WO2023218915A1

WO2023218915A1 - 真空脱ガス処理の状態推定方法、操業方法、溶鋼の製造方法及び真空脱ガス処理の状態推定装置

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Publication number: WO2023218915A1
Application number: PCT/JP2023/016018
Authority: WO
Inventors: 祐汰大東
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2023-04-21
Publication date: 2023-11-16
Also published as: TW202407631A; JP7405312B1; JPWO2023218915A1

Abstract

真空脱ガス処理における高精度な状態推定が可能な真空脱ガス処理の状態推定方法等が提供される。真空脱ガス処理の状態推定方法は、真空脱ガス処理の処理中の操作量に関する操業実績及び真空脱ガス処理を行う真空脱ガス設備から排出された排ガスの流量、排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ２ガス及びＯ２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を入力情報として、入力情報が入力される入力ステップ（Ｓ１、Ｓ２）と、入力情報に基づいて、排ガスを構成する気体の由来について、吹き込み酸素及び真空脱ガス処理の開始前又は処理中に真空脱ガス設備の真空化領域に進入した空気を含む複数の由来に分類し、分類された複数の由来の構成比を推定する計算ステップ（Ｓ３）と、を含む。

Description

真空脱ガス処理の状態推定方法、操業方法、溶鋼の製造方法及び真空脱ガス処理の状態推定装置

　本開示は、真空脱ガス処理の状態推定方法、操業方法、溶鋼の製造方法及び真空脱ガス処理の状態推定装置に関する。

　連続鋳造法により溶鋼を鋳造する場合、溶鋼中酸素濃度を非常に低い値に保つことが必要である。一般的な製鋼プロセスにおいては、溶鋼に脱酸剤を加えることで溶鋼中酸素濃度を低下させる。一方、転炉処理後に真空脱ガス処理を用いて二次精錬を行う場合に、溶鋼中酸素濃度を上昇させるために溶鋼への酸素吹き込みを行う場合がある。酸素吹き込みは、例えば溶鋼中炭素濃度の目標値が低い鋼種について脱炭を促進させる目的で行われることがある。溶鋼中酸素濃度を増加させることで、溶鋼中炭素と溶鋼中酸素が反応してＣＯガスが発生する反応を、より低い溶鋼中炭素濃度で平衡させることができる。また、酸素吹き込みは、例えば溶鋼中成分元素との反応に伴う発熱を利用して溶鋼の温度調節を行う目的で行われることがある。ここで、反応する溶鋼中成分は酸素吹き込みが行われた時点で溶鋼中に存在するとは限らず、酸素吹き込み後に投入される成分も含む。特に酸素吹き込み後に脱酸剤を投入する場合、溶鋼温度上昇量は溶鋼中酸素濃度によって決定される。以上のように、二次精錬を行うことで溶鋼成分及び温度を所望の値へ制御するためには、溶鋼中酸素濃度を所望の値へ制御することが必要である。

　ここで、酸素吹き込みで吹き込まれた酸素（以下「吹き込み酸素」）は、全量が溶鋼へ溶解し、溶鋼中酸素濃度の上昇に寄与するわけでない。吹き込み酸素は、一部が気相中のＣＯガスと反応してＣＯ_２ガスを生成することがある。また、吹き込み酸素は、一部がＯ_２ガスのまま系外へと排気されることがある。したがって、酸素吹き込みによって溶鋼中酸素濃度を所望の値まで上昇させるためには、吹き込み酸素のうち溶鋼に溶解するものの割合を正確に推定する必要がある。

　吹き込み酸素は溶鋼に溶解するか排気系統より排出されるかのいずれかであるから、後者の酸素量を排ガス計測装置により把握することで、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定することができる。しかし、真空脱ガス設備から排気される酸素は、真空脱ガス処理中の酸素吹き込みによるもの以外が含まれ、これらを差し引く必要がある。このような酸素供給源として、処理対象の溶鋼、処理開始前に真空化領域に存在する空気及び処理中に真空排気系統の密閉が不十分な部分から真空化領域に進入する空気が挙げられる。

　空気からの酸素供給量は、排ガスに含まれるＮ_２ガス量を計算することで求めることが可能である。精錬プロセスにおいて、排ガスは、ＣＯガス、ＣＯ_２ガス、Ｏ_２ガス、溶鋼攪拌のために吹き込まれる不活性ガス、Ｎ_２ガスといった成分で流量のほぼ全てが占められる。ＣＯガス、ＣＯ_２ガス、Ｏ_２ガス流量は排ガス計測装置によって計測される。また、不活性ガス流量は操業の操作量である。そのため、排ガス流量の測定値から、これらを差し引いた残部がＮ_２ガス流量であると推定できる。

　例えば特許文献１では、転炉パラメータの導出を目的として、上記のような計算方法によって、操業中に排気系統へ進入する空気量を推定している。また、特許文献２では、精錬プロセスにおける溶湯成分推定を実施する形態として、巻き込み空気量を考慮した推定について説明しており、上記のような計算方法によって巻き込み空気量を推定している。

特開２０１９－１８３２２７号公報特許第６５８３５９４号公報

　しかしながら、特許文献１、特許文献２ともに転炉プロセスを対象とする技術である。転炉では炉とスカートの間に大きな隙間が存在し、ここから空気が進入するため進入空気流量の時間変化が大きい。一方で、真空脱ガス設備では排気系統内で気圧が非常に低く保たれており、密閉が不十分な部分から進入する空気の流量の時間変化は大きくないと考えられる。従って、特許文献１、特許文献２で提案されている推定方法をそのまま真空脱ガス処理に適用することができない。

　また、特許文献１では転炉パラメータの導出を最終的な目的とする。また、特許文献２では溶湯中炭素濃度とスラグ中ＦｅＯ濃度の推定を最終的な目的とする。したがって、例えば真空脱ガス処理において吹き込み酸素が溶鋼に溶解する割合及び溶鋼中酸素濃度を推定する方法については提案されていない。

　かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、真空脱ガス処理における高精度な状態推定が可能な真空脱ガス処理の状態推定方法、操業方法、溶鋼の製造方法及び真空脱ガス処理の状態推定装置を提供することにある。

　（１）本開示の一実施形態に係る真空脱ガス処理の状態推定方法は、
　真空脱ガス処理の処理中の操作量に関する操業実績及び前記真空脱ガス処理を行う真空脱ガス設備から排出された排ガスの流量、前記排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＯ_２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を入力情報として、前記入力情報が入力される入力ステップと、
　前記入力情報に基づいて、前記排ガスを構成する気体の由来について、吹き込み酸素及び前記真空脱ガス処理の開始前又は処理中に前記真空脱ガス設備の真空化領域に進入した空気を含む複数の由来に分類し、分類された前記複数の由来の構成比を推定する計算ステップと、を含む。

　（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
　前記計算ステップは、前記入力情報から前記排ガスに占めるＮ_２ガスの割合を推定し、前記排ガス中のＮ_２ガスに基づいて前記真空化領域に進入した空気の割合を計算することを含む。

　（３）本開示の一実施形態として、（１）又は（２）において、
　前記計算ステップは、酸素吹き込みの終了時刻から基準の時間以上が経過した場合に、推定された前記構成比に基づいて、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定すること、を含む。

　（４）本開示の一実施形態として、（３）において、
　前記計算ステップは、推定された前記溶解率に基づいて、溶鋼中酸素濃度上昇量を推定すること、を含む。

　（５）本開示の一実施形態として、（１）又は（２）において、
　前記計算ステップは、前記真空化領域の真空度に基づいて前記排ガスに占める空気の流量が一定であると判定される場合に、前記構成比を推定する。

　（６）本開示の一実施形態に係る操業方法は、
　（１）又は（２）の真空脱ガス処理の状態推定方法を実行して、前記真空脱ガス設備を操業する。

　（７）本開示の一実施形態に係る溶鋼の製造方法は、
　（６）の操業方法によって操業される真空脱ガス設備において溶鋼を精錬して、精錬された前記溶鋼を製造する。

　（８）本開示の一実施形態に係る真空脱ガス処理の状態推定装置は、
　真空脱ガス処理の処理中の操作量に関する操業実績及び前記真空脱ガス処理を行う真空脱ガス設備から排出された排ガスの流量、前記排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＯ_２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を入力情報として、前記入力情報が入力される操業情報入力部と、
　前記入力情報に基づいて、前記排ガスを構成する気体の由来について、吹き込み酸素及び前記真空脱ガス処理の開始前又は処理中に前記真空脱ガス設備の真空化領域に進入した空気を含む複数の由来に分類し、分類された前記複数の由来の構成比を推定する排ガス分類計算部と、を備える。

　（９）本開示の一実施形態として、（８）において、
　前記排ガス分類計算部は、前記入力情報から前記排ガスに占めるＮ_２ガスの割合を推定し、前記排ガス中のＮ_２ガスに基づいて前記真空化領域に進入した空気の割合を計算する。

　（１０）本開示の一実施形態として、（８）又は（９）において、
　酸素吹き込みの終了時刻から基準の時間以上が経過した場合に、推定された前記構成比に基づいて、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定する吹き込み酸素溶解率計算部を備える。

　（１１）本開示の一実施形態として、（１０）において、
　推定された前記溶解率に基づいて、溶鋼中酸素濃度上昇量を推定する溶鋼中酸素濃度上昇量計算部を備える。

　（１２）本開示の一実施形態として、（８）又は（９）において、
　前記排ガス分類計算部は、前記真空化領域の真空度に基づいて前記排ガスに占める空気の流量が一定であると判定される場合に、前記構成比を推定する。

　本開示の手法によれば、真空脱ガス処理の排ガスを構成する気体の由来について、吹き込み酸素及び真空脱ガス処理の開始前又は処理中に真空脱ガス設備の真空化領域に進入した空気を含む複数の由来に分類する。そして、分類された複数の由来の構成比を推定することによって、真空脱ガス処理における高精度な状態推定が可能な真空脱ガス処理の状態推定方法、操業方法、溶鋼の製造方法及び真空脱ガス処理の状態推定装置を提供することができる。

図１は、本開示の一実施形態である真空脱ガス処理の状態推定装置の構成を示す模式図である。図２は、状態推定装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。図３は、本開示の一実施形態を適用した真空脱ガス処理チャージにおける、排ガス構成比時系列計算結果である。図４は、本開示の一実施形態を適用した真空脱ガス処理チャージにおける、吹き込み酸素流量、排ガス中吹き込み酸素流量及び真空槽真空度の時系列測定及び計算結果である。

　以下、図面を参照して本開示の実施形態に係る真空脱ガス処理の状態推定装置及び状態推定方法が説明される。本実施形態において、真空脱ガス処理は、ＲＨ真空脱ガス設備を使用して行われるＲＨ真空脱ガス処理であるとして説明するが、ＲＨ真空脱ガス処理に限られるものではない。例えば真空槽と取鍋に浸漬して溶鋼真空槽に吸い上げる浸漬管を１本だけ持つ設備又は真空槽を持たず取鍋内溶鋼表面を真空状態にする設備（装置）などを使用して行われる真空脱ガス処理についても以下に説明する状態推定方法を実施可能である。

［構成］
　図１は、本実施形態に係る状態推定装置２０と真空脱ガス設備１００の構成を示す模式図である。状態推定装置２０は、真空脱ガス設備１００での真空脱ガス処理の実行中に、真空脱ガス設備１００の内部の状態などを推定する装置である。本実施形態において、状態推定装置２０が後述する真空脱ガス処理の状態推定方法を実行することによって、真空脱ガス設備１００が操業される。つまり、真空脱ガス設備１００の操業方法として、真空脱ガス処理の状態推定が実行される。また、本実施形態において、真空脱ガス設備１００は溶鋼の製造設備の一部を構成する。溶鋼の製造設備において溶鋼の製造方法が実行され、溶鋼の製造方法は、真空脱ガス設備１００において溶鋼を精錬して、精錬された溶鋼を製造することを含む。

　ＲＨ真空脱ガス設備１００は、真空槽１０１と取鍋１０２を備え、その間が２本の浸漬管１０３でつながっている。真空槽１０１は排気ダクト１０４とつながっており、ここを通して真空槽１０１内部の気体を排気することで真空槽１０１を減圧し、取鍋１０２内の溶鋼を吸い上げる。そして、浸漬管１０３の片方から配管１０５を通して不活性ガスを吹き込むことで、溶鋼は真空槽１０１と取鍋１０２の間を還流する。真空槽１０１に設置された吹き込みランス１０６から酸素を吹き込み、溶鋼に酸素を供給することができる。真空槽１０１は、真空脱ガス設備１００の真空化領域、すなわち真空になるように減圧される領域の一例である。また、真空脱ガス設備１００の真空化領域は、真空槽１０１につながる排気ダクト１０４も含む。

　排気ダクト１０４の内部には、排ガス流量計１０７及び排ガス成分濃度計１０８が設置されている。排ガス流量計１０７は、排ガスの流量を計測する。排ガス成分濃度計１０８は、ＣＯガス、ＣＯ_２ガス、Ｏ_２ガスを含む排ガス中成分の濃度を計測する。

　真空脱ガス処理の状態推定装置２０が適用される真空脱ガス処理制御システムは、制御装置１０と真空脱ガス処理の状態推定装置２０を主な構成要素として備えている。制御装置１０は、コンピュータ等の情報処理装置によって構成され、溶鋼の成分濃度及び温度について、真空脱ガス処理前の実績値から真空脱ガス処理後の目標範囲内になるよう排気設備の排気量、還流用不活性ガス流量、吹き込み酸素流量を始めとする操業に係る操作量を制御する。また、制御装置１０は、真空槽１０１内真空度、還流用不活性ガス流量、吹き込み酸素流量、排ガス流量、排ガス成分濃度を始めとする操業実績値データを収集して、状態推定装置２０に出力する。

　図１に示すように、状態推定装置２０は、操業情報入力部２１、計算部及び出力部２５を備える。計算部は、真空脱ガス処理の状態を推定するための計算を実行する機能部である。本実施形態において、計算部は、排ガス分類計算部２２、吹き込み酸素溶解率計算部２３及び溶鋼中酸素濃度上昇量計算部２４を含む。

　操業情報入力部２１は、真空脱ガス処理の処理中の操作量に関する操業実績及び真空脱ガス処理を行う真空脱ガス設備１００から排出された排ガスの流量、排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＯ_２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を入力情報として、入力情報が入力される。

　排ガス分類計算部２２は、操業情報入力部２１が取得した入力情報に基づいて、真空脱ガス設備１００から排出された排ガスを構成する気体の由来について、複数の由来に分類し、分類された複数の由来の構成比を推定する。複数の由来は、吹き込み酸素及び真空脱ガス処理の開始前又は処理中に真空脱ガス設備１００の真空化領域に進入した空気を含む。また、排ガス分類計算部２２は、入力情報から排ガスに占めるＮ_２ガスの割合を推定し、排ガス中のＮ_２ガスに基づいて真空化領域に進入した空気の割合を計算してよい。

　吹き込み酸素溶解率計算部２３は、排ガス分類計算部２２によって推定された複数の由来の構成比に基づいて、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定する。

　溶鋼中酸素濃度上昇量計算部２４は、吹き込み酸素溶解率計算部２３によって推定された溶解率に基づいて、溶鋼中酸素濃度上昇量を推定する。

　出力部２５は、計算部が真空脱ガス処理の状態を推定するために実行した計算結果を、制御装置１０に出力する。制御装置１０は、出力部２５から得た計算結果に基づいて、操業に係る操作量を制御してよい。

　真空脱ガス処理の状態推定装置２０はコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。真空脱ガス処理の状態推定装置２０は、情報処理装置内のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等の演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することにより、操業情報入力部２１、排ガス分類計算部２２、吹き込み酸素溶解率計算部２３、溶鋼中酸素濃度上昇量計算部２４及び出力部２５として機能する。

　このような構成を有する真空脱ガス処理の状態推定装置２０は、以下に示す真空脱ガス処理の状態推定処理を行うことによって、排ガスを構成する気体を分類し構成比を推定する。処理中に酸素吹き込みを行ったチャージについて、推定した排ガス構成比から吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定し、その結果を使用して吹き込み酸素による溶鋼中酸素濃度上昇量を高精度に推定することができる。以下、図２に示すフローチャートを参照して、真空脱ガス処理の状態推定装置２０の動作が説明される。ここで、以下の説明においては真空脱ガス処理の処理中に酸素吹き込みを行うことを前提とする。

　図２は、本開示の一実施形態である真空脱ガス処理の状態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、真空脱ガス処理の実行命令が入力されたタイミングで開始となり、状態推定処理がステップＳ１の処理に進む。

　ステップＳ１の処理では、操業情報入力部２１が、脱炭処理開始前の溶鋼情報を取得する。溶鋼情報は、例えば溶鋼の重量及び成分分析によって得られた計測・分析結果を含んでよい。これにより、ステップＳ１の処理が完了し、状態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、操業情報入力部２１が、真空脱ガス処理中の操作量に関する操業実績値を取得する。操業実績値は排ガス分類計算部２２、吹き込み酸素溶解率計算部２３及び溶鋼中酸素濃度上昇量計算部２４における計算に必要な項目が取得される。操業情報入力部２１は、例えば真空槽１０１内真空度、還流用不活性ガス流量及び吹き込み酸素流量を、操業実績値として取得する。また、本実施形態において、操業情報入力部２１は、排ガス流量、排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＯ_２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を、操業実績値とともに入力情報として取得する。これにより、ステップＳ２の処理が終了し、状態推定処理はステップＳ３の処理に進む。ここで、ステップＳ１及びステップＳ２は入力ステップに対応する。

［排ガス分類計算処理］
　ステップＳ３の処理では、排ガス分類計算部２２が、真空脱ガス処理中に排出される排ガスについて、排ガスを構成する気体を分類し構成比を推定する。

　ＲＨ真空脱ガス処理において、排ガスの供給源は次の５種類に分類される。すなわち、溶鋼に含まれる不純物成分であって減圧によりガスとして取り除かれるもの、還流用不活性ガス、真空脱ガス処理の開始前に真空槽１０１内に存在する空気、真空脱ガス処理中に真空化領域（真空槽１０１及び排気ダクト１０４）に進入するリーク空気、吹き込み酸素である。

　ここで、溶鋼に含まれる主要な不純物成分は水素、窒素、炭素である。ただし、ほとんどの鋼種で炭素以外の発生量は無視できるほど少ない。また、炭素はＣＯガスとして溶鋼から取り除かれるから、排ガス計測により排出量を把握することができる。また、還流用不活性ガスは操業の操作量であるため、その量を把握可能である。

　真空脱ガス処理の開始前に真空槽１０１内に存在する空気及び処理中に真空化領域に進入するリーク空気については、排ガスに含まれるＮ_２量を計算することで区別することができる。排ガスの構成成分はＣＯガス、ＣＯ_２ガス、Ｏ_２ガス、溶鋼攪拌のために吹き込まれる不活性ガス、Ｎ_２ガスで流量のほぼ全てを占める。Ｎ_２ガス以外の成分は排ガス計測結果又は操業の制御実績から排気量を計算することが可能であり、排ガスのうち成分不明部分がＮ_２ガスであるとして、その量を下記式（１）から求めることができる。

　ここで、ｆ_Ｎ２は排ガス中のＮ_２流量［Ｎｍ^３／ｈ］である。ｆ_ｇは排ガス流量［Ｎｍ^３／ｈ］である。ｒ_ＣＯは排ガス中のＣＯ濃度［ｖｏｌ％］である。ｒ_ＣＯ２は排ガス中のＣＯ_２濃度［ｖｏｌ％］である。ｒ_Ｏ２は排ガス中のＯ_２濃度［ｖｏｌ％］である。ｆ_Ｃｉｒｃは還流用吹き込みＡｒガス流量［Ｎｍ^３／ｈ］である。ここで、排ガスの流量及び成分濃度の計測結果に既知の誤差が含まれる場合に、排ガス分類計算部２２が既知の誤差を除去又は低減してから式（１）の計算を実行することが好ましい。ここで、既知の誤差とは、例えば計測値に含まれるオフセットのような誤差が想定される。また、還流用不活性ガスが排ガス流量計に到達するまでの時間が既知であれば、式（１）の計算では、その時間遅れを反映したｆ_Ｃｉｒｃを用いることが望ましい。

　式（１）によって排ガス中のＮ_２流量が求められた場合に、空気中の窒素存在比から下記式（２）の通り、排ガス中の空気流量ｆ_ａ［Ｎｍ^３／ｈ］を計算することができる。

　ここで、本発明者は、真空脱ガス処理の実績データに基づいて、真空脱ガス処理において真空槽１０１が到達真空度（目標とする真空度）付近まで真空引きされると上記式（２）より計算される排ガス中の空気流量がほぼ一定の値をとるという知見を得た。到達真空度付近では真空度変化が小さいため、排ガス中空気の全量が処理中のリークに由来すると考えてよいこと、真空槽１０１内の気圧が十分に低ければリーク空気流量が一定になることから、排ガス中の空気流量がほぼ一定の値をとることは妥当である。

　以上のように、排ガスを構成する５種類の供給源のうち、吹き込み酸素以外の４種類について構成比を定量的に推定することができる。そして、残部が吹き込み酸素に由来する排ガスと推定することができる。これにより、複数の由来の全ての構成比が推定されて、ステップＳ３の処理が終了し、状態推定処理はステップＳ４の処理に進む。

［吹き込み酸素溶解率計算処理］
　ステップＳ４の処理では、排ガス構成比推定を行った時刻が酸素吹き込みの終了時刻からあらかじめ定められた基準の時間Ｔ以上経過しているかを判定する。酸素吹き込み後の経過時間が基準より短ければステップＳ２の処理へ戻り、以降の処理が再び実行される。一方で、経過時間が基準より長ければ、状態推定処理はステップＳ５の処理に進む。このような条件分岐処理を行う理由については、ステップＳ５の処理の説明において合わせて説明する。

　ステップＳ５の処理では、吹き込み酸素溶解率計算部２３が、吹き込み酸素のうち溶鋼に溶解したものの割合を推定する。

　まず、排ガス中酸素量は下記式（３）より計算できる。

　ここで、排ガス中酸素量はＯ_２体積流量に換算して評価している。ｆ_Ｏ２は排ガス中Ｏ_２流量［Ｎｍ^３／ｈ］である。以下において、同様に、排ガス中酸素量はＯ_２体積流量に換算して評価される。

　排ガス中酸素量のうち、脱炭に由来するものの流量ｆ_{Ｏ２，ｄｅＣ}［Ｎｍ^３／ｈ］は、すべてＣＯとして真空槽１０１に供給されることから、下記式（４）より計算できる。

　排ガス中酸素量のうち、進入空気に由来するものの流量ｆ_Ｏ２，ａ［Ｎｍ^３／ｈ］は、空気中の酸素存在比から下記式（５）より計算できる。

　排ガスへの酸素供給源は他に吹き込み酸素のみである。そのため、排ガス中酸素量のうち、酸素吹き込みに由来するものの流量ｆ_Ｏ２，ｂ［Ｎｍ^３／ｈ］は、下記式（６）より計算できる。

　本発明者は、真空脱ガス処理の実績データに基づいて、ｆ_Ｏ２，ｂの時間変化についての３点の知見を得た。まず、酸素吹き込み開始からｆ_Ｏ２，ｂが増加するまでに時間遅れがある。次に、酸素吹き込み終了後、一定の時間遅れの後にｆ_Ｏ２，ｂが急速に０へと収束する。最後に、溶鋼に溶解しない吹き込み酸素が、溶鋼へ吹き込まれてから排ガス計測装置にて観測されるまでの時間を一定と見なすことができない。３つ目の知見は、ｆ_Ｏ２，ｂの時間変化パターンを酸素吹き込みパターンと同一とみなすことができず、吹き込み酸素の溶解率を連続的に推定することが困難であることを意味する。パターンの違いは、吹き込み酸素のうちの一部が真空槽１０１に放出されたＣＯガスと反応してＣＯ_２ガスを生成するが、この反応に要する時間によって酸素が吹き込まれてから排ガス計測装置に到達するまでの時間がばらつくことによると考えられる。

　以上の知見より、酸素吹き込み終了後に、ｆ_Ｏ２，ｂが確実に０へと収束する基準の時間Ｔを設定し、吹き込み酸素の酸素溶解率ｘを下記式（７）より推定する。時間Ｔは例えば次のような方法で求めることができる。ｆ_Ｏ２，ｂに閾値を設け、閾値を下回った時刻と酸素吹き込み終了時刻との時間差が複数チャージについて計算される。これらのうち最大のものが時間Ｔと設定される。

　ここで、ｔ_０は酸素吹き込み開始時刻又は酸素吹き込み開始時刻に時間Ｔを加算した時刻である。ｔ_１は酸素吹き込み終了時刻に時間Ｔを加算した時刻である。Ｑ_Ｏ２は吹き込み酸素の総量［Ｎｍ^３］である。

　式（７）によって正確な酸素溶解率ｘの推定計算が行われるように、ステップＳ４で条件分岐処理が行われる。

　以上の計算処理により、ステップＳ５の処理が終了し、状態推定処理はステップＳ６の処理に進む。

［溶鋼中酸素濃度上昇量推定計算処理］
　ステップＳ６の処理では、溶鋼中酸素濃度上昇量計算部２４が、溶鋼中酸素濃度上昇量を推定する。

　溶鋼中酸素濃度上昇量計算部２４は、ステップＳ５の処理で推定した吹き込み酸素の酸素溶解率ｘから、酸素吹き込みによる溶鋼中酸素濃度上昇量Δ［Ｏ］［ｐｐｍ］を下記式（８）より計算することができる。

　ここで、ρ_Ｏ２は酸素密度［ｋｇ／Ｎｍ^３］である。Ｗは溶鋼重量［ｋｇ］である。

　以上の計算処理により、ステップＳ６の処理が終了し、状態推定処理はステップＳ７の処理に進む。ここで、ステップＳ３～ステップＳ６は計算ステップに対応する。

　ステップＳ７の処理ではこれまでの処理で推定した諸情報、特に吹き込み酸素の溶鋼への溶解率と溶鋼中酸素濃度上昇量を制御装置１０に出力する。

　以上のように、本実施形態に係る真空脱ガス処理の状態推定方法、操業方法、溶鋼の製造方法及び真空脱ガス処理の状態推定装置２０は、上記の構成及び工程によって、真空脱ガス処理の排ガスを構成する気体の由来について複数の由来に分類する。そして、分類された複数の由来の構成比を推定することによって、真空脱ガス処理における高精度な状態推定が可能である。

　また、状態推定の結果に基づいて、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率と溶鋼中酸素濃度上昇量を推定することが可能である。推定された溶鋼中酸素濃度上昇量はさらに溶鋼中酸素濃度推定に利用され、溶鋼中酸素濃度が高精度に推定される。推定された溶鋼中酸素濃度に基づいて、適切なタイミングで脱炭処理を終了させ、また、溶鋼温度を所望の値に制御するために追加の酸素吹き込みが必要であるかを判断することができる。これにより、高精度な溶鋼成分及び溶鋼温度の調整を可能とする真空脱ガス設備の操業方法及び溶鋼の製造方法を提供することができる。

（実施例）
　以下、本開示の効果を実施例に基づいて具体的に説明するが、本開示は実施例の内容に限定されるものではない。

　本実施例では、ＲＨ真空脱ガス設備を使用し、酸素吹き込みを実施した３チャージの真空脱ガス処理について排ガスの構成比を連続的に推定し、吹き込み酸素溶解率と溶鋼中酸素濃度上昇量を推定した。

　図３は、排ガス流量の積み上げグラフであって、酸素吹き込み開始後の排ガス構成比の時間変化を示す。図４は吹き込み酸素流量、排ガス中の吹き込み酸素流量（溶鋼未溶解酸素流量）及び真空槽１０１の真空度の時間変化を示す。真空槽１０１の真空引きが進み、到達真空度近くまで排気が進んだ真空脱ガス処理の後半では、排ガス中の空気流量がほぼ一定の値をとっている。したがって、排ガス分類計算部２２が実行する排ガス分類計算処理は、排ガス中の空気流量が安定するように、真空度が閾値以下となった場合に実行されることが好ましい。つまり、排ガス分類計算処理は、真空化領域の真空度に基づいて排ガスに占める空気の流量が一定であると判定される場合に、実行されることが好ましい。ここで、閾値は、到達真空度又は過去の実績データに基づいて定められてよい。

　また、図４から分かる通り、酸素吹き込みが開始した後に遅れて排ガス中の吹き込み酸素量が増加し、酸素吹き込みが終了すると排ガス中の吹き込み酸素量は遅れて急速に０へと収束する。排ガス中の吹き込み酸素量の時間変化は吹き込み酸素のパターンとは大きく異なり、酸素溶解率を連続的に推定することが困難であることが分かる。

　表１は、吹き込み酸素による酸素溶解率及び溶鋼中の酸素濃度上昇量の推定値と、溶鋼中の酸素濃度上昇量の実績値を示す。溶鋼中の酸素濃度上昇量の実績値は、真空脱ガス処理の処理前及び処理中における溶鋼中の炭素濃度及び酸素濃度の実測値を用いて計算したものである。ここで、脱酸剤の投入は行われなかったため、酸素と溶鋼中金属成分との反応について無視できる。表１に示すように、上記の実施形態の方法により推定された溶鋼中の酸素濃度上昇量は実績とよく一致している。以上のことから、上記の実施形態の方法が吹き込み酸素の酸素溶解率及び溶鋼中の酸素濃度上昇量を高精度に推定するために効果的であることが確認された。

　本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部又は各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示に係る実施形態は装置が備えるプロセッサにより実行されるプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

　１０　制御装置
　２０　状態推定装置
　２１　操業情報入力部
　２２　排ガス分類計算部
　２３　吹き込み酸素溶解率計算部
　２４　溶鋼中酸素濃度上昇量計算部
　２５　出力部
　１００　真空脱ガス設備
　１０１　真空槽
　１０２　取鍋
　１０３　浸漬管
　１０４　排気ダクト
　１０５　配管
　１０６　吹き込みランス
　１０７　排ガス流量計
　１０８　排ガス成分濃度計

Claims

　真空脱ガス処理の処理中の操作量に関する操業実績及び前記真空脱ガス処理を行う真空脱ガス設備から排出された排ガスの流量、前記排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＯ_２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を入力情報として、前記入力情報が入力される入力ステップと、
　前記入力情報に基づいて、前記排ガスを構成する気体の由来について、吹き込み酸素及び前記真空脱ガス処理の開始前又は処理中に前記真空脱ガス設備の真空化領域に進入した空気を含む複数の由来に分類し、分類された前記複数の由来の構成比を推定する計算ステップと、を含む、真空脱ガス処理の状態推定方法。
　前記計算ステップは、前記入力情報から前記排ガスに占めるＮ_２ガスの割合を推定し、前記排ガス中のＮ_２ガスに基づいて前記真空化領域に進入した空気の割合を計算することを含む、請求項１に記載の真空脱ガス処理の状態推定方法。
　前記計算ステップは、酸素吹き込みの終了時刻から基準の時間以上が経過した場合に、推定された前記構成比に基づいて、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定すること、を含む、請求項１又は２に記載の真空脱ガス処理の状態推定方法。
　前記計算ステップは、推定された前記溶解率に基づいて、溶鋼中酸素濃度上昇量を推定すること、を含む、請求項３に記載の真空脱ガス処理の状態推定方法。
　前記計算ステップは、前記真空化領域の真空度に基づいて前記排ガスに占める空気の流量が一定であると判定される場合に、前記構成比を推定する、請求項１又は２に記載の真空脱ガス処理の状態推定方法。
　請求項１又は２に記載の真空脱ガス処理の状態推定方法を実行して、前記真空脱ガス設備を操業する、操業方法。
　請求項６に記載の操業方法によって操業される真空脱ガス設備において溶鋼を精錬して、精錬された前記溶鋼を製造する、溶鋼の製造方法。
　真空脱ガス処理の処理中の操作量に関する操業実績及び前記真空脱ガス処理を行う真空脱ガス設備から排出された排ガスの流量、前記排ガスに含まれるＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＯ_２ガスの成分濃度を含む時系列排ガス計測値を入力情報として、前記入力情報が入力される操業情報入力部と、
　前記入力情報に基づいて、前記排ガスを構成する気体の由来について、吹き込み酸素及び前記真空脱ガス処理の開始前又は処理中に前記真空脱ガス設備の真空化領域に進入した空気を含む複数の由来に分類し、分類された前記複数の由来の構成比を推定する排ガス分類計算部と、を備える、真空脱ガス処理の状態推定装置。
　前記排ガス分類計算部は、前記入力情報から前記排ガスに占めるＮ_２ガスの割合を推定し、前記排ガス中のＮ_２ガスに基づいて前記真空化領域に進入した空気の割合を計算する、請求項８に記載の真空脱ガス処理の状態推定装置。
　酸素吹き込みの終了時刻から基準の時間以上が経過した場合に、推定された前記構成比に基づいて、吹き込み酸素の溶鋼への溶解率を推定する吹き込み酸素溶解率計算部を備える、請求項８又は９に記載の真空脱ガス処理の状態推定装置。
　推定された前記溶解率に基づいて、溶鋼中酸素濃度上昇量を推定する溶鋼中酸素濃度上昇量計算部を備える、請求項１０に記載の真空脱ガス処理の状態推定装置。
　前記排ガス分類計算部は、前記真空化領域の真空度に基づいて前記排ガスに占める空気の流量が一定であると判定される場合に、前記構成比を推定する、請求項８又は９に記載の真空脱ガス処理の状態推定装置。