JP2006104521A - Ｒｈ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 脱炭処理中での溶鋼の炭素濃度を高精度に推定でき、適切なタイミングで脱炭処理を停止できるＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法を提供する。
【解決手段】 真空槽１内の溶鋼中炭素濃度の変化速度及び取鍋２内の溶鋼中炭素濃度の変化速度を、真空槽１内の溶鋼中炭素濃度と取鍋２内の溶鋼中炭素濃度と真空槽１内の圧力と溶鋼中酸素濃度と取鍋２内の溶鋼質量と真空槽１内の溶鋼質量とを用いた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼全体からの炭素の流出速度を算出するモデルを構築し、そのモデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と排ガス中の炭素流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値を、モデルの真空槽１内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と取鍋２内の溶鋼中炭素濃度の変化速度とに夫々加えて補正するオブザーバにより、取鍋２内の炭素濃度を経時的に推定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＲＨ真空脱ガス装置での溶鋼の脱炭処理にあって、脱炭中の炭素濃度を経時的に推定し、所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止するＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法に関する。

ＲＨ式脱ガス炉に代表される真空槽と取鍋との間で溶鋼を環流させる真空脱ガス装置を用いて溶鋼に対して脱炭処理を行う場合、終了後の炭素濃度が規格上下限から外れると、再溶解処理または別製品への振り当てが必要となる。また、炭素濃度［Ｃ］＜１００ｐｐｍの極低炭材を製造する際には、終了後の［Ｃ］が規格上限に対して大きい余裕を持つように脱炭処理を停止する傾向がある。これは操業者の経験にもとづく判断によるところが大きいが、生産性の観点からは、適切なタイミングで脱炭処理を停止して、時間あたりの処理チャージ数を増加させることが必要である。

以上のような問題を解決するためには、脱炭処理中の溶鋼内炭素濃度を推定して目標とする値に到達したときに脱炭処理を停止することが必要であり、これまでにもいくつかの方法が提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
特開平９−２０２９１３号公報 特開平１１−２７９６２５号公報 特開平６−２５６８４０号公報

特許文献１には、ＲＨ真空脱ガス装置における脱炭処理において、排ガスの流量と排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ 濃度とに基づいて算出される脱炭速度が一定値以下となった時点で、溶鋼中酸素濃度、真空槽内の圧力、環流ガスの流量、排ガスの流量、及び排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ 濃度等の操業中の操業データを用いて溶鋼中炭素濃度を推定する方法が示されている。

特許文献２には、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて低炭素鋼を製造する場合に、溶鋼質量、溶鋼初期炭素濃度、検出遅れを考慮した排ガスの流量、分析時間遅れを考慮したＣＯ，ＣＯ₂ 濃度から、炭素マスバランスにより溶鋼中炭素濃度の推定を行い、その途中で１回以上溶鋼試料を採取し、採取した溶鋼試料の分析値に基づき、分析遅れ時間を考慮して、前記の方法で推定された溶鋼中炭素濃度推定値を補正し、補正した溶鋼中炭素濃度推定値から、溶鋼中炭素濃度推定値を時間の関数である回帰式として求め、求めた回帰式に基づき、排ガスの流量及び排ガス分析の遅れ時間を補償した溶鋼中炭素濃度推定値を求め、この推定値が目標終点炭素濃度となった時点で処理を終了する方法が示されている。

特許文献３には、溶鋼の真空脱ガス精錬における精錬中の炭素濃度の時間変化を、真空槽内の圧力と気泡生成の圧力と取鍋内の炭素濃度とで表す微分方程式で表現して、時間経過にしたがって溶鋼サンプリングにより適宜炭素濃度を修正しながら推定する方法が示されている。

ところが、特許文献１に示されている方法では、排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ 濃度の分析遅れがある場合、得られた炭素濃度推定値にも同じだけの時間遅れが生じる。そのため、炭素濃度推定値に基づき脱炭処理を停止しても分析遅れの分だけ過剰に脱炭が進行するので、実際の溶鋼中炭素濃度と炭素濃度推定値との間に誤差が生じる問題がある。また、特許文献１に示されている取鍋中炭素濃度の推定方法では、排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ 濃度測定値や排ガスの流量測定値自体を用いて、取鍋中炭素濃度［Ｃ］も関する代数方程式を解くことで取鍋中炭素濃度［Ｃ］の推定値を算出する。しかし、ＣＯ，ＣＯ₂ 濃度に分析遅れがない場合でも、排ガス流量測定値やＣＯ，ＣＯ₂ 濃度測定値は真の値に対する誤差が生じることを避けることはできないため、前記測定値に突発的変動が生じた場合には取鍋中炭素濃度推定値に同様に突発的誤差が生じる。

特許文献２に示されている方法では、脱炭処理中に溶鋼試料を採取して分析することにより、溶鋼中炭素濃度の推定精度を向上させるとともに、分析遅れ時間を回帰式を用いて補償している。しかしながら、脱炭処理中に溶鋼試料を採取する場合、取鍋内の溶鋼環流の影響で採取位置によっては試料の成分と溶鋼全体の平均成分との間に違いが生じることが避けられず、補正によりかえって炭素濃度の推定精度を悪化させる可能性がある。

特許文献３に示されている方法では、微分方程式により溶鋼中炭素濃度を正確に推定するためには、脱炭処理中に溶鋼試料の採取・分析が必要となる。ところが、採取した溶鋼試料の取鍋内の溶鋼に対する代表性に関して、特許文献２での方法で指摘したものと同じ問題が生じる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、脱炭処理中の溶鋼試料採取を必要とせず、溶鋼中炭素濃度を高精度に推定でき、適切なタイミングで脱炭処理を停止できるＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、排ガス分析時間の遅れを補償して現時刻での溶鋼中炭素濃度を高精度に推定でき、適切なタイミングで脱炭処理を停止できるＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法を提供することにある。

請求項１に係るＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法は、取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ₂ を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理を行う溶鋼脱炭方法において、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分の流出速度を計算し、溶鋼全体からの気体換算した炭素の流出速度を算出するモデルと、該モデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値で溶鋼中炭素濃度の変化速度を補正するオブザーバとにより、前記取鍋内の炭素濃度を経時的に推定し、推定した前記取鍋内の炭素濃度が所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止することを特徴とする。

請求項２に係るＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法（以下、第１形態という）は、環流ガスの供給によって取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ₂ を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理を行う溶鋼脱炭方法において、前記環流ガスの流量と、前記真空槽内の圧力と、前記排ガスの成分分析結果と、前記排ガスの流量とを用いて、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分の流出速度を計算し、前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度及び前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度を、前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度と、前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度と、前記真空槽内の圧力と、溶鋼中酸素濃度と、前記取鍋内の溶鋼質量と、前記真空槽内の溶鋼質量とを用いた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼全体からの気体換算した炭素の流出速度を算出するモデルと、該モデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値を、前記モデルの前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度とに夫々加えて補正するオブザーバとにより、前記取鍋内の炭素濃度を経時的に推定し、推定した前記取鍋内の炭素濃度が所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止することを特徴とする。

本発明者らは、ＲＨ真空脱ガス装置では溶鋼からの脱炭が基本的に真空槽内だけで行われ、取鍋内の溶鋼が脱炭された溶鋼と取鍋内で入れ替わることで全体の脱炭処理が進行することをオンラインで模擬すれば、溶鋼中炭素濃度を同時に推定できるという知見、さらに制御理論におけるオブザーバ理論を用いることで、従来の方法で必要だった溶鋼中炭素濃度初期値が不要になるとともに、排ガス中の成分分析誤差の影響の除去及び排ガス中の成分分析遅れを補償できるという知見を得た。

溶鋼中の炭素が取鍋内及び真空槽内で完全混合状態であるとし、平衡炭素濃度が十分に小さいとした場合、下記式（１），（２）のモデル式が成り立つことが従来より知られている。

ここで、
Ｗ：取鍋内の溶鋼質量［ｔｏｎ］，ｘ_CL：取鍋内の溶鋼中炭素濃度［ｐｐｍ］，
ｘ_CV：真空槽内の溶鋼中炭素濃度［ｐｐｍ］，ｗ：真空槽内の溶鋼質量［ｔｏｎ］， Ｑ：環流溶鋼の流量［ｔｏｎ／ｓｅｃ] ，ａ_K ：脱炭容量係数［ｔｏｎ／ｓｅｃ]

脱炭容量係数ａ_K は、真空槽内で溶鋼からＣＯガス気泡として発生する速度を表すパラメータであり、溶鋼中酸素濃度ｘ_OVと真空槽内の溶鋼中炭素濃度ｘ_CVと真空槽内の圧力Ｐ_V とに依存する関数（下記式（３）参照）として表すことができることを発明者らの一人が明らかにしている（鉄と鋼、Vol.84(1998), No.10, p709-714 ）。
ａ_K ＝ｆ（ｘ_OV，ｘ_CV，Ｐ_V ） …（３）

環流溶鋼の流量Ｑは、真空槽内の圧力Ｐ_V と、環流ガスの流量ｑ_inと、環流ガス吹き込み位置の静圧Ｐ_O と、設備に依存する定数ａとを用いて、Ｑ＝ａｑ_in ^1/3 （ｌｎ（Ｐ_O ／ Ｐ_V ））^1/3 で表されることが知られている。

時刻ｔにおける取鍋内と真空槽内とでの溶鋼全体の炭素質量は（Ｗｘ_CL＋ｗｘ_CV）であるので、系全体の質量脱炭速度はこの時間微分による下記（Ａ）となる。上記式（１），（２）の両辺の和を求めることにより、その質量脱炭速度はａ_K ｘ_CVに等しくなる。

ＣＯ及びＣＯ₂ ガスに含まれる炭素質量から標準状態における体積へ変換する係数Ｃ_C をこのａ_K ｘ_CVに乗じることにより、下記式（４）で示されるように、ガス体積流量に変換した時刻ｔにおける炭素流出速度ｑ_COM （ｔ）［Ｎｍ³ ／ｓｅｃ] 、言い換えると時刻ｔにおける炭素の気体換算した流出速度ｑ_COM （ｔ）［Ｎｍ³ ／ｓｅｃ] をモデル化できる。
ｑ_COM （ｔ）＝Ｃ_C ａ_K ｘ_CV（ｔ） …（４）

溶鋼からの炭素流出速度は排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ の夫々の流量から測定できるが、真空槽で発生した排ガスが成分分析器に到達するまでに所要時間ｔ_d ［ｓｅｃ] かかるため、時刻ｔにおける排ガス中の成分分析結果でのＣＯ成分比率Ｘ_CO（ｔ）［％] とＣＯ₂ 成分比率Ｘ_CO2 （ｔ）［％] とは、ｔ_d だけ遅れた値である。

この到達所要時間ｔ_d が十分に小さいと考えられる場合には、遅れ時間を無視して、時刻ｔにおける排ガス中のＣＯ成分とＣＯ₂ 成分とを合わせた体積流出速度Ｑ_COM （ｔ）［Ｎｍ³ ／ｓｅｃ] 、言い換えると時刻ｔにおける排ガス中のＣＯ成分とＣＯ₂ 成分とを合わせた単位時間あたりの体積流量Ｑ_COM （ｔ）［Ｎｍ³ ／ｓｅｃ] が、下記式（５）より得られる。以下、このＱ_COM （ｔ）を排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量という。但し、Ｑ_EX（ｔ）は、時刻ｔにおける排ガスの体積流出速度、言い換えると時刻ｔにおける排ガスの単位時間あたりの体積流量である。
Ｑ_COM （ｔ）＝（Ｘ_CO（ｔ）＋Ｘ_CO2 （ｔ））Ｑ_EX（ｔ）／１００ …（５）

溶鋼中炭素濃度変化及び炭素流出速度を表すモデル式（１），（２），（３），（４）と、式（５）の排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量とを用いて、取鍋内の炭素濃度及び真空槽内の炭素濃度の推定値を、下記式（６），（７）で表されるオブザーバと上記式（３）の脱炭容量係数のモデル式とを連立して解くことにより算出する。

ここで、ｇ₁ 及びｇ₂ はオブザーバゲインと呼ばれる定数であり、推定値が発散しないように適当に調整した値を用いる。

制御理論におけるオブザーバ理論によれば、式（６），（７）は、排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量Ｑ_COM （ｔ）と炭素流出速度推定値ｑ_COM （ｔ）との誤差が０に漸近すれば、取鍋内の溶鋼中炭素濃度推定値と真空槽内の炭素濃度推定値との時間変化も、実際の各炭素濃度と漸近的に一致することを意味している。各推定値の漸近挙動、すなわちＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量の突発的変動に対する追従性はオブザーバゲインの値で適当に調節する。また計算開始時の各推定値初期値と実際の値との誤差は、計算とともに０に漸近するので、推定値の初期値は非現実でない程度に与えればよい。

請求項３に係るＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法（以下、第２形態という）は、環流ガスの供給によって上昇管及び下降管を介した取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ₂ を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理を行う溶鋼脱炭方法において、前記環流ガスの流量と、前記真空槽内の圧力と、前記排ガスの成分分析結果と、前記排ガスの流量とを用いて、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分の流出速度を計算し、前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度、前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度及び前記上昇管内の溶鋼中炭素濃度の変化速度を、前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度と、前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度と、前記上昇管内の溶鋼中炭素濃度と、前記真空槽内の圧力と、溶鋼中酸素濃度と、前記取鍋内の溶鋼質量と、前記真空槽内の溶鋼質量とを用いた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼全体からの気体換算した炭素の流出速度を算出するモデルと、該モデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値を、前記モデルの前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と前記上昇管内の溶鋼中炭素濃度の変化速度とに夫々加えて補正するオブザーバとにより、前記取鍋内の炭素濃度を経時的に推定し、推定した前記取鍋内の炭素濃度が所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止することを特徴とする。

第２形態にあっては、取鍋内の溶鋼において、真空槽で脱炭された溶鋼が流入する下降管直下の炭素濃度と上昇管内の炭素濃度とには違いがあり、上昇管内の溶鋼中炭素濃度は取鍋内の平均炭素濃度よりも高いこと、及び、真空槽にはこの平均炭素濃度よりも高炭素濃度の溶鋼が流入することを考慮して、前述の式（１），（２）のモデルを下記式（８），（９），（10）のように修正する。

ここで、
ｘ_CS：上昇管内の溶鋼中炭素濃度［ｐｐｍ］，Ｔ_L ：炭素濃度混合時定数［ｓｅｃ]

真空槽で発生した排ガスが成分分析器に到達するまでの所要時間ｔ_d が十分に小さく、遅れ時間を無視できる場合には、炭素流出速度推定値ｑ_COM （ｔ）と排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量Ｑ_COM （ｔ）とは、第１形態と同様に表すことができる（式（４），式（５）参照）。

溶鋼中炭素濃度変化及び炭素流出速度を表すモデル式（８），（９），（10），（３），（４）と、式（５）の排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量とを用いて、取鍋内の炭素濃度及び真空槽内の炭素濃度の推定値を、下記式（11），（12），（13）で表されるオブザーバと上記式（３）の脱炭容量係数のモデル式とを連立して解くことにより算出する。

ここで、ｇ₁ ，ｇ₂ 及びｇ₃ はオブザーバゲインであり、推定値が発散しないように適当に調整した値を用いる。

請求項４に係るＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法（以下、第３形態という）は、請求項２または３において、前記真空槽から前記排ガスの成分分析結果を得る成分分析器まで脱炭処理中に前記排ガスが到達する所要時間を、予め設定するか、または脱炭処理中に測定し、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度を、前記排ガスの成分分析結果のＣＯ成分比率及びＣＯ₂ 成分比率の合計と前記所要時間だけ遡った時刻での単位時間あたりの前記排ガスの流量との積として計算することを特徴とする。

上述した第１形態及び第２形態では、真空槽で発生した排ガスが成分分析器に到達するまでの所要時間ｔ_d を無視して０としたが、設備によってはこれを無視できない場合もある。

排ガス流量の測定値は実際の流量変化に合わせて瞬時に変化するが、排ガス中の成分比率は変わらないため、第３形態では、排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量を、排ガス流量より時間ｔ_d だけ遅れた値Ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）［Ｎｍ³ ／ｓｅｃ] として、下記式（14）のように得る。但し、Ｑ_EX（ｔ−ｔ_d ）は、時刻ｔ−ｔ_d における排ガスの体積流量である。
Ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）＝（Ｘ_CO（ｔ）＋Ｘ_CO2 （ｔ））Ｑ_EX（ｔ−ｔ_d ）／１００
…（14）

第１形態と第３形態とを組み合わせた場合、溶鋼中炭素濃度変化及び炭素流出速度を表すモデル式（１），（２），（３）と、式（４）において時刻ｔをｔ−ｔ_d としたｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）と、式（14）の排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量Ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）とを用いて、取鍋内の炭素濃度及び真空槽内の炭素濃度の推定値を、下記式（15），（16），（17）で表されるオブザーバと上記式（３）の脱炭容量係数のモデル式とを連立して解くことにより算出する。

ここで、ｇ₁ 及びｇ₂ はオブザーバゲインであり、推定値が発散しないように適当に調整した値を用いる。

制御理論におけるオブザーバ理論によれば、式（15），（16）は、排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量Ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）と炭素流出速度推定値ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）との誤差が０に漸近すれば、取鍋内の溶鋼中炭素濃度推定値と真空槽内の炭素濃度推定値との時間変化も、実際の各炭素濃度と漸近的に一致することを意味しており、遅れ時間ｔ_d がある場合でも、現在時刻ｔにおける夫々の溶鋼中炭素濃度を推定できる。各推定値の漸近挙動はオブザーバゲインの値で適当に調節する。また計算開始時の各推定値初期値と実際の値との誤差は、計算とともに０に漸近するので、推定値の初期値は非現実でない程度に与えればよい。

第２形態と第３形態とを組み合わせた場合、溶鋼中炭素濃度変化及び炭素流出速度を表すモデル式（８），（９），（10），（３）と、式（４）において時刻ｔをｔ−ｔ_d としたｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）と、式（14）の排ガス中のＣＯ＋ＣＯ₂ 成分流量Ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）とを用いて、取鍋内の炭素濃度及び真空槽内の炭素濃度の推定値を、下記式（18），（19），（20）で表されるオブザーバと上記式（３）の脱炭容量係数のモデル式とを連立して解くことにより算出する。

ここで、ｇ₁ ，ｇ₂ 及びｇ₃ はオブザーバゲインであり、推定値が発散しないように適当に調整した値を用いる。

本発明では、上述したように取鍋内の溶鋼中炭素濃度を推定し、その推定値が所定値になった時点で、脱炭処理を停止するようにしたので、脱炭処理中の取鍋内の溶鋼中炭素濃度を実時間にて精度よく推定することができ、適切な時点で脱炭処理を停止することができ、この結果、処理時間の短縮による生産性の向上、溶鋼温度低下防止による省エネルギーなどの効果を奏することができる。また、真空槽から成分分析器へ排ガスが到達するまでの時間を考慮して、取鍋内の溶鋼中炭素濃度を推定するようにしたので、より精度が高い推定値を得ることができる。

本発明をその実施の形態を示す図面を参照して説明する。図１は、本発明の溶鋼脱炭方法を実施するためのＲＨ真空脱ガス装置の構成例を示す図である。

図１に示すＲＨ真空脱ガス装置は、真空槽１と取鍋２とを有する。真空槽１は、排気管１３を介して真空排気装置１２に接続されており、その内部は真空状態となっている。取鍋２は、精錬された溶鋼３を収容する。真空槽１の下部には上昇管１０と下降管１１とが取り付けられており、それらの先端部は取鍋２内の溶鋼３に浸漬している。上昇管１０には、環流ガス吹込み装置４が設けられており、アルゴンガスなどの不活性ガスが溶鋼３内に吹き込まれる。

環流ガス吹込み装置４から環流ガスを吹き込むことにより、ポンプ作用によって、取鍋２、上昇管１０、真空槽１、下降管１１の順に矢印で示すように溶鋼３を循環させる。この際、真空状態となっている真空槽１内で、真空脱炭処理が行われる。

環流ガス吹込み装置４には、吹き込まれる環流ガスの流量を計測する環流ガス流量計７が設けられている。また、取鍋２内の溶鋼３に先端を浸漬させて、溶鋼３中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器８が設けられている。また、真空槽１内の圧力を測定する圧力測定計９が設けられている。また、排気管１３には、真空槽１から排出される排ガスの成分（排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の成分比率）を分析する成分分析器５と、排ガスの流量を計測する排ガス流量計６とが設けられている。

これらの環流ガス流量計７、酸素濃度測定器８、圧力測定計９、成分分析器５及び排ガス流量計６で得られた計測結果、測定結果及び分析結果は、炭素濃度推定装置１４に送られる。炭素濃度推定装置１４は、入力されたこれらの結果に基づき、本発明の方法にしたがって取鍋２内の溶鋼３中の炭素濃度を推定し、その推定値を脱炭停止指示装置１５へ出力する。脱炭停止指示装置１５は、入力された炭素濃度の推定値と所定の値とを比較し、推定値が所定の値に到達した時点で、脱炭処理を停止すべき旨の指示を出力する。

第１形態での炭素濃度推定装置１４では、オブザーバによる炭素濃度推定式（６），（７）にしたがって、適当な時間刻み（Δｔ）のもとで、前回データ採取時の推定結果を初期値としてルンゲ・クッタ法などの微分方程式初期値問題の数値解法を用いて、排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の成分比率、排ガス体積流量、環流ガス流量及び真空槽１内の気圧のデータが得られた時点で前回のデータ採取時からの各炭素濃度推定値の変化を経時的に計算する。溶鋼中酸素濃度については、連続的に採取できる場合には、上記の各データとともに更新し、間欠的にしか測定できない場合には、測定したタイミングで値を更新する。

脱炭停止指示装置１５では、炭素濃度推定装置１４により計算された取鍋２内の溶鋼中炭素濃度推定値が、製造鋼種の成分規格から定まる目標値に到達した時点で、脱炭処理を停止する指示を操業者に出力する。

第２形態での炭素濃度推定装置１４では、オブザーバによる炭素濃度推定式（11），（12），（13）にしたがって、適当な時間刻み（Δｔ）のもとで、前回データ採取時の推定結果を初期値としてルンゲ・クッタ法などの微分方程式初期値問題の数値解法を用いて、排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の成分比率、排ガス体積流量、環流ガス流量及び真空槽１内の気圧のデータが得られた時点で前回のデータ採取時からの各炭素濃度推定値の変化を経時的に計算する。溶鋼中酸素濃度については、連続的に採取できる場合には、上記の各データとともに更新し、間欠的にしか測定できない場合には、測定したタイミングで値を更新する。

第３形態を第１形態または第２形態に組み合わせた場合には、炭素濃度推定装置１４において、真空槽１から成分分析器５まで排ガスが到達するのに要する時間ｔ_d を予め設定するか、または、処理中にその所要時間ｔ_d を測定し、式（14）に基づき、時間ｔ_d だけ遡った排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ 成分の合計流量Ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）を求めるために、排ガス体積流量Ｑ_EX（ｔ）を時間ｔ_d だけ蓄積する。また、オブザーバの計算に必要な溶鋼からの炭素流出速度ｑ_COM （ｔ−ｔ_d ）を計算するために、各時刻ｔにおけるａ_K ｘ_CV（ｔ）を時間ｔ_d だけ蓄積する。この所要時間ｔ_d の測定には、例えば、昇温のために真空槽１上側からのＯ₂ ガスの吹き込みタイミングと２次燃焼による排ガス中のＣＯ₂ ガス成分流量増減との比較結果などを用いる。

第１形態の実施時に第３形態を組み合わせる場合、炭素濃度推定装置１４では、オブザーバによる炭素濃度推定式（15），（16），（17）にしたがって、適当な時間刻み（Δｔ）のもとで、前回データ採取時の推定結果を初期値としてルンゲ・クッタ法などの微分方程式初期値問題の数値解法を用いて、排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の成分比率、排ガス体積流量、環流ガス流量及び真空槽１内の気圧のデータが得られた時点で前回のデータ採取時からの各炭素濃度推定値の変化を経時的に計算する。

第２形態の実施時に第３形態を組み合わせる場合、炭素濃度推定装置１４では、オブザーバによる炭素濃度推定式（18），（19），（20）にしたがって、適当な時間刻み（Δｔ）のもとで、前回データ採取時の推定結果を初期値としてルンゲ・クッタ法などの微分方程式初期値問題の数値解法を用いて、排ガス中のＣＯ，ＣＯ₂ の成分比率、排ガス体積流量、環流ガス流量及び真空槽１内の気圧のデータが得られた時点で前回のデータ採取時からの各炭素濃度推定値の変化を経時的に計算する。

以下、本発明を具体的に実施した実施例について説明する。高炉から出銑された溶銑をトーピードカーに移して転炉工場に輸送後、脱珪、脱硫、脱りんなどの溶銑予備処理を一つ以上実施した後、溶銑を２５０ｔｏｎ転炉に装入して脱炭吹錬を実施した。脱炭吹錬により得られた溶鋼を取鍋２へ収容し、真空槽１まで輸送して脱ガス処理を実施した。環流用アルゴンガスの流量を２０００ＮＬ／ｍｉｎ、真空槽１内の圧力を１３３Ｐａとした条件にて、炭素濃度の規格上限を２８ｐｐｍとした極低炭素溶鋼が得られるように、真空脱炭処理を行った。

図２は、本発明の方法により炭素濃度の推定を行った場合の各部位での炭素濃度の推定値（取鍋２内での炭素濃度推定値、上昇管１０内での炭素濃度推定値、真空槽１内での炭素濃度推定値）と真空槽１内の圧力との経時変化を示すグラフである。図２の横軸は、真空脱炭処理開始からの経過時間（処理時間）をとっている。

取鍋２内での炭素濃度推定値が脱炭処理後の炭素濃度の目標値２０ｐｐｍに到達した時点（図２の×印）で、真空槽１中にＡｌ粒合金を投入して脱炭処理を停止した。処理終了後の取鍋２から採取した溶鋼３の炭素濃度の測定値は２０．２ｐｐｍであった。この結果、推定値との誤差は０．２ｐｐｍであり、非常に高い精度の推定結果が得られたことが分かる。

製品規格として炭素濃度上限を２８ｐｐｍとした極低炭素鋼の真空脱炭処理時に、本発明の方法により処理中の取鍋２内の炭素濃度推定値が２１ｐｐｍに到達したときに脱炭処理を停止する試験を２０５回行った結果、処理開始から脱炭停止までの時間の分布は平均１２．２分、標準偏差２．６分であった。一方、従来例として、操業者判断により脱炭処理を停止する２２０回の試験における処理開始から脱炭停止までの時間の分布は平均１４．１分、標準偏差２．８分であった。図３は、この本発明例と従来例とにおけるこの時間の分布を示すグラフである。本発明の方法を用いることにより、脱炭処理時間を短縮できることを確認できた。

本発明の溶鋼脱炭方法を実施するためのＲＨ真空脱ガス装置の構成例を示す図である。 本発明の溶鋼脱炭方法を実施した際の炭素濃度の推定値及び真空槽内の圧力の経時変化を示すグラフである。 本発明例と従来例とにおける脱炭処理の開始から停止までの時間の分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 真空槽
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ 環流ガス吹込み装置
５ 成分分析器
６ 排ガス流量計
７ 環流ガス流量計
８ 酸素濃度測定器
９ 圧力測定計
１０ 上昇管
１１ 下降管
１２ 真空排気装置
１３ 排気管
１４ 炭素濃度推定装置
１５ 脱炭停止指示装置

Claims (4)

1. 取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ₂ を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理を行う溶鋼脱炭方法において、
   前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分の流出速度を計算し、
   溶鋼全体からの気体換算した炭素の流出速度を算出するモデルと、該モデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値で溶鋼中炭素濃度の変化速度を補正するオブザーバとにより、前記取鍋内の炭素濃度を経時的に推定し、
   推定した前記取鍋内の炭素濃度が所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止することを特徴とするＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
2. 環流ガスの供給によって取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ₂ を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理を行う溶鋼脱炭方法において、
   前記環流ガスの流量と、前記真空槽内の圧力と、前記排ガスの成分分析結果と、前記排ガスの流量とを用いて、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分の流出速度を計算し、
   前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度及び前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度を、前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度と、前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度と、前記真空槽内の圧力と、溶鋼中酸素濃度と、前記取鍋内の溶鋼質量と、前記真空槽内の溶鋼質量とを用いた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼全体からの気体換算した炭素の流出速度を算出するモデルと、
   該モデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値を、前記モデルの前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度とに夫々加えて補正するオブザーバとにより、
   前記取鍋内の炭素濃度を経時的に推定し、
   推定した前記取鍋内の炭素濃度が所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止することを特徴とするＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
3. 環流ガスの供給によって上昇管及び下降管を介した取鍋と真空槽との間で溶鋼を循環させ、ＣＯ及びＣＯ₂ を含む排ガスを前記真空槽から排出して溶鋼の脱炭処理を行う溶鋼脱炭方法において、
   前記環流ガスの流量と、前記真空槽内の圧力と、前記排ガスの成分分析結果と、前記排ガスの流量とを用いて、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分の流出速度を計算し、
   前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度、前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度及び前記上昇管内の溶鋼中炭素濃度の変化速度を、前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度と、前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度と、前記上昇管内の溶鋼中炭素濃度と、前記真空槽内の圧力と、溶鋼中酸素濃度と、前記取鍋内の溶鋼質量と、前記真空槽内の溶鋼質量とを用いた微分方程式で表す数式モデルを用いて溶鋼全体からの気体換算した炭素の流出速度を算出するモデルと、
   該モデルによる溶鋼全体からの炭素流出速度算出値と前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度計算値との誤差に係数を乗じた値を、前記モデルの前記真空槽内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と前記取鍋内の溶鋼中炭素濃度の変化速度と前記上昇管内の溶鋼中炭素濃度の変化速度とに夫々加えて補正するオブザーバとにより、
   前記取鍋内の炭素濃度を経時的に推定し、
   推定した前記取鍋内の炭素濃度が所定の値に到達した段階で脱炭処理を停止することを特徴とするＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。
4. 前記真空槽から前記排ガスの成分分析結果を得る成分分析器まで脱炭処理中に前記排ガスが到達する所要時間を、予め設定するか、または脱炭処理中に測定し、前記排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂ 成分流出速度を、前記排ガスの成分分析結果のＣＯ成分比率及びＣＯ₂ 成分比率の合計と前記所要時間だけ遡った時刻での単位時間あたりの前記排ガスの流量との積として計算することを特徴とする請求項２または３記載のＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼脱炭方法。

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