JP4675523B2

JP4675523B2 - 高炉炉頂部の原料堆積層のテラス長さ演算方法

Info

Publication number: JP4675523B2
Application number: JP2001268153A
Authority: JP
Inventors: 洋大楠
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2003073716A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、高炉炉頂部の原料堆積層の表面形状をもとに炉壁近傍のテラス長さをコンピュータを用いて演算する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
高炉の操業を安定維持させるためには、原料堆積層のプロフィルを最適形状に維持することが重要である。換言すれば、炉内のガス流が原料堆積層のプロフィルによって変化することから、プロフィルを最適形状に維持することによりガス流の分布が最適化し、もって高炉操業の安定化を図ることができる。
【０００３】
原料堆積層のプロフィルデータ情報を高炉操業の管理に活用する事例として、具体的には、特開２０００−２１２６１２号に示されるように、出銑口間で出銑、出滓量がアンバランス化する原因となる生鉱石下りの発生を未然に防止するために活用した事例、特開平２−２２５６０８号に示されるように、指尺乱れや炉頂圧力変動回数の低減に活用した事例がある。
こうした事例では、原料堆積層のプロフィルを定量的に示す管理値としてテラス長さ、すなわち炉中心から炉壁に向かって堆積形状の傾斜角度が特定の角度、例えば１５°未満になる位置の肩部から炉壁までの水平距離が求められている。
【０００４】
上記のテラス長さは、マイクロ波式プロフィール計等の測深装置を用い、炉の半径方向に沿って任意の間隔ごとに鉱石及びコークスの装入前後における、特定の基準レベルから堆積層表面までの深度を測定して得た表面形状データから得られる。具体的にはこのデータから人為的に図１に示すように傾斜部の直線ｂと、炉壁側への直線ａを描き、その交点ｃから炉壁ｗまでの水平距離ｄを物指しを当てゝ読み取ったり、或いは上記基準レベルからの深度データ（以下、単に「深度データ」という）をコンピュータに入力して図２に示すように隣り合う２点間の深度データYn、Yn+1からその区間ΔＸ内での勾配θ＝tan⁻ ¹(ΔY/ΔX)を各測定点ごとにそれぞれ求める。図３は、こうして求めた各測定点での勾配（傾斜角）を示す。次に図３に示すように炉壁ｗから最初に＋１５°を越えるポイントｅを見付けて、このポイントｅから炉壁ｗまでの水平距離ｄ’を演算処理してテラス長さを求めていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
テラス長さを人為的に求める前者の方法は、テラス長さを比較的精度よく求めることができる反面、手間と時間がかゝる難点がある。これに対し後者のコンピュータにより演算処理して求める方法は、テラス長さが自動的に算出されるが、ノイズによって精度が悪く、テラス長さの演算値と人為的に読み取られた値とが乖離してばらつきが大きくなる、という問題があった。
本発明は、テラス長さをコンピュータにより演算処理して求める方法において、ノイズの影響を除去して演算値の精度を向上させることができるようにしたものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
請求項１に係わる発明は、高炉炉頂部の原料堆積層の表面形状をもとに炉壁近傍のテラス長さをコンピュータを用いて演算する方法であって、
（１）測深装置、例えばマイクロ波式或いはレーザ式のプロフィール計を用いて原料堆積層表面までの深度を炉半径方向に沿って任意の間隔ごとに測定するプロセスと、
（２）上記（１）の工程で測定した各測定点のうち、炉壁側と炉中心側の測定点を除く各測定点において、その前後の複数の測定点の深度データを用いて多項式適用による平滑化データ処理を行うプロセスと、
（３）測定点ｉから前後にｎ点離れた測定点ｉ−ｎとｉ＋ｎにおける、上記（２）の工程で平滑化処理された深度データから中心差分による一次微分近似処理を行い、測定点ｉにおける堆積層表面の傾斜角を算出するプロセスと、
（４）上記（３）の工程で算出された各測定点の傾斜角に関するデータを炉半径方向にスキャニングし、傾斜角がしきい値未満となる測定点を検出するプロセスと、
（５）上記（４）の工程でしきい値未満として検出された測定点と、その近傍の測定点の上記傾斜角に関するデータより最小二乗法を用いて一次式を求め、この一次式としきい値が一致する位置を検出するプロセスと、
（６）上記（５）の工程で検出した、しきい値と一致する位置より炉壁までの水平距離を求めるプロセス
よりなることを特徴とする。
【０００７】
以下、上記各プロセスの態様について詳述する。
（１）のプロセスにおいては、炉頂部に鉱石またはコークス原料を装入したのち、測深装置、例えばマイクロ波式プロフィール計を用い、炉壁から炉中心まで炉半径方向に移動させて一定間隔ごと、例えば１０cm間隔で原料堆積層までの深度を測定し、得られたデータをプロセスコンピュータに入力する。
【０００８】
図４は、各測定点における深度の一例を示すグラフである。
（２）のプロセスにおいてプロセスコンピュータは、図５に示すように任意の測定点ｉと、その前後各２点のｉ−２、ｉ−１及びｉ＋１、ｉ＋２を加えた計５点の深度データを用い、Sevitzky-Golay法により二次曲線ｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃで平滑化処理して、測定点ｉにおける上記二次曲線上の深度ｙ（ｉ）を算出する。図５の白抜き丸は、上記二次曲線により平滑化処理された測定点ｉの深度ｙ（ｉ）を示す。続いて計測点ｉ＋１について、その前後各２点のｉ−１、ｉ及びｉ＋２、ｉ＋３を加えた計５点の深度データを用いて同様にして平滑化処理を行い、測定点ｉ＋１における深度ｙ（ｉ＋１）を算出する。この算出が、炉壁側の２点と、炉中心側の２点を除く各測定点について順次行われる。ここで炉壁側と炉中心側の２点の測定点を除いたのは、前後に二点ずつの測定点を確保できないからである。平滑化処理に用いるデータ数ｋを変更して、例えば前後の各一点を加えた計３点の深度データを用いて平滑化処理を行う場合には、二番目の測定点から二次曲線上の平滑化処理された深度が求められる。
【０００９】
（３）のプロセスにおいてプロセスコンピュータは、図６に示すように任意の測定点ｉについて、その前後ｎ点、図示する例においては２点離れた測定点における（２）のプロセスにより平滑化処理された深度データｙ（ｉ−２）とｙ（ｉ＋２）からその間の傾斜角θを以下の数１式と数２式により算出する。
【００１０】
【数１】

【００１１】
【数２】

ここで、Δｘは測定点のピッチを示す。
【００１２】
コンピュータを用いた数値計算法に関して広く一般的に知られている“一次微分近似”の方法の一つに以下の数３式に示す“中心差分”と呼ばれる手法がある。
この手法は、測定データ内の注目点ｉでの傾斜角を求めるに当たって、その注目点ｉの両隣りの点（ｉ＋１とｉ−１）の区間内の平均的な勾配を中央に位置する注目点ｉの勾配として近似するものである。
【００１３】
【数３】

一方、本発明では、数１式に示すように、測定データ内の注目点ｉから前後にそれぞれｎ点（ｎは１以上の整数値）離れた点（ｉ＋ｎとｉ−ｎ）区間内の平均的な勾配を、その中央に位置する注目点ｉの勾配であるとする。つまり、ランダムノイズを平滑化処理して除去する働きを持たせ、その加減を調整できるように従来の中心差分法に改良を加えたものである。なお、数１式においてｎ＝１の場合は、数３式と同一となる。
【００１４】
図７は、上記数１式及び数２式により算出された各測定点における傾斜角θを示す。
（４）のプロセスにおいてプロセスコンピュータは、各測定点での傾斜角θを炉中心から炉壁に向かってデータスキャニングする。そして傾斜角がしきい値、例えば１５°未満となる測定点ｇを検出する。この場合、図８に示すように傾斜角が１５°未満となる測定点ｇ₂ を検出したのち、更なるスキャニングによってしきい値、例えば２５°を越える場合には更に炉壁側にしきい値１５°未満の測定点が存在すると認識させ、再びしきい値を１５°未満の測定点を探索する。ｇ₁ はこれによって検出された測定点を示す。
【００１５】
（５）のプロセスにおいてプロセスコンピュータは、図７でいえば、測定点ｇと、その前後のしきい値１５°を挟む測定点のデータを基に最小二乗法を用いて一次式Ｙ＝ＡＸ＋Ｂを求め、しきい値１５°と一致する位置、すなわちＸ＝Ｇ、Ｙ＝１５となるＧを検出する。
【００１６】
（６）のプロセスにおいてプロセスコンピュータは、上記（５）のプロセスで求めたＧより炉壁ｗまでの水平距離ｌを算出する。
以上のようなプロセスよりなる方法によると、平滑化処理によりランダムノイズが除去され、一次微分近似処理を行うことにより、データが更に平滑化され、ノイズをより一層除去することができる。
【００１７】
請求項２に係わる発明は、請求項１に係わる発明における（２）のプロセスが省かれ、（３）のプロセスにおいて用いられる平滑化処理された深度データの代わりに（１）のプロセスで測定した深度データが用いられることを特徴とする。
本発明者らの計算結果によると、上記（１）のプロセスで測定したデータを平滑化処理しないで直接、中心差分による一次近似処理を行っても、請求項１に係わる発明とほゞ同様の精度でテラス長さを求めることができた。
【００１８】
請求項３に係わる発明は、請求項１又は２に係わる発明において、上記（５）のプロセスを省き、上記（４）のプロセスにおいて検出された、しきい値未満となる測定点より炉壁までの水平距離を求めることを特徴とする。
測定点のピッチを小さくする程、上記（４）のプロセスで検出した測定点の傾斜角がしきい値に近くなり、（５）の工程で検出された位置と近似される。図６を例にとっていえば、測定点のピッチが小さくなる程、しきい値（１５°）に近く、しきい値に近似した測定点が検出できるようになる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
高炉炉頂部にコークス装入後、マイクロ波式プロフィール計を用いて炉壁から炉中心まで半径方向に移動させ、１０cm間隔で４２か所、コークス層までの深度を測定し、プロセスコンピュータにデータ入力した。
【００２０】
プロセスコンピュータには、初期条件として上述するプロセス（２）における深度データを平滑化処理する際に用いる測定点の数ｋを５、プロセス（３）の数１式と数２式に用いられるｎを２、プロセス（４）のしきい値を１５°に設定し、上述の測定データ入力からコークスのテラス長さである上記プロセス（６）の水平距離ｌを算出した。
これとは別にコークス層表面までの４２か所の深度データを用いて図１に示すような方法で物差しを当てゝ水平距離ｄのテラス長さを読取り、これをプロセスコンピュータに入力してその差を求めた。
【００２１】
以上のテラス長さの計算及び読み取りを、毎日１回、コークスを装入したのちに深度測定を行って得た７３日分の深度データを用い、１日分を１回とカウントして、計７３回行った。このうちコンピュータで計算でき、テラス長さが求められたのは６９回であった。この６９回について、演算値と読取値の差ｓの平均値と標準偏差をプロセスコンピュータで算出した。その結果、平均値は計算値が読取値より０．０８ｍ小さな値として得られた。また標準偏差は０．１０ｍであった。
次にテラス長さの読取値と計算値の相関を調べたところ、読取値と計算値をプロットした図９において、一次式の傾きは０．９０６、相関係数Ｒの二乗Ｒ²は０．５０１であった。
【００２２】
実施例２
プロセスコンピュータに入力された初期条件をｎ＝３とする以外は実施例１と同じにし、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値が読取値より０．０９ｍ少なく、標準偏差は０．１１ｍであった。
また、読取値と計算値との相関を実施例１と同様にして求めたところ、一次式の傾きは０．８８３、Ｒ² は０．２２９で、テラス長さをコンピュータで求められたのは７３回中、６２回であった。
【００２３】
実施例３
プロセスコンピュータに入力される初期条件を、平滑化処理する際に用いる深度データの測定点の数ｋを０、すなわち平滑化処理を行わないで、ｎ＝３とする以外は実施例１と同じにし、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値が読取値より０．１０ｍ少なく、また標準偏差は０．１２ｍであった。
また、読取値と計算値との相関を実施例１と同様にして求めたところ、一次式の傾きは０．８７２、Ｒ²は０．４４９で、テラス長さをコンピュータで求めることができたのは７３回中、７２回であった。
【００２４】
実施例４
プロセスコンピュータに入力される初期条件を平滑化処理するための測定点の数ｋを５、ｎ＝２、しきい値を１７．５°に設定し、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値が読取値より０．０２ｍ少なく、標準偏差は０．９６７ｍであった。
また読取値と計算値の相関を実施例１と同様にして求めたところ、図１０に示すように一次式の傾きは０．９６７、Ｒ² は０．６６６でテラス長さは７３回共全てコンピュータで求めることができた。
【００２５】
実施例５
プロセスコンピュータに入力される初期条件をｎ＝３とする以外は、実施例４と同じにし、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値が読取値より０．０３ｍ少なく、標準偏差は０．１１ｍであった。
また読取値と計算値の相関を実施例１と同様にして求めたところ、一次式の傾きは０．９９０、Ｒ² は０．１７９で、テラス長さをコンピュータで求めることができたのは７３回中、６８回であった。
【００２６】
実施例６
プロセスコンピュータに入力される初期条件を平滑化処理するための測定点の数ｋを０とし、ｎ＝３とする以外は実施例４と同じにし、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値が読取値より０．０３ｍ少なく、標準偏差は０．１２ｍであった。
また読取値と計算値の相関を実施例１と同様にして求めたところ、一次式の傾きは０．９５２、Ｒ² は０．４２２で、テラス長さは７３回共、全てコンピュータで求めることができた。
【００２７】
実施例７
プロセスコンピュータに入力される初期条件を、平滑化処理するための測定点の数ｋを５、ｎ＝２、しきい値を１８．５°に設定し、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値と読取値が一致し、標準偏差は０．０９ｍであった。
図１１に示すように、一次式の傾きは０．９９０、Ｒ² は０．６２０で、テラス長さは７３回共、全てコンピュータで求めることができた。
【００２８】
実施例８
プロセスコンピュータに入力される初期条件を、ｎ＝３とする以外は実施例７と同じにし、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値が読取値より０．０１ｍ少なく、標準偏差は０．１１ｍであった。
また読取値と計算値の相関を実施例１と同様にして求めたところ、図１２に示すように、一次式の傾きは０．９８２、Ｒ² は０．２４３で、テラス長さをコンピュータで求めることができたのは、７３回中、７０回であった。
【００２９】
実施例９
プロセスコンピュータに入力される初期条件を平滑化処理するための測定点の数ｋを０とし、ｎ＝３とする以外は実施例７と同じにし、実施例１で得られた測定データを基にして計算値と読取値より、その差の平均値と標準偏差を求めたところ、平均値は計算値と読取値が一致し、標準偏差は０．１２であった。
また読取値と計算値の相関を実施例１と同様にして求めたところ、図１３に示すように、一次式の傾きは０．９８７、Ｒ² は０．４０６で、テラス長さは７３回共、全てコンピュータで求めることができた。
以上の結果を以下の表１に示す。
【００３０】
【表１】

なお、表中、計算値−読取値の平均値を記載した欄の数値に付した−(マイナス)符号は、計測値が読取値より少ないことを示す。
【００３１】
表１に見られるように、プロセスコンピュータに入力される初期条件ｋ＝５、ｎ＝２としたものが計算値と読取値の差が最も少なく、ばらつきが少なくなり、しきい値を１５°→１７．５°→１８．５°と上げる程改善され、実施例７で最善の結果が得られること、ｋ＝５、ｎ＝３と平滑化する程、計算不能となるケースが増える傾向があること、実施例３、６、９のように、ｋ＝０の平滑化処理を行わない場合でも、計算値と読取値の差が少なく、ばらつきを少なくできること等が分かった。
【００３２】
なお、上述するしきい値の設定は、図１に示す傾斜部における直線ｂ領域の傾斜角から、炉壁近傍のフラット部における直線ａ領域の傾斜角（ゼロ）に変曲する点、即ち交点ｃの傾斜角を採用すると良い。
つまり、鉱石の場合は、傾斜部ｂの傾斜角は３０°前後であるから、しきい値としてはその半分の１５°を採用し、傾斜部ｂの傾斜角が３７°程度であるコークスの場合は、しきい値に１８．５°を採用すると良く、堆積原料によってしきい値の値を使い分けると、テラス長さの演算精度はより向上する。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に係わる発明によると、測深装置により測定して得た深度データを平滑化処理し、かつ中心差分による一次近似処理を行うことにより、ノイズが除去され、テラス長さを精度よく求めることができる。
【００３４】
請求項２に係わる発明によると、請求項１に係わる発明に比べ、平滑化処理するためのプロセス２がない分、プロセスが簡素化され、計算不能となるケースも少なくなり、テラス長さも請求項１に係わる発明とほゞ同様の精度で求めることができる。
【００３５】
請求項３に係わる発明によると、請求項１に係わる発明に比べ、平滑化処理するためのプロセス（５）がない分、プロセスが簡素化され、測定点のピッチを小さくすることにより、テラス長さを請求項１に係わる発明と同様の精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】テラス長さを人為的に求める場合について示す図。
【図２】勾配を計算するための説明図。
【図３】テラス長さをコンピュータを用いて計算して求める場合の従来法について示す図。
【図４】深度データのグラフ。
【図５】平滑化処理方法を示す図。
【図６】中心差分による傾斜角を求める方法について示す図。
【図７】テラス長さを求める方法について示す図。
【図８】しきい値未満の傾斜角が二か所ある場合のグラフ。
【図９】実施例１の読取値と計算値の相関を示すグラフ。
【図１０】実施例４の読取値と計算値の相関を示すグラフ。
【図１１】実施例７の読取値と計算値の相関を示すグラフ。
【図１２】実施例８の読取値と計算値の相関を示すグラフ。
【図１３】実施例９の読取値と計算値の相関を示すグラフ。

Claims

高炉炉頂部の原料堆積層の表面形状をもとに炉壁近傍のテラス長さをコンピュータを用いて演算する方法であって、
（１）測深装置を用いて原料堆積層表面までの深度を炉半径方向に沿って任意の間隔ごとに測定するプロセスと、
（２）上記（１）の工程で測定した各測定点のうち、炉壁側と炉中心側の測定点を除く各測定点において、その前後の複数の測定点の深度データを用いて多項式適用による平滑化データ処理を行うプロセスと、
（３）測定点ｉから前後にｎ点離れた測定点ｉ−ｎとｉ＋ｎにおける、上記（２）の工程で平滑化処理された深度データから中心差分による一次微分近似処理を行い、測定点ｉにおける堆積層表面の傾斜角を算出するプロセスと、
（４）上記（３）の工程で算出された各測定点の傾斜角に関するデータを炉半径方向にスキャニングし、傾斜角がしきい値未満となる測定点を検出するプロセスと、
（５）上記（４）の工程でしきい値未満として検出された測定点と、その近傍の測定点の上記傾斜角に関するデータより最小二乗法を用いて一次式を求め、この一次式としきい値が一致する位置を検出するプロセスと、
（６）上記（５）の工程で検出した、しきい値と一致する位置より炉壁までの水平距離を求めるプロセス
よりなることを特徴とするテラス長さ演算方法。
上記（２）のプロセスが省かれ、（３）のプロセスにおいて用いられる平滑化処理された深度データの代わりに（１）のプロセスで測定した深度データが用いられることを特徴とする請求項１記載のテラス長さ演算方法。
上記（５）のプロセスを省き、上記（４）のプロセスにおいて検出された、しきい値未満とよりなる測定点より炉壁までの水平距離を求めることを特徴とする請求項１又は２記載のテラス長さ演算方法。