JP6954262B2 - 転炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、転炉内の溶銑に、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて溶銑を脱炭精錬し、溶銑から溶鋼を製造する転炉の操業方法に関し、詳しくは、生産性及び鉄歩留まりの向上に寄与する転炉の操業方法に関する。

近年、生産性の向上という観点から、溶銑から溶鋼を製造するための転炉での脱炭精錬では、脱炭精錬に用いられる酸化性ガスの供給速度を高めた操業が行われている。尚、転炉での脱炭精錬では、脱炭反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）の進行に伴って溶銑は溶鋼に変化するが、脱炭精錬の途中で、炉内の溶融金属を、溶銑と溶鋼とに区別して表示することは困難であるので、本明細書では、溶銑及び溶鋼をまとめて「溶融鉄」と表示する。溶銑と溶鋼との区別が明確な場合は、それぞれ「溶銑」または「溶鋼」と表示する。

酸化性ガスの供給速度を高めると、鉄分が、ダストとして炉外に飛散したり、炉壁や炉口付近に付着して堆積したり、更には、スラグ中に酸化鉄として分配されたりする量が増加する。これらの鉄分は、当該精錬においては鉄損失となり、溶鋼の鉄歩留まり低下の原因となり、当該精錬のコストの増加や生産性の低下を招く。これらの鉄分の大半は、最終的には回収されて、鉄源として再利用されることになるが、発生量が多くなると、付着物の除去及び回収に要するコストの増加を招き、更には転炉稼動率の低下を招くという問題がある。

転炉での脱炭精錬では脱炭反応が短時間に行われ、また、制御因子が多いことから、酸素吹錬の終点を制御することが難しい。一般に、転炉での脱炭精錬の制御方法としては、スタティック制御とダイナミック制御とが用いられている。ここで、「酸素吹錬」とは、転炉内の溶融鉄に上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて行う精錬を指す。

スタティック制御は、酸素吹錬開始前に測定した溶銑の温度及び組成などに基づいて、酸素供給量や副原料投入量を決定し、酸素吹錬の終点の炭素濃度及び溶鋼温度を制御する方法である。また、スタティック制御では、酸素吹錬の途中で炉内の溶融鉄にサブランスを投入し、溶融鉄のサンプリング及び温度測定（サブランス測定）を実施する。ダイナミック制御は、サブランス測定による溶銑の炭素濃度及び溶融鉄温度に応じて、サブランス測定時から酸素吹錬終点までの酸素供給量及び冷材投入量を決定し、酸素吹錬終点時の溶鋼の炭素濃度及び溶鋼温度を制御する方法である。

ところで、転炉での脱炭精錬におけるダストの発生については、バブルバーストによる説とヒュームによる説とが知られている。バブルバーストによる説では、スピッティング（地金飛散）または気泡の浴面離脱に伴って粒鉄が飛散する現象により、ダストが発生するとしている。一方、ヒュームによる説では、鉄原子の蒸発による現象により、ダストが発生するとしている。但し、いずれの説においても、転炉の脱炭精錬においては、酸素吹錬の進行に伴って、ダストの発生量及び発生割合が増加するとしている。

このようなダストの発生に対する抑制方法として、例えば、特許文献１には、上吹き酸素噴流と溶融鉄との衝突面に形成される２０００℃を超える高温反応領域（「火点」という）について、隣り合う火点間での重なり合う状態を少なくした溶融鉄精錬用上吹きランスが提案されている。特許文献１では、湯面に形成された各ノズルに対応する火点の直径Ｄ（ｍ）と、その火点に隣接する火点との重なりｄ（ｍ）の比で表されるオーバーラップ率γ（＝ｄ/Ｄ）が０．２以下となるように、ランス先端の各ノズルの傾斜角（θ）を定めている。特許文献１によれば、スピッティング、ダストロス、炉寿命がともに良好になるとしている。

特許文献２には、中心孔と周囲の６孔とを有する７孔ランスを用い、火点の最外周位置を炉壁の耐火物位置より０．４ｍ以上離し、火点のオーバーラップ率を総火点面積の３０％以下とし、火点の総面積を、火点の最外周を囲む円の面積の７５％以上とする転炉精錬方法が提案されている。特許文献２によれば、ダスト発生、スピッティング、スプラッシュに起因する歩留まりロスを低減できるとしている。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２は、供給される酸化性ガスの挙動に関しては言及していない。供給された酸化性ガスのうち、炭素と反応せずに溶融鉄と反応した酸化性ガスは、スラグ中に酸化鉄として蓄積される。スラグ中への酸素の過度な蓄積は、脱炭反応速度の低下に加えて鉄歩留まりの低下を招くことになる。

また、転炉の脱炭精錬では、脱炭反応速度は、溶融鉄中の炭素濃度が臨界炭素濃度となるまでの間は酸素供給律速であり、臨界炭素濃度よりも低い炭素濃度域では溶融鉄中の炭素の移動（拡散）律速であると考えられている。ここで、「酸素供給律速」とは、溶融鉄中の炭素濃度とは無関係に、脱炭反応速度が酸素供給速度で決定される状態を指している。しかし、例えば、非特許文献１には、小型溶解炉を用いて溶融鉄の脱炭反応を観察して、発生するガスの連続分析を行い、その結果から、酸素供給律速期においても、排ガス流量と排ガス組成とから観測される脱炭速度は一定でなく、変動していることが記載されている。非特許文献１は、この酸素供給律速期の脱炭速度の変動は、大気泡の発生を伴うことから、表面反応から浴内反応への移行による反応面積の増大に起因していると考えられるとしている。

特許文献３には、転炉から排出される排ガスの情報を利用して脱炭酸素効率を演算し、炭素濃度を精度良く推定し且つ制御する方法が開示されている。

しかしながら、非特許文献１及び特許文献３は、排ガス情報を利用する特性上、排ガスの流量計及び組成分析計までの煙道を排ガスが移動する時間とガスの分析時間とを合計した数十秒の時間遅れが生じるので、実際の操業においてはその遅れ時間以前の炭素濃度を推定することしかできない。そのため、操業条件の変更、サブランス測定の実施などの開始時点を精度良く決定することは難しい。

特開昭６０−１６５３１３号公報 特開２００２−２８５２２４号公報 特開平６−２７４２３１号公報

館充等、生産研究、第２２巻（１９７０）第１１号、p．４８８〜４９０、東京大学生産技術研究所

上記したように、転炉での脱炭精錬において、溶融鉄やダストなどの逸出に伴う生産性低下や鉄歩留まり低下を防止するために、上吹きノズルの改善や精錬剤の添加条件の適正化が行われているが、未だ十分な対策とはいえず、改善の余地がある。

転炉の生産性低下や鉄歩留まり低下を防止するためには、炉内状況をリアルタイムで的確に把握し、上吹きランスからの酸化性ガスの吹き付け条件及び底吹き羽口からの攪拌用ガスの吹き込み条件などを、炉内状況に応じて適正に設定することが重要である。

特に、転炉での脱炭精錬において、供給した酸素のうちで、脱炭反応に用いられる酸素の割合、即ち脱炭酸素効率を高め、スラグ中の酸化鉄を過度に高くせず、鉄歩留まりを高く維持して、脱炭精錬を行うには、脱炭精錬の後半の溶融鉄中の炭素濃度に応じて上吹き条件及び底吹き条件を適正に制御することが重要である。

しかしながら、特許文献１〜３及び非特許文献１では、炉内状況をリアルタイムで監視していないのみならず、溶融鉄中の炭素濃度の変化に応じて、上吹き酸化性ガスの供給速度及び底吹き攪拌用ガスの供給速度などを制御することは意図していない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて、或いは、更に底吹き羽口から酸化性ガスまたは不活性ガスを吹き込んで、転炉に収容された溶銑を脱炭精錬する転炉の操業方法において、時間遅れすることなく、炉内状況をリアルタイムで的確に監視することのできる、転炉の操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］転炉内の溶銑に、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて、或いは、更に底吹き羽口から酸化性ガスまたは不活性ガスを吹き込んで、溶銑を脱炭精錬し、溶銑から溶鋼を製造する転炉の操業方法であって、
前記転炉の炉口から吹き出す炉口燃焼火炎の発光スペクトルまたは前記転炉の出鋼口から観測される出鋼口燃焼火炎の発光スペクトルを測定し、
測定される発光スペクトルの５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長における発光強度の時間変化を算出し、
算出した発光強度の時間変化に基づいて炉内状況の変化を推定し、
前記推定した炉内状況の変化と、転炉から排出される排ガスの流量及びガス組成の測定値から得られる情報と、に基づいて、炉内の溶融鉄の炭素濃度を推定する、転炉の操業方法。
［２］転炉内の溶銑に、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて、或いは、更に底吹き羽口から酸化性ガスまたは不活性ガスを吹き込んで、溶銑を脱炭精錬し、溶銑から溶鋼を製造する転炉の操業方法であって、
前記転炉の炉口から吹き出す炉口燃焼火炎の発光スペクトルまたは前記転炉の出鋼口から観測される出鋼口燃焼火炎の発光スペクトルを測定し、
測定される発光スペクトルの５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長における発光強度の時間変化として、下記の（１）式で定義される発光強度移動平均変化率を算出するとともに、
脱炭精錬前の溶銑の炭素濃度と、転炉内への酸素源の供給量と、転炉から排出される排ガスの流量及びガス組成の測定値と、を用いた物質収支計算に基づいて炉内の溶融鉄中の炭素濃度を推定し、
前記物質収支計算に基づいて推定した炭素濃度が０．６質量％以下であり、且つ、前記発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たす時点で、
上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量、上吹きランスのランス高さ、底吹き羽口から吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量のうちの１種または２種以上を調整する、転炉の操業方法。
発光強度移動平均変化率＝(Ｉ_n ^S−Ｉ_n-m ^S)/[(Ｉ_n ^S＋Ｉ_n-m ^S)/２]……（１）
ここで、Ｉ_ｎ ^Ｓは、加算数をＳとし、時刻Ｔ_ｎを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（a.u.）、Ｉ_ｎ−ｍ ^Ｓは、加算数をＳとし、時刻Ｔ_ｎの（Δｔ×ｍ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−ｍを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（a.u.）、ｍは自然数、Ｓは移動平均の加算数（０以上の整数）であり、Δｔは測定時間間隔（ｓ）である。
［３］前記発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たした時点で、酸素吹錬の制御をスタティック制御からダイナミック制御に切り替えて脱炭精錬を継続する、上記［２］に記載の転炉の操業方法。
［４］前記発光強度移動平均変化率の閾値を、酸素吹錬中の発光強度の推移、排ガス流量、排ガス成分、上吹きランスからの酸素ガス供給速度、上吹きランスのランス高さのうちの少なくとも一つ以上を用いて決定する、上記［２］または上記［３］に記載の転炉の操業方法。
［５］前記発光強度移動平均変化率の閾値を、酸素吹錬中の発光強度の推移、排ガス流量、排ガス成分、上吹きランスからの酸素ガス供給速度、上吹きランスのランス高さのうちの少なくとも一つ以上を用いて、機械学習によって決定する、上記［２］または上記［３］に記載の転炉の操業方法。

本発明によれば、溶銑を脱炭精錬している転炉の炉内状況を、発光スペクトルの解析によってリアルタイムで監視することができ、また、このリアルタイムの監視に加えて、転炉から排出される排ガスの流量及びガス組成の測定値から得られる情報を用いて、炉内溶融鉄の炭素濃度を推定するので、脱炭精錬後半での溶融鉄の炭素濃度を正確に把握することができる。その結果、脱炭精錬の後半での溶融鉄の炭素濃度の変化に伴う、上吹きランスからの酸化性ガス吹き込み条件及び底吹き羽口からの攪拌用ガス吹き込み条件の変更を的確な時点で行うことが可能となり、スラグ中に含まれる酸化鉄を低減し、鉄歩留まりを高めた転炉操業を行うことが可能となる。

酸素吹錬進行度で示す、上吹き条件及び底吹条件の変更時期と、脱炭精錬終了後のスラグ中の酸化鉄含有量との関係を示すグラフである。 本発明の実施に好適な転炉設備の構成を模式的に示す概略図である。 転炉の炉口燃焼火炎の発光スペクトルのうちの６１０ｎｍの波長の発光強度変化率と溶融鉄中の炭素濃度との関係を示すグラフである。 転炉の炉口燃焼火炎の発光スペクトルのうちの６１０ｎｍの波長の発光強度移動平均変化率と溶融鉄中の炭素濃度との関係を示すグラフである。 本発明の実施に好適な転炉設備を図２とは別の方向から見た概略図である。

本発明者らは、溶銑を酸化精錬して溶銑から溶鋼を製造する転炉での脱炭精錬において、脱炭精錬の後半の溶融鉄の炭素濃度の変化をリアルタイムに監視し、炭素濃度に応じて上吹き条件及び底吹き条件を制御し、スラグ中に含まれる酸化鉄を低減することを目的として、以下の検討を行った。即ち、溶銑を脱炭精錬して、溶銑から溶鋼を製造する転炉操業において、スラグ中の酸化鉄の生成に及ぼす、上吹きランスからの酸化性ガスの流量、上吹きランスのランス高さ及び底吹き羽口からの攪拌用ガスの流量の影響について鋭意検討した。尚、脱炭精錬に供する溶銑は、珪素及び燐の含有量がどの程度であっても構わない。

この検討では、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けるとともに、炉底部の底吹き羽口から攪拌用ガスを吹き込むことができる転炉（容量３００トン規模）を使用した。上吹きランスからの酸化性ガスとしては、酸素ガス（工業用純酸素ガス）を使用し、底吹き羽口からの攪拌用ガスとしては、アルゴンガスを使用した。また、上吹きランスは、先端に設置される酸素ガス噴射ノズルの個数が５孔で、その噴射角度が１５°のラバール型噴射ノズルを有する上吹きランスを使用した。尚、噴射ノズルの噴射角度とは、噴射ノズルの酸素ガス噴射方向と上吹きランスの軸心方向との相対角度である。

上記した転炉を用いて、炭素濃度が３．５質量％の溶銑の脱炭精錬を行った。上吹きランスからの酸素ガスの供給は、溶銑の炭素含有量が３．５質量％の時点から開始し、炉内の溶融鉄の炭素含有量が０．０４質量％となる時点まで継続して行った。脱炭精錬の後半では、上吹きランスからの酸素ガス流量、上吹きランスのランス高さ、底吹き羽口からの攪拌用ガスの流量を、それぞれ変更した。上吹き条件及び底吹き条件の変更は、変更時期を、脱炭精錬後半の脱炭反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）の律速段階が、酸素供給律速から溶融鉄中炭素の物質移動律速に変化する時期を中心とし、その前後に種々変化させた。

上吹きランスからの酸素ガス流量の変更は、１０００Ｎｍ^３／ｍｉｎから８３３Ｎｍ^３／ｍｉｎへと減少し、上吹きランスのランス高さの変更は、３．０ｍから２．５ｍへと低下し、底吹き羽口からの攪拌用ガスの流量の変更は、１５Ｎｍ^３／ｍｉｎから３０Ｎｍ^３／ｍｉｎへと増加した。ここで、「上吹きランスのランス高さ」とは、上吹きランスの先端から転炉内における静止状態の溶銑浴面までの距離である。

脱炭精錬の終了後、それぞれの脱炭精錬で発生したスラグを回収し、スラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）を蛍光Ｘ線分析法で測定した。上吹き酸素ガス流量、ランス高さ及び底吹きガス流量の変更時期を、下記の（２）式で定義される酸素吹錬進行度で整理した。

酸素吹錬進行度＝（Ｑ_O2C／Ｑ_O2）×１００……（２）
ここで、Ｑ_O2Cは、上吹き条件及び底吹き条件を変更させた時点での積算酸素量（Ｎｍ^３）、Ｑ_O2は、酸素吹錬終了時の積算酸素量（Ｎｍ^３）である。

図１に、酸素吹錬進行度（％）で示す変更時期と、脱炭精錬終了後のスラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）との関係を示す。図１から、上吹き条件及び底吹き条件を変更させた時点の酸素吹錬進行度が増加するとともに、脱炭精錬終了時のスラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）が増加することがわかる。つまり、酸素吹錬進行度が９０％以上の時期に、上吹き酸素ガス流量、ランス高さ及び底吹きガス流量の変更を行うと、脱炭精錬終了後のスラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）が多くなることがわかった。

即ち、上吹き酸素ガス流量の減少、ランス高さの低下及び底吹きガス量の増加を、酸素吹錬進行度が大きくなる時期（脱炭精錬の末期）に行うほど、とくに脱炭精錬終了に近くなればなるほど、脱炭精錬終了時のスラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）が増加することがわかった。このことから、上吹き条件及び底吹き条件の変更時期が鉄損失に大きく影響しており、脱炭精錬終了時のスラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）を低減するためには、転炉内の炉内状況を把握して、上吹き条件及び底吹き条件の変更時期を決定することが肝要になることを、本発明者らは知見した。

そこで、本発明者らは、転炉の炉内状況を適正に把握するために、転炉の炉口燃焼火炎に着目し、脱炭精錬において、炉口燃焼火炎の発光スペクトルを測定することに思い至った。ここで「炉口燃焼火炎」とは、転炉の炉口から上方の煙道に向かって吹き出す炉内の火炎を指す。

炉口燃焼火炎の発光スペクトルには、転炉内で脱炭反応によって発生するＣＯガスや、このＣＯガスの一部と転炉炉口部分で吸引される空気とが混合して起こる自然発火によって生成するＣＯ_２ガスに関する情報や、炉内の火点から蒸発する鉄原子に由来するＦｅＯ＊（中間生成物）に関する情報が含まれている。この発光スペクトルのうち、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長について、その波長ごとの発光強度をリアルタイムに測定できれば、転炉の炉内状況が、リアルタイムに容易に推定できることを、本発明者らは想到した。

尚、発光スペクトルのうち、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長は、ＦｅＯ＊（中間生成物）の生成及び消失に起因する「FeO orange system band」に相当し、炭化水素系ガスの中間生成物の波長域とは異なる。更に、本発明者らは、ＦｅＯ＊の生成時には、この波長域で吸光ピークが認められ、一方、ＦｅＯ＊の消失時には、同じ波長域で発光ピークが認められ、このうち、発光強度がＦｅＯ＊の消失速度に連動していることを確認している。

ここで、監視しているのは、炉内の溶融鉄浴の火点で主に生成するＦｅＯ＊の電子状態が遷移するときに発せられる或いは吸収される、特定の波長の電磁波である。ＦｅＯ＊は炉内から立ちのぼる火炎と一体になっているので、例えば、脱炭反応が終了に近づいたときはＦｅＯ＊の発生量及びＦｅＯ＊の反応量は減るので、この火炎の発光スペクトルを分光すれば、５８０〜６２０ｎｍの波長の電磁波の強度は減少する。

即ち、脱炭反応速度が溶融鉄中の炭素の物質移動律速になると、ＦｅＯの還元よりもＦｅＯの生成が支配的になり、５８０〜６２０ｎｍの波長の発光強度は急落する。

そこで、上記した転炉での脱炭精錬中に、転炉の炉口燃焼火炎の発光スペクトルを測定した。転炉の炉口燃焼火炎の発光スペクトルの測定は、図２（図２の詳細説明は後述）に示すように、転炉２の正面に分光カメラ６を取り付け、炉口１４と可動式フード１５との隙間から見える炉口燃焼火炎１２を撮影することによって行った。分光カメラ６により撮影された撮影画像を画像解析装置７に送信した。そして、画像解析装置７で画像を記録するとともに、入力された画像データの任意の走査線上を線分析し、発光波長の波長ごとの発光強度を解析した。尚、発光スペクトルの測定及び発光強度解析は、１〜１０秒の一定の測定時間間隔Δｔで行った。また、発光スペクトルの測定と同時に、転炉に備えられたサブランス（自動測温サンプリング装置）を用いて、脱炭精錬中に、１〜２回の頻度で溶融鉄試料の採取、及び、溶融鉄中の炭素濃度の分析を行った。

得られた発光スペクトルの測定結果から、脱炭精錬中に最も変化幅が大きかった６１０ｎｍの波長を特定波長とし、この特定波長における、時刻Ｔ_ｎの発光強度Ｉ_ｎと、そのΔｔ秒前の時刻Ｔ_ｎ−１の発光強度Ｉ_ｎ−１とから、下記の（３）式で定義される発光強度変化率を求めた。測定時間間隔Δｔは、１〜１０秒とした。

発光強度変化率＝（Ｉ_n/Ｉ_n-1）−１……（３）
ここで、Ｉ_ｎは、時刻Ｔ_ｎにおける特定波長の発光強度（a.u.）、Ｉ_ｎ−１は、時刻Ｔ_ｎのΔｔ秒前の時刻Ｔ_ｎ−１における特定波長の発光強度（a.u.）である。

図３に、６１０ｎｍの波長の発光強度変化率と溶融鉄中の炭素濃度との関係を示す。図３から、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％を境界として、発光強度変化率が大きく変化していることがわかる。つまり、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％以上では、発光強度変化率は１．６（図３中の点線）よりも増大していることがわかる。溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％以上では、６１０ｎｍの波長の発光強度が大きく、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％未満では、６１０ｎｍの波長の発光は殆ど観測されない。

図３から、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％未満となる時点、換言すれば、発光強度変化率が１．６以下を満たす時点が、脱炭精錬末期に上吹き条件及び底吹き条件を変更する時期の指標として最適であることがわかった。つまり、スラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）の増加による鉄歩留まりの低下を防止するうえで、発光強度変化率の「閾値」を１．６とし、上吹き酸素ガス流量減少などの上吹き条件及び底吹き条件を変更する時期の指標として、脱炭精錬の後半で、（３）式で算出される発光強度変化率が１．６より高い状態から１．６以下となる時点が最適であることを知見した。尚、発光強度変化率の「閾値」は、１．６に限るわけではなく、それぞれの転炉ごとに予め決定される。

本発明者らは更なる検討を行い、実際の脱炭精錬においては、発光強度スペクトル測定の光路に、クレーンや煙の障害物が侵入する場合があり、その場合には、測定される、（３）式で定義した発光強度変化率が、設定した閾値（１．６）以下を満たし、誤検知することがわかった。このようなことから、或る時刻Ｔ_ｎと、そのΔｔ秒前の時刻Ｔ_ｎ−１における発光強度との比較（瞬時値の比較）だけでは、正確な判定ができない場合があることを知見した。

そこで、本発明者らは、時刻Ｔ_ｎを基準として、時刻Ｔ_ｎと、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×１）秒前の時刻Ｔ_ｎ−１と、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×２）秒前の時刻Ｔ_ｎ−２と、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×３）秒前の時刻Ｔ_ｎ−３と、・・・、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×Ｓ）秒前（Ｓは０以上の整数）の時刻Ｔ_ｎ−Ｓとで、それぞれ発光強度を求め、得られた各発光強度の合計量（和）、即ち発光強度の移動平均を利用して発光強度の時間変化を求めることに思い至った。

このような発光強度の移動平均を利用すれば、発光強度のバラツキを或る程度平均化でき、したがって、発光強度の時間変化のバラツキが小さくなり、より正確な判定を行うことができることに想到した。

上記した発光スペクトルの測定結果から、酸素吹錬中に最も変化幅が大きかった６１０ｎｍの波長を特定波長とした。そして、時刻Ｔ_ｎを基準とし、時刻Ｔ_ｎ−ｉでの特定波長の発光強度Ｉ_ｎ−ｉを、時刻Ｔ_ｎと、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×１）秒前の時刻Ｔ_ｎ−１と、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×２）秒前の時刻Ｔ_ｎ−２と、・・・、時刻Ｔ_ｎから（Δｔ×Ｓ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−Ｓとで、合計（Ｓ＋１）回について求めた。そして、それらを合計（和）し、時刻Ｔ_ｎを基準とする発光強度の移動平均を、下記の（４）式を用いて算出した。尚、Ｉ_ｎ−ｉは、時刻Ｔ_ｎの（Δｔ×ｉ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−ｉにおける特定波長の発光強度（a.u.）である。

また、時刻Ｔ_ｎの（Δｔ×ｍ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−ｍを基準とし、同様に、時刻Ｔ_{ｎ−ｍ−ｉ}での特定波長の発光強度Ｉ_{ｎ−ｍ−ｉ}を、時刻Ｔ_ｎ−ｍと、時刻Ｔ_ｎ−ｍから（Δｔ×１）秒前の時刻Ｔ_{ｎ−ｍ−１}と、時刻Ｔ_ｎ−ｍから（Δｔ×２）秒前の時刻Ｔ_{ｎ−ｍ−２}と、・・・、時刻Ｔ_ｎ−ｍから（Δｔ×Ｓ）秒前（Ｓは０以上の整数）の時刻Ｔ_{ｎ−ｍ−Ｓ}とで、合計（Ｓ＋１）回について求めた。そして、それらを合計（和）し、時刻Ｔ_ｎ−ｍを基準とする発光強度の移動平均を、下記の（５）式を用いて算出した。尚、Ｉ_{ｎ−ｍ−ｉ}は、時刻Ｔ_ｎの（Δｔ×ｍ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−ｍから（Δｔ×ｉ）秒前の時刻Ｔ_{ｎ−ｍ−ｉ}における特定波長の発光強度（a.u.）である。

得られた時刻Ｔ_ｎを基準とする発光強度の移動平均、及び、時刻Ｔ_ｎ−ｍを基準とする発光強度の移動平均から、下記の（１）式で定義される、特定波長の発光強度移動平均変化率を求めた。

発光強度移動平均変化率＝(Ｉ_n ^S−Ｉ_n-m ^S)/[(Ｉ_n ^S＋Ｉ_n-m ^S)/２]……（１）
ここで、Ｉ_ｎ ^Ｓは、加算数をＳとし、時刻Ｔ_ｎを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（a.u.）、Ｉ_ｎ−ｍ ^Ｓは、加算数をＳとし、時刻Ｔ_ｎの（Δｔ×ｍ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−ｍを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（a.u.）、ｍは自然数、Ｓは移動平均の加算数（０以上の整数）、Δｔは測定時間間隔（ｓ）である。

求めた発光強度移動平均変化率と溶融鉄中の炭素濃度との関係を図４に示す。尚、ここでは、測定時間間隔Δｔは１秒、自然数ｍ及び移動平均の加算数Ｓは１０とした。

図４から、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％を境界として、発光強度移動平均変化率が大きく変化していることがわかる。即ち、溶融鉄中の炭素濃度が０．４５質量％以上では、脱炭精錬の進行に伴って発光強度移動平均変化率が増加していくが、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％未満では、発光は減少に転じる。

このように、図４から、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量％未満となる時点、つまり、発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値（点線：ここでは１．８）以下を満たした時点が、脱炭精錬の後半に上吹き条件及び底吹条件を変更する時期の指標として、スラグ中の酸化鉄含有量（質量％ＦｅＯ）の増加による鉄歩留まりの低下を防止するうえで、最適であることがわかった。尚、発光強度移動平均変化率の「閾値」は、１．８に限らず、各精錬炉ごとに予め決定される。

発光スペクトルの測定光路が、クレーンの移動、煙の発生などによって遮断された場合には、（３）式（瞬時値の比較）を用いた発光強度変化率では、発光強度変化率が低くなり、所定の条件（予め設定された閾値以下）を満足したと判定されることがある。これに対して、（１）式の移動平均を用いて算出された発光強度移動平均変化率では、そのようなトラブルがあっても、発光強度のバラツキが平均化され、変化は安定している。

このため、移動平均を用いて算出された発光強度移動平均変化率を用いれば、溶融鉄中の炭素濃度が約０．４５質量未満となる時点、即ち発光強度移動平均変化率が閾値以下を満たす時点のバラツキが少なく、上吹き条件及び底吹き条件の変更時期を安定して決定できることを知見した。

ところで、転炉には、精錬した後の炉内の溶鋼を溶鋼保持容器に排出するための出鋼口が設けられており、通常、出鋼口は開口しているので、出鋼口からも炉内の火炎が観察される。本明細書では、この火炎を「出鋼口燃焼火炎」と称す。つまり、出鋼口を通して観測される出鋼口燃焼火炎或いは出鋼口で観察される出鋼口燃焼火炎の発光スペクトルを測定することで、上記の炉口燃焼火炎の発光スペクトルを測定した場合と同様に、転炉の炉内状況を把握することができる。

本発明に係る転炉の操業方法は、上記知見に基づき、更に検討を加えて完成されたものである。以下、本発明に係る転炉の操業方法の具体的な実施方法を、図面を参照して説明する。図２に、本発明を実施するうえで好適な転炉設備の構成の概略を模式的に示す。

本発明を実施するうえで好適な転炉設備１は、転炉２と、上吹きランス３と、転炉２の正面に配設され、炉口燃焼火炎１２を撮影可能とする分光カメラ６と、該分光カメラ６で撮影された撮影画像を取り出し可能に記録し、該撮影画像を解析する画像解析装置７と、該画像解析装置７で解析されたデータに基づき、制御信号を発信する制御用計算機８と、を有する。更に、制御用計算機８から発信された制御信号により、個別に作動可能に構成される、上吹きランス３のランス高さを調整するためのランス高さ制御装置９、上吹きランス３から噴射する酸化性ガスの流量を調整し且つ流量を測定するための酸化性ガス流量制御装置１０、及び、底吹き羽口４から吹き込む攪拌用ガスの流量を調整するための底吹きガス流量制御装置１１を有する。酸化性ガス流量制御装置１０からは、酸化性ガスの実際の流量が制御用計算機８に入力される。

また、炉口１４の上部に設置される煙道２７には、転炉２から排出される排ガスの組成（ＣＯ、ＣＯ_２、Ｏ_２など）分析するためのガス分析計２４、及び、排ガスの流量を測定するための排ガス流量計２５が設置されている。ガス分析計２４及び排ガス流量計２５によるそれぞれの測定値は、制御用計算機８に入力されている。また、制御用計算機８には、当該チャージで使用する溶銑５の組成（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓなど）、温度、質量、当該チャージで使用する鉄スクラップの組成、質量、及び、当該チャージで使用する鉄鉱石の質量などのデータが、転炉プロセスコンピューター２６から入力される。

制御用計算機８は、酸化性ガス流量制御装置１０から入力される酸化性ガスの供給量、及び、転炉プロセスコンピューター２６から入力される鉄鉱石の質量に基づいて、当該チャージにおける転炉内への酸素源の供給量を算出する。そして、算出した酸素源の供給量と、転炉プロセスコンピューター２６から入力される脱炭処理前の溶銑５の炭素濃度と、ガス分析計２４から入力される排ガス組成の測定値及び排ガス流量計２５から入力される排ガス流量の測定値と、を用いて、脱炭反応における炭素及び酸素の物質収支計算を行い、炉内の溶融鉄中の炭素濃度を推定するように、制御用計算機８は構成されている。

本発明で使用する転炉２は、上吹きランス３から、炉内の溶銑５に向けて酸化性ガス噴流１３を噴射すると同時に、炉底部の底吹き羽口４から、攪拌用ガスを吹き込むことができる構成とする。そして、転炉２の正面には、転炉の炉口燃焼火炎１２の発光スペクトルを測定できる分光カメラ６が取り付けられる。取り付けられた分光カメラ６により、転炉の炉口１４と可動式フード１５との隙間から見える炉口燃焼火炎１２を撮影する。該分光カメラ６により撮影された撮影画像（画像データ）は、逐次、画像解析装置７に送信される。画像解析装置７では、送られた撮影画像（画像データ）を記録するとともに、画像データの任意の走査線上を線分析して、発光波長及び波長ごとの発光強度を解析する。

解析された炉口燃焼火炎１２の画像データは、その都度、制御用計算機８に送信される。制御用計算機８は、入力された解析画像データ、及び、前述した、物質収支計算によって推定した溶融鉄中の炭素濃度（以下、「物質収支計算による炭素濃度推定値」とも記す）に基づき、ランス高さ制御装置９、酸化性ガス流量制御装置１０及び底吹きガス流量制御装置１１を、個別或いは同時に作動させる制御信号を発信するように構成されている。図２中の符号１６は、上吹きランスへの酸化性ガス供給管、１７は、上吹きランスへの冷却水供給管、１８は、上吹きランスからの冷却水排出管である。

本発明では、転炉設備１を用いて、転炉２に収容された溶銑５に、上吹きランス３から酸化性ガスを吹き付けて、或いは、更に底吹き羽口４から酸化性ガスまたは不活性ガスを吹き込んで、溶銑５を酸化精錬して、つまり、溶銑５を脱炭精錬して、溶銑５から溶鋼を製造する。

本発明に係る転炉の操業方法では、分光カメラ６で炉口燃焼火炎１２を撮影し、得られた発光スペクトルを解析して、リアルタイムで転炉２における脱炭精錬中の炉内状況の変化を推定し、この推定した炉内状況の変化と、転炉２から排出される排ガスの流量及びガス組成の測定値から得られる情報と、に基づいて、炉内の溶融鉄の炭素濃度を推定する。

また、本発明に係る転炉の操業方法では、分光カメラ６で炉口燃焼火炎１２を撮影し、得られた発光スペクトルを解析して、リアルタイムで転炉２における脱炭精錬中の炉内状況を監視し、且つ、脱炭反応における炭素及び酸素の物質収支計算によって溶融鉄中の炭素濃度を推定し、発光スペクトルの解析による炉内状況を監視と、物質収支計算による炭素濃度推定値とに基づき、酸素吹錬を制御する。尚、分光カメラ６による炉口燃焼火炎１２の撮影、発光スペクトルの解析は、測定時間間隔Δｔを１〜１０秒の間隔で行うことが、生産性の向上及び鉄歩留まりの向上の観点から好ましい。

撮影して得られた発光スペクトルを、画像解析装置７に取り出し可能に記録する。そして、画像解析装置７では、得られた炉口燃焼火炎１２の発光スペクトルのうち、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長について、発光波長の特定と、波長ごとの発光強度を算出する解析とを行う。

尚、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長は、前述したように、ＦｅＯ＊（中間生成物）の生成と消失に起因するFeO orange system bandに相当し、ＦｅＯ＊の生成時には、この波長域で吸光ピークが認められ、一方、ＦｅＯ＊の消失時には、同じ波長域で発光ピークが認められ、そのうちの発光強度がＦｅＯ＊の消失速度に連動していることを、本発明者らは確認している。つまり、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長は、転炉内での反応を反映し、転炉の炉内状況を容易に推定する手掛かりになることから、測定の対象とした。また、発光強度は、ＦｅＯが励起状態（ＦｅＯ＊）から基底状態に変化する際の発光エネルギーの大きさを表すものである。

そして本発明では、得られた波長ごとの発光強度の時間変化を算出し、該発光強度の時間変化から、炉内状況の変化を推定し、転炉操業の監視に利用する。具体的には、炉口燃焼火炎１２を撮影して得られた発光スペクトルの発光強度の時間変化として、（１）式で示す特定波長の発光強度移動平均変化率を算出して利用する。

尚、発光強度移動平均変化率の算出に使用する特定波長は、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長のうちで、脱炭精錬中の発光強度の変化量が最も大きい波長を予め測定して決定するか、または、当該脱炭精錬中に当該波長域内の複数の波長を監視して、発光強度の変化量が最も大きい波長を、その都度決定する。また、移動平均の加算数であるＳは、０（ゼロ）以上の整数であり、特に限定する必要はないが、１チャージの転炉操業は１０〜２０分と短く、しかも吹錬進行度が、３０秒程度で大きく変化することなどから、加算数Ｓを１０〜３０程度とすることが好ましい。また、発光スペクトル測定における阻害要因が少ないと考えられる場合には、（１）式におけるＳ＝０とする発光強度移動平均変化率（瞬時値）を用いてもよい。

本発明に係る転炉の操業方法では、測定した発光スペクトルの５８０〜６２０ｎｍの範囲の特定波長について、発光強度の時間変化を算出する。そして、脱炭精錬の後半に、物質収支計算による炭素濃度推定値が０．６質量％以下であり、且つ、上記（１）式で定義される発光強度移動平均変化率が予め設定した閾値（例えば、１．８）以下を満たす時点で、上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量減少、ランス高さの低下、底吹き羽口から吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量増加のうちの１種または２種以上を実施する。ここで、「脱炭精錬の後半」とは、当該チャージで予定される総酸素供給量の１／２を供給した後の期間を指す。また、「予め設定された閾値」とは、各転炉ごとに、予備試験を実施し、予め求めた、溶融鉄中の炭素濃度がおよそ０．４５％未満となる発光強度移動平均変化率をいう。

更に、この時点では、上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量を減少すると同時に、上吹きランスのランス高さを低下するか、或いは底吹き羽口から吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量を増加させることが、より好ましい。このような調整により、脱炭酸素効率が向上し、転炉内の溶融鉄の過酸化状態が抑制され、スラグ中の酸化鉄濃度の過度の上昇が軽減され、鉄歩留まりを向上させることができる。

上記（１）式で定義される発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たす時点では、溶融鉄中の炭素濃度は臨界炭素濃度以下になっていると考えられる。尚、臨界炭素濃度は、上吹きガス及び底吹きガスによる溶融鉄の攪拌力と酸化性ガスの流量とによって変化するが、およそ０．４５質量％以下である。脱炭反応が溶融鉄中の炭素の物質移動律速の場合には、吹き込まれた酸化性ガスの一部は、スラグ中に酸化鉄として蓄積され易い状態であるので、この期間における過剰の酸化性ガスの供給は、脱炭酸素効率の低下と鉄歩留まりの低下とを招く。

そのため、本発明に係る転炉の操業方法では、脱炭反応が溶融鉄中の炭素の物質移動律速になった状態の後に、つまり、物質収支計算による炭素濃度推定値が０．６質量％以下であり、且つ、発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たす時点で、上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量の減少、ランス高さの低下、底吹き羽口から吹き込まれる酸化性ガスまたは不活性ガスの流量の増加のうちの１種以上を調整するので、転炉内の溶融鉄の過酸化状態が抑制され、スラグ中の酸化鉄濃度の過度の上昇が軽減される。

尚、上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量の減少量、上吹きランスのランス高さの低下量、底吹き羽口から吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量の増加量は、予め、溶融鉄の攪拌力と酸化性ガスの流量との比率などに基づき、決定しておくことが好ましい。

また、本発明を実施するうえで好適な転炉設備１では、物質収支計算による炭素濃度推定値が０．６質量％以下であり、且つ、上記（１）式で定義される発光強度移動平均変化率が予め設定した閾値以下を満たした時点で、その都度、制御用計算機８から、ランス高さ制御装置９へ、ランス高さを低下するように制御信号を発信するか、上吹きランス酸化性ガス流量制御装置１０へ、噴射する酸化性ガスの流量を減少するように制御信号を発信するか、底吹きガス流量制御装置１１へ、吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量を増加するように制御信号を発信するか、或いは、それら制御信号の全てを同時に発信するように構成されることが好ましい。

上吹きランス３から吹き付ける酸化性ガスは、酸素ガスが一般的であるが、酸素ガスと、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの希ガス、窒素ガスとの混合ガス、空気、酸素富化空気などを用いることができる。尚、ここでいう「酸化性ガス」とは、酸素濃度が空気と同等或いはそれ以上である酸素含有ガスである。また、底吹き羽口４から吹き込むガスは、不活性ガスまたは酸化性ガスであり、酸化性ガスを吹き込む場合は、酸化精錬用の酸化性ガスとして機能するとともに、攪拌用ガスとしても機能する。

上記説明は、炉口燃焼火炎１２を撮影して、転炉２における酸素吹錬中の炉内状況をリアルタイムで監視する場合を例としているが、転炉２の出鋼口から観測される出鋼口燃焼火炎２０の発光スペクトルを測定することで、同様に、転炉２における酸素吹錬中の炉内状況をリアルタイムで監視することができる。

図５に、図２に示す転炉２を図２とは別の方向（図２とは直交する方向）から見た概略図を示す。図５に示すように、外殻を鉄皮２１とし、鉄皮２１の内側に耐火物２２が施工された転炉２には、片側の側壁の耐火物２２を貫通する出鋼口１９が設置されている。転炉２を傾動することで、酸化精錬された炉内の溶融鉄を溶銑保持容器（図示せず）または溶鋼保持容器（図示せず）に出湯するように構成されている。

酸素吹錬中、転炉２の炉内圧は大気圧よりもわずかに低くなるように制御されており、出鋼口１９から空気が炉内に進入し、出鋼口燃焼火炎２０は出鋼口１９からは噴出しない。したがって、この場合には、出鋼口燃焼火炎２０の発光スペクトルを、出鋼口１９を通して、分光カメラで測定することで、炉口燃焼火炎１２を測定した場合と同様に、転炉２における酸素吹錬中の炉内状況をリアルタイムで監視することができる。

転炉２の炉内圧が大気圧よりもわずかに高くなるように制御した場合には、出鋼口燃焼火炎２０が出鋼口１９から炉外側に噴出し、出鋼口燃焼火炎２０の測定が容易になる。図５中の符号２３はスラグである。

また、本発発明を実施する際に、発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たす時点で、炉内にサブランスを投入して炉内の溶融鉄の炭素濃度及び温度を測定する、または、酸素吹錬の制御をスタティック制御からダイナミック制御に切り替えて脱炭精錬を継続することが好ましい。このようにすることで、酸素吹錬終点の溶融鉄中の炭素濃度をより一層正確に制御することが可能となる。

また、炉口燃焼火炎１２のスペクトル解析による炉内状況の判定では、クレーンの通過や炉口への地金の堆積などによる視野の遮蔽などの状況の変化により誤検知となる場合がある。このため、前述した「予め設定された閾値」を、各チャージの転炉操業ごとに変化させることが望ましい。

具体的には、発光強度移動平均変化率の閾値を、酸素吹錬中の発光強度の推移、排ガス流量、排ガス成分、上吹きランスからの酸素ガス供給速度、上吹きランスのランス高さのうちの少なくとも一つ以上を用いて決定することが好ましい。
また、発光強度移動平均変化率の閾値を、酸素吹錬中の発光強度の推移、排ガス流量、排ガス成分、上吹きランスからの酸素ガス供給速度、上吹きランスのランス高さのうちの少なくとも一つ以上を用いて、機械学習によって決定することがより好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、溶銑５を脱炭精錬する転炉２の炉内状況を、発光スペクトルの解析によってリアルタイムで監視することができ、また、このリアルタイムの監視に加えて、転炉から排出される排ガスの流量及びガス組成の測定値から得られる情報を用いて、炉内溶融鉄の炭素濃度を推定するので、脱炭精錬後半での溶融鉄の炭素濃度を正確に把握することが可能となる。

以下、実施例に基づき、更に、本発明について説明する。

［実施例１］
図２に示す転炉２と同様の形式を有する、容量３００トンの上底吹き転炉（酸素ガス上吹き、アルゴンガス底吹き）を用いて、溶銑５の脱炭精錬を行った。上吹きランス３は、先端部に５個のラバールノズル型の噴射ノズルを、噴射角度を１５°として、上吹きランスの軸心に対して同一円周上に等間隔に配置したものを使用した。尚、噴射ノズルのスロート径ｄ_ｔは７３．６ｍｍ、出口径ｄ_ｅは７８．０ｍｍである。

先ず、転炉内に鉄スクラップを装入したのち、予め脱硫処理及び脱燐処理を施した、温度が１３１０〜１３６０℃の３００トンの溶銑を転炉に装入した。溶銑の化学成分を表１に示す。

次いで、底吹き羽口４から、攪拌用ガスとしてアルゴンガスを溶銑中に吹き込みながら、上吹きランス３から、酸化性ガスとして酸素ガスを溶銑浴面に向けて吹き付け、溶銑の脱炭精錬を開始した。尚、鉄スクラップの装入量は、脱炭精錬終了後の溶鋼温度が１６５０℃となるように調整した。

その後、脱炭精錬中に炉上ホッパー（図示せず）から、ＣａＯ系媒溶剤として生石灰を投入して、溶融鉄中の炭素濃度が０．０５質量％となるまで脱炭精錬を行った。尚、生石灰の投入量は、炉内に生成されるスラグの塩基度（(質量％ＣａＯ)／(質量％ＳｉＯ_２)）が２．５となるように調整した。

脱炭精錬中に、所定の測定時間間隔Δｔ：１〜１０秒で、連続的に、転炉２のほぼ正面に設置した分光カメラ６により、転炉２の炉口と可動式フードとの隙間から見える炉口燃焼火炎１２を撮影した。

得られた撮影画像から、画像解析装置７で、発光スペクトル（画像データ）を測定し、得られた発光スペクトルのうち、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長について、各時点における発光波長の特定と、波長ごとの発光強度Ｉ_nを算出する解析を行った。使用した波長（特定波長）は６１０ｎｍとした。解析は、画像データの任意の走査線上を線分析して行った。

得られた各時点における特定波長の発光強度を用いて、発光強度の時間変化として、（１）式で定義される発光強度移動平均変化率を算出し、各時点における転炉内の炉内状況の指標とし、転炉操業を監視した。尚、発光強度移動平均変化率の算出は、（１）式でｍ＝１、Ｓ＝１０とする移動平均を用いて行った。尚、使用した転炉では、（１）式で定義される発光強度移動平均変化率の「予め設定された閾値」は、ｍ＝１、Ｓ＝１０とした場合には１．８であった。

更に、脱炭精錬前の溶銑の炭素濃度、転炉内への酸素源供給量、排ガスの流量、排ガスの組成分析値を用いて、炭素及び酸素の物質収支計算を実施し、それぞれのチャージにおいて、炉内の溶融鉄の炭素濃度を推定した。

そして、物質収支計算による炭素濃度推定値が０．６質量％以下になった以降、（１）式による光強度移動平均変化率が１．８以下を満たした時点で、表２に示すように、上吹きランスからの酸素ガス流量、上吹きランスのランス高さ、底吹きガスの流量のいずれか１種または２種以上を調整した。具体的には、上吹きランスからの酸素ガス流量の調整は、１０００Ｎｍ^３／ｍｉｎから８３３Ｎｍ^３／ｍｉｎへと減少し、ランス高さの調整は、３．０ｍから２．５ｍへと低下し、底吹きガス流量の調整は、１５Ｎｍ^３／ｍｉｎから３０Ｎｍ^３／ｍｉｎへと増加させた。

このような調整は、発光強度移動平均変化率が表２に示す値になった時点で、直ちに制御用計算機８から、ランス高さ制御装置９、酸化性ガス流量制御装置１０および底吹きガス流量制御装置１１に、制御信号を発信して作動させた。

尚、比較例として、（１）式で定義される発光強度移動平均変化率に関係なく、ランス高さ、酸化性ガス流量及び底吹きガス流量の１種以上を、既存のプロセスコンピューターによる物質収支計算に基づき、溶融鉄中炭素濃度が０．４５質量％と推定された時点で、上記した上吹き条件及び底吹き条件となるように調整する操業も実施した。

脱炭精錬終了後、炉内のスラグを回収し、スラグ中の全鉄分量（Total Fe）を、蛍光Ｘ線分析法を用いて調査した。得られた結果を、表２に併記した。

表２に示すように、本発明例は、いずれも比較例に比べて、スラグ中の全鉄分量が少なく、鉄歩留まりが向上した。尚、本発明例と比較例とは、精錬時間はほぼ同じであった。

［実施例２］
実施例１と同じ転炉設備（上底吹き転炉）を用いて、実施例１と同様に、溶銑５の脱炭精錬を行った。

脱炭精錬中に、測定時間間隔Δｔを１秒として、実施例１と同様に、連続的に分光カメラ６により、転炉２の炉口と可動式フードとの隙間から見える炉口燃焼火炎１２を撮影した。得られた撮影画像から、画像解析装置７で、発光スペクトル（画像データ）を測定し、得られた発光スペクトルのうち、５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長について、各時点における発光波長の特定と、波長ごとの発光強度Ｉ_ｎを算出する解析を行った。使用した波長（特定波長）は６１０ｎｍとした。解析は、画像データの任意の走査線上を線分析して行った。

得られた撮影画像から、上記（１）式で、移動平均の加算数Ｓ＝１０、自然数ｍ＝１とする計算式を用いて発光強度移動平均変化率を求め、求めた発光強度移動平均変化率を各時点における転炉内の炉内状況の指標として転炉の操業を監視した。

発光強度移動平均変化率の閾値に関しては、酸素吹錬中の酸素ガス流量の平均値の大小を基に、実施例１に記載する本発明例と同様の２００チャージの操業データを４区分に分け、それぞれの区分の閾値を決定した。つまり、酸素ガス流量の平均値の大小に基づいて、（１）式の発光強度移動平均変化率の閾値を４種に設定した。

そして、実際の操業においては、酸素ガス流量の平均を逐次演算し、酸素ガス流量の平均によって定まる、前記４種のうちの１つの閾値を用いた。そして、物質収支計算による炭素濃度推定値が０．６質量％以下になった以降、（１）式による光強度移動平均変化率が、上記のようにして設定した閾値以下を満たした時点で、上吹きランスからの酸素ガス流量、上吹きランスのランス高さ、底吹きガスの流量のいずれか１種または２種以上を調整した。具体的には、上吹きランスからの酸素ガス流量の調整は、１０００Ｎｍ^３／ｍｉｎから８３３Ｎｍ^３／ｍｉｎへと減少し、ランス高さの調整は、３．０ｍから２．５ｍへと低下し、底吹きガス流量の調整は、１５Ｎｍ^３／ｍｉｎから３０Ｎｍ^３／ｍｉｎへと増加させた。

このようにして（１）式による発光強度移動平均変化率の閾値を決定することで、脱炭精錬終了後のスラグ中の全鉄分量（Total Fe）は、実施例１に記載する本発明例と同等またはそれ以下になり、鉄歩留まりが向上することが確認できた。

［実施例３］
炉口燃焼火炎１２のスペクトル解析による炉内状況の判定では、前述の通り、クレーンの通過や炉口への地金の堆積などによる視野の遮蔽などの状況の変化により誤検知となる場合がある。このため、前述した「予め設定された閾値」も、各チャージの転炉操業ごとに変化させることが望ましい。

そこで、炉口燃焼火炎１２のスペクトル解析を行った２０００チャージについて、サブランスによる測定値（炭素濃度、温度）、排ガス情報から算出した脱炭酸素効率、鉄歩留まりを基に、スペクトル解析で判定すべき時期を、各酸素吹錬ごとにオフライン解析して決定した。更に、スペクトル解析による判定すべき時期を検出できるように、「予め設定された閾値」を、各酸素吹錬ごとに決定した。

更に、上記の２０００チャージのオフライン解析データを教師データとして、ニューラルネットワーク型の機械学習を行った。入力データは、溶銑質量、鉄スクラップ質量、脱炭精錬前の溶銑温度、副原料投入量、吹錬進行度ごとの送酸速度（上吹きランスからの酸素ガス供給速度）、底吹き流量、ランス高さ、排ガス流量、排ガス組成、可動式フード高さなどの３０項目とし、隠れ層は５層とした。

上記のようにして機械学習した、スペクトル解析による判定の閾値の決定方法を用いて、実施例１と同じ転炉設備（上底吹き転炉）を用いて、実施例１と同様に、溶銑の脱炭精錬を行った。脱炭精錬の全吹練時間中に亘り、実施例１と同様に、所定の時間間隔Δｔ：１〜１０秒で、連続的に、分光カメラ６により、転炉２の炉口から吹き出す炉口燃焼火炎１２を撮影し、得られた撮影画像から、画像解析装置７で、発光スペクトル（画像データ）を測定して記録した。発光スペクトルの解析は、（１）式で定義される発光強度移動平均変化率を用い、ｍ＝１、Ｓ＝１０とした。使用した波長（特定波長）は６１０ｎｍとした。

更に、脱炭精錬前の溶銑の炭素濃度、転炉内への酸素源供給量、排ガスの流量、排ガスの組成分析値を用いて、炭素及び酸素の物質収支計算を実施し、それぞれのチャージにおいて、炉内の溶融鉄の炭素濃度を推定した。

このようにして推定した溶融鉄の炭素濃度が、０．６質量％以下となった以降、機械学習により得られた閾値以下を満たした時点で、上吹きランスからの酸素ガス流量、上吹きランスのランス高さ、底吹きガスの流量のいずれか１種または２種以上を調整した（本発明例２）。具体的には、上吹きランスからの酸素ガス流量の調整は、１０００Ｎｍ^３／ｍｉｎから８３３Ｎｍ^３／ｍｉｎへと減少し、ランス高さの調整は、３．０ｍから２．５ｍへと低下し、底吹きガス流量の調整は、１５Ｎｍ^３／ｍｉｎから３０Ｎｍ^３／ｍｉｎへと増加させた。

比較のために、実施例１に記載される、物質収支計算による溶融鉄の炭素濃度の推定を行い、物質収支計算による炭素濃度推定値が０．６質量％以下になった以降、（１）式による光強度移動平均変化率が１．８以下を満たした時点で、ランス高さ、酸化性ガス流量及び底吹きガス流量の１種以上を、上記した上吹き条件及び底吹き条件となるように調整する操業（本発明例１）も実施した。

更に、比較例として、物質収支計算による溶融鉄の炭素濃度の推定を行わず、（１）式で定義される発光強度移動平均変化率の閾値が１．８以下を満たす時点で、ランス高さ、酸化性ガス流量及び底吹きガス流量の１種以上を、上記した上吹き条件及び底吹き条件となるように調整する操業（比較例１）も実施した。

また更に、（１）式で定義される発光強度移動平均変化率に関係なく、ランス高さ、酸化性ガス流量及び底吹きガス流量の１種以上を、既存のプロセスコンピューターによる物質収支計算に基づき、溶融鉄中炭素濃度が０．４５質量％と推定された時点で、上記した上吹き条件及び底吹き条件となるように調整する操業（比較例２）も実施した。

本発明例１、本発明例２、比較例１、比較例２を、それぞれ１００チャージ実施した。いずれの操業においても、上底吹き条件またはランス高さを変更する時点で、炉内にサブランスを投入し、炉内の溶融鉄の炭素濃度及び温度を測定し、また、脱炭精錬終了後、スラグ中の全鉄分量（Total Fe）を、蛍光Ｘ線分析法を用いて調査した。

これらの転炉操業において、サブランスによる溶融鉄の炭素濃度が０．３０±０．０８質量％範囲内であった場合の比率（「検知成功率」と称す）、吹錬時間の平均値及びスラグ中の全鉄分量（Total Fe）の平均値を表３に示す。

表３より明らかなように、本発明例２では、スラグ中の全鉄分量（Total Fe）を低減させる操業が可能である。また、発光強度移動平均変化率を用いた判定においても、本発明例２は、本発明例１及び比較例１よりも検知成功率が高く、鉄歩留まりの向上に寄与することが確認できた。また、本発明例１は、比較例１よりも検知成功率が高く、比較例１に比べて鉄歩留まりが向上することが確認できた。

１ 転炉設備
２ 転炉
３ 上吹きランス
４ 底吹き羽口
５ 溶銑
６ 分光カメラ
７ 画像解析装置
８ 制御用計算機
９ ランス高さ制御装置
１０ 酸化性ガス流量制御装置
１１ 底吹きガス流量制御装置
１２ 炉口燃焼火炎
１３ 酸化性ガス噴流
１４ 炉口
１５ 可動式フード
１６ 上吹きランスへの酸化性ガス供給管
１７ 上吹きランスへの冷却水供給管
１８ 上吹きランスからの冷却水排出管
１９ 出鋼口
２０ 出鋼口燃焼火炎
２１ 鉄皮
２２ 耐火物
２３ スラグ
２４ ガス分析計
２５ 排ガス流量計
２６ 転炉プロセスコンピューター
２７ 煙道

Claims (5)

1. 転炉内の溶銑に、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて、或いは、更に底吹き羽口から酸化性ガスまたは不活性ガスを吹き込んで、溶銑を脱炭精錬し、溶銑から溶鋼を製造する転炉の操業方法であって、
   前記転炉の炉口から吹き出す炉口燃焼火炎の発光スペクトルまたは前記転炉の出鋼口から観測される出鋼口燃焼火炎の発光スペクトルを測定し、
   測定される発光スペクトルの５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長における発光強度の時間変化を算出し、
   算出した５８０〜６２０ｎｍの波長の発光強度の時間変化から、脱炭反応速度が酸素供給律速から溶融鉄中炭素の物質移動律速に変化する時点を推定し、
   変化する時点を推定した時点で、上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量、上吹きランスのランス高さ、底吹き羽口から吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量のうちの１種または２種以上を調整する、転炉の操業方法。
2. 転炉内の溶銑に、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けて、或いは、更に底吹き羽口から酸化性ガスまたは不活性ガスを吹き込んで、溶銑を脱炭精錬し、溶銑から溶鋼を製造する転炉の操業方法であって、
   前記転炉の炉口から吹き出す炉口燃焼火炎の発光スペクトルまたは前記転炉の出鋼口から観測される出鋼口燃焼火炎の発光スペクトルを測定し、
   各転炉ごとに、予備試験により、溶融鉄中の炭素濃度がおよそ０．４５％未満となる、下記の（１）式で定義される発光強度移動平均変化率を予め求め、求めた発光強度移動平均変化率を閾値として予め設定しておき、
   溶銑の転炉での脱炭精錬中に、測定される発光スペクトルの５８０〜６２０ｎｍの範囲の波長における発光強度の時間変化として、下記の（１）式で定義される発光強度移動平均変化率を算出するとともに、
   脱炭精錬前の溶銑の炭素濃度と、転炉内への酸素源の供給量と、転炉から排出される排ガスの流量及びガス組成の測定値と、を用いた物質収支計算に基づいて炉内の溶融鉄中の炭素濃度を推定し、
   前記物質収支計算に基づいて推定した炭素濃度が０．６質量％以下であり、且つ、前記発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たす時点で、
   上吹きランスから吹き付ける酸化性ガスの流量、上吹きランスのランス高さ、底吹き羽口から吹き込む酸化性ガスまたは不活性ガスの流量のうちの１種または２種以上を調整する、転炉の操業方法。
   発光強度移動平均変化率＝(Ｉ_n ^S−Ｉ_n-m ^S)/[(Ｉ_n ^S＋Ｉ_n-m ^S)/２]……（１）
   ここで、Ｉ_ｎ ^Ｓは、加算数をＳとし、時刻Ｔ_ｎを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（a.u.）、Ｉ_ｎ−ｍ ^Ｓは、加算数をＳとし、時刻Ｔ_ｎの（Δｔ×ｍ）秒前の時刻Ｔ_ｎ−ｍを基準とする特定波長の発光強度の移動平均（a.u.）、ｍは自然数、Ｓは移動平均の加算数（０以上の整数）であり、Δｔは測定時間間隔（ｓ）である。
3. 前記発光強度移動平均変化率が予め設定された閾値以下を満たした時点で、酸素吹錬の制御をスタティック制御からダイナミック制御に切り替えて脱炭精錬を継続する、請求項２に記載の転炉の操業方法。
4. 前記発光強度移動平均変化率の閾値を、酸素吹錬中の発光強度の推移、排ガス流量、排ガス成分、上吹きランスからの酸素ガス供給速度、上吹きランスのランス高さのうちの少なくとも一つ以上を用いて決定する、請求項２または請求項３に記載の転炉の操業方法。
5. 前記発光強度移動平均変化率の閾値を、酸素吹錬中の発光強度の推移、排ガス流量、排ガス成分、上吹きランスからの酸素ガス供給速度、上吹きランスのランス高さのうちの少なくとも一つ以上を用いて、機械学習によって決定する、請求項２または請求項３に記載の転炉の操業方法。

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