TW201940704A - 熔態金屬成分推定裝置、熔態金屬成分推定方法及熔態金屬之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之熔態金屬成分推定裝置具備：物質收支計算部，其推定投入至精煉設備之碳量及氧量與自精煉設備排出之碳量及氧量；物理反應模型計算部，其推定殘存於精煉設備內之氧量及碳量之至少一者；及修正計算部，其算出修正排氣之流量之測量值之參數、修正排氣之成分濃度之測量值之參數、修正礦渣中之FeO濃度之計算值之參數、及表示熔態金屬中之碳量之參數分別作為第1、第2、第3、及第4修正參數，且使用所算出之第1、第2、第3、及第4修正參數推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。

Description

熔態金屬成分推定裝置、熔態金屬成分推定方法及熔態金屬之製造方法
本發明係關於一種熔態金屬成分推定裝置、熔態金屬成分推定方法及熔態金屬之製造方法。
於煉鐵廠，係在預處理設備、轉爐、及二次精煉設備等精煉設備中，對自高爐排出之熔鐵之成分濃度及溫度進行調整。其中，轉爐製程係藉由對轉爐內吹入氧而進行去除熔態金屬中之雜質及升溫之製程，於鋼之品質管理及精煉成本合理化等方面承擔非常重要的作用。於轉爐中之熔態金屬之成分濃度及溫度之控制中，將頂吹氧之流量及速度、頂吹噴槍高度、底吹氣體之流量、石灰或鐵礦石等輔料之投入量及投入時間等作為操作量使用。該等操作量應根據熔態金屬及礦渣之成分濃度而最佳化。但是，熔態金屬中之氧化反應激烈，熔態金屬成為高溫，故難以隨時測量熔態金屬及礦渣之成分濃度。因此，提出使用爐內物理反應模型或精煉設備中之測量資訊即時推定熔態金屬及礦渣之成分濃度之方法。
專利文獻1中，提出一種使用自轉爐排出之排氣之成分濃度及流量、以及操作資料進行火點反應之運算，且使用所算出之資料進行礦渣金屬界面反應之運算，藉此逐次推定鼓風處理中之礦渣中FeO濃度的方法。但是，一般而言，轉爐中熔態金屬之成分 濃度之推定中所使用之排氣之測量資訊的誤差較大。例如，一般而言，排氣之流量值多為將節流孔(節流閥)或文氏管設置於排氣管，根據其前後之壓降而推定，但排氣之壓力、溫度、及流量會頻繁地大幅變動，故有測量值之誤差變大之傾向。根據此種背景，於專利文獻2中，提出一種關於鋼鐵精煉製程之排氣之流量，根據過去實績計算修正測量值之係數，根據鼓風處理中途之熔態金屬分析結果進而修正該係數，且根據該資訊即時推定熔態金屬之碳濃度的方法。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2015-131999號公報
專利文獻2：日本專利特開平9-272913號公報
然而，於專利文獻1所記載之方法中，於火點反應之運算中算出脫碳速度及鐵之氧化速度時，如上所述使用誤差較大之排氣之流量及成分濃度之測量值。進而，於轉爐製程中由於物理模型中無法全部表現未知之干擾而時常產生模型計算值與實際值偏離之現象。根據以上所述，認為專利文獻1所記載之方法中，藉由火點及金屬礦渣界面反應模型而計算之礦渣中FeO濃度之推定精度時常惡化。
另一方面，於專利文獻2中記載有排氣之測量資訊之修正方法，但該方法係根據排氣中之碳量與熔態金屬中之碳減少量 而修正排氣之流量，此時利用熔態金屬之中間採樣之成分分析資訊。於轉爐製程中，一般熔態金屬成分之採樣係於鼓風處理最終階段進行一次或數次，上述方法中，考慮到於進行熔態金屬之中間採樣前之熔態金屬成分之推定精度之惡化、且藉此使中間採樣執行時間與目標值偏離、中間採樣後之操作動作延遲等問題。
本發明係鑒於上述課題而完成，其目的在於提供一種能夠高精度且連續地推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度之熔態金屬成分推定裝置及熔態金屬成分推定方法。又，本發明之另一目的在於提供一種能夠良率佳地製造具有所需之成分濃度熔態金屬的熔態金屬之製造方法。
本發明之熔態金屬成分推定裝置之特徵在於具備：輸入裝置，其輸入關於精煉設備中之鼓風處理開始前或鼓風處理中之熔態金屬之溫度及成分濃度之第1測量結果、及關於自上述精煉設備排出之排氣之流量及成分濃度之第2測量結果；模型資料庫，其儲存關於上述精煉設備中之鼓風處理反應之模型式及參數；物質收支計算部，其藉由使用上述第1測量結果、上述第2測量結果、上述模型式及上述參數進行碳及氧之收支平衡計算，而推定投入至精煉設備之碳量及氧量與自上述精煉設備排出之碳量及氧量；物理反應模型計算部，其藉由使用上述第1測量結果與上述模型式及上述參數計算礦渣中FeO量及熔態金屬中脫碳量之至少一者，而推定殘存於精煉設備內之氧量及碳量之至少一者；及修正計算部，其根據輸入至上述輸入裝置之上述第2測量結果，使用上述物質收支計算部及上述物理反應模型計算部之推定結果，算出修正上述排氣之流量 之測量值之參數、修正上述排氣之成分濃度之測量值之參數、修正礦渣中之FeO濃度之計算值之參數、及表示上述熔態金屬中之碳量之參數分別作為第1、第2、第3、及第4修正參數，且使用所算出之第1、第2、第3、及第4修正參數推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。
本發明之另一熔態金屬成分推定裝置如上述發明，且特徵在於，上述修正計算部係以使包含以下三項之評估函數成為最小之方式計算上述第1、上述第2、上述第3、及上述第4修正參數，上述三項函數係：碳收支誤差，其表示為自根據上述第1測量結果計算之初始熔態金屬中碳量與藉由投入輔料而供給至精煉設備內之碳量減去根據上述第2測量結果計算之排出至精煉設備外之碳量所得之量、與上述第4修正參數的差；氧收支誤差，其表示為自供給至上述精煉設備之氧量減去由根據上述第2測量結果計算之熔態金屬中碳氧化、精煉設備內一氧化碳氧化、及熔態金屬中雜質金屬氧化而消耗之氧量所得之值、與藉由上述模型式計算之由熔態金屬中鐵氧化而消耗之氧量的差；及一次燃燒收支誤差，其表示為以自頂吹氧量及藉由投入輔料而供給之氧量減去雜質金屬及鐵氧化所消耗之氧量所得之量中的、熔態金屬中碳氧化所消耗之氧量之比例表示之一次燃燒效率、與上述一次燃燒效率之標準值之差。
本發明之另一熔態金屬成分推定裝置如上述發明，且特徵在於，上述修正計算部係以使包含以下三項之評估函數成為最小之方式計算上述第1、上述第2、上述第3、及上述第4修正參數，上述三項函數係：碳收支誤差，其表示為自根據上述第1測量結果計算之初始熔態金屬中碳量與藉由投入輔料而供給至精煉設備內之碳量減去根據上述第2測量結果計算之排出至精煉設備外之碳量 所得的量、與上述第4修正參數之比；氧收支誤差，其表示為自供給至上述精煉設備之氧量減去根據上述第2測量結果計算之由熔態金屬中碳氧化、精煉設備內一氧化碳氧化及熔態金屬中雜質金屬氧化而消耗之氧量所得之值、與藉由物理反應模型計算之由熔態金屬中鐵氧化而消耗之氧量之比；及一次燃燒收支誤差，其表示為以自頂吹氧量及藉由投入輔料而供給之氧量減去雜質金屬及鐵氧化所消耗之氧量所得之量中的、熔態金屬中碳氧化所消耗之氧量之比例表示之一次燃燒效率、與上述一次燃燒效率之標準值之比。
本發明之另一熔態金屬成分推定裝置如上述發明，且特徵在於，上述評估函數係包含上述碳收支誤差之平方值、上述氧收支誤差之平方值、及上述一次燃燒收支誤差之平方值作為項的加權和。
本發明之另一熔態金屬成分推定裝置如上述發明，且特徵在於，表示上述評估函數中之各項之權重之常數於滿足根據計算對象裝料(charge)中之計算對象時刻以前算出之熔態金屬成分推定資訊及修正後之排氣測量資訊之至少一者所設定之條件之情形時進行更換。
本發明之熔態金屬成分推定方法之特徵在於包括：輸入步驟，其輸入關於精煉設備中之鼓風處理開始前或鼓風處理中之熔態金屬之溫度及成分濃度之第1測量結果、及關於自上述精煉設備排出之排氣之流量及成分濃度之第2測量結果；物質收支計算步驟，其藉由使用上述第1測量結果、上述第2測量結果、關於上述精煉設備中之鼓風處理反應之模型式及參數進行碳及氧之收支平衡計算，而推定投入至精煉設備之碳量及氧量與自上述精煉設備排出 之碳量及氧量；物理反應模型計算步驟，其藉由使用上述第1測量結果與上述模型式及上述參數計算礦渣中FeO量及熔態金屬中脫碳量之至少一者，而推定殘存於精煉設備內之氧量及碳量之至少一者；及修正計算步驟，其根據上述輸入步驟中輸入之上述第2測量結果，使用上述物質收支計算步驟及上述物理反應模型計算步驟中之推定結果，算出修正上述排氣之流量之測量值之參數、修正上述排氣之成分濃度之測量值之參數、修正礦渣中之FeO濃度之計算值之參數、及表示上述熔態金屬中之碳量之參數分別作為第1、第2、第3、及第4修正參數，且使用所算出之第1、第2、第3、及第4修正參數推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。
本發明之熔態金屬之製造方法之特徵在於包含以下步驟：根據使用本發明之熔態金屬成分推定方法推定之熔態金屬中之成分濃度，將熔態金屬中之成分濃度調整至所需之範圍內。
根據本發明之熔態金屬成分推定裝置及熔態金屬成分推定方法，可高精度且連續地推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。又，根據本發明之熔態金屬之製造方法，可良率佳地製造具有所需之成分濃度之熔態金屬。
1‧‧‧熔態金屬成分推定裝置
2‧‧‧精煉設備
10‧‧‧控制終端
11‧‧‧輸入裝置
12‧‧‧模型資料庫(模型DB)
13‧‧‧運算處理部
14‧‧‧物質收支計算部
15‧‧‧物理反應模型計算部
16‧‧‧修正計算部
17‧‧‧輸出裝置
20‧‧‧顯示裝置
100‧‧‧轉爐
101‧‧‧熔態金屬
102‧‧‧噴槍
103‧‧‧礦渣
104‧‧‧導管
105‧‧‧排氣檢測部
106‧‧‧通氣孔
107‧‧‧流量計
圖1係表示本發明之一實施形態之熔態金屬成分推定裝置之構成之示意圖。
圖2係表示本發明之一實施形態之熔態金屬成分推定處理之流程之流程圖。
圖3係表示鼓風處理中之脫碳氧效率與鼓風進度之關係之圖。
以下，參照圖式，對本發明之一實施形態即熔態金屬成分推定裝置及其動作詳細地進行說明。
[熔態金屬成分推定裝置之構成]
首先，參照圖1，對本發明之一實施形態即熔態金屬成分推定裝置之構成進行說明。
圖1係表示本發明之一實施形態即熔態金屬成分推定裝置之構成之示意圖。如圖1所示，本發明之一實施形態即熔態金屬成分推定裝置1係推定於鋼鐵業之精煉設備2中處理之熔態金屬101及礦渣103之成分濃度的裝置。此處，精煉設備2具備轉爐100、噴槍102、及導管104。於轉爐100內之熔態金屬101上配置有噴槍102。自噴槍102之頂端朝下方之熔態金屬101噴出高壓氧(頂吹氧)。藉由該高壓氧使熔態金屬101內之雜質氧化且被引入至礦渣103內(鼓風處理)。於轉爐100之上部，設置有排氣導煙用之導管104。
於導管104之內部配置有排氣檢測部105。排氣檢測部105檢測隨鼓風處理排出之排氣之流量及排氣中之成分(例如CO、CO2、O2、N2、H2O、Ar等)。排氣檢測部105係例如根據設置於導管104內之文氏管前後之差壓而測量導管104內之排氣之流量。又，排氣檢測部105測量排氣中之各成分濃度[%]。排氣之流量及成分濃度例如以數秒週期而測量。表示排氣檢測部105之檢測結果之信號被輸送至控制終端10。
對於轉爐100內之熔態金屬101，經由形成於轉爐100 之底部之通氣孔106而吹入攪拌氣體(底吹氣體)。攪拌氣體為Ar等惰性氣體。吹入之攪拌氣體攪拌熔態金屬101，促進高壓氧與熔態金屬101之反應。流量計107測量吹入至轉爐100之攪拌氣體之流量。於即將開始鼓風處理前及鼓風處理後，進行熔態金屬101之溫度及成分濃度之分析。又，熔態金屬101之溫度及成分濃度於鼓風處理中途測量一次或數次，且根據所測量之溫度及成分濃度而決定高壓氧之供給量(送氧量)及速度(送氧速度)、攪拌氣體之流量(攪拌氣體流量)等。
應用熔態金屬成分推定裝置1之鼓風處理控制系統具備控制終端10、熔態金屬成分推定裝置1、及顯示裝置20作為主要的構成要素。控制終端10係由個人電腦或工作站等資訊處理裝置構成，以使熔態金屬101之成分濃度成為所需之範圍內之方式控制送氧量、送氧速度、及攪拌氣體流量，並且收集送氧量、送氧速度、及攪拌氣體流量之實績值之資料。
熔態金屬成分推定裝置1係由個人電腦或工作站等資訊處理裝置構成。熔態金屬成分推定裝置1具備輸入裝置11、模型資料庫(模型DB)12、運算處理部13、及輸出裝置17。
輸入裝置11係輸入關於精煉設備2之各種測量結果及實績資訊之輸入用介面。輸入裝置11具有鍵盤、滑鼠、指向裝置、資料接收裝置、及圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)等。輸入裝置11自外部接收實績資料或參數設定值等，對該資訊進行向模型DB12之寫入或向運算處理部13之發送。對於輸入裝置11，輸入關於精煉設備2中之鼓風處理開始前及鼓風處理中之至少任一者之熔態金屬101之溫度與成分濃度之測量結果。關於溫度與成分濃 度之測量結果，係例如藉由操作員之人工輸入或自記錄媒體之讀取輸入等而輸入至輸入裝置11。又，對於輸入裝置11，自控制終端10輸入實績資訊。實績資訊包含關於藉由排氣檢測部105測量之排氣之流量及成分濃度之資訊、送氧量及送氧速度之資訊、攪拌氣體流量之資訊、原料(主料、輔料)投入量之資訊、及熔態金屬101之溫度資訊等。
模型DB12係保存關於精煉設備2中之鼓風處理反應之模型式之資訊的記憶裝置。模型DB12記憶有模型式之參數作為關於鼓風處理反應之模型式之資訊。又，於模型DB12中，記憶輸入至輸入裝置11之各種資訊、及由運算處理部13算出之鼓風處理實績之計算、解析結果。
運算處理部13係CPU等運算處理裝置，控制熔態金屬成分推定裝置1整體之動作。運算處理部13具有作為物質收支計算部14、物理反應模型計算部15、及修正計算部16之功能。物質收支計算部14、物理反應模型計算部15、及修正計算部16例如藉由運算處理部13執行電腦程式而實現。運算處理部13藉由執行物質收支計算部14用之電腦程式而作為物質收支計算部14發揮功能，藉由執行物理反應模型計算部15用之電腦程式而作為物理反應模型計算部15發揮功能，且藉由執行修正計算部16用之電腦程式而作為修正計算部16發揮功能。再者，運算處理部13亦可具有作為物質收支計算部14、物理反應模型計算部15、及修正計算部16發揮功能之專用之運算裝置或運算電路。
物質收支計算部14根據操作實績資訊、熔態金屬成分分析資訊、排氣資訊、及記憶於模型DB12之模型資訊而進行成分 之物質收支平衡計算。物質收支平衡計算係計算各成分向轉爐100內之投入量及各成分自轉爐100之排出量者。各成分之投入量係根據對於轉爐100之主料及輔料投入量、來自噴槍102之供給氧、及來自轉爐100外之夾帶空氣量而算出。各成分之排出量係根據排氣流量及排氣成分濃度而算出。
物理反應模型計算部15，係根據記憶於模型DB12之模型資訊與操作實績資訊，計算礦渣103中之FeO生成、還原反應量、及熔態金屬101中之脫碳量，推定熔態金屬101中之鐵之氧化量即作為礦渣103中之FeO殘存於轉爐100內之氧量、及殘存於熔態金屬101中之碳量。
修正計算部16，係根據物質收支計算部14與物理反應模型計算部15之計算結果，算出排氣流量之修正參數、排氣中CO、CO2濃度之修正參數、由物理反應模型計算部15所得之礦渣103中FeO濃度推定值之修正參數、及計算時間點上之熔態金屬101中碳濃度，且使用所算出之各種修正參數推定熔態金屬101中碳濃度及礦渣103中FeO濃度。
具有此種構成之熔態金屬成分推定裝置1藉由執行以下所示之熔態金屬成分推定處理而高精度且連續地推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。以下，參照圖2所示之流程圖，對執行熔態金屬成分推定處理時之熔態金屬成分推定裝置1之動作進行說明。
[熔態金屬成分推定處理]
圖2係表示本發明之一實施形態即熔態金屬成分推定處理之流程之流程圖。圖2所示之流程圖中，以鼓風處理開始之時間為開始， 熔態金屬成分推定處理進入至步驟S1之處理。
於步驟S1之處理中，運算處理部13取得熔態金屬101之測量、分析值。運算處理部13取得藉由對熔態金屬101之樣本之溫度測量及成分分析而獲得之測量、分析結果。藉此，完成步驟S1之處理，熔態金屬成分推定處理進入至步驟S2之處理。
於步驟S2之處理中，運算處理部13自控制終端10取得操作量資訊、排氣測量、分析資訊(排氣資訊)、及輔料投入量資訊。於通常之轉爐鼓風操作中，操作量資訊及排氣測量、分析資訊係以固定週期收集。本實施形態中，為簡單起見，設為以2sec週期收集排氣測量、分析資訊。於操作量資訊之取得時間與排氣測量、分析資訊之取得時間之間存在較大之時間延遲之情形時，考慮該時間延遲(按照延遲時間量使排氣測量、分析資訊提前)而製作資料。又，於排氣流量之測量值及CO、CO2之分析值包含大量雜訊之情形時，亦可以經過移動平均計算等平滑化處理後之值替換測量值及分析值。藉此，完成步驟S2之處理，熔態金屬成分推定處理進入至步驟S3之處理。
於步驟S3之處理中，物質收支計算部14使用步驟S1及步驟S2之處理中所取得之資訊及模型DB12之資訊，進行碳及氧之收支平衡計算(物質收支模型計算)。投入至轉爐100內之碳量及排出至轉爐100外之碳量分別表示為如下所示之數式(1)及數式(2)。再者，以下只要無說明，則%及各種流量表示mass%及流量原單位。
此處，投入碳量Cin[%]成為主料中之碳量與投入輔料中之碳量之和的熔態金屬101中濃度換算值，ρpig[%]為投入熔鐵中碳濃度，ρi Cscr[%]為投入碎片(品牌i)中碳濃度，ρj Caux[%]為投入輔料(品牌j)中碳濃度，Wpig[t]為投入熔鐵重量，Wi scr[t]為投入碎片(品牌i)重量，Wj aux[t]為輔料(品牌j)投入累計重量，Wcharge[t]為投入至轉爐100之熔態金屬重量。投入碎片品牌i及投入輔料品牌j中之碳濃度ρi Cscr、ρj Caux記憶於模型DB12，物質收支計算部14取得對象裝料中利用之關於品牌之資訊。
排出碳量Cout[%]為排氣中包含之碳量之熔態金屬101中濃度換算值，VCO OG[Nm3/t]、VCO2 OG[Nm3/t]分別為排氣中CO、CO2之計算時刻之前之累計流量。自投入碳量減去排出碳量所得之量為殘存於轉爐100內之碳量，此即相當於熔態金屬101中之碳濃度。再者，假定熔態金屬之出入碳量與全部投入量相比微少。
另一方面，投入至轉爐100內之氧量及排出至轉爐100外之氧量分別表示為以下所示之數式(3)及數式(4)。
此處，投入氧量O2 in[Nm3/t]成為來自噴槍102之頂吹氧累計量VO2 blow[Nm3/t]、投入輔料中之氧累計量、及自轉爐100外夾 帶至爐內之空氣中之氧累計量之和，ρj Oaux[(Nm3/t)/t]為投入輔料(品牌i)中氧含量之換算值。投入輔料品牌j中之氧含量ρj Oaux記憶於模型DB12，物質收支計算部14取得對象裝料中利用之關於品牌之資訊。又，於投入氧量計算中未獲得排氣分析N2濃度及排氣分析Ar濃度之情形時，關於夾帶空氣中之氧量，假定自排氣中O2、CO、CO2以外之未分析排氣量Vrem OG[Nm3/t]減去底吹氣量Vbot[Nm3/t]所得之量相當於夾帶空氣中之N2，亦可以上述數式(3)之第3項之方式算出。
排出氧量O2 out[Nm3/t]係根據排氣中包含之氧量而計算，VO2 OG[Nm3/t]係排氣中O2之計算時刻之前之累計流量。自投入氧量減去排出氧量所得之量係殘存於轉爐100內之氧量，其被用於熔態金屬101中之Si、Mn、P等金屬雜質之氧化及鐵之氧化。其中，關於金屬雜質之氧化量，藉由記憶於模型DB12之雜質金屬之氧化反應模型而計算，例如用於熔態金屬101中Si氧化之氧量VO2 Si[Nm3/t]表示為以下所示之數式(5)。
此處，ρpig si[%]為投入熔鐵中Si濃度，ρi Siscr[%]為投入碎片(品牌i)中Si濃度，ρj Siaux[%]為投入輔料(品牌j)中Si濃度，ASi為Si之氧化反應速度常數。又，亦可以與數式(5)相同之方式計算用於Mn、P等熔態金屬101中之各種金屬雜質氧化之氧量，將其合計表示為VO2 met[Nm3/t]。藉此，完成步驟S3之處理，熔態金屬成分推定處理進入至步驟S4之處理。
於步驟S4之處理中，物理反應模型計算部15使用步驟S1及步驟S2之處理中取得之資訊及模型DB12之資訊，計算礦渣103中之FeO生成、還原反應量、及熔態金屬101中脫碳量，推定熔態金屬101中之鐵之氧化量，即礦渣103中作為FeO殘存於轉爐100內之氧量、及殘存於熔態金屬101中之碳量。FeO生成速度VFeO[kg/min]係藉由包含表示FeO生成、還原反應之項之物理反應模型(FeO生成、還原反應模型)而計算，表示為以下所示之數式(6)。
此處，C1及C2分別為FeO生成係數及FeO還原係數，vO2 blow[Nm3/Hr]為來自噴槍102之送氧速度，R[Nm3/s/m2]及R0[Nm3/s/m2]為氧負荷及基準氧負荷，Thsp[℃]為火點溫度，H[m]為熔態金屬101之浴深，D[m]為熔態金屬101之浴徑，ε[kW/t]為來自噴槍102之送氧及底吹氣體對熔態金屬101之攪拌動力密度，Tbulk[℃]為熔態金屬101之溫度，B為礦渣103之鹼度(礦渣成分中之SiO2/CaO比)，第1項為FeO生成反應速度，第2項為FeO還原反應速度。關於C1及C2，亦可利用步驟S1及步驟S2之處理中所取得之資訊、或記憶於模型DB12之過去裝料之實績資訊而決定。如以下所示之數式(7)，藉由將所算出之FeO生成反應速度積分並累計而計算FeO累積量FeO[kg/t]，算出殘存於轉爐100內之氧量。
[數7]FeO=∫v FeO /60/W charge dt…(7)
又，熔態金屬101中之脫碳量可使用表示鼓風處理中之脫碳氧效率之物理模型計算。此處，鼓風處理中之脫碳氧效率 dC/dO2[10-3%/(Nm3/t)]表示熔態金屬101中之碳濃度相對於來自噴槍102之送氧量及藉由輔料投入而供給之氧量之減少效率。圖3係表示鼓風處理中之脫碳氧效率與鼓風進度之關係之圖。如圖3所示，於鼓風處理之初期，脫碳氧效率dC/dO2相對於鼓風進度T'以斜率a上升，達到最大值(dC/dO2)max。其後，若熔態金屬101中之碳濃度達到臨界濃度(0.4%左右)，則脫碳氧效率dC/dO2相對於鼓風進度T'以斜率b下降。此處，脫碳氧效率dC/dO2之上升及下降之斜率a、b、截距c及最大值(dC/dO2)max可利用步驟S1及步驟S2之處理中取得之資訊、或記憶於模型DB12之過去裝料之實績資訊而決定。又，於熔態金屬101中之碳濃度處於低濃度區域(<0.25%左右)之情形時，可使用以下數式(8)所示之脫碳氧效率dC/dO2與熔態金屬101中之碳濃度Cs之關係(脫碳模型)而算出。
於數式(8)所示之脫碳模型中，脫碳氧效率dC/dO2依存於熔態金屬101中之碳濃度Cs[%]。又，Wslg[kg/t]為礦渣103之重量，m1、m2、m3為常數。藉此，完成步驟S4之處理，熔態金屬成分推定處理進入至步驟S5之處理。
於步驟S5之處理中，修正計算部16使用步驟S3及步驟S4之處理中算出之資訊及模型DB12之資訊，算出排氣流量之修正參數、排氣中CO、CO2濃度之修正參數、由物理反應模型計算推定之礦渣103中FeO濃度推定值之修正參數、及熔態金屬101中碳濃度。
[修正參數計算例]
具體而言，修正計算部16藉由解決使以下數式(9)所示之評估函數J或以下數式(10)所示之評估函數J為最小之非線性規劃問題而計算修正參數α、β、△FeO、[C]。再者，a係以積之形式修正排氣流量之參數，β係以積之形式修正排氣中CO、CO2濃度之參數，△FeO係以和之形式修正藉由步驟S4之處理算出之礦渣103中FeO推定量之參數，[C]係表示計算時刻下之熔態金屬101中碳濃度之參數。又，()temp表示計算時刻附近之固定期間之變化量。藉由修正參數a、β之導入，將數式(3)、數式(4)中所示之O2 in、O2 out表示為以下所示之數式(11)、(12)。又，數式(9)、數式(10)中使用之O2eff[Nm3/t]如以下之數式(13)所示，係自來自噴槍102之送氧量及藉由輔料投入而供給之氧量減去雜質金屬燃燒及鐵氧化所消耗之氧量所得之量，即熔態金屬101中碳氧化及使所產生之CO氧化並生成CO2之反應中使用之氧量(有效氧量)。
[數10]
數式(9)所示之評估函數J成為作為以下記述之第6項之誤差之指標之項的加權和。第1項為自投入碳量減去排出碳量後之殘留於轉爐100內之碳量與[C]之差的平方值，該項成為0表示於轉爐100內保持碳質量收支平衡。第2項為自投入氧量減去排出氧量及雜質金屬氧化使用氧量所得之量與根據基於物理反應模型所得之FeO推定量計算之熔態金屬101中鐵氧化所使用之氧量之差的平方值，該項成為0表示於轉爐100內保持氧質量收支平衡。第3項為以有效氧量中之熔態金屬101中碳之氧化(一次燃燒)所使用之氧量之比例表示之一次燃燒效率與一次燃燒效率之標準值Rpri之差的平方值，該項接近於0表示根據操作量及排氣資訊計算之一次燃燒效率接近於標準值。第4項為a、β與α、β標準值aave、βave之差的平方 值，該項接近於0表示α、β接近於標準值。第5項為修正參數△FeO之平方值，且係防止算出之礦渣中FeO濃度背離物理反應模型之項。第6項為根據計算時間點附近之排氣資訊及投入氧資訊計算之脫碳氧效率、與基於物理反應模型之脫碳氧效率之差的平方值，該項成為0表示實測之脫碳量切合物理模型。
又，數式(10)所示之評估函數J亦同樣地成為作為以下記述之第6項之誤差之指標之項的加權和。第1項為自投入碳量減去排出碳量後之殘留於轉爐100內之碳量與[C]之比減去1後所得之值的平方值，該項成為0表示於轉爐100內保持碳質量收支平衡。第2項為自投入氧量減去排出氧量及雜質金屬氧化使用氧量後所得之量與根據基於物理反應模型之FeO推定量計算之熔態金屬101中鐵氧化所使用之氧量之比減去1後所得之值的平方值，該項成為0表示於轉爐100內保持氧質量收支平衡。第3項為自以有效氧量中之熔態金屬101中碳之氧化(一次燃燒)所使用之氧量之比例表示之一次燃燒效率與一次燃燒效率之標準值Rpri之比減去1後所得之值的平方值，該項接近於0表示根據操作量及排氣資訊計算之一次燃燒效率接近於標準值。第4項為自a、β與a、β標準值aave、βave之比減去1後所得之值的平方值，該項接近於0表示a、β接近於標準值。第5項為修正參數△FeO之平方值，且係防止算出之礦渣中FeO濃度偏離物理反應模型之項。第6項為自根據計算時間點附近之排氣資訊及投入氧資訊計算之脫碳氧效率、與基於物理反應模型之脫碳氧效率之比減去1後所得之值的平方值，該項成為0表示實測之脫碳量切合物理模型。
再者，數式(9)、(10)中Rpri、aave、βave係根據記憶於 模型DB12之過去裝料之鼓風處理實績中之與推定對象裝料相同之鼓風處理形態之實績而決定。又，Rpri於可根據操作量或鼓風處理條件等記述之情形時亦可使用。
於上述例中，評估函數J之各項之分母中之加權因子(σ1~σ6)為使用者設定之參數。加權因子決定關於上述各項之各者之誤差之大小對評估函數J的影響度。因此，鼓風處理中可藉由根據反應之相來變更各項之加權因子從而使推定精度提高。例如，於熔態金屬中碳濃度為低濃度區域或脫碳氧效率下降之區域，對數式(9)將第6項之加權因子σ6變更為較小之值而增大第6項之誤差對評估函數J之影響，藉此即便熔態金屬中碳濃度為低濃度亦可精度良好地推定。如上，於滿足根據計算對象時刻以前算出之熔態金屬成分推定資訊及修正後之排氣測量資訊之至少一者所設定之條件的情形時，於鼓風處理中更換評估函數J之各項之加權因子，藉此推定精度提高。
對於將評估函數J根據制約條件最小化之非線性規劃問題提出多種演算法(例如參照非專利文獻1(今野浩、山下浩著：非線性規劃法，日科技連))，若利用其等演算法則可容易地計算修正參數a、β、△FeO、[C]。藉此，完成步驟S5之處理，熔態金屬成分推定處理進入至步驟S6之處理。
於步驟S6之處理中，修正計算部16使用步驟S5之處理中算出之各種修正參數推定熔態金屬101中碳濃度及礦渣103中FeO濃度。以後，運算處理部13將修正計算部16對熔態金屬101中碳濃度及礦渣103中FeO濃度之推定結果輸送至輸出裝置17。輸出裝置17將自運算處理部13輸送之熔態金屬101中碳濃度之推定結果輸出至 控制終端10及顯示裝置20。控制終端10根據熔態金屬101中碳濃度之推定結果而調節精煉設備2之操作量(例如送氧量、輔料之投入量及投入時間等)。顯示裝置20顯示熔態金屬101中碳濃度及礦渣103中FeO濃度之推定結果。藉此，完成步驟S6之處理，熔態金屬成分推定處理進入至步驟S7之處理。
於步驟S7之處理中，運算處理部13判別鼓風處理是否已結束。判別之結果為，於鼓風處理已結束之情形時，運算處理部13結束一連串之熔態金屬成分推定處理，運算處理部13進入至步驟S8之處理。另一方面，於鼓風處理未結束之情形時，運算處理部13返回至步驟S2之處理。
於步驟S8之處理中，運算處理部13將對象裝料之實績資料及運算處理部13之計算結果保存於模型DB12。再者，於獲得對象鼓風處理結束時之熔態金屬101中碳濃度或礦渣103中FeO濃度之測量值之情形時，使用該等算出最佳之各種修正參數及初始參數條件。又，本實施形態中關於未作為修正項目處理之要素、例如關於投入熔鐵中碳濃度分析值ρpig或輔料投入累計重量Wj aux等具有誤差要因之情形時，於步驟S8之處理中，算出滿足鼓風處理結束時之熔態金屬101成分、礦渣103成分之修正參數並保存於模型DB12，以此可作為以後裝料中之初始修正參數而運用。藉此，完成步驟S8之處理，一連串之熔態金屬成分推定處理結束。
根據以上說明可明確瞭解，本發明之一實施形態即熔態金屬成分推定處理中，熔態金屬成分推定裝置1根據物理反應模型式、熔態金屬之成分濃度之測量結果、及自精煉設備排出之排氣之流量及成分濃度之測量結果，逐次算出以連續地保持鼓風處理中 之碳收支平衡及氧收支平衡之方式修正排氣之流量及成分濃度之測量值、物理反應模型計算值之修正參數，故於鼓風處理中可連續地獲得高精度之熔態金屬及礦渣中之成分濃度之推定值。
以上，對應用本發明者等人完成之發明之實施形態進行了說明，但本發明並不受成為本實施形態中之本發明之揭示之一部分之記述及圖式限定。例如，本實施形態中係使用排氣資訊作為能夠連續取得之轉爐測量資訊，但例如於獲得關於熔態金屬溫度之測量資訊之情形時，藉由將與基於由爐內氧化反應產生之熱量之熱收支模型組合後所得之關係式加入至最佳化計算中，能夠連續地進行熔態金屬溫度推定，進而亦可期待熔態金屬及礦渣之成分濃度之推定精度之提高。如此，根據本實施形態，由熟悉本技藝者等完成之其他實施形態、實施例、及運用技術等全部包含於本發明之範疇。
(產業上之可利用性)
根據本發明，可提供一種能夠高精度且連續地推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度之熔態金屬成分推定裝置及熔態金屬成分推定方法。

Claims (7)

  1. 一種熔態金屬成分推定裝置，其特徵在於具備：輸入裝置，其輸入關於精煉設備中之鼓風處理開始前或鼓風處理中之熔態金屬之溫度及成分濃度之第1測量結果、及關於自上述精煉設備排出之排氣之流量及成分濃度之第2測量結果；模型資料庫，其儲存關於上述精煉設備中之鼓風處理反應之模型式及參數；物質收支計算部，其藉由使用上述第1測量結果、上述第2測量結果、上述模型式及上述參數進行碳及氧之收支平衡計算，而推定投入至精煉設備之碳量及氧量與自上述精煉設備排出之碳量及氧量；物理反應模型計算部，其藉由使用上述第1測量結果與上述模型式及上述參數計算礦渣中FeO量及熔態金屬中脫碳量之至少一者，而推定殘存於精煉設備內之氧量及碳量之至少一者；及修正計算部，其根據輸入至上述輸入裝置之上述第2測量結果，使用上述物質收支計算部及上述物理反應模型計算部之推定結果，算出修正上述排氣之流量之測量值之參數、修正上述排氣之成分濃度之測量值之參數、修正礦渣中之FeO濃度之計算值之參數、及表示上述熔態金屬中之碳量之參數分別作為第1、第2、第3、及第4修正參數，且使用所算出之第1、第2、第3、及第4修正參數推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。
  2. 如請求項1之熔態金屬成分推定裝置，其中，上述修正計算部係以使包含以下三項之評估函數成為最小之方式計算上述第1、上述第2、上述第3、及上述第4修正參數，上述三項函數係： 碳收支誤差，其表示為自根據上述第1測量結果計算之初始熔態金屬中碳量與藉由投入輔料而供給至精煉設備內之碳量減去根據上述第2測量結果計算之排出至精煉設備外之碳量所得之量、與上述第4修正參數的差；氧收支誤差，其表示為自供給至上述精煉設備之氧量減去由根據上述第2測量結果計算之熔態金屬中碳氧化、精煉設備內一氧化碳氧化、及熔態金屬中雜質金屬氧化而消耗之氧量所得之值、與藉由上述模型式計算之由熔態金屬中鐵氧化而消耗之氧量的差；及一次燃燒收支誤差，其表示為以自頂吹氧量及藉由投入輔料而供給之氧量減去雜質金屬及鐵氧化所消耗之氧量所得之量中的、熔態金屬中碳氧化所消耗之氧量之比例表示之一次燃燒效率、與上述一次燃燒效率之標準值之差。
  3. 如請求項1之熔態金屬成分推定裝置，其中，上述修正計算部係以使包含以下三項之評估函數成為最小之方式計算上述第1、上述第2、上述第3、及上述第4修正參數，上述三項函數係：碳收支誤差，其表示為自根據上述第1測量結果計算之初始熔態金屬中碳量與藉由投入輔料而供給至精煉設備內之碳量減去根據上述第2測量結果計算之排出至精煉設備外之碳量所得的量、與上述第4修正參數之比；氧收支誤差，其表示為自供給至上述精煉設備之氧量減去根據上述第2測量結果計算之由熔態金屬中碳氧化、精煉設備內一氧化碳氧化及熔態金屬中雜質金屬氧化而消耗之氧量所得之值、與藉由物理反應模型計算之由熔態金屬中鐵氧化而消耗之氧量之比；及 一次燃燒收支誤差，其表示為以自頂吹氧量及藉由投入輔料而供給之氧量減去雜質金屬及鐵氧化所消耗之氧量所得之量中的、熔態金屬中碳氧化所消耗之氧量之比例表示之一次燃燒效率、與上述一次燃燒效率之標準值之比。
  4. 如請求項2或3之熔態金屬成分推定裝置，其中，上述評估函數係包含上述碳收支誤差之平方值、上述氧收支誤差之平方值、及上述一次燃燒收支誤差之平方值作為項的加權和。
  5. 如請求項4之熔態金屬成分推定裝置，其中，表示上述評估函數中之各項之權重之常數，於滿足根據計算對象裝料中之計算對象時刻以前算出之熔態金屬成分推定資訊及修正後之排氣測量資訊之至少一者所設定之條件的情形時，進行更換。
  6. 一種熔態金屬成分推定方法，其特徵在於包括：輸入步驟，其輸入關於精煉設備中之鼓風處理開始前或鼓風處理中之熔態金屬之溫度及成分濃度之第1測量結果、及關於自上述精煉設備排出之排氣之流量及成分濃度之第2測量結果；物質收支計算步驟，其藉由使用上述第1測量結果、上述第2測量結果、關於上述精煉設備中之鼓風處理反應之模型式及參數進行碳及氧之收支平衡計算，而推定投入至精煉設備之碳量及氧量與自上述精煉設備排出之碳量及氧量；物理反應模型計算步驟，其藉由使用上述第1測量結果與上述模型式及上述參數計算礦渣中FeO量及熔態金屬中脫碳量之至少一者，而推定殘存於精煉設備內之氧量及碳量之至少一者；及修正計算步驟，其根據上述輸入步驟中輸入之上述第2測量結果，使用上述物質收支計算步驟及上述物理反應模型計算步驟中之 推定結果，算出修正上述排氣之流量之測量值之參數、修正上述排氣之成分濃度之測量值之參數、修正礦渣中之FeO濃度之計算值之參數、及表示上述熔態金屬中之碳量之參數分別作為第1、第2、第3、及第4修正參數，且使用所算出之第1、第2、第3、及第4修正參數推定熔態金屬及礦渣中之成分濃度。
  7. 一種熔態金屬之製造方法，其特徵在於包含以下步驟：根據使用請求項6之熔態金屬成分推定方法推定之熔態金屬中之成分濃度，將熔態金屬中之成分濃度調整至所需之範圍內。
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