(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉の炉床壁耐火物内に温度計測手段を配置し、該温度計測手段により計測された耐火物の煉瓦温度に基づいて伝熱逆問題手法により、下記の非定常熱伝導方程式（１）式と、（６），（４）および（５）式とから未知伝熱境界条件（３）式における煉瓦の炉内稼動面の熱流束ｑ（ｔ）を逆推定する際に、下記（５）式を満足させるために、下記（７）式で定義される温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｄ）と計測値Ｙ２（ｔ，ｄ）の２乗誤差Ｆ（ｑ）が最小になり、かつ煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｘ）が溶銑凝固温度に等しくなる煉瓦の炉内稼動面位置の熱流束値ｑ（ｔ）を下記（１）、（６）、（４）、および、（８）式より算出し、該熱流束値により炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行うことを特徴とする高炉内下部の制御方法。
内部：∂ｃρＴ（ｔ，ｘ）／∂ｔ＝−λ∂２Ｔ（ｔ，ｘ）／∂ｘ２       （１）
境界条件−背面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝α（Ｔ−Ｔｗ ）                    （６）
境界条件−稼動面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝ｑ（ｔ）〔未知〕                 （３）
初期条件：Ｔ（ｔ，ｘ）＝Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）                         （４）
内部観測点：Ｔ（ｔ，ｄ）＝Ｙ２（ｔ，ｄ）                           （５）
Ｆ（ｑ）＝Σｒ｛Ｔ（ｔ，ｄ）−Ｙ２（ｔ，ｄ）｝２      （７）
∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ＝０                                               （８）
ここで、ρは煉瓦の密度、ｃは煉瓦の比熱、ｘは煉瓦背面から任意の位置までの距離、Ｙ２は温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計測値、ｄは煉瓦背面から温度計測手段の埋め込み位置までの距離、αは背面熱伝達係数、Ｔｗ は冷却水温、λは煉瓦（粘稠層）の熱伝導率、ｒは計算に要する将来の時刻点数を示す。
【請求項２】
高炉の炉床壁耐火物内に温度計測手段を配置し、該温度計測手段により計測された耐火物の煉瓦温度に基づいて伝熱逆問題手法により、下記の非定常熱伝導方程式（１）式と、（６），（４）および（５）式とから未知伝熱境界条件（３）式における煉瓦の炉内稼動面の熱流束ｑ（ｔ）を逆推定する際に、下記（５）式を満足させるために、下記（７）式で定義される温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｄ）と計測値Ｙ２（ｔ，ｄ）の２乗誤差Ｆ（ｑ）が最小になり、かつ煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｘ）が溶銑凝固温度に等しくなる煉瓦の炉内稼動面位置の熱流束値ｑ（ｔ）を下記（１）、（６）、（４）、および、（８）式より算出し、耐火物温度の絶対値と熱流束値とにより炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行うことを特徴とする高炉下部の制御方法。
内部：∂ｃρＴ（ｔ，ｘ）／∂ｔ＝−λ∂２Ｔ（ｔ，ｘ）／∂ｘ２       （１）
境界条件−背面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝α（Ｔ−Ｔｗ ）                    （６）
境界条件−稼動面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝ｑ（ｔ）〔未知〕                 （３）
初期条件：Ｔ（ｔ，ｘ）＝Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）                         （４）
内部観測点：Ｔ（ｔ，ｄ）＝Ｙ２（ｔ，ｄ）                           （５）
Ｆ（ｑ）＝Σｒ｛Ｔ（ｔ，ｄ）−Ｙ２（ｔ，ｄ）｝２        （７）
∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ＝０                                               （８）
ここで、ρは煉瓦の密度、ｃは煉瓦の比熱、ｘは煉瓦背面から任意の位置までの距離、Ｙ２は温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計測値、ｄは煉瓦背面から温度計測手段の埋め込み位置までの距離、αは背面熱伝達係数、Ｔｗ は冷却水温、λは煉瓦（粘稠層）の熱伝導率、ｒは計算に要する将来の時刻点数を示す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉の炉床壁耐火物の損耗を防止すべく、休風、冷却、羽口Ｔｉ吹き込み等の操業アクションを行う高炉下部の制御方法に係り、詳しくは非定常状態における炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行う高炉下部の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
未還元の鉄鉱石から銑鉄を製造する方法としては、これまでに種々開発されてきたが、今日でも高炉法がその主流となっている。この高炉法では、炉頂から原料として鉄鉱石及びコークスを層状に装入し、この鉄鉱石を炉内で還元し、金属鉄状態に還元・溶融して溶銑を製造している。
【０００３】
炉頂から装入された原料は、降下していく間に炉下部から炉頂へ向かって流れる高温ガスによって十分に予熱されるとともに、酸化鉄は一酸化炭素（ＣＯ）により、６０％以上の比率で間接還元される。炉下部には溶銑及びスラグが滞留しており、その熱によって炉床壁耐火物が損耗するのを防止するために、炉床壁耐火物内に熱電対を配置して耐火物温度をモニターし、温度が過剰に上昇した場合に炉床壁耐火物の損耗を防止する操業アクションを採っている。
【０００４】
操業アクションとしては、例えば長時間休風、短時間休風、減風（羽口の一部を閉塞するか、開度を減じる）、冷却の強化、羽口Ｔｉ吹き込みなどが挙げられる。休風のような強い操業アクションは耐火物温度上昇の抑止面では大きな効果を示すが、溶銑の生産量が減少するという短所にもなる。したがって、過度に強い操業アクションとならないように、炉床壁耐火物の損耗状況を適切に把握し、その損耗状況に応じた操業アクションを採ることが重要である。
【０００５】
従来、操業アクションを行うに際して炉床壁耐火物の損耗状況を把握する手法としては、炉床壁耐火物温度の過去最高値と現在値とから粘稠層（凝固層）の残存厚みを算出して炉床壁耐火物の損耗状況を推定する手法がある。また、特開平７−２０７３１０号公報（以下先行技術と略称する）に記載の如く、炉床壁耐火物温度の絶対値温度と上昇勾配を用いて、炉床壁耐火物の損耗状況を推定する手法も提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の手法で炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じて損業アクションを採った場合、次のような問題があった。すなわち、炉床壁耐火物内に配置される熱電対は、耐火煉瓦厚みが初期状態で約２０００ｍｍ程度あるのに対し、通常煉瓦背面から５０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度の位置に配置され、極めて鉄皮側（炉外側）寄りに設置されている。したがって、炉下部の熱状態が変化した場合に、煉瓦内では非定常熱伝導によって温度変化するため時間遅れが大きい。
また、前述の先行技術の方法では単に温度の絶対値で判断するよりは温度上昇勾配によって炉内の変化状態まで考慮している点で改善されているが、温度上昇勾配は炉内の状態（炉芯の充填状態や溶銑の流動状態）の変化を近似的に表しているものである。従って、非定常変化時に定常熱伝導を仮定して炉床壁耐火物の損耗状況を推定する手法では誤差が大きい。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであり、その目的は、時々刻々と変化する高炉下部の炉内状況を、先行技術の温度上昇勾配に代えて伝熱逆解析によって計算した熱流束値を用いることにより、非定常的に時系列で逐次推定することを可能とし、非定常状態における炉床壁耐火物の損耗状況を的確かつ迅速に推定して、その損耗状況に応じて適切な損耗防止操業アクションを採り得る高炉下部の制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、第１の発明に係る高炉下部の制御方法によれば、高炉の炉床壁耐火物内に温度計測手段を配置し、該温度計測手段により計測された耐火物の煉瓦温度に基づいて伝熱逆問題手法により、下記の非定常熱伝導方程式（１）式と、（６），（４）および（５）式とから未知伝熱境界条件（３）式における煉瓦の炉内稼動面の熱流束値ｑ（ｔ）を逆推定する際に、下記（５）式を満足させるために、下記（７）式で定義される温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｄ）と計測値Ｙ２（ｔ，ｄ）の２乗誤差Ｆ（ｑ）が最小になり、かつ煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｘ）が溶銑凝固温度に等しくなる煉瓦の炉内稼動面位置の熱流束値ｑ（ｔ）を下記（１）、（６）、（４）、および、（８）式より算出し、該熱流束値により炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行うことを特徴としている。
内部：∂ｃρＴ（ｔ，ｘ）／∂ｔ＝−λ∂２Ｔ（ｔ，ｘ）／∂ｘ２       （１）
境界条件−背面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝α（Ｔ−Ｔｗ ）                    （６）
境界条件−稼動面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝ｑ（ｔ）〔未知〕                 （３）
初期条件：Ｔ（ｔ，ｘ）＝Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）                         （４）
内部観測点：Ｔ（ｔ，ｄ）＝Ｙ２（ｔ，ｄ）                           （５）
Ｆ（ｑ）＝Σｒ｛Ｔ（ｔ，ｄ）−Ｙ２（ｔ，ｄ）｝２      （７）
∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ＝０                                               （８）
ここで、ρは煉瓦の密度、ｃは煉瓦の比熱、ｘは煉瓦背面から任意の位置までの距離、Ｙ２は温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計測値、ｄは煉瓦背面から温度計測手段の埋め込み位置までの距離、αは背面熱伝達係数、Ｔｗ は冷却水温、λは煉瓦（粘稠層）の熱伝導率、ｒは計算に要する将来の時刻点数を示す。
【０００９】
第２の発明に係る高炉下部の制御方法によれば、高炉の炉床壁耐火物内に温度計測手段を配置し、該温度計測手段により計測された耐火物温度に基づいて伝熱逆問題手法により、下記の非定常熱伝導方程式（１）式と、（６），（４）および（５）式とから未知伝熱境界条件（３）式における煉瓦の炉内稼動面の熱流束値ｑ（ｔ）を逆推定する際に、下記（５）式を満足させるために、下記（７）式で定義される温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｄ）と計測値Ｙ２（ｔ，ｄ）の２乗誤差Ｆ（ｑ）が最小になり、かつ煉瓦温度計算値Ｔ（ｔ，ｘ）が溶銑凝固温度に等しくなる煉瓦の炉内稼動面位置の熱流束値ｑ（ｔ）を下記（１）、（６）、（４）、および、（８）式より算出し、耐火物温度の絶対値と熱流束値とにより炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行うことを特徴としている。
内部：∂ｃρＴ（ｔ，ｘ）／∂ｔ＝−λ∂２Ｔ（ｔ，ｘ）／∂ｘ２       （１）
境界条件−背面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝α（Ｔ−Ｔｗ ）                    （６）
境界条件−稼動面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝ｑ（ｔ）〔未知〕                 （３）
初期条件：Ｔ（ｔ，ｘ）＝Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）                         （４）
内部観測点：Ｔ（ｔ，ｄ）＝Ｙ２（ｔ，ｄ）                           （５）
Ｆ（ｑ）＝Σｒ｛Ｔ（ｔ，ｄ）−Ｙ２ （ｔ，ｄ）｝２        （７）
∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ＝０                                               （８）
ここで、ρは煉瓦の密度、ｃは煉瓦の比熱、ｘは煉瓦背面から任意の位置までの距離、Ｙ２ は温度計測手段の埋め込み位置における煉瓦温度計測値、ｄは煉瓦背面から温度計測手段の埋め込み位置までの距離、αは背面熱伝達係数、Ｔｗ は冷却水温、λは煉瓦（粘稠層）の熱伝導率、ｒは計算に要する将来の時刻点数を示す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限るものではない。
本発明は、非定常状態における炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行う高炉下部の制御方法であり、まず第１の実施形態の制御方法は、高炉の炉床壁耐火物内に１点または２点の温度計測手段としての熱電対を配置し、該熱電対により計測された耐火物温度に基づいて後述する伝熱逆問題手法により耐火物稼動面の熱流束値を算出し、該熱流束値により炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行うものである。
【００１１】
伝熱逆問題解析を利用して耐火物温度から炉下部の熱流束を求めれば、時間遅れは依然としてあるものの（現在の温度から逆推定できるのは少し遡った時刻の熱流束であり、遅れ時間は煉瓦残存厚に依存し、薄いほど少ない。）、非定常の解析方法であるからかなり精度よく炉下部の熱流束を推定できる。したがって、この解析値を損耗防止操業アクションの判断基準として採用すればより適切な操業アクションを採り得ることになる。
【００１２】
すなわち伝熱逆問題手法により、材料内部の温度計測値と材料の片側の抜熱境界値より、材料のもう一方側の伝熱境界条件である熱流束値を推定するという方法を採用し、温度計測手段である熱電対の埋め込み位置から材料稼働面までの伝熱抵抗のため生じる熱電対の伝熱応答遅れを修正し、材料稼働面で起こっている伝熱の非定常変化を忠実に計算することができる。熱電対による材料内部の温度計測値は伝熱方向に１点あれば逆問題演算が可能であるが、２点法を採用すれば抜熱側の温度計測値を抜熱境界条件として採用することで、逆問題演算精度が向上する。
【００１３】
本発明では、Ｊａｍｅｓ．Ｖ．Bｅｃｋの非定常伝熱逆問題の手法［Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓ  ｆｅｒ，ｖｏｌ．１３，ｐｐ７０３−７１６（１９７０）］を適用し、熱電対の温度計測値を満足し、かつ炉内稼動面計算温度が溶銑の凝固温度に等しくなる位置の熱流束値を求め、その熱流束値に基づき炉底付近の炉内状況を推定するものである。
【００１４】
図１は、炉床壁の煉瓦温度分布を示す概念図である。図１において、左側の縦線９は煉瓦の背面、右側の縦線１０は炉内稼動面であり、４は初期条件の煉瓦残存厚Ｌ（ｔ−Δｔ）、８は煉瓦溶損があった場合の煉瓦残存厚Ｌ（ｔ）である。
下記の非定常熱伝導方程式（１），（２），（４），（５）式から未知伝熱境界条件（３）式を逆推定し、熱電対観測点１のＹ２（ｔ−Δｔ）から５のＹ２（ｔ）への温度変化を説明できる煉瓦温度分布６のＴ（ｔ，ｘ）と熱流束７のｑ（ｔ）を逐次求める。煉瓦残存厚８のＬ（ｔ）は、煉瓦（又は粘稠層）の先端温度が溶銑凝固温度に等しくなる位置を稼動面として決定する。
【００１５】
内部：∂ｃρＴ（ｔ，ｘ）／∂ｔ＝−λ∂２Ｔ（ｔ，ｘ）／∂ｘ２      （１）
境界条件−背面：Ｔ（ｔ，０）＝Ｙ１ （ｔ）〔既知：背面熱電対〕     （２）
境界条件−稼動面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝ｑ（ｔ）〔未知〕                （３）
初期条件：Ｔ（ｔ，ｘ）＝Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）〔図１中の２〕          （４）
内部観測点：Ｔ（ｔ，ｄ）＝Ｙ２（ｔ，ｄ）                          （５）
ここで、ρは煉瓦の密度、ｃは煉瓦の比熱、ｘは煉瓦背面から任意の位置までの距離、Ｙ１は背面熱電対の計測値、Ｙ２は内部熱電対の計測値、Ｌは煉瓦厚み、ｄは煉瓦背面から温度計測手段による観測点（温度計測手段の埋め込み位置）までの距離である。
【００１６】
これらの式に基づいて、伝熱逆問題手法により温度計測値Ｙ１，Ｙ２を満足し、かつ炉内稼動面の計算温度が溶銑の凝固温度に等しくなる位置の熱流束値ｑ（ｔ）を時系列的に逐次求める。
【００１７】
上記（２）式では既知境界条件として２点法と呼ばれる背面熱電対の温度計測値が利用できる場合を示しているが、これが利用できない１点法の場合は、下記式（６）に置き換える。
境界条件−背面：−λ∂Ｔ／∂ｘ＝α（Ｔ−Ｔｗ）          （６）
ここで、αは背面熱伝達係数、Ｔｗは冷却水温、λは煉瓦（粘稠層）の熱伝導率を示している。
【００１８】
具体的な演算は、Ｊａｍｅｓ．Ｖ．Ｂｅｃｋ［２］の方法を採用する。これは、上記式（５）を満足させるために、下記式（７）で定義される熱電対埋め込み位置における煉瓦温度計算値Ｔと計測値Ｙ２の２乗誤差Ｆ（ｑ）が最小になるような熱流束ｑを上記（１），（２），（４）式及び下記（８）式より決定することになる。
Ｆ（ｑ）＝Σｒ｛Ｔ（ｔ，ｄ）−Ｙ２（ｔ，ｄ）｝２      （７）
∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ＝０                                  （８）
【００１９】
ここで、上記（７）式中のｒは計算に要する将来時刻点数を示し、現時刻ｔにおいて設定した稼動面熱流束ｑ（ｔ）に対応して遷移する将来の時刻点における計算温度Ｔ（ｔ＋ｉ）と観測値Ｙ２（ｔ＋ｉ）の２乗誤差の総和が最小になるような熱流束を上記（８）式に基づき探索することを意味している。
【００２０】
第１の実施形態の制御方法では、上述のようにして逐次求めた熱流束値ｑ（ｔ）に基づき炉床壁耐火物の損耗状況を連続的に推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行う。例えば図２に示すように、熱流束値ｑ（ｔ）に対応させて複数のレベルに区分した操業管理基準を作成し、逐次求めた熱流束値ｑ（ｔ）が管理基準のいずれのレベルに該当するかを判断し、そのレベルに応じた適切な操業アクションを行うものである。
【００２１】
また第２の実施形態の制御方法は、高炉の炉床壁耐火物内に温度計測手段として熱電対を配置し、該熱電対により計測された耐火物温度に基づいて伝熱逆問題手法により耐火物稼動面の熱流束値ｑ（ｔ）を算出し、耐火物温度の絶対値と熱流束値ｑ（ｔ）とにより炉床壁耐火物の損耗状況を推定し、その損耗状況に応じた損耗防止操業アクションを行う。すなわち本実施形態では、伝熱逆問題手法により算出した耐火物稼動面の熱流束値ｑ（ｔ）のみならず、耐火物温度の絶対値をも判断要素として採用して、炉床壁耐火物の損耗状況を的確に推定し、その損耗状況に応じた操業アクションを行うものである。
【００２２】
耐火物温度の絶対値のみに基づいて操業管理を行うと、絶対値温度が上昇しなければ操業アクションを採らないことになるが、伝熱逆問題手法により算出した耐火物稼動面の熱流束値ｑ（ｔ）との組み合わせにより、より適切な操業アクションを採り得ることになる。例えば、熱流束値が小さい場合は、耐火物温度がある程度高くても安全である。一方、熱流束値がより大きい場合は、耐火物温度がより低い温度でも警戒する必要があると推定できる。
【００２３】
具体的には、例えば図３に示すように、耐火物温度の絶対値と熱流束値ｑ（ｔ）との関係に基づいて複数のレベルに区分した操業管理基準を作成し、逐次求めた耐火物温度の絶対値と熱流束値ｑ（ｔ）とからその状況が管理基準のいずれのレベルに該当するかを判断し、そのレベルに応じた適切な操業アクションを行うものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る高炉下部の制御方法によれば、時々刻々と変化する高炉下部の炉内状況を、非定常的に時系列で逐次推定することを可能とし、非定常状態における炉床壁耐火物の損耗状況を的確かつ迅速に推定して、その損耗状況に応じて適切な損耗防止操業アクションを採り得るという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】炉床壁の煉瓦温度分布を示す概念図である。
【図２】第１の実施形態における熱流束値ｑ（ｔ）に対応させて複数のレベルに区分した操業管理基準を示す説明図である。
【図３】第２の実施形態における耐火物温度の絶対値と熱流束値ｑ（ｔ）との関係に基づいて複数のレベルに区分した操業管理基準を示す説明図である。
【符号の説明】
１  熱電対観測点Ｙ２（ｔ−Δｔ，ｄ）
２  煉瓦温度分布計算値Ｔ（ｔ−Δｔ，ｘ）
３  熱流束ｑ（ｔ−Δｔ）
４  初期条件の煉瓦残存厚Ｌ（ｔ−Δｔ）
５  熱電対観測点Ｙ２（ｔ，ｄ）
６  煉瓦温度分布計算値Ｔ（ｔ，ｘ）
７  熱流束ｑ（ｔ）
８  溶損があった場合の煉瓦残存厚Ｌ（ｔ）
９  煉瓦の背面
１０  炉内稼動面
【図１】
0004081248.tif 000002
【図２】
0004081248.tif 000003
【図３】
0004081248.tif 000004