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技術 落下軌跡推定方法、落下軌跡の推定式の補正方法及び装入量分布の改善方法

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 松崎眞六西村恒久
出願日 2014年10月16日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2014-211712
公開日 2016年5月16日 (4年6ヶ月経過) 公開番号 2016-079452
状態 特許登録済
技術分野 溶鉱炉
主要キーワード 固定ホッパー ヘッドシュート ノッチ角度 中間ポイント 滑走速度 ストックレベル 離散要素法 落下量
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年5月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

ベル式高炉において、ガス流の影響を考慮しながら落下軌跡をより正確に推定することを目的とする。

解決手段

ベル式高炉に装入される原料の落下軌跡推定方法であって、 原料の落下位置を調節するムーバブルアーマー待機位置から落下原料の全てに衝突する全量衝突位置を超えて駆動するとともに、この駆動中に、前記落下原料の衝突幅に比例して増大する衝突音に関する情報を取得し、この取得した情報に基づき落下軌跡を推定することを特徴とする原料の落下軌跡推定方法。

概要

背景

高炉操業は、原料である鉱石コークス炉頂から交互に炉内に装入して鉱石及びコークスを層状に堆積させ、炉下部の羽口から熱風等を吹き込むことにより生成されて炉内を上昇するガスにより、原料を昇温させるとともに、原料中の酸化鉄還元溶解して溶銑を生成させ、炉下部の出銑口から排出する。

原料として装入される鉱石には、塊鉱石焼結鉱、ペレットなどの鉄原料のほか、石灰石などの副原料も含まれる。

高炉原料装入方式として、ベル式装入方式と、ベルレス式装入方式とが知られている。ベル式装入方式を採用したベル高炉では、大ベルを介して装入される原料を炉内に突出するムーバブルアーマー衝突させて、落下軌跡を調整するようになっている。

ところで、大ベルから装入される原料の落下軌跡は、炉下部から吹き上げガス流の影響を受けて、変化することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。

概要

ベル式高炉において、ガス流の影響を考慮しながら落下軌跡をより正確に推定することを目的とする。ベル式高炉に装入される原料の落下軌跡推定方法であって、 原料の落下位置を調節するムーバブルアーマーを待機位置から落下原料の全てに衝突する全量衝突位置を超えて駆動するとともに、この駆動中に、前記落下原料の衝突幅に比例して増大する衝突音に関する情報を取得し、この取得した情報に基づき落下軌跡を推定することを特徴とする原料の落下軌跡推定方法。

目的

そこで、本願発明は、ベル式高炉において、ガス流の影響を考慮しながら落下軌跡をより正確に推定することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ベル式高炉装入される原料落下軌跡推定方法であって、原料の落下位置を調節するムーバブルアーマー待機位置から落下原料の全てに衝突する全量衝突位置を超えて駆動するとともに、この駆動中に、前記落下原料が前記ムーバブルアーマーに衝突している部分の幅である衝突幅に比例して増大する衝突音に関する情報を取得し、この取得した情報に基づき落下軌跡を推定することを特徴とする原料の落下軌跡推定方法。

請求項2

落下軌跡推定モデルに基づき規定された落下軌跡の推定式(以下、「推定式」という)に含まれるパラメータを、請求項1に記載の方法で取得された衝突音に関する情報に基づき補正する推定式の補正方法であって、前記衝突音に関する情報に基づき、衝突音が発生し始める前記ムーバブルアーマーの先端位置(以下、「第1の位置」という)を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向外側のラインが前記第1の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする推定式の補正方法。

請求項3

落下軌跡推定モデルに基づき推定される落下軌跡の推定式(以下、「推定式」という)に含まれるパラメータを、請求項1に記載の方法で取得された衝突音に関する情報に基づき補正する推定式の補正方法であって、前記衝突音に関する情報に基づき、衝突音が最大に達する前記ムーバブルアーマーの先端位置(以下、「第2の位置」という)を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向内側のラインが前記第2の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする推定式の補正方法。

請求項4

請求項1に記載の落下軌跡推定方法を用いて、炉周方向における落下原料の装入量分布を推定して、この推定結果に基づき装入量分布の偏りを改善する装入量分布改善方法であって、前記ムーバブルアーマーは炉周方向に複数設置されており、各前記ムーバブルアーマーを各待機位置から落下原料の全てに衝突する各全量衝突位置を超えて駆動するとともに、この駆動中における各前記ムーバブルアーマーの衝突音に基づき、炉周方向における装入量分布を推定するとともに、装入量分布の偏りを改善するアクションを実施することを特徴とする装入量分布改善方法。

技術分野

0001

本発明は、ベル式の高炉装入される原料落下軌跡推定する落下軌跡推定方法等に関するものである。

背景技術

0002

高炉操業は、原料である鉱石コークス炉頂から交互に炉内に装入して鉱石及びコークスを層状に堆積させ、炉下部の羽口から熱風等を吹き込むことにより生成されて炉内を上昇するガスにより、原料を昇温させるとともに、原料中の酸化鉄還元溶解して溶銑を生成させ、炉下部の出銑口から排出する。

0003

原料として装入される鉱石には、塊鉱石焼結鉱、ペレットなどの鉄原料のほか、石灰石などの副原料も含まれる。

0004

高炉の原料装入方式として、ベル式装入方式と、ベルレス式装入方式とが知られている。ベル式装入方式を採用したベル高炉では、大ベルを介して装入される原料を炉内に突出するムーバブルアーマー衝突させて、落下軌跡を調整するようになっている。

0005

ところで、大ベルから装入される原料の落下軌跡は、炉下部から吹き上げガス流の影響を受けて、変化することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。

0006

特開2000−256712号公報
特開2011−033619号公報
特開2012−067340号公報
特開2012−237560号公報

先行技術

0007

材料とプロセス;1992 Vol.5 No,1,p109

発明が解決しようとする課題

0008

したがって、ベル式高炉において、原料の落下軌跡を正確に推定するためには、原料粒子へのガス流の影響を正確に考慮する必要がある。そこで、本願発明は、ベル式高炉において、ガス流の影響を考慮しながら落下軌跡をより正確に推定することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

上記課題を解決するために、本願発明に係るベル式高炉に装入される原料の落下軌跡推定方法は、(1)原料の落下位置を調節するムーバブルアーマーを待機位置から落下原料の全てに衝突する全量衝突位置を超えて駆動するとともに、この駆動中に、前記落下原料が前記ムーバブルアーマーに衝突している部分の幅である衝突幅に比例して増大する衝突音に関する情報を取得し、この取得した情報に基づき落下軌跡を推定することを特徴とする。

0010

(2)落下軌跡推定モデルに基づき規定された落下軌跡の推定式(以下、「推定式」という)に含まれるパラメータを、上記(1)に記載の方法で取得された衝突音に関する情報に基づき補正する推定式の補正方法であって、前記衝突音に関する情報に基づき、衝突音が発生し始める前記ムーバブルアーマーの先端位置(以下、「第1の位置」という)を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向外側のラインが前記第1の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする。

0011

(3)落下軌跡推定モデルに基づき推定される落下軌跡の推定式(以下、「推定式」という)に含まれるパラメータを、上記(1)に記載の方法で取得された衝突音に関する情報に基づき補正する推定式の補正方法であって、前記衝突音に関する情報に基づき、衝突音が最大に達する前記ムーバブルアーマーの先端位置(以下、「第2の位置」という)を特定するとともに、前記推定式により導出される落下軌跡における炉径方向内側のラインが前記第2の位置を通過するように、前記パラメータを補正することを特徴とする。

0012

(4)上記(1)記載の落下軌跡推定方法を用いて、炉周方向における落下原料の装入量分布を推定して、この推定結果に基づき装入量分布の偏りを改善する装入量分布改善方法であって、前記ムーバブルアーマーは炉周方向に複数設置されており、各前記ムーバブルアーマーを各待機位置から落下原料の全てに衝突する各全量衝突位置を超えて駆動するとともに、この駆動中における各前記ムーバブルアーマーの衝突音に基づき、炉周方向における装入量分布を推定するとともに、装入量分布の偏りを改善するアクションを実施することを特徴とする。

発明の効果

0013

本願発明によれば、ガス流の影響を考慮しながら、落下軌跡をより正確に推定することができる。

図面の簡単な説明

0014

ベル式高炉における原料搬送工程と炉頂装入装置概略構成例を模式的に示した模式図である。
ムーバブルアーマーを含むベル高炉の一部における模式図である。
原料がムーバブルアーマーに衝突したときの衝突音の変化を、ムーバブルアーマーの開度毎に測定した測定データである。
ムーバブルアーマーの位置に応じて変化する鉱石及びコークスの衝突音に関する測定データである。
ムーバブルアーマーを駆動する駆動装置機能ブロック図である。
各設置位置において取得された音量最大値プロットした測定データである(補修前)。
各設置位置において取得された音量の最大値をプロットした測定データである(補修後)。

実施例

0015

図1は、ベル式高炉における原料搬送工程と炉頂装入装置の概略構成例を模式的に示している。

0016

同図を参照して、ベル式高炉の炉頂部には、上から下に向かって、ヘッドシュート5、固定ホッパー6a,6b、旋回シュート8、小ベルホッパー9および大ベルホッパー11が配置されている。固定ホッパー6aは、底部に固定ホッパーゲート7aを備えている。固定ホッパー6bは、底部に固定ホッパーゲート7bを備えている。小ベルホッパー9は、小ベル10を備えている。大ベルホッパー11は、大ベル12を備えている。

0017

ベル式高炉における原料装入では、各種原料をベルトコンベア2aでサージホッパー3に装入し、ここに一旦貯留する。その後、サージホッパー3内の原料を装入コンベア2bにより炉頂まで搬送し、ヘッドシュート5により等分して2つの固定ホッパー6a,6bに貯留する。

0018

次いで、旋回シュート8の旋回を開始させた後、固定ホッパーゲート7a,7bを開いて固定ホッパー6a,6b内の原料を旋回シュート8により円周方向に分配しつつ、小ベルホッパー9内の原料を下方の大ベルホッパー11内に装入する。さらに大ベル12を炉底側に下動させて開くことで、大ベルホッパー11内の原料をムーバブルアーマー13に向かって衝突させる。原料がムーバブルアーマー13に衝突することで、炉内14における原料の落下位置が調整される。ムーバブルアーマー13は、アーマー回転軸13aを回転軸として所定量回転させることができる。ムーバブルアーマー13は、炉周方向に複数個設置することができる。

0019

ここで、本発明者は、落下原料がムーバブルアーマー13に当接したときの振動に関する情報を取得することにより、ガス流を踏まえた落下原料の落下軌跡を直接決定できることを知見した。この点について、図2乃至図4を参照しながら、詳細に説明する。図2はムーバブルアーマーを含むベル高炉の一部における模式図である。図3は、落下原料がムーバブルアーマーに衝突したときの衝突音の変化を、ムーバブルアーマーの開度毎に測定した測定データである。図4は、ムーバブルアーマーの位置に応じて変化する鉱石及びコークスの衝突音に関する測定データである。ノッチとは、ムーバブルアーマー13を所定角度まで傾動する際の角度と対応している。例えば、3ノッチとは待機位置に位置するムーバブルアーマー13を3ノッチに相当する角度だけ炉内に傾動することを意味し、ノッチ数の増加に応じてムーバブルアーマー13は炉径方向中心側に接近する。なお、本実施形態では、回転式のムーバブルアーマー13を使用したが、本発明はこれに限るものではなく、炉中心側に向かって炉径方向にスライド移動するムーバブルアーマー13を用いることもできる。

0020

図3を参照して、大ベル12が開き動作を開始した直後は、落下流量が少ないため、衝突音が小さい。この衝突音は、落下流量の増大に応じて大きくなり、落下流量が一定値(最大値)に達することにより飽和する。つまり、衝突音は、大ベル12が開き、落下流量が一定になったタイミングで最大となる。本実施形態では、大ベル12が開き動作を開始してから約四秒後に、落下流量が一定値に到達している。その後、大ベル12上の原料が減少するため、落下流量が減少して、衝突音も小さくなる。

0021

ここに、待機位置に位置するムーバブルアーマー13のノッチを増加していくと、ムーバブルアーマー13の先端部が落下原料の外側のラインに衝突して、衝突音が発生する(図2参照)。ムーバブルアーマー13のノッチを更に増加させると、落下原料とムーバブルアーマー13との接触幅が増加し、この接触幅に比例して、衝突音が増大する。そして、ムーバブルアーマー13のノッチが所定数(本実施形態の場合、12ノッチ)に到達すると、接触幅が変わらなくなるため、衝突音は飽和する。衝突音の増大が止まり、ノッチを増加させても衝突音の最大値が上昇しない場合には、図2点線で図示するように、ムーバブルアーマー13の先端が落下原料の内側のラインに到達したものと推定できる。

0022

図4グラフは、大ベル12が開き動作を開始してから8秒後の図3で示した音量データである。図4より、ムーバブルアーマー13のノッチ角度が1度になると落下原料に当たり始め、4〜5度に達すると落下原料の全てに当たると推定される。また、図4に示すように、鉄鉱石は、コークスよりも衝突音の最大値が大きいことがわかる。

0023

図4の情報より、図2実線で示すムーバブルアーマー13の位置(ムーバブルアーマー13が落下原料の外側のラインに接触する位置)をA点(第1の位置に相当する)、破線で示すムーバブルアーマー13の位置(ムーバブルアーマー13が落下原料の内側のラインに接触する位置)をB点(第2の位置に相当する)としたときに、A点及びB点の炉径位置及び高さ位置を特定できる。すなわち、落下原料の落下軌跡を推定することができる。ここに、炉径位置とは、炉径方向におけるA点(B点)と高炉の炉中心との距離rのことである。高さ位置とは、たとえばストックレベルからA点(B点)までの距離hのことである。ストックレベルとは、開き位置に位置する大ベル12の下端部から1m下方の位置と定義する。

0024

次に、A点及びB点を特定するための装置および方法について図5を参照しながら説明する。図5は、ムーバブルアーマーを駆動する駆動装置の機能ブロック図である。アーマーボックス21にはムーバブルアーマー13が収められており、アーマーボックス21の外面には振動センサー22が設けられている。振動センサー22は、ムーバブルアーマー13の振動を検出して、この検出結果(衝突音に関する情報に相当する)を増幅器23に送信する。振動センサー22には、歪ゲージ式の振動センサーを用いることができる。増幅器23は、振動センサー22から受信した信号を増幅して、これをデータ収集装置24に送信する。データ収集装置24は、例えば、コントローラ記憶装置から構成することができる。コントローラは、増幅器23から受信した増幅信号解析して、これを音量情報に変換した後、記憶装置に記憶する。本実施形態では、振動情報から間接的に衝突音の大きさを検出したが、本発明はこれに限るものではなく、衝突音の音量を直接検出するマイクロフォンを用いることもできる。

0025

上述の構成において、ムーバブルアーマー13を待機位置から衝突音が最大となるノッチ(つまり、落下原料の全てに衝突する全量衝突位置)を越えて動かし、そのときの衝突音の変化をデータ収集装置24の記憶装置に記憶する。具体的には、図4に図示するように、ムーバブルアーマー13のノッチ角度に応じた音量データをデータ収集装置24の記憶装置に記憶する。データ形式は、マップ、或いはデータテーブルの形式であってもよい。

0026

そして、上述の収集結果に基づき、A点及び/又はB点を求める。これらのA点及びB点は様々な用途に用いることができる。

0027

(用途1)
落下軌跡を推定する推定式(モデル式)に基づき推定される落下軌跡の外側のラインがA点を通過するように、推定式に含まれるパラメータをフィッティングすることで、ガス流れを考慮したモデル改善を行うことができる。また、落下軌跡を推定する推定式(モデル式)に基づき推定される落下軌跡の内側のラインがB点を通過するように、推定式に含まれるパラメータをフィッティングすることで、ガス流れを考慮したモデル改善を行うことができる。これらのフィッティング処理の双方を実施してもよいし、いずれか一方を実施してもよい。

0028

モデルについては、周知のモデルを使用することができる。具体的には、例えば、単一粒子の落下軌跡を推定する推定モデルやDEM離散要素法)モデルを使用することができる。
(単一粒子の推定モデル)
ガスが粒子に及ぼす抗力Fが粒子に加速度を生じさせるため、単一粒子の場合と同様に以下の微分方程式成立する。






ここで、Fxはガスが粒子に及ぼす水平方向(X方向)の抗力であり、Fyはガスが粒子に及ぼす垂直方向(Y方向)の抗力であり、Bはガスが粒子に及ぼす抗力に関する係数であり、mは粒子の質量であり、gは重力加速度であり、uはガスと粒子の相対速度である。これらの微分方程式を、数値計算(例えば、Runge-Kutta-Gill法)に基づき演算することにより、ガス流の流れを考慮した落下軌跡が求められる。

0029

また、大ベル12の端部における装入物滑走速度u0[m/s]は、以下の式(3)に基づき算出することができる。



測定されたA点、B点のうちいずれか、又はこれらの中間ポイントを通過するように、パラメータを決定する。例えば、高炉操業時測定結果に基づき、式(2)の抵抗係数Bを測定結果に整合するように調整することにより、モデルを改善できる。休風時(ガス供給停止時)の測定結果に基づき、式(3)の摩擦係数μを測定結果に整合するように調整することにより、モデルを改善できる。

0030

(DEMモデル)
DEMとは、粉体挙動を多数の粒子群の粒子1個ごとに随次その運動を追跡する方法であり、粒子毎に下記の運動方程式(4)及び(5)を用いて算出できる。

0031

各粒子の運動を規定する式(4)は、式(1)及び式(2)の右辺に、さらに、粒子間および粒子,壁間に衝突が加わった形式をとる。衝突力であるFは、以下の式(6)及び式(7)に基づき、算出される。なお、以下の式(6)及び(7)については、H. Mio et al. / Minerals Engineering 33 (2012) 27-33に開示されているため、詳細な説明を省略する。






Fnは垂直方向の衝突力であり、Ftは水平方向の衝突力であり、Kはバネ定数であり、ηは減衰係数であり、μは摩擦係数である。測定されたA点、B点に基づき、上述の式(6)及び式(7)のパラメータK、η、μのうち二つのパラメータを最適化できる。例えば、パラメータK、ηを決定し、残りのパラメータμについては従来の値を用いることができる。

0032

(用途2)
高炉の周方向に複数のムーバブルアーマー13を設置して、各ムーバブルアーマー13を駆動したときの音量変化を検出し、この検出結果を原料の円周バランス(装入量分布)を修正するために用いることができる。図6は、高炉の周方向に8つのムーバブルアーマー13を設置し、各設置位置において取得された音量の最大値をプロットした測定データである。なお、0°と360°のデータは同一であるが、重複して記載している。

0033

同図を参照して、測定された音量データから、落下量が円周方向において均一でないことがわかる。音量の標準偏差は、1.36であった。本発明者は、休風時に大ベル12を観察して、その原因を調べたところ、大ベル12の表面を保護するライナーの一部が脱落していることがわかった。そこで、脱落箇所を補修して(装入量分布を改善するアクションに相当する)、各位置における音量の最大値を改めて測定したところ、図7の結果が得られた。図6及び図7比較参照して、測定された音量データに基づき補修を行うことで、円周バランスが大幅に改善された。具体的には、音量の標準偏差が1.36から0.38に改善した。

0034

また、別の方法として、各ムーバブルアーマー13を同時に待機位置から駆動し、落下原料が衝突し始めたときのタイミングに基づき、装入量分布を推定してもよい。すなわち、落下原料が多い場合には、ムーバブルアーマー13に衝突するタイミング(言い換えると、衝突音が発生するタイミング)が相対的に早くなるため、各ムーバブルアーマー13がA点に到達したタイミングを音声情報から特定することで、装入量分布を推定することができる。つまり、各ムーバブルアーマー13を待機位置から落下原料の全てに衝突する全量衝突位置を超えて駆動したときの衝突音に関する情報に基づいて、衝突音の最大値や衝突音の発生タイミングを調べることで、炉周方向における装入量分布を推定することができる。

0035

2a:ベルトコンベア
2b:装入コンベア
3:サージホッパー
5:ヘッドシュート
6a,6b:固定ホッパー
8:旋回シュート
9:小ベルホッパー
10:小ベル
11:大ベルホッパー
12:大ベル
13:ムーバブルアーマー
13a:アーマー回転軸
14:炉内

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