JP7620192B2 - 高炉の操業方法、装入方法制御装置及び装入方法制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、鉱石原料とコークスを交互に層状に形成する高炉の操業方法等に関するものである。

高炉の炉内には、鉱石層とコークス層とが交互に積層されており、高炉装入物の堆積形状は高炉の操業に非常に大きな影響を与える。層状に装入された鉱石原料は、高炉下部で溶融するため、羽口から導入された還元ガスはコークス層を介して炉内を上昇する。高炉の安定操業のためには、炉径方向に均一にガスを分配させることが好ましく、それを実現可能なコークス層を形成することが求められている。

炉壁近傍のコークス層には、コークスの安息角よりも十分小さいコークステラスが形成される。コークステラスの長さが過度に長くなると、相対的に炉壁近傍のコークス層厚が薄くなり、ガスを炉内に十分に分配できなくなる可能性があることから、コークステラス長さを適切に管理することが重要である。

また、コークステラス長さは、平面視における方位に応じてバラツキがあるため、一方位だけのコークステラス長さを調整するだけでは、ガスを炉内に十分に分配することができない。特許文献１及び２には、ある特定の炉径方向における堆積形状を測定し、そこから求められるパラメータが所定値以内となるように管理する技術が開示されている。

特開２０１７－０９５７６１号公報 特開２０１８－１９３５７９号公報

本発明は、コークステラス長さを適切な範囲に管理して、高炉の安定操業を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る高炉の操業方法は、（１）鉱石原料とコークスとを交互に層状に形成し、炉頂での堆積形状を炉中心側に向かって下向きに傾斜させる高炉の操業方法において、炉内に形成されるコークス層のコークステラス長さを評価する長さ評価値を複数の炉径方向のそれぞれについて取得し、前記取得された複数の長さ評価値に基づき決定した代表値を操業管理指標として操業する。

（２）２次元プロフィールメータを用いて取得したコークス層の堆積形状に基づいて、それぞれの炉径方向における長さ評価値を算出することを特徴とする上記（１）に記載の高炉の操業方法。

（３）３次元プロフィールメータを用いて取得したコークス層の堆積形状に基づいて、それぞれの炉径方向における長さ評価値を算出することを特徴とする上記（１）に記載の高炉の操業方法。

（４）予め高炉操業の安定度を評価する指標と長さ評価値との関係である関係情報を調べておき、当該関係情報に基づき、高炉の安定度が高いと評価される長さ評価値の適性範囲を決定し、前記代表値が前記適正範囲から外れる場合には、コークステラス長さを短くするアクションを実施することを特徴とする上記（１）乃至（３）のうちいずれか一つに記載の高炉の操業方法。

（５）前記高炉操業の安定度を評価する指標は、銑鉄単位重量あたりのコークス消費量であるコークス比であることを特徴とする上記（４）に記載の高炉の操業方法。

（６）前記長さ評価値は、炉口径を１としたときのコークステラス長さである無次元コークステラス長さであり、前記適正範囲は０．１８以下であることを特徴とする上記（４）又は（５）に記載の高炉の操業方法。

（７）前記代表値は、取得した長さ評価値の最大値であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のうちいずれか一つに記載の高炉の操業方法。

（８）上記課題を解決するために、本発明に係る装入方法制御装置は、鉱石原料とコークスとを交互に層状に形成し、炉頂での堆積形状を炉中心側に向かって下向きに傾斜させる高炉の操業に用いられる装入方法制御装置であって、炉内に形成されるコークス層のコークステラス長さを評価する長さ評価値を複数の炉径方向のそれぞれについて取得する取得部と、前記取得部が取得した複数の長さ評価値に基づき決定した代表値を操業管理指標として操業する操業制御部と、を有する。

（９）上記課題を解決するために、本発明に係る装入方法制御プログラムは、鉱石原料とコークスとを交互に層状に形成し、炉頂での堆積形状を炉中心側に向かって下向きに傾斜させる高炉の操業に用いられる装入方法制御プログラムであって、炉内に形成されるコークス層のコークステラス長さを評価する長さ評価値を複数の炉径方向のそれぞれについて取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得した複数の長さ評価値に基づき決定した代表値を操業管理指標として操業する操業ステップと、をプロセスコンピュータに実行させる。

本発明によれば、コークステラス長さが適切な範囲に管理されるため、高炉の安定操業を実現することができる。

高炉（ベルレス式高炉）の概略図である。 高炉のコークス比（ｋｇ／ｔ）と無次元コークステラス長さ（－）との関係を示したグラフである。 装入方法制御装置の機能ブロック図である。 装入方法制御プログラムのシーケンスを示すフローチャートである。 改善アクションの実施前後の無次元コークステラス長さ（－）のデータである。

図１は、本発明の一実施形態である高炉の操業方法に用いられる高炉の概略図である。高炉１は、ベルレス式の高炉であり、羽口２と、環状管３と、ブローパイプ４と、微粉炭吹き込み用ランス５と、旋回シュート６と、プロフィールメータ７と、コントローラ８とを備える。羽口２は、高炉１の炉周方向に沿って、炉下部に複数設けられている。環状管３は高炉１の下部を包囲するように配設されている。ブローパイプ４は環状管３の周方向に間欠的に設けられるとともに、それぞれが異なる羽口２に接続されている。微粉炭吹き込み用ランス５は、各ブローパイプ４を挿通しており、各ブローパイプ４の内部には、微粉炭吹き込み用ランス５の先端が延出している。

旋回シュート６は、上下方向に延びる軸周りに回転し、鉱石原料とコークスとを交互に層状に装入する。鉱石原料及びコークスはそれぞれ複数回に分けて装入してもよいし、それぞれ１回で装入してもよい。鉱石原料には焼結鉱、ペレット、塊鉱石、非焼成含炭塊成鉱を用いることができる。コークスには、フェローコークスが含まれていてもよい。旋回シュート６の駆動方式は、順傾動、逆傾動及び順傾動と逆傾動の組み合わせのうちいずれであってもよい。なお、順傾動とは、旋回シュート６を炉壁側から炉中心側に向かって駆動する駆動方式のことである。

ここで、旋回シュート６の駆動方法にもよるが、コークス層の炉壁近傍にコークステラスが形成される。コークステラス長さと高炉操業の安定度を評価する指標との間には、一定の相関関係があることが知られている。
すなわち、コークステラス長さが過度に長くなると、相対的に炉壁部のコークス層厚が薄くなり、ガスを炉内に十分に分配できなくなる。

プロフィールメータ７は、コークス層の堆積形状を取得する。具体的には、プロフィールメータ７は、測定点毎にプロフィールメータ７とコークス層の表面との距離の波形を取得する。プロフィールメータ７には、２次元プロフィールメータ、或いは３次元プロフィールメータを用いることができる。２次元プロフィールメータの場合、一回の測定で特定の炉径方向における堆積形状が取得される。したがって、２次元プロフィールメータを複数設置することにより、複数の炉径方向における堆積形状を取得することができる。また、２次元プロフィールメータを炉周方向に走行させる走行機構を設けることにより、１台の２次元プロフィールメータで複数の炉径方向におけるコークス層の堆積形状を取得することができる。なお、２次元プロフィールメータを用いる場合、複数の炉径方向について取得された堆積形状を用いて、測定していない領域の堆積形状を補間することにより、コークス層の堆積形状を推定してもよい。

３次元プロフィールメータは、炉周方向所定角度毎に炉径方向におけるコークス層の堆積形状を取得する。３次元プロフィールメータの測定間隔（所定角度）は、適宜設定することができる。３次元プロフィールメータの測定間隔が広い場合は、上述の２次元プロフィールメータを用いる場合と同様に、測定していない領域の堆積形状を補間してもよい。また、３次元プロフィールメータの測定データは炉周方向角度に応じて取得されるものに限られず、例えば格子状の測定点について測定されてもよく、この場合は炉周方向角度の測定データに加工してから以降の工程に用いることができる。

ここで、堆積形状の取得には、プロフィールメータ７から生の測定データを受信することのみならず、適宜生データを加工（例えば補間）して取得することも含まれる。

コントローラ８は、取得した堆積形状に基づき、コークステラス長さを評価する長さ評価値を算出する。コークステラス長さとは、コークステラスの肩部（言い換えると、取得した距離の波形のうち略水平状態から傾斜状態に切り替わるポイント）から炉壁までの炉径方向における長さのことである。具体的には、取得した堆積形状を多項式近似し、これを２階微分した値が炉壁近傍で最小となるポイント（つまり、コークステラスの肩部）を算出し、このポイントと炉壁との炉径方向における距離をコークステラス長さとすることができる。なお、コークステラス長さを規定するポイントと炉壁との位置が同一方位上に存在することは言うまでもない。ここで、炉壁近傍は、例えば炉口径を１としたときの無次元半径で０．７以上１．０以下の範囲とすることができる。なお、炉口径とは、炉口の半径のことである。

コントローラ８が行う処理は、プログラムによって実現可能であり、各種処理を実現するために予め用意されたプログラムが補助記憶装置に格納され、ＣＰＵ等のプロセスコンピュータが補助記憶装置に格納された当該プログラムを主記憶装置に読み出し、主記憶装置に読み出された当該プログラムをプロセスコンピュータが実行することで、実現される。

また、上記プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された状態で、プロセスコンピュータ（例えば、サーバ）に提供することも可能である。コンピュータ読取可能な記録媒体としては、ＣＤ－ＲＯＭ等の光ディスク、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の相変化型光ディスク、ＭＯ（Magnet Optical）やＭＤ(Mini Disk)などの光磁気ディスク、フロッピー（登録商標）ディスクやリムーバブルハードディスクなどの磁気ディスク、コンパクトフラッシュ（登録商標）、スマートメディア、SDメモリカード、メモリスティック等のメモリカードが挙げられる。また、本発明の目的のために特別に設計されて構成された集積回路（ICチップ等）等のハードウェア装置も記録媒体として含まれる。

本発明者等は、複数の炉径方向についてコークステラス長さを評価する長さ評価値をそれぞれ取得し、取得した長さ評価値に基づき決定した代表値を操業管理指標として高炉を操業することを知見した。ここで、複数の炉径方向とは、炉中心から炉壁に向かって延びる仮想線のことである。炉直径上には炉中心から炉壁に向かって延びる第１の炉径方向と、炉中心から炉壁に向かって延びる、第１の炉径方向とは向きが１８０度異なる第２の炉径方向とが存在するが、本明細書では炉直径上に存在するこれら二つの炉径方向を夫々独立した炉径方向と扱うものとする。したがって、炉直径上に並ぶ第１の炉径方向及び第２の炉径方向のそれぞれの方向について長さ評価値を取得することも上述の「複数の炉径方向についてコークステラス長さを評価する長さ評価値をそれぞれ取得し」に含まれる。

「操業管理指標として高炉を操業する」とは、代表値が高炉操業の安定性を満足する値となるように操業管理を行うことである。これにより、炉内のガス流れがより均一となり、操業を安定化することができる。なお、以下の説明において、高炉操業の安定性が実現される長さ評価値の範囲を、適正範囲ともいう。

代表値には、例えば長さ評価値の最大値を用いることができる。すなわち、コントローラ８は、各炉径方向における長さ評価値を比較し、その最大値を代表値とすることができる。長さ評価値の最大値を代表値とすることにより、長さ評価値を取得した炉径方向の中で最もコークステラス長さが長い堆積形状部における長さ評価値が適正範囲に改善されるため、炉周方向全体を適正範囲に向かってシフトさせることができる。結果的に、上述の効果（ガスの均一な分配）を高めることができる。また、各方位のコークステラス長さが均一となるようなアクションをさらに実施することにより、ガス分配の均一性をより高めることができる。
ただし、代表値は、長さ評価値の最大値に限るものではなく、長さ評価値の値が大きい上位Ｘ割の平均値であってもよいし、全周の単純平均でも良い。Ｘ割は例えば３割とすることができる。

また、炉内圧が最も高い方位の長さ評価値を代表値としてもよい。上述の通り、コークステラスが長くなるとコークステラスの厚みが薄くなり、この部分における炉内圧が高くなる。したがって、炉内圧が最も高い方位の長さ評価値を代表値としても、炉周方向全体を適正範囲に向かってシフトさせることができる。
さらに、溶銑温度が最も低い方位の長さ評価値を代表値としてもよい。ガスの流れが不十分な領域は、還元が進みにくいため、溶銑温度が低くなる。したがって、溶銑温度が最も低い方位の長さ評価値を代表値としても、炉周方向全体を適正範囲に向かってシフトさせることができる。

適正範囲は、例えば、長さ評価値と高炉操業の安定度を評価する指標との関係（以下、関係情報ともいう）を予め調べておき、当該関係情報に基づき決定することができる。具体的には、目標とする安定度に対応する評価指標を決定し、決定した評価指標以下の範囲を満足する無次元コークステラス長さ（－）（長さ評価値に相当する）の範囲を決定する。この点について、図２の関係情報を取得した場合を例に挙げて詳細に説明する。図２は、多数の操業実績に基づき取得した「高炉操業の安定度を評価する指標」の一例である高炉のコークス比（ｋｇ／ｔ）と無次元コークステラス長さ（－）との関係であり、横軸が高炉のコークス比（ｋｇ／ｔ）であり、縦軸が無次元コークステラス長さ（－）である。コークス比（ｋｇ／ｔ）は、銑鉄単位重量あたりのコークス消費量のことであり、ＣＲ（ｋｇ／ｔ）ともいう。無次元コークステラス長さとは、炉口径を１としたときのコークステラスの長さのことであり、コークステラス長さ（算出した実測値）を炉口径で除すことによって求めることができる。なお、無次元コークステラス長さ（－）に代えて、コークステラスの実測値を長さ評価値として用いることもできる。

コークス比（ｋｇ／ｔ）は高炉の操業状況の良否を示し、コークス比（ｋｇ／ｔ）が低いとき安定操業が実現されていると考えることができる。例えば、コークス比（ｋｇ／ｔ）が３２０（ｋｇ／ｔ）以下であることを安定操業の一基準として考えることができる。すなわち、コークス比（ｋｇ／ｔ）が３２０（ｋｇ／ｔ）以下であるとき、スペーサとしてのコークスが少なくても、炉内ガスが適切に分配され、鉱石原料が炉径方向に均一に還元されていると考えることができる。安定操業でない場合には、コークス比を増やす必要があるため、コークス比（ｋｇ／ｔ）が３２０（ｋｇ／ｔ）を超過する。したがって、図２の例では目標とする安定度に対応する評価指標を３２０（ｋｇ／ｔ）に設定することができる。図２に図示するように、コークス比（ｋｇ／ｔ）が３２０（ｋｇ／ｔ）以下を満足するときの無次元コークステラス長さ（－）の範囲は、０．００以上、０．１８以下である。したがって、図２の例では無次元コークステラス長さ（－）が０．００以上、０．１８以下の範囲を適正範囲とすることができる。なお、本実施形態では、「高炉操業の安定度を評価する指標」として「コークス比（ｋｇ／ｔ）」を例示したが、本発明はこれに限るものではなく、還元材比（ＲＡＲ）や、通気性の安定度を示す指標（σ送風圧力、通気抵抗指数等）等の他の指標を用いることができる。他の指標を用いる場合にも、当該他の指標と無次元コークステラス長さ（－）との関係を求めて、適正範囲を予め設定しておくことにより、本願発明の高炉の操業方法に適用することができる。

代表値が適正範囲に属しない場合、コントローラ８は、これを改善する改善アクションを実施するための処理を行う。例えば、コークスダンプにおいて、炉壁側に全ノッチを１ノッチだけずらして、外振りに変更することにより改善アクションとすることができる。また、高炉のストックラインを下げることにより、改善アクションとすることができる。ストックラインを下げることにより、炉壁側に投入されるコークスが増加するため、コークステラス長さを短くすることができる。

また、コークステラス長さが最大となる方位（以下、最大方位ともいう）の原料装入量を調整することにより、改善アクションとしてもよい。具体的には、予めコークス装入前の原料装入において、旋回シュートの旋回中に排出ゲートの開度を調整することによって、最大方位に装入される原料の装入量を少なくしておく。これにより、最大方位における装入面が他の装入面よりも低くなるため、最大方位におけるコークスが結果的に外振りとなり、コークステラス長さを短くすることができる。なお、コークステラス長さではなく炉内圧が最も高い方位や、溶銑温度が最も低い方位の原料装入量を調整してもよい。

本実施形態では、ベルレス式高炉を例に挙げて説明したが、本発明はベル高炉にも適用することができる。ベル高炉の場合、炉内を落下するコークスに衝突して、落下軌跡を修正するムーバブルアーマーの角度を調整したり、ベルの開速度を調整することにより、改善アクションとすることができる。

本発明は、また別の観点によれば、図３に示す装入方法制御装置により実現される。装入方法制御装置１０は、取得部１１と、操業制御部１２とを有する。取得部１１は、炉内に形成されるコークス層のコークステラス長さを評価する長さ評価値を複数の炉径方向のそれぞれについて取得する。すなわち、取得部１１は、コークス層の堆積形状を取得するとともに、それぞれの炉径方向における長さ評価値を算出する。取得部１１は、プロフィールメータ７及びコントローラ８が協働することによって実現される。操業制御部１２は、取得部１１が取得した複数の長さ評価値に基づき決定した代表値を操業管理指標として操業する。操業制御部１２は、コントローラ８によって実現される。処理の詳細は、上述したから説明を繰り返さない。

図４は、上述のプログラムによって実現される処理を示したフローチャートである。説明が重複するため、処理の概要のみ説明する。取得部１１（プロフィールメータ７）は、コークス層の堆積形状を取得する（ステップＳ１０１）。取得部１１（コントローラ８）は、取得した堆積形状に基づきそれぞれの炉径方向についてコークステラス長さを評価する長さ評価値を算出する（ステップＳ１０２）。操業制御部１２（コントローラ８）は、算出した長さ評価値に基づき代表値を決定する（ステップＳ１０３）。操業制御部１２（コントローラ８）は、決定した代表値が適正範囲に属するか否かを判別する（ステップＳ１０４）。代表値が適正範囲に属する場合（ステップＳ１０４ Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０１に戻る。代表値が適正範囲に属しない場合（ステップＳ１０４ Ｎｏ）、処理はステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５において、操業制御部１２（コントローラ８）は上述したアクションを実行して、処理はステップＳ１０１に戻る。なお、ステップＳ１０１～Ｓ１０２が請求項９に記載の「取得ステップ」に相当し、ステップＳ１０３～Ｓ１０５が請求項９に記載の「操業ステップ」に相当する。

本発明の高炉の操業方法について、実施例を示して詳細に説明する。１／３ベルレス試験装置を用いて実高炉と同一の条件で高炉原料を層状に装入して、複数の炉径方向における無次元コークステラス長さ（－）を調べた。１／３ベルレス試験装置とは、ベルレス式炉頂装入装置を模した実炉の１／３サイズの模型実験装置（半径１８００ｍｍ程度）である。高炉原料の平均粒径は実炉の約１／３とし、装入量は実炉の約１／２７とした。コークスの１チャージ当たりの装入量は約１．３ｔ、鉱石の１チャージ当たりの装入量は約７．３ｔとした。

コークス層の堆積形状を３次元プロフィールメータで測定し、この測定した３次元堆積形状を炉周方向１０°間隔ずつ切り出し、各方位（炉径方向に相当する）における堆積形状を取得した。各方位における堆積形状を取得した後、各方位の無次元コークステラス長さ（－）を算出した。具体的には、取得した堆積形状を多項式近似し、２階微分した値が炉壁近傍で最小となるポイントを算出し、このポイントと装置内壁との距離を炉口径を１として無次元化することにより無次元コークステラス長さ（－）とした。代表値は無次元コークステラス長さ（－）の最大値とした。図５に改善アクションを実施する前後の無次元コークステラス長さ（－）をプロットした。白抜きのプロット（丸印）が改善アクション実施前であり、黒塗のプロット（丸印）が改善アクションの実施後である。適正範囲は無次元値で０．００以上、０．１８以下とし、０．１８を点線で示した。

無次元コークステラス長さ（－）の最大値は、方位２３であり、０．１８を大きく超過しているため、改善アクションを実施した。装置内壁（実高炉の炉壁に対応）側に全ノッチを１ノッチだけずらし、コークスダンプを外振りに変更することにより、改善アクションを模擬した。

図５に図示するように、改善アクションを実施することにより全方位で無次元コークステラス長さ（－）を適正範囲に改善することができた。

また、改善アクションを実施することにより、標準偏差σが０．０２７から０．０１４に改善し、無次元コークステラス長さ（－）のバラツキが小さくなった。したがって、改善アクションを実施することにより、炉内のガス流れの均一化を指向した高炉操業を行うことができる。

１／３ベルレス試験装置によって得られた結果を踏まえ、実高炉において、コークスダンプを変更した操業を行い、操業が安定するか否かを検討した。対象高炉は４０００～５０００ｍ^３級の高炉で、上記１／３ベルレス試験における、改善アクション実施前と同じ装入条件で操業を行っていた。この時、特定の炉径方向に設置されたプロフィールメータの測定結果より算出した無次元コークステラス長さ（－）は０．２１であった。無次元コークステラス長さ（－）が適正範囲の上限値を超過していたため、コークスダンプを１ノッチだけ全体に外振りにずらす改善アクションを行った。その結果、無次元コークステラス長さは０．０９に改善し、適正範囲に改善することができた。また、炉内全体の通気抵抗が約３％低下し、炉内ガス流れが均一化したため安定操業が可能となることを確認した。

１ 高炉 ２ 羽口 ３ 環状管 ４ ブローパイプ
５ 微粉炭吹き込み用ランス ６ 旋回シュート ７ プロフィールメータ
８ コントローラ １０ 装入方法制御装置 １１ 取得部
１２ 操業制御部

Claims (4)

1. 鉱石原料とコークスとを交互に層状に形成し、炉頂での堆積形状を炉中心側に向かって下向きに傾斜させる高炉の操業方法において、
   高炉操業の安定度を評価する指標と、炉内に形成されるコークス層のコークステラス長さを評価する長さ評価値と、の関係である関係情報を予め調べておき、当該関係情報に基づき、高炉の安定度が高いと評価される長さ評価値の適性範囲を決定し、
   長さ評価値を複数の炉径方向のそれぞれについて取得し、
   前記取得された複数の長さ評価値に基づき決定した代表値を操業管理指標として、前記代表値が前記適正範囲から外れる場合には、コークステラス長さを短くするアクションを実施するように操業し、
   前記長さ評価値は、炉口径を１としたときのコークステラス長さである無次元コークステラス長さであり、前記適正範囲は０．１８以下であり、
   前記高炉操業の安定度を評価する指標は、銑鉄単位重量あたりのコークス消費量であるコークス比である、
   高炉の操業方法。
2. ２次元プロフィールメータを用いて取得したコークス層の堆積形状に基づいて、それぞれの炉径方向における長さ評価値を算出することを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
3. ３次元プロフィールメータを用いて取得したコークス層の堆積形状に基づいて、それぞれの炉径方向における長さ評価値を算出することを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
4. 前記代表値は、取得した長さ評価値の最大値であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の高炉の操業方法。