｅ／Ｏは、炉頂から装入される原料中の酸化鉄における酸素原子１個当たりの鉄原子の平均個数（－）であり、ＭＦｅは鉄のモル質量（ｔ／ｍоｌ）であり、ＲＦｅＨＭは溶銑中の鉄の質量分率（－）であり、ＲＧ／Ｆｅは溶銑１ｔ当たりの装入脈石分の質量（ｔ／溶銑）である。
　Ｎｔｏｐは炉頂ガスを成分分析することで求められる。Ｎｔｕｙは羽口から吹込む送風ガスを成分分析することで求められる。ＲＦｅ／ＯおよびＲＧ／Ｆｅは炉頂から装入される原料を成分分析することで求められる。ＲＦｅＨＭは出銑孔から出銑される溶銑を成分分析することで求められる。
　図６は、溶銑滓バランスの時間変化を示すグラフである。図６に示した発明例１時刻とは、発明例１として排出流の撮像を行った時刻である。また、発明例２時刻とは、発明例２として排出流の撮像を行った時刻である。
　溶銑滓バランスの時間変化から、発明例１の時点から発明例２の時点に至るまでに炉下部に貯留される溶融物の量は増加することがわかる。このため、高炉の炉下部に貯留される溶融物高さＨは発明例１の時刻よりも発明例２の時刻の方が高くなる。これに対し、図５に示したように、本実施形態に係る溶融物高さの検出方法で検出された溶融物高さＨも発明例よりも発明例２の方が高くなっており、その傾向は一致した。
　次に、図５に示した溶融物高さＨの検出結果を、溶融物高さバランスを用いて確認した結果について説明する。溶融物高さバランスは、溶銑バランスと溶滓バランスから算出される。ここで、溶銑バランスとは、対象となる出銑において造銑鉄量（ｔ）から出銑鉄量（ｔ）を差し引いた値であり、溶滓バランスとは、造滓量（ｔ）から出滓量（ｔ）を差し引いた値である。これらのバランスの値が負であれば炉内の溶銑滓量が増加することを示し、正であれば減少することを示す。これらバランスは重量（ｔ）であるので、これらバランス値を密度と炉床断面積で除することで溶融物高さバランスに換算できる。具体的には、溶銑バランス、溶滓バランスおよび下記（１３）式を用いて溶融物高さバランスを算出した。
　溶融物高さバランス＝［溶銑バランス（ｔ）／溶銑密度（ｋｇ／ｍ３）＋溶滓バランス（ｔ）／溶滓密度（ｋｇ／ｍ３）］／炉床有効断面積（ｍ２）・・・（１３）
　図６に示した発明例１の時点および発明例２の時点の溶銑バランス、溶滓バランスおよびこれらを用いて算出された溶融物高さバランスを下記表３に示す。なお、上記（１３）式における炉床有効断面積（ｍ２）は、過去の実績から炉下部の空隙率を０．３５とし、炉下部の断面積に当該空隙率を乗じて算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　表３に示すように、溶融物高さバランスから計算される発明例１の時点と発明例２の時点との溶融物高さの差は１．６３ｍ（－０．８９－（－２．５２）＝１．６３）となった。この溶融物高さバランスから計算された溶融物高さの差１．６３ｍに対し、図５に示した発明例１の溶融物高さと発明例２の溶融物高さとの差もほぼ同じ値になることがわかる。この結果から、本実施形態に係る溶融物高さの検出方法を用いることで高炉内の溶融物高さを高い精度で検出できることが確認された。
　１０　高炉
　１２　溶融物
　１４　出銑孔
　１６　排出流
　１８　樋
　２０　液面
　３０　物体

Claims (3)

  1. 　炉下部に溶融物を排出する排出孔を有する溶鉱炉の溶融物高さの検出方法であって、
    　前記排出孔から排出される溶融物の排出距離を測定し、
    　前記排出距離と、前記排出孔の高さと、前記溶融物の排出角度と、を用いて前記排出孔から排出される前記溶融物の排出速度を算出し、
    　前記排出速度を用いて前記溶融物高さを検出する、溶融物高さの検出方法。
  2. 　前記排出孔の高さを測定する、請求項１に記載の溶融物高さの検出方法。
  3. 　前記排出孔から排出されるまでに前記溶融物が前記排出孔から受ける抵抗力と、前記排出速度とを用いて前記溶融物高さを検出する、請求項１または請求項２に記載の溶融物高さの検出方法。

     
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