JP7272326B2

JP7272326B2 - 操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置

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Publication number: JP7272326B2
Application number: JP2020116370A
Authority: JP
Inventors: 佳也橋本; 稜介益田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2023-05-12
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Description

本発明は、操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置に関する。

製鉄業における高炉プロセスにおいて、溶銑温度および溶銑の生産速度（以下、「造銑速度」という）は重要な管理指標である。溶銑温度が高くなると、余剰な還元材を消費するのみならず、炉内ガスの膨張によって原料降下が不安定となる。また、溶銑温度が極端に低下すると、スラグの排滓性が悪化し、高炉の生産性が著しく低下する。オペレータは、溶銑温度を制御するために、主に送風湿分、微粉炭比を操作している。一方、高炉では、後工程よって指定される目標造銑速度を順守して操業を行うことが求められる。この造銑速度を制御するためには、送風流量や富化酸素流量を調整する。

また、高炉プロセスは、固体が充填された状態で操業を行うため、プロセス全体の熱容量が大きく、操作（操業アクション）に対する応答の時定数が長いという特徴を有している。更に、高炉の上部（炉頂部）から装入された原料が高炉の下部（炉下部）に降下するまでには数時間オーダーの無駄時間が存在する。そのため、高炉操業を適切に行うためには、将来の高炉の状態に基づいて操業アクションを決定することが必要である。

このような背景から、特許文献１では、物理モデルを用いた将来予測に基づく高炉の制御方法が提案されている。特許文献１に記載された高炉の制御方法では、現在の炉頂ガスの組成に合致するように、物理モデルに含まれるガス還元速度パラメータを調整し、パラメータ調整後の物理モデルを用いて炉熱を予測している。

特開平１１－３３５７１０号公報

しかしながら、特許文献１で利用されている物理モデルは、偏微分方程式等の複雑な数式に基づいて溶銑温度や造銑速度の予測を行うため、操業に携わるオペレータの視点からはその算出根拠を理解しづらく、制御系を信頼して使用する上での障壁となっていた。

また、原料の粉化や未燃微粉炭の発生による通気性の悪化に起因した炉内ガスの吹き抜け等、現状の物理モデルでは予測が困難な現象が存在するため、高炉操業の完全な自動化を達成することは当面は困難である。そのため、オペレータの技能を高めるための人間機械協調技術も必要と考えられるが、上記のような物理モデルに基づく制御システムではこのような課題には十分に対応できていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、オペレータが炉内状態を考慮して適切な操業アクションを導出することが可能となる操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る操業ガイダンス方法は、高炉内の状態を計算可能な物理モデルを用いて、現在の操業状態を将来も保持した場合の前記高炉内の状態を予測する第一の予測ステップと、前記高炉内の状態を予測した際の、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を、出力装置に表示する表示ステップと、を含む。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記表示ステップが、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支について、現在の状態および現在の操業状態を将来も保持した場合の状態を、比較可能に並べて表示する。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記物理モデルを用いて、オペレータによって入力する任意の仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の将来の高炉内の状態を予測する第二の予測ステップを更に含み、前記表示ステップが、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支について、現在の状態および前記仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の状態を、グラフ上で比較可能に並べて表示する。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記第二の予測ステップが、前記操業条件を示す複数の操作変数を任意の値に指定可能な入力インターフェースを前記出力装置に表示し、前記入力インターフェースによって指定された操作変数に基づいて、将来の高炉内の状態を予測する。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記レースウェイ領域における酸素収支が、レースウェイ領域に吹き込まれる酸素の供給速度と、レースウェイ領域で燃焼される炭素の消費速度との関係を示し、前記炉内全体の炭素収支が、炉頂から供給されるコークス由来の炭素の供給速度と、炉内で燃焼される炭素の消費速度との関係を示し、前記酸化鉄由来の酸素収支が、炉頂から供給される酸化鉄由来の鉄の投入速度と、炉頂から供給される酸化鉄由来の酸素の投入速度と、炉頂から供給される酸化鉄のガスによる還元反応速度との関係を示し、前記表示ステップが、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支のうち、前記酸化鉄由来の鉄の投入速度以外を、前記グラフ上の第一軸方向に沿って並べて表示し、前記酸化鉄由来の鉄の投入速度を、前記第一軸方向に直交する第二軸方向に表示する。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記表示ステップが、前記第一の予測ステップおよび前記第二の予測ステップの少なくとも一方で予測した操業状態の造銑速度、コークス比および微粉炭流量比を含む操業指標の予測前後における変化を、比較可能に表示する。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記表示ステップが、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支に加えて、炉内への入熱と炉内で消費される熱との関係を示す炉内の熱収支を前記出力装置に表示する。

また、本発明に係る操業ガイダンス方法は、上記発明において、前記表示ステップが、各収支を溶銑の単位重量当たりに換算して表示する。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高炉の操業方法は、上記の操業ガイダンス方法によるガイダンスに従って高炉を制御するステップを含む。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る溶銑の製造方法は、上記の操業ガイダンス方法によるガイダンスに従って高炉を制御し、溶銑を製造するステップを含む。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る操業ガイダンス装置は、高炉内の状態を計算可能な物理モデルを用いて、現在の操業状態を将来も保持した場合の前記高炉内の状態を予測する予測手段と、前記高炉内の状態を予測した際の、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を表示する表示手段と、を備える。

本発明に係る操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置によれば、高炉内の状態を予測した際の、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を表示することにより、オペレータが適切な操業アクションを導出することが可能となる。従って、高炉の高効率かつ安定的な操業を実現することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る操業ガイダンス装置の概略的な構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係る操業ガイダンス方法で用いる物理モデルの入力変数および出力変数の一例を示す図である。図３は、レースウェイ領域における酸素収支を示すグラフである。図４は、炉内全体のコークス由来の炭素収支を示すグラフである。図５は、炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を示すグラフである。図６は、炉内の物質収支を時間当たりで示したグラフである。図７は、炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフである。図８は、炉内の物質収支を溶銑の単位重量当たりで示したグラフである。図９は、炉内の熱収支を溶銑の単位重量当たりで示したグラフである。図１０は、本発明の実施形態に係る操業ガイダンス方法において、物理モデルによる造銑温度および溶銑温度の予測結果を示す図である。図１１は、炉内の物質収支を時間当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値を示すグラフである。図１２は、炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値を示すグラフである。図１３は、炉内の物質収支を溶銑の単位重量当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値を示すグラフである。図１４は、炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値を示すグラフである。図１５は、複数の操作変数を任意の値に指定可能な入力インターフェースの一例を示す図である。図１６は、炉内の物質収支を時間当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値および微粉炭流量の減少後の値を示すグラフである。図１７は、炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値および微粉炭流量の減少後の値を示すグラフである。図１８は、炉内の物質収支を溶銑の単位重量当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値および微粉炭流量の減少後の値を示すグラフである。図１９は、炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフであって、コークス比を増加させる前後の値および微粉炭流量の減少後の値を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置について、図面を参照しながら説明する。

〔操業ガイダンス装置の構成〕
まず、本発明の実施形態に係る操業ガイダンス装置の構成について、図１を参照しながら説明する。操業ガイダンス装置１００は、情報処理装置１０１と、入力装置１０２と、出力装置１０３と、を備えている。

情報処理装置１０１は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の汎用の装置によって構成され、ＲＡＭ１１１、ＲＯＭ１１２およびＣＰＵ１１３を備えている。ＲＡＭ１１１は、ＣＰＵ１１３が実行する処理に関する処理プログラムや処理データを一時的に記憶し、ＣＰＵ１１３のワーキングエリアとして機能する。

ＲＯＭ１１２は、本発明の実施形態に係る操業ガイダンス方法を実行する制御プログラム１１２ａと、情報処理装置１０１全体の動作を制御する処理プログラムや処理データを記憶している。

ＣＰＵ１１３は、ＲＯＭ１１２内に記憶されている制御プログラム１１２ａおよび処理プログラムに従って情報処理装置１０１全体の動作を制御する。このＣＰＵ１１３は、後記する操業ガイダンス方法において、第一の予測ステップを行う第一の予測手段、第二の予測ステップを行う第二の予測手段および表示ステップを行う表示手段として機能する。

入力装置１０２は、キーボード、マウスポインタ、テンキー等の装置によって構成され、情報処理装置１０１に対して各種情報を入力する際に操作される。出力装置１０３は、表示装置や印刷装置等によって構成され、情報処理装置１０１の各種処理情報を出力する。出力装置１０３は、後記する操業ガイダンス方法において、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支、炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支、炉内の熱収支等を表示する。

〔物理モデルの構成〕
次に、本発明の実施形態に係る操業ガイダンス方法で用いる物理モデルについて説明する。本発明で用いる物理モデルは、参考文献１（羽田野道春ら：“高炉非定常モデルによる火入れ操業の検討”，鉄と鋼，vol.68，p.2369）記載の方法と同様に、鉄鉱石の還元、鉄鉱石とコークスとの間の熱交換、および鉄鉱石の融解等の複数の物理現象を考慮した偏微分方程式群から構成されており、非定常状態における高炉内の状態を示す変数（出力変数）を計算可能な物理モデルである（以下、「非定常モデル」という）。

図２に示すように、この非定常モデルに対して与える境界条件の中で時間変化する主なもの（入力変数，高炉の操作変数（操業因子ともいう））は、以下の通りである。
（１）炉頂におけるコークス比（ＣＲ）［ｋｇ／ｔ］：溶銑１トン当たりのコークスの投入量
（２）送風流量（ＢＶ）［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］：高炉に送風される空気の流量
（３）富化酸素流量（ＢＶＯ）［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］：高炉に吹き込まれる富化酸素の流量
（４）送風温度（ＢＴ）［℃］：高炉に送風される空気および富化酸素の温度
（５）微粉炭流量（微粉炭吹込み量、ＰＣＩ）［ｋｇ／ｍｉｎ］：溶銑生成量１トンに対して使用される微粉炭の重量
（６）送風湿分（ＢＭ）［ｇ／Ｎｍ^３］：高炉に送風される空気の湿度

また、非定常モデルによって形成される主な出力変数は、以下の通りである。
（１）炉内におけるガス利用率（ηＣＯ）：ＣＯ_２／（ＣＯ＋ＣＯ_２）
（２）コークスや鉄の温度
（３）鉄鉱石の酸化度
（４）原料の降下速度
（５）ソルーションロスカーボン量（ソルロスカーボン量）
（６）溶銑温度
（７）造銑速度（溶銑生成速度）
（８）炉体ヒートロス量：冷却水により炉体を冷却した際に冷却水が奪う熱量

本発明では、出力変数を計算する際のタイムステップ（時間間隔）は３０分とした。但し、タイムステップは目的に応じて可変であり、本実施形態の値に限定されることはない。

上記の非定常モデルは、例えば下記式（１）、（２）のように示すことができる。この非定常モデルを用いることにより、時々刻々変化する溶銑温度および造銑速度を含む出力変数を計算することができる。

ここで、上記式（１）、（２）において、ｘ（ｔ）は非定常モデル内で計算される状態変数（コークスや鉄の温度、鉄鉱石の酸化度、原料の降下速度等）、ｙ（ｔ）は制御変数である溶銑温度（Hot Metal Temperature：ＨＭＴ）、造銑速度等である。また、Ｃは非定常モデル内で計算される状態変数の中から制御変数を抽出するための行列または関数である。

また、上記式（１）におけるｕ（ｔ）は、非定常モデルの入力変数である、送風流量、富化酸素流量、微粉炭流量、送風湿分、送風温度およびコークス比である。このｕ（ｔ）は、「ｕ（ｔ）＝（ＢＶ（ｔ），ＢＶＯ（ｔ），ＰＣＩ（ｔ），ＢＭ（ｔ），ＢＴ（ｔ），ＣＲ（ｔ））」で表すことができる。

〔操業ガイダンス方法〕
次に、本実施形態に係る操業ガイダンス方法について説明する。本実施形態に係る操業ガイダンス方法は、第一の予測ステップと、第二の予測ステップと、収支算出ステップと、表示ステップと、を行う。第一の予測ステップおよび第二の予測ステップは、どちらを先に実施してもよい。また、第一の予測ステップおよび第二の予測ステップは、必ずしも両方を実施する必要はなく、どちらか一方のみを実施してもよい。

（第一の予測ステップ）
第一の予測ステップでは、前記した非定常モデルを用いて、現在の操業状態を将来も保持した場合の、将来の任意の時刻における高炉内の状態を予測する。本ステップで予測する高炉内の状態としては、例えば溶銑温度、造銑速度、高炉の通気度、炉頂の圧力と羽口の圧力との差を示す圧損等が挙げられる。本実施形態では、本ステップにおいて、溶銑温度および造銑速度を予測する場合について説明する。なお、第一の予測ステップの具体例については後記する。

（第二の予測ステップ）
第二の予測ステップでは、前記した非定常モデルを用いて、オペレータによって入力する任意の仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の将来の高炉内の状態を予測する。本ステップでは、例えば操業条件を示す複数の操作変数を任意の値に指定した入力インターフェース（図１５参照）を出力装置１０３に表示させ、オペレータが指定した操作変数の値に基づいて、将来の任意の時刻における高炉内の状態を予測する。本実施形態では、本ステップにおいて、溶銑温度および造銑速度を予測する場合について説明する。なお、第二の予測ステップの具体例については後記する。

（収支算出ステップ）
収支算出ステップでは、炉内の物質収支および熱収支を算出する。炉内の物質収支としては、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支が挙げられる。

レースウェイ領域における酸素収支とは、レースウェイ領域に吹き込まれる酸素の供給速度と、レースウェイ領域で燃焼される炭素の消費速度との関係を示している（後記する図３参照）。また、炉内全体の炭素収支とは、炉頂から供給されるコークス由来の炭素の供給速度と、炉内で燃焼される炭素の消費速度との関係を示している（後記する図４参照）。

また、酸化鉄由来の酸素収支とは、炉頂から供給される酸化鉄由来の鉄の投入速度と、炉頂から供給される酸化鉄由来の酸素の投入速度と、炉頂から供給される酸化鉄のガスによる還元反応速度との関係を示している（後記する図５参照）。また、炉内の熱収支とは、炉内への入熱と炉内で消費される熱との関係を示している（後記する図７参照）。

本ステップでは、具体的には、現在の物質収支および熱収支、第一の予測ステップで高炉内の状態を予測した際の将来の任意の時刻の物質収支および熱収支、第二の予測ステップで高炉内の状態を予測した際の将来の任意の時刻の物質収支および熱収支、を算出する。なお、収支算出ステップで算出する各収支の詳細については後記する（後記する図３～図９、図１１～図１４、図１５～図１９参照）。

（表示ステップ）
表示ステップでは、収支算出ステップで算出した各収支を出力装置１０３に表示させ、オペレータに提示する。本ステップでは、現在の物質収支および熱収支、第一の予測ステップで高炉内の状態を予測した際の将来の任意の時刻の物質収支および熱収支、第二の予測ステップで高炉内の状態を予測した際の将来の任意の時刻の物質収支および熱収支、を出力装置１０３に表示する。なお、表示ステップで表示する算出する各収支の詳細については後記する（後記する図１１～図１４、図１６～図１９参照）。

前記した第一の予測ステップを実施した場合、本ステップでは、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支、炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支について、現在の状態および現在の操業状態を将来も保持した場合の状態を、一つのグラフ上で同一軸方向に沿って、比較可能に並べて表示する（図１１および図１３参照）。これにより、オペレータに対して、現在の操業状態を将来も保持した場合の炉内の物質収支を視覚的に提示することができるため、オペレータが適切な操業アクションを導出しやすくなる。

また、前記した第一の予測ステップに加えて第二の予測ステップを行った場合、本ステップでは、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支、炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支について、現在の状態、現在の操業状態を将来も保持した場合の状態または仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の状態を、グラフ上で同一軸方向に沿って、比較可能に並べて表示する（図１６および図１８参照）。これにより、オペレータに対して、仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の炉内の物質収支を視覚的に提示することができるため、オペレータが適切な操業アクションを導出しやすくなる。

また、本ステップでは、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支、炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支のうち、酸化鉄由来の鉄の投入速度以外を、グラフ上の第一軸方向に沿って並べて表示し、酸化鉄由来の鉄の投入速度を、第一軸方向に直交する第二軸方向に表示する（図１１、図１３、図１６および図１８参照）。すなわち、各収支の値のうち、互いに比例する値がある場合は、同軸ではなく別軸に配置して提示する。これにより、オペレータに対して、各収支の値同士の関係も含めて提示することができるため、オペレータが適切な操業アクションを導出しやすくなる。

また、本ステップでは、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および酸化鉄由来の酸素収支に加えて、炉内への入熱と炉内で消費される熱との関係を示す炉内の熱収支を出力装置１０３に表示させ（図１２、図１４、図１７および図１９参照）、オペレータに提示してもよい。これにより、オペレータに対して、炉内の熱収支を視覚的に提示することができるため、オペレータが適切な操業アクションを導出しやすくなる。

また、本ステップでは、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支、酸化鉄由来の酸素収支および炉内の熱収支を、時間当たりで表示してもよく（図１１、図１２、図１６および図１７参照）、あるいは各収支を溶銑の単位重量当たりに換算して表示してもよい（図１４、図１５、図１８および図１９参照）。このように、炉内の物質収支および熱収支を溶銑の単位重量当たりに換算して示すことにより、溶銑の単位重量当たりの微粉炭の量やコークスの量、ソルーションロスカーボン量、溶銑・スラグ顕熱を、オペレータに提示することができる。

また、本ステップでは、第一の予測ステップおよび第二の予測ステップの少なくとも一方で予測した操業状態の造銑速度、コークス比および微粉炭流量比を含む操業指標の予測前後における変化を、比較可能に表示する（図１１、図１３、図１６および図１８参照）。これにより、オペレータに対して、操業状態および操業指標の予測前後における変化を視覚的に提示することができるため、オペレータが適切な操業アクションを導出しやすくなる。

〔各収支の詳細〕
以下、収支算出ステップで算出し、表示ステップで表示する各収支の詳細について説明する。

（レースウェイ領域における酸素収支）
まず、レースウェイ領域における酸素収支について説明する。レースウェイ領域に吹き込まれる酸素は、送風空気（富化酸素含む）、送風湿分および微粉炭中の酸素分からなる。それぞれの供給（投入）速度［ｋｍｏｌＯ／ｓｅｃ］を、Ｏ＿ｉｎ（１）、Ｏ＿ｉｎ（２）、Ｏ＿ｉｎ（３）とする。また、レースウェイ領域において燃焼される炭素は、コークス由来または微粉炭由来のものである。そのため、レースウェイ領域における酸素と炭素の反応は、下記式（３）～（６）のいずれかとなる。

ここで、上記式（３）による炭素の消費速度をＣ＿ｏｕｔ（１）、上記式（４）による炭素の消費速度をＣ＿ｏｕｔ（２）、上記式（５）、（６）による炭素の消費速度をＣ＿ｏｕｔ（３）と置く。上記式（３）～（６）のいずれの反応形態においても、ＣとＯのモル比は１：１であるため、下記式（７）に示すように、レースウェイ領域に吹き込まれる酸素の供給速度［ｋｍｏｌＯ／ｓｅｃ］と、炭素の消費速度［ｋｍｏｌＣ／ｓｅｃ］とは、一致しなければならない。

また、上記式（７）の収支関係を棒グラフで示したものが図３である。

（炉内全体の炭素収支）
続いて、炉内全体のコークス中の炭素収支について説明する。レースウェイ領域において、上記式（３）、（４）によって消費される炭素以外に、炉内では下記式（８）～（１２）に示すような反応で炭素が消費される。

ここで、上記式（８）による炭素の消費速度をＣ＿ｏｕｔ（４）、上記式（９）～（１２）による炭素の消費速度をＣ＿ｏｕｔ（５）と置く。また、炉頂から供給されるコークス由来の炭素の供給速度（以下、「炉頂から供給される炭素の供給速度」という）をＣ＿ｔｏｐ＿ｉｎと置くと、定常状態では、炭素の消費速度と炭素の供給速度とは等しくなるべきであり、下記式（１３）が成立する。

但し、コークス比の変更直後等の過渡状態では、上記式（１３）は成り立たないことに注意する必要がある。また、上記式（１３）に示した炭素の供給速度と炭素の消費速度との収支関係を棒グラフで示したものが図４である。

また、炉頂から供給される炭素の供給速度Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎと、鉱石中の酸化鉄由来のＦｅ分の供給速度（以下、「鉱石中のＦｅ分の供給速度」という）Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎとの間には、オペレータの操作変数であるコークス比ＣＲ［ｋｇ／ｔ］を用いると、下記式（１４）に示すような比例関係が成立する。

（酸化鉄由来の酸素収支）
続いて、酸化鉄由来の酸素収支について説明する。鉱石中の酸化鉄由来の酸素は、下記式（１５）～（１７）に示す反応のいずれかによって還元される。

一方、上記式（１５）～（１７）に示す反応によって生じたＣＯ_２，Ｈ_２Ｏを、ＣＯ，Ｈ_２ガスに復元する上記式（９）、（１０）の反応も生じている。

ここで、上記式（１５）～（１７）の合計で表される鉱石中の酸化鉄の還元速度Ｏ＿ｒｅｄ（０）から、上記式（９）、（１０）、（１５）の合計で表される直接還元の反応速度Ｏ＿ｒｅｄ（１）を差し引いた値を、ガス還元反応速度Ｏ＿ｒｅｄ（２）＝Ｏ＿ｒｅｄ（０）－Ｏ＿ｒｅｄ（１）とする。また、炉頂から供給される鉱石中の酸化鉄由来の酸素の供給速度（以下、「鉱石中の酸素の供給速度」という）をＯ＿ｔｏｐ＿ｉｎと置くと、定常状態では下記式（１８）に示すような酸素収支が成立する。

更に、前記した鉱石中のＦｅ分の供給速度Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎと鉱石中の酸素の供給速度Ｏ＿ｔｏｐ＿ｉｎとの間には、炉頂における鉱石酸化度ａ（おおよそ１．５）を用いると、下記式（１９）に示すような比例関係が成立する。

このような、鉱石中の酸素の供給速度、鉱石中のＦｅ分の供給速度およびガス還元反応速度を棒グラフで示したものが図５である。また、図３～図５で説明したレースウェイ領域における酸素収支、炉内全体のコークス由来の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を統合したものが図６である。同図は、炉内の物質収支の時間当たりの値を示している。また、同図の縦軸において、プラス側は炉内における値の増加分を示しており、マイナス側は羽口における値の減少分を示している。また、同図に示すように、各収支の値を結ぶ線分（例えば線分ＯＧ、線分ＡＦ、線分ＢＥ）を明示したり、線分ＢＥの傾きが微粉炭比ＰＣＲを意味することをグラフ中に明示してもよい。このように、各収支の値と関連する操作変数についてもグラフ中に明示することにより、例えば造銑速度および溶銑温度の変化が生じた要因等について、オペレータに対して視覚的に提示することが可能となる。

図中の線分ＡＦの傾きは、上記式（１４）で示したコークス比ＣＲに比例する。また、線分ＢＥの傾きは、装入鉄モル当たりの微粉炭中の炭素量を意味しており、微粉炭比に比例する。また、線分ＯＧの傾きは、上記式（１９）のａであり、鉱石中のＦｅ分の供給速度Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎと鉱石中の酸素の供給速度Ｏ＿ｔｏｐ＿ｉｎとの比例定数を意味している。

後記するように、炉内の物質収支の統合グラフを用いて、現状の物質収支とオペレータが操作変数を変更した際の物質収支とをそれぞれ提示することにより、オペレータが操作変数を変更した際の造銑速度［ｔ／ｍｉｎ］の変化を定量的に把握することが可能となる（図１６および図１８参照）。

例えば、他の操作変数を保ったまま微粉炭流量のみを増加させた場合、線分ＯＢの長さは不変のまま線分ＡＢが長くなるため、線分ＯＡの長さで表されるレースウェイ領域における炭素の消費速度が低下する。これにより、炉頂から供給される炭素の供給速度（Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎ）に対応する線分ＣＡも短くなる。その結果、当該線分ＣＡに比例して、炉頂から供給される鉱石中のＦｅ分の供給速度（Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎ）に対応する線分ＣＦも短くなるため、造銑速度が低下する。

（炉内の熱収支）
続いて、炉内の熱収支について説明する。炉内に投入される入熱は、羽口におけるコークスおよび微粉炭の燃焼熱、炉内での間接還元熱、送風顕熱に由来する。これらをそれぞれＱ＿ｉｎ（１）、Ｑ＿ｉｎ（２）、Ｑ＿ｉｎ（３）と置く。また、炉内で消費される熱は、溶銑およびスラグの顕熱、直接還元反応熱、送風湿分によるコークスのガス化反応熱、炉壁から冷却水または大気へ放出されるヒートロス、炉頂から排出されるガスの顕熱等に分類される。これらをそれぞれＱ＿ｏｕｔ（１）、Ｑ＿ｏｕｔ（２）、Ｑ＿ｏｕｔ（３）、Ｑ＿ｏｕｔ（４）、Ｑ＿ｏｕｔ（５）と置く。

これらを棒グラフで示したものが図７である。同図は、炉内の熱収支の時間当たりの値を示している。炉内の熱収支は、定常状態では下記式（２０）の関係が成り立つ。

ここで、図６および図７で示した炉内の物質収支および熱収支は、時間当たりの値であったが、溶銑の単位重量当たりの溶銑顕熱にほぼ比例する溶銑温度や、溶銑の単位重量当たりの炭材の量である還元材比等を求めるためには、溶銑の単位重量当たりの物質収支および熱収支を求める必要がある。そこで、図６および図７で示した変数を、Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎ（炉頂から供給される鉱石中のＦｅ分の供給速度）によって除算した値を図８および図９に示す。このように、炉内の物質収支および熱収支を溶銑の単位重量当たりに換算して示すことにより、溶銑の単位重量当たりの微粉炭の量やコークスの量、ソルーションロスカーボン量、溶銑・スラグ顕熱を、オペレータに提示することができる。

〔第一の予測ステップの具体例〕
以下、操業ガイダンス方法の第一の予測ステップの具体例について説明する。まず、現在の全ての操作変数の操作量が一定に保たれたことを仮定して、将来の溶銑温度および造銑速度の予測計算を行う。具体的には、現在の時間ステップをｔ＝０と置き、下記式（２１）、（２２）を用いて、将来の溶銑温度および造銑速度を算出する。

このようにして求めた制御変数（ここでは溶銑温度および造銑速度）の応答ｙ_０のことを、本実施形態では「自由応答」と称する。コークス比を増加させる操業アクションを２時間前に実施した場合の造銑速度および溶銑温度の自由応答を、図１０（ｃ）、（ｄ）の実線で示す。同図に示すように、コークス比を増加させたことにより、造銑速度が１０００ｔ／ｄａｙ程度低下し、溶銑温度が１００℃程度上昇している。

また、図８および図９に示した炉内の物質収支および熱収支の棒グラフに対して、第一の予測ステップで予測した炉内状態のもとでの物質収支および熱収支の棒グラフを隣に並べたものを、図１１および図１２に示す。

図１１および図１２において、Ｏ＿ｉｎ、Ｃ＿ｏｕｔ、Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎ、Ｃ＿ｏｕｔ、Ｏ＿ｔｏｐ＿ｉｎ、Ｏ＿ｒｅｄ、Ｑ＿ｉｎおよびＱ＿ｏｕｔを示す棒グラフのうち、左側がコークス比を増加させる直前（現状）の値、右側がコークス比を増加させてから１２時間後の値である。また、同図において、Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎを示す棒グラフのうち、上側がコークス比を増加させる直前（現状）の値、下側がコークス比を増加させてから１２時間後の値である。

図１１において、造銑速度を表す線分ＡＥの長さが減少したのは、コークス比に比例する線分ＡＦの傾きが増加したこと、および炉頂から供給される炭素の供給速度（Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎ）に対応する線分ＣＡの長さが短くなったこと、の二つに影響されている。また、線分ＡＦの傾きが増加したのは、コークス比を増加させた直接的な効果である。これにより、造銑速度に対応する線分ＡＥが短くなる。また、それに比例して、炉頂から供給される鉱石中の酸素の供給速度（Ｏ＿ｔｏｐ＿ｉｎ）も減少するため、直接還元による炭素の消費速度も小さくなる。更に、造銑速度にほぼ比例する浸炭速度も低下するため、線分ＣＯの長さも減少している。そのため、炉頂からの炭素供給速度（Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎ）に対応する線分ＣＡが短くなり、更に造銑速度が低下する。

また、図１２に示すように、炉内に供給される時間当たりの熱量の総量および内訳に変化はないが、溶銑・スラグの顕熱が減少する一方でヒートロスや炉頂ガス顕熱が増加していることが分かる。

また、図１１および図１２で示した炉内の時間当たりの物質収支および熱収支を、溶銑の単位重量当たりに換算したものを、図１３および図１４に示す。なお、図１３に示すように、各収支の値を結ぶ線分（例えば線分Ｏ’Ｇ’、線分Ａ’Ｆ’、線分Ｂ’Ｅ’）を明示したり、線分Ａ’Ｂ’が微粉炭比ＰＣＲを意味していることをグラフ中に明示してもよい。

図１３に示すように、線分Ｏ’Ａ’が、コークス比の増加後に長くなっていることがわかる。これは、コークス比を増加させたため、炉内での直接還元および浸炭反応を経た後の、羽口高さにおける溶銑の単位重量当たりのコークス量が増加したことを意味する。また微粉炭比を意味する線分Ａ’Ｂ’についても長くなっている。これは、図１１と同様に、微粉炭流量が不変のまま造銑速度が低下することにより、溶銑の単位重量当たりの微粉炭量が増加したためである。

更に、図１４に示すように、造銑速度が低下したことにより、溶銑の単位重量当たりの供給熱量が、送風顕熱、羽口における炭素の燃焼熱ともに大きくなっている。また、図１２では低下していた時間当たりの溶銑・スラグ顕熱についても、溶銑の単位重量当たりの量としては増加しているため、溶銑温度が増加することがわかる。このように、時間当たりおよび溶銑の単位重量当たりの物質収支および熱収支を図で提示することにより、造銑速度および溶銑温度の変化が生じた要因について、オペレータが考察することが可能となる。

〔第二の予測ステップの具体例〕
以下、第二の予測ステップの具体例について説明する。前記した第一の予測ステップを行い、その結果に基づいて炉内の物質収支および熱収支を提示することにより、炉内の状態および制御変数の将来の変化を先読みすることが可能となるが、その変化に対応してオペレータが適切な操業アクションを講じることが必要となる。例えば、図１０では、溶銑温度が１６００℃近くまで上昇することが予測されており、過剰である。そこで、第二の予測ステップを行うことにより、オペレータが仮想的に操作変数を変化させた際の将来の炉内の物質収支および熱収支も併せて提示することができる。

オペレータが操作可能な操作変数（仮想的な操作変数）は、前記したように、送風流量、富化酸素流量、微粉炭流量、コークス比、送風湿分および送風温度であるため、例えば図１５に示すように、各操作変数を任意の値に指定可能な入力インターフェースを出力装置１０３に表示し、当該入力インターフェースによって指定された操作変数に基づいて、将来の高炉内の状態を予測する。具体的には、入力インターフェースによって指定した操作変数をｕ１とし、例えば下記式（２３）、（２４）により、仮想的な操業条件下における将来予測を行う。

例えば、前記した図１３および図１４のように、コークス比を増加させた２時間後のタイミングにおいて、微粉炭流量を減少させて溶銑温度を適正な範囲に保つことを考える。ここでは、オペレータが図１５の微粉炭流量ＰＣＩの値を操作し、微粉炭流量を１５０ｋｇ／ｍｉｎだけ減少させた場合について、上記式（２３）、（２４）によって造銑速度および溶銑温度を予測した結果（応答ｙ_１）を、図１０（ｃ）、（ｄ）の破線で示す。同図に示すように、オペレータが微粉炭流量を減少させる操作を行うことにより、コークス比の増加によって過剰となった溶銑温度を適切な水準に戻せることがわかる。

また、図１１および図１２に示した炉内の物質収支および熱収支の棒グラフに対して、第一の予測ステップで予測した炉内状態のもとでの物質収支および熱物質収支の棒グラフを、第二の予測ステップで予測した炉内状態のもとでの物質収支および熱収支の棒グラフに差し替えたものを、図１６～図１９に示す。図１６は、炉内の物質収支を時間当たりで示したグラフ、図１７は、炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフ、図１８は、炉内の物質収支を溶銑の単位重量当たりで示したグラフ、図１９は、高炉内の熱収支を時間当たりで示したグラフである。

図１６～図１９において、Ｏ＿ｉｎ、Ｃ＿ｏｕｔ、Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎ、Ｃ＿ｏｕｔ、Ｏ＿ｔｏｐ＿ｉｎ、Ｏ＿ｒｅｄ、Ｑ＿ｉｎおよびＱ＿ｏｕｔを示す棒グラフのうち、左側がコークス比を増加させる直前（現状）の値、右側が仮想的な操業アクションを行った後の値である。また、同図において、Ｆｅ＿ｔｏｐ＿ｉｎを示す棒グラフのうち、上側がコークス比を増加させる直前（現状）の値、下側が仮想的な操業アクションを行った後の値である。

図１１と図１６とを比較すると、微粉炭流量を減少させ、羽口における炭素の消費速度を上昇させることにより、炉頂から供給される炭素の供給速度（Ｃ＿ｔｏｐ＿ｉｎ）が増加し、その結果、コークス比の増加によって低下した造銑速度が、コークス比の増加前の水準まで回復できることがわかる。

また、造銑速度が増加し、微粉炭流量が減少したことにより、微粉炭比を表す図１６の線分ＢＥの傾き、図１８の線分Ａ’Ｂ’の長さが減少するため、コークス比の増加による溶銑・スラグ顕熱の上昇が補償される。これにより、図１０（ｄ）の破線に示すように、溶銑温度がコークス比増加前の水準とほぼ同等の値に保持することが可能となる。

なお、図１６～図１９では、コークス比の増加による造銑速度の低下および溶銑温度の上昇に対して、微粉炭流量を減少させるという、最も典型的な操業アクションの例を提示したが、他にも例えば、送風流量または酸素流量の増加によっても同様の制御目的を達成することは可能であり、更に操作変数による複合アクションの解も考えられる。

〔高炉の操業方法〕
本実施形態に係る操業ガイダンス方法を高炉の操業方法に適用することも可能である。この場合、この場合、前記した操業ガイダンス方法における第一の予測ステップ、第二の予測ステップ、収支算出ステップおよび表示ステップに加えて、表示ステップによるガイダンスに従って高炉を制御するステップを含む高炉の操業方法。

〔溶銑の製造方法〕
本実施形態に係る操業ガイダンス方法を溶銑の製造方法に適用することも可能である。この場合、前記した操業ガイダンス方法における第一の予測ステップ、第二の予測ステップ、収支算出ステップおよび表示ステップに加えて、表示ステップによるガイダンスに従って高炉を制御し、溶銑を製造するステップを行う。

以上説明したような本実施形態に係る操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置によれば、高炉内の状態を予測した際の、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を表示することにより、オペレータが適切な操業アクションを導出することが可能となる。従って、高炉の高効率かつ安定的な操業を実現することができる。

また、本実施形態に係る操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置によれば、オペレータが指定する仮想的な操業条件下における炉内状態の予測結果または無操作状態での将来予測結果を、物質収支および熱収支とともに提示することができる。これにより、オペレータが操業アクションの効果を定量的にかつ根拠をもって把握し、適切な操業アクションを自ら導出することが可能となる。

以上、本発明に係る操業ガイダンス方法、高炉の操業方法、溶銑の製造方法、操業ガイダンス装置について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

１００操業ガイダンス装置
１０１情報処理装置
１０２入力装置
１０３出力装置
１１１ＲＡＭ
１１２ＲＯＭ
１１２ａ制御プログラム
１１３ＣＰＵ

Claims

高炉内の状態を計算可能な物理モデルを用いて、現在の操業状態を将来も保持した場合の前記高炉内の状態を予測する第一の予測ステップと、
前記高炉内の状態を予測した際の、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を、一つのグラフ上で統合して、出力装置に表示する表示ステップと、
を含む操業ガイダンス方法。
前記表示ステップは、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支について、現在の状態および現在の操業状態を将来も保持した場合の状態を、比較可能に並べて表示する請求項１に記載の操業ガイダンス方法。
前記物理モデルを用いて、オペレータによって入力する任意の仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の将来の高炉内の状態を予測する第二の予測ステップを更に含み、
前記表示ステップは、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支について、現在の状態および前記仮想的な操業条件のもとで操業を行った場合の状態を、グラフ上で比較可能に並べて表示する請求項２に記載の操業ガイダンス方法。
前記第二の予測ステップは、前記操業条件を示す複数の操作変数を任意の値に指定可能な入力インターフェースを前記出力装置に表示し、前記入力インターフェースによって指定された操作変数に基づいて、将来の高炉内の状態を予測する請求項３に記載の操業ガイダンス方法。
前記レースウェイ領域における酸素収支は、レースウェイ領域に吹き込まれる酸素の供給速度と、レースウェイ領域で燃焼される炭素の消費速度との関係を示し、
前記炉内全体の炭素収支は、炉頂から供給されるコークス由来の炭素の供給速度と、炉内で燃焼される炭素の消費速度との関係を示し、
前記酸化鉄由来の酸素収支は、炉頂から供給される酸化鉄由来の鉄の投入速度と、炉頂から供給される酸化鉄由来の酸素の投入速度と、炉頂から供給される酸化鉄のガスによる還元反応速度との関係を示し、
前記表示ステップは、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支のうち、前記酸化鉄由来の鉄の投入速度以外を、前記グラフ上の第一軸方向に沿って並べて表示し、前記酸化鉄由来の鉄の投入速度を、前記第一軸方向に直交する第二軸方向に表示する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の操業ガイダンス方法。
前記表示ステップは、前記第一の予測ステップおよび前記第二の予測ステップの少なくとも一方で予測した操業状態の造銑速度、コークス比および微粉炭流量比を含む操業指標の予測前後における変化を、比較可能に表示する請求項３または請求項４に記載の操業ガイダンス方法。
前記表示ステップは、前記レースウェイ領域における酸素収支、前記炉内全体の炭素収支および前記酸化鉄由来の酸素収支に加えて、炉内への入熱と炉内で消費される熱との関係を示す炉内の熱収支を前記出力装置に表示する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の操業ガイダンス方法。
前記表示ステップは、各収支を溶銑の単位重量当たりに換算して表示する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の操業ガイダンス方法。
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の操業ガイダンス方法によるガイダンスに従って高炉を制御するステップを含む高炉の操業方法。
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の操業ガイダンス方法によるガイダンスに従って高炉を制御し、溶銑を製造するステップを含む溶銑の製造方法。
高炉内の状態を計算可能な物理モデルを用いて、現在の操業状態を将来も保持した場合の前記高炉内の状態を予測する予測手段と、
前記高炉内の状態を予測した際の、レースウェイ領域における酸素収支、炉内全体の炭素収支および炉内全体の酸化鉄由来の酸素収支を、一つのグラフ上で統合して表示する表示手段と、
を備える操業ガイダンス装置。