JP5145790B2

JP5145790B2 - 転炉の吹錬終点温度目標設定方法

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Publication number: JP5145790B2
Application number: JP2007170209A
Authority: JP
Inventors: 浩水野; 明大角; 寿之伊藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP2009007631A

Description

本発明は、転炉、二次精錬装置および連続鋳造機を有する製鋼プロセスにおける転炉の吹錬終点温度目標設定方法に関するものである。

従来の転炉終点制御方法では、主として、あらかじめ鋼種別に設定された終点温度、終点炭素濃度となるように吹錬中のサブランス計測時点から終点までの吹錬条件（酸素供給量・冷却材投入量）の指示を実施している。また、転炉終点以降の各プロセスおよび運搬時の溶鋼温度変動については、吹錬者が各プロセススケジュールから推定し、吹錬者の判断にて終点温度の目標値修正を実施しているのが実状である。

このような状況に対して、特許文献1に開示の技術には、転炉終点以降二次精練設備、連続鋳造機にいたるまでの温度変化量ΔTを、
△ＴCL：転炉吹錬終了から取鍋受鋼終了までに生じる溶鋼温度降下量（出鋼時温度降下量）、
△ＴLR：取鍋受鋼終了から二次精錬装置での処理開始までに生じる溶鋼温度降下量（運搬時温度降下量）、
△ＴRH：二次精錬装置処理中に生じる溶鋼温度変動量,
△ＴBC：二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機での鋳造開始までに生じる溶鋼温度降下量、
と分けて予測し、△Ｔ＝△ＴCL＋△ＴLR＋△ＴRH＋△ＴBCとして与える方法が提案されている。
特開平８−２４６０１６号公報

転炉から二次精練を経て連続鋳造にいたる過程では、二次精練設備が必ずしもRHのような昇温設備を有するものだけではなく、Arガスでバブリングしながら、キルド処理をして合金投入するだけのものなどコストを抑制した設備(以下、簡易二次精練設備と称する)もある。

このような簡易二次精練設備では、設備到着時の溶鋼温度が予定温度より下回っていても、昇温設備が無いため、温度をあげることができず、温度差が大きい場合には最悪鋳造できない状況が発生する。

また、温度計測という観点から、二次精練処理中に温度計測を複数回する場合には、温度プローブの節約のため必ずしも二次精練設備到着時の溶鋼温度計測をしない場合があり、このような場合には、上述した特許文献1に開示の技術が適用しにくいという問題がある。

本発明は、このような問題を鑑みなされたものであり、転炉吹錬終了後の取鍋受鋼終了後、二次精練設備到着時の温度計測を省き、また、温度予測の変動リスクを考慮した転炉の吹錬終点温度目標設定方法を提供することを目的とする。

上記課題は、次の発明により解決される。
［１］転炉、二次精錬装置および連続鋳造機を有する製鋼プロセスにおける転炉の吹錬終点温度目標設定方法であって、
連続鋳造鋳込み時点での要求溶鋼温度、ならびに、転炉、二次精錬装置および連続鋳造機それぞれの操業開始予定時間、操業所要予定時間、受鋼鍋条件、操業所要時間実績、および運搬時間実績、ならびに、連続鋳造機鋳造開始溶鋼温度実績、二次精錬処理終了溶鋼温度実績、炉裏溶鋼温度実績、転炉終点温度実績、炉裏溶鋼温度実績、および転炉終点温度実績、ならびに、これら各温度実績から算出される溶鋼温度昇温量・降下量実績を収集し、
これら収集したデータに基づき、製鋼プロセスおよび運搬の変化に応じた、転炉吹錬終了以後の連続鋳造機鋳込み時点までの溶鋼温度降下量を算出し、算出した溶鋼温度降下量と連続鋳造鋳込み目標温度との和を転炉の吹錬終点温度目標として設定する方法において、
前記溶鋼温度降下量（△Ｔ）の算出を以下の式にて、△ＴCL、 △ＴBP、 △ＴBCおよびδに基づき行い、この際、該△ＴCL、該△ＴBP、該△ＴBCの温度予測モデルは、製鋼プロセスの各プロセス毎に鍋修理の形態に応じてデータを分け、過去データの中で類似したものを定めるベクトルを定め、該ベクトルの差のノルムの大きさに応じた重みつき最小二乗法で回帰計算したモデルを用いることを特徴とする転炉の吹錬終点温度目標設定方法。
△Ｔ= △ＴCL＋△ＴBP＋△ＴBC + δ
ただし、
△Ｔ：転炉吹錬終了から連続鋳造機における鋳込み開始までに生じる溶鋼温度変化量
△ＴCL：転炉吹錬終了から取鍋受鋼終了までに生じる溶鋼温度変化量であり下記モデルで計算
△ＴCL = a31×Tlo + a32 + Σb3i×副原料合金i投入予定量
Tlo:炉裏温度目標値
a31.a32：回帰係数
副原料合金i投入予定量：副原量合金はAlやその他の添加する合金（Mn合金、FeSiなど）、副原量の予定量

△ＴBP：取鍋受鋼終了から二次精錬処理終了までに生じる溶鋼温度変動量であり下記モデルで計算
△ＴBP = a21×tlb + a22×tbp + a23×Tbf + a24 +Σb2i×副原料合金i投入予定量
tlb：炉裏から簡易二次精練設備までの移動予定時間
tbp：簡易二次精練設備処理予定時間
Tbf：簡易二次精練設備終了目標温度
a21,a22,a23,a24：回帰係数
副原料合金i投入予定量：副原量合金はAlやその他の添加する合金、副原量の予定量

△ＴBC：二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機での鋳造開始までに生じる溶鋼温度変化量であり下記モデルで計算
△ＴBC = a11×tcb ＋ a12×Tcc + a13
tcb:二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機までの移送予定時間
Tcc：CC到着予定温度
a11,a12,a13：回帰係数

δ：変動リスク項

［２］［１］に記載の転炉の吹錬終点温度目標設定方法において、前記変動リスク項δを鍋条件に応じて作成する各モデルの予測誤差にもとづき決定することを特徴とする転炉の吹錬終点温度目標設定方法である。

本発明は上述のような構成をとるようにしているので、二次精練においては、温度変化予測の精度を落とさずに、鍋到着時の測温を省いて、温度プローブの節約を図るとともに、鍋条件を考慮した、温度変化リスクを評価することで、適切な温度設定を実現し、不必要な高温出鋼や、不適切な温度設定による低熱を防ぐことができる。これにより、高温が原因による時間待ちや冷材過使用を防ぎ、製鋼コストの低減と製鋼処理時間の適正化を図ることができる。さらに、出鋼温度が安定することで、出鋼温度を下げることが可能となり、耐火物の損耗を防ぎ、不必要な加炭と加熱によるCO₂増加を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に説明してゆく。転炉で吹錬された溶鋼は、二次精練設備に搬送するため、別の受鋼鍋に移される。その後、二次精練設備に搬送され処理されたのち、連続鋳造機（以下、CCとも略記する）に搬送されて鋳造される。

図１は、本発明に係る転炉の吹錬終点温度目標設定方法を概念的に示す図である。転炉の吹錬終点温度の目標設定は、図１に示すように、CCで必要な温度から上流に向かって逆向きに順番に計算していく。

すなわち、以下の３つのステップで決定していくものである。
(1) Step1： CC到着目標温度から二次精練設備での処理終了温度を設定する
(2) Step2：二次精練処理終了温度から転炉吹錬終了後に受鋼鍋で溶鋼を受けた後の溶鋼目標温度（以下、炉裏温度と呼ぶ）を設定する（あるいは、二次精練設備へ移動をはじめる時の温度を設定する）
(3) Step3：炉裏温度から転炉終点温度を設定する
以下、各Stepを具体的に説明して行く。

(1) Step1：
二次精練設備からCCまでの移送中の温度降下を予測するものであり、ここでのモデルは、物理的には伝熱方程式を解く温度モデルとなるが、ここでは以下に示す時間と温度の一次式で記述する。

△ＴBC = a11×tcb ＋ a12×Tcc + a13
ここで、
△ＴBC：二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機での鋳造開始までに生じる溶鋼温度変化量
tcb:二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機までの移送予定時間
Tcc：CC到着予定温度
a1i：回帰係数

ここでのモデル誤差の標準偏差を、δ1とする。このモデル誤差は、移送予定時間の予測外れや、鍋使用状況による温度変動から生ずる。具体的には、鍋使用回数の違いによる炉壁レンガ残量の違いや、受鋼する前の鍋が空の時間の違いによる鍋の初期蓄熱量の違いなどよる温度降下速度の変化が原因と考えられる。しかしながら、変動をもたらす要因をすべてモデルに取り込むことは不可能のため、ここではモデル誤差として標準偏差で管理する。

なお、モデル中にTccを入れるのは、冷却に関する熱流速は溶鋼温度に大きく依存することを反映させるためである。

(2) Step2：
二次精練処理終了温度から炉裏温度を設定するものであり、ここでの予測は、本来、「炉裏から二次精練設備への移送中温度降下」さらに「二次精練処理中の温度変化」と分けて予測計算をするのが理想的であるが、本発明では、後述するような分離しない推定計算方法を採る。

一般に二次精練設備で最も一般的なものは、RHと呼ばれる装置である。RHは、真空脱ガス設備でリム度処理、キルド処理、合金による成分調整を行なうが、通常昇熱用のバーナーも有するため、低熱を防止し、目標温度とのずれを昇熱、冷却双方で調整できるため、目標温度が管理しやすい。一方、二次精練設備には、、RHだけではなく、Arでバブリングしながら介在物の浮上促進を図りつつ、浸漬管を通してAl等の合金を投入するだけの設備（簡易二次精練設備）もある。このような簡易二次精練設備では、RHと違い送酸設備やバーナーなどが無いため、処理中の温度を数回計測しながら、処理後目標温度をねらう。

この場合、処理中温度計測が行なわれることも有り、二次精練到着時に必ずしも溶鋼温度計測がなされず、処理開始後しばらく後に計測されるケースが頻発する。従って、上述の移動と処理を分けて温度変化する方法は使えないこととなる。

そこで、ここでは以下のような推定計算を用いる。
△ＴBP = a21×tlb + a22×tbp + a23×Tbf + a24 +Σb2i×副原料合金i投入予定量
Tbf = Tcc + ΔTBC
ここで、
△ＴBP：取鍋受鋼終了から二次精錬処理終了までに生じる溶鋼温度変動量
tlb：炉裏から簡易二次精練設備までの移動予定時間
tbp：簡易二次精練設備処理予定時間
Tbf：簡易二次精練設備終了目標温度
副原料合金i投入予定量：副原量合金はAlやその他の添加する合金、副原量の予定量、
副原料は冷材など
a2i：回帰係数
b2i：副原料合金i投入予定量に対する係数

ここでのモデル誤差の標準偏差を、δ2とする。モデル誤差やTbf項の考え方は、Step1で述べたとおりである。また、副原量合金i投入予定量の決定方法であるが、一般にAl投入量などは鋼中酸素濃度などの実績に基づき決定されるため、事前に正確な値はわからない。従って、予測値を作る必要がある。この場合例えば、過去の同一鋼種や類似の鋼種における各合金、副原量の投入実績の平均を取ることで、それを予測値とする方法などが考えられる。

ここで、簡易二次精練設備での到着時温度を用いた回帰（説明変数に簡易二次精練設備到着時溶鋼温度を追加する場合）と上述の到着時温度計測を省いた場合での炉裏−簡易二次精練設備終了温度変化推定誤差を比較したのが、図２である。図は、温度誤差のヒストグラムで(a)が簡易二次精練設備到着時の温度計測を実施したケース、(b)が本発明の簡易二次精練設備到着時の温度計測を省いたケースを表す。

これらの図を比較すると、分布に細かな違いは見られるものの、標準偏差でみるとともに8.2℃と同じで差はでておらず、温度計測を省いた本発明の有効性が確認できる。
なお、上記では簡易二次精練設備で説明してきたが、ここでの考え方はRHにも適用可能である。すなわち、RHに本発明を適用する場合には、温度変化量の予測モデルを、RHまでの移動時間に加えて、リムド時間、キルド時間、処理終了後目標温度、Alなどの合金副原料投入量などを説明変数としたモデルとすれば良い。

(3) Step3：
炉裏温度から転炉終点温度を設定するものであり、転炉吹錬終了から取鍋受鋼終了までに生じる溶鋼温度変化量△ＴCLは、以下に示す式で記述する。
△ＴCL = a31×Tlo + a32 + Σb3i×副原料合金i投入予定量
ただし、
Tlo = Tbf + △ＴBP
Tlo:炉裏温度目標値
副原料合金i投入予定量：副原量合金はAlやその他の添加する合金（Mn合金、FeSiなど）、副原量の予定量
副原料は、加炭材、保温材、および石灰など
a3i：回帰係数
ここでのモデル誤差の標準偏差を、δ3とする。モデル誤差やTlo項の考え方は、Step1で述べたとおりである。

以上、３ステップの計算結果から、トータルの温度変化量ΔTと転炉終点温度目標Tfを以下のように計算する。
ΔT = △ＴCL＋△ＴBP＋△ＴBC + δ
Tf = Tcc + ΔT

上式中のδは、各モデルの誤差を考慮した低熱リスク回避項である。特に、対象の二次精練設備が簡易二次精練設備のように昇温設備がない場合には、モデル誤差分の温度が低くならないように例えば3σ程度の（σ：モデル誤差標準偏差）高めの温度設定とする。ここでは、モデルが3つありそれぞれ、δ1,δ2，δ3の誤差（標準偏差）があるので、δは以下のように決定することができる。

δ = 3 × SQRT(δ1²+ δ2²+ δ3²)
ここで、各モデル誤差δiの設定には、注意が必要である。すなわち、モデル誤差δiは受鋼鍋の条件によって異なってくるというものである。例えば、鍋の使用回数が増加するとレンガの損耗が発生するが、使用回数が増加することによる損耗速度は、全鍋一定ではないので、使用回数が多い鍋を使う場合には予測誤差が増大する。

また、受鋼鍋使用後の次の使用までの空き時間（ここでは鍋サイクルタイムと称する）の差によっても、温度降下の状況が変わる。この場合は、鍋サイクルタイムが長くなると鍋のレンガの蓄熱量が変化することによるが、これも鍋によるばらつきがある。このため、鍋サイクルタイムが異なる集団で予測誤差を比較すると鍋サイクルタイムが小さい方が予測誤差も小さくなるという結果が得られる。

図３は、鍋サイクルタイムが2時間以内の鍋と3時間以上の鍋を分けて、簡易二次精練設備での温度変化量を推定したときの実績との誤差（温度変化予測-温度変化実績）を散布図で示したものである。図３(a)が鍋サイクルタイム2時間以下のもので、図３(b)が3時間以上のものである。

これらの図を比較すると、明らかに鍋サイクルタイム3時間以上の(b)がばらついていることが分る。それぞれの温度のばらつきの最小と最大の差は、(a)が２８℃で(b)が３６℃であり、差が８℃程度存在している。

ここでは、実績温度変化が目標より大きな方が負の値で表されるため、鍋サイクルタイムが長い(b)の目標温度は(a)に比べ8℃程度高くしないと一部はCCで目標温度を下回ることとなる。一方、すべてを(b)のケースで評価しておくと、(a)のケースは必要以上に高い温度設定となり、無用の炉体損耗を招くこととなる。従って、適切なリスク項管理が重要である。

このようにモデル誤差を考慮するリスク項δは、鍋サイクルタイムによって変更する必要がある。このような鍋条件としては、鍋サイクルタイムのほかに、鍋修理以降の使用回数、鍋修理の形態（内部のレンガ全張替えと一部張替えの区別）などがある。従って、修理形態ごとに修理後の使用回数の大小や、鍋回数で分類し、整理しておく必要がある。

あるいは、温度予測モデルを立てる場合に、温度領域によって熱流速が変わることも踏まえ、各プロセス毎に鍋修理の形態に応じてデータを分け、（目標温度、処理時間、鍋サイクルタイム、鍋使用回数）からなるベクトルを作成し、過去データの中で類似したものをこのベクトルの差のノルムで計算することで、ノルムの小さいものを類似データとして、ノルムの大きさに応じた重み付最小二乗法で回帰計算したモデルを用いる方法もある。

ここでの重みの計算は、例えばベクトルの差のノルムを用いたgauss関数などを用いればよい。また、モデルを作成する毎に予測誤差のσを求め、その値をリスク項とする方法も考えられる。以上説明したように構成すると、より一般的にリスクを評価することができる。

本発明に係る転炉の吹錬終点温度目標設定方法を概念的に示す図である。温度計測有無による温度変化推定誤差の比較例を示す図である。異なる鍋サイクルタイムでの温度変化推定誤差の比較例を示す図である。

Claims

転炉、二次精錬装置および連続鋳造機を有する製鋼プロセスにおける転炉の吹錬終点温度目標設定方法であって、
連続鋳造鋳込み時点での要求溶鋼温度、ならびに、転炉、二次精錬装置および連続鋳造機それぞれの操業開始予定時間、操業所要予定時間、受鋼鍋条件、操業所要時間実績、および運搬時間実績、ならびに、連続鋳造機鋳造開始溶鋼温度実績、二次精錬処理終了溶鋼温度実績、炉裏溶鋼温度実績、転炉終点温度実績、炉裏溶鋼温度実績、および転炉終点温度実績、ならびに、これら各温度実績から算出される溶鋼温度昇温量・降下量実績を収集し、
これら収集したデータに基づき、製鋼プロセスおよび運搬の変化に応じた、転炉吹錬終了以後の連続鋳造機鋳込み時点までの溶鋼温度降下量を算出し、算出した溶鋼温度降下量と連続鋳造鋳込み目標温度との和を転炉の吹錬終点温度目標として設定する方法において、
前記溶鋼温度降下量（△Ｔ）の算出を以下の式にて、△ＴCL、 △ＴBP、 △ＴBCおよびδに基づき行い、この際、該△ＴCL、該△ＴBP、該△ＴBCの温度予測モデルは、製鋼プロセスの各プロセス毎に鍋修理の形態に応じてデータを分け、過去データの中で類似したものを定めるベクトルを定め、該ベクトルの差のノルムの大きさに応じた重みつき最小二乗法で回帰計算したモデルを用いることを特徴とする転炉の吹錬終点温度目標設定方法。
△Ｔ= △ＴCL＋△ＴBP＋△ＴBC + δ
ただし、
△Ｔ：転炉吹錬終了から連続鋳造機における鋳込み開始までに生じる溶鋼温度変化量
△ＴCL：転炉吹錬終了から取鍋受鋼終了までに生じる溶鋼温度変化量であり下記モデルで計算
△ＴCL = a31×Tlo + a32 + Σb3i×副原料合金i投入予定量
Tlo:炉裏温度目標値
a31.a32：回帰係数
副原料合金i投入予定量：副原量合金はAlやその他の添加する合金（Mn合金、FeSiなど）、副原量の予定量

△ＴBP：取鍋受鋼終了から二次精錬処理終了までに生じる溶鋼温度変動量であり下記モデルで計算
△ＴBP = a21×tlb + a22×tbp + a23×Tbf + a24 +Σb2i×副原料合金i投入予定量
tlb：炉裏から簡易二次精練設備までの移動予定時間
tbp：簡易二次精練設備処理予定時間
Tbf：簡易二次精練設備終了目標温度
a21,a22,a23,a24：回帰係数
副原料合金i投入予定量：副原量合金はAlやその他の添加する合金、副原量の予定量

△ＴBC：二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機での鋳造開始までに生じる溶鋼温度変化量であり下記モデルで計算
△ＴBC = a11×tcb ＋ a12×Tcc + a13
tcb:二次精錬装置での処理終了から連続鋳造機までの移送予定時間
Tcc：CC到着予定温度
a11,a12,a13：回帰係数

δ：変動リスク項
請求項１に記載の転炉の吹錬終点温度目標設定方法において、
前記変動リスク項δを鍋条件に応じて作成する各モデルの予測誤差にもとづき決定することを特徴とする転炉の吹錬終点温度目標設定方法。