(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、アルミニウム含有物質およびことによると１つまたはそれ以上の種類の塩を炉内に導入し、スラッジ、特にアルミナおよび少なくとも１つの塩でことによると覆われた溶融アルミニウムが生成されるように燃焼性物質および燃料を供給する少なくとも１つのバーナの作用で加熱することによって前記物質を溶融し、かつ炉雰囲気または炉の出口の煙で一酸化炭素および／または水素濃度を測定することからなる炉でのアルミニウムの処理方法に関する。少なくとも１つのバーナに供給燃焼性物質の酸素量は、１０体積％以上、好ましくは２１体積％以上である。本発明方法は、噴射燃焼性流速が炉および／または煙で制御されないＣＯ濃度に比べて多い３体積％と１５体積％の間の値で制御されるときに燃料流速が本質的に一定である、間に前記溶融アルミニウム酸化を低減する最終段階を含む。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム含有物質および必要に応じて１つ以上の塩は炉内に導入され、この物質はことによるとスラッジ、特にアルミナおよび少なくとも１つの塩を含む、で覆われた溶融アルミニウムを得るように酸化剤および燃料を供給する少なくとも１つのバーナを用いて加熱することによって溶融され、かつ一酸化炭素ＣＯおよび／または水素Ｈ2濃度は炉雰囲気または煙道ガスで測定される炉でのアルミニウムの処理方法であって、少なくとも１つのバーナに供給される酸化剤は１０体積％を超える酸素、好ましくは２１体積％を超える酸素を含み、かつ前記方法は少なくとも１つのバーナに噴射される燃料の流速が雰囲気または煙道ガスまたはその反対で一酸化炭素および／または水素濃度の関数であるときに前記酸化剤流速が本質的に一定である、間に前記溶融アルミニウムの酸化を低減する最終段階を含み、一酸化炭素および／または水素濃度は３体積％と１５体積％の間の目標値Ｃ２に調節されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記酸化剤は、８８体積％を超える酸素、好ましくは９５体積％を超える酸素を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記酸化剤は、工業的に純粋酸素であることを特徴とする請求項１，２いずれか記載の方法。
【請求項４】
前記燃料は、天然ガス、炭化水素および軽燃料油または重燃料油から選ばれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
燃料に対する酸素の容積比は、１と５の間、好ましくは１．５と３の間に維持されることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記一酸化炭素および／または水素濃度は、３体積％と１５体積％の間、好ましくは６体積％と１０体積％の間の目標値Ｃ２でこの酸化限界段階全体を通して本質的に一定に維持されることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記酸化限界段階は、前記物質に存在される本質的に全ての有機化合物の熱分解による破壊される間の炭化水素燃焼段階に先行されることを特徴とする請求項１〜６いずれかい１項記載の方法。
【請求項８】
前記炭化水素燃焼段階は、燃料の容積流速に対する酸素の容積流速の比Ｒの測定値が予め定義された値Ｓを下回ったときに終結することを考慮されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
安定化段階は、目標値Ｃ１に調節された測定一酸化炭素および／または水素濃度で生じ、この段階は前記比Ｒがその最小に到達したときに終結することを特徴とする請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
前記アルミニウム酸化限界段階は、炉にアルミニウム含有物質の新しい装填の再導入で終結されることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記ＣＯ濃度は、レーザダイオードを用いて測定されることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
先行された請求項の少なくとも１つの記載において、ＣＯ測定のためのレーザダイオードの使用。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明は、アルミニウム含有物質および必要に応じて１つ以上の塩および／またはスラッジおよび／または再循環ドロスは炉内に導入され、この物質はことによるとスラッジ、特にアルミナを含む、で覆われた溶融アルミニウムを得るように酸化剤および燃料を供給する少なくとも１つのバーナを用いて加熱することによって溶融され、かつ一酸化炭素および／または水素濃度は炉雰囲気または煙道ガスで測定される炉内のアルミニウムの処理方法に関する。
【０００２】
二次アルミニウム溶融の分野において、この操作は回転炉または反射炉でなされる。この溶融処理は連続でもよいが、通常、前記物質は溶融金属が使用の場に注入される前に１つまたはそれ以上の連続的循環で炉に装填される、バッチでなされる。この目的のために、溶融金属は約７４０℃の温度を有する必要がある。７５０℃以上で、溶融アルミニウムの酸加速度は顕著にかつ殆ど指数関数的に増加する。
【０００３】
溶融循環の間、物質が固体で大量の熱の吸収をなす初期期間は約６６０℃でのアルミニウム溶融で素早く識別できる。
【０００４】
使用される炉の種類に関係なく、スラッジまたは“ドロス”は溶融表面に見出される。識別は、有機物およびより一般的に装填に初期に存在される非金属物質の熱分解によって発生される種々の廃固体有機化合物（ポリ環状芳香族炭化水素、煤等）、酸化物中に封じ込められるアルミニウム酸化物およびアルミニウム、の塩（処理が塩を使用されるなら）の混合物である“黒”ドロスと称される一方と、溶融を目的とする専ら金属合金からなる装填物を清浄に処理する炉内で生産される、アルミニウム酸化物およびアルミニウムを主体として構成される“白”ドロスと称される他方との間で一般的にもたらされる。“黒”ドロスは煙道ガスで未燃焼炭化水素の富化にて蒸発有機化合物（ＶＯＣ）の大量の放出によって随伴されることを気が付くべきである。
【０００５】
このスラッジまたはドロスは、アルミニウム生産者にとって無視し得ない物質の減量を表し、かつ溶融処理の収益性を向上するために最小に減少すべき“強熱減量”とやはり称される、失われるかまたは酸化された金属のある量を含む。酸化を減少するために、アルミニウム溶融温度を約７５０℃以下の値に維持することが知られている。しかしながら、この方法は高温個所が局所的酸化に起因して表面に現れることを経験する。
【０００６】
他の知られた解決は、酸化剤との金属表面の接触を低減することによって酸化を防ぐ。
【０００７】
したがって、文献ＪＰ  ５８−２２７７０６は非鉄金属溶解炉に据え付けられたバーナが消費されずに残っている燃料の一部で、９５％と１００％の間の範囲にある燃料流速に対する酸化剤の比の値の範囲の亜理論モードで操作することを立証するために煙道ガス中のＣＯおよびＨ2量の測定を用いることを提示している。
【０００８】
文献ＥＰ  ９６２  ５４０は、酸素富化ガスが液状金属と接するバーナの炎上の炉に送られる、炉内金属溶融用燃焼処理を記載している。
【０００９】
亜理論モードで操作する、前記バーナは前記酸素富化ガスと溶融表面の間に障壁を創る還元炎を生成する。
【００１０】
文献ＵＳ  ５  ５６３  ９０３は、不活性または還元ガスがアルミニウム溶融表面と炉の上部に位置する燃焼ゾーンの間に障壁を創る方法が記載している。
【００１１】
文献ＵＳ  ３  ７５９  ７０２は、溶融が溶融されるべき物質の表面上を動くバーナにて、開放空気で初期に生じる方法を記載している。前記バーナ炎は、還元であるので僅かに亜理論である。
【００１２】
全てのこれら方法は、不完全な結果をもたらし、溶融の期間中を通して適用され、かつアルミニウム酸化の危険が存在するときのみでない。
【００１３】
現在、第１段階が“黒”ドロスを生成せず、従って高ＶＯＣを放出し、同時に方法の最終段階の間、アルミニウムの酸化を最小にするとしても適用可能であるアルミニウムを処理する方法が必要である。
【００１４】
本発明の方法は、提示される問題を解決するために供し、かつアルミニウム酸化物の形成を減少する。
【００１５】
少なくとも１つのバーナに供給される酸化剤は１０体積％を超える酸素、好ましくは２１体積％を超える酸素を含み、かつ前記方法は少なくとも１つのバーナに噴射される燃料の流速が雰囲気または煙道ガスで一酸化炭素および／または水素濃度の関数であるか、またはその反対（すなわち、燃料流速が実質的に一定で、かつ酸化剤流速がそれらを以下に設定する限り同じ限界内に含まれるＣＯおよび／またはＨ2濃度に依存する）のときに前記酸化剤流速が実質的に一定である、間に前記溶融アルミニウムの酸化を低減する最終段階を含み、一酸化炭素および／または水素濃度は３体積％と１５体積％の間（反対に、燃料流速が一定で酸化剤流速がＣＯおよび／またはＨ2濃度に依存する可能性を意味する）ことを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記酸化剤は８８体積％を超えるＯ2、好ましくは９５体積％を超えるＯ2を含む。より好ましくは、前記酸化剤は工業的に純粋な酸素である。
【００１７】
前記燃料は、いくつかの炭化水素または軽もしくは重燃料油（前記バーナの適切な燃料油噴射システムで）でもよく、天然ガス、メタン、プロパン等が好ましく用いられる。燃料に対する酸素の容積比は、１と５の間、好ましくは１．５と３の間に維持される。
【００１８】
本発明の１つの変形によれば、ＣＯおよび／またはＨ2濃度は６体積％と１０体積％の間の値でこの酸化限界段階全体を通して本質的に一定に維持される（この最終段階の間、目標値Ｃ２はそれゆえこの範囲内の値に設定されることが好ましい）。
【００１９】
一般的に、前記酸化限界段階は前記物質に存在される本質的に全ての有機化合物が熱分解により破壊される、ことによると（必要でないが）安定化段階がこれに続く、間のＶＯＣ燃焼段階に先行される。
【００２０】
好ましくは、ＶＯＣ燃焼段階はこの段階の間、燃料の容積流速に対する酸化剤に含まれる酸素の容積流速が以下に定義される閾値Ｓ、以下に下がるときに終結する。一般的に、一時的なずれに対処するためにこの炭化水素燃焼段階の条件は炉または煙道ガスで測定されるＣＯの目標値（Ｃ１値〜Ｃ２値）を変化させることによって第１段階に入る前に、値Ｒ＜Ｓの推移を確認するために更なる期間Δｔ（当該の炭化水素燃焼段階の５％と２０％の間）に維持される（例えば、図２に例示されるようにＣＯ濃度での変化の可能な限りのずれを考慮する）。この期間Δｔの段階は、検出段階と同様に以下に参照される。
【００２１】
本発明の好ましい態様によれば、方法は有機化合物の完全な分解を確認するために意図される一般的に短い検出段階によってできる限り分離される２つの段階（液状アルミニウムが注入される前に何回か繰り返すことができる）を含む。
【００２２】
好ましくは、第１段階の間に炉雰囲気および／または煙道ガスのＣＯ濃度は０．１ｖｏｌ％と５ｖｏｌ％の間（目標値Ｃ１）である。下限は、煙道ガス（または雰囲気）が最大１０００ｐｐｍの酸素を含むように実際のところ決定される。
【００２３】
一般的に、約０．５ｖｏｌ％のＣＯ値が適切であることがわかった。この第１段階の間に、目標は雰囲気中で最低限のＣＯを得る、すなわち炉内で非酸化雰囲気を維持する間に０．１ｖｏｌ％と５ｖｏｌ％の間隔にて最低限の値でＣＯ濃度の目標値Ｃ１に調節することである。
【００２４】
制御の欠如において、ＣＯおよび／またはＨ2濃度は、上に選択された目標値Ｃ１以上に上昇する。反対に、最終段階の間に、Ｈ2および／またはＣＯ濃度（本発明が適用されないならば）は目標値Ｃ１より低くなり、かつ本発明の目標の1つはこの濃度を増加することである。
【００２５】
したがって初期段階において、目標値Ｃ１の調節を用いてＣＯおよび／またはＨ2濃度を減少させることが一般的に有益であり、一方、最終段階において目標値Ｃ２の調節はＣＯおよび／またはＨ2濃度を増加することに用いられる。
【００２６】
本発明によれば、1つの段階から他の段階への遷移は閾値Ｓ以上の値から閾値Ｓ以下の値に動く比Ｒ（Ｒ＝容積酸素流速／容積燃料流速）の持続的な変動の検出に基づかれる。
【００２７】
前記比Ｒの閾値Ｓは、以下のように本発明が遂行される炉での前もっての試験によって定義される：
−煙道ガスおよび／または雰囲気のＣＯ濃度が（比Ｒの変化を用いて）調節される目標値Ｃ１は、装填物および（一般的に本発明に係るレーザダイオード）を用いてＣＯ検出を試験される炉に対して最低限の値で設定される。この値は、しばしば約０．１ｖｏｌ％である。通常の処理での装填物を有する炉で、前記ＣＯ値はこの非常に低目標値に調節され、ある間隔の後に容積酸素／燃料流速の比は安定化される。この安定化が維持されるときの比Ｒは、上に定義される閾値Ｓである。
【００２８】
したがって本発明の方法において、ＣＯおよび／またはＨ2濃度は０．１ｖｏｌ％と５ｖｏｌ％（０．５ｖｏｌ％はしばしば満足する）の間の目標値に関する第１段階（蒸発有機化合物ＶＯＣｓの燃焼）の間に調節され、かつ上に定義される比Ｒは測定される。ＲがＳより少なく減少する場合、調節は目標値Ｃ１まで一般的に続行され、それから僅かな時間の後（段階が変化、すなわち全てのＶＯＣｓが燃焼されることを確認した後）、目標値は３ｖｏｌ％と１５ｖｏｌ％の間（好ましくは６ｖｏｌ％と１０ｖｏｌ％の間）の新しい目標値Ｃ２に変化され、比Ｒは溶融金属が注入されるまでＳ以下に留まる最終段階が始まる。
【００２９】
これに対し、最終段階のある期間後、アルミニウム廃棄物（缶等）は調節が再度目標値Ｃ１近くで進行し、かつそれからかねてよりの目標値Ｃ２近くに移る初期段階を再発生するために再導入されることができる。
【００３０】
１つの最終段階（ＶＯＣの放出なしで装填物を清浄にする）のみを含む本発明の変形によれば、調節は３ｖｏｌ％と１５ｖｏｌ％の間のＣＯの目標値Ｃ２、ＣＯおよび／またはＨ2による目標値の調節なしの状態で、同じ装填物を持つ同じ炉でＣＯ濃度より高い値、近くで直接的になされる。
【００３１】
前記アルミニウム酸化限界段階は、炉内にアルミニウム含有物質の新たな装填物の再導入、または使用目標に向ける液状アルミニウムの注入で終結される。
【００３２】
本発明の状況において、アルミニウム含有物質は特に、例えば塊状アルミニウム、アルミニウム部品の切削からのチップ、清涼飲料および食品の缶、スクラップ、生産廃棄物、ドロス、アルミニウム含有スラッジ、およびいかなる一般的なアルミニウム含有物質であってもよい。当然、本発明は液状アルミニウム温度保持炉にも適用する。
【００３３】
本発明は、限定されない例として供される以下の例、示される図面との共同でより一層理解されるであろう。
【００３４】
図１は、本発明に係る炉および制御システムの概略図（断面図）である。
【００３５】
バーナ１０は、液状形態で金属３を加熱、溶融する炎を作る。炉から排出し、燃焼、特にバーナによって生成される煙道ガス４は、前記煙道中のＣＯおよび／またはＨ2濃度を測定するためにＣＯおよび／またはＨ2検出器５，６がそれぞれ置かれるライン１８を通して除去される。それぞれの検出器５，６から出た信号は、接続ラインを通して操作が以下に説明される制御ユニット８に送信される。前記バーナ１０は、適切な流速の酸化剤および燃料を前記バーナに配送するためのそれぞれの制御バルブ１２，１１（例えばマスフローメータ）を通してそれぞれ酸化剤および燃料が供給される。この流速は、接続ライン１５を通して制御デバイス８によって制御される。接続ライン１７，１６は、前記バルブ１２，１１の開度の測定を前記制御システム８に送信し、このシステムはまたセンサを通して溶融金属の温度のデータを受信する。前記制御システム８は、特に値Ｃ１から値Ｃ２に進めるために時間の関数として変換されることができるＣＯ（および／またはＨ2）濃度目標値の調節を備える。センサ５で前記制御デバイス８に送信されるＣＯおよび／またはＨ2濃度の測定が前記目標より高いか低いかによって、制御信号を接続１５を通して酸化剤および燃料の注入を調節する制御バルブ１２，１１に発生し、前記煙道ガスの一酸化炭素および／または水素濃度減少および増加を得る。
【００３６】
図２は、前述した溶融サイクルの２つの段階処理の状況における比Ｒ（酸化剤の流速または好ましくは燃料の流速が一定に保持されている）と煙道ガス中のＣＯおよび／またはＨ2濃度の典型的な変形を示す。段階ＩおよびIIの同じ連続サイクルにおいてＣ１＝Ｃ２およびＣ１＜Ｃ２（Ｃ１＝Ｃ２であれば、単一段階のみであろう）の全ての場合で、段階Ｉの間、ＣＯおよび／またはＨ2目標値は０．１ｖｏｌ％と５ｖｏｌ％の間のＣ１の値に設定され、一方段階IIにおいて、この目標値は実質的に高い、３ｖｏｌ％と１５ｖｏｌ％の間の値Ｃ２に調節される。溶融が始まるので、ＣＯおよび／またはＨ2を目標値にサーボ制御するために、制御は過剰酸化剤を供給してＶＯＣｓを燃焼のために比Ｒの値を増加する。装填物およびそれらの燃焼によるＶＯＣの生成は、ピークに達し、それから段階Ｉの最後でゼロに落ちる。比Ｒは、Ｒ  ＭＡＸで示されるピークに上昇することによるこの傾向をたどり、それから段階Ｉに減少する。目標値Ｃ１のために、前記ＶＯＣｓが殆ど全て消費される場合、比Ｒは必然的かつ最終的に既に定義された閾値Ｓを通過し、それからＲ  ＭＩＮで示される最小に落ちる。前記比Ｒが閾値Ｓに達すると、少量のＶＯＣは装填物に実質的に残り、前記目標値Ｃ１より低いＣＯおよび／またはＨ2のレベルを生じる。このときから、制御器は比Ｒを調節し、この目標からのずれを補償するためにさらにそれ（バーナによるＣＯおよび／またはＨ2の生産）を減少する。全てのＶＯＣｓは、比がＲ  ＭＩＮに達するときに燃焼される。それから段階IIが始まるので、制御方法を変える時間である。本発明は、ｔ２＝ｔ１＋Δｔによって定義される時間ｔ２で、制御方法で変化を生じさせるために考慮される溶融段階Ｉ（時間ｔ１で終結する）の５％と２０％の間の検出時間Δｔと結合される閾値超過の時間ｔ１を用いることからなる。このとき、目標値はＣ２に等しくなる。
【００３７】
本発明の変形によれば、逆の言い方をすれば炉への新鮮な物質の導入を検出すること、および酸化限界段階からＶＯＣ燃焼段階への切り替えることができる。事実、段階II間のアルミニウムの装填を考慮すると、装填相対ＶＯＣｓは放出され、かつ制御器はこの目標値Ｃ２からのずれを補償するためにその（バーナによるＣＯおよび／またはＨ2の生成を減少すること）を増大することによって比Ｒを調節する。同様に、比Ｒは物理処理が段階Ｉであることを示す、所望の時間ｔ３で閾値Ｓを越え、それゆえ指示器によって指示される制御方法での変化はｔ４＝ｔ３＋Δｔで定義される時間ｔ４で生じる。この時間ｔ４で、目標値はそれゆえ上に定義された値Ｃ１に復帰される。前記処理制御ユニットにとって、段階IIの終わりはそれゆえ時間ｔ４である。
【００３８】
例
１３ＭＷバーナが装着された回転炉において、２７トンの塩および２７トンのアルミニウムスクラップが装填され、装填物は２５５０Ｓｍ3の天然ガスが消費されるまで加熱され、それから６５トンのアルミニウムスクラップ（この例において清涼飲料缶）が再び装填され、前記装填物は追加の８５０Ｓｍ3の天然ガスが消費されるまで加熱される。３５トンのアルミニウムスクラップ（アルミニウム切削屑）はそれから再び装填され、その装填物は追加の１３５０Ｓｍ3の天然ガスが消費されるまで加熱され、９９トンのアルミニウムはさらに注入され、炉内に存在される塩およびドロスは総量５５００Ｓｍ3の天然ガスが消費されるまでさらに加熱される。炉内に残存するアルミニウムはそれから流れ出る：９トンのアルミニウム。
【００３９】
図３は、前述した２つのアルミニウム装填物の溶融の間に、煙道ガスで測定されたＣＯの変化および上に定義された比Ｒの変化を示す。これらの曲線において、方法での自動的変化の効果は明らかに観測できる。事実、本発明に係る指示器は第１装填物が塗装された清涼飲料缶、それゆえ高濃度の有機化合物を持つ、からなるので、時間ｔ２で中間溶融段階変化を始動する。さらに、有機化合物が乏しい第２装填物（アルミニウム切削屑）を溶融する間に、指示器は段階が始まった後の短いｔ’２で段階変化を制御し、それによって段階IIに適合される制御方法の初期に最適化する。この指示器は、下記表に示すように炉に投入する装填物の種類に係わりなく酸化損失を低減するため貢献する。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】煙道ガス分析およびバーナ制御が示される単一バーナを持つ炉の概略図。
【図２】本発明の方法の段階ＩおよびIIを説明する線図。
【図３】本発明の方法の時間関数として段階（または副段階）を示す（ＣＯ）の変化を説明するグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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