JP7376795B2 - Ｒｈ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法に関するものである。

ＲＨ式脱ガス装置に代表される真空槽と取鍋との間で溶鋼を環流させる真空脱ガス装置を用いて溶鋼に対して脱炭処理を行う場合、終了後の炭素濃度が規格上下限から外れると、再溶解処理または別製品への振り当てが必要となる。生産性の観点からは、適切なタイミングで脱炭処理を停止して、時間あたりの処理チャージ数を増加させることが必要である。以上のような問題を解決するためには、脱炭処理中の溶鋼内炭素濃度を正確に推定して目標とする値に到達したときに脱炭処理を停止することが必要であり、これまでにもいくつかの方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１は、真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度及び取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度を、真空槽内の溶鋼中炭素濃度と取鍋内の溶鋼中炭素濃度と真空槽内の圧力と溶鋼中酸素濃度と取鍋内の溶鋼質量と真空槽内の溶鋼質量とを用いた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼全体からの炭素の流出速度を算出するモデルを構築し、そのモデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と排ガス中の炭素流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値を、モデルの真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度とに夫々加えて補正するオブザーバにより、取鍋内の炭素濃度を経時的に推定する。

特開２００６－１０４５２１号公報

鉄と鋼、Vol.84(1998), No.10, pp709-714 改訂五版 化学工学便覧 第１３３４頁 製鋼反応の推奨平衡値改訂増補、日本学術振興会製鋼第１９委員会編（１９８４）

特許文献１に記載の方法は、炭素流出速度ｑ_ＣＯＭの算出に脱炭容量係数ａ_ｋを使用しており、このａ_ｋの計算はＣＯガス生成速度ｋを定数として使用している。このＣＯガス生成速度ｋは、真空槽や真空度等の処理毎の条件によって変動する。そのため、ＣＯガス生成速度ｋが脱炭処理ごとに変動しない定数であるとして使用すると、当該脱炭処理の正しいＣＯガス生成速度ｋを用いないこととなるので、脱炭容量係数ａ_ｋの計算精度が低くなる。そのため、特許文献１に記載の方法では、十分な精度で脱炭処理中の溶鋼炭素濃度を推定できないことがわかった。
本発明は、脱炭進行推定精度を向上できる、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法を提供することを課題とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］環流ガスの供給によって取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ_２を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理行う、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法において、
脱炭処理中の脱炭反応速度を、溶鋼中の炭素濃度Ｃの一次式と脱炭速度定数Ｋ_Ｃの積で表される一次反応の微分方程式として定め、
溶鋼中の炭素濃度Ｃおよび酸素濃度Ｏと真空槽内圧力ＰとＣＯガス生成速度ｋを用いて脱炭容量係数ａ_ｋを算出し、環流量Ｑおよび脱炭容量係数ａ_ｋを用いて脱炭速度定数Ｋ_Ｃを計算し、前記定めた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼中の炭素濃度を推定し、推定した溶鋼中の炭素濃度が所定の目標値に達したタイミングに脱炭終了判定をするに際し、
予め、過去の脱炭処理における実績のＣＯガス生成速度ｋと溶鋼情報と排ガス情報との関係に基づいて、溶鋼情報と排ガス情報からＣＯガス生成速度ｋを求める回帰式を作成しておき、
当該脱炭処理時の溶鋼情報と排ガス情報を用いて前記作成した回帰式によってＣＯガス生成速度ｋを算出することを特徴とするＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
ただし、脱炭容量係数ａ_ｋは、真空槽内で溶鋼からＣＯガス気泡として発生する速度を表すパラメータであり、溶鋼中酸素濃度Ｏと真空槽内の溶鋼中炭素濃度Ｃと真空槽内圧力Ｐとに依存する関数として表すことができる。
［２］前記一次反応の微分方程式は下記（１）式であり、前記脱炭容量係数ａ_ｋを算出する式は下記（２）式であり、脱炭速度定数Ｋ_Ｃを計算する式は下記（３）式であることを特徴とする［１］に記載のＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
ｄＣ／ｄｔ＝－Ｋ_Ｃ・Ｃ ・・・（１）
ａ_ｋ＝Ａ・ｋ・Ｋ｛Ｃ・Ｏ－(Ｐ＋Ｐ_ＣＯ ^＊)／Ｋ｝／(２・ρ・ｇ) ・・・（２）
Ｋ_Ｃ＝(Ｑ／Ｗ)・ρ・ａ_ｋ／(Ｑ＋ρ・ａ_ｋ) ・・・（３）
ここで、ｔ：時間、Ａ：反応界面積、Ｋ：炭素の酸化反応の平衡定数、Ｐ_ＣＯ ^＊：ＣＯ気泡臨界圧、ρ：溶鋼密度、ｇ：重力加速度、Ｑ：溶鋼の環流量、Ｗ：取鍋内の溶鋼量
［３］脱炭処理中の時刻（ｔ＝ｔ_Ｓ）において溶鋼中の炭素濃度と酸素濃度を測定してそれぞれＣ_Ｓ、Ｏ_Ｓとし、これらの値を初期値として前記微分方程式を数値的に解くことにより、ｔ＝ｔ_Ｓ以降の各時刻における溶鋼中の炭素濃度Ｃを算出することを特徴とする［１］又は［２］に記載のＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。

極低炭素鋼の溶製方法において、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法を用いるに際し、精度良く脱炭進行を推定し、狙いとする脱炭濃度を高くすることで処理時間の短縮が可能となる。

本発明の溶鋼脱炭を実施するためのＲＨ真空脱ガス装置の構成例を示す図である。 本発明の脱炭処理のフローチャートである。 本発明例と従来例とにおける脱炭処理の開始から停止までの時間の分布を示すグラフである。

《設備概要》
本発明をその実施の形態を示す図面を参照して説明する。図１は本発明の溶鋼脱炭方法を実施するためのＲＨ真空脱ガス装置の構成例である。

図１に示すＲＨ真空脱ガス装置は真空槽１と取鍋２と真空排気設備３とを有する。真空槽１は排気孔４を介して真空排気設備３に接続されており、その内部は真空状態（～２ｔｏｒｒ）となる。取鍋２は精錬された溶鋼５を収容しており、真空槽１の下端には上昇管６と下降管７とが取り付けられている。それらの先端部を取鍋２内の溶鋼５に浸漬し、上昇管６に取り付けされている環流ガス吹込み装置８からＡｒガスやＮ_２ガスといった不活性ガス（以下環流ガス）が溶鋼５に吹き込まれている。

環流ガス吹込み装置８より、溶鋼５内へ環流ガスを吹き込むことで、ガスリフトポンプ作用によって取鍋２、上昇管６、真空槽１、下降管７の順に矢印で示すように溶鋼５を環流させる。この際、真空状態となっている真空槽１内で真空脱炭処理が行われる。

環流ガス吹込み装置８には吹き込まれる環流ガスの流量を計測する環流ガス流量計９が設けられている。また、取鍋２内の溶鋼５に先端を浸漬させ、溶鋼５中の溶存酸素濃度を測定する酸素濃度測定器１０が設けられている。また、真空槽１内の圧力を測定する圧力測定計１１が設けられている。また、真空排気設備３には真空槽１から排出される排ガス中のＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｏ_２濃度を分析するための成分分析器１２と、排ガスの流量を計測する排ガス流量計１３とが設けられている。
本明細書において、酸素濃度については、特に限定を付さない限りは溶存酸素濃度を意味している。

これらの環流ガス流量計９、酸素濃度測定器１０、圧力測定計１１、成分分析器１２及び排ガス流量計１３で得られた計測結果、測定結果及び分析結果は炭素濃度推定部１４に伝送される。炭素濃度推定部１４は入力されたこれらの結果から、本発明の方法に従って取鍋２内の溶鋼５中の炭素濃度を推定し、その推定値を脱炭終了判定部１５へ出力する。脱炭終了判定部１５は入力された炭素濃度の推定値と所定の値（目標値）とを比較し、推定値が所定の値に到達した時点で脱炭処理を終了すべきであると判定し、終了すべき旨の指示を出力する。

《脱炭反応を支配している要因》
環流ガスの供給によって取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ_２を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理行う、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼の脱炭反応は、脱炭反応速度が溶鋼中の炭素濃度に比例する、即ち一次反応として把握することができる。このため、脱炭処理中の脱炭反応方程式を、溶鋼中の炭素濃度Ｃの一次式と脱炭速度定数Ｋ_Ｃの積で表される一次反応の微分方程式として定めることができる。

一次反応として把握する微分方程式として具体的には、時間ｔとの関係で下記（１）式のように記述することができる（非特許文献１の（１）式参照）。
ｄＣ／ｄｔ＝－Ｋ_Ｃ・Ｃ ・・・（１）

環流量Ｑおよび脱炭容量係数ａ_ｋを用いて脱炭速度定数Ｋ_Ｃを計算することができる。具体的には、非特許文献１にあるように、脱炭速度定数Ｋ_Ｃは脱炭容量係数ａ_ｋを用いて下記（３）式で表される（非特許文献１の（４）式参照）。
Ｋ_Ｃ＝(Ｑ／Ｗ)・ρ・ａ_ｋ／(Ｑ＋ρ・ａ_ｋ) ・・・（３）
ここで、Ｑ：溶鋼の環流量、Ｗ：取鍋内の溶鋼量、ρ：溶鋼密度である。

脱炭容量係数ａ_ｋは、真空槽内で溶鋼からＣＯガス気泡として発生する速度を表すパラメータであり、溶鋼中酸素濃度Ｏと真空槽内の溶鋼中炭素濃度Ｃと真空槽内圧力Ｐとに依存する関数として表すことができる。溶鋼中の炭素濃度Ｃおよび酸素濃度Ｏと真空槽内圧力ＰとＣＯガス生成速度ｋを用いて脱炭容量係数ａ_ｋを算出することかできる。具体的には、脱炭容量係数ａ_ｋは、ＣＯガス生成速度ｋを用いて下記(２)式で表される（非特許文献１の（１３）式参照）。
ａ_ｋ＝Ａ・ｋ・Ｋ｛Ｃ・Ｏ－(Ｐ＋Ｐ_ＣＯ ^＊)／Ｋ｝／(２・ρ・ｇ) ・・・（２）
ここで、Ｏ：溶鋼中酸素濃度（溶存酸素）、Ａ：反応界面積、Ｋ：炭素の酸化反応の平衡定数、Ｐ：真空槽内圧力、Ｐ_ＣＯ ^＊：ＣＯ気泡臨界圧である。

《ＣＯガス生成速度ｋの定め方》
非特許文献１では、実験で得られたｋの平均値０．８（ｓ^－１）を用いて計算を行っている。また特許文献１においても、非特許文献１にならって、ｋを定数として扱っている。しかし前述のとおり、このＣＯガス生成速度ｋは、真空槽や真空度等の処理毎の条件によって変動する。そのため、ＣＯガス生成速度ｋが脱炭処理ごとに変動しない定数であるとして使用すると、当該脱炭処理の正しいＣＯガス生成速度ｋを用いないこととなるので、脱炭容量係数ａ_ｋの計算精度が低くなる。そのため、特許文献１に記載の方法では、十分な精度で脱炭処理中の溶鋼炭素濃度を推定できないことがわかった。

ＣＯガス生成速度ｋは、各脱炭処理で採用する溶鋼情報や排ガス情報などによって変動する性質を有し、当該脱炭処理中においては一定値（定数）として扱うことができるが、脱炭処理ごとに異なった値になり得る。数式モデルを用いて溶鋼中の炭素濃度を正確に推定するためには、当該脱炭処理におけるＣＯガス生成速度ｋを、脱炭処理が終了するまでの間に正確に推定することが必要となる。

時刻ｔ＝ｔ_Ｆにおいて脱炭処理が終了し、脱炭処理後の実績炭素濃度Ｃ_Ｆが判明すると、当該脱炭処理におけるＣＯガス生成速度ｋの値を正確に算出することができる。具体的には、脱炭処理中の時刻ｔ＝ｔ_Ｓにおける炭素濃度Ｃ_Ｓと酸素濃度Ｏ_Ｓから、上記（１）～（３）式を用いて時刻ｔ＝ｔ_Ｆにおける炭素濃度と酸素濃度を数値解法で算出し、算出した炭素濃度と酸素濃度との値が、前記実測した時刻ｔ_Ｆにおける実績炭素濃度Ｃ_Ｆ、実績酸素濃度Ｏ_Ｆにできるだけ近い値になるよう、ＣＯガス生成速度ｋの値をフィッティングによって定める。このような方法により、当該脱炭処理における実績のＣＯガス生成速度ｋの値を定めることかできる。

次に、過去の脱炭処理において算出した上記実績のＣＯガス生成速度ｋを従属変数とし、それぞれの脱炭処理における溶鋼情報と排ガス情報を独立変数として、溶鋼情報と排ガス情報からＣＯガス生成速度ｋを求める回帰式を作成する。選択する溶鋼情報と排ガス情報については、それぞれの溶鋼情報と排ガス情報を独立変数、ＣＯガス生成速度ｋを従属変数として単回帰分析を行い、相関の大きい独立変数を選ぶこととすると良い。溶鋼情報として、少なくともＲＨ処理開始（時刻ｔ＝０）から溶鋼サンプル採取までの時間ｔ_Ｓ、時刻ｔ_Ｓでの炭素濃度Ｃ_Ｓと酸素濃度Ｏ_Ｓを含み、排ガス情報として、少なくとも溶鋼サンプル採取時の排ガス流量Ｑ_ｇａｓ、排ガス中の（ＣＯ＋ＣＯ_２）濃度を含むことが好ましい。

《脱炭反応を記述する微分方程式の数値解法》
脱炭反応を記述する微分方程式である前記（１）式において、処理の過程においてＫ_Ｃが一定であれば、（１）式を変形して（４）式のように不定積分形とし、解析的に解いて（５）式を導くことができる。（５）式において、ｔ＝ｔ_０でのＣ分析値をＣ_０とし、積分定数を決めている。
∫ｄＣ／Ｃ＝－Ｋ_Ｃ∫ｄｔ （４）
Ｃ＝Ｃ_０・ｅｘｐ（－Ｋ_Ｃ（ｔ－ｔ_０）） （５）

しかし、Ｋ_Ｃは前記（３）式にあるようにａ_ｋの関数である。ａ_ｋは（２）式にあるように、ｋの関数であるとともに炭素濃度Ｃ、酸素濃度Ｏの関数でもあるため、処理の過程においてＫ_Ｃは変化するため、上記（４）式を用いることができない。

＜第１の数値解法＞
微少時間Δｔ（例えば０．１秒）の間であれば、Ｋ_Ｃを一定値と見なすことができ、（５）式が成立していると考えられる。そこで、時刻ｔにおけるＣの値、Ｏの値に基づいてＫ_Ｃを算出し、（５）式を変形した下記（６）式によって時刻ｔ＋ΔｔにおけるＣの値を算出することが可能となる。ここでＣ（ｔ）、Ｋ_Ｃ（ｔ）は時刻ｔにおけるＣ、Ｋ_Ｃの値である。Ｋ_Ｃ（ｔ）は時刻ｔにおけるＣ（ｔ）などの値から都度算出する。
Ｃ（ｔ＋Δｔ）＝Ｃ（ｔ）・ｅｘｐ（－Ｋ_Ｃ（ｔ）・Δｔ） （６）
上記（６）式によって、サンプル採取時（ｔ_Ｓ）における炭素濃度Ｃ_Ｓ、酸素濃度Ｏ_Ｓを初期値とし、時間ΔｔピッチでＣ（ｔ）を順次計算し、結果として時刻ｔ_ＳからのＣ（ｔ）の時間変化を算出することができる。Ｃ（ｔ）が目標とする炭素濃度に到達した時刻に脱炭処理を終了する。

＜第２の数値解法＞
前記（１）式を差分方程式に変形する。
ΔＣ／Δｔ＝－Ｋ_Ｃ・Ｃ ・・・（７）
Δｔを右辺に移項し、ΔＣを分解すると下記（８）式となる。
Ｃ（ｔ＋Δｔ）－Ｃ（ｔ）＝Ｋ_Ｃ（ｔ）・Ｃ（ｔ）・Δｔ （８）
即ち、時刻ｔにおけるＣの値Ｃ（ｔ）等に基づいて時刻ｔにおけるＫ_Ｃ（ｔ）を算出し、（８）式によって時刻ｔ＋ΔｔにおけるＣの値Ｃ（ｔ＋Δｔ）を算出することが可能となる。ここでＣ（ｔ）、Ｋ_Ｃ（ｔ）は時刻ｔにおけるＣ、Ｋ_Ｃの値である。Ｋ_Ｃ（ｔ）は時刻ｔにおけるＣ（ｔ）などの値から都度（２）式（３）式で算出する。

＜第３の数値解法＞
常微分方程式の数値解法として、ルンゲ・クッタ法が知られている（非特許文献２、特許文献１）。前記（１）式を基礎の常微分方程式とし、ルンゲ・クッタ法を用いることにより、初期値問題として方程式を精度良く数値的に解くことができる。

＜数値解法で計算に用いる各パラメータの算出＞
ａ_ｋを求めるための（２）式において、ＣはＣ（ｔ）として数値解法で順次算出される。その他、Ｏの値、Ｐの値が時間の経過とともに変化するので、これら数値の扱いを定める必要がある。
脱炭処理中において、
Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ガス） （９）
の反応が進行する。従って、時刻ｔ_Ｓでのサンプル採取時の炭素濃度Ｃ_Ｓ、酸素濃度Ｏ_Ｓと、時刻ｔでの算出した炭素濃度Ｃ（ｔ）から、Ｃ_Ｓ－Ｃ（ｔ）で表される炭素低減量と化学量論的に等しい量のＯが低減したものとして、時刻ｔでの酸素濃度Ｏ（ｔ）を算出することができる。酸素濃度測定器１０を用いて測定した時々刻々の酸素濃度測定値を用いることとしても良い。
真空槽内圧力Ｐについては、各時刻で圧力測定計１１によって実測しているＰの値をそのまま用いることができる。
（２）式（３）式で用いられるパラメータのうち、反応界面積Ａは真空槽１内の溶鋼表面積であり、取鍋２内の溶鋼量Ｗは取鍋の形状から定まる。炭素の酸化反応の平衡定数Ｋは、非特許文献３をもとにして、
Ｋ＝１０^{（１１６０／（溶鋼温度（℃）＋２７３）＋２．００３）}×大気圧
として定め、ＣＯ気泡臨界圧Ｐ_ＣＯ ^＊は非特許文献１に記載された値（＝０．７×１０^３Ｐａ）として定める。溶鋼の環流量Ｑは、下記（１０）式で定まる（非特許文献１の（５）式参照）。
Ｑ＝η・Ｄ^４／３・Ｇ^１／３・Ｔ・ｌｎ（Ｐ_０／Ｐ） （１０）
ただし、Ｄ：ＲＨ浸漬管径、Ｇ：環流ガス流量、Ｔ：溶鋼温度、Ｐ_０：吹き込み位置での静圧、Ｐ：真空槽内雰囲気圧力、η：定数（７．４４×１０^３）である。

《ＣＯガス生成速度ｋを定めての微分方程式の数値解析》
前述のように、従来の数値解析においては、ＣＯガス生成速度ｋを定数として定め、脱炭処理中の溶鋼中炭素濃度の経時変化を計算していた。
それに対して本発明では、予め、過去の脱炭処理における実績のＣＯガス生成速度ｋと溶鋼情報と排ガス情報との関係に基づいて、溶鋼情報と排ガス情報からＣＯガス生成速度ｋを求める回帰式を作成しておき、当該脱炭処理の溶鋼情報と排ガス情報を用いて前記作成した回帰式によってＣＯガス生成速度ｋを算出する。

本発明法では、ＲＨ真空脱ガス装置を用いた溶鋼脱炭処理において、脱炭処理開始から処理途中にかけて、上記回帰式で用いている各パラメータの数値を採取し、それら数値を回帰式に代入して、当該脱炭処理におけるＣＯガス生成速度ｋを推定する。
推定したＣＯガス生成速度ｋ、反応界面積Ａ、炭素の酸化反応の平衡定数Ｋ、処理途中の溶鋼５中の炭素濃度Ｃ、処理途中の溶鋼５中の溶存酸素濃度Ｏ、真空槽内圧力Ｐ、ＣＯ気泡臨界圧Ｐ_ＣＯ ^＊、溶鋼密度ρ及び重力加速度ｇを用いて、次式（２）によって脱炭容量係数ａ_ｋを算出する。
ａ_ｋ＝Ａ・ｋ・Ｋ｛Ｃ・Ｏ－(Ｐ＋Ｐ_ＣＯ ^＊)／Ｋ｝／(２・ρ・ｇ) ・・・（２）
算出した脱炭容量係数ａ_ｋ、溶鋼５の環流量Ｑ、取鍋２内の溶鋼５の重量Ｗ及び溶鋼５密度ρを用いて、次式（３）によって脱炭速度定数Ｋ_Ｃを算出する。
Ｋ_Ｃ＝(Ｑ／Ｗ)・ρ・ａ_ｋ／(Ｑ＋ρ・ａ_ｋ) ・・・（３）

以下、実施例を含め、数値解析には前記第１の数値解法を採用した。Δｔ＝０．１秒とし、サンプル採取時（ｔ_Ｓ）における炭素濃度Ｃ_Ｓ、酸素濃度Ｏ_Ｓを初期値とし、（６）式によって、時間ΔｔピッチでＣ（ｔ）を計算し、結果として時刻ｔ_ＳからのＣ（ｔ）の時間変化を算出できる。時刻ｔでの酸素濃度Ｏ（ｔ）については、溶鋼中でＣとＯがＣＯ生成反応を起こしているとして、Ｏ_Ｓの値から化学量論的に算出した。真空槽内圧力Ｐとしては、各時刻における圧力測定計１１の実測値を用いることができる。

数値解法の結果にしたがって、炭素濃度推定部１４は取鍋２内の溶鋼５中の炭素濃度を推定し、その推定値を脱炭終了判定部１５へ出力する。
脱炭終了判定部１５は入力された炭素濃度の推定値と所定の値とを比較し、推定値が所定の値に到達した時点で脱炭処理を終了すべきであると判定し、終了すべき旨の指示を操業者に出力する。

脱炭終了に至るまでのフローチャートを図２に示す。ＲＨ真空脱ガス装置にて溶鋼５の脱炭処理を開始し、回帰式の右辺に登場するパラメータの値を決定して回帰式に代入し、ＣＯガス生成速度ｋを算出する。加えて、溶鋼５中の炭素および酸素濃度と真空槽１内圧力とＣＯガス生成速度ｋを用いて脱炭容量係数ａ_ｋを算出し、環流量Ｑおよび脱炭容量係数ａ_ｋを用いて脱炭速度定数Ｋ_Ｃを算出し、微分方程式で表す数式モデルを用いて炭素濃度推定部１４にて溶鋼５中の炭素濃度を推定する。推定した溶鋼５中の炭素濃度は脱炭終了判定部１５へ出力され、炭素濃度の目標値に到達していない場合は再度炭素濃度推定部１４にて炭素濃度を推定し、溶鋼５中の炭素濃度が目標値に到達するまで再計算を実施する。炭素濃度の目標値に到達している場合、脱炭終了判定部１５は脱炭処理を終了すべきであると判定し、終了すべき旨の指示を操業者に出力する。

本発明を具体的に実施した実施例について説明する。高炉から出銑された溶銑をトーピードカーにて脱珪処理、脱りん処理または脱硫処理などの溶銑予備処理を一つ以上実施した後、溶銑予備処理設備にて脱硫処理を実施し、溶銑を４００ｔｏｎ転炉に装入して脱珪処理、脱りん処理、脱炭処理等などの一次精錬を実施した。転炉での一次精錬により得られた溶鋼を取鍋へ収容し、真空槽まで輸送して真空脱ガス処理を実施した。環流用Ａｒガスの流量を３０００ＮＬ／ｍｉｎ、真空槽内圧力を３００Ｐａとした条件にて、炭素濃度の規格上限を３０ｐｐｍとした極低炭素鋼が得られるように真空脱炭処理を行った。

従来方法（ＣＯガス生成速度ｋを処理ごとに変化させずに定数として定めるモデル）と本発明方法（ＣＯガス生成速度ｋを処理ごとに計算するモデル）にて取鍋内での炭素濃度推定値が脱炭処理後の炭素濃度の目標値２０ｐｐｍに到達し任意の時間経過後、真空槽中にＡｌ合金を投入して脱炭処理を停止した。処理後の取鍋から採取した溶鋼の炭素濃度と、従来方法と本発明方法での脱炭停止時の推定炭素濃度を比較すると、従来方法は標準偏差２．９ｐｐｍ、本発明は標準偏差２．１ｐｐｍで溶鋼中炭素濃度を推定することができた。

炭素濃度の規格上限とモデルの標準偏差を考慮し、脱炭終了後の炭素濃度の目標値を定めた。従来方法を用いる場合、モデルの標準偏差が大きいので、脱炭終了後の炭素濃度の目標値を２２ｐｐｍと低めの目標値とした。推定値が目標値に到達した時に脱炭を停止する試験を４６回行った結果、処理開始から脱炭停止までの時間の分布の平均は１６．７分であった。
一方、本発明方法を用いる場合、モデルの標準偏差が小さいので、脱炭終了後の炭素濃度の目標値を２５ｐｐｍと高めの目標値とした。推定値が目標値に到達した時に脱炭を停止する試験を２０回行った結果、処理開始から脱炭停止までの時間の分布の平均は１５．１分であった。

図３は本発明例と従来例とにおける処理開始から脱炭停止までの時間の分布の平均を示すグラフである。図中の“Ｉ”状線ははらつきを表す。本発明方法を用いることにより、脱炭処理時間を短縮できることが確認できた。

１ 真空槽
２ 取鍋
３ 真空排気設備
４ 排気孔
５ 溶鋼
６ 上昇管
７ 下降管
８ 環流ガス吹込み装置
９ 環流ガス流量計
１０ 酸素濃度測定器
１１ 圧力測定計
１２ 成分分析器
１３ 排ガス流量計
１４ 炭素濃度推定部
１５ 脱炭終了判定部

Claims (3)

1. 環流ガスの供給によって取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ_２を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理行う、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法において、
   脱炭処理中の脱炭反応速度を、溶鋼中の炭素濃度Ｃの一次式と脱炭速度定数Ｋ_Ｃの積で表される一次反応の微分方程式として定め、
   溶鋼中の炭素濃度Ｃおよび酸素濃度Ｏと真空槽内圧力ＰとＣＯガス生成速度ｋを用いて脱炭容量係数ａ_ｋを算出し、環流量Ｑおよび脱炭容量係数ａ_ｋを用いて脱炭速度定数Ｋ_Ｃを計算し、前記定めた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼中の炭素濃度を推定し、推定した溶鋼中の炭素濃度が所定の目標値に達したタイミングに脱炭終了判定をするに際し、
   予め、過去の脱炭処理における実績のＣＯガス生成速度ｋと溶鋼情報と排ガス情報との関係に基づいて、溶鋼情報と排ガス情報からＣＯガス生成速度ｋを求める回帰式を作成しておき、
   当該脱炭処理時の溶鋼情報と排ガス情報を用いて前記作成した回帰式によってＣＯガス生成速度ｋを算出することを特徴とするＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
   ただし、脱炭容量係数ａ_ｋは、真空槽内で溶鋼からＣＯガス気泡として発生する速度を表すパラメータであり、溶鋼中酸素濃度Ｏと真空槽内の溶鋼中炭素濃度Ｃと真空槽内圧力Ｐとに依存する関数として表すことができる。
2. 前記一次反応の微分方程式は下記（１）式であり、前記脱炭容量係数ａ_ｋを算出する式は下記（２）式であり、脱炭速度定数Ｋ_Ｃを計算する式は下記（３）式であることを特徴とする請求項１に記載のＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
   ｄＣ／ｄｔ＝－Ｋ_Ｃ・Ｃ ・・・（１）
   ａ_ｋ＝Ａ・ｋ・Ｋ｛Ｃ・Ｏ－(Ｐ＋Ｐ_ＣＯ ^＊)／Ｋ｝／(２・ρ・ｇ) ・・・（２）
   Ｋ_Ｃ＝(Ｑ／Ｗ)・ρ・ａ_ｋ／(Ｑ＋ρ・ａ_ｋ) ・・・（３）
   ここで、ｔ：時間、Ａ：反応界面積、Ｋ：炭素の酸化反応の平衡定数、Ｐ_ＣＯ ^＊：ＣＯ気泡臨界圧、ρ：溶鋼密度、ｇ：重力加速度、Ｑ：溶鋼の環流量、Ｗ：取鍋内の溶鋼量
3. 脱炭処理中の時刻（ｔ＝ｔ_Ｓ）において溶鋼中の炭素濃度と酸素濃度を測定してそれぞれＣ_Ｓ、Ｏ_Ｓとし、これらの値を初期値として前記微分方程式を数値的に解くことにより、ｔ＝ｔ_Ｓ以降の各時刻における溶鋼中の炭素濃度Ｃを算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。

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