TWI700374B - 熔融金屬成分推定裝置、熔融金屬成分推定方法、及熔融金屬之製造方法 - Google Patents

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Abstract

熔融金屬成分推定裝置(1)係具備：輸入裝置(11)，其係被輸入關於精煉設備(2)的計測資訊，該計測資訊包含：精煉設備(2)中的吹煉處理中關於爐口部的光學特性的計測結果；模型資料庫，其係儲存關於吹煉處理反應的模型式及模型參數，該模型式及模型參數包含：表示精煉設備(2)中的脫碳氧效率與熔融金屬中碳濃度的關係的模型式及模型參數；模型計算部(13b)，其係使用計測資訊與模型式及模型參數，推定包含熔融金屬中碳濃度的熔融金屬的成分濃度；及模型決定部(13a)，其係根據計測結果，推定熔融金屬中碳濃度，且根據推定結果，決定模型計算部(13b)所使用的模型式及模型參數。

Description

熔融金屬成分推定裝置、熔融金屬成分推定方法、及熔融金屬之製造方法
本發明係關於推定鋼鐵業的精煉設備中的熔融金屬及熔渣的成分濃度的熔融金屬成分推定裝置、熔融金屬成分推定方法、及熔融金屬之製造方法。
在煉鐵廠中，在預備處理設備、轉爐、及二次精煉設備等精煉設備中，調整由高爐所被出鐵的熔融銑鐵的成分濃度及溫度。其中，轉爐製程亦為藉由對轉爐內吹入氧來進行熔融金屬中的雜質去除及昇溫的製程，在鋼的品質管理及精煉成本合理化等方面，擔任非常重要的角色。在轉爐製程中，為了使氧停吹時的熔融金屬中碳濃度與目標熔融金屬中碳濃度相一致，在吹煉處理的最後階段，使用表示脫碳氧效率與熔融金屬中碳濃度的關係的模型式，一般進行送氧量控制、或熔融金屬中碳濃度推定。脫碳氧效率開始降低的熔融金屬中碳濃度為約0.4[%](臨界碳濃度)，因此為了取得高計算精度，以熔融金屬中碳濃度到達臨界碳濃度的時序進行模型式計算、或切換模型式，乃極為重要。其中，以下只要沒有特別聲明，%及各種流量係表示mass%及流量原單位。
在專利文獻1中係記載在使用根據吹煉處理開始前的物質平衡計算的模型式等來決定副槍測定的時序的靜態控制；及根據經副槍測定的熔融金屬中碳濃度，使用表示熔融金屬中碳濃度與脫碳氧效率的關係的模型式，來決定至熔融金屬中碳濃度成為目標熔融金屬中碳濃度為止所需的吹入氧量的動態控制中，考慮動態控制所需時間及吹入氧流速，來決定副槍測定的時序的方法。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4677955號公報 [專利文獻2]日本特開2017-115216號公報
(發明所欲解決之課題)
但是，專利文獻1所記載的方法係根據靜態模型，來決定副槍測定的時序。因此，藉由專利文獻1所記載的方法，若因熔融金屬的成分濃度的測定誤差或吹煉處理中的未知外在干擾等而在靜態模型計算發生誤差，以目的的熔融金屬中碳濃度無法實施副槍測定，有無法確保在動態控制為充分的時間的可能性。此外，若為了動態控制的時間確保而由熔融金屬中碳濃度比臨界碳濃度為更高的狀態實施動態控制時，在熔融金屬中碳濃度比臨界碳濃度為更高的區域中，由於脫碳氧效率並不取決於熔融金屬中碳濃度，而受到因熔渣中鐵氧化物還原所致之脫碳的影響，因此有動態控制的精度降低的可能性。
本發明係鑑於上述課題而完成者，其目的在提供尤其在吹煉處理的最後階段，可高精度推定熔融金屬中碳濃度的熔融金屬成分推定裝置及熔融金屬成分推定方法。此外，本發明之其他目的在提供可良率佳地製造具有所希望的成分濃度的熔融金屬的熔融金屬之製造方法。 (解決課題之手段)
本發明之熔融金屬成分推定裝置之特徵為：具備：輸入裝置，其係被輸入關於精煉設備的計測資訊，該計測資訊包含：精煉設備中的吹煉處理中關於爐口部的光學特性的計測結果；模型資料庫，其係儲存關於吹煉處理反應的模型式及模型參數，該模型式及模型參數包含：表示前述精煉設備中的脫碳氧效率與熔融金屬中碳濃度的關係的模型式及模型參數；模型計算部，其係使用前述計測資訊與前述模型式及前述模型參數，推定包含熔融金屬中碳濃度的熔融金屬的成分濃度；及模型決定部，其係根據前述計測結果，推定熔融金屬中碳濃度，且根據推定結果，決定前述模型計算部所使用的前述模型式及前述模型參數。
本發明之熔融金屬成分推定裝置係在上述發明中，在前述計測結果係包含因熔渣中的鐵氧化物的還原反應而來的頻譜的強度變化率，為其特徵。
本發明之熔融金屬成分推定方法之特徵為：包含：模型計算步驟，其係使用：包含精煉設備中的吹煉處理中關於爐口部的光學特性的計測結果之關於精煉設備的計測資訊；及包含表示前述精煉設備中的脫碳氧效率與熔融金屬中碳濃度的關係的模型式及模型參數之關於吹煉處理反應的模型式及模型參數，推定包含熔融金屬中碳濃度的熔融金屬的成分濃度；及模型決定步驟，其係根據前述計測結果推定熔融金屬中碳濃度，且根據推定結果，決定在前述模型計算步驟中所使用的前述模型式及前述模型參數。
本發明之熔融金屬成分推定方法係在上述發明中，在前述計測結果係包含因熔渣中的鐵氧化物的還原反應而來的頻譜的強度變化率，為其特徵。
本發明之熔融金屬之製造方法之特徵為：包含：根據使用本發明之熔融金屬成分推定方法所推定出的熔融金屬的成分濃度，將熔融金屬的成分濃度調整為所希望的範圍內的步驟。 (發明之效果)
藉由本發明之熔融金屬成分推定裝置及熔融金屬成分推定方法，尤其在吹煉處理的最後階段，可高精度地推定熔融金屬中碳濃度。此外，藉由本發明之熔融金屬之製造方法，可良率佳地製造具有所希望的成分濃度的熔融金屬。
以下參照圖示，詳加說明本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定裝置及其動作。
[構成] 首先，參照圖1，說明本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定裝置的構成。
圖1係顯示本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定裝置的構成的模式圖。如圖1所示，本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定裝置1係推定在鋼鐵業的精煉設備2中被處理的熔融金屬101及熔渣103的成分濃度的裝置。在此，精煉設備2係具備有：轉爐100、噴管102、及導管104。在轉爐100內的熔融金屬101上係配置有噴管102。由噴管102的前端朝向下方的熔融金屬101噴出高壓氧(頂吹氧)。藉由該高壓氧，熔融金屬101內的雜質被氧化而被取入至熔渣103內(吹煉處理)。在轉爐100的上部係設置有排放氣體導煙用的導管104。
在導管104的內部配置有排放氣體檢測部105。排放氣體檢測部105係檢測伴隨吹煉處理而被排出的排放氣體的流量及排放氣體中的成分(例如CO、CO2 、O2 、N2 、H2 O、Ar等)。排放氣體檢測部105係根據例如設在導管104內的文氏管(Venturi tube)的前後的差壓來計測導管104內的排放氣體的流量。此外，排放氣體檢測部105係計測排放氣體的各成分濃度[%]。排放氣體的流量及成分濃度係例如以數秒周期予以計測。表示排放氣體檢測部105的檢測結果的訊號係被送至控制終端機10。
在轉爐100內的熔融金屬101係透過形成在轉爐100的底部的通氣孔107而吹入攪拌氣體(底吹氣體)。攪拌氣體係Ar等惰性氣體。被吹入的攪拌氣體係攪拌熔融金屬101，促進高壓氧與熔融金屬101的反應。流量計108係計測被吹入至轉爐100的攪拌氣體的流量。在吹煉處理開始瞬前及吹煉處理後係進行熔融金屬101的溫度及成分濃度的分析。此外，熔融金屬101的溫度及成分濃度係在吹煉處理途中被計測一次或複數次，根據所被計測到的溫度及成分濃度，決定高壓氧的供給量(送氧量)及速度(送氧速度)或攪拌氣體的流量(攪拌氣體流量)等。
適用熔融金屬成分推定裝置1的吹煉處理控制系統係具備：控制終端機10、熔融金屬成分推定裝置1、及顯示裝置20作為主要構成要素。控制終端機10係藉由個人電腦或工作站等資訊處理裝置所構成，以熔融金屬101的成分濃度成為所希望的範圍內的方式，控制送氧量、送氧速度、及攪拌氣體流量，並且收集送氧量、送氧速度、及攪拌氣體流量的實績值的資料。
熔融金屬成分推定裝置1係藉由個人電腦或工作站等資訊處理裝置所構成。熔融金屬成分推定裝置1係具備有：輸入裝置11、模型資料庫(模型DB)12、運算處理部13、及輸出裝置14。
輸入裝置11係被輸入關於精煉設備2的各種計測結果及實績資訊的輸入用介面。在輸入裝置11係有鍵盤、滑鼠指示器、指向裝置、資料接收裝置、及圖形使用者介面(GUI)等。輸入裝置11係由外部接收實績資料或參數設定值等，進行對模型DB12寫入該資訊或送訊至運算處理部13。在輸入裝置11係被輸入精煉設備2中的吹煉處理開始前及吹煉處理中的至少任一方之關於熔融金屬101的溫度與成分濃度的計測結果。關於溫度與成分濃度的計測結果係藉由例如由操作人員所為之手工輸入或由記錄媒體讀入輸入等而被輸入至輸入裝置11。此外，在輸入裝置11係由控制終端機10被輸入實績資訊。實績資訊係包含：藉由排放氣體檢測部105所被計測到之關於排放氣體的流量及成分濃度的資訊、藉由分光器106所被計測到之關於轉爐100的爐口部的光學特性的資訊(爐口分光實績、爐口部光學特性資訊)、送氧量及送氧速度的資訊、攪拌氣體流量的資訊、原料(主原料、副原料)投入量的資訊、熔融金屬101的溫度資訊等。
模型DB12係保存有精煉設備2中關於吹煉處理反應的模型式及其參數(模型參數)的資訊的記憶裝置。在模型式係至少包含表示吹煉處理途中的熔融金屬101中的碳濃度與脫碳氧效率的關係的脫碳模型式。其中，脫碳氧效率意指相對於被吹入至轉爐100內的單位氧量之由熔融金屬101被去除的碳量。此外，在模型DB12係記憶有被輸入至輸入裝置11的各種資訊、及藉由運算處理部13所算出的吹煉處理實績中的計算/解析結果。
運算處理部13係CPU等運算處理裝置，控制熔融金屬成分推定裝置1全體的動作。運算處理部13係具有作為模型決定部13a及模型計算部13b的功能。模型決定部13a及模型計算部13b係例如藉由運算處理部13執行電腦程式來實現。運算處理部13係藉由執行模型決定部13a用的電腦程式而作為模型決定部13a來發揮功能，且藉由執行模型計算部13b用的電腦程式而作為模型計算部13b來發揮功能。其中，運算處理部13亦可具有作為模型決定部13a及模型計算部13b來發揮功能的專用的運算裝置或運算電路。
具有如上所示之構成的熔融金屬成分推定裝置1係藉由執行以下所示之熔融金屬成分推定處理，尤其在吹煉處理的最後階段，高精度推定熔融金屬101及熔渣103的成分濃度。以下參照圖2所示之流程圖，說明執行熔融金屬成分推定處理時的熔融金屬成分推定裝置1的動作。
[熔融金屬成分推定處理] 圖2係顯示本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定處理的流程的流程圖。圖2所示之流程圖係在已開始吹煉處理的時序成為開始，熔融金屬成分推定處理係進至步驟S1的處理。
在步驟S1的處理中，運算處理部13取得熔融金屬101的計測/分析值。具體而言，運算處理部13係取得藉由對熔融金屬101的試樣的溫度計測及成分分析而得的計測/分析結果。藉此，步驟S1的處理完成，熔融金屬成分推定處理係進至步驟S2的處理。
在步驟S2的處理中，運算處理部13由控制終端機10取得排放氣體計測/分析資訊(排放氣體資訊)、爐口部光學特性資訊、及操作量資訊。在平常的轉爐吹煉作業中，排放氣體資訊、爐口部光學特性資訊、及操作量資訊係以一定周期被收集。若在操作量資訊的取得時間與排放氣體資訊的取得時間之間有較大的時間延遲，考慮該時間延遲(以延遲時間份加快排放氣體資訊)而作成資料。此外，若計測值及分析值含有較多雜訊，亦可以進行移動平均計算等平滑化處理後的值來置換計測值及分析值。此外，排放氣體流量的計測值及CO、CO2 的分析值所包含的誤差係以被補正為宜。藉此，步驟S2的處理完成，熔融金屬成分推定處理係進至步驟S3的處理。
在步驟S3的處理中，模型決定部13a根據在步驟S2的處理中所取得的爐口部光學特性資訊，由被記憶在模型DB12的模型式及模型參數之中，決定模型計算部13b使用在計算的模型式及模型參數。具體而言，以轉爐100的爐口部的光學特性而言，在以下反應式(1)所示之伴隨因熔渣中鐵氧化物的還原反應所致之脫碳反應而發出的光的波長頻帶(頻譜(Spectrum))之中，檢測例如波長550nm~650nm的波長頻帶的發光強度的最大值。若熔融金屬中碳濃度達到臨界碳濃度附近，已知因以下反應式(1)所記載的脫碳反應的效率降低，發光強度亦會降低。
FeO+C→Fe+CO　…(1)
因此，模型決定部13a係如圖3(a)所示，算出發光強度的最大值的變化率(發光強度變化率)，將發光強度變化率由正值轉為負值的時序，作為熔融金屬中碳濃度達至臨界碳濃度的時序來進行檢測。接著，模型決定部13a係在熔融金屬中碳濃度比臨界碳濃度為更高的區域，由模型DB12中選擇根據排放氣體資訊及操作量資訊的質量平衡計算式或根據操作量資訊的物理反應模型計算式等模型式及模型參數。另一方面，熔融金屬中碳濃度達至臨界碳濃度的時序之後，如圖3(b)所示，脫碳氧效率進入至取決於熔融金屬中碳濃度的區域，因此模型決定部13a係由模型DB12中選擇脫碳模型式及其模型參數。其中，在本發明中，由模型DB12所選擇的模型式的形式不拘。此外，關於模型式的切換方法，亦可為依模型參數的變更，使脫碳模型式對模型計算的貢獻度變更的方法等。藉此，步驟S3的處理完成，熔融金屬成分推定處理係進至步驟S4的處理。
在步驟S4的處理中，模型計算部13b使用在步驟S3的處理中所決定(選擇)出的模型式及模型參數，算出包含熔融金屬中碳濃度的熔融金屬101的成分濃度，且將關於所被算出的熔融金屬101的成分濃度的資訊輸出至輸出裝置14。其中，熔融金屬101的成分濃度的算出方法的詳細內容記載於例如專利文獻2。藉此，步驟S4的處理完成，熔融金屬成分推定處理係進至步驟S5的處理。
在步驟S5的處理中，運算處理部13判別是否吹煉處理已結束。判別的結果，若吹煉處理已結束(步驟S5：Yes)，運算處理部13係結束一連串熔融金屬成分推定處理。另一方面，若吹煉處理未結束(步驟S5：No)，運算處理部13係將熔融金屬成分推定處理返回至步驟S2的處理。
由以上說明清楚可知，在本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定處理中，模型決定部13a根據爐口部光學特性資訊，推定熔融金屬101的碳濃度，且根據推定結果，決定模型計算部13b所使用的模型式及模型參數。更詳言之，模型決定部13a係根據爐口部光學特性資訊，檢測熔融金屬101的碳濃度已達至臨界碳濃度的時序，且以熔融金屬101的碳濃度已達至臨界碳濃度的時序，將模型計算部13b所使用的模型式及模型參數，切換成根據熔融金屬中碳濃度與脫碳氧效率的關係的模型式及模型參數。藉此，尤其在吹煉處理的最後階段，可高精度推定熔融金屬101的碳濃度。
以上說明適用本發明人等所進行的發明的實施形態，惟並無藉由形成藉由本實施形態所為之本發明之揭示的一部分的記述及圖面來限定本發明的情形。例如，在本實施形態中，係敘述熔融金屬中碳濃度的推定計算中的模型切換，惟可如專利文獻1所記載的方法所示，進行使用靜態模型與動態模型的控制時，根據爐口部光學特性計測資訊，由模型DB12取得動態模型，藉此在適當時序進行動態模型控制。如上所示，根據本實施形態，藉由該領域熟習該項技術者等所進行的其他實施形態、實施例、及運用技術等係全部包含在本發明之範疇內。 [產業上可利用性]
藉由本發明，可提供尤其在吹煉處理的最後階段，可高精度推定熔融金屬中碳濃度的熔融金屬成分推定裝置及熔融金屬成分推定方法。
1‧‧‧熔融金屬成分推定裝置 2‧‧‧精煉設備 10‧‧‧控制終端機 11‧‧‧輸入裝置 12‧‧‧模型資料庫(模型DB) 13‧‧‧運算處理部 13a‧‧‧模型決定部 13b‧‧‧模型計算部 14‧‧‧輸出裝置 20‧‧‧顯示裝置 100‧‧‧轉爐 101‧‧‧熔融金屬 102‧‧‧噴管 103‧‧‧熔渣 104‧‧‧導管 105‧‧‧排放氣體檢測部 106‧‧‧分光器 107‧‧‧通氣孔 108‧‧‧流量計
圖1係顯示本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定裝置的構成的模式圖。 圖2係顯示本發明之一實施形態之熔融金屬成分推定處理的流程的流程圖。 圖3係顯示熔融金屬中碳濃度與發光強度變化率的關係及熔融金屬中碳濃度與脫碳氧效率的關係之一例的圖。
1‧‧‧熔融金屬成分推定裝置
2‧‧‧精煉設備
10‧‧‧控制終端機
11‧‧‧輸入裝置
12‧‧‧模型資料庫(模型DB)
13‧‧‧運算處理部
13a‧‧‧模型決定部
13b‧‧‧模型計算部
14‧‧‧輸出裝置
20‧‧‧顯示裝置
100‧‧‧轉爐
101‧‧‧熔融金屬
102‧‧‧噴管
103‧‧‧熔渣
104‧‧‧導管
105‧‧‧排放氣體檢測部
106‧‧‧分光器
107‧‧‧通氣孔
108‧‧‧流量計

Claims (5)

  1. 一種熔融金屬成分推定裝置，其特徵為：具備：輸入裝置，其係被輸入關於精煉設備的計測資訊，該計測資訊包含：精煉設備中的吹煉處理中關於爐口部的光學特性的計測結果；模型資料庫，其係儲存關於吹煉處理反應的模型式及模型參數，該模型式及模型參數包含：表示前述精煉設備中的脫碳氧效率與熔融金屬中碳濃度的關係的模型式及模型參數；模型計算部，其係使用前述計測資訊與前述模型式及前述模型參數，推定包含熔融金屬中碳濃度的熔融金屬的成分濃度；及模型決定部，其係根據前述計測結果，推定熔融金屬中碳濃度，且根據推定結果，決定前述模型計算部所使用的前述模型式及前述模型參數。
  2. 如申請專利範圍第1項之熔融金屬成分推定裝置，其中，在前述計測結果係包含因熔渣中的鐵氧化物的還原反應而來的頻譜的強度變化率。
  3. 一種熔融金屬成分推定方法，其特徵為：包含：模型計算步驟，其係使用：包含精煉設備中的吹煉處理中關於爐口部的光學特性的計測結果之關於精煉設備的計測資訊；及包含表示前述精煉設備中的脫碳氧效率與熔融金屬中碳濃度的關係的模型式及模型參數之關於吹煉處理反應的模型式及模型參數，推定包含熔融金屬中碳濃度的熔融金屬的成分濃度；及模型決定步驟，其係根據前述計測結果推定熔融金屬中碳濃度，且根據推定結果，決定在前述模型計算步驟中所使用的前述模型式及前述模型參數。
  4. 如申請專利範圍第3項之熔融金屬成分推定方法，其中，在前述計測結果係包含因熔渣中的鐵氧化物的還原反應而來的頻譜的強度變化率。
  5. 一種熔融金屬之製造方法，其特徵為：包含：根據使用如申請專利範圍第3項或第4項之熔融金屬成分推定方法所推定出的熔融金屬的成分濃度，將熔融金屬的成分濃度調整為所希望的範圍內的步驟。
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