JP2013249523A - 転炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を次工程における目標値に精度良く的中させることが可能な、転炉操業方法を提供する。
【解決手段】転炉吹錬吹止め時以降に、当該転炉からの排ガス成分および排ガス流量に基づいて、該転炉吹錬吹止め時から出鋼開始時まで、溶鋼中炭素濃度、または溶鋼中炭素濃度と溶鋼温度とを逐次推定する、転炉操業方法とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、転炉を用いて溶鋼を製造する転炉操業方法に関する。

転炉操業では、溶鋼成分濃度や溶鋼温度を目標値に的中させるために、スタティック制御とサブランス測定に基づいたダイナミック制御とを組み合わせた吹錬制御が行われている。スタティック制御では、酸素を供給して吹錬を開始する前に物質収支・熱収支に基づいた数式モデル等にて、該酸素の供給を停止する吹錬吹止め時の溶鋼成分濃度および溶鋼温度を目標値に的中させるために必要な供給酸素量や各種副原料投入量を決定しておき、これに従って吹錬を行う。一方、ダイナミック制御は、吹錬中にサブランスにて溶鋼の温度・炭素濃度を測定し、物質収支・熱収支に基づいた数式モデル等にて、スタティック制御で決定しておいた供給酸素量や各種副原料投入量を適正化するとともに逐次、溶鋼中炭素濃度や溶鋼温度を推定する。さらに、転炉吹錬中の排ガス情報（排ガス流量や排ガス成分）を活用して、数式モデルによる溶鋼成分濃度や溶鋼温度の推定精度を高める手法が提案されている。

また、近年では溶銑予備処理技術の向上に伴い、不純物である溶銑中のりんを、転炉を用いて溶鋼製造を開始する前の時点で十分に低い濃度まで除去できるようになった。従来は、転炉を用いて溶鋼を製造する吹錬においてもりんを除去するために、中高炭素鋼（炭素濃度≧０．３％）でも溶鋼中炭素濃度を０．１％程度まで過剰に脱炭する必要があった。溶鋼中りん濃度を低下できるようになったため、近年では、過剰な脱炭が不要になり高い溶鋼中炭素濃度での吹止めが可能になっており、さらに、転炉吹錬制御技術の高精度化によって転炉吹錬吹止め時における溶鋼中炭素濃度の推定精度が高められている。

しかしながら、転炉吹錬吹止め時の溶鋼中炭素濃度を高くすると、吹止めから出鋼開始までのいわゆる「出鋼待ち」の間に意図しない脱炭反応が進行する場合がある。意図しない脱炭反応が進行すると、次工程（各種二次精錬設備や連続鋳造設備における工程。以下において同じ。）で要求される炭素濃度を満足できなくなるため、次工程の処理が高負荷になったり成分外れでスクラップになったりする等の問題が発生する。かかる問題を回避するためには、転炉吹錬吹き止め時以降の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度、より具体的には、吹止め時から出鋼開始時までの「出鋼待ち」の間における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を適切に制御することが必要になると考えられる。

転炉吹錬に関する技術として、例えば特許文献１には、サブランスによる溶鋼温度、溶鋼中炭素濃度の測定値と排ガス情報とを組み合わせて、溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を推定する技術が提案されている。特許文献１に開示されている技術では、逐次（定周期に）得られる排ガス情報（排ガス流量および排ガス成分）を活用した炭素収支に基づいて、溶鋼中炭素濃度を推定している。また、特許文献２には、転炉吹錬中の排ガス情報から吹錬途中の溶鋼中成分濃度および溶鋼温度を推定し、推定した溶鋼中成分濃度および溶鋼温度に基づき、溶銑条件と吹錬条件とから当該吹錬の特徴を表すベクトルを定め、過去の吹錬実績データベースから当該吹錬のベクトルと類似したベクトルを有する吹錬を選定し、選定した複数の類似吹錬データに基づいて近似モデルを作成し、該近似モデルによって求められる送酸量を吹錬終了までの送酸量として決定する転炉吹錬終点制御方法が開示されている。また、特許文献３には、転炉吹錬吹止め時以降の脱炭反応に着目した転炉出鋼中脱炭量推定法を用いた転炉操業法が開示されている。

特開昭５２−１０１６１７号公報 特開２００７−２３８９８２号公報 特許第３８２３９０７号公報

特許文献１および特許文献２に開示されている技術は、吹込み酸素による脱炭反応を前提として溶鋼中炭素濃度を推定しており、いずれも、転炉吹錬吹止め時までの溶鋼成分および溶鋼温度をその制御対象としている。そのため、転炉吹錬吹止め時以降の出鋼待ちの間における溶鋼中炭素濃度を推定することはできない。また、特許文献３に開示されている技術は、あくまで“出鋼中”の脱炭量を推定する技術である。そのため、特許文献１乃至特許文献３に開示されている技術を組み合わせても、出鋼待ちの間の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を推定することはできず、溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を次工程における目標値に制御することは困難であった。

そこで、本発明は、転炉操業において、出鋼開始時の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を高精度で推定すること、さらに、その推定値に基づいて溶鋼成分調整用の合金鉄投入量を決定し投入することによって、次工程における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を目標値に精度良く的中させることが可能な方法を提案することを目的とする。

出鋼待ちの間における意図しない脱炭反応の進行を織り込んで、次工程における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度の目標値に精度良く的中させるためには、転炉吹錬中と同様に、転炉吹錬吹止め時から出鋼開始時までの間においても溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を高精度に逐次推定することが必要で、その情報を活用することが有効と考えられる。
本発明者らは検討を重ねた結果、出鋼待ちの間に脱炭反応が進行する場合には、図１に示すように転炉吹錬吹止め時以降も排ガス中に高い濃度のＣＯやＣＯ_２が検出されることを見出し、転炉吹錬吹止め時以降に、排ガス成分と排ガス流量とを例えば定周期で測定して、それらの測定値と転炉吹錬時の種々の操業条件とを活用して、溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を逐次推定する方法を着想した。さらに、逐次推定した溶鋼中炭素濃度の推定値を活用して出鋼中に投入する合金鉄量を決定することによって、溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を次工程における目標値に精度良く一致させることが可能になると考えた。本発明は、このような着想に基づいて完成させたものである。

以下に、本発明の要旨を示す。
本発明は、転炉吹錬吹止め時以降に、当該転炉からの排ガス成分および排ガス流量に基づいて、該転炉吹錬吹止め時から出鋼開始時まで、溶鋼中炭素濃度、または溶鋼中炭素濃度と溶鋼温度とを逐次推定することを特徴とする転炉操業方法である。

また、上記本発明において、転炉吹錬吹止め時以降の排ガス成分および排ガス流量を定周期で測定し、該排ガス成分および排ガス流量の測定値と当該転炉吹錬時の操業条件とに基づいて、前記溶鋼中炭素濃度、または溶鋼中炭素濃度と溶鋼温度とを逐次推定することが好ましい。

また、上記本発明において、出鋼開始時における前記溶鋼中炭素濃度の推定値を用いて、出鋼中に投入する成分調整用の合金鉄の量を決定することが好ましい。

本発明によれば、転炉操業における出鋼開始時の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を高精度で推定することが可能になり、さらにこの推定値に基づいて合金鉄による成分調整を行うことにより、次工程における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を目標値に精度良く的中させることが可能になる。すなわち、本発明によれば、溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を次工程における目標値に制御することが可能な、転炉操業方法を提供することができる。

排ガス中のＣＯ成分およびＣＯ_２成分の推移を説明する図である。 転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼中炭素濃度の推定例を示す図である。 転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度の推定例を示す図である。 本発明を実施可能なシステム構成例を説明する図である。 本発明の転炉操業方法を説明するフロー図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。

はじめに、転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼中炭素濃度の推定方法について説明する。以下に示す本発明の一実施形態では、吹止め時以降の排ガス成分および排ガス流量を逐次測定し、この測定結果を用いて脱炭量（ΔＣ）を算出する形態を想定している。

ある期間の転炉の脱炭量（ΔＣ）は、排ガス成分測定値および排ガス流量測定値を使って、下記式（１）で求めることができる。この脱炭量（ΔＣ）を使って、転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼中炭素濃度推定値（Ｃ_ｃａｌ）は下記式（２）より求めることができる。下記式（２）における転炉吹錬吹止め時の溶鋼中炭素濃度（Ｃ_ｅｎｄ）は実測値あるいは転炉吹錬制御で用いられる数式モデルによる推定値を使えばよい。
この脱炭量（ΔＣ）は、転炉吹錬吹止め時の溶鋼中炭素濃度（Ｃ_ｅｎｄ）が高いと大きくなる傾向があるため、本発明は転炉吹錬吹止め時の溶鋼中炭素濃度（Ｃ_ｅｎｄ）が０．３質量％以上であるような転炉操業に適用すると、その適用効果が大きくなるので好ましい。

ここで、ΔＣは脱炭量［ｔｏｎ］、Ｑ（ｔ）は排ガス流量［Ｎｍ^３／ｓ］、ＣＯ（ｔ）は排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度［体積％］、ＣＯ２（ｔ）は排ガスに含まれる二酸化炭素の濃度［体積％］、Ｋは単位換算用の定数［ｔｏｎ／（Ｎｍ^３・体積％）］である。

ここで、Ｃ_ｃａｌは溶鋼中炭素濃度の推定値［質量％］、Ｃ_ｅｎｄは転炉吹錬吹止め時の溶鋼中炭素濃度［質量％］、Ｗ_ｓｔは溶鋼重量［ｔｏｎ］である。

転炉における排ガス成分測定値および排ガス流量測定値には、測定誤差が存在する場合がある。そこで、例えば、表１に示すような転炉吹錬時の種々の操業条件を説明変数とする重回帰式（下記式（３））を用いて得られる補正値（ｈ）にて、排ガス成分測定値および排ガス流量測定値から求めた脱炭量（ΔＣ）を補正した下記式（４）を用いることにより、転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼中炭素濃度を良好な精度で推定することが可能になる。

ここで、ｈは脱炭量補正値［−］、Ｘ_ｉは操業条件、α_ｉはパラメータである。

本発明による溶鋼中炭素濃度の推定例を図２に示す。図２に示したように、本発明の推定値は出鋼開始時の溶鋼中炭素濃度（実測値）と精度良く一致していることから、出鋼待ちの間における脱炭挙動を反映した推定ができており、出鋼開始時点の溶鋼中炭素濃度を精度良く推定できている。

次に、転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度の推定方法について説明する。転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度は、基本的に時間経過とともに低下するが、先に示した脱炭反応が生じる場合には、その反応熱に伴う温度変動を考慮する必要がある。すなわち、下記式（５）に示すように、転炉吹錬吹止め時以降の経過時間（Δｔｉｍｅ）と脱炭量（ΔＣ）とを用いて転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度降下量（ΔＴ）を算出する。なお、下記式（５）のパラメータ（β、γ）は重回帰分析にて予め求めておく。そして、この転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度降下量（ΔＴ）を使って、転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度推定値（Ｔ_ｃａｌ）は下記式（６）より求めることができる。下記式（６）中の転炉吹錬吹止め時の溶鋼温度（Ｔ_ｅｎｄ）は、実測値あるいは転炉吹錬制御で用いられる数式モデルによる推定値を使えばよい。

ここで、ΔＴは転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度降下量［℃］、Δｔｉｍｅは転炉吹錬吹止め時以降の経過時間［ｓ］、βはパラメータ［℃／ｓ］、γはパラメータ［℃／ｔｏｎ］である。

ここで、Ｔ_ｃａｌは転炉吹錬吹止め時以降の溶鋼温度推定値［℃］、Ｔ_ｅｎｄは転炉吹錬吹止め時の溶鋼温度［℃］である。

本発明による溶鋼温度の推定例を図３に示す。図３に示したように、出鋼開始時点の溶鋼温度を精度良く推定できている。

次に、出鋼中に投入する成分調整用の合金鉄投入量の決定方法について説明する。合金鉄投入量の決定方法に関してはこれまでの多くの手法が提案されているが、ここでは線形計画法を用いる手法について説明する。線形計画法は、１次不等式および１次等式で表現された制約条件のもとで、評価関数（ある１次式）を最大化あるいは最小化する解を求める手法である。本手法は、転炉出鋼時における成分調整用の合金鉄投入量を決定するために、一般的に使われている。

合金鉄投入量の決定に線形計画法を適用する場合には、次のように線形計画問題が定式化される。まず、決定変数は合金鉄の投入量（ｘ_ｊ、ｊ＝１、２、…、ｍ）である。合金鉄は含有成分やコストが異なるｍ種類の銘柄が存在するとする。最小化される目的関数は下記式（７）のように合金鉄コストの総和として定義され、制約条件は溶鋼中の調整対象成分に関する収支式（下記式（８））と合金鉄投入に伴う熱収支式（下記式（９））で表される。

ここで、ｃ_ｊは合金鉄ｊの単価［円／ｔｏｎ］、ｘ_ｊは合金鉄ｊの投入量［ｔｏｎ］である。

ここで、Ｓ_ｉ，ｊは合金鉄ｊの成分ｉの含有率［％］、ΔＵ_ｉは成分ｉの成分上昇幅［％］、ｔ_ｊは合金鉄ｊの温度降下量［℃／ｔｏｎ］、ΔＴ_ｔａｐは合金鉄投入による温度変化量［℃］、ｎは調整対象成分の種類［−］、ｍは合金鉄の種類［−］である。

そして、本発明では、炭素濃度の収支式の成分上昇幅（ΔＵ_Ｃ）として下記式（１０）を、熱収支式の温度変化量（ΔＴ_ｔａｐ）として下記式（１１）を用いる。すなわち、本発明では、転炉吹錬吹止め時以降も逐次、上記式（４）および式（６）に基づいて溶鋼炭素濃度および溶鋼温度の推定計算をおこない、出鋼開始時点で得られる溶鋼炭素濃度推定値および溶鋼温度推定値を使ってΔＵ_ＣおよびΔＴ_ｔａｐを求める。

ここで、Ｃ_ａｉｍは次工程の目標炭素濃度［質量％］、Ｔ_ａｉｍは次工程の目標温度［℃］である。

上記の線形計画問題を一般的な解法のひとつであるシンプレックス法（単体法）を使って解くことにより、図１に示したような出鋼待ちの間に脱炭反応が発生しても、次工程の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を目標値に制御することが可能になり、成分調整用の合金鉄コストを安価にすることも可能になる。

以上の方法により、転炉操業における出鋼開始時の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を高精度で推定することが可能になる。さらに、例えば、この推定値に基づいて合金鉄による成分調整を行うことにより、次工程における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を目標値に精度良く的中させることが可能になる。

図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。本発明を実施可能な転炉操業装置の例を図４に示す。図４に示した転炉操業装置１０において、溶銑・副原料データ１は、チャージ毎の溶銑重量、溶銑成分（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ等）、溶銑温度、溶銑率等の溶銑条件と吹錬中に投入された副原料のデータである。パラメータ２では、脱炭量の演算、溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度推定値の演算、ならびに合金鉄投入量の演算で使用するパラメータを設定する。目標データ３は、チャージ毎の転炉の次工程における目標炭素濃度および目標温度のデータである。吹止め成分温度データ４は、転炉吹錬吹止め時における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度のデータである。

脱炭量演算部５では、排ガス情報（排ガス流量計で測定された排ガス流量、および、排ガス成分分析計で分析された排ガス成分）に基づいて脱炭量を算出する。溶鋼中炭素濃度・溶鋼温度推定値演算部６では、溶銑・副原料データ１と、パラメータ２と、吹止め成分温度データ４と、脱炭量演算部５で算出した脱炭量と、に基づいて溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を推定する。

溶鋼中炭素濃度・溶鋼温度推定演算部６で算出された溶鋼中炭素濃度の推定値および溶鋼温度の推定値は、合金鉄投入量演算部７で使用される。合金鉄投入量演算部７では、パラメータ２と、目標データ３（次工程における炭素濃度の目標値および目標温度。以下において同じ。）と、溶鋼中炭素濃度・溶鋼温度推定演算部６で算出された溶鋼中炭素濃度の推定値および溶鋼温度の推定値と、を用いて、目標データ３を満足するために必要な合金鉄投入量が求められる。溶鋼中炭素濃度・溶鋼温度推定値演算部６における演算結果、および、合金鉄投入量演算部７における演算結果は、入出力部８に表示される。

図５は、本発明の転炉操業方法のフローを説明する図である。
ＳＴＥＰ１では、溶銑重量等のデータを溶銑・副原料データ１から収集する。ＳＴＥＰ２では、転炉吹錬吹止め時以降の排ガス流量測定値および排ガス成分分析値から、上記式（１）に基づいて脱炭量を算出する。次に、ＳＴＥＰ３では、ＳＴＥＰ２の結果を使って上記式（４）および式（６）を用いて溶鋼中炭素濃度推定値と溶鋼温度推定値を計算する。ＳＴＥＰ４では、出鋼が開始されているか否かが判断される。ＳＴＥＰ４で肯定判断がなされた場合（出鋼が開始されている場合）には、ＳＴＥＰ５へと進み、合金鉄の投入量を計算する。これに対し、ＳＴＥＰ４で否定判断がなされた場合（出鋼が開始されていない場合・出鋼待ちの場合）には、ＳＴＥＰ２へと戻り、ＳＴＥＰ４で肯定判断がなされるまで、ＳＴＥＰ２〜ＳＴＥＰ４の処理が繰り返される。

以上の手順により、転炉操業における出鋼開始時の溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を高精度で推定することが可能になる。そして、例えば、この推定値に基づいて合金鉄による成分調整を行うことにより、次工程における溶鋼中炭素濃度および溶鋼温度を目標値に精度良く的中させることが可能になる。

１…溶銑・副原料データ
２…パラメータ
３…目標データ
４…吹止め成分温度データ
５…脱炭量演算部
６…溶鋼中炭素濃度・溶鋼温度推定値演算部
７…合金鉄投入量演算部
８…入出力部
１０…転炉操業装置

Claims (3)

1. 転炉吹錬吹止め時以降に、当該転炉からの排ガス成分および排ガス流量に基づいて、該転炉吹錬吹止め時から出鋼開始時まで、溶鋼中炭素濃度、または溶鋼中炭素濃度と溶鋼温度とを逐次推定することを特徴とする転炉操業方法。
2. 転炉吹錬吹止め時以降の排ガス成分および排ガス流量を定周期で測定し、該排ガス成分および排ガス流量の測定値と当該転炉吹錬時の操業条件とに基づいて、前記溶鋼中炭素濃度、または前記溶鋼中炭素濃度と前記溶鋼温度とを逐次推定する、請求項１に記載の転炉操業方法。
3. 出鋼開始時における前記溶鋼中炭素濃度の推定値を用いて、出鋼中に投入する成分調整用の合金鉄の量を決定する、請求項１又は２に記載の転炉操業方法。

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