JP6897751B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉操業方法に関し、高炉に装入する原料の粒度をオンラインで測定し、原料の粒度変化に応じてベルレスパターンを調整することにより、高炉内でのガス流分布の変動を抑止しようとするものである。

一般に、高炉では、炉頂部から原料である鉱石（鉱石にコークスの一部が混合される場合もある）とコークスが交互に装入され、炉内には鉱石層とコークス層が交互に堆積した状態で原料が充填される。

高炉の操業では、炉頂部での装入物分布を適正な状態に維持することが重要であり、装入物分布が適正でないとガス流分布の不均一化や、ガス通気性の低下、還元効率の低下などにより、生産性の低下や高炉操業の不安定化を招く。したがって、ガス流分布を適正に制御することにより、高炉操業の安定化を図ることが可能となる。

ガス流分布を制御する手段の一つとして、旋回シュート（分配シュート）を備えたベルレス装入装置を用いた方法が知られている。この装入装置では、旋回シュートの傾動角と旋回速度を選択することにより、炉半径方向での原料の落下位置と堆積量を調整することが可能で、装入物分布を制御することによりガス流分布を制御することができる。

一方、高炉への装入物の粒度は、事前に整粒や篩分けを行って調整しているものの、製造・搬送工程や処理の仕方によって大きく変動する。装入物の粒径変化は高炉内ガス流分布に大きく影響するため、一定の装入物分布で操業していても、粒度変動によりガス流分布が変動し、高炉操業の不安定化を招くおそれがある。
従来、装入物の粒度分布は、搬送過程等でサンプリングし、オフラインで測定していた。そのため、測定頻度も低く、また、測定結果が出るまでに時間がかかるため、粒度変動に対して、実質的に打つ手がなかった。

近年では、オンラインで粒度を測定する方法も検討され、貯蔵ホッパー内に空気を吹き込み、通気抵抗から粒度を推定する方法（例えば特許文献１）や、搬送過程に設置した検出装置により粒度や粉率を測定する方法（例えば特許文献２）が提案されている。
その他、コークステラスの長さやコークス傾斜角を所定の範囲に調整することで、粒度変動の影響を受けにくい装入物分布形状を形成する方法（例えば特許文献３）が提案されている。

特開２００５−２４１５８３号公報 特許第６０４４５３６号公報 特許第４１８２６６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法は、ホッパー内の通気抵抗を測定しているが、例えば平均粒度が同じでも粒度分布が異なれば通気抵抗は大きく変わるため、この方法で推定される粒度は誤差が大きく、実用化には課題がある。

また、特許文献２に開示される方法は、装入物の粒度や粉率を連続的に測定できるものの、得られた粒度から高炉の通気性を管理する具体的な手法が示されていないため、これだけでは刻一刻と変化する粒度変動に対応することはできない。

さらに、特許文献３に開示される方法は、堆積形状の安定化を狙ったものであるが、粒度が変動した際、たとえ堆積形状が安定していても、内部の粒度構成が変化するとガス流分布は変化するため、やはり操業安定化の方法としては十分とはいえない。

本発明は、上記の課題を解決するもので、装入物の粒度をオンラインで測定し、測定した粒度から高炉内での堆積形状および径方向のガス流分布を予測し、この予測に基づいて、装入物の粒度変化に起因したガス流分布の変動を抑止するための装入物分布の調整を行うことができる高炉操業方法を提案することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
１．コークスと鉱石を、炉頂設置した旋回シュートを用いて炉内に交互に装入するベルレス高炉において、コークスと鉱石のいずれかまたは両方の粒度を、高炉の炉頂バンカーへの搬送過程に設置したオンラインの粒度計を用いて測定し、測定した粒度とその時のベルレスパターンを数学モデルに自動的に取り込み、該数学モデルを用いて、高炉内での堆積形状および径方向のガス流分布を予測し、装入物の粒度変化に起因したガス流分布の変動を抑止するように、装入物分布を調整する高炉操業方法。

２．コークスと、コークスを一部混合した鉱石を、炉頂設置した旋回シュートを用いて炉内に交互に装入するベルレス高炉において、少なくとも鉱石中に混合するコークスの粒度を、高炉の炉頂バンカーへの搬送過程に設置したオンラインの粒度計を用いて測定し、測定した粒度とその時のベルレスパターンを数学モデルに自動的に取り込み、該数学モデルを用いて、高炉内での堆積形状および径方向のガス流分布を予測し、装入物の粒度変化に起因したガス流分布の変動を抑止するように、装入物分布を調整する高炉操業方法。

３．前記装入物分布を自動計算して調整する前記１または２に記載の高炉操業方法。

４．前記オンラインの粒度計を、前記搬送過程における搬送コンベアに設置した前記１から３のいずれかに記載の高炉操業方法。

５．前記オンラインの粒度計を、前記搬送過程における装入ベルトコンベアに設置した前記１から４のいずれかに記載の高炉操業方法。

６．前記オンラインの粒度計を、前記搬送過程における搬送コンベアからの落下位置および／または前記搬送過程における装入ベルトコンベアからの落下位置に設置した前記１から５のいずれかに記載の高炉操業方法。

７．前記数学モデルに自動的に取り込む粒度は、前記オンラインの粒度計を用いて測定した粒度の、モード径以上の範囲の粒度である前記１から６のいずれかに記載の高炉操業方法。

本発明によれば、高炉に装入する原料の粒度をオンラインで測定し、数学モデルを利用してガス流分布を予測することにより、装入物の粒度変化によるガス流分布の変動を抑止する装入物分布の調整を行うことができる。

本発明の概要を表す模式図である。 本発明を適用した前後における操業推移図である。 実際の粒度分布Ａと、実際の粒度分布がＡで示される装入物をコンベア上での撮像による粒度計で粒度測定をした結果と、オンライン粒度計の測定結果の内、モード径以上の測定値を用いて、ロジンラムラー分布に従うとした推定値との比較を示す図である。 図３の測定結果等をlog10(測定粒径(mm)) と log10(2-log(測定粒径以上の質量％）)との関係で表したグラフを示す図である。

以下、模式図を用いて、本発明を具体的に説明する。
図１に、本発明の概要を表す模式図を示す。
図中、符号１は粒度計、２は小中塊コークス、３は小中塊コークスの搬送コンベア、４は小中塊コークスのホッパー、５は鉱石中継ホッパーであり、６が装入ベルトコンベアである。また、７は炉頂バンカー、８は旋回シュート、９は堆積形状測定装置、そして10が高炉炉体である。

さて、本発明によれば、コークスと、鉱石を交互に装入するベルレス高炉において、コークスと鉱石のいずれかまたは両方の粒度を、高炉の炉頂バンカーへの搬送過程に設置したオンラインの粒度計１を用いて測定するので、かかる装入物粒度の経時変化をリアルタイムで把握することができる。また、鉱石にコークスの一部を混合して装入する場合は、少なくとも、鉱石中に混合するコークスの粒度を、高炉の炉頂バンカーへの搬送過程に設置したオンラインの粒度計１を用いて測定するため、やはりこのコークス粒度の経時変化もリアルタイムで把握することができる。なお、本発明では、鉱石にコークスの一部を混合して装入する場合、鉱石中に混合するコークスの粒度に加えて、コークス単独で装入する方のコークスの粒度および／または、鉱石の粒度を併せて測定することもできる。
ここで、鉱石中に混合するコークスとしては、主にコークス層を形成する塊コークスの篩下である小中塊コークスを想定している。ここに、小中塊コークスの大きさは通常１０〜４０ｍｍ程度である。

粒度計１の設置位置としては、装入ベルトコンベア６上で構わないが、小中塊コークスを装入ベルトコンベア６上で鉱石の上に重ねて排出する場合には、小中塊コークスホッパー４に小中塊コークスを搬送する搬送コンベア３上に設置するのが望ましい。

その一方で、搬送コンベア３から装入ベルトコンベア６に搬送される間にも搬送コンベア３からの落下部やホッパー４，５内で原料の一部が破壊されて粒度が変化することがあり、装入ベルトコンベア６上に粒度計１を設置するのが望ましい場合もある。また、粒度分布をより正確に測定したい場合には、粒度計１を装入ベルトコンベア６上および搬送コンベア３上の両方に設置することもできる。

また、粒度計１が、輸送中の装入物を撮像し演算処理をするものであってコンベア上で撮像する場合は、コンベア上に堆積した装入物の上面を撮像するので、装入物の粒度分布が幅広いと、微細粒が粗大粒の間隙に潜り込んで撮像されず粒度分布の演算結果に誤差が生じることがある。このような場合には、粒度計１を、搬送コンベア３からの落下位置および／または装入ベルトコンベア６からの落下位置に設置して誤差を減少することもできる。

すなわち、本発明は、粒度計１を、上記装入ベルトコンベア６上、搬送コンベア３上、搬送コンベア３からの落下位置および装入ベルトコンベア６からの落下位置の少なくとも１箇所に設置すればよく、またはいずれかの複数の場所に設置して組み合わせて使用することもできる。

また、粗大粒の間隙に潜り込んだ微細粒の量を推定する手段として、前記粒度計を用いて測定した粒度の、モード径（最頻径）以上の範囲の粒度の測定値だけを用いて、モード径未満の範囲の粒度の量を推定する手段を適用することもできる。

この推定方法の例を、図３、４を用いて説明する。
図３に示す通り、実際の粒度分布がＡで示される装入物を、コンベア上での撮像による粒度計で粒度測定をすると、Ｂのように特定の粒径の粒子が少なく測定される場合が有る。そこで、発明者らが本事象を鋭意検討した結果、少なく測定される粒子は、測定された粒度分布のモード径（最頻径）よりも小さい範囲にあることを見出した。

また、発明者らは、全体の粒度分布が、たとえばロジンラムラー分布に従うと仮定し、少ない誤差で測定されるモード径以上の範囲の粒度分布を用いてロジンラムラー分布の係数を求めると、全体の粒度分布を推定することができることを併せて見出した。
なお、ロジンラムラー分布とは、数１に示すように、log10(測定粒径(mm)) と log10(2-log(測定粒径以上の質量％）)との関係は傾きがＰであり切片がＱである直線関係が有ると近似するものである。

図４に示すように、測定結果Ｂには直線関係が無いものの、測定結果Ｂのモード径以上の範囲の粒径における質量の測定値を用いて、数１が良好な直線関係となるように全体の質量を決定し、数１のＰ、Ｑを求めると、モード径未満の範囲も含めた粒度分布Ｃを推定し、実際の粒度分布Ａを推定することができることがわかる。

ここに、オンラインの粒度計１としては、例えば、装入物をカメラで撮像し、得られた反射光から演算処理を行い、粒度を検出するようなものを用いればよい。代表例としては、特開２００３−８３８６８号公報に記載の粒度分布測定装置が挙げられる。

ここで、測定した粒度データをコンピュータ内の数学モデルに取り込む。使用する数学モデルは、ベルレスパターン（旋回シュートの傾動角や旋回速度など）や粒度データに基づいて、鉱石、コークス各層の堆積形状の計算を行うモデルである。本モデルでは、同時に装入物堆積時の粒度偏析も計算し、層内の径方向粒度分布を算出する。

そして、得られた層厚分布と粒度分布から、径方向各位置における差圧を計算し、差圧が径方向で均一となるようにガスが分配されると仮定し、ガス流分布を計算する。ガス流分布は、有限要素法と流体モデルを用いた市販パッケージを用いて計算することもできるが、充填層の粒度、空隙率およびガス流速から圧力損失を計算するErgun式（数２参照）を用いて計算する方法もあり、後者は前者よりも計算時間が短く簡便である。なお、ここに示すErgun式は、粒子充填層を通過する流れの損失圧力を説明する一般的な式である。

ここで、ΔＰ：充填層の圧力損失、Ｌ：充填層厚、ε：充填層の空隙率、μ：流体の粘度、ｄ：粒子径、ｕ：充填層を通過するガス流速、ρ：流体の密度。

〔数２〕を用いると、半径方向各位置での粒径、ガス流速、層厚からΔＰが求まるが、このΔＰが径方向で一定と仮定すれば、高炉の半径方向の各々の位置での充填層を通過するガスの流速が求められる。
従って、装入物の粒度変動によりガス流分布が変動した際に、ガス流分布の変動を抑止するように装入物分布を調整するアクションを取ることで、高炉の操業が安定化し、ガス流分布変動による通気悪化が防げるため、コークス比の低減が可能となる。

装入物分布の調整方法としては、従来通り、ベルレスパターン（旋回シュートの傾動角や旋回速度）を変更して鉱石とコークスの径方向における層厚比の分布を調整すればよいが、前述した数学モデルに、目標とするガス流分布を実現するのに最適なベルレスパターンを自動探索する機能を搭載することで、より高精度な分布調整が可能となり、炉況の安定化に一層寄与することができる。

また、本発明を適用する高炉では、変更後のベルレスパターンにより装入した際の堆積形状を、炉頂に設置した堆積形状測定装置を用いて測定し、前記数学モデルにフィードバックすることで、予測した堆積形状の実測との誤差を縮小するように、モデルのパラメータフィッティングを行うことが望ましい。これにより、堆積形状に対する外乱の影響を補正し、予測精度を向上させることができる。

ここで、本発明に用いる堆積形状測定装置としては、電波式の距離計を用いた測定装置を使用することが望ましい。従来の計測ランスを用いた測定装置を用いると、測定自体に時間がかかるため、迅速な測定ができないことに加えて、原料の装入時には計測ランスを炉体の外に退避させなければならないため、測定頻度が上げられないという問題がある。これに対して、電波式測定装置を用いた場合は、堆積形状を即座に測定することができるため、迅速かつ高頻度のフィッティングが可能となり、精度向上が見込め、炉況のさらなる安定化が期待できる。かような堆積形状測定装置としては、ＴＭＴ社製の ３Ｄ ＴＯＰ ＳＣＡＮ等が挙げられる。

本発明を５０００ｍ³級の実高炉に適用した操業例を用いて説明する。
図２に、本発明の適用前後の操業推移図を示す。ここで、横軸は期間であり、各プロットは１週間の平均値を表す。全期間を通じて、生産量は一定に維持し、溶銑温度および通気抵抗が一定となるように微粉炭比一定でコークス比を調整した。
なお、本発明を適用しない期間と本発明適用の期間の、それぞれ前半の期間は、コークスと鉱石を、炉頂設置した旋回シュートを用いて炉内に交互に装入する操業形態とし、本発明を適用しない期間と本発明適用の期間の、それぞれ後半の期間は、コークスと、コークスを一部混合した鉱石を、炉頂設置した旋回シュートを用いて炉内に交互に装入する操業形態とした。

本発明を適用する前の期間は、小中塊コークス粒度のオンライン測定を行いながら、従来の操業指標に基づいてコークス装入量の調整によってガス流を制御する操業を行った。
その結果、図２に示す通り、小中塊コークスの粒度変動によってコークス比が大きく上昇する局面が見受けられた。
一方、本発明の適用期間では、コークスと鉱石を交互に装入する操業形態時にはコークスと鉱石のいずれかまたは両方の粒度を、また、コークスと、コークスを一部混合した鉱石を交互に装入する操業形態時には鉱石中に混合するコークスの粒度を、それぞれオンラインで測定した粒度データを用いて、数学モデルで事前にガス流分布を予測し、ガス流変動が抑止されるように装入物の分布調整アクションを行った。
例えば、炉内半径方向のガス流分布において、炉壁側のガス流の上昇が予測された場合は、炉壁側への塊コークス装入比率を減らすとともに鉱石装入比率を増やすことでガス流の上昇を抑制した。ガス流の変動量に対応する塊コークスと鉱石の装入比率の調整量は予め堆積形状の計算を行う数学モデルに登録し、自動で調整できるようにした。ガス流分布を調整するための手段としては、層厚は変えずに塊コークスと鉱石の比率を変更する方法の他に、装入面レベルのプロファイルによっては層厚を部分的に変更して圧損を変化させる方法を併せて用いた。
その結果、同図に示したとおり、本発明を適用した期間中は、小中塊コークスの粒度が変動しても、コークス比の上昇が抑止され、安定的に低コークス比操業を継続することができた。

１ 粒度計
２ 小中塊コークス
３ 小中塊コークスの搬送コンベア
４ 小中塊コークスのホッパー
５ 鉱石中継ホッパー
６ 小中塊コークスの装入ベルトコンベア
７ 炉頂バンカー
８ 旋回シュート
９ 堆積形状測定装置
10 高炉炉体

Claims (7)

1. コークスと鉱石を、炉頂設置した旋回シュートを用いて炉内に交互に装入するベルレス高炉において、コークスと鉱石のいずれかまたは両方の粒度を、高炉の炉頂バンカーへの搬送過程に設置したオンラインの粒度計を用いて測定し、測定した粒度とその時のベルレスパターンを数学モデルに自動的に取り込み、該数学モデルを用いて、高炉内での堆積形状および径方向のガス流分布を予測し、装入物の粒度変化に起因したガス流分布の変動を抑止するように、装入物分布を調整する高炉操業方法。
2. コークスと、コークスを一部混合した鉱石を、炉頂設置した旋回シュートを用いて炉内に交互に装入するベルレス高炉において、少なくとも鉱石中に混合するコークスの粒度を、高炉の炉頂バンカーへの搬送過程に設置したオンラインの粒度計を用いて測定し、測定した粒度とその時のベルレスパターンを数学モデルに自動的に取り込み、該数学モデルを用いて、高炉内での堆積形状および径方向のガス流分布を予測し、装入物の粒度変化に起因したガス流分布の変動を抑止するように、装入物分布を調整する高炉操業方法。
3. 前記装入物分布を自動計算して調整する請求項１または２に記載の高炉操業方法。
4. 前記オンラインの粒度計を、前記搬送過程における搬送コンベアに設置した請求項１から３のいずれかに記載の高炉操業方法。
5. 前記オンラインの粒度計を、前記搬送過程における装入ベルトコンベアに設置した請求項１から４のいずれかに記載の高炉操業方法。
6. 前記オンラインの粒度計を、前記搬送過程における搬送コンベアからの落下位置および／または前記搬送過程における装入ベルトコンベアからの落下位置に設置した請求項１から５のいずれかに記載の高炉操業方法。
7. 前記数学モデルに自動的に取り込む粒度は、前記オンラインの粒度計を用いて測定した粒度の、モード径以上の範囲の粒度である請求項１から６のいずれかに記載の高炉操業方法。

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