CN111868268B - 熔融金属成分推断装置、熔融金属成分推断方法和熔融金属的制造方法 - Google Patents

熔融金属成分推断装置、熔融金属成分推断方法和熔融金属的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的熔融金属成分推断装置具备：物质收支计算部，推断投入到精炼设备的碳量和氧量以及从精炼设备排出的碳量和氧量；物理反应模型计算部，推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；修正计算部，算出修正排气的流量的测量值的参数、修正排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和表示熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，使用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数来推断熔融金属和熔渣中的成分浓度。

Description

熔融金属成分推断装置、熔融金属成分推断方法和熔融金属 的制造方法
技术领域
本发明涉及熔融金属成分推断装置、熔融金属成分推断方法和熔融金属的制造方法。
背景技术
在炼铁厂的预处理设备、转炉和二次精炼设备等精炼设备中，对从高炉排出的铁水的成分浓度和温度进行调整。其中，转炉工艺是通过向转炉内吹送氧来进行熔融金属中的杂质除去和升温的工艺，在钢的品质管理和精炼成本合理化等方面担负着非常重要的作用。转炉中的熔融金属的成分浓度和温度的控制中，将顶吹氧的流量和速度、顶吹喷枪高度、底吹气体的流量、石灰或铁矿石等副原料的投入量和投入时机等作为操作量使用。这些操作量应该与熔融金属和熔渣的成分浓度对应地优化。然而，熔融金属中的氧化反应剧烈，熔融金属达到高温，因此难以随时测量熔融金属和熔渣的成分浓度。因此，到目前为止提出了使用炉内物理反应模型、精炼设备中的测量信息来实时推定熔融金属和熔渣的成分浓度的方法。
专利文献1中提出了如下方法：通过使用从转炉排出的排气的成分浓度和流量以及操作数据来进行火点反应的运算，使用算出的数据来进行熔渣-金属界面反应的运算，从而逐次推定吹炼处理中的熔渣中FeO浓度。然而，一般，在转炉中用于推断熔融金属的成分浓度的排气的测量信息的误差较大。例如，一般，排气的流量值大多通过将节流孔(节流阀)、文氏管设置于排气管，根据其前后的压力下降而进行推断，但排气的压力、温度和流量频繁地大幅变动，因此存在测量值的误差变大的趋势。根据这样的背景，专利文献2中提出了如下方法：关于铁钢精炼工艺的排气的流量，基于过去的实际测量值计算修正测量值的系数，基于吹炼处理中途的熔融金属分析结果进一步对该系数进行修正，并根据该信息而实时推定熔融金属的碳浓度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－131999号公报
专利文献2：日本特开平9－272913号公报
发明内容
然而，对于专利文献1所记载的方法，在火点反应的运算中算出脱碳速度和铁的氧化速度时，如上所述地使用了误差较大的排气的流量和成分浓度的测量值。此外，在转炉工艺中由于物理模型中无法充分表现出的未知的干扰而时常产生模型计算值与实际值偏离的现象。由此，认为专利文献1所记载的方法中通过火点和金属-熔渣界面反应模型而计算的熔渣中FeO浓度的推断精度时常恶化。
另一方面，在专利文献2中记载了排气的测量信息的修正方法，但该方法根据排气中的碳量和熔融金属中的碳减少量来修正排气的流量，此时利用熔融金属的中间取样的成分分析信息。转炉工艺中，熔融金属成分的取样一般在吹炼处理最终阶段进行一次或几次，上述方法中，认为存在直到进行熔融金属的中间取样为止的熔融金属成分的推断精度的恶化、而且由此使中间取样执行时机与目标值偏离、中间取样以后的操作动作延迟的问题。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供高精度且连续地推断熔融金属和熔渣中的成分浓度的熔融金属成分推断装置和熔融金属成分推断方法。另外，本发明的另一目的在于提供一种能够成品率良好地制造具有所期望的成分浓度的熔融金属的熔融金属的制造方法。
本发明的熔融金属成分推断装置的特征在于，具备：输入装置，输入精炼设备中的吹炼处理开始前或吹炼处理中的熔融金属的温度和成分浓度的第1测量结果和从上述精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的第2测量结果；模型数据库，储存关于上述精炼设备中的吹炼处理反应的模型式和参数；物质收支计算部，通过使用上述第1测量结果、上述第2测量结果以及上述模型式和上述参数来进行碳和氧的收支平衡计算，从而推定投入到精炼设备的碳量和氧量与从上述精炼设备排出的碳量和氧量；物理反应模型计算部，通过使用上述第1测量结果与上述模型式和上述参数来计算熔渣中FeO量和熔融金属中脱碳量中的至少一方，从而推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；以及修正计算部，根据输入到上述输入装置的上述第2测量结果，使用上述物质收支计算部和上述物理反应模型计算部的推断结果，算出修正上述排气的流量的测量值的参数、修正上述排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和上述表示熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，使用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数，推断熔融金属和熔渣中的成分浓度。
本发明的熔融金属成分推断装置的特征在于，上述发明中，上述修正计算部以包含以下三项的评价函数成为最小的方式计算上述第1、上述第2、上述第3和上述第4修正参数，上述三项如下：碳收支误差，表示为从根据上述第1测量结果计算的初期熔融金属中碳量和通过投入副原料而向精炼设备内供给的碳量中减去根据上述第2测量结果计算的向精炼设备外排出的碳量而得的量与上述第4修正参数之差；氧收支误差，表示为从供给于上述精炼设备的氧量中减去根据上述第2测量结果计算的由熔融金属中碳氧化、精炼设备内一氧化碳氧化和熔融金属中杂质金属氧化而消耗的氧量而得的值与通过上述模型式而计算的由熔融金属中铁氧化而消耗的氧量之差；以及一次燃烧收支误差，表示为一次燃烧效率与上述一次燃烧效率的标准值之差，所述一次燃烧效率表示为从顶吹氧量和通过投入副原料而供给的氧量中减去由杂质金属氧化和铁氧化而消耗的氧量而得的量中的由熔融金属中碳氧化而消耗的氧量的比例。
本发明的熔融金属成分推断装置的特征在于，上述发明中，上述修正计算部以包含以下三项的评价函数成为最小的方式计算上述第1、上述第2、上述第3和上述第4修正参数，上述三项如下：碳收支误差，表示为从根据上述第1测量结果计算的初期熔融金属中碳量和通过投入副原料而向精炼设备内供给的碳量中减去根据上述第2测量结果计算的向精炼设备外排出的碳量而得的与上述第4修正参数之比；氧收支误差，表示为从供给于上述精炼设备的氧量中减去根据上述第2测量结果计算的由熔融金属中碳氧化、精炼设备内一氧化碳氧化和熔融金属中杂质金属氧化而消耗的氧量而得的值与通过物理反应模型计算的由熔融金属中铁氧化而消耗的氧量之比；以及一次燃烧收支误差，表示为一次燃烧效率与上述一次燃烧效率的标准值之比，所述一次燃烧效率表示从顶吹氧量和通过投入副原料而供给的氧量中减去由杂质金属氧化和铁氧化而消耗的氧量的量中的通过熔融金属中碳氧化而消耗的氧量的比例。
本发明的熔融金属成分推断装置的特征在于，上述发明中，上述评价函数包含上述碳收支误差的平方值、上述氧收支误差的平方值和上述一次燃烧收支误差的平方值作为项的加权和。
本发明的熔融金属成分推断装置的特征在于，上述发明中，表示上述评价函数中的各项的权重的常数在满足根据计算对象装料中的计算对象时刻以前算出的熔融金属成分推断信息和修正后的排气测量信息中的至少一方而设定的条件的情况下，进行切换。
本发明的熔融金属成分推断方法的特征在于，包含：输入步骤，输入精炼设备中的吹炼处理开始前或吹炼处理中的熔融金属的温度和成分浓度的第1测量结果、和从上述精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的第2测量结果；物质收支计算步骤，通过使用上述第1测量结果、上述第2测量结果以及关于上述精炼设备中的吹炼处理反应的模型式和参数来进行碳和氧的收支平衡计算，从而推断投入到精炼设备的碳量和氧量与从上述精炼设备排出的碳量和氧量；物理反应模型计算步骤，通过使用上述第1测量结果与上述模型式和上述参数来计算熔渣中FeO量和熔融金属中脱碳量中的至少一方，从而推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；修正计算步骤，根据上述输入步骤中输入的上述第2测量结果，利用上述物质收支计算步骤和上述物理反应模型计算步骤中的推断结果，算出修正上述排气的流量的测量值的参数、修正上述排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和上述表示熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，利用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数，推断熔融金属和熔渣中的成分浓度。
本发明的熔融金属的制造方法的特征在于，包含如下步骤：根据使用本发明的熔融金属成分推断方法所推断的熔融金属中的成分浓度，将熔融金属中的成分浓度调整到所期望的范围内。
根据本发明的熔融金属成分推断装置和熔融金属成分推断方法，能够高精度且连续地推断熔融金属和熔渣中的成分浓度。另外，根据本发明的熔融金属的制造方法，能够成品率良好地制造具有所期望的成分浓度的熔融金属。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断装置的构成的示意图。
图2是表示作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断处理的流程的流程图。
图3是表示吹炼处理中的脱碳氧效率与吹炼进度的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断装置及其动作进行详细说明。
〔熔融金属成分推断装置的构成〕
首先，参照图1，对作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断装置的构成进行说明。
图1是表示作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断装置的构成的示意图。如图1所示，作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断装置1是推断用钢铁业的精炼设备2进行处理的熔融金属101和熔渣103的成分浓度的装置。这里，精炼设备2具备转炉100、喷枪102和导管104。在转炉100内的熔融金属101上配置有喷枪102。从喷枪102的前端朝向下方的熔融金属101喷出高压氧(顶吹氧)。由该高压氧将熔融金属101内的杂质氧化并引入到熔渣103内(吹炼处理)。在转炉100的上部设置有排气导烟用的导管104。
导管104的内部配置有排气检测部105。排气检测部105检测伴随着吹炼处理而排出的排气的流量和排气中的成分(例如，CO、CO2、O2、N2、H2O、Ar等)。排气检测部105例如根据设置于导管104内的文式管的前后的差压来测量导管104内的排气的流量。另外，排气检测部105测量排气中的各成分浓度[％]。排气的流量和成分浓度例如以几秒为周期进行测量。显示出排气检测部105的检测结果的信号被送到控制终端10。
介由形成于转炉100的底部的通气孔106向转炉100内的熔融金属101吹入搅拌气体(底吹气体)。搅拌气体为Ar等非活性气体。吹入的搅拌气体搅拌熔融金属101促进高压氧与熔融金属101的反应。流量计107对吹入转炉100的搅拌气体的流量进行测量。在吹炼处理开始之前和吹炼处理后，进行熔融金属101的温度和成分浓度的分析。另外，熔融金属101的温度和成分浓度在吹炼处理中途测量一次或多次，根据所测量的温度和成分浓度来决定高压氧的供给量(送氧量)和速度(送氧速度)、搅拌气体的流量(搅拌气体流量)等。
应用熔融金属成分推断装置1的吹炼处理控制系统具备控制终端10、熔融金属成分推断装置1和显示装置20作为主要构成要素。控制终端10由个人计算机、工作站等信息处理装置构成，以熔融金属101的成分浓度在所期望的范围内的方式控制送氧量、送氧速度和搅拌气体流量，同时收集送氧量、送氧速度和搅拌气体流量的实际值的数据。
熔融金属成分推断装置1由个人计算机、工作站等信息处理装置构成。熔融金属成分推断装置1具备输入装置11、模型数据库(模型DB)12，运算处理部13和输出装置17。
输入装置11为输入关于精炼设备2的各种测量结果和实际信息的输入用接口。输入装置11中具有键盘、鼠标、定点设备、数据接收装置、和图形用户界面(GUI)等。输入装置11从外部接收实际数据、参数设定值等，对该信息进行向模型DB12的写入、向运算处理部13的发送。向输入装置11输入精炼设备2中的吹炼处理开始前和吹炼处理中的至少任一者的熔融金属101的温度和成分浓度的测量结果。温度和成分浓度的测量结果例如通过操作人员的手动输入、从记录介质读取输入等而被输入到输入装置11中。另外，从控制终端10向输入装置11输入实际信息。实际信息包含由排气检测部105测量到的排气的流量和成分浓度的信息、送氧量和送氧速度的信息、搅拌气体流量的信息、原料(主原料、副原料)投入量的信息、熔融金属101的温度信息等。
模型DB12是保存关于精炼设备2中的吹炼处理反应的模型式的信息的存储装置。模型DB12存储模型式的参数作为关于吹炼处理反应的模型式的信息。另外，模型DB12中存储输入到输入装置11中的各种信息、以及由运算处理部13而算出的吹炼处理实际的计算和解析结果。
运算处理部13为CPU等运算处理装置，控制熔融金属成分推断装置1整体的动作。运算处理部13具有作为物质收支计算部14、物理反应模型计算部15和修正计算部16的功能。物质收支计算部14、物理反应模型计算部15和修正计算部16例如通过运算处理部13执行计算机程序而实现。运算处理部13通过执行物质收支计算部14用的计算机程序而作为物质收支计算部14发挥功能，通过执行物理反应模型计算部15用的计算机程序而作为物理反应模型计算部15发挥功能，通过执行修正计算部16用的计算机程序而作为修正计算部16发挥功能。应予说明，运算处理部13可以具有作为物质收支计算部14、物理反应模型计算部15和修正计算部16发挥功能的专用的运算装置、运算电路。
物质收支计算部14根据操作实际信息、熔融金属成分分析信息、排气信息和存储于模型DB12的模型信息而进行成分的物质收支平衡计算。物质收支平衡计算对向转炉100内的各成分的投入量和自转炉100的各成分的排出量进行计算。各成分的投入量根据向转炉100的主原料和副原料投入量、来自喷枪102的供给氧和来自转炉100外的夹带空气量而算出。各成分的排出量根据排气流量和排气成分浓度而算出。
对于物理反应模型计算部15，根据存储于模型DB12的模型信息和操作实际信息而计算熔渣103中的FeO生成和还原反应量和熔融金属101中的脱碳量，推断熔融金属101中的铁的氧化量、即作为熔渣103中的FeO而残留于转炉100内的氧量、以及残留于熔融金属101中的碳量。
对于修正计算部16，根据物质收支计算部14和物理反应模型计算部15中的计算结果，算出排气流量的修正参数、排气中CO、CO2浓度的修正参数、由物理反应模型计算部15而得到的熔渣103中FeO浓度推断值的修正参数、计算时刻的熔融金属101中碳浓度，使用所算出的各种修正参数，推断熔融金属101中碳浓度和熔渣103中FeO浓度。
具有这样的构成的熔融金属成分推断装置1通过执行以下所示的熔融金属成分推断处理而高精度且连续地推断熔融金属和熔渣中的成分浓度。以下，参照图2所示的流程图，对执行熔融金属成分推断处理时的熔融金属成分推断装置1的动作进行说明。
〔熔融金属成分推断处理〕
图2是表示作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断处理的流程的流程图。对于图2所示的流程图，以开始吹炼处理的时机为开始，熔融金属成分推断处理进入到步骤S1的处理。
步骤S1的处理中，运算处理部13获取熔融金属101的测量和分析值。运算处理部13获取对熔融金属101的样品的温度测量和由成分分析而得到的测量和分析结果。由此，步骤S1的处理结束，熔融金属成分推断处理进入到步骤S2的处理。
步骤S2的处理中，运算处理部13从控制终端10获取操作量信息、排气测量和分析信息(排气信息)以及副原料投入量信息。通常的转炉吹炼操作中，操作量信息和排气测量和分析信息以一定周期进行收集。在本实施方式中，为简单起见，以2sec为周期来收集排气测量和分析信息。操作量信息的获取时间与排气测量和分析信息的获取时间之间存在较大时间延迟的情况下，考虑该时间延迟(按照延迟时间使排气测量和分析信息提前)而作成数据。另外，排气流量的测量值和CO、CO2的分析值含有大量噪声的情况下，也可以用进行了移动平均计算等平滑化处理的值来替换测量值和分析值。由此，步骤S2的处理结束，熔融金属成分推断处理进入到步骤S3的处理。
步骤S3的处理中，物质收支计算部14使用步骤S1和步骤S2的处理中获取的信息和模型DB12的信息来进行碳和氧的收支平衡计算(物质收支模型计算)。投入到转炉100内的碳量和排出到转炉100外的碳量分别表示为以下所示的数学式(1)和数学式(2)。应予说明，以下只要没有特别说明，％和各种流量就表示mass％和流量原单位。
Figure GDA0002684518560000081
Figure GDA0002684518560000082
这里，投入碳量Cin[％]为主原料中的碳量与投入副原料中的碳量之和的熔融金属101中浓度换算值，ρpig[％]为投入铁水中碳浓度，ρi Cscr[％]为投入碎铁(品牌i)中碳浓度，ρj Caux[％]为投入副原料(品牌j)中碳浓度，Wpig[t]为投入铁水重量，Wi scr[t]为投入碎铁(品牌i)重量，Wj aux[t]为副原料(品牌j)投入累积重量，Wcharge[t]为投入到转炉100中的熔融金属重量。投入碎铁品牌i和投入副原料品牌j中的碳浓度ρi Cscr、ρj Caux存储于模型DB12，物质收支计算部14获取对象装料中利用的品牌的信息。
排出碳量Cout[％]为排气中含有的碳量的熔融金属101中浓度换算值，VCO OG[Nm3/t]、VCO2 OG[Nm3/t]分别为排气中CO、CO2的计算时刻之前的累积流量。从投入碳量中减去排出碳量而得的量为残留于转炉100内的碳量，这相当于熔融金属101中的碳浓度。应予说明，假定熔融金属的出入碳量与总投入量相比略少。
另一方面，投入到转炉100内的氧量和排出到转炉100外的氧量分别表示为以下所示的数学式(3)和数学式(4)。
Figure GDA0002684518560000091
Figure GDA0002684518560000092
这里，投入氧量O2 in[Nm3/t]成为来自喷枪102的顶吹氧累积量VO2 blow[Nm3/t]、投入副原料中的氧累积量与自转炉100外夹带到炉内的空气中的氧累积量之和，ρj Oaux[(Nm3/t)/t]为投入副原料(品牌i)中氧含量的换算值。投入副原料品牌j中的氧含量ρj Oaux存储于模型DB12，物质收支计算部14获取对象装料中利用的品牌的信息。另外，投入氧量计算中得不到排气分析N2浓度和排气分析Ar浓度的情况下，对于夹带空气中的氧量，假定从排气中O2、CO、CO2以外的未分析排气量Vrem OG[Nm3/t]中减去底吹气体量Vbot[Nm3/t]而得的量相当于夹带空气中的N2，也可以以上述数学式(3)的第3项的方式算出。
排出氧量O2 out[Nm3/t]由排气中含有的氧量而计算，VO2 OG[Nm3/t]为排气中O2的计算时刻以前的累积流量。从投入氧量中减去排出氧量而得的量是残留于转炉100内的氧量，其被用于熔融金属101中的Si、Mn、P等金属杂质的氧化和铁的氧化。其中，金属杂质的氧化量通过存储于模型DB12的杂质金属的氧化反应模型而计算，例如用于熔融金属101中Si氧化的氧量VO2 Si[Nm3/t]表示为以下所示的数学式(5)。
Figure GDA0002684518560000093
这里，ρpig Si[％]为投入铁水中Si浓度，ρi Siscr[％]为投入碎铁(品牌i)中Si浓度，ρj Siaux[％]为投入副原料(品牌j)中Si浓度，ASi为Si的氧化反应速度常数。另外，也可以利用与数学式(5)同样的方式计算用于Mn、P等熔融金属101中的各种金属杂质氧化的氧量，将其合计表示为VO2 met[Nm3/t]。由此，步骤S3的处理结束，熔融金属成分推断处理进入到步骤S4的处理。
步骤S4的处理中，物理反应模型计算部15利用步骤S1和步骤S2的处理中获取的信息和模型DB12的信息，计算熔渣103中的FeO生成和还原反应量以及熔融金属101中脱碳量，推断熔融金属101中的铁的氧化量、即熔渣103中的作为FeO而残留于转炉100内的氧量、以及残留于熔融金属101中的碳量。FeO生成速度VFeO[kg/min]通过由表示FeO生成和还原反应的项构成的物理反应模型(FeO生成和还原反应模型)而计算，表示为以下所示的数学式(6)。
Figure GDA0002684518560000101
这里，C1和C2分别为FeO生成系数和FeO还原系数，VO2 blow[Nm3/Hr]为来自喷枪102的送氧速度，R[Nm3/s/m2]和R0[Nm3/s/m2]为氧负荷和基准氧负荷，Thsp[℃]为火点温度，H[m]为熔融金属101的熔池深度，D[m]为熔融金属101的熔池系统，ε[kW/t]为来自喷枪102的送氧和底吹气体对熔融金属101的搅拌动力密度，Tbulk[℃]为熔融金属101的温度，B为熔渣103的碱度(熔渣成分中的SiO2/CaO比)，第1项为FeO生成反应速度，第2项为FeO还原反应速度。C1和C2可以通过利用步骤S1和步骤S2的处理中获取的信息或者利用存储于模型DB12中的过去装料的实际信息来决定。根据以下所示的数学式(7)，通过对所算出的FeO生成反应速度进行积分和累积而计算FeO积蓄量FeO[kg/t]，算出残留于转炉100内的氧量。
FeO＝∫vFeO/60/Wcharge dt…(7)
另外，熔融金属101中的脱碳量可以利用表示吹炼处理中的脱碳氧效率的物理模型进行计算。这里，吹炼处理中的脱碳氧效率dC/dO2[10-3％/(Nm3/t)]表示熔融金属101中的碳浓度相对于来自于喷枪102的送氧量和由副原料投入而供给的氧量的减少效率。图3是表示吹炼处理中的脱碳氧效率与吹炼进度的关系的图。如图3所示，在吹炼处理的初期，脱碳氧效率dC/dO2相对于吹炼进度T’以斜率a上升，达到最大值(dC/dO2)max。其后，熔融金属101中的碳浓度达到临界浓度(0.4％左右)时，脱碳氧效率dC/dO2相对于吹炼进度T’以斜率b降低。这里，脱碳氧效率dC/dO2的上升和降低的斜率a、b、截距c和最大值(dC/dO2)max可以利用步骤S1和步骤S2的处理中获取的信息、或者利用存储于模型DB12中的过去装料的实际信息来决定。另外，熔融金属101中的碳浓度在低浓度区域(<0.25％左右)时，可以利用以下的数学式(8)所示的脱碳氧效率dC/dO2与熔融金属101中的碳浓度Cs的关系(脱碳模型)算出。
Figure GDA0002684518560000111
数学式(8)所示的脱碳模型中，脱碳氧效率dC/dO2取决于熔融金属101中的碳浓度Cs[％]。另外，Wslg[kg/t]为熔渣103的重量，m1、m2、m3为常数。由此，步骤S4的处理结束，熔融金属成分推断处理进入到步骤S5的处理。
步骤S5的处理中，修正计算部16利用步骤S3和步骤S4的处理中算出的信息和模型DB12的信息而算出排气流量的修正参数、排气中CO、CO2浓度的修正参数、由物理反应模型计算而得到的熔渣103中FeO浓度推断值的修正参数以及熔融金属101中碳浓度。
〔修正参数计算例〕
具体而言，修正计算部16通过解决使以下的数学式(9)所示的评价函数J或以下的数学式(10)所示的评价函数J为最小的非线性规划问题而计算修正参数α、β、ΔFeO、[C]。应予说明，α是以积的形式修正排气流量的参数，β是以积的形式修正排气中CO、CO2浓度的参数，ΔFeO是以和的形式修正通过步骤S4的处理而算出的熔渣103中FeO推断量的参数，[C]是表示计算时刻的熔融金属101中碳浓度的参数。另外，()temp表示计算时刻附近的一定时间内的变化量。由于导入修正参数α、β，因此将数学式(3)、数学式(4)中示出的O2 in、O2 out表示为以下所示的数学式(11)、(12)。另外，数学式(9)、数学式(10)中使用的O2eff[Nm3/t]如以下的数学式(13)所示，是从来自于喷枪102的送氧量和由副原料投入而供给的氧量中减去通过杂质金属燃烧和铁氧化而消耗的氧量而得的量，即熔融金属101中碳氧化和将所产生的CO氧化并生成CO2的反应中使用的氧量(有效氧量)。
Figure GDA0002684518560000121
Figure GDA0002684518560000122
Figure GDA0002684518560000123
Figure GDA0002684518560000124
Figure GDA0002684518560000125
数学式(9)所示的评价函数J为作为以下记载的第6项中的误差的指标的项的加权和。第1项是从投入碳量中减去排出碳量后的残留于转炉100内的碳量与[C]之差的平方值，该项为0则表明在转炉100内保持了碳质量收支平衡。第2项是从投入氧量中减去排出氧量和杂质金属氧化使用氧量而得的量与由基于物理反应模型的FeO推断量计算的熔融金属101中铁氧化所使用的氧量之差的平方值，该项为0则表明在转炉100内保持了氧质量收支平衡。第3项是由有效氧量中的熔融金属101中碳的氧化(一次燃烧)所使用的氧量的比例表示的一次燃烧效率与一次燃烧效率的标准值Rpri之差的平方值，该项接近0，则表明基于操作量和排气信息计算的一次燃烧效率接近标准值。第4项是α、β与α、β的标准值αave、βave之差的平方值，该项接近0，则表明α、β接近标准值。第5项为修正参数ΔFeO的平方值，是防止算出的熔渣中FeO浓度背离物理反应模型的项。第6项是由计算时刻附近的排气信息和投入氧信息计算的脱碳氧效率与基于物理反应模型的脱碳氧效率之差的平方值，该项为0，则表明实测的脱碳量符合物理模型。
另外，数学式(10)所示的评价函数J也同样是作为以后记载的第6项中的误差的指标的项的加权和。第1项是从投入碳量中减去排出碳量后的残留于转炉100内的碳量与[C]之比中减去1而得的值的平方值，该项为0则表明在转炉100内保持了碳质量收支平衡。第2项是从投入氧量中减去排出氧量和杂质金属氧化使用氧量而得的量与由基于物理反应模型的FeO推断量计算的熔融金属101中铁氧化所使用的氧量之比中减去1而得的值的平方值，该项为0则表明在转炉100内保持了氧质量收支平衡。第3项是从用有效氧量中的熔融金属101中碳的氧化(一次燃烧)所使用的氧量的比例表示的一次燃烧效率与一次燃烧效率的标准值Rpri之比中减去1而得的值的平方值，该项接近0则表明基于操作量和排气信息计算的一次燃烧效率接近标准值。第4项是从α、β与α、β的标准值αave、βave之比中减去1而得的值的平方值，该项接近0则表明α、β接近标准值。第5项为修正参数ΔFeO的平方值，是防止算出的熔渣中FeO浓度背离物理反应模型的项。第6项是从由计算时刻附近的排气信息和投入氧信息计算的脱碳氧效率与基于物理反应模型的脱碳氧效率之比中减去1而得的值的平方值，该项为0则表明实测的脱碳量符合物理模型。
应予说明，在数学式(9)、(10)中，Rpri、αave、βave根据存储于模型DB12的过去装料中的吹炼处理实际中的与推断对象装料相同的吹炼处理形态的实际而决定。另外，Rpri在可由操作量、吹炼处理条件等来记载的情况下也可以使用。
上述的例子中，评价函数J的各项的分母中的加权因子(σ1～σ6)是用户设定的参数。加权因子决定上述各项各自的误差的大小对评价函数J的影响度。因此，可以通过根据吹炼处理中反应的相来变更各项的加权因子而使推断精度提高。例如，熔融金属中碳浓度在低浓度区域或脱碳氧效率降低的区域时，通过对数学式(9)将第6项的加权因子σ6变更为较小的值而使第6项的误差对评价函数J的影响变大，从而即便熔融金属中碳浓度较低也能够进行高精度的推断。综上，在满足根据在计算对象时刻以前算出的熔融金属成分推断信息和修正后的排气测量信息中的至少一者而设定的条件的情况下，通过在吹炼处理中切换评价函数J的各项的加权因子而使推断精度提高。
对于将评价函数J根据制约条件而最小化的非线性规划问题提出了多种算法(例如参照非专利文献1(今野浩，山下浩著：非线性规划法，日科技连))，如果利用这些算法，则能够容易地计算修正参数α、β、ΔFeO、[C]。由此，步骤S5的处理结束，熔融金属成分推断处理进入到步骤S6的处理。
步骤S6的处理中，修正计算部16利用步骤S5的处理中所算出的各种修正参数来推断熔融金属101中碳浓度和熔渣103中FeO浓度。以后，运算处理部13将通过修正计算部16得到的熔融金属101中碳浓度和熔渣103中FeO浓度的推断结果送至输出装置17。输出装置17将由运算处理部13送来的熔融金属101中碳浓度的推断结果输出到控制终端10和显示装置20。控制终端10基于熔融金属101中碳浓度的推断结果来调节精炼设备2的操作量(例如送氧量、副原料的投入量和投入时机等)。显示装置20显示熔融金属101中碳浓度和熔渣103中FeO浓度的推断结果。由此，步骤S6的处理结束，熔融金属成分推断处理进入到步骤S7的处理。
步骤S7的处理中，运算处理部13辨别吹炼处理是否结束。辨别的结果如下：吹炼处理结束的情况下，运算处理部13结束一系列的熔融金属成分推断处理，运算处理部13进入到步骤S8的处理中。另一方面，吹炼处理未结束的情况下，运算处理部13返回到步骤S2的处理。
步骤S8的处理中，运算处理部13将对象装料的实际数据和运算处理部13中的计算结果保存于模型DB12。应予说明，得到对象吹炼处理结束时的熔融金属101中碳浓度、熔渣103中FeO浓度的测量值时，利用它们算出最佳的各种修正参数和初期参数条件。另外，在本实施方式中，对于未作为修正项处理的要素，例如投入铁水中碳浓度分析值ρpig、副原料投入累积重量Wj aux等具有误差因素的情况下，通过在步骤S8的处理中，算出满足吹炼处理结束时的熔融金属101成分、熔渣103成分这样的修正参数并保存于模型DB12，能够作为以后的装料中的初期修正参数应用。由此，步骤S8的处理结束，一系列的熔融金属成分推断处理结束。
根据以上的说明可知：作为本发明的一个实施方式的熔融金属成分推断处理中，熔融金属成分推断装置1由于根据物理反应模型式、熔融金属的成分浓度的测量结果、以及由精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的测量结果，以连续保持吹炼处理中的碳收支平衡和氧收支平衡的方式依次算出修正排气的流量和成分浓度的测量值、物理反应模型计算值的修正参数，因此能够在吹炼处理中连续地得到高精度的熔融金属和熔渣中的成分浓度的推断值。
以上，对应用由本发明人等完成的发明的实施方式进行了说明，但本发明不受形成本实施方式的本发明的公开的一部分的记载和附图限定。例如，虽然在本实施方式中使用排气信息作为可连续获取的转炉测量信息，但例如得到关于熔融金属温度的测量信息时，通过将与基于炉内氧化反应所产生的热量的热收支模型组合所得的关系式代入优化计算中，能够连续地推断熔融金属温度，进而也可以期待熔融金属和熔渣的成分浓度的推断精度的提高。这样，基于本实施方式由本领域技术人员等完成的其它的实施方式、实施例和运用技术等全部包含于本发明的范畴。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供可高精度且连续地推断熔融金属和熔渣中的成分浓度的熔融金属成分推断装置和熔融金属成分推断方法。
符号说明
1 熔融金属成分推断装置
2 精炼设备
10 控制终端
11 输入装置
12 模型数据库(模型DB)
13 运算处理部
14 物质收支计算部
15 物理反应模型计算部
16 修正计算部
17 输出装置
20 显示装置
100 转炉
101 熔融金属
102 喷枪
103 熔渣
104 导管
105 排气检测部
106 通气孔
107 流量计

Claims (7)

1.一种熔融金属成分推断装置，其特征在于，具备：
输入装置，输入精炼设备中的吹炼处理开始前或吹炼处理中的熔融金属的温度和成分浓度的第1测量结果、以及从所述精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的第2测量结果；
模型数据库，储存关于所述精炼设备中的吹炼处理反应的模型式和参数；
物质收支计算部，通过使用所述第1测量结果、所述第2测量结果以及所述模型式和所述参数来进行碳和氧的收支平衡计算，从而推算投入到精炼设备中的碳量和氧量以及从所述精炼设备排出的碳量和氧量；
物理反应模型计算部，通过使用所述第1测量结果与所述模型式和所述参数来计算熔渣中FeO量和熔融金属中脱碳量中的至少一方，从而推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；以及
修正计算部，根据输入到所述输入装置的所述第2测量结果，使用所述物质收支计算部和所述物理反应模型计算部的推断结果，算出修正所述排气的流量的测量值的参数、修正所述排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和表示所述熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，使用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数来推断熔融金属和熔渣中的成分浓度；
所述修正计算部以包含以下三项的评价函数成为最小的方式计算所述第1、所述第2、所述第3和所述第4修正参数，所述三项如下：
碳收支误差，表示为从根据所述第1测量结果计算的初期熔融金属中碳量和通过投入副原料而向精炼设备内供给的碳量中减去根据所述第2测量结果计算的向精炼设备外排出的碳量而得的量与所述第4修正参数之差，
氧收支误差，表示为从供给于所述精炼设备的氧量中减去根据所述第2测量结果计算的由熔融金属中碳氧化、精炼设备内一氧化碳氧化和熔融金属中杂质金属氧化而消耗的氧量而得的值与通过所述模型式计算的由熔融金属中铁氧化而消耗的氧量之差，以及
一次燃烧收支误差，表示为一次燃烧效率与所述一次燃烧效率的标准值之差，所述一次燃烧效率表示为从顶吹氧量和通过投入副原料而供给的氧量中减去由杂质金属氧化和铁氧化而消耗的氧量所得的量中的由熔融金属中碳氧化而消耗的氧量的比例。
2.一种熔融金属成分推断装置，其特征在于，具备：
输入装置，输入精炼设备中的吹炼处理开始前或吹炼处理中的熔融金属的温度和成分浓度的第1测量结果、以及从所述精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的第2测量结果；
模型数据库，储存关于所述精炼设备中的吹炼处理反应的模型式和参数；
物质收支计算部，通过使用所述第1测量结果、所述第2测量结果以及所述模型式和所述参数来进行碳和氧的收支平衡计算，从而推算投入到精炼设备中的碳量和氧量以及从所述精炼设备排出的碳量和氧量；
物理反应模型计算部，通过使用所述第1测量结果与所述模型式和所述参数来计算熔渣中FeO量和熔融金属中脱碳量中的至少一方，从而推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；以及
修正计算部，根据输入到所述输入装置的所述第2测量结果，使用所述物质收支计算部和所述物理反应模型计算部的推断结果，算出修正所述排气的流量的测量值的参数、修正所述排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和表示所述熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，使用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数来推断熔融金属和熔渣中的成分浓度；
所述修正计算部以包含以下三项的评价函数成为最小的方式计算所述第1、所述第2、所述第3和所述第4修正参数，所述三项如下：
碳收支误差，表示为从根据所述第1测量结果计算的初期熔融金属中碳量和通过投入副原料而向精炼设备内供给的碳量中减去根据所述第2测量结果计算的向精炼设备外排出的碳量而得的量与所述第4修正参数之比，
氧收支误差，表示为从供给于所述精炼设备的氧量中减去根据所述第2测量结果计算的由熔融金属中碳氧化、精炼设备内一氧化碳氧化和熔融金属中杂质金属氧化而消耗的氧量而得的值与通过物理反应模型计算的由熔融金属中铁氧化而消耗的氧量之比，以及
一次燃烧收支误差，表示为一次燃烧效率与所述一次燃烧效率的标准值之比，所述一次燃烧效率表示为从顶吹氧量和通过投入副原料而供给的氧量中减去由杂质金属氧化和铁氧化而消耗的氧量而得的量中的由熔融金属中碳氧化而消耗的氧量的比例。
3.根据权利要求1或2所述的熔融金属成分推断装置，其特征在于，所述评价函数包含所述碳收支误差的平方值、所述氧收支误差的平方值和所述一次燃烧收支误差的平方值作为项的加权和。
4.根据权利要求3所述的熔融金属成分推断装置，其特征在于，表示所述评价函数中的各项的权重的常数在满足基于计算对象装料中的计算对象时刻以前所算出的熔融金属成分推断信息和修正后的排气测量信息中的至少一方而设定的条件的情况下进行切换。
5.一种熔融金属成分推断方法，其特征在于，包含如下步骤：
输入步骤，输入针对精炼设备中的吹炼处理开始前或吹炼处理中的熔融金属的温度和成分浓度的第1测量结果、以及针对从所述精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的第2测量结果；
物质收支计算步骤，通过使用所述第1测量结果、所述第2测量结果以及关于所述精炼设备中的吹炼处理反应的模型式和参数来进行碳和氧的收支平衡计算，由此推断投入到精炼设备的碳量和氧量与从所述精炼设备排出的碳量和氧量；
物理反应模型计算步骤，通过使用所述第1测量结果与所述模型式和所述参数计算熔渣中FeO量和熔融金属中脱碳量中的至少一方，从而推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；
修正计算步骤，根据所述输入步骤中输入的所述第2测量结果，使用所述物质收支计算步骤和所述物理反应模型计算步骤中的推断结果，算出修正所述排气的流量的测量值的参数、修正所述排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和表示熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，使用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数，推断熔融金属和熔渣中的成分浓度；
所述修正计算部以包含以下三项的评价函数成为最小的方式计算所述第1、所述第2、所述第3和所述第4修正参数，所述三项如下：
碳收支误差，表示为从根据所述第1测量结果计算的初期熔融金属中碳量和通过投入副原料而向精炼设备内供给的碳量中减去根据所述第2测量结果计算的向精炼设备外排出的碳量而得的量与所述第4修正参数之差，
氧收支误差，表示为从供给于所述精炼设备的氧量中减去根据所述第2测量结果计算的由熔融金属中碳氧化、精炼设备内一氧化碳氧化和熔融金属中杂质金属氧化而消耗的氧量而得的值与通过所述模型式计算的由熔融金属中铁氧化而消耗的氧量之差，以及
一次燃烧收支误差，表示为一次燃烧效率与所述一次燃烧效率的标准值之差，所述一次燃烧效率表示为从顶吹氧量和通过投入副原料而供给的氧量中减去由杂质金属氧化和铁氧化而消耗的氧量所得的量中的由熔融金属中碳氧化而消耗的氧量的比例。
6.一种熔融金属成分推断方法，其特征在于，包含如下步骤：
输入步骤，输入针对精炼设备中的吹炼处理开始前或吹炼处理中的熔融金属的温度和成分浓度的第1测量结果、以及针对从所述精炼设备排出的排气的流量和成分浓度的第2测量结果；
物质收支计算步骤，通过使用所述第1测量结果、所述第2测量结果以及关于所述精炼设备中的吹炼处理反应的模型式和参数来进行碳和氧的收支平衡计算，由此推断投入到精炼设备的碳量和氧量与从所述精炼设备排出的碳量和氧量；
物理反应模型计算步骤，通过使用所述第1测量结果与所述模型式和所述参数计算熔渣中FeO量和熔融金属中脱碳量中的至少一方，从而推断残留于精炼设备内的氧量和碳量中的至少一方；
修正计算步骤，根据所述输入步骤中输入的所述第2测量结果，使用所述物质收支计算步骤和所述物理反应模型计算步骤中的推断结果，算出修正所述排气的流量的测量值的参数、修正所述排气的成分浓度的测量值的参数、修正熔渣中的FeO浓度的计算值的参数和表示熔融金属中的碳量的参数分别作为第1、第2、第3和第4修正参数，使用所算出的第1、第2、第3和第4修正参数，推断熔融金属和熔渣中的成分浓度；
所述修正计算部以包含以下三项的评价函数成为最小的方式计算所述第1、所述第2、所述第3和所述第4修正参数，所述三项如下：
碳收支误差，表示为从根据所述第1测量结果计算的初期熔融金属中碳量和通过投入副原料而向精炼设备内供给的碳量中减去根据所述第2测量结果计算的向精炼设备外排出的碳量而得的量与所述第4修正参数之比，
氧收支误差，表示为从供给于所述精炼设备的氧量中减去根据所述第2测量结果计算的由熔融金属中碳氧化、精炼设备内一氧化碳氧化和熔融金属中杂质金属氧化而消耗的氧量而得的值与通过物理反应模型计算的由熔融金属中铁氧化而消耗的氧量之比，以及
一次燃烧收支误差，表示为一次燃烧效率与所述一次燃烧效率的标准值之比，所述一次燃烧效率表示为从顶吹氧量和通过投入副原料而供给的氧量中减去由杂质金属氧化和铁氧化而消耗的氧量而得的量中的由熔融金属中碳氧化而消耗的氧量的比例。
7.一种熔融金属的制造方法，其特征在于，包含如下步骤：基于利用权利要求5或6所述的熔融金属成分推断方法所推断的熔融金属中的成分浓度，将熔融金属中的成分浓度调整到所期望的范围内。
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