(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出方法において、
真空槽から流出する排ガスの流出速度及び排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定し、
測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づき排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出し、
算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出し、
算出した推定値に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出し、
時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出し、
算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する
ことを特徴とする異常検出方法。
【請求項２】
取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出システムにおいて、
真空槽から流出する排ガスの流出速度を測定する流出速度測定装置と、
排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定する成分測定装置と、
前記流出速度測定装置及び成分測定装置の測定結果に基づいて異常を検出する異常検出装置と
を備え、
該異常検出装置は、
測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出する手段と、
算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出する手段と、
算出した推定値に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出する手段と、
時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出する手段と、
算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する手段と
を備えることを特徴とする異常検出システム。
【請求項３】
取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出システムにおいて、
真空槽から流出する排ガスの流出速度を測定する流出速度測定装置と、
排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定する成分測定装置と、
前記流出速度測定装置及び成分測定装置の測定結果に基づいて異常を検出する異常検出装置と
を備え、
該異常検出装置は、
測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出する手段と、
算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出する手段と、
算出した溶鋼炭素濃度の推定値、取鍋内の溶鋼質量、並びに取鍋及び真空槽間の環流溶鋼量を用いた理論式に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出する手段と、
時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出する手段と、
算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する手段と
を備えることを特徴とする異常検出システム。
【請求項４】
取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出装置において、
真空槽から流出する排ガスの流出速度の測定結果を時系列的に取得する手段と、
排ガス中の炭素酸化物の成分比率の測定結果を時系列的に取得する手段と、
測定した排ガス中の流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出する手段と、
算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出する手段と、
算出した推定値に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出する手段と、
時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出する手段と、
算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する手段と
を備えることを特徴とする異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出方法、該異常検出方法を適用した異常検出システム、及び該異常検出システムにて用いられる異常検出装置に関し、特にＲＨ真空脱ガス装置の脱炭速度低下異常を検出する異常検出方法、異常検出システム及び異常検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば極低炭素鋼の製造の際に、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼内の炭素を除去する脱炭処理が行われている。ＲＨ真空脱ガス装置では、取鍋内に貯留した溶鋼を真空槽との間で環流させることにより、溶鋼から一酸化炭素、二酸化炭素等の炭素酸化物として炭素を除去する脱炭処理を行っている。ＲＨ真空脱ガス装置を用いた脱炭処理において、脱炭処理終了後の溶鋼は、含有炭素濃度が予め設定されている規格の上下限内に入らなければならない。そこで目標炭素濃度に到達した段階で脱炭処理を停止する様々な方法が開示されている。
【０００３】
特許文献１では、ＲＨ真空脱ガス装置を用いた脱炭処理において、排ガス流出速度並びに排ガス中の一酸化炭素濃度及び二酸化炭素濃度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、真空槽内圧力、溶鋼環流用ガス流量、排ガス流量、一酸化炭素濃度及び二酸化炭素濃度等の操業データを用いて溶鋼中炭素濃度を推定し、脱炭処理を停止する方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２では、溶鋼の真空脱ガス精錬において精錬中の炭素濃度の時間変化を真空槽内圧力、気泡生成圧力及び鍋内炭素濃度を微分方程式にて示し、逐次行う溶鋼サンプリングの結果に基づき適宜炭素濃度及び酸素濃度を修正した微分方程式に基づいて溶鋼中炭素濃度を推定し、脱炭処理を停止する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２０２９１３号公報
【特許文献２】特開平６−２５６８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の方法は、脱炭速度が公称モデルに基づく理論値に一致することを前提に溶鋼中炭素濃度を推定する方法である。
【０００６】
しかしながら実際の脱炭処理においては、温度調整のためアルミニウム、鉄スケール等の金属を投入することにより、脱炭速度が大きく変化する場合がある。また下部槽耐火物浸食による真空槽内の溶鋼流動の変化等の設備設置時からの経年変化により、脱炭速度が低下する場合がある。この様な場合、溶鋼内の実際の炭素濃度は、公称モデルに基づき推定した理論値よりも高くなるので、公称モデルにて推定した理論値に基づき脱炭処理を停止した場合には、炭素濃度が規格の上限値を外れる可能性がある。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、公称モデルに基づき推定した炭素酸化物成分の流出速度に係る第１係数と、時系列的に実測して得られた炭素酸化物の流出速度に係る第２係数とに基づいて、脱炭処理の異常を検出することにより、溶鋼内の炭素濃度が公称モデルに基づき推定した理論値から外れる場合でも、脱炭速度の異常を検出し、溶鋼内の炭素濃度が規格外となる可能性を低減することが可能な異常検出方法、該異常検出方法を適用した異常検出システム、及び該異常検出システムにて用いられる異常検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係る異常検出方法は、取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出方法において、真空槽から流出する排ガスの流出速度及び排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定し、測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づき排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出し、算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出し、算出した推定値に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出し、時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出し、算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出することを特徴とする。
【０００９】
第２発明に係る異常検出システムは、取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出システムにおいて、真空槽から流出する排ガスの流出速度を測定する流出速度測定装置と、排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定する成分測定装置と、前記流出速度測定装置及び成分測定装置の測定結果に基づいて異常を検出する異常検出装置とを備え、該異常検出装置は、測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出する手段と、算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出する手段と、算出した推定値に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出する手段と、時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出する手段と、算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
第３発明に係る異常検出システムは、取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出システムにおいて、真空槽から流出する排ガスの流出速度を測定する流出速度測定装置と、排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定する成分測定装置と、前記流出速度測定装置及び成分測定装置の測定結果に基づいて異常を検出する異常検出装置とを備え、該異常検出装置は、測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出する手段と、算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出する手段と、算出した溶鋼炭素濃度の推定値、取鍋内の溶鋼質量、並びに取鍋及び真空槽間の環流溶鋼量を用いた理論式に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出する手段と、時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出する手段と、算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第４発明に係る異常検出装置は、取鍋内の溶鋼のガス成分を真空槽にて除去し排出する真空脱ガス装置の異常を検出する異常検出装置において、真空槽から流出する排ガスの流出速度の測定結果を時系列的に取得する手段と、排ガス中の炭素酸化物の成分比率の測定結果を時系列的に取得する手段と、測定した排ガス中の流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出する手段と、算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出する手段と、算出した推定値に基づいて、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出する手段と、時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、該流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出する手段と、算出した第１の係数及び第２の係数の大小関係に基づいて脱炭速度の異常を検出する手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本願の発明者らは、溶鋼の含有炭素濃度の実際の値が、公称モデルに基づく理論式にて算出した推定値より高い場合、真空槽から排出される排ガス中の炭素酸化物（一酸化炭素及び二酸化炭素）成分の流出速度の単位時間当たりの減衰率の実績値が、公称モデルに基づく理論式にて算出した推定値を用いた減衰率より小さくなるという知見を得た。
【００１３】
そこで本発明では、排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づき炭素酸化物成分の流出速度を算出し、算出した流出速度を用いて公称モデルに基づき推定した取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度に基づく炭素酸化物の成分流出速度減衰係数等の流出速度に係る第１の係数と、実測値に基づく炭素酸化物成分の流出速度から算出した流出速度に係る第２の係数とに基づいて、異常を検出することにより、推定した理論値と実際の値との乖離に基づく誤判断を防止して、脱炭処理の停止時期を補正し、溶鋼内の炭素濃度が規格外となる可能性を低減することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る異常検出方法、異常検出システム及び異常検出装置は、真空槽から流出する排ガスの流出速度及び該排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定し、測定した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づき排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度を時系列的に算出し、算出した排ガス中の炭素酸化物成分の流出速度に基づいて取鍋内及び真空槽内の溶鋼炭素濃度の推定値を算出し、算出した溶鋼炭素濃度の推定値、取鍋内の溶鋼質量、並びに取鍋及び真空槽間の環流溶鋼量を用いた理論式に基づいて、炭素酸化物成分の成分流出速度減衰係数等の流出速度の経時変化に係る第１の係数を算出し、また時系列的に算出した炭素酸化物成分の流出速度に基づいて、炭素酸化物成分の成分流出速度減衰係数等の流出速度の経時変化に係る第２の係数を算出し、算出した第１の係数及び第２の係数を比較して異常を検出する。
【００１５】
この構成により、本発明では、公称モデルに基づき推定した第１の係数を実測値に基づき算出した第２の係数と比較することにより、推定した溶鋼炭素濃度の理論値が実際の値から乖離しているか否かを検出することができるので、理論値と実際の値との乖離に基づく誤判断を防止して、脱炭処理の停止時期を補正し、溶鋼内の炭素濃度が規格外となる可能性を低減することが可能である等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明の異常検出システムを模式的に示す説明図である。図１中１は、ＲＨ真空脱ガス装置であり、ＲＨ真空脱ガス装置１は、溶鋼２を貯留する取鍋３を、真空槽４の下部に配置する。真空槽４の下部には、上昇管５及び下降管６の一端が配設されており、上昇管５及び下降管６の他端は、取鍋３内の溶鋼２中に浸漬される。真空槽４には、排気管７の一端が配設されており、排気管７の他端は真空槽内排気装置８に接続されている。また上昇管５には、環流ガス吹き込み装置９が配設されている。
【００１７】
そして真空槽４内の気体を排ガスとして真空槽内排気装置８から排気して減圧することにより、真空槽４内に真空状態が発生し、更に環流ガス吹き込み装置９からアルゴンガス等の環流ガスを吹き込むことにより、取鍋３内の溶鋼２は、上昇管５から真空槽４内に吸い上げられ、下降管６を経て取鍋３内に戻る環流を開始する。
【００１８】
さらにＲＨ真空脱ガス装置１は、真空槽内排気装置８から排気される排ガスの流出速度を測定する排ガス流出速度測定装置１０、排ガス中の炭素酸化物の成分比率を測定する赤外分光分析装置等の排ガス成分測定装置１１、環流ガス吹き込み装置９から吹き込む環流ガス流量を測定する環流ガス流量測定装置１２、取鍋３に貯留された溶鋼２内の酸素濃度を測定する溶鋼酸素濃度測定装置１３、真空槽４内の圧力を測定する真空槽内圧力測定装置１４等の各種測定装置を備え、各種測定装置にて測定した夫々の測定値は、プロセスコンピュータを用いた異常検出装置２０へ送られる。なお排ガス成分測定装置１１が測定する炭素酸化物の成分比率とは、一酸化炭素（ＣＯ）の成分比率及び二酸化炭素（ＣＯ2 ）の成分比率の和である。
【００１９】
異常検出装置２０は、各種測定装置から取得した測定値に基づいて脱炭処理等の工程を管理し、脱炭処理における異常の発生を検出した場合、異常の通知等の処理を行う。また異常検出装置２０は、測定値に基づいて脱炭処理の停止時期を判定し、停止時期に到達したと判定した場合、脱炭処理を停止させる停止信号を脱炭停止装置３０へ出力する。
【００２０】
異常検出装置２０は、装置全体を制御する制御部２１、制御に要する各種プログラム及びデータを記録する記録部２２、各測定装置から測定値を取得する取得部２３、脱炭停止装置３０へ停止信号を出力する信号出力部２４、各種押釦を配設した操作パネル等の入力部２５、並びに工程に関する情報及び警報を出力するモニタ及びスピーカ等の出力部２６を備えている。
【００２１】
脱炭停止装置３０は、ＲＨ真空脱ガス装置１を制御する装置であり、異常検出装置２０から入力を受け付けた停止信号に基づいて、アルミニウム、鉄スケール等の金属を真空槽４内に投入する作業者への指示及び／又は投入装置の制御を行う脱炭停止処理を行う。
【００２２】
次に本発明の異常検出方法にて用いる理論について説明する。本願の発明者らは、溶鋼２の含有炭素濃度の実際の値が、公称モデルに基づく理論式にて算出した推定値より高い場合、真空槽４から排出される排ガス中の炭素酸化物（一酸化炭素及び二酸化炭素）成分の流出速度の単位時間当たりの減衰率の実績値が、公称モデルに基づく理論式にて算出した推定値を用いた減衰率より小さくなるという知見を得た。
【００２３】
ＲＨ真空脱ガス装置１においては、取鍋３及び真空槽４内の溶鋼２中の炭素が完全混合状態で平衡炭素濃度が十分に小さい場合、下記の式１及び式２に示すモデル式が成立する。
【００２４】
【数１】
0004715617.tif 000002
【００２５】
式２に示した脱炭容量係数は、真空槽４内で溶鋼２からＣＯガス気泡が発生する速度を示すパラメータであり、溶鋼２中の酸素濃度及び炭素濃度並びに真空槽４内の圧力に依存する関数である。なお脱炭容量係数の詳細については、本願の発明者らの一人を含む研究者らが発表した下記の論文に記載されている。
【００２６】
樋口善彦、外２名、「ＲＨ真空脱炭に及ぼす［Ｃ］，［Ｏ］と真空度の影響」、鉄と鋼、社団法人日本鉄鋼協会、１９９８年、第８４巻、第１０号、ｐ．２１−２６
【００２７】
なお当該論文に記載されたモデルを本願における公称モデルとし、脱炭容量係数は、下記の式３にて示されるものとする。
【００２８】
【数２】
0004715617.tif 000003
【００２９】
また式１及び式２に示した環流溶鋼流量は、真空槽４内雰囲気圧力と、環流ガス流量と、環流ガス吹き込み位置静圧と、設備に依存する定数とを用いた下記の式４にて示される。
【００３０】
【数３】
0004715617.tif 000004
【００３１】
また真空槽４から流出する排ガス中の炭素酸化物の流出速度は、排ガスの流出速度及び排ガス中の炭素酸化物の成分比率から下記の式５にて算出することができる。
【００３２】
【数４】
0004715617.tif 000005
【００３３】
一方、系全体における質量脱炭速度は、下記の式６にて示されるが、これは式１及び式２から脱炭容量係数及び真空槽内溶鋼炭素濃度の積に等しい。
【００３４】
【数５】
0004715617.tif 000006
【００３５】
そこで下記の式７に示すように、脱炭容量係数及び真空槽内溶鋼炭素濃度の積に、一酸化炭素ガス及び二酸化炭素ガスに含まれる炭素の質量を、０℃・１気圧の標準状態における体積に変換する係数を乗じることにより、炭素の体積流出速度を算出することができる。
【００３６】
【数６】
0004715617.tif 000007
【００３７】
本発明の異常検出方法では、式５に示した排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度と、式７に示した炭素の体積流出速度とを用いて、取鍋３内の溶鋼２中の炭素濃度と、真空槽４から流出する炭素の体積流出速度との推定値を、下記の式８及び式９にて示されるオブザーバと、式３に示した脱炭容量係数の公称モデルとを連立して解くことにより算出する。なお式８及び式９において、推定値が発散しないように適宜調整した定数をオブザーバゲインとして用いる。
【００３８】
【数７】
0004715617.tif 000008
【００３９】
式８及び式９において、排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度及び炭素の体積流出速度の誤差が０に漸近する程、取鍋３内の溶鋼２中の炭素濃度及び真空槽４から流出する炭素の体積流出速度の推定値が、実際の炭素濃度及び炭素の体積流出速度に漸近的に一致する。各推定値の漸近挙動は、オブザーバゲインの値で調節することが可能であり、計算開始時の各推定値の初期値と実際の値との誤差は、計算と共に０に漸近する。この様にして公称モデルに基づく理論式にて溶鋼２中の炭素濃度の推定値を算出することができ、ＲＨ真空脱ガス装置１は、算出した炭素濃度の推定値が目標炭素濃度に到達した段階で脱炭処理を停止する。
【００４０】
ところが実際のＲＨ真空脱ガス装置１の脱炭処理においては、実際の脱炭挙動における脱炭容量係数と、式３に示した公称モデルにおける脱炭容量係数とが常に一致するとは限らない。特に実際の脱炭容量係数が、公称モデルにおける脱炭容量係数より小さい場合、式８及び式９による取鍋３内の溶鋼２中の炭素濃度の推定値が、実際の炭素濃度よりも低くなる。この様な場合、脱炭処理において溶鋼２中の実際の炭素濃度が目標炭素濃度に基づき設定される脱炭停止基準値に到達していないにも関わらず、脱炭停止基準値に到達したと誤判定して脱炭処理を停止することになる。そこで実際の脱炭反応モデルが下記の式１０及び式１１にて示されるものとする。
【００４１】
【数８】
0004715617.tif 000009
【００４２】
また真空槽４から流出する排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度は、下記の式１２にて示すことができる。
【００４３】
【数９】
0004715617.tif 000010
【００４４】
なお炭素濃度については、式８及び式９にて示したオブザーバを用いることにより、真空槽内溶鋼炭素濃度の推定値ｘCVを用いて示す炭素の体積流出速度が排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度と一致するとして、下記の式１３の関係が成立する。
【００４５】
【数１０】
0004715617.tif 000011
【００４６】
ここで正の数ｍを用いて下記の式１４の関係が成立するとする。
【００４７】
【数１１】
0004715617.tif 000012
【００４８】
また実際の脱炭容量係数は、公称モデルに対して正の数ｒを用いて下記の式１５で示すことができるものとする。
【００４９】
【数１２】
0004715617.tif 000013
【００５０】
式１３及び式１５から、ｒは下記の式１６で示すことができ、また式１６は、下記の式１７に変形することができる。
【００５１】
【数１３】
0004715617.tif 000014
【００５２】
図２は、本発明の異常検出方法にて用いられる変数ｍ及びｒの関係を示すグラフである。図２は、横軸に正の変数ｍをとり、縦軸に正の変数ｒをとって、その関係を示している。公称モデルの脱炭容量係数について、下記の式１８の関係が成立するとすると、ｍ及びｒは、図２に示す様に右下がりの曲線で表される。
【００５３】
【数１４】
0004715617.tif 000015
【００５４】
取鍋３内の溶鋼２中の炭素濃度が脱炭停止基準値に到達して脱炭処理を停止した場合に、溶鋼２中の実際の炭素濃度が規格上限値を超えない様にしなければならない。そこで溶鋼２の炭素濃度の規格上限値と脱炭停止基準炭素濃度との比の値であるｍに、上限値ｍU を設定するものとすると、図２のグラフに示すｍとｒとの関係より、上限値ｍU にｒの下限値ｒL が対応することから、脱炭停止時のｒが下限値ｒL 未満であれば溶鋼２の実際の炭素濃度が規格上限値を超えていることを検出することができる。
【００５５】
本発明の異常検出方法では、ｒが下限値ｒL 未満であるか否かを直接判定するのではなく、排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度の時間当たりの減衰率、即ち炭素酸化物成分流出速度減衰係数の値に基づいて判定する。排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度の時間当たりの減衰率である炭素酸化物成分流出速度係数は、下記の式１９として示すことができる。
【００５６】
【数１５】
0004715617.tif 000016
【００５７】
公称モデルにおける炭素酸化物成分流出速度係数の理論値は、下記の式２０として示される。
【００５８】
【数１６】
0004715617.tif 000017
【００５９】
式２０の導出方法について説明する。真空槽内溶鋼質量が取鍋内溶鋼質量に比べて十分に小さい場合、溶鋼２中の炭素濃度の平均値の変化速度は、下記の式２１及び式２２として近似することができる。
【００６０】
【数１７】
0004715617.tif 000018
【００６１】
式２１の公称モデルに基づいて排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度は、下記の式２３として示すことができる。
【００６２】
【数１８】
0004715617.tif 000019
【００６３】
式２３の両辺を時間ｔで微分した式が、下記の式２４である。
【００６４】
【数１９】
0004715617.tif 000020
【００６５】
ここで式２０を式２３に代入することにより、下記の式２５を求めることができる。
【００６６】
【数２０】
0004715617.tif 000021
【００６７】
また下記の式２６が成立する。
【００６８】
【数２１】
0004715617.tif 000022
【００６９】
式２２及び式２６に基づいて式２５を変形したものが、下記の式２７である。
【００７０】
【数２２】
0004715617.tif 000023
【００７１】
式２７は、下記の式２８として示すことができる。
【００７２】
【数２３】
0004715617.tif 000024
【００７３】
また式２２の両辺の逆数をとった式が、下記の式２９である。
【００７４】
【数２４】
0004715617.tif 000025
【００７５】
式２９の両辺を時間ｔで微分した式が、下記の式３０である。
【００７６】
【数２５】
0004715617.tif 000026
【００７７】
また脱炭容量係数の微分値は、下記の式３１として示すことができる。
【００７８】
【数２６】
0004715617.tif 000027
【００７９】
従って式２８は、式３０及び式３１より、下記の式３２として示すことができる。
【００８０】
【数２７】
0004715617.tif 000028
【００８１】
この様にして、式２０に示す公称モデルの理論式を導出することができる。
【００８２】
次にオブザーバを用いて求めた溶鋼２中の炭素濃度の推定値に対する実際の炭素濃度がｍU 倍である場合における、実際の炭素酸化物の体積流出速度の減衰係数の導出方法について説明する。式２０は、実際の真空槽内溶鋼炭素濃度及び実際の脱炭容量係数を適用することで、下記の式３３に変換することができる。
【００８３】
【数２８】
0004715617.tif 000029
【００８４】
同様にして式２２は、下記の式３４に変換することができる。
【００８５】
【数２９】
0004715617.tif 000030
【００８６】
式３４に式１７を代入することにより、下記の式３５を求めることができる。
【００８７】
【数３０】
0004715617.tif 000031
【００８８】
このとき式１４より、下記の式３６を示すことができる。
【００８９】
【数３１】
0004715617.tif 000032
【００９０】
また式１４及び式１７より、下記の式３７を示すことができる。
【００９１】
【数３２】
0004715617.tif 000033
【００９２】
さらに式１４より、下記の式３８を示すことができる。
【００９３】
【数３３】
0004715617.tif 000034
【００９４】
従って、式３３に、式１７、式３５、式３６、式３７及び式３８を代入することにより、実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数を示す下記の式３９を導出することができる。なお式３９において、真空槽内溶鋼炭素濃度の時間微分値は、式８及び式９に示すオブザーバを用いて求めることができる。
【００９５】
【数３４】
0004715617.tif 000035
【００９６】
図３は、本発明の異常検出方法にて用いられる変数ｍの上限値ｍU 及び実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数の関係を示すグラフである。図３は、横軸に上限値ｍU をとり、縦軸に実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数をとって、式３９における真空槽内溶鋼炭素濃度の時間微分値、即ち炭素濃度の変化速度が一定であるとした場合の、上限値ｍU 及び実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数の関係を示している。
【００９７】
図３に示す様に実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数は、上限値ｍU に対して右下がりの曲線で表される。上限値ｍU が溶鋼２の炭素濃度の推定値に対する実際の炭素濃度の上限として設定されたものであるとすると、図３のグラフにおいて、上限値ｍU に対応する実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数の値を下限値として設定することができる。
【００９８】
従って脱炭停止までに実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数と、設定した下限値との大小関係を比較し、下限値より小さいと判定した場合、溶鋼炭素濃度の推定値が脱炭停止の目標値に到達していたとしても、実際の溶鋼炭素濃度が上限値ｍU より高い異常状態にあることを検出することができる。これにより本発明の異常検出方法は、溶鋼２内の炭素濃度が規格外となることを防止することができる。
【００９９】
次に実際の炭素酸化物成分流出速度係数の算出方法について説明する。実際の炭素酸化物成分流出速度係数は、排ガスの流出速度の測定値及び排ガス中の炭素酸化物の成分比率から算出した排ガス中の炭素酸化物の流出速度を一定の時間間隔で時系列的に算出する。そして算出した炭素酸化物成分の流出速度の経時変化からカルマンフィルタを用いてノイズを除去することにより、炭素酸化物成分の流出速度の経時変化に係る係数、即ち実際の炭素酸化物成分流出速度係数を算出する。下記の式４０は、平均値０、分散σ2 である正規分布に従うノイズｎ(t) を用いて排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度を示したものである。
【０１００】
【数３５】
0004715617.tif 000036
【０１０１】
式４０に基づくカルマンフィルタを用いた下記の式４１、式４２及び式４３に基づく計算を、Δｔとして示す時間間隔で行う。
【０１０２】
【数３６】
0004715617.tif 000037
【０１０３】
離散時間における炭素酸化物成分流出速度係数と、連続時間における炭素酸化物成分流出速度係数との関係は、下記の式４４にて示される。
【０１０４】
【数３７】
0004715617.tif 000038
【０１０５】
従って連続時間における実際の炭素酸化物成分流出速度係数は、下記の式４５にて算出することができる。
【０１０６】
【数３８】
0004715617.tif 000039
【０１０７】
この様にして算出した実際の炭素酸化物成分流出速度係数を、理論式を用いて推定した炭素酸化物成分流出速度係数に基づく値と大小関係を比較することにより、本発明の異常検出方法は、脱炭速度低下を異常として検出することができる。
【０１０８】
次に本発明の異常検出装置２０の処理について説明する。図４は、本発明の異常検出装置２０の処理を示すフローチャートである。異常検出装置２０は、制御部２１の制御により、排ガス流出速度測定装置１０が測定した排ガスの流出速度、排ガス成分測定装置１１が測定した排ガス中の炭素酸化物の成分比率等の測定値を、取得部２３から取得する（ステップＳ１）。ステップＳ１において、異常検出装置２０は、予め設定されている時間間隔Δｔで測定値を取得する。なお異常検出装置２０は、測定装置毎に異なる時間間隔で測定値を取得し、取得した測定値を記録部２２に記録し、所定の時間間隔で記録部２２から測定値を読み出すようにしても良い。
【０１０９】
異常検出装置２０は、取得した排ガスの流出速度及び炭素酸化物の成分比率に基づいて排ガス中の炭素酸化物成分の体積流出速度を時系列的に算出する（ステップＳ２）。ステップＳ２における排ガス中の炭素酸化物成分の体積流出速度は、式５を用いて算出される。なお時系列的とは、時間間隔Δｔで断続的に算出することを示す。
【０１１０】
異常検出装置２０は、算出した排ガス中の炭素酸化物成分の体積流出速度に基づいて取鍋３内及び真空槽４内の溶鋼２の炭素濃度の推定値を算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３における溶鋼２の炭素濃度の推定値は、式８及び式９に示すオブザーバを用いた公称モデルに基づいて算出される。
【０１１１】
異常検出装置２０は、ステップＳ３にて算出した取鍋３内及び真空槽４内の溶鋼２の炭素濃度の推定値、取鍋３内の溶鋼２の質量、取鍋３及び真空槽４間の環流溶鋼量、並びに予め設定されている溶鋼炭素濃度に係る比の値の上限値ｍU を用いた理論式に基づき、炭素酸化物成分流出速度減衰係数を下限値として算出する（ステップＳ４）。ステップＳ４において、取鍋３及び真空槽４間の環流溶鋼量は、真空槽内圧力測定装置１４が測定した真空槽４内の圧力（真空槽内雰囲気圧力）、環流ガス流量測定装置１２が測定した環流ガス流量及び環流ガス吹き込み位置静圧に基づき式４を用いて算出される。ステップＳ４において溶鋼炭素濃度に係る比の値の上限値ｍU とは、溶鋼２の炭素濃度の規格上限値と脱炭停止基準炭素濃度との比の値とであるｍの許容可能な上限値として予め設定されている。ステップＳ４において理論式とは式３９を示す。
【０１１２】
また異常検出装置２０は、ステップＳ２にて時系列的に算出した炭素酸化物成分の体積流出速度から式４１乃至式４３に基づくカルマンフィルタを用いて離散時間における炭素酸化物成分流出速度係数を算出する（ステップＳ５）。
【０１１３】
異常検出装置２０は、ステップＳ５にて算出した離散時間における炭素酸化物成分流出速度係数から式４５に基づいて、連続時間における炭素酸化物成分流出速度係数を算出する（ステップＳ６）。
【０１１４】
そして異常検出装置２０は、ステップＳ４にて下限値として算出した炭素酸化物成分流出速度減衰係数と、ステップＳ６にて算出した連続時間における炭素酸化物成分流出速度係数との大小関係を比較し、連続時間における炭素酸化物成分流出速度係数が、下限値となる炭素酸化物成分流出速度減衰係数未満であると判定した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、脱炭速度が低下したと判断し、異常処理を行う（ステップＳ８）。ステップＳ８における異常処理とは、出力部２６から異常発生を示す信号の出力、脱炭処理の延長、脱炭処理を停止する基準として設定している目標炭素濃度の変更等の処理である。
【０１１５】
ステップＳ７において、連続時間における炭素酸化物成分流出速度係数が、下限値となる炭素酸化物成分流出速度減衰係数以上であると判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、脱炭速度は正常であると判定する。
【０１１６】
なおステップＳ１〜Ｓ８の処理は、取鍋３内の溶鋼２の炭素濃度の推定値が、目標炭素濃度に到達するまで所定の時間間隔Δｔで繰り返される。
【０１１７】
そして異常検出装置２０は、取鍋３内の溶鋼２の炭素濃度の推定値が、目標炭素濃度に到達した段階で、信号出力部２４から脱炭停止装置３０へ停止信号を出力する（ステップＳ９）。脱炭停止装置３０は、異常検出装置２０から入力を受け付けた停止信号に基づいて、アルミニウム、鉄スケール等の金属を真空槽４内に投入する作業者への指示及び／又は投入装置の制御を行う脱炭停止処理を行う。
【０１１８】
次に本発明の異常検出方法を適用した実施例について説明する。先ず実施条件について説明する。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し、脱珪、脱硫、脱燐等の溶銑予備処理を一つ以上実施する。そして溶銑を２５０トンの転炉に移し、脱炭吹錬を実施する。そして脱炭吹錬により得られた溶鋼２を取鍋３へ出鋼し、未脱酸状態でＲＨ真空脱ガス装置１まで輸送し、脱炭処理を実施する。なお脱炭処理において、アルゴンガスの環流ガス流量は２０００ＮＬ／ｍｉｎであり、真空槽内雰囲気圧力は１３３Ｐａである。この条件下で、炭素濃度規格上限値３０ｐｐｍの極低炭鋼を製造すべく真空脱炭処理を実施した。
【０１１９】
（実施例１）
図５は、本発明の異常検出方法に係る脱炭処理の工程値の経時変化を示すグラフである。図５（ａ）は、横軸に時間をとり、縦軸に取鍋内溶鋼炭素濃度の推定値をとって、脱炭処理中における推定値の経時変化を実線にて示している。図５（ａ）において白丸は、脱炭処理後の溶鋼炭素濃度の実測値を示している。図５（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度をとって、脱炭処理中における体積流出速度の経時変化を実線にて示している。図５（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に炭素酸化物成分流出速度減衰係数をとって、脱炭処理中における炭素酸化物成分流出速度係数の経時変化を示している。図５（ｃ）において、破線は、理論式に基づき推定した炭素酸化物成分流出速度係数の経時変化を示し、実線は、実測値に基づく炭素酸化物成分流出速度係数の経時変化を示している。
【０１２０】
実施例１では、極低炭鋼の炭素濃度規格上限値が３０ｐｐｍであるのに対し、脱炭停止目標値を２２ｐｐｍとし、ｍの上限値ｍU を１．３６として推定する炭素酸化物成分流出速度減衰係数を下限値とした。脱炭速度低下の判定は、溶鋼酸素活量を測定した脱炭処理開始９分後から行った。
【０１２１】
実施例１では、図５（ａ）に示す様に、脱炭処理中の取鍋内溶鋼炭素濃度の推定値が１７ｐｐｍに到達した段階で、アルミニウムを真空槽４内に投入して脱炭処理を停止した。その結果、脱炭処理後の溶鋼炭素濃度の実測値は、推定値と同じ１７ｐｐｍであった。図５（ｃ）に示す様に脱炭速度低下の判定を行った脱炭処理開始から９分後以降において、実測値に基づく炭素酸化物成分流出速度係数は、常に下限値である推定した炭素酸化物成分流出速度係数以上の値を示している。従って本発明の異常検出装置２０は、脱炭速度が低下したと判定していない。脱炭処理後の溶鋼炭素濃度が実測値が１７ｐｐｍであることにより、本発明の異常検出装置２０は適切な判定を行ったと言える。
【０１２２】
（実施例２）
図６は、本発明の異常検出方法に係る脱炭処理の工程値の経時変化を示すグラフである。図６（ａ）は、横軸に時間をとり、縦軸に取鍋内溶鋼炭素濃度の推定値をとって、脱炭処理中における推定値の経時変化を実線にて示している。図６（ａ）において白丸は、脱炭処理後の溶鋼炭素濃度の実測値を示している。図６（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に排ガス中の炭素酸化物の体積流出速度をとって、脱炭処理中における体積流出速度の経時変化を実線にて示している。図６（ｃ）は、横軸に時間をとり、縦軸に炭素酸化物成分流出速度減衰係数をとって、脱炭処理中における炭素酸化物成分流出速度係数の経時変化を示している。図６（ｃ）において、破線は、理論式に基づき推定した炭素酸化物成分流出速度係数の経時変化を示し、実線は、実測値に基づく炭素酸化物成分流出速度係数の経時変化を示している。
【０１２３】
実施例２において、脱炭停止目標値は、実施例１と同様２２ｐｐｍとし、ｍの上限値ｍU を１．３６として推定する炭素酸化物成分流出速度減衰係数を下限値とした。脱炭速度低下の判定は、溶鋼酸素活量を測定した脱炭処理開始１１分後から行った。
【０１２４】
実施例２では、図６（ａ）に示す様に、脱炭処理中の取鍋内溶鋼炭素濃度の推定値が１７ｐｐｍに到達した段階で、アルミニウムを真空槽４内に投入して脱炭処理を停止した。その結果、脱炭処理後の溶鋼炭素濃度の実測値は、推定値を大きく上回る２７ｐｐｍであった。図６（ｃ）に示す様に脱炭速度低下の判定を行った脱炭処理開始から１１分後以降において、実測値に基づく炭素酸化物成分流出速度係数は、下限値である推定した炭素酸化物成分流出速度係数未満の値を示す状態が長く続いた。従って本発明の異常検出装置２０は、脱炭速度が低下したと判定した。脱炭処理後の溶鋼炭素濃度が実測値が２７ｐｐｍであることにより、本発明の異常検出装置２０は適切な判定を行ったと言える。
【０１２５】
前記実施の形態は、本発明の無数にある実施の形態の一例を示したに過ぎず、本発明は、上記形態以外にも様々な形態に展開することが可能であり、例えば炭素酸化物成分流出速度係数の算出方法一つについても、必ずしもカルマンフィルタを用いる必要はなく、様々な測定値及び様々な理論から導き出す様々な方法を用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の異常検出システムを模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の異常検出方法にて用いられる変数ｍ及びｒの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の異常検出方法にて用いられる変数ｍの上限値ｍU 及び実際の炭素酸化物成分流出速度減衰係数の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の異常検出装置の処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の異常検出方法に係る脱炭処理の工程値の経時変化を示すグラフである。
【図６】本発明の異常検出方法に係る脱炭処理の工程値の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２７】
１  ＲＨ真空脱ガス装置
２  溶鋼
３  取鍋
４  真空槽
５  上昇管
６  下降管
７  排気管
８  真空槽内排気装置
９  環流ガス吹き込み装置
１０  排ガス流出速度測定装置
１１  排ガス成分測定装置
１２  環流ガス流量測定装置
１３  溶鋼酸素濃度測定装置
１４  真空槽内圧力測定装置
２０  異常検出装置
３０  脱炭停止装置
【図１】
0004715617.tif 000040
【図２】
0004715617.tif 000041
【図３】
0004715617.tif 000042
【図４】
0004715617.tif 000043
【図５】
0004715617.tif 000044
【図６】
0004715617.tif 000045