WO2019220800A1 - 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

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 Download PDF

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Abstract

溶湯成分推定装置１は、精錬設備２における吹錬処理中の炉口部の光学特性についての計測結果を含む、精錬設備２についての計測情報が入力される入力装置１１と、精錬設備２における脱炭酸素効率と溶湯中炭素濃度との関係を表したモデル式及びモデルパラメータを含む、吹錬処理反応に関するモデル式及びモデルパラメータを格納するモデルデータベースと、計測情報とモデル式及びモデルパラメータとを用いて溶湯中炭素濃度を含む溶湯の成分濃度を推定するモデル計算部１３ｂと、計測結果に基づいて溶湯中炭素濃度を推定し、推定結果に基づいてモデル計算部１３ｂが用いるモデル式及びモデルパラメータを決定するモデル決定部１３ａと、を備える。

Description

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
　本発明は、鉄鋼業の精錬設備における溶湯及びスラグの成分濃度を推定する溶湯成分推定装置、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。転炉プロセスでは、酸素吹止め時の溶湯中炭素濃度を目標溶湯中炭素濃度と一致させるために、吹錬処理の終盤で脱炭酸素効率と溶湯中炭素濃度との関係を表すモデル式を用いて送酸量制御、若しくは溶湯中炭素濃度推定が一般的に行われる。脱炭酸素効率が低下し始める溶湯中炭素濃度は約０．４［％］（臨界炭素濃度）であるため、高い計算精度を得るためには、溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度に到達したタイミングでモデル式計算を行う、若しくはモデル式を切り替えることが重要である。なお、以下では、特に断りがない限り、％及び各種流量はｍａｓｓ％及び流量原単位を表す。
　特許文献１には、吹錬処理開始前の物質収支計算に基づいたモデル式等を用いてサブランス測定のタイミングを決定するスタティック制御と、サブランス測定した溶湯中炭素濃度に基づいて溶湯中炭素濃度と脱炭酸素効率との関係を表すモデル式を用いて溶湯中炭素濃度が目標溶湯中炭素濃度になるまでに必要な吹込み酸素量を決定するダイナミック制御と、において、ダイナミック制御に必要な時間と吹込み酸素流速を考慮してサブランス測定のタイミングを決定する方法が記載されている。
特許第４６７７９５５号公報 特開２０１７－１１５２１６号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の方法は、スタティックモデルに基づいてサブランス測定のタイミングを決定している。このため、特許文献１に記載の方法によれば、溶湯の成分濃度の測定誤差又は吹錬処理中の未知外乱等によってスタティックモデル計算に誤差が生じた場合、目的の溶湯中炭素濃度でサブランス測定を実施できず、ダイナミック制御に十分な時間を確保できなくなる可能性がある。また、ダイナミック制御の時間確保のために溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度より高い状態からダイナミック制御を実施した場合、溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度より高い領域では脱炭酸素効率は溶湯中炭素濃度に依存せず、スラグ中酸化鉄還元による脱炭の影響を受けるため、ダイナミック制御の精度が低下する可能性がある。
　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、特に吹錬処理の終盤において溶湯中炭素濃度を高精度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中の炉口部の光学特性についての計測結果を含む、精錬設備についての計測情報が入力される入力装置と、前記精錬設備における脱炭酸素効率と溶湯中炭素濃度との関係を表したモデル式及びモデルパラメータを含む、吹錬処理反応に関するモデル式及びモデルパラメータを格納するモデルデータベースと、前記計測情報と前記モデル式及び前記モデルパラメータとを用いて溶湯中炭素濃度を含む溶湯の成分濃度を推定するモデル計算部と、前記計測結果に基づいて溶湯中炭素濃度を推定し、推定結果に基づいて前記モデル計算部が用いる前記モデル式及び前記モデルパラメータを決定するモデル決定部と、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、前記計測結果には、スラグ中の酸化鉄の還元反応に由来するスペクトルの強度変化率が含まれ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中の炉口部の光学特性についての計測結果を含む、精錬設備についての計測情報と、前記精錬設備における脱炭酸素効率と溶湯中炭素濃度との関係を表したモデル式及びモデルパラメータを含む、吹錬処理反応に関するモデル式及びモデルパラメータと、を用いて、溶湯中炭素濃度を含む溶湯の成分濃度を推定するモデル計算ステップと、前記計測結果に基づいて溶湯中炭素濃度を推定し、推定結果に基づいて前記モデル計算ステップにおいて用いる前記モデル式及び前記モデルパラメータを決定するモデル決定ステップと、を含むことを特徴とする。
　本発明に係る溶湯成分推定方法は、上記発明において、前記計測結果には、スラグ中の酸化鉄の還元反応に由来するスペクトルの強度変化率が含まれることを特徴とする。
　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の成分濃度に基づいて溶湯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、特に吹錬処理の終盤において溶湯中炭素濃度を高精度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、溶湯中炭素濃度と発光強度変化率との関係及び溶湯中炭素濃度と脱炭酸素効率との関係の一例を示す図である。
　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。
〔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において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，ＣＯ２，Ｏ２，Ｎ２，Ｈ２Ｏ，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１０７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１０８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１４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、マウスポインタ、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、分光器１０６によって計測された転炉１００の炉口部の光学特性についての情報（炉口分光実績、炉口部光学特性情報）、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及びそのパラメータ（モデルパラメータ）の情報が保存されている記憶装置である。モデル式には、少なくとも吹錬処理途中における溶湯１０１中の炭素濃度と脱炭酸素効率との関係を示す脱炭モデル式が含まれる。なお、脱炭酸素効率とは、転炉１００内に吹き込まれた単位酸素量に対する溶湯１０１から取り除かれる炭素量のことを意味する。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、モデル決定部１３ａ及びモデル計算部１３ｂとしての機能を有する。モデル決定部１３ａ及びモデル計算部１３ｂ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、モデル決定部１３ａ用のコンピュータプログラムを実行することによりモデル決定部１３ａとして機能し、モデル計算部１３ｂ用のコンピュータプログラムを実行することによりモデル計算部１３ｂとして機能する。なお、演算処理部１３は、モデル決定部１３ａ及びモデル計算部１３ｂ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。
　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、特に吹錬処理の終盤において溶湯１０１及びスラグ１０３の成分濃度を高精度に推定する。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。具体的には、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が、排ガス計測・分析情報（排ガス情報）、炉口部光学特性情報、及び操作量情報を制御端末１０から取得する。通常の転炉吹錬操業では、排ガス情報、炉口部光学特性情報、及び操作量情報は一定周期で収集されている。操作量情報の取得時間と排ガス情報の取得時間との間に大きな時間遅れがある場合には、その時間遅れを考慮して（遅れ時間分だけ排ガス情報を早めて）データを作成する。また、計測値及び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。さらに、排ガス流量の計測値及びＣＯ，ＣＯ２の分析値に含まれる誤差は補正されていることが望ましい。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、モデル決定部１３ａが、ステップＳ２の処理において取得した炉口部光学特性情報に基づいて、モデルＤＢ１２に記憶されているモデル式及びモデルパラメータの中からモデル計算部１３ｂが計算に用いるモデル式及びモデルパラメータを決定する。具体的には、転炉１００の炉口部の光学特性としては、以下の反応式（１）に示すようなスラグ中酸化鉄の還元反応による脱炭反応に伴い発光される光の波長帯（スペクトル）のうち、例えば波長５５０ｎｍ～６５０ｎｍの波長帯の発光強度の最大値を検出する。溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度付近に達すると、以下の反応式（１）に記載の脱炭反応の効率が低下することによって発光強度も低下することが知られている。
ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ　…（１）
　そこで、モデル決定部１３ａは、図３（ａ）に示すように、発光強度の最大値の変化率（発光強度変化率）を算出し、発光強度変化率が正値から負値に転じるタイミングを溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度に達するタイミングとして検出する。そして、モデル決定部１３ａは、溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度より高い領域では、排ガス情報及び操作量情報に基づいた質量収支計算式又は操作量情報に基づいた物理反応モデル計算式等のモデル式及びモデルパラメータをモデルＤＢ１２から選択する。一方、溶湯中炭素濃度が臨界炭素濃度に達したタイミング以降は、図３（ｂ）に示すように脱炭酸素効率が溶湯中炭素濃度に依存する領域に入るため、モデル決定部１３ａは、脱炭モデル式及びそのモデルパラメータをモデルＤＢ１２から選択する。なお、本発明では、モデルＤＢ１２から選択されるモデル式の形式は問わない。また、モデル式の切り替え方法についても、モデルパラメータの変更によって脱炭モデル式のモデル計算への寄与度を変更させる方法等でもよい。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、モデル計算部１３ｂが、ステップＳ３の処理において決定（選択）したモデル式及びモデルパラメータを用いて溶湯中炭素濃度を含む溶湯１０１の成分濃度を算出し、算出された溶湯１０１の成分濃度に関する情報を出力装置１４に出力する。なお、溶湯１０１の成分濃度の算出方法の詳細は、例えば特許文献２に記載されている。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、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（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、演算処理部１３は、一連の溶湯成分推定処理を終了する。一方、吹錬処理が終了していない場合には（ステップＳ５：Ｎｏ）、演算処理部１３は、溶湯成分推定処理をステップＳ２の処理に戻す。
　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、モデル決定部１３ａが、炉口部光学特性情報に基づいて溶湯１０１の炭素濃度を推定し、推定結果に基づいてモデル計算部１３ｂが用いるモデル式及びモデルパラメータを決定する。より詳しくは、モデル決定部１３ａは、炉口部光学特性情報に基づいて、溶湯１０１の炭素濃度が臨界炭素濃度に達したタイミングを検出し、溶湯１０１の炭素濃度が臨界炭素濃度に達したタイミングでモデル計算部１３ｂが用いるモデル式及びモデルパラメータを溶湯中炭素濃度と脱炭酸素効率の関係に基づくモデル式及びモデルパラメータに切り換える。これにより、特に吹錬処理の終盤において溶湯１０１の炭素濃度を高精度に推定することができる。
　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、本実施形態では溶湯中炭素濃度の推定計算におけるモデル切り替えについて述べたが、特許文献１記載の方法のように、スタティックモデルとダイナミックモデルとを用いた制御を行う際、炉口部光学特性計測情報に基づいてモデルＤＢ１２からダイナミックモデルを取得することによって適切なタイミングでダイナミックモデル制御を行うことが可能となる。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、特に吹錬処理の終盤において溶湯中炭素濃度を高精度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
　１３ａ　モデル決定部
　１３ｂ　モデル計算部
　１４　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　分光器
　１０７　通気孔
　１０８　流量計

Claims (5)

  1. 　精錬設備における吹錬処理中の炉口部の光学特性についての計測結果を含む、精錬設備についての計測情報が入力される入力装置と、
    　前記精錬設備における脱炭酸素効率と溶湯中炭素濃度との関係を表したモデル式及びモデルパラメータを含む、吹錬処理反応に関するモデル式及びモデルパラメータを格納するモデルデータベースと、
    　前記計測情報と前記モデル式及び前記モデルパラメータとを用いて溶湯中炭素濃度を含む溶湯の成分濃度を推定するモデル計算部と、
    　前記計測結果に基づいて溶湯中炭素濃度を推定し、推定結果に基づいて前記モデル計算部が用いる前記モデル式及び前記モデルパラメータを決定するモデル決定部と、
    　を備えることを特徴とする溶湯成分推定装置。
  2. 　前記計測結果には、スラグ中の酸化鉄の還元反応に由来するスペクトルの強度変化率が含まれ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. 　精錬設備における吹錬処理中の炉口部の光学特性についての計測結果を含む、精錬設備についての計測情報と、前記精錬設備における脱炭酸素効率と溶湯中炭素濃度との関係を表したモデル式及びモデルパラメータを含む、吹錬処理反応に関するモデル式及びモデルパラメータと、を用いて、溶湯中炭素濃度を含む溶湯の成分濃度を推定するモデル計算ステップと、
    　前記計測結果に基づいて溶湯中炭素濃度を推定し、推定結果に基づいて前記モデル計算ステップにおいて用いる前記モデル式及び前記モデルパラメータを決定するモデル決定ステップと、
    　を含むことを特徴とする溶湯成分推定方法。
  4. 　前記計測結果には、スラグ中の酸化鉄の還元反応に由来するスペクトルの強度変化率が含まれることを特徴とする請求項３に記載の溶湯成分推定方法。
  5. 　請求項３又は４に記載の溶湯成分推定方法を用いて推定された溶湯の成分濃度に基づいて溶湯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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