(57)【要約】      （修正有）【課題】高炉装入物の挙動を簡易にシミュレートできるシミュレーション方法を提供する。【解決手段】高炉内における高炉装入物の流れを模擬する二次元型シミュレーション装置であって、高炉の炉口部、シャフト部、炉腹部、朝顔部及び炉底部からなる高炉炉体を模した、二次元的に相似形であるプロフィールブロック１３と、該プロフィールブロック１３を収容する収容ケース１１と、高炉内に熱風を供給するブラストパイプを模した、三次元的に相似形であり、前記収容ケース内に延出するパイプ１４とを有し、前記収容ケース内における前記パイプの延出位置を、前記延出方向において位置調整可能とした。【選択図】図１
2008255438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉内における高炉装入物の流れを模擬する二次元型シミュレーション装置であって、
高炉の炉口部、シャフト部、炉腹部、朝顔部及び炉底部からなる高炉炉体を二次元的に相似形に模した、プロフィールブロックと、
該プロフィールブロックを収容する収容ケースと、
高炉内に熱風を供給する羽口を三次元的に相似形に模した、前記収容ケース内に延出するパイプとを有し、
前記収容ケース内における前記パイプの延出位置を、前記延出方向において位置調整可能としたことを特徴とする二次元型シミュレーション装置。
【請求項２】
前記パイプの角度を、上下方向に調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の二次元型シミュレーション装置。
【請求項３】
前記高炉装入物を三次元的に相似形に模した試料を前記収容ケースに装入するための装入部と、
前記装入部を介して前記収容ケース内に前記試料を充填させた状態で、前記パイプを介して前記収容ケース内に流入する気体によって形成されるレースウェイの中心位置に延出し、前記収容ケース内の前記試料を落下排出する排出管と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の二次元型シミュレーション装置。
【請求項４】
前記排出管から排出される前記試料の排出量を調節するための調節機構を有することを特徴とする請求項３に記載の二次元型シミュレーション装置。
【請求項５】
前記収容ケースの外側に配置される撮像装置を用いて前記収容ケース内の前記試料を撮像するために、前記収容ケースを光透過材料で形成したことを特徴とする請求項４に記載の二次元型シミュレーション装置。
【請求項６】
請求項５に記載のシミュレーション装置を用いて前記高炉装入物の流れを解析する解析方法であって、
前記試料を前記収容ケースに充填した後、前記パイプを介して前記収容ケース内に気体を流入させながら、前記排出管を介して前記試料を排出させるとともに、前記撮像装置を用いて前記収容ケース内の前記試料を連続的に撮像し、これらの撮像画像を用いて前記高炉装入物の流れを解析することを特徴とする解析方法。
【請求項７】
請求項６に記載の解析方法による解析結果に基づき、高炉を操業する高炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉に装入された高炉装入物の流れを模擬するための二次元型シミュレーション装置及び解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉は、高炉上部から炉口、シャフト、炉腹、朝顔及び炉底を連続的に接続することにより構成されている。高炉操業においては、高炉上部から鉄石の層とコークスの層とが交互に装入され、これらの原料層は、ある位置まで降下した段階で鉄鋼石の溶融し始める融着帯となる。融着帯においては、鉄石層が溶融しているためコークス層が高炉操業における必要な空気（ガス）の通路となる。
【０００３】
したがって、良好なガス流を保ち、吹き抜け（チャネリング）等を防止するためにも、各原料層の層構造を維持したまま原料降下させることが必要である。
【０００４】
このため、従来、この原料降下について種々の方法でシミュレーションが行われ、高炉操業に反映されている。特許文献１には、高炉内における個々の原料の動きを追跡することにより、原料降下の様子を模擬する高炉のシミュレーション方法において、シミュレーション領域を個々の原料の存在有無を示す複数のセルに分割し、セル内の原料が当該セルよりも下方のセルに降下するか否かの判定を、当該セルと周囲のセルとの関係のみによって行い、周囲のセルとの関係は、当該セル内の原料と周囲のセル内の原料との間に働く摩擦力を含む力から決まる関係である高炉のシミュレーション方法が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２７２９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの高炉構造物の形状は、各製鐵所によって異なる。また、高炉構造物は、高炉内のガスや高炉装入物によって摩耗するため、高炉操業とともに形状が経年変化する。さらに、高炉に熱風を供給するブラストパイプの炉内突き出し位置、つまり、羽口突き出し長さを変えることにより、高炉装入物の水平面内における速度分布が変化し、高炉操業に大きな影響を与える。
【０００６】
したがって、高炉の種類や摩耗の程度、羽口突き出し長さに応じて、高炉装入物の挙動を簡易にシミュレートできるシミュレーション方法が求められている。
【０００７】
そこで、本願発明は、高炉装入物の挙動を簡易にシミュレートできるシミュレーション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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本願発明は、高炉内における高炉装入物の流れを模擬する
二次元型シミュレーション装置であって、高炉の炉口部、シャフト部、炉腹部、朝顔部及
び炉底部からなる高炉炉体を二次元的に相似形に模した、プロフィールブロックと、該プ
ロフィールブロックを収容する収容ケースと、高炉内に熱風を供給する羽口を三次元的に
相似形に模した、前記収容ケース内に延出するパイプとを有し、前記収容ケース内におけ
る前記パイプの延出位置を、前記延出方向において位置調整可能としたことを特徴とする。
【０００９】
前記パイプの角度を、上下方向に調整可能にするとよい。
【００１０】
前記高炉装入物を三次元的に相似形に模した試料を前記収容ケースに装入するための装入部と、前記装入部を介して前記収容ケース内に前記試料を充填させた状態で、前記パイプを介して前記収容ケース内に流入する気体によって形成されるレースウェイの中心位置に延出し、前記収容ケース内の前記試料を落下排出する排出管と、を有するのが好ましい。
【００１１】
前記排出管から排出される前記試料の排出量を調節するための調節機構を有するとよい。
【００１２】
前記収容ケースの外側に配置される撮像装置を用いて前記収容ケース内の前記試料を撮
像するために、前記収容ケースを光透過材料で形成したことを特徴とする。
【００１３】
上記シミュレーション装置を用いて前記高炉装入物の流れを解析する解析方法であって、前記試料を前記収容ケースに充填した後、前記パイプを介して前記収容ケース内に気体を流入させながら、前記排出管を介して前記試料を排出させるとともに、前記撮像装置を用いて前記収容ケース内の前記試料を連続的に撮像し、これらの撮像画像を用いて前記高炉装入物の流れを解析するとよい。
【００１４】
上記解析方法による解析結果に基づき、高炉を操業するとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明によれば、複数のプロフィールブロックを低コストで作成することができる。また、パイプの延出位置に応じた試料の流れを解析することにより、高炉の羽口の突き出し位置に応じた高炉装入物の流れを簡単に解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照しながら、本発明の実施例であるシミュレーション装置１の構成について説明する。収容ケース１１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の寸法がそれぞれ、１１８０ｍｍ、１５０ｍｍ、４２７０ｍｍに設定された扁平型の容器である。収容ケース１１の資材には、光透過性材料（例えば、ガラス、アクリル）を使用している。
【００１７】
収容ケース１１の上端面には、収容ケース１１内に試料を投入するための、ホッパー装置１２が設けられており、ホッパー装置１２と異なる位置には、プロフィールブロック１３をケース内１１に装入するための装入口１１ａが設けられている。投入される試料は、実炉に装入されるコークス（高炉装入物）を三次元的に模した１／１０のサイズのコークス粒である。ただし、コークスにかえて鉄鉱石を装入してもよい。
【００１８】
プロフィールブロック１３は、装置上部から下部に向かって、炉口１３ａ、シャフト１３ｂ、炉腹１３ｃ、朝顔１３ｄ及び炉底１３ｅを連続的に接続することにより構成されている。炉口１３ａは立方体形状であり、シャフト１３ｂは装置下部に向かってＸ軸方向の寸法が漸減する台形形状であり、炉腹１３ｃは立方体形状であり、朝顔１３ｄは装置下部に向かってＸ軸方向の寸法が漸増する台形形状であり、炉底１３ｅは立方体形状である。
【００１９】
プロフィールブロック１３は、シミュレーション対象である実炉を二次元的に模した１／１０のサイズの二次元型模型であり、収容ケース１１内のＸ軸方向一端面に接触している。ここで、「二次元的に模した」とは、炉半径方向に対応するＸ軸方向及び炉高方向に対応するＺ軸方向の寸法が実炉と同じで、Ｙ軸方向の寸法がＸ軸方向及びＺ軸方向の寸法に比べて極力小さい実炉の模型を意味している。なお、Ｘ軸方向の寸法が１ｍ程度、Ｚ軸方向の寸法が４ｍ程度であるのに対し、Ｙ軸方向の寸法は、１００〜１５０ｍｍ程度である。
【００２０】
このように、二次元型模型を使用することにより、一方向（Ｙ軸方向）の大きさや形状を無視できるため、各製鐵所の高炉に応じた複数のプロフィールブロック１３を低コストで作成することができる。また、損耗の程度が異なる複数のプロフィールブロック１３を低コストで作成することができる。
【００２１】
なお、本発明では、炉内を下降する高炉装入物の挙動をシミュレートすることができればよいため、Ｙ軸方向の寸法については、無視することができる。ただし、パイプ１４を介して収容ケース１１内に流入する気体によりレースウェイ１５を形成できるように、最低限のＹ軸方向寸法を確保する必要がある。
【００２２】
パイプ１４は、炉底１３ｅに形成された貫通孔を介して、収容ケース１１内に延出しており不図示の送風装置から供給された気体を収容ケース１１内に送り込む。
【００２３】
パイプ１４の固定は、例えば、図６に示すように、パイプ１４を朝顔部のプロフィールブロックに溶接されたフランジ部を有する外管及び貫通孔に挿入した後、パイプ１４の前後の延出位置（羽口突き出し長さ）を調整し、フランジ部を有する受け管を介して外管のフランジ部にボルトで固定される。
【００２４】
プロフィールブロックに形成された貫通孔の角度が異なる複数のプロフィールブロックを用意しておき、これらの交換によりパイプ１４の角度を調節することができる。
【００２５】
なお、パイプ１４は、高炉内に熱風を供給する実炉の羽口とブローパイプに相当する。
【００２６】
パイプ１４から流出した気体により、パイプ１４の排出口近傍にレースウェイ１５が形成される。レースウェイ１５は、実炉の１／１０のサイズとなるように、パイプ１４から流出させる気体の流量、圧力、羽口径により気体の流速及び慣性力を調整する。収容ケース１１の下方には、収容ケース１１の下端面を貫通してレースウェイ１５の中心部に延出する排出管１６が設けられており、この排出管１６は排出タンク１７に接続されている。
【００２７】
この排出タンク１６には、ロータリーバルブ（調節機構）１９が設けられており、このロータリーバルブ１９の開度を調節することにより試料の排出量を調節することができる。
【００２８】
ここで、プロフィールブロック１３、パイプ１４、レースウェイ１５及び試料の実炉に対する相似比は、少なくとも１／１０以上に設定する必要がある。相似比が１／１０に満たない場合には、収容ケース１１内における試料の流れが実炉と乖離した挙動を示し、精度が悪くなるからである。
【００２９】
次に、図２を参照しながら、収容ケース１１の内部を撮像するカメラの構成について説明する。ここで、図２はカメラの電気的構成を示すブロック図である。
【００３０】
外部より操作可能な２段ストローク式のレリーズスイッチ２０４からの信号はカメラＣＰＵ２０１に入力される。カメラＣＰＵ２０１は、レリーズスイッチ２０４を構成する第１ストロークスイッチ（ＳＷ１）からのＯＮ信号が入力されることにより、測光回路２０５及び焦点検出回路２０６を動作させる。
【００３１】
カメラＣＰＵ２０１は、測光回路２０５からの出力に基づいてＣＣＤセンサ２０９の露光量を決定する。また、焦点検出回路２０６からの出力に基づいて撮影光学系のデフォーカス量を演算し、さらにこのデフォーカス量に基づいて収容ケース１１内を下降する試料に対する合焦を得るために必要なフォーカスレンズ（不図示）の目標駆動量を算出する。
【００３２】
また、カメラＣＰＵ２０１は、レリーズスイッチ２０４を構成する第２ストロークスイッチ（ＳＷ２）からのＯＮ信号が入力されることにより、露光回路２０８に露光開始命令を出力する。露光開始命令を受けた露光回路２０８はＣＣＤセンサ２０９を駆動して、ＣＣＤセンサ２０９上に結像した被写体像を光電変換させる。ＣＣＤセンサ２０９から出力された画像信号は、画像解析装置３００に出力される。
【００３３】
画像解析装置３００は、ＣＣＤセンサ２０９から出力された５４００の画像信号（つまり、５４００枚の画像を取得）に基づき、収容ケース１１内の白色の試料の動きを解析する。具体的には、これらの画像信号に基づき解析された白色粒子の方向ベクトルが表示されるとともに、プロフィールブロック１３の種類などの条件、パイプ１４の延出位置及びパイプ１４の送風条件が表示される、これらの情報に基づき、高炉装入物の挙動を解析する。
【００３４】
次に、図３を参照しながら、シミュレーション装置１を用いたシミュレーション方法について説明する。ここで、図３は、シミュレーション装置１を用いたシミュレーション方法の手順を示すフローチャートである。
【００３５】
プロフィールブロック１３は、第１〜第１２製鐵所の各高炉に対応して１２台準備されている。本例では、第２製鐵所の高炉に対応するプロフィールブロック１３を用いて、高炉装入物の挙動をシミュレートするものとする。
【００３６】
まず、ステップＳ１０１において、第２製鐵所の高炉に対応するプロフィールブロック１３を装入口１１ａを介して収容ケース１１内に装入する。
【００３７】
次に、ステップＳ１０２において、パイプ１４を延出方向にスライドさせ、収容ケース１１内における延出位置を第２製鐵所の高炉に一致させる。つまり、羽口突き出し条件を第２製鐵所の高炉と同様に設定する。
【００３８】
さらに、ステップＳ１０３において、排出管１６をスライド移動させ、パイプ１４から排出された気体により形成されるレースウェイ１５の中心に、排出管１６の先端部（流入口）が配置されるように位置調整する。
パイプ１４の延出位置（羽口突き出し長さ）に応じてレースウェイ１５の位置は変化するため、それに応じて排出管１６の先端位置も調整する。
【００３９】
ステップＳ１０４において、ホッパー装置１２を介して収容ケース１１内に試料を充填する。この試料は、実炉に装入される高炉装入物（本実施例ではコークス）の１／１０のサイズのコークス粒子であり、具体的には各コークス粒子の粒径は２〜５ｍｍに設定されている。収容ケース１１内に充填されたコークス粒子のうち、３割のコークス粒子は白色であり、７割のコークス粒子は元色（黒色）のままであり、これらの色彩が異なるコークス粒子が略均一に混在した状態となっている。なお、試料は焼結鉱とすることもできる。
これにより、シミュレーション装置１の準備が完了する。
【００４０】
次に、ステップＳ１０５において、パイプ１４を介して収容ケース１１内に常温のエアーの供給を開始するとともに、排出管１６を介しての排出タンク１７への試料の排出を
開始する。ここで、収容ケース１１内に流入するエアーの流速は、レースウェイ１５におけるフルード数が実炉に一致するように設定されており、具体的には７００〜１０００（ＮＬ／ｍｉｎ）に設定している。また、排出タンク１７による試料の排出速度は４（ｋｇ／ｍｉｎ）である。なお、フルード数とは、エアーの慣性力と高炉装入物にかかる重力との比を意味する
排出タンク１７への排出動作に応じて、収容ケース１１内に充填された試料は減少するため、ステップＳ１０６において、収容ケース１１内の試料が所定量以上減らないように、常に監視する。
【００４１】
そして、収容ケース１１内の試料が所定量以上減った場合には、ステップＳ１０７においてホッパー装置１２を介して試料を補充する。
【００４２】
試料が降下する際の降下挙動が定常に達するまでには、ある程度の時間が必要なため、ステップＳ１０８において送風及び排出を開始してから３時間が経過したかどうかを確認する。
【００４３】
ステップＳ１０８において、送風及び排出を開始してから３時間が経過したと判断された場合には、レリーズスイッチ２０４をＳＷ２することにより、カメラによる撮影動作を開始する。
【００４４】
カメラのフレームレートは１０〜３０（枚／Ｓ）であり、３〜１０分間にわたり、収容ケース１１内の試料を連続的に撮像する。撮影速度、撮影時間は撮影する部位の広さ、および操業降下速度によって適宜変更する。これらの撮像画像は撮像データとして画像解析装置３００に出力され、画像解析された後、画像解析装置３００の表示部３００ａに下降する白色試料の方向ベクトル、プロフィールブロック１３の種類を示すプロフィール情報、パイプ１４の延出位置を示す位置情報、送風条件（本例であれば８００（ＮＬ／ｍｉｎ））を示す送風情報が表示され、これらの諸情報に基づき、第２製鐵所の高炉に装入される高炉装入物の挙動（流れ）を解析することができる。
【００４５】
プロフィールブロック１３の損耗状況に応じた試料の流れをシミュレート及び解析する場合にも、上記と同様の方法により行う。これらの解析結果を図４に示す。
【００４６】
プロフィールブロック１３が磨耗していない状態において、パイプ１４の延出位置、つまり羽口突き出し長さを０ｍｍ、２００ｍｍ、４００ｍｍの三段階で調整した。その結果、
パイプ１４を突き出すほど（つまり、羽口突き出し長さが長くなるほど）、降下速度が低下しているのが確認できる（白色部分が少なくなっている）。これは、パイプ１４を突き出すことにより、レースウェイ１５に対する試料の供給路が広がっていることを意味しており、レースウェイ１５へ一定量の試料が供給された場合には、当然のことながら降下領域が広くなるのに応じて降下速度が遅くなる。
【００４７】
一方、プロフィールブロック１３に人工的に損傷（摩耗）を与え、羽口突出し長さを４００mmに設定した場合には、周辺部の降下速度が極めて遅く（黒色の領域）、レースウェイ１５の直上の領域において、降下速度が速く（白色の領域）なっているのを確認できる。
【００４８】
すなわち、水平方向における降下速度のバラツキが大きくなっていることが確認できる。これは高炉操業上、周辺部の降下速度が低下することによって、熱余剰となり、レースウェイ１５の直上の領域の降下速度が増加することによって、熱不足となり、適切に昇温還元されないおそれがある。
【００４９】
このことから、実炉では、羽口突き出し長さを長くするほど、降下領域が広がり、平均的な降下速度を緩和するため、装入物の昇温還元を効率よく行うことができる。高炉炉体（炉口部、シャフト部、炉腹部、朝顔部及び炉底部）である煉瓦が損耗した後には、羽口突き出し長さを長くすることにより、水平方向における速度のバラツキがかえって大きくなり、羽口突き出し長さを４０ｍｍから２０ｍｍに短縮することにより、水平方向の速度のバラツキを抑制できることがわかった。特に高炉の朝顔部の煉瓦が損耗した場合にこの傾向が顕著となる。
【００５０】
以上の考察から、高炉炉体の種類や損耗状態に応じて、適切な羽口突出し長さがあることが判明した。
【００５１】
第２製鐵所の高炉における炉体部分の煉瓦損耗状況を調査したところ、図４の摩耗後のプロフィールブロック１３に対応していることが判明した。そこで、羽口突出し長さをＬmmからL−200mmに変化させた結果、図５に示すように、炉下部物流が安定化し、カーボンソリューションロス反応のばらつき、および炉下部通気変動回数が低減し、安定した高炉操業を行うことができた。
【００５２】
なお、図５の縦軸のうち、σＣＳＬはカーボンソリューションロス反応（C+CO2→２CO、C+FeO→Fe+CO）の反応量のばらつきを示す。ＣＳＬの値が過度に大きくなると、カーボンソリューションロス反応は、急激な吸熱反応であるため、炉熱低下を招き、場合によっては高炉が冷え込んで操業不能となる。σＣＳＬの値を小さくすることは、カーボンソリューションロス反応による炉熱の変動を抑制し、高炉の安定操業を行ううえで重要となる。
【００５３】
また、σＫＬは、高炉炉下部の通気指数のばらつきを示す。ＫＬの値（下部K値と呼ぶ場合がある）が高いと、高炉炉下部の通気性が低下し、最悪時には吹き抜けが発生したり、風の抵抗力により装入物が押し上げられ、棚吊りとよばれる操業変動を起こしたりする。σＫＬを小さくすることは、炉内の装入物の物流を安定化し、高炉の融着帯（鉱石が軟化溶融しているところで通気性が悪い箇所）の形状を安定に保ち、適正な昇温還元を行い、融着帯を極度に低下させない高炉の安定操業を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】シミュレーション装置の斜視図である。
【図２】カメラの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】シミュレーションの手順を示すフローチャートである。
【図４】シミュレーション装置の試料を挙動を示す解析図である。
【図５】本発明適用による高炉操業時のカーボンソリューションロス反応量のバラつきσＣＳＬと、高炉炉下部の通気指数のばらつきσＫＬの経時的変化を示す図である。
【図６】パイプ１４の延出位置（羽口突き出し長さ）を調整および固定方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１  収容ケース
１２  ホッパー装置
１３  プロフィールブロック
１４  パイプ
１５  レースウェイ
１６  排出管
１７  排出タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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