(57)【要約】【課題】精錬設備の精錬反応が進行する設備内部の状態をより正確に予測することができる、精錬設備内部の状態予測方法及び状態予測装置を提供すること。【解決手段】溶鉄を精錬処理する精錬設備（例えば、精錬炉）の情報及び装入された溶鉄の状態を数値計算の初期条件として設定する工程と、操業パラメータを境界条件として設定する工程と、初期条件及び境界条件を用いて、溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化を計算して、精錬設備の内部の状態を予測する工程と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鉄を精錬処理する精錬設備の情報及び装入された溶鉄の状態を数値計算の初期条件として設定する工程と、
操業パラメータを境界条件として設定する工程と、
前記初期条件及び前記境界条件を用いて、前記溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化を計算して、前記精錬設備の内部の状態を予測する工程と、
を備えることを特徴とする精錬設備内部の状態予測方法。
【請求項２】
前記溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化の計算は、少なくとも化学反応式と、混相流の式と、熱力学の式とを連成させる数値解析で行われることを特徴とする請求項１に記載の精錬設備内部の状態予測方法。
【請求項３】
前記精錬設備を転炉とし、
装入された前記溶鉄の炭素濃度を１０質量％以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の精錬設備内部の状態予測方法。
【請求項４】
溶鉄を精錬処理する精錬設備の情報及び装入された溶鉄の状態を数値計算の初期条件と、操業パラメータを境界条件とを設定する入力部と、
前記初期条件及び前記境界条件を用いて、前記溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化を計算して、前記精錬設備の内部の状態を予測する計算部と、
を備えることを特徴とする精錬設備内部の状態予測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精錬設備内部の状態予測方法及び状態予測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶鉄を予備処理する予備処理炉、精錬処理する精錬炉(以下、溶銑予備処理炉、トーピードカー、転炉、炉外精錬炉を含んで、「精錬炉」と称する。)等の精錬設備の操業では、溶鉄へのガスの吹き込み、吹き付けや副原料の投入といった予備処理、精錬処理によって、溶鉄の成分調整が行われる。ガスの吹き込み、吹き付けに伴い、溶鉄の激しい飛散や撹拌が起こると同時に、多数の化学反応が生じる。このため、予備処理や精錬処理は、複数の現象が相互に影響し合った非常に複雑原料の飛散・拡散、滓化等が挙げられる。
【０００３】
ここで、精錬処理を例に、転炉型の精錬炉内で発生する現象について考察する。精錬処理を考察する際、起こりうる全ての現象を考慮すると、重要な因子の特定等の解析が困難になるため、特定の現象に着目するなものとなる。予備処理や精錬処理の個々の現象としては、例えば気液の異相界面の変形、浴振動（スロッシング）、スプラッシュ、脱炭、脱燐、脱珪、鉄酸化、火点での発熱、副ことが多い。そこで、まず、個々の現象として、気液の異相界面形状、スプラッシュ、化学反応及びスラグとの相互作用について、それらが精錬処理に与える重要性について述べる。
【０００４】
（異相界面形状）
超音速のガスを溶鉄に上吹きする（「上吹きガス」ともいう。）と、異相界面となる溶鉄の浴面に凹みが形成される。上吹きガスと溶鉄との反応は異相界面で生じることから、この界面面積が大きいほど気液間の反応速度が大きくなり、処理が速く進む。そのため、凹み形状の予測は精錬の処理効率の向上において重要となる。
【０００５】
（スプラッシュ）
精錬処理に伴い溶鉄からガスが発生し、このガスによって溶鉄やスラグが巻き上げられる。この現象をスプラッシュといい、巻き上げられた溶鉄やスラグが炉壁やランスに付着すると、操業が阻害され、また処理される溶鉄の歩留まりが悪くなる。たとえば、溶鉄内での脱炭反応によってＣＯガスが生成された場合、溶鉄やスラグを巻き込んでスプラッシュが発生する。上吹きガスの吹き付け速度を大きくするほど処理が速く進むため、吹き付け速度を大きくすることは操業時間短縮のための重要な課題の一つである。しかし、送酸速度を大きくすると、浴面動圧や反応で生成されるガス量が増加するために、スプラッシュ量が増大する。そのため、スプラッシュの挙動の把握と抑制は、安定操業のために重要となる。
【０００６】
（化学反応）
溶鉄の成分変化は化学反応によるものである。炉内では複数の反応が複雑に絡み合っているが、それらを分離して考えることは難しい。この反応をより複雑にしているのがスラグの存在である。スラグは精錬処理中に形成された酸化物相であり、このスラグと溶鉄との接触界面で、重要な反応が生じる。また、スラグの組成や温度等の状態に応じて精錬炉内の反応挙動が複雑に変化することから、精錬炉の状態を予測する際にはスラグの扱いが非常に難しいものとなる。
さらに、精錬処理中に副原料の投入を行うことがあるが、副原料の投入位置や滓化の速度によって反応速度が変わってくることから、溶鉄の組成分布を把握することも重要となる。
【０００７】
（スラグとの相互作用）
溶鉄の浴面にスラグが存在すると、上吹きガスが溶鉄に到達しにくくなる。すなわち、スラグを押しのけるためにエネルギーを費やすこととなり、結果として溶鉄の浴面の凹み(反応面積)が小さくなって反応効率が低下する。そのため、上吹きガスとスラグとの相互作用を把握することは、安定効率化のために重要である。
【０００８】
以上のように、精錬炉内で生じる現象のメカニズムを把握して操業改善につなげるニーズは多々あるが、その計測の難しさからそのメカニズムの解明は困難となっている。具体的には、精錬炉内が高温環境であることから、計測機器の設置は難しい。また、炉内を上からのぞくためのカメラを設置しても、精錬処理中に発生するガスやダストによって、溶鉄の状態を直接観察することが出来ない。さらに、計測器やカメラを炉内に設置したとしても、機器が高熱に耐えきれない上に、飛散した地金が機器に付着するため計測が困難となる。
【０００９】
また、溶鉄の組成分析についても、満足なデータを採取することは困難となる。溶鉄の組成分析を行うためにサンプルを採取するには、精錬処理中に溶鉄内に小さな容器を浸漬させ、容器に入り込んだ溶鉄ごと回収する。しかし、この方法では、そもそも手間がかかる上に、溶鉄中のある時期の、サンプル採取位置一か所だけの局所的な組成成分が得られるだけであるため、溶鉄全体での濃度分布や濃度の細かな時間変化等はわからない。さらに、採取したサンプルの組成が判明するまでには時間がかかるため、採取したデータに基づいてリアルタイムで操業条件を制御する等のシステムは未だ十分には実現できていない。そのため、炉内の状態は、排ガスの組成や、時間差で分析結果が判明する溶鉄の成分組成等から、間接的に把握するしかないのが現状である。
【００１０】
これまでは間接的な操業データに基づいて炉内の予測が行われてきた。例えば、精錬炉の炉内の状態を予測する方法として、化学反応を考慮したモデル化がある。この方法では、界面における物質のやり取りから反応速度を決定することで、溶鉄の成分組成を推定する。
例えば、非特許文献１には、界面脱炭、気泡脱炭、内部脱炭といった複数の脱炭に関して、反応速度式を決定して脱炭速度を総括的に評価する方法が開示されている。また、特許文献１には、過去データを使用した統計的な手法を取り入れて脱炭モデルを構築する方法が開示されている。さらに、特許文献２には、物理量同士をリンクする数式を組み合わせ、なおかつ操業データに基づいてパラメータの決定しつつ操業を制御する方法が開示されている。
【００１１】
しかしながら、これらの方法では、溶鉄の場所による成分濃度の違いを考慮していないことから、成分濃度の分布やスプラッシュの発生挙動等を求めることができないため、炉内の状態を正確に把握することができない。
これに対して、実際の炉内の状態をより正確に予測する方法として、数値解析を用いて炉内の状態を予測する方法がある。
【００１２】
例えば、非特許文献２には、数値解析により界面形状を求める方法が開示されている。非特許文献２では、界面形状の観察が容易な水モデルにて測定される界面形状と、数値解析により求めた界面形状とが一致するかを調べている。また、非特許文献２に限らず、数値解析を用いて炉内の状態を予測した従来の知見では、数値解析にて界面形状を予測し、水モデルにて予測の正確性を検証したものが多い。
また、非特許文献３には、炉内でのガスの反応を予測するため、数値解析に化学反応を取り入れた方法が開示されている。非特許文献３では、界面形状を固定し、界面での時間変動による反応速度の変化等は考慮せずに、炉内でのガスの反応を予測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−７１５０号公報
【特許文献２】特開２０００−６３９２１号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】樋口善彦、他２名「ＲＨ真空脱炭に及ぼす［Ｃ］，［Ｏ］と真空度の影響」、鉄と鋼、日本鉄鋼協会、１９９８年、Ｖｏｌ．８４、Ｎｏ．１０、ｐ．２１−２６
【非特許文献２】中村修、他３名「上吹きジェットによる水浴面挙動のラージエディシミューレション」、鉄と鋼、日本鉄鋼協会、２０１５年、Ｖｏｌ．１０１、Ｎｏ．２、ｐ．１６−２０
【非特許文献３】Zhill Songs, 「Modeling of Gas flows in Steelmaking Decarburization Processes」, (Sweden), Royal Institute of Technology, 2013, 64p, Doctoral Thesis, ISBM 978-91-7501-847-8
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記のように、精錬反応が進行する精錬炉等の精錬設備内部の状態を予測する方法としては、総括的な物理モデルによる予測や、簡略化した条件下での数値解析による予測しか行われていなかった。このような予測方法では、考慮できていない現象がある場合に、その現象がその他の現象に及ぼす影響が不明であることや、時間経過に伴う条件の変化を十分に考慮できていないことから、精錬設備内部の現象を正確に予測できなかった。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、複数の現象が同時に進行する精錬設備内部の状態をより正確に予測することができる、精錬設備内部の状態予測方法及び状態予測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
［１］溶鉄を精錬処理する精錬設備の情報及び装入された溶鉄の状態を数値計算の初期条件として設定する工程と、操業パラメータを境界条件として設定する工程と、前記初期条件及び前記境界条件を用いて、前記溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化を計算して、前記精錬設備の内部の状態を予測する工程と、を備えることを特徴とする精錬設備内部の状態予測方法。
【００１７】
［２］前記溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化の計算は、少なくとも化学反応式と、混相流の式と、熱力学の式とを連成させる数値解析で行われることを特徴とする［１］に記載の精錬設備内部の状態予測方法。
［３］前記精錬設備を転炉とし、装入された前記溶鉄の炭素濃度を１０質量％以下とすることを特徴とする［１］または［２］に記載の精錬設備内部の状態予測方法。
【００１８】
［４］溶鉄を精錬処理する精錬設備の情報及び装入された溶鉄の状態を数値計算の初期条件と、操業パラメータを境界条件とを設定する入力部と、前記初期条件及び前記境界条件を用いて、前記溶鉄を含む液相、気相、及び液相と気相との界面のそれぞれの状態の時間変化を計算して、前記精錬設備の内部の状態を予測する計算部と、を備えることを特徴とする精錬設備内部の状態予測装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数の現象が同時に進行する精錬設備内部の状態をより正確に予測することができる、精錬設備内部の状態予測方法及び状態予測装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る精錬設備内部の状態予測装置を示すブロック図である。
【図２】精錬炉を示す模式図である。
【図３】精錬設備内部の状態予測方法を示すフローチャートである。
【図４】実施例での試練炉の模式図である。
【図５】実施例での解析結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を例示して説明する。しかしながら、かかる特定の細部の説明がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。また、図面は、簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
＜精錬設備内部の状態予測装置＞
図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る精錬設備内部の状態予測装置１について説明する。状態予測装置１は、図２に示す精錬設備である、精錬炉２の炉内の状態を予測する。精錬炉２の例として、転炉や２次精錬炉を挙げることができる。
【００２２】
精錬炉２は、内壁に耐火物が設けられた精錬容器である炉体２１と、炉体２１の開口部に上方から挿入可能に構成される上吹きランス２２とを有する精錬設備である。精錬炉２では、炉体２１の内部に収容された溶鉄３に、上吹きランス２２から酸素を含む酸化性ガス４が吹き込まれることで、溶鉄３が精錬処理される。そして、精錬処理によって、溶鉄３の脱炭や脱燐等の反応が進み、所望の組成成分及び温度となるように溶鉄３が精錬処理される。さらに、炉体２１の底から撹拌用のガスを吹き込むようにしても良い。
【００２３】
状態予測装置１は、図１に示すように、入力部１１と、計算部１２と、出力部１３とを備える計算機である。
入力部１１は、後述する状態予測方法にて詳細に説明するように、予め入力される計算条件を取得し、取得した計算条件から計算モデルを構築する。
計算部１２は、後述する状態予測方法にて詳細に説明するように、入力部１１に入力された初期条件及び境界条件を用いて数値解析を行い、炉体２１の内部の状態を予測する。
出力部１３は、後述する状態予測方法にて詳細に説明するように、計算部１２による数値解析の解析結果を任意のフォーマットで出力する。
【００２４】
＜精錬設備内部の状態予測方法＞
次に、精錬炉２内の脱炭反応を予測する場合を例に、本実施形態に係る精錬設備内部の状態予測方法について説明する。図３に示すように、まず、入力部１１は、予め入力される初期条件及び境界条件を取得し、取得した初期条件及び境界条件を数値計算のための計算条件として設定する（Ｓ１００）。
【００２５】
初期条件は、計算を行う上で必要な精錬設備の情報及び溶鉄の状態からなる。精錬設備の情報は、精錬設備自体の形状や寸法等の条件である。本実施形態のように精錬炉２内の脱炭反応を予測する場合、精錬設備の情報には、例えば、炉体２１の寸法や、上吹きランス２２の形状、炉体２１の炉壁の物性値等が含まれる。また、溶鉄の状態は、精錬処理前の溶鉄の条件である。溶鉄の状態には、例えば、精錬処理前の溶鉄３の量、組成・温度、溶鉄３の物性値が含まれる。
境界条件は、精錬設備を用いた精錬処理で変化する可能性がある条件であり、例えば、上吹きランス２２の高さや、上吹きランス２２から噴射される酸化性ガス４の供給量や成分等の操業パラメータが例示される。
【００２６】
なお、精錬炉２内の溶鉄３の脱炭処理の精錬処理過程を予測する場合、精錬処理前の溶鉄３の炭素濃度が１０質量％を超えると、炭素濃度が低くなって処理終了となるまでの計算に要する時間が非常に長くなるため好ましくない。また、実際の精錬処理でも、精錬処理前の溶鉄３の炭素濃度が１０質量％超の場合、精錬時間が非常に長くなり生産性が低下するため、現実的ではない。このため、本実施形態では、溶鉄３の精錬処理前の炭素濃度は、１０質量％以下とすることが好ましい。さらに好ましい炭素濃度は、５質量％以下である。また炭素濃度の下限は、０．１質量％程度である。
【００２７】
次いで、入力部１１は、計算モデルの構築を行う（Ｓ１０２）。計算モデルは、物理モデルと計算手段からなる。
ここで、物理モデルとは、精錬設備内部の予測に必要な計算式の集合体であり、その構成式としては、流体を扱う解析で頻繁に用いられる式である、ナビエストークス方程式、エネルギー保存式、連続の式及び化学種輸送方程式等が少なくともあげられる。物理モデルは、これらの式を互いに連成させるように、構成される。
【００２８】
数値計算には、予測する範囲を計算格子（「メッシュ」ともいう。）で分割する手法である格子法を用いることができる。つまり、本実施形態では、計算条件に応じて、炉体２１の内部を複数の計算格子に分割し、各計算格子にどの構成式を適用するかを決定することで計算モデルの構築を行う。各メッシュでの構成式は、全ての反応を考慮するように一律に決定されてもよく、各メッシュの気液の体積分率や成分組成に応じて個別に決定されてもよい。
また、メッシュは、気相、液相および気相と液相の界面を含んで、連続的に、かつ同じ大きさで設定される。
【００２９】
また、本実施形態では、化学反応を考慮する必要があるため、入力部１１は、予め設定された複数の反応から各メッシュで生じる可能性がある反応を決定し、各々の反応の反応速度を決定する。反応速度は、例えば経験的に必要なパラメータを取り込んだ任意の式を使用して決定される。この式の構成は、研究者によって様々考案されており、圧力や反応面積、物質移動係数、流速、乱流値等の反応速度に影響を及ぼすと考えられるパラメータを組み合わせたものが多く存在するが、どのような式が用いてられても構わない。また反応の数（種類）をいくつ設定しても構わない。例えば、精錬炉２での脱炭反応を考慮する場合、溶鉄３中の炭素と酸素ガス（あるいは溶鉄３中の酸素）との反応である脱炭反応や、脱炭反応により生じた一酸化炭素と酸素ガスとの反応である燃焼反応等を、気液の体積分率等に応じて設定する。
【００３０】
さらに、競合反応やスラグの組成による物性値の変化等を考慮するため、熱力学データ解析を用いてもよい。しかし、このような反応や変化を考慮する場合には、複雑な熱力学的検討が必要となり、膨大な計算量になると考えられることから、熱力学データ解析を別の手段に委ねて連成してもよい。熱力学データ解析を行う別の手段としては、ＦａｃｔＳａｇｅやＴｈｅｒｍｏＣａｌｃ等に代表される熱力学計算ソフトを用いることができる。
【００３１】
計算手段は、たとえば粒子法やラグランジュ法を採用することができる。予測の精度や計算の負荷等も考慮して、適当な手段を採用してよい。本実施形態では一例として、分布計算が行いやすい、粒子法を計算手段として採用する。
そして、ステップＳ１００では、入力部１１は、構築した計算モデルを計算部１２に出力する。
【００３２】
ステップＳ１０２の後、計算部１２は、取得した計算モデルに基づいて数値解析を行う（Ｓ１０４）。ステップＳ１０４では、計算部１２は、計算前の直前の状態からの一定時間（例えば、１０−５ｓ）経過後の、炉体２１内部の状態をメッシュ毎に計算する。この際、計算部１２は、各メッシュにおいて生じる可能性がある化学反応、時間経過に伴う物質の移動や運動量の変化等を連成させることで、各メッシュにおける状態を計算する。
【００３３】
計算前の直前の状態とは、ステップＳ１０２の処理を最初に行う場合は、ステップＳ１００で設定された計算条件、つまり初期条件及び境界条件から決定される炉体２１内の初期の状態である。つまり、初期条件と、境界条件の初期値とが与えられた状態である。また、後述するようにステップＳ１０２の処理を２回目以降に行う場合は、計算前の直前の状態とは、直前の計算によって算出される炉体２１内の状態である。
【００３４】
ステップＳ１０４にて計算される状態としては、各メッシュの、含有成分の濃度、各相の体積分率、運動量及び温度が少なくとも含まれる。各相の体積分率は、雰囲気ガスや酸化性ガス４、反応によって生じた燃焼ガスを含む気相と、溶鉄を含む液相との体積分率である。なお、必要に応じて、液相を、溶鉄を含む相と、スラグを含む相との２相に分けて考慮してもよい。
【００３５】
また、ステップＳ１０４では、化学反応を計算する際に、各相の体積分率が考慮されることで異相界面の面積や形状が考慮される。これにより、反応挙動をより正確に予測することができる。精錬炉２の場合、酸化性ガス４は上吹きランス２２から高速で噴射されるため、溶鉄３の浴面には、酸化性ガス４の動圧によって凹みが形成される。この凹みの深さに応じて、異相界面の面積が大きく変化し、さらに凹みが形成された異相界面の面積が脱炭反応の反応量に大きく影響する。このため、化学反応を計算する際に、異相界面の面積や形状を考慮することにより、炉体２１内での精錬反応の反応量をより正確に予測することができるようになる。なお、ステップＳ１０４において、化学反応を考慮する際に用いられる異相界面の面積や形状は、直前の状態における異相界面の面積や形状であってもよい。
【００３６】
さらに、ステップＳ１０４では、スラグの影響を考慮する場合、熱力学データ解析をさらに連成させてもよい。これにより、スラグの成分や温度の変化による、異相界面の形状や化学反応の速度への影響を考慮することができる。
上記の計算により、前記一定時間経過後の各メッシュの状態を計算で求めることができる。すなわち、気相では気体成分の濃度や温度、液相では溶鉄の温度、気泡の発生の有無や気泡の運動、異相界面では界面の変化やスラグの厚さの変化等が、メッシュごとに求められ、その結果、界面の変動やスプラッシュの有無を予測することができる。
【００３７】
ステップＳ１０４の後、計算部１２は、ステップＳ１０４による算出結果が終了条件を満たすか否かを判断する（Ｓ１０６）。終了条件は、溶鉄３の成分や精錬処理に要した時間といった目的に応じた条件によって設定されるものである。本実施形態では、一例として、溶鉄３の炭素濃度が目標濃度にまで低減されたか否かを判断することで、終了条件を判断する。
【００３８】
ステップＳ１０６にて、終了条件を満たしていないと判断された場合、ステップＳ１０４の処理が繰り返し行われる。この際、直前のステップＳ１０４による計算結果を、計算前の直前の状態としてステップＳ１０４の処理が行われる。そして、ステップＳ１０４及びステップＳ１０６の処理が繰り返し行われることで、時間経過に伴って変化する炉体２１内の状態が計算される。
一方、ステップＳ１０６の判断にて、終了条件を満たしていると判断された場合、計算部１２は、数値解析による解析結果を出力部１３に出力する。そして、出力部１３は、解析結果を任意のフォーマットで出力する（Ｓ１０８）。
【００３９】
本実施形態に係る精錬設備内部の状態予測方法によれば、自由界面である異相界面の変動と、異相界面で生じる化学反応とを連成することで、異相界面の挙動と異相界面での反応とが考慮される。これにより、精錬処理をする際の精錬設備内部の状態をより正確に予測することができるようになる。例えば、異相界面の挙動と異相界面での反応とを考慮することにより、異相界面での反応量をより正確に予測することができるようになる。また、異相界面の挙動に加えて、溶鉄内からの一酸化炭素ガスの発生挙動をより正確に予測することができるようになることから、スプラッシュの発生挙動をより正確に予測することができるようになる。
このため、精錬設備を新たに導入する際や精錬設備の改造を行う際において、脱炭速度の効率化、スプラッシュの発生量の低減、脱燐効率の高効率化等の目的に応じた最適な仕様を提示することができる。また、既存の精錬設備においても、同様な目的のための、最適な操業パラメータを提示することができる。
【００４０】
＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、数値計算法として粒子法を用いるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。本発明では、気相と溶鉄相（液相）との自由界面や、気相とスラグ相（液相）との自由界面、溶鉄相とスラグ相との自由界面といった、異相界面における時間変動及び化学反応を計算可能な方法であれば、他の数値計算法を用いてもよい。例えば、数値解析の手法として、ＳＰＨ（Smoothed Particle Hydrodynamics）法やＭＰＳ（Moving Particle Semi-implicit）法に代表されるラグランジュ法を用いて数値計算を行ってもよい。ラグランジュ法を用いる場合、計算格子を用いずに計算点を物理量とともに移動する粒子として計算するため、離散化処理は行わずに数値計算が行われる。
また、本発明に係る精錬設備の状態予測方法では、少なくとも異相界面の時間変動と、異相界面での化学反応とが連成されればよく、上記の手法に限らず他の計算手法や構成式を用いて数値解析が行われてもよい。
【００４２】
さらに、上記実施形態では、予測に際し、精錬設備内部での気相及び液相を考慮するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、気相及び液相に加えて、固相を考慮するようにしてもよい。精錬炉２での精錬処理では、成分調整や精錬反応の促進を目的に、合金鉄や媒溶材等の各種副原料が添加される。このような副原料は、炉体２１内に添加され、溶融することで溶鉄３やスラグと反応する。また、溶鉄の製造コストの低減や温室効果ガスの削減を目的に、溶鉄３と共に鉄源となるスクラップが炉体２１内に添加されることがある。このため、副原料やスクラップを固相として計算モデルに組み込み、この固相の溶融や溶融後の化学反応等を考慮することで、実際の操業により即した計算を行うことができるようになる。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、精錬設備が脱炭処理を行う精錬炉２であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。精錬設備は、酸素ガス等の気体を用いて溶鉄を精錬処理する設備であれば他のものであってもよい。例えば、精錬設備は、上吹きランスから溶鉄に酸化性ガス等を吹き込むことで、溶鉄の脱珪や脱燐、脱硫といった脱炭処理前の予備処理を行う予備処理炉やトーピードカーであってもよい。また、精錬設備は、脱炭処理後の二次精錬工程にて用いられる、真空脱ガス装置であってもよい。真空脱ガス装置では、極低炭素鋼等を溶製する際に、真空槽内を環流する溶鉄に対して、真空槽内に設けられた上吹きランスから酸素ガスを吹き付けることで脱炭反応を促進させている。さらに、精錬設備は、上吹きランスから酸化性ガスを噴射する機能を備えた溶融還元炉であってもよい。このような精錬設備でも、上記実施形態に係る状態予測方法を用いることで、精錬設備内部での状態を正確に予測することができる。
【００４４】
さらに、上記実施形態では、単純化のため、精錬設備内で起きる化学反応として脱炭反応とそれに起因した燃焼反応を考慮するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。精錬設備で生じる化学反応は様々であり、条件に応じて考慮する化学反応を任意に設定することができる。例えば、脱炭反応に加えて、精錬炉２にて脱炭処理を行う場合に生じる可能性のある、脱燐反応や脱珪反応等の他の反応も考慮してもよい。なお、予測精度の観点からは、化学反応や物質の移動等の全ての要素を含んだ計算を行うことが好ましいが、計算する要素が複雑化するほど計算に時間が掛かることとなる。このため、あまり重要でないと事前にわかっている要素については、その要素を省略してもよい。例えば、脱炭処理の場合、反応が酸素供給律速となる脱炭中期では、投入酸素のほぼ１００％が脱炭に使用されることとなる。このため、脱炭中期に着目する場合には、溶鉄３の組成を鉄と炭素に限定し、シリコンや燐といったその他の成分の存在による反応速度の変化を無視してもよい。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、精錬炉２が図２に示す構成であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。精錬炉２は、酸化性ガスを噴射する上吹きランス２２を有し、溶鉄３の脱炭処理等に用いられる慣用的なものであれば、他の構成であってもよい。例えば、精錬炉は、炉体の底部に設けられた羽口から攪拌用のガスを吹き込む構成をさらに有してもよい。この場合、攪拌用のガスとしては、アルゴンや窒素等の不活性ガスを用いてもよく、撹拌に加えて酸化反応の促進を目的に、酸素を含む酸化性ガスを用いてもよい。また、上吹きランス２２は、酸化性ガスに加え、酸化性ガスとは異なるノズルから粉状の副原料と搬送用のガス（不活性ガス等）を吹き込む構成であってもよい。
【００４６】
さらに、上記実施形態では、予め設定した計算条件に応じて溶鉄３の炭素濃度が目標濃度まで低減するまで計算を行うとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、炭素以外の成分や温度といった他の条件や、炭素濃度を含む複数の条件の組み合わせから、予め設定される目標の性状の溶鉄３となるまで計算が行われてもよい。また、計算条件のうち少なくとも一つを可変のパラメータとし、ある操業条件が最適となる条件を最適解として計算するようにしてもよい。可変のパラメータとしては、例えば、酸化性ガスの流量やランス高さ、スラグの組成、炉体２１の形状・寸法、上吹きランス２２のノズル形状・孔数等を可変としてもよい。操業条件としては、脱炭速度や処理時間、脱炭酸素効率、着熱効率、スプラッシュの発生量、溶製コスト等が用いられてもよい。このような計算では、可変となるパラメータについて、ある範囲で適切に振るように設定し、パラメータの各値において、精錬処理後の炭素濃度といった同一の終了条件を満足するように上記実施形態と同様に計算を行う。そして、求める操業条件の最適解と計算結果との適合度を比較して、適合度の高い結果を、解として出力するようにする。つまり、精錬炉２を新たに導入する場合や、上吹きランスの形状を変更する場合、操業条件を適正化する場合等において、特定の条件を満足するパラメータの最適値を計算することで、脱炭速度の向上やスプラッシュの発生量の低減等を図ることができる。
【００４７】
また、上記のように特定の条件を満たすパラメータの最適値を計算する場合、ステップＳ１００にて入力する計算条件に、出力条件を含めてもよい。出力条件には、可変とするパラメータと、終了条件と、最適解を求めるための操業条件とが少なくとも含まれる。なお、入力される出力条件は、使用者が任意に設定することができる。さらに、このような場合では、出力部１３に送られた計算結果を一旦計算部１２に戻して計算部１２で再度計算を行うことや、出力部１３での出力結果に基づいて入力部１１で再度計算モデルを構築して計算を開始することもある。このため、データの流れは上記実施形態に限られず、各々制約なく相互にデータのやり取り行うようにしてもよい。
【００４８】
さらに、上記実施形態において、計算部１２が入力部１１及び出力部１３の少なくとも一方の機能を有していてもよい。近年の数値解析の発達により、計算部１２が入力部１１や出力部１３の機能をすでに有することがある。このため、例えば、計算部１２が入力部１１の機能を有している場合は、計算部１２と入力部１１との間のデータのやり取りは不要になり、工程を省略することができる。
【実施例】
【００４９】
次に、本発明者らが、上記実施形態と同様な上吹き送酸による脱炭処理について数値解析を行った実施例について説明する。実施例では、図４に示すように、精錬炉を模擬した有底円筒状のるつぼ５内に収容された溶鉄３に対して、上吹きランス６から酸化性ガス４を噴射し、脱炭処理する場合について、粒子法を用いて、るつぼ５の内部を二次元軸対称モデル化することで計算を行った。酸化性ガス４は、酸素ガスとした。
るつぼ５は、内径が５００ｍｍ、高さが１０００ｍｍの円柱形状である。溶鉄３の脱炭処理前の成分組成は、炭素（Ｃ）が３質量％、鉄（Ｆｅ）が９７質量％とした。溶鉄３の脱炭処理前の温度は、１４００℃とした。上吹きランス６は、直径１３ｍｍの単孔ノズルを先端に有するものとした。上吹きランス６から噴射される酸化性ガスは、流量を３５０ＮＬ／Ｈｒとし、温度は常温とした。さらに、るつぼ５の炉壁外部からは、３００００Ｗ／ｍ２で放熱が生じるように設定した。
【００５０】
また、実施例では、生じる可能性がある化学反応として、下記（１）式〜（３）式の３つの反応を考慮した。
Ｃ＋１／２Ｏ２ → ＣＯ  ・・・（１）
ＣＯ＋１／２Ｏ２ → ＣＯ２  ・・・（２）
ＣＯ２＋Ｃ → ２ＣＯ  ・・・（３）
さらに、実施例では、（１）式〜（３）式の反応が生じた場合には、各メッシュに各反応の反応量に応じた燃焼熱をそれぞれ与えた。
【００５１】
実施例の解析結果として、脱炭処理開始から１０秒経過後のるつぼ５内の状態の予測結果である、温度、液相分率、ＣＯ質量分率、ＣＯ２質量分率及び速度のコンターをそれぞれ図５に示す。図５から分かるように、異相界面である溶鉄３の界面の変動と、異相界面での脱炭反応とが、連成により解析できていることが確認できた。また、液相分率の結果から分かるように、本実施例では、スプラッシュの発生挙動についても解析できていることが確認できた。
【符号の説明】
【００５２】
１  状態予測装置
１１  入力部
１２  計算部
１３  出力部
２  精錬炉
２１  炉体
２２  上吹きランス
３  溶鉄
４  酸化性ガス
５  るつぼ
６  上吹きランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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