JP2012172221A - System for controlling blast furnace operation status, operation controller, method for controlling blast furnace operation status, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高炉操業状態制御システム、操業制御装置、高炉操業状態制御方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to a blast furnace operation state control system, an operation control device, a blast furnace operation state control method, and a program.
高炉は、その炉内において、鉄鉱石等やコークス等を原料とした、複数の化学反応で構成される還元反応が進行する複雑かつ大規模な反応容器である。高炉は、円筒の徳利形状を有する竪型炉の一種であり、炉の頭頂部(炉頂部)から装入される原料と、炉の下方に設けられた羽口から供給される熱風(高温の空気)により生成される還元性ガスとを原材料とし、還元反応により高炉下方の出銑口から溶銑(溶けた銑鉄)が連続的に排出される。炉頂部からの原料装入が断続的に行われ、高炉内の各原料層は徐々に下方に移動する。このように、高炉における連続操業においては、固体、液体、気体が共存して反応がダイナミック(動的)に進行している。また、高炉内で進行している反応には、後述するように吸熱反応と発熱反応とが存在しており、この相反する2種類の反応間での熱バランス、並びに、原材料の供給と還元反応による消費および空間的な移動とのバランスであるマスバランスを調節しながら、高炉内の温度分布や原材料の量を所定の範囲に保ちことが、安定して連続的に出銑するために必要である。従来、高炉の操業では、溶銑の出銑量や溶銑の化学的性質等をいかに一定に保つかという観点に基づいて高炉の制御が行われてきた。 A blast furnace is a complex and large-scale reaction vessel in which a reduction reaction composed of a plurality of chemical reactions proceeds using iron ore or coke as a raw material. A blast furnace is a type of vertical furnace with a cylindrical bottle shape, with raw materials charged from the top of the furnace (top of the furnace) and hot air (high temperature) supplied from the tuyere provided below the furnace. The reducing gas produced by the air) is used as a raw material, and the hot metal (molten pig iron) is continuously discharged from the outlet at the bottom of the blast furnace by the reduction reaction. The raw material charging from the furnace top is intermittently performed, and each raw material layer in the blast furnace gradually moves downward. Thus, in the continuous operation in a blast furnace, solid, liquid, and gas coexist and the reaction proceeds dynamically. In addition, the reaction proceeding in the blast furnace includes an endothermic reaction and an exothermic reaction as will be described later. The heat balance between the two kinds of conflicting reactions, as well as the supply of raw materials and the reduction reaction. It is necessary to keep the temperature distribution in the blast furnace and the amount of raw materials within a specified range while adjusting the mass balance, which is the balance between consumption by the plant and spatial movement. is there. Conventionally, in the operation of a blast furnace, the control of the blast furnace has been performed based on the viewpoint of how to keep the amount of molten iron discharged and the chemical properties of the molten iron constant.
高炉内における操業である製銑プロセスは、原材料から溶銑を製造する物理モデルや化学反応モデルからなるモデルにより記述される。このモデルは、数式モデル等により表現されることが多い。上記観点で高炉の操業を行うためには、操業条件を的確に把握して実行することが重要となる。そのため、例えば以下に示す特許文献1及び特許文献2では、高炉の操業に際して、高炉の内部状態を記述するモデルを利用したシミュレーションを行い、得られたシミュレーション結果を利用して、所望の操業状態を得るべく高炉の操業条件を決定する技術が記載されている。また、以下に示す特許文献3では、選択した操業条件に起因する高炉の炉内状態の変化を高炉の内部状態を記述するモデルを利用したシミュレーションにより予測し、シミュレーション結果を表示することによって、高炉の操業管理を行うユーザの教育を行う方法が記載されている。 The iron making process, which is an operation in the blast furnace, is described by a model composed of a physical model and a chemical reaction model for producing hot metal from raw materials. This model is often expressed by a mathematical model or the like. In order to operate the blast furnace from the above viewpoint, it is important to accurately grasp and execute the operation conditions. Therefore, for example, in Patent Document 1 and Patent Document 2 shown below, during operation of the blast furnace, a simulation using a model describing the internal state of the blast furnace is performed, and a desired operation state is determined using the obtained simulation result. A technique for determining the operating conditions of the blast furnace as much as possible is described. Moreover, in patent document 3 shown below, the change of the in-furnace state of a blast furnace resulting from the selected operation condition is predicted by simulation using a model describing the internal state of the blast furnace, and the simulation result is displayed, thereby displaying the blast furnace A method for educating a user who performs operation management is described.
ここで、高炉の内部の状態を精密に予測するためにはシミュレーションの時間刻みを細かく設定する必要がある一方、高炉の内部で進行する現象を予測するためにはシミュレーションを行う期間(例えば、何時間後の状態までシミュレートするか等)をある程度大きく設定することが求められる。従って、上記特許文献1〜3に記載されているような従来のシミュレーションでは、ある期間のシミュレーションを行うために多大なリソース及び多大な計算時間が必要となり、高炉の内部状態をリアルタイムに予測することができないという問題があった。 Here, in order to accurately predict the internal state of the blast furnace, it is necessary to set the time interval of the simulation in detail. On the other hand, in order to predict the phenomenon progressing inside the blast furnace, It is required to set a certain degree of large). Therefore, in the conventional simulation as described in Patent Documents 1 to 3, a great amount of resources and a great amount of calculation time are required to perform a simulation for a certain period, and the internal state of the blast furnace is predicted in real time. There was a problem that could not.
このため、従来は、高炉を線形定常モデルとして取り扱い、演算負荷を軽減させていたが、操業目標や操業動作点の変更や外乱に対する高炉の動的挙動を計算することはできなかった。したがって、高炉の、グローバルな操業目標や操業動作点の変更や外乱に対する大局的な操業状態を定量的に評価することもなされていなかった。 For this reason, in the past, the blast furnace was treated as a linear steady model to reduce the computational load, but it was not possible to calculate the dynamic behavior of the blast furnace in response to changes in the operation target or operating point or disturbance. Therefore, it has not been possible to quantitatively evaluate the global operation state of the blast furnace with respect to changes in global operation targets, operation operating points, and disturbances.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高炉の内部状態を示す操業の特徴量をシミュレーションにより求めて、高炉の操業状態の安定性を定量的かつ従来よりも短時間に評価することが可能な、高炉操業状態制御システム、操業制御装置、高炉操業状態制御方法およびプログラムを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to obtain the operational characteristic amount indicating the internal state of the blast furnace by simulation, and to improve the stability of the operational state of the blast furnace. To provide a blast furnace operation state control system, an operation control device, a blast furnace operation state control method, and a program that can be quantitatively evaluated in a shorter time than before.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、原材料が固相、液相及び気相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算して、高炉の操業状態を制御する高炉操業状態制御システムが提供される。高炉操業状態制御システムは、高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段と、センサ及び制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、高炉内部の固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能でシミュレーションを行い、高炉操業特徴量を演算する高炉操業特徴量演算装置と、高炉操業情報及び高炉操業特徴量に基づいて、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる制御手段の操作量を決定する操業制御装置と、を備え、センサ及び制御手段と、高炉操業特徴量演算装置と、操業制御装置との相互連携により、動的システムである高炉の安定性評価に基づき高炉の操業状態を制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, in the operation of a blast furnace in which hot metal is produced by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, from raw materials containing iron ore and coke charged, the raw materials are This is an index value of the internal state of the blast furnace including the state of the charge consisting of the solid phase, liquid phase and gas phase, and the time variation of the blast furnace operation feature value, which is the feature value representing the operation state of the blast furnace, is meshed Thus, there is provided a blast furnace operating state control system that controls the operating state of the blast furnace by calculating by simulation using a model that describes a reaction in each area of the blast furnace divided into a plurality of regions. The blast furnace operation state control system includes a plurality of sensors provided in the blast furnace and a control means for controlling the blast furnace, blast furnace operation information obtained from the sensors and the control means regarding the blast furnace operation state, and a solid phase inside the blast furnace. , Blast furnace operation feature quantity calculation device for calculating the blast furnace operation feature quantity by simulating each part of the liquid phase and gas phase with each temporal resolution or with each temporal resolution and spatial resolution, and blast furnace operation Based on information and blast furnace operation features, obtain and obtain operational stability evaluation information, which is a quantitative index for evaluating the stability of the blast furnace operating state with respect to the operation process including heat balance and mass balance of the blast furnace Operation control that determines the operation amount of the control means that stabilizes the operation of the blast furnace from the operation state of the blast furnace determined from the operation stability evaluation information And controlling the operation state of the blast furnace based on the stability evaluation of the blast furnace, which is a dynamic system, by mutual cooperation of the sensor and control means, the blast furnace operation characteristic amount calculation device, and the operation control device. Features.
ここで、操業制御装置は、操業動作点における高炉の大局的なシステム特性を表す操業安定性評価モデルを取得し、操業安定性評価モデルより高炉の大局的な操業状態の安定性を表す操業安定性評価情報を取得する安定性評価部と、操業安定性評価情報に基づいて、高炉の操業状態が安定状態あるいは不安定状態のいずれにあるかを判別し、高炉の操業状態を安定させる制御手段の操作量を決定する制御方法決定部と、を備えてもよい。 Here, the operation control device acquires an operation stability evaluation model that represents the overall system characteristics of the blast furnace at the operation operating point, and the operation stability that represents the stability of the overall operation state of the blast furnace from the operation stability evaluation model. Stability evaluation unit that obtains performance evaluation information, and control means that determines whether the operating state of the blast furnace is in a stable state or an unstable state based on the operation stability evaluation information, and stabilizes the operating state of the blast furnace And a control method determining unit that determines the operation amount.
また、安定性評価部は、高炉操業情報及び高炉操業特徴量に基づいて、高炉の動的システム特性を表す状態空間表現モデルの状態空間行列を同定し、当該状態空間行列を操業安定性評価モデルとして用い、制御理論に基づき定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得してもよい。 In addition, the stability evaluation unit identifies a state space matrix of a state space expression model representing dynamic system characteristics of the blast furnace based on the blast furnace operation information and the blast furnace operation feature amount, and the state space matrix is used as the operation stability evaluation model. The operation stability evaluation information, which is a quantitative index based on the control theory, may be calculated and acquired.
安定性評価部は、状態空間表現モデルの状態空間行列のランクを操業安定性評価情報として演算して取得し、当該ランクが可制御であることを示す所定値であるか否かに基づいて、高炉の操業状態の安定性を評価してもよい。 The stability evaluation unit calculates and obtains the rank of the state space matrix of the state space expression model as the operation stability evaluation information, and based on whether the rank is a predetermined value indicating that it is controllable, You may evaluate the stability of the operating condition of a blast furnace.
あるいは、安定性評価部は、状態空間表現モデルの状態空間行列の固有値を操業安定性評価情報として演算して取得し、当該固有値に基づいて、高炉の操業状態の安定性を評価してもよい。 Alternatively, the stability evaluation unit may calculate and acquire the eigenvalue of the state space matrix of the state space expression model as the operation stability evaluation information, and may evaluate the stability of the operation state of the blast furnace based on the eigenvalue. .
または、安定性評価部は、同定された状態空間行列で表される状態空間表現モデルの周波数特性に基づいて、ナイキストの安定判別法を用いて高炉の操業状態の安定性を評価してもよい。 Alternatively, the stability evaluation unit may evaluate the stability of the operating state of the blast furnace using the Nyquist stability determination method based on the frequency characteristics of the state space expression model represented by the identified state space matrix. .
さらに、安定性評価部は、同定された状態空間行列で表される状態空間表現モデルに関し、リアプノフの安定判別法を用いて高炉の操業状態の安定性を評価してもよい。 Further, the stability evaluation unit may evaluate the stability of the operating state of the blast furnace using the Lyapunov stability determination method with respect to the state space expression model represented by the identified state space matrix.
高炉操業特徴量演算装置は、境界条件に外乱を加えた情報を、高炉操業特徴量を算出するための高炉の非定常物理モデルへの入力情報とし、当該入力情報に基づき非定常物理モデルを用いて算出された高炉操業特徴量から取得される外乱の影響を出力情報として取得して、入力情報および出力情報を操業制御装置へ出力してもよい。このとき、操業制御装置の安定性評価部は、高炉操業情報、高炉操業特徴量、入力情報および出力情報に基づいて、4SID法を用いて、入出力信号のダイナミクスを近似する状態空間表現モデルを導出し、当該状態空間表現モデルを操業安定性評価モデルとして用い、制御理論に基づき定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得してもよい。 The blast furnace operation feature quantity calculation device uses the information obtained by adding disturbance to the boundary conditions as input information to the blast furnace unsteady physical model for calculating the blast furnace operation feature quantity, and uses the unsteady physical model based on the input information. The influence of disturbance acquired from the blast furnace operation characteristic amount calculated in this way may be acquired as output information, and the input information and output information may be output to the operation control device. At this time, the stability evaluation unit of the operation control device generates a state space expression model that approximates the dynamics of the input / output signal using the 4SID method based on the blast furnace operation information, the blast furnace operation feature amount, the input information, and the output information. The state space expression model may be derived and used as an operation stability evaluation model, and operation stability evaluation information that is a quantitative index may be calculated and acquired based on the control theory.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、原材料が固相、液相及び気相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算して、高炉の操業状態を制御する操業制御装置が提供される。操業制御装置は、高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、高炉操業特徴量演算装置により高炉内部の固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能でシミュレーションを行って演算された高炉操業特徴量とに基づいて、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる制御手段の操作量を決定することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, according to another aspect of the present invention, in the operation of a blast furnace in which hot metal is produced by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, from raw materials including charged iron ore and coke. , Time-dependent change in blast furnace operation feature value, which is an index value of the internal state of the blast furnace, including the state of the charge consisting of solid phase, liquid phase and gas phase, and the blast furnace operation state Is operated by simulation using a model that describes a reaction in each region of the blast furnace divided into a plurality of regions by a mesh, and an operation control device that controls the operation state of the blast furnace is provided. The operation control device is a blast furnace operation information obtained from a plurality of sensors provided in the blast furnace and a control means for controlling the blast furnace, which is data relating to the operation state of the blast furnace, and a solid phase inside the blast furnace by means of a blast furnace operation characteristic amount calculation device, For each part of the liquid phase and gas phase, the thermal balance and mass of the blast furnace are calculated based on the blast furnace operation features calculated by simulation at the respective temporal resolution or at the respective temporal and spatial resolutions. From the operational status of the blast furnace, which is obtained by calculating and obtaining operational stability evaluation information, which is a quantitative index for evaluating the stability of the operational status of the blast furnace with respect to the operational process including balance, from the operational stability evaluation information The operation amount of the control means for stabilizing the operation of the blast furnace is determined.
さらに、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、原材料が固相、液相及び気相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算して、高炉の操業状態を制御する高炉操業状態制御システムによる高炉操業状態制御方法が提供される。高炉操業状態制御方法は、高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報を取得するステップと、高炉操業特徴量演算装置によって、高炉内部の固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能でシミュレーションを行い、高炉操業特徴量を演算するステップと、高炉操業情報及び高炉操業特徴量に基づいて、操業制御装置によって、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる制御手段の操作量を決定するステップと、を含み、センサ及び制御手段と、高炉操業特徴量演算装置と、操業制御装置とを相互連携させて、上記ステップを制御タイミングにおいて行うことにより、動的システムである高炉の安定性評価に基づき高炉の操業状態を制御することを特徴とする。 Furthermore, in order to solve the above-mentioned problem, according to another aspect of the present invention, in the operation of a blast furnace in which hot metal is produced by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, from raw materials including charged iron ore and coke. , Time-dependent change in blast furnace operation feature value, which is an index value of the internal state of the blast furnace, including the state of the charge consisting of solid phase, liquid phase and gas phase, and the blast furnace operation state A blast furnace operating state control method using a blast furnace operating state control system that controls the operating state of the blast furnace is calculated by simulation using a model that describes the reaction in each region of the blast furnace divided into a plurality of regions with a mesh. Provided. The blast furnace operation state control method includes a step of obtaining blast furnace operation information, which is data relating to the operation state of the blast furnace, from a plurality of sensors provided in the blast furnace and a control means for controlling the blast furnace, and a blast furnace operation feature amount calculation device. For each part of the internal solid phase, liquid phase, and gas phase, the step of calculating the blast furnace operation feature quantity by performing simulation with each temporal resolution or with each temporal resolution and spatial resolution, and blast furnace operation information And operation stability evaluation information, which is a quantitative index for evaluating the stability of the operating state of the blast furnace with respect to the operation process including the heat balance and mass balance of the blast furnace based on the blast furnace operation characteristic amount. Control means to stabilize the operation of the blast furnace from the operating state of the blast furnace, which is obtained by calculation and determined from the operation stability evaluation information A step of determining an operation amount, and a dynamic system by performing the above steps at the control timing by mutually linking the sensor and the control means, the blast furnace operation feature amount calculation device, and the operation control device. It is characterized by controlling the operating condition of the blast furnace based on the stability evaluation of the blast furnace.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、原材料が固相、液相及び気相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算して、高炉の操業状態を制御する操業制御装置の機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであって、高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、高炉操業特徴量演算装置により、高炉内部の固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能でシミュレーションを行って演算された高炉操業特徴量とに基づいて、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる制御手段の操作量を決定することを特徴とする、操業制御装置として機能させるためのプログラムが提供される。 In order to solve the above-mentioned problem, according to another aspect of the present invention, in the operation of a blast furnace in which hot metal is produced by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, from raw materials including charged iron ore and coke. , Time-dependent change in blast furnace operation feature value, which is an index value of the internal state of the blast furnace, including the state of the charge consisting of solid phase, liquid phase and gas phase, and the blast furnace operation state Is calculated by simulation using a model that describes the reaction in each area inside the blast furnace divided into multiple areas by mesh, and the computer realizes the function of the operation control device that controls the operating state of the blast furnace Blast furnace operation information, which is data related to the operation state of the blast furnace, obtained from a plurality of sensors provided in the blast furnace and control means for controlling the blast furnace, With the equipment, the solid phase, liquid phase, and gas phase parts inside the blast furnace are converted into blast furnace operation features calculated by performing simulations at the respective temporal resolutions or at the respective temporal and spatial resolutions. Based on this, operational stability evaluation information is obtained by calculating and obtaining operational stability evaluation information, which is a quantitative index for evaluating the operational stability of the blast furnace with respect to the operation process including heat balance and mass balance of the blast furnace. A program for functioning as an operation control device is provided, wherein the operation amount of the control means for stabilizing the operation of the blast furnace is determined from the operation state of the blast furnace determined more.
以上説明したように本発明によれば、高炉の内部状態を示す操業の特徴量を、高炉内部の固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能でシミュレーションにより求めることにより、高炉の操業状態の安定性を定量的かつ従来よりも短時間に評価することが可能な、高炉操業状態制御システム、操業制御装置、高炉操業状態制御方法およびプログラムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, the operation characteristic amount indicating the internal state of the blast furnace can be obtained for each part of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase in the blast furnace at each time resolution or at each time. Blast furnace operating state control system, operation control device, blast furnace operating state, which can quantitatively evaluate the stability of the blast furnace operating state in a shorter time than before by obtaining simulation and spatial resolution by simulation A control method and a program can be provided.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
なお、説明は、以下の順序で行うものとする。
(1)高炉という動的システムについて
(1−1)高炉内で進行している反応の概略
(1−2)システムとしての取り扱い
(2)第1の実施形態
(2−1)高炉操業状態制御システムの概略について
(2−2)高炉操業状態制御装置の全体構成について
(2−3)高炉操業状態制御方法の全体的な流れについて
(2−5)高炉操業特徴量の演算について
(2−5−1)高炉操業特徴量演算部の構成について
(2−5−2)高炉操業特徴量の演算方法について
(2−6)高炉操業の安定性評価について
(2−6−1)高炉操業状態制御システムの構成概念
(2−6−2)操業制御部の構成について
(2−6−3)高炉操業の安定性評価
(3)本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置のハードウェア構成について
(4)実施例
The description will be made in the following order.
(1) Dynamic system called blast furnace (1-1) Outline of reaction proceeding in blast furnace (1-2) Handling as system (2) First embodiment (2-1) Blast furnace operation state control Outline of system (2-2) Overall configuration of blast furnace operation state control device (2-3) Overall flow of blast furnace operation state control method (2-5) Calculation of blast furnace operation characteristic amount (2-5 -1) Configuration of blast furnace operation feature quantity calculation unit (2-5-2) Calculation method of blast furnace operation feature quantity (2-6) Evaluation of stability of blast furnace operation (2-6-1) Control of blast furnace operation state System Configuration Concept (2-6-2) Configuration of Operation Control Unit (2-6-3) Stability Evaluation of Blast Furnace Operation (3) Hardware Configuration of Blast Furnace Operation State Control Device According to Embodiment of the Present Invention (4) Examples
(高炉という動的システムについて)
まず、図1を参照しながら、本発明の実施形態で着目する高炉という動的システムについて、簡単に説明する。図1は、本発明の実施形態で着目する高炉について説明するための説明図である。
(About dynamic system called blast furnace)
First, with reference to FIG. 1, a dynamic system called a blast furnace focused on in an embodiment of the present invention will be briefly described. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a blast furnace to which attention is paid in an embodiment of the present invention.
<高炉内で進行している反応の概略>
図1に示したように、高炉は、円筒の徳利形状を有する竪型炉の一種であり、炉の頭頂部(以下、炉頂部とも称する。)から供給される原料と、炉の下方に設けられた羽口から供給される熱風により生成される還元性ガスとが反応する反応装置として機能する。
<Outline of reaction in progress in blast furnace>
As shown in FIG. 1, the blast furnace is a kind of vertical furnace having a cylindrical virtue shape, and is provided with raw materials supplied from the top of the furnace (hereinafter also referred to as the furnace top), and below the furnace. It functions as a reactor that reacts with reducing gas generated by hot air supplied from the tuyere.
炉頂部から供給される原料としては、主に、鉄鉱石や焼結鉱(以下では、特に断りのない限り、鉄鉱石及び焼結鉱をまとめて鉄鉱石と称することとする。)などの鉄酸化物、コークス、石灰石等がある。鉄鉱石は、高炉における反応で生成される銑鉄の鉄源となるものであり、コークスは、鉄鉱石の還元剤及び原料を溶解するための熱源として機能するだけでなく、高炉内の通気性を保持する役割を有している。また、石灰石は、鉄鉱石の脈石成分と反応して低溶融点を持ち流動性のよいスラグを生成するために添加される媒溶剤として機能する。 The raw material supplied from the top of the furnace is mainly iron such as iron ore and sintered ore (hereinafter, unless otherwise specified, iron ore and sintered ore are collectively referred to as iron ore). There are oxides, coke, limestone, etc. Iron ore is a source of iron for pig iron produced by reactions in the blast furnace, and coke not only functions as a heat source for melting iron ore reducing agent and raw materials, but also provides air permeability in the blast furnace. Have a role to hold. Limestone functions as a solvent added to react with the gangue component of iron ore to produce slag having a low melting point and good fluidity.
高炉の内部では、図1に示したように、鉄鉱石(及び石灰石)からなる層と、コークスからなる層とが交互に積層されている。これらの原料は、図1に示したような積層状態を維持しつつ、炉の下方へと移動していく。 As shown in FIG. 1, layers of iron ore (and limestone) and layers of coke are alternately stacked inside the blast furnace. These raw materials move downward in the furnace while maintaining the laminated state as shown in FIG.
また、図1に示した羽口からは、熱風及びコークスの補完還元剤として機能する微粉炭とが供給され、かかる熱風により微粉炭やコークスがガス化して、一酸化炭素や水素等からなる高温の還元性ガスが生成される。この高温の還元性ガスは、炉内を移動する上昇気流となって炉頂部へと吹き昇っていく。この還元性ガスにより炉内の鉄鉱石は還元されていき(間接還元)、更に、還元性ガスが有する熱によって固体から液体へと変化する。液体となった鉄分は、コークス層内を滴下しながらコークスの炭素によって更に還元され(直接還元)、炭素を5%程度含む溶銑となる。 Further, the tuyere shown in FIG. 1 is supplied with hot air and pulverized coal that functions as a supplementary reducing agent for coke, and the hot blast causes gasification of pulverized coal and coke, resulting in a high temperature comprising carbon monoxide, hydrogen, and the like. The reducing gas is produced. This high-temperature reducing gas blows up to the top of the furnace as an ascending current that moves in the furnace. The iron ore in the furnace is reduced by this reducing gas (indirect reduction), and further changes from solid to liquid by the heat of the reducing gas. The iron component that has become liquid is further reduced by the carbon of the coke while dropping in the coke layer (direct reduction), and becomes molten iron containing about 5% of carbon.
図1に示した融着帯では、半溶融状態にある鉄分の間に固体コークスがスリット状に存在している部分であり、主にこの融着帯において、上述のような鉄分の相変化が生じている。 The cohesive zone shown in FIG. 1 is a portion where solid coke exists in the form of slits between the iron components in a semi-molten state, and the phase change of iron as described above mainly occurs in this cohesive zone. Has occurred.
このように、高炉という反応装置では、固体、液体、気体が共存して反応がダイナミック(動的)に進行している。また、高炉内で進行している反応には、後述するように吸熱反応と発熱反応とが存在しているため、この相反する2種類の反応間での熱バランス及びマスバランスを調節しながら、銑鉄を製造する操業が行われている。 Thus, in a reactor called a blast furnace, solid, liquid, and gas coexist and the reaction proceeds dynamically. In addition, since an endothermic reaction and an exothermic reaction exist in the reaction proceeding in the blast furnace as described later, while adjusting the heat balance and mass balance between the two types of conflicting reactions, Operations to manufacture pig iron are carried out.
<システムとしての取り扱い>
以上説明したように、高炉の内部では、固体、液体、気体の3つの相状態が共存しており、互いに関連しあいながら複数の化学反応が進行しており、高炉の内部で生じている現象は、非定常的な現象(非定常現象)であるといえる。また、高炉の内部で起こっている非定常現象は、秒単位で進行するものから、分単位、時間単位、日単位、週単位で進行するものまで、各種のものが存在している。従って、以下で説明する本発明の実施形態では、高炉という反応装置を、一つの動的なシステムとして取り扱うこととする。
<Handling as a system>
As described above, the three phases of solid, liquid, and gas coexist in the blast furnace, and a plurality of chemical reactions proceed while being related to each other. It can be said that this is an unsteady phenomenon (unsteady phenomenon). In addition, there are various types of unsteady phenomena occurring in the blast furnace, from those that progress in seconds, to those that progress in minutes, hours, days, and weeks. Therefore, in the embodiment of the present invention described below, a reactor called a blast furnace is handled as one dynamic system.
この際、高炉という動的システムは、固体状態にある物質を原料とした反応のサブシステム、液体状態にある物質を原料とした反応のサブシステム、気体状態にある物質を原料とした反応のサブシステムという、複数(3つ)のサブシステムからなるシステムであると考えることができる。ここで、各サブシステムでは、高炉内の様々な部位で上述のような様々な時間単位(換言すれば、時間分解能)の反応が異なるダイナミクスで進行している。従って、高炉という動的システムは、より詳細には、異なる分解能を有する複数のサブシステムが相互に作用しあう異種間相互作用系動的システムであるといえる。 At this time, a dynamic system called a blast furnace includes a reaction subsystem using a substance in a solid state as a raw material, a reaction subsystem using a substance in a liquid state as a raw material, and a reaction subsystem using a substance in a gas state as a raw material. It can be considered that the system is a system composed of a plurality (three) of subsystems. Here, in each subsystem, reactions in various time units (in other words, time resolution) as described above are proceeding with different dynamics in various parts in the blast furnace. Therefore, in more detail, it can be said that the blast furnace dynamic system is a heterogeneous interaction system dynamic system in which a plurality of subsystems having different resolutions interact with each other.
また、異なる観点から考えると、高炉という異種間相互作用系多分解能動的システムは、複数の化学反応が進行しているシステムであって、かかる化学反応の一つ一つを、高炉というシステム全体を構成するサブシステムと捉えることもできる。更に異なる観点から考えると、高炉という異種間相互作用系多分解能動的システムで生じている様々な現象は、以下で説明するように、複数の偏微分方程式に基づく分布定数系システムであって、かかる偏微分方程式の一つ一つを、高炉というシステム全体を構成するサブシステムと捉えることも可能である。 Also, from a different point of view, a multi-resolution dynamic system called a blast furnace is a system in which a plurality of chemical reactions are progressing. It can also be regarded as a subsystem that constitutes Considering from a different point of view, the various phenomena occurring in the multi-resolution dynamic system of heterogeneous interaction system called blast furnace are distributed constant system based on multiple partial differential equations, as explained below. Each of the partial differential equations can be regarded as a subsystem constituting the entire system called a blast furnace.
(第1の実施形態)
<高炉操業状態制御システムの概略について>
続いて、図2を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る高炉操業状態制御システムについて説明する。図2は、本実施形態に係る高炉操業状態制御システムの一例を示した説明図である。
(First embodiment)
<Outline of blast furnace operation state control system>
Next, a blast furnace operating state control system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a blast furnace operation state control system according to the present embodiment.
本実施形態に係る高炉操業状態制御システム1は、例えば図2に示したように、制御対象であり、先に簡単に説明したような各種反応が内部で進行している高炉3と、高炉3及び高炉3の近傍に設置されている各種のセンサ5と、高炉3を制御するための各種の制御手段7と、高炉操業状態制御装置10と、を含む。 A blast furnace operating state control system 1 according to the present embodiment is a controlled object, for example, as shown in FIG. 2, and a blast furnace 3 in which various reactions as described above are proceeding, and a blast furnace 3. And various sensors 5 installed in the vicinity of the blast furnace 3, various control means 7 for controlling the blast furnace 3, and a blast furnace operation state control device 10.
各種のセンサ5は、高炉3に関する各種のデータを計測する。このようなセンサ5として、例えば、高炉に装入される各種原料を秤量する秤量センサ、装入された原料の高さを測定する測定装置、高炉に供給される熱風の送風量、送風温度、送風湿分等を計測する各種センサ、炉頂部の気体の圧力を計測する圧力センサ、高炉の炉壁や炉床等の各部位の温度の分布を測定する、通常は多数の温度計、冷却水の給水圧力、給排水流量、排水温度等を計測する各種センサ等を挙げることができる。 Various sensors 5 measure various data regarding the blast furnace 3. As such a sensor 5, for example, a weighing sensor for weighing various raw materials charged into the blast furnace, a measuring device for measuring the height of the charged raw materials, the amount of hot air supplied to the blast furnace, the blowing temperature, Various sensors that measure blast moisture, etc., pressure sensors that measure the pressure of the gas at the top of the furnace, temperature distribution of each part such as the furnace wall and hearth of the blast furnace, usually many thermometers, cooling water Various sensors for measuring the water supply pressure, water supply / drainage flow rate, drainage temperature, and the like can be mentioned.
また、高炉3及び高炉3の近傍に設置されるセンサ5は、上記例に限定されるものではなく、上記のもの以外にも、出銑温度を測定するための各種温度計や、銑鉄中Si量、銑鉄中S量、スラグ組成、炉頂ガス成分等を特定するための各種分析装置等を挙げることができる。 Moreover, the sensor 5 installed in the vicinity of the blast furnace 3 and the blast furnace 3 is not limited to the said example, In addition to the above, various thermometers for measuring the tapping temperature, Si in pig iron Examples include various analyzers for specifying the amount, amount of S in pig iron, slag composition, furnace top gas component, and the like.
これらセンサ5によって測定された各種データは、後述する高炉操業状態制御装置10に出力され、高炉操業状態制御装置10における各種処理に利用される。 Various data measured by these sensors 5 are output to a blast furnace operation state control device 10 to be described later and used for various processes in the blast furnace operation state control device 10.
制御手段7は、高炉3における製銑プロセスを制御するために用いられる各種の設備や装置である。このような制御手段7として、例えば、原料装入用ベルトコンベアの制御装置、原料装入用ホッパーや原料装入用シュートの制御装置、熱風を高炉に供給するための熱風炉の制御装置、冷却水の供給制御装置等を挙げることができる。また、本実施形態に係る制御手段7は、上記例に限定されるわけではなく、高炉3における製銑プロセスを制御するために用いられるあらゆる設備や装置が、本実施形態に係る制御手段7に相当する。 The control means 7 is various facilities and devices used for controlling the iron making process in the blast furnace 3. As such a control means 7, for example, a raw material charging belt conveyor control device, a raw material charging hopper or a raw material charging chute control device, a hot blast furnace control device for supplying hot air to a blast furnace, cooling Examples thereof include a water supply control device. Moreover, the control means 7 which concerns on this embodiment is not necessarily limited to the said example, All the equipments and apparatuses used in order to control the iron making process in the blast furnace 3 are in the control means 7 which concerns on this embodiment. Equivalent to.
これら制御手段7は、後述する高炉操業状態制御装置10から出力される制御信号に基づいて動作し、高炉3の操業制御(運転制御)を行う。 These control means 7 operate | move based on the control signal output from the blast furnace operation state control apparatus 10 mentioned later, and perform operation control (operation control) of the blast furnace 3. FIG.
高炉操業状態制御装置10は、高炉3及び高炉3の近傍に設けられた各種センサ5から取得した各種データを取得し、取得したこれらのデータを利用して、高炉の操業状態に関する特徴量を算出する。その後、高炉操業状態制御装置10は、取得したデータや算出した特徴量に基づいて、高炉操業状態の安定性に関する評価値を算出したり、高炉の制御方法を決定したりする。高炉操業状態制御装置10は、高炉の制御方法を決定した場合には、決定した制御方法に対応する制御信号を生成して、各種制御手段7に出力する。ここで、高炉操業状態の安定性とは、高炉の内部全体に亘る熱的バランスやマスバランスを含む各化学的、および物理的なプロセスのバランスに関する安定性を意味する。 The blast furnace operation state control device 10 acquires various data acquired from the blast furnace 3 and various sensors 5 provided in the vicinity of the blast furnace 3, and uses these acquired data to calculate a feature amount related to the operation state of the blast furnace. To do. Thereafter, the blast furnace operation state control device 10 calculates an evaluation value related to the stability of the blast furnace operation state based on the acquired data and the calculated feature amount, and determines a control method for the blast furnace. When determining the blast furnace control method, the blast furnace operation state control device 10 generates a control signal corresponding to the determined control method and outputs the control signal to the various control means 7. Here, the stability of the blast furnace operating state means the stability regarding the balance of each chemical and physical process including the thermal balance and the mass balance throughout the interior of the blast furnace.
本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10の詳細については、以下で改めて詳細に説明する。 Details of the blast furnace operation state control apparatus 10 according to the present embodiment will be described in detail below.
以上、図2を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御システム1の概略について説明した。 The outline of the blast furnace operating state control system 1 according to the present embodiment has been described above with reference to FIG.
<高炉操業状態制御装置の全体構成について>
次に、図3を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置の全体構成について説明する。図3は、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置の全体構成を示したブロック図である。
<About the overall configuration of the blast furnace operating state control device>
Next, the overall configuration of the blast furnace operation state control device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the blast furnace operation state control device according to the present embodiment.
本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10は、以下で説明するように、高炉3の操業状態を表す特徴量の演算を行う高炉操業特徴量演算機能と、高炉3の操業状態の安定性を判別し、高炉3が安定して操業するように制御する高炉操業制御機能と、を有している。すなわち、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10は、高炉操業特徴量の演算を行う高炉操業特徴量演算装置の一例であり、高炉3の操業状態の安定性を判別し、高炉3が安定して操業するように制御する操業制御装置の一例でもある。 As will be described below, the blast furnace operation state control device 10 according to the present embodiment has a blast furnace operation feature amount calculation function for calculating a feature amount representing the operation state of the blast furnace 3, and the stability of the operation state of the blast furnace 3. A blast furnace operation control function for determining and controlling the blast furnace 3 to operate stably. That is, the blast furnace operation state control device 10 according to the present embodiment is an example of a blast furnace operation feature amount calculation device that performs calculation of a blast furnace operation feature amount, and determines the stability of the operation state of the blast furnace 3 so that the blast furnace 3 is stable. It is also an example of an operation control device that controls to operate.
本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10は、例えば図3に示したように、高炉操業情報取得部101と、高炉操業特徴量演算部103と、操業制御部105と、表示制御部107と、通信制御部109と、記憶部111と、を主に備える。 For example, as shown in FIG. 3, the blast furnace operation state control device 10 according to the present embodiment includes a blast furnace operation information acquisition unit 101, a blast furnace operation feature amount calculation unit 103, an operation control unit 105, and a display control unit 107. The communication control unit 109 and the storage unit 111 are mainly provided.
高炉操業情報取得部101は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等により実現される。高炉操業情報取得部101は、後述する通信制御部109を介して、高炉3及び高炉3の近傍に設置されている各種センサ5から、当該センサ5が計測した各種測定データを取得する。また、高炉操業情報取得部101は、高炉操業の制御を行っている各種装置(例えば、制御手段7等や制御コンピュータ等)から、高炉の設計値や現在設定されている操業条件等の各種情報を取得することもできる。高炉操業情報取得部101が取得した各種データや各種情報は、高炉3の操業状態に関する様々な情報を含むものである。高炉操業情報取得部101は、取得したこれらのデータや情報を、高炉操業情報として後述する高炉操業特徴量演算部103及び操業制御部105に出力する。 The blast furnace operation information acquisition unit 101 is realized by, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. The blast furnace operation information acquisition unit 101 acquires various measurement data measured by the sensor 5 from the blast furnace 3 and various sensors 5 installed in the vicinity of the blast furnace 3 via a communication control unit 109 described later. Also, the blast furnace operation information acquisition unit 101 receives various information such as design values of the blast furnace and currently set operation conditions from various devices (for example, the control means 7 and the control computer) that control the blast furnace operation. You can also get Various types of data and various types of information acquired by the blast furnace operation information acquisition unit 101 include various types of information regarding the operation state of the blast furnace 3. The blast furnace operation information acquisition unit 101 outputs the acquired data and information to the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 and the operation control unit 105, which will be described later, as blast furnace operation information.
なお、高炉操業情報取得部101は、取得した高炉操業情報を、当該情報を取得した日時に関する時刻情報等と関連付け、履歴情報として後述する記憶部111に格納してもよい。 The blast furnace operation information acquisition unit 101 may associate the acquired blast furnace operation information with time information related to the date and time when the information is acquired, and store the information in the storage unit 111 described later as history information.
高炉操業特徴量演算部103は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。高炉操業特徴量演算部103は、高炉操業情報取得部101が取得した高炉操業情報に基づいて、高炉の操業状態を表す特徴量の演算を行う。 The blast furnace operation feature amount calculation unit 103 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The blast furnace operation feature amount calculation unit 103 calculates a feature amount representing the operation state of the blast furnace based on the blast furnace operation information acquired by the blast furnace operation information acquisition unit 101.
具体的には、高炉操業特徴量演算部103は、各種のセンサ等から入力される高炉操業情報及び後述する記憶部111等に格納されている各種文献値やデータベース等を利用して、着目する化学反応に関する反応速度を算出する。その後、高炉操業特徴量演算部103は、算出した反応速度を利用して、固体相、液体相、気体相それぞれの温度、移動速度、成分密度、成分体積、圧力等といった、各相の状態等を示すところの高炉の操業状態の指標であり、当該操業状態を特徴づける特徴量を算出する。すなわち、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103は、高炉の操業状態をシミュレートするシミュレータとして機能する処理部であるともいえる。 Specifically, the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 pays attention by using blast furnace operation information input from various sensors or the like and various literature values or databases stored in the storage unit 111 or the like described later. Calculate the reaction rate for the chemical reaction. Thereafter, the blast furnace operation feature quantity calculation unit 103 uses the calculated reaction rate to determine the state of each phase, such as the temperature, the moving speed, the component density, the component volume, and the pressure of each of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase. Is an index of the operating state of the blast furnace, and a feature amount characterizing the operating state is calculated. That is, it can be said that the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment is a processing unit that functions as a simulator that simulates the operation state of the blast furnace.
ここで、上述のような高炉操業特徴量の演算を行うためには、以下で説明するように、時間に依存する項を含む偏微分方程式を考慮する必要がある。かかる場合において、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103では、固体相、液体相、気体相それぞれに関する特徴量を演算する際に、各相における時間刻みを同一幅とせず各相における時間刻みを互いに独立な値として取り扱う。このとき各相の時間刻みは、相内の現象が時間変化する速さ(換言すれば、時定数)に基づき、所望の演算精度が得られるように設定すればよい。 Here, in order to calculate the blast furnace operation feature amount as described above, it is necessary to consider a partial differential equation including a term that depends on time, as will be described below. In such a case, in the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment, when calculating the feature values for the solid phase, the liquid phase, and the gas phase, the time increment in each phase is not set to the same width, and the time in each phase is calculated. Treat ticks as independent values. At this time, the time increment of each phase may be set so as to obtain a desired calculation accuracy based on the speed (in other words, time constant) at which the phenomenon in the phase changes with time.
高炉操業特徴量演算部103は、高炉操業特徴量の演算が終了すると、得られた高炉操業特徴量を、後述する操業制御部105に出力する。また、高炉操業特徴量演算部103は、得られた高炉操業特徴量を後述する表示制御部107に出力して、高炉操業状態制御装置10等が備える表示部に演算結果を表示させてもよい。更に、高炉操業特徴量演算部103は、得られた高炉操業特徴量に、当該特徴量を算出した日時等に関する時刻情報を関連付けて、履歴情報として記憶部111等に記録してもよい。 When the calculation of the blast furnace operation feature value is completed, the blast furnace operation feature value calculation unit 103 outputs the obtained blast furnace operation feature value to the operation control unit 105 described later. Further, the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 may output the obtained blast furnace operation feature amount to the display control unit 107 described later, and display the calculation result on the display unit included in the blast furnace operation state control device 10 or the like. . Furthermore, the blast furnace operation feature value calculation unit 103 may associate time information related to the date and time when the feature value is calculated with the obtained blast furnace operation feature value and record the history information in the storage unit 111 or the like.
なお、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103については、以下で改めて詳細に説明する。 In addition, the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment will be described in detail later.
操業制御部105は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。操業制御部105は、各種センサ5により計測された各種測定データや高炉3の操業条件等の各種情報等からなる高炉操業情報と、高炉操業特徴量演算部103により演算された高炉操業特徴量とに基づき、高炉3の操業状態の安定性を判別する。この際、操業制御部105は、適宜記憶部111に記憶された情報を参照して情報を取得することができ、処理を実行する過程において必要な情報を格納することもできる。 The operation control unit 105 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The operation control unit 105 includes blast furnace operation information including various measurement data measured by the various sensors 5 and various information such as operation conditions of the blast furnace 3, and the blast furnace operation feature amount calculated by the blast furnace operation feature amount calculation unit 103. Based on the above, the stability of the operating state of the blast furnace 3 is determined. At this time, the operation control unit 105 can acquire information with reference to information stored in the storage unit 111 as appropriate, and can also store information necessary in the process of executing the process.
本実施形態における操業制御部105は、高炉3の操業状態の安定性を、制御理論に基づき操業安定性評価情報を用いて定量的に評価する。操業安定性評価情報とは、例えば、高炉3のダイナミクスを表現する状態空間表現モデルから取得できる、高炉3の大局的な非定常システム特性を表す情報(操業安定性評価モデル)から、システムの安定性判別に関する制御理論に基づき取得される定量的な情報である。操業制御部105は、従来の高炉3の制御における、例えば、溶銑の温度を制御目標値に一定に制御するために装入物分布条件及び羽口への装入条件等の操作量を操作するといった制御を行うのではなく、高炉3という動的システム全体の安定性を定量的に評価し、当該システムが安定して操業するように操作することにより、所望の状態を実現する。 The operation control unit 105 in the present embodiment quantitatively evaluates the stability of the operation state of the blast furnace 3 using the operation stability evaluation information based on the control theory. The operation stability evaluation information is, for example, information indicating the global unsteady system characteristics of the blast furnace 3 (operation stability evaluation model), which can be obtained from a state space expression model expressing the dynamics of the blast furnace 3, and system stability. It is quantitative information acquired based on the control theory related to sex discrimination. The operation control unit 105 manipulates operation amounts such as the charge distribution condition and the tuyere charging condition in order to control the temperature of the molten iron to a control target value, for example, in the control of the conventional blast furnace 3. Rather than performing such control, a desired state is realized by quantitatively evaluating the stability of the entire dynamic system of the blast furnace 3 and operating the system so as to operate stably.
操業制御部105は、高炉3の制御方法を決定すると、後述する通信制御部109を介して、各種制御手段7を操作する操作量が出力される。操作量に基づき各種制御手段7が操作されることにより、高炉3における各種プロセスを制御するための設備や装置が動作され、高炉3の操業状態を所望の状態に近づける。また、操業制御部105により取得された操業安定性評価モデルや操業安定性評価情報、安定性評価に基づき決定された高炉3の制御方法等は、後述する表示制御部107へ出力してもよい。これにより、これらの情報を高炉操業状態制御装置10の利用者が把握することが可能となる。 When the operation control unit 105 determines the control method of the blast furnace 3, operation amounts for operating the various control means 7 are output via the communication control unit 109 described later. By operating the various control means 7 based on the operation amount, equipment and devices for controlling various processes in the blast furnace 3 are operated, and the operation state of the blast furnace 3 is brought close to a desired state. Further, the operation stability evaluation model, the operation stability evaluation information acquired by the operation control unit 105, the control method of the blast furnace 3 determined based on the stability evaluation, and the like may be output to the display control unit 107 described later. . Thereby, it becomes possible for the user of the blast furnace operation state control apparatus 10 to grasp such information.
なお、本実施形態に係る操業制御部105については、以下で改めて詳細に説明する。 Note that the operation control unit 105 according to the present embodiment will be described in detail later.
表示制御部107は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。表示制御部107は、高炉操業特徴量演算部103による演算結果、操業制御部105による安定性評価値の演算結果や制御方法の決定結果(換言すれば、制御するための操作量の決定結果)等を、高炉操業状態制御装置10が備えるディスプレイ等の出力装置に表示する際の表示制御を行う。また、表示制御部107は、後述する通信制御部109を介して、高炉操業状態制御装置10の外部に設けられた各種装置に設けられた出力装置に各種結果を表示する際の表示制御を行うこともできる。これにより、高炉操業状態制御装置10の利用者は、高炉の状態や高炉の制御等に関する操作情報を、その場で把握することが可能となる。 The display control unit 107 is realized by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example. The display control unit 107 calculates the calculation result by the blast furnace operation feature value calculation unit 103, the calculation result of the stability evaluation value by the operation control unit 105, and the determination result of the control method (in other words, the determination result of the operation amount for control). Are displayed on an output device such as a display included in the blast furnace operation state control device 10. In addition, the display control unit 107 performs display control when displaying various results on an output device provided in various devices provided outside the blast furnace operation state control device 10 via a communication control unit 109 described later. You can also. Thereby, the user of the blast furnace operation state control device 10 can grasp the operation information related to the state of the blast furnace and the control of the blast furnace on the spot.
通信制御部109は、例えば、CPU、ROM、RAM、通信装置等により実現される。通信制御部109は、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10と、外部に設けられた各種装置との間で行われる通信の制御を行う。ここで、高炉操業状態制御装置10の外部に設けられた各種装置として、各種センサ5や各種制御手段7を挙げることができる。また、通信制御部109は、これらの装置以外にも、高炉操業状態制御装置10が各種ネットワークを介して接続可能なサーバやコンピュータ等の装置や、高炉操業状態制御装置10に各種端子により直接接続された装置との間で行われる通信を制御可能である。 The communication control unit 109 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a communication device, and the like. The communication control unit 109 controls communication performed between the blast furnace operation state control device 10 according to the present embodiment and various devices provided outside. Here, various sensors 5 and various control means 7 can be mentioned as various apparatuses provided outside the blast furnace operation state control apparatus 10. In addition to these devices, the communication control unit 109 is directly connected to the blast furnace operation state control device 10 through various terminals, such as servers and computers that can be connected to the blast furnace operation state control device 10 through various networks. It is possible to control communication performed between the connected devices.
記憶部111は、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10が備えるストレージ装置の一例である。記憶部111には、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜格納されている。この記憶部111は、高炉操業情報取得部101、高炉操業特徴量演算部103、操業制御部105、表示制御部107、通信制御部109等が、自由に読み書きを行うことが可能である。 The memory | storage part 111 is an example of the storage apparatus with which the blast furnace operation state control apparatus 10 which concerns on this embodiment is provided. In the storage unit 111, the blast furnace operating state control device 10 according to the present embodiment stores various parameters, the progress of the process, etc. that need to be saved when performing some processing, or various databases and programs. , Stored as appropriate. The storage unit 111 can be freely read and written by the blast furnace operation information acquisition unit 101, the blast furnace operation feature amount calculation unit 103, the operation control unit 105, the display control unit 107, the communication control unit 109, and the like.
以上、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、CPU等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。 Heretofore, an example of the function of the blast furnace operation state control device 10 according to the present embodiment has been shown. Each component described above may be configured using a general-purpose member or circuit, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. In addition, the CPU or the like may perform all functions of each component. Therefore, it is possible to appropriately change the configuration to be used according to the technical level at the time of carrying out the present embodiment.
なお、上述のような本実施形態に係る高炉操業状態制御装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。 A computer program for realizing each function of the blast furnace operation state control apparatus according to the present embodiment as described above can be produced and installed in a personal computer or the like. In addition, a computer-readable recording medium storing such a computer program can be provided. The recording medium is, for example, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a flash memory, or the like. Further, the above computer program may be distributed via a network, for example, without using a recording medium.
<高炉操業状態制御方法の全体的な流れについて>
続いて、図4を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御方法の全体的な流れについて説明する。図4は、本実施形態に係る高炉操業状態制御方法の全体的な流れの一例を示した流れ図である。
<Overall flow of blast furnace operation state control method>
Next, the overall flow of the blast furnace operation state control method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the overall flow of the blast furnace operation state control method according to the present embodiment.
本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10の高炉操業情報取得部101は、高炉3及び高炉3の近傍に設けられた各種センサ5や、高炉操業の制御を行っている各種装置から測定データ、高炉の各部の寸法値や形状、高炉に設定されている操業条件等を含む高炉操業情報を取得する(ステップS11)。高炉操業情報取得部101は、取得した高炉操業情報を、高炉操業特徴量演算部103及び操業制御部105に出力する。 The blast furnace operation information acquisition unit 101 of the blast furnace operation state control apparatus 10 according to the present embodiment includes measurement data from various sensors 5 provided in the vicinity of the blast furnace 3 and the blast furnace 3 and various apparatuses that control the blast furnace operation, Blast furnace operation information including dimensional values and shapes of each part of the blast furnace, operation conditions set in the blast furnace, and the like is acquired (step S11). The blast furnace operation information acquisition unit 101 outputs the acquired blast furnace operation information to the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 and the operation control unit 105.
次に、高炉操業特徴量演算部103は、取得した高炉操業情報等を利用して、高炉の操業状態を特徴づける高炉操業特徴量の演算を実施する(ステップS13)。高炉操業特徴量演算部103は、得られた高炉操業特徴量を、操業制御部105に出力する。 Next, the blast furnace operation feature quantity calculation unit 103 calculates the blast furnace operation feature quantity that characterizes the operation state of the blast furnace using the acquired blast furnace operation information and the like (step S13). The blast furnace operation feature value computing unit 103 outputs the obtained blast furnace operation feature value to the operation control unit 105.
続いて、操業制御部105は、高炉操業特徴量演算部103により演算された高炉操業特徴量や、高炉操業情報等を利用して、高炉操業の安定性評価を実施する(ステップS15)。その後、操業制御部105は、高炉操業特徴量、高炉操業情報、安定性評価の結果等を利用して、高炉の制御方法を決定する(ステップS17)。 Subsequently, the operation control unit 105 performs the blast furnace operation stability evaluation by using the blast furnace operation feature amount calculated by the blast furnace operation feature amount calculation unit 103, the blast furnace operation information, and the like (step S15). Thereafter, the operation control unit 105 determines a blast furnace control method using the blast furnace operation characteristic amount, the blast furnace operation information, the result of stability evaluation, and the like (step S17).
本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10は、このような流れで処理を行うことで、高炉の操業状態を制御することができる。 The blast furnace operation state control apparatus 10 according to the present embodiment can control the operation state of the blast furnace by performing the processing in such a flow.
なお、高炉操業特徴量の演算処理、高炉操業の安定性評価処理、高炉の制御方法の決定処理の詳細な流れについては、以下で改めて詳細に説明する。 The detailed flow of blast furnace operation feature value calculation processing, blast furnace operation stability evaluation processing, and blast furnace control method determination processing will be described in detail below.
また、図4においては、高炉操業の安定性評価処理及び高炉の制御方法の決定処理の双方が実施される場合の一例について図示しているが、安定性評価処理と操業方法の決定処理のいずれか一方が実施されてもよい。また、高炉操業の安定性評価処理及び高炉の制御方法の決定処理は、並行して実施されてもよい。 FIG. 4 shows an example in which both the stability evaluation process of the blast furnace operation and the determination process of the control method of the blast furnace are performed. Either one may be implemented. In addition, the blast furnace operation stability evaluation process and the blast furnace control method determination process may be performed in parallel.
以上、本実施形態に係る高炉操業状態制御方法の全体的な流れについて、簡単に説明した。 The overall flow of the blast furnace operation state control method according to this embodiment has been briefly described above.
<高炉操業特徴量の演算について>
[高炉操業特徴量演算部の構成について]
次に、図5〜図10を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10が備える高炉操業特徴量演算部103の構成について、詳細に説明する。
<Calculation of blast furnace operation features>
[Configuration of blast furnace operation feature value calculation unit]
Next, the configuration of the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 provided in the blast furnace operation state control device 10 according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
図5は、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部の構成を示したブロック図である。本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103は、図5に示したように、演算制御部121と、パラメータ設定部123と、反応速度算出部125と、特徴量算出部127と、を更に備える。 FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a blast furnace operation feature value calculation unit according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 according to the present embodiment further includes an operation control unit 121, a parameter setting unit 123, a reaction rate calculation unit 125, and a feature amount calculation unit 127. Prepare.
演算制御部121は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。演算制御部121は、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103で実施される高炉操業特徴量の演算処理を統括する制御部である。すなわち、演算制御部121は、後述するパラメータ設定部123、反応速度算出部125及び特徴量算出部127と連携しながら、これらの処理部における各種処理の実施状況を統括する。 The arithmetic control unit 121 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The calculation control unit 121 is a control unit that supervises the calculation processing of the blast furnace operation feature value performed by the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment. That is, the arithmetic control unit 121 controls the execution status of various processes in these processing units in cooperation with a parameter setting unit 123, a reaction rate calculation unit 125, and a feature amount calculation unit 127 described later.
演算制御部121は、高炉操業情報取得部101から高炉操業情報が出力されると、まず、後述するパラメータ設定部123に対して、高炉操業特徴量の演算処理で用いられる各種パラメータの設定を要請する。パラメータ設定部123により各種パラメータの設定値が通知されると、演算制御部121は、設定されたパラメータにより規定される(演算上の)時間に関して、着目する化学反応式それぞれの反応速度の算出を後述する反応速度算出部125に要請する。反応速度算出部125により着目する化学反応式における反応速度が算出されると、演算制御部121は、着目している時間における高炉操業特徴量の算出を、後述する特徴量算出部127に要請する。 When the blast furnace operation information is output from the blast furnace operation information acquisition unit 101, the arithmetic control unit 121 first requests the parameter setting unit 123, which will be described later, to set various parameters used in the arithmetic processing of the blast furnace operation feature amount. To do. When the setting values of various parameters are notified by the parameter setting unit 123, the calculation control unit 121 calculates the reaction rate of each chemical reaction formula of interest with respect to the time (in terms of calculation) specified by the set parameters. A request is made to the reaction rate calculation unit 125 described later. When the reaction rate in the chemical reaction equation of interest is calculated by the reaction rate calculation unit 125, the arithmetic control unit 121 requests the feature amount calculation unit 127 described later to calculate the blast furnace operation feature amount at the time of interest. .
ここで、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103では、固体相、液体相、気体相の3つの相状態それぞれについて、高炉操業特徴量の演算を行う。以下で詳述するように、各相における高炉操業特徴量の演算を行うためには、時間に依存する項を含む偏微分方程式を考慮しなければならない。そこで、演算制御部121は、パラメータ設定部123により設定された時間刻みの設定値に基づいて、反応速度や特徴量の算出を行う時間を更新していく。 Here, in the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 according to the present embodiment, the blast furnace operation feature amount is calculated for each of the three phase states of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase. As will be described in detail below, partial differential equations including terms that depend on time must be taken into account in order to calculate the blast furnace operation feature value in each phase. Therefore, the arithmetic control unit 121 updates the time for calculating the reaction speed and the feature amount based on the set value of the time increment set by the parameter setting unit 123.
以下では、図6を参照しながら、演算制御部121による時間更新処理について、具体的に説明する。図6は、本実施形態に係る演算制御部121における時間更新方法を説明するための説明図である。 Hereinafter, the time update process by the arithmetic control unit 121 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a time update method in the arithmetic control unit 121 according to the present embodiment.
本実施形態に係る高炉操業特徴量演算処理では、固体相、液体相、気体相それぞれの高炉操業特徴量を算出する際に、各相における時間刻み(換言すれば、時間を更新するまでの間隔)が互いに独立に設定される。以下の説明では、固体相の時間刻み、液体相の時間刻み、気体相の時間刻みを、それぞれΔtS、ΔtL、ΔtGと表すこととし、ΔtL=2ΔtS、ΔtG=2ΔtL=4ΔtSの関係が成立している場合を示す一例である。なお、各相の時間刻みは、相内の現象が時間変化する速さ(換言すれば、時定数)に基づき、所望の演算精度が得られるように設定すればよい。 In the blast furnace operation feature value calculation processing according to the present embodiment, when calculating the blast furnace operation feature value of each of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase, the time increment in each phase (in other words, the interval until the time is updated). ) Are set independently of each other. In the following description, the time increment of the solid phase, the time increment of the liquid phase, and the time increment of the gas phase are expressed as Δt S , Δt L , and Δt G , respectively, and Δt L = 2Δt S , Δt G = 2Δt L = it is an example showing a case where the relationship 4Derutati S is satisfied. It should be noted that the time increment of each phase may be set so as to obtain a desired calculation accuracy based on the speed (in other words, the time constant) at which the phenomenon in the phase changes with time.
いま、時間t=0において、固体相、液体相、気体相の演算(ここでいう演算は、反応速度の算出処理及び高炉操業特徴量の算出処理の双方を含む。)を開始したとする。かかる演算により、それぞれ「固体相_1」とラベリングされた状態、「液体相_1」とラベリングされた状態、「気体相_1」とラベリングされた状態に関する反応速度や特徴量が算出されることとなる。 Now, it is assumed that the calculation of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase (the calculation here includes both the calculation process of the reaction rate and the calculation process of the blast furnace operation characteristic amount) is started at time t = 0. By this calculation, the reaction rate and the feature amount relating to the state labeled “solid phase_1”, the state labeled “liquid phase_1”, and the state labeled “gas phase_1” are calculated. .
時間t=0における演算が終了すると、演算制御部121は、演算時間tを更新する処理を実施する。図32の例の場合、一番短い時間刻みはΔtSであるため、演算制御部121は、時間tを0+ΔtS=ΔtSに更新して、後述する反応速度算出部125及び特徴量算出部127に処理開始を要請する。かかる場合において、液体相及び気体相については時間を更新するタイミングが到来していないため、反応速度算出部125及び特徴量算出部127は、固体相に関しては「固体相_2」とラベリングされた状態の演算のみを開始する。また、各演算処理において液体相や気体相の状態を参照する必要がある場合には、「液体相_1」とラベリングされた状態、及び、「気体相_1」とラベリングされた状態の値を用いて処理が実施されることとなる。 When the calculation at time t = 0 is completed, the calculation control unit 121 performs a process of updating the calculation time t. In the case of the example of FIG. 32, since the shortest time step is Δt S , the arithmetic control unit 121 updates the time t to 0 + Δt S = Δt S, and a reaction rate calculation unit 125 and a feature amount calculation unit described later. Requests 127 to start processing. In such a case, since the timing for updating the time has not arrived for the liquid phase and the gas phase, the reaction rate calculation unit 125 and the feature amount calculation unit 127 are labeled as “solid phase_2” for the solid phase. Only the operation of is started. In addition, when it is necessary to refer to the state of the liquid phase or the gas phase in each calculation process, the value labeled “liquid phase_1” and the state labeled “gas phase_1” are used. The process will be executed.
「固体相_2」とラベリングされた状態の演算が終了すると、演算制御部121は、演算時間tを(ΔtS+ΔtS=2ΔtS=ΔtL)に更新して、反応速度算出部125及び特徴量算出部127に処理開始を要請する。かかる場合において、気体相については時間を更新するタイミングが到来していないため、反応速度算出部125及び特徴量算出部127は、固体相に関しては「固体相_3」とラベリングされた状態、液体相に関しては「液体相_2」とラベリングされた状態の演算を開始するが、気体相に関する新たな演算は開始しない。また、各演算処理において気体相の状態を参照する必要がある場合には、「気体相_1」とラベリングされた状態の値を用いて処理が実施されることとなる。 When the calculation of the state labeled “solid phase_2” is completed, the calculation control unit 121 updates the calculation time t to (Δt S + Δt S = 2Δt S = Δt L ), and the reaction rate calculation unit 125 and the feature Requests the amount calculation unit 127 to start processing. In such a case, since the timing for updating the time has not arrived for the gas phase, the reaction rate calculation unit 125 and the feature amount calculation unit 127 are labeled as “solid phase — 3” for the solid phase, the liquid phase With respect to, the calculation of the state labeled “liquid phase — 2” is started, but a new calculation regarding the gas phase is not started. In addition, when it is necessary to refer to the state of the gas phase in each calculation process, the process is performed using the value of the state labeled “Gas Phase_1”.
以下、同様の処理が継続して実施され、時間t=4ΔtS=2ΔtL=ΔtGとなった時点で、初めて「気体相_2」とラベリングされた状態の演算が開始されることとなる。 Thereafter, the same processing is continuously performed, and when the time t = 4Δt S = 2Δt L = Δt G is reached, calculation of the state labeled “gas phase_2” is started for the first time.
このように、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算処理では、演算上の時間は固体相、液体相、気体相の3相に共通して流れている(換言すれば、同一の時間軸を用いて各相の演算が定義されている)ものの、各相における新たな状態の演算を開始するタイミングは、個別の時間刻みに応じて規定されている。その結果、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算処理の流れでは、時間に関して多重のループが存在することとなる。 Thus, in the calculation process of the blast furnace operation feature value according to the present embodiment, the calculation time flows in common to the three phases of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase (in other words, the same time axis) However, the timing of starting the calculation of a new state in each phase is defined according to individual time increments. As a result, in the flow of blast furnace operation feature value calculation processing according to the present embodiment, multiple loops exist with respect to time.
このように、演算制御部121は、後述するパラメータ設定部123が設定した時間刻みに基づいて時間更新処理を行いながら、高炉操業特徴量の演算処理を統括する。 In this way, the calculation control unit 121 supervises the calculation process of the blast furnace operation feature amount while performing the time update process based on the time increment set by the parameter setting unit 123 described later.
また、演算制御部121は、パラメータ設定部123、反応速度算出部125及び特徴量算出部127から出力された各種データを、データ出力源以外の処理部に通達する仲介を行う。これにより、パラメータ設定部123、反応速度算出部125及び特徴量算出部127は、それぞれが出力した各種データを参照しつつ、個々の処理を実施することが可能となる。 In addition, the arithmetic control unit 121 mediates various data output from the parameter setting unit 123, the reaction rate calculation unit 125, and the feature amount calculation unit 127 to a processing unit other than the data output source. As a result, the parameter setting unit 123, the reaction rate calculation unit 125, and the feature amount calculation unit 127 can perform individual processes while referring to the various data output from each.
演算制御部121は、設定された演算期間(シミュレーション時間)内での演算処理が終了すると、得られた演算結果(すなわち、高炉操業特徴量)に関する情報を、操業制御部105に出力する。これにより、本実施形態に係る操業制御部105は、高炉操業特徴量を利用して、高炉の操業安定性の評価や、高炉操業の制御等を実施することが可能となる。 When the calculation process within the set calculation period (simulation time) is completed, the calculation control unit 121 outputs information regarding the obtained calculation result (that is, the blast furnace operation feature value) to the operation control unit 105. Thereby, the operation control unit 105 according to the present embodiment can perform the evaluation of the operation stability of the blast furnace, the control of the blast furnace operation, and the like using the blast furnace operation characteristic amount.
また、演算制御部121は、得られた高炉操業特徴量に関するデータを、当該データを生成した日時等の時刻情報と関連付けて、履歴情報として記憶部111等に格納してもよい。 In addition, the arithmetic control unit 121 may store the obtained data regarding the blast furnace operation feature amount in the storage unit 111 or the like as history information in association with time information such as the date and time when the data is generated.
パラメータ設定部123は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。パラメータ設定部123は、高炉操業特徴量演算部103で行われる高炉操業特徴量の演算処理で用いられる各種のパラメータを設定する。この際、パラメータ設定部123は、記憶部111等に格納されている各種のデータベースや文献値等に関する情報や、高炉操業状態制御装置10の使用者(例えば高炉操業オペレータや操業管理者)が、当該高炉操業状態制御装置10に付属するキーボード、タッチパネル、各種操作ボタン等の入力装置を介して入力した各種の設定情報や、各種センサ5や各種制御手段7等から取得した各種データや、高炉操業状態制御装置10に接続可能な外部装置から取得した情報等を適宜利用することができる。 The parameter setting unit 123 is realized by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example. The parameter setting unit 123 sets various parameters used in the blast furnace operation feature value calculation processing performed by the blast furnace operation feature value calculation unit 103. At this time, the parameter setting unit 123 includes information on various databases and document values stored in the storage unit 111 and the like, and a user of the blast furnace operation state control device 10 (for example, a blast furnace operation operator or an operation manager) Various setting information input via input devices such as a keyboard, a touch panel, and various operation buttons attached to the blast furnace operation state control device 10, various data acquired from various sensors 5, various control means 7, etc., and blast furnace operation Information acquired from an external device connectable to the state control device 10 can be used as appropriate.
パラメータ設定部123が設定する主なパラメータとしては、例えば、着目する高炉内の成分とその種類の個数、着目する化学反応式、固体相、液体相、気体相の各相の時間刻み幅、演算単位となる高炉内の空間の区分であるメッシュの大きさの設定値(メッシュの設定値)等を挙げることができる。これらのパラメータのうち、各相の時間刻み幅、メッシュの設定値、着目する化学反応式及び成分について、以下で簡単に説明する。これらのパラメータは、例えばオペレータ等の入力に基づき設定される。 The main parameters set by the parameter setting unit 123 include, for example, the number of components and types in the target blast furnace, the target chemical reaction formula, the time step size of each phase of the solid phase, liquid phase, and gas phase, and calculation A setting value (mesh setting value) of the size of the mesh which is a division of the space in the blast furnace as a unit can be given. Among these parameters, the time increment of each phase, the set value of the mesh, the chemical reaction formula and the component of interest will be briefly described below. These parameters are set based on, for example, an operator input.
本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算処理では、後述するように、高炉の内部状態を、固体相・液体相・気体相の3つの相状態に分類して、各相状態について高炉操業特徴量を算出する。この際、本実施形態に係るパラメータ設定部123では、気体相の高炉操業特徴量の時間刻み幅を、液体相及び固体相の高炉操業特徴量の時間刻み幅よりも長く設定する。 In the calculation processing of the blast furnace operation feature value according to the present embodiment, as will be described later, the internal state of the blast furnace is classified into three phase states of a solid phase, a liquid phase, and a gas phase, and the blast furnace operation feature for each phase state. Calculate the amount. At this time, the parameter setting unit 123 according to the present embodiment sets the time increment of the gas phase blast furnace operation feature value longer than the time increment of the liquid phase and solid phase blast furnace operation feature value.
また、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算処理において、パラメータ設定部123は、図7に示したように高炉内部を複数のメッシュに区分する。本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103は、かかるメッシュを演算単位として、固体相・液体相・気体相のモデル(いわゆる物理モデル)を考慮する。なお、図7に示したメッシュの区分からも明らかなように、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算処理においては、高炉の高さ方向と高炉の半径方向の2つの方向を考慮した2次元物理モデルを例示するが、かかる2次元物理モデルに対して更に高炉の炉周方向の角度方向を追加した3次元メッシュを演算単位とする3次元物理モデルを考慮することも可能である。 Moreover, in the calculation process of the blast furnace operation feature value according to the present embodiment, the parameter setting unit 123 divides the inside of the blast furnace into a plurality of meshes as illustrated in FIG. The blast furnace operation feature amount calculation unit 103 according to the present embodiment considers a solid phase / liquid phase / gas phase model (so-called physical model) using the mesh as a calculation unit. As is apparent from the mesh section shown in FIG. 7, the blast furnace operation feature value calculation processing according to the present embodiment takes into account two directions of the blast furnace height direction and the blast furnace radial direction. Although a three-dimensional physical model is illustrated, it is also possible to consider a three-dimensional physical model in which a unit of calculation is a three-dimensional mesh obtained by adding an angular direction in the blast furnace circumferential direction to the two-dimensional physical model.
ここでメッシュの個数(すなわち、高炉内部をどのように区切るか)については、高炉操業特徴量の演算にかけることができるパーソナルコンピュータの演算能力やメモリ容量等のリソース及び演算時間、並びに、演算対象とする高炉の大きさ等に応じて、操業制御の精度等を考慮して適宜設定すればよい。また、図7に示したように、各メッシュの形状は矩形とすることが好ましいが、かかる形状に限定されるわけではない。 Here, regarding the number of meshes (that is, how to divide the interior of the blast furnace), resources such as computing capacity and memory capacity of personal computers that can be used for computing the blast furnace operating characteristic, computation time, and computation target Depending on the size of the blast furnace and the like, it may be set as appropriate in consideration of the accuracy of operation control. Further, as shown in FIG. 7, the shape of each mesh is preferably a rectangle, but is not limited to this shape.
更に、高炉内部を矩形のメッシュで区切る場合、高炉の炉壁を含むメッシュでは、メッシュの形状と当該メッシュに属する高炉の形状とが表記上は一致しないこととなる。しかしながら、メッシュの面積(又は体積)を、当該メッシュに属する実際の面積(又は体積)と設定することで、見かけ上の形状の不一致を解消することが可能である。 Further, when the inside of the blast furnace is divided by a rectangular mesh, in the mesh including the furnace wall of the blast furnace, the shape of the mesh does not coincide with the shape of the blast furnace belonging to the mesh. However, by setting the area (or volume) of the mesh as the actual area (or volume) belonging to the mesh, it is possible to eliminate the apparent shape mismatch.
また、パラメータ設定部123は、高炉操業特徴量演算部103で実施される演算処理で着目する化学反応式を設定する。炉内で進行している化学反応を表現する化学反応式はいくつかの組み合わせを仮定することができるが、以下においては、その一つの組み合わせの例として、図8に示した10個の化学反応式に着目する。すなわち、本実施形態に係るパラメータ設定部123は、図8に示した10個の化学反応式に着目する。 In addition, the parameter setting unit 123 sets a chemical reaction formula focused on in the calculation process performed by the blast furnace operation feature value calculation unit 103. The chemical reaction formula expressing the chemical reaction proceeding in the furnace can assume several combinations. In the following, as an example of one combination, the ten chemical reactions shown in FIG. Focus on the formula. That is, the parameter setting unit 123 according to the present embodiment pays attention to the ten chemical reaction formulas shown in FIG.
図8に示したように、着目する化学反応式は、原料である鉄鉱石がFeOまで還元される一連の反応(反応式1,2,9,10)、固体状態にあるFeOが溶解する反応(反応式3)、溶融FeOがFeに還元される直接還元反応(反応式4)、原料である鉄鉱石を還元する還元性ガスが生成される反応(反応式5,6,7)、水性ガスの変成反応(反応式8)に大別される。 As shown in FIG. 8, the chemical reaction formulas of interest are a series of reactions (reaction formulas 1, 2, 9, 10) in which iron ore as a raw material is reduced to FeO, and reactions in which FeO in a solid state is dissolved. (Reaction Formula 3), direct reduction reaction in which molten FeO is reduced to Fe (Reaction Formula 4), reaction in which a reducing gas that reduces iron ore as a raw material is generated (Reaction Formulas 5, 6, and 7), aqueous It is roughly divided into gas modification reaction (reaction formula 8).
図8に例示したように、高炉内で生じている化学反応には、吸熱反応も存在すれば、発熱反応も存在する。このような化学反応のうち、吸熱反応が多く進行するようになれば、高炉内の温度(炉内温度)が低下することとなり、出銑量の低下や、製造される銑鉄の品質の低下等を招くこととなる。従って、高炉を安定的に操業させるためには、これら化学反応の熱バランスを制御することが重要となる。 As illustrated in FIG. 8, the chemical reaction occurring in the blast furnace includes an endothermic reaction and an exothermic reaction. Of these chemical reactions, if endothermic reactions proceed a lot, the temperature in the blast furnace (furnace temperature) will decrease, resulting in a decrease in the amount of brewing and the quality of the pig iron produced. Will be invited. Therefore, to stably operate the blast furnace, it is important to control the heat balance of these chemical reactions.
パラメータ設定部123は、着目すべき化学反応式を設定すると、次に、着目する化学成分を選択する。以下で説明する具体例では、図8に示した多数の化学成分のうち、Fe2O3(S)、Fe3O4(S)、FeO(S)、FeO(L)、Fe(L)、C(S)、CO(G)CO2(G)、H2(G)、H2O(G)について着目する。なお、各化学式の末尾に記載された(S)は、化学式で表される成分が固体状態(Solid)にあることを示しており、末尾に記載された(L)は、化学式で表される成分が液体状態(Liquid)にあることを示しており、末尾に記載された(G)は、化学式で表される成分が気体状態(Gas)にあることを示している。 After setting the chemical reaction formula to be noted, the parameter setting unit 123 next selects the chemical component to be noted. In the specific example described below, among many chemical components shown in FIG. 8, Fe 2 O 3 (S), Fe 3 O 4 (S), FeO (S), FeO (L), Fe (L) , C (S), CO (G) CO 2 (G), H 2 (G), H 2 O (G). In addition, (S) described at the end of each chemical formula indicates that the component represented by the chemical formula is in a solid state (Solid), and (L) described at the end is represented by the chemical formula. The component is in a liquid state (Liquid), and (G) at the end indicates that the component represented by the chemical formula is in a gas state (Gas).
なお、上記化学反応式及び成分はあくまでも一例であって、図8に示した10種類以外の反応に着目してもよいし、図8に示した10種類の反応の中から更に選択すべき反応式を抽出してもよい。また、N2やSiなどの他の成分について着目してもよい。 Note that the above chemical reaction formulas and components are merely examples, and attention may be paid to reactions other than the 10 types shown in FIG. 8, or reactions to be further selected from the 10 types of reactions shown in FIG. An expression may be extracted. Further, it may be noted for other components such as N 2 or Si.
また、パラメータ設定部123は、以上説明したようなパラメータの他にも、高炉操業特徴量を演算する際に設定される各種のパラメータを設定することが可能である。 In addition to the parameters described above, the parameter setting unit 123 can set various parameters that are set when calculating the blast furnace operation feature amount.
以上、パラメータ設定部123が設定するパラメータの一例について、簡単に説明した。パラメータ設定部123は、このようなパラメータを設定すると、設定したパラメータを表す情報を、演算制御部121に出力する。また、パラメータ設定部123は、設定したパラメータを表す情報を、後述する反応速度算出部125及び特徴量算出部127に直接出力してもよい。 Heretofore, an example of parameters set by the parameter setting unit 123 has been briefly described. When such a parameter is set, the parameter setting unit 123 outputs information representing the set parameter to the calculation control unit 121. The parameter setting unit 123 may directly output information representing the set parameters to the reaction rate calculation unit 125 and the feature amount calculation unit 127 described later.
また、パラメータ設定部123は、設定したパラメータを表す情報を、パラメータを設定した日時等の時刻情報と関連付けて、履歴情報として記憶部111等に格納してもよい。 Further, the parameter setting unit 123 may store information representing the set parameter in the storage unit 111 or the like as history information in association with time information such as the date and time when the parameter is set.
反応速度算出部125は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。反応速度算出部125は、パラメータ設定部123が設定したパラメータを利用して、着目している化学反応それぞれの反応速度を算出する。反応速度算出部125は、反応速度を算出する際に、記憶部111等に格納されている各種のデータベースや文献値等に関する情報を適宜利用することが可能である。また、反応速度算出部125は、各種ネットワークに接続された情報検索サーバ等で管理されている様々な情報を、反応速度の算出に利用することも可能である。 The reaction rate calculation unit 125 is realized by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example. The reaction rate calculation unit 125 uses the parameters set by the parameter setting unit 123 to calculate the reaction rate of each chemical reaction of interest. When calculating the reaction rate, the reaction rate calculation unit 125 can appropriately use information on various databases and literature values stored in the storage unit 111 and the like. The reaction rate calculation unit 125 can also use various information managed by an information search server or the like connected to various networks for calculating the reaction rate.
本実施形態に係る反応速度算出部125は、原料であるFe2O3が還元性ガスであるH2又はCOによってFe2O3→Fe3O4→FeO→Feと還元される一連の反応速度を算出する際に、図9A〜図9Cに例示した未反応核界面モデルを利用する。未反応核界面モデルの考え方や当該モデルにおける仮定事項、及び、未反応核界面モデルに基づく一連の還元反応速度式は、例えば、非特許文献2及び非特許文献3等に開示されている。 The reaction rate calculation unit 125 according to this embodiment performs a series of reactions in which Fe 2 O 3 as a raw material is reduced to Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO → Fe by H 2 or CO as a reducing gas. When calculating the velocity, the unreacted nucleus interface model illustrated in FIGS. 9A to 9C is used. The concept of the unreacted nucleus interface model, the assumptions in the model, and a series of reduction reaction rate formulas based on the unreacted nucleus interface model are disclosed in, for example, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3.
以下では、まず、図9Aに示した未反応2界面モデル(Fe2O3→Fe3O4→FeO)を一例として、未反応核界面モデルの考え方及び仮定事項、並びに、還元反応速度式について説明する。 In the following, first, with the unreacted two-interface model (Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO) shown in FIG. 9A as an example, the concept and assumptions of the unreacted nuclear interface model, and the reduction reaction rate equation explain.
原料である鉄鉱石のガス還元反応は、気体と固体との反応である気固反応に分類され、固体粒子径はほぼ一定に保たれ、粒子内部に未反応核(未反応の部分)が存在し、未反応核の外側に還元反応生成物層が形成される反応であると考えられている。かかる還元反応を考慮するために、未反応核界面モデルというモデルが考えられている。この未反応核界面モデルは、粒子内の界面において反応が起こり、その反応界面が内部に向かって移動していくというモデルである。 The gas reduction reaction of iron ore, which is a raw material, is classified as a gas-solid reaction, which is a reaction between gas and solid, the solid particle diameter is kept almost constant, and there are unreacted nuclei (unreacted parts) inside the particles. However, it is considered that the reduction reaction product layer is formed outside the unreacted nucleus. In order to consider such a reduction reaction, a model called an unreacted nuclear interface model is considered. This unreacted nucleus interface model is a model in which a reaction occurs at the interface in the particle and the reaction interface moves toward the inside.
ここで、未反応固体物質の空隙率が非常に小さい場合には、反応ガスが粒子内部まで浸透して行かず、反応が外表面近傍でまず起こり、その反応が次第に粒子内部に向かって移動していくという、トポケミカル(topochemical)反応となる。この際の反応素過程は、(1)粒子の周囲に存在するガス境膜を通って還元性ガスが粒子表面へ移動するガス境膜内拡散過程、(2)還元反応生成物層内に存在する気孔を介して粒子表面から反応界面へ還元性ガスが移動する気孔内拡散過程、(3)反応界面における化学反応過程、の3過程が直列に並んで進行すると考えることができる。 Here, when the porosity of the unreacted solid substance is very small, the reaction gas does not permeate into the inside of the particle, the reaction first occurs near the outer surface, and the reaction gradually moves toward the inside of the particle. This is a topochemical reaction. The reactive element process at this time is (1) diffusion process in the gas film through which the reducing gas moves to the particle surface through the gas film existing around the particle, and (2) it exists in the reduction reaction product layer. It can be considered that the three processes of the pore diffusion process in which the reducing gas moves from the particle surface to the reaction interface through the pores to be generated and (3) the chemical reaction process at the reaction interface proceed in series.
ここで、鉄鉱石の還元反応のような気固反応では、固体粒子内における反応成分の濃度分布を考えた場合、濃度分布の時間的変化速度は小さく、比較的短い時間内では、あたかも定常的な濃度分布が成立しているとみなすことができる。このような擬定常状態近似が成立している場合には、上記3つの反応素過程の速度が等しいとして取り扱うことが可能となる。従って、本実施形態に係る反応速度算出部125では、このような擬定常状態近似が成立しているとして、鉄鉱石の還元に関する反応速度を算出する。 Here, in the gas-solid reaction such as the reduction reaction of iron ore, when the concentration distribution of the reaction components in the solid particles is considered, the temporal change rate of the concentration distribution is small, and it seems as if it is steady in a relatively short time. It can be considered that a proper concentration distribution is established. When such a quasi-steady state approximation is established, it is possible to treat the above three reaction element processes as equal in speed. Therefore, the reaction rate calculation unit 125 according to the present embodiment calculates the reaction rate related to the reduction of iron ore, assuming that such pseudo steady state approximation is established.
鉄鉱石の還元に関する反応速度を算出する際に、反応速度算出部125は、まず、未反応核界面モデルの界面における還元反応速度を算出する。 When calculating the reaction rate relating to the reduction of iron ore, the reaction rate calculation unit 125 first calculates the reduction reaction rate at the interface of the unreacted nuclear interface model.
本実施形態に係る未反応核2界面モデルでは、図9Aに示したように、未反応核であるFe2O3層の周囲に第1の還元反応生成物層であるFe3O4層が存在し、このFe3O4層の周囲に第2の還元反応生成物層であるFeO層が存在し、FeO層の周囲にガス境膜が存在するモデルを仮定する。Fe2O3層、Fe3O4層及びFeO層は、図9Aに示したように同心球として存在するものと仮定し、FeO層の半径(すなわち、鉄鉱石粒子の半径)をr0と表し、Fe2O3層の半径をr1と表し、Fe3O4層とFeO層との界面の半径をr2と表すこととする。 In the unreacted nucleus 2 interface model according to the present embodiment, as shown in FIG. 9A, the Fe 3 O 4 layer as the first reduction reaction product layer is formed around the Fe 2 O 3 layer as the unreacted nucleus. A model is assumed in which a FeO layer as a second reduction reaction product layer exists around the Fe 3 O 4 layer and a gas boundary film exists around the FeO layer. Assuming that the Fe 2 O 3 layer, the Fe 3 O 4 layer, and the FeO layer exist as concentric spheres as shown in FIG. 9A, the radius of the FeO layer (that is, the radius of the iron ore particles) is set to r 0 . The radius of the Fe 2 O 3 layer is expressed as r 1, and the radius of the interface between the Fe 3 O 4 layer and the FeO layer is expressed as r 2 .
また、以下で説明する未反応核2界面モデルでは、各パラメータについて、以下のような表記を行うこととする。ここで、第1界面とは、反応式1又は反応式9で表される化学反応が進行している界面であり、第2界面とは、反応式2又は反応式10で表される化学反応が進行している界面である。 Further, in the unreacted nucleus two interface model described below, the following notation is given for each parameter. Here, the first interface is an interface where the chemical reaction represented by the reaction formula 1 or the reaction formula 9 proceeds, and the second interface is a chemical reaction represented by the reaction formula 2 or the reaction formula 10. This is the interface where is progressing.
反応式1及び反応式2に着目した場合の未反応核2界面モデル
[H2]:還元性ガスH2のモル分率
[H2O]:H2Oガスのモル分率
kc,1:反応式1の還元反応の速度定数[cm/s]
kc,2:反応式2の還元反応の速度定数[cm/s]
ke,1:反応式1の還元反応の平衡定数
ke,2:反応式2の還元反応の平衡定数
Unreacted nucleus 2 interface model when paying attention to reaction formula 1 and reaction formula 2 [H 2 ]: mole fraction of reducing gas H 2 [H 2 O]: mole fraction of H 2 O gas k c, 1 : Rate constant of the reduction reaction of reaction formula 1 [cm / s]
k c, 2 : Rate constant of the reduction reaction of reaction formula 2 [cm / s]
k e, 1 : equilibrium constant of the reduction reaction of reaction formula 1 k e, 2 : equilibrium constant of the reduction reaction of reaction formula 2
反応式9及び反応式10に着目した場合の未反応核2界面モデル
[CO]:還元性ガスCOのモル分率
[CO2]:CO2ガスのモル分率
kc,9:反応式9の還元反応の速度定数[cm/s]
kc,10:反応式10の還元反応の速度定数[cm/s]
ke,9:反応式9の還元反応の平衡定数
ke,10:反応式10の還元反応の平衡定数
Unreacted nucleus two-interface model when paying attention to Reaction Formula 9 and Reaction Formula 10 [CO]: Molar fraction of reducing gas CO [CO 2 ]: Molar fraction of CO 2 gas k c, 9 : Reaction formula 9 Rate constant of the reduction reaction [cm / s]
k c, 10 : Rate constant [cm / s] of the reduction reaction of reaction formula 10
k e, 9 : equilibrium constant of the reduction reaction of reaction formula 9 k e, 10 : equilibrium constant of the reduction reaction of reaction formula 10
共通するパラメータ
y1:第1界面に関する界面半径比
y2:第2界面に関する界面半径比
Yb:粒子周囲のガスのモル分率
Y0:鉄鉱石粒子表面におけるガスのモル分率
Y1:第1界面でのガスのモル分率
Y2:第2界面でのガスのモル分率
Ye,1:第1界面でのガスの平衡モル分率
Ye,2:第2界面でのガスの平衡モル分率
VC,1:第1還元反応生成物層の界面での還元反応速度[mol/s]
VC,2:第2還元反応生成物層の界面での還元反応速度[mol/s]
VD,1:第1還元反応生成物層での還元反応速度[mol/s]
VD,2:第2還元反応生成物層での還元反応速度[mol/s]
kf:ガス境膜内の物質移動係数[m/s]
TG:還元性ガスの温度[K]
PG:還元性ガスの圧力[Pa]
RG:気体定数[J/mol・K]
Common parameters y 1 : Interface radius ratio relating to the first interface y 2 : Interface radius ratio relating to the second interface Y b : Molar fraction of gas around the particle Y 0 : Mole fraction of gas on the iron ore particle surface Y 1 : Mole fraction of gas at the first interface Y 2 : Mole fraction of gas at the second interface Y e, 1 : Equilibrium mole fraction of gas at the first interface Y e, 2 : Gas at the second interface Equilibrium molar fraction V C, 1 : Reduction reaction rate [mol / s] at the interface of the first reduction reaction product layer
V C, 2 : Reduction reaction rate [mol / s] at the interface of the second reduction reaction product layer
V D, 1 : Reduction reaction rate in the first reduction reaction product layer [mol / s]
V D, 2 : Reduction reaction rate in the second reduction reaction product layer [mol / s]
k f : Mass transfer coefficient in gas boundary film [m / s]
T G : Reducing gas temperature [K]
P G : Reducing gas pressure [Pa]
R G : Gas constant [J / mol · K]
ここで、Rf[s/m3]は、ガス境膜内の物質移動抵抗であり、対応する反応速度をVf[mol/s]と表すこととする。RC,1[s/m3]は、第1還元反応生成物層の界面での化学反応抵抗であり、RC,2[s/m3]は、第2還元反応生成物層の界面での化学反応抵抗である。また、RD,1[s/m3]は、第1還元反応生成物層における気孔内ガスの有効拡散抵抗であり、RD,2[s/m3]は、第2還元反応生成物層における気孔内ガスの有効拡散抵抗である。 Here, R f [s / m 3 ] is a mass transfer resistance in the gas boundary film, and the corresponding reaction rate is expressed as V f [mol / s]. R C, 1 [s / m 3 ] is the chemical reaction resistance at the interface of the first reduction reaction product layer, and R C, 2 [s / m 3 ] is the interface of the second reduction reaction product layer. Is the chemical reaction resistance. R D, 1 [s / m 3 ] is the effective diffusion resistance of the gas in the pores in the first reduction reaction product layer, and R D, 2 [s / m 3 ] is the second reduction reaction product. It is the effective diffusion resistance of the pore gas in the layer.
ガス境膜内の物質移動抵抗Rfの抵抗をFと表すこととすると、抵抗Fは、ガス境膜内の物質移動係数kfに関連する値となる。また、第1還元反応生成物層の界面及び第2還元反応生成物層での界面での化学反応抵抗RC,1,RC,2に基づく抵抗をそれぞれ新たにA1、A2と表記すると、かかる化学反応抵抗A1、A2は、還元反応の速度定数kc,1,kc,2と、各反応式の化学反応の平衡定数K1,K2とに関連する値となる。更に、第1還元反応生成物層及び第2還元反応生成物層における気孔内ガスの有効拡散抵抗RD,1、RD,2に基づく有効拡散抵抗をそれぞれ新たにB1,B2と表記すると、かかる有効拡散抵抗B1,B2は、第1還元反応生成物層及び第2還元反応生成物層の気孔内ガスの有効拡散係数De,1,De,2に関連する値となる。 If the resistance of the mass transfer resistance Rf in the gas film is represented by F, the resistance F is a value related to the mass transfer coefficient k f in the gas film. Further, resistances based on the chemical reaction resistances R C, 1 , R C, 2 at the interface of the first reduction reaction product layer and the interface of the second reduction reaction product layer are newly expressed as A 1 and A 2 , respectively. Then, the chemical reaction resistances A 1 and A 2 are values related to the rate constants k c, 1 , k c, 2 of the reduction reaction and the equilibrium constants K 1 , K 2 of the chemical reaction of each reaction formula. . Further, the effective diffusion resistances based on the effective diffusion resistances R D, 1 , RD, 2 of the gas in the pores in the first reduction reaction product layer and the second reduction reaction product layer are newly expressed as B 1 and B 2 , respectively. Then, the effective diffusion resistances B 1 and B 2 are values related to the effective diffusion coefficients D e, 1 and De, 2 of the gas in the pores of the first reduction reaction product layer and the second reduction reaction product layer. Become.
本実施形態に係る反応速度算出部125は、演算パラメータr0、r1、r2、De,1、De,2、kf、PG、RG、TG、[H2]、[H2O]、εに基づいて、各抵抗における具体的な抵抗と、駆動力となる平衡モル分率と、を算出して、各抵抗における還元反応速度を算出する。 The reaction rate calculation unit 125 according to the present embodiment includes calculation parameters r 0 , r 1 , r 2 , De, 1 , De, 2 , k f , P G , R G , T G , [H 2 ], Based on [H 2 O] and ε, a specific resistance in each resistor and an equilibrium molar fraction serving as a driving force are calculated, and a reduction reaction rate in each resistor is calculated.
ここで、反応速度算出部125は、上記演算パラメータのうち、高炉操業情報に含まれているものについては、高炉操業情報に記載されている値を、演算処理の初期値とする。また、反応速度算出部125は、上記演算パラメータのうち高炉操業情報に含まれていないものについては、各種のデータベースや文献値等に関する情報や、高炉操業状態制御装置10の使用者がキーボード、タッチパネル、各種操作ボタン等の入力装置を介して入力した各種の設定情報や、高炉操業状態制御装置10に接続可能な外部装置から取得した情報に基づいて決定した値を、演算処理の初期値とする。また、時間刻みの更新が行われた場合には、更新前の演算により算出された値が転用可能な演算パラメータについては、算出値を利用して時間刻みの更新後の演算パラメータが決定される。 Here, the reaction rate calculation unit 125 sets the value described in the blast furnace operation information as the initial value of the calculation process for the calculation parameters included in the blast furnace operation information. Moreover, the reaction rate calculation part 125 is the information about various databases, literature values, etc. about the thing which is not contained in the blast furnace operation information among the said calculation parameters, the user of the blast furnace operation state control apparatus 10 uses a keyboard, a touch panel. The value determined based on various setting information input via an input device such as various operation buttons and information acquired from an external device connectable to the blast furnace operation state control device 10 is used as an initial value of the arithmetic processing. . In addition, when the time step is updated, for the calculation parameter to which the value calculated by the calculation before the update can be diverted, the calculation parameter after the time step is updated is determined using the calculated value. .
なお、反応速度算出部125において利用される具体的な演算式については、反応工学における公知の方法により定式化することが可能であるが、以下では、反応式1及び反応式2における反応速度を算出する際に用いられる式について、適宜例を挙げて示すものとする。 Note that a specific arithmetic expression used in the reaction rate calculation unit 125 can be formulated by a known method in reaction engineering. In the following, the reaction rates in the reaction equation 1 and the reaction equation 2 are expressed. Examples of formulas used for calculation will be given as appropriate.
反応速度算出部125は、設定された演算パラメータを利用して、速度定数kc,1,kc,2、及び、平衡定数ke,1,ke,2を算出する。速度定数kc,1,kc,2、及び、平衡定数ke,1,ke,2は、還元性ガスの温度TGをパラメータとして含む指数を用いて指数関数で表されることが各種の非特許文献(例えば、非特許文献2,3,5等)に開示されており、反応速度算出部125は、これらの文献等に記載されている式を用いて、速度定数kc,1,kc,2、及び、平衡定数ke,1,ke,2を算出可能である。 The reaction rate calculation unit 125 calculates rate constants k c, 1 , k c, 2 and equilibrium constants k e, 1 , k e, 2 using the set operation parameters. The rate constants k c, 1 , k c, 2 and the equilibrium constants k e, 1 , k e, 2 may be expressed by an exponential function using an index including the temperature TG of the reducing gas as a parameter. It is disclosed in various non-patent literatures (for example, non-patent literatures 2, 3, and 5), and the reaction rate calculation unit 125 uses a rate constant k c, 1 , k c, 2 and the equilibrium constants k e, 1 , k e, 2 can be calculated.
また、反応速度算出部125は、設定された演算パラメータを利用して、以下の式101及び式102により、界面半径比y1,y2を算出する。 In addition, the reaction rate calculation unit 125 calculates the interface radius ratios y 1 and y 2 by the following formulas 101 and 102 using the set calculation parameters.
反応速度算出部125は、これらの値を算出すると、演算パラメータ及び算出した値を利用して、以下の式103〜式108により、総括物質移動係数W2を算出する。 The reaction rate calculation unit 125, when calculating these values, by using the operation parameter and the calculated value by the following formula 103 to formula 108, to calculate the overall mass transfer coefficient W 2.
他方、反応速度算出部125は、演算パラメータ及び算出した値を利用して、反応の駆動力となる平衡モル分率Ye,1H,Ye,2Hを算出する。この平衡モル分率は、着目している反応に関与する還元性ガスの平衡モル分率が、平衡状態にある全ガス成分のモル分率の和に占める割合として定義することができる。反応速度算出部125は、かかる平衡モル分率を、着目している反応に関与するガス成分(本例では、H2ガス及びH2Oガス)のモル分率[H2],[H2O]と、平衡定数ke,1,ke,2を用いて算出する。 On the other hand, the reaction rate calculation unit 125 calculates equilibrium molar fractions Y e, 1H , Y e, 2H that are the driving force of the reaction, using the calculation parameters and the calculated values. This equilibrium mole fraction can be defined as the ratio of the equilibrium mole fraction of the reducing gas involved in the reaction of interest to the sum of the mole fractions of all gas components in the equilibrium state. The reaction rate calculation unit 125 converts the equilibrium molar fraction into molar fractions [H 2 ], [H 2 ] of gas components (in this example, H 2 gas and H 2 O gas) involved in the reaction of interest. O] and equilibrium constants k e, 1 , k e, 2 .
反応速度算出部125は、以上説明したような値を算出すると、以下の式109及び式110を利用して、H2ガスを還元性ガスとして用いた場合における、第1界面での還元反応速度VC,1Hと、第2界面での還元反応速度VC,2Hとを算出する。 When the reaction rate calculation unit 125 calculates the values as described above, the reduction reaction rate at the first interface when H 2 gas is used as the reducing gas using the following formulas 109 and 110. V C, 1H and the reduction reaction rate V C, 2H at the second interface are calculated.
反応速度算出部125は、各界面での還元反応速度を算出すると、以下の式111及び式112に基づいて、反応式1における反応速度R1及び反応式2における反応速度R2を算出する。なお、以下の式111におけるV1,H2は、VC,1Hに対応しており、以下の式112におけるV2,H2は、VC,2Hに対応している。 When calculating the reduction reaction rate at each interface, the reaction rate calculation unit 125 calculates the reaction rate R 1 in the reaction equation 1 and the reaction rate R 2 in the reaction equation 2 based on the following equations 111 and 112. Note that V 1 and H2 in the following formula 111 correspond to V C and 1H , and V 2 and H2 in the following formula 112 correspond to V C and 2H .
また、COガスを還元性ガスとして利用する反応式9及び反応式10における反応速度についても、同様にして算出することが可能である。 Further, the reaction rates in the reaction formulas 9 and 10 that use CO gas as the reducing gas can be calculated in the same manner.
すなわち、反応速度算出部125は、反応式1及び反応式2における場合と同様にして、設定された演算パラメータを利用して、速度定数kc,9,kc,10、及び、平衡定数ke,9,ke,10を算出する。反応式9及び反応式10についても、速度定数kc,1,kc,2、及び、平衡定数ke,9,ke,10は、還元性ガスの温度TGをパラメータとして含む指数を用いて指数関数で表されることが各種の非特許文献(例えば、非特許文献4,5等)に開示されており、反応速度算出部125は、これらの文献等に記載されている式を用いて、速度定数kc,9,kc,10、及び、平衡定数ke,9,ke,10を算出可能である。 That is, the reaction rate calculation unit 125 uses the set operation parameters in the same manner as in the reaction equations 1 and 2, and uses the set operation parameters to set the rate constants k c, 9 , k c, 10 and the equilibrium constant k. e, 9 , ke , 10 are calculated. Also for the reaction formulas 9 and 10, the rate constants k c, 1 , k c, 2 and the equilibrium constants k e, 9 , k e, 10 have an index including the temperature TG of the reducing gas as a parameter. It is disclosed in various non-patent literatures (for example, non-patent literatures 4 and 5) that are expressed by an exponential function, and the reaction rate calculation unit 125 uses equations described in these literatures and the like. It is possible to calculate the rate constants k c, 9 , k c, 10 and the equilibrium constants k e, 9 , k e, 10 .
かかる値を算出することで、反応速度算出部125は、反応式1及び反応式2の場合と同様にして、以下の式113〜式116により、各抵抗を算出することができる。その結果、反応速度算出部125は、上記式107及び式108を利用して、総括物質移動係数W2を算出することができる。 By calculating such a value, the reaction rate calculation unit 125 can calculate each resistance by the following equations 113 to 116 in the same manner as in the reaction equations 1 and 2. As a result, the reaction rate calculation unit 125 can calculate the overall mass transfer coefficient W 2 using the above formula 107 and formula 108.
他方、反応速度算出部125は、反応式1及び反応式2における場合と同様にして、演算パラメータ及び算出した値を利用して、反応の駆動力となる平衡モル分率Ye,1C,Ye,2Cを算出する。すなわち、反応速度算出部125は、平衡モル分率Ye,1C,Ye,2Cを、着目している反応に関与するガス成分(本例では、COガス及びCO2ガス)のモル分率[CO],[CO2]と、平衡定数ke,9,ke,10を用いて算出する。 On the other hand, the reaction rate calculation unit 125 uses the calculation parameters and the calculated values in the same manner as in Reaction Formula 1 and Reaction Formula 2, and uses the calculated molar fraction Y e, 1C , Y as the driving force for the reaction. e, 2C is calculated. That is, the reaction rate calculation unit 125 uses the equilibrium molar fractions Y e, 1C , Y e, 2C as the molar fractions of gas components (in this example, CO gas and CO 2 gas) involved in the reaction of interest. Calculation is made using [CO], [CO 2 ] and the equilibrium constants k e, 9 , k e, 10 .
反応速度算出部125は、以上説明したような値を算出すると、以下の式117及び式118を利用して、COガスを還元性ガスとして用いた場合における、第1界面での還元反応速度VC,1Cと、第2界面での還元反応速度VC,2Cとを算出する。 When the reaction rate calculation unit 125 calculates the values as described above, the reduction reaction rate V at the first interface when CO gas is used as the reducing gas using the following formulas 117 and 118. C, 1C and the reduction reaction rate V C, 2C at the second interface are calculated.
反応速度算出部125は、各界面での還元反応速度を算出すると、以下の式119及び式120に基づいて、反応式9における反応速度R9及び反応式10における反応速度R10を算出する。なお、以下の式119におけるV1,COは、VC,1Cに対応しており、以下の式120におけるV2,COは、VC,2Cに対応している。 When the reaction rate calculation unit 125 calculates the reduction reaction rate at each interface, the reaction rate calculation unit 125 calculates the reaction rate R 9 in the reaction formula 9 and the reaction rate R 10 in the reaction formula 10 based on the following formulas 119 and 120. Note that V 1 and CO in the following expression 119 correspond to V C and 1C , and V 2 and CO in the expression 120 below correspond to V C and 2C .
以上のようにして、本実施形態に係る反応速度算出部125は、原料である鉄鉱石の還元反応の反応速度を算出することができる。 As described above, the reaction rate calculation unit 125 according to the present embodiment can calculate the reaction rate of the reduction reaction of the iron ore that is the raw material.
また、図8に示した他の気固反応の反応速度についても、適切な界面数を考慮した未反応核界面モデルを考慮し、速度定数kcや平衡定数keに関する文献値等を適宜利用することで、同様にして反応速度を算出することが可能である。また、文献に記載されている反応速度の算出式そのものを、利用することも可能である。 As for the kinetics of the other gas-solid reaction shown in FIG. 8, considering the unreacted nuclear interface model considering the appropriate number of surfactants, properly used literature concerning the rate constant k c and the equilibrium constant k e By doing so, it is possible to calculate the reaction rate in the same manner. It is also possible to use the reaction rate calculation formula itself described in the literature.
以上、図9Aを参照しながら、未反応核2界面モデルを利用した反応速度の算出方法の一例について、具体的に説明した。 The example of the method for calculating the reaction rate using the unreacted nucleus two-interface model has been specifically described above with reference to FIG. 9A.
なお、本実施形態に係る反応速度算出部125は、先だって述べたように、上記未反応核2界面モデル以外のモデルを利用して反応速度を算出することもできる。以下では、図9Bを参照しながら、未反応核1界面モデルを用いた場合の反応速度の算出方法について、簡単に説明する。 Note that the reaction rate calculation unit 125 according to the present embodiment can also calculate the reaction rate using a model other than the unreacted nucleus two-interface model as described above. Hereinafter, with reference to FIG. 9B, a method for calculating the reaction rate when the unreacted nucleus 1 interface model is used will be briefly described.
なお、以下で説明する未反応核1界面モデルは、図9Bに示したように、考慮する界面数を1としたモデルであり、以下の反応式11及び反応式12で表される化学反応(Fe2O3の還元反応)を考慮するものである。 In addition, the unreacted nucleus 1 interface model described below is a model in which the number of interfaces to be considered is 1 as shown in FIG. 9B, and the chemical reaction represented by the following reaction formulas 11 and 12 ( (Reduction reaction of Fe 2 O 3 ).
Fe2O3+3H2 → 2Fe+3H2O ・・・(反応式11)
Fe2O3+3CO → 2Fe+3CO ・・・(反応式12)
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O (reaction formula 11)
Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO (reaction formula 12)
かかる未反応核1界面モデルを利用する場合、反応速度算出部125は、以下の式121に基づいて、還元反応速度VC,1H,VC,1Cを算出することができる。なお、以下の式121では、VC,1H,VC,1CをまとめてVC,1として1つの式で表記している。 When using such an unreacted nucleus 1 interface model, the reaction rate calculation unit 125 can calculate the reduction reaction rates V C, 1H , V C, 1C based on the following equation 121. In the following expression 121, V C, 1H , V C, 1C are collectively expressed as one expression as V C, 1 .
ここで、上記式121において、パラメータA1は、以下の式122で表される化学反応抵抗であり、パラメータB1は、以下の式123で表される有効拡散抵抗であり、パラメータFは、以下の式124で表される物質移動抵抗である。また、反応速度算出部125は、算出したこれらの抵抗を利用して、以下の式125で表される総括物質移動係数W1を算出することができる。なお、以下の式122におけるパラメータK1は、上記反応式11又は反応式12の平衡定数である。 Here, in the above equation 121, the parameter A 1 is a chemical reaction resistance represented by the following equation 122, the parameter B 1 is an effective diffusion resistance represented by the following equation 123, and the parameter F is It is a mass transfer resistance represented by the following formula 124. In addition, the reaction rate calculation unit 125 can calculate an overall mass transfer coefficient W 1 represented by the following formula 125 using these calculated resistances. The parameter K 1 in the following equation 122 is the equilibrium constant of the above reaction equation 11 or reaction equation 12.
反応速度算出部125は、上記式120に基づいて還元反応速度を算出すると、先だって説明した未反応核2界面モデルと同様にして、着目している化学反応(反応式11、反応式12)の反応速度を算出することができる。 When the reaction rate calculation unit 125 calculates the reduction reaction rate based on the above equation 120, the reaction rate calculation unit 125 of the focused chemical reaction (reaction equation 11, reaction equation 12) is similar to the unreacted nucleus two-interface model described above. The reaction rate can be calculated.
続いて、図9Cを参照しながら、未反応核3界面モデルを用いた場合の反応速度の算出方法について、簡単に説明する。 Next, with reference to FIG. 9C, a method for calculating the reaction rate when the unreacted nucleus three-interface model is used will be briefly described.
なお、以下で説明する未反応核3界面モデルは、図9Cに示したように、考慮する界面数を3としたモデルであり、以下の反応式13〜反応式18で表される一連の化学反応を考慮するものである。ここで、以下の反応式13〜反応式15は、還元性ガスとしてH2ガスが関与する場合の化学反応式であり、以下の反応式16〜反応式18は、還元性ガスとしてCOガスが関与する場合の化学反応式である。 In addition, the unreacted nucleus 3 interface model described below is a model in which the number of interfaces to be considered is 3 as shown in FIG. 9C, and a series of chemistry represented by the following reaction formula 13 to reaction formula 18 The reaction is taken into account. Here, the following reaction formulas 13 to 15 are chemical reaction formulas when H 2 gas is involved as the reducing gas, and the following reaction formulas 16 to 18 are those in which CO gas is used as the reducing gas. It is a chemical reaction formula when involved.
かかる未反応核3界面モデルを利用する場合、反応速度算出部125は、以下の式126〜式128に基づいて、還元反応速度VC,1H,VC,2H,VC,3H,VC,1C,VC,2C,VC,3Cを算出することができる。なお、以下の式126〜式128では、VC,nH,VC,nCをまとめてVC,nとして1つの式で表記している。 When using such an unreacted nucleus 3 interface model, the reaction rate calculation unit 125 calculates the reduction reaction rates V C, 1H , V C, 2H , V C, 3H , V C based on the following equations 126 to 128. , 1C , VC , 2C , VC , 3C can be calculated. In Expressions 126 to 128 below, V C, nH , V C, nC are collectively expressed as one expression as V C, n .
ここで、上記式126は、反応式13及び反応式16に基づく第1界面における還元反応速度であり、上記式127は、反応式14及び反応式17に基づく第2界面における還元反応速度であり、上記式128は、反応式15及び反応式18に基づく第3界面における還元反応速度である。 Here, the equation 126 is a reduction reaction rate at the first interface based on the reaction equation 13 and the reaction equation 16, and the equation 127 is a reduction reaction rate at the second interface based on the reaction equation 14 and the reaction equation 17. Equation 128 is a reduction reaction rate at the third interface based on Reaction Equation 15 and Reaction Equation 18.
また、上記式126〜式128において、パラメータAnは、以下の式129で表される化学反応抵抗であり、パラメータBnは、以下の式130で表される有効拡散抵抗であり、パラメータFは、以下の式131で表される物質移動抵抗である。なお、以下の式129におけるパラメータKnは、各界面(n=1〜3)にて生じている化学反応の平衡定数である。また、以下の式129及び式130におけるパラメータRnは、各界面における還元率であり、以下の式132で表されるものである。なお、以下の式132においてR4=0である。 In the above formulas 126 to 128, the parameter An is a chemical reaction resistance expressed by the following formula 129, the parameter B n is an effective diffusion resistance expressed by the following formula 130, and the parameter F Is a mass transfer resistance represented by the following expression 131. Note that the parameter K n in Formula 129 below, the equilibrium constant of a chemical reaction occurring at the interface (n = 1~3). In addition, a parameter R n in the following formulas 129 and 130 is a reduction rate at each interface, and is represented by the following formula 132. In the following formula 132, R 4 = 0.
反応速度算出部125は、算出したこれらの抵抗を利用して、以下の式133で表される総括物質移動係数W3を算出することができる。 The reaction rate calculation unit 125 can calculate an overall mass transfer coefficient W 3 represented by the following expression 133 using these calculated resistances.
反応速度算出部125は、上記式126〜式128に基づいて還元反応速度を算出すると、先だって説明した未反応核2界面モデルと同様にして、着目している化学反応の反応速度を算出することができる。 When the reaction rate calculation unit 125 calculates the reduction reaction rate based on the above formulas 126 to 128, the reaction rate calculation unit 125 calculates the reaction rate of the focused chemical reaction in the same manner as the unreacted nucleus two-interface model described above. Can do.
以上、図9A〜図9Cを参照しながら、未反応核界面モデルを利用した酸化鉄の還元反応の反応速度の算出処理について、詳細に説明した。 The processing for calculating the reaction rate of the iron oxide reduction reaction using the unreacted nucleus interface model has been described in detail above with reference to FIGS. 9A to 9C.
なお、図8に示した反応式1,2,9,10以外の化学反応の反応速度は、各種非特許文献等に基づいて公知の方法により算出することが可能である。 The reaction rates of chemical reactions other than reaction formulas 1, 2, 9, and 10 shown in FIG. 8 can be calculated by known methods based on various non-patent documents.
例えば、図8の反応式3に示した、固体相FeOの液体相FeOへの相変化反応の反応速度R3は、例えば、溶融温度における平衡条件式により与えることができる。また、図8の反応式4に示した溶融FeOのCによる直接還元反応の反応速度R4は、例えば、非特許文献6に基づいて算出することができる。 For example, the reaction rate R 3 of the phase change reaction of the solid phase FeO to the liquid phase FeO shown in the reaction formula 3 of FIG. 8 can be given by, for example, the equilibrium condition formula at the melting temperature. Further, the reaction rate R 4 of the direct reduction reaction of molten FeO with C shown in the reaction formula 4 of FIG. 8 can be calculated based on Non-Patent Document 6, for example.
また、図8の反応式5に示したレースウエイにおけるO2によるCの燃焼反応の反応速度R5は、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算処理におけるパラメータとして与えることができる。更に、図8の反応式6に示したCO2によるカーボン・ソリューション反応の反応速度R6は、例えば、非特許文献7及び非特許文献8に基づいて算出することができる。また、図8の反応式7に示したH2Oによるカーボン・ソリューション反応の反応速度R7は、例えば、非特許文献7及び非特許文献8に基づいて算出することができる。 Further, the reaction rate R 5 of the C combustion reaction by O 2 in the raceway shown in the reaction formula 5 of FIG. 8 can be given as a parameter in the calculation processing of the blast furnace operation feature value according to the present embodiment. Furthermore, the reaction rate R 6 of the carbon solution reaction with CO 2 shown in the reaction formula 6 of FIG. 8 can be calculated based on Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8, for example. Further, the reaction rate R 7 of the carbon solution reaction with H 2 O shown in the reaction formula 7 of FIG. 8 can be calculated based on Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8, for example.
また、図8の反応式8に示した水性ガス変性反応(シフト反応)の反応速度R8は、反応式1の反応速度R1、反応式2の反応速度R2及び反応式7の反応速度R7を利用して、R8=(1/3)R1+R2−R7として算出することが可能である。 Further, the reaction rate R 8 of the water gas modification reaction (shift reaction) shown in the reaction formula 8 of FIG. 8 is the reaction rate R 1 of the reaction formula 1 , the reaction rate R 2 of the reaction formula 2, and the reaction rate of the reaction formula 7. by using R 7, it can be calculated as R 8 = (1/3) R 1 + R 2 -R 7.
反応速度算出部125は、以上説明したようにして着目する化学反応式における反応速度を算出すると、算出した反応速度を表す情報を、演算制御部121に出力する。なお、反応速度算出部125は、算出した反応速度を表す情報を、特徴量算出部127に直接出力してもよい。 When the reaction rate calculation unit 125 calculates the reaction rate in the chemical reaction formula of interest as described above, the reaction rate calculation unit 125 outputs information representing the calculated reaction rate to the arithmetic control unit 121. Note that the reaction rate calculation unit 125 may directly output information representing the calculated reaction rate to the feature amount calculation unit 127.
また、反応速度算出部125は、算出した反応速度を表す情報を、反応速度を算出した日時等の時刻情報に関連付けて、履歴情報として記憶部111等に格納してもよい。 The reaction rate calculation unit 125 may store information indicating the calculated reaction rate in the storage unit 111 or the like as history information in association with time information such as the date and time when the reaction rate is calculated.
特徴量算出部127は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。特徴量算出部127は、高炉操業情報、パラメータ設定部123により設定された各種パラメータ、及び、反応速度算出部125により算出された反応速度に基づいて、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量を算出する。 The feature amount calculation unit 127 is realized by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example. The feature amount calculation unit 127 is a blast furnace that is a feature amount representing the operation state of the blast furnace based on the blast furnace operation information, the various parameters set by the parameter setting unit 123, and the reaction rate calculated by the reaction rate calculation unit 125. Calculate operational features.
この際、特徴量算出部127は、パラメータ設定部123により設定されたメッシュを演算単位として、固体相・液体相・気体相の各相状態モデルを利用し、高炉操業特徴量の算出をオンラインで行う。 At this time, the feature amount calculation unit 127 calculates the blast furnace operation feature amount online by using each phase state model of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase using the mesh set by the parameter setting unit 123 as a calculation unit. Do.
ここで、固体相モデル・液体相モデル・気体相モデルの各物理モデルは、物質収支式、熱収支式、移動速度決定式の3種類の偏微分方程式から構成される。以下、各相の物理モデルについて、具体的な式を示しながら説明する。 Here, each physical model of a solid phase model, a liquid phase model, and a gas phase model is composed of three types of partial differential equations: a mass balance equation, a heat balance equation, and a moving speed determination equation. Hereinafter, the physical model of each phase will be described with specific formulas.
○固体相モデル
まず、固体相モデルについて説明する。
固体相モデルは、以下の式141で表される物質収支式と、式142で表される熱収支式と、式143及び式144で表される移動速度決定式からなる。ここで、下記式143及び式144で表される移動速度決定式は、いわゆるkinematic modelにおける定式を利用している。
○ Solid Phase Model First, the solid phase model will be described.
The solid phase model includes a mass balance equation expressed by the following equation 141, a heat balance equation expressed by the equation 142, and a moving speed determination equation expressed by the equations 143 and 144. Here, the moving speed determination formulas represented by the following formulas 143 and 144 use formulas in a so-called kinematic model.
ここで、上記式141において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 Here, in the above equation 141, the meaning of each parameter in the equation is as follows.
αi:固体成分iの体積分率
vS:固体相流れの速度ベクトル[m/s]
αij:固体成分iの化学反応式jにおける係数
mS,i:固体成分iの単位モルあたりの質量[kg/mol]
di:固体成分iの密度[kg/m3]
Rj:化学反応式jの反応速度
t:時間[s]
ε:空隙率
α i : Volume fraction of solid component i v S : Velocity vector [m / s] of solid phase flow
α ij : coefficient in chemical reaction formula j of solid component i m S, i : mass per unit mole of solid component i [kg / mol]
d i : density of solid component i [kg / m 3 ]
R j : Reaction rate of chemical reaction formula j t: Time [s]
ε: porosity
また、上記式142において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。なお、式141と共通するパラメータについては、記載を省略する。 Moreover, in the said Formula 142, the meaning of each parameter in an equation is as follows. Note that description of parameters common to the expression 141 is omitted.
TS:固体相温度[K]
TL:液体相温度[K]
TG:気体相温度[K]
ρS:固体相密度[kg/m3]=Σ(di・αi)
CS:固体相比熱[J/(kg・K)]
ηS:固体相への熱分配率
kS:固体相の熱拡散率[W/(m・K)・m]
UGS:気体相から固体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
ULS:液体相から固体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
T S : Solid phase temperature [K]
T L : Liquid phase temperature [K]
T G : Gas phase temperature [K]
ρ S : solid phase density [kg / m 3 ] = Σ (d i · α i )
C S : Solid phase specific heat [J / (kg · K)]
η S : heat distribution rate to solid phase k S : thermal diffusivity of solid phase [W / (m · K) · m]
U GS : Heat transfer coefficient from gas phase to solid phase [W / (m 2 · K) · m 2 ]
U LS : Heat transfer coefficient from the liquid phase to the solid phase [W / (m 2 · K) · m 2 ]
また、上記式143及び式144において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 Moreover, in the said Formula 143 and Formula 144, the meaning of each parameter in an equation is as follows.
vS,x:固体相移動速度のx成分[m/s]
vS,y:固体相移動速度のy成分[m/s]
BS:比例定数
α:固体相の体積分率の総和=Σαi
v S, x : x component [m / s] of solid phase transfer velocity
v S, y : y component [m / s] of solid phase transfer velocity
B S : proportionality constant α: total volume fraction of solid phase = Σα i
○液体相モデル
次に、液体相モデルについて説明する。
液体相モデルは、以下の式145で表される物質収支式と、式146で表される熱収支式と、式147及び式148で表される移動速度決定式からなる。ここで、下記式147及び式148で表される移動速度決定式は、いわゆるkinematic modelにおける定式を利用している。
-Liquid phase model Next, a liquid phase model is demonstrated.
The liquid phase model includes a mass balance equation expressed by the following equation 145, a heat balance equation expressed by equation 146, and a moving speed determination equation expressed by equations 147 and 148. Here, the moving speed determination formula represented by the following formula 147 and formula 148 uses a formula in a so-called kinematic model.
ここで、上記式145において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 Here, in the above equation 145, the meaning of each parameter in the equation is as follows.
γi:液体成分iの密度[kg/m3]
vL:液体相流れの速度ベクトル[m/s]
bij:液体成分iの化学反応式jにおける係数
mL,i:液体成分iの単位モルあたりの質量[kg/mol]
di:固体成分iの密度[kg/m3]
Rj:化学反応式jの反応速度
t:時間[s]
γ i : density of liquid component i [kg / m 3 ]
v L : Liquid phase flow velocity vector [m / s]
b ij : Coefficient in chemical reaction formula j of liquid component i m L, i : Mass per unit mole of liquid component i [kg / mol]
d i : density of solid component i [kg / m 3 ]
R j : Reaction rate of chemical reaction formula j t: Time [s]
また、上記式146において、各パラメータの意味は、以下の通りである。 In the above formula 146, the meaning of each parameter is as follows.
TS:固体相温度[K]
TL:液体相温度[K]
TG:気体相温度[K]
γL:液体相密度[kg/m3]=Σγi
CL:液体相比熱[J/(kg・K)]
ηL:液体相への熱分配率
kL:液体相の熱拡散率[W/(m・K)・m]
USL:固体相から液体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
UGL:気体相から液体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
T S : Solid phase temperature [K]
T L : Liquid phase temperature [K]
T G : Gas phase temperature [K]
γ L : liquid phase density [kg / m 3 ] = Σγ i
C L : Liquid phase specific heat [J / (kg · K)]
η L : heat distribution ratio to the liquid phase k L : thermal diffusivity of the liquid phase [W / (m · K) · m]
U SL : Heat transfer coefficient from the solid phase to the liquid phase [W / (m 2 · K) · m 2 ]
U GL : Heat transfer coefficient from gas phase to liquid phase [W / (m 2 · K) · m 2 ]
また、上記式147及び式148において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 Moreover, in the said Formula 147 and Formula 148, the meaning of each parameter in an equation is as follows.
vL,x:液体相移動速度のx成分[m/s]
vL,y:液体相移動速度のy成分[m/s]
BL:比例定数
γ:液体相の体積分率の総和=Σγi
v L, x : x component of liquid phase transfer velocity [m / s]
v L, y : y component [m / s] of liquid phase transfer velocity
B L : proportionality constant γ: total volume fraction of liquid phase = Σγ i
○気体相モデル
次に、気体相モデルについて説明する。
気体相モデルは、以下の式149で表される物質収支式と、式150で表される熱収支式と、式151〜式153で表される移動速度決定式からなる。ここで、下記式151〜式153で表される移動速度決定式は、いわゆるErgun式を利用している。
○ Gas Phase Model Next, the gas phase model will be described.
The gas phase model includes a material balance equation expressed by the following equation 149, a heat balance equation expressed by equation 150, and a moving speed determination equation expressed by equations 151-153. Here, the so-called Ergun equation is used as the moving velocity determination equation represented by the following equations 151 to 153.
ここで、上記式149において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 Here, in the above equation 149, the meaning of each parameter in the equation is as follows.
βi:気体成分iの密度[kg/m3]
vG:気体相流れの速度ベクトル[m/s]
kG:気体拡散係数[m2/s]
aij:気体成分iの化学反応式jにおける係数
mG,i:気体成分iの単位モルあたりの質量[kg/mol]
di:固体成分iの密度[kg/m3]
Rj:化学反応式jの反応速度
t:時間[s]
ε:空隙率
β i : density of gas component i [kg / m 3 ]
v G : Gas phase flow velocity vector [m / s]
k G : Gas diffusion coefficient [m 2 / s]
a ij : coefficient in the chemical reaction formula j of the gas component i m G, i : mass per unit mole of the gas component i [kg / mol]
d i : density of solid component i [kg / m 3 ]
R j : Reaction rate of chemical reaction formula j t: Time [s]
ε: porosity
また、上記式150において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 In the above formula 150, the meaning of each parameter in the equation is as follows.
TS:固体相温度[K]
TL:液体相温度[K]
TG:気体相温度[K]
βG:気体相密度[kg/m3]=Σβi
CG:気体相比熱[J/(kg・K)]
ηG:気体相への熱分配率
kG:気体相の熱拡散率[W/(m・K)・m]
USG:固体相から気体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
ULG:液体相から気体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
T S : Solid phase temperature [K]
T L : Liquid phase temperature [K]
T G : Gas phase temperature [K]
β G : gas phase density [kg / m 3 ] = Σβ i
C G : Gas phase specific heat [J / (kg · K)]
η G : heat distribution ratio to the gas phase k G : thermal diffusivity of the gas phase [W / (m · K) · m]
U SG : Heat transfer coefficient from the solid phase to the gas phase [W / (m 2 · K) · m 2 ]
U LG : Heat transfer coefficient from the liquid phase to the gas phase [W / (m 2 · K) · m 2 ]
また、上記式151及び式153において、方程式中の各パラメータの意味は、以下の通りである。 Moreover, in the said Formula 151 and Formula 153, the meaning of each parameter in an equation is as follows.
P:気体圧力[Pa]
vρ,G:気体相の質量速度ベクトル[kg/(m2・s)]
vρ,G,x:気体相の質量速度のx成分[kg/(m2・s)]
vρ,G,y:気体相の質量速度のy成分[kg/(m2・s)]
g:重力加速度[m/s2]
μG:気体の粘度[kg・m/s]
φG:粒子の形状係数
ρG:気体の密度[kg/m3]
DP:粒子径(m)
P: Gas pressure [Pa]
v ρ, G : Mass velocity vector of gas phase [kg / (m 2 · s)]
v ρ, G, x : x component of mass velocity of gas phase [kg / (m 2 · s)]
v ρ, G, y : y component of mass velocity of gas phase [kg / (m 2 · s)]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
μ G : Gas viscosity [kg · m / s]
φ G : Shape factor of particle ρ G : Gas density [kg / m 3 ]
D P : Particle diameter (m)
上記モデルを構成する方程式の形から明らかなように、各モデルを構成する方程式には、時間に依存する項(時間tで変数を偏微分した項)が含まれており、非線形の偏微分方程式になっていることがわかる。従って、本実施形態に係る特徴量算出部127は、各物理モデル(固体相モデル・液体相モデル・気体相モデル)において、物質収支式、熱収支式、移動速度決定式の3種類の方程式を連立させて、高炉操業特徴量を算出する。特徴量算出部127が算出する高炉操業特徴量として、例えば以下のような特徴量を挙げることができる。 As is clear from the form of the equations constituting the above model, the equations constituting each model include a time-dependent term (a term obtained by partially differentiating a variable at time t), and a nonlinear partial differential equation. You can see that Therefore, the feature amount calculation unit 127 according to the present embodiment uses three types of equations, a material balance equation, a heat balance equation, and a moving speed determination equation, in each physical model (solid phase model / liquid phase model / gas phase model). Simultaneously calculate the blast furnace operation feature. Examples of the blast furnace operation feature amount calculated by the feature amount calculation unit 127 include the following feature amounts.
・固体相に関する高炉操業特徴量
固体相速度、各固体成分の体積分率、固体相温度など
・液体相に関する高炉操業特徴量
液体相速度、各液体成分の密度、液体相温度など
・気体相に関する高炉操業特徴量
気体相速度、気体相圧力、各気体成分の密度、気体相温度など
・ Blast furnace operation features related to the solid phase Solid phase velocity, volume fraction of each solid component, solid phase temperature, etc. ・ Blast furnace operation features related to the liquid phase Liquid phase velocity, density of each liquid component, liquid phase temperature, etc. Features of blast furnace operation Gas phase velocity, gas phase pressure, density of each gas component, gas phase temperature, etc.
○各モデルの取り扱い
ここで、実際に高炉内で生じている現象について着目する。
実際の高炉操業において、羽口から供給される熱風のガスによって生じるガス流れは、秒のオーダー(数秒程度)で炉頂部まで到達する。一方、銑鉄の原料となる鉄鉱石等の固体物は、炉内滞留時間が10時間程であることが知られている。このような動特性(換言すれば、現象の時定数)の違いを考慮すると、高炉全体の現象を考慮するにあたって支配的な時定数は、固体相の動特性で決まると考えることができる。
○ Handling of each model Here, we focus on the phenomena actually occurring in the blast furnace.
In actual blast furnace operation, the gas flow generated by the hot air gas supplied from the tuyere reaches the top of the furnace in the order of seconds (about several seconds). On the other hand, it is known that a solid material such as iron ore used as a raw material for pig iron has a residence time in the furnace of about 10 hours. Considering such a difference in dynamic characteristics (in other words, the time constant of the phenomenon), it can be considered that the dominant time constant in determining the phenomenon of the entire blast furnace is determined by the dynamic characteristics of the solid phase.
そこで、本実施形態に係る特徴量算出部127は、固体相モデル及び液体相モデルについては、上記方程式をそのまま利用して、時間tに関する偏微分を取り扱う非定常モデルとして取り扱う一方で、動特性が秒オーダー程度と考えられる気体相モデルについては、以下のような取り扱いを行う。ここで、非定常モデルとは、当該モデルで記述する現象が時間変化する項や時間発展する項を含んでいる数式モデルをいう。 Therefore, the feature quantity calculation unit 127 according to the present embodiment treats the solid phase model and the liquid phase model as the unsteady model that handles the partial differentiation with respect to the time t by using the above equation as it is, while the dynamic characteristic is The gas phase model considered to be on the order of seconds is handled as follows. Here, the non-stationary model refers to a mathematical model including a term in which a phenomenon described in the model changes over time or a term over time.
すなわち、上述のような動特性に関する考察から、気体相の物質収支の動特性は、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103において着目する化学反応式の反応速度が律速になると考えられる。そこで、本実施形態に係る特徴量算出部127は、式149に示した気体相モデルの物質収支式において、時間tの偏微分に関する項≒0とみなして、定常モデルとして物質収支式を取り扱う。同様に、気体相の熱容量は固体相の熱容量と比べて十分に小さいと考えることができるため、式150に示した気体相モデルの熱収支式において、時間tの偏微分に関する項≒0とみなして、定常モデルとして熱収支式を取り扱う。これにより、演算負荷の大きな気体相モデルを定常モデルとして取り扱うことが可能となり、演算負荷の低減、及び、更なる計算時間の高速化を図ることができる。ここで、定常モデルとは、当該モデルで記述する現象が時間変化する項や時間発展する項を含まない数式モデルをいう。 That is, from the above consideration on the dynamic characteristics, it is considered that the dynamic characteristics of the gas phase mass balance are determined by the rate of reaction of the chemical reaction formula focused on in the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment. Therefore, the feature amount calculation unit 127 according to the present embodiment treats the material balance equation as a steady model by regarding the material balance equation of the gas phase model shown in Equation 149 as a term related to the partial differentiation of time t≈0. Similarly, since the heat capacity of the gas phase can be considered to be sufficiently smaller than the heat capacity of the solid phase, in the heat balance equation of the gas phase model shown in Equation 150, it is regarded that the term relating to the partial derivative of time t ≈ 0. The heat balance equation is handled as a steady model. As a result, a gas phase model with a large calculation load can be handled as a steady model, and the calculation load can be reduced and the calculation time can be further increased. Here, the stationary model refers to a mathematical model that does not include a term in which a phenomenon described in the model changes over time or a term that evolves over time.
○方程式の解法について
本実施形態に係る特徴量算出部127が実施する上記式141〜式153の解法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下のような方法を用いることが可能である。
○ Solving method of equation The solving method of the above-mentioned formula 141 to formula 153 performed by the feature amount calculation unit 127 according to the present embodiment is not particularly limited, but for example, the following method can be used. is there.
例えば、式141〜式153に示した連立方程式の解を求める際に、逆行列による代数的計算手法を採用する(AX=bを満たす変数行列Xを、X=b・A−1として算出する)ことができる。 For example, an algebraic calculation method using an inverse matrix is employed when finding the solutions of the simultaneous equations shown in Expressions 141 to 153 (a variable matrix X satisfying AX = b is calculated as X = b · A −1 . )be able to.
また、気体相モデルにおける式151〜式153(移動速度決定式)を用いて、気体相の流速分布を算出する際には、いわゆる流れ関数法を採用することで、式151〜式153で定義されるErgun式を、連立方程式として取り扱い、かつ、収束計算を行うことで方程式を満たす流れ関数を算出することが可能となる。その結果、気体相の流速分布を算出する際に、流れのポテンシャルΦを容易に算出することが可能となる。 Further, when calculating the flow velocity distribution of the gas phase using the equations 151 to 153 (movement speed determination equation) in the gas phase model, the so-called flow function method is adopted, and the equations are defined by the equations 151 to 153. The flow function satisfying the equation can be calculated by treating the Ergun equation as a simultaneous equation and performing the convergence calculation. As a result, the flow potential Φ can be easily calculated when calculating the flow velocity distribution of the gas phase.
また、本実施形態に係る特徴量算出部127では、気体相における高炉操業特徴量を算出する際に、各種の物性値データベースから取得した物性値(気体相物性値)を利用する。この際、特徴量算出部127は、着目した気体相物性値の温度特性を、物性値データベースから取得した値を非線形関数で同定してもよい。 In addition, the feature value calculation unit 127 according to the present embodiment uses physical property values (gas phase property values) acquired from various property value databases when calculating the blast furnace operation feature value in the gas phase. At this time, the feature amount calculation unit 127 may identify the temperature characteristic of the focused gas phase physical property value by using a nonlinear function as a value obtained from the physical property value database.
本実施形態に係る特徴量算出部127は、以上のようにして、固体相・液体相・気体相それぞれにおける高炉操業特徴量を算出すると、算出した高炉操業特徴量を表す情報を、演算制御部121に出力する。また、特徴量算出部127は、算出した高炉操業特徴量に、当該高炉操業特徴量を算出した日時等に関する時刻情報を関連付けて、記憶部111に履歴情報として格納してもよい。 When the feature amount calculation unit 127 according to the present embodiment calculates the blast furnace operation feature amount in each of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase as described above, information indicating the calculated blast furnace operation feature amount is calculated. It outputs to 121. In addition, the feature amount calculation unit 127 may associate the time information related to the date and time when the blast furnace operation feature amount is calculated with the calculated blast furnace operation feature amount and store it in the storage unit 111 as history information.
以上、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部の構成について、詳細に説明した。 The configuration of the blast furnace operation feature amount calculation unit according to the present embodiment has been described in detail above.
[高炉操業特徴量の演算方法について]
続いて、図10〜図13を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103により実施される高炉操業特徴量の演算方法の流れについて、詳細に説明する。図10〜図13は、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算方法の流れの一例を示した流れ図である。
[Calculation method of blast furnace operation features]
Subsequently, the flow of the blast furnace operation feature value calculation method performed by the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 13. 10 to 13 are flowcharts showing an example of the flow of the blast furnace operation feature value calculation method according to the present embodiment.
○全体的な流れについて
まず、図10を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算方法の全体的な流れの一例について説明する。
About Overall Flow First, an example of the overall flow of the blast furnace operation feature value calculation method according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
なお、先だって説明したように、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103では、固体相に関する演算の時間刻み、液体相に関する演算の時間刻み、及び、気体相に関する演算の時間刻みを互いに独立に設定し、各相の時間刻みを多重にループさせることで、計算時間の高速化を図っている。以下で説明する流れ図では、液体相に関する演算の時間刻みと、気体相に関する演算の時間刻みとを同一の値に設定し、固体相に関する演算の時間刻みと、液体相及び気体相に関する演算の時間刻みとが二重にループしている場合の流れを図示している。 As described above, in the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 according to the present embodiment, the calculation time step for the solid phase, the calculation time step for the liquid phase, and the calculation time step for the gas phase are independent of each other. The calculation time is increased by looping multiple time increments for each phase. In the flow chart described below, the calculation time step for the liquid phase and the calculation time step for the gas phase are set to the same value, the calculation time step for the solid phase and the calculation time for the liquid phase and the gas phase. The flow in the case where the ticks are double looped is shown.
高炉操業特徴量演算部103の演算制御部121は、高炉操業情報取得部101から出力された高炉操業情報を取得すると、まず、パラメータ設定部123に各種パラメータの設定を要請する。要請を受けたパラメータ設定部123は、高炉内部のメッシュへの区分や、演算に用いられる状態変数等、処理に利用する各種の状態変数やパラメータについて、値を初期化する(ステップS101)。 When the calculation control unit 121 of the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 acquires the blast furnace operation information output from the blast furnace operation information acquisition unit 101, it first requests the parameter setting unit 123 to set various parameters. Receiving the request, the parameter setting unit 123 initializes values for various state variables and parameters used for processing, such as classification into meshes inside the blast furnace and state variables used for calculation (step S101).
その後、パラメータ設定部123は、固体相・液体相・気体相それぞれの時間刻みと、演算(シミュレーション)の終了時間を設定する(ステップS103)。本説明の場合では、パラメータ設定部123は、液体相及び気体相に関する時間刻みΔt1、固体相に関する時間刻みΔt2、及び、演算の終了時間t_endをそれぞれ設定する。この際、時間刻みΔt1及びΔt2の間には、Δt1>Δt2の関係が成立している。 Thereafter, the parameter setting unit 123 sets the time increment of each of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase, and the end time of the calculation (simulation) (step S103). In the case of this description, the parameter setting unit 123 sets a time step Δt1 related to the liquid phase and the gas phase, a time step Δt2 related to the solid phase, and a calculation end time t_end, respectively. At this time, a relationship of Δt1> Δt2 is established between the time increments Δt1 and Δt2.
続いて、パラメータ設定部123は、設定した時間刻みΔt1及びΔt2を利用して、時間更新の二重ループ回数nを設定する(ステップS105)。具体的には、パラメータ設定部123は、int(Δt1/Δt2)を算出し、得られた整数値を二重ループ回数nの値として設定する。 Subsequently, the parameter setting unit 123 sets the time update double loop count n using the set time increments Δt1 and Δt2 (step S105). Specifically, the parameter setting unit 123 calculates int (Δt1 / Δt2) and sets the obtained integer value as the value of the double loop count n.
その後、パラメータ設定部123は、高炉操業特徴量の演算処理における時間tを初期化して、t=0とする(ステップS107)。 Thereafter, the parameter setting unit 123 initializes the time t in the calculation process of the blast furnace operation feature value, and sets t = 0 (step S107).
パラメータ設定部123は、これらの処理が終了すると、設定したパラメータを表す情報を、演算制御部121に出力する。演算制御部121は、パラメータ設定部123から出力された時間に関するパラメータ(時間t、時間刻みΔt1及びΔt2、二重ループ回数、終了時間)に基づいて演算上の時間更新を管理しつつ、パラメータ設定部123、反応速度算出部125及び特徴量算出部127における処理の制御を実施する。 When these processes are completed, the parameter setting unit 123 outputs information representing the set parameters to the calculation control unit 121. The calculation control unit 121 manages parameter setting while managing calculation time update based on the parameters (time t, time increments Δt1 and Δt2, double loop count, end time) output from the parameter setting unit 123. Control of processing in the unit 123, the reaction rate calculation unit 125, and the feature amount calculation unit 127 is performed.
まず、演算制御部121は、反応速度算出部125に対して、着目している化学反応式の反応速度の算出を要請する。反応速度算出部125は、演算制御部121から指定された演算時間t(=0)と、パラメータ設定部123により設定された各種のパラメータや演算初期値に基づいて、着目している化学反応式の反応速度を算出するために利用される各種物理量と反応速度とを算出する(ステップS109)。反応速度算出部125は、算出した演算時刻tにおける反応速度を表す情報を、演算制御部121に出力する。 First, the arithmetic control unit 121 requests the reaction rate calculation unit 125 to calculate the reaction rate of the chemical reaction formula in question. The reaction rate calculation unit 125 is based on the calculation time t (= 0) specified by the calculation control unit 121 and various parameters and calculation initial values set by the parameter setting unit 123. The various physical quantities and reaction rates used for calculating the reaction rate are calculated (step S109). The reaction rate calculation unit 125 outputs information representing the calculated reaction rate at the calculation time t to the calculation control unit 121.
次に、演算制御部121は、高炉操業特徴量を算出する際に利用する二重ループカウンタのカウント数を表すパラメータiを初期化(i=1と設定)する(ステップS111)。その後、演算制御部121は、特徴量算出部127に対して、パラメータ設定部123により設定された各種のパラメータ等と、反応速度算出部125により算出された演算時間tにおける反応速度とを通知して、高炉操業特徴量の算出を要請する。 Next, the arithmetic control unit 121 initializes (sets i = 1) a parameter i indicating the count number of the double loop counter used when calculating the blast furnace operation feature amount (step S111). Thereafter, the calculation control unit 121 notifies the feature amount calculation unit 127 of various parameters set by the parameter setting unit 123 and the reaction rate at the calculation time t calculated by the reaction rate calculation unit 125. Requesting the calculation of blast furnace operation features.
特徴量算出部127は、演算制御部121からの要請を受けて、まず、固体相モデルを利用して固体相に関する演算処理を実施する(ステップS113)。特徴量算出部127は、固体相に関する演算処理が終了すると、固体相に関する演算結果を、演算制御部121に出力する。 In response to the request from the calculation control unit 121, the feature amount calculation unit 127 first performs calculation processing related to the solid phase using the solid phase model (step S113). When the calculation process related to the solid phase ends, the feature amount calculation unit 127 outputs the calculation result related to the solid phase to the calculation control unit 121.
演算制御部121は、特徴量算出部127から固体相に関する演算結果が出力されると、二重ループカウンタのカウント値iが二重ループ回数n以下であるか否か(すなわち、i≦nであるか否か)を判断する(ステップS115)。演算制御部121は、i≦nが成立している場合には、二重ループカウンタのカウント値iを1増加させた後(ステップS117)、演算時間tを更新して、(t+Δt2)とする(ステップS119)。その後、演算制御部121は、新たな演算時間t=(t+Δt2)を特徴量算出部127に通知して、固体相の演算処理を特徴量算出部127に要請する。すると、特徴量算出部127は、再びステップS113に戻って、演算時間t=(t+Δt2)における固体相の演算処理を開始する。 When the calculation result regarding the solid phase is output from the feature amount calculation unit 127, the calculation control unit 121 determines whether the count value i of the double loop counter is equal to or less than the number n of double loops (that is, i ≦ n). Whether or not there is) is determined (step S115). When i ≦ n is satisfied, the calculation control unit 121 increments the count value i of the double loop counter by 1 (step S117), and then updates the calculation time t to (t + Δt2). (Step S119). Thereafter, the calculation control unit 121 notifies the feature quantity calculation unit 127 of a new calculation time t = (t + Δt2), and requests the feature quantity calculation unit 127 to perform a solid phase calculation process. Then, the feature amount calculation unit 127 returns to step S113 again, and starts the solid phase calculation process at the calculation time t = (t + Δt2).
他方、演算制御部121は、i≦nが成立していない場合(すなわち、i>nであった場合)には、特徴量算出部127に(i≦n)が成立しなくなった演算時間tを通知して、液体相に関する演算処理を開始するように要請する。特徴量算出部127は、通知された演算時間tと、パラメータ設定部123により設定された各種のパラメータ等と、反応速度算出部125により算出された演算時間tにおける反応速度とを利用して、液体相モデルに基づいて、液体相に関する高炉操業特徴量の演算処理を実施する(ステップS121)。 On the other hand, when i ≦ n is not satisfied (that is, when i> n), the calculation control unit 121 calculates time t when the feature amount calculation unit 127 does not hold (i ≦ n). And request to start the calculation process related to the liquid phase. The feature amount calculation unit 127 uses the notified calculation time t, various parameters set by the parameter setting unit 123, and the reaction rate at the calculation time t calculated by the reaction rate calculation unit 125, Based on the liquid phase model, a calculation process of a blast furnace operation feature amount related to the liquid phase is performed (step S121).
その後、特徴量算出部127は、液体相に関する高炉操業特徴量の演算結果を演算制御部121に出力するとともに、通知された演算時間tと、パラメータ設定部123により設定された各種のパラメータ等と、反応速度算出部125により算出された演算時間tにおける反応速度とを利用して、気体相モデルに基づいて、気体相に関する高炉操業特徴量の演算処理を実施する(ステップS123)。特徴量算出部127は、気体相に関する高炉操業特徴量の演算処理が終了すると、得られた気体相に関する高炉操業特徴量の演算結果を、演算制御部121に出力する。 After that, the feature amount calculation unit 127 outputs the calculation result of the blast furnace operation feature amount relating to the liquid phase to the operation control unit 121, the notified calculation time t, various parameters set by the parameter setting unit 123, and the like. Based on the gas phase model, using the reaction rate calculated by the reaction rate calculation unit 125 and the reaction rate at the calculation time t, the blast furnace operation feature amount calculation process for the gas phase is performed (step S123). When the calculation process of the blast furnace operation feature value related to the gas phase is completed, the feature value calculation unit 127 outputs the obtained calculation result of the blast furnace operation feature value related to the gas phase to the calculation control unit 121.
演算制御部121は、特徴量算出部127から気体相に関する高炉操業特徴量の演算結果が出力されると、それまでに得られた固体相・液体相・気体相のそれぞれに関する高炉操業特徴量を、グラフとしてプロットしたり、高炉操業特徴量演算部103の外部(例えば、操業制御部105や表示制御部107)に出力したりする(ステップS125)。 When the calculation result of the blast furnace operation feature value related to the gas phase is output from the feature value calculation unit 127, the calculation control unit 121 calculates the blast furnace operation feature value related to each of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase obtained so far. The data is plotted as a graph or output to the outside of the blast furnace operation feature value calculation unit 103 (for example, the operation control unit 105 or the display control unit 107) (step S125).
その後、演算制御部121は、演算時間tが終了時間になったか否か(すなわち、t≦t_endが成立するか否か)を判定する(ステップS127)。t≦t_endが成立している場合には、演算制御部121は、その時点での演算時間tを反応速度算出部125に通知して、演算時間tにおける反応速度の算出を要請する。反応速度算出部125は、ステップS109に戻って、演算制御部121から通知された演算時間tにおける反応速度を算出する。他方、t≦t_endが成立していない場合(すなわち、t>t_endが成立している場合)には、所定の演算時間が経過したと判断して、高炉操業特徴量の算出を終了する。 Thereafter, the calculation control unit 121 determines whether or not the calculation time t has reached the end time (that is, whether t ≦ t_end is satisfied) (step S127). When t ≦ t_end is satisfied, the calculation control unit 121 notifies the reaction rate calculation unit 125 of the calculation time t at that time, and requests calculation of the reaction rate at the calculation time t. The reaction rate calculation unit 125 returns to step S109 and calculates the reaction rate at the calculation time t notified from the calculation control unit 121. On the other hand, when t ≦ t_end is not satisfied (that is, when t> t_end is satisfied), it is determined that a predetermined calculation time has elapsed, and the calculation of the blast furnace operation feature value is terminated.
○固体相の演算処理について
次に、図11を参照しながら、図10におけるステップS113で実施される固体相の演算処理の流れについて、簡単に説明する。
○ Solid Phase Arithmetic Processing Next, the flow of the solid phase arithmetic processing performed in step S113 in FIG. 10 will be briefly described with reference to FIG.
特徴量算出部127は、演算制御部121から固体相の演算処理の実施を要請されると、まず、固体相モデルの物質収支式(例えば、上記式141)と、移動速度決定式(例えば、上記式143及び式144)とを主に利用して、固体相速度(式141における変数vS)を算出する(ステップS131)。 When the calculation control unit 121 requests execution of the solid phase calculation process, the feature amount calculation unit 127 first has a material balance equation (for example, the above equation 141) of the solid phase model and a moving speed determination equation (for example, for example). The solid phase velocity (variable v S in equation 141) is calculated mainly using the above equations 143 and 144) (step S131).
続いて、特徴量算出部127は、固体相モデルの物質収支式(例えば、上記式141)と、移動速度決定式(例えば、上記式143及び式144)とを主に利用して、各固体成分の体積分率(式141等における変数αi)を算出する(ステップS133)。 Subsequently, the feature amount calculation unit 127 mainly uses a solid-phase model material balance equation (for example, the above-described equation 141) and a moving speed determination equation (for example, the above-described equation 143 and equation 144), to thereby calculate each solid state model. The volume fraction of the component (variable α i in equation 141 etc.) is calculated (step S133).
その後、特徴量算出部127は、固体相モデルの熱収支式(例えば、上記式142)を主に利用して、固体相温度(式142における変数TS)を算出する(ステップS135)。 After that, the feature amount calculation unit 127 calculates the solid phase temperature (variable T S in the expression 142) mainly using the heat balance expression (for example, the expression 142) of the solid phase model (step S135).
このような処理を実施することで、特徴量算出部127は、固体相の高炉操業特徴量を算出することができる。 By performing such processing, the feature amount calculation unit 127 can calculate the solid phase blast furnace operation feature amount.
○液体相の演算処理について
次に、図12を参照しながら、図10におけるステップS121で実施される液体相の演算処理の流れについて、簡単に説明する。
Liquid Phase Arithmetic Processing Next, the flow of the liquid phase arithmetic processing performed in step S121 in FIG. 10 will be briefly described with reference to FIG.
特徴量算出部127は、演算制御部121から液体相の演算処理の実施を要請されると、まず、液体相モデルの物質収支式(例えば、上記式145)と、移動速度決定式(例えば、上記式147及び式148)とを主に利用して、液体相速度(式145における変数vL)を算出する(ステップS141)。 When the calculation control unit 121 is requested to perform the liquid phase calculation process, the feature amount calculation unit 127 first has a material balance equation of the liquid phase model (for example, the above equation 145) and a moving speed determination equation (for example, for example). The liquid phase velocity (variable v L in equation 145) is calculated mainly using the above equations 147 and 148) (step S141).
続いて、特徴量算出部127は、液体相モデルの物質収支式(例えば、上記式145)と、移動速度決定式(例えば、上記式147及び式148)とを主に利用して、各液体成分の密度(式145等における変数γi)を算出する(ステップS143)。 Subsequently, the feature amount calculating unit 127 mainly uses the material balance equation (for example, the above equation 145) of the liquid phase model and the moving speed determination equation (for example, the above equation 147 and the equation 148), The component density (variable γ i in equation 145 etc.) is calculated (step S143).
その後、特徴量算出部127は、液体相モデルの熱収支式(例えば、上記式146)を主に利用して、液体相温度(式146における変数TL)を算出する(ステップS145)。 Thereafter, the feature amount calculating unit 127 calculates the liquid phase temperature (variable T L in the equation 146) mainly using the heat balance equation (for example, the equation 146) of the liquid phase model (step S145).
このような処理を実施することで、特徴量算出部127は、液体相の高炉操業特徴量を算出することができる。 By performing such processing, the feature amount calculating unit 127 can calculate the blast furnace operation feature amount of the liquid phase.
○気体相の演算処理について
次に、図13を参照しながら、図10におけるステップS123で実施される気体相の演算処理の流れについて、簡単に説明する。
Regarding Gas Phase Arithmetic Processing Next, the flow of the gas phase arithmetic processing performed in step S123 in FIG. 10 will be briefly described with reference to FIG.
特徴量算出部127は、演算制御部121から気体相の演算処理の実施を要請されると、まず、収束計算の計算回数カウント用のパラメータjを初期化して、j=1に設定する(ステップS151)。その後、特徴量算出部127は、後述する収束計算の収束判定パラメータである許容誤差EPSを、例えば10−6に設定する(ステップS153)。次に、特徴量算出部127は、流れ関数φの初期化を行い、φ0=0と設定する(ステップS155)。 When the calculation control unit 121 requests execution of the gas phase calculation process, the feature amount calculation unit 127 first initializes a parameter j for counting the number of calculation times of the convergence calculation and sets j = 1 (step 1). S151). After that, the feature amount calculation unit 127 sets an allowable error EPS, which is a convergence determination parameter for convergence calculation described later, to 10 −6 , for example (step S153). Next, the feature quantity calculation unit 127 initializes the flow function φ and sets φ 0 = 0 (step S155).
続いて、特徴量算出部127は、気体相モデルの物質収支式(例えば、上記式149)や移動速度決定式(例えば、上記式151〜式153)等を主に利用して、気体相流れの速度ベクトルを流れ関数で表すように変形したうえで、流れ関数φjを算出する(ステップS157)。その後、特徴量算出部127は、流れ関数φj−1の値と、算出した流れ関数φjの値とを利用して、以下の式161で表される流れ関数の差分Δφjを算出する(ステップS159)。式161から明らかなように、流れ関数の差分Δφjは、流れ関数φjとφj−1とのユークリッドノルムとして定義される値である。 Subsequently, the feature amount calculation unit 127 mainly uses a gas phase model material balance equation (for example, the above equation 149), a moving speed determination equation (for example, the above equation 151 to equation 153), and the like, Then, the velocity function φ j is calculated (step S157). Thereafter, the feature quantity calculation unit 127 calculates the difference Δφ j of the flow function represented by the following expression 161 using the value of the flow function φ j−1 and the calculated value of the flow function φ j. (Step S159). As is clear from the equation 161, the difference Δφ j of the flow function is a value defined as the Euclidean norm between the flow functions φ j and φ j−1 .
続いて、特徴量算出部127は、算出した流れ関数の差分Δφjが許容誤差EPS未満となったか否か(Δφj<EPS)を判定する(ステップS161)。算出した流れ関数の差分ΔφjがEPS以上であった場合には、特徴量算出部127は、流れ関数φjの算出結果は収束していないと判断し、パラメータjの値を1増加させたうえで(ステップS163)、ステップS157の処理を継続する。 Subsequently, the feature amount calculation unit 127 determines whether or not the calculated difference Δφ j of the flow function is less than the allowable error EPS (Δφ j <EPS) (step S161). If the calculated flow function difference Δφ j is greater than or equal to EPS, the feature amount calculation unit 127 determines that the calculation result of the flow function φ j has not converged, and increases the value of the parameter j by one. In addition (step S163), the process of step S157 is continued.
他方、算出した流れ関数の差分ΔφjがEPS未満であった場合には、特徴量算出部127は、算出した流れ関数の算出結果は収束していると判断し、得られた流れ関数φを用いて、気体相速度(式149における変数vG)を算出する(ステップS165)。 On the other hand, when the difference Δφ j of the calculated flow function is less than EPS, the feature amount calculation unit 127 determines that the calculation result of the calculated flow function has converged, and determines the obtained flow function φ. Using this, the gas phase velocity (variable v G in equation 149) is calculated (step S165).
続いて、特徴量算出部127は、気体相モデルの移動速度決定式であるErgun式(上記式151〜式153)を利用して、気体相圧力(式151における変数P)を算出する(ステップS167)。 Subsequently, the feature amount calculation unit 127 calculates the gas phase pressure (variable P in Formula 151) using the Ergun formula (Formula 151 to Formula 153), which is a moving speed determination formula of the gas phase model (Step 151). S167).
次に、特徴量算出部127は、気体相モデルの物質収支式(例えば、上記式149)を主に利用して、各気体成分の密度(式149等における変数βi)を算出する(ステップS169)。 Next, the feature amount calculation unit 127 calculates the density of each gas component (variable β i in the equation 149 etc.) mainly using the material balance equation (for example, the equation 149) of the gas phase model (step 149). S169).
その後、特徴量算出部127は、気体相モデルの熱収支式(例えば、上記式150)を主に利用して、気体相温度(式150における変数TG)を算出する(ステップS171)。 After that, the feature amount calculation unit 127 calculates the gas phase temperature (variable T G in the equation 150) mainly using the heat balance equation (for example, the equation 150) of the gas phase model (step S171).
このような処理を実施することで、特徴量算出部127は、気体相の高炉操業特徴量を算出することができる。 By performing such processing, the feature amount calculation unit 127 can calculate the gas phase blast furnace operation feature amount.
以上、図10〜図13を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103により実施される高炉操業特徴量の演算方法の流れの一例について、詳細に説明した。 Heretofore, an example of the flow of the blast furnace operation feature value calculation method performed by the blast furnace operation feature value calculation unit 103 according to the present embodiment has been described in detail with reference to FIGS. 10 to 13.
<高炉操業の安定性評価について>
次に、図14〜図18を参照しながら、本実施形態に係る操業制御部105の構成と、これにより実施される高炉3の操業状態の安定性評価処理と高炉3の制御方法の決定について説明する。
<About stability evaluation of blast furnace operation>
Next, with reference to FIGS. 14 to 18, the configuration of the operation control unit 105 according to the present embodiment, the stability evaluation process of the operation state of the blast furnace 3 and the determination of the control method of the blast furnace 3 performed thereby. explain.
[高炉操業状態制御システムの構成概念]
操業制御部105に関する説明をするに先立ち、本実施形態に係る高炉操業状態制御システムの構成概念を、図14及び図15に基づいて説明する。高炉3は、上述したように、伝熱や流体、化学反応や相変化を伴う大規模・複雑な動的システムである。このような動的システムの制御は、従来、モデルの計算負荷やシステム実装上の課題から線形定常モデルに基づき行われていた。この場合、動的システムに対する過去の入力やシステムの内部状態等は考慮されずにシステム出力が決定されるため、操業目標や操業動作点の変更や外乱に対する高炉3の動的挙動は計算することができなかった。すなわち、線形定常モデルに基づき制御した場合には、システム全体の制御性を動的安定性の観点から捉えることができない。
[Configuration concept of blast furnace operating state control system]
Prior to describing the operation control unit 105, the configuration concept of the blast furnace operation state control system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. As described above, the blast furnace 3 is a large-scale and complicated dynamic system involving heat transfer, fluid, chemical reaction, and phase change. Conventionally, control of such a dynamic system has been performed based on a linear stationary model due to the computational load of the model and problems in system implementation. In this case, since the system output is determined without considering the past input to the dynamic system and the internal state of the system, the dynamic behavior of the blast furnace 3 with respect to the change of the operation target and the operation operating point and the disturbance should be calculated. I could not. That is, when control is performed based on a linear steady model, the controllability of the entire system cannot be grasped from the viewpoint of dynamic stability.
一方で、大規模・複雑な動的システムの制御のアプローチとして、ローカルなアクション(計測、予測、制御)で制御対象のグローバルな機能を実現するという提案がなされている(上記非特許文献1)。この提案によれば、図14に示すように、動的システムを制御する制御系は、制御対象を記述するための機能(物理ネットワーク)の階層構造と、制御対象に所望の機能を実現するための機能(動的情報ネットワーク)として捉えられる。そして、動的システムの局所的な計測を、個々の各種センサを用いて物理ネットワークにて行い、局所的な計測による計測値に基づいて大局的なシステム全体に対して安定性の評価を動的情報ネットワークにて行うという、ネットワークの相互連携によって動的システムを制御する。本実施形態では、物理ネットワークで制御対象である高炉3を記述し、動的情報ネットワークで高炉3の操業状態の安定性を評価して安定するように制御する。 On the other hand, as an approach for controlling a large-scale and complex dynamic system, a proposal has been made to realize a global function to be controlled by local actions (measurement, prediction, control) (Non-Patent Document 1). . According to this proposal, as shown in FIG. 14, the control system for controlling the dynamic system is to realize a hierarchical structure of functions (physical network) for describing the controlled object and a desired function for the controlled object. As a function (dynamic information network). Then, local measurement of the dynamic system is performed on the physical network using various individual sensors, and stability evaluation is dynamically performed on the entire global system based on the measurement values obtained by local measurement. A dynamic system is controlled by mutual cooperation of networks, which is performed in an information network. In the present embodiment, the blast furnace 3 to be controlled is described in the physical network, and the stability of the operation state of the blast furnace 3 is evaluated and controlled using the dynamic information network.
物理ネットワーク、すなわち制御対象である動的システムは、当該制御対象の操業データや制御結果を動的情報ネットワークに出力し、動的情報ネットワークより入力された操作情報に基づいて制御対象を操業する。ここで、動的システムである高炉3は、上述したように、複数のサブシステムが相互に作用し合う相互作用系として捉えることができるとともに、異なるスケール(例えば、高分解能な秒単位〜低分解能な週単位での進行、高分解能な化学反応上の分子単位〜低分解能のメートル単位での進行など)で複数の非定常現象が起きているマルチスケールシステムでもある。換言すれば、図14に示すように、動的システムは、当該システムを構成する異なる分解能のサブシステムが相互に作用し合っているものといえる。 A physical system, that is, a dynamic system that is a control target, outputs operation data and control results of the control target to the dynamic information network, and operates the control target based on operation information input from the dynamic information network. Here, as described above, the blast furnace 3 which is a dynamic system can be regarded as an interactive system in which a plurality of subsystems interact with each other, and has different scales (for example, a high resolution unit of seconds to a low resolution). It is also a multi-scale system in which multiple non-stationary phenomena occur in a weekly progress, a molecular unit on a high-resolution chemical reaction, or a progress in a low-resolution meter unit). In other words, as shown in FIG. 14, in the dynamic system, it can be said that subsystems having different resolutions constituting the system interact with each other.
動的情報ネットワークでは、制御対象から入力された操業データや制御結果である高炉操業情報に基づいて高炉3の操業状態を表す高炉操業特徴量を演算し、当該特徴量及び高炉操業情報に基づき高炉3という動的システム全体の安定性を定量的に評価する。そして、動的情報ネットワークは、動的システム全体の安定性評価の結果より、システム全体が安定して操業するための操作量を算出し、制御対象に出力する。すなわち、動的情報ネットワークは、制御対象を制御する動的制御システムとして考えることができる。 In the dynamic information network, a blast furnace operation feature amount representing an operation state of the blast furnace 3 is calculated based on operation data input from a control target and blast furnace operation information which is a control result, and the blast furnace operation is based on the feature amount and the blast furnace operation information. The stability of the entire dynamic system of 3 is quantitatively evaluated. Then, the dynamic information network calculates an operation amount for stable operation of the entire system from the result of the stability evaluation of the entire dynamic system, and outputs the operation amount to the control target. That is, the dynamic information network can be considered as a dynamic control system that controls a control target.
本実施形態に係る動的情報ネットワークは、高炉3の操業状態をシミュレートする非定常物理モデルシミュレータと、高炉3の操業安定性を大局的に評価する操業安定性評価モデルとからなる。非定常物理モデルシミュレータでは、物理ネットワークから入力された高炉操業情報に基づいて、高炉3を非線形非定常分布定数モデルとして定式化し、高炉3の操業状態をシミュレートする。その結果、高炉3の操業状態を特徴づける高炉操業特徴量を取得し、操業安定性評価モデルへ出力する。 The dynamic information network according to the present embodiment includes an unsteady physical model simulator that simulates the operation state of the blast furnace 3 and an operation stability evaluation model that globally evaluates the operation stability of the blast furnace 3. In the unsteady physical model simulator, the blast furnace 3 is formulated as a nonlinear unsteady distributed constant model based on the blast furnace operation information input from the physical network, and the operation state of the blast furnace 3 is simulated. As a result, a blast furnace operation characteristic amount characterizing the operation state of the blast furnace 3 is acquired and output to the operation stability evaluation model.
操業安定性評価モデルは、高炉3の操業安定性を評価するためのモデルを同定し、高炉3を安定して操業させるために必要な各種制御手段7の操作量を決定する。操業安定性評価モデルは、高炉3内で進行している反応間での熱バランスやマスバランスといったダイナミクス(動的視点)に基づき同定することができる。なお、操業安定性評価モデルの具体的な説明は後述する。 The operation stability evaluation model identifies a model for evaluating the operation stability of the blast furnace 3, and determines the operation amounts of the various control means 7 necessary for operating the blast furnace 3 stably. The operational stability evaluation model can be identified based on dynamics (dynamic viewpoint) such as heat balance and mass balance between reactions proceeding in the blast furnace 3. A specific description of the operational stability evaluation model will be described later.
ここで、操業安定性評価モデルにおける動的システムの安定性判別処理の概要を図15に示す。図15では、高炉3内で進行している発熱反応と吸熱反応との熱バランスに起因する操業不調に関し、システムの安定特性を安定性特性曲線により表している。なお、安定性特性曲線は、正確には動的システムの多次元平面特性を示す。 Here, FIG. 15 shows an outline of the dynamic system stability determination processing in the operation stability evaluation model. In FIG. 15, the stability characteristic of the system is represented by a stability characteristic curve regarding the malfunction of operation due to the heat balance between the exothermic reaction and the endothermic reaction proceeding in the blast furnace 3. It should be noted that the stability characteristic curve accurately indicates the multidimensional planar characteristic of the dynamic system.
図15の安定性特性曲線は、左側から右側へ、上に凸、下に凸、上に凸の形状となっており、右側に向かうほど発熱反応が大きくなり、左側に向かうほど吸熱反応が大きくなるものとする。安定性特性曲線において、上に凸となっている部分の2つの頂点の間の領域(下に凸となっている部分を含む。)が発熱反応と吸熱反応との熱バランスのとれた操業安定領域である。また、上に凸となっている部分の頂点より下に凸となっている部分と反対側の領域が、発熱反応と吸熱反応との熱バランスが崩れる操業不安定領域である。このような安定性特性曲線を用いることにより、その曲線上に置かれたボール(すなわち、動作点)の動きによってシステムの安定・不安定を考えることができる。 The stability characteristic curve of FIG. 15 is convex from the left to the right, convex upward, convex downward, and convex upward. The exothermic reaction increases toward the right and the endothermic response increases toward the left. Shall be. In the stability characteristic curve, the region between the two vertices of the upwardly convex part (including the downwardly convex part) is stable operation with a heat balance between exothermic reaction and endothermic reaction. It is an area. Further, the region on the opposite side to the portion protruding downward from the top of the portion protruding upward is the operation unstable region where the heat balance between the exothermic reaction and the endothermic reaction is lost. By using such a stability characteristic curve, the stability / instability of the system can be considered by the movement of the ball (that is, the operating point) placed on the curve.
例えば、図15に示すように、システムが動作点P1で操業されているとき、動作点P1は左右どちら側に僅かに動かされても安定性特性曲線の窪み部分に位置するように動く。すなわち、動作点P1は操業安定領域から外れないことから、高炉3内で進行している発熱反応と吸熱反応との熱バランスがとれており、システム(高炉3)は安定して操業されていると考えることができる。 For example, as shown in FIG. 15, when the system is operated at the operating point P1, the operating point P1 moves so as to be located in the recessed portion of the stability characteristic curve regardless of whether the operating point P1 is moved slightly to the left or right side. That is, since the operating point P1 does not deviate from the operation stable region, the heat balance between the exothermic reaction and the endothermic reaction proceeding in the blast furnace 3 is balanced, and the system (blast furnace 3) is stably operated. Can be considered.
一方、システムが動作点P2で操業されているとき、動作点P2は右側に動かされると安定性特性曲線を下り落ち、再び同じ位置に戻ることはできない。すなわち、動作点P2の位置から熱バランスが右側に傾くと発熱反応が大きくなり、また、不可逆性が強いために、熱バランスが崩れてしまった状態となる。この場合、高炉3が熱を持ち過ぎてしまい、高炉3の操業が不安定(操業不調)となってしまう。システムが動作点P3で操業されているときも同等であり、動作点P3は左側に動かされると安定性特性曲線を下り落ち、再び同じ位置には戻らない。これは、動作点P3の位置から熱バランスが左側に傾くと吸熱反応が大きくなり、また、不可逆性が強いために、熱バランスが崩れてしまった状態となる。この場合、高炉3が冷え過ぎてしまい、高炉3の操業が不安定(操業不調)となってしまう。 On the other hand, when the system is operating at the operating point P2, if the operating point P2 is moved to the right side, it will fall down the stability characteristic curve and cannot return to the same position again. That is, when the heat balance is tilted to the right side from the position of the operating point P2, the exothermic reaction becomes large, and since the irreversibility is strong, the heat balance is broken. In this case, the blast furnace 3 has too much heat, and the operation of the blast furnace 3 becomes unstable (operation failure). The same is true when the system is operating at operating point P3, and when operating point P3 is moved to the left, it falls down the stability characteristic curve and does not return to the same position again. This is because when the heat balance is tilted to the left from the position of the operating point P3, the endothermic reaction becomes large, and the heat balance is broken due to strong irreversibility. In this case, the blast furnace 3 becomes too cold, and the operation of the blast furnace 3 becomes unstable (operation failure).
図15では、高炉3内で進行している発熱反応と吸熱反応との熱バランスに起因する操業不調に関して安定性特性曲線を示したが、熱バランスだけでなくマスバランス等のダイナミクスについても同等に考えることができる。本実施形態の操業制御部105は、このような動的視点に基づき、高炉3という動的システム全体の安定性を判断している。実際には、後述するように、操業制御部105の安定性評価部151の演算によって取得される操業安定性評価情報を用いて、図16に示した概念で高炉3の操業状態の安定性が判別される。なお、安定性特性曲線の操作は、操業条件の操作に相当する。したがって、操業条件を操作すると、安定性特性曲線が変化し、高炉3が操業安定となる操業安定領域も変化することになる。 In FIG. 15, the stability characteristic curve is shown with respect to the operation failure caused by the heat balance between the exothermic reaction and the endothermic reaction proceeding in the blast furnace 3, but not only the heat balance but also the dynamics such as mass balance are equally Can think. The operation control unit 105 of the present embodiment determines the stability of the entire dynamic system of the blast furnace 3 based on such a dynamic viewpoint. Actually, as will be described later, using the operation stability evaluation information acquired by the operation of the stability evaluation unit 151 of the operation control unit 105, the stability of the operation state of the blast furnace 3 can be improved according to the concept shown in FIG. Determined. The operation of the stability characteristic curve corresponds to the operation of the operating conditions. Therefore, when the operation conditions are manipulated, the stability characteristic curve changes, and the operation stable region in which the blast furnace 3 is stable is also changed.
図14に戻り、動的情報ネットワークは、操業安定性評価モデルより現在のシステムの操業状態の安定性を判別すると、判別結果より不安定あるいは不安定となる方向へ動いていると認識された場合には、システムが安定状態となるように制御する制御方法を決定する。制御方法は、非定常物理モデルシミュレータシミュレータ、操業安定性評価モデル、および制御理論に基づき逐次操作量を算出し、高炉3が操業安定領域で操業する操作量を特定することにより決定される。 Returning to FIG. 14, when the dynamic information network determines that the stability of the current system operating state is determined from the operation stability evaluation model, it is recognized that the dynamic information network is moving in an unstable or unstable direction based on the determination result. First, a control method for controlling the system to be in a stable state is determined. The control method is determined by calculating the sequential operation amount based on the unsteady physical model simulator simulator, the operation stability evaluation model, and the control theory, and specifying the operation amount that the blast furnace 3 operates in the operation stable region.
このように、動的情報ネットワークでは、制御対象の操業状態をシミュレーションし、シミュレーション結果から、システム全体のマクロなレベルでの安定性を評価する。動的情報ネットワークでのシステムの安定性評価結果より、システムの動作点における操業安定性を判定することができる。そして、動的情報ネットワークは、システムが安定して操業できる操業安定領域内でシステムが動作するための操作量を算出し、操作情報として制御対象に出力する。 Thus, in the dynamic information network, the operation state of the controlled object is simulated, and the stability of the entire system at the macro level is evaluated from the simulation result. The operational stability at the operating point of the system can be determined from the system stability evaluation result in the dynamic information network. The dynamic information network calculates an operation amount for operating the system in an operation stable region where the system can operate stably, and outputs the operation amount to the control target as operation information.
以上、高炉操業状態制御システムの構成概念について説明した。高炉操業状態制御システムは、実際に制御対象を操業する階層の物理ネットワークと、システム全体が安定して操業するための計測、予測、制御を行う階層の動的情報ネットワークとの相互連携によって、大きく展開していく枠組みを構築している。そして、高炉3というシステム全体の安定性を評価することにより操作量を操作し、所望の状態を実現する。 The configuration concept of the blast furnace operating state control system has been described above. The blast furnace operating state control system is largely based on the mutual cooperation between the physical network of the hierarchy that actually operates the control target and the dynamic information network of the hierarchy that performs measurement, prediction, and control for stable operation of the entire system. A framework to develop is being built. Then, the operation amount is manipulated by evaluating the stability of the entire system of the blast furnace 3 to realize a desired state.
[操業制御部の構成について]
次に、図16に基づいて、本実施形態に係る操業制御部105の構成について説明する。本実施形態に係る操業制御部105は、図16に示すように、安定性評価部151と、制御方法決定部153とを備える。
[Configuration of Operation Control Unit]
Next, based on FIG. 16, the structure of the operation control part 105 which concerns on this embodiment is demonstrated. As shown in FIG. 16, the operation control unit 105 according to the present embodiment includes a stability evaluation unit 151 and a control method determination unit 153.
安定性評価部151は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。安定性評価部151は、高炉操業特徴量演算部103の演算制御部121から入力された演算結果(すなわち、高炉操業特徴量)に関する情報に基づいて、高炉3の操業安定性を評価する。安定性評価部151による高炉3の操業安定性の評価は、マスバランスやエネルギバランスの動特性により記述された操業安定性評価モデル(非線形システム)に対する制御理論的視点でのシステム的な安定性評価条件に基づいて行われる。これにより、高炉3の操業安定性を定量的な指標(操業安定性評価情報)を用いて評価することができる。 The stability evaluation unit 151 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The stability evaluation unit 151 evaluates the operation stability of the blast furnace 3 based on the information regarding the calculation result (that is, the blast furnace operation feature value) input from the calculation control unit 121 of the blast furnace operation feature value calculation unit 103. Evaluation of the operational stability of the blast furnace 3 by the stability evaluation unit 151 is a systematic stability evaluation from the viewpoint of control theory for an operational stability evaluation model (nonlinear system) described by dynamic characteristics of mass balance and energy balance. Performed based on conditions. Thereby, the operation stability of the blast furnace 3 can be evaluated using a quantitative index (operation stability evaluation information).
ここで、高炉3のダイナミクスを表現する状態空間表現モデルは、下記式200及び式201で表される。ここで、x(t)は状態量ベクトル、u(t)は入力ベクトル、y(t)は出力ベクトルである。 Here, the state space expression model expressing the dynamics of the blast furnace 3 is expressed by the following Expression 200 and Expression 201. Here, x (t) is a state quantity vector, u (t) is an input vector, and y (t) is an output vector.
状態量ベクトルx(t)は、各種センサ5から入力される情報、例えば、炉内の熱エネルギや炉内の質量の時間変化量、炉内の固体相の充填レベル高さ(ストックレベル)等の変数からなる。また、入力ベクトルu(t)は、高炉操業状態制御装置10から各種制御手段7に出力する情報、高炉3に対する操作量である、例えば、炉頂からの固体相流入質量流量や羽口からの気体相流入質量流量、羽口からの気体相流入温度、炉頂からの固体相流入質量流量における鉄鉱石とコークスの比率、炉体冷却水量等の変数からなる。そして、出力ベクトルy(t)は、各種センサ5から入力される情報であって高炉3の操業状態を監視している量、例えば、出銑口からの液体相流出質量流量、出銑口からの液体相流出温度、炉頂からの気体相流出質量流量、炉頂からの気体相流出温度等の変数からなる。 The state quantity vector x (t) is information input from various sensors 5, for example, the amount of time change of the thermal energy in the furnace and the mass in the furnace, the filling level height (stock level) of the solid phase in the furnace, etc. It consists of variables. Further, the input vector u (t) is information output from the blast furnace operation state control device 10 to various control means 7 and an operation amount for the blast furnace 3, for example, a solid phase inflow mass flow rate from the furnace top or a tuyere It consists of variables such as the gas phase inflow mass flow rate, the gas phase inflow temperature from the tuyere, the ratio of iron ore and coke in the solid phase inflow mass flow rate from the top of the furnace, and the amount of cooling water in the furnace. The output vector y (t) is information input from the various sensors 5 and is an amount for monitoring the operating state of the blast furnace 3, for example, the liquid phase outflow mass flow rate from the outlet, from the outlet. Liquid phase outflow temperature, gas phase outflow mass flow rate from the furnace top, and gas phase outflow temperature from the furnace top.
なお、状態量ベクトルx(t)、入力ベクトルu(t)、及び出力ベクトルy(t)の各変数はかかる例に限定されず、上記以外の値とすることもできる。 Note that the variables of the state quantity vector x (t), the input vector u (t), and the output vector y (t) are not limited to this example, and may be values other than those described above.
式200及び式201のA(t)、B(t)、C(t)、D(t)は行列関数である。行列関数は、高炉3の操業動作点において、高炉操業特徴量演算部103と実操業データとから同定される。同定されたA(t)、B(t)、C(t)、D(t)は、高炉3の大局的な非定常システム特性を表している。そこで、安定性評価部151は、行列関数A(t)、B(t)、C(t)、D(t)を操業安定性評価モデルとして用いることにより、ある操業動作点における高炉3の操業安定性を行列関数A(t)、B(t)、C(t)、D(t)より制御理論に基づき逐次評価する。 A (t), B (t), C (t), and D (t) in Expression 200 and Expression 201 are matrix functions. The matrix function is identified from the blast furnace operation feature amount calculation unit 103 and the actual operation data at the operation operation point of the blast furnace 3. The identified A (t), B (t), C (t), and D (t) represent the global unsteady system characteristics of the blast furnace 3. Therefore, the stability evaluation unit 151 uses the matrix functions A (t), B (t), C (t), and D (t) as the operation stability evaluation model, thereby operating the blast furnace 3 at a certain operation operating point. Stability is sequentially evaluated based on control theory from matrix functions A (t), B (t), C (t), and D (t).
制御理論に基づく安定性評価条件としては、例えば、
(a)可安定性・可制御性に基づく条件(可制御性行列のランク、固有値評価)
(b)ナイキストの安定条件(周波数特性に基づく安定特性評価)
(c)リアプノフの安定条件(大局漸近安定特性評価(内部安定性))
等がある。以下、これらの安定性評価条件について説明する。これらは、例えば、非特許文献9等でまとめられる如く広く知られており、本発明の実施形態において利用することが可能である。
As stability evaluation conditions based on control theory, for example,
(A) Conditions based on stability and controllability (rank of controllability matrix, eigenvalue evaluation)
(B) Nyquist stability conditions (evaluation of stability characteristics based on frequency characteristics)
(C) Lyapunov stability conditions (overall asymptotic stability characteristics evaluation (internal stability))
Etc. Hereinafter, these stability evaluation conditions will be described. These are widely known, for example, as summarized in Non-Patent Document 9 and the like, and can be used in the embodiments of the present invention.
(a)可安定性・可制御性に基づく条件
上記式200及び式201の状態空間表現モデルで表されるシステムにおいて、入力ベクトルu(t)を特定の時間関数を選択したとき、状態量ベクトルx(t)を任意の値にもっていくことができるならば、そのシステムは可制御である。システムが可制御であるためには、可制御性行列Ucのランクがnとなることが必要十分条件となる。なお、可制御性行列は、下記式202で表される。
(A) Conditions based on stability and controllability When a specific time function is selected as the input vector u (t) in the system represented by the state space expression model of the above equations 200 and 201, the state quantity vector If x (t) can be taken to an arbitrary value, the system is controllable. In order for the system to be controllable, the necessary and sufficient condition is that the rank of the controllability matrix U c is n. The controllability matrix is represented by the following expression 202.
すなわち、式202の可制御性行列Ucのランクがnであれば、システムは可制御であることがわかる。したがって、安定性評価部151は、可制御性行列Ucのランクがnであるか否かを判別することにより、高炉3を制御可能か否かを判断することができる。なお、システムにおいて、ある有限な時刻sがあり、その間0≦t≦sの出力ベクトルy(t)と入力ベクトルu(t)とを測定することで、初期状態量x(0)を唯一に決定できるとき、そのシステムは可観測である。 That is, if the rank of the controllability matrix U c in Equation 202 is n, it can be seen that the system is controllable. Therefore, the stability evaluation unit 151 can determine whether or not the blast furnace 3 can be controlled by determining whether or not the rank of the controllability matrix U c is n. In the system, the initial state quantity x (0) is uniquely determined by measuring the output vector y (t) and the input vector u (t) of 0 ≦ t ≦ s during a certain finite time s. When it can be determined, the system is observable.
(A、B)が可制御であるm入力の下記式203で表される制御対象において、全状態変数x1(t)、・・・、xn(t)が直接測定可能とし、制御入力を下記式204としたとする。式204を状態フィードバック制御といい、Fをフィードバック係数行列という。 In the controlled object represented by the following equation 203 with m inputs where (A, B) is controllable, all state variables x 1 (t),..., X n (t) can be directly measured, Is represented by the following expression 204. Expression 204 is called state feedback control, and F is called a feedback coefficient matrix.
式203に式204を代入することより式205を導出することができ、式205の解は式206となる。 By substituting equation 204 into equation 203, equation 205 can be derived, and the solution of equation 205 is equation 206.
ここで、x(0)は初期外乱を表し、t=0以前の区間で存在した外乱によって原点からずれたt=0での初期ベクトルを表す。したがって、Fを適切に選択し行列(A−BF)を安定行列にすることができれば、すべてのx(0)≠0に対して、x(t)→0(t→∞)とすることができ、状態変数を漸近的に原点に帰すことができる。換言すると、行列(A−BF)の固有値の値や配置を評価することにより、システムの安定性を評価することができる。 Here, x (0) represents an initial disturbance, and represents an initial vector at t = 0 that is deviated from the origin due to a disturbance that existed before t = 0. Therefore, if F is appropriately selected and the matrix (A-BF) can be made stable, x (t) → 0 (t → ∞) can be set for all x (0) ≠ 0. And state variables can be asymptotically returned to the origin. In other words, the stability of the system can be evaluated by evaluating the value and arrangement of the eigenvalues of the matrix (A-BF).
(b)ナイキストの安定条件
ナイキストの安定判別法は、フィードバック系の内部安定性を判別する手法であり、開ループ伝達関数の周波数応答に基づき、ナイキスト線図を用いて図的に安定性を判別するものである。ナイキスト線図は、複素平面上にωを変化させたときの開ループ伝達関数の絶対値と位相角との関係を表したベクトル軌跡(ナイキスト軌跡)である。ナイキスト軌跡が点(−1,0)の周りを反時計方向にまわる回数が、開ループ伝達関数の不安定極の個数と等しいとき、制御系は安定であると判定することができる。ナイキストの安定判別法は、複雑な計算の必要がなく、高次の系やむだ時間系にも容易に適用できる。また、実データに基づいて判定することができ、直感的にもわかりやすい。
(B) Nyquist stability conditions The Nyquist stability determination method is a method for determining the internal stability of a feedback system. Based on the frequency response of the open-loop transfer function, the stability is determined graphically using the Nyquist diagram. To do. The Nyquist diagram is a vector locus (Nyquist locus) representing the relationship between the absolute value of the open-loop transfer function and the phase angle when ω is changed on the complex plane. When the number of times that the Nyquist trajectory turns around the point (-1, 0) is equal to the number of unstable poles of the open-loop transfer function, it can be determined that the control system is stable. The Nyquist stability determination method does not require complicated calculations and can be easily applied to higher-order systems and time delay systems. Moreover, the determination can be made based on actual data, which is easy to understand intuitively.
(c)リアプノフの安定条件
非線形システムである下記式207について、f(x)=0を満たす平衡点がx=0にあるものとする。リアプノフの安定性の定義は、x(0)が原点0(すなわち、平衡点)から少しずれたとき、x(t)が依然として原点近傍に留まり得るか否かを述べており、図16に示した安定性特性曲線のイメージで考えることができる。
(C) Lyapunov stability condition For the following equation 207, which is a nonlinear system, an equilibrium point satisfying f (x) = 0 is at x = 0. Lyapunov's definition of stability states whether x (t) can still remain near the origin when x (0) deviates slightly from origin 0 (ie, the equilibrium point) and is shown in FIG. It can be considered in the image of the stability characteristic curve.
ここで、式207で表されるシステムのリアプノフ関数V(x)は、下記式208で表される。リアプノフ関数V(x)は、ベクトルx(t)についてのスカラー関数であり、かつ正定関数である。また、式208は準負定関数であり、∂V/∂xは連続であるとする。 Here, the Lyapunov function V (x) of the system represented by Expression 207 is represented by Expression 208 below. The Lyapunov function V (x) is a scalar function for the vector x (t) and is a positive definite function. Further, Expression 208 is a quasi-negative definite function, and ∂V / ∂x is continuous.
このとき、原点近傍のある範囲内でリアプノフ関数が存在すれば、原点は安定である。さらに式208が負定関数ならば、原点は漸近安定であることが知られている。特に、大域的な漸近安定性については、
1)xの全域でのリアプノフ関数V(x)が存在する
2)‖x‖→∞のとき、V(x)→∞となる
3)Vdot(x)≡0の解x(t)が式207の原点以外の開と恒等的に一致しない
の3つの条件が成立するならば、原点は大域的に漸近安定であることが知られている。なお、Vdot(x)は、式208に示すリアプノフ関数V(x)の時間微分を示す。
At this time, if the Lyapunov function exists within a certain range near the origin, the origin is stable. Furthermore, it is known that the origin is asymptotically stable if the expression 208 is a negative definite function. In particular, for global asymptotic stability,
1) Lyapunov function V (x) exists over the entire area of x 2) When ‖x‖ → ∞, V (x) → ∞ 3) Solution x (t) of V dot (x) ≡0 It is known that the origin is globally asymptotically stable if the three conditions that are not identical with the opening other than the origin of Expression 207 are satisfied. V dot (x) represents the time derivative of the Lyapunov function V (x) shown in Expression 208.
このように、原点近傍のある範囲内でリアプノフ関数が存在するか否かを調べることにより、システムの安定性を判別することができる。 In this way, the stability of the system can be determined by examining whether or not the Lyapunov function exists within a certain range near the origin.
上記の手法以外にも、例えば、スモールゲイン定理・受動定理の安定性条件を用いてシステムの安定性を評価、判別することも可能である。 In addition to the above method, for example, the stability of the system can be evaluated and determined using the stability conditions of the small gain theorem and the passive theorem.
また、安定性評価部151は、高炉3の非定常物理モデルシミュレータが算出する高炉操業特徴量に対して、部分空間同定法(Subspace-based State-Space Identification:以後、「4SID法」と称する。)を用いて、高炉3のダイナミクスを表現する上記式200及び式201の状態空間表現モデルを導出することも可能である。4SID法については、非特許文献10及び非特許文献11に、また、高炉の非定常物理シミュレータ算出結果に対する4SID法の適用方法の一例が非特許文献12に例示されており、これらの結果やその応用を本発明の実施形態に適用することが可能である。 In addition, the stability evaluation unit 151 is referred to as “subspace-based state-space identification” (hereinafter referred to as “4SID method”) for the blast furnace operation feature amount calculated by the unsteady physical model simulator of the blast furnace 3. ) Can be used to derive the state space expression model of the above equations 200 and 201 that express the dynamics of the blast furnace 3. Regarding the 4SID method, Non-Patent Document 10 and Non-Patent Document 11 and an example of an application method of the 4SID method for the unsteady physical simulator calculation result of the blast furnace are illustrated in Non-Patent Document 12, and these results and Applications can be applied to embodiments of the present invention.
基本的な考え方は、まず、作成した高炉3の非定常物理モデルシミュレータの境界条件に外乱を加えたものを、高炉操業特徴量を算出するための高炉非定常物理モデルへの入力情報とする。次いで、入力情報に基づいて高炉3の非定常物理モデルシミュレータによる非定常計算を実行し、取得された高炉操業特徴量から外乱の影響を求める。これを高炉システムの出力情報とする。そして、安定性評価部151は、高炉操業情報、高炉操業特徴量、入力情報および出力情報に基づいて、4SID法を用いて、入力情報および出力情報のダイナミクスを近似する状態空間表現モデルを導出する。この状態空間表現モデルを操業安定性評価モデルとして利用することができる。 The basic idea is that the boundary condition of the created unsteady physical model simulator of the blast furnace 3 is added with a disturbance as input information to the blast furnace unsteady physical model for calculating the blast furnace operation feature quantity. Next, the unsteady calculation by the unsteady physical model simulator of the blast furnace 3 is executed based on the input information, and the influence of the disturbance is obtained from the acquired blast furnace operation characteristic amount. This is output information of the blast furnace system. Then, the stability evaluation unit 151 derives a state space expression model that approximates the dynamics of the input information and the output information using the 4SID method based on the blast furnace operation information, the blast furnace operation feature value, the input information, and the output information. . This state space expression model can be used as an operational stability evaluation model.
このように同定された状態空間表現モデルの評価は、例えば、次式209の適合率FIT[%]の値で判断することができる。式209では、一例として、入力として羽口における気体相温度を設定したときの、出力として設定した炉内の任意のメッシュにおける固体相温度TSに対する適合率を表している。 The evaluation of the state space expression model identified as described above can be determined by, for example, the value of the precision FIT [%] of the following expression 209. In Formula 209, as an example, at the time of setting the gas phase temperature at the tuyere as input represents the relevance ratio with respect to solid phase temperature T S at any mesh in the furnace was set as an output.
また、Nは入出力情報のデータ長、kは離散化時間である。 N is the data length of the input / output information, and k is the discretization time.
上述のとおり、高炉3は時間的にも空間的にも多分解能の複数のサブシステムが相互連携した動的なシステムと考えられる。したがって、4SID法の適用において、各メッシュにおける分解能を変化させ個々の分解能に対応する同定モデルを導出することができる。 As described above, the blast furnace 3 is considered to be a dynamic system in which a plurality of sub-systems having multiple resolutions are linked in both time and space. Therefore, in the application of the 4SID method, an identification model corresponding to each resolution can be derived by changing the resolution in each mesh.
具体的には、(1)時間分解能のみを変化させた場合、(2)空間分解能のみを変化させた場合、(3)時間分解能と空間分解能の両方を同時に変化させた場合の3パターンが手法として提案できる。(1)〜(3)の各パターンにおける各同定モデルの同定結果の一例を、固体相温度の適合率FIT[%]の炉内2次元分布コンタ図として、図17A〜図17Cに示す。図17A〜図17Cの各図は、高炉3を12×18のメッシュに区分したときの各メッシュにおける式209により算出される同定モデルの適合率を表している。適合率が高いほど、高い数値を示す。 Specifically, (1) when only temporal resolution is changed, (2) when only spatial resolution is changed, and (3) three patterns when both temporal resolution and spatial resolution are changed simultaneously Can be proposed as An example of the identification result of each identification model in each pattern of (1) to (3) is shown in FIGS. 17A to 17C as an in-furnace two-dimensional distribution contour diagram of the conformity rate FIT [%] of the solid phase temperature. Each of FIGS. 17A to 17C represents the matching rate of the identification model calculated by Expression 209 in each mesh when the blast furnace 3 is divided into 12 × 18 meshes. The higher the precision, the higher the value.
図17Aは、時間分解能のみを変化させたパターン(1)の同定モデルの同定結果を示し、図17Bは、空間分解能のみを変化させたパターン(2)の同定モデルの同定結果を示す。そして、図17Cは、時間分解能を粗く設定した状態(図17Aの(状態b))において、空間分解能を変化させたパターン(3)の同定モデルの同定結果を示す。図17A〜図17Cでは、分解能を変化させた3つの状態(a)、(b)、(c)を示しており、状態(a)、(b)、(c)の順に分解能が粗くなっている。なお、図17Aおよび図17Bの状態(a)は同一の状態を表している。 FIG. 17A shows the identification result of the identification model of the pattern (1) in which only the temporal resolution is changed, and FIG. 17B shows the identification result of the identification model of the pattern (2) in which only the spatial resolution is changed. FIG. 17C shows the identification result of the identification model of the pattern (3) in which the spatial resolution is changed in the state where the temporal resolution is set coarsely ((state b) in FIG. 17A). 17A to 17C show three states (a), (b), and (c) in which the resolution is changed, and the resolution becomes coarse in the order of states (a), (b), and (c). Yes. In addition, the state (a) of FIG. 17A and FIG. 17B represents the same state.
図17Aおよび図17Bの状態(a)に示すように、羽口から離れるほど同定モデルの適合率は低くなっている。これは、羽口から離れたメッシュの出力は遅い時定数を持ち、また空間的にも高い周波数を持たないことによる。このため、図17Aおよび図17Bに示すように、羽口から離れたメッシュ近傍では時空間分解能を粗くした方が同定モデルの適合率が上がることがわかる。したがって、時間的にも空間的にも多分解能の複数のサブシステムが相互連携した動的なシステムである高炉のダイナミクスを、比較的少ないシステムパラメータで精度よく再現するには、時空間分解能の異なる同定モデル(例えば、4SID法による状態空間表現モデル)を組み合わせることが有効である。これは、図17Cに示すように、時間分解能を粗くした図17Aの状態(b)から空間分解能を粗くしていくと同定モデルの適合率が著しく向上していることからも示されている。 As shown in the state (a) of FIGS. 17A and 17B, the accuracy of the identification model decreases as the distance from the tuyere increases. This is because the output of the mesh away from the tuyere has a slow time constant and does not have a high spatial frequency. For this reason, as shown in FIG. 17A and FIG. 17B, it can be seen that the accuracy of the identification model increases when the spatio-temporal resolution is increased in the vicinity of the mesh away from the tuyere. Therefore, in order to accurately reproduce the dynamics of a blast furnace, which is a dynamic system in which multiple subsystems with multiple resolutions, both temporally and spatially, cooperate with each other with a relatively small number of system parameters, the spatiotemporal resolution is different. It is effective to combine identification models (for example, a state space expression model by the 4SID method). As shown in FIG. 17C, this is also indicated by the fact that the matching rate of the identification model is significantly improved when the spatial resolution is increased from the state (b) of FIG. 17A in which the time resolution is increased.
例えば、組み合わせ法による伝達関数は、式211のように表現することができる。 For example, the transfer function based on the combination method can be expressed as in Expression 211.
ここで、tは時間分解能、sは空間分解能、iは炉高方向メッシュ番号、jは炉半径方向メッシュ番号、wは重み係数、fは同定モデル、zは離散系伝達関数における演算子である。なお、ここでは、一例として、式211の空間メッシュ毎の伝達関数fi,jを例示したが、本発明はかかる例に限定されない。実高炉での計測データや高炉非定常物理モデルシミュレータによるシミュレーション結果等を通じて得られる、高炉という動的システムが有する時間分解能、空間分解能に関する知見に基づき、近傍に連続する複数のメッシュを一つの領域として取り扱い、当該領域毎の伝達関数fを定義することによって、更にシステムパラメータを少なくした形で精度のよい伝達関数を取得できることは言うまでもない。 Here, t is a temporal resolution, s is a spatial resolution, i is a furnace height direction mesh number, j is a furnace radial direction mesh number, w is a weighting factor, f is an identification model, and z is an operator in a discrete system transfer function. . Here, as an example, the transfer function f i, j for each spatial mesh of Expression 211 is illustrated, but the present invention is not limited to this example. Based on knowledge about the temporal and spatial resolution of the dynamic system called the blast furnace, which is obtained through measurement data in the actual blast furnace and simulation results from the blast furnace unsteady physical model simulator Needless to say, by defining the transfer function f for each region, it is possible to obtain a highly accurate transfer function with fewer system parameters.
以上のような制御理論に基づき、安定性評価部151は、ある操業動作点における高炉3の操業安定性を逐次評価する。なお、本発明はかかる例に限定されず、上記以外の制御理論に基づき安定性を評価することもできる。安定性評価部151は、可安定性・可制御性の状態を示す値や、ナイキスト線図のようなグラフから取得できる定量的な安定性判別情報を取得すると、制御方法決定部153へ出力する。 Based on the control theory as described above, the stability evaluation unit 151 sequentially evaluates the operation stability of the blast furnace 3 at a certain operation operation point. In addition, this invention is not limited to this example, Stability can also be evaluated based on control theories other than the above. When the stability evaluation unit 151 acquires a value indicating the state of stability / controllability or quantitative stability determination information that can be acquired from a graph such as a Nyquist diagram, the stability evaluation unit 151 outputs the information to the control method determination unit 153. .
制御方法決定部153は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。制御方法決定部153は、安定性評価部151から入力された安定性判別情報に基づいて、動的システムである高炉3の安定状態を判断し、高炉3の制御方法を決定する。すなわち、安定性判別情報より高炉3の操業状態が安定であると判断したとき、制御方法決定部153は、現状と同等、高炉3の安定操業を維持するように各種制御手段7の操作量を決定する。一方、安定性判別情報より高炉3の操業状態が不安定であると判断したとき、制御方法決定部153は、高炉3の操業状態が不安定から安定となるように、各種制御手段7の操作量を決定する。これにより、高炉3をシステム全体として安定して操業させることができる。制御方法決定部153により高炉3の制御方法が決定されると、各種制御手段7へ操作量が出力される。 The control method determination unit 153 is realized by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example. The control method determination unit 153 determines the stable state of the blast furnace 3 as a dynamic system based on the stability determination information input from the stability evaluation unit 151 and determines the control method of the blast furnace 3. That is, when it is determined from the stability determination information that the operation state of the blast furnace 3 is stable, the control method determination unit 153 determines the operation amounts of the various control means 7 so as to maintain the stable operation of the blast furnace 3 as in the current state. decide. On the other hand, when it is determined from the stability determination information that the operation state of the blast furnace 3 is unstable, the control method determination unit 153 operates the various control means 7 so that the operation state of the blast furnace 3 becomes stable from the unstable state. Determine the amount. Thereby, the blast furnace 3 can be stably operated as the whole system. When the control method determining unit 153 determines the control method of the blast furnace 3, the operation amount is output to the various control means 7.
[高炉操業の安定性評価]
図4に示す操業制御部105による高炉操業の安定性評価の処理(ステップS15)の詳細を図18に示す。図18は、本実施形態に係る操業制御部105による高炉操業の安定性評価の処理を示すフローチャートである。
[Stability evaluation of blast furnace operation]
Details of the blast furnace operation stability evaluation process (step S15) by the operation control unit 105 shown in FIG. 4 are shown in FIG. FIG. 18 is a flowchart showing processing for evaluating the stability of blast furnace operation by the operation control unit 105 according to the present embodiment.
まず、操業制御部105は、高炉操業情報及び高炉操業特徴量を取得する(ステップS201)。高炉操業情報は、例えば記憶部11のデータベースから取得することができ、高炉操業特徴量は、高炉操業特徴量演算部103から取得することができる。 First, the operation control unit 105 acquires blast furnace operation information and blast furnace operation feature amounts (step S201). The blast furnace operation information can be acquired from, for example, a database in the storage unit 11, and the blast furnace operation feature amount can be acquired from the blast furnace operation feature amount calculation unit 103.
次いで、操業制御部105の安定性評価部151は、高炉3の状態空間表現モデルの同定を行う(ステップS203)。高炉3の状態空間表現モデルは、ステップS201で取得した高炉操業情報及び高炉操業特徴量より、上記式200及び式201で表される高炉3の大局的な非定常システム特性を表す行列関数A(t)、B(t)、C(t)、D(t)を同定することにより取得される。ここで、行列関数A(t)、B(t)、C(t)、D(t)は、高炉3という動的システムの操業安定性を評価する操業安定性評価モデルに相当する。 Next, the stability evaluation unit 151 of the operation control unit 105 identifies the state space expression model of the blast furnace 3 (step S203). The state-space representation model of the blast furnace 3 is a matrix function A ( t), B (t), C (t), and D (t) are obtained by identifying. Here, the matrix functions A (t), B (t), C (t), and D (t) correspond to an operation stability evaluation model for evaluating the operation stability of the dynamic system of the blast furnace 3.
そして、安定性評価部151は、ステップS203にて同定された行列関数A(t)、B(t)、C(t)、D(t)を用いて、ある時刻における操業動作点における高炉操業安定性を評価する(ステップS205)。高炉操業安定性の評価は、上述した制御理論に基づき、定量的に行われる。安定性評価部151は、評価結果を制御方法決定部153へ出力する。 Then, the stability evaluation unit 151 uses the matrix functions A (t), B (t), C (t), and D (t) identified in step S203 to operate the blast furnace at the operation operating point at a certain time. The stability is evaluated (step S205). Evaluation of blast furnace operation stability is quantitatively performed based on the control theory mentioned above. The stability evaluation unit 151 outputs the evaluation result to the control method determination unit 153.
このように、操業制御部105は、高炉操業特徴量演算部103により演算された高炉操業特徴量や、高炉操業情報等を利用して、高炉操業の安定性評価を実施することができる。そして、操業制御部105の制御方法決定部153は、高炉操業特徴量、高炉操業情報、安定性評価の結果等を利用して、高炉3の制御方法を決定する(ステップS17)。 As described above, the operation control unit 105 can perform the blast furnace operation stability evaluation using the blast furnace operation feature amount calculated by the blast furnace operation feature amount calculation unit 103, the blast furnace operation information, and the like. And the control method determination part 153 of the operation control part 105 determines the control method of the blast furnace 3 using the result of a blast furnace operation feature-value, blast furnace operation information, stability evaluation, etc. (step S17).
ステップS15及びS17の処理は、周期的に行われ、時々刻々の操業動作点において高炉3の操業安定性が評価されるとともに、高炉3の操業を安定させるための制御出力が決定される。 The processes in steps S15 and S17 are performed periodically, and the operation stability of the blast furnace 3 is evaluated at the operation operation point from time to time, and the control output for stabilizing the operation of the blast furnace 3 is determined.
以上、操業制御部105における高炉3の操業状態の安定性判別と制御出力の決定方法について説明した。 Heretofore, the method for determining the stability of the operation state of the blast furnace 3 in the operation control unit 105 and determining the control output has been described.
(高炉操業状態制御装置のハードウェア構成について)
次に、図19を参照しながら、本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置10のハードウェア構成について、詳細に説明する。図19は、本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置10のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
(Hardware configuration of blast furnace operation state control device)
Next, a hardware configuration of the blast furnace operation state control device 10 according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 19 is a block diagram for explaining a hardware configuration of the blast furnace operation state control device 10 according to the embodiment of the present invention.
高炉操業状態制御装置10は、主に、CPU901と、ROM903と、RAM905と、を備える。また、高炉操業状態制御装置10は、更に、バス907と、入力装置909と、出力装置911と、ストレージ装置913と、ドライブ915と、接続ポート917と、通信装置919とを備える。 The blast furnace operation state control device 10 mainly includes a CPU 901, a ROM 903, and a RAM 905. The blast furnace operation state control device 10 further includes a bus 907, an input device 909, an output device 911, a storage device 913, a drive 915, a connection port 917, and a communication device 919.
CPU901は、演算処理装置および制御装置として機能し、ROM903、RAM905、ストレージ装置913、またはリムーバブル記録媒体921に記録された各種プログラムに従って、高炉操業状態制御装置10内の動作全般またはその一部を制御する。ROM903は、CPU901が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。RAM905は、CPU901が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはCPUバス等の内部バスにより構成されるバス907により相互に接続されている。 The CPU 901 functions as an arithmetic processing unit and a control unit, and controls all or part of the operation in the blast furnace operation state control device 10 according to various programs recorded in the ROM 903, the RAM 905, the storage device 913, or the removable recording medium 921. To do. The ROM 903 stores programs used by the CPU 901, calculation parameters, and the like. The RAM 905 primarily stores programs used by the CPU 901, parameters that change as appropriate during execution of the programs, and the like. These are connected to each other by a bus 907 constituted by an internal bus such as a CPU bus.
バス907は、ブリッジを介して、PCI(Peripheral Component Interconnect/Interface)バスなどの外部バスに接続されている。 The bus 907 is connected to an external bus such as a PCI (Peripheral Component Interconnect / Interface) bus via a bridge.
入力装置909は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチおよびレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置909は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段(いわゆる、リモコン)であってもよいし、高炉操業状態制御装置10の操作に対応したPDA等の外部接続機器923であってもよい。さらに、入力装置909は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、CPU901に出力する入力制御回路などから構成されている。高炉操業状態制御装置10のユーザは、この入力装置909を操作することにより、高炉操業状態制御装置10に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。 The input device 909 is an operation unit operated by the user, such as a mouse, a keyboard, a touch panel, a button, a switch, and a lever. The input device 909 may be, for example, remote control means (so-called remote control) using infrared rays or other radio waves, or an external connection device 923 such as a PDA corresponding to the operation of the blast furnace operation state control device 10. It may be. Furthermore, the input device 909 includes, for example, an input control circuit that generates an input signal based on information input by a user using the operation unit and outputs the input signal to the CPU 901. A user of the blast furnace operation state control device 10 can input various data and instruct a processing operation to the blast furnace operation state control device 10 by operating the input device 909.
出力装置911は、取得した情報をユーザに対して視覚的または聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、CRTディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ELディスプレイ装置およびランプなどの表示装置や、スピーカおよびヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置911は、例えば、高炉操業状態制御装置10が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、高炉操業状態制御装置10が行った各種処理により得られた結果を、テキストまたはイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。 The output device 911 is configured by a device that can notify the user of the acquired information visually or audibly. Examples of such devices include CRT display devices, liquid crystal display devices, plasma display devices, EL display devices and display devices such as lamps, audio output devices such as speakers and headphones, printer devices, mobile phones, and facsimiles. The output device 911 outputs, for example, results obtained by various processes performed by the blast furnace operation state control device 10. Specifically, the display device displays the results obtained by various processes performed by the blast furnace operation state control device 10 as text or an image. On the other hand, the audio output device converts an audio signal composed of reproduced audio data, acoustic data, and the like into an analog signal and outputs the analog signal.
ストレージ装置913は、高炉操業状態制御装置10の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置913は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置913は、CPU901が実行するプログラムや各種データ、および外部から取得した各種のデータなどを格納する。 The storage device 913 is a data storage device configured as an example of a storage unit of the blast furnace operation state control device 10. The storage device 913 includes, for example, a magnetic storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), a semiconductor storage device, an optical storage device, or a magneto-optical storage device. The storage device 913 stores programs executed by the CPU 901, various data, various data acquired from the outside, and the like.
ドライブ915は、記録媒体用リーダライタであり、高炉操業状態制御装置10に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録されている情報を読み出して、RAM905に出力する。また、ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体921は、例えば、CDメディア、DVDメディア、Blu−rayメディア等である。また、リムーバブル記録媒体921は、コンパクトフラッシュ(登録商標)(CompactFlash:CF)、フラッシュメモリ、または、SDメモリカード(Secure Digital memory card)等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体921は、例えば、非接触型ICチップを搭載したICカード(Integrated Circuit card)または電子機器等であってもよい。 The drive 915 is a recording medium reader / writer, and is built in or externally attached to the blast furnace operation state control device 10. The drive 915 reads information recorded on a removable recording medium 921 such as a mounted magnetic disk, optical disk, magneto-optical disk, or semiconductor memory, and outputs the information to the RAM 905. The drive 915 can also write a record on a removable recording medium 921 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory. The removable recording medium 921 is, for example, a CD medium, a DVD medium, a Blu-ray medium, or the like. The removable recording medium 921 may be a CompactFlash (registered trademark) (CompactFlash: CF), a flash memory, an SD memory card (Secure Digital memory card), or the like. Further, the removable recording medium 921 may be, for example, an IC card (Integrated Circuit card) on which a non-contact IC chip is mounted, an electronic device, or the like.
接続ポート917は、機器を高炉操業状態制御装置10に直接接続するためのポートである。接続ポート917の一例として、USB(Universal Serial Bus)ポート、IEEE1394ポート、SCSI(Small Computer System Interface)ポート、RS−232Cポート等がある。この接続ポート917に外部接続機器923を接続することで、高炉操業状態制御装置10は、外部接続機器923から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器923に各種のデータを提供したりする。 The connection port 917 is a port for directly connecting a device to the blast furnace operation state control device 10. Examples of the connection port 917 include a USB (Universal Serial Bus) port, an IEEE 1394 port, a SCSI (Small Computer System Interface) port, and an RS-232C port. By connecting the external connection device 923 to the connection port 917, the blast furnace operating state control device 10 acquires various data directly from the external connection device 923, or provides various data to the external connection device 923. .
通信装置919は、例えば、通信網925に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置919は、例えば、有線または無線LAN(Local Area Network)、Bluetooth(登録商標)、またはWUSB(Wireless USB)用の通信カード等である。また、通信装置919は、光通信用のルータ、ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)用のルータ、または、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置919は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばTCP/IP等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置919に接続される通信網925は、有線または無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内LAN、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信等であってもよい。 The communication device 919 is a communication interface configured with, for example, a communication device for connecting to the communication network 925. The communication device 919 is, for example, a communication card for wired or wireless LAN (Local Area Network), Bluetooth (registered trademark), or WUSB (Wireless USB). The communication device 919 may be a router for optical communication, a router for ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), or a modem for various communication. The communication device 919 can transmit and receive signals and the like according to a predetermined protocol such as TCP / IP, for example, with the Internet and other communication devices. The communication network 925 connected to the communication device 919 is configured by a wired or wireless network, and may be, for example, the Internet, a home LAN, infrared communication, radio wave communication, satellite communication, or the like. .
以上、本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置10の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。 Heretofore, an example of the hardware configuration capable of realizing the function of the blast furnace operation state control device 10 according to the embodiment of the present invention has been shown. Each component described above may be configured using a general-purpose member, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. Therefore, it is possible to change the hardware configuration to be used as appropriate according to the technical level at the time of carrying out this embodiment.
(第1実施例)
<高炉操業特徴量の演算に関する実施例>
以下では、まず、図20〜図25を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る高炉操業特徴量の演算に関する実施例について説明する。
(First embodiment)
<Examples related to calculation of blast furnace operation feature value>
Below, the Example regarding the calculation of the blast furnace operation feature-value which concerns on the 1st Embodiment of this invention is first demonstrated, referring FIGS. 20-25.
本実施例では、本発明の第1の実施形態に係る高炉操業特徴量の演算方法を用いることで得られる演算の高速化効果について、具体的に説明する。 In this example, the effect of speeding up the calculation obtained by using the blast furnace operation feature value calculation method according to the first embodiment of the present invention will be specifically described.
まず、本実施例で用いた演算モデル等について説明する。本実施例では、第1の実施形態において説明した高炉2次元非定常物理モデルを計算モデルとした。この計算モデルについて、図8に示した12個の化学反応式について、固体相・液体相・気体相の3相を考慮した高炉操業特徴量の演算を実施した。なお、かかる演算処理において、着目した成分は、Fe2O3(S)、Fe3O4(S)、FeO(S)、FeO(L)、Fe(L)、C(S)、CO(G)、CO2(G)、H2(G)、H2O(G)の10成分である。 First, the calculation model used in the present embodiment will be described. In this example, the blast furnace two-dimensional unsteady physical model described in the first embodiment was used as a calculation model. With respect to this calculation model, the blast furnace operation characteristic amount was calculated for the twelve chemical reaction equations shown in FIG. 8 in consideration of the three phases of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase. In this calculation process, the focused components are Fe 2 O 3 (S), Fe 3 O 4 (S), FeO (S), FeO (L), Fe (L), C (S), CO ( G), CO 2 (G), H 2 (G), and 10 components of H 2 O (G).
また、高炉操業特徴量を算出する際に用いた非定常方程式として、第1の実施形態において式141〜式153で示した方程式(すなわち、物質収支式、熱収支式、移動速度決定式)を利用した。 In addition, as the unsteady equation used when calculating the blast furnace operation characteristic amount, the equations (ie, the material balance equation, the heat balance equation, and the moving speed determination equation) represented by the equations 141 to 153 in the first embodiment are used. used.
なお、高炉操業特徴量の演算にあたって、非定常演算の条件を以下のように設定した。
1)初期状態(t=0以前)において:3相の温度分布 373[K]、3相の流速分布 0[m/s]
2)t=0[sec]において:
a:羽口熱風条件をステップ入力:熱風温度 1500[K]、熱風流量 6300[N・m3/min]、送風圧力 4[atm]
b:炉頂装入物(鉄鉱石+コークス)条件をステップ入力:装入物温度 373[K]、装入流量 375[ton/hour]
In addition, in the calculation of the blast furnace operation feature value, the conditions for the unsteady calculation were set as follows.
1) In the initial state (before t = 0): three-phase temperature distribution 373 [K], three-phase flow velocity distribution 0 [m / s]
2) At t = 0 [sec]:
a: Step input of tuyere hot air conditions: hot air temperature 1500 [K], hot air flow rate 6300 [N · m 3 / min], air blowing pressure 4 [atm]
b: Step input of furnace top charge (iron ore + coke) conditions: charge temperature 373 [K], charge flow rate 375 [ton / hour]
以上のような条件設定のもと、本発明の第1の実施形態に係る高炉操業特徴量演算方法の高速化効果を検証するために、演算リソース等の条件が同一のコンピュータを利用して、以下のようにして演算を行った。 Under the condition settings as described above, in order to verify the speed-up effect of the blast furnace operation feature value calculation method according to the first embodiment of the present invention, using computers with the same conditions such as calculation resources, The calculation was performed as follows.
○従来法による演算
固体相・液体相・気体相の各非定常方程式を差分法及び一次オイラー法を用いて、t=0〜200[hour]の範囲で求解した。ここで、演算の経過時間更新のための時間刻みΔtは、3相共通に設定した。具体的には、Δt=0.0001[sec]である。
O Calculation by the conventional method The unsteady equations of the solid phase, the liquid phase, and the gas phase were solved in the range of t = 0 to 200 [hour] using the difference method and the primary Euler method. Here, the time increment Δt for updating the elapsed time of calculation is set to be common to the three phases. Specifically, Δt = 0.0001 [sec].
○第1の実施形態に係る演算方法
時間分解能の差に着目し、固体相・液体相については非定常方程式を利用し、気体相については定常方程式を利用した(すなわち、時間tによる偏微分の項を0とみなした。)。ここで、上記方程式の解は、t=0〜200[hour]の範囲で算出した。また、具体的な演算は、図11〜図14に示したような流れで実施するものとし、Δt1(すなわち、液体相及び気体相の時間刻み)=100[sec]、Δt2(すなわち、固体相の時間刻み)=1[sec]とした。
○ Calculation method according to the first embodiment Focusing on the difference in time resolution, a non-stationary equation is used for the solid phase and the liquid phase, and a stationary equation is used for the gas phase (that is, the partial differential of time t). The term was considered 0). Here, the solution of the above equation was calculated in the range of t = 0 to 200 [hour]. Further, the specific calculation is performed according to the flow shown in FIGS. 11 to 14, and Δt1 (that is, the time increment of the liquid phase and the gas phase) = 100 [sec], Δt2 (that is, the solid phase) Time step) = 1 [sec].
○演算に要した時間に関して
上述のような条件で高炉操業特徴量の演算を実施し、演算に要した時間を測定した。その上で、(第1の実施形態に係る演算方法の演算時間)/(従来法による演算時間)を算出することで、本演算方法による高速化の度合いを算出した。
このような演算の結果、第1の実施形態に係る演算方法は、従来法による演算結果に比べて、73.8倍の高速化を実現することができた。
○ Time required for calculation Blast furnace operation feature values were calculated under the conditions described above, and the time required for calculation was measured. After that, by calculating (calculation time of the calculation method according to the first embodiment) / (calculation time by the conventional method), the degree of speedup by this calculation method was calculated.
As a result of such calculation, the calculation method according to the first embodiment can realize a speed increase of 73.8 times compared with the calculation result by the conventional method.
○高炉操業特徴量の演算結果に関して
上述のような条件のもとで、第1の実施形態に係る演算方法を実施することで算出された高炉操業特徴量の一例を、図20〜図25に示した。
○ Regarding the calculation result of the blast furnace operation feature value An example of the blast furnace operation feature value calculated by performing the calculation method according to the first embodiment under the above-described conditions is shown in FIGS. Indicated.
ここで、図20は、炉内に存在するFe2O3の存在比(すなわち、体積分率)の演算結果を示したものである。また、図21は、炉内の気体相温度[K]の演算結果を示したものであり、図22は、炉内の固体相温度[K]の演算結果を示したものである。更に、図23は、炉内のCO濃度(すなわち、体積分率)の演算結果を示したものであり、図24は、炉内のH2濃度(すなわち、体積分率)の演算結果を示したものである。また、図25は、炉内圧力(気体相圧力)[atm]の演算結果を示したものである。 Here, FIG. 20 shows the calculation result of the abundance ratio (ie volume fraction) of Fe 2 O 3 present in the furnace. FIG. 21 shows the calculation result of the gas phase temperature [K] in the furnace, and FIG. 22 shows the calculation result of the solid phase temperature [K] in the furnace. Furthermore, FIG. 23 shows the calculation result of the CO concentration (ie, volume fraction) in the furnace, and FIG. 24 shows the calculation result of the H2 concentration (ie, volume fraction) in the furnace. Is. FIG. 25 shows the calculation result of the furnace pressure (gas phase pressure) [atm].
なお、図20〜図25において、縦軸は、高炉の高さを表しており、横軸は、高炉の半径を表している。 20 to 25, the vertical axis represents the height of the blast furnace, and the horizontal axis represents the radius of the blast furnace.
図20〜図25より明らかなように、本発明の第1の実施形態に係る演算方法を用いることで、200時間後までの長期的な高炉操業特徴量を、高速に算出することが可能であることがわかる。 As apparent from FIGS. 20 to 25, by using the calculation method according to the first embodiment of the present invention, it is possible to calculate a long-term blast furnace operation feature amount up to 200 hours later at high speed. I know that there is.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
1 高炉操業状態制御システム
3 高炉
5 センサ
7 制御手段
10 高炉操業状態制御装置
101 高炉操業情報取得部
103 高炉操業特徴量演算部
105 操業制御部
107 表示制御部
109 通信制御部
111 記憶部
121 演算制御部
123 パラメータ設定部
125 反応速度算出部
127 特徴量算出部
151 安定性評価部
153 制御方法決定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Blast furnace operation state control system 3 Blast furnace 5 Sensor 7 Control means 10 Blast furnace operation state control apparatus 101 Blast furnace operation information acquisition part 103 Blast furnace operation characteristic amount calculating part 105 Operation control part 107 Display control part 109 Communication control part 111 Storage part 121 Operation control Unit 123 parameter setting unit 125 reaction rate calculation unit 127 feature quantity calculation unit 151 stability evaluation unit 153 control method determination unit
Claims (11)
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段と、
前記センサ及び前記制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、高炉内部の前記固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能で前記シミュレーションを行い、前記高炉操業特徴量を演算する高炉操業特徴量演算装置と、
前記高炉操業情報及び前記高炉操業特徴量に基づいて、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、前記操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる前記制御手段の操作量を決定する操業制御装置と、
を備え、
前記センサ及び前記制御手段と、前記高炉操業特徴量演算装置と、前記操業制御装置との相互連携により、動的システムである高炉の安定性評価に基づき高炉の操業状態を制御することを特徴とする、高炉操業状態制御システム。 In the operation of a blast furnace in which molten iron is produced from a raw material containing iron ore and coke charged by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, the raw material is a charge of a solid phase, a liquid phase and a gas phase portion. It is an index value of the internal state of the blast furnace including the state, and the reaction in each region inside the blast furnace is obtained by dividing the time change of the blast furnace operation feature amount, which is a feature amount representing the operation state of the blast furnace, into a plurality of regions by mesh. A blast furnace operating state control system that controls the operating state of a blast furnace by calculating by a simulation using a model to be described,
A plurality of sensors provided in the blast furnace and control means for controlling the blast furnace;
Blast furnace operation information obtained from the sensor and the control means, which is data relating to the operation state of the blast furnace, and each part of the solid phase, liquid phase and gas phase inside the blast furnace, with each temporal resolution, or each A blast furnace operation feature quantity calculation device that performs the simulation with temporal resolution and spatial resolution and calculates the blast furnace operation feature quantity;
Based on the blast furnace operation information and the blast furnace operation characteristic amount, operation stability evaluation information which is a quantitative index for evaluating the stability of the operation state of the blast furnace regarding the operation process including the heat balance and mass balance of the blast furnace Obtained by calculation, from the operating state of the blast furnace determined from the operation stability evaluation information, an operation control device for determining the operation amount of the control means for stabilizing the operation of the blast furnace,
With
The operation state of the blast furnace is controlled based on the stability evaluation of the blast furnace, which is a dynamic system, by the mutual cooperation of the sensor and the control means, the blast furnace operation characteristic amount calculation device, and the operation control device. A blast furnace operating state control system.
操業動作点における高炉の操業安定性評価モデルを取得し、前記操業安定性評価モデルより高炉の操業状態の安定性を表す操業安定性評価情報を取得する安定性評価部と、
前記操業安定性評価情報に基づいて、高炉の操業状態が安定状態あるいは不安定状態のいずれにあるかを判別し、高炉の操業状態を安定させる前記制御手段の操作量を決定する制御方法決定部と、
を備えることを特徴とする、請求項1に記載の高炉操業状態制御システム。 The operation control device is:
A stability evaluation unit that acquires an operation stability evaluation model of a blast furnace at an operation operating point, and acquires operation stability evaluation information representing the stability of the operation state of the blast furnace from the operation stability evaluation model;
Based on the operation stability evaluation information, a control method determination unit that determines whether the operation state of the blast furnace is in a stable state or an unstable state, and determines an operation amount of the control means that stabilizes the operation state of the blast furnace. When,
The blast furnace operating state control system according to claim 1, comprising:
境界条件に外乱を加えた情報を、前記高炉操業特徴量を算出するための高炉の非定常物理モデルへの入力情報とし、当該入力情報に基づき前記非定常物理モデルを用いて算出された前記高炉操業特徴量から取得される外乱の影響を出力情報として取得して、前記入力情報および前記出力情報を前記操業制御装置へ出力し、
前記操業制御装置の前記安定性評価部は、
前記高炉操業情報、前記高炉操業特徴量、前記入力情報および前記出力情報に基づいて、4SID法を用いて、入出力信号のダイナミクスを近似する状態空間表現モデルを導出し、
当該状態空間表現モデルを前記操業安定性評価モデルとして用い、制御理論に基づき定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得することを特徴とする、請求項2に記載の高炉操業状態制御システム。 Blast furnace operation feature quantity calculation device
Information obtained by adding disturbance to the boundary condition is used as input information to the unsteady physical model of the blast furnace for calculating the blast furnace operation feature value, and the blast furnace calculated using the unsteady physical model based on the input information Obtaining the influence of disturbance acquired from the operation feature as output information, outputting the input information and the output information to the operation control device,
The stability evaluation unit of the operation control device is:
Based on the blast furnace operation information, the blast furnace operation feature value, the input information, and the output information, a 4SID method is used to derive a state space expression model that approximates the dynamics of the input / output signal,
The blast furnace operation according to claim 2, wherein the state space expression model is used as the operation stability evaluation model, and operation stability evaluation information that is a quantitative index is calculated and acquired based on a control theory. State control system.
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、高炉操業特徴量演算装置により、高炉内部の前記固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能で前記シミュレーションを行って演算された前記高炉操業特徴量とに基づいて、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、前記操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる前記制御手段の操作量を決定することを特徴とする、操業制御装置。 In the operation of a blast furnace in which molten iron is produced from a raw material containing iron ore and coke charged by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, the raw material is a charge of a solid phase, a liquid phase and a gas phase portion. This is an index value of the internal state of the blast furnace, including the state of the blast furnace. An operation control device that controls the operation state of the blast furnace by calculating by a simulation using a model to be described,
The blast furnace operation information obtained from a plurality of sensors provided in the blast furnace and the control means for controlling the blast furnace, and the blast furnace operation information, which is data relating to the operation state of the blast furnace, and the blast furnace operation characteristic amount calculation device, the solid phase, liquid phase and The blast furnace thermal balance and mass balance based on the blast furnace operation feature values calculated by performing the simulation for each part of the gas phase at the respective temporal resolution or at the respective temporal and spatial resolutions. The operation stability evaluation information, which is a quantitative index for evaluating the stability of the blast furnace operation state with respect to the operation process including, is obtained by calculating, from the operation state of the blast furnace determined from the operation stability evaluation information An operation control device for determining an operation amount of the control means for stabilizing the operation of the blast furnace.
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報を取得するステップと、
高炉操業特徴量演算装置によって、高炉内部の前記固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能で前記シミュレーションを行い、前記高炉操業特徴量を演算するステップと、
前記高炉操業情報及び前記高炉操業特徴量に基づいて、操業制御装置によって、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、前記操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる前記制御手段の操作量を決定するステップと、
を含み、
前記センサ及び前記制御手段と、前記高炉操業特徴量演算装置と、前記操業制御装置とを相互連携させて、上記ステップを制御タイミングにおいて行うことにより、動的システムである高炉の安定性評価に基づき高炉の操業状態を制御することを特徴とする、高炉操業状態制御方法。 In the operation of a blast furnace in which molten iron is produced from a raw material containing iron ore and coke charged by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, the raw material is a charge of a solid phase, a liquid phase and a gas phase portion. This is an index value of the internal state of the blast furnace, including the state of the blast furnace. A blast furnace operating state control method using a blast furnace operating state control system that controls the operating state of the blast furnace by calculating by a simulation using a model to be described,
A step of acquiring blast furnace operation information, which is data relating to the operation state of the blast furnace, from a plurality of sensors provided in the blast furnace and a control means for controlling the blast furnace;
The blast furnace operation feature quantity calculation device performs the simulation for each part of the solid phase, liquid phase, and gas phase inside the blast furnace with each temporal resolution, or with each temporal resolution and spatial resolution. A step of calculating an operation characteristic amount;
Based on the blast furnace operation information and the blast furnace operation characteristic amount, the operation control device is an operation that is a quantitative index for evaluating the stability of the operation state of the blast furnace regarding the operation process including the heat balance and mass balance of the blast furnace. Calculating and obtaining stability evaluation information, and determining an operation amount of the control means for stabilizing the operation of the blast furnace from the operation state of the blast furnace determined from the operation stability evaluation information;
Including
Based on the stability evaluation of the blast furnace, which is a dynamic system, by interlinking the sensors and the control means, the blast furnace operation feature amount calculation device, and the operation control device, and performing the above steps at the control timing. A blast furnace operating state control method, characterized by controlling an operating state of a blast furnace.
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、高炉操業特徴量演算装置により、高炉内部の前記固体相、液体相及び気体相の各部分について、それぞれの時間的分解能で、またはそれぞれの時間的分解能および空間的分解能で前記シミュレーションを行って演算された前記高炉操業特徴量とに基づいて、高炉の熱バランスとマスバランスを含む操業プロセスに関する高炉の操業状態の安定性を評価するための定量的な指標である操業安定性評価情報を演算して取得し、前記操業安定性評価情報より判別される高炉の操業状態から、高炉の操業を安定させる前記制御手段の操作量を決定することを特徴とする、操業制御装置として機能させるためのプログラム。
In the operation of a blast furnace in which molten iron is produced from a raw material containing iron ore and coke charged by a reduction reaction consisting of a plurality of chemical reactions, the raw material is a charge of a solid phase, a liquid phase and a gas phase portion. It is an index value of the internal state of the blast furnace including the state, and the reaction in each region inside the blast furnace is obtained by dividing the time change of the blast furnace operation feature amount, which is a feature amount representing the operation state of the blast furnace, into a plurality of regions by mesh. It is a program for causing a computer to realize the function of an operation control device that controls the operation state of the blast furnace by calculating by a simulation using a model to be described,
The blast furnace operation information obtained from a plurality of sensors provided in the blast furnace and the control means for controlling the blast furnace, and the blast furnace operation information, which is data relating to the operation state of the blast furnace, and the blast furnace operation characteristic amount calculation device, the solid phase, liquid phase and The blast furnace thermal balance and mass balance based on the blast furnace operation feature values calculated by performing the simulation for each part of the gas phase at the respective temporal resolution or at the respective temporal and spatial resolutions. The operation stability evaluation information, which is a quantitative index for evaluating the stability of the blast furnace operation state with respect to the operation process including, is obtained by calculating, from the operation state of the blast furnace determined from the operation stability evaluation information A program for functioning as an operation control device, characterized by determining an operation amount of the control means for stabilizing the operation of the blast furnace
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Country Status (1)
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---|---|
JP (1) | JP5583614B2 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015086461A (en) * | 2013-11-01 | 2015-05-07 | 新日鐵住金株式会社 | Blast furnace operation method |
CN110533270A (en) * | 2018-05-28 | 2019-12-03 | 广东韶钢松山股份有限公司 | A kind of blast funnace hot blast stove preheater operating status appraisal procedure |
JP2020176320A (en) * | 2019-04-22 | 2020-10-29 | 日本製鉄株式会社 | Correction coefficient determination method |
CN112287283A (en) * | 2020-10-24 | 2021-01-29 | 华北理工大学 | Blast furnace running state evaluation method and device and storage medium |
CN114525372A (en) * | 2022-01-05 | 2022-05-24 | 浙江大学 | Blast furnace state monitoring method and device based on multi-mode fusion |
WO2023130234A1 (en) * | 2022-01-05 | 2023-07-13 | 浙江大学 | Blast furnace state monitoring method and apparatus based on multi-modality fusion |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5469512A (en) * | 1977-11-15 | 1979-06-04 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Blast furnace operation method |
JPH08295910A (en) * | 1995-04-28 | 1996-11-12 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Operation of blast furnace |
JP2001254111A (en) * | 2000-03-13 | 2001-09-18 | Kawasaki Steel Corp | Method of controlling furnace heat in blast furnace and guidance device |
JP2002157572A (en) * | 2000-11-17 | 2002-05-31 | Nippon Steel Corp | Device and method for predicting result and computer readable storage medium |
JP2003306708A (en) * | 2002-04-17 | 2003-10-31 | Jfe Steel Kk | Method for stably operating blast furnace |
JP2008146322A (en) * | 2006-12-08 | 2008-06-26 | Nippon Steel Corp | Method and device for predicting operation state of manufacturing process and computer program and computer-readable storage medium |
-
2011
- 2011-02-23 JP JP2011037155A patent/JP5583614B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5469512A (en) * | 1977-11-15 | 1979-06-04 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Blast furnace operation method |
JPH08295910A (en) * | 1995-04-28 | 1996-11-12 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Operation of blast furnace |
JP2001254111A (en) * | 2000-03-13 | 2001-09-18 | Kawasaki Steel Corp | Method of controlling furnace heat in blast furnace and guidance device |
JP2002157572A (en) * | 2000-11-17 | 2002-05-31 | Nippon Steel Corp | Device and method for predicting result and computer readable storage medium |
JP2003306708A (en) * | 2002-04-17 | 2003-10-31 | Jfe Steel Kk | Method for stably operating blast furnace |
JP2008146322A (en) * | 2006-12-08 | 2008-06-26 | Nippon Steel Corp | Method and device for predicting operation state of manufacturing process and computer program and computer-readable storage medium |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015086461A (en) * | 2013-11-01 | 2015-05-07 | 新日鐵住金株式会社 | Blast furnace operation method |
CN110533270A (en) * | 2018-05-28 | 2019-12-03 | 广东韶钢松山股份有限公司 | A kind of blast funnace hot blast stove preheater operating status appraisal procedure |
JP2020176320A (en) * | 2019-04-22 | 2020-10-29 | 日本製鉄株式会社 | Correction coefficient determination method |
JP7203681B2 (en) | 2019-04-22 | 2023-01-13 | 日本製鉄株式会社 | How to determine the correction factor |
CN112287283A (en) * | 2020-10-24 | 2021-01-29 | 华北理工大学 | Blast furnace running state evaluation method and device and storage medium |
CN112287283B (en) * | 2020-10-24 | 2022-11-04 | 华北理工大学 | Blast furnace running state evaluation method and device and storage medium |
CN114525372A (en) * | 2022-01-05 | 2022-05-24 | 浙江大学 | Blast furnace state monitoring method and device based on multi-mode fusion |
CN114525372B (en) * | 2022-01-05 | 2022-10-28 | 浙江大学 | Multi-mode fusion based blast furnace state monitoring method and device |
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