(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の値を導出する装置であって、
前記層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径に沿った各位置での装入物の状態として、前記所定の炉半径における装入物の粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布を取得する装入物状態取得手段と、
前記高炉の炉頂部における高炉ガスの特性であるガス密度及びガス粘性係数と前記炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量である炉頂ガス量とを取得するガス情報取得手段と、
前記層頂部における圧力損失の値を導出する圧力損失導出手段と、
前記圧力損失導出手段によって導出された圧力損失の値を出力する出力手段と、を備え、
前記圧力損失導出手段は、圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値を設定する仮想値設定部と、前記仮想値設定部で設定された圧力損失仮想値と前記装入物状態取得手段により取得した粒径分布、空隙率分布及び形状係数分布と前記ガス情報取得手段により取得したガス密度及びガス粘性係数とを用い、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係を規定するエルガン式に基づいて前記所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布を求める仮想分布導出部と、前記仮想分布導出部で導出された質量流速の仮想の分布に対応した前記所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和を求める総和導出部と、前記総和導出部で導出された質量流速の総和と前記ガス情報取得手段により取得された炉頂ガス量との差が所定の範囲内に収まるような前記圧力損失仮想値を求め、この値を前記層頂部における圧力損失の値として導出する圧力損失値導出部とを有することを特徴とする高炉の圧力損失導出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高炉の圧力損失導出装置において、
前記圧力損失値導出部は、前記質量流速の総和と炉頂ガス量との差が所定の範囲内の場合は、前記質量流速の総和を求めたときの圧力損失仮想値を前記層頂部における圧力損失の値として導出すると共に、前記差が所定の範囲内にない場合は、前記仮想値設定部に前記質量流速の総和を求めたときの圧力損失仮想値を変更するように指示し、
この指示は、変更後の圧力損失仮想値によって求めた質量流速の総和と前記炉頂ガスとの差が変更前の圧力損失仮想値によって求めた質量流速の総和と前記炉頂ガス量との差よりも小さくなる方向に圧力損失仮想値を変更するものであることを特徴とする高炉の圧力損失導出装置。
【請求項３】
高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の値を導出する方法であって、
前記層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径に沿った各位置での装入物の状態として、前記所定の炉半径における装入物の粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布を取得する装入物状態取得工程と、
前記高炉の炉頂部における高炉ガスの特性であるガス密度及びガス粘性係数と及び前記炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量である炉頂ガス量とを取得するガス情報取得工程と、
圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値を設定する仮想値設定工程と、
前記圧力損失仮想値と前記粒径分布、空隙率分布及び形状係数分布と前記ガス密度及びガス粘性係数とを用い、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係を規定するエルガン式に基づいて前記所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布を求める仮想分布導出工程と、
前記質量流速の仮想の分布に対応した前記所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和を求める総和導出工程と、
前記質量流速の総和と前記ガス情報取得工程により取得された炉頂ガス量との差が所定の範囲内に収まるような前記圧力損失仮想値を求め、この値を前記層頂部における圧力損失の値として導出する圧力損失値導出工程と、を備えることを特徴とする高炉の圧力損失導出方法。
【請求項４】
高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の値を導出するためのプログラムであって、
前記層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径における装入物の粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布と、前記高炉の炉頂部における高炉ガスのガス密度及びガス粘性係数と、前記炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量である炉頂ガス量とをコンピュータが受け取ることで、
このコンピュータを、
圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値を設定する仮想値設定手段と、
前記圧力損失仮想値と前記粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布と前記ガス密度及びガス粘性係数とを用い、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係を規定するエルガン式に基づいて前記所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布を求める仮想分布導出手段と、
前記質量流速の仮想の分布に対応した前記所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和を求める総和導出手段と、
前記質量流速の総和が前記受け取った炉頂ガス量との差が所定の範囲内に収まるような前記圧力損失仮想値を求め、この値を前記層頂部における圧力損失の値として導出する圧力損失値導出手段として機能させることを特徴とする高炉の圧力損失導出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操業中の高炉内における装入物の状態や高炉ガスの特性から、高炉内に積層された装入物の層頂部における圧力損失の値を求めるための高炉の圧力損失導出装置、この装置に用いられる高炉の圧力損失導出方法、及び高炉の圧力損失導出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉の安定操業を行うためには高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の管理が重要となる。この圧力損失の値が増大すると、炉内での装入物の降下状態が悪化し、スリップや棚吊りといった異常が発生して生産性が悪化する。
【０００３】
圧力損失の増大は、高炉内において装入された装入物（鉱石やコークス等）の粒径分布等の変化によって炉内の通気性が悪化することにより生じる。そこで、操業中の高炉において圧力損失の増大が認められると、操業条件（例えば、ムーバルアーマ等の高炉内へ装入物を装入するための装置の設定等）を変更することにより、炉半径方向における装入物の粒径分布や空隙率分布等を調整して圧力損失を抑える。
【０００４】
この圧力損失を抑えるための操業条件は、多数の操業条件案を検討し、その中から最も圧力損失の値が小さくなる操業条件案を見つけ出すことにより決定される。このとき、所定の操業条件案で操業を行った場合の高炉における圧力損失の値を求める方法としては、例えば、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、所定の数学モデルを用いて高炉における圧力損失の値が算出される。
【０００５】
また、別の方法としては、特許文献２に記載の方法が知られている。この方法では、火入れ前の高炉に充填された装入物を炉内の複数箇所から採取し、この採取した装入物に基づく通気抵抗係数から操業中の高炉における圧力損失の値が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２１９３１７号公報
【特許文献２】特開平１１−１４０５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記の数学モデルを用いた方法では、計算が複雑で且つ計算量が非常に多いため、圧力損失の値が求まるまでに多く時間が必要であった。具体的に、前記の数学モデルを用いた方法では、圧力損失は、２次元に拡張されたエルガン式を用いた高炉数学モデルにより求められる。この高炉数学モデルでは、炉頂部における鉱石層厚比、炉半径方向における粒径分布及び空隙率分布、高炉内の送風条件を境界条件として、物質移動モデル、化学反応モデル、伝熱モデル、粉化モデル等の各解析モデルによる計算がそれぞれ行われる。そのため、この高炉数学モデルにおいては、ガス組成、送風量、伝熱係数、反応速度等の多数のパラメータが必要となり、計算も複雑なものとなる。しかも、高炉の層頂部の圧力損失の値を求めるために、層頂部だけでなく高炉全体についての前記各解析モデルの計算を行わなければならず、層頂部の圧力損失の値が求まるまでに多くの時間が必要であった。
【０００８】
操業中の高炉において圧力損失の増大が生じたときには、圧力損失を抑えるための操業条件を見つけるために、高炉の操業が不安定にならないように限られた時間内に多数の操業条件案を検討する必要があった。
【０００９】
しかし、前記の数学モデルを用いた方法によれば、各操業条件案における圧力損失の値の算出に多くの時間が必要であるため、多数の操業条件案を検討するとことが難しく、前記限られた時間内に圧力損失を抑えるための最適な操業条件案を見つけるのは困難であった。
【００１０】
一方、通気抵抗係数を用いた方法では、高炉内の複数箇所の通気抵抗係数が求まるが、これら通気抵抗係数に基づいて求められた圧力損失の値においては炉半径方向の通気性によって変化するガス分配が考慮されていないため、層頂部における正確な圧力損失の値を求めることができなかった。
【００１１】
そこで、高炉の層頂部における圧力損失の値を短時間で精度よく求めることができる高炉の圧力損失導出装置、この装置に用いられる高炉の圧力損失導出方法、及び高炉の圧力損失導出プログラムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解消すべく、本発明は、高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の値を導出する装置であって、前記層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径に沿った各位置での装入物の状態として、前記所定の炉半径における装入物の粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布を取得する装入物状態取得手段と、前記高炉の炉頂部における高炉ガスの特性であるガス密度及びガス粘性係数と前記炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量である炉頂ガス量とを取得するガス情報取得手段と、前記層頂部における圧力損失の値を導出する圧力損失導出手段と、前記圧力損失導出手段によって導出された圧力損失の値を出力する出力手段と、を備え、前記圧力損失導出手段は、圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値を設定する仮想値設定部と、前記仮想値設定部で設定された圧力損失仮想値と前記装入物状態取得手段により取得した粒径分布、空隙率分布及び形状係数分布と前記ガス情報取得手段により取得したガス密度及びガス粘性係数とを用い、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係を規定するエルガン式に基づいて前記所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布を求める仮想分布導出部と、前記仮想分布導出部で導出された質量流速の仮想の分布に対応した前記所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和を求める総和導出部と、前記総和導出部で導出された質量流速の総和と前記ガス情報取得手段により取得された炉頂ガス量との差が所定の範囲内に収まるような前記圧力損失仮想値を求め、この値を前記層頂部における圧力損失の値として導出する圧力損失値導出部とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決すべく、本発明は、高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の値を導出する方法であって、前記層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径に沿った各位置での装入物の状態として、前記所定の炉半径における装入物の粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布を取得する装入物状態取得工程と、前記高炉の炉頂部における高炉ガスの特性であるガス密度及びガス粘性係数と及び前記炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量である炉頂ガス量とを取得するガス情報取得工程と、圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値を設定する仮想値設定工程と、前記圧力損失仮想値と前記粒径分布、空隙率分布及び形状係数分布と前記ガス密度及びガス粘性係数とを用い、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係を規定するエルガン式に基づいて前記所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布を求める仮想分布導出工程と、前記質量流速の仮想の分布に対応した前記所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和を求める総和導出工程と、前記質量流速の総和と前記ガス情報取得工程により取得された炉頂ガス量との差が所定の範囲内に収まるような前記圧力損失仮想値を求め、この値を前記層頂部における圧力損失の値として導出する圧力損失値導出工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、層頂部についてのパラメータに基づく計算によって圧力損失の値が求まるため、従来の数学モデルを用いた方法（即ち、高炉全体についてのパラメータに基づいて複数の解析モデルによる計算が必要な方法）に比べて計算量が少なく、短時間で層頂部における圧力損失の値が求まる。しかも、炉半径方向のガス分配に起因する高炉ガスの質量流速の分布を用いることにより、ガス分配の考慮された圧力損失の値が求まる。これにより、層頂部における圧力損失の値を精度よく求めることができる。
【００１５】
具体的には、層頂部の圧力損失の値として、圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値が設定され、この圧力損失仮想値と層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径に沿った各位置での装入物の状態と高炉の炉頂部における高炉ガスの特性とに基づいて所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布が求められる。そして、この圧力損失の値が未定状態の質量流速の仮想分布に基づいて、所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の仮想の総和が求められる。このように求められた質量流速の総和が炉頂ガス量と一致するような圧力損失仮想値が求められ、この値が層頂部における圧力損失の値として導出される。このように層頂部についてのパラメータのみに基づく計算によって圧力損失の値が求まる。また、途中で質量流速の仮想の分布が求められていることから、上記のように求められた圧力損失の値には、炉半径方向のガス分配が考慮されている。
【００１７】
高炉炉頂部では、装入物によって充填層が形成されているため、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係に基づくことにより、高炉内の高炉ガスの状態が精度よく求まる。これにより、層頂部における圧力損失の値が精度よく求まるため、この値を質量流速の仮想の分布に代入することによって所定の炉半径における高炉ガスの実際の質量流速の分布が精度よく求まる。
【００１９】
充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との関係を精度よく表すエルガン式を用いることにより、高炉内の高炉ガスの状態がより精度よく求まり、その結果、所定の炉半径における高炉ガスの実際の質量流速の分布がより精度よく求まる。
【００２０】
前記圧力損失値導出部は、前記質量流速の総和と炉頂ガス量との差が所定の範囲内の場合は、前記質量流速の総和を求めたときの圧力損失仮想値を前記層頂部における圧力損失の値として導出すると共に、前記差が所定の範囲内にない場合は、前記仮想値設定部に前記質量流速の総和を求めたときの圧力損失仮想値を変更するように指示し、この指示は、変更後の圧力損失仮想値によって求めた質量流速の総和と前記炉頂ガスとの差が変更前の圧力損失仮想値によって求めた質量流速の総和と前記炉頂ガス量との差よりも小さくなる方向に圧力損失仮想値を変更するものであることが、好ましい。
【００２１】
このように圧力損失導出手段において、仮想値の設定と、この仮想値に基づく質量流速の総和と炉頂ガス量との比較とを繰り返すことにより、所定の精度の圧力損失の値を確実に且つ効率よく求めることが可能となる。
【００２２】
また、上記課題を解決すべく、本発明は、高炉内に積層される装入物の層頂部における圧力損失の値を導出するためのプログラムであって、前記層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径における装入物の粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布と、前記高炉の炉頂部における高炉ガスのガス密度及びガス粘性係数と、前記炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量である炉頂ガス量とをコンピュータが受け取ることで、このコンピュータを、圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値を設定する仮想値設定手段と、前記圧力損失仮想値と前記粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布と前記ガス密度及びガス粘性係数とを用い、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の所定の関係を規定するエルガン式に基づいて前記所定の炉半径における高炉ガスの質量流速の仮想の分布を求める仮想分布導出手段と、前記質量流速の仮想の分布に対応した前記所定の炉半径を含む高炉の水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和を求める総和導出手段と、前記質量流速の総和が前記受け取った炉頂ガス量との差が所定の範囲内に収まるような前記圧力損失仮想値を求め、この値を前記層頂部における圧力損失の値として導出する圧力損失値導出手段として機能させることを特徴とする。
【００２３】
このようなプログラムをコンピュータに組み込むことにより、層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径に沿った各位置での装入物の状態と、高炉の炉頂部における高炉ガスの特性及び炉頂ガス量とを当該コンピュータに入力すれば、高炉の層頂部における圧力損失の値を短時間で精度よく求めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上より、本発明によれば、高炉の層頂部における圧力損失の値を短時間で精度よく求めることができる高炉の圧力損失導出装置、この装置に用いられる高炉の圧力損失導出方法、及び高炉の圧力損失導出プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る圧力損失導出装置の構成ブロック図である。
【図２】同実施形態における所定の炉半径、この炉半径を含む水平方向断面、メッシュを説明するための図である。
【図３】前記圧力損失導出装置において層頂部における圧力損失を求めるときのフローを示す図である。
【図４】実施例１における操業条件案Ａ，Ｂを示す図である。
【図５】前記操業条件案Ａで操業したときの高炉内の装入物の表面プロフィールを示す図である。
【図６】前記操業条件案Ｂで操業したときの高炉内の装入物の表面プロフィールを示す図である。
【図７】（Ａ）は、前記操業条件案Ａで操業したときの高炉の所定の炉半径における装入物の粒径分布を示し、（Ｂ）は、前記操業条件案Ａで操業したときの高炉の所定の炉半径における空隙率分布を示す図である。
【図８】（Ａ）は、前記操業条件案Ｂで操業したときの高炉の所定の炉半径における装入物の粒径分布を示し、（Ｂ）は、前記操業条件案Ｂで操業したときの高炉の所定の炉半径における空隙率分布を示す図である。
【図９】前記操業条件案Ａで操業したとき高炉の所定の炉半径における高炉ガスのガス流速分布を示す図である。
【図１０】前記操業条件案Ｂで操業したとき高炉の所定の炉半径における高炉ガスのガス流速分布を示す図である。
【図１１】前記操業条件案Ａ，Ｂで高炉の操業を行った場合の層頂部における圧力損失を圧力損失導出装置により求めた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
高炉の圧力損失導出装置は、高炉の装入物の層頂部における圧力損失の値を求めるものである。本実施形態において、高炉内に積層された装入物の層頂部とは、鉱石の還元による粉化が殆ど生じていない装入物の魂状帯の上部のことである。
【００２８】
この圧力損失導出装置は、具体的には図１に示されるように、取得手段１１と、取得手段１１からの情報を処理する計算機本体１４と、計算機本体１４において処理された情報（層頂部における圧力損失の値）を外部に出力する出力手段２０とを備える。
【００２９】
取得手段１１は、高炉技術者等の操業者によって所定の情報が入力され、この入力により取得した情報を計算機本体１４に送信するものである。本実施形態の取得手段１１は、装入物の状態を取得する装入物状態取得手段１２と、高炉の炉頂部における高炉ガスの特性及び炉頂ガス量を取得するガス情報取得手段１３と、を備える。ここで、炉頂ガス量とは、高炉の炉頂部から外部に排出される高炉ガスの単位時間あたりの質量のことである。
【００３０】
装入物状態取得手段１２は、具体的には、層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径Ｒ（図２参照）に沿った各位置における装入物の状態を操業者が入力することにより取得し、これを計算機本体１４に送信する。本実施形態の装入物状態取得手段１２は、所定の炉半径Ｒに沿った各位置における装入物の状態として、所定の炉半径Ｒにおける粒径分布、空隙率分布、及び形状係数分布を取得して計算機本体１４に送信する。ガス情報取得手段１３は、高炉ガスの特性と炉頂ガス量とを操業者が入力することにより取得し、これを計算機本体１４に送信する。本実施形態のガス情報取得手段１３は、高炉ガスの特性としてガス密度及びガス粘性係数を取得して計算機本体１４に送信する。本実施形態では、装入物状態取得手段１２とガス情報取得手段１３とが共通のキーボードによって構成されている。装入物状態取得手段１２やガス情報取得手段１３の具体的構成は、限定されず、本実施形態ではキーボードであるが、タッチパネル等であってもよい。尚、装入物状態取得手段１２とガス情報取得手段１３とが別々に構成され、それぞれが独立して計算機本体１４に接続されてもよい。また、装入物状態取得手段１２及びガス情報取得手段１３は、高炉の制御等に用いられる計算機等から有線又は無線により前記の各情報を直接取得するように構成されてもよい。
【００３１】
計算機本体１４は、種々の情報を処理可能ないわゆるコンピュータである。この計算機本体１４には、所定のプログラムが組み込まれ、このプログラムの実行によって機能的に圧力損失導出手段１５が構成される。具体的に、この圧力損失導出手段１５には、前記プログラムの実行によって機能的に仮想値設定手段（仮想値設定部）１６と、仮想分布導出手段（仮想分布導出部）１７と、総和導出手段（総和導出部）１８と、圧力損失値導出手段（圧力損失導出部）１９とが構成される。
【００３２】
仮想値設定手段１６は、計算機本体１４に取得手段１１から上記の情報が入力されると、圧力損失の仮想の値（圧力損失仮想値）を設定する。この仮想値設定手段１６は、所定の炉半径Ｒの各位置において値が一定となるように圧力損失仮想値を設定する。
【００３３】
仮想分布導出手段１７は、圧力損失仮想値と取得手段１１により取得した情報とに基づいて所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの質量流速の仮想の分布（仮想分布）を導出する。具体的に、仮想分布導出手段１７は、圧力損失仮想値と、装入物状態取得手段１２により取得した所定の炉半径Ｒに沿った各位置での装入物の状態と、ガス情報取得手段１３により取得した高炉ガスの特性と、に基づいて所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの質量流速の仮想分布を求める。
【００３４】
詳しくは、仮想分布導出手段１７は、エルガン式（以下の式（１））を質量流速Ｇ（Ｇ＝ρＵ）及び気体の状態方程式（Ｐ＝ＫρＴ）を用いて変換した式（２）と、仮想値設定手段１６が設定した圧力損失仮想値と、装入物状態取得手段１２により取得した各メッシュの粒径Ｄｐｉ、空隙率εｉ、及び形状係数φｉと、ガス情報取得手段１３により取得した炉頂部における高炉ガスのガス粘性係数μ（ｋｇ／ｍ ｓｅｃ）及びガス密度ρ（ｋｇ／ｍ３）とから各メッシュにおける高炉ガスの仮想質量流速Ｇｉ（ｋｇ／ｍ２ｓｅｃ）を求める。
【００３５】
【数１】
0005543262.tif 000002
【数２】
0005543262.tif 000003
ここで、Ｐが圧力（Ｐａ）、Ｕが高炉ガスの流速（ｍ／ｓｅｃ）、ｚが高炉の高さ方向座標（ｍ）である。また、メッシュとは、図２に示されるように、層頂部内の所定の高さ位置における高炉の水平方向断面ＣＳにおいて、炉中心から炉壁に向って１ｃｍごとに区切った管状の各領域（図２における斜線部分を参照：但し、メッシュ１は半径が１ｃｍの円形の領域）のことである。下付き文字ｉは、炉中心を１として炉壁に向って順に番号が大きくなるメッシュ番号とする。また、層頂部における圧力損失の値は、炉半径Ｒの各位置においてほぼ一定であるので、炉半径Ｒの任意の位置での（（ｄＰ２／２ＫＴｄｚ）＜０）の値は一定とする。
【００３６】
式（２）のＧを未知数ｘとして式（２）をａｘ２+ｂｘ+ｃ＝０と整理した場合に、その正の根が高炉ガスの質量流速となる。このとき、ａ，ｂ＞０，ｃ＜０であるため、ａｘ２+ｂｘ+ｃ＝０の正の根が、
【数３】
0005543262.tif 000004
となり、これが各メッシュｉでの仮想質量流速Ｇｉ、即ち、所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの質量流速Ｇの仮想分布となる。
【００３７】
総和導出手段１８は、仮想分布導出手段１７により導出された所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの仮想質量流速（高炉ガスの質量流速Ｇの仮想分布）Ｇｉに対応した所定の炉半径Ｒを含む高炉の水平方向断面ＣＳを通過する高炉ガスの質量流速Ｇの総和を求める。
【００３８】
具体的には、総和導出手段１８は、各メッシュの仮想質量流速Ｇｉから高炉の水平方向断面ＣＳを通過する高炉ガスの質量流速の総和Ｇｃａｌ（ｋｇ／ｓｅｃ）を求める。具体的に、総和導出手段１８は、以下の式（３）のように計算する。
【００３９】
【数４】
0005543262.tif 000005
【００４０】
圧力損失値導出手段１９は、総和導出手段１８で導出された質量流速の総和がガス情報取得手段１３により取得された炉頂ガス量と一致するような圧力損失仮想値を求め、この値を層頂部における圧力損失の値として導出する。
【００４１】
具体的に、圧力損失値導出手段１９は、総和導出手段１８で求めた総和Ｇｃａｌと、ガス情報取得手段１３により取得した炉頂ガス量ＧＴ（ｋｇ／ｓｅｃ）とから、式（２）におけるｄＰ２／２ＫＴｄｚを求める。
【００４２】
詳しくは、圧力損失値導出手段１９は、求められた質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとを比較する。このとき、圧力損失導出手段１９は、質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとが合致し若しくはその差が許容範囲内であると判断すれば、この質量流速の総和Ｇｃａｌが求められたときの圧力損失仮想値を高炉の層頂部における圧力損失の値として出力手段２０に出力する。一方、圧力損失導出手段１９は、質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとが合致せず且つその差が許容範囲内にないと判断すれば、圧力損失仮想値を変更するよう仮想値設定手段１６に指示する。このとき圧力損失値導出手段１９は、変更後の圧力損失仮想値によって求めた質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとの差が圧力損失仮想値の変更前の質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとの差よりも小さくなる方向に圧力損失仮想値を変更するように指示する。この指示を受けた仮想値設定手段１６が、異なる値の圧力損失仮想値を設定する。この変更された圧力損失仮想値に基づいて仮想分布導出手段１７、総和導出手段１８により質量流速の総和Ｇｃａｌ１が求められ、圧力損失値導出手段１９がこの質量流速の総和Ｇｃａｌ１と炉頂ガス量ＧＴとを比較し、この質量流速の総和Ｇｃａｌ１と炉頂ガス量ＧＴとが合致し若しくはその差が許容範囲内か否かを判断する。
【００４３】
このような質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとの比較、及び圧力損失仮想値の変更が質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとが合致し若しくはその差が許容範囲内に収まるまで繰り返される。質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとが合致し若しくはその差が許容範囲内に収まると、圧力損失値導出手段１９がそのときの質量流速の総和Ｇｃａｌが求められたときの圧力損失仮想値を高炉の層頂部における圧力損失の値として出力手段２０に出力する。
【００４４】
このように圧力損失導出手段１５では、反復法によりｄＰ２／２ＫＴｄｚの値が求められている。より具体的に、本実施形態の圧力損失導出手段１５では、反復法の一種である２分法によってｄＰ２／２ＫＴｄｚの値が求められている。詳しくは、圧力損失導出手段１５では、ｄＰ２／２ＫＴｄｚの初期設定が、最大値０、最小値を十分小さな値に設定され、この区間の中間値を圧力損失仮想値として質量流速の総和Ｇｃａｌが求められ、これと炉頂ガス量ＧＴとが比較される。そして、この比較に基づき、前記の中間値と前記最大値又は前記最小値との中間値を変更後の圧力損失仮想値として質量流速の総和Ｇｃａｌ１が求められ、これと炉頂ガス量ＧＴとが比較される。圧力損失導出手段１５では、これが質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとが十分に近づくまで繰り返されることによってｄＰ２／２ＫＴｄｚの値が求められる。
【００４５】
圧力損失値導出手段１９は、このようにして求めたｄＰ２／２ＫＴｄｚの値をＣとし、気体の状態方程式（Ｐｔｏｐ＝ＫρＴ）を用いて圧力損失の値（ａｔｍ／ｍ）を以下のようにして求める。
【００４６】
【数５】
0005543262.tif 000006
ここで、Ｔが炉頂における高炉ガス温度Ｔ（Ｋ）、Ｐｔｏｐが炉頂における圧力（Ｐａ）である。
【００４７】
圧力損失導出手段１５では、上記のように、炉半径Ｒ方向のガス分配に起因する高炉ガスの質量流速の仮想分布Ｇｉが用いられているため、ガス分配の考慮された圧力損失が求められる。尚、上記の方法によれば、圧力損失の値を求めることにより、層頂部におけるガス流速分布（詳しくは、所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの流速分布）を得ることもできる。即ち、高炉ガスの質量流速の仮想分布Ｇｉに導出された圧力損失の値を代入することにより、高炉の層頂部における実際の質量流速の分布が精度よく求められ、この質量流速の分布から高炉ガスの流速分布が容易に求められる。
【００４８】
圧力損失導出手段１５は、操業者が入力した情報に基づいて上記のように求めた計算結果を高炉の層頂部における圧力損失の値として出力手段２０に出力する。
【００４９】
出力手段２０は、計算機本体１４（詳しくは、圧力損失導出手段１５）が出力した計算結果（高炉の層頂部における圧力損失の値）を受信し、これを外部に出力するものである。本実施形態の出力手段２０は、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、ＰＤＰ等の表示手段によって構成されているが、これに限定されず、プリンタ等の印刷手段や、他の装置（例えば、高炉の制御等に用いられる計算機等）等へ出力するように構成されてもよい。また、出力手段２０は、これらを組み合わせたものでもよい。
【００５０】
以上のように構成される圧力損失導出装置１０では、図３を参照しつつ以下において説明するように、高炉の層頂部の圧力損失の値が求められる。
【００５１】
先ず、操業者によって入力されることにより、取得手段１１が層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径Ｒに沿った各位置の装入物の状態、詳しくは、各メッシュの粒径Ｄｐｉ、空隙率εｉ及び形状係数φｉを取得する（ステップＳ１Ａ）。これら層頂部における各メッシュの粒径Ｄｐｉ、空隙率εｉ及び形状係数φｉは、計測した値でもよく、公知の装入物分布モデルに基づく計算等によって求めた値でもよい。
【００５２】
また、操業者によって入力されることにより、取得手段１１が炉頂部における高炉ガスの特性及び炉頂ガス量、詳しくは、ガス粘性係数μ、ガス密度ρ、及び炉頂ガス量ＧＴを取得する（ステップＳ１Ｂ）。これらガス粘性係数μ、ガス密度ρ、及び炉頂ガス量ＧＴは、操業中の高炉において実際に計測した値でもよく、計算によって求めた値でもよい。このステップＳ１Ｂは、ステップＳ１Ａと同時に行われる必要はなく、ステップＳ１Ａの前や後に行われてもよい。
【００５３】
取得手段１１は、取得したガス粘性係数μ、ガス密度ρ、及び炉頂ガス量ＧＴ、ガス粘性係数μ、ガス密度ρ、及び炉頂ガス量ＧＴを計算機本体１４の圧力損失導出手段１５に送信する。
【００５４】
これを受信した圧力損失導出手段１５では、先ず、仮想値設定手段１６により、層頂部の圧力損失の値が未定の状態で、仮想の値である圧力損失仮想値が設定される（ステップＳ２）。次に、仮想分布導出手段１７により、圧力損失仮想値と、エルガン式（式（２）参照）と、取得手段１１により取得した各メッシュの粒径Ｄｐｉ、空隙率εｉ、及び形状係数φｉと、取得手段１１により取得した炉頂部における高炉ガスのガス粘性係数μ及びガス密度ρとから、各メッシュにおける高炉ガスの仮想質量流速Ｇｉ（所定の炉半径Ｒにおける質量流速Ｇの仮想分布）が導出される（ステップＳ３）。次に、総和導出手段１８により、式（３）に基づき、仮想質量流速Ｇｉに対応した前記の水平方向断面ＣＳを通過する高炉ガスの質量流速Ｇの総和Ｇｃａｌが求められる（ステップＳ４）。そして、圧力損失値導出手段１９により、水平方向断面ＣＳを通過する高炉ガスの質量流速Ｇの総和Ｇｃａｌと、取得手段１１により取得した炉頂ガス量ＧＴと、が比較され、合致し若しくはその差が許容範囲内であれば、この質量流速Ｇの総和Ｇｃａｌを求めたときの圧力損失仮想値を（ｄＰ２／２ＫＴｄｚ）の値とする一方、比較結果が合致せず且つ許容範囲内になければ、ステップＳ２に戻る（ステップＳ５）。そして、圧力損失仮想値を変更しながら質量流速の総和Ｇｃａｌと炉頂ガス量ＧＴとが合致若しくはその差が許容範囲内になるまでステップＳ２〜ステップＳ５が繰り返される。圧力損失値導出手段１９は、このようにして求まった（ｄＰ２／２ＫＴｄｚ）の値と気体の状態方程式（Ｐｔｏｐ＝ＫρＴ）とを用いて層頂部における圧力損失の値を導出する（ステップＳ６）。
【００５５】
このようにして圧力損失導出手段１５で導出された高炉の層頂部における圧力損失の値は、出力手段２０に向けて出力される（ステップＳ７）。この圧力損失導出手段１５からの出力を受信した出力手段２０は、これを表示する。
【００５６】
以上のような圧力損失導出装置１０によれば、層頂部についてのパラメータに基づく計算によって圧力損失が求まるため、従来の数学モデルを用いた方法（即ち、高炉全体についてのパラメータに基づいて複数の解析モデルによる計算が必要な方法）に比べて計算量が少なく、短時間で層頂部における圧力損失が求まる。これにより、従来の数学モデルを用いた方法に比べ、所定の時間（期間）内により多くの操業条件案についての圧力損失の検討が可能になり、圧力損失を抑えるためのより好適な操業条件を求めやすくなる。しかも、炉半径方向のガス分配に起因する高炉ガスの質量流速の分布を用いることにより、ガス分配の考慮された圧力損失が求まる。これにより、層頂部における圧力損失を精度よく求めることができる。
【００５７】
具体的には、層頂部の圧力損失の値として、圧力損失の仮想の値である圧力損失仮想値が設定され、この圧力損失仮想値と層頂部内の所定の高さ位置における所定の炉半径Ｒに沿った各位置での装入物の状態と高炉の炉頂部における高炉ガスの特性とに基づいて所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの仮想質量流速Ｇｉが求められる。そして、この圧力損失の値が未定状態の仮想質量流速Ｇｉに対応した水平方向断面ＣＳを通過する高炉ガスの質量流速Ｇの総和Ｇｃａｌが求められる。このように求められた質量流速の総和Ｇｃａｌが炉頂ガス量ＧＴと一致するような圧力損失仮想値が求められ、この値が層頂部における圧力損失の値として導出される。このように層頂部についてのパラメータのみに基づく計算によって圧力損失の値が求まる。また、途中で仮想質量流速Ｇｉが求められていることから、上記のように求められた圧力損失の値には、炉半径Ｒ方向のガス分配が考慮されている。
【００５８】
高炉炉頂部では、装入物によって充填層が形成されている。そのため、圧力損失導出手段１５（詳しくは、仮想分布導出手段１７）において、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の関係を精度よく表すエルガン式（式（２））に基づくことにより、高炉内の高炉ガスの状態が精度よく求まる。これにより、層頂部における圧力損失の値が精度よく求まる。そのため、この値を仮想質量流速Ｇｉに代入することによって所定の炉半径Ｒにおける高炉ガスの実際の質量流速の分布が精度よく求まる。即ち、炉半径Ｒにおける実際の高炉ガスの流速分布を精度よく求めることも可能である。
【００５９】
尚、本発明の高炉の圧力損失導出装置、この装置に用いられる高炉の圧力損失導出方法、及び高炉の圧力損失導出プログラムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００６０】
上記実施形態の圧力損失導出装置１０は、１つの操業条件が入力されることによりこの操業条件における層頂部の圧力損失の値を求めてこれを出力するが、例えば、複数の操業条件が入力されることにより、各操業条件の圧力損失をそれぞれ求め、これらの圧力損失の中で最も低い圧力損失の値を選び、この選ばれた圧力損失の値とこの圧力損失の値を求めたときの操業条件とを出力するように構成されてもよい。
【００６１】
また、本実施形態では、充填層における圧力損失とこの充填層を通過する流体の流速との間の関係をエルガン式（式（１）及び式（２））により規定しているが、これに限定されず、Ｂｕｒｋｅ−Ｐｌｕｍｍｅｒの式等により規定されてもよい。
【実施例１】
【００６２】
上記の圧力損失導出装置１０を用い、図４に示される操業条件で高炉の操業を行ったときの層頂部の圧力損失の値をそれぞれ求めた。ここで、図５が操業条件案Ａで操業を行ったときの高炉内の装入物の表面プロフィールを示し、図６が操業条件案Ｂで操業を行ったときの高炉内の装入物の表面プロフィールを示す。
【００６３】
当該実施例１では、各操業条件案における装入物の粒径Ｄｐの分布及び空隙率εの分布を装入物分布モデルに基づく計算によってそれぞれ求め、その結果（操業条件案Ａが図７（Ａ）及び図７（Ｂ）、操業条件案Ｂが図８（Ａ）及び図８（Ｂ））を取得手段１１に入力した。また、炉半径に沿った各位置の形状係数φを一定値として取得手段１１に入力した。また、ガス粘性係数μ、ガス密度ρ、炉頂ガス量ＧＴを操業中の高炉において実際に測定することにより取得し、その値を取得手段１１に入力した。
【００６４】
その結果、得られた高炉ガスの流速分布を図９（操業条件案Ａ）及び図１０（操業条件案Ｂ）に示し、層頂部における各圧力損失を図１１に示す。
【００６５】
これらの図から、操業条件案Ｂの操業では、操業条件案Ａと比べて炉中心にコークスが多く装入されることによって層頂部における圧力損失が低く、炉中心部における通気性がよくなっていることがわかる。
【００６６】
本実施例１においては、各情報を高炉の圧力損失導出装置１０に入力してから上記の結果を得るまでに、１秒程度かかった。これに対し、従来の数学モデルを用いた方法では、これら二つの操業条件案Ａ，Ｂについての層頂部における圧力損失がそれぞれ求まるまでに、数時間が必要と考えられる。
【００６７】
これにより、上記実施形態の高炉の圧力損失導出装置１０によれば、従来の数学モデルを用いた圧力損失の導出よりも短時間で導出可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【００６８】
１０   圧力損失導出装置
１１   取得手段
１２   装入物状態取得手段
１３   ガス情報取得手段
１５   圧力損失導出手段
１６   仮想値設定手段（仮想値設定部）
１７   仮想分布導出手段（仮想分布導出部）
１８   総和導出手段（総和導出部）
１９   圧力損失値導出手段（圧力損失値導出部）
ＣＳ   水平方向断面
Ｄｐｉ 装入物の粒径分布
Ｇｃａｌ      水平方向断面を通過する高炉ガスの質量流速の総和
Ｇｉ   高炉ガスの質量流速の分布
ＧＴ   炉頂ガス量
Ｒ     所定の炉半径
εｉ   空隙率分布
μ     ガス粘性係数
ρ     ガス密度
φｉ   形状係数分布
【図１】
0005543262.tif 000007
【図２】
0005543262.tif 000008
【図３】
0005543262.tif 000009
【図４】
0005543262.tif 000010
【図５】
0005543262.tif 000011
【図６】
0005543262.tif 000012
【図７】
0005543262.tif 000013
【図８】
0005543262.tif 000014
【図９】
0005543262.tif 000015
【図１０】
0005543262.tif 000016
【図１１】
0005543262.tif 000017