JP4571407B2 - アルミニウム酸化物の形成を検出する装置及びアルミニウム溶融炉 - Google Patents

Description

技術分野及び先行技術
本発明は、アルミニウム精錬及びアルミニウム溶融炉の分野に関する。

特には、これは、アルミニウム屑再利用プロセスに適用する。

アルミニウム再生精錬（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｍｅｌｔｉｎｇ）の分野において、溶融の間の多くの現象及びパラメータを測定し、制御できるようにすることの不可能性は、溶融プロセスを理解すること、及び、より優れた性能を得て、溶融の間の損失を排除するための規定を確立することへの障害を構成している。

この溶融は、回転炉もしくは反射炉で起こる。このプロセスは、継続的なものであるかも知れないが、大多数の炉は、バッチ・モードで働いている。材料の装填は、反射炉へと通ずる巨大な扉を介して、また、回転炉における主要な扉を介して行われる。大量のスクラップを導入するためには、流し込みサイクル毎に２回から３回炉に装填しなければならない。

アルミニウムまたはその合金は、融点の上で溶融しなければならない。しかしながら、例えばキャスターにおいて、続いて起こる処理の間、液体アルミニウムが適当に流れるように、溶融金属を７６０℃の温度レベルまで到達させる必要がある。溶融池（ｍｅｌｔ ｐｏｏｌ）を、特に７８０℃を超えて過熱するのを回避する努力もまた行う。この温度では、酸化の速度がかなり、ほとんど指数関数的に、上昇する。

流し込みサイクルの間、第一には、顕著な初期期間があり、ここでは、材料は固体であり、これは、６６０℃でのアルミニウムの溶融の潜熱へと変わる大量の熱の吸収を許容する。

次に、金属が液体である際には、その熱伝導度は、固体状態にあるときの値の半分まで低下する。過熱が起こり得るが均一ではなく、これは熱分布の問題によるものである。

大形の反射炉は、この均一性の欠如への感度が比較的に高い。液体の表面から熱が導入されるが、密度の比率は、安定的な層別化が生じるようなものであり、高温液体が溶融池の上部にあり、低温液体が下部にある。

反射炉は、特に、溶融池の均一性を確実にすることを意図し、より効率的な溶融の進行を引き起こすガス噴射器（ｇａｓ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）またはポンプのような付加的なデバイスを具備する。

回転炉は、これらに本来備わっている混合原理のみを利用する。熱は、液体のすぐ下で回転する耐火物を加熱することにより伝達される。この熱は、炎に曝される上側の表面と、回転する耐火物に接触する底部との両方を介して導入される。このようにして、層別化は、不安定化される。

溶融の間の金属損失は、酸化された層そのものにおいてだけでなく、液体が捕捉されることから、酸化された骨材（ｏｘｉｄｉｚｅd ｓｋｅｌｅｔｏｎ）においても生じる。そして、アルミニウム及びアルミナ酸化物の捕捉された混合物（ｔｒａｐｐｅｄ ｍｉｘｔｕｒｅ）は、溶融液体上に浮かぶ。捕捉されたアルミニウムは、いわゆる「ドロス」と称されるものの質量の２０％から８０％に相当し得る。

再利用されるスクラップからアルミニウムの優れた収率を得るためには、着火における損失を制限する必要がある。

ドロスにおける金属損失を減少させるために、二つの解決策が適用される。

回転炉、及び、ある特定の反射炉には、第一に溶剤が装填される。これらは、塩（特には、ＮａＣｌ及びＫＣｌの混合物）を基礎とするものであり、これらは、捕捉されたアルミニウムによる酸化物の骨材のぬれを減少させることを意図したものである。

もう一方の解決策は、表面からのドロスの定期的な除滓である。液体金属上に浮いているドロスは、金属の損失を意味するだけでなく、液体へと変わる断熱材料の層を構成する。この層はアルミナから形成されているために、高い融点（１３００℃よりも高い）を有し、それ以上は溶融せず、成長を続ける。このため、そのような断熱層を通過して熱を導入することは、益々増加する力を必要とすることから、すなわち、上層は過熱される。鋳物工場の作業員の古い格言でいう「ドロスがドロスを生む」である。このドロスは、湯面をうすくなぞって清掃することにより除去することができ、これが、除滓手順（ｄｅｄｒｏｓｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を構成する。

この除滓作業は、手動か、あるいは、いずれにせよ高度にではなく機械化される。

特に、反射炉において扉を開けてこれが行われると、これにより、大量の空気が炉の中に導入される。これは、二つの欠点を有する。すなわち、冷却（以前の温度への回復は、扉が開いている間の時間の二倍の時間を必要とする）、及び、空気からの酸素の流入であり、これは、アルミニウムを容易に酸化させる。

加えて、除滓のために、いつ扉を開けなければならないか、を決定するための手段は存在しない。

金属の収率は、炉への入口での固体スクラップの秤量値、これは塗料（ｐａｉｎｔ）及び被覆（ｃｏａｔｉｎｇｓ）に見積もられる重量の差し引き量を含める、及び、炉からの出口で得られる金属の重量の秤量値により決定される。加熱の間、このような塗料及び被覆は熱分解に供され、これは、装填材料が５８０℃に到達すると完了する。

しかしながら、これらの製造技術は、流し込みサイクル中にいつドロスが形成されて蓄積されるのかの時期についての指標を提供するものではない。この結果として、このドロスの生成を減少させるために高温で費やす時間を制限するような、何らかの措置の実施は、作業者の経験と、長い時間をかけて苦労して得られる経験則とに依存する。スクラップの材料は、紛れもなく本来、その供給源及びその質の点で異なるため、このような措置に関連するいずれの決定も、統計学的な根拠にのみ引き起こされ得る。

反射炉において、最も先端のアルミニウム製造者は、熱電対による耐火物の温度レベルの検証のような、ある調整方法を採用している。これは、臨界温度レベルに到達したときに、バーナーの力を弱めたり、あるいは、一つまたはそれ以上のバーナーを停止させることである。しかしながら、これらの操作は、本質的には、耐火物を保護することを目的としたものである。

これらは、ホットスポット、ここで酸化が起こる、の形成について直接的な指標を構成するものではない。

他の製造者は、熱電対を金属に浸すことにより液体金属の温度を点検している。７６０℃を上回る温度が検出されたときには、バーナーの力を弱めるか、あるいは、炉に新しい材料を装填する。

しかしながら、これは、単に局所的な指標でしかなく、ホットスポットは、他の場所でも起こり得る。

このため、耐火物または液体金属の温度レベルのモニタリングは、これらの作業のために十分ではない。

さらに、これら全ての解決策は、固定型または傾動型のいずれであっても、反射炉において実施され得るものであって、これらは、回転炉に対しては好適なものではない。

他の解決策が文献に存在してはいるものの、これらは、特に、金属の表面が酸化剤と接触するのを防ぐことにより、酸化を回避することを目的とするものである。

このように、特許文献１（ＪＰ ５８−２２７７０６）は、非鉄金属を溶融するための炉において、装着されたバーナーが、酸化剤の流量／燃料の流量の比率の値の範囲が９５％から１００％までに入るほぼ化学量論的な（ｓｕｂｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）モードで作動することを保証するために、煙道ガス中のＣＯ及びＨ₂量の測定値を用いることを提案している。

特許文献２（ＥＰ ９６２ ５４０）は、炉において金属を溶融するための燃焼技術を開示している。この技術に従えば、酸素含有ガスは、これが、バーナーの炎により金属溶融池から分離されたままでいるように、炉の中に送られる。

そして、バーナーは、ほぼ化学量論的に作動する。酸素の流入は、炎の上に位置する領域から起こり、後者（炎）は、ガスの酸素と溶融金属の表面との間のスクリーンを形成する。

特許文献３（ＵＳ ５ ５６３ ９０３）は、不活性ガスまたは非酸化ガス（ｎｏｎｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｇａｓ）が、溶融金属（アルミニウム）の表面と炉の上部に位置する燃焼領域との間のスクリーンを形成することによる技術を記述している。

特許文献４（ＵＳ ３ ７５９ ７０２）は、溶融が、最初は空気中（ｏｐｅｎ ａｉｒ）で、溶融される材料の表面の上の可動性のバーナーを用いて起こる技術に関するものである。バーナーの炎は弱まっていき、これは、バーナー供給材料中には、酸素の割合に対して僅かに化学量論的に過剰な燃料があるという事実のためである。

これらの技術は、実施するには複雑であるか、あるいは、炉の中での溶融のためには不適当であるかのいずれかである。

このため、溶融炉で高い金属収率を得るための技術を見出すために、問題が持ち上がる。

また、流し込みサイクル中に金属の酸化が起きるときの正確な時期をどのようにして検出するか、という問題も持ち上がる。

いつ酸化が生じるのかを知ることは、溶融技術自体と同じ質のスクラップを反映した生産統計値の使用を必要とすることなく、この酸化を減少または制御するために燃焼作業を調節するのをより容易にすることができる。

さらに、酸化が生じる時期及び形成された酸化物の量を知ることは、いつ除滓作業を実施するのか、を決定するのをより容易にすることができる。
ＪＰ ５８−２２７７０６ ＥＰ ９６２ ５４０ ＵＳ ５ ５６３ ９０３ ＵＳ ３ ７５９ ７０２ 本発明の要約 本発明は、第一に、アルミニウム溶融炉におけるアルミニウム溶融池の湯面上のアルミニウム酸化物の形成を検出する方法に関するものであり、炉から出る煙道ガスのＣＯ濃度と温度の変化を検出することを特徴とするものである。

本発明はまた、アルミニウムを溶融する方法に関し、ここでは、
固体アルミニウムを炉に導入し、
アルミニウムを溶融させて、アルミニウム溶融池を形成し、
炉から出てくる煙道ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度と温度の変化を検出し、
ここから、アルミニウム溶融池の湯面上におけるアルミニウム酸化物の形成を推定し、
溶融プロセスをアルミニウム酸化物の形成に従って調節する。

アルミニウムが炉の中で酸化に供されている間は、ＣＯ及び温度の変化は、同じ動きにあるか、あるいは、同じ兆候を有し、これがこの酸化を容易に検出させる。

このため、本発明に従えば、アルミニウム酸化物の出現を確認できるように、時間に対するＣＯ及び温度の導関数の積（ｐｒｏｄｕｃｔ）または比率の正の値（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｖａｌｕｅ）を検出することが可能であり、これは、視覚的な観察のために炉を開ける必要はなく、また、製造者が介入する必要もなくできる。

このため、酸化物の形成を検出するために溶融の間に放出されるガスの分析を使用することができ、これは、温度及びＣＯ濃度の信号を用いて達成される。

任意に、ＣＯ₂及び／またはＯ₂及び／またはＨ₂Ｏの変化もまた、観測することができる。

特に、Ｈ₂Ｏ濃度の変化に従って、炉への空気の流入量を評価することができる。

炉の煙道ガスの分析を、溶融プロセスを調節するための基礎として使用することができる。すなわち、
燃焼のパワー密度を適応させること、
あるいは、バーナーに供給する燃料の流量に対する酸化剤の流量の比率を調節すること、
あるいは、ポンプを用いて、あるいは、液体を注入することにより溶融池を攪拌すること、
あるいは、攪拌されている溶融池上の燃焼パワーのレベルを増加できる、または、できないという事実を表示することである。

そのような煙道ガス分析はまた、除滓の頻度を最適化するためにも使用することができる。

その上、温度測定、または、温度における条件的なサンプリング作業を、酸化物が原因の信号変化と、アルミニウム屑または断片上に形成された塗料及び被覆の熱分解が原因のものとを区別するために適用することができる。

本発明は、アルミニウム溶融炉におけるアルミニウム溶融池の表面上のアルミニウム酸化物の形成を検出する装置であって、前記炉から出る煙道ガスの一酸化炭素(CO)濃度変化を検出する手段と、前記炉から出る煙道ガスの温度変化を検出する手段と、前記一酸化炭素(CO)濃度変化と温度変化の動きを比較するコンピューターと、を具備することを特徴とする。

本発明を実施するための代替法において、アルミニウム溶融炉におけるアルミニウム溶融池の湯面上のアルミニウム酸化物の形成は、溶融池の湯面の上の雰囲気の水素濃度の変化を検出するための手段と、炉から出る煙道ガスの温度を計測するための手段とを使用して検出される。

その上、本発明の装置は、ＣＯ₂及び／またはＨ₂Ｏ及び／またはＯ₂濃度の変化を検出するための手段を備えてもよい。

また、本発明の装置において、コンピューターが更にＣＯ濃度と温度の経時的変化の積もしくは比率を得るものであってもよい。

測定されたＣＯ及び／またはＨ₂量の値と、装填材料との相互作用の非存在下でバーナーにより生成されたＣＯ及び／またはＨ₂量とをそれぞれ比較するための手段を設けてもよい。そのような値は、バーナーを較正（キャリブレーション）することにより設定することができる。

本発明はまた、反射型または回転型のアルミニウム溶融炉に関し、これは、上で説明したデバイス及び／または手段を具備する。

本発明の実施形態の詳細な説明
本発明に従えば、炉から出る煙道ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度の変化が検出され、煙道ガスの温度変化が測定される。

図１は、炉２を模式的に示すものであり、ここでは、アルミニウム溶融池４は、アルミニウム屑を溶融することにより得られる。バーナー２４には、酸化剤流体（例えば酸素）及び可燃性流体（例えば天然ガス）が供給され、炉における所望の温度に到達させるための炎１１を生成する。

複数のバーナーを利用することもできる。

なお、参照符号１５及び１７は、それぞれ、酸化剤供給手段及び燃料供給手段を表している。

ＣＯの量または濃度の変化を測定するための手段１０は、炉の出口に設けられており、より正確には、煙道ガス６を放出するための煙路１３に設けられている。

手段１２もまた、およそ同じ場所で、温度変化が測定されるようにしている。

炉の出口の、同じ煙道管に、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）及び／または二酸化炭素（ＣＯ₂）及び／または酸素（Ｏ₂）濃度を測定するための手段１４，１６，１８もある。

一つの図解例に従えば、測定手段１０，１４，１６，１８は、一つまたはそれ以上のダイオードレーザーを具備してもよく、一方で、手段１２は、独立性の熱電対を具備してもよい。

図２は、乾性炉床炉（ｄｒｙ−ｈｅａｒｔｈ ｆｕｒｎａｃｅ）における溶融プロセス中の、以下のそれぞれを指し示す種々の曲線Ｉ〜Ｖを示すものである。すなわち、
曲線Ｉは、一酸化炭素（ＣＯ）量の変化であり、
曲線IIは、温度の変化であり、
曲線IIIは、二酸化炭素（ＣＯ₂）量の変化であり、
曲線IVは、酸素（Ｏ₂）量の変化であり、
曲線Ｖは、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）量の変化である。

曲線Ｉ及び曲線IIは、ＣＯ変化及び温度変化の間の関係を示している。

図３Ａ及び図３Ｂは、回転炉における溶融プロセスの間の以下のそれぞれを示すものである。すなわち、
曲線Ｉ’は、ＣＯ量の変化であり、
曲線II’は、温度変化であり、
曲線III’は、ＣＯ₂量の変化であり、
曲線IV’は、Ｏ₂量の変化である。

図３Ａは、高温炉の場合に相当し、図３Ｂは、低温炉の場合に相当する。

これらの測定値から解釈されるべき結論を以下に与える。これは、下の表１を参照してなされる。

燃焼煙道ガスの成分は、本質的には、二酸化炭素ＣＯ₂及び水蒸気Ｈ₂Ｏからなり、酸化プロセスにより改変される。酸化は、純酸素または空気中に含有される酸素の挙動によって生じるばかりでなく、ＣＯ₂及び水蒸気Ｈ₂Ｏの存在によるところでもある。

言い換えれば、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は、アルミニウム装填材料と相互に作用することがあり、アルミナを形成し得る。

事実、捕捉されたアルミニウムを差し引いた後に生成されるドロスの質量は、直接的な酸化単独では説明することができない。バーナーに過剰に供給された酸素の量は、炉に導入される空気により増加されるが、この目的のためには十分ではない。

表１において、酸素（Ｏ₂）が豊富な燃焼及び酸素が希薄な燃焼のモードは、空の炉に関して、あるいは、冷アルミニウム（ｃｏｌｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ）に関して設定されたバーナーの基準信号に相当する。流量計の設定に基づく評価を基準として使用することができる。

単純な燃焼は、炉への一定の空気流入だけで、装填材料との相互作用がない（アルミニウム炉は空か、あるいは、アルミニウムが冷たいかのいずれか一方である）燃焼システムに関する。これは、全てのケースにおいて、空気及び酸素を用いた混成燃焼とすることができる。そして、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）濃度は空気流入の尺度である。

これを実証するために、装填されるスクラップが水を含まないと仮定することができる。水及びアルミニウムが原因の爆発が、アルミニウム工場の間での問題であり、装填材料からは、水も、湿気でさえも除去される。

そして、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）濃度は空気流入により希釈され、以下のように表すことができる。すなわち、
空気流入量＝理論的な煙道ガス流量[理論的な（Ｈ₂Ｏ）−測定された（Ｈ₂Ｏ）／測定された（Ｈ₂Ｏ）]
これは、空気及び酸素を用いた混成燃焼の場合も含み、Ｈ₂Ｏ濃度は、既知の燃料流量から理論的に決定されたＨ₂Ｏ量と比べた場合の空気流入の測定値である。

利用可能な酸素の量が、
空気流入により導入される酸素、
流量計により測定される酸素（純酸素、及び、混成または富化燃焼モード（ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）における付加された空気）、
これらのことを付加することにより決定されると仮定すれば、このため、水蒸気濃度が、燃焼のために利用可能な酸素の量を決定させる。

装填材料との相互作用が生じる際には、水蒸気濃度は、以下の式に従って減少する。すなわち、
２Ａｌ＋３Ｈ₂Ｏ＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｈ₂
これは、水素の発生を伴うものである。いわゆる「乾性（ｄｒｙ）」煙道ガスと称されるもの、すなわち、水蒸気の除去後のものにおけるガス状の成分を、通常は凝縮により評価する際には、この現象を考慮に入れなければならない。アルミニウム及び水蒸気の間の相互作用は、乾性煙道ガスの流量を増加させる。

単純な燃焼システムにおける一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び温度（Ｔ）の信号は、以下のように説明することができる。

酸素希薄システムにおいては、一酸化炭素（ＣＯ）が生じ、二酸化炭素（ＣＯ₂）量が減少する。これは、炭素原子に適用される質量拘束（ｍａｓｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）により課せられるものである。

ＣＯ／ＣＯ₂比率は、空気／酸素燃焼プロセスとは無関係である。これは、酸素の欠如にのみ依存する。

酸素希薄システムにおいて放出されるエネルギーは、減少する。最高の燃焼効率は、最高のＣＯ₂生成のために生じる。信号は、時間に対するＣＯ及びＴ変化の比率（あるいは、時間に関する導関数の比率（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ））を示す信号が負であることを示す（ＣＯ濃度が増加し、この増加は、乏しい燃焼を引き起こすため、Ｔは減少する）。

装填材料との相互作用が生じる際には、及び、明らかな酸素豊富条件においては、ＣＯ生成が観察されるか、あるいは、一定ＣＯ₂で、温度の上昇を観測することができる。

より正確には、以下の反応によりＣＯが放出される際には、
Ａｌ＋３ＣＯ₂＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３ＣＯ
これは、以下の式に従ってこのシステムへの熱の付加で燃焼する（このため、Ｔは増加する）。

３ＣＯ＋３／２Ｏ₂＝３ＣＯ₂
ＣＯ燃焼条件は、制限された反応物質の混合（不十分な強度の乱流）のために、恐らく効率的ではない。

この燃焼プロセスのために、熱の付加は、アルミニウムとの反応の発熱性の性質により増強される。このため信号は、（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）が正になるようになる。

しかしながら、多くのアルミニウム製造者は、酸素希薄条件で働く傾向があることに注意しなければならない。このため、ＣＯは二つの供給源、すなわち、不完全燃焼及びアルミナＡｌ₂Ｏ₃との反応から生成される。

バーナーにより生成されたＣＯは、既知の酸素不足のために定義された値を有する。酸化によるＣＯの生成は、バーナーにより生成されたこの量を下回る全体のＣＯ測定値から推論される。加えて、アルミニウム溶融段階の間、バーナー設定は僅かに変動する。酸化に付随するＣＯ変化は、ＣＯの全体量の変化に類似している。

装填材料との相互作用が生じる際には、酸素希薄条件の下で、（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）の正の値は、明瞭な酸化の指標であり、これは、アルミナとの反応が発熱性であるためである。

同一の酸素希薄設定、すなわち、同一の燃料及び酸化剤注入流量設定については、（ＣＯ）／（ＣＯ₂）は、単純燃焼の場合よりもより急速に増加する。このＣＯ／ＣＯ₂比率の増加は、乾性煙道ガスにおいてさえも、この比率が水素（Ｈ₂）量と無関係であることから、酸化の検出を確証させる。

（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）の正の値を、温度の測定値または温度における条件的なサンプリングに供することが好ましい。

低温においては、炭素の幾らかは、アルミニウム屑上の塗料及び被覆の熱分解により、装填材料から放出され、そして、一酸化炭素（ＣＯ）は、実際の燃焼及び二酸化炭素（ＣＯ₂）の分解の両方から生ずる。

アルミニウム屑が前処理されている場合には、この熱分解は、炉の中では起こらない。

熱分解は、約５８０℃の温度に達するまで起こる。より低い温度では、ＣＯが発生し、一方では、酸素が欠乏し、温度が増加し得る。

そして、（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）比率は、正になる。事実、燃焼プロセスが以下のタイプである場合においては、すなわち、
燃料＋固体炭素粒子＋酸素＝燃焼生成物
酸素供給条件が燃料の単純燃焼に関して不変のままである場合には、酸素の欠乏が生じる。

塗料及び被覆を熱分解するプロセスは、アルミニウム炉においては、これを追跡するまたは観察するには、無秩序すぎて現れる。

結果的に、（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）の正の値は、好ましくは、温度における条件に供される。

後者は、液体金属中でも測定することができるが、煙道ガス中であることが好ましく、煙道ガスの温度は、金属の温度を反映する。１００℃から４００℃までの温度差が、熱伝導を与える。

温度測定値を、例えば、コンピューター２０において、所定の閾値と比較することができる。

煙道ガス温度及び金属温度の間の相互関係により、各炉は前もって学習期間に供することが可能であり、アルミニウム工場で見掛けられる炉は、広く異なるということも注意しなければならない。

加えて、熱伝導の種々のモードは、モデリングによる簡単な解決、及び、例えば神経ネットワークに基づく学習方法に役立たないだけでなく、金属と煙道ガスとの間の温度差のより単純な測定を除外してしまうほどのものでもない。

他の条件が、実際には、正の値を有する（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）信号へとつながり得る。

これは、バーナーが高温金属上で作動するケースであり、これは、例えば、耐火物の過熱の結果として短期間でバーナーが運転停止した後に起こり得る。このケースでは、煙道ガスの温度の上昇は、燃焼における不平衡、あるいは、装填材料との化学的な相互作用の反映ではなく、単純にエネルギーの流入の反映である。

しかしながら、一酸化炭素（ＣＯ）が同時に生成される場合には、これは、高温の液体金属上でアルミニウム酸化物が生成されたことを示しており、これは、恐らくはバーナーの真下で起こる。

次に、酸化層が液体を被覆すると、酸化は緩慢になり、一酸化炭素（ＣＯ）量は減少する。そして、（ｄＣＯ／ｄｔ）／（ｄＴ／ｄｔ）の正の値が、再び酸化検出器になる。

本発明を実施する代替方法は、煙道ガスのＣＯ量の直接的な測定値により、アルミニウム表面上の酸化を検出することからなり、ここからは、装填材料との相互作用の非存在下で、類似の温度及び酸化剤／燃料注入条件の下でバーナーが生成したＣＯ量が差し引かれる。

実際の実施は、流量計２１の酸化剤注入手段１５、及び、もう一方の流量計２３の燃料注入手段１７を加える以外には、図１に示したものとどの点でも類似するアルミニウム酸化物の形成を検出する手段としてのデバイスを含む。この装置は、図４に示されている。

バーナーの初期較正は、バーナー単独で生成されるＣＯ量を定量するために利用され、これは、種々の注入流量及び煙道ガス温度値に対するＣＯ量を記録することにより行われる。デバイス１０により測定されるこのようなＣＯ値は作表され、コンピューター２０に入力される。

これらの作表された値は、アルミニウムを溶融する間、同じ燃料流量、酸化剤流量及び煙道ガス温度条件下で、デバイス１０により測定された量から差し引かれる。このようにして得られた値は、以下の反応に従うアルミニウム及びＣＯ₂の間の酸化反応により生成されるＣＯの量を示す。すなわち、
Ａｌ＋３ＣＯ₂＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３ＣＯ
上述したものと同じ理由で、低温で放出される熱分解生成物が、ＣＯ値の表を無効にすることから、温度条件的なサンプリングにより、この酸化の検出を確認することが必要である。

本発明を実施するための第三の方法は、煙道ガスのＨ₂量を測定することにより得られ、ここからは、装填材料との相互作用の非存在下で同じ温度及び酸化剤／燃料注入条件の下でバーナーが生成したＨ₂量が差し引かれる。

実際の実施は、Ｈ₂量の測定のための手段１９の煙道ガス成分検出手段を加える以外には、図４に示したものとどの点でも類似するデバイスを含む。この装置は、図５に示されている。

バーナーの初期較正は、バーナー単独で生成されるＨ₂量を定量するために使用され、これは、種々の注入流量及び煙道ガス温度値に対するＨ₂量を記録することにより行われる。デバイス１０により測定されるこのようなＨ₂値は作表され、コンピューター２０に入力される。

これらの作表された値は、アルミニウムを溶融する間、同じ燃料流量、酸化剤流量及び煙道ガス温度条件下で、デバイス１０により測定された量から差し引かれる。このようにして得られた値は、以下の反応に従うアルミニウム及びＨ₂Ｏの間の酸化反応により生成されるＨ₂の量を示す。すなわち、
２Ａｌ＋３Ｈ₂Ｏ＝Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｈ₂
上述したものと同じ理由で、低温で放出される熱分解生成物が、ＣＯ値の表を無効にすることから、温度条件的なサンプリングにより、この酸化の検出を確認することが必要である。

水素（Ｈ₂）は液体アルミニウム中に溶解することから、これは測定値を偽って伝えることがあり、Ｈ₂量は測定することがより困難なため、Ｈ₂よりもむしろＣＯを測定することが好ましい。しかしながら、雰囲気と液体金属との間での交換のための領域は、制限されていることから、図６Ａ，６Ｂ及び６Ｃに示すように、Ｈ₂測定値が明快である場合には、Ｈ₂による酸化の検出が可能である。

これらの図６Ａ，６Ｂ及び６Ｃは、酸素を用いた燃焼モードで作動するバーナーが装着されている炉での溶融の間のＣＯ及びＨ₂濃度の時間記録を示すものである。この図において、曲線Ｉは、ＣＯ量を示し、曲線IIは、Ｈ₂量を示す。図６Ａは、９３５℃の煙道ガス温度に相当するものであり、図６Ｂ及び図６Ｃは、１０８０℃の温度に相当するものである。

煙道ガスの上の分析は、アルミニウム溶融プロセスを調節するための基礎として用いることもできる。

固体アルミニウムが炉に導入された後には、それが溶融される操作中に、炉から出る煙道ガスの一酸化炭素及び温度変化が検出される。

センサー１０，１２及び任意にセンサー１４，１６及び１８により出力される信号は、適当な信号処理に供され、調節方法のための入力として使用することができる。これらの操作は全て、コンピューター２０を用いて行うことができる。

一つの可能な調節は、酸化が検出された際に、コンピューター２０が、例えば供給手段１５及び１７に対して設定値を与え、バーナー２４のパワー密度を弱めることである。

もう一つの可能性は、ここで再度にわたり供給手段１５及び１７に働きかけることにより、バーナー２４へと送達される燃料及び酸化剤の流量の比率を修正することである。通常、この組成は、僅かな酸素余剰（煙道ガス中、０％から２〜３％の間の酸素量）を用いて最大の力を与えるか、あるいは、ある製造者のプラントにおいては、酸素希薄混合物を用いて作動し、これによりアルミニウムへの直接的な酸素のアクセスがないことを保証するバーナーのみを用いることにより調節される。そのような還元特性を有する燃焼ガス雰囲気は、酸化剤注入デバイス１５を部分的に閉じるか、あるいは、可能であれば、燃料注入デバイス１７をさらに開けることにより得られる。１００％の酸化剤流量／燃料流量比率から、７０％までの比率を下回る可能性がある。

酸化が検出された後にのみ、還元雰囲気で金属を被覆することは、燃焼損失が存在しない場合の熱効率に関する省力を達成するのを可能にする。

この目的で、そのような還元ガスを炉に導入するための手段（図１では示されていない）が設けられていてもよく、これは、例えば、このガスの供給源、及び、このガスを炉に導入するためのダクトであり、このダクトの開口は、酸化が検出された際にコンピューター２０により制御される。

事実、酸素希薄火炎は、装填材料へと伝達されない幾らかのエネルギーを含む一酸化炭素（ＣＯ）を生成する。高度に効率的なオキシバーナー（ｏｘｙｂｕｒｎｅｒ）は、そのようなエネルギーの損失を許容することができる。

もう一つの制御方法は、酸化の開始が検出された際に、コンピューター２０により制御されるポンプ３０を用いて溶融池４を攪拌することからなる。

このケースでは、煙道ガス分析は、攪拌されている溶融池の上の燃焼のパワーレベルが増加され得るか、あるいは、減少されたかもまた示すことができる。

また、本発明に従う煙道ガス分析及び時間の経過に応じて生成される酸化物の量の追加（ａｄｄｉｔｉｏｎ）は、除滓作業に関する意思決定ツール（ｄｅｃｉｓｉｏｎ−ｍａｋｉｎｇ ｔｏｏｌ）として用いることもできる。

除滓の頻度の最適化は、熱効率の観点から（扉が開けられるまで炉の中は冷却されない）、また、金属の収率に関して（高温金属への空気の不必要なアクセスを回避することから）有利である。

最後に、本発明に従う分析は、特に、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）濃度の分析は、炉の診断として使用することもできる。

空気流入診断は、熱効率のためにも、熱平衡を評価するためにも重要である。

本発明は、アルミニウム精錬分野に応用することも可能である。アルミニウム再生工場において、製造される金属の量を１％改善することは、１０％エネルギーを省力することと等しい。

本発明に従うアルミニウム溶融炉の種々の例を示す図。 二つの炉の出口でなされたガス濃度測定値を示す図。 二つの炉の出口でなされたガス濃度測定値を示す図。 二つの炉の出口でなされたガス濃度測定値を示す図。 本発明に従うアルミニウム溶融炉の種々の例を示す図。 本発明に従うアルミニウム溶融炉の種々の例を示す図。 二つの炉の出口でなされたガス濃度測定値を示す図。 二つの炉の出口でなされたガス濃度測定値を示す図。 二つの炉の出口でなされたガス濃度測定値を示す図。

符号の説明

２…炉、４…アルミニウム溶融池、６…煙道ガス、１０…一酸化炭素測定手段（デバイス，センサー）、１１…炎、１２…温度測定手段（センサー）、１３…煙路、１４…水蒸気濃度測定手段（センサー）、１５…酸化剤注入手段（酸化剤供給手段，酸化剤注入デバイス）、１６…二酸化炭素濃度測定手段（センサー）、１７…燃料供給手段（燃料注入手段，燃料注入デバイス）、１８…酸素濃度測定手段（センサー）、１９…水素測定手段、２０…コンピューター、２１，２３…流量計、２４…バーナー、３０…ポンプ。

Claims (14)

1. アルミニウム溶融炉(2)におけるアルミニウム溶融池(4)の表面上のアルミニウム酸化物の形成を検出する装置であって、
   前記炉から出る煙道ガス(6)の一酸化炭素(CO)濃度変化を検出する手段(10)と、
   前記炉から出る煙道ガス(6)の温度変化を検出する手段(12)と、
   前記一酸化炭素(CO)濃度変化と温度変化の動きを比較するコンピューター(20)と、
   を具備することを特徴とするアルミニウム酸化物の形成を検出する装置。
2. 前記コンピューター(20)が、更に前記一酸化炭素(CO)濃度の経時変化及び前記温度の経時変化の積または比率を得るものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記コンピューター(20)が、更に前記一酸化炭素(CO)量が、装填材料との相互作用の非存在下でバーナーにより生成されたＣＯ量の値を超えているかどうかを検出するものであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の装置。
4. 前記一酸化炭素(CO)濃度をダイオードレーザーにより検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記炉から出る煙道ガス(6)の水素(H₂)濃度変化を検出する手段(19)をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記コンピューター(20)が、更に前記水素(H₂)量が、装填材料との相互作用の非存在下でバーナーにより生成された水素量の値を超えているかどうかを検出するものであることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 二酸化炭素(CO₂)濃度の変化を検出する手段(14)をさらに有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記二酸化炭素(CO₂)濃度の変化をダイオードレーザーにより検出することを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 水蒸気(H₂O)濃度の変化を検出する手段(16)をさらに有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の装置。
10. 前記水蒸気(H₂O)濃度の変化をダイオードレーザーにより検出することを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 酸素(O₂)濃度の変化を検出する手段(18)をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の装置。
12. 前記酸素(O₂)濃度の変化をダイオードレーザーにより検出することを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項記載の装置を具備する反射型のアルミニウム溶融炉。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項記載の装置を具備する回転型のアルミニウム溶融炉。

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