KR20190073280A - 알루미늄 재활용에서 염 사용을 감소시키기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

질량 기준으로 4% 이하의 염을 갖는 알루미늄 충전물을 용융시키는 방법으로서, 연료 및 산화제를 제1 발화율에서 작동하는 버너를 통해 도입하여 상기 연료 및 산화제를 반응시켜 상기 알루미늄 충전물 상에 연소 구역을 형성하고, 상기 용융 단계를 종결하고 상기 알루미늄 충전물이 상기 전이 단계 동안에 거의 완전히 용융된 경우 전이 단계를 개시하고, 상기 버너의 발화율을 제1 발화율보다는 낮은 제2 발화율로 감소시키고, 비-산화 가스를 제1 속도로 도입하여 상기 연소 구역과 알루미늄 충전물 사이에 비-산화 구역을 형성하고, 상기 알루미늄 충전물을 완전히 용융되도록 하고, 전이 단계를 종결하고 알루미늄 충전물이 완전히 용융된 후 탭핑 단계를 개시하고 상기 탭핑 단계 동안에, 상기 용융된 알루미늄 충전물을 노로부터 부어 버림을 포함하는 방법이 제공된다.

Description

알루미늄 재활용에서 염 사용을 감소시키기 위한 방법{METHOD FOR REDUCING SALT USAGE IN ALUMINUM RECYCLING}

상당량의 염은 전형적으로 알루미늄 스크랩 재용융(재활용)을 위해 요구된다. 일단 사용되면, 염-함유 잔기는 알루미늄 드로스(dross) 또는 망초(saltcake)로서 공지되어 있다. 망초는 위험한 폐기물로서 간주되고 따라서 매립지에 매립될 수 없다. 망초는 정상적으로 추가의 비용으로 재활용 공장으로 보내지고 여기서, 상기 염은 추출되고 세정되어 이의 본래의 세부항목으로 가깝게 다시 복귀하여 이것은 다시 사용될 수 있다.

2차 알루미늄 생성에서 알루미늄 스크랩을 재용융시키는 공정에서, 상당량의 염의 첨가는 염이 충전된 물질의 전체 중량의 상당 부분을 차지할 수 있음을 의미한다. 노(furnace)에 충전된 물질은 주로 알루미늄 스크랩 및 염으로 이루어진다. 또한 특정 생성물 요건에 의존하여 의도적으로 혼합물에 첨가되는 추가의 물질이 있다. 예를 들어, 조성이 다양하고 다양한 오염물을 함유할 수 있는 많은 상이한 유형의 알루미늄 스크랩이 있다. 본 개시내용의 목적을 위해, 오염물은 금속 불순물(예를 들어, Mg, Si, Ca, Zn, Mn), 산화물(예를 들어, MgO, SiO₂, Al₂O₃), 및 유기물(예를 들어, 탄화수소, 플라스틱, 페인트, 코팅물)로서 기재된다. 스크랩 유형은 상당히 다양할 수 있고, 여기서, 새로운/청정 스크랩은 95% 초과의 알루미늄을 갖는 것으로 고려되고 5% 초과의 오염물을 갖는 임의의 스크랩은 오래된/더러운 스크랩이다. 일부 스크랩은 코팅된 팩키징과 같은, 상당히 다른 오염물을 함유하고, 여기서, 20% 초과의 물질은 오염물로 이루어질 수 있다. 유기물과 같은 오염물은 용융 공정의 초기 단계 동안에 제거된다(즉, 상기 유기물은 낮은 온도에서 연소하고 스크랩은 가열된다).

알루미늄은 산소에 대해 높은 친화성을 갖고 신속하게 산화 대기에 노출되는 경우 얇은 산화물 층을 형성한다. 따라서, 모든 스크랩은 재활용의 개시 시점부터 존재하는 일부 백분율의 산화알루미늄을 갖는다. 산화알루미늄 쉘은 알루미늄 보다 훨씬 높은 융점을 갖고 따라서 알루미늄 재활용 노 내부에서 용융되지 않는다. 산화알루미늄 쉘은 화학적으로 또는 물리적으로 쪼개져 상기 용융된 알루미늄이 회피되도록 하여야만 한다. 후속적으로, 덜 조밀한 산화물은 표면에 부유한다. 상기 용융된 알루미늄이 상기 노 내부에서 산화 대기로부터 보호되지 않는 경우, 추가의 산화를 진행하여 수율을 감소시킨다. 추가의 산화알루미늄의 형성은 그물 처럼 작용하여 이의 구조물 내에 용융된 알루미늄을 포집하여 또한 수율을 감소시킨다.

용융 공정을 개선하기 위해 놀에 염을 첨가하고 다수의 이득을 가질 수 있다. 전형적으로, 노에서 알루미늄 스크랩에 첨가된 염의 질량은 스크랩의 유형, 노의 유형, 작동 방법 및 여러 다른 파라미터에 의존하여 알루미늄 스크랩의 질량의 약 5% 내지 약 15%이다. 염의 주요 임무는 알루미늄을 산화 대기로부터 보호하는 것이다. 염은 또한 스크랩의 산화알루미늄 쉘을 쪼개기 위한 화학적 기전을 제공함에 의해 반응에 참여한다. 염은 용융 동안에 형성되는 산화알루미늄을 쪼개는 것을 도와주고 일부의 포집된 알루미늄을 방출한다. 기계적 교반기 또는 회전식 노는 흔히 산화알루미늄의 쪼개짐을 도와주기 위해 사용된다. 염은 또한 금속 불순물과 반응하여 이들을 제거하는 것을 도와준다. 염의 다른 이득은 밀도 및 점도와 같은 용융물 성질을 변화시킴을 포함하여 용융물과 이의 오염물 간의 분리를 개선시킨다.

상이한 유형의 알루미늄 노는 재활용 공정에 사용되는 염의 양을 감소시키기 위해 고안되었다. 그러나, 상당양의 염을 제거하는 것들은 훨씬 덜 효율적이고 따라서 이상적인 해결책이 아니다. 상기 산업에서 사이클 효율, 수율 또는 비용에 상당한 해를 끼치지 않으면서 염의 사용을 감소시킴에 의해 상당한 비용 절감을 제공할 필요가 있다.

선행 특허 US 5563903은 단일 비-산화(보호) 층 또는 단층(stratum)을 연소 구역 또는 단층과 알루미늄 사이의 알루미늄 재활용 노에 도입하여 알루미늄에 대한 산화 공격을 감소시키고 이에 의해 드로스(dross) 형성을 감소시키고 수율을 증가시키는 방법을 기재하고 있다. 이러한 계획은 일반적으로 도 1에 나타낸다. 비-산화 층(101)은 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스, 또는 수소, 메탄 또는 다른 탄화수소와 같은 환원 가스를 포함할 수 있다. 상기 수행에서, 연소 반응물(104) (예를 들어, 천연 가스 및 공기/산소) 및 비-산화 가스(105)(예를 들어, 질소) 둘 다는 노에 저속으로 도입되어 가스(101) 및 (103)의 2개의 단층의 혼합을 최소화한다. 구체적으로, 저속 버너, 층류 버너 또는 예비 혼합된 복사형 버너는 연소층 (103)과 비-산화 층(101) 간의 혼합을 감소시키기 위해 추천되고, 비-산화 가스(105)의 속도는 초당 50 피트를 초과하지 않도록 교시되고 바람직하게는 초당 20 피트 미만이도록 교시된다. 염 연소에서 어떠한 감소도 없다.

예를 들어, 금속 표면 부근에 연료-풍부 (감소) 화염 및 금속 욕조로부터 연료-풍부 화염의 반대 측면 상에 화학양론적 또는 연료-희박 화염을 형성하는 산화제-단계적 버너를 사용함에 의해 금속의 산화를 감소시키기 위한 다른 시도가 있었다. 유리 노에 관한 것이지만 예를 들어, US 8806897을 참조한다. 유사하게, EP 0962540에 기재된 것과 같은 시스템은 준-화학양론적 양의 공기(즉, 연료-풍부)와 함께 작동되는, 공기-연료 버너 상에 산소 랜스(lance)를 제공한다. 산소 랜스는 버너 상에 설치되어 연료 풍부 버너의 환원 대기는 산화 흐름과 알루미늄 사이의 장벽으로서 작용한다.

추가로, 다른 시스템은 중심 튜브를 통해 흐르는 산화제와 튜브 사이의 고리형 공간을 통해 흐르는 연료를 사용한 표준 튜브-인-튜브(tube-in-tube)(2개의 동심원 튜브 또는 파이프)를 작동시킴에 의해 비-산화 또는 환원 층을 효과적으로 생성시키는 것과 유사한 발상을 사용한다. 이것은 연소 구역에서 소모되기 때문에 용융물과 산소 접촉을 억제한다. 상기 배치는 버너로부터 산소 회피를 감소시키는 경향이 있지만, 회피하는 유리된 산소 분자로부터 용융된 알루미늄을 보호하기 위해 활성적으로 작용하지 않는다.

하나의 양상에서, 질량 기준으로 4% 이하의 염을 포함하는 알루미늄 충전물을 노에서 용융시키는 방법은 연료 및 산화제를 제1 발화율(first firing rate)에서 작동하는 버너를 통해 노에 도입하고 상기 연료 및 산화제 반응으로 알루미늄 충전물 상에 연소 구역을 형성하고 상기 용융 단계를 종결하고 상기 알루미늄 충전물이 상기 전이 단계 동안에 거의 완전히 용융된 경우 전이 단계를 개시하고, 상기 버너의 발화율을 제1 발화율보다는 낮은 제2 발화율로 감소시키고, 비-산화 가스를 제1 속도로 노에 도입하여 상기 연소 구역과 알루미늄 충전물 사이에 비-산화 구역을 형성하고, 상기 알루미늄 충전물을 완전히 용융되도록 하고, 알루미늄 충전물이 완전히 용융된 후 시점에 탭핑 단계를 개시하고 상기 탭핑 단계 동안에, 상기 용융된 알루미늄 충전물을 노로부터 부어버림을 포함한다.

하나의 구현예에서, 상기 방법은 상기 전이 단계 후 그리고 상기 탭핑 단계 전에, 비-산화 가스의 흐름을 중지하고, 상기 용융된 알루미늄 충전물을 교반하는 단계 및 제2 속도에서 비-산화 가스의 흐름을 재개하는 단계를 포함하는, 교반 단계를 개시하는 단계를 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 상기 용융된 알루미늄 충전물은 구성 비히클에 부착된 대형 도구를 사용함에 의해 및/또는 축에 대한 노를 회전시킴에 의해 교반한다. 하나의 구현예에서, 상기 방법은 상기 탭핑 단계 동안에 용융된 알루미늄 충전물을 노로부터 부허넣으면서 용융된 알루미늄 충전물 상에 제3 속도로 비-산화 가스를 흐르게함을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스는 불활성 가스이고 여기서, 비-산화 구역은 불활성 구역이다. 하나의 구현예에서, 불활성 가스는 질소, 아르곤 또는 이의 혼합물이다. 상기 구현예에서, 제2 속도 및 제3 속도는 각각 제1 속도로부터 상이한 것과 동일한 것일 수 있다.

하나의 구현예에서, 비-산화 가스의 흐름은 연료 및 산화물의 흐름의 각도에 상보적인 각도에서 도입하여 비-산화 가스의 흐름 및 연료와 산화제의 흐름이 서로 방해하지 않는다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스의 흐름은 용융된 알루미늄 상에 블랭킷을 형성한다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스 흐름의 제1 속도는 적어도 400 m/s이다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스 흐름의 제2 속도는 제1 속도 미만이다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스 흐름의 제3 속도는 적어도 200 m/s이다. 하나의 구현예에서, 상기 방법은 탭핑 단계 동안에 비-산화 가스의 흐름을 냉각시키고 비-산화 가스의 흐름과 함께 용융된 알루미늄을 대류적으로 냉각시킴을 추가로 포함한다.

또 다른 양상에서, 알루미늄 충전물을 용융시키기 위한 시스템은 도어를 갖는 노에서 질량 기준으로 5% 이하의 염을 포함하고, 노의 도어에 탑재된 버너를 포함하고, 상기 노는 연료 및 산화제를 노에 도입하여 알루미늄 충전물 상에 연소 구역을 형성하도록 구성되고, 랜스는 비-산화 가스를 노에 도입하여 연소 구역과 알루미늄 충전물 사이에 비-산화 구역을 형성하도록 구성되고, 가스 주사기는 노의 도어 근처에 비-산화 가스를 도입하도록 구성된다. 하나의 구현예에서, 버너 및 랜스는 노의 도어에 탑재한다.

하나의 구현예에서, 상기 랜스는 적어도 400 m/s의 속도로 비-산화 가스를 도입하도록 구성된다. 하나의 구현예에서, 상기 버너 및 랜스는 도어에 실질적으로 직각이도록 배향된다. 하나의 구현예에서, 가스 주사기는 하나 이상의 출구를 갖는 매니폴드를 포함하고, 상기 하나 이상의 출구는 비-산화 가스의 평판 흐름을 도어가 개방된 경우 노에 전달하도록 구성된다. 하나의 구현예에서, 하나 이상의 출구는 단일의 평판의 넓은 출구를 포함한다. 하나의 구현예에서, 상기 가스 주사기는 적어도 200 m/s의 속도로 비-산화 가스를 전달하도록 구성된다. 하나의 구현예에서, 상기 가스 주사기는 상기 출구가 알루미늄 충전물의 상부 표면에 실질적으로 평행하는 비-산화 가스의 흐름을 도입하도록 배향된다.

본 발명은 이후 유사 물질이 유사 구성 요소를 지칭하는 첨부된 도면과 연계하여 기재된다:
도 1은 연소 구역과 알루미늄 욕조 사이에 계층화된 비-산화 층을 갖는 선행 기술 분야의 노의 도해이다.
도 2는 연소 구역과 알루미늄 욕조 사이에 비-산화 구역을 도입하기 위한 시스템의 구현예를 보여주는 측면도이다.
도 3은 연소 구역과, 개방 위치에서 도어를 갖는 알루미늄 욕조 사이에 비-산화 구역을 도입하기 위한 시스템의 구현예를 보여주는 측면도이다.
도 4a는 용융 단계에 본 발명의 구현예를 보여주는 도식이다.
도 4b는 전이 단계에 본 발명의 구현예를 보여주는 도식이다.
도 4c는 교반 단계에 본 발명의 구현예를 보여주는 도식이다.
도 4d는 부어넣기(pouring) 또는 탭핑(tapping) 단계에 본 발명의 구현예를 보여주는 도식이다.
도 5는 연소 구역과 알루미늄 욕조 사이에 연소 구역과 비-산화 구역 둘 다를 도입하기 위한 시스템의 구현예를 보여주는 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실험적 예에서 비 가스(specific gas)와 산소의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험적 예에서 질소 시험 사이클 시간의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험적 예에서 충전된 총 금속의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 방법의 흐름 다이아그램이다.

본 발명의 도면 및 기재 사항은 본 발명의 명백한 이해를 위해 관련된 구성 요소를 도해하기 위해 단순화되었고, 명료한 목적을 위해 관련 시스템 및 방법에서 발견되는 많은 다른 구성 요소를 제거한 것으로 이해되어야만 한다. 당업자는 다른 구성 요소 및/또는 단계가 요구될 수 있고/있거나 본 발명을 수행하는데 요구됨을 인지할 수 있다. 그러나, 상기 요소 및 단계는 당업계에 널리 공지되어 있고, 이들은 본 발명의 보다 양호한 이해를 촉진시키지 않기 때문에 상기 구성 요소 및 단계의 논의는 본원에 제공되지 않는다. 본원의 개시내용은 당업자에게 공지된 그러한 구성요소 및 방법에 대한 그러한 변화 및 변형 모두에 관한 것이다.

달리 정의되지 않는 경우, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기재된 것들과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 물질은 본 발명의 수행 또는 시험에서 사용될 수 있지만, 바람직한 방법 및 물질이 기재된다.

본원에 사용된 바와 같은 하기의 용어의 각각은 본 섹션에서 이와 연합된 의미를 갖는다.

부정관사 "a" 및 "an"은 본원에서 부정관사의 문법적 대상물의 하나 이상 (즉, 적어도 하나)을 언급하기 위해 사용된다. 예를 들어, "구성 요소"는 하나의 구성 요소 또는 하나 초과의 구성 요소를 의미한다.

양, 일시적 지속 기간 등과 같은 측정가능한 값을 언급하는 경우 "약"은 상기 변형이 적절하다면 ±20%, ±10%, ±5%, ±1%, 및 ±0.1%의 변형을 포함하는 것으로 의미된다.

본원에 사용된 바와 같이, "연소 가스"는 열-방출 연소 반응을 지속할 수 있는 적어도 하나의 탄화수소-함유 연료 및 적어도 하나의 산소-함유 산화제의 조합을 의미하고 (여기서, 상기 탄화수소는 산소와 반응한다), 제한 없이 탄화수소-함유 연료, 예를 들어, 수송 가스에서 가스 연료, 액체 연료, 및 고체 연료, 및 산소-함유 산화제, 예를 들어, 공기, 환기(약 21% 미만의 분자 산소를 갖는), 산소 풍부한 공기(약 21% 초과의 분자 산소, 적어도 23% 분자 산소, 적어도 70% 분자 산소, 적어도 90% 분자 산소), 또는 산업 등급의 산소(적어도 93% 분자 산소, 적어도 95% 분자 산소, 또는 적어도 99% 분자 산소)를 포함한다.

본 발명의 버너는 "발화율"을 갖는 것으로서 기재될 수 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 버너의 발화율은 상기 버너가 이의 주변 상에 에너지를 부여하는 비율이고 전형적으로 상기 연료를 화학양론적 양의 산소(산화제의 유속에 의해 공급되는)로 완전히 연소시키는 이론적 칼로리 값에 의해 증폭된 연료의 유속으로서 계산된다. 임의의 소정의 발화율에서, 상기 버너는 또한 화학양론을 가질 수 있고, 이는 임의의 과량의 산소를 잔류시키는 것 없이 상기 연료를 완전히 연소시키기 위해 이론적으로 요구되는 산소의 양에 대한 산화제에 제공된 산소의 비율이다. 임의의 소정의 발화율에서, 버너는 연료-풍부(화학양론 양 미만의 산소와 함께), 화학양론으로 또는 연료-희박(화학양론 초과의 산소와 함께)으로 작동될 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은 "비-산화" 가스는 옥시-연료 연소 온도에서 수소 또는 탄화수소 연료를 실질적으로 산화시키지 않는 가스이다. 비-산화 가스의 예는 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤, 실질적으로 불활성 가스, 예를 들어, 질소 및 환원 가스, 예를 들어, 수소 또는 일산화탄소를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. "비-산화 가스"는 그러나 연료 및 산화제와 반응하여 % 미만 수준의 생성물을 생성할 수 있고, 예를 들어, 이것은 질소와 같은 가스가 연소 반응에서 NOx와 같은 최소 구성을 생성할 수 있다.

용어 "알루미늄 충전물," "충전물," 및 "충전물 중량"은 본원의 개시내용 전반에 걸쳐 사용된다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 알루미늄 충전물 또는 충전물은 본 발명의 방법에 따라 용융될, 노에 로딩된 물질이다. 상기 충전물은 일정 양의 염 뿐만 아니라 재활용될 일정 양의 스크랩 금속을 포함한다. "충전물 중량"은 스크랩 및 염을 포함하는, 완전한 충전물의 중량이다. "스크랩 중량"은 단독의 스크랩의 중량이고 "염 중량"은 단독의 염의 중량이다.

본원의 개시 내용 전반에 걸쳐, 본 발명의 다양한 양상은 일정 범위 포맷으로 제공될 수 있다. 범위 포맷의 기재 사항은 단지 편의 및 간결성을 위한 것으로 이해되어야만 하고 본 발명의 범위에 대한 융통성의 제한으로서 해석되지 말아야 한다. 따라서, 범위의 기재사항은 상기 범위내 개별 수치적 값 뿐만 아니라 모든 가능한 서브범위를 구체적으로 기재한 것으로 고려되어야만 한다. 예를 들어, 1 내지 6과 같은 범위의 기재 사항은 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 3 내지 6 등과 같은 서브범위, 및 상기 범위내 개별 숫자, 예를 들어, 1, 2, 2.7, 3, 4, 5, 5.3, 6 및 이 사이의 임의의 전체 및 부분적 증분을 구체적으로 기재하는 것으로서 고려되어야만 한다. 이것은 범위의 폭에 상관 없이 적용한다.

염 사용에서 감소는 염이 구입하는 것 및 재활용하는 것 둘 다에 비용이 들 수 있기 때문에 알루미늄 재활용 산업에서 고도로 요구된다. 본원에 기재된 것은 알루미늄 재활용 노에서 수율 및 효율을 증가시키기 위해 고속 비-산화 가스 블랭킷팅으로 보다 낮은 염 함량을 보충하기 위한 시스템 및 방법이다. 본 발명의 방법은 노 대기에서 수증기로부터 알루미늄을 추가로 보호하고 알루미늄 및 물의 반응을 억제하고, 후속적 산화알루미늄 형성 뿐만 아니라 알루미늄으로의 수소 흡수를 감소시킨다. 최적의 결과를 위해, 각각의 개별 노 및 알루미늄 스크랩 레시피는 최적의 공정 조건을 결정하기 위해 주의깊게 예비 시험을 통해 고려되어야만 하는데, 그 이유는 피해야할 염의 양이 상이한 유형의 공정 및 스크랩에 대해 다양하기 때문이다. 피할 수 있는 염의 양은 용융되는 스크랩의 레시피를 포함하는, 여러 인자들에 의존한다. 그러나, 염을 피하기 위해 본원에 기재된 바와 같은 방법은 각각 각각의 유형의 스크랩에 대한 임의의 다른 염 회피 전략과 비교하는 경우 보다 우수한 결과를 생성할 것으로 예상된다.

본 개시내용의 일부는 기울어진 회전 노를 언급한다. 기울어진 회전 노는 당업계에 공지되어 있고 반사로(reverberatory furnace) (여기서, 주요 열 전달 기전은 화염 방사 및 가스 대류이다)와 비교하여 상대적으로 작은 조각으로 이루어진 벌크 물질을 프로세싱하도록 디자인한다. 작은 입자는 높은 표면적을 갖고 있고, 드럼의 형태 및 각도는 노 대기에 노출되는 비교적 작은 표면을 유도한다. 스크랩의 개별 조각 간에 열 전도는 다수의 엣지 및 이들 사이의 공간으로 인해 불량하다. 그러나, 드럼의 회전은 노 벽에서 전도를 통한 증가된 열 전달을 가능하게 한다. 노 벽은 일정하게 승온되고 후속적으로 용융된 욕조에 침수된다. 추가로, 드럼 움직임은 일정하게 충전물을 교반하여 개선된 열 전달을 유도한다.

지금 도 2를 언급하면, 본 발명의 시스템의 하나의 구현예를 나타낸다. 기울어진 회전 노 201은 일정량의 알루미늄 스크랩 및 상응하는 양의 염을 포함하는 알루미늄 충전물 또는 용융물 206으로 충전시킨다. 노 201은 도어(208) 상에 위치된 노즐(207)을 갖는 버너(202)를 포함한다. 버너(202)는 알루미늄 충전물 또는 용융물(206)을 가열하기 위해 연소 가스(204)의 노 (201)로의 흐름을 주사하기 위해 구성된다. 일부 구현예에서, 버너(202)는 고정적으로 도어(208)에 수직으로 부착될 수 있거나, 대안적으로 상기 버너(202)는 알루미늄 충전물의 표면에 실질적으로 평행하도록 탑재하여 연소 가스(204) 흐름이 알루미늄 충전물 또는 용융물(206)의 표면에 실질적으로 평행하도록 한다. 일부 구현예에서, 버너(202)는 도어(208)으로부터 제거 가능하고 대신 도어(208)에서 구멍(나타내지 않음)으로 삽입된다. 일부 구현예에서, 상기 시스템은 추가로 랜스(203)를 포함하고, 상기 랜스는 도어(208)에 고정적으로 부착되거나 도어(208)에서 구멍을 통해 삽입될 수 있다. 랜스(203)는 비-산화 가스(205)를 주사하기 위해 구성되고, 도어(208)에 유사하게 실질적으로 직각이거나 알루미늄 충전물 또는 용융물(206)의 표면에 실질적으로 평행하게 탑재될 수 있다. 일부 구현예에서, 랜스(203)는 비-산화 가스(205)의 흐름이 버너 (202)로부터 연소 가스(204)의 흐름에 실질적으로 평행하도록 탑재된다.

지금 도 3을 언급하면, 본 발명의 시스템의 하나의 구현예는 가스 주사기(301)를 추가로 포함하고, 상기 주사기는 노(201)의 외부로, 도어(208)에 고정적으로 부착될 수 있거나, 대안적으로 장치의 나머지로부터 분리될 수 있고, 적당한 시점에서 위치로 이동할 수 있다. 상기 가스 주사기(301)는 비-산화 가스를 분배하기 위한 다수의 노즐 또는 구멍을 갖는 파이프 또는 매니폴드이다. 하나의 구현예에서, 나타낸 바와 같이, 가스 주사기(301)는 레이크(rake)일 수 있다. 도시된 구현예에서, 레이크(301)는 주입구(303) 및 장벽을 따라 위치된 하나 이상의 출구 구멍(304)을 포함하고, 비-산화 가스(302)의 하나 이상의 스트림을 노(201)에 주사하기 위해 구성된다. 일부 구현예에서, 레이크(301)는 도어(208)가 개방되는 경우, 출구 구멍(304)이, 알루미늄 충전물 또는 용융물(206)의 표면에 실질적으로 평행하는 비-산화 가스(302)의 스트림을 주사하기 위해 배향되도록 탑재된다.

지금 도 4a를 언급하면, 본 발명의 방법의 용융 단계를 나타낸다. 하나의 구현예에서, 용융 단계의 초기 부분은 표준 수행에 이어서 작동기에 따라 수행되고, 여기서, 스크랩은 정상적으로 염으로 충전되고, 본 발명의 개선 덕택으로 적은 염이 요구된다. 하나의 구현예에서, 본 발명의 방법에 따라 수행되는 용융은 통상적인 용융 보다 적어도 50% 적은 염을 요구한다. 또 다른 구현예에서, 80% 적은 염이 요구된다. 버너(207)는 고온에서 작동하고 연소 가스(204)를 기울어진 노(201)로 주사한다. 하나의 구현예에서, 용융 단계 동안에, 비-산화 가스 주사기(203)로부터의 비-산화 가스가 거의 없다.

일부 구현예에서, 욕조(206)가 거의 용융된 경우, 전이 단계가 개시된다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법의 전이 단계 동안에, 버너(207)는 낮은 발화로 감소되거나 중단된다. 비-산화 가스(205)는 이어서 비-산화 가스 주사기(203)를 통해 주사되고, 여기서, 이상적으로 가스의 2 내지 3개의 노 용적은 5 내지 10분 기간 동안 주사되어야 한다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스(205)는 약 425 m/s의 속도로 가스 주사기(203)로부터 주사된다. 다른 구현예에서, 상기 가스 주사 속도는 적어도 200 m/s, 적어도 300 m/s, 적어도 400 m/s, 또는 적어도 500 m/s일 수 있다. 비-산화 가스 주사율은 사용되는 스크랩의 유형, 사용되는 비-산화 가스의 유형 및 노의 기하학적 구조에 의해 다양할 수 있는 것으로 이해되어야만 한다. 하나의 구현예에서, 상기 비-산화 가스는 랜스(203)를 통해 주사된다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스(205)는 높은 유속을 갖고 랜스(203)는 비-산화 가스 흐름이 버너의 것을 보충하도록 하는 각도를 갖는다. 구체적으로, 랜스(203) 및 버너(207)은 버너(207)가 비-산화 가스(205)의 주사 동안에 잔류하는 경우, 2개의 흐름(204) 및 (205)이 서로를 방해하지 않고 비-산화 가스(205)가 용융된 금속(206) 상에 블랭킷을 형성하도록 하는 각도를 갖는다.

일부 구현예에서, 도 4b에 나타낸 전이 단계에 이어서 교반 단계가 후속된다. 본 발명의 방법의 교반 단계의 하나의 구현예는 도 4c에 나타낸다. 교반 단계 동안에, 용융물(206)은 노 도어(208)(상기 목적을 위해 개방된)를 통해 삽입된 교반 단계에 의해 및/또는 노(201)를 회전시키거나 계속 회전시킴에 의해 교반된다. 상기 교반 장치는 당업계에 공지되어 있고, 예를 들어, 용융 욕조를 수동으로 교반시키기 위해 사용되는 긴 부착과 함께 JCB 또는 포크리프트 등을 포함한다. 일부 구현예에서, 교반 단계 동안에, 비-산화 가스 주사기(203)는 노(201) 내부에서 산소로부터 용융된 욕조(206)를 보호하기 위해 노(201)를 비-산화 가스로 가득 채운다. 교반 단계의 목적은 욕조 온도가 균일하게 분포하도록 하고 잔류하는 임의의 상대적으로 큰 조각의 스크랩을 쪼개는 것이다. 일부 구현예에서, 상기 공정은 5 내지 10분 걸리고 반복할 필요가 있을 수 있다. 일단 제1 교반이 완료되면, 상기 도어를 다시 폐쇄시키고 작동자는 교반이 보다 요구되는지를 결정한다. 일부 구현예에서, 보다 교반이 요구되는 경우, 본 발명의 방법은 도 4b에 나타낸 바와 같이 전체적으로 또는 부분적으로 전이 단계를 반복할 수 있다. 전이 단계 동안에 및 도어가 개방된 상태로, 비-산화 가스 스트림(205)에 의해 형성되는 비-산화 가스 블랭킷은 용융된 욕조(206) 상부 상에 잔류시키고 산화에 대한 차폐로서 작용한다. 일부 구현예에서, 추가의 비-산화 가스는 용융물 상부를 가로질러 교반 단계 동안에 도입된다. 하나의 구현예에서, 추가의 비-산화 가스는 레이크를 통해 도입된다(도 4c에 나타낸 바와 같이).

본 발명의 방법의 탭핑 단계는 도 4d에 나타낸다. 용융된 알루미늄을 탭핑하기 위한 제제는 정상적 관행에 따라 수행된다. 일부 구현예에서, 도어(208)는 슬라이드 개방되지만, 다른 구현예에서, 원하는 경우 도어(208)를 노(201)로부터 들어올리도록 구성된 기계적 아암을 사용하거나, 도어(208)가 약간 상향으로 경사져 용융된 금속이 쏟아져 나오도록 힌지 수단을 사용하여 도어(208)를 노(201)에 부착할 수 있다. 도어(208)가 개방된 경우 및 탭핑 동안에, 추가의 비-산화 가스 주사기(301)는 용융물(206)의 표면을 가로 질러 비-산화 가스를 도입하기 위해 사용된다. 하나의 구현예에서, 주사기(301)는 단일의 편평한 광각 분무 노즐을 포함하고 또 다른 구현예에서 도 3에 나타낸 바와 같이 주사기(301)는 용융된 욕조(206)의 표면의 폭을 따라 위치된 여러 노즐을 포함한다. 일부 구현예에서, 주사기(301)는 레이크를 포함한다. 하나의 구현예에서, 비-산화 가스(302)는 340 m/s의 속도로 가스 주사기(301)로부터 주사된다. 다른 구현예에서, 상기 가스 주사 속도는 적어도 50 m/s, 적어도 200 m/s, 적어도 300 m/s, 또는 적어도 400 m/s일 수 있다. 하나의 구현예에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 주사기(301)에 의해 도입된 가스 스트림(302)은 용융된 욕조(206)의 표면에 평행하거나 실행가능하게 거의 평행하다. 비-산화 가스 스트림(302)의 목적은 산소 분자가 알루미늄과 접촉하게 되는 것을 차단하거나 이를 억제는 것이고 이는 용융된 욕조(206) 상에 블랭킷팅 층을 제공하거나 노에서 산소-함유 가스를 희석시키거나 이의 일부 조합에 의해 성취될 수 있다. 추가로, 상기 가스 스트림(302)은 추가로 및 이롭게 용융된 욕조(206)에 냉각을 제공한다.

하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은 다수의 교호하는 교반 및 부어넣는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 교반은 회전시킴에 의해 성취되고 주사기(301)로부터 가스 스트림(302)은 각각의 부어넣는 단계 동안에 도입되어 노 도어(208)에서 갭을 통해 진입하는 산소로의 노출을 최소화한다.

알루미늄 재활용에서 염 사용의 하나의 결과는 노에서 슬래그의 축적이다. 슬래그는 주로 산화물, 염 및 알루미늄으로 구성되는 용융 공정의 폐기물이다. 슬래그는 위험한 폐기물로 간주되고 따라서 매립지에서 처분될 수 없다. 재프로세싱 슬래그는 시간과 돈을 소비하고 슬래그 자체는 알루미늄을 포획하여 수율을 감소시킨다. 재프로세싱 슬래그는 또한 매우 에너지 집약적임에 따라 본 발명의 방법은 통상적인 재활용 방법 보다 적은 에너지를 소비한다. 보다 많은 슬래그는 보다 많은 염이 첨가되어 형성됨에 따라서 슬래그 감소는 알루미늄 재활용에서 염 사용 감소에 대한 추가의 이점을 구성한다.

슬래그 축적물은 불순물 뿐만 아니라 포획된 알루미늄을 함유한다. 슬래그가 산소에 노출되는 경우, 상기 포획된 알루미늄 및 불순물은 다양한 발열 반응을 진행하여 본 발명의 방법의 교반(회전) 및 부어넣는 단계 동안에 상당한 온도 증가를 유발할 수 있다. 상기 문제점을 감안하면 용융물내 보다 낮은 염 함량은 보다 효율적인 열 전달을 유도한다.

하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은 슬래깅 단계를 포함하고, 여기서, 노(201)에 잔류하는 임의의 슬래그 물질은 도 4에 나타낸 부어넣는 단계와 유사하게 부어넣기에 의해 제거된다. 슬래깅 단계 동안에, 슬래그는 상기된 바와 같이 과열을 유발할 수 있는 발열 산화를 유도하는 공기와 접촉하게 된다. 도 4에 나타낸 바와 같은 슬래깅 단계 및 이전의 단계 동안에 비-산화 가스의 도입은 대류 냉각에 의한 상기 효과를 완화시킬 수 있는데 그 이유는 비-산화 가스의 온도는 용융물 상에 대기를 블랭킷팅하거나 삽입함에 의해 용융물의 온도 보다 상대적으로 냉각되기 때문이다.

본원에 기재된 방법의 일부 구현예에서, 계층화된 대기는 알루미늄 노에서 형성되고, 상기 계층화된 대기는 연소 구역과 알루미늄 충전물 사이에 십입된 적어도 하나의 비-산화 층을 가져 연소 구역을 알루미늄으로부터 분리시킴으로써 알루미늄의 산화를 억제한다. 상기 논의된 바와 같이, 상기 계층화된 대기는 단일 비-산화 층 또는 하나 초과의 비-산화 층을 사용할 수 있다.

계층화된 대기 보호를 사용하는 주요 이득은 알루미늄을 보호하기 위해 요구되는 염의 양을 상당히 감소시키는 것이다. 하나의 트레이드오프는 전체 노 효율이 노에 부가된 냉각된 비-산화 가스의 부가적 열 로딩으로 인해 약간 감소될 수 있다는 것이다. 추가의 이득은 예를 들어, 알루미늄 품질 및 수율을 개선시키면서 실현될 수 있다. 염을 용융물에 첨가하는 주요 목적 중 하나는 알루미늄을 산화로부터 보호하는 것이다. 계층화된 대기 보호 방법이 올바르게 사용되는 경우, 상기 공정에 요구되는 염의 양을 상당히 감소시킬 수 있다. 덜한 산소가 용융물과 접촉하게 되는 경우, 덜 산화되어 보다 양호한 수율을 수득한다.

본 발명의 구현예는 하나의 가스 구역, 도 1에서와 같은 2개의 가스 구역 또는 2개 초과의 가스 구역을 형성하도록 작동될 수 있다. 모든 구현예에서, 버너(207)는 산화제 및 연료를 연소시켜 노(201)의 바닥에 위치된 알루미늄 충전물(206)에 위치된 알루미늄 충전물(206)을 용융시키기 위한 열을 생성한다. 연소 산화제 및 연료는 알루미늄 충전물 상에 노 공간 내 연소 구역 또는 층을 생성한다. 알루미늄 충전물(206)로의 1차 열 전이 기전은 대류에 의하기 보다는 방사에 의한 것이기 때문에, 계층화된 대기를 생성하는 것은 알루미늄의 가열을 유의적으로 감소시키지 않는다. 또한, 방사 열 전달을 증진시키기 위해, 버너 내 산화제는 공기 보다 산소 풍부한 공기일 수 있고, 적어도 23%, 적어도 30%, 적어도 70%, 적어도 90%, 또는 적어도 95%의 분자 산소 농도를 갖는다. 임의의 표준 버너는 상기 구현예에서 사용될 수 있다.

버너는 고속 버너인 것이 바람직하고, 산화제 및 연료 중 적어도 하나가 초당 적어도 60피트의 속도, 바람직하게 초당 적어도 75피트 및 보다 바람직하게 초당 적어도 100피트의 속도로 노에 도입됨을 의미한다. 상기 고속은 화염이 연통 쪽으로 다시 순환하기 전에 노를 충분히 침투하도록 하고, 상기 연통은 전형적 알루미늄 회전 노에서 버너의 위치 상에 도어에 위치한다. 다른 버너/연통 구성은 또한 본 발명의 시스템 및 방법과 함께 사용하기 위해 적합할 수 있는 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 연통은 버너의 반대쪽 노의 뒷편에 위치할 수 있다.

도 5의 도시된 대안적 구현예에서, 비-산화 가스는 주사기, 노즐 또는 랜스(503)에 의해 버너(502) 밑으로 도입되어 버너(502)로부터 방출된 연소 층(505) 밑에 보호 비-산화 구역 또는 층(506)을 형성한다. 비-산화 가스는 알루미늄 충전물 또는 용융물(504) 근처에 도입되어 알루미늄(504)과 접촉하게 되는 산화의 양을 추가로 감소시키는 블랭킷 또는 차폐를 생성시킨다. 비-산화 가스는 탄화수소 연소 또는 산화에 실질적으로 포함되지 않는 임의의 가스, 예를 들어, 질소 또는 아르곤일 수 있다.

일부 구현예에서, 본 발명은 알루미늄 용융물에서 염 사용을 감소시키는 방법을 추가로 포함한다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 방법은 용융 단계(900)를 포함하고, 이는 연료 및 산화제 흐름을 충전물(901)을 함유하는 노에 도입하는 단계를 포함하고 상기 연료 및 산화제는 반응하여 충전물(902) 상에 연소 구역을 형성한다. 알루미늄 충전물이 거의 완전히 용융되는 경우, 본 발명의 방법은 전이 단계(910)를 개시하고, 이는 버너(911)의 발화율을 감소시키고, 비-산화 가스 흐름을 제1 속도로 도입하여 연소 구역과 알루미늄 충전물(912) 사이에 비-산화 구역을 형성하고, 알루미늄 충전물을 완저한 용융물(914)이 되도록 하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 본 발명의 방법은 하나 이상의 교반 단계(920)를 포함한다. 이들 구현예에서, 비-산화 가스가 도입된 후 그러나 충전물이 완전히 용융되기 전에, 비-산화 가스 흐름은 중단(921)시키고 이어서 충전물을 교반(922)하고 이어서 비-산화 가스의 흐름은 상이한 유속(923)으로 재개한다. 일부 구현예에서, 본 발명의 방법은 다수의 교호하는 교반 및 전이 단계를 포함한다. 알루미늄 충전물이 완전히 용융되는 경우, 본 발명의 방버븐 탭핑 단계(930)를 개시하고, 여기서, 상기 용융된 알루미늄 충전물은 노(931)로부터 부어 버린다.

노로의 도입 전 계층화된 가스의 예비가열 및 구체적으로 비-산화 가스의 예비가열은 이로울 수 있지만 필수적이지 않다. 하나의 구현예에서, 배기 가스 재순환은 열 교환에 의해 또는 안에서 블렌딩 또는 혼합함에 의해 열을 비-산화 가스로 부가하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 배기 가스 재순환은 비-산화 층 자체를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 많은 물의 첨가는 용융물로? 과도한 수소 흡수를 유도할 수 있고 바람직하지 않을 수 있다. 비-산화 흐름의 배기 가스 재순환 또는 예비가열의 최적 양은 실험적으로 결정될 수 있다.

단일 비-산화 층과 함께 작동하는 5 내지 40 메트릭 톤의 능력을 갖는 전형적 노에서, 질소 또는 아르곤의 초기 유속이 비-산화 가스 블랭킷을 형성함에 이어서 유속을 유지시켜 (초기 유속과 동일하거나 보다 낮을 수 있는) 비-산화 가스 블랭킷이 용융몰을 커버하기에 충분히 온전한 상태로 잔류하도록 하거나 용융물에 인접하게 되는 임의의 산화제를 혼합함에 의해 희석되는 것을 보장하기 위해 요구되는 것으로 추정된다. 예상되는 초기 질소 유속은 용융물을 커버하기 위해 초기 시기 동안 시간 당 정상 50 내지 400 세제곱 미터(Nm³/hr) 및 바람직하게 50 내지 200 Nm³/hr이다. 초기 시간은 적어도 1분 및 60분 미만일 수 있고 바람직하게 약 5 내지 30분이다. 예상된 유지 유속은 용융물 사이클의 나머지의 적어도 일부에 대해 1 내지 300 Nm³/hr(초기 유속의 5% 내지 75%), 바람직하게 10 내지 200 Nm³/hr(초기 유속의 20% 내지 50%), 및 보다 바람직하게 10 내지 100 Nm³/hr(초기 유속의 20% 내지 25%)이다.

작동적으로, 스크랩 알루미늄의 용융은 흔히 조기 단계(여기서, 페인트, 코팅 및 다른 유기 또는 증발물과 같은 오염물은 연소되거나, 산화되거나 스크랩으로부터 증발된다)에 이어서 용융 단계(여기서, 잔류 알루미늄 금속은 용융된다)를 포함한다. 따라서, 조기 단계 동안에, 알루미늄 충전물과 접촉된 산소-함유 대기를 가져 본원에 기재된 시스템 및 방법이 상기 오염물이 제거된 후에만 작동될 수 있도록 할 필요가 있거나 바람직할 수 있다. 또한, 상기된 바와 같이, 고체 알루미늄 스크랩은 이를 추가의 산화로부터 방지하는 얇은 산화물 층을 가져 계층화된 대기는 상기 산화 층의 쪼개짐이 개시할때까지 필요하지 않도록 한다. 오염물이 제거된 초기 단계와 관련된 시스템 및 방법은 예를 들어, US 9091484에 기재되어 있다.

결과적으로, 계층화된 대기를 생성하기 위해 본원에 기재된 방법은 상기 알루미늄이 거의 용융되거나 용융을 개시하는 경우 용융물의 후기 단계에 적용된다. 이 전에, 고체 알루미늄은 이미 보호 알루미늄 산화 층을 갖고 따라서 추가의 보호는 요구되지 않는다.

본원에 기재된 바와 같이, 계층화된 대기의 주요 목적은 용융 공정 동안에 산화로부터 알루미늄을 보호하는데 있어서 염을 대체하는 것이다. 그러나, 염은 상기 공정이 알루미늄을 산화로부터 단순히 보호하는 것 보다 더 공정을 이롭게 하기 때문에, 계층화된 대시 시스템의 사용은 충전된 스크랩의 상이한 유형에 따라 조정될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 상이한 물질은 상이한 버너 발화율, 상이한 비-산화 가스 속도 또는 상이한 비-산화 가스 유속을 요구할 수 있다. 대부분의 경우에, 적어도 일정의 염의 백분율은 보호를 위해 계층화된 대기로 대체될 수 있다.

예를 들어, 새로운/청정 스크랩에 충전시키는 경우, 덜한 염은 산화물을 쪼개기 위해 및 금속 불순물을 제거하기 위해 요구되고 따라서, 염의 높은 백분율은 산화에 대한 보호를 위해 단백질에 대한 계층화된 대기에 의해 대체될 수 있다. 그러나 보다 많은 금속 불순물 또는 산화물을 함유하는 스크랩은 여전히 산화물의 쪼개짐 및 화학적 제거를 돕기위해 일부 염을 여전히 필요로 한다. 따라서, 초기 스크랩 내에 존재하는 금속 불순물 및 산화물의 백분율은 피할 수 있는 염의 양에 영향을 준다. 보다 더러운 스크랩에 대해, 염 회피 및 수율 간에 트레이드오프가 있을 가능성이 있다. 상이한 레시피는 개별적 기준으로 개별 노에 대해 실험적으로 결정되어야만 한다.

실험 실시예

본 발명은 지금 하기의 실시예를 참조로 기재한다. 이들 실시예는 단지 설명의 목적을 위해 제공되고 본 발명은 어떠한 방식으로 든지 상기 실시예로 제한되는 것으로 해석되지 말아야 하지만 본원에 제공된 교시의 결과로서 자명한 임의의 모든 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

추가의 기재 없이, 통상의 기술자는 이전의 기재 및 하기 설명의 실시예를 사용하여 본 발명을 제조하고 사용하고 청구된 방법을 수행하는 것으로 사료된다. 하기의 실시예는 따라서 구체적으로 본 발명의 바람직한 구현예를 지적하고 어떠한 방식으로든지 기재내용의 나머지를 제한하는 것으로서 해석되지 말아야 한다.

시험은 도어에 위치된 버너 및 연통 둘 다를 갖는 8MT 기울어진 회전식 노에 대해 수행되었다. 고수율 드로스(75-85%)는 '염 메트"로서 공지된, 노에 충전시켰다. 충전 전, 스크랩 물질은 15 cm 이하의 작은 조각으로 프로세싱되었다. 상기된 방법은 시험 전반에 걸쳐 수행되었다. 질소는 시험에서 비-산화 가스로서 사용되었고 성공적으로 수행되었고, 여기서, 80% 이하의 염이 회피되었다. 어떠한 유의적 문제점이 염의 감소 또는 비-산화 가스 주사 과정 후로부터 발생하지 않는다. 수행능 데이터는 실험 동안에 사용되는 특정 가스 및 특정 산소가 정상 작동 범위 내에 있는 것임을 보여주었다. 데이터는 또한 용융 시간 내 유의적 감소가 정상 작동 범위와 비교하는 경우 모든 질소 주사 실험에 대해 성취됨을 보여주었다. 결과로서, 용융 속도는 상당히 개선되었다.

결과는 하기 표 1에 간략하게 요약된다. 용융물 1 및 2는 60% 염을 회피하였고 이는 용융물 둘 다에서 대략 380 kg의 염이 회피되는 것과 동등하였다. 용융물 3은 대략 80% 염을 회피하였고 500 kg의 염이 회피되게 한다. 하기된 바와 같이, 참조 용융물은 정상적으로 8.2% 내지 8.5% 염이다. 본 발명의 방법을 적용함에 의해, 용융물의 염 함량은 용융물 1에서 3.4%로, 용융물 2에서 3.6%로, 및 용융물 3에서 1.9%로 낮게 감소되었다. 모든 용융은 잘 진행되었고 어떠한 유의적 문제점이 염을 감소시키는데 일어나지 않았다. 염의 백분율 감소는 보다 높은 열 전달 속도를 유도함에 따라서 노로의 에너지 인풋은 용융 말기 쪽으로 세밀하게 모니터링되어야만 한다. 염의 적은 사용은 감소된 슬래그 산출을 유도할 수 있고 따라서 증가된 수율을 유도할 수 있다. 그러나, 많은 대형 데이터세트는 수율 효과에 대한 통계학적 확실성을 제공하는 것이 요구된다.

노 수행능은 질소 주사 실험 동안에 분석되었고 최근 유사한 '정상' 용융물과 비교하였다. 염 메트를 함유하는 모든 최근 용융물은 중요한 수행능 메트릭스에 대해 분석되었고, 이는 비 가스, 비 산소(specific oxygen), 사이클 시간 및 용융 속도를 포함한다. 질소 존재 및 부재하에 용융물에 대해 이들 메트릭스를 비교하면 비교적 냉각된 질소의 도입 및 감소된 양의 염 충전이 노 용융 수행능에 어떠게 영향을 미치는지에 대한 통찰을 제공하였다.

질소 주사 시험에 상응하는 20개 용융물이 확인되었고 이를 사용하여 염 용융물의 정상 작동 조건에 대한 기준선 수행능을 결정하였다. 데이터는 평균치로하고 표준 편차를 사용하여 염 용융물에 대한 참조 범위를 결정하였고, 여기서, 상기 질소 주사 시험은 정상 수행능 메트릭스를 충족해야만 한다. 이들 참조 범위는 청색 선으로서 도 6 내지 8에 제공되고 오차 막대는 각각의 메트릭스에 대해 표준 편차를 나타낸다. 참조 데이터는 각각의 도면에서 작은 청색 데이터 포인트로서 제공된다. 상기 도면은 또한 각각 특정 가스, 특정 산소, 사이클 시간 및 용융 속도에 대해 대형 삼각형(도 6), 사각형(도 6), 원형(도 7) 및 다이아몬드(도 8)로서 나타낸 질소 주사 시험으로부터의 데이터 포인트를 포함한다.

도 6은 특정 가스 및 특정 산소 수행능 메트릭스를 보여준다. 청색 데이터 포인트는 참조 데이터의 스프레드를 보여주고 오차 막대와 함께 청색 선은 정상 작동에 대해 평균화된(평균) 값을 보여준다. 평균 비 가스는 충전된 총 스크랩의 34.8 Nm³/MT이다. 표준 편차는 평균 10.0%이고 청색 오차 막대에 의해 나타나는 3.5 Nm³/MT로서 계산되었다. 질소 주사 실험 동안에 사용되는 특정 가스는 따라서 정상 용융물의 수행능과 일치하는 31.3-38.3 Nm³/MT 범위내에 있어야만 한다. 대형 적색 삼각형은 특정 가스를 나타내고 이것은 모든 용융물이 37.2, 36.2 및 32.7 Nm³/MT의 범위내에 있음을 알 수 있다. 이것은 비-산화 가스 주사 방법이 용융을 완료하기 위해 사용되는 가스의 양에 유의적으로 영향을 미치지 않음을 지적한다.

도 6은 또한 특정 산소를 보여준다. 상기 데이터는 동이한 관찰이 가스 사용에 대해 상기된 바와 같은 산소 사용에 대해 진실임을 시사한다. 평균 특이적 산소는 충전된 총 스크랩의 64.1 Nm³/MT이다. 표준 편차는 평균 9.6%이고 청색 오차 막대에 의해 나타나는 6.1 Nm³/MT로서 계산되었다. 질소 주사 실험 동안에 사용되는 특정 산소는 따라서 정상 용융물의 수행능과 일치하기 위해 58.0-70.2 Nm³/MT 범위내에 있어야만 한다. 대형 녹색 사각형은 특정 산소를 나타내고 다시 이것은 모든 용융물이 68.9, 67.3 및 60.6 Nm³/MT의 범위내에 있음을 알 수 있다.

도 7은 충전이 개시된 시점 부터 슬래깅이 종료되는 시점까지 기록되는 사이클 시간을 보여준다. 청색 데이터 포인트는 참조 데이터의 스프레드를 보여주고 오차 막대와 함께 청색 선은 정상 작동에 대해 평균화된(평균) 값을 보여준다. 평균 사이클 시간은 3.26시간(또는 시간:분:초에서 03:15:36)이다. 표준 편차는 0.46시간(27.6분)으로서 계산되었고 따라서 정상 사이클 범위는 2.80-3.72시간 내에 있다. 대형 오렌지 원형은 질소 주사 데이터를 나타내고 모든 3개의 용융물에 대한 사이클 시간은 작동의 정상 범위 보다 다소 낮았고, 여기서, 용융물 1 내지 3에 대한 사이클 시간은 각각 2.48, 2.48 및 2.68시간이다. 이것은 예상값과 일치하고, 이는 적은 물질이 노에 충전되고 충전물 중에 알루미늄이 보다 높은 백분율로 존재하여 보다 높은 열 전달 속도를 유도하기 때문이다. 사이클 시간에서 감소는 상기 비-산화 가스 주사 기술이 증가된 생성의 부가된 이득을 가져올 수 있음을 시사한다. 데이터는 염 메트에 대해 45분의 사이클 시간에서 평균 감소를 보여준다. 이것은 본원에서의 데이터를 기준으로 노에 대한 생성 증가를 유도할 수 있다.

도 8은 용융 속도를 보여주고 이는 충전물 중량 및 사이클 시간으로부터 결정되었다. 평균 용융 속도는 2.10 MT/hr로서 나타낼 수 있고, 전체 사이클 시간을 거쳐 취득된다. 표준 편차는 0.29시간 MT/으로서 계산되었고 따라서 정상 작동 범위는 1.81-2.39시간이다. 용융물 1 내지 3에 대한 용융 속도(대형 다이아몬드)는 각각 2.85, 2.61 및 2.58이었다. 용융 속도는 염이 덜 사용되는 경우 유의적으로 개선되고 이는 예측값과 일치한다.

염 메트는 각각 충전된 130 및 160 kg/MT를 사용하는, 메트 및 드로스와 같은 다른 물질과 비교하여 비교적 소량의 염(100kg/MT의 염 메트가 충전된)을 사용한다. 용융물 당 잠재적 이득은 상기 물질에 대해 유의적으로 보다 높았다.

본 발명은 본 발명의 여러 양상의 도해로서 의도되는 실시예에 기재된 특정 양상 또는 구현예로 제한되지 말아야하고 기능적으로 동등한 임의의 구현예는 본 발명의 범위내에 있다. 본원에 나타내고 기재된 것들 뿐만 아니라 발명의 다양한 변형은 당업자에게 자명하고 첨부된 특허청구범위내에 속한다.

Claims (20)

1. 질량 기준으로 4% 이하의 염을 포함하는 알루미늄 충전물을 노(furnace)에서 용융시키는 방법으로서, 상기 방법은:
   용융 단계 동안에, 연료 및 산화제를 제1 발화율(first firing rate)에서 작동하는 버너를 통해 노에 도입하고 상기 연료 및 산화제를 반응시켜 알루미늄 충전물 상에 연소 구역을 형성하고;
   상기 용융 단계를 종결하고 알루미늄 충전물이 거의 완전히 용융된 경우 전이 단계를 개시하고;
   상기 전이 단계 동안에:
   상기 버너의 발화율을 상기 제1 발화율 보다 낮은 제2 발화율로 감소시키고,
   비-산화 가스를 제1 속도로 노에 도입하여 상기 연소 구역과 알루미늄 충전물 사이에 비-산화 구역을 형성하고;
   상기 알루미늄 충전물이 완전히 용융되도록 하고;
   상기 전이 단계를 종결하고 상기 알루미늄 충전물이 완전히 용융된 후 시점에서 탭핑(tapping) 단계를 개시하고;
   탭핑 단계 동안에, 용융된 알루미늄 충전물을 상기 노로부터 부어버림을 포함하는, 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전이 단계 후 그리고 상기 탭핑 단계 전에,
   비-산화 가스의 흐름을 중단시키는 단계;
   상기 용융된 알루미늄 충전물을 교반하는 단계; 및
   제2 속도에서 비-산화 가스의 흐름을 재개하는 단계를 포함하는, 교반 단계를 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 용융된 알루미늄 충전물이 구조 유형 비히클에 부착된 도구 및/또는 축에 대한 노의 회전 중 하나 또는 둘 다에 의해 교반되는, 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 탭핑 단계 동안에, 상기 용융된 알루미늄 충전물을 상기 노로부터 부어 넣으면서 상기 용융된 알루미늄 충전물 상에 제3 속도로 상기 비-산화 가스를 흐르게 함을 추가로 포함하는, 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 비-산화 가스가 불활성 가스이고 여기서, 상기 비-산화 구역이 불활성 구역인, 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 불활성 가스가 질소, 아르곤, 및 질소와 아르곤과의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 비-산화 가스의 흐름이 연료 및 산화제의 흐름의 각도에 상보적인 각도에서 도입하여 상기 비-산화 가스의 흐름 및 연료와 산화제의 흐름이 실질적으로 서로 방해하지 않도록 하는, 방법.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 비-산화 가스의 흐름이 상기 용융된 알루미늄 상에 블랭킷을 형성하는, 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 비-산화 가스 흐름의 제1 속도가 적어도 400 m/s인, 방법.
10. 청구항 2에 있어서, 상기 비-산화 가스 흐름의 제2 속도가 제1 속도 이하인, 방법.
11. 청구항 4에 있어서, 상기 비-산화 가스 흐름의 제3 속도가 제1 속도 이하이고 적어도 200 m/s인, 방법.
12. 청구항 4에 있어서, 탭핑 단계 동안에
    비-산화 가스의 상기 흐름을 냉각시키는 단계; 및
    상기 비-산화 가스의 흐름으로 상기 용융된 알루미늄을 대류적으로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
13. 질량 기준으로 4% 이하의 염을 포함하는 알루미늄 충전물을 도어를 갖는 노에서 용융시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템이:
    연료 및 산화제를 상기 노에 도입하여 상기 알루미늄 충전물 상에 연소 구역을 형성하도록 구성된, 상기 노의 도어에 탑재된 버너;
    비-산화 가스를 상기 노에 도입하여 상기 연소 구역과 상기 알루미늄 충전물 사이에 비-산화 구역을 형성하도록 구성된 랜스(lance); 및
    비-산화 가스를 상기 노의 도어 근처에 도입하도록 구성된 가스 주사기를 포함하는, 시스템.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 랜스가 상기 노의 도어로 탑재된, 시스템.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 랜스가 적어도 400 m/s의 속도로 비-산화 가스를 도입하도록 구성된, 시스템.
16. 청구항 14에 있어서, 상기 버너 및 상기 랜스가 상기 도어에 실질적으로 직각이도록 배향되는, 시스템.
17. 청구항 13에 있어서, 상기 가스 주사기가 하나 이상의 출구를 갖는 매니폴드를 포함하고, 상기 하나 이상의 출구가 비-산화 가스의 평판 흐름을 상기 도어가 개방된 경우 상기 노에 전달하도록 구성된, 시스템.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 하나 이상의 출구가 단일의 평판의 넓은 출구를 포함하는, 시스템.
19. 청구항 17에 있어서, 상기 가스 주사기가 적어도 200 m/s의 속도로 상기 비-산화 가스를 전달하도록 구성된, 시스템.
20. 청구항 17에 있어서, 상기 가스 주사기가 상기 출구가 상기 알루미늄 충전물의 상부 표면에 실질적으로 평행하는 비-산화 가스의 흐름을 도입하도록 배향된, 시스템.

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