WO2024150464A1 - 溶融物高さの検出方法、溶融物高さの検出装置および溶融物の製造方法 - Google Patents

溶融物高さの検出方法、溶融物高さの検出装置および溶融物の製造方法 Download PDF

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晃太 盛家
哲也 山本
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    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C2005/5288—Measuring or sampling devices

Definitions

  • the present invention relates to a molten material height detection method, a molten material height detection device, and a molten material manufacturing method that detects the molten material height inside a blast furnace, where the inside of the furnace cannot be directly observed, from the vibrations of the blast furnace.
  • a blast furnace is a facility that uses high-temperature gas to heat and react the iron ore, the raw material for iron, and the coke, the fuel, to produce pig iron.
  • the molten pig iron and slag produced in the blast furnace accumulate as a liquid pool at the bottom, and are discharged outside the furnace approximately once every three hours to be supplied to the next process.
  • Patent Document 1 discloses a technology that takes two or more images of the molten material discharge flow from a blast furnace to determine the discharge speed, and calculates the molten material height by substituting the discharge speed into an energy balance equation.
  • Patent Document 2 discloses a technology that inputs elastic waves into a blast furnace and measures the molten material height from the wave height of the reflected echo.
  • Patent Document 3 discloses a technology that measures the vibration intensity of the furnace wall at the bottom of the blast furnace, analyzes the frequency of the vibration intensity to calculate the vibration intensity of a frequency band that is correlated with fluctuations in the molten metal and slag height, and calculates the molten metal and slag height in the blast furnace using the intensity of the calculated frequency band.
  • JP 2017-160498 A Japanese Patent Application Publication No. 10-185654 International Publication No. 2022/201717
  • Patent Document 1 utilizes the positive correlation between the discharge speed of the molten material and the height of the molten material, so there is an issue that when the discharge speed of the molten material decreases due to clogging of the discharge hole, it is not possible to detect the rise in the liquid level.
  • visibility around the discharge hole is poor due to dust in the factory, and the molten material may violently eject from the discharge hole. In such cases, there is an issue that the discharge flow surface cannot be accurately photographed, and the liquid level height of the molten material cannot be calculated.
  • Patent Document 2 In the technology of Patent Document 2, it is predicted that there are many factors that affect the reflection characteristics of elastic waves, such as crack propagation in the furnace wall bricks that make up the blast furnace and solidification of the molten material inside the furnace, and it may not be possible to accurately measure the molten material height. In the technology of Patent Document 3, since the molten metal and slag height in an actual blast furnace is unknown, it is difficult to identify a frequency band that is correlated with fluctuations in the molten metal and slag height.
  • the present invention has been made in consideration of these circumstances, and its purpose is to provide a molten material height detection method and molten material height detection device that can easily identify a frequency at which the molten material height in a blast furnace can be detected, and that can detect the molten material height using the vibration intensity of that frequency.
  • a molten material height detection method for detecting a molten material height in a blast furnace comprising: measuring vibrations at one or more positions on a furnace wall in a lower part of the blast furnace; analyzing the frequency of the vibrations to calculate a vibration intensity of a frequency correlated with vibrations generated by introducing gas into an inlet in the lower part of the furnace; and detecting the molten material height using a corrected vibration intensity that removes the influence of the amount of gas introduced from the inlet from the vibration intensity of the frequency.
  • [2] The method for detecting the height of a molten material described in [1], in which a frequency correlated with the vibration generated by introducing gas into the inlet is identified by confirming the correlation between the vibration intensity of a frequency band having a predetermined width and the volume of the gas blown.
  • [3] The method for detecting a molten material height according to [1] or [2], wherein when the time progression of the corrected vibration intensity becomes a maximum or minimum, it is detected that the molten material height in the blast furnace is the position where the vibration is being measured.
  • [4] The method for detecting a molten material height according to any one of [1] to [3], wherein the vibration is measured at two or more different positions in the height direction of the furnace wall in the lower part of the furnace.
  • [5] The method for detecting a smelt height according to [1] or [2], in which a correspondence relationship between the corrected vibration intensity and the smelt height is determined in advance, and the smelt height in a blast furnace is detected using the corrected vibration intensity obtained from the vibration measurement and the correspondence relationship.
  • [6] A method for detecting a molten material height according to [5], in which the vibration is measured at a position of 0.90 or more and 1.00 or less in the height direction of the furnace wall in the lower part of the furnace, where the upper end position of the discharge hole is 0 and the lower end position of the inlet is 1.
  • a molten material height detection device for detecting a molten material height in a blast furnace, comprising: one or more vibration meters provided on a furnace wall in a lower part of the blast furnace for measuring vibration of the furnace wall; and a calculation device for performing frequency analysis of the vibrations measured by the vibration meters to calculate vibration intensity of a frequency correlated with vibration generated by introducing gas into an inlet in the lower part of the furnace, and detecting the molten material height using a corrected vibration intensity obtained by removing the influence of the amount of gas introduced from the inlet from the vibration intensity.
  • the molten material height detection device further comprising two or more vibration meters, the two or more vibration meters being provided at two or more different positions in the height direction of the furnace wall in the lower part of the furnace.
  • the melt height detection device wherein the calculation device detects the melt height using a correspondence relationship between the corrected vibration intensity and the melt height.
  • the molten material height detection device described in [9] wherein, in the height direction of the furnace wall at the lower part of the furnace, when the upper end position of the discharge hole is 0 and the lower end position of the inlet is 1, the vibration meter is provided at a position of 0.90 or more and 1.00 or less.
  • a method for producing a molten material using a blast furnace comprising: measuring vibrations at one or more positions on a furnace wall in a lower part of the blast furnace; analyzing the frequency of the vibrations to calculate a vibration intensity of a frequency correlated with vibrations generated by introducing a gas into an inlet in the lower part of the furnace; detecting a molten material height in the blast furnace using a corrected vibration intensity obtained by removing the influence of the amount of gas introduced from the inlet from the vibration intensity of the frequency; and adjusting production conditions for the molten material so that the detected molten material height is within a range of a target molten material height.
  • the frequency of vibration intensity at which the height of the molten material in a blast furnace can be detected is determined by identifying a frequency that is correlated with the vibrations generated by introducing gas into the inlet of the blast furnace, so that the frequency of vibration intensity at which the height of the molten material in a blast furnace can be detected can be easily identified. Then, by using a corrected vibration intensity that removes the influence of the volume of gas introduced from the inlet from the vibration intensity of the identified frequency, the height of the molten material in a blast furnace, whose interior cannot be directly observed with the naked eye, can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a lower part of a blast furnace 10.
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view showing a lower part of the blast furnace 10 and a molten material height detection device 22 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the change in corrected vibration strength over time.
  • FIG. 4 is a flow diagram illustrating a method for identifying a frequency correlated with vibrations caused by introducing a gas.
  • FIG. 5 is a graph showing vibration data and vibration intensity data obtained by FTT processing of the vibration data.
  • FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view showing a lower part of a blast furnace 10 and a molten material height detection device 30 according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a lower part of a blast furnace 10.
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view showing a lower part of the blast furnace 10 and a molten material height detection device 22 according to the
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between corrected vibration strength and melt height.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the vibrometer of the first embodiment and its peripheral devices.
  • FIG. 9 is a contour diagram showing the coefficient of determination (R 2 ) between the vibration intensity and the airflow volume calculated from the measurements of the vibration meters 24a and 24b.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the vibration intensity of the vibration meters 24a to 24c and the airflow rate.
  • FIG. 11 is a graph showing the time transition of the molten height and the time transition of the corrected vibration intensity obtained from the operational data.
  • FIG. 12 is a graph showing a regression equation between corrected vibration intensity and melt height.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the detected value of the molten material height calculated from the corrected vibration intensity and the actual value of the molten material height obtained from operational data.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional schematic diagram of a lower part of a blast furnace 10.
  • Molten pig iron and slag (hereinafter, the molten pig iron and slag will be referred to as "molten material 12") are accumulated in the lower part of the blast furnace 10.
  • the molten material 12 is discharged from a discharge hole 14, and a molten material flow 16 is generated.
  • a blast tuyere 20 for introducing a gas 18 is provided in the lower part of the blast furnace 10.
  • the blast tuyere 20 is an example of an inlet for introducing the gas 18 into the furnace.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional schematic diagram showing the lower part of the blast furnace 10 and the molten material height detection device 22 according to the first embodiment.
  • the molten material height detection device 22 has, for example, three vibration meters 24a-24c and a calculation device 26.
  • the three vibration meters 24a-24c are provided on the furnace wall between the discharge hole 14 and the blower tuyere 20 so as to be equally spaced in the height direction, and measure the vibration of the furnace wall to generate vibration data.
  • the vibration meters 24a-24c are, for example, piezoelectric elements.
  • the vibration data generated by the vibration meters 24a to 24c is output to and recorded by the calculation device 26.
  • the calculation device 26 is a general-purpose computer such as a personal computer having a calculation unit such as a CPU and a storage unit such as a memory.
  • the calculation device 26 performs frequency analysis on the vibration data acquired from the vibration meters 24a to 24c, and calculates the vibration intensity of a frequency that is correlated with the vibration generated by introducing gas from the blower tuyere 20.
  • the calculation device 26 corrects the vibration strength to a corrected vibration strength using the following formula (1) to remove the effect of the airflow volume from the calculated vibration strength. By correcting the vibration strength to a corrected vibration strength in this way, it is possible to remove the effect of fluctuations in the airflow volume on the vibration strength.
  • G 0 G+(BV 0 -BV) ⁇ a...(1)
  • G 0 is the corrected vibration strength (m/s 2 )
  • G is the vibration strength before correction (m/s 2 )
  • BV 0 is a reference arbitrary air flow rate (Nm 3 /min)
  • BV is the airflow (Nm 3 /min) at the time when the vibration data from which G is calculated was measured
  • a is the vibration intensity of a frequency correlated with the vibration caused by airflow on the y-axis.
  • the x-axis is the airflow rate
  • the x-axis is the slope of the regression line.
  • Figure 3 is a graph showing the time progression of corrected vibration intensity.
  • the horizontal axis is time and the vertical axis is corrected vibration intensity.
  • the corrected vibration intensity has a positive correlation with the height of the molten material 12 when the height of the molten material 12 is lower than the installation height of the vibration meter.
  • the corrected vibration intensity has a negative correlation with the height of the molten material 12 when the height of the molten material 12 is higher than the installation height of the vibration meter.
  • the time progression of the corrected vibration intensity shown in Figure 3 is the corrected vibration intensity calculated from the vibration data generated by the vibration meter 24b, the height of the molten material 12 at the time when the corrected vibration intensity changes from a positive correlation to a negative correlation and reaches its maximum becomes the installation height of the vibration meter 24b.
  • the change in the corrected vibration intensity from positive correlation to negative correlation is the result of the vibration meter capturing the phenomenon of the liquid level of the molten material rising.
  • the corrected vibration intensity also changes from positive correlation to negative correlation. In this case, too, the height of the molten material 12 at the time when the corrected vibration intensity changes from positive correlation to negative correlation and reaches its maximum becomes the installation height of the vibration meter.
  • the calculation device 26 monitors the time progression of the corrected vibration intensity obtained from the vibration data generated by the vibration meters 24a to 24c, and identifies a vibrometer for which the corrected vibration intensity has changed from positive correlation to negative correlation. When the calculation device 26 identifies a vibrometer, it detects the height of the molten material 12 by assuming that the installation height of the identified vibrometer is the height of the molten material 12.
  • the calculation device 26 detects the height of the molten material 12 by assuming that the height is between the installation heights of those vibrometers. In this way, the calculation device 26 detects the height of the molten material 12 in the blast furnace 10 from the vibration data generated by the vibration meters 24a to 24c.
  • the molten material height detection device 22 has three vibration meters 24a to 24c, but is not limited to this.
  • the molten material height detection device 22 only needs to have at least one vibration meter, and the height of the molten material 12 can be detected if there is a change from positive correlation to negative correlation in the corrected vibration intensity obtained from the vibration data generated by this vibration meter.
  • the molten material height detection device 22 has two or more vibration meters installed at different positions in the height direction of the lower part of the blast furnace 10. This makes it possible to expand the detection range of the height of the molten material 12 in the lower part of the blast furnace 10 in the height direction.
  • FIG. 4 is a flow diagram explaining a method for identifying a frequency correlated with vibrations caused by introducing gas.
  • This frequency identification is preferably performed using a vibration meter 24a installed in a position closest to the blast tuyere 20, and is preferably performed during a period when the operation of the blast furnace 10 is stable.
  • a period when the operation of the blast furnace 10 is stable means a period when the coke ratio in the blast furnace operation is within a target range and the fluctuation in the air permeability inside the blast furnace is low.
  • the vibration meter 24a measures the vibration of the lower part of the blast furnace 10 to generate vibration data (step S101).
  • FFT processing (step S102) is performed on the vibration data to perform frequency analysis of the vibration data. Note that overlap processing, smoothing processing, and window function processing may be performed on the vibration data before FFT processing as necessary.
  • Figure 5 is a graph showing vibration data and vibration intensity data obtained by FFT processing of the vibration data.
  • Figure 5(a) shows the vibration data
  • Figure 5(b) shows the vibration intensity data.
  • the vibration data shown in Figure 5(a) is converted into the vibration intensity data shown in Figure 5(b) by FFT processing. It is preferable to use this vibration intensity data to calculate the vibration intensity at all frequencies.
  • the vibration intensity may be the vibration intensity in a frequency band having a specified width around the target frequency. For example, if the specified width is ⁇ 100 Hz, the vibration intensity at a frequency of 1100 Hz will be the arithmetic mean of the vibration intensity of each frequency between 1000 and 1200 Hz.
  • the interval between frequencies in the frequency band is set arbitrarily by FFT processing of the vibration data. For example, if the sampling frequency of the vibrometer is 10,000 Hz and the recording length is 10 sec, the frequency interval will be 3.3 Hz.
  • step S103 If the vibration intensity data is not obtained multiple times under conditions with different airflow rates (step S103: No), the airflow rate is changed (step S104), and the processes of steps S101 and S102 are repeated again. On the other hand, if the vibration intensity data is obtained multiple times under conditions with different airflow rates (step S103: Yes), the coefficient of determination ( R2 ) between the airflow rate and the vibration intensity at all frequencies is calculated (step S105).
  • the frequency with the largest coefficient of determination is identified as the frequency correlated with the vibration caused by the introduction of gas (step S106). In this way, the frequency correlated with the vibration caused by the introduction of gas is identified in advance.
  • the frequency correlated with the vibration generated by introducing the gas may be identified using multiple vibration meters.
  • the coefficient of determination ( R2 ) between the airflow rate and the vibration intensity at all frequencies is calculated for these vibration meters, and the coefficients of determination of the vibration meters 24a and 24b are averaged to identify the frequency at which this average value is largest.
  • the coefficient of determination (R 2 ) when determining the coefficient of determination between the airflow rate and the vibration intensity, it is preferable to calculate the coefficient of determination (R 2 ) by considering a predetermined frequency width for each frequency.
  • the coefficient of determination may be calculated by considering a frequency width of ⁇ 25 Hz to ⁇ 300 Hz for each frequency.
  • the coefficient of determination (R 2 ) at each frequency and each frequency width corresponding to the frequency is confirmed, and the frequency at which the average value of these coefficients of determination is the largest is identified as the frequency correlated with the vibration generated by introducing gas.
  • the difference between the coefficients of determination at each frequency becomes large, and it becomes easier to identify the frequency with a large coefficient of determination.
  • the height of the molten material 12 is detected using the vibration intensity of a frequency that is correlated with the vibration generated by introducing gas from the air blower tuyeres 20.
  • the frequency that is correlated with the vibration generated by introducing gas into the inlet of the blast furnace can be easily identified by acquiring vibration data with different air blow rates, so that the frequency of the vibration intensity at which the molten material height in the blast furnace can be detected can be easily identified.
  • the molten material height in a blast furnace whose interior cannot be directly observed with the naked eye, can be detected with high accuracy using a corrected vibration intensity that removes the influence of the air blow rate of the gas introduced from the inlet from the vibration intensity of the identified frequency.
  • the molten material production conditions can be adjusted to reduce the amount of raw material charged or to increase the amount of molten material discharged. Furthermore, if the molten material height is likely to be lower than the target range, the molten material production conditions can be adjusted to increase the amount of raw material charged or to reduce the amount of molten material discharged.
  • a second embodiment of the present invention will be described using an example of detecting the height of molten material 12 accumulated in the hearth of a blast furnace 10, which is an example of a blast furnace, in the same manner as in the first embodiment.
  • Fig. 6 is a partial cross-sectional schematic diagram showing a lower part of the blast furnace 10 and a molten material height detection device 30 according to the second embodiment.
  • the molten material height detection device 30 has one vibration meter 32 and a calculation device 34.
  • the same components as those in Fig. 2 are given the same reference numbers, and their description will be omitted.
  • the vibration meter 32 measures the vibration of the furnace wall at the bottom of the furnace and creates vibration data.
  • the vibration meter 32 is, for example, a piezoelectric element.
  • the vibration data generated by the vibration meter 32 is output to and recorded by the calculation device 34.
  • the calculation device 34 is also a general-purpose computer such as a personal computer having a calculation unit such as a CPU and a storage unit such as a memory.
  • the calculation device 34 performs frequency analysis on the vibration data obtained from the vibration meter 32, and calculates the vibration intensity of a frequency that is correlated with the vibration generated by introducing gas from the blower tuyere 20. In order to remove the influence of the blowing volume from the calculated vibration intensity, the calculation device 34 corrects the vibration intensity to a corrected vibration intensity using the above formula (1).
  • Fig. 7 is a graph showing the relationship between the corrected vibration intensity and the height of the melt.
  • the horizontal axis is the corrected vibration intensity (m/ s2 )
  • the vertical axis is the height of the melt (m).
  • a regression equation showing the correspondence between the corrected vibration intensity and the height of the melt 12 as shown in Fig. 7 is calculated and stored in advance in the computing device 34. It is preferable to create the regression equation showing the correspondence between the corrected vibration intensity and the height of the melt 12 using operation data from as long a period as possible.
  • the calculation device 34 After calculating the corrected vibration intensity, the calculation device 34 reads out the regression equation showing the correspondence between the corrected vibration intensity and the height of the molten material shown in FIG. 7, and detects the height of the molten material 12 using the regression equation and the calculated corrected vibration intensity. In this way, the molten material height detection device 30 according to the second embodiment detects the height of the molten material 12 in the blast furnace 10.
  • the vibration meter 32 is preferably installed at a position close to the blast tuyere 20. This makes it easier for the vibration meter 32 to detect vibrations caused by the blast.
  • the vibration meter 32 In the height direction of the furnace wall at the lower part of the blast furnace 10, if the upper end position of the discharge hole 14 is 0 and the lower end position of the blast tuyere 20 is 1, the vibration meter 32 is preferably installed at a position between 0.90 and 1.00, more preferably between 0.95 and 1.00, and even more preferably at 1.00. It is not preferable to install the vibration meter 32 at a position higher than the lower end position of the blast tuyere 20, because the vibrations measured by the vibration meter 32 will be affected by the vibrations caused by the descent of the raw materials inside the blast furnace.
  • the height of the molten material 12 is detected using the vibration intensity of a frequency correlated with the vibration generated by introducing gas from the blower tuyere 20.
  • the frequency correlated with the vibration generated by introducing gas into the inlet of the blast furnace can be easily identified by acquiring vibration data with different blower volumes, so that the frequency of the vibration intensity at which the molten material height in the blast furnace can be detected can be easily identified.
  • the molten material height in a blast furnace, where the inside of the furnace cannot be directly observed can be detected with high accuracy.
  • Example 1 Next, in order to confirm the validity of the present invention, Example 1 will be described, in which the height of molten material accumulated in the lower part of a large blast furnace with a capacity of 5000 m3 was detected.
  • an apparatus having the same configuration as the molten material height detection apparatus 22 shown in Fig. 2 was used.
  • the vibration meters 24a to 24c were installed at equal intervals between the blast tuyere 20 and the discharge hole 14 provided in the lower part of the blast furnace 10.
  • the installation heights of the vibration meters 24a to 24c from the hearth bottom, and the heights of the blast tuyere and the discharge hole are shown in Table 1 below.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the vibration meter and its peripheral devices in Example 1.
  • Amplifiers 40a to 40c for amplifying vibration data were connected to the vibration meters 24a to 24c.
  • the vibration data amplified by the amplifiers 40a to 40c was stored in data loggers 42a to 42c.
  • the vibration data stored in the data loggers 42a to 42c was processed using the computing device 26.
  • the conditions for measuring vibration were a sampling frequency of 10,000 Hz and a recording length of 10 sec, assuming the vibration frequency caused by the air blowing measured in a blast furnace. Under these conditions, the vibration of the furnace wall was measured every three minutes for four days, and vibration data for that period was obtained.
  • the vibration data prior to FFT analysis, was subjected to overlap processing, smoothing processing, and window function processing.
  • overlap processing the raw vibration data was divided into 3/10 of the recording length, and processed so that half of the data overlapped.
  • a Gaussian filter was used to smooth each divided frame.
  • a Hanning window was also applied in window function processing. After processing the divided frames in this manner, an FFT analysis was performed and the average value of vibration intensity calculated by FFT analysis of all divided frames was used.
  • the vibration intensity of all frequencies was calculated. At this time, the frequency interval was 3.3 Hz.
  • vibrations with frequencies of 5000 Hz or less were measured by the vibration meters 24a to 24c.
  • the frequency of the vibration was considered as being divided into a reference vibration frequency f (Hz) and a frequency width ⁇ f (Hz).
  • the average value of the vibration intensity of each frequency included in the frequency band f ⁇ f was taken as the vibration intensity of the reference vibration frequency f (Hz) taking into account the frequency width ⁇ f (Hz), and f was changed from 300 Hz to 4700 Hz in 50 Hz increments, and ⁇ f was changed from 25 Hz to 300 Hz in 25 Hz increments.
  • the vibration strength at each frequency was calculated, and then the coefficient of determination ( R2 ) between the vibration strength and the air flow rate was calculated.
  • the coefficient of determination (R2) was calculated using the vibration data of the vibration meters 24a and 24b measured on the day when the height of the molten material was the lowest during the four - day measurement period.
  • Fig. 9 is a contour diagram showing the coefficient of determination ( R2 ) between the vibration intensity and the airflow rate calculated from the measured values of the vibration meters 24a and 24b.
  • Fig. 9(a) is a contour diagram of the vibration meter 24a
  • Fig. 9(b) is a contour diagram of the vibration meter 24b.
  • the vibration intensity was corrected for the airflow volume.
  • the correction was carried out by using the vibration intensity and airflow volume for two days out of the four days for which vibration data was measured, when the amount of molten material accumulated in the lower part of the furnace was small, to obtain the regression line to be used in the above formula (1).
  • Fig. 10 is a graph showing the relationship between the vibration intensity of the vibration meters 24a to 24c and the airflow rate.
  • Fig. 10(a) shows the graph of the vibration meter 24a and the regression line
  • Fig. 10(b) shows the graph of the vibration meter 24b and the regression line
  • Fig. 10(c) shows the graph of the vibration meter 24c and the regression line.
  • the horizontal axis of these graphs is the airflow rate (Nm 3 /min)
  • the vertical axis is the vibration intensity (m/s 2 ).
  • G 0 G + (BV - BV 0 ) x 2.00 x 10 -3 ... (2)
  • G 0 G + (BV - BV 0 ) x 1.72 x 10 -3 ... (3)
  • G 0 G + (BV - BV 0 ) x 1.04 x 10 -3 ... (4)
  • the corrected vibration intensity was calculated by removing the effects of the air flow rate using the above formulas (2) to (4).
  • the calculated corrected vibration intensity was used to detect the molten material height.
  • Fig. 11 is a graph showing the time progression of the molten height and the time progression of the corrected vibration intensity obtained from the operational data.
  • Fig. 11(a) is a graph showing the time progression of the molten height obtained from the operational data, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the molten height (m).
  • Fig. 11(b) to (d) are graphs showing the time progression of the corrected vibration intensity of the vibration meters 24a to 24c, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the corrected vibration intensity (m/ s2 ).
  • the corrected vibration intensity value for vibration meter 24c has been decreasing since 16:30 on 4/19, but continues to increase for vibration meters 24a and 24b. Therefore, it can be seen that the molten material height was between 4.8 and 5.2 m, between vibration meters 24b and 24c, from 16:30 to 23:59 on 4/19. Looking at the molten material height values estimated and calculated at the same time, it rose from approximately 4.4 m to 5.2 m between 16:30 and 23:59 on 4/19. In this way, the molten material height detected from the vibration intensity and the molten material height estimated and calculated from the operational data are almost the same, confirming that the molten material height can be detected by the method of Example 1.
  • Example 2 Next, Example 2 will be described, in which it was confirmed that the molten material height can be detected using a single vibrometer.
  • the molten material height of a large blast furnace with the same capacity of 5000 m3 as Example 1 was detected using vibration data from the vibrometer 24a.
  • the vibration data acquired from the vibrometer 24a was subjected to overlap processing, smoothing processing, and window function processing, as in Example 1, and then FFT analysis.
  • the vibration intensity of this frequency from 00:00 to 23:59 on 4/19 was corrected using the above formula (2) to calculate the corrected vibration intensity.
  • the molten material height in the blast furnace was calculated using the operation data obtained from the blast furnace from 00:00 to 23:59 on 4/19 and the following formula (5).
  • h is the molten height (m)
  • Wi is the weight of the molten pig iron at the bottom (kg)
  • ⁇ i is the density of the molten pig iron (kg/m 3 )
  • Ws is the weight of the molten slag at the bottom (kg)
  • ⁇ s is the density of the molten slag (kg/m 3 )
  • ⁇ is the void fraction at the bottom (-)
  • Sb is the cross-sectional area of the bottom (m 3 ).
  • (-) means dimensionless.
  • the weights of the molten pig iron and molten slag at the bottom of the hearth were calculated by adding up the amounts of pig iron and slag obtained at each tapping operation and subtracting the amounts of pig iron and slag produced by the amounts of tapping iron and slag produced, and correcting the error of the weighing machine of the actual equipment.
  • the density of the molten pig iron was set to 6800 kg/ m3
  • the density of the molten slag was set to 2650 kg/ m3
  • the void ratio at the bottom of the hearth was set to 0.35.
  • Fig. 12 is a graph showing a regression equation between corrected vibration intensity and molten material height.
  • the horizontal axis is corrected vibration intensity (m/ s2 ) and the vertical axis is molten material height (m).
  • the regression equation shown in Fig. 12 is a calibration curve for detecting the molten material height from the corrected vibration intensity.
  • the regression equation obtained from the graph of Fig. 12 is the following equation (6).
  • G 0 is the corrected vibration intensity (m/s 2 ).
  • the molten material height was detected using this formula (6).
  • the molten material height was calculated using the corrected vibration intensity at four points around midnight on August 31st and the above formula (6).
  • the calculation was performed using the operation data at four points at the same time and the above formula (5).
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the detected molten material height value calculated from the corrected vibration intensity and the actual molten material height value calculated from the operational data.
  • the horizontal axis represents the detected molten material height value (m) calculated from the corrected vibration intensity
  • the vertical axis represents the actual molten material height value (m).
  • the detected molten material height value calculated from the regression equation (6) and the actual molten material height value calculated from the operational data were almost the same. This result confirmed that the molten material height can be detected by the method of Example 2.

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Abstract

溶鉱炉の溶融物高さを検出できる周波数を容易に特定でき、当該周波数の振動強度を用いて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。　溶鉱炉の溶融物高さを検出する溶融物高さ検出方法であって、溶鉱炉の炉下部における炉壁の１以上の位置で振動を測定し、振動の周波数を解析して炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、周波数の振動強度から流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて、溶鉱炉の溶融物高さを検出する。

Description

溶融物高さの検出方法、溶融物高さの検出装置および溶融物の製造方法
　本発明は、炉内を直接目視できない溶鉱炉内部の溶融物高さを溶鉱炉の振動から検出する溶融物高さの検出方法、溶融物高さの検出装置および溶融物の製造方法に関する。
　炉内を直接目視できない溶鉱炉の一例として、製鉄プロセスの高炉が挙げられる。高炉は、鉄の原料となる鉄鉱石と燃料であるコークスとを高温ガスで昇温、反応させて銑鉄を生産する設備である。高炉内で生成された銑鉄とスラグの溶融物は底部に液溜まりとして蓄積しており、約３時間に一度、炉外へ排出され、次工程へ供給される。
　高炉の操業において、高炉の熱不足や高炉底部に存在する充填層の粒径の低下が生じると溶融物の通液抵抗が増加し、溶融物の炉外への排出量が低下することがある。その結果、溶融物の液面高さが上昇し、高炉内ガスの通気性悪化による炉冷や炉体設備の損傷が起こる。最終的に高炉の稼働休止まで追い込まれ、製鉄所全体で鉄鋼製品の生産量が大幅に低下することが懸念される。このような懸念から、溶融物の高炉内蓄積量を常に把握して、高炉トラブルを早期に検知することは必須である。
　高炉内の溶融物の液面高さを測定して、過剰な蓄積を検知する技術は存在する。特許文献１には、高炉からの溶融物の排出流を２枚以上撮影して排出速度を求め、当該排出速度をエネルギー収支式に代入することで溶融物高さを算出する技術が開示されている。特許文献２には、高炉に弾性波を入力して、その反射エコーの波高から溶融物高さを測定する技術が開示されている。特許文献３には、高炉炉下部の炉壁の振動強度を測定し、振動強度の周波数を解析して溶銑滓高さの変動に相関のある周波数帯の振動強度を算出し、算出した周波数帯の強度を用いて高炉の溶銑滓の高さを算出する技術が開示されている。
特開２０１７－１６０４９８号公報 特開平１０－１８５６５４号公報 国際公開第２０２２／２０１７１７号
　特許文献１の技術では、溶融物の排出速度と溶融物の高さの正相関を利用しているので、排出孔詰まりによって溶融物の排出速度が低下した際には液面高さ上昇を検知できないという課題がある。また、排出孔周りは工場内の粉塵により視界が悪く、さらに、溶融物が排出孔から激しく噴出することがある。このような場合には排出流表面を正確に撮影できず、溶融物の液面高さを算出できないという課題がある。
　特許文献２の技術では、溶鉱炉を構成する炉壁レンガにクラック進展や炉内溶融物の凝固物など弾性波の反射特性に影響を及ぼす因子が数多く存在することが予測され、溶融物高さを正確に測定できない可能性がある。特許文献３の技術は、実機溶鉱炉内の溶銑滓高さが不明であるので、溶銑滓高さの変動に相関のある周波数帯を特定することが難しい。本発明はこれらの事情を鑑みてなされたもので、その目的は、溶鉱炉の溶融物高さを検出できる周波数を容易に特定でき、当該周波数の振動強度を用いて溶融物高さを検出できる溶融物高さの検出方法および溶融物高さの検出装置を提供することである。
　上記課題を解決できる本発明の要旨は以下の通りである。
［１］溶鉱炉の溶融物高さを検出する溶融物高さ検出方法であって、前記溶鉱炉の炉下部における炉壁の１以上の位置で振動を測定し、前記振動の周波数を解析して前記炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、前記周波数の振動強度から前記流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強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］前記流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数は、所定の幅を有する周波数帯の振動強度と、前記気体の送風量との相関を確認することで特定される、［１］に記載の溶融物高さの検出方法。
［３］前記補正振動強度の時間推移が極大または極小となった場合に、前記溶鉱炉における溶融物高さが前記振動を測定している位置であると検出する、［１］または［２］に記載の溶融物高さの検出方法。
［４］前記炉下部における炉壁の高さ方向に異なる２以上の位置で前記振動を測定する、［１］から［３］のいずれかに記載の溶融物高さの検出方法。
［５］前記補正振動強度と前記溶融物高さとの対応関係を予め求めておき、前記振動の測定から得られる補正振動強度と前記対応関係とを用いて溶鉱炉の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。
［６］前記炉下部における炉壁の高さ方向において、排出孔の上端位置を０とし、前記流入口の下端位置を１とした場合に、０．９０以上１．００以下の位置で前記振動を測定する、［５］に記載の溶融物高さの検出方法。
［７］溶鉱炉の溶融物高さを検出する溶融物高さ検出装置であって、前記溶鉱炉の炉下部における炉壁に設けられ、前記炉壁の振動を測定する１以上の振動計と、前記振動計によって測定された振動を周波数解析して、前記炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、前記振動強度から前記流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて前記溶融物高さを検出する演算装置と、を有する、溶融物高さの検出装置。
［８］２以上の前記振動計を有し、前記２以上の振動計は、前記炉下部における炉壁の高さ方向に異なる２以上の位置に設けられる、［７］に記載の溶融物高さの検出装置。
［９］前記演算装置は、前記補正振動強度と前記溶融物高さとの対応関係を用いて前記溶融物高さを検出する、［７］に記載の溶融物高さの検出装置。
［１０］前記炉下部における炉壁の高さ方向において、排出孔の上端位置を０とし、前記流入口の下端位置を１とした場合に、前記振動計は０．９０以上１．００以下の位置に設けられる、［９］に記載の溶融物高さの検出装置。
［１１］溶鉱炉を用いた溶融物の製造方法であって、前記溶鉱炉の炉下部における炉壁の１以上の位置で振動を測定し、前記振動の周波数を解析して前記炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、前記周波数の振動強度から前記流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて前記溶鉱炉の溶融物高さを検出し、検出された溶融物高さが、目標とする溶融物高さの範囲内になるように前記溶融物の製造条件を調整する、溶融物の製造方法。
［１２］前記補正振動強度と前記溶融物高さとの対応関係を予め求めておき、前記振動の測定から得られる補正振動強度と前記対応関係とを用いて前記溶融物高さを検出する、［１１］に記載の溶融物の製造方法。
　本発明によれば、溶鉱炉の溶融物高さを検出できる振動強度の周波数を、溶鉱炉の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数を特定することで求められるので、溶鉱炉の溶融物高さを検出できる振動強度の周波数を容易に特定できる。そして、特定された周波数の振動強度から流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて、炉内を直接目視できない溶鉱炉の溶融物高さを高い精度で検出できる。
図１は、高炉１０の炉下部の部分断面模式図である。 図２は、高炉１０の炉下部と第１実施形態に係る溶融物高さの検出装置２２を示す部分断面模式図である。 図３は、補正振動強度の時間推移を示すグラフである。 図４は、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数を特定する方法を説明するフロー図である。 図５は、振動データと当該振動データをＦＴＴ処理した振動強度データを示すグラフである。 図６は、高炉１０の炉下部と第２実施形態に係る溶融物高さの検出装置３０を示す部分断面模式図である。 図７は、補正振動強度と溶融物高さとの関係を示すグラフである。 図８は、実施例１の振動計とその周辺機器の構成を示す模式図である。 図９は、振動計２４ａ、２４ｂの測定値から算出した振動強度と送風量との決定係数（Ｒ２）の値を示すコンター図である。 図１０は、振動計２４a～２４ｃの振動強度と送風量との関係を示すグラフである。 図１１は、操業データから求めた溶融物高さの時間推移と補正振動強度の時間推移を示すグラフである。 図１２は、補正振動強度と溶融物高さとの回帰式を示すグラフである。 図１３は、補正振動強度から算出した溶融物高さの検出値と、操業データから求めた溶融物高さの実績値との関係を示すグラフである。
［第１実施形態］
　以下、本発明の第１実施形態を溶鉱炉の一例である高炉を用い、高炉の炉底部に蓄積される溶融物である溶銑滓の高さを検出する例を用いて説明する。図１は、高炉１０の炉下部の部分断面模式図である。高炉１０の炉下部には銑鉄とスラグで構成される溶銑滓（以後、溶銑滓を「溶融物１２」と記載する。）が蓄積されている。溶融物１２は、排出孔１４から排出され、溶融物流れ１６が生じる。また、高炉１０の炉下部には、気体１８を導入させるための送風羽口２０が設けられている。送風羽口２０は、炉内に気体１８を導入する流入口の一例である。
　図２は、高炉１０の炉下部と第１実施形態に係る溶融物高さの検出装置２２を示す部分断面模式図である。溶融物高さの検出装置２２は、例えば、３つの振動計２４ａ～２４ｃと演算装置２６とを有する。３つの振動計２４ａ～２４ｃは、排出孔１４と送風羽口２０との間に高さ方向に等間隔になるように炉壁に設けられ、炉壁の振動を測定して振動データを生成する。振動計２４ａ～２４ｃは、例えば、圧電素子である。
　振動計２４ａ～２４ｃによって生成された振動データは、演算装置２６に出力されて記録される。演算装置２６は、ＣＰＵ等の演算部とメモリ等の格納部を有するパソコン等の汎用コンピュータである。演算装置２６は、振動計２４ａ～２４ｃから取得した振動データを周波数解析し、送風羽口２０から気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出する。
　演算装置２６は、算出した振動強度から送風量の影響を除去するため、下記（１）式を用いて振動強度を補正振動強度に補正する。このように振動強度を補正振動強度に補正することで、送風量の変動が振動強度に与える影響を除くことができる。
　Ｇ０＝Ｇ＋（ＢＶ０－ＢＶ）×ａ・・・（１）
　上記（１）式において、Ｇ０は補正振動強度（ｍ／ｓ２）であり、Ｇは補正前の振動強度（ｍ／ｓ２）であり、ＢＶ０は基準となる任意の送風量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）であり、ＢＶはＧの計算元となる振動データが測定された時刻における送風量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）であり、ａは送風による振動に相関のある周波数の振動強度をｙ軸とし、送風量をｘ軸とした際の回帰直線の傾きである。
　図３は、補正振動強度の時間推移を示すグラフである。図３において、横軸は時間であり、縦軸は補正振動強度である。補正振動強度は、振動計の設置高さよりも溶融物１２の高さが低い場合に溶融物１２の高さと正の相関が得られる。一方、振動計の設置高さよりも溶融物１２の高さが高い場合に溶融物高さと負の相関が得られる。従って、例えば、図３に示した補正振動強度の時間推移が振動計２４ｂで生成された振動データから求められた補正振動強度である場合、補正振動強度が正の相関から負の相関に変わり極大となった時刻の溶融物１２の高さが振動計２４ｂの設置高さになる。
　補正振動強度の正の相関から負の相関への変化は、振動計が溶融物の液面が上がる現象をとらえたものである。一方、振動計の設置位置よりも高い位置にある溶融物の液面が下がる場合も、補正振動強度は正の相関から負の相関に変わる。この場合においても、補正振動強度が正の相関から負の相関に変わり極大となった時刻の溶融物１２の高さが振動計の設置高さになる。
　演算装置２６は、振動計２４ａ～２４ｃによって生成された振動データから得られる補正振動強度の時間推移をモニターし、補正振動強度が正の相関から負の相関に変わった振動計を特定する。演算装置２６は、振動計を特定すると、特定した振動計の設置高さが溶融物１２の高さであるとして溶融物１２の高さを検出する。一方、補正振動強度が正の相関から負の相関に変わった振動計が特定できない場合であっても、補正振動強度が正の相関を示す振動計と補正振動強度が負の相関を示す振動計があった場合には、演算装置２６は、それら振動計の設置高さの間が溶融物１２の高さであるとして溶融物１２の高さを検出する。このようにして、演算装置２６は、振動計２４ａ～２４ｃによって生成された振動データから高炉１０の溶融物１２の高さを検出する。
　本実施形態に係る溶融物高さの検出装置２２では、３つの振動計２４a～２４ｃを有する例を示したが、これに限らない。溶融物高さの検出装置２２は、少なくとも１つの振動計を有していればよく、この振動計によって生成される振動データから求められる補正振動強度に正の相関から負の相関への変化があれば溶融物１２の高さが検出できる。但し、上述したように振動計の設置高さによって溶融物１２の高さを検出することから、溶融物高さの検出装置２２は、高炉１０の炉下部の高さ方向に異なる位置に設置された２以上の振動計を有することが好ましい。これにより、高炉１０の炉下部における溶融物１２の高さの検出範囲を高さ方向に広げることができる。
　図４は、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数を特定する方法を説明するフロー図である。図４を用いて、送風羽口２０から気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の特定方法について説明する。この周波数の特定は、送風羽口２０に最も近い位置に設置されている振動計２４ａを用いて行うことが好ましく、また、高炉１０の操業が安定している時期に行うことが好ましい。なお、高炉１０の操業が安定している時期とは、高炉操業におけるコークス比が目標とする範囲内にあり、かつ高炉炉内の通気性の変動が低位である時期を意味する。
　まず、振動計２４ａで高炉１０の炉下部の振動を測定して振動データを生成する（ステップＳ１０１）。振動データに対してＦＦＴ処理（ステップＳ１０２）を実行して、振動データを周波数解析する。なお、ＦＦＴ処理する前の振動データに対して、必要に応じてオーバーラップ処理や、平滑化処理や、窓関数処理を行ってもよい。
　図５は、振動データと当該振動データをＦＴＴ処理した振動強度データを示すグラフである。図５（ａ）は振動データであり、図５（ｂ）は振動強度データである。このように図５（ａ）に示した振動データをＦＦＴ処理して図５（ｂ）に示した振動強度データに変換する。この振動強度データを用いて、全ての周波数で振動強度を算出することが好ましい。
　振動強度は、対象とする周波数の前後で所定の幅を有する周波数帯における振動強度としてもよい。例えば、所定の幅を±１００Ｈｚとした場合には、周波数１１００Ｈｚの振動強度は、１０００～１２００Ｈｚに存在する周波数それぞれの振動強度を相加平均した値になる。なお、周波数帯に存在する周波数の間隔は、振動データのＦＦＴ処理によって任意に設定される。例えば、振動計のサンプリング周波数を１００００Ｈｚとし、記録長を１０ｓｅｃとした場合、周波数の間隔は３．３Ｈｚとなる。
　再び、図４を参照する。この振動強度データを、送風量を変えた条件で複数取得していない場合は（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、送風量を変更して（ステップＳ１０４）、再度、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２の処理を繰り返し実施する。一方、振動強度データを、送風量を変えた条件で複数取得している場合は（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、全ての周波数での送風量と振動強度との決定係数（Ｒ２）を算出する（ステップＳ１０５）。
　全ての周波数において送風量と振動強度との決定係数（Ｒ２）を算出したら、その中で決定係数が最も大きい周波数を、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数であると特定する（ステップＳ１０６）。このようにして、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数を予め特定する。
　なお、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の特定を複数の振動計を用いて行ってもよい。例えば、振動計２４ａおよび振動計２４ｂを用いて行う場合、これら振動計に対して全ての周波数での送風量と振動強度との決定係数（Ｒ２）を算出するとともに振動計２４aと振動計２４ｂの決定係数を平均化し、この平均値が最も大きい周波数を特定すればよい。
　さらに、送風量と振動強度との決定係数を求める際、各周波数に対して所定の周波数幅を考慮して決定係数（Ｒ２）を算出することが好ましい。例えば、各周波数に対して±２５Ｈｚから±３００Ｈｚの周波数幅を考慮して決定係数を算出してもよい。この場合においても、各周波数および周波数に対応した各周波数幅における決定係数（Ｒ２）を確認し、これら決定係数の平均値が最も大きくなる周波数を、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数として特定すればよい。このように、各周波数に対して所定の周波数幅を考慮することで、各周波数における決定係数の差が大きくなり、決定係数の大きい周波数を特定しやすくなる。
　このように、第１実施形態に係る溶融物高さの検出方法および検出装置では、送風羽口２０から気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を用いて溶融物１２の高さを検出する。溶鉱炉の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数は、送風量を変えた振動データを取得することで容易に特定できるので、溶鉱炉の溶融物高さを検出できる振動強度の周波数を容易に特定できる。そして、特定された周波数の振動強度から流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて、炉内を直接目視できない溶鉱炉の溶融物高さを高い精度で検出できる。
　また、このようにして検出される溶融物高さが、溶鉱炉において目標とする溶融物高さの範囲内になるように溶融物の製造条件を調整することが好ましい。例えば、溶融物高さが目標とする範囲より高くなりそうな場合には、原料の装入量を減らしたり、溶融物の排出量を増やすように溶融物の製造条件を調整すればよい。また、溶融物高さが目標とする範囲より低くなりそうな場合には、原料の装入量を増やしたり、溶融物の排出量を減らすように溶融物の製造条件を調整すればよい。このように、目標とする溶融物高さの範囲内になるように溶融物の製造条件を調整することで、例えば、高炉においては、溶融物液面の過度な上昇が抑制され、通気性悪化による炉冷や炉体設備の損傷を抑制しながら溶融物を製造できる。
　［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態を、第１の実施形態と同様に、溶鉱炉の一例である高炉１０を用い、高炉１０の炉底部に蓄積される溶融物１２の高さを検出する例を用いて説明する。図６は、高炉１０の炉下部と第２実施形態に係る溶融物高さの検出装置３０を示す部分断面模式図である。溶融物高さの検出装置３０は、１つの振動計３２と演算装置３４とを有する。なお、図６に示した例において、図２と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
　振動計３２は、炉下部の炉壁の振動を測定して振動データを作成する。振動計３２は、例えば、圧電素子である。
　振動計３２によって生成された振動データは、演算装置３４に出力されて記録される。演算装置３４もＣＰＵ等の演算部とメモリ等の格納部を有するパソコン等の汎用コンピュータである。演算装置３４は、振動計３２から取得した振動データを周波数解析し、送風羽口２０から気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出する。演算装置３４は、算出した振動強度から送風量による影響を除去するため、上記（１）式を用いて振動強度を補正振動強度に補正する。
　図７は、補正振動強度と溶融物高さとの関係を示すグラフである。図７において、横軸は補正振動強度（ｍ／ｓ２）であり、縦軸は溶融物の高さ（ｍ）である。演算装置３４には、図７に示すような補正振動強度と溶融物１２の高さとの対応関係を示す回帰式が予め求められて格納されている。補正振動強度と溶融物１２の高さとの対応関係を示す回帰式は、できるだけ長い期間の操業データを用いて作成することが好ましい。
　演算装置３４は、補正振動強度を算出すると、図７に示した補正振動強度と溶融物の高さとの対応関係を示す回帰式を読み出し、当該回帰式と算出した補正振動強度とを用いて溶融物１２の高さを検出する。このようにして、第２実施形態に係る溶融物高さの検出装置３０では、高炉１０の溶融物１２の高さを検出する。
　振動計３２は、送風羽口２０に近い位置に設置されることが好ましい。これにより、振動計３２によって、送風に起因する振動を検出しやすくなる。高炉１０の炉下部における炉壁の高さ方向において、排出孔１４の上端位置を０とし、送風羽口２０の下端位置を１とした場合に、振動計３２は０．９０以上１．００以下の位置に設置されることが好ましく、０．９５以上１．００以下の位置に設置されることがより好ましく、１．００の位置に設置されることがさらに好ましい。振動計３２が送風羽口２０の下端位置よりも高い位置に設置されると、振動計３２によって測定される振動が高炉炉内の原料の降下に起因する振動の影響を受けるので好ましくない。
　以上、説明したように、第２実施形態に係る溶融物高さの検出方法および検出装置においても、送風羽口２０から気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を用いて溶融物１２の高さを検出する。溶鉱炉の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数は、送風量を変えた振動データを取得することで容易に特定できるので、溶鉱炉の溶融物高さを検出できる振動強度の周波数を容易に特定できる。そして、特定された周波数の振動強度から流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度と上記回帰式を用いることで、炉内を直接目視できない溶鉱炉の溶融物高さを高い精度で検出できる。
　［実施例１］
　次に、本発明の妥当性を確認することを目的として、容量が５０００ｍ３の大型高炉の炉下部に蓄積される溶融物高さを検出した実施例１を説明する。本実施例では、図２に示した溶融物高さの検出装置２２と同じ構成の装置を用いた。振動計２４ａ～２４ｃは、高炉１０の炉下部に設けられた送風羽口２０と排出孔１４との間に等間隔で設置した。振動計２４ａ～２４ｃの炉底からの設置高さ、送風羽口および排出孔の高さを下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図８は、実施例１の振動計とその周辺機器の構成を示す模式図である。なお、図８において、図２と同じ構成には同じ参照番号を付して、その説明を省略する。各振動計２４ａ～２４ｃに、振動データを増幅させるためのアンプ４０ａ～４０ｃを接続した。アンプ４０ａ～４０ｃによって増幅された振動データをデータロガー４２ａ～４２ｃにて保存した。データロガー４２ａ～４２ｃに保存された振動データを、演算装置２６を用いてデータ処理した。振動を測定するための条件は、高炉で測定される送風由来の振動周波数を想定して、サンプリング周波数を１００００Ｈｚとし、記録長を１０ｓｅｃとした。この条件で炉壁の振動を３分ごとに４日間測定して、当該期間の振動データを取得した。
　本実施例では、ＦＦＴ解析の前に、振動データをオーバーラップ処理、平滑化処理および窓関数処理した。オーバーラップ処理では、振動データの生データに対し、記録長に対して３／１０の大きさで分割し、その内の半分がオーバーラップするように処理した。それぞれの分割フレームに対してガウシアンフィルタを用いて平準化処理した。また、窓関数処理ではハニング窓を適用した。このように分割フレームを処理した後、ＦＦＴ解析を実施して全ての分割フレームをＦＦＴ解析することによって算出された振動強度の平均値を用いた。
　ＦＦＴ解析を実施した後、全ての周波数の振動強度を算出した。このとき、周波数の間隔は３．３Ｈｚであった。実施例１では振動計２４ａ～２４ｃによって５０００Ｈｚ以下の周波数をもつ振動が測定されている。この周波数全ての振動強度を評価するため、当該振動の周波数を基準振動周波数ｆ（Ｈｚ）と周波数幅Δｆ（Ｈｚ）とに分けて考えた。すなわち、周波数帯ｆ±Δｆに含まれる周波数それぞれの振動強度の平均値を、周波数幅Δｆ（Ｈｚ）を考慮した基準振動周波数ｆ（Ｈｚ）の振動強度とし、ｆについては３００Ｈｚから４７００Ｈｚまで５０Ｈｚ刻みで変化させ、Δｆについては２５Ｈｚから３００Ｈｚまで２５Ｈｚ刻みで変化させた。
　このようにして、各周波数における振動強度を算出した後、当該振動強度と送風量との決定係数（Ｒ２）を算出した。実施例１では、４日間の測定期間のうち、最も溶融物の高さが低かった１日に測定された振動計２４ａ、２４ｂの振動データを用いて決定係数（Ｒ２）を算出した。
　図９は、振動計２４ａ、２４ｂの測定値から算出した振動強度と送風量との決定係数（Ｒ２）の値を示すコンター図である。図９（ａ）が振動計２４ａのコンター図であり、図９（ｂ）が振動計２４ｂのコンター図である。実施例１ではΔｆ＝２５０Ｈｚを考慮したｆ＝１４００Ｈｚの振動強度と送風量とのＲ２が最も大きかった。このため、Δｆ＝２５０Ｈｚを考慮したｆ＝１４００Ｈｚを、気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数とした。
　次に、振動強度の送風量の補正を行った。補正は振動データを測定した４日間のうち、炉下部における溶融物の蓄積量が少ない２日間の振動強度と送風量を用いて、上記（１）式に用いる回帰直線の式を求めた。
　図１０は、振動計２４ａ～２４ｃの振動強度と送風量との関係を示すグラフである。図１０（ａ）は、振動計２４ａのグラフと回帰直線を示し、図１０（ｂ）は、振動計２４ｂのグラフと回帰直線を示し、図１０（ｃ）は、振動計２４ｃのグラフと回帰直線を示す。これらグラフの横軸は送風量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）であり、縦軸は振動強度（ｍ／ｓ２）である。これらの回帰直線の傾きを上記（１）式に代入することで、振動強度を補正振動強度に補正する下記（２）～（４）式を算出した。
Ｇ０＝Ｇ＋（ＢＶ－ＢＶ０）×２．００×１０－３・・・（２）
Ｇ０＝Ｇ＋（ＢＶ－ＢＶ０）×１．７２×１０－３・・・（３）
Ｇ０＝Ｇ＋（ＢＶ－ＢＶ０）×１．０４×１０－３・・・（４）
　上記（２）～（４）式を用いて送風量による影響を除去した補正振動強度を算出した。算出した補正振動強度を用いて、溶融物高さを検出した。
　図１１は、操業データから求めた溶融物高さの時間推移と補正振動強度の時間推移を示すグラフである。図１１（ａ）は、操業データから求められる溶融物高さの時間推移を示すグラフであり、横軸は時間であり、縦軸は溶融物高さ（ｍ）である。図１１（ｂ）～（ｄ）は、振動計２４ａ～２４ｃの補正振動強度の時間推移を示すグラフであり、横軸は時間であり、縦軸は補正振動強度（ｍ／ｓ２）である。
　図１１に示すように、振動計２４ｃでは４／１９の１６時３０分から補正振動強度の値が下がっているが、振動計２４ａ、２４ｂでは上がり続けている。そのため、４／１９の１６時３０分から２３時５９分にかけて、溶融物高さは、振動計２４ｂ、２４ｃの間である４．８～５．２ｍの間に存在していることがわかる。同時刻に推定計算した溶融物高さの値を見ると、４／１９の１６時３０分から２３時５９分にかけて約４．４ｍから５．２ｍへ上昇している。このように、振動強度から検出した溶融物高さと、操業データから推定計算した溶融物高さの値がほぼ一致しており、実施例１の方法により溶融物高さが検出できることが確認された。
　［実施例２］
　次に、単一の振動計を用いて溶融物高さを検出できることを確認した実施例２を説明する。実施例２では、実施例１と同じ容量が５０００ｍ３の大型高炉の溶融物高さを振動計２４ａの振動データを用いて検出した。振動計２４ａから取得した振動データは、実施例１と同様に、オーバーラップ処理、平滑化処理および窓関数処理した上でＦＦＴ解析した。
　送風による振動に相関のある周波数を実施例１と同じくΔｆ＝２５０Ｈｚを考慮したｆ＝１４００Ｈｚとした。４／１９の４／１９の０時００分から２３時５９分における当該周波数の振動強度を、上記（２）式を用いて補正して補正振動強度を算出した。また、４／１９の４／１９の０時００分から２３時５９分において高炉で得られた操業データと下記（５）式とを用いて高炉における溶融物高さを算出した。
ｈ＝（Ｗｉ／ρｉ＋Ｗｓ／ρｓ）／（ε×Ｓｂ）・・・（５）
　上記（５）式において、ｈは溶融物高さ（ｍ）であり、Ｗｉは炉底溶銑の重量（ｋｇ）であり、ρｉは溶銑密度（ｋｇ／ｍ３）であり、Ｗｓは炉底溶融スラグの重量（ｋｇ）であり、ρｓは溶融スラグ密度（ｋｇ／ｍ３）であり、εは炉底空隙率（－）であり、Ｓｂは炉底断面積（ｍ３）である。（－）は無次元であることを意味する。
　炉底溶銑および炉底溶融スラグの重量は、出銑作業ごとに得られる造銑量、造滓量を出銑量、出滓量で差し引いた値を足し合わせ、かつ実機の秤量機の誤差を補正して求めた。実施例２では、溶銑密度を６８００ｋｇ／ｍ３とし、溶融スラグ密度を２６５０ｋｇ／ｍ３とし、炉底空隙率を０．３５とした。このようにして算出した補正振動強度と溶融物高さとを用いて、補正振動強度と溶融物高さとの対応関係を示す回帰式を求めた。
　図１２は、補正振動強度と溶融物高さとの回帰式を示すグラフである。図１２において、横軸は補正振動強度（ｍ／ｓ２）であり、縦軸は溶融物高さ（ｍ）である。図１２に示した回帰式が補正振動強度から溶融物高さを検出するための検量線になる。図１２のグラフから求められる回帰式は下記（６）式となった。
ｈ＝Ｇ０×０．６９５３－１８．４８６・・・（６）
　上記（６）式においてＧ０は補正振動強度（ｍ／ｓ２）である。この（６）式を用いて溶融物高さを検出した。溶融物高さの検出では、８／３１の０時付近の４点の補正振動強度と、上記（６）式とを用いて溶融物高さを算出した。また、溶融物高さの実績値の検出では、同じ時間の４点の操業データと、上記（５）式を用いて算出した。
　図１３は、補正振動強度から算出した溶融物高さの検出値と、操業データから求めた溶融物高さの実績値との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は補正振動強度から算出した溶融物高さの検出値（ｍ）であり、縦軸は溶融物高さの実績値（ｍ）である。図１３に示すように、（６）式の回帰式から求めた溶融物高さの検出値と、操業データから求めた溶融物高さの実績値はほぼ一致した。この結果から、実施例２の方法により溶融物高さが検出できることが確認された。
　１０　高炉
　１２　溶融物
　１４　排出孔
　１６　溶融物流れ
　１８　気体
　２０　送風羽口
　２２　溶融物高さの検出装置
　２４ａ～２４ｃ　振動計
　２６　演算装置
　３０　溶融物高さの検出装置
　３２　振動計
　４０ａ～４０ｃ　アンプ
　４２ａ～４２ｃ　データロガー

Claims (12)

  1. 　溶鉱炉の溶融物高さを検出する溶融物高さ検出方法であって、
    　前記溶鉱炉の炉下部における炉壁の１以上の位置で振動を測定し、
    　前記振動の周波数を解析して前記炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、
    　前記周波数の振動強度から前記流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強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. 　前記流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数は、所定の幅を有する周波数帯の振動強度と、前記気体の送風量との相関を確認することで特定される、請求項１に記載の溶融物高さの検出方法。
  3. 　前記補正振動強度の時間推移が極大となった場合に、前記溶鉱炉における溶融物高さが前記振動を測定している位置であると検出する、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。
  4. 　前記炉下部における炉壁の高さ方向に異なる２以上の位置で前記振動を測定する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の溶融物高さの検出方法。
  5. 　前記補正振動強度と前記溶融物高さとの対応関係を予め求めておき、
    　前記振動の測定から得られる補正振動強度と前記対応関係とを用いて溶鉱炉の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。
  6. 　前記炉下部における炉壁の高さ方向において、排出孔の上端位置を０とし、前記流入口の下端位置を１とした場合に、０．９０以上１．００以下の位置で前記振動を測定する、請求項５に記載の溶融物高さの検出方法。
  7. 　溶鉱炉の溶融物高さを検出する溶融物高さ検出装置であって、
    　前記溶鉱炉の炉下部における炉壁に設けられ、前記炉壁の振動を測定する１以上の振動計と、
    　前記振動計によって測定された振動を周波数解析して、前記炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、前記周波数の振動強度から前記流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて前記溶融物高さを検出する演算装置と、
    　を有する、溶融物高さの検出装置。
  8. 　２以上の前記振動計を有し、
    　前記２以上の振動計は、前記炉下部における炉壁の高さ方向に異なる２以上の位置に設けられる、請求項７に記載の溶融物高さの検出装置。
  9. 　前記演算装置は、前記補正振動強度と前記溶融物高さとの対応関係を用いて前記溶融物高さを検出する、請求項７に記載の溶融物高さの検出装置。
  10. 　前記炉下部における炉壁の高さ方向において、排出孔の上端位置を０とし、前記流入口の下端位置を１とした場合に、前記振動計は０．９０以上１．００以下の位置に設けられる、請求項９に記載の溶融物高さの検出装置。
  11. 　溶鉱炉を用いた溶融物の製造方法であって、
    　前記溶鉱炉の炉下部における炉壁の１以上の位置で振動を測定し、
    　前記振動の周波数を解析して前記炉下部の流入口に気体を導入することで発生する振動に相関のある周波数の振動強度を算出し、
    　前記周波数の振動強度から前記流入口から導入される気体の送風量の影響を除去した補正振動強度を用いて前記溶鉱炉の溶融物高さを検出し、
    　検出された溶融物高さが、目標とする溶融物高さの範囲内になるように前記溶融物の製造条件を調整する、溶融物の製造方法。
  12. 　前記補正振動強度と前記溶融物高さとの対応関係を予め求めておき、
    　前記振動の測定から得られる補正振動強度と前記対応関係とを用いて前記溶融物高さを検出する、請求項１１に記載の溶融物の製造方法。
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