(57)【要約】【課題】低コストで、高炉の操業中においても付着物層厚みを定量的に精度良く測定しうる方法を提供する。【解決手段】ステーブ鋳物３内に測定部４０を有するステーブ鋳物温度計４と、ステーブ鋳物３の厚み方向に複数の測定部５１，５２，５３を有し、当該複数の測定部のうち少なくとも一の測定部５１が前記高炉内に突出するとともに、他の少なくとも一の測定部５３がステーブ鋳物３内に位置するように、ステーブ鋳物３を貫通して設置された温度センサ５とを備え、ステーブ温度計３と温度センサ４で測定された温度データを用いて、ステーブ温度計３と温度センサ４の各設置場所における、付着物層６の熱伝導率λａと厚みＬを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、付着物層の熱伝導率λａを算出するとともに付着物層の厚みＬを算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉のステーブ鋳物の表面に付着した付着物層の厚みを測定する方法であって、
前記ステーブ鋳物内に測定部を有するステーブ鋳物温度計と、前記ステーブ鋳物の厚み方向に複数の測定部を有し、当該複数の測定部のうち少なくとも一の測定部が前記高炉内に突出するとともに、前記複数の測定部のうち少なくとも一の測定部が前記ステーブ鋳物内に位置するように、前記ステーブ鋳物を貫通して設置された温度センサとを備え、
前記ステーブ温度計と前記温度センサで測定された温度データを用いて、前記ステーブ温度計と前記温度センサの各設置場所における、前記付着物層の熱伝導率と厚みを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、前記付着物層の熱伝導率を算出するとともに前記付着物層の厚みを算出することを特徴とする高炉ステーブ付着物層厚みの測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の測定方法において、
前記温度センサの、前記高炉内に突出した測定部が破損した後においては、
該高炉内に突出した測定部が破損する前に請求項１に記載の方法で算出した前記付着物層の熱伝導率を既知数として用い、
前記ステーブ温度計と前記温度センサで測定された温度データを用いて、ステーブ鋳物温度計と前記温度センサの各設置場所における、前記付着物層の厚みのみを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、前記付着物層の厚みを算出することを特徴とする高炉ステーブ付着物層厚みの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉ステーブに付着した付着物層厚みの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉の炉壁は、新設のときには、鉄皮の内側に鋳鉄鋳物製のステーブが設置され、さらにその内側に耐火煉瓦層が設けられている。しかしながら、一定の稼動年数を経た高炉では、耐火煉瓦層が損耗ないし脱落して完全に消失してしまい、ステーブ鋳物の表面に直接付着物層が形成されるようになる。
【０００３】
また、近年では鋳鉄製のものに替えて銅や銅合金製のステーブを用い、初めからその内側の耐火物層を省略する設置例も見られるが、そのような場合でもステーブ鋳物の表面に付着物層が形成されることは同じである。
【０００４】
付着物層は一定厚みに成長し、ステーブ本体を熱衝撃や磨耗から守るセルフライニングの役目をする。しかしながら、付着物層は、ステーブ表面で亜鉛やアルカリ類が凝縮しスラグや鉱石粉など巻き込んで形成されるが、ステーブ表面近傍におけるガス流れの淀みなどの原因で付着物層が急成長した場合は、高炉内において装入物の降下不良やガス流れの偏りが生じ、高炉の生産性を低下させるだけでなく、大きな付着物が脱落した場合には、羽口の破損やそれに伴う突発的な高炉の休風に至る危険性も高まる。
【０００５】
したがって、ステーブ表面における付着物層の形成状況を常に監視しておき、付着物層厚みが増大する傾向を察知した際には直ちに対処することが要求される。このため、高炉の操業中においても付着物層厚みを定量的に精度良く測定しうる方法の開発が強く要請されていた。
【０００６】
このような付着物層厚み測定技術として、特許文献１には、高炉炉壁の耐火物厚さ方向に複数の温度測定部を有し、そのうちの少なくとも一つが高炉内に突出し、各温度測定値が原料装入周期に対応して周期的に変動する場合のその周期的変動の各温度測定部間の時間遅れと、各測定部間の距離との関係を解析することにより耐火物と付着物の境界位置および付着物最内面位置を求める技術が提案されている。
【０００７】
また、特許文献２には、高炉炉壁の耐火物厚さ方向に複数の温度測定部を有し、そのうちの少なくとも一つが高炉内に突出し、少なくとも一つが耐火物内に位置するように配置して、各温度測定値の時系列データを周波数解析し、その解析結果について、所定値以上の周波数成分の変動強度を抽出し、耐火物内に位置する温度測定部の変動強度に基づいて、各温度測定部が付着物中にあるか否かを判定する技術が提案されている。
【０００８】
また、特許文献３には、高炉炉壁に付着した付着物厚みを測定する測定装置において、耐熱・耐磨耗性材料よりなる円柱体の一方側の先端を円柱体の軸と斜交する鉛直平面で切断して斜切直円柱体とし、該斜切直円柱体の他方側の面から該斜切直円柱体の軸と平行に複数の細孔を穿孔し、該細孔に温度計を挿嵌した測定装置を用いることにより、銅及び銅合金製ステーブクーラ使用個所においても、ステーブクーラの表面に成長した付着物の成長の状況を常時監視し、異常成長を敏感に検知し、炉内の変動をいち早く推定するという技術が提案されている。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１，２に記載の技術は、炉壁を構成する耐火物内に少なくとも一つの温度測定部を位置させて、炉内と付着物内と耐火物内とにおける温度変動特性の相違を利用して付着物厚みを測定（推定）するため、ステーブで構成される炉壁には採用できない。
【００１０】
また、特許文献３に記載の技術は、測定装置を高価な耐熱・耐磨耗材料で構成するとともに、その先端部を斜めに切断した構造とし、炉内に突き出して設置するようにしているため、測定装置のコストが上がることに加え、先端部の鋭角の部分から破損しやすく、測定装置の寿命が極端に短くなることが想定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特公昭６１−６１２５号公報
【特許文献２】特開平８−８１７０７号公報
【特許文献３】特許第３９１０３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明は、低コストで、高炉の操業中においても付着物層厚みを定量的に精度良く測定しうる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、高炉のステーブ鋳物の表面に付着した付着物層の厚みを測定する方法であって、前記ステーブ鋳物内に測定部を有するステーブ鋳物温度計と、前記ステーブ鋳物の厚み方向に複数の測定部を有し、当該複数の測定部のうち少なくとも一の測定部が前記高炉内に突出するとともに、前記複数の測定部のうち少なくとも一の測定部が前記ステーブ鋳物内に位置するように、前記ステーブ鋳物を貫通して設置された温度センサとを備え、前記ステーブ温度計と前記温度センサで測定された温度データを用いて、前記ステーブ温度計と前記温度センサの各設置場所における、前記付着物層の熱伝導率と厚みを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、前記付着物層の熱伝導率を算出するとともに前記付着物層の厚みを算出することを特徴とする高炉ステーブ付着物層厚みの測定方法である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の測定方法において、前記温度センサの、前記高炉内に突出した測定部が破損した後においては、該高炉内に突出した測定部が破損する前に請求項１に記載の方法で算出した前記付着物層の熱伝導率を既知数として用い、前記ステーブ温度計と前記温度センサで測定された温度データを用いて、ステーブ鋳物温度計と前記温度センサの各設置場所における、前記付着物層の厚みのみを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、前記付着物層の厚みを算出することを特徴とする高炉ステーブ付着物層厚みの測定方法である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、ステーブ鋳物温度計と、複数の測定部を有し、その少なくとも一の測定部が高炉内に突出した温度センサとを併用して測定した温度データを用いて、付着物層の熱伝導率と厚みを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、付着物層の熱伝導率を算出するとともに付着物層の厚みを算出することで、簡易な装置構成により低コストでかつ高精度に付着物層厚みを推定（測定）できるようになった。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明によれば、炉内に突出した測定部が破損した後においては、該炉内に突出した測定部が破損する前に上記請求項１に記載の方法で算出した付着物層の熱伝導率を既知数として用い、付着物層の厚みのみを未知数として含む複数の伝熱方程式を連立して解くことにより、付着物層の厚みを算出することで、高炉内に突出した測定部が破損した後も付着物層厚みの推定（測定）を継続でき、長期間の測定が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る高炉ステーブ付着物層厚み測定装置の概略構成を示す水平断面図である。
【図２】温度センサにおける、測定部２点間の距離と、測定部２点間の温度勾配との関係を示すグラフ図である。
【図３】付着物層厚みの推定値Ｌｃと実測値Ｌｍとの関係を示すレーダーチャート図である。
【図４】本発明適用後における、ステーブ鋳物温度Ｔｓと、温度センサ最先端側の温度Ｔ１と、付着物層厚みの推定値Ｌｃの各経時変化を示す推移グラフ図である。
【図５】貫流熱流束Ｑと、付着物層厚みＬｃとの関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態）
〔測定装置の構成〕
図１に本発明の一実施形態に係る高炉ステーブ付着物層厚み測定装置の概略構成を示す。
【００１９】
同図において、１は鉄皮、２は断熱材、３はステーブ鋳物（単に、「ステーブ」ともいう。）、４はステーブ鋳物温度計、５は温度センサ、６は付着物層を示す。
【００２０】
ステーブ鋳物温度計４は、軸状体であってその先端４０に熱電対が内蔵されており、該先端位置４０がステーブ鋳物３表面から所定の距離（ｄ０）だけ炉外側になるようにステーブ鋳物３内に挿入されている。
【００２１】
ステーブ鋳物温度計４としては、水冷されたステーブ鋳物内の比較的低温領域の測定であるので、例えば熱応答性に優れた接地型のシース熱電対を用いればよい。
【００２２】
一方、温度センサ５は、軸状体であってその内部に、該温度センサ５の長手方向に複数（本例では３点）の測定部（本例では５１、５２、５３）を有し、最先端側の測定部５１は高炉内に突出させるとともに、最後端側の測定部５３はステーブ鋳物３内に位置するように、ステーブ鋳物３を貫通させて設置している。
【００２３】
なお、後述するように、温度センサ５の先端位置５０と最先端側の測定部５１は、通常の付着物層厚みの内部に位置させ、真ん中の測定部５２はステーブ鋳物３表面に位置させるのが推奨される。
【００２４】
温度センサ５としては、例えばステンレス鋼製の保護管内に充填剤としてのＭｇＯ粉末を介して、高温領域でノイズが少ない非接地型のシース熱電対を内蔵したものが推奨される。
【００２５】
温度センサ５の測定部５１は、温度センサ５の先端位置５０における温度Ｔ０の推定精度を高めるためには、温度センサ５の先端位置５０に可能な限り近づけるのが好ましいが、非接地型のシース熱電対を内蔵する場合は、シースの先端部に絶縁部分が必須であることから一定の距離を必要とする。したがって、温度センサ５の先端位置５０から最先端側の測定部５１までの距離ｄ０は、１０ｍｍ以内、さらには５ｍｍ以内とするのが好ましい。
【００２６】
また、温度センサ５の各測定部間の距離ｄ１，ｄ２は、近すぎると温度差が小さすぎ、一方遠すぎると温度センサ５の側面からの伝熱の影響が大きくなり、いずれの場合も温度勾配が小さめに出るため、１０〜３０ｍｍの範囲とするのが好ましい（後記実施例、図２参照）。
【００２７】
ステーブ鋳物温度計４および温度センサ５は、いずれもステーブ鋳物３内に配設された冷却パイプ（図示せず）を避けて設置することは当然である。
【００２８】
〔付着物層厚みの推定ロジック〕
次に、ステーブ鋳物温度計４および温度センサ５にて測定された温度データを用いて、付着物層６の厚みを推定（測定）するロジックの一例について図１を参照しつつ説明する。
【００２９】
図１において、Ｔｓはステーブ鋳物温度計４の先端４１の温度、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は温度センサ５の測定部５１，５２，５３の各温度、Ｔｍは付着物層６表面の温度、Ｔｗはステーブ鋳物３表面の温度、Ｔ０は温度センサ５先端の温度、λｓはステーブ鋳物３の熱伝導度、λａは付着物層６の熱伝導度、λｆは温度センサ５の熱伝導度、ｄ０はステーブ鋳物温度計４の先端４１位置とステーブ鋳物３表面との距離、ｄ１は温度センサ５の先端位置と測定部５１との距離、ｄ２は温度センサ５の測定部５１と測定部５２との距離、ｄ３は温度センサ５の測定部５２と測定部５３との距離、Ｌは付着物層６の厚み、Ｑは炉壁の貫流熱流束（炉壁を通過する単位面積当たりの熱流量）をそれぞれ示す。
【００３０】
ここに、Ｔｓ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、λｓ、λｆ、ｄ０、ｄ１、ｄ２、ｄ３は既知数であり、Ｔｍ、Ｔｗ、Ｔ０、λａ、Ｌ、Ｑは未知数である。
【００３１】
以下、上記未知数である、Ｔｍ、Ｔｗ、Ｔ０、λａ、Ｌ，Ｑを求める手順を説明する。
【００３２】
先ず、炉壁の貫流熱流束Ｑは、温度センサ５の２つの測定部５１と５２間の温度勾配から下記式（１）で求められる。
【００３３】
Ｑ＝λｆ（Ｔ２−Ｔ３）／ｄ３  …式（１）
【００３４】
次に、ステーブ鋳物３表面の温度Ｔｗは、上記貫流熱流束Ｑとステーブ鋳物温度計４の先端４０の温度（以下、「ステーブ鋳物温度」ということあり。）Ｔｓとから下記式（２）で求められる。
【００３５】
Ｔｗ＝Ｔｓ＋ｄ０×Ｑ／λｓ  …式（２）
【００３６】
次に、温度センサ５先端位置５０の温度Ｔ０は、上記貫流熱流束Ｑと測定部５１の温度Ｔ１とから下記式（３）で求められる。
【００３７】
Ｔ０＝Ｔ１＋Ｑ／λｆ  …式（３）
【００３８】
次に、付着物層６の熱伝導度λａは、温度センサ５先端の温度Ｔ０とステーブ鋳物３表面の温度Ｔｗとから下記式（４）で求められる。
【００３９】
λａ＝（ｄ１＋ｄ２）×Ｑ／（Ｔ０−Ｔｗ）  …式（４）
【００４０】
そして、付着物層６表面の温度Ｔｍと付着物層６の厚みＬが未知数として残っているが、ＴｍとＬとの間には下記式（５）の関係が成立し、仮にＴｍが既知数とすれば、Ｌは同式で求められることとなる。
【００４１】
Ｌ＝λａ（Ｔｍ−Ｔｗ）／Ｑ  …式（５）
【００４２】
ここで、付着物層６表面の温度Ｔｍは付着物層６の溶融温度に相当すると考えられる。したがって、温度センサ５最先端側の温度Ｔ１が急上昇したときに、温度センサ５の先端位置５０まで付着物層６が溶融し、該先端位置５０が露出したと推定できる。したがって、そのときのＬはｄ２に等しい（Ｌ＝ｄ２）ので、そのときのＱ、Ｔｗ、λａの値を上記式（１）、（２）、（４）より求め、これらの値とＬ＝ｄ２とを上記式（５）に代入することで、Ｔｍが求まる。
【００４３】
以後は、このようにして求めたＴｍを用いて上記式（５）でＬを求めることができる。
【００４４】
なお、上記ロジックでは、炉壁に沿う方向の伝熱を無視して解析を行っているが、実際には炉壁に沿う方向の伝熱の影響があるため、上記のようにして求めたＬには一定の誤差が含まれる。
【００４５】
そこで、通常行われているように、高炉の休風中に、ステーブ鋳物３に予め設けた貫通孔（操業時は封止）を介して付着物層６にも貫通孔を穿孔し、該ステーブ鋳物３と付着物層６の貫通孔に先端が鉤状の金棒を差し込んで付着物層６の厚みＬｍを実測する。そして、この実測値Ｌｍと、休風直前に上記式（５）で求めた、付着物層６厚みの推定値Ｌから、補正係数α＝Ｌｍ／Ｌを求める。そして、この補正係数αを推定値Ｌに掛けて得られたＬｃ（＝α×Ｌ）を付着物層６の厚みとすることで、高炉の操業中における付着物層６厚みの推定精度がさらに向上する。
【００４６】
なお、炉壁に沿う方向の伝熱状況は、高炉操業の経過により変化する可能性があるので、休風毎に付着物層厚みＬｍを実測して上記補正係数αを更新することにより、付着物層厚みの推定精度を維持するのが好ましい。
【００４７】
上記のようにして操業中においても付着物層厚みを精度良く推定することが可能となるので、例えば、装入物分布を変更して炉内ガス流れを変化させ貫流熱流速Ｑを調整する手段や、ステーブ冷却水流量を変更してステーブ鋳物表面温度Ｔ０を調整する手段などを用いて、付着物層厚みを高精度に制御することが実現できる。
【００４８】
また、付着物層が剥離するなどして温度センサ５の先端側の測定部（本例では５１）が破損してしまった後でも、破損するまでに測定された温度データで求めた付着物層６の熱伝導度λａを既知数として用いることにより、上記式（３）および（４）を用いることなく、上記式（１）、（２）および（５）を用いて付着物層６の厚みＬ（さらにはＬｃ）を求めることができる。
【００４９】
（変形例）
上記実施形態では、温度センサ５の測定部は３点とする例を示したが、２点または４点以上としても良い。測定部の点数を多くするほど測定精度は向上するが、温度センサ５のコストも上昇するので、測定精度とコストのバランスを勘案すれば、実用的には３〜４点程度とするのが推奨される。
【００５０】
また、上記実施形態では、温度センサ５の測定部のうち真ん中の測定部５２の位置は、ステーブ鋳物３表面の位置に一致させたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜ステーブ鋳物３表面の位置より炉内側または炉外側にずらして位置させることも可能である。尤も、真ん中の測定部５２の位置をステーブ鋳物３表面の位置に一致させるのが、最も簡単な解析ロジックを用いることができるメリットがある。
【００５１】
また、上記実施形態では、ステーブ鋳物温度計４と温度センサ５は、同一水平面上に設置する例を示したが、同一水平面上の設置が困難な場合は、高さ方向にずらして設置してもよい。
【実施例】
【００５２】
本発明の効果を確証するため、出願人の加古川製鉄所内に設置されている高炉（内容積：４９００ｍ３）のシャフト部最下段のステーブ鋳物に上記実施形態で説明したものと同様の温度センサを高炉の円周方向４５°ごと８箇所に新設して、付着物層厚みの推定を試みた。なお、ステーブ鋳物温度計は、既設のもの（ステーブ鋳物表面から５０〜１００ｍｍ炉外側に測定部を有する；高炉円周方向の設置箇所により取り合いの都合上測定部の位置が異なる）を用いた。
【００５３】
温度センサとしては、ステンレス鋼製の保護管内に、充填剤としてＭｇＯ粉末を介して、該保護管の先端から５ｍｍ、２５ｍｍ、４５ｍｍの各位置に測定部を有するように（すなわち、図１において、ｄ０＝５ｍｍ、ｄ１＝ｄ２＝２０ｍｍ）、非接地型のシースＫ熱電対を内蔵したものを用いた。
【００５４】
ここで、ｄ１＝ｄ２＝２０ｍｍとしたのは、図２に示す結果による。同図は、温度センサをステーブ鋳物に取り付けた際の伝熱状態を、小型加熱炉を用いて模擬した実験結果を示すものである。具体的には、測定部を２点有する温度センサを用い、測定部２点間の距離ｄを種々変更して、ステーブ鋳物と同等の熱伝導率（図２においてλと表示）を有する鋼材（同図（ａ））、または、付着物層と同等の熱伝導率を有する耐火モルタル（同図（ｂ））の各内部に２点の測定部を配し、温度センサ先端側を一定温度に加熱した小型加熱炉内に挿入した状態で伝熱実験を行ったものである。同図に示すように、温度センサの周辺物質および温度センサ内の充填剤の熱伝導率の相違によらず、測定部２点間の温度勾配は、測定部２点間の距離ｄ＝２０ｍｍで最大値を示し、ｄが２０ｍｍから離れるほど低下する傾向を示すことがわかった。この結果に基づき、温度勾配が最も大きく出るｄ＝２０ｍｍを採用した。
【００５５】
休風時に上記温度センサを設置した後、一定期間高炉操業を行い、次の休風直前に上記式（１）〜（５）にて補正係数αを用いずに付着物層厚みＬを推定するとともに、該次の休風時に上記実施形態で説明した手段により付着物層厚みＬｍを実測した。そして、この付着物層厚みの推定値Ｌと実測値Ｌｍとを比較して補正係数α＝０．４５と決定した。この補正係数α＝０．４５を用いて修正した付着物層厚みの推定値Ｌｃ（＝α×Ｌ）と、付着物層厚みの実測値Ｌｍとの関係を図３のレーダーチャートに示す。同図に示すように、高炉の方位に拠らず、付着物層厚みの推定値Ｌｃは実測値Ｌｍと非常に良く一致することが確認された。
【００５６】
そこで、以後の高炉操業においては、この補正係数α＝０．４５を用いて付着物層厚みＬｃの推定を行った。図４に、高炉操業中における、高炉のある方位の、ステーブ鋳物温度Ｔｓと、温度センサ最先端側の温度Ｔ１と、付着物層厚みの推定値Ｌｃの各経時変化を示す。同図（ａ）に示すように、ステーブ鋳物温度Ｔｓは経時的に変動し、従来はこのＴｓの経時的変動のみから定性的に付着物層厚みの増減を推定していたが、本発明適用後は、同図（ｂ）に示すように、高炉操業中においても、付着物層厚みを精度良く定量的に推定（測定）できるようになり、迅速なアクションが可能になった。
【００５７】
また、図５は、以後の高炉操業における、上記式（１）で求めた貫流熱流束Ｑと、付着物層厚みＬｃとの関係を示したものである。同図中の曲線は、多項式近似（本例では３次式近似）した回帰曲線である。同図に示すように、貫流熱流束Ｑが高い側から減少していくと、上記回帰曲線の変曲点よりＱが高い側では付着物層厚みＬｃは緩やかに増加していくが、該変曲点をＱが低い側では付着物層厚みＬｃは急速に増加する傾向が認められる。上記変曲点の座標は、上記回帰曲線の多項式Ｆを２回微分して得られた２次微分Ｆ”＝０と置くことにより求めることができ、その座標の値はＱ＝２５７００ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈ）、Ｌｃ＝０．１１５ｍとなった。ここに、１ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈ）＝１．１６３Ｗ／ｍ２である。
【００５８】
そこで、以後の操業においては、付着物層厚みＬｃの管理目標値として、この０．１１５ｍを用いることにより、付着物層厚みの急増を確実に防止できるようになり、長期に安定した高炉操業が継続できるようになった。
【符号の説明】
【００５９】
１：鉄皮
２：断熱材
３：ステーブ鋳物
４：ステーブ鋳物温度計
４０：先端位置
５：温度センサ
５０：先端位置
５１，５２，５３：測定部
６：付着物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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