(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、排ガス中の鉄系粒子の量に応じて運転条件を調整できる製鋼用炉の操業方法を提供することを課題とする。【解決手段】製鋼用炉の操業方法は、ダストを発生する製鋼用炉の操業方法であって、煙道を流れる排ガスへマイクロ波を照射する工程、排ガス中のダストによる反射波を検出する工程及び上記反射波の強度の周波数分布を算出する工程を有するドップラー周波数測定工程Ｓ１と、周波数分布のうち上記ダスト中の鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度を抽出する工程Ｓ２と、鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度に応じて炉の運転条件を調整する工程Ｓ３とを備え、鉄系粒子に対応する周波数が、上記マイクロ波の伝播角度をθとし、炉で発生し得る鉄系粒子の粒径及び密度並びに排ガスの流速から予測される鉄系粒子の速度のｓｉｎθ成分から推定される反射波の周波数であることを特徴とする。【選択図】図１
2017102040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダストを発生する製鋼用炉の操業方法であって、
煙道を流れる排ガスへマイクロ波を照射する工程、排ガス中のダストによる反射波を検出する工程及び上記反射波の強度の周波数分布を算出する工程を有するドップラー周波数測定工程と、
上記周波数分布のうち上記ダスト中の鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度を抽出する工程と、
上記鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度に応じて炉の運転条件を調整する工程とを備え、
上記鉄系粒子に対応する周波数が、上記マイクロ波の伝播角度をθとし、上記炉で発生し得る鉄系粒子の粒径及び密度並びに排ガスの流速から予測される鉄系粒子の速度のｓｉｎθ成分から推定される反射波の周波数であることを特徴とする製鋼用炉の操業方法。
【請求項２】
上記鉄系粒子に対応する周波数の推定が、
上記ドップラー周波数測定工程と、
上記排ガスに含まれるダストのサンプリングによりダストの粒度分布を調査する工程と、
上記排ガスの流量及び温度の測定値並びに煙道の断面積から排ガスの流速を算出する工程と、
上記ドップラー周波数測定工程で得られる周波数分布のピーク値を、ダストに含まれる粒子の絶対速度のｓｉｎθ成分に換算する工程と、
上記ダストの粒度分布及び排ガスの流速に基づいて、ダストに含まれ得る粒子の種類毎の絶対速度を算出する工程と、
上記粒子の種類毎の絶対速度から、各粒子の種類毎のドップラー効果に寄与する速度成分と伝播角度との関係を導出する工程と、
上記関係を用い、上記周波数分布のピーク値を換算した絶対速度のｓｉｎθ成分と整合する伝播角度を推定する工程と、
上記推定した伝播角度に基づいて、周波数分布における鉄系粒子による反射波の周波数を定める工程と
を有する方法によって行われる請求項１に記載の製鋼用炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鋼用炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材を製造するために、例えば鉄鉱石から銑鉄（溶銑）を取り出す高炉、酸素を吹き込んで銑鉄を鋼（溶鋼）に転換する転炉、鉄スクラップを溶解して溶鋼を得る電気炉、溶鋼の成分を調整する製錬炉等の多様な製鋼用炉が用いられる。なお、狭義には銑鉄を鋼に転換する工程を製鋼と呼び、銑鉄を得る製銑及び溶鋼の成分調整をする製錬と区別することがあるが、本願発明において「製鋼用炉」との用語は、製銑工程や製錬工程に用いる炉を含む概念として使用する。
【０００３】
このような製鋼用炉の操業方法、つまり運転状態を最適化する制御方法としては、煙道に排出される排ガス中のダストの量を監視し、ダスト量と運転状態との相関関係から、酸素供給量等の各種のパラメーターを最適化する方法が提案されている（例えば特開２００７−０７１８２０号公報参照）。
【０００４】
具体的には、上記公報には、炉から煙道に排出される排ガスにマイクロ波を照射して反射波を検出し、排ガス中のダストにより反射された反射波の周波数がドップラー効果によってシフトすることに着目し、反射波強度のドップラー周波数分布の面積を積算することでダスト濃度を算出する方法が記載されている。また、上記公報には、このダスト濃度測定方法により測定したダスト濃度に応じて上吹ランス高さや送酸ガス量（酸素吹き込み量）を制御することが開示されている。
【０００５】
一般的な燃焼炉の排ガス中のダストは、例えばＣａＯ等の灰分の化合物（いわゆる灰）の微粒子が多くを占める。しかしながら、製鋼用炉の排ガス中には、鉄を含む微粒子（鉄系粒子）が比較的多く含まれ、その割合が変化する。製鋼用炉の操業において、排ガス中の鉄系粒子の増加は、製造する鋼の歩留まり低下や、炉口への地金付着に繋がるため、排ガス中のダスト全体ではなく、ダスト中の鉄系粒子の量に応じて運転のパラメーターを調整することで、より生産性を向上できると考えられる。
【０００６】
しかしながら、上記公報に記載されるダスト濃度測定方法では、ダストの総量を把握することはできるが、ダストの種類までを把握することはできない。このため、上記公報に記載されるダスト濃度測定方法を適用しても、鉄系粒子の量に応じて運転条件を調整することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０７１８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記不都合に鑑みて、本発明は、排ガス中の鉄系粒子の量に応じて運転条件を調整できる製鋼用炉の操業方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた発明は、ダストを発生する製鋼用炉の操業方法であって、煙道を流れる排ガスへマイクロ波を照射する工程、排ガス中のダストによる反射波を検出する工程及び上記反射波の強度の周波数分布を算出する工程を有するドップラー周波数測定工程と、上記周波数分布のうち上記ダスト中の鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度を抽出する工程と、上記鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度に応じて炉の運転条件を調整する工程とを備え、上記鉄系粒子に対応する周波数が、上記マイクロ波の伝播角度をθとし、上記炉で発生し得る鉄系粒子の粒径及び密度並びに排ガスの流速から予測される鉄系粒子の速度のｓｉｎθ成分から推定される反射波の周波数であることを特徴とする製鋼用炉の操業方法である。
【００１０】
当該製鋼用炉の操業方法は、煙道を流れる排ガスへのマイクロ波の照射及び反射波の検出により得られるドップラー周波数の強度分布の中で、鉄系粒子の速度のｓｉｎθ成分から推定される反射波の周波数の強度を導出することで、排ガス中の鉄系粒子の量と相関の高い値が得られる。また、当該製鋼用炉の操業方法は、この排ガス中の鉄系粒子の量と相関が高い値に基づいて炉の運転条件を調整するので、歩留まり向上や炉口への地金付着抑制が可能であり、生産性を向上することができる。なお、「伝播角度」とは、排ガスの流れ方向に垂直な方向を基準とするマイクロ波の照射角度を意味する。
【００１１】
上記鉄系粒子に対応する周波数の推定が、上記ドップラー周波数測定工程と、上記排ガスに含まれるダストのサンプリングによりダストの粒度分布を調査する工程と、上記排ガスの流量及び温度の測定値並びに煙道の断面積から排ガスの流速を算出する工程と、上記ドップラー周波数測定工程で得られる周波数分布のピーク値を、ダストに含まれる粒子の絶対速度のｓｉｎθ成分に換算する工程と、上記ダストの粒度分布及び排ガスの流速に基づいて、ダストに含まれ得る粒子の種類毎の絶対速度を算出する工程と、上記粒子の種類毎の絶対速度から、各粒子の種類毎のドップラー効果に寄与する速度成分と伝播角度との関係を導出する工程と、上記関係を用い、上記周波数分布のピーク値を換算した絶対速度のｓｉｎθ成分と整合する伝播角度を推定する工程と、上記推定した伝播角度に基づいて、周波数分布における鉄系粒子による反射波の周波数を定める工程とを有する方法によって行われるとよい。
【００１２】
このように、上記鉄系粒子に対応する周波数の推定が、上記ドップラー周波数測定工程、粒度分布調査工程、排ガス流速算出工程、ｓｉｎθ成分換算工程、絶対速度算出工程、関係導出工程、伝播角度推定工程及び周波数決定工程とを有する方法により行われることによって、粒度分布の各ピークと想定されるダストの種類毎の密度との組み合わせから粒子の種類毎の絶対速度を算出する。このため、ドップラー周波数測定工程で得られる周波数分布のピーク値に対応するダストの種類（材質及び粒度）を推定することができる。従って、このようにして推定される鉄系粒子に対応する周波数の強度に基づいて炉の運転条件を調整することで、より確実に生産性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１３】
このように、本発明の製鋼用炉の操業方法は、排ガス中の鉄系粒子の量に応じて運転条件を調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の製鋼用炉の操業方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】図１の製鋼用炉の操業方法に用いる測定装置の構成を示す模式図である。
【図３】図１の製鋼用炉の操業方法における事前調査の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の製鋼用炉の操業方法の実施例における事前調査で測定したドップラー周波数分布である。
【図５】図４と同じ事前調査で測定したダストの粒度の頻度分布である。
【図６】図５のダストの粒度の積算分布である。
【図７】図４と同じ事前調査で導出した粗粒ダストの速度のｓｉｎθ成分と伝播角度との関係を示す図である。
【図８】図４と同じ事前調査で導出した微粒ダストの速度のｓｉｎθ成分と伝播角度との関係を示す図である。
【図９】本発明の製鋼用炉の操業方法の実施例における鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度と酸素吹き込み量との継時変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の製鋼用炉の操業方法の比較例における鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度と酸素吹き込み量との継時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
【００１６】
［製鋼用炉の操業方法］
図１に、本発明の一実施形態に係る製鋼用炉の操業方法の手順を示す。当該製鋼用炉の操業方法は、ダスト（微粒子）を発生する製鋼用炉の運転条件を適切化できる操業方法である。
【００１７】
当該製鋼用炉の操業方法は、例えば高炉、転炉、電気炉、製錬炉等の多様な製鋼用炉に適用できるが、典型的には、ランスからの酸素吹き込みにより溶銑中の不純物を除去する転炉に適用される。転炉では、反応時のＣＯガス発生やフュームに起因して、鉄系粒子や酸化物等の非鉄系粒子を含むダスト（粉塵）が発生し、排ガスと共に煙道に流出する。
【００１８】
当該製鋼用炉の操業方法は、図２示すように、不図示の製鋼用炉から排ガスを排出するための煙道１に設けたノズル２に配設され、煙道内に一定周波数のマイクロ波を照射し、煙道内を流れる排ガス中のダストによる反射波の強度を検出するドップラー測定装置３を用いる。このような構成において、ドップラー測定装置３から煙道１内のダストに到達し得るマイクロ波の伝播角度θは、ノズル２の長さ及び内径に略依存する。ただし、この伝播角度θは、マイクロ波が複数回反射してドップラー測定装置３により観測される場合もあるため、厳密にはノズル２の幾何学形状により定められる視野角よりも広角となる。なお、図には、後で詳しく説明するダストの絶対速度ｖｓのドップラー効果に寄与する成分（ｖｓ・ｓｉｎθ）を矢印で示している。
【００１９】
当該製鋼用炉の操業方法では、煙道１を流れる排ガス中にマイクロ波を照射したときのダストによる反射波におけるドップラー周波数（照射したマイクロ波の周波数と反射波の周波数との差）の強度分布を測定する工程＜ステップＳ１：ドップラー周波数測定工程＞と、このドップラー周波数分布のうちダスト中の鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度を抽出する工程＜ステップＳ２：強度抽出工程＞と、抽出した鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度に応じて炉の運転条件を調整する工程＜ステップＳ３：運転条件調整工程＞とを備える。
【００２０】
＜ドップラー周波数測定工程＞
ステップＳ１のドップラー周波数測定工程は、煙道を流れる排ガスへマイクロ波を照射する工程と、排ガス中のダストによる反射波を検出する工程と、上記反射波の強度の周波数分布を算出する工程を有する。
【００２１】
＜強度抽出工程＞
ステップＳ２の強度抽出工程では、鉄系粒子に対応する反射波（鉄系粒子がマイクロ波を反射して観測される反射波）として、予め設定される周波数範囲の反射波の強度を抽出する。この強度を抽出する周波数は、マイクロ波の伝播角度をθとし、炉で発生し得る鉄系粒子の粒径及び密度並びに排ガスの流速から予測される鉄系粒子の速度ｖｓのｓｉｎθ成分（ｖｓ・ｓｉｎθ）から推定される反射波の周波数である。
【００２２】
なお、排ガスの流速は、実測値ではなく、炉の通常の運転条件における流速の代表値を用いてもよい。これにより、鉄系粒子に対応する周波数を予め定めておくことができるので、操業時の演算負荷を低減できる。
【００２３】
この強度抽出工程で強度を抽出する鉄系粒子に対応する反射波の周波数の推定は、後述するように、予め製鋼用炉を運転し、その製鋼用炉において排出される鉄系粒子に対応するドップラー周波数を推定する事前調査を通して行われることが好ましい。
【００２４】
また、反射波の強度抽出は、強度分布において、上記鉄系粒子の速度ｖｓのｓｉｎθ成分（ｖｓ・ｓｉｎθ）から推定される反射波の周波数を含む一定の周波数範囲を抽出することが好ましいが、代表的な強度として一定の周波数範囲内のピーク強度（グラフの極大点の強度）を抽出してもよい。
【００２５】
＜運転条件調整工程＞
ステップＳ３の運転条件調整工程では、鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度に応じて、例えば酸素吹錬時の酸素吹き込み量等の製鋼用炉の運転条件を調整する。具体的には、鉄系粒子に対応する周波数の反射波の強度が過度に上昇した場合には、鉄系粒子の生成を抑制するよう、例えば酸素吹き込み量の低減等の調整をするとよい。
【００２６】
＜事前調査＞
上記事前調査は、図３に示すように、製鋼用炉の事前運転において行われ、上記ステップＳ１と同じドップラー周波数測定工程（ステップＳ１１：ドップラー周波数測定工程）と、排ガスに含まれるダストのサンプリングによりダストの粒度分布を調査する工程（ステップＳ１２：粒度分布調査工程）と、排ガスの流量及び温度の測定値並びに煙道の断面積から排ガスの流速を算出する工程（ステップＳ１３：流速算出工程）と、ステップＳ１１のドップラー周波数測定工程で得られる周波数分布のピーク値を、ダストに含まれる粒子の絶対速度のｓｉｎθ成分に換算する工程（ステップＳ１４：ｓｉｎθ成分換算工程）と、ダストの粒度分布及び排ガスの流速に基づいて、ダストに含まれ得る粒子の種類毎の絶対速度を算出する工程（ステップＳ１５：絶対速度算出工程）と、粒子の種類毎の絶対速度から、各粒子の種類毎のドップラー効果に寄与する速度成分と伝播角度θとの関係を導出する工程（ステップＳ１６：関係導出工程）と、ステップＳ１６の関係導出工程で導出した関係を用い、ステップＳ１４のｓｉｎθ成分換算工程で周波数分布のピーク値を換算した絶対速度のｓｉｎθ成分と整合する伝播角度を推定する工程（ステップＳ１７：伝播角度推定工程）と、推定した伝播角度θに基づいて、ステップＳ１１のドップラー周波数測定工程で得た周波数分布における鉄系粒子による反射波の周波数を定める工程（ステップＳ１８：周波数決定工程）とを有するとよい。なお、「事前運転」とは、当該製鋼用炉の操業方法によって運転条件を調整する操業に先立って行う運転を意味し、この事前運転において得られる鋼を製品化するか否かは問わない。
【００２７】
（ドップラー周波数測定工程）
ステップＳ１１のドップラー周波数測定工程では、図１のステップＳ１のドップラー周波数測定工程と同様に、煙道を流れる排ガスへマイクロ波を照射する工程と、排ガス中のダストによる反射波を検出する工程と、上記反射波の強度の周波数分布を算出する工程とを行うことにより、排ガス中のダストによるドップラー周波数の強度分布を得る。
【００２８】
（粒度分布調査工程）
ステップＳ１２の粒度分布調査工程では、排ガス中のダストを採取し、その粒度分布を測定する。ダストの採取方法としては、例えば排ガスの流路に設けられる湿式集塵機の集塵水をサンプリングする方法等が挙げられる。また、ダストの粒度分布を測定方法としては、例えばレーザー回折法を適用することができる。また、ダストの粒度分布は、例えば体積を基準とする度数分布として求めてもよい。
【００２９】
（流速算出工程）
ステップＳ１３の流速算出工程では、排ガス流量及び排ガス温度を測定し、これらの測定値と煙道断面積とから、煙道内の排ガス速度を算出する。上記排ガス流量は、例えば排ガス流路の絞り機構の差圧を検出することや煙道ベンチュリ流量計を配設することにより算出できる。排ガス速度Ｖ［ｍ／ｓ］は、排ガス流量をＱ［Ｎｍ３／ｓ］、排ガス温度Ｔ［℃］、煙道内断面積をＳ［ｍ２］とすると、Ｖ＝Ｑ×（Ｔ＋２７３）／２７３／Ｓで表わすことができる。排ガス速度Ｖの計算に用いる排ガス温度としては、ドップラー周波数測定位置近傍に配設した温度計の検出値を用いるか、ドップラー周波数測定位置の前後に配設した複数の温度計の検出値から推測されるドップラー周波数測定位置における温度を用いることができる。
【００３０】
（ｓｉｎθ成分換算工程）
ステップＳ１４のｓｉｎθ成分換算工程では、ドップラー周波数測定工程で得られるドップラー周波数の強度分布のピーク周波数に対応する粒子の絶対速度のドップラー測定装置に対して垂直な方向の成分（ｓｉｎθ成分）を算出する。
【００３１】
ここで、ドップラー周波数ｆ［Ｈｚ］は、粒子の絶対速度をｖｓ［ｍ／ｓ］とし、照射するマイクロ波の波長をλ［ｍ］とすると、ｆ＝（２ｖｓ・ｓｉｎθ）／λの関係が成り立つ。従って、ドップラー周波数ｆに対応する粒子の絶対速度のｓｉｎθ成分は、ｖｓｓｉｎθ＝ｆ・λ／２で表わすことができる。
【００３２】
（絶対速度算出工程）
ステップＳ１５の絶対速度算出工程では、粒度分布調査工程で測定した粒度分布のピークに対応する粒子の絶対速度ｖｓを、その粒子の材質を製鋼用炉から排出される可能性が高く、かつ比較的密度が大きい鉄系粒子と、比較的密度が小さい非鉄系粒子（例えばＣａＯ、ＳｉＯ２等）と仮定してそれぞれ算出する。
【００３３】
具体的には、粒度分布のピークに対応する粒度（直径）を有し、想定される材質からなる粒子が、静止している排ガス中で重力落下した場合の終端速度を算出し、排ガスの速度から減算することによって、想定される粒子の絶対速度ｖｓを算出する。
【００３４】
粒子の排ガス中での終端速度は、粒度分布のピークに対応する粒子の粒度と、粒子として想定される材質の密度とを用いて、それぞれ算出される。より詳しくは、粒子の終端速度ｕｓ［ｍ／ｓ］は、粒子の直径をｄ［ｍ］、粒子の密度をρｓ［ｋｇ／ｍ３］、排ガスの密度をρｆ［ｋｇ／ｍ３］、排ガスの粘性係数をμｆ［Ｐａ・ｓ］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ２］、レイノルズ数をＲｅ［無次元数］として、次式で表わすことができる。
【００３５】
【数１】
2017102040.tif 000003
【００３６】
上記鉄系粒子としては、例えば金属鉄（Ｆｅ）、酸化鉄（ＦｅＯ）等が挙げられ、粒子密度を７０００ｋｇ／ｍ３と仮定する。
【００３７】
一方、上記非鉄系粒子としては、例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等が挙げられ、密度を３０００ｋｇ／ｍ３と仮定する。
【００３８】
（関係導出工程）
ステップＳ１６の関係導出工程では、絶対速度算出工程で算出した粒子の種類（直径及び材質）毎の絶対速度から、各粒子の伝播角度θとドップラー効果に寄与する速度成分との関係を、例えばグラフに図示することによって特定する。
【００３９】
（伝播角度推定工程）
ステップＳ１７の伝播角度推定工程では、関係導出工程で特定した各粒子の伝播角度θとドップラー効果に寄与する速度成分との関係において、ｓｉｎθ成分換算工程で算出したドップラー周波数の強度分布のピーク周波数に対応する粒子の絶対速度のｓｉｎθ成分と整合する伝播角度θを推定する。具体的には、関係導出工程で作成したグラフ上に、ｓｉｎθ成分換算工程で強度分布のピーク周波数毎に算出した絶対速度のｓｉｎθ成分の値を直線で図示し、各グラフとの交点が得られる伝播角度θを特定する。
【００４０】
（周波数決定工程）
ステップＳ１８の周波数決定工程では、上記伝播角度推定工程で推定した伝播角度θに基づいて、ドップラー周波数測定工程で得られた強度分布のピーク周波数の中で、鉄系粒子の反射によって得られたものと考えられるピークを特定する。
【００４１】
このように、鉄系粒子に対応する周波数の推定を、図３に示すように、ドップラー周波数測定工程と、上記粒度分布調査工程と、上記流速算出工程と、上記ｓｉｎθ成分換算工程と、上記絶対速度算出工程と、上記関係導出工程と、上記伝播角度推定工程と、上記周波数決定工程とを有する事前調査によって行うことによって、より正確に鉄系粒子に対応する周波数を推定することができる。
【００４２】
＜利点＞
上述のように、当該製鋼用炉の操業方法は、ステップＳ２の強度抽出工程において、ステップＳ１のドップラー周波数測定工程で測定したドップラー周波数の強度分布の中から、推定される鉄系粒子の速度のｓｉｎθ成分に対応する強度を抽出するので、排ガス中の鉄系粒子の量と相関の高い値が得られる。また、当該製鋼用炉の操業方法は、ステップＳ３の運転条件調整工程において、ステップＳ２の強度抽出工程で抽出した強度に基づいて炉の運転条件を調整するので、排ガス中の鉄系粒子の望ましくない上昇を抑制することができ、留まり向上や炉口への地金付着抑制によって生産性を向上することができる。
【００４３】
［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
【００４４】
当該製鋼用炉の操業方法の各工程は、その工程で得られる結果を利用する工程に先んじて行う限り、それらの順番は任意に変更できる。
【００４５】
当該製鋼用炉の操業方法において、鉄系粒子に対応する周波数の推定は、上述の事前調査と異なる方法で、例えば経験的に行ってもよく、他の製鋼用炉のデータに基づいて行ってもよい。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００４７】
当該製鋼用炉の操業方法を、転炉における脱炭及び脱りん処理のための酸素吹錬工程に適用し、その効果を確認した。
【００４８】
＜事前調査＞
先ず、転炉で実際の酸素吹錬時に、上述の事前調整を行った。転炉としては、主としてＭｇＯ−Ｃ製の耐火物から形成される炉壁を有し、標準容量が２５０ｔｏｎのものを用いた。
【００４９】
具体的には、溶銑装入量を２５０ｔ以上２７０ｔ以下とした。吹錬前の溶銑としては、Ｃ濃度が約４質量％、Ｐ濃度が０．０１質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉ濃度が０．０１質量％以上０．６質量％以下のものを用いた。また、溶銑中のスクラップ配合量は４０ｔ以下とした。
【００５０】
この脱炭及び脱りん処理では、溶銑に脱りん剤（ＣａＯ源）、昇熱剤、塩基度調整剤、耐火物保護材、及び温度調整剤兼鉄源を投入し、転炉の上部から酸素を吹き込むことにより、溶銑中の炭素及びりんを除去した。
【００５１】
脱りん剤としては焼石灰を用いた。昇熱剤としてはＦｅ−Ｓｉ合金を用いた。塩基度調整剤としては硅石を用いた。耐火物保護剤としては軽焼ドロマイトを用いた。温度調整剤兼鉄源としてはミルスケール及び鉄鋼石を用いた。
【００５２】
この転炉に酸素を吹き込むための上吹きランスとしては、ノズル口径が５５ｍｍ、ノズル傾斜角度が１５°、ノズル数が６つであるものを使用した。この上吹きランスによる上吹き条件としては、ランス高さを３．０ｍ以上３．２ｍ以下とし、溶銑の単位質量当たりの吹込酸素流量を２．２Ｎｍ３／ｍｉｎ／ｔ以上２．８Ｎｍ３／ｍｉｎ／ｔ以下とした。
【００５３】
また、溶銑を撹拌するために転炉の底部から撹拌用ガスとして、Ｎ２、Ａｒ又はＣＯを、流量６Ｎｍ３／ｍｉｎ以上１５Ｎｍ３／ｍｉｎ以下（溶銑の単位質量当たりに換算して０．０２Ｎｍ３／ｍｉｎ／ｔ以上０．０６Ｎｍ３／ｍｉｎ／ｔ以下）で吹き込んだ。
【００５４】
吹錬後の溶銑のＣ濃度としては、０％超１質量％以下とした。また、吹錬後の溶銑のＰ濃度としては、０．００４質量％以上０．０２５質量％以下とした。
【００５５】
（ドップラー周波数測定工程）
ドップラー周波数測定工程では、排ガス中のダストによる反射波のドップラー周波数分布を測定するためのドップラー測定装置として、排ガスに照射するマイクロ波の周波数が２４．５ＧＨｚであるものを使用した。ドップラー測定装置は、煙道に配設したＪＩＳ−Ｂ２２２０（２０１２）の呼び圧力１０Ｋ、呼び径４０Ａの配管用鋼管からなるノズルの先端に管用フランジを用いて取り付けた。
【００５６】
反射波のドップラー周波数分布は、ドップラー測定装置として、エース技研社のマイクロ波粉塵濃度計を使用し、その検出信号をパーソナルコンピューターに取り込んで、ソフトウェア処理することによって周波数５０Ｈｚ毎の積分値の度数分布を得た。
【００５７】
図４に、得られた反射波の強度のドップラー周波数毎の分布を示す。図示するように、得られたドップラー周波数分布は、２００Ｈｚ、５００Ｈｚ、７００Ｈｚ及び１０５０Ｈｚに反射波の強度のピークを有していた。
【００５８】
（流速算出工程）
上記転炉における酸素吹錬時に、排ガス流量を測定し、ドップラー測定装置の配設位置における排ガス温度を推測し、排ガスの流速を算出した。具体的には、測定された排ガス流量は、２０Ｎｍ３／ｓであり、ドップラー測定装置の配設位置における温度を１０００℃と推定した。この結果、ドップラー測定装置の配設位置における排ガスの流速は、１０．４ｍ／ｓと算出された。
【００５９】
（粒度分布調査工程）
酸素吹錬終了後に、上記酸素吹錬により排出された排ガスと接触し、排ガス中のダストを取り込んだ集塵水を濃縮した集塵水シックナーをサンプリングし、排ガスに含まれるダストの粒度分布を調査した。つまり、採取したサンプルは、酸素吹錬開始から終了までの間に排出されたダスト全体を平均化したものである。
【００６０】
なお、使用した転炉は、排ガスが二段階で集塵水と接触してダストが除去されるようになっており、一段目の集塵設備の集塵水は比較的粒子径の大きい粒子を取り込み、二段目の集塵設備の集塵水は比較的粒子径の小さい粒子を取り込む。ここでは、一段目の集塵設備の集塵水が捕捉したダストを粗粒ダスト、二段目の集塵設備の集塵水が捕捉したダストを微粒ダストと呼ぶ。
【００６１】
上記粗粒ダスト及び微粒ダストの粒度分布を島津製作所社のレーザ回折式粒子径分布測定装置「ＳＡＬＤ−３０００Ｓ」によって測定した。図５及び図６に、粗粒ダスト及び微粒ダストの体積基準での粒度の頻度分布及び積算分布を示す。
【００６２】
この粒度の積算分布から、粗粒ダストは、１０体積％粒子径が８０μｍ、５０体積％粒子径が２００μｍ、９０％体積粒子径が３５０μｍと見積もった。一方、微粒ダストは、１０体積％粒子径が１．５μｍ、５０体積％粒子径が３μｍ、９０体積％粒子径が１０μｍと見積もった。
【００６３】
（絶対速度算出工程）
先ず、上記粒度分布調査工程で見積もった粒子径の各粒子について、鉄系粒子の一種である鉄粒子（密度７０００ｋｇ／ｍ３）である場合と、非鉄系粒子の一種である酸化カルシウム粒子（密度３０００ｋｇ／ｍ３）である場合とに分けて、それぞれ静止している排ガス中での自由落下による終端速度を算出した。
【００６４】
この結果、粗粒ダストの終端速度は、鉄系粒子であると仮定した場合には、粒子径８０μｍで０．４８ｍ／ｓ、粒子径２００μｍで２．０１ｍ／ｓ、粒子径３５０μｍで３．５２ｍ／ｓであった。一方、粗粒ダストの終端速度は、非鉄系粒子であると仮定した場合には、粒子径８０μｍで０．２１ｍ／ｓ、粒子径２００μｍで１．１４ｍ／ｓ、粒子径３５０μｍで２．００ｍ／ｓであった。また、微粒ダストの終端速度は、鉄系粒子及び非鉄系粒子のいずれの場合でも０．００ｍ／ｓであった。さらに、粗粒鉄系ダストとして、粒子径７５０μｍのものについても終端速度を算出したところ、７．５５ｍ／ｓであった。
【００６５】
これらの終端速度を、上記流速算出工程で算出した排ガスの流速から減じることによって、各粒子の絶対速度を算出した。この結果、鉄系粗粒ダストの各粒子の絶対速度は、粒子径８０μｍで９．８８ｍ／ｓ、粒子径２００μｍで８．３５ｍ／ｓ、粒子径３５０μｍで６．８４ｍ／ｓ、粒子径０．７５ｍｍで２．８１ｍ／ｓであると算出された。また、非鉄系粗粒ダストの各粒子の絶対速度は、粒子径８０μｍで１０．１５ｍ／ｓ、粒子径２００μｍで９．２２ｍ／ｓ、粒子径３５０μｍで８．３６ｍ／ｓ、粒子径０．７５ｍｍで６．０７ｍ／ｓであると算出された。一方、鉄系及び非鉄系の微粒ダストの各粒子の絶対速度は、いずれも１０．３６ｍ／ｓであると算出された。
【００６６】
（関係導出工程）
絶対速度算出工程で算出した各粒子の速度のドップラー効果に寄与する成分（ｓｉｎθ成分）を、マイクロ波の伝播角度θを０°から９０°まで変化させた場合についてそれぞれ算出した。図７に、鉄系粗粒ダストのドップラー効果に寄与する速度成分と伝播角度との関係を粒子径毎に示し、図８に、非鉄系粗粒ダストのドップラー効果に寄与する速度成分と伝播角度との関係を代表して粒子径３５０μｍについて示し、加えて、絶対速度が略等しい非鉄系の粗粒ダスト並びに鉄系及び非鉄系の微粒ダストのドップラー効果に寄与する速度成分と伝播角度との関係を示す。
【００６７】
（ｓｉｎθ成分換算工程）
ドップラー周波数測定工程で得られた反射波のピーク周波数である２００Ｈｚ、５００Ｈｚ、７００Ｈｚ及び１０５０Ｈｚを、それぞれ粒子の絶対速度のｓｉｎθ成分に換算し、これらの換算値を示すラインを図７及び図８に書き加えた。
【００６８】
（伝播角度推定工程）
図７及び図８において、関係導出工程でグラフ化した各粒子の速度成分を示す線とｓｉｎθ成分換算工程で書き加えた換算値を示すラインとが交差する点を確認し、伝播角度θが図における網掛け領域であると推定した。なお、今回の装置構成では、ドップラー測定装置に近づく粒子と遠ざかる粒子とが存在する、つまり粒子の位置によってドップラー効果が異なるため、同一種類同一径の粒子により、２つのピーク周波数が観測される。
【００６９】
具体的には、図７において、粗粒ダスト（８０〜３５０μｍ）は、伝播角度約３０°の場合がドップラー周波数５００Ｈｚ又は７００Ｈｚに対応し、伝播角度約４０°の場合がドップラー周波数７００Ｈｚ又は１０５０Ｈｚに対応すると判断される。つまり、この実施形態における伝播角度θの値は、３０°及び４０°であると推定される。ドップラー周波数の分布には、さらに２００Ｈｚのピークが存在するが、集塵水を採取した集塵設備よりも上流側の煙道では比較的大きい鉄系粒子が確認されることから、この２００Ｈｚのピークは、粒子径７５０μｍの鉄系粒子に対応すると考えられる。また、図８において、伝播角度３０°の場合がドップラー周波数７００Ｈｚに対応し、伝播角４０°の場合がドップラー周波数１０５０Ｈｚに対応すると判断される。従って、ドップラー周波数２００Ｈｚ及び５００Ｈｚの反射波が、鉄系粒子のみによるもので、非鉄系粒子の影響を受けないものであると考えて差し支えがないものと判断される。
【００７０】
（周波数決定工程）
伝播角度推定工程で推定したドップラー伝播角度θを基に、反射波のドップラー周波数分布の中で、炉の運転条件を調整するために参照する周波数範囲を決定した。具体的には、ドップラー周波数５０Ｈｚ以６００Ｈｚ以下の反射波を鉄系粒子に対応するものとして、炉の運転条件を調整して酸素吹錬を行った。なお、ドップラー周波数５０Ｈｚの反射波は、粒子が排出されない場合にも装置の振動により検出されることが実測により確認されたため除外した。つまり、設備振動が５０Ｈｚ以下であったため、ドップラー周波数５０Ｈｚ以下の反射波は、排ガス中のダストに依存するものではないと判断した。
【００７１】
＜操業＞
本発明の製鋼用炉の操業方法の実施例として、上記転炉を用いて酸素吹錬を行う間、上記鉄系粒子に対応する周波数範囲の反射波の強度の積算値（度数分布のグラフ面積）に基づいて酸素吹き込み量を変更する操業を行った。一方、製鋼用炉の操業方法の比較例として、上記実施例と同じ条件で酸素吹錬を行う間、ドップラー周波数分布の全周波数範囲の反射波の強度の積算値に基づいて酸素吹き込み量を変更する操業を行った。なお、ダスト発生時に酸素吹き込み量を低減する操業方法は、従来から行われているものであるため、酸素吹き込み量の調整による作用の詳細な説明は省略する。
【００７２】
図９に、上記実施例における鉄系ダストに対応する反射波強度の積算値と酸素吹き込み量との変化を示す。また、図１０に、上記比較例における全周波数の反射波強度の積算値と酸素吹き込み量との変化に加え、参考のために実施例と同様の鉄系ダストに対応する反射波強度の積算値の変化を示す。
【００７３】
一般論として、例えば図１０にも示されているように、運転条件（酸素吹き込み量）を一定に保っていても、ダストの総排出量は、酸素吹錬開始直後に高い値を示すが、精錬工程の終了直前までは徐々に低下する。一方、鉄系ダストの排出量は、酸素吹錬開始直後に上昇してから徐々に低下するが、酸素吹錬開始後４００秒から５００秒の間に再び上昇する傾向を示す。これに対して、図９に示す操業方法の実施例では、この鉄系粒子の増加傾向を検出して酸素吹き込み量を低減することにより、鉄系粒子の増加を抑制することができたが、図１０に示す操業方法の比較例では、この鉄系粒子の増加を抑制することができなかった。
【００７４】
このように、本発明に係る製鋼用炉の操業方法は、排ガス中の鉄系粒子を効果的に抑制することができ、歩留まり向上や炉口への地金付着抑制によって製鋼を効率化できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の製鋼用炉の操業方法は、ダストを発生する製鋼用炉全般に適用可能であるが、特に転炉の操業に好適に適用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１  煙道
２  ノズル
３  ドップラー測定装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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