JP2017008349A - 溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯中の成分濃度の推定精度を向上させることができる溶湯状況推定装置を提供する。
【解決手段】溶湯状況推定装置１は、精錬設備２における処理開始前または処理中の溶湯１０１の温度と成分についての計測結果、精錬設備から排出される排ガスの流量および排ガス中の成分についての計測結果、および精錬設備の炉内への吹き込み酸素量が入力される入力装置１１と、精錬設備の吹錬反応に関するモデルの情報が保存されているモデルデータベース１２と、モデルおよび排ガスについての計測結果に基づいて排ガス中の成分量の補正パラメータを算出する補正計算手段１３と、補正パラメータ、排ガスについての計測結果、および吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って溶湯中の成分濃度を推定する物質バランス計算手段１４と、物質バランス計算手段による推定結果を出力する出力装置１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法に関する。

製鉄所では高炉によって鉄鋼石を溶解した後、精錬設備によって溶湯成分及び温度の調整を行う。精錬設備には、予備処理設備、転炉、二次精錬設備と処理目的に応じて様々なものがある。例えば、精錬設備の代表である転炉では、酸素を炉内に吹き込むことによって溶湯中不純物の除去と脱炭および昇温を行い、吹錬後の溶湯成分・温度が指定された範囲内に収まるように制御が行われる。しかしながら、溶湯中での酸化反応が激しく溶湯が高温になるため、溶湯中成分や温度を時々刻々計測することは困難である。現実の操業では、吹錬中の溶湯をサンプリングして、その情報及び反応モデルに基づいて吹錬終了までの吹錬制御（必要送酸量や冷却材投入量決定）の計算を行っている。

連続的に溶湯の成分や温度情報を得ることができると、処理精度を向上させることが可能になる。現状、連続的に収集できるプロセス情報には、操作量の他に、排ガスに関する情報（流量、各成分濃度）がある。排ガス情報を用いて炉外に排出された炭素量を推定することが可能であり、物質バランスから排出炭素量に基づいて溶湯の炭素成分濃度を計算することができる。しかし、一般的に排ガスについて計測された情報は誤差が大きい。例えば、排ガス流量値は一般的にオリフィス（絞り）やベンチュリ管を排ガス管に設置し、その前後の圧力降下から流量を推定することが多いが、排ガスは圧力、温度及び流量が頻繁に大きく変動するため、上記の方法では誤差が大きくなる傾向がある。特許文献１では、この問題に対処するため、鉄鋼精錬プロセスの排ガス流量に関して、計測値を補正する係数を過去実績に基づいて計算し、吹錬途中の溶湯分析結果に基づいてさらに係数を補正して、その情報に基づいて溶湯炭素濃度をリアルタイムで推定する方法が提案されている。

特開平９−２７２９１３号公報

しかしながら、特許文献１で提案されている方法は、排ガス中の炭素量と溶湯中炭素減少量に基づいて排ガス流量を補正するため、吹錬途中の溶湯成分分析を行った後でないと排ガス精度を上げられないという課題がある。このため吹錬途中の溶湯成分分析の前に溶湯成分を正確に推定して、事前に制御に反映させることが困難になっている。また処理毎に変化する外乱については、原理的に特許文献１の手法で補正することは不可能である。特に転炉プロセスは、排ガスの一部が排ガス経路を通らずに設備外に出て行くことがあるため、仮に排ガス計測値が正確であっても、物質バランスで溶湯中の成分濃度を正確に推定することは難しいと考えられる。

本発明の目的は、溶湯中の成分濃度の推定精度を向上させることができる溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法を提供することである。

本発明の溶湯状況推定装置は、精錬設備における処理開始前または処理中の溶湯の温度と成分についての計測結果、前記精錬設備から排出される排ガスの流量および前記排ガス中の成分についての計測結果、および前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量が入力される入力装置と、前記精錬設備の吹錬反応に関するモデルの情報が保存されているモデルデータベースと、前記モデルおよび前記排ガスについての計測結果に基づいて前記排ガス中の成分量の補正パラメータを算出する補正計算手段と、前記補正パラメータ、前記排ガスについての計測結果、および前記吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って前記溶湯中の成分濃度を推定する物質バランス計算手段と、前記物質バランス計算手段による推定結果を出力する出力装置と、を備えることを特徴とする。

上記溶湯状況推定装置において、前記モデルは、前記吹錬反応における前記溶湯中の炭素濃度と脱炭効率との関係を示す脱炭モデルであり、前記補正計算手段は、前記排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率の値が前記脱炭モデルに基づく脱炭効率の値を上回る場合、前記溶湯から前記排ガスとして排出される成分量の推定値を低減させるように前記補正パラメータを定めることが好ましい。

本発明の溶湯状況推定方法は、精錬設備における処理開始前または処理中の溶湯の温度と成分についての計測結果を取得する工程と、前記精錬設備から排出される排ガスの流量および前記排ガス中の成分についての計測結果、および前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量を取得する工程と、前記精錬設備の吹錬反応に関するモデルおよび前記排ガスについての計測結果に基づいて前記排ガス中の成分量の補正パラメータを算出する工程と、前記補正パラメータ、前記排ガスについての計測結果、および前記吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って前記溶湯中の成分濃度を推定する工程と、前記溶湯中の成分濃度の推定結果を出力する工程と、を含むことを特徴とする。

上記溶湯状況推定方法において、前記モデルは、前記吹錬反応における前記溶湯中の炭素濃度と脱炭効率との関係を示す脱炭モデルであり、前記排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率の値が前記脱炭モデルに基づく脱炭効率の値を上回る場合、前記補正パラメータを算出する工程において、前記溶湯から前記排ガスとして排出される成分量の推定値を低減させるように前記補正パラメータが定められることが好ましい。

本発明に係る溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法は、精錬設備の吹錬反応に関するモデルおよび排ガスについての計測結果に基づいて排ガス中の成分量の補正パラメータを算出し、その補正パラメータに基づいて物質バランス計算を行って溶湯中の成分濃度を推定する。よって、本発明に係る溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法によれば、溶湯中の成分濃度の推定精度を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る溶湯状況推定装置を示す図である。 図２は、演算処理部による演算処理の内容を示す図である。 図３は、脱炭モデルの一例を示す図である。 図４は、実施形態に係る溶湯状況推定装置による溶湯状況推定方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明の実施形態に係る溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態］
図１から図４を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、鉄鋼業の精錬設備において、溶湯中の成分や温度を精度よく推定する溶湯状況推定装置および溶湯状況推定方法に関する。図１は、本発明の実施形態に係る溶湯状況推定装置を示す図である。

実施形態に係る溶湯状況推定装置１は、精錬設備２で処理されている溶湯１０１の状況を推定する。精錬設備２は、転炉１００、ランス１０２、およびダクト１０４を含む。転炉１００内の溶湯（溶鋼）１０１上にランス１０２が配置されている。ランス１０２の先端から下方の溶湯１０１に向けて高圧酸素が噴出される。この高圧酸素によって溶湯１０１内の不純物が酸化されてスラグ１０３内に取り込まれる（吹錬処理）。転炉１００の上部には、排ガス導煙用のダクト１０４が設置されている。ダクト１０４の内部には、排ガス検出部１０５が配置されている。排ガス検出部１０５は、吹錬処理に伴い排出される排ガスの流量および排ガス中の成分（例えば、ＣＯ，ＣＯ_２，Ｏ_２，Ｎ_２，Ｈ_２Ｏ，Ａｒ等）を検出する。排ガス検出部１０５は、例えば、ダクト１０４内に設けられたオリフィスの前後の差圧に基づいてダクト１０４内の排ガスの流量を計測する。また、排ガス検出部１０５は、排ガス中の各成分の濃度［％］を計測する。排ガスの流量および成分濃度は、例えば、数秒周期で計測される。排ガス検出部１０５の検出結果を示す信号は、制御端末１０に送られる。

転炉１００内の溶湯１０１には、転炉１００の底部に形成されている通気孔１０６を介して撹拌ガスが吹き込まれる。撹拌ガスは、Ａｒ等の不活性ガスである。吹き込まれた撹拌ガスは、溶湯１０１を撹拌し、高圧酸素と溶湯１０１との反応を促進する。流量計１０７は、転炉１００に吹き込まれる撹拌ガスの流量を計測する。吹錬開始直前、および吹錬後には、溶湯１０１の温度および成分（成分濃度）の分析が行われる。また、溶湯１０１の温度および成分は、吹錬途中で一度もしくは複数回計測され、計測された温度および成分に基づいて高圧酸素の供給量（送酸量）および速度（送酸速度）や撹拌ガスの流量（撹拌ガス流量）等が決められる。

図１に示すように、本実施形態の溶湯状況推定装置１および溶湯状況推定方法が適用される吹錬制御システムは、制御端末１０、溶湯状況推定装置１、および表示装置２０を主な構成要素として備える。制御端末１０は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の情報処理装置によって構成され、溶湯１０１の成分濃度が所望の範囲内になるように送酸量，送酸速度，攪拌ガス流量を制御すると共に、送酸量，送酸速度，及び攪拌ガス流量の実績値のデータを収集する。

本実施形態の溶湯状況推定装置１は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の情報処理装置によって構成されている。溶湯状況推定装置１は、入力装置１１、モデルデータベース（ＤＢ）１２、演算処理部１６、および出力装置１５を含む。

入力装置１１は、精錬設備２に関する各種の計測結果および実績情報が入力される入力用インターフェースである。入力装置１１には、キーボード、マウス、ポインティングディバイス、データ受信装置及びグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）等がある。入力装置１１は、実績データやパラメータ設定値等を外部から受け取り、その情報のモデルデータベース１２への書き込み、演算処理部１６への送信を行う。入力装置１１には、精錬設備２における処理開始前および処理中の少なくとも何れか一方の溶湯１０１の温度と成分についての計測結果が入力される。温度と成分についての計測結果は、例えば、オペレータによる手入力、記録媒体からの読み込み入力等によって入力装置１１に入力される。また、入力装置１１には、制御端末１０から実績情報が入力される。実績情報は、排ガス検出部１０５によって計測された排ガスの流量および排ガスの成分濃度についての情報、送酸量および送酸速度の情報、撹拌ガス流量の情報、原料（主原料、副原料）投入量の情報、溶湯１０１の温度情報等が含まれる。

モデルデータベース１２は、精錬設備２の吹錬反応に関するモデルの情報が保存されている記憶装置である。モデルデータベース１２は、吹錬反応に関するモデルの情報として、モデル式のパラメータを記憶している。また、モデルデータベース１２には、入力装置１１に入力された各種情報が記憶される。

演算処理部１６は、ＣＰＵ等の演算処理装置であり、溶湯状況推定装置１全体の動作を制御する。演算処理部１６は、補正計算手段１３および物質バランス計算手段１４としての機能を有する。補正計算手段１３および物質バランス計算手段１４は、例えば、演算処理部１６が所定のプログラムを実行することにより実現されるものである。演算処理部１６は、補正計算手段１３用のプログラムを実行することにより補正計算手段１３として機能し、物質バランス計算手段１４のプログラムを実行することにより物質バランス計算手段１４として機能する。なお、演算処理部１６は、補正計算手段１３や物質バランス計算手段１４として機能する専用の演算装置や演算回路を有していてもよい。

図２を参照して、演算処理部１６による演算処理の内容について説明する。補正計算手段１３は、モデルデータベース１２に記憶されているモデル情報および排ガスについての計測結果に基づいて排ガス中の成分量の補正パラメータを算出する。物質バランス計算手段１４は、補正パラメータ、排ガスについての計測結果、および吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って溶湯１０１中の成分濃度を推定する。物質バランス計算は、溶湯１０１への各成分の投入量および溶湯１０１からの各成分の排出量に基づいて溶湯１０１中の各成分の成分量や成分濃度を推定する計算である。各成分の投入量は、転炉１００への主原料および副原料の投入量から算出される。各成分の排出量のうち、炭素排出量は、排ガスの流量および排ガス中の炭素濃度から算出される。

演算処理部１６は、入力装置１１を介して、排ガスについての計測結果、送酸に関する操作量、および撹拌ガスに関する操作量についての実績情報を取得する。補正計算手段１３は、実績情報中の排ガスの流量および排ガスの成分濃度と、モデルデータベース１２から取得したモデル情報に基づいて補正パラメータを算出する。

図３を参照して説明するように、本実施形態のモデルデータベース１２に記憶されているモデルは、精錬反応における溶湯１０１中の炭素濃度と脱炭効率との関係を示す脱炭モデルである。ここで脱炭効率とは、転炉１００内に吹き込まれた単位酸素量に対する溶湯１０１から取り除かれる炭素量のことを意味する。例えば吹き込まれた酸素によって溶湯１０１中の炭素Ｃが酸化されてＣＯ_２になった場合は、２２．４［Nm³］（＝１kmol）の酸素で１kmolの炭素（１２kg）が脱炭されることになるため（Ｃ+Ｏ_２→ＣＯ_２）、脱炭効率は下記式（１）の様に計算される。
「脱炭効率（ＣＯ_２）」＝１２／２２．４＝０．５３５７［kg/Nm³］…（１）

溶湯１０１中の炭素Ｃが一酸化炭素ＣＯになった場合には、２２．４［kg/Nm³］（＝１kmol）の酸素で２kmolの炭素（２４kg）が脱炭されることになる（２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ）ため、脱炭効率は下記式（２）のように計算される。
「脱炭効率（ＣＯ）」＝２４／２２．４≒１．０７１［kg/Nm³］…（２）

後者の反応では吹き込まれた酸素が全てＣＯの生成に使われる（２Ｃ+Ｏ_２→２ＣＯ）ため、少ない酸素量でより多くの炭素を取り除くことができ脱炭効率が高くなる。

脱炭モデルは、例えば、吹錬モデルに基づいて定められる。図３の脱炭モデル曲線が下記式（３）で定義されているものとする。ここで、Ｃ＊は溶湯１０１中の炭素濃度［％］を示しており、曲線の形状は炭素濃度Ｃ＊が大きいほど脱炭効率が高いことを示している。ここで、α，β，およびＲmaxは、何れもモデルパラメータであり、正の定数として定められる。αは、炭素濃度Ｃ＊の下限値であり、本脱炭モデルでは炭素濃度Ｃ＊がこの値αよりも小さくならないと仮定している。βは、転炉１００内のスラグ１０３の重量の関数として設定されている。βの値は、転炉１００に投入された副原料（石灰など）の量等の操作量に基づいて決定される。また、Ｒmaxは、脱炭効率Ｒの上限値（以下、単に「上限効率」と称する。）を示している。上限効率Ｒmaxは、上記の反応（２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ）における脱炭効率に、溶湯１０１中の酸素およびスラグ１０３中の酸素による脱炭反応量の上限値を加えた値である。
Ｒ(Ｃ＊)＝Ｒmax×［１−exp((α−Ｃ＊)／β)］…（３）

これらのパラメータα，β，Ｒmax、および脱炭効率の関数についての情報はモデルデータベース１２に保存されている。操業条件に応じて異なる設定ができるように、モデルデータベース１２には、操業条件とその操業条件に応じたパラメータ（関数）組とが関連づけられて保管されている。

出力装置１５は、物質バランス計算手段１４による推定結果を出力する。出力装置１５は、制御端末１０および表示装置２０とそれぞれ接続されており、制御端末１０および表示装置２０に対して推定結果を出力する。制御端末１０は、出力装置１５から送られる推定結果に基づいて送酸量や送酸速度、撹拌ガス流量等の操作量を調節する。また、表示装置（ＣＲＴ）２０は、出力装置１５から送られる推定値の推移を画面等の表示部にチャート表示する。

図４に示すフローチャートを参照して、本実施形態の溶湯状況推定装置１でなされる処理について説明する。ステップＳ１において、演算処理部１６は、溶湯１０１の計測・分析値を取得する。演算処理部１６は、溶湯１０１のサンプルに対する温度計測および成分分析により得られた計測・分析結果を取得する。なお、一般に溶湯成分の分析処理には時間がかかる場合が多い。そこで、炭素濃度Ｃ＊については、溶湯１０１の凝固温度、酸素濃度については溶湯１０１の起電力に基づく推定値が代替値として用いられてもよい。演算処理部１６は、溶湯１０１の計測・分析値として新たな結果が入力装置１１に対して入力されていれば、溶湯状況の推定に用いるための計測・分析値を新たに取得した値に更新する。ステップＳ１が実行されると、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、演算処理部１６は、操作量情報、排ガス情報、および副原料投入量情報を制御端末１０から取得する。操作量情報は、送酸量や送酸速度、撹拌ガス流量等である。排ガス情報は、排ガスの流量および成分濃度等である。副原料投入量情報は、転炉１００への副原料の投入量についての情報である。転炉１００に対して複数銘柄の副原料が投入される精錬プロセスでは、副原料の銘柄ごとの投入量が取得される。

通常の転炉吹錬操業では、操作量情報、排ガス計測・分析情報は一定周期で収集されている。本実施形態では簡単のため、１sec周期で排ガス計測・分析情報が収集されているものとする。操作量情報、排ガス計測・分析情報には例えば下記のものがある。なお、下記では各情報の収集時刻をtとしている。
（操作量情報）
Ｖ_ｏ(t)：上吹酸素流量（単位：Nm³/Hr）
Ｖ_ｓ(t)：底吹ガス流量（単位：Nm³/Hr）
（排ガス計測・分析情報）
Ｖ_out(t)：排ガス流量（単位：Nm³/Hr）
Ｘ_CO(t)：排ガス分析CO濃度（単位：%）
Ｘ_CO2(t)：排ガス分析CO₂濃度（単位：%）
Ｘ_O2(t)：排ガス分析O₂濃度（単位：%）
Ｘ_N2(t)：排ガス分析N₂濃度（単位：%）
Ｘ_Ar(t)：排ガス分析Ar濃度（単位：%）

また、副原料投入量情報は、吹錬開始から現在時刻までに投入された副原料の銘柄、及び積算重量で構成される。
（副原料投入量情報）
ｉ：銘柄コード
ρ_ｉ：銘柄コードｉの副原料中の炭素重量割合（単位：%）
ｗ_ｉ(t)：時刻tにおける銘柄コードｉの副原料の積算投入重量（単位：kg）
ステップＳ２が実行されると、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、演算処理部１６は、実績ベースの脱炭効率Ｒｒを計算する。実績ベースの脱炭効率Ｒｒ［kg/Nm³］は、実績情報に基づいて算出される脱炭効率であり、ステップＳ２で取得した操作量情報および排ガス情報に基づいて算出される。この値は吹き込んだ単位酸素量あたりの脱炭量であり、計算は下記式（４）に従う。ただし、排ガス流量計測値及びＣＯ、ＣＯ_２分析値がノイズを多く含んでいる場合には、移動平均計算などの平滑化処理を行った値で前記計測値・分析値を置き換えてもよい。
ｄＣ＊／ｄＯ_２＝Ｖout(t)(Ｘ_CO(t)＋Ｘ_CO2(t))／100.0／22.4×12.0／Ｖ_ｏ(t)…（４）

脱炭反応に関して最も効率がよい状況が、下記式（５）に従って酸化反応が行われた場合である。
Ｃ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ…（５）

この場合、炭素１kmol（＝１２kg）に対してＯ_２が０．５kmol（＝１１．２Nm³）必要なので、脱炭効率（＝ｄＣ＊／ｄＯ_２）の最大値は、１２／１１．２≒１．０７１となる。しかしながら排ガス情報実績を使って計算した場合、しばしば脱炭効率が最大値１．０７１を超えることがある。この原因としては下記が考えられる。
[原因１]溶湯中もしくはスラグ中の酸素を使用して脱炭が行われた（上吹分以外の酸素も使用）
[原因２]排ガス情報の誤差

本実施形態の溶湯状況推定装置１は、上記式（３）のモデル式に基づくモデルベースの脱炭効率Ｒｍを計算し、排ガス情報を修正することにより上記原因２の誤差影響を低減する。モデルベースの脱炭効率Ｒｍの計算は、ステップＳ３に続くステップＳ４において実行される。

ステップＳ４において、演算処理部１６は、上記式（３）のモデル式の変数Ｃ＊に現時刻ｔの溶湯１０１中の炭素濃度推定値Ｃ＊(t)を代入することによって脱炭効率Ｒｍを計算する。ステップＳ１において溶湯１０１中の炭素濃度についての新たな分析結果が得られていた場合には、分析用の溶湯１０１のサンプルが採取された時刻を調べ、炭素濃度の修正値を下記式（６）によって計算する。
[濃度修正値] ＝ [溶湯炭素濃度分析結果(新)]
−[サンプル採取時刻の溶湯中炭素濃度推定値]…（６）

演算処理部１６は、上記式（６）で算出された濃度修正値を炭素濃度Ｃ＊(t)の推定値に加えた後、炭素濃度Ｃ＊(t)の推定値を上記式（３）のモデル式に代入する。この修正処理によって至近の溶湯分析結果を用いて炭素濃度Ｃ＊(t)の誤差を低減することができる。なお、本実施形態では、上記式（３）のモデル式において、上限効率Ｒmaxの値は理論値である１．０７１よりもわずかに大きな値とされている。これは、上記原因１の脱炭による影響を考慮した修正である。ステップＳ４においてモデルベースの脱炭効率Ｒｍが計算されると、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、演算処理部１６は、排ガス情報の補正パラメータを決定する。演算処理部１６の補正計算手段１３は、２種類の脱炭効率を比較して排ガス情報を修正するための補正パラメータを生成する。より具体的には、補正計算手段１３は、ステップＳ３で計算された実績ベースの脱炭効率ＲｒとステップＳ４で計算されたモデルベースの脱炭効率Ｒｍを比較する。モデルベースの脱炭効率Ｒｍが理想的な値であるため、本来は実績ベースの脱炭効率Ｒｒは、モデルベースの脱炭効率Ｒｍ以下の値を取るはずである。しかしながら、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍを上回ることがある。これは、上記原因２の誤差によると考えられる。例えば、吹錬反応が激しくなって排ガスの温度や圧力が大きく変動した場合に排ガス流量の計測誤差が大きくなり、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍを上回ると考えられる。

補正計算手段１３は、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍ以下である場合、下記式（７）によって補正パラメータκを定める。
κ ＝ １．０…（７）
一方、補正計算手段１３は、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍを上回る場合、下記式（８）によって補正パラメータκを定める。ステップＳ５で排ガス情報の補正パラメータκが算出されると、ステップＳ６に進む。
κ ＝ モデルベースの脱炭効率Ｒｍ／実績ベースの脱炭効率Ｒｒ…（８）

ステップＳ６において、演算処理部１６は、溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ＊の推定計算を実行する。演算処理部１６の物質バランス計算手段１４は、１秒後の時刻「ｔ＋１」における溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ＊(t+1)を近似的に下記式（９）で推定する。なお、Ｗ_totalは、主原料および副原料を含む転炉１００への全装入量（単位：ton）である。下記式（９）では、溶湯１０１の入出炭素量が全装入量Ｗ_totalと比較して微量であると仮定している。
Ｃ＊(t+1) ＝ Ｃ＊(t)＋[Σ_i｛(ｗ_i(t)−ｗ_i(t-1))ρ_i／100｝
−κＶ_out(t)(Ｘ_co(t)＋Ｘ_co2(t))/100/22.4×12]/3600/1000/Ｗ_total×100…（９）

上記式（９）において、右辺第２項は副原料投入による炭素濃度Ｃ＊の増加分を示す。右辺第３項は、炭素が排ガス中のＣ０およびＣＯ_２として溶湯１０１から出て行くことによる炭素濃度Ｃ＊の減少分を示す。また、第３項では、排ガス中の炭素分に対してステップＳ５で決定された補正パラメータκがかけられる。これにより、排ガスとしての炭素排出量を真値よりも過大に見積もることが抑制される。ステップＳ６が実行されると、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、演算処理部１６は、物質バランス計算手段１４による炭素濃度Ｃ＊の推定結果を出力装置１５に送る。出力装置１５は、演算処理部１６から送られた炭素濃度Ｃ＊の推定結果を制御端末１０および表示装置２０に出力する。制御端末１０は、炭素濃度Ｃ＊の推定結果に基づいて精錬設備２の操作量を調節する。表示装置２０は、炭素濃度Ｃ＊の推定結果を表示する。ステップＳ７が実行されると、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、演算処理部１６は、溶湯１０１に関する新たな計測・分析結果があるか否かを判定する。入力装置１１に新たな計測・分析結果が入力されている場合、ステップＳ８で肯定判定がなされる。ステップＳ８で肯定判定された場合（ステップＳ８−Ｙ）にはステップＳ１へ移行し、否定判定された場合（ステップＳ８−Ｎ）にはステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、演算処理部１６は、吹錬が終了したか否かを判定する。転炉１００における今回の吹錬プロセスが終了した場合にはステップＳ９で肯定判定がなされる。ステップＳ９で肯定判定された場合（ステップＳ９−Ｙ）には今回の推定プロセスが終了し、否定判定された場合（ステップＳ９−Ｎ）にはステップＳ２へ移行する。

以上説明したように、本実施形態の溶湯状況推定装置１は、精錬設備２における処理開始前または処理中の溶湯１０１の温度と成分についての計測結果、精錬設備２から排出される排ガスの流量および排ガス中の成分についての計測結果、および精錬設備２の炉内への吹き込み酸素量が入力される入力装置１１と、精錬設備２の吹錬反応に関するモデルの情報が保存されているモデルデータベース１２と、モデルおよび排ガスについての計測結果に基づいて排ガス中の成分量の補正パラメータκを算出する補正計算手段１３と、補正パラメータκ、排ガスについての計測結果、および吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って溶湯１０１中の成分量を推定する物質バランス計算手段１４と、物質バランス計算手段１４による推定結果を出力する出力装置１５と、を有する。モデルおよび排ガスについての計測結果に基づいて補正パラメータκが算出され、この補正パラメータκに基づいて排ガス中の成分量の計測値が補正される。また、補正された排ガス中の成分量の計測値に基づいて溶湯１０１中の成分濃度が推定される。

モデルに基づく補正パラメータκは、排ガスについての計測結果がモデルに基づく値から乖離した場合にその乖離を低減させるパラメータである。排ガスについての計測結果のうち、流量は大きく変動しやすく、その計測結果には誤差が含まれやすいと考えられる。モデルに基づく補正パラメータκは、排ガス流量の計測誤差に起因する成分量や成分濃度の推定誤差を好適に低減することができる。また、排ガスの一部がダクト１０４を通らずに設備外に出ていくような場合であっても、この漏れによる推定誤差が補正される。例えば、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍを定常的に下回る場合、炭素排出量の推定値を増加させるように補正パラメータκが定められてもよい。溶湯状況推定装置１は、仮に排ガス情報が計測器の故障によって異常値となったときでも、反応モデルを使った補正によって推定処理を連続して実行することが可能である。

また、本実施形態の補正計算手段１３は、排ガスについての計測結果とモデルに基づく値との乖離が大きくなるに従って補正の度合いを大きくする。補正計算手段１３は、排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率Ｒｒとモデルに基づく脱炭効率Ｒｍとの乖離が大きいほど、成分量の推定値を補正する度合いが大きくなるように補正パラメータκの値を決定する。よって、本実施形態の溶湯状況推定装置１は、溶湯１０１の状況推定の精度を向上させることができる。

また、本実施形態の溶湯状況推定装置１において、モデルは、吹錬反応における溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ＊と脱炭効率Ｒとの関係を示す脱炭モデルである。補正計算手段１３は、排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率の値（実績ベースの脱炭効率Ｒｒ）が脱炭モデルに基づく脱炭効率の値（モデルベースの脱炭効率Ｒｍ）を上回る場合、溶湯１０１から排ガスとして排出される成分量の推定値を低減させるように補正パラメータκを定める。脱炭モデルは、炉内に吹き込まれた酸素によって理想的に脱炭がなされる場合の脱炭効率であり、溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ＊に応じた脱炭効率の上限値である。脱炭モデルの脱炭効率Ｒｍを実績ベースの脱炭効率Ｒｒが超えた場合には、排ガスの流量および成分濃度の少なくとも何れか一方を過大に見積もっている可能性が高い。本実施形態の補正計算手段１３は、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍを上回る場合に成分量の推定値を低減させるように補正パラメータκを定めることで、溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ＊の推定精度を向上させることができる。

また、本実施形態の補正計算手段１３は、実績ベースの脱炭効率Ｒｒがモデルベースの脱炭効率Ｒｍを上回る場合に、排ガスとして排出される炭素量の推定値がモデルに基づく炭素排出量を超えないように補正パラメータκを定める。具体的には、補正パラメータκは、モデルベースの脱炭効率Ｒｍと実績ベースの脱炭効率Ｒｒとの比（モデルベースの脱炭効率Ｒｍ／実績ベースの脱炭効率Ｒｒ）とされる。排ガスについての計測結果から算出される炭素排出量にこの補正パラメータκが乗じられて炭素排出量の推定値が算出される。このように炭素排出量に対してモデルに基づく上限ガードがなされることで、炭素排出量の推定値が過大となってしまうことが抑制される。

また、本実施形態の溶湯状況推定装置１が実行する溶湯状況推定方法は、精錬設備２における処理開始前または処理中の溶湯１０１の温度と成分についての計測結果を取得する溶湯情報取得工程（ステップＳ１）と、精錬設備２から排出される排ガスの流量および排ガス中の成分についての計測結果、および精錬設備２の炉内への吹き込み酸素量を取得する実績情報取得工程（ステップＳ２）と、精錬設備２の吹錬反応に関するモデルおよび排ガスについての計測結果に基づいて排ガス中の成分量の補正パラメータκを算出する算出工程（ステップＳ３〜Ｓ５）と、補正パラメータκ、排ガスについての計測結果、および吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って溶湯１０１中の成分量を推定する推定工程（ステップＳ６）と、溶湯１０１中の成分量の推定結果を出力する出力工程（ステップＳ７）と、を含む。

また、溶湯状況推定方法において、モデルは、吹錬反応における溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ＊と脱炭効率Ｒとの関係を示す脱炭モデルである。排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率の値が脱炭モデルに基づく脱炭効率の値を上回る場合、補正パラメータκを算出する工程（ステップＳ５）において、溶湯１０１から排ガスとして算出される成分量の推定値を低減させるように補正パラメータκが定められる。

なお、物質バランス計算によって溶湯１０１中の濃度が推定される成分は炭素には限定されない。例えば、酸素に関する物質収支計算を用いてスラグ１０３中の酸素量（FeO生成量）推定を行うことも可能である。転炉吹錬の酸素に関する物質収支計算は、例えば、特開２０１３−６０６５９号公報に詳しい。また、上記の補正パラメータκを排ガス流量にかけて収支計算を行えば、適切に排ガス情報計測誤差の修正が行われる。

また、酸化反応により発生する熱量に基づいて熱収支モデルを利用すれば、連続的に溶湯の温度を推定することが可能である。ところで、排ガス情報については、計測器自体のバイアス誤差によって計測値が合っていない状況がある。このような場合には、事前にバイアス誤差の除去を行うことも精度向上に有効である（国際公開第２０１４／１６７９８２号）。

上記の実施形態に開示された内容は、適宜組み合わせて実行することができる。

１ 溶湯状況推定装置
２ 精錬設備
１０ 制御端末
１１ 入力装置
１２ モデルデータベース
１３ 補正計算手段
１４ 物質バランス計算手段
１５ 出力装置
１６ 演算処理部
２０ 表示装置
１００ 転炉
１０１ 溶湯
１０２ ランス
１０３ スラグ
１０４ ダクト
１０５ 排ガス検出部
１０６ 通気孔
１０７ 流量計
Ｃ＊ 溶湯中の炭素濃度
Ｒ 脱炭効率
Ｒｍ モデルベースの脱炭効率
Ｒｒ 実績ベースの脱炭効率

Claims (4)

1. 精錬設備における処理開始前または処理中の溶湯の温度と成分についての計測結果、前記精錬設備から排出される排ガスの流量および前記排ガス中の成分についての計測結果、および前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量が入力される入力装置と、
   前記精錬設備の吹錬反応に関するモデルの情報が保存されているモデルデータベースと、
   前記モデルおよび前記排ガスについての計測結果に基づいて前記排ガス中の成分量の補正パラメータを算出する補正計算手段と、
   前記補正パラメータ、前記排ガスについての計測結果、および前記吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って前記溶湯中の成分濃度を推定する物質バランス計算手段と、
   前記物質バランス計算手段による推定結果を出力する出力装置と、
   を備えることを特徴とする溶湯状況推定装置。
2. 前記モデルは、前記吹錬反応における前記溶湯中の炭素濃度と脱炭効率との関係を示す脱炭モデルであり、
   前記補正計算手段は、前記排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率の値が前記脱炭モデルに基づく脱炭効率の値を上回る場合、前記溶湯から前記排ガスとして排出される成分量の推定値を低減させるように前記補正パラメータを定める
   請求項１に記載の溶湯状況推定装置。
3. 精錬設備における処理開始前または処理中の溶湯の温度と成分についての計測結果を取得する工程と、
   前記精錬設備から排出される排ガスの流量および前記排ガス中の成分についての計測結果、および前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量を取得する工程と、
   前記精錬設備の吹錬反応に関するモデルおよび前記排ガスについての計測結果に基づいて前記排ガス中の成分量の補正パラメータを算出する工程と、
   前記補正パラメータ、前記排ガスについての計測結果、および前記吹き込み酸素量に基づいて成分の物質バランス計算を行って前記溶湯中の成分濃度を推定する工程と、
   前記溶湯中の成分濃度の推定結果を出力する工程と、
   を含むことを特徴とする溶湯状況推定方法。
4. 前記モデルは、前記吹錬反応における前記溶湯中の炭素濃度と脱炭効率との関係を示す脱炭モデルであり、
   前記排ガスについての計測結果に基づく脱炭効率の値が前記脱炭モデルに基づく脱炭効率の値を上回る場合、前記補正パラメータを算出する工程において、前記溶湯から前記排ガスとして排出される成分量の推定値を低減させるように前記補正パラメータが定められる
   請求項３に記載の溶湯状況推定方法。

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