転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法
【課題】 転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法を提供する。
【解決手段】 転炉操業支援システムは、銅製錬において転炉の造銅期における転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出部、を備える。転炉操業支援方法は、銅製錬において転炉の造銅期における転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出ステップ、を含む。
【解決手段】 転炉操業支援システムは、銅製錬において転炉の造銅期における転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出部、を備える。転炉操業支援方法は、銅製錬において転炉の造銅期における転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出ステップ、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な銅製錬においては、自溶炉において銅精鉱から溶融マットが生成され、転炉において溶融マットから粗銅が生成される。転炉に収容された溶融マットに対する吹精において、炉体に設けられた複数の羽口から空気、酸素富化空気等の酸素含有ガスが溶融マットに対して吹き込まれる。造銅期においては、造カン期において生成された白カワから粗銅が生成される。
【０００３】
造銅期においては、羽口から吹き込まれる酸素含有ガスの酸素による酸化反応が進行するため、酸化熱によって炉内の温度が上昇する。炉内の過度の温度上昇を抑制するために、必要に応じて冷材が炉内に投入される。ここで、冷材とは、アノードスクラップ等の金属体、凝固物（いわゆる固ひ）等のことをいう。炉内の温度を一定に保つために、炉内の温度に応じて冷材を投入する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６３０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、冷材投入量が少ないと炉内の温度が低下せず、冷材投入量が多いと温度が急激に低下するおそれがある。炉内の湯温が上がりすぎると、湯面カラミ溶解に起因して、炉内溶体中のガス排出が不良となり、溶体中に残留する泡状のガス量が増加する。そのため、湯面が上昇し、炉外に溶体が流出する、いわゆるフォーミングが発生するおそれがある。一方、炉内の湯温が下がりすぎると、羽口先端鋳付き発達・炉内溶体粘度上昇に起因して、羽口への送風圧力が上がるため、送風量が低下し、転炉の性能効率が低下する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る転炉操業支援システムは、銅製錬において転炉の造銅期における前記転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出部、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る転炉操業支援システムにおいては、算出部によって算出された冷材投入量または冷材投入時期に従って冷材を転炉に投入することによって、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【０００８】
本発明に係る転炉操業支援方法は、銅製錬において転炉の造銅期における転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る転炉操業支援方法においては、算出ステップにおいて算出された冷材投入量または冷材投入時期に従って冷材を転炉に投入することによって、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【０００９】
発熱パラメータは、転炉内の白カワの酸化熱量とすることができる。白カワ中Ｃｕ品位に基づいて白カワの酸化熱量を補正してもよい。排熱パラメータは、少なくとも、転炉から排出される窒素ガスおよび二酸化硫黄ガスの顕熱量を含んでいてもよい。排熱パラメータは、転炉内に投入される冷材が吸収する熱量を含んでいてもよい。排熱パラメータは、転炉からの放散熱量を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る転炉操業用の支援システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】計算された炉内保有熱を示す図である。
【図３】制御部によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【図４】転炉内に供給されるガス中の酸素濃度と炉内保有熱係数との関係を示す図である。
【図５】算出された冷材投入量と、転炉内の温度が１２００℃に保たれるように投入した冷材量と、の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る転炉操業用の支援システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、支援システム１００は、転炉１０にエアを供給するエア供給部２０、転炉１０に酸素富化エアを供給する酸素供給部３０、冷材投入時期または冷材投入量を表示する表示部４０、冷材投入量および冷材投入時期を入力するための入力部５０、転炉１０に冷材を投入する冷材投入部６０、および各部を制御する制御部７０を備える。
【００１４】
転炉１０には、自溶炉で生成されたマットが収容される。図１においては、造銅期における白カワ（Ｃｕ２Ｓ）が記載されている。エア供給部２０は、制御部７０の指示に従って、転炉１０内にエアを供給する。酸素供給部３０は、制御部７０の指示に従って、転炉１０内に酸素富化エアを供給する。したがって、転炉１０には、エアと酸素富化エアとからなり酸素を含有する混合ガスが供給される。転炉１０内に酸素が供給されることによって、下記式（１）に従って白カワが酸化する。
【００１５】
Ｃｕ２Ｓ ＋ Ｏ２ → ２Ｃｕ ＋ ＳＯ２↑ （１）
上記式（１）の反応は、発熱反応である。したがって、上記式（１）の反応の進行に伴って転炉１０内の温度が上昇する。なお、白カワに供給されるＯ２が上記式（１）の反応で全て消費されれば、白カワに供給されるＯ２のモル量と発生するＳＯ２のモル量とは同一になる。
【００１６】
制御部７０は、転炉１０内の発熱量（入熱量）のパラメータ（発熱パラメータ）と、転炉１０から外部に排出される排熱量（出熱量）のパラメータ（排熱パラメータ）と、に基づいて、転炉１０内に投入する冷材の必要量および冷材の投入時期を算出する。なお、制御部７０は、転炉１０内への冷材投入量および冷材投入時期のいずれか一方が固定されている場合には、他方だけを算出してもよい。
【００１７】
制御部７０は、算出された投入量および投入時期で冷材が投入されるように、冷材投入部６０を制御する。この場合、転炉１０内の急激な温度低下および転炉１０内の過度な温度上昇を抑制することができる。それにより、転炉１０内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【００１８】
なお、制御部７０は、算出された冷材投入量および冷材投入時期が表示されるように、表示部４０を制御してもよい。ユーザは、表示部４０に表示された情報を参考に入力部５０に冷材投入量および冷材投入時期を入力してもよい。この場合、制御部７０は、入力部５０に入力された冷材投入量および冷材投入時期で冷材が投入されるように、冷材投入部６０を制御してもよい。
【００１９】
以下、発熱パラメータおよび排熱パラメータの詳細について説明する。発熱パラメータは、主として上記式（１）の発熱量を含む。排熱パラメータは、主として転炉１０から排出されるＮ２排ガスの顕熱、および、転炉１０において生成されて排出されるＳＯ２排ガスの顕熱を含む。さらに、排熱パラメータは、投入された冷材に与えられる熱量、転炉１０からの放散熱量等を含んでいてもよい。
【００２０】
一例として、造銅期における転炉１０内の温度を１２００℃としかつ転炉１０内に投入される冷材の温度を２５℃とする場合の発熱パラメータおよび排熱パラメータの詳細について説明する。なお、銅の融点は、１０８３．６℃とする。
【００２１】
上記式（１）において、Ｃｕ２Ｓの生成熱が１９，０００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌであり、ＳＯ２の生成熱が７０，９４０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌであるとする。この場合、上記式（１）の反応熱ΔＨは、下記式（２）のように表わされる。なお、「Ｎｍ３＿Ｏ２」は、酸素流量１Ｎｍ３あたりの値であることを意味している。
ΔＨ＝７０，９４０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ−１９，０００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ
＝５１，９４０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ／２２．４Ｎｍ３＿Ｏ２
＝２，３１８．９ｋｃａｌ／Ｎｍ３＿Ｏ２ （２）
【００２２】
Ｎ２ガスの比熱がＣｍ＿Ｎ２（ｋｃａｌ／（Ｎｍ３・℃））＝０．３０２＋０．００００２２Ｔであるとする。この場合、Ｎ２排ガスの顕熱ΔＨ＿Ｎ２は、下記式（３）のように表わされる。なお、転炉１０内に吹き込まれるＮ２の温度を０℃とし、転炉１０から排出されるＮ２の温度を１２００℃とする。
ΔＨ＿Ｎ２＝∫Ｃｍ＿Ｎ２ｄＴ
＝３７８．２ｋｃａｌ／Ｎｍ３＿Ｎ２ （３）
【００２３】
ＳＯ２ガスの比熱がＣｍ＿ＳＯ２（ｋｃａｌ／（Ｎｍ３・℃））＝０．４０６＋０．００００９０Ｔであるとする。この場合、ＳＯ２排ガスの顕熱ΔＨ＿ＳＯ２は、下記式（４）のように表わされる。なお、転炉１０内で生成されるＳＯ２の温度を０℃とし、転炉１０から排出されるＳＯ２の温度を１２００℃とする。
ΔＨ＿ＳＯ２＝∫Ｃｍ＿ＳＯ２ｄＴ
＝５５２．０ｋｃａｌ／Ｎｍ３＿Ｏ２ （４）
【００２４】
冷材（Ｃｕ）の２５℃における比熱をＣｐ（２５℃）＿Ｃｕ（ｓ）＝９．７８ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）とし、融点における比熱をＣｐ（融点）＿Ｃｕ（ｓ）＝７．８５ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）とする。この場合、冷材が２５℃から融点までに吸収する熱量ΔＱ＿Ｃｕ（ｓ）は、下記式（５）のように表わされる。
ΔＱ＿Ｃｕ（ｓ）＝Ｃｐ（融点）＿Ｃｕ（ｓ）×（１０８３．６＋２７３
）−Ｃｐ（２５℃）＿Ｃｕ（ｓ）×（２５＋２７３）
＝１４０．２ｋｃａｌ／ｋｇ＿Ｃｕ（ｓ） （５）
【００２５】
冷材（Ｃｕ）の融解熱は、下記式（６）のように表わされるとする。
融解熱＝３，１５２ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ
＝４９．６ｋｃａｌ／ｋｇ＿Ｃｕ （６）
【００２６】
冷材（Ｃｕ）の融点から１２００℃までの比熱Ｃｐは、７．５０４ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）とする。この場合、冷材（Ｃｕ）が融点から１２００℃までに吸収する熱量ΔＱ＿Ｃｕ（ｌ）は、下記式（７）のように表わされる。
ΔＱ＿Ｃｕ（ｌ）＝７．５０４×（１２００−１０８３．６）
＝１３．７ｋｃａｌ／ｋｇ＿Ｃｕ （７）
【００２７】
以上のことから、冷材（９９．３ｗｔ％Ｃｕ）が１ｔあたりに転炉１０内において吸収する熱量ＱＣｕは、下記式（８）のように表わされる。
ＱＣｕ＝（１４０．２＋４９．６＋１３．７）×１０００×９９．３
＝２０３．５Ｍｃａｌ／ｔ＿Ｃｕ （８）
【００２８】
表１に、発熱パラメータおよび排熱パラメータに加えて、エア供給部２０から供給されるエア量、酸素供給部３０から供給される酸素富化エア量、エア供給部２０からのエア中の酸素濃度、および酸素供給部３０から供給される酸素富化エア中の酸素濃度の一例を示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１の条件においては、転炉１０内に供給されるエアおよび酸素富化エアの混合ガス中の酸素濃度は、下記式（９）のように計算される。
酸素濃度＝（（エア量×エア中酸素濃度）＋（酸素富化エア量×酸素富化エア中酸素濃度））／（エア量＋酸素富化エア量）
＝２３．０％ （９）
【００３１】
また、転炉１０への入熱量Ｑｉｎは、下記式（１０）のように計算される。
Ｑｉｎ＝式（１）の反応熱ΔＨ×（エア量＋酸素富化エア量）×酸素濃度
＝３４１．３Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１０）
【００３２】
転炉１０からのＮ２排ガスの顕熱量ＱＮ２は、下記式（１１）のように計算される。
ＱＮ２＝ΔＨ＿Ｎ２×（エア量＋酸素富化エア量）×（１００−酸素濃度）
＝１８６．４Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１１）
【００３３】
転炉１０からのＳＯ２排ガスの顕熱量ＱＳＯ２は、下記式（１２）のように計算される。
ＱＳＯ２＝ΔＨ＿ＳＯ２×（エア量＋酸素富化エア量）×酸素濃度
＝８１．３Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１２）
【００３４】
以上のことから、転炉１０内に蓄積される炉内保有熱率ＱＣは、下記式（１３）のように計算される。
ＱＣ＝Ｑｉｎ−ＱＮ２−ＱＳＯ２−放散熱
＝６５．６Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１３）
【００３５】
以上の結果を、表２に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
次に、エア供給部２０および酸素供給部３０から転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素濃度と上記炉内保有熱率ＱＣと間の係数（以下、炉内保有熱係数）を計算した。表３および図２にその結果を示す。図２に示すように、転炉１０内に供給される混合ガス中酸素濃度と炉内保有熱係数との間に比例関係が得られた。制御部７０は、この結果に基づいて、冷材の必要投入量および冷材の投入時期が表示されるように、表示部４０を制御する。
【００３８】
【表３】
【００３９】
図３は、制御部７０によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。図３に示すように、制御部７０は、転炉１０に供給されるエア量および酸素富化エア量を取得する（ステップＳ１）。次に、制御部７０は、転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素量を算出する（ステップＳ２）。次いで、制御部７０は、転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素濃度を算出する（ステップＳ３）。
【００４０】
次に、制御部７０は、上記式（１３）に従って、炉内保有熱率ＱＣを算出する（ステップＳ４）。次に、制御部７０は、前回のフローチャート実行時から今回のフローチャート実行時までの炉内保有熱変化量ΔＱを下記式（１４）に従って、算出する（ステップＳ５）。
ΔＱ ＝ （炉内保有熱率ＱＣ）×（前回実行時から今回実行時までの酸素供給量） （１４）
【００４１】
次に、制御部７０は、前回のフローチャート実行時までに積算された炉内保有熱量ＱにステップＳ５で算出したΔＱを足し合わせ、現時点での積算炉内保有熱量Ｑとする（ステップＳ６）。次いで、制御部７０は、下記式（１５）に従って、計算冷材量を算出する（ステップＳ７）。なお、ＱＣｕは、上記式（８）で求めた冷材１ｔあたりの吸熱量である。
計算冷材量（ｔ） ＝ Ｑ／ＱＣｕ （１５）
【００４２】
次に、制御部７０は、計算冷材量と現時点までに投入された冷材投入量との差から必要冷材量を算出する（ステップＳ８）。次いで、制御部７０は、必要冷材量、計算冷材量の累計、および、冷材投入量の累計が表示されるように、表示部４０を制御する（ステップＳ９）。次に、制御部７０は、ユーザによって入力部５０に入力された冷材投入タイミングを取得する（ステップＳ１０）。次いで、制御部７０は、ステップＳ９で入力されたタイミングで、ステップＳ８で算出された量の冷材が転炉１０内に投入されるように、冷材投入部６０を制御する（ステップＳ１１）。その後、制御部７０は、所定時間後（例えば１０秒後）にステップＳ１を再度実行する。
【００４３】
図３のフローチャートによれば、転炉１０への冷材投入量が適切に算出される。したがって、転炉１０内の温度を所望の範囲に制御することができる。また、転炉１０に吹き込まれるガス中の酸素量と酸素濃度とから冷材投入量および／または冷材投入時期を簡便に取得することができる。なお、図３のフローチャートでは、冷材の投入量はステップＳ８で算出された量となるが、それに限られない。例えば、必要冷材量が表示部４０に表示された場合に、それを参考にユーザが冷材投入量を決定してもよい。また、図３のフローチャートではユーザによって冷材投入タイミングが入力されるが、制御部７０が決定してもよい。
【００４４】
さらに、図３のフローチャートでは表示部４０に冷材量が表示されるが、それに限られない。例えば、冷材投入部６０が冷材を少量ずつ連続的に投入するための装置を置くスペースがなく、一度に投入するなど、冷材量が固定されている場合には、制御部７０は、冷材投入タイミングを算出することによって、転炉１０内の温度を所望の範囲に制御可能な冷材投入量をユーザに提示することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては転炉１０に供給される混合ガス中の酸素濃度をパラメータとして用いている。エア量と酸素富化ガス量との組合せで酸素濃度が決まるからである。上記各式から導かれるように、炉内保有熱は、主として転炉１０に供給される酸素量に応じて決定される。したがって、転炉１０に供給される混合ガス中の酸素量をパラメータとして炉内保有熱係数を算出してもよい。
【００４６】
また、白カワ中Ｃｕ品位が高くなると、白カワ中のＣｕ２Ｓの活量が低下する。それにより、上記式（１）の反応熱量が減少する。したがって、制御部７０は、転炉１０の白カワ中Ｃｕ品位に応じて上記式（１）の発熱量を補正してもよい。
【００４７】
また、白カワ中Ｃｕ品位の上昇に伴って上記式（１）の反応熱量が低下すると、図２で求めた関係式の傾きが小さくなる。制御部４０は、この因果関係を図２の関係式に反映させてもよい。
【実施例】
【００４８】
転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素濃度と炉内保有熱係数との関係を調べた。実施例においては、転炉１０内の温度を１２００℃に維持し、酸素供給部３０から転炉１０に供給される酸素ガス中の濃度を９０％とした。また、冷材として、９９．３ｗｔ％銅を用いた。図４に結果を示す。図４に示すように、一次回帰によって求めた回帰線は、図２の結果とほぼ同等となった。したがって、上記実施形態の算出手順で転炉１０内の炉内保有熱係数が得られることが確認された。
【００４９】
図５は、上記実施形態に従って算出された冷材投入量と、転炉１０内の温度が１２００℃に保たれるように投入した冷材量と、の関係を示す図である。図５に示すように、両者はほぼ一致した。したがって、上記実施形態に従って算出された冷材投入量または冷材投入時期に応じて冷材を投入することによって、転炉１０を常時監視していなくても転炉１０内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 転炉
２０ エア供給部
３０ 酸素供給部
４０ 表示部
５０ 入力部
６０ 冷材投入部
７０ 制御部
１００ 支援装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な銅製錬においては、自溶炉において銅精鉱から溶融マットが生成され、転炉において溶融マットから粗銅が生成される。転炉に収容された溶融マットに対する吹精において、炉体に設けられた複数の羽口から空気、酸素富化空気等の酸素含有ガスが溶融マットに対して吹き込まれる。造銅期においては、造カン期において生成された白カワから粗銅が生成される。
【０００３】
造銅期においては、羽口から吹き込まれる酸素含有ガスの酸素による酸化反応が進行するため、酸化熱によって炉内の温度が上昇する。炉内の過度の温度上昇を抑制するために、必要に応じて冷材が炉内に投入される。ここで、冷材とは、アノードスクラップ等の金属体、凝固物（いわゆる固ひ）等のことをいう。炉内の温度を一定に保つために、炉内の温度に応じて冷材を投入する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６３０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、冷材投入量が少ないと炉内の温度が低下せず、冷材投入量が多いと温度が急激に低下するおそれがある。炉内の湯温が上がりすぎると、湯面カラミ溶解に起因して、炉内溶体中のガス排出が不良となり、溶体中に残留する泡状のガス量が増加する。そのため、湯面が上昇し、炉外に溶体が流出する、いわゆるフォーミングが発生するおそれがある。一方、炉内の湯温が下がりすぎると、羽口先端鋳付き発達・炉内溶体粘度上昇に起因して、羽口への送風圧力が上がるため、送風量が低下し、転炉の性能効率が低下する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る転炉操業支援システムは、銅製錬において転炉の造銅期における前記転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出部、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る転炉操業支援システムにおいては、算出部によって算出された冷材投入量または冷材投入時期に従って冷材を転炉に投入することによって、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【０００８】
本発明に係る転炉操業支援方法は、銅製錬において転炉の造銅期における転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて転炉内に投入する冷材の必要量または転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る転炉操業支援方法においては、算出ステップにおいて算出された冷材投入量または冷材投入時期に従って冷材を転炉に投入することによって、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【０００９】
発熱パラメータは、転炉内の白カワの酸化熱量とすることができる。白カワ中Ｃｕ品位に基づいて白カワの酸化熱量を補正してもよい。排熱パラメータは、少なくとも、転炉から排出される窒素ガスおよび二酸化硫黄ガスの顕熱量を含んでいてもよい。排熱パラメータは、転炉内に投入される冷材が吸収する熱量を含んでいてもよい。排熱パラメータは、転炉からの放散熱量を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、転炉内の温度を所望の範囲に制御することができる転炉操業支援システムおよび転炉操業支援方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る転炉操業用の支援システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】計算された炉内保有熱を示す図である。
【図３】制御部によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【図４】転炉内に供給されるガス中の酸素濃度と炉内保有熱係数との関係を示す図である。
【図５】算出された冷材投入量と、転炉内の温度が１２００℃に保たれるように投入した冷材量と、の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る転炉操業用の支援システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、支援システム１００は、転炉１０にエアを供給するエア供給部２０、転炉１０に酸素富化エアを供給する酸素供給部３０、冷材投入時期または冷材投入量を表示する表示部４０、冷材投入量および冷材投入時期を入力するための入力部５０、転炉１０に冷材を投入する冷材投入部６０、および各部を制御する制御部７０を備える。
【００１４】
転炉１０には、自溶炉で生成されたマットが収容される。図１においては、造銅期における白カワ（Ｃｕ２Ｓ）が記載されている。エア供給部２０は、制御部７０の指示に従って、転炉１０内にエアを供給する。酸素供給部３０は、制御部７０の指示に従って、転炉１０内に酸素富化エアを供給する。したがって、転炉１０には、エアと酸素富化エアとからなり酸素を含有する混合ガスが供給される。転炉１０内に酸素が供給されることによって、下記式（１）に従って白カワが酸化する。
【００１５】
Ｃｕ２Ｓ ＋ Ｏ２ → ２Ｃｕ ＋ ＳＯ２↑ （１）
上記式（１）の反応は、発熱反応である。したがって、上記式（１）の反応の進行に伴って転炉１０内の温度が上昇する。なお、白カワに供給されるＯ２が上記式（１）の反応で全て消費されれば、白カワに供給されるＯ２のモル量と発生するＳＯ２のモル量とは同一になる。
【００１６】
制御部７０は、転炉１０内の発熱量（入熱量）のパラメータ（発熱パラメータ）と、転炉１０から外部に排出される排熱量（出熱量）のパラメータ（排熱パラメータ）と、に基づいて、転炉１０内に投入する冷材の必要量および冷材の投入時期を算出する。なお、制御部７０は、転炉１０内への冷材投入量および冷材投入時期のいずれか一方が固定されている場合には、他方だけを算出してもよい。
【００１７】
制御部７０は、算出された投入量および投入時期で冷材が投入されるように、冷材投入部６０を制御する。この場合、転炉１０内の急激な温度低下および転炉１０内の過度な温度上昇を抑制することができる。それにより、転炉１０内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【００１８】
なお、制御部７０は、算出された冷材投入量および冷材投入時期が表示されるように、表示部４０を制御してもよい。ユーザは、表示部４０に表示された情報を参考に入力部５０に冷材投入量および冷材投入時期を入力してもよい。この場合、制御部７０は、入力部５０に入力された冷材投入量および冷材投入時期で冷材が投入されるように、冷材投入部６０を制御してもよい。
【００１９】
以下、発熱パラメータおよび排熱パラメータの詳細について説明する。発熱パラメータは、主として上記式（１）の発熱量を含む。排熱パラメータは、主として転炉１０から排出されるＮ２排ガスの顕熱、および、転炉１０において生成されて排出されるＳＯ２排ガスの顕熱を含む。さらに、排熱パラメータは、投入された冷材に与えられる熱量、転炉１０からの放散熱量等を含んでいてもよい。
【００２０】
一例として、造銅期における転炉１０内の温度を１２００℃としかつ転炉１０内に投入される冷材の温度を２５℃とする場合の発熱パラメータおよび排熱パラメータの詳細について説明する。なお、銅の融点は、１０８３．６℃とする。
【００２１】
上記式（１）において、Ｃｕ２Ｓの生成熱が１９，０００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌであり、ＳＯ２の生成熱が７０，９４０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌであるとする。この場合、上記式（１）の反応熱ΔＨは、下記式（２）のように表わされる。なお、「Ｎｍ３＿Ｏ２」は、酸素流量１Ｎｍ３あたりの値であることを意味している。
ΔＨ＝７０，９４０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ−１９，０００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ
＝５１，９４０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ／２２．４Ｎｍ３＿Ｏ２
＝２，３１８．９ｋｃａｌ／Ｎｍ３＿Ｏ２ （２）
【００２２】
Ｎ２ガスの比熱がＣｍ＿Ｎ２（ｋｃａｌ／（Ｎｍ３・℃））＝０．３０２＋０．００００２２Ｔであるとする。この場合、Ｎ２排ガスの顕熱ΔＨ＿Ｎ２は、下記式（３）のように表わされる。なお、転炉１０内に吹き込まれるＮ２の温度を０℃とし、転炉１０から排出されるＮ２の温度を１２００℃とする。
ΔＨ＿Ｎ２＝∫Ｃｍ＿Ｎ２ｄＴ
＝３７８．２ｋｃａｌ／Ｎｍ３＿Ｎ２ （３）
【００２３】
ＳＯ２ガスの比熱がＣｍ＿ＳＯ２（ｋｃａｌ／（Ｎｍ３・℃））＝０．４０６＋０．００００９０Ｔであるとする。この場合、ＳＯ２排ガスの顕熱ΔＨ＿ＳＯ２は、下記式（４）のように表わされる。なお、転炉１０内で生成されるＳＯ２の温度を０℃とし、転炉１０から排出されるＳＯ２の温度を１２００℃とする。
ΔＨ＿ＳＯ２＝∫Ｃｍ＿ＳＯ２ｄＴ
＝５５２．０ｋｃａｌ／Ｎｍ３＿Ｏ２ （４）
【００２４】
冷材（Ｃｕ）の２５℃における比熱をＣｐ（２５℃）＿Ｃｕ（ｓ）＝９．７８ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）とし、融点における比熱をＣｐ（融点）＿Ｃｕ（ｓ）＝７．８５ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）とする。この場合、冷材が２５℃から融点までに吸収する熱量ΔＱ＿Ｃｕ（ｓ）は、下記式（５）のように表わされる。
ΔＱ＿Ｃｕ（ｓ）＝Ｃｐ（融点）＿Ｃｕ（ｓ）×（１０８３．６＋２７３
）−Ｃｐ（２５℃）＿Ｃｕ（ｓ）×（２５＋２７３）
＝１４０．２ｋｃａｌ／ｋｇ＿Ｃｕ（ｓ） （５）
【００２５】
冷材（Ｃｕ）の融解熱は、下記式（６）のように表わされるとする。
融解熱＝３，１５２ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ
＝４９．６ｋｃａｌ／ｋｇ＿Ｃｕ （６）
【００２６】
冷材（Ｃｕ）の融点から１２００℃までの比熱Ｃｐは、７．５０４ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）とする。この場合、冷材（Ｃｕ）が融点から１２００℃までに吸収する熱量ΔＱ＿Ｃｕ（ｌ）は、下記式（７）のように表わされる。
ΔＱ＿Ｃｕ（ｌ）＝７．５０４×（１２００−１０８３．６）
＝１３．７ｋｃａｌ／ｋｇ＿Ｃｕ （７）
【００２７】
以上のことから、冷材（９９．３ｗｔ％Ｃｕ）が１ｔあたりに転炉１０内において吸収する熱量ＱＣｕは、下記式（８）のように表わされる。
ＱＣｕ＝（１４０．２＋４９．６＋１３．７）×１０００×９９．３
＝２０３．５Ｍｃａｌ／ｔ＿Ｃｕ （８）
【００２８】
表１に、発熱パラメータおよび排熱パラメータに加えて、エア供給部２０から供給されるエア量、酸素供給部３０から供給される酸素富化エア量、エア供給部２０からのエア中の酸素濃度、および酸素供給部３０から供給される酸素富化エア中の酸素濃度の一例を示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１の条件においては、転炉１０内に供給されるエアおよび酸素富化エアの混合ガス中の酸素濃度は、下記式（９）のように計算される。
酸素濃度＝（（エア量×エア中酸素濃度）＋（酸素富化エア量×酸素富化エア中酸素濃度））／（エア量＋酸素富化エア量）
＝２３．０％ （９）
【００３１】
また、転炉１０への入熱量Ｑｉｎは、下記式（１０）のように計算される。
Ｑｉｎ＝式（１）の反応熱ΔＨ×（エア量＋酸素富化エア量）×酸素濃度
＝３４１．３Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１０）
【００３２】
転炉１０からのＮ２排ガスの顕熱量ＱＮ２は、下記式（１１）のように計算される。
ＱＮ２＝ΔＨ＿Ｎ２×（エア量＋酸素富化エア量）×（１００−酸素濃度）
＝１８６．４Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１１）
【００３３】
転炉１０からのＳＯ２排ガスの顕熱量ＱＳＯ２は、下記式（１２）のように計算される。
ＱＳＯ２＝ΔＨ＿ＳＯ２×（エア量＋酸素富化エア量）×酸素濃度
＝８１．３Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１２）
【００３４】
以上のことから、転炉１０内に蓄積される炉内保有熱率ＱＣは、下記式（１３）のように計算される。
ＱＣ＝Ｑｉｎ−ＱＮ２−ＱＳＯ２−放散熱
＝６５．６Ｍｃａｌ／ｍｉｎ （１３）
【００３５】
以上の結果を、表２に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
次に、エア供給部２０および酸素供給部３０から転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素濃度と上記炉内保有熱率ＱＣと間の係数（以下、炉内保有熱係数）を計算した。表３および図２にその結果を示す。図２に示すように、転炉１０内に供給される混合ガス中酸素濃度と炉内保有熱係数との間に比例関係が得られた。制御部７０は、この結果に基づいて、冷材の必要投入量および冷材の投入時期が表示されるように、表示部４０を制御する。
【００３８】
【表３】
【００３９】
図３は、制御部７０によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。図３に示すように、制御部７０は、転炉１０に供給されるエア量および酸素富化エア量を取得する（ステップＳ１）。次に、制御部７０は、転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素量を算出する（ステップＳ２）。次いで、制御部７０は、転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素濃度を算出する（ステップＳ３）。
【００４０】
次に、制御部７０は、上記式（１３）に従って、炉内保有熱率ＱＣを算出する（ステップＳ４）。次に、制御部７０は、前回のフローチャート実行時から今回のフローチャート実行時までの炉内保有熱変化量ΔＱを下記式（１４）に従って、算出する（ステップＳ５）。
ΔＱ ＝ （炉内保有熱率ＱＣ）×（前回実行時から今回実行時までの酸素供給量） （１４）
【００４１】
次に、制御部７０は、前回のフローチャート実行時までに積算された炉内保有熱量ＱにステップＳ５で算出したΔＱを足し合わせ、現時点での積算炉内保有熱量Ｑとする（ステップＳ６）。次いで、制御部７０は、下記式（１５）に従って、計算冷材量を算出する（ステップＳ７）。なお、ＱＣｕは、上記式（８）で求めた冷材１ｔあたりの吸熱量である。
計算冷材量（ｔ） ＝ Ｑ／ＱＣｕ （１５）
【００４２】
次に、制御部７０は、計算冷材量と現時点までに投入された冷材投入量との差から必要冷材量を算出する（ステップＳ８）。次いで、制御部７０は、必要冷材量、計算冷材量の累計、および、冷材投入量の累計が表示されるように、表示部４０を制御する（ステップＳ９）。次に、制御部７０は、ユーザによって入力部５０に入力された冷材投入タイミングを取得する（ステップＳ１０）。次いで、制御部７０は、ステップＳ９で入力されたタイミングで、ステップＳ８で算出された量の冷材が転炉１０内に投入されるように、冷材投入部６０を制御する（ステップＳ１１）。その後、制御部７０は、所定時間後（例えば１０秒後）にステップＳ１を再度実行する。
【００４３】
図３のフローチャートによれば、転炉１０への冷材投入量が適切に算出される。したがって、転炉１０内の温度を所望の範囲に制御することができる。また、転炉１０に吹き込まれるガス中の酸素量と酸素濃度とから冷材投入量および／または冷材投入時期を簡便に取得することができる。なお、図３のフローチャートでは、冷材の投入量はステップＳ８で算出された量となるが、それに限られない。例えば、必要冷材量が表示部４０に表示された場合に、それを参考にユーザが冷材投入量を決定してもよい。また、図３のフローチャートではユーザによって冷材投入タイミングが入力されるが、制御部７０が決定してもよい。
【００４４】
さらに、図３のフローチャートでは表示部４０に冷材量が表示されるが、それに限られない。例えば、冷材投入部６０が冷材を少量ずつ連続的に投入するための装置を置くスペースがなく、一度に投入するなど、冷材量が固定されている場合には、制御部７０は、冷材投入タイミングを算出することによって、転炉１０内の温度を所望の範囲に制御可能な冷材投入量をユーザに提示することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては転炉１０に供給される混合ガス中の酸素濃度をパラメータとして用いている。エア量と酸素富化ガス量との組合せで酸素濃度が決まるからである。上記各式から導かれるように、炉内保有熱は、主として転炉１０に供給される酸素量に応じて決定される。したがって、転炉１０に供給される混合ガス中の酸素量をパラメータとして炉内保有熱係数を算出してもよい。
【００４６】
また、白カワ中Ｃｕ品位が高くなると、白カワ中のＣｕ２Ｓの活量が低下する。それにより、上記式（１）の反応熱量が減少する。したがって、制御部７０は、転炉１０の白カワ中Ｃｕ品位に応じて上記式（１）の発熱量を補正してもよい。
【００４７】
また、白カワ中Ｃｕ品位の上昇に伴って上記式（１）の反応熱量が低下すると、図２で求めた関係式の傾きが小さくなる。制御部４０は、この因果関係を図２の関係式に反映させてもよい。
【実施例】
【００４８】
転炉１０内に供給される混合ガス中の酸素濃度と炉内保有熱係数との関係を調べた。実施例においては、転炉１０内の温度を１２００℃に維持し、酸素供給部３０から転炉１０に供給される酸素ガス中の濃度を９０％とした。また、冷材として、９９．３ｗｔ％銅を用いた。図４に結果を示す。図４に示すように、一次回帰によって求めた回帰線は、図２の結果とほぼ同等となった。したがって、上記実施形態の算出手順で転炉１０内の炉内保有熱係数が得られることが確認された。
【００４９】
図５は、上記実施形態に従って算出された冷材投入量と、転炉１０内の温度が１２００℃に保たれるように投入した冷材量と、の関係を示す図である。図５に示すように、両者はほぼ一致した。したがって、上記実施形態に従って算出された冷材投入量または冷材投入時期に応じて冷材を投入することによって、転炉１０を常時監視していなくても転炉１０内の温度を所望の範囲に制御することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 転炉
２０ エア供給部
３０ 酸素供給部
４０ 表示部
５０ 入力部
６０ 冷材投入部
７０ 制御部
１００ 支援装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅製錬において転炉の造銅期における前記転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと前記転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、前記転炉内に投入する冷材の必要量または前記転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出部、を備えることを特徴とする転炉操業支援システム。
【請求項２】
前記発熱パラメータは、前記転炉内の白カワの酸化熱量であることを特徴とする請求項１記載の転炉操業支援システム。
【請求項３】
前記算出部は、白カワ中Ｃｕ品位に基づいて前記白カワの酸化熱量を補正することを特徴とする請求項２記載の転炉操業システム。
【請求項４】
前記排熱パラメータは、少なくとも、前記転炉から排出される窒素ガスおよび二酸化硫黄ガスの顕熱量を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項５】
前記排熱パラメータは、前記転炉内に投入される冷材が吸収する熱量を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項６】
前記排熱パラメータは、前記転炉からの放散熱量を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項７】
前記算出部は、前記転炉に吹き込まれるガス中の酸素量と前記ガス中の酸素濃度とから、前記発熱パラメータおよび前記排熱パラメータを求めることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項８】
銅製錬において転炉の造銅期における前記転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと前記転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、前記転炉内に投入する冷材の必要量または前記転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出ステップ、を含むことを特徴とする転炉操業支援方法。
【請求項９】
前記発熱パラメータは、前記転炉内の白カワの酸化熱量であることを特徴とする請求項８記載の転炉操業支援方法。
【請求項１０】
前記白カワ中Ｃｕ品位に基づいて前記白カワの酸化熱量を補正する補正ステップを含むことを特徴とする請求項９記載の転炉操業方法。
【請求項１１】
前記排熱パラメータは、少なくとも、前記転炉から排出される窒素ガスおよび二酸化硫黄ガスの顕熱量を含むことを特徴とする請求項９または１０記載の転炉操業支援方法。
【請求項１２】
前記排熱パラメータは、前記転炉内に投入される冷材が吸収する熱量を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の転炉操業支援方法。
【請求項１３】
前記排熱パラメータは、前記転炉からの放散熱量を含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の転炉操業支援方法。
【請求項１４】
前記算出ステップにおいて、前記転炉に吹き込まれるガス中の酸素量と前記ガス中の酸素濃度とから、前記発熱パラメータおよび前記排熱パラメータを求めることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の転炉操業支援方法。
【請求項１】
銅製錬において転炉の造銅期における前記転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと前記転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、前記転炉内に投入する冷材の必要量または前記転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出部、を備えることを特徴とする転炉操業支援システム。
【請求項２】
前記発熱パラメータは、前記転炉内の白カワの酸化熱量であることを特徴とする請求項１記載の転炉操業支援システム。
【請求項３】
前記算出部は、白カワ中Ｃｕ品位に基づいて前記白カワの酸化熱量を補正することを特徴とする請求項２記載の転炉操業システム。
【請求項４】
前記排熱パラメータは、少なくとも、前記転炉から排出される窒素ガスおよび二酸化硫黄ガスの顕熱量を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項５】
前記排熱パラメータは、前記転炉内に投入される冷材が吸収する熱量を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項６】
前記排熱パラメータは、前記転炉からの放散熱量を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項７】
前記算出部は、前記転炉に吹き込まれるガス中の酸素量と前記ガス中の酸素濃度とから、前記発熱パラメータおよび前記排熱パラメータを求めることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の転炉操業支援システム。
【請求項８】
銅製錬において転炉の造銅期における前記転炉内の発熱量に係る発熱パラメータと前記転炉から外部に排出される排熱量に係る排熱パラメータとに基づいて、前記転炉内に投入する冷材の必要量または前記転炉内に冷材を投入する時期を算出する算出ステップ、を含むことを特徴とする転炉操業支援方法。
【請求項９】
前記発熱パラメータは、前記転炉内の白カワの酸化熱量であることを特徴とする請求項８記載の転炉操業支援方法。
【請求項１０】
前記白カワ中Ｃｕ品位に基づいて前記白カワの酸化熱量を補正する補正ステップを含むことを特徴とする請求項９記載の転炉操業方法。
【請求項１１】
前記排熱パラメータは、少なくとも、前記転炉から排出される窒素ガスおよび二酸化硫黄ガスの顕熱量を含むことを特徴とする請求項９または１０記載の転炉操業支援方法。
【請求項１２】
前記排熱パラメータは、前記転炉内に投入される冷材が吸収する熱量を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の転炉操業支援方法。
【請求項１３】
前記排熱パラメータは、前記転炉からの放散熱量を含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の転炉操業支援方法。
【請求項１４】
前記算出ステップにおいて、前記転炉に吹き込まれるガス中の酸素量と前記ガス中の酸素濃度とから、前記発熱パラメータおよび前記排熱パラメータを求めることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の転炉操業支援方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２３６００３（Ｐ２０１０−２３６００３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８４３２９（Ｐ２００９−８４３２９）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５００４８３２１９）パンパシフィック・カッパー株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５００４８３２１９）パンパシフィック・カッパー株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
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