JP6583594B1 - 溶湯成分推定装置、溶湯成分推定方法、及び溶湯の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る溶湯成分推定装置は、精錬設備に投入される炭素量及び酸素量と精錬設備から排出される炭素量及び酸素量とを推定する物質収支計算部と、精錬設備内に残存する酸素量及び炭素量の少なくとも一方を推定する物理反応モデル計算部と、排ガスの流量の計測値を補正するパラメータ、排ガスの成分濃度の計測値を補正するパラメータ、スラグ中のＦｅＯ濃度の計算値を補正するパラメータ、及び溶湯中の炭素量を表すパラメータをそれぞれ第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータとして算出し、算出された第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータを用いて、溶湯及びスラグ中の成分濃度を推定する補正計算部と、を備える。

Description

本発明は、溶湯成分推定装置、溶湯成分推定方法、及び溶湯の製造方法に関する。

製鉄所では、予備処理設備、転炉、及び二次精錬設備等の精錬設備において、高炉から出銑された溶銑の成分濃度及び温度を調整する。中でも転炉プロセスは、転炉内に酸素を吹き込むことによって溶湯中の不純物除去及び昇温を行うプロセスであり、鋼の品質管理及び精錬コスト合理化等の面で非常に重要な役割を担う。転炉における溶湯の成分濃度及び温度の制御においては、上吹き酸素の流量及び速度、上吹きランス高さ、底吹きガスの流量、石灰や鉄鉱石等の副原料の投入量及び投入タイミング等が操作量として用いられる。これらの操作量は、溶湯及びスラグの成分濃度に応じて最適化されるべきである。ところが、溶湯中の酸化反応は激しく、溶湯が高温になるため、溶湯及びスラグの成分濃度を時々刻々計測することは困難である。このため、現在まで炉内物理反応モデルや精錬設備における計測情報を用いて溶湯及びスラグの成分濃度をリアルタイムに推定する方法が提案されている。

特許文献１には、転炉から排出される排ガスの成分濃度及び流量、並びに操業データを用いて火点反応の演算を行い、算出されたデータを用いてスラグメタル界面反応の演算を行うことにより、吹錬処理中のスラグ中ＦｅＯ濃度を逐次推定する方法が提案されている。ところが、一般に、転炉において溶湯の成分濃度の推定に用いられる排ガスの計測情報の誤差は大きい。例えば、一般に、排ガスの流量値は、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、計測値の誤差が大きくなる傾向がある。このような背景から、特許文献２には、鉄鋼精錬プロセスの排ガスの流量に関して、計測値を補正する係数を過去実績に基づいて計算し、吹錬処理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、その情報に基づいて溶湯の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２０１５−１３１９９９号公報 特開平９−２７２９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、火点反応の演算において脱炭速度及び鉄の酸化速度を算出する際、上述のように誤差が大きい排ガスの流量及び成分濃度の計測値を用いている。さらに、転炉プロセスでは物理モデルでは表しきれない未知の外乱によってモデル計算値が真値とずれることがしばしば生じる。以上により、特許文献１に記載の方法では、火点及びメタルスラグ界面反応モデルによって計算されるスラグ中ＦｅＯ濃度の推定精度がしばしば悪化すると考えられる。

一方、特許文献２には排ガスの計測情報の補正方法が記載されているが、その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の流量を補正するものであり、その際に溶湯の中間サンプリングによる成分分析情報を利用している。転炉プロセスでは、溶湯成分のサンプリングは吹錬処理終盤に一回又は数回行うのが一般的であり、上記の方法では、溶湯の中間サンプリングを行うまでの溶湯成分の推定精度の悪化、またそれにより中間サンプリング実行タイミングが目標値とずれ、中間サンプリング以降の操作アクションが遅れるという問題が考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶湯及びスラグ中の成分濃度を高精度、且つ、連続的に推定可能な溶湯成分推定装置及び溶湯成分推定方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、所望の成分濃度を有する溶湯を歩留まりよく製造可能な溶湯の製造方法を提供することにある。

本発明に係る溶湯成分推定装置は、精錬設備における吹錬処理開始前又は吹錬処理中の溶湯の温度及び成分濃度についての第１計測結果と、前記精錬設備から排出される排ガスの流量及び成分濃度についての第２計測結果と、が入力される入力装置と、前記精錬設備における吹錬処理反応に関するモデル式及びパラメータを格納するモデルデータベースと、前記第１計測結果と、前記第２計測結果と、前記モデル式及び前記パラメータとを用いて炭素及び酸素の収支バランス計算を行うことにより、精錬設備に投入される炭素量及び酸素量と前記精錬設備から排出される炭素量及び酸素量とを推定する物質収支計算部と、前記第１計測結果と前記モデル式及び前記パラメータとを用いてスラグ中ＦｅＯ量及び溶湯中脱炭量の少なくとも一方を計算することにより、精錬設備内に残存する酸素量及び炭素量の少なくとも一方を推定する物理反応モデル計算部と、前記入力装置に入力された前記第２計測結果から、前記物質収支計算部及び前記物理反応モデル計算部の推定結果を用いて、前記排ガスの流量の計測値を補正するパラメータ、前記排ガスの成分濃度の計測値を補正するパラメータ、スラグ中のＦｅＯ濃度の計算値を補正するパラメータ、及び前記溶湯中の炭素量を表すパラメータをそれぞれ第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータとして算出し、算出された第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータを用いて、溶湯及びスラグ中の成分濃度を推定する補正計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る溶湯成分推定装置は、上記発明において、前記補正計算部は、前記第１計測結果から計算される初期溶湯中炭素量と投入副原料とにより精錬設備内に供給される炭素量から前記第２計測結果から計算される精錬設備外に排出される炭素量を減算した量と前記第４の補正パラメータとの差として表される炭素収支誤差、前記精錬設備に供給された酸素量から前記第２計測結果から計算される溶湯中炭素酸化、精錬設備内一酸化炭素酸化、及び溶湯中不純物金属酸化により消費された酸素量を減算した値と前記モデル式により計算された溶湯中鉄酸化により消費された酸素量との差として表される酸素収支誤差、及び上吹き送酸量及び投入副原料により供給された酸素量から不純物金属及び鉄酸化により消費された酸素量を減算した量のうち、溶湯中炭素酸化により消費された酸素量の割合として表される一次燃焼効率と前記一次燃焼効率の標準値との差として表される一次燃焼収支誤差の項を含む評価関数が最小になるように前記第１、前記第２、前記第３、及び前記第４の補正パラメータを計算することを特徴とする。

本発明に係る溶湯成分推定装置は、上記発明において、前記補正計算部は、前記第１計測結果から計算される初期溶湯中炭素量と投入副原料とにより精錬設備内に供給される炭素量から前記第２計測結果から計算される精錬設備外に排出される炭素量を減算した量と前記第４の補正パラメータとの比として表される炭素収支誤差、前記精錬設備に供給された酸素量から前記第２計測結果から計算される溶湯中炭素酸化、精錬設備内一酸化炭素酸化、及び溶湯中不純物金属酸化により消費された酸素量を減算した値と物理反応モデルにより計算された溶湯中鉄酸化により消費された酸素量との比として表される酸素収支誤差、及び上吹き送酸量及び投入副原料により供給された酸素量から不純物金属及び鉄酸化により消費された酸素量を減算した量のうち、溶湯中炭素酸化により消費された酸素量の割合として表される一次燃焼効率と前記一次燃焼効率の標準値との比として表される一次燃焼収支誤差の項を含む評価関数が最小になるように前記第１、前記第２、前記第３、及び前記第４の補正パラメータを計算することを特徴とする。

本発明に係る溶湯成分推定装置は、上記発明において、前記評価関数が、前記炭素収支誤差の二乗値、前記酸素収支誤差の二乗値、及び前記一次燃焼収支誤差の二乗値を項として含む重み付き和であることを特徴とする。

本発明に係る溶湯成分推定装置は、上記発明において、前記評価関数における各項の重みを表す定数が、計算対象チャージ中の計算対象時刻以前に算出された溶湯成分推定情報及び補正された排ガス計測情報の少なくとも一方に基づいて設定された条件を満たした場合に、切り替わることを特徴とする。

本発明に係る溶湯成分推定方法は、精錬設備における吹錬処理開始前又は吹錬処理中の溶湯の温度及び成分濃度についての第１計測結果と、前記精錬設備から排出される排ガスの流量及び成分濃度についての第２計測結果と、が入力される入力ステップと、前記第１計測結果と、前記第２計測結果と、前記精錬設備における吹錬処理反応に関するモデル式及びパラメータとを用いて炭素及び酸素の収支バランス計算を行うことにより、精錬設備に投入される炭素量及び酸素量と前記精錬設備から排出される炭素量及び酸素量とを推定する物質収支計算ステップと、前記第１計測結果と前記モデル式及び前記パラメータとを用いてスラグ中ＦｅＯ量及び溶湯中脱炭量の少なくとも一方を計算することにより、精錬設備内に残存する酸素量及び炭素量の少なくとも一方を推定する物理反応モデル計算ステップと、前記入力ステップにおいて入力された前記第２計測結果から、前記物質収支計算ステップ及び前記物理反応モデル計算ステップにおける推定結果を用いて、前記排ガスの流量の計測値を補正するパラメータ、前記排ガスの成分濃度の計測値を補正するパラメータ、スラグ中のＦｅＯ濃度の計算値を補正するパラメータ、及び前記溶湯中の炭素量を表すパラメータをそれぞれ第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータとして算出し、算出された第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータを用いて、溶湯及びスラグ中の成分濃度を推定する補正計算ステップと、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、本発明に係る溶湯成分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。

本発明に係る溶湯成分推定装置及び溶湯成分推定方法によれば、溶湯及びスラグ中の成分濃度を高精度、且つ、連続的に推定することができる。また、本発明に係る溶湯の製造方法によれば、所望の成分濃度を有する溶湯を歩留まりよく製造することができる。

図１は、本発明の一実施形態である溶湯成分推定装置の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の一実施形態である溶湯成分推定処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、吹錬処理中の脱炭酸素効率と吹錬進行度との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である溶湯成分推定装置及びその動作について詳細に説明する。

〔溶湯成分推定装置の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である溶湯成分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溶湯成分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溶湯成分推定装置１は、鉄鋼業の精錬設備２で処理されている溶湯１０１及びスラグ１０３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（上吹き酸素）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内に設けられたベンチュリ管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（底吹きガス）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。吹錬処理開始直前及び吹錬処理後には、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、吹錬処理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。

溶湯成分推定装置１が適用される吹錬処理制御システムは、制御端末１０、溶湯成分推定装置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。

溶湯成分推定装置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。溶湯成分推定装置１は、入力装置１１、モデルデータベース（モデルＤＢ）１２、演算処理部１３、及び出力装置１７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、その情報のモデル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における吹錬処理開始前及び吹錬処理中の少なくとも何れか一方の溶湯１０１の温度と成分濃度についての計測結果が入力される。温度と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。

モデルＤＢ１２は、精錬設備２における吹錬処理反応に関するモデル式の情報が保存されている記憶装置である。モデルＤＢ１２は、吹錬処理反応に関するモデル式の情報として、モデル式のパラメータを記憶している。また、モデルＤＢ１２には、入力装置１１に入力された各種情報、及び演算処理部１３により算出された吹錬処理実績における計算・解析結果が記憶される。

演算処理部１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置であり、溶湯成分推定装置１全体の動作を制御する。演算処理部１３は、物質収支計算部１４、物理反応モデル計算部１５、及び補正計算部１６としての機能を有する。物質収支計算部１４、物理反応モデル計算部１５、及び補正計算部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。演算処理部１３は、物質収支計算部１４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収支計算部１４として機能し、物理反応モデル計算部１５用のコンピュータプログラムを実行することにより物理反応モデル計算部１５として機能し、補正計算部１６用のコンピュータプログラムを実行することにより補正計算部１６として機能する。なお、演算処理部１３は、物質収支計算部１４、物理反応モデル計算部１５、及び補正計算部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。

物質収支計算部１４は、操業実績情報、溶湯成分分析情報、排ガス情報、及びモデルＤＢ１２に記憶されているモデル情報に基づいて、成分の物質収支バランス計算を行う。物質収支バランス計算は、転炉１００内への各成分の投入量及び転炉１００からの各成分の排出量を計算するものである。各成分の投入量は、転炉１００への主原料及び副原料投入量、ランス１０２からの供給酸素、及び転炉１００外からの巻き込み空気量から算出される。各成分の排出量は、排ガス流量及び排ガス成分濃度から算出される。

物理反応モデル計算部１５は、モデルＤＢ１２に記憶されているモデル情報と操業実績情報に基づいて、スラグ１０３中のＦｅＯ生成・還元反応量、及び溶湯１０１中の脱炭量を計算し、溶湯１０１中の鉄の酸化量、すなわちスラグ１０３中のＦｅＯとして転炉１００内に残存する酸素量、及び溶湯１０１中に残存する炭素量を推定する。

補正計算部１６は、物質収支計算部１４と物理反応モデル計算部１５における計算結果に基づいて、排ガス流量の補正パラメータ、排ガス中ＣＯ、ＣＯ_２濃度の補正パラメータ、物理反応モデル計算部１５によるスラグ１０３中ＦｅＯ濃度推定値の補正パラメータ、計算時点における溶湯１０１中炭素濃度を算出し、算出した各種補正パラメータを用いて、溶湯１０１中炭素濃度及びスラグ１０３中ＦｅＯ濃度を推定する。

このような構成を有する溶湯成分推定装置１は、以下に示す溶湯成分推定処理を実行することによって、溶湯及びスラグ中の成分濃度を高精度、且つ、連続的に推定する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、溶湯成分推定処理を実行する際の溶湯成分推定装置１の動作について説明する。

〔溶湯成分推定処理〕
図２は、本発明の一実施形態である溶湯成分推定処理の流れを示すフローチャートである。図２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、溶湯成分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り得られた計測・分析結果を取得する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、溶湯成分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は、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、操作量情報及び排ガス計測・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、２ｓｅｃ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。操作量情報の取得時間と排ガス計測・分析情報の取得時間との間に大きな時間遅れのある場合には、その時間遅れを考慮して（遅れ時間分だけ排ガス計測・分析情報を早めて）データを作成する。また、排ガス流量の計測値及びＣＯ，ＣＯ_２の分析値がノイズを多く含んでいる場合には、移動平均計算等の平滑化処理を行った値で計測値及び分析値を置き換えてもよい。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、溶湯成分推定処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、物質収支計算部１４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及びモデルＤＢ１２の情報を用いて、炭素及び酸素の収支バランス計算（物質収支モデル計算）を行う。転炉１００内に投入される炭素量及び転炉１００外に排出される炭素量はそれぞれ以下に示す数式（１）及び数式（２）のように表される。なお、以降断りがない限り、％及び各種流量はｍａｓｓ％及び流量原単位を表す。

ここで、投入炭素量Ｃ_ｉｎ［％］は主原料中の炭素量と投入副原料中の炭素量との和の溶湯１０１中濃度換算値となっており、ρ_ｐｉｇ［％］は投入溶銑中炭素濃度、ρ_ｉ ^Ｃｓｃｒ［％］は投入スクラップ（銘柄ｉ）中炭素濃度、ρ_ｊ ^Ｃａｕｘ［％］は投入副原料（銘柄ｊ）中炭素濃度であり、Ｗ_ｐｉｇ［ｔ］は投入溶銑重量、Ｗ_ｉ ^ｓｃｒ［ｔ］は投入スクラップ（銘柄ｉ）重量、Ｗ_ｊ ^ａｕｘ［ｔ］は副原料（銘柄ｊ）投入積算重量、Ｗ_{ｃｈａｒｇｅ}［ｔ］は転炉１００に投入された溶湯重量である。投入スクラップ銘柄ｉ及び投入副原料銘柄ｊにおける炭素濃度ρ_ｉ ^Ｃｓｃｒ、ρ_ｊ ^ＣａｕｘはモデルＤＢ１２に記憶されており、物質収支計算部１４は、対象チャージで利用される銘柄についての情報を取得する。

排出炭素量Ｃ_ｏｕｔ［％］は排ガス中に含まれる炭素量の溶湯１０１中濃度換算値であり、Ｖ_ＣＯ ^ＯＧ［Ｎｍ^３／ｔ］、Ｖ_ＣＯ２ ^ＯＧ［Ｎｍ^３／ｔ］はそれぞれ排ガス中ＣＯ、ＣＯ_２の計算時刻までの積算流量である。投入炭素量から排出炭素量を減算した量が転炉１００内に残存する炭素量であり、これはすなわち溶湯１０１中の炭素濃度に相当する。なお、溶湯の入出炭素量は全投入量と比較して微少であると仮定している。

一方、転炉１００内に投入される酸素量及び転炉１００外に排出される酸素量はそれぞれ以下に示す数式（３）及び数式（４）のように表される。

ここで、投入酸素量Ｏ_２ ^ｉｎ［Ｎｍ^３／ｔ］はランス１０２からの上吹き酸素積算量Ｖ_Ｏ２ ^ｂｌｏｗ［Ｎｍ^３／ｔ］、投入副原料中の酸素積算量、及び転炉１００外から炉内に巻き込まれる空気中の酸素積算量の和となっており、ρ_ｊ ^Ｏａｕｘ［（Ｎｍ^３／ｔ）／ｔ］は投入副原料（銘柄ｉ）中酸素含有量の換算値である。投入副原料銘柄ｊにおける酸素含有量ρ_ｊ ^ＯａｕｘはモデルＤＢ１２に記憶されており、物質収支計算部１４は、対象チャージで利用される銘柄についての情報を取得する。また、投入酸素量計算において排ガス分析Ｎ_２濃度及び排ガス分析Ａｒ濃度が得られない場合、巻き込み空気中の酸素量は、排ガス中Ｏ_２、ＣＯ、ＣＯ_２以外の未分析排ガス量Ｖ_ｒｅｍ ^ＯＧ［Ｎｍ^３／ｔ］から底吹きガス量Ｖ_ｂｏｔ［Ｎｍ^３／ｔ］を減算した量が巻き込み空気中のＮ_２に相当することを仮定し、上述した数式（３）の第３項のように算出してもよい。

排出酸素量Ｏ_２ ^ｏｕｔ［Ｎｍ^３／ｔ］は排ガス中に含まれる酸素量から計算され、Ｖ_Ｏ２ ^ＯＧ［Ｎｍ^３／ｔ］は排ガス中Ｏ_２の計算時刻までの積算流量である。投入酸素量から排出酸素量を減算した量が転炉１００内に残存する酸素量であり、これは溶湯１０１中のＳｉ、Ｍｎ、Ｐ等の金属不純物の酸化及び鉄の酸化に使用される。そのうち、金属不純物の酸化量については、モデルＤＢ１２に記憶されている不純物金属の酸化反応モデルにより計算され、例えば溶湯１０１中Ｓｉ酸化に使用される酸素量Ｖ_Ｏ２ ^Ｓｉ［Ｎｍ^３／ｔ］は以下に示す数式（５）のように表される。

ここで、ρ_ｐｉｇ ^Ｓｉ［％］は投入溶銑中Ｓｉ濃度、ρ_ｉ ^{Ｓｉｓｃｒ}［％］は投入スクラップ（銘柄ｉ）中Ｓｉ濃度、ρ_ｊ ^{Ｓｉａｕｘ}［％］は投入副原料（銘柄ｊ）中Ｓｉ濃度であり、Ａ_ＳｉはＳｉの酸化反応速度定数である。また、数式（５）と同様にして、Ｍｎ、Ｐ等の溶湯１０１中の各種金属不純物酸化に使用される酸素量も計算でき、その合計をＶ_Ｏ２ ^ｍｅｔ［Ｎｍ^３／ｔ］と表す。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、溶湯成分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、物理反応モデル計算部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及びモデルＤＢ１２の情報を用いて、スラグ１０３中のＦｅＯ生成・還元反応量、及び溶湯１０１中脱炭量を計算し、溶湯１０１中の鉄の酸化量、すなわちスラグ１０３中のＦｅＯとして転炉１００内に残存する酸素量、及び溶湯１０１中に残存する炭素量を推定する。ＦｅＯ生成速度ｖ_ＦｅＯ［ｋｇ／ｍｉｎ］は、ＦｅＯ生成・還元反応を表す項からなる物理反応モデル（ＦｅＯ生成・還元反応モデル）により計算され、以下に示す数式（６）のように表される。

ここで、Ｃ_１及びＣ_２はそれぞれＦｅＯ生成係数及びＦｅＯ還元係数、ｖ_Ｏ２ ^ｂｌｏｗ［Ｎｍ^３／Ｈｒ］はランス１０２からの送酸速度、Ｒ［Ｎｍ^３／ｓ／ｍ^２］及びＲ_０［Ｎｍ^３／ｓ／ｍ^２］は酸素負荷及び基準酸素負荷、Ｔ_ｈｓｐ［℃］は火点温度、Ｈ［ｍ］は溶湯１０１の浴深、Ｄ［ｍ］は溶湯１０１の浴系、ε［ｋＷ／ｔ］はランス１０２からの送酸及び底吹きガスによる溶湯１０１の撹拌動力密度、Ｔ_ｂｕｌｋ［℃］は溶湯１０１の温度、Ｂはスラグ１０３の塩基度（スラグ成分中のＳｉＯ_２／ＣａＯ比）であり、第１項がＦｅＯ生成反応速度、第２項がＦｅＯ還元反応速度である。Ｃ_１及びＣ_２については、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利用、或いはモデルＤＢ１２に記憶されている過去チャージの実績情報を利用して決定してもよい。以下に示す数式（７）のように、算出したＦｅＯ生成反応速度を積分し積算することにより、ＦｅＯ蓄積量ＦｅＯ［ｋｇ／ｔ］が計算され、転炉１００内に残存する酸素量が算出される。

また、溶湯１０１中の脱炭量は、吹錬処理中の脱炭酸素効率を表す物理モデルを用いて計算できる。ここで、吹錬処理中の脱炭酸素効率ｄＣ／ｄＯ_２［１０^−３％／（Ｎｍ^３／ｔ）］は、ランス１０２からの送酸量及び副原料投入によって供給された酸素量に対する溶湯１０１中の炭素濃度の減少効率を示す。図３は、吹錬処理中の脱炭酸素効率と吹錬進行度との関係を示す図である。図３に示すように、吹錬処理の初期では、脱炭酸素効率ｄＣ／ｄＯ_２は、吹錬進行度Ｔ’に対し傾きaで上昇し、最大値（ｄＣ／ｄＯ_２）_ｍａｘに達する。その後、溶湯１０１中の炭素濃度が臨界濃度（０．４％程度）に達すると、脱炭酸素効率ｄＣ／ｄＯ_２は吹錬進行度Ｔ’に対し傾きｂで低下する。ここで、脱炭酸素効率ｄＣ／ｄＯ_２の上昇及び低下の傾きａ，ｂ、切片ｃ及び最大値（ｄＣ／ｄＯ_２）_ｍａｘはステップＳ１及びステップＳ２の処理において取得した情報を利用、又は、モデルＤＢ１２に記憶されている過去チャージの実績情報を利用して決定できる。また、溶湯１０１中の炭素濃度が低濃度領域（＜０．２５％程度）にある場合には、以下の数式（８）に示す脱炭酸素効率ｄＣ／ｄＯ_２と溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ_ｓとの関係（脱炭モデル）を用いて算出することができる。

数式（８）に示す脱炭モデルでは、脱炭酸素効率ｄＣ／ｄＯ_２は溶湯１０１中の炭素濃度Ｃ_ｓ［％］に依存する。また、Ｗ_ｓｌｇ［ｋｇ／ｔ］はスラグ１０３の重量であり、ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３は定数である。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、溶湯成分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、補正計算部１６が、ステップＳ３及びステップＳ４の処理において算出した情報及びモデルＤＢ１２の情報を用いて、排ガス流量の補正パラメータ、排ガス中ＣＯ、ＣＯ_２濃度の補正パラメータ、物理反応モデル計算によるスラグ１０３中ＦｅＯ濃度推定値の補正パラメータ、及び溶湯１０１中炭素濃度を算出する。

〔補正パラメータ計算例〕
具体的には、補正計算部１６は、以下の数式（９）に示す評価関数Ｊ又は以下の数式（１０）に示す評価関数Ｊを最小にする非線形計画問題を解くことによって補正パラメータα、β、ΔＦｅＯ、［Ｃ］を計算する。なお、αは積の形式で排ガス流量を補正するパラメータ、βは積の形式で排ガス中ＣＯ、ＣＯ_２濃度を補正するパラメータ、ΔＦｅＯは和の形式でステップＳ４の処理により算出されたスラグ１０３中ＦｅＯ推定量を補正するパラメータ、［Ｃ］は計算時刻における溶湯１０１中炭素濃度を表すパラメータである。また、（）_ｔｅｍｐは計算時刻近傍の一定期間における変化量を示す。補正パラメータα、βの導入により、数式（３）、数式（４）で示したＯ_２ ^ｉｎ、Ｏ_２ ^ｏｕｔは、以下に示す数式（１１）、（１２）のように表される。また、数式（９）、数式（１０）で用いられるＯ_２ｅｆｆ［Ｎｍ^３／ｔ］は以下の数式（１３）に示すように、ランス１０２からの送酸量及び副原料投入より供給された酸素量から不純物金属燃焼及び鉄酸化により消費された酸素量を減算した量、すなわち溶湯１０１中炭素酸化及び発生したＣＯを酸化しＣＯ_２を生成する反応に使用される酸素量（有効酸素量）である。

数式（９）に示す評価関数Ｊは、以降に記述する第６項目における誤差の指標となる項の重み付き和となっている。第１項は、投入炭素量から排出炭素量を減算した転炉１００内に残留する炭素量と[Ｃ]の差の二乗値であり、この項が０になることは転炉１００内で炭素質量収支バランスが保たれていることを示す。第２項は、投入酸素量から排出酸素量及び不純物金属酸化使用酸素量を減算した量と物理反応モデルに基づくＦｅＯ推定量から計算される溶湯１０１中鉄酸化に使用される酸素量との差の二乗値であり、この項が０になることは転炉１００内で酸素質量収支バランスが保たれていることを示す。第３項は、有効酸素量のうち溶湯１０１中炭素の酸化（一次燃焼）に使用された酸素量の割合で表される一次燃焼効率と一次燃焼効率の標準値Ｒ_ｐｒｉとの差の二乗値であり、この項が０に近づくことは、操作量及び排ガス情報に基づいて計算された一次燃焼効率が標準値に近づくことを示す。第４項はα、βとα、β標準値α_ａｖｅ、β_ａｖｅとの差の二乗値であり、この項が０に近づくことはα、βが標準値に近づくことを示す。第５項は、補正パラメータΔＦｅＯの二乗値であり、算出されるスラグ中ＦｅＯ濃度が物理反応モデルから乖離することを防ぐ項である。第６項は、計算時点近傍における排ガス情報及び投入酸素情報から計算された脱炭酸素効率と、物理反応モデルに基づく脱炭酸素効率との差の二乗値であり、この項が０になることは実測された脱炭量が物理モデルに即していることを示す。

また、数式（１０）に示す評価関数Ｊも同様に、以降に記述する第６項目における誤差の指標となる項の重み付き和となっている。第１項は、投入炭素量から排出炭素量を減算した転炉１００内に残留する炭素量と[Ｃ]の比から１を減算した値の二乗値であり、この項が０になることは転炉１００内で炭素質量収支バランスが保たれていることを示す。第２項は、投入酸素量から排出酸素量及び不純物金属酸化使用酸素量を減算した量と物理反応モデルに基づくＦｅＯ推定量から計算される溶湯１０１中鉄酸化に使用される酸素量との比から１を減算した値の二乗値であり、この項が０になることは転炉１００内で酸素質量収支バランスが保たれていることを示す。第３項は、有効酸素量のうち溶湯１０１中炭素の酸化（一次燃焼）に使用された酸素量の割合で表される一次燃焼効率と一次燃焼効率の標準値Ｒ_ｐｒｉとの比から１を減算した値の二乗値であり、この項が０に近づくことは、操作量及び排ガス情報に基づいて計算された一次燃焼効率が標準値に近づくことを示す。第４項はα、βとα、β標準値α_ａｖｅ、β_ａｖｅとの比から１を減算した値の二乗値であり、この項が０に近づくことはα、βが標準値に近づくことを示す。第５項は、補正パラメータΔＦｅＯの二乗値であり、算出されるスラグ中ＦｅＯ濃度が物理反応モデルから乖離することを防ぐ項である。第６項は、計算時点近傍における排ガス情報及び投入酸素情報から計算された脱炭酸素効率と、物理反応モデルに基づく脱炭酸素効率との比から１を減算した値の二乗値であり、この項が０になることは実測された脱炭量が物理モデルに即していることを示す。

なお、数式（９）、（１０）においてＲ_ｐｒｉ、α_ａｖｅ、β_ａｖｅは、モデルＤＢ１２に記憶されている過去チャージにおける吹錬処理実績のうち推定対象チャージと同様の吹錬処理形態の実績から決定される。また、Ｒ_ｐｒｉが操作量や吹錬処理条件等により記述できる場合はそれを用いてもよい。

上記の例において、評価関数Ｊの各項の分母にある重み付け因子（σ_１〜σ_６）はユーザーが設定するパラメータである。重み付け因子は上記各項目それぞれについての誤差の大きさの評価関数Ｊへの影響度を決定する。従って、吹錬処理において反応のフェーズに応じて各項の重み付け因子を変更することにより推定精度を向上させることができる。例えば、溶湯中炭素濃度が低濃度領域又は脱炭酸素効率が低下する領域では、数式（９）について第６項目の重み付け因子σ_６を小さな値に変更して第６項目の誤差の評価関数Ｊへの影響を大きくすることにより、溶湯中炭素濃度が低濃度でも精度よく推定することができる。以上のように、計算対象時刻以前に算出された溶湯成分推定情報及び補正された排ガス計測情報の少なくとも一方に基づいて設定された条件を満たした場合に評価関数Ｊの各項の重み付け因子を吹錬処理中に切り替えることで推定精度は向上する。

評価関数Ｊを制約条件のもとで最小化する非線形計画問題には多種のアルゴリズムが提案されており（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）、それらを利用すれば容易に補正パラメータα、β、ΔＦｅＯ、［Ｃ］を計算することができる。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、溶湯成分推定処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、補正計算部１６が、ステップＳ５の処理で算出した各種補正パラメータを用いて溶湯１０１中炭素濃度及びスラグ１０３中ＦｅＯ濃度を推定する。以後、演算処理部１３は、補正計算部１６による溶湯１０１中炭素濃度及びスラグ１０３中ＦｅＯ濃度の推定結果を出力装置１７に送る。出力装置１７は、演算処理部１３から送られた溶湯１０１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１０１中炭素濃度の推定結果に基づいて精錬設備２の操作量（例えば送酸量や副原料の投入量及び投入タイミング等）を調節する。表示装置２０は、溶湯１０１中炭素濃度及びスラグ１０３中ＦｅＯ濃度の推定結果を表示する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、溶湯成分推定処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７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、演算処理部１３は、一連の溶湯成分推定処理を終了し、演算処理部１３はステップＳ８の処理に進む。一方、吹錬処理が終了していない場合には、演算処理部１３はステップＳ２の処理に戻る。

ステップＳ８の処理では、演算処理部１３が、対象チャージの実績データ及び演算処理部１３における計算結果をモデルＤＢ１２に保存する。なお、対象吹錬処理終了時の溶湯１０１中炭素濃度やスラグ１０３中ＦｅＯ濃度の計測値が得られている場合は、これらを用いて最適な各種補正パラメータ及び初期パラメータ条件を算出する。また、本実施形態では補正項目として取り扱っていない要素、例えば投入溶銑中炭素濃度分析値ρ_ｐｉｇや副原料投入積算重量Ｗ_ｊ ^ａｕｘ等、について誤差要因がある場合、ステップＳ８の処理において、吹錬処理終了時の溶湯１０１成分、スラグ１０３成分を満たすような補正パラメータを算出しモデルＤＢ１２に保存することで、以後のチャージにおける初期補正パラメータとして活用できる。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、一連の溶湯成分推定処理は終了する。

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溶湯成分推定処理では、溶湯成分推定装置１が、物理反応モデル式、溶湯の成分濃度の計測結果、及び精錬設備から排出された排ガスの流量及び成分濃度の計測結果に基づいて、吹錬処理中の炭素収支バランス及び酸素収支バランスが連続的に保たれるように、排ガスの流量及び成分濃度の計測値、物理反応モデル計算値を補正する補正パラメータを逐次算出するので、吹錬処理中に連続的に高精度な溶湯及びスラグ中の成分濃度の推定値を得ることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の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、本実施形態では連続的に取得可能な転炉計測情報として排ガス情報を用いたが、例えば溶湯温度に関わる計測情報が得られる場合、炉内酸化反応によって発生する熱量に基づく熱収支モデルと組み合わせた関係式を最適化計算に組み込むことで、連続的に溶湯温度推定が可能となり、さらに溶湯及びスラグの成分濃度の推定精度の向上も見込まれる。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。

本発明によれば、溶湯及びスラグ中の成分濃度を高精度、且つ、連続的に推定可能な溶湯成分推定装置及び溶湯成分推定方法を提供することができる。

１ 溶湯成分推定装置
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（モデルＤＢ）
１３ 演算処理部
１４ 物質収支計算部
１５ 物理反応モデル計算部
１６ 補正計算部
１７ 出力装置
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 (7)

1. 精錬設備における吹錬処理開始前又は吹錬処理中の溶湯の温度及び成分濃度についての第１計測結果と、前記精錬設備から排出される排ガスの流量及び成分濃度についての第２計測結果と、が入力される入力装置と、
   前記精錬設備における吹錬処理反応に関するモデル式及びパラメータを格納するモデルデータベースと、
   前記第１計測結果と、前記第２計測結果と、前記モデル式及び前記パラメータとを用いて炭素及び酸素の収支バランス計算を行うことにより、精錬設備に投入される炭素量及び酸素量と前記精錬設備から排出される炭素量及び酸素量とを推定する物質収支計算部と、
   前記第１計測結果と前記モデル式及び前記パラメータとを用いてスラグ中ＦｅＯ量及び溶湯中脱炭量の少なくとも一方を計算することにより、精錬設備内に残存する酸素量及び炭素量の少なくとも一方を推定する物理反応モデル計算部と、
   前記入力装置に入力された前記第２計測結果から、前記物質収支計算部及び前記物理反応モデル計算部の推定結果を用いて、前記排ガスの流量の計測値を補正するパラメータ、前記排ガスの成分濃度の計測値を補正するパラメータ、スラグ中のＦｅＯ濃度の計算値を補正するパラメータ、及び前記溶湯中の炭素量を表すパラメータをそれぞれ第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータとして算出し、算出された第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータを用いて、溶湯及びスラグ中の成分濃度を推定する補正計算部と、
   を備えることを特徴とする溶湯成分推定装置。
2. 前記補正計算部は、
   前記第１計測結果から計算される初期溶湯中炭素量と投入副原料とにより精錬設備内に供給される炭素量から前記第２計測結果から計算される精錬設備外に排出される炭素量を減算した量と前記第４の補正パラメータとの差として表される炭素収支誤差、
   前記精錬設備に供給された酸素量から前記第２計測結果から計算される溶湯中炭素酸化、精錬設備内一酸化炭素酸化、及び溶湯中不純物金属酸化により消費された酸素量を減算した値と前記モデル式により計算された溶湯中鉄酸化により消費された酸素量との差として表される酸素収支誤差、及び
   上吹き送酸量及び投入副原料により供給された酸素量から不純物金属及び鉄酸化により消費された酸素量を減算した量のうち、溶湯中炭素酸化により消費された酸素量の割合として表される一次燃焼効率と前記一次燃焼効率の標準値との差として表される一次燃焼収支誤差
   の項を含む評価関数が最小になるように前記第１、前記第２、前記第３、及び前記第４の補正パラメータを計算することを特徴とする請求項１に記載の溶湯成分推定装置。
3. 前記補正計算部は、
   前記第１計測結果から計算される初期溶湯中炭素量と投入副原料とにより精錬設備内に供給される炭素量から前記第２計測結果から計算される精錬設備外に排出される炭素量を減算した量と前記第４の補正パラメータとの比として表される炭素収支誤差、
   前記精錬設備に供給された酸素量から前記第２計測結果から計算される溶湯中炭素酸化、精錬設備内一酸化炭素酸化、及び溶湯中不純物金属酸化により消費された酸素量を減算した値と物理反応モデルにより計算された溶湯中鉄酸化により消費された酸素量との比として表される酸素収支誤差、及び
   上吹き送酸量及び投入副原料により供給された酸素量から不純物金属及び鉄酸化により消費された酸素量を減算した量のうち、溶湯中炭素酸化により消費された酸素量の割合として表される一次燃焼効率と前記一次燃焼効率の標準値との比として表される一次燃焼収支誤差
   の項を含む評価関数が最小になるように前記第１、前記第２、前記第３、及び前記第４の補正パラメータを計算することを特徴とする請求項１に記載の溶湯成分推定装置。
4. 前記評価関数が、前記炭素収支誤差の二乗値、前記酸素収支誤差の二乗値、及び前記一次燃焼収支誤差の二乗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又は３に記載の溶湯成分推定装置。
5. 前記評価関数における各項の重みを表す定数が、計算対象チャージ中の計算対象時刻以前に算出された溶湯成分推定情報及び補正された排ガス計測情報の少なくとも一方に基づいて設定された条件を満たした場合に、切り替わることを特徴とする請求項４に記載の溶湯成分推定装置。
6. 精錬設備における吹錬処理開始前又は吹錬処理中の溶湯の温度及び成分濃度についての第１計測結果と、前記精錬設備から排出される排ガスの流量及び成分濃度についての第２計測結果と、が入力される入力ステップと、
   前記第１計測結果と、前記第２計測結果と、前記精錬設備における吹錬処理反応に関するモデル式及びパラメータとを用いて炭素及び酸素の収支バランス計算を行うことにより、精錬設備に投入される炭素量及び酸素量と前記精錬設備から排出される炭素量及び酸素量とを推定する物質収支計算ステップと、
   前記第１計測結果と前記モデル式及び前記パラメータとを用いてスラグ中ＦｅＯ量及び溶湯中脱炭量の少なくとも一方を計算することにより、精錬設備内に残存する酸素量及び炭素量の少なくとも一方を推定する物理反応モデル計算ステップと、
   前記入力ステップにおいて入力された前記第２計測結果から、前記物質収支計算ステップ及び前記物理反応モデル計算ステップにおける推定結果を用いて、前記排ガスの流量の計測値を補正するパラメータ、前記排ガスの成分濃度の計測値を補正するパラメータ、スラグ中のＦｅＯ濃度の計算値を補正するパラメータ、及び前記溶湯中の炭素量を表すパラメータをそれぞれ第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータとして算出し、算出された第１、第２、第３、及び第４の補正パラメータを用いて、溶湯及びスラグ中の成分濃度を推定する補正計算ステップと、
   を含むことを特徴とする溶湯成分推定方法。
7. 請求項６に記載の溶湯成分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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