TWI844872B - 冷鐵源熔解率推算裝置、轉爐型精鍊爐控制裝置、冷鐵源熔解率推算方法以及熔融鐵的精鍊處理方法 - Google Patents
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Abstract
係提供一種於使用轉爐型精鍊爐之熔融鐵的精鍊中,可抑制計算成本,並且在短時間內精度佳且不受觀測者的主觀所影響下推算冷鐵源熔解動作之冷鐵源熔解率推算裝置。
有關本發明之冷鐵源熔解率推算裝置,係在轉爐型精鍊爐(1)中之熔融鐵的精鍊時,推算裝入於轉爐型精鍊爐之冷鐵源於精鍊中的熔解率之冷鐵源熔解率推算裝置(5),係具備:輸入部(6),係輸入有包含精鍊中的熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度之爐內資訊的測定值或爐內資訊的推算值;及資料庫部(7),係儲存轉爐型精鍊爐中關於熔融鐵的精鍊反應之模型式及參數;及計算部(8),係使用輸入於前述輸入部之前述測定值或前述推算值來計算冷鐵源的熔解率;以及輸出部(9),係顯示前述計算部中所計算之冷鐵源的熔解率。
Description
本發明係關於冷鐵源熔解率推算裝置以及具備該冷鐵源熔解率推算裝置之轉爐型精鍊爐控制裝置,該推算裝置係在將氧氣供給至容納於轉爐型精鍊爐之熔融鐵以將熔融鐵進行氧化精鍊之熔融鐵的精鍊中,即時地推算裝入於轉爐型精鍊爐之冷鐵源的熔解率。此外,係關於即時地推算裝入於轉爐型精鍊爐之冷鐵源的熔解率之冷鐵源熔解率推算方法以及使用該冷鐵源熔解率推算方法之熔融鐵的精鍊處理方法。在此所謂「熔融鐵」,意指熔銑及熔鋼中任一種,在可明確地區分熔銑與熔鋼之情形時,係記載為「熔銑」或「熔鋼」。
近年來從防止地球暖化之觀點來看,於鋼鐵業中亦要求CO
2氣體產生量的降低。於高爐法中,係藉由碳將鐵礦石還原以製造熔銑,為了製造熔銑1噸,需使用約500kg的碳源。另一方面,若於轉爐型精鍊爐中熔解冷鐵源來製造熔銑或熔鋼,則可不須經過由碳所進行之還原工序而製造熔銑或熔鋼。如此,藉由將熔銑或熔鋼取代為同量的冷鐵源,於每1噸所製造之熔融鐵(熔銑或熔鋼)中,預計可減少CO
2氣體約1.5噸。亦即,為了維持熔銑或熔鋼的生產量並抑制CO
2氣體的產生,於製鋼工序中,增加冷鐵源的用量者可謂有效。
然而,於轉爐型精鍊爐中,將於熔銑中調配了冷鐵源之原料進行精鍊以製造脫磷熔銑或熔鋼時,必須補償伴隨著冷鐵源的升溫及熔解之吸熱。此熱是藉由在精鍊時所吹入之氧、與熔銑中含有作為雜質元素之碳及矽的反應熱所支應。
因此,於為了增加冷鐵源的用量而降低熔銑調配率之情形時,僅藉由熔銑中所含有之碳及矽的反應熱,熱量變得不足,於精鍊中會有冷鐵源無法完全熔解之疑慮。所謂熔銑調配率,為熔銑裝入量相對於全裝入量(熔銑裝入量與冷鐵源裝入量之合計)之比率(百分比)。尤其在轉爐型精鍊爐中之熔銑的預脫磷處理中,就熱力學而言是以低溫下的脫磷為有利,所以熔銑的處理溫度最高也僅在1400℃左右。熔銑之預脫磷處理的溫度與轉爐型精鍊爐中之熔銑的脫碳處理(以下亦記載為「脫碳精鍊」)的溫度相比為低溫,因此仍有冷鐵源之未熔解的疑慮。
未熔解的冷鐵源於精鍊後,在出湯該熔料後亦殘留於爐底。在此情形時,於使用該轉爐型精鍊爐之下一批熔料在轉爐型精鍊爐中的熔銑處理中,為了熔解已熔解殘留之冷鐵源,必須提高熔銑調配率,所以冷鐵源的用量並未增加。除此之外,於該精鍊為熔銑的預脫磷處理之情形時,出湯量不足,會產生須另外追加熔銑以進行下一工序的脫碳處理之運轉阻礙。再者,在冷鐵源的鐵錠附著於爐底之情形時,由於底吹風嘴的阻塞而使爐內之熔湯的攪拌惡化,因而產生精鍊能降低之冶金上的缺點。
從以上內容來看,於使用轉爐型精鍊爐之熔融鐵的精鍊中裝入冷鐵源時,尤其於熔銑的預脫磷處理中裝入冷鐵源時,重要的是掌握於精鍊中是否有爐內之冷鐵源的熔解殘留。
掌握是否有冷鐵源的熔解殘留之方法,主要是藉由感測來判定冷鐵源的完全熔解時機之方法,此等方法較多是將用途限定在電爐中。
另一方面,於轉爐型精鍊爐中,掌握是否有冷鐵源的熔解殘留之方法的提案雖少,惟例如於專利文獻1中,係提出一種藉由埋入設置於爐體側壁之測溫探針,在爐體側壁的厚度方向上測定多處的耐火物溫度,並從所得到之溫度梯度與耐火物殘餘厚度中,連續地推算與熔銑接觸之一側的耐火物表面溫度之方法。此係著眼於在爐內的冷鐵源完全地熔解之後,爐內之熔銑的溫度上升速度增加之方法,可從與熔銑接觸之一側之耐火物表面溫度的變遷中,判定冷鐵源的完全熔解時期。
此外,雖缺乏對實際運轉之適用例,惟已提出有許多預測冷鐵源的熔解動作之一維傳熱模型(以下將藉由計算來預測冷鐵源的熔解動作之傳熱模型記載為「冷鐵源熔解模型」)。例如於非專利文獻1、2所記載之冷鐵源熔解模型中,藉由假定熔融鐵-冷鐵源間的熱傳係數及熔融鐵的質量傳遞係數,可精度佳地預測冷鐵源的熔解動作。為了將冷鐵源熔解模型適用在實際運轉,須逐步輸入藉由感測等所得到之熔融鐵溫度、熔融鐵中碳濃度等資訊。於冷鐵源熔解模型的計算中,不僅是冷鐵源的完全熔解時機,亦得到每一時刻的冷鐵源熔解率,所以具有於熔融鐵的精鍊中可預測冷鐵源未熔解的產生之優點。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本特開平8-3614號公報
非專利文獻
非專利文獻1:川上正博, 高谷浩一, Liviu BRABIE, 鐵與鋼, vol. 85(1999) No.9. p.658-665
非專利文獻2:磯部浩一, 前出弘文, 小澤浩作, 梅澤一誠, 齊藤力, 鐵與鋼, vol. 76(1990) No.11. p.2033-2040
[發明所欲解決之課題]
然而,上述先前技術係具有下列問題。亦即於專利文獻1中,並未提及冷鐵源的完全熔解時機成為判定的基準之與熔銑接觸之一側的耐火物表面溫度之上升速度的臨限值,判定會受到操作人員的主觀所影響。除此之外,於實際運轉時亦由於頂吹氣體的流量變更等因素,導致與熔銑接觸之一側之耐火物表面溫度的變遷產生變化,所以錯誤判定或判定延遲之疑慮大。
此外,於非專利文獻1、2所記載之先前的冷鐵源熔解模型中,一般係使用下述(1)式所示之一維傳熱式來計算冷鐵源內部的溫度分布及界面溫度。
在此,於上述(1)式中,Ts為冷鐵源的溫度(K),t為時間(s),α
s為冷鐵源的熱擴散率(m
2/s),x為冷鐵源中的厚度方向位置(m)。
於電腦上計算(1)式時,係進行離散化來處理。因此,在為了提升冷鐵源之熔解動作推算的精度而細化計算格點時,會有計算成本膨大而使計算更耗費時間之問題。為了即時地推算實際運轉時之冷鐵源的熔解動作,與精鍊時間相比,必須大幅地縮短計算時間。
本發明係鑑於上述情況而研創,該目的在於提供一種於使用轉爐型精鍊爐之熔融鐵的精鍊中,在藉由模型計算來即時地推算精鍊中之冷鐵源的熔解率並預測冷鐵源未熔解的產生時,可抑制計算成本,並且在短時間內精度佳且不受操作人員的主觀所影響下推算冷鐵源熔解動作之冷鐵源熔解率推算裝置、轉爐型精鍊爐控制裝置、冷鐵源熔解率推算方法以及熔融鐵的精鍊處理方法。
[用以解決課題之技術手段]
用以解決上述課題之本發明的主旨係如下列所說明。
[1]一種冷鐵源熔解率推算裝置,係在轉爐型精鍊爐中之熔融鐵的精鍊時,推算裝入於前述轉爐型精鍊爐之冷鐵源於精鍊中的熔解率之冷鐵源熔解率推算裝置,係具備:輸入部,係輸入有包含精鍊中的熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度之爐內資訊的測定值或爐內資訊的推算值;及資料庫部,係儲存前述轉爐型精鍊爐中關於熔融鐵的精鍊反應之模型式及參數;及計算部,係使用輸入於前述輸入部之前述測定值或前述推算值來計算前述冷鐵源的熔解率;以及輸出部,係顯示前述計算部中所計算之冷鐵源的熔解率。
[2]如[1]所述之冷鐵源熔解率推算裝置,其中前述輸出部係以運轉前述轉爐型精鍊爐之操作人員可監視之方式來顯示。
[3]一種轉爐型精鍊爐控制裝置,係具備:如[1]或[2]所述之冷鐵源熔解率推算裝置;及製程電腦,係算出用以使前述精鍊的結束時之熔融鐵溫度及熔融鐵成分濃度成為目標值所應供給之氧量,以及是否投入冷卻材或升熱材及其投入量;以及運轉控制用電腦,係根據藉由前述製程電腦所算出之氧量以及冷卻材或升熱材的投入量,以使前述精鍊的結束時之熔融鐵溫度及熔融鐵成分濃度成為目標值之方式來控制運轉條件。
[4]一種冷鐵源熔解率推算方法,係在使用轉爐型精鍊爐來精鍊熔融鐵時,使用計算機來推算裝入於前述轉爐型精鍊爐之冷鐵源於精鍊中的熔解率之冷鐵源熔解率推算方法,係具備:輸入步驟,係將包含精鍊中的熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度之爐內資訊的測定值或爐內資訊的推算值,輸入於前述計算機;及計算步驟,係使用輸入於前述計算機之前述測定值或前述推算值,與模型式及參數來計算冷鐵源的熔解率;以及輸出步驟,係輸出前述計算步驟中所計算之冷鐵源的熔解率。
[5]如[4]所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中於前述輸入步驟中所輸入之前述熔融鐵溫度及前述熔融鐵中碳濃度,為未考量到在1步驟前的前述計算步驟中所得到冷鐵源熔解率而計算之推算值之情形時,係因應1步驟前之冷鐵源的熔解率來修正所輸入之前述熔融鐵溫度及前述熔融鐵中碳濃度,並在前述計算步驟中使用修正後之熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度。
[6]如[4]所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述計算步驟係包含:使用所輸入之熔融鐵溫度來進行傳熱計算,以算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的溫度之界面溫度之工序;及從前述界面溫度來算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的碳濃度之界面碳濃度之工序;以及使用前述界面碳濃度及所輸入之熔融鐵中碳濃度,來進行熔融鐵與冷鐵源之界面附近的碳物質收支計算,以算出冷鐵源的熔解速度之工序。
[7]如[5]所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述計算步驟係包含:使用所輸入之熔融鐵溫度來進行傳熱計算,以算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的溫度之界面溫度之工序;及從前述界面溫度來算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的碳濃度之界面碳濃度之工序;以及使用前述界面碳濃度及所輸入之熔融鐵中碳濃度,來進行熔融鐵與冷鐵源之界面附近的碳物質收支計算,以算出冷鐵源的熔解速度之工序。
[8]如[6]所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述傳熱計算為使用了海勒斯圖(Heisler Chart)的資訊之計算。
[9]如[7]所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述傳熱計算為使用了海勒斯圖的資訊之計算。
[10]如[4]至[9]中任一項所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述精鍊為熔銑的預脫磷處理。
[11]一種熔融鐵的精鍊處理方法,係使用如[4]至[9]中任一項所述之冷鐵源熔解率推算方法,來監視熔融鐵於精鍊中的冷鐵源熔解率,在預計於精鍊結束的時點下會產生冷鐵源的熔解殘留之情形時,係實施升熱劑的添加及精鍊處理時間的延長中任一方或兩者。
[12]如[11]所述之熔融鐵的精鍊處理方法,其中前述精鍊為熔銑的預脫磷處理。
[發明之效果]
根據本發明,可抑制計算成本,並且在短時間內精度佳且不受操作人員的主觀所影響下,推算於使用轉爐型精鍊爐之熔融鐵的精鍊中之冷鐵源的熔解動作。再者,藉由有關本發明之冷鐵源熔解模型,不僅是冷鐵源的完全熔解時機,亦推算每一時刻的冷鐵源熔解率,故可於精鍊中預測冷鐵源未熔解的產生。
以下係參照附加圖面來說明本發明之實施型態的一例。圖1為具備有關本發明之冷鐵源熔解率推算裝置之轉爐型精鍊爐的概略圖。於圖1中,符號1為轉爐型精鍊爐,2為轉爐型精鍊爐控制裝置,3為製程電腦,4為運轉控制用電腦,5為冷鐵源熔解率推算裝置,6為輸入部,7為資料庫部,8為計算部,9為輸出部,10為操作人員,11為熔銑,12為熔渣,13為攪拌用氣體,14為頂吹管。轉爐型精鍊爐控制裝置2係具備製程電腦3、運轉控制用電腦4以及冷鐵源熔解率推算裝置5。
於轉爐型精鍊爐1中,係構成為氧氣(工業用純氧)從頂吹管14朝向裝入於爐內之熔銑11供給,並且攪拌用氣體13從設置在爐底之風嘴(圖中未顯示)被吹送至爐內的熔銑11。亦即,係構成為裝入於爐內之熔銑11一面藉由攪拌用氣體13來攪拌,一面藉由從頂吹管14所供給之氧氣來進行氧化精鍊。亦將從頂吹管14朝向爐內的熔銑11供給氧氣來進行氧化精鍊者,稱為「吹鍊」。
於轉爐型精鍊爐1中,一般而言係進行熔銑11的預脫磷處理以及熔銑11的脫碳處理作為精鍊處理方法。
於熔銑11的預脫磷處理中,首先使用廢鐵流道(圖中未顯示)將作為冷鐵源的廢鐵裝入於轉爐型精鍊爐1,然後使用裝入鍋(圖中未顯示)將熔銑11裝入於爐內。於熔銑11的裝入後,從頂吹管14供給氧氣並從爐底的風嘴供給作為攪拌用氣體13的氮氣等惰性氣體,並適時地添加升熱材、介質溶劑等副原料,而進行熔銑11的預脫磷處理。
轉爐型精鍊爐1中之熔銑11的預脫磷處理,通常是藉由氧氣將熔銑中的磷進行氧化以形成磷氧化物(P
2O
5),並以成為3CaO.P
2O
5(=Ca
3(PO
4)
2)之穩定型態,將所形成之磷氧化物固定在藉由CaO系介質溶劑的渣化所生成之熔渣12而進行。於熔銑11的預脫磷處理中,一旦爐內之熔銑11的磷濃度成為預定值(例如0.050質量%以下),則結束預脫磷處理。在預脫磷處理後,於爐內生成有經脫磷處理之熔銑(稱為「脫磷熔銑」)。
於熔銑11的脫碳處理方法中,首先使用廢鐵流道將廢鐵裝入於爐內,然後使用裝入鍋將熔銑11裝入於爐內。於熔銑11的裝入後,從頂吹管14供給氧氣並從爐底的風嘴供給攪拌用氣體13,並適時地添加冷卻材、升熱材、介質溶劑等副原料,而進行熔銑11的脫碳處理。
熔銑11的脫碳處理係藉由氧氣與熔融鐵中的碳之脫碳反應(C+O→CO)來進行,脫碳處理係進行至爐內之熔融鐵的碳濃度成為預定值(例如0.05質量%以下)為止。在脫碳處理後,熔銑於爐內進行脫碳處理而生成熔鋼。在此所謂「熔融鐵」,意指熔銑及熔鋼中任一種。於熔銑11的脫碳處理中,爐內的熔銑伴隨著脫碳處理的進行而轉變為熔鋼。由於難以將脫碳處理中之爐內的熔湯區分表示為熔銑與熔鋼,所以將熔銑與熔鋼整合記載為「熔融鐵」。
製程電腦3為算出:用以使預脫磷處理結束時之熔銑溫度及熔銑成分濃度、以及脫碳處理結束時之熔融鐵溫度及熔融鐵成分濃度成為目標值所應供給之氧量,以及是否投入冷卻材或升熱材及其投入量之裝置。
運轉控制用電腦4為根據藉由製程電腦3所算出之氧量以及冷卻材或升熱材的投入量,以使預脫磷處理結束時之熔銑溫度、熔銑成分濃度、以及脫碳處理結束時之熔融鐵溫度(熔鋼溫度)及熔融鐵成分濃度(熔鋼成分濃度)成為目標值之方式,來控制運轉條件(氧氣供給量、吹管高度、攪拌用氣體供給量、副原料投入量等)之裝置。為了進一步精度佳地控制精鍊,運轉控制用電腦4的訊號係回饋至製程電腦3。
以下係以將有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置5使用在轉爐型精鍊爐1中之熔銑11的預脫磷處理之情形為例來進行說明。
冷鐵源熔解率推算裝置5為構成轉爐型精鍊爐控制裝置2的一部分之計算機,並且具備輸入部6、及資料庫部7、及計算部8、以及輸出部9。於輸入部6中,係逐步輸入有包含預脫磷處理開始前的熔銑溫度及熔銑中碳濃度或是預脫磷處理中的熔銑溫度及熔銑中碳濃度之爐內資訊的測定值或推算值。於資料庫部7中,係儲存有轉爐型精鍊爐1中關於熔銑11的脫磷反應之模型式及參數。計算部8在爐內資訊被輸入於輸入部6時,係使用所輸入之爐內資訊來進行爐內之冷鐵源的熔解率計算。輸出部9係逐步輸出由計算部8所計算之冷鐵源的熔解率計算結果。
於圖2中顯示冷鐵源熔解率推算裝置5中之廢鐵熔解率計算的流程圖。
於輸入部6中,輸入有該熔料的熔銑裝入量及每種類別的廢鐵裝入量(輸入步驟:S-1)。此外,於輸入部6中,輸入有每一時刻的熔銑溫度及熔銑中碳濃度之值。除了此等每一時刻的熔銑溫度及熔銑中碳濃度之值之外,亦輸入有底吹之每一時刻的攪拌用氣體流量等(輸入步驟:S-2)。輸入每一時刻的熔銑溫度等之值之時間間隔,例如可為每1分鐘或每30秒或每5秒。
在此,每一時刻的熔銑溫度及熔銑中碳濃度之值亦可使用測定值,惟在使用測定值之情形時,分析或測定會耗費時間,所以無法縮短輸入的時間間隔。另一方面,若於精鍊中根據從轉爐型精鍊爐1所排出之排氣資訊等來推算每一時刻的熔銑溫度及熔銑中碳濃度,則可在短時間內取得熔銑溫度及熔銑中的碳濃度。因此可使用熔銑溫度的推算值及熔銑中碳濃度的推算值作為輸入值。
熔銑溫度及熔銑中碳濃度之每一時刻的推算係可進行如下。首先從送氧量或所投入之氧化鐵等的氧輸入量、以及從排氣流量及排氣成分(CO氣體濃度、CO
2氣體濃度、O
2氣體濃度等)所得到之氧輸出量中,以爐內氧收支成為最小之方式將熔銑中碳的燃燒所使用之氧量進行修正計算。然後從熔銑中碳的燃燒所使用之氧量中求取所燃燒之熔銑中的碳量,並從所燃燒之熔銑中的碳量來推算熔銑中碳濃度。此時藉由將所計算之碳濃度的變化轉換為反應熱,來推算熔銑溫度。
熔銑溫度及熔銑中碳濃度雖伴隨著廢鐵的熔解而產生變化,惟在直接使用上述推算值之情形時,乃無法考量廢鐵熔解的影響。因此如後述般,只需使用假定廢鐵完全地熔解所算出之推算值即可。另一方面,底吹之攪拌用氣體流量只需使用實際以流量計所測定之實績值即可。
於資料庫部7中,係儲存有關於熔銑11的精鍊反應(例如「脫磷反應」或「脫碳反應」等)或傳熱之模型式及參數或物性值。參數係有廢鐵的初期厚度、廢鐵的初期溫度等。此等參數係因應廢鐵的每種類別來輸入。此外,物性值為廢鐵的熔解潛熱或熔銑的比熱等。
計算部8係從資料庫部7中讀出模型式及參數或物性值,並且從輸入部6中讀取逐步輸入之熔銑溫度及熔銑中碳濃度,並連同參數或物性值輸入於模型式,來計算冷鐵源的熔解率(計算步驟:S-3)。冷鐵源之熔解率的計算係在熔銑溫度及熔銑中碳濃度被輸入於輸入部6之際,或是熔銑溫度及熔銑中碳濃度被輸入於輸入部6複數次(惟20次以下)的每次中進行。
在此,冷鐵源之熔解率的計算較佳是由:使用所輸入之熔銑溫度來進行傳熱計算,以算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的溫度之界面溫度之工序;及從所算出之界面溫度來算出作為界面的碳濃度之界面碳濃度之工序;以及使用前述界面碳濃度及所輸入之熔銑中碳濃度來進行界面附近的碳物質收支計算,以算出冷鐵源的熔解速度之工序所構成。此外,如後述般,傳熱計算較佳為採用了海勒斯圖的資訊之方法。根據使用了海勒斯圖的資訊之方法,可進一步縮短計算時間。
輸出部9為顯示計算部8中所計算之冷鐵源的熔解率之裝置,例如為液晶顯示器。輸出部9係以運轉轉爐型精鍊爐1之操作人員10可監視之方式來顯示計算部8中所計算之冷鐵源的熔解率(輸出步驟:S-4)。
轉爐型精鍊爐1的操作人員10係觀看輸出部9的顯示內容,並於該熔料的處理中可確認在該時點下有何種程度的廢鐵熔解。然後可採取因應廢鐵的熔解程度之行動。
將計算部8中之具體的冷鐵源熔解率的計算內容表示如下。廢鐵的物性值或熔解速度等關於廢鐵之式子,係對廢鐵的每種類別來計算。
於計算中所使用之熔銑的質量、溫度及碳濃度,係分別以下述(2)式至(4)式所表示。
在此,W為熔銑質量[ton],W
0為熔銑裝入量[ton],S
m為廢鐵熔解率[質量%],W
S0為廢鐵裝入量[ton],T為冷鐵源熔解率計算中所使用之熔銑溫度[K],T
0為輸入於輸入部之熔銑溫度[℃],H
m為廢鐵的熔解潛熱[MJ/ton],C
P為熔銑的比熱[kJ/(kg×K)],C為冷鐵源的熔解率計算中所使用之熔銑中碳濃度[質量%],C
0為輸入於輸入部之熔銑中碳濃度[質量%],C
s為廢鐵的碳濃度[質量%],W
S為未熔解廢鐵質量[ton]。下標[t-1]表示於1步驟前的計算中所得到之值,以下亦同。
熔銑溫度及熔銑中碳濃度係伴隨著廢鐵的熔解而變化。因此,為了提高計算精度,較佳係將反映了1步驟前所計算之廢鐵熔解率的熔銑溫度及熔銑中碳濃度設成為輸入值,來進行下一步驟的計算。然而,為了進行此方法須進行重複計算,而耗費計算時間。另一方面,在使用未考量到廢鐵熔解率之熔銑溫度及熔銑中碳濃度的推算值之情形時,由於無法考量廢鐵熔解的影響,所以計算精度降低。
因此,較佳係對假定廢鐵完全熔解所算出之熔銑溫度及熔銑中碳濃度的推算值進行修正而使用。在此,(3)式及(4)式為在輸入於輸入部6之熔銑溫度及熔銑中碳濃度為假定廢鐵完全熔解所算出之推算值之情形時,修正為因應於1步驟前的計算中所得到之冷鐵源熔解率之熔銑溫度及熔銑中碳濃度的式子。
藉由將(3)式及(4)式中所得到之修正值使用在冷鐵源熔解率計算,而提升計算精度。(3)式及(4)式中所得到之修正值僅使用在冷鐵源熔解率計算,並不會回饋至下一步驟之熔銑溫度推算及熔銑中碳濃度推算的計算。
計算中所使用之熔銑的物性值等,可藉由例如下述(5)式至(12)式來計算。
在此,ρ為熔銑的密度[ton/m
3],ε
B為由底吹之攪拌用氣體所形成之攪拌動力[kW/ton],Q
B為攪拌用氣體的流量[Nm
3/min],g為重力加速度[m/s
2],L
0為轉爐型精鍊爐內的浴深[m],P為爐內氣壓[Pa],h為熱傳係數[W/(m
2×K)],D為熔銑的擴散係數[m
2/s],α為熔銑的熱擴散率[m
2/s],λ為熔銑的熱傳導率[W/(m×K)],μ為熔銑的黏度[mPa×s],k為熔銑的質量傳遞係數[m/s],Sc為史密特數(Schmidt Number)[-],Pr為蒲朗多數(Prandtl Number)[-]。
(7)式為對刊物1所記載之容量310噸的頂吹轉爐型精鍊爐以及容量240噸的底吹轉爐型精鍊爐中之廢鐵的熔解動作進行解析所得到之經驗式(刊物1:H. Gaye, M. Wanin, P. Gugliermina and P. Schittly: 68th Steelmaking Conf. Proc., ISS, Detroit, MI, USA, (1985), 91.)。此外,(5)式、(8)式、(9)式及(11)式為將便覽等中所報告之文獻值修正為熔銑溫度及熔銑中碳濃度之函數式的形式者。在此,(8)式為表示鐵-碳熔融合金中之碳的自擴散係數之式,(9)式及(11)式分別為熔銑的熱擴散率及熔銑的黏度,惟皆忽視碳濃度的影響。
計算中所使用之廢鐵的物性值等,可藉由例如下述(13)式至(19)式來計算。
在此,Fo為傅立葉數[-],α
s為廢鐵的熱擴散率[m
2/s],t為時間[s],t
s為廢鐵的厚度[m],θ為廢鐵的中心無因次溫度[-],T
s為廢鐵的中心溫度[K],C
PS為廢鐵的比熱[kJ/(kg×K)],λ
s為廢鐵的熱傳導率[W/(m×K)],ρ
s為廢鐵的密度[ton/m
3]。
於(14)式中,廢鐵的中心無因次溫度變化係假定為依循畢奧數(Biot Number)Bi=∞且平板之海勒斯圖。此外,在假定廢鐵的溫度無不均而呈一致時,廢鐵的中心溫度係以(15)式來計算。再者,(16)式至(18)式為將便覽等中所報告之文獻值修正為廢鐵溫度之函數式的形式者,且皆忽視碳濃度的影響。
在將熔銑及廢鐵是為溫度一致的半無限物體時,界面溫度T
i[K]理論上是以下述(20)式來表示。
如前述所說明,於以往冷鐵源熔解的計算中,採用前述(1)式所表示之一維傳熱式來計算冷鐵源內部的溫度分布及界面溫度之手法,為一般所使用者。然而,於電腦上計算(1)式之情形時,需進行離散化來處理,此時在為了提升計算精度而細化計算格點時,會使計算成本膨大且難以進行即時計算,另一方面,為了縮短計算時間並削減計算成本而粗化計算格點時,計算精度會有所犧牲。
於本發明中,為了兼具計算成本削減與計算精度兩者,通常是使用將(1)式所表示之冷鐵源內部的溫度分布及界面溫度的計算取代為(13)式至(20)式之冷鐵源熔解模型,藉此可大幅減少計算次數及計算時間。
再者,若假定界面碳濃度C
i中的液相線溫度為界面溫度T
i,則於鐵-碳二元系合金中,界面碳濃度C
i係以下述(21)式所表示。
在此,C
i為界面碳濃度[質量%],T
i為界面溫度[K]。
從界面附近之碳的物質收支來看,廢鐵的熔解速度Δt
s係以下述(22)式所表示。於廢鐵的熔解進行時,Δt
s係表示正值。
在此,Δt
s為廢鐵的熔解速度[m/s],k為熔銑的質量傳遞係數[m/s]。
若廢鐵僅從厚度方向的兩側一致地熔解而減厚,則廢鐵的厚度ts係以下述(23)式所表示,此外,廢鐵的熔解率S
m係以下述(24)式所表示。
在此,Δt為計算時間間隔[s],t
S0為廢鐵的初期厚度[m]。
藉由以上的計算,可求取熔銑11的預脫磷處理中之廢鐵的熔解率變遷。
計算部8係判定全部類別之廢鐵的熔解率是否為100質量%(計算步驟:S-5)。計算部8在廢鐵熔解率未達100質量%之情形時,係重複實施廢鐵熔解率的計算。另一方面,於全部類別之廢鐵的熔解率為100質量%之情形時,係將「廢鐵熔解率=100質量%」顯示於輸出部9(輸出步驟:S-6)。
一旦經由輸入部6從製程電腦3輸入「吹鍊結束」的訊號,計算部8結束廢鐵熔解率的計算(計算步驟:S-7)。另一方面,係持續將「廢鐵熔解率=100質量%」顯示於輸出部9直到從製程電腦3接收「吹鍊結束」的訊號為止。
廢鐵熔解率的計算結果被逐步顯示於輸出部9。操作人員10係監視輸出部9,並在從廢鐵熔解率的變遷中預計於預脫磷處理結束時點(精鍊結束時點)下會產生廢鐵的熔解殘留之情形時,為了完全地熔解廢鐵,係實施鐵-矽合金或煤焦等升熱劑的添加及預脫磷處理時間(精鍊處理時間)的延長中任一方或兩者。於熔解殘留為5質量%以下之情形時,即使不採用升熱劑的添加或預脫磷處理時間的延長,亦不會有實質上的問題。
上述說明係以將有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置5使用在轉爐型精鍊爐1中之熔銑11的預脫磷處理者為例來說明,惟對於轉爐型精鍊爐1中之熔銑11的脫碳處理,亦可依循上述說明來使用有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置5。惟於熔銑11的脫碳處理中,爐內的熔銑伴隨著脫碳處理的進行而轉變為熔鋼。由於難以將脫碳精鍊中之爐內的熔湯區分表示為熔銑與熔鋼,所以將圖2中之「熔銑中碳濃度」取代為「熔融鐵中碳濃度」,將「熔銑溫度」取代為「熔融鐵溫度」,並使用有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置5。
如以上所說明,藉由使用有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置5,可抑制計算成本,並且在短時間內精度佳且不受操作人員的主觀所影響下推算使用轉爐型精鍊爐之熔融鐵的精鍊中之冷鐵源的熔解動作。再者,藉由有關本實施型態之冷鐵源熔解模型,不僅是冷鐵源的完全熔解時機,亦推算每一時刻的冷鐵源熔解率,故可於精鍊中預測冷鐵源未熔解的產生。
實施例1
係進行下列實驗:於內徑430mm之圓筒形的爐中熔製300kg的熔銑,將仿照冷鐵源(廢鐵)之方型純鐵製的樣本(大小;50mm×50mm×100mm)浸漬在此熔銑中80mm,並調查預定時間後的樣本熔解率。
熔銑的溫度及碳濃度為:(1)相當於熔銑之預脫磷處理的起始時點(熔銑溫度=1300℃、熔銑中碳濃度=3.8質量%),以及(2)相當於熔銑之預脫磷處理的結束時點(熔銑溫度=1400℃、熔銑中碳濃度=2.8質量%)2種。此外,不進行氣體往熔銑之吹送,而是藉由自然對流來攪拌熔銑。
將樣本浸漬預定時間後進行回收及空冷,並藉由下述(25)式來算出樣本的熔解率。
於上述(25)式中,S
m’為樣本的熔解率[質量%],W
S0為浸漬前的樣本質量[kg],W
S為浸漬後的樣本質量[kg],L
S為樣本的高度(=100[mm]),D
S為樣本的浸漬深度[mm]。
此外,為了測定熔銑溫度及熔銑中碳濃度,係於樣本的浸漬前後,適當地藉由浸漬型熱電偶來進行熔銑溫度的測溫以及從熔銑中採集化學分析用試樣。
係對實驗結果與依據有關本實施型態之冷鐵源熔解模型的計算結果進行比較並顯示於圖3。於有關本實施型態之冷鐵源熔解模型中,係將輸入熔銑溫度等之值的時間間隔設成為每隔5秒,並於每次輸入熔銑溫度等之值時計算冷鐵源的熔解率。從圖3中可得知藉由使用有關本實施型態之冷鐵源熔解模型,可精度佳地推算冷鐵源的熔解變遷。於圖3中,浸漬時間最短之樣本的熔解率的實績值成為負值。該理由是由於廢鐵的溫度低,周圍的熔鋼凝固而附著於廢鐵使廢鐵的質量增加,所以使樣本熔解率的實績值於表觀上成為負值之故。
實施例2
於容量320噸規模的頂底吹轉爐型精鍊爐(氧氣頂吹+氬氣底吹)中,從廢鐵流道將冷鐵源(廢鐵),投入7至50噸於轉爐型精鍊爐,然後裝入熔銑並進行爐內之熔銑的預脫磷處理。
在與預脫磷處理開始的同時,係假定廢鐵完全地熔解並根據排氣資訊等,另外推算熔銑溫度及熔銑中碳濃度,並使用此等爐內資訊的推算值及底吹流量的實績值,藉由有關本實施型態之冷鐵源熔解模型即時地推算廢鐵的熔解動作。於本實施例中,係將輸入熔銑溫度等之值的時間間隔設成為每隔5秒,並於每次輸入熔銑溫度等之值時計算冷鐵源的熔解率。
係將脫磷處理結束時點下之廢鐵之未熔解率的計算值表示於表1。於表1中,「產生未熔解」為在脫磷處理結束時點下,實際上已確認到未熔解的廢鐵之熔料。「疑有未熔解」為在脫磷處理結束時點下,雖未確認到未熔解的廢鐵,但從熔銑溫度的變遷或熔銑中碳濃度中,疑有未熔解的產生之熔料。「無未熔解」為在脫磷處理結束時點下,未確認到未熔解的廢鐵,且無疑有未熔解的產生之熔料。
如表1所示,於「無未熔解」中,係以熔料數之10%的機率判定為廢鐵未熔解,而在「產生未熔解」中,則以100%的機率偵測到廢鐵未熔解。從該結果來看,有關本實施型態之冷鐵源熔解模型雖有過度偵測未熔解之傾向,但成功地偵測到產生未熔解的熔料。此外,於「疑有未熔解」中,係以熔料數之73%的機率判定為廢鐵未熔解,從此來看,亦可確認有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置以及冷鐵源熔解率推算方法能夠適用在實際運轉中。
1:轉爐型精鍊爐
2:轉爐型精鍊爐控制裝置
3:製程電腦
4:運轉控制用電腦
5:冷鐵源熔解率推算裝置
6:輸入部
7:資料庫部
8:計算部
9:輸出部
10:操作人員
11:熔銑
12:熔渣
13:攪拌用氣體
14:頂吹管
[圖1]為具備有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置之轉爐型精鍊爐的概略圖。
[圖2]為有關本實施型態之冷鐵源熔解率推算裝置中之廢鐵熔解率計算的流程圖。
[圖3]為於實施例1中,對實驗結果與依據有關本實施型態之冷鐵源熔解模型的計算結果進行比較而顯示之圖。
1:轉爐型精鍊爐
2:轉爐型精鍊爐控制裝置
3:製程電腦
4:運轉控制用電腦
5:冷鐵源熔解率推算裝置
6:輸入部
7:資料庫部
8:計算部
9:輸出部
10:操作人員
11:熔銑
12:熔渣
13:攪拌用氣體
14:頂吹管
Claims (9)
- 一種冷鐵源熔解率推算裝置,係在轉爐型精鍊爐中之熔融鐵的精鍊時,推算裝入於前述轉爐型精鍊爐之冷鐵源於精鍊中的熔解率之冷鐵源熔解率推算裝置,係具備:輸入部,係輸入有包含精鍊中的熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度之爐內資訊的測定值或爐內資訊的推算值;資料庫部,係儲存前述轉爐型精鍊爐中關於熔融鐵的精鍊反應之模型式及參數;計算部,係使用輸入於前述輸入部之前述測定值或前述推算值來計算前述冷鐵源的熔解率;以及輸出部,係顯示前述計算部中所計算之冷鐵源的熔解率,前述計算部,於前述輸入部中所輸入之前述熔融鐵溫度及前述熔融鐵中碳濃度,為未考量到在上一次計算所得到之冷鐵源的熔解率而計算之推算值之情形時,係因應在上一次計算所得到之冷鐵源的熔解率來修正所輸入之前述熔融鐵溫度及前述熔融鐵中碳濃度,並使用修正後之熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度。
- 如請求項1所述之冷鐵源熔解率推算裝置,其中前述輸出部係以運轉前述轉爐型精鍊爐之操作人員可監視之方式來顯示。
- 一種轉爐型精鍊爐控制裝置,係具備:如請求項1或請求項2所述之冷鐵源熔解率推算裝置;及製程電腦,係算出用以使前述精鍊的結束時之熔融鐵溫度及熔融鐵成分濃度成為目標值所應供給之氧量,以及是否投入冷卻材或升熱材及其投入量;以及運轉控制用電腦,係根據藉由前述製程電腦所算出之氧量以及冷卻材或升熱材的投入量,以使前述精鍊的結束時之熔融鐵溫度及熔融鐵成分濃度成為目標值之方式來控制運轉條件。
- 一種冷鐵源熔解率推算方法,係在使用轉爐型精鍊爐來精鍊熔融鐵時,使用計算機來推算裝入於前述轉爐型精鍊爐之冷鐵源於精鍊中的熔解率之冷鐵源熔解率推算方法,係具備:輸入步驟,係將包含精鍊中的熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度之爐內資訊的測定值或爐內資訊的推算值,輸入於前述計算機;及計算步驟,係使用輸入於前述計算機之前述測定值或前述推算值,與模型式及參數來計算冷鐵源的熔解率;以及輸出步驟,係輸出前述計算步驟中所計算之冷鐵源的熔解率,於前述輸入步驟中所輸入之前述熔融鐵溫度及前述熔融鐵中碳濃度,為未考量到在1步驟前的前述計算步驟中所得到之冷鐵源熔解率而計算之推算值之情形時,係因應 1步驟前之冷鐵源的熔解率來修正所輸入之前述熔融鐵溫度及前述熔融鐵中碳濃度,並在前述計算步驟中使用修正後之熔融鐵溫度及熔融鐵中碳濃度。
- 如請求項4所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述計算步驟係包含:使用所輸入之熔融鐵溫度來進行傳熱計算,以算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的溫度之界面溫度之工序;及從前述界面溫度來算出作為熔融鐵與冷鐵源之界面的碳濃度之界面碳濃度之工序;以及使用前述界面碳濃度及所輸入之熔融鐵中碳濃度,來進行熔融鐵與冷鐵源之界面附近的碳物質收支計算,以算出冷鐵源的熔解速度之工序。
- 如請求項5所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述傳熱計算為使用了海勒斯圖(Heisler Chart)的資訊之計算。
- 如請求項4至請求項6中任一項所述之冷鐵源熔解率推算方法,其中前述精鍊為熔銑的預脫磷處理。
- 一種熔融鐵的精鍊處理方法,係使用如請求項4至請求項6中任一項所述之冷鐵源熔解率推算方法,來監視熔融鐵於精鍊中的冷鐵源熔解率,在預計於精鍊結束的時點下會產生冷鐵源的熔解殘留之情形時,係實施升熱劑的添加及精鍊處理時間的延長中任一方或兩者。
- 如請求項8所述之熔融鐵的精鍊處理方 法,其中前述精鍊為熔銑的預脫磷處理。
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