(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉炉底の耐火物の損耗時期と残存厚さならびに耐火物内面に付着する内容物凝固層の生成・消滅時期と残存厚さを、高炉炉底に設置された温度センサーの実測値を用いて伝熱計算によって推定する方法において、以下の手順を特徴とする高炉炉底状況の推定方法：
（Ａ）：高炉炉底構造の伝熱解析を行うため、炉底構造を以下のような５層、すなわち、
（ａ）健全な耐火物の層、
（ｂ）健全な耐火物以外の耐火物の層、
（ｃ）凝固した銑鉄の層、
（ｄ）固体と液体の共存している銑鉄の層、
（ｅ）流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層
から構成されるモデルを作り、各々の層に厚さと物性値を付与する；
（Ｂ）：炉底耐火物内に設置された複数の温度センサーにより測定された炉底耐火物の温度の時系列データを実測値の炉底温度とする；
（Ｃ）：該モデルに、経過時間に依存する非定常の伝熱解析を実施する；
（Ｄ）：解析結果の温度の大きさによって、（Ａ）の各層を、生成あるいは消滅させるが、その時、生成させる限界温度と消滅させる限界温度は同一値または異なる値とする；
（Ｅ）：（Ｃ）へ戻り、計算する所定の経過時間に達するまで（Ｃ），（Ｄ）を繰り返して、計算値として得られた温度分布のうち、（Ｂ）の実測値の炉底温度と同位置でかつ所定の経過時間までの計算結果の時系列の温度値を、計算値の炉底温度とする；
（Ｆ）：（Ｂ）による実測値の炉底温度と（Ｅ）による計算値の炉底温度の極小値及び極大値、並びに温度上昇率及び温度下降率、並びに温度上昇加速度及び温度下降加速度を所定の期間内で比較する；
（Ｇ）：（Ａ）へ戻り、（Ｆ）での実測値の炉底温度と計算値の炉底温度との比較の差に従って、５種類の材質の層の厚さを変えて再び（Ｃ）以下の手順を、（Ｆ）による実測値の炉底温度と計算値の炉底温度の差が所定の値以下になるまで繰り返す；
（Ｈ）：（Ｇ）においての繰り返し計算が終了した時の（Ａ）における５種類の各層の、零をも含む厚さが求める炉底状況の最終状態とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鉱炉（以下、高炉という）の炉底内部の状況推定方法に関し、特に、高炉の操業管理ならびに炉底耐火物寿命診断のため、炉底耐火物の浸食状況，及び炉底耐火物内面に付着している内容物の形成の状況を把握する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な高炉の炉底の状況を、図１に模式的に示す。高炉における耐火物の浸食後（浸食部分４）の健全部２の残存厚さならびに耐火物内面に付着する内容物の凝固層３の厚さを、図１に示すように炉底耐火物内に設置された温度センサー９、９ａ、９ｂ、９ｃなどにより測定された実測値を用いた伝熱計算によって推定する従来方法は、具体的には次のようなものである。すなわち、耐火物内に設置された温度センサーによる実測値のうち最高温度への到達値と鉄皮１の表面５の温度あるいは鉄皮表面における伝熱条件から、炉底耐火物の浸食形状６（通常はこの部分の温度は溶銑の凝固点温度である１１５０°Ｃである）を一次元的に決定し、残存厚さを求めるものである。
【０００３】
しかし、このような従来の推定方法は、一次元的であるため、実際の炉底の解体調査時に見られる炉底耐火物の浸食形状が曲線状の複雑な形状である事実と推定形状が合わないことが多く、炉底耐火物の健全部２の残存厚さの推定精度に問題があった。
【０００４】
これを解決する方法として、炉底耐火物浸食形状を連続ラインと仮定し、二次元的に差分法や有限要素法を用いて逐次的に求め、実測温度を再現する浸食形状を決定し、炉底耐火物の残存厚さを推定することが行われている。例えば、特公昭５７−５１４４５号公報に開示された発明では、実測値の温度と計算値である推定基準温度の差を用いて、先に仮定した耐火物の浸食形状を補正することにより、実際の浸食形状を求めている。
【０００５】
また、特公昭６１−３７３２８号公報に開示された発明では、境界要素法と数理計画法を組み合わせて、炉底耐火物の浸食形状や炉内内容物の凝固形状を推定している。また、特開平７−２７８６３２号公報に開示された発明では、有限要素法と最適化手法の一つである遺伝的アルゴリズムを用いて、炉底耐火物と内容物の分布状態を最適化することによって、炉底耐火物の浸食形状や炉内内容物の凝固形状を推定している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に述べたように、炉底耐火物の浸食形状や炉底耐火物表面に付着した炉内内容物の凝固層の形状の、従来技術による推定方法には、以下のような問題がある。
【０００７】
（ａ）まず、従来技術による推定方法では、実測値の炉底温度の値は最高温度に達した値だけを採用し、また伝熱計算においては、時間に依存しない定数の状態としての計算であることが問題である。実際は図２に示すように、炉底（図１の９ａ部）の実測温度は時間に依存して変化しており、最も耐火物の残存厚を管理したい時期である浸食が進んで耐火物の残存厚が薄くなってきた場合には、実測値の温度の時間に依存する変化がさらに大きくなり、しかも、図１に示す高炉の円筒状の側面には熱伝導率の高い材質の耐火物を用いることが多いことも影響して、従来技術による推定方法のように定常の状態として計算した場合には、炉底耐火物の残存厚さや耐火物表面に付着した炉内内容物の凝固層の厚さの推定を誤ることになる。つまり、ある時刻での実際の高炉半径方向の温度分布，耐火物の実際の厚さ，耐火物の実際の内表面位置１１が図３に示すような場合でも、耐火物の外表面である０点、耐火物の内部のａ点、耐火物の内表面であるｓ’点の実際と同じ温度を用いて定常計算で推定した場合は、その推定温度分布は図３の破線のようになり、Ｓ’と同じ温度Ｓ”でありながらその厚さの内表面位置は１２のように実際の位置１１と異なる結果になる。
【０００８】
（ｂ）また、従来技術による推定方法では、伝熱計算において、図１に示すように、炉底耐火物の健全部分２の他には炉底耐火物表面に付着した炉内内容物３が一種類存在するとして物性値を決め、その生成と消滅は温度の大きさに応じて炉内内容物の表面７のラインを連続的に移動させる方法を採用しいてるが、これも問題である。図４に示すように、実際の高炉炉底の解体調査から、前記炉内内容物３は２種類（３ａ，３ｂ）以上の材質のものから構成されていること、また実測値の炉底温度は、図２に示すように、長時間に渡って安定した状態から急激に上昇する場合があり、伝熱計算結果と一致せず、結果として炉底耐火物の浸食形状６や炉底耐火物表面に付着した炉内内容物３の凝固層の厚さの推定を誤ることになる。
【０００９】
そこで、本発明は、炉底温度の実測値が時間に依存して大きく変化する場合や炉内の内容物が生成と消滅を起こす場合でも、耐火物の残存厚さと内容物の層の厚さを推定することができる高炉炉底状況の推定方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、高炉炉底の耐火物の損耗時期と残存厚さならびに耐火物内面に付着する内容物凝固層の生成・消滅時期と残存厚さを、高炉炉底に設置された温度センサーの実測値を用いて伝熱計算によって推定する方法において、以下の手順を特徴とする高炉炉底状況の推定方法である。
【００１１】
（Ａ）：高炉炉底構造の伝熱解析を行うため、炉底構造を以下のような５層、すなわち、
（ａ）健全な耐火物の層、
（ｂ）健全な耐火物以外の耐火物の層、
（ｃ）凝固した銑鉄の層、
（ｄ）固体と液体の共存している銑鉄の層、
（ｅ）流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層
から構成されるモデルを作り、各々の層に厚さと物性値を付与する；
（Ｂ）：炉底耐火物内に設置された複数の温度センサーにより測定された炉底耐火物の温度の時系列データを実測値の炉底温度とする；
（Ｃ）：該モデルに、経過時間に依存する非定常の伝熱解析を実施する；
（Ｄ）：解析結果の温度の大きさによって、（Ａ）の各層を、生成あるいは消滅させるが、その時、生成させる限界温度と消滅させる限界温度は同一値または異なる値とする；
（Ｅ）：（Ｃ）へ戻り、計算する所定の経過時間に達するまで（Ｃ）、（Ｄ）を繰り返して、計算値として得られた温度分布のうち、（Ｂ）の実測値の炉底温度と同位置でかつ所定の経過時間までの計算結果の時系列の温度値を、計算値の炉底温度とする；
（Ｆ）：（Ｂ）による実測値の炉底温度と（Ｅ）による計算値の炉底温度の極小値及び極大値、並びに温度上昇率及び温度下降率、並びに温度上昇加速度及び温度下降加速度を所定の期間内で比較する；
（Ｇ）：（Ａ）へ戻り、（Ｆ）での実測値の炉底温度と計算値の炉底温度との比較の差に従って、５種類の材質の層の厚さを変えて再び（Ｃ）以下の手順を、（Ｆ）による実測値の炉底温度と計算値の炉底温度の差が所定の値以下になるまで繰り返す；
（Ｈ）：（Ｇ）においての繰り返し計算が終了した時の（Ａ）における５種類の（厚さゼロも含む）各層の厚さが求める炉底状況の最終状態とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明による高炉炉底状況の推定方法では、まず始めに、炉温度の実測データのうち、６時間以上に渡り安定した温度データ、すなわち図２の時刻０から時刻ｔ0までのような温度データを用いて、図５に示した炉底構造のモデルの炉底耐火物の健全部分１７とその炉内側表面に付着した内容物の各層１３，１４，１５，１６の厚さを定常計算によって求め、その結果を以後の非定常計算の初期状態とする。
【００１３】
すなわち、図５のＴａの位置の温度センサー９で測定された図２の実測データと、予め容易に測ることができる図５の鉄皮の外面の温度Ｔ１を用いて、定常状態として熱貫流量を求めて、図５に示した炉底構造の伝熱計算のための多層のモデルの各物性値を与え、定常の伝熱計算を行い、各層の厚さを決める。
【００１４】
次に、図２に示した炉底温度の実測データの時刻ｔ0からｔ2までの例で示すような温度が上昇する過程、すなわち、耐火物の炉内側表面に付着した内容物あるいは健全な耐火物も含み消滅していく過程の温度データを用い、炉内側最内の内容物の層であるところの、流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層１３の、炉内表面７の熱伝達率あるいは炉内熱源の温度の上昇開始を初期条件にし、前に求められている定常状態を初期状態にして、時間に関しての逐次計算、すなわち時刻歴過渡応答非定常伝熱解析を開始する。
【００１５】
引き続いて、計算する時刻に沿って逐一、健全耐火物と付着した内容物の各層の表面の温度、すなわち図５におけるＴｘ３，Ｔｘ２，Ｔｘ１，Ｔｍ，Ｔｃの位置の温度、および各層の物性値として予め定めた存在限界温度に当たる位置を探知し、各層の表面温度が該層の存在限界温度より高い値の場合は、図６に示すように、内容物の炉内側最内表面の最初の位置２１から該層の存在温度の深さ２２までの厚さ相当の層２０を削除または減少させたうえで、次の時刻に計算を進める。
【００１６】
以下、同様に繰り返して、どの層の表面も該層の存在限界温度と同等となるかあるいは、図２に示した実測データと同位置での計算結果を比較しながら実測データの極大値と同等になるまで計算を繰り返す。その結果が該時刻での炉底耐火物の健全部分の残存厚さ、あるいは耐火物健全部分の炉内側表面に付着した内容物が存在している場合はその残存厚さ、を示すことができる。
【００１７】
引き続いて、図２に示した炉底温度の実測データの時刻ｔ2からｔ3の例で示すような、温度が下降する過程、すなわち、耐火物の炉内側表面に内容物が生成していく過程の温度データを用い、炉内側最内の内容物の層であるところの、流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層の炉内表面側の熱伝達率あるいは炉内熱源の温度の下降開始を初期条件にして、時間に関しての逐次計算、すなわち時刻歴過渡応答非定常伝熱解析を開始する。
【００１８】
引き続いて、計算する時刻に沿って逐一、炉内側最内表面の温度を参照し、物性値として予め定めた付着すべき内容物の各層の存在限界温度と比較し、健全な耐火物の表面も含み、内容物の炉内側最内表面の温度が付着すべき内容物の各層の存在限界温度より低い値の場合は、図７に示すように、計算値に最も近い値の存在限界温度を有する内容物の層２３を、健全な耐火物の表面あるいは内容物の炉内側最内表面２５に微小な厚さを生成させ、同時に、物性値として予め定めた各層の存在限界温度の位置を参照し、その位置から低温側の次の層の存在限界温度の位置２４までの厚さを該層の物性値に置き換えたうえで次の時刻に計算を進める。
【００１９】
以下、同様に繰り返して、どの層の表面も該層の存在限界温度と同等となるかあるいは、図２に示した実測データと同位置での計算結果を比較しながら実測データの極大値ｔ2と同等になるまで計算を繰り返す。その結果が、該時刻での炉底耐火物の健全部分の残存厚さ、あるいは耐火物健全部分の炉内側表面に付着した内容物が存在している場合はその残存厚さ、を示すことになる。
【００２０】
【実施例】
内容積５０００ｍ3級の大型高炉で、図１の高炉炉底の温度計９ａの存在する部位すなわち側壁と呼ぶ部分について、本発明の高炉炉底状況の推定方法を適用した。解析に用いた実測データは、図１の９ａに相当する位置でのある期間の測定結果であり、図２に実線で示す。図５に相当する伝熱解析の多層モデルは、図８および表１に示すように各層に物性値を与え、最外壁の鉄皮１９（図８）の表面温度は実測値３０°Ｃを用いた。図８の中で図２の実測データの測定位置に対応する位置は、図８の計算モデルでの位置９ａであり、温度は計算結果としてのＴａである。計算手法は有限要素法を用いた。
【００２１】
【表１】
0003728050.tif 000002
【００２２】
始めに、図２の実測データの初期の安定期間である時刻０からｔ0におけるＴａの値および図８および表１に示した各層の物性値を用いて定常温度解析を行い、図８の各層の未知の厚さを決定する。すなわち、熱源と炉内側最内内容物の表面の間の熱伝達率α＝３８ｋｃａｌ／ｍ2／ｈｒ／°Ｃ、炉底耐火物の健全部分の厚さＬｃ＝７５０ｍｍ、健全な耐火物以外の耐火物の厚さＬｍ＝８４０ｍｍ、凝固した銑鉄の層の厚さＬｘ１＝１００ｍｍ、固体と液体の共存している銑鉄の層の厚さＬｘ２＝９８ｍｍ、流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層の厚さＬｘ３＝６０２ｍｍが決まる。
【００２３】
引き続き、図２の実測データの温度上昇過程すなわち時刻ｔ0からｔ2について解析する。時刻ｔ0からｔ2の初期条件としては、熱源と炉内側最内内容物の表面の間の熱伝達率をα＝３８ｋｃａｌ／ｍ2／ｈｒ／°Ｃから１１５ｋｃａｌ／ｍ2／ｈｒ／°Ｃに上昇させ、時刻歴過渡応答非定常伝熱解析を開始する。時刻歴過渡応答計算での時刻刻みは１０分とした。
【００２４】
引き続いて、計算の時刻刻みの１０分毎に逐一、図８に示した各層の炉内側表面の温度、すなわち、炉内側最内表面の位置７すなわち流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層１３の表面での温度Ｔｘ３，固体と液体の共存している銑鉄の層１４の表面温度Ｔｘ２，凝固した銑鉄の層１５の表面温度Ｔｘ１，健全な耐火物以外の耐火物の層１６の表面温度Ｔｍ、および、耐火物の健全部分の表面６の位置の温度Ｔｃを、各々の存在限界温度、すなわち、Ｔｘ３＝１３００°Ｃ，Ｔｘ２＝１１８０°Ｃ，Ｔｘ１＝１１５０°Ｃ，Ｔｍ＝１３００°Ｃ、および、Ｔｃ＝１１８０°Ｃと比較し、計算値が高い場合、内容物の層の炉内側最内表面の位置７から炉外側に向かって微小量厚さ（１０ｍｍ）を削除したうえで１０分間の非定常伝熱解析を行い、各層の炉内側表面の温度の計算値が各々の存在限界温度に等しいかそれ以下になる時刻まで、１０分当たり１０ｍｍづつの削除を繰り返し、計算を進める。
【００２５】
このようにして得られた図８の９ａにおける温度Ｔａの計算結果は、図２の本発明による計算結果を示す破線の時刻ｔ0からｔ2までで示す。また、各層の状態の計算結果、すなわち、図２の時刻ｔ1における各層の残存状態は図９に、図２の時刻ｔ2における各層の残存状態は図１０に、それぞれ示す。
【００２６】
引き続いて、図２の実測データの温度下降過程すなわち時刻ｔ2からｔ3について解析する。時刻ｔ2からｔ3の初期条件、すなわち図２の時刻ｔ2は実際の操業において休風開始であったため、図８の熱源の温度Ｔｈを１５００°Ｃから１４７０°Ｃに下降させて、時刻歴過渡応答非定常伝熱解析を開始する。時刻歴過渡応答計算での時刻刻みは１０分とした。
【００２７】
引き続いて、計算の時間刻みの１０分毎に逐一、図１０に示した残存層すなわち残存した耐火物健全部分の炉内側最内表面位置７に、初期条件として微小量（１０ｍｍ）を付着させた、流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層１３の表面温度Ｔｘ３の計算結果を探索して参照し、その存在限界温度１３００°Ｃと比較して計算値が低い場合には炉内側に向かって微小量厚さ（１０ｍｍ）を更に生成させ、更に各層の存在限界温度と同等の温度の位置を探索し該当する温度がある場合、該位置から低温側を該層の物性に置換した後、１０分間の非定常伝熱解析を行い、炉内側最内表面の位置７（流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層の炉内側表面）の温度の計算値が、存在限界温度１３００°Ｃに等しいかそれ以下になる時刻まで１０分当たり１０ｍｍづつの生成を繰り返し、計算を進める。
【００２８】
このようにして得られた図８の９ａにおける温度Ｔａの計算結果は、図２の本発明による計算結果を示す破線の時刻ｔ2からｔ3までで示す。また、各層の状態の計算結果、すなわち図２の時刻ｔ3における各層の残存状態は図１１に示す。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、炉底温度が過去の履歴の中で最高温度に達しない場合、および実測値が時間に依存して変化する場合にも、炉底耐火物の浸食状況、及び炉底耐火物内面に付着している内容物の形成の状況を把握することができるため、本発明は、高炉の操業管理ならびに炉底耐火物寿命診断に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  高炉炉底の縦断面を模式的に示す断面図である。
【図２】  図１に示す高炉健全耐火物２の、温度センサ−９ａの位置での温度実測データの時間変化とそれに対応する本発明の計算結果を示すタイムチャ−トである。
【図３】  定常計算による厚さ推測領域と計算温度との関係を示すグラフであり、横方向は高炉の半径方向位置、縦方向は温度レベルである。
【図４】  実在の高炉の長期使用後の炉底解体調査観察結果を模式的に示す、縦断面図である。
【図５】  本発明で用いる伝熱計算用一次元多層モデルでの高炉の半径方向の層分割を示す模式的な断面図であり、横方向が半径方向である。
【図６】  図５と同様な模式的な断面図であるが、温度が上昇する過程における炉内側表面内容物の消滅を概念的に示す。
【図７】  図５と同様な模式的な断面図であるが、温度が下降する過程における炉内側表面内容物の生成を概念的に示す。
【図８】  図５と同様な模式的な断面図であるが、本発明の実施例における伝熱計算用一次元多層モデルでの層分割を示す。
【図９】  図８と同様な模式的な断面図であるが、図２の時刻ｔ1における各層の残存状態を示す。
【図１０】  図８と同様な模式的な断面図であるが、図２の時刻ｔ2における各層の残存状態を示す。
【図１１】  図８と同様な模式的な断面図であるが、図２の時刻ｔ3における各層の残存状態を示す。
【符号の説明】
１：鉄皮                                  ２：炉底耐火物の健全部分
３：炉底耐火物内面に付着する内容物        ４：耐火物の浸食部分
５：鉄皮表面
６：炉底耐火物の浸食後の健全部表面ライン
７：炉底耐火物内面に付着する内容物の炉内側最内表面ライン
８：高炉稼働開始初期の耐火物炉内側表面ライン
９：炉底に設置された温度センサー
１１：実際の炉内側最内表面の位置
１２：定常計算から求められる炉内側最内表面の位置
１３：流れの速度がゼロの溶融銑鉄の層
１４：固体と液体の共存している銑鉄の層
１５：凝固した銑鉄の層                    １６：健全な耐火物以外の耐火物
１７：炉底耐火物の健全部分                １８：充填材
１９：鉄皮                                ２０：消滅させる層
２１：消滅前の炉内側最内表面の位置
２２：消滅後の炉内側最内表面の位置
２３：生成させる層
２４：生成後の炉内側最内表面の位置
２５：生成前の炉内側最内表面の位置
【図１】
0003728050.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003728050.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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