JP2018150589A - 精錬プロセス状態推定装置、精錬プロセス状態推定方法、及び溶湯の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯中及びスラグ中の成分濃度の推定精度を向上可能な精錬プロセス状態推定装置及び精錬プロセス状態推定方法を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定処理では、補正計算部１５が、処理前又は処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、精錬設備から排出された排ガスの流量及び排ガス中の成分濃度の計測結果、及び炭素と酸素の収支計算結果に基づいて、精錬設備から排出された排ガスの流量及び排ガス中の成分濃度の計測値を補正する補正パラメータを算出し、物質バランス計算部１６が、補正パラメータ、排ガスの流量及び排ガス中の成分濃度の計測結果、吹き込み酸素量、処理前の溶湯の重量及び成分濃度、及び処理中に投入された副原料の重量に基づいて、溶湯中の成分毎の物質バランス計算を行うことによって溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼業の精錬設備における溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する精錬プロセス状態推定装置、精錬プロセス状態推定方法、及び溶湯の製造方法に関する。

製鉄所では、高炉において鉄鉱石を溶解した後、精錬設備において溶湯の成分濃度及び温度を調整する。精錬設備には、予備処理設備、転炉、及び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格である転炉では、炉内に酸素を吹き込むことによって溶湯中の不純物の除去及び昇温を行い、吹錬後の溶湯の成分濃度及び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、溶湯中の酸化反応は激しく、溶湯が高温になるため、溶湯中の成分濃度や温度を時々刻々計測することは困難である。このため、現実の操業では、吹錬中の溶湯をサンプリングし、サンプリングによって得られた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。

溶湯の成分濃度や温度の情報を連続的に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（流量及び各成分濃度）がある。排ガスに関する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中の炭素成分濃度を計算できる。しかしながら、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。例えば排ガスの流量値は、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推定されることが多い。ところが、排ガスの圧力、温度、及び流量は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には、このような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その係数を補正して、その情報に基づいて溶湯中の炭素成分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の炭素減少量とに基づいて排ガス流量を補正しているが、多くの場合は排ガス流量の補正によって炭素量の収支を合わせることが可能になるものの、一方で酸素量の収支が合わなくなることが多い。そして、この場合には、補正した排ガス流量値を用いて炉内酸素量を精度よく推定計算することが困難になる。この原因としては、排ガス流量だけでなく、排ガス中の成分濃度にも誤差が入っていることが考えられ、排ガス流量の補正と排ガス中の成分濃度の補正とを同時に行うことによって、炉内酸素量の推定計算の精度を向上させることが可能になると期待できる。

本発明の目的は、溶湯中及びスラグ中の成分濃度の推定精度を向上可能な精錬プロセス状態推定装置及び精錬プロセス状態推定方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、溶湯中の成分濃度を精度よく所望の範囲内に調整可能な溶湯の製造方法を提供することである。

本発明に係る精錬プロセス状態推定装置は、精錬設備における処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量に関する情報、処理前の溶湯の重量及び成分濃度に関する情報、及び処理中に投入された副原料の重量に関する情報が入力される入力装置と、処理前又は処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、及び炭素と酸素の収支計算結果に基づいて、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測値を補正する補正パラメータを算出する補正計算部と、前記補正パラメータ、前記排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記吹き込み酸素量、処理前の溶湯の重量及び成分濃度、及び処理中に投入された副原料の重量に基づいて、溶湯中の成分毎の物質バランス計算を行うことによって溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する物質バランス計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る精錬プロセス状態推定装置は、上記発明において、前記補正計算部は、溶湯の成分分析値と投入した副原料に含まれる炭素量とから計算される処理中指定期間における溶湯中炭素減少量と排ガス中炭素量との差に基づく評価関数、及び炭素の燃焼に用いられる酸素量についての収支に基づく評価関数を最小化するような補正パラメータを算出することを特徴とする。

本発明に係る精錬プロセス状態推定装置は、上記発明において、前記評価関数が、溶湯中炭素減少量と排ガス中炭素量との差の二乗値、及び炭素の燃焼に用いられる酸素量についての収支に基づく値を項として含む重み付き和であることを特徴とする。

本発明に係る精錬プロセス状態推定方法は、精錬設備における処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量に関する情報、処理前の溶湯の重量及び成分濃度に関する情報、及び処理中に投入された副原料の重量に関する情報を入力する入力ステップと、処理前又は処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、及び炭素と酸素の収支計算結果に基づいて、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測値を補正する補正パラメータを算出する補正計算ステップと、前記補正パラメータ、前記排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記吹き込み酸素量、処理前の溶湯の重量及び成分濃度、及び処理中に投入された副原料の重量に基づいて、溶湯中の成分毎の物質バランス計算を行うことによって溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する物質バランス計算ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る溶湯の製造方法は、本発明に係る精錬プロセス状態推定方法を用いて推定された溶湯中の成分濃度に基づいて溶湯中の成分濃度を所望の範囲内に調整するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る精錬プロセス状態推定装置及び精錬プロセス状態推定方法によれば、精錬設備の炭素量収支及び酸素量収支に基づいて排ガスの流量及び成分濃度の補正パラメータを算出し、算出された補正パラメータを用いて物質バランス計算を行って溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定するので、溶湯中及びスラグ中の成分濃度の推定精度を向上できる。また、本発明に係る溶湯の製造方法によれば、本発明に係る精錬プロセス状態推定方法によって推定された溶湯中の成分濃度に基づいて溶湯の成分濃度を所望の範囲内に調整するので、溶湯中の成分濃度を精度よく所望の範囲内に調整することができる。

図１は、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す演算処理部による演算処理の内容を説明するためのブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態装置の構成及びその動作について詳細に説明する。

〔精錬プロセス状態推定装置の構成〕
まず、図１，２を参照して、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定装置１は、鉄鋼業の精錬設備２で処理されている溶湯１０１の成分濃度を推定する装置である。ここで、精錬設備２は、転炉１００、ランス１０２、及びダクト１０４を備えている。転炉１００内の溶湯（溶鋼）１０１上にはランス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及び排ガス中の成分（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。排ガスの流量及び成分濃度は、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。吹錬開始直前及び吹錬後には、溶湯１０１の温度及び成分濃度の分析が行われる。また、溶湯１０１の温度及び成分濃度は、吹錬途中で一度又は複数回計測され、計測された温度及び成分濃度に基づいて高圧酸素の供給量（送酸量）及び速度（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。

精錬プロセス状態推定装置１及び精錬プロセス状態推定方法が適用される吹錬制御システムは、制御端末１０、精錬プロセス状態推定装置１、及び表示装置２０を主な構成要素として備えている。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、及び撹拌ガス流量を制御すると共に、送酸量、送酸速度、及び撹拌ガス流量の実績値のデータを収集する。

精錬プロセス状態推定装置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。精錬プロセス状態推定装置１は、入力装置１１、実績データベース（実績ＤＢ）１２、演算処理部１３、及び出力装置１４を備えている。

入力装置１１は、精錬設備２に関する各種の計測結果及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、その情報の実績ＤＢ１２への書き込みや演算処理部１３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及び処理中の少なくともいずれか一方の溶湯１０１の温度及び成分濃度についての計測結果が入力される。溶湯１０１の温度及び成分濃度についての計測結果は、例えばオペレータによる手入力や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及び排ガスの成分濃度についての情報、送酸量及び送酸速度の情報、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。

演算処理部１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置であり、精錬プロセス状態推定装置１全体の動作を制御する。演算処理部１３は、補正計算部１５及び物質バランス計算部１６としての機能を有する。補正計算部１５及び物質バランス計算部１６は、例えば演算処理部１３がコンピュータ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１３は、補正計算部１５用のコンピュータプログラムを実行することにより補正計算部１５として機能し、物質バランス計算部１６用のコンピュータプログラムを実行することにより物質バランス計算部１６として機能する。なお、演算処理部１３は、補正計算部１５や物質バランス計算部１６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。

ここで、図２を参照して、演算処理部１３による演算処理の内容について説明する。図２は、演算処理部１３による演算処理の内容を説明するためのブロック図である。図２に示すように、補正計算部１５は、入力装置１１から送られた送酸量情報、排ガス情報、投入副原料情報、及び溶湯中炭素濃度の計測結果と実績ＤＢ１２に保存されている情報とを用いて、排ガス情報の補正パラメータを算出する。物質バランス計算部１６は、補正パラメータ、排ガス情報の計測結果、及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中及びスラグ１０３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及び溶湯１０１からの各成分の排出量に基づいて溶湯１０１中及びスラグ１０３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への主原料及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、排ガスの流量及び排ガス中の炭素濃度から算出される。

出力装置１４は、物質バランス計算部１６による推定結果を出力する。出力装置１４は、制御端末１０及び表示装置２０とそれぞれ接続されており、制御端末１０及び表示装置２０に対して推定結果を出力する。制御端末１０は、出力装置１４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ことにより、溶湯１０１中の成分濃度及び溶湯１０１の温度を所望の範囲内に調整する。また、表示装置（ＣＲＴ）２０は、出力装置１４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。

このような構成を有する精錬プロセス状態推定装置１は、以下に示す精錬プロセス状態推定処理を実行することによって、溶湯中及びスラグ中の成分濃度を精度高く推定する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、精錬プロセス状態推定処理を実行する際の精錬プロセス状態推定装置１の動作について説明する。なお、以下では、溶湯中の炭素濃度の推定計算に本発明を適用した場合について説明する。

〔精錬プロセス状態推定処理〕
図３は、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、吹錬処理が開始されたタイミングで開始となり、精錬プロセス状態推定処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、演算処理部１３が、溶湯１０１の計測・分析値を取得する。演算処理部１３は、溶湯１０１のサンプルに対する温度計測及び成分分析によって得られた計測・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を代替値として用いてもよい。演算処理部１３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、精錬プロセス状態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。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、精錬プロセス状態推定処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、演算処理部１３が、操作量情報、排ガス計測・分析情報（排ガス情報）、及び副原料投入量情報を制御端末１０から取得する。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、以下では各情報の収集時刻をｔとしている。また、排ガス中成分で計測できているものはＣＯ、ＣＯ_２、Ｏ_２のみとするが、もちろんこれ以外の成分が計測できた場合でも本実施形態は適用可能である。

また、操作量情報の収集時刻と排ガス計測・分析情報の収集時刻との間に大きな時間遅れがある場合には、その時間遅れを考慮して（例えば遅れ時間分だけ排ガス計測・分析情報の収集時刻を早めて）各情報を収集することが望ましい。また、副原料投入量情報は、以下に示すように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投入重量で構成されている。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、精錬プロセス状態推定処理はステップＳ３の処理に進む。

（操作量情報）
［Ａ１］上吹酸素流量（単位：Ｎｍ^３／Ｈｒ）：Ｖ_ｔ ^Ｏ−ｉｎ
［Ａ２］底吹ガス流量（単位：Ｎｍ^３／Ｈｒ）：Ｖ_ｔ ^ｓ

（排ガス計測・分析情報）
［Ｂ１］排ガス流量（単位：Ｎｍ^３／Ｈｒ）：Ｖ_ｔ ^ｏｆｆ
［Ｂ２］排ガス分析ＣＯ濃度（単位：％）：Ｘ_ｔ ^ＣＯ
［Ｂ３］排ガス分析ＣＯ_２濃度（単位：％）：Ｘ_ｔ ^ＣＯ２
［Ｂ４］排ガス分析Ｏ_２濃度（単位：％）：Ｘ_ｔ ^Ｏ２

（副原料投入量情報）
銘柄コード：ｉ
銘柄コードｉの副原料中の炭素重量割合（単位：％）：ρ_ｉ
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）：ω_ｔ ^ｉ

ステップＳ３の処理では、補正計算部１５が、ステップＳ１及びステップＳ２の処理において取得した情報を用いて、排ガス流量と排ガス中成分濃度の補正パラメータを計算する。具体的には、排ガス流量、排ガス中ＣＯ濃度、及び排ガス中ＣＯ_２濃度に大きな誤差が含まれていると仮定し、その補正パラメータをそれぞれα_１（排ガス流量の補正パラメータ）、α_２（排ガス中ＣＯ濃度及び排ガス中ＣＯ_２濃度の補正パラメータ）とする。なお、排ガス中ＣＯ濃度と排ガス中ＣＯ_２濃度の誤差を同程度と仮定して、同じα_２という補正パラメータを用いている。これら補正パラメータは、以下に示すように積の形式で元の計測値を補正する。

排ガス流量補正値（単位：Ｎｍ^３／Ｈｒ）：α_１Ｖ_ｔ ^ｏｆｆ
排ガス中ＣＯ濃度補正値（単位：％）：α_２Ｘ_ｔ ^ＣＯ
排ガス中ＣＯ_２濃度補正値（単位：％）：α_２Ｘ_ｔ ^ＣＯ２

補正計算部１５は、２回の（処理前又は処理中の）溶湯中成分分析タイミング間の物質収支に基づいて補正パラメータα_１，α_２を計算する。２回の溶湯中成分分析が行われるタイミングｔを時刻ｓ１及び時刻ｓ２とすると（時刻ｓ１の方が時刻ｓ２より早い）、炭素に関する物質収支は以下に示す数式（１）で表される。但し、排ガスの流量や成分情報について時間遅れがある場合には、それを考慮した値で置き換えるとよい。

ここで、数式（１）では、右辺が排ガスに含まれていた炭素重量であり、左辺が溶湯１０１中で減少した炭素重量である。左辺の各変数は下記を意味している。

Ｗ_ｓ１ ^Ｃ：時刻ｓ１における溶湯１０１中の炭素重量（ｔｏｎ）（時刻ｓ１での炭素成分計測値と溶湯重量から計算）
Ｗ_ｓ２ ^Ｃ：時刻ｓ２における溶湯１０１中の炭素重量（ｔｏｎ）（時刻ｓ２での炭素成分計測と溶湯重量から計算）
ｗ_ｔ ^Ｃ：時刻ｔ−１〜ｔに投入された副原料に含まれていた炭素重量（ｔｏｎ）（時刻ｔ−１、ｔでの各副原料投入量ω_ｔ−１ ^ｉ，ω_ｔ ^ｉと各副原料中の炭素重量割合ρ_ｉから計算）

炭素に関する物質収支を満たすためには数式（１）が成り立つことが必要であるが、この式を満たす補正パラメータα_１，α_２は一般的には一つに定まらない。そこで、酸素に関する物質収支についての条件を制約条件として、数式（１）を満たす補正パラメータα_１，α_２を決定する。酸素に関する物質収支に関しての制約条件（不等式）を以下の数式（２），（３）に示す。

数式（２），（３）中で使用する各変数の意味を以下に記す。

Ｖ_{ｓ１，ｓ２} ^{Ｏ２−ｉｎ}：時刻ｓ１から時刻ｓ２までの間に炉内に吹き込まれた酸素量（Ｎｍ^３）（Ｖ_ｔ ^Ｏ−ｉｎを積算して計算）
Ｖ_{ｓ１，ｓ２} ^{Ｏ−ｍｅｔ}：時刻ｓ１から時刻ｓ２までの間に溶湯１０１中成分（Ｆｅ以外）の酸化に使われた酸素量（Ｎｍ^３）、
ｖ_ｔ ^Ｏ：時刻ｔ−１〜ｔ間で投入された各種副原料に含まれている酸素量（Ｎｍ^３、体積換算）

上記数式（２）は全体の酸素収支計算を表した式であり、第１項と第３項はそれぞれ吹込み酸素及び固体酸素として炉内に投入された酸素量を意味している。また、第４項は、転炉とスカートとの間にある隙間等から炉内へ入った空気（以降、巻き込み空気と呼ぶ）に含まれる酸素量を意味している。第４項では「排ガス中成分がＣＯ、ＣＯ_２、Ｏ_２及びＮ_２のみで構成されている」と仮定し計測しているＣＯ、ＣＯ_２、Ｏ_２濃度及び底吹きガス量（ＣＯ、ＣＯ_２、Ｏ_２を含まない）に基づいて排ガス中Ｎ_２量を計算し、大気のＯ_２、Ｎ_２比が２１：７８と仮定して巻き込み空気中酸素量を計算している。第２項は、Ｆｅ以外の溶湯中成分（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｐ等）の酸化に使われた酸素量であり、この値は時刻ｓ１、ｓ２の時点での分析結果に基づいて計算してもよいし、モデルを使って推定した値でもよい。第５項は、排ガスに含まれていた酸素成分をＯ_２の体積に換算したものである。すなわち、数式（２）の左辺は、炉内に入ってきた酸素量と炉外に出て行った（もしくはスラグ中に移動した）酸素量の差を意味しており、この値は０以上になる必要がある。具体的には、左辺はＦｅＯの酸化に使われた酸素量と考えることができる。

次に、上記数式（３）において、第１項は、炭素の二次燃焼（２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２）に使われた酸素量を意味しており、第２項は、巻き込み空気中の酸素量を意味している。数式（３）は、「巻き込み空気中の酸素は全て炭素の二次燃焼のみに使用される（すなわち、巻き込み空気中の酸素は炭素の一次燃焼には使用されない）」という条件を満たすものであり、左辺が正になった場合、左辺の値は吹込み酸素もしくは副原料中酸素のうち炭素の二次燃焼に使われた酸素量を意味する。

上記数式（１）〜（３）の不等式をできるだけ満たし妥当な補正パラメータα_１，α_２の組み合わせを求める方法について以下に説明する。変数が２つあり、それに対して等式は数式（１）の１つしかないので、下記の３つの状況が起こる可能性がある。

(状況１)数式（１）〜（３）を満たす補正パラメータα_１，α_２が複数存在する
(状況２)数式（１）〜（３）を満たす補正パラメータα_１，α_２が存在しない
(状況３)数式（１）〜（３）を満たす補正パラメータα_１，α_２が１つ存在する

(状況１)の場合は、複数ある解の中から補正パラメータα_１，α_２の組み合わせを１つ選択する必要がある。特に補正パラメータα_１，α_２は対象チャージの直近で処理されたチャージと近い値をとることが多いため、その値からあまり大きく離れないように補正パラメータα_１，α_２を選択する。また、(状況２)の場合は、数式（１）又は数式（２）の条件を緩和して適切な補正パラメータα_１，α_２を計算することが求められる。（状況３）の場合は、得られた補正パラメータをそのまま採用すればよい。以上に基づいて補正パラメータα_１，α_２を得るための最適化問題を以下に示す。本最適化問題では以下の数式（４）に示す評価値を最小にする補正パラメータα_１，α_２を求める。

但し、上記数式（４）の第１項の分子は数式（１）の左辺と右辺の差の二乗値である。以下に具体的な数式（５）を示す。

また、上記数式（４）の第２項の分子は、数式（２）が満たされる場合はゼロ、満たされない場合には以下に示す数式（６）で計算される値をとる。数式（６）は数式（２）の左辺の二乗値であり、数式（２）が満たされない場合に大きな値をとる関数（一般的にはペナルティ関数と呼ばれる関数）である。

また、上記数式（４）の第３，４項はそれぞれ補正パラメータα_１，α_２が極端な値をとることを予防するための項であり、それぞれの標準値α_１’，α_２’との差の二乗で計算される。標準値α_１’，α_２’は、例えば直近で処理が行われ、且つ、操業条件（終点成分・温度、初期溶銑成分・温度等）が近いチャージについて計算された補正パラメータα_１，α_２の平均値等が用いられる。補正パラメータα_１，α_２の計算値は実績ＤＢ１２に保存されて以降のチャージの標準値α_１’，α_２’の計算で用いられる。また、数式（４）に示す評価値中のσ_ｆ、σ_ｇ、σ_１、σ_２は設定パラメータであり固定値をとる。この設定パラメータには操業条件毎に異なる値を設定してもよい。本最適化問題では数式（４）に示す評価値を数式（３）に示す制約条件を満たした上で最小化する。数式（４）に示す評価値を用いた最小化問題は非線形最適化法（例えば非特許文献１（今野浩、山下浩著：非線形計画法、日科技連）参照）を用いて解くことができる。なお、一般的な最小化問題では条件が揃わないと厳密な（大域的な）最適解を計算することが難しく、そのような場合は局所的最適解（探索できた範囲の中で評価関数を最小にする解）を最適解とすることが多い。本技術でも大域的な最適解を得ることが難しい場合には、局所的な範囲で評価値が最小となる補正パラメータα_１，α_２を用いて差し支えない。非特許文献１には、種々の局所的最適解を計算する方法が挙げられている。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、精錬プロセス状態推定処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、物質バランス計算部１６が、以下に示す数式（７）を用いて、現時刻ｔから１秒後の時刻ｔ＋１における溶湯中炭素濃度を推定計算する。なお、数式（７）において、Ｃ_ｔは時刻ｔの溶湯中炭素濃度（％）、Ｗ_{ｔｏｔａｌ}は全溶湯重量（ｔｏｎ）を意味する。また、数式（７）では、溶湯の入出炭素量は全装入量と比較して微少であると仮定している。また、数式（７）の右辺第２項は、炭素を含む副原料投入量分だけ溶湯中炭素濃度が増加し、排ガスとして出て行った（ＣＯ，ＣＯ_２に含まれる）分だけ溶湯中炭素濃度が減少することを意味している。また、排ガスに含まれる炭素分にステップＳ３の処理において計算された補正パラメータα_１，α_２が乗算され、排ガス量が補正されている。

以後、演算処理部１３は、物質バランス計算部１６による溶湯中炭素濃度の推定結果を出力装置１４に送る。出力装置１４は、演算処理部１３から送られた溶湯中炭素濃度の推定結果を制御端末１０及び表示装置２０に出力する。制御端末１０は、溶湯中炭素濃度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、溶湯中炭素濃度の推定結果を表示する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、精錬プロセス状態推定処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、演算処理部１３が、新たな溶湯中の炭素濃度の計測値及び分析値があるか否かを判別する。判別の結果、新たな溶湯中の炭素濃度の計測値及び分析値がある場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、演算処理部１３は、精錬プロセス状態推定処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、新たな溶湯中の炭素濃度の計測値及び分析値がない場合には（ステップＳ５：Ｎｏ）、演算処理部１３は、精錬プロセス状態推定処理をステップＳ６の処理に進める。

ステップＳ６の処理では、演算処理部１３が、吹錬処理が終了したか否かを判別する。判別の結果、吹錬処理が終了した場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、演算処理部１３は、一連の精錬プロセス状態推定処理を終了する。一方、吹錬処理が終了していない場合には（ステップＳ６：Ｎｏ）、演算処理部１３は、精錬プロセス状態推定処理をステップＳ７の処理に進める。

ステップＳ７の処理では、演算処理部１３が、排ガス計測・分析情報、及び副原料投入量情報の最新値を制御端末１０から取得する。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、精錬プロセス状態推定処理はステップＳ３の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である精錬プロセス状態推定処理によれば、補正計算部１５が、処理前又は処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、精錬設備から排出された排ガスの流量及び排ガス中の成分濃度の計測結果、及び炭素と酸素の収支計算結果に基づいて、精錬設備から排出された排ガスの流量及び排ガス中の成分濃度の計測値を補正する補正パラメータを算出し、物質バランス計算部１６が、補正パラメータ、排ガスの流量及び排ガス中の成分濃度の計測結果、吹き込み酸素量、処理前の溶湯の重量及び成分濃度、及び処理中に投入された副原料の重量に基づいて、溶湯中の成分毎の物質バランス計算を行うことによって溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する。これにより、溶湯中及びスラグ中の成分濃度の推定精度を向上させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記の実施形態では炭素濃度の推定計算について述べたが、酸素に関する物質収支計算を用いてスラグ中酸素量（ＦｅＯ生成量）推定を行うことも可能である。この場合も、上記の補正パラメータα_１，α_２を用いて物質収支計算を行うことにより、適切に排ガス情報の計測誤差の修正が行われる。さらに、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。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 精錬プロセス状態推定装置
２ 精錬設備
１０ 制御端末
１１ 入力装置
１２ 実績データベース（実績ＤＢ）
１３ 演算処理部
１４ 出力装置
１５ 補正計算部
１６ 物質バランス計算部
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

Claims (5)

1. 精錬設備における処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量に関する情報、処理前の溶湯の重量及び成分濃度に関する情報、及び処理中に投入された副原料の重量に関する情報が入力される入力装置と、
   処理前又は処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、及び炭素と酸素の収支計算結果に基づいて、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測値を補正する補正パラメータを算出する補正計算部と、
   前記補正パラメータ、前記排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記吹き込み酸素量、処理前の溶湯の重量及び成分濃度、及び処理中に投入された副原料の重量に基づいて、溶湯中の成分毎の物質バランス計算を行うことによって溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する物質バランス計算部と、
   を備えることを特徴とする精錬プロセス状態推定装置。
2. 前記補正計算部は、溶湯の成分分析値と投入した副原料に含まれる炭素量とから計算される処理中指定期間における溶湯中炭素減少量と排ガス中炭素量との差に基づく評価関数、及び炭素の燃焼に用いられる酸素量についての収支に基づく評価関数を最小化するような補正パラメータを算出することを特徴とする請求項１に記載の精錬プロセス状態推定装置。
3. 前記評価関数が、溶湯中炭素減少量と排ガス中炭素量との差の二乗値、及び炭素の燃焼に用いられる酸素量についての収支に基づく値を項として含む重み付き和であることを特徴とする請求項２に記載の精錬プロセス状態推定装置。
4. 精錬設備における処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記精錬設備の炉内への吹き込み酸素量に関する情報、処理前の溶湯の重量及び成分濃度に関する情報、及び処理中に投入された副原料の重量に関する情報を入力する入力ステップと、
   処理前又は処理中の溶湯の成分濃度の計測結果、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、及び炭素と酸素の収支計算結果に基づいて、前記精錬設備から排出された排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測値を補正する補正パラメータを算出する補正計算ステップと、
   前記補正パラメータ、前記排ガスの流量及び該排ガス中の成分濃度の計測結果、前記吹き込み酸素量、処理前の溶湯の重量及び成分濃度、及び処理中に投入された副原料の重量に基づいて、溶湯中の成分毎の物質バランス計算を行うことによって溶湯中及びスラグ中の成分濃度を推定する物質バランス計算ステップと、
   を含むことを特徴とする精錬プロセス状態推定方法。
5. 請求項４に記載の精錬プロセス状態推定方法を用いて推定された溶湯中の成分濃度に基づいて溶湯中の成分濃度を所望の範囲内に調整するステップを含むことを特徴とする溶湯の製造方法。

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