TW202004110A

TW202004110A - 操作批次式熔爐之系統及方法

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Publication number: TW202004110A
Application number: TW108117245A
Authority: TW
Inventors: 夏雷茲普拉迪浦甘戈利; 艾維夏克古哈; 安舒古普塔; 烈德雅各杭德蕭特; 麥克Ｊ加拉格爾; 馬汀羅倫斯; 彼得特拉米查
Original assignee: 美商氣體產品及化學品股份公司
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CA3043819A1; EP3572538A1; BR102019010306B1; CA3043819C; PL3572538T3; ES2902805T3; KR20190134495A; TWI689694B; CN110530166B; US11441206B2; EP3572538B1; US20190360067A1; KR102294325B1; MX2019005846A; BR102019010306A2; CN110530166A

Abstract

一種控制熔爐中金屬熔化處理程序之系統與方法，包括決定代表一熔爐之至少一爐體參數，將含固體金屬之進料加入熔爐中，檢測代表進料之至少一進料參數，將燃燒器點燃置入熔爐中以提供熱能熔化進料，並將燃燒器燃燒產物排出爐體外，檢測代表熔化進料之進展之至少一處理程序參數，根據至少一爐體參數計算爐效率，根據至少一進料參數、至少一處理程序參數以及爐效率計算預估處理程序澆注預備時間，以及根據預估處理程序澆注預備時間控制金屬熔化處理程序。

Description

操作批次式熔爐之系統及方法

本發明係關於用於最佳化金屬熔化處理程序之系統及方法。

二次金屬回收處理程序涉及熔化來自各種來源與上游處理程序之金屬廢料，使廢料之形狀、尺寸大小與組成通常具有相當大變化。輸入材料中之高度不一致性必須適配熔化處理程序。因此，用於金屬回收之熔爐其能量需求會經常改變，通常由熔化到熔化，導致作業效率與產率具有高度變異性。當操作人員同時操作多個爐體時，會放大來自處理程序變異性之損失。

雖然統計製程/品質控制（SPC）係用於各種產業中之管控上，但統計製程控制似乎並未用以決定處理程序澆注預備時間或於不同參數之間進行最佳化以實現最適熔化時間。此外，雖然離線研究已利用實驗與模擬對鋁熔化之最佳化進行研究，但似乎尚未開發出於未使進料過熱超出其金屬傳輸目的所需之溫度之情況下，用以決定便於即時或接近即時完成熔化處理程序所需之時間與能量之方法。

美國專利號4,484,947係關於透過測量爐體中之特定溫度並調整燃燒器之燃燒率以控制封閉爐床中鋁熔化處理程序，以快速熔化鋁且不使爐料過熱。當進料為固體並具有高熱容量時，該處理程序通常試圖將大量熱能置入爐內，接著當進料開始呈熔融態並且具有較低吸收熱能之容量時，則將較低量之熱能置入爐內。947號專利並未對處理程序澆注預備時間進行預測或使用除溫度之外之任何感測器或測量參數。

於此所述為用於最佳化金屬熔化處理程序之系統及方法。應用感測器與其他資料輸入之系統監測固體金屬爐料之特性、爐體作業效率、爐體處理變量與爐體輸出資訊。該資訊係用以能更佳預測處理程序澆注預備時間與/或所需汲出（tapping）能量，以幫助提升處理程序效率與/或決定最佳作業條件，並考量包括但不限於熔化能、熔化時間、燃燒率、燃料/氧氣比、產率、多爐作業、廢料可用性與成本，以及市場需求。

層面1。一種控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，包含：一熔爐，其包含經設置並經排列以接收含固體金屬之進料之一腔室；一燃燒器，其經設置並經排列以將燃燒熱能提供予該腔室中之進料；以及一通道，其用以將該燃燒器之燃燒產物排出腔室外，其中該熔爐其特徵在於具有至少一爐體參數；至少一感測器，其用以檢測代表加入爐體中之進料之至少一爐料參數；至少一感測器，其用以檢測代表爐體內熔化處理程序之進展之至少一處理程序參數；以及具有一處理器之一控制器，該處理器係經設置以：根據至少一爐體參數計算總體爐效率；根據至少一進料參數、至少一處理程序參數以及爐效率計算預估處理程序澆注預備時間；以及根據預估處理程序澆注預備時間控制爐體之作業。

層面2。層面1之系統進一步包含：至少一感測器，其係用以檢測以代表熔化處理程序之至少一效能輸出參數；其中該控制器係進一步經程式化以根據至少一爐體參數與至少一輸出參數計算爐效率。

層面3。層面2之系統，其中該控制器係進一步經程式化以：記錄多個先前熔化處理程序之至少一輸出參數；以及根據經記錄之多個先前熔化處理程序之至少一輸出參數以計算總體爐效率。

層面4。層面1至3中任一者之系統，其中至少一進料參數包括以下至少一者：進料重量、助熔劑重量、助熔劑組成、揮發性污染物含量、期望產率、初始溫度、汲出溫度、澆注溫度、進料尺寸、進料形狀、進料表面積體積比、進料材料組成，以及進料熔化溫度。

層面5。層面1至4中任一者之系統，其中用以排放燃燒器燃燒產物之通道包括一煙道；且其中至少一處理程序參數包括以下至少一者：燃燒器燃燒率、反應物焓率、排氣焓率、煙道溫度、爐壁溫度、燃料熱值、煙道出口燃燒強度、袋集塵室溫度、煙道氣體組成、煙道管溫度、爐門溫度、爐門間隙尺寸、爐殼溫度、爐腔溫度、進料熔化速率、爐熱損失、熔化作業花費時間，以及進料外觀。

層面6。層面5之系統，其中該爐體為一迴轉爐；且其中至少一處理程序參數進一步包括以下至少一者：爐體旋轉速度、旋轉馬達電流、旋轉馬達轉矩，以及爐振動。

層面7。層面5之系統，其中該爐體為一反射爐；且其中至少一處理程序參數進一步包括以下至少一者：起泡器氣體攪拌應用之氣壓、爐頂溫度、爐壁溫度、爐底板溫度、熔體循環速度、熔體循環中所耗費之能量，以及爐腔內部之熔體溫度。

層面8。層面1至7中任一者之系統，其中至少一爐體參數包括以下至少一者：爐體類型、爐體尺寸、爐體狀態、爐體壽命、耐火材料類型、耐火材料壽命、廢料歷史、燃料成本、氧化劑成本、助熔劑成本，以及爐體作業程序。

層面9。層面1至8中任一者之系統，其中該控制器係進一步經程式化透過以下計算預估處理程序澆注預備時間：根據至少一進料參數計算理論能量需求；根據理論能量需求與爐效率計算目標燃料消耗；根據至少一處理程序參數計算實際燃料消耗；以及根據目標燃料消耗與實際燃料消耗之比較計算預估處理程序澆注預備時間。

層面10。層面1至8中任一者之系統，其中該控制器係進一步經程式化以根據處理程序澆注預備狀態預測計算一汲出時間（tap time）。

層面11。一種控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法，包含：決定代表一熔爐之至少一爐體參數；將含固體金屬之進料加入熔爐中；檢測代表進料之至少一進料參數；將燃燒器點燃置入熔爐中以提供熱能熔化進料，並經由一煙道將燃燒產物排出爐體外；檢測代表熔化進料之進展之至少一處理程序參數；根據至少一爐體參數計算爐效率；根據至少一進料參數、至少一處理程序參數以及爐效率計算預估處理程序澆注預備時間；以及根據預估處理程序澆注預備時間控制金屬熔化處理程序。

層面12。層面11之方法，進一步包含：檢測代表熔化處理程序之輸出之至少一輸出參數；以及根據至少一爐體參數與至少一輸出參數計算爐效率。

層面13。層面12之方法，進一步包含：記錄多個先前熔化處理程序之至少一輸出參數；並且根據經記錄之多個先前熔化處理程序之至少一輸出參數計算爐效率。

層面14。層面11至13中任一者之方法，其中至少一進料參數包括以下至少一者：進料重量、助熔劑重量、助熔劑組成、揮發性污染物含量、期望產率、初始溫度、進料尺寸、進料形狀、進料表面積體積比、進料材料，以及進料熔化溫度。

層面15。層面11至14中任一者之方法，其中至少一處理程序參數包括以下至少一者：燃燒器燃燒率、反應物焓率、排氣焓率、煙溫、爐壁溫度、燃料熱值、煙道出口燃燒強度、袋集塵室溫度、煙道氣體組成、煙道管溫度、爐門溫度、爐門間隙尺寸、爐殼溫度、爐腔溫度、進料熔化速率、爐熱損失、熔化作業花費時間，以及進料外觀。

層面16。層面15之方法，其中該爐體為一迴轉爐；且其中至少一處理程序參數進一步包括以下至少一者：爐體旋轉速度、旋轉馬達電流、旋轉馬達轉矩，以及爐振動。

層面17。層面15之方法，其中該爐體為一反射爐；且其中至少一處理程序參數進一步包括以下至少一者：起泡器氣體攪拌應用之氣壓、爐頂溫度、爐壁溫度、爐底板溫度、熔體循環速度、熔體循環中所耗費之能量，以及爐腔內部之熔體溫度。

層面18。層面11至17中任一者之方法，其中至少一爐體參數包括以下至少一者：爐體類型、爐體尺寸、爐體狀態、爐體壽命、耐火材料類型、耐火材料壽命、廢料歷史、燃料成本、氧化劑成本、助熔劑成本，以及爐體作業程序。

層面19。層面11至18中任一者之方法，進一步包含：透過以下計算預估處理程序澆注預備時間：根據至少一進料參數計算理論能量需求；根據理論能量需求與爐效率計算目標燃料消耗；根據至少一處理程序參數計算實際燃料消耗；以及根據目標燃料消耗與實際燃料消耗之比較計算預估處理程序澆注預備時間。

層面20。層面11至18中任一者之方法，進一步包含根據處理程序澆注預備狀態預測計算一汲出時間。

金屬熔化，特別是金屬廢料係為具許多變數之複雜問題。通常，輸入至爐體內之物質其主要來源係來自燃燒器與進料。某些爐體具有額外噴槍、多孔塞或用於引入此程序所需之反應氣體或其他材料之其他相似技術。部分空氣亦可經由爐體中之間隙進入。來自燃燒器之物質輸入可為固體、液體與/或氣體燃料之形式並伴隨氧化劑，其一般為空氣與/或高氧空氣，其中高氧空氣可包括大於20.9%並達100%之氧氣。爐體中之進料通常係由金屬或金屬合金、金屬氧化物、金屬雜質、有機材料、添加劑以及某種助熔劑或鹽類所組成。有時根據爐料材料之處理程序與組成則不需加入添加劑或助熔劑。

由爐體輸出之材料主要經由煙道（或用於排出燃燒產物之另一通道，例如爐體與爐門之間之間隙）以及自經處理之進料去除（其可包括由金屬礦石所精煉之熔融金屬，以及來自金屬礦石之剩餘固體例如浮渣或爐渣）澆注/汲出與渣化。煙道氣體組成與體積係取決於進料組成、燃燒化學劑量以及燃燒器流速。通常係自爐體將液態金屬澆注或汲出並澆入至生鐵錠流道（sows）或鑄錠（ingot），或至一流槽以轉移至另一爐體。於澆注後，將剩餘廢料其通常係指爐渣自爐體去除。爐渣通常包含一定比例之最終產物，因此經常對其進行再加工以盡可能提取最終產物。爐體中所剩餘之任何材料係稱為殘渣（heel），並成為下一批次之部分。

於此所述之系統與方法透過將理論計算值與來自測量關鍵參數之資料進行組合以完成物質與能量平衡，測量關鍵參數係例如進料類型與重量、輸入氣體之流速以及煙道氣體溫度。此分析係用以決定處理程序之效能，包括但不限於爐效率、可用熱，以及爐損耗。接著使用相對較大資料集，結合專家知識與貼近現場資料以決定對於一給定進料於一給定時間爐體之理想或目標作業。理想或目標作業係用以根據多個資料輸入決定是否以及何時將充足能量輸入至爐體中以將進料熔化至所期望之狀態，以對爐體操作人員提供貼近現場回饋。可選擇地，此系統可經設置以閉迴路控制模式進行自動作業，無需操作人員進行決策。

圖3中顯示熔化鋁廢料所需之比能量（specific energy），將於未使用於此所述方法之典型鋁製迴轉爐中達成實際燃料消耗率（SFC）之範例與更優化之燃料消耗進行比較。圖3顯示，於目前實施上，熔化所需之能量依循平均為850Btu/lb之分佈，而目標燃料消耗率可低至725Btu/lb，此可透過於此所揭露之方法所獲得。因此，透過改善處理程序控制可使能量效率降低達15%。

除每單位進料重之節能外，預防進料過熱或缺熱可具有顯著效益。舉例而言，圖4（來自Eric N. Coker之Sandia Report SAND2013-8424名稱為「透過熱重分析與示差掃描熱析法測定高溫下鋁之氧化」）顯示鋁過熱之潛在問題中之一者。產物或產率之損失會隨鋁於較高溫度下發生氧化而增加。鋁係於660°C進行熔化。與800°C以上之氧化速率相比，介於750°C至800°C之間之氧化速率係為適中。因此，透過將熔融溫度保持於處理所需之最高溫度，並且較佳為低於800°C，可節省能量輸入（燃料與氧氣）與鋁。此外，可減短循環時間，節省時間，降低作業成本並提高產量。

於此所述之系統與方法探求使金屬熔化處理程序最佳化，透過：（1）識別充填至爐體中之材料；（2）識別（加熱與）熔化材料（應注意某些材料為浮渣或爐渣形式之部分並未發生熔化）所需之總能量；（3）利用感測器之系統追蹤作業中能量之輸入與損耗；（4）考量影響爐效率之因素；以及（5）將來自前述至少二資訊進行組合以決定目標汲出能量與最佳汲出時間之估算。此策略係由熔爐之總效率其經驗基礎計算，與根據相同（選擇性相似）爐體中之先前熔化處理程序之持續精煉所驅使。

範例性系統100係顯示於圖1中，其用於實施圖2所示之範例性控制處理程序200。圖1之系統係經實施用於裝設各種感測器之迴轉爐110，且其特徵在於具有額外輸入，係如下所述。系統100包括爐體110、爐壁160、一腔室120，其係由爐壁160所界定以容納進料130、一燃燒器140，其用以透過火焰142將燃燒熱提供至腔室120與進料130，以及一煙道150，其用於將燃燒產物排出腔室120外。一爐門170，其覆蓋爐體110之開口端。應當理解，某些爐體未包括煙道，而是經由另一通道例如裂縫或爐體與爐門之間之間隙將燃燒產物排出。

爐體110與相關設備係裝設各種感測器。作為非限制性範例，該等感測器包括進料輸入感測器42，例如進料重量感測器32。該等感測器可進一步包括處理程序參數感測器40，例如袋集塵室溫度感測器12、煙道管溫度感測器14、燃燒強度或煙道氣體組成感測器16、煙道氣體溫度感測器18、爐門溫度感測器20、爐門間隙感測器22、殼體溫度感測器26，以及爐體耐火材料或爐壁溫度感測器28。該等感測器仍可進一步包括設備感測器46，例如旋轉速率感測器30。該等感測器仍可進一步包括輸出感測器44，例如金屬澆注溫度感測器24。所有該等感測器輸入以及可手動或自動輸入之額外資料或資訊係經提供予具有處理器52之控制器50。

如圖2所示，傳送至控制器50之進料輸入42包括感測器所提供之資訊，例如進料重量421，以及手動或自動取得之其他資訊，例如進料組成422、進料時間423、前次殘渣424（於汲出後爐體110中所剩餘之前熔化進料之量）、進料狀態425（例如進料是否包含油、塗料或其他揮發性物質）、進料特性426（例如尺寸、形狀、表面體積比）以及其他資料427（例如進料中助熔劑或鹽之數量、初始進料溫度、進料熔化溫度、助熔劑或鹽類組成）。

此外，傳送至控制器50之處理程序輸入40包括感測器所提供之資訊，以及手動或自動取得之其他資訊，例如反應物焓率401（例如燃燒器燃燒率）、排氣焓率402（其可部分根據排氣溫度與組成所決定）、時間403、爐體作業404、爐體狀態405以及其他資料406（例如期望回收率或金屬產率、燃料流速、氧化劑流速、排氣流速、燃燒器化學計量）。

更進一步，傳送至控制器50之爐體輸入46包括感測器所提供之資訊，以及手動或自動取得之其他資訊，例如爐體類型與狀態461、耐火材料類型與狀態462、程序463、目標汲出能量464、測定輸出465以及其他資料466。某些爐體輸入亦可擷取歷史或設備相關資料。

可自動或經由操作者之輸入將進料參數輸入提供予HMI或其他裝置。於一範例中，可透過手動或影像識別選擇進料類型以接收期望回收輸入，其中影像識別可計算一給定進料類型之預定期望回收，或可經訓練以根據利用可見與/或非可見波長之進料之光學特性對期望回收進行識別。利用此技術，金屬進料之圖片或影像可助於識別進料並決定類型、品質與表面積體積比，以及總體進料尺寸。對於揮發性汙染物可使用相似技術。可利用傳統測力器、其他傳統手段測量重量，或利用影像識別方式估計重量。

控制器50接收所有該等輸入，且處理器52利用一模型60計算一目標汲出能量預測，並決定此處理程序相對目標汲出能量預測之進程差異。

於圖2所示之範例性批次金屬熔化控制處理程序之簡化處理程序流程圖中，利用理論計算並結合實際資料產生爐體之模型60。如上所述，模型60之精確度取決於相關設備、進料與處理程序參數之各種輸入。

模型60之主要控制目標係用以準確預測所需汲出能量62，接著以即時或接近即時對爐體操作人員提供實況回饋，用於開迴路控制或自動閉迴路控制中，傳達已達成之目標汲出能量百分比。透過準確預測目標汲出能量62，並調整爐體控制以最佳化接近預測目標汲出能量62而未使熔體過熱。當到達100%時（即當模型60計算出目標汲出能量62已輸入至進料時），將對操作人員發出警示預測已將充足能量輸入至爐體中以實現特定循換之期望汲出溫度。此告知操作人員循環之熔化階段已完成。操作人員或系統應關閉燃燒器並執行後熔化動作以完成循環。

於熔化後，執行後熔化動作64。此等可包括手動攪拌熔體並取出熔融金屬樣本用於分析，並測量可用以通知爐體中後續熔化處理程序之作業之任何相關輸出參數44。接著將熔融金屬汲出（澆注）至另一爐體中，進入生鐵錠流道，或鑄成最終產物。最後，將爐渣自爐體移除。

目前，由具經驗之爐體操作人員估計關鍵輸入參數之數量，以及於汲出前進料是否已充分熔化。然而，與人員之所有估算相同，人員之間與不同時間之估算其變異性極大，人為因素對於結果有顯著影響。於實施上，由操作人員之替換以及輪班可得知爐體效能變化。進一步，手動資料輸入例如供應至爐體中之進料重，可能會有輸入錯誤之情形。影像處理與分析之進階工具可克服上述挑戰。透過於處理估計回收率、臨界進料尺寸與揮發性組成分率之前開發影像初始資料集，系統可經訓練以於熔化之前自動提供該等數值之估算，並且該些數值可用於計算預估熔化能量需求，以及所需汲出能量。接著當滿足目標汲出能量時，系統會根據熔化後所測量之至少一輸出參數得知估算是否準確。

舉例而言，可透過評估金屬澆注溫度與預估金屬澆注溫度之間之差異，與/或透過評估實際煙道出口火焰或燃燒強度與預估強度之間之差異決定目標汲出能量預測器演算法之效能。應根據進料參數或細節以及其他測量變數與爐體參數理解該等數值（預估與實際）之間之差異。比較之結果可用以持續更新並提升爐體之總效率計算，藉此隨著時間變化與許多熔化作業之經驗，可持續改善所需汲出能量預測器。

於一實施例中，確認傾斜迴轉爐中鋁廢料之再熔化處理程序之目標汲出能量。接著，根據以下所述之方程式利用目標汲出能量計算特定爐體進行未來熔化作業所需之汲出能量。

利用方程式1計算進料之所需汲出能量Q_Tap

（1）

其中Y為進料中鋁含量百分比，Q為能量，下標Melt 、L 與Heat 係指熔化、潛熱與加熱。方程式2計算使材料達熔化溫度所需之能量

（2）

其中m 為材料之質量，Cp 為材料之比熱容量，T_Melt 為材料之熔點以及T₀ 為起始（通常為環境）溫度。方程式3為完成熔化材料所需之潛熱能量

（3）

其中L為熔化材料之潛熱能量。方程式4為加熱材料至汲出溫度所需之能量

（4）

其中Cp _Melt 為液體之Cp值，以及T_Tap 為汲出溫度。對於Al₂ O₃ 及鹽類，本發明所屬技術領域之人可將相似方程式相組合。

方程式1係將進料之組成變化納入考量。鋁再熔化進料主要由鋁與氧化鋁所組成。舉例而言，根據浮渣來源與上游處理程序，浮渣材料可包含低於20%與高達80%以上之鋁。對各類型材料之預期產量之估算為疊代過程之起始點，藉此隨著收集更多資料，計算會回饋新資料以隨時間變化自我改善。

方程式5係關於重要輸出參數之數量

（5）

其中Q_in 為循環期間之能量輸入，Q_flue 為煙道中能量損失，Q_Other 為關於所有其他爐體/處理程序之損失或增益。

可利用本領域習知各種方法計算煙道中之能量損失。舉例而言，可測量煙道氣體之組成、溫度與質量流動，並從中計算出煙道焓。可選擇地，可根據燃料與氧化劑輸入與組成或其他手段估算煙道氣體之組成與質量流動，並且可計算出溫度。接著透過結合估算與測量結果可估算煙道氣體焓。

亦可透過各種手段決定Q_Other 。舉例而言，當已知方程式5中之其他參數，且方程式適用作為各種參數例如進料組成、進料質量、爐體類型與壽命年齡及其他參數之函數時，可利用歷史資料之迴歸分析估計Q_Other 。可選擇地，可將Q_Other 進一步擴展以包括已知損耗，例如爐殼損耗、爐殼吸收、爐體間隙損耗（例如洩漏）、進料口開啟時之輻射與質量損失、鋁氧化增益、進料之燃燒增益，以及未知損失或增益外之任何其他損失或增益。可利用經測定之數值與歷史資訊估算各已知損失或增益，並將其輸入至方程式5。

當Q_Other 可經估計時，其亦可用以透過根據歷史相關性比較Q_Other 與理想Q_Other ，並將差異歸因於鋁氧化之變化計算鋁氧化損失。

利用Q_flue 與Q_Other 以及已知Q_tap 所確定之數值，可估算所需之Q_in 並用以決定進料到達目標汲出能量所需之時間。

可利用各種處理程序參數控制爐體中之熔化處理程序，並決定目標汲出能量時間。當利用Q_in 作為處理程序參數時，一旦Q_in 經估算，將持續進行爐體之能量輸入直到實際燃料消耗符合Q_in 設置點。

爐體中數個其他處理程序參數或測量中至少任一者可用以提升目標汲出能量時間預測之準確性，以及決定Q_in 中之計算能量平衡。該等處理程序參數包括但不限於袋集塵室溫度、煙道氣體組成（舉例而言，利用感測器例如GC/MS/IR）、管體溫度、煙道出口火焰強度、煙道溫度、爐門溫度、爐門間隙尺寸、通道輸送溫度、爐殼溫度（於多個位置處潛在測量）、爐內溫度（於多個位置處潛在測量）、旋轉速度、馬達電流或轉矩，以及爐振動。舉例而言，用於迴轉爐之多種此等感測器、位置與測量類型係表示於圖1中。

經計算之爐效率非為恆定，而是各種爐體參數之函數，包括但不限於爐體類型（例如迴轉或反射）、爐體尺寸、耐火材料狀態（包括磨損與老化）、耐火材料類型與厚度、環境條件、廢料歷史、耐火材料吸熱、爐體作業程序、金屬進料特性（例如，進料組成之尺寸以及後續吸收能量之能力），以及其他因素。

可測量輸出參數中至少任一者以決定爐體熔化處理程序之輸出，例如最終溫度、產率或總處理時間。若已知熔體之實際溫度（並與期望最終熔體溫度相比較），其可用以疊代提升爐效率之估計，並藉此改善未來控制結果。已顯示出用於測量澆注溫度或代表澆注溫度之各種機制。其中一方法為利用高溫計（pyrometer）光學測量澆注本身之溫度。另一方法為利用熱電偶或其他直接接觸測量裝置。熱電偶（或其他裝置）可直接位於熔體中或位於當排出爐體時熔體所通過之爐壁中。重要地，經測量之溫度於決定澆注溫度時為一致，並且與實際澆注溫度準確相關，透過於相同澆注溫度下達到相同數值，或具有已知之時間相關性，即便絕對測量數值與實際澆注溫度相異。舉例而言，爐效率計算之提升於汲出後利用測力器亦可將留存於爐體中之任何進料數量納入考量。

此外，透過發揮跨多個迴轉爐之模型，與安裝儀器以及利用單個迴轉爐之模型相比，可更快速歸納與改善測量參數（包括可能回收率之影像分析）與熔化時間（或所需汲出能量）之間之相關性。該等學習可擴展至單一類型之爐體與單一金屬外，因相似工具可用於反射以及其他爐體以及其他金屬，例如銅與鉛。再者，透過利用多種類型之爐體與金屬歸納學習，模型將變為更加穩健且具有預測性。模型甚至可經擴展以於單一地點使多個爐體之整合最佳化，以使地點獲利性達最大，並可包括例如燃料成本、氧化劑成本、助熔劑成本與爐效率等項目。

對於反射爐，上述未提及之其他參數亦具重要性。該等包括用於起泡器氣體攪拌應用之氣體壓力（例如，更高回壓表示爐體內更高液位，或單熔體循環中回壓變化表示隨時間發生之阻塞）、於爐體內側與外側多個位置處之爐頂、爐壁與爐底板溫度、利用機械或電磁裝置之熔體循環速度、熔融金屬其循環中之耗能，以及爐體內直接金屬溫度測量。

該等變數係作為程序控制策略其發展之有效輸入。類似上述所提出之方法，可透過使於處理程序結束時所測得之最終金屬溫度與期望金屬溫度之間之差異達到最小，以疊代調整與改善上述所有變數對於能量損失之計算之相依性，以獲得更一致目標汲出能量時間之預測。

此外，模型亦可用以透過分析爐效率與其他變數決定進行維護之最佳時間。此將有助於決定何時進行耐火材料修復與更換，甚至何時增加資本，例如增加爐體尺寸或添加後燃器或其他熱回收手段。作為一範例，已進行於爐體以耐火材料進行換襯前後，於鋁製迴轉爐中完成熔化循環所需時間之分析。於進行換襯前後，循環時間之分佈顯示出所需加熱時間會減少。利用爐體模型，可決定對爐體耐火材料進行換襯之時間，以使換襯之經濟影響達最大。

控制方法可運行於開迴路與/或閉迴路控制中。此外，期望於開迴路控制模式中具有某些控制迴路，而其他則位於閉迴路控制模式中。舉例而言，流量控制可位於閉迴路控制模式中，而鹽類輸入或耐火材料更換之建議可位於開迴路控制模式中。

範例資料與爐體計算。

於相似於圖1示意性顯示之迴轉鋁製熔爐上收集資料，以證明於此所述之控制系統與方法。經收集之資料包括：天然氣與氧氣流速、煙氣溫度，以及爐殼溫度。

圖5顯示來自由進料至熔化階段結束之範例性循環之資料，其中資料點係以可視化為目的進行平均之時間。x軸表示時間，經標準化並以自進料開始後之時間百分比呈現。y軸表示以百分比呈現之熱輸入/輸出/累積速率。始於0%時間，進料開始並持續進行直到14%時間。於此點啟動燃燒器，顯示出燃燒率曲線係由0增加至70%。於26%時間點附近，燃燒器之燃燒率略為減少至65%，其中保持相當恆定直到80%時間。於此時點，可觀察到由進料所吸收之累積熱能係如預期持續增加。直到於60%時間後，由爐壁所吸收之累積熱能才開始顯著增加。於整體上壁對流與輻射損失維持相當恆定，並可觀察到於熔化階段結束時煙道損失僅略微增加。

操作人員於80%時間停止燃燒器，以對爐內進行查看並估量熔化階段之完成程度。於少許時間後再次啟動燃燒器並持續運行直到95%時間。於此時點，操作人員攪拌熔體，並將燃燒器復燃長達另一10%時間。於燃燒器關閉後，視為已達到目標汲出能量，並接著執行後熔化動作。

於圖式中透過y軸上100%數值顯示完全熔化進料所需之汲出能量之模型預測。以x軸上100%數值顯示相對應時間。模型預測顯示，當燃燒器第二次關閉時，於攪拌之前幾乎達到目標汲出能量，其中由進料所吸收之累積熱能為98%。此模型預測若操作人員使燃燒器運行略為更長時間，則熔體會於96%時間完成。此外，燃燒器將不再進行復燃長達另一10%時間。圖式顯示，當模型為適當時，可使熔化時間減少14%。進一步，可減少5至6%之熱輸入，節省能量並防止金屬過熱，藉此減低鋁氧化之潛在可能性。

雖然本發明之內容與範例係與金屬熔化相關，應當理解相同或相似技術可應用至熔煉作業（例如鉛熔煉）。具體而言，於熔煉作業中，至少一進料參數、至少一爐體參數以及至少一處理程序參數之組合可用以表現熔煉爐作業之特徵，並且使完成如此所述熔煉作業所需之能量輸入與時間最佳化。

本發明未限定於範例中所揭露之具體層面或實施方式之範圍，其用以描述本發明之數個層面，並且功能上均等之任何實施方式皆落入本發明之範疇內。除於此所示與所述之該等內容外，本發明之各種改變對於本領域技術通常知識者將為顯而易見，並且用以落入申請專利範圍之範疇內。

12‧‧‧袋集塵室溫度感測器 14‧‧‧煙道管溫度感測器 16‧‧‧燃燒強度或煙道氣體組成感測器 18‧‧‧煙道氣體溫度感測器 20‧‧‧爐門溫度感測器 22‧‧‧爐門間隙感測器 24‧‧‧金屬澆注溫度感測器 26‧‧‧殼體溫度感測器 28‧‧‧爐體耐火材料或爐壁溫度感測器 30‧‧‧旋轉速率感測器 32‧‧‧進料重量感測器 40‧‧‧處理程序參數感測器 401‧‧‧反應物焓率 402‧‧‧排氣焓率 403‧‧‧時間 404‧‧‧爐體作業 405‧‧‧爐體狀態 406‧‧‧其他資料 42‧‧‧進料輸入感測器 421‧‧‧進料重量 422‧‧‧進料組成 423‧‧‧進料時間 424‧‧‧前次殘渣 425‧‧‧進料狀態 426‧‧‧進料特性 427‧‧‧其他資料 44‧‧‧輸出感測器 46‧‧‧設備感測器 461‧‧‧爐體類型與狀態 462‧‧‧耐火材料類型與狀態 463‧‧‧程序 464‧‧‧目標汲出能量 465‧‧‧測定輸出 466‧‧‧其他資料 50‧‧‧控制器 52‧‧‧處理器 60‧‧‧模型 62‧‧‧目標汲出能量/所需汲出能量 64‧‧‧後熔化動作 100‧‧‧系統 110‧‧‧迴轉爐/爐體 120‧‧‧腔室 130‧‧‧進料 140‧‧‧燃燒器 142‧‧‧火焰 150‧‧‧煙道 160‧‧‧爐壁 170‧‧‧爐門 200‧‧‧控制處理程序

以下將結合附圖描述本發明，其中相同標號表示相同元件：圖1為範例性迴轉爐之局部剖面示意側視圖，其具有可用於此所述批次金屬熔化控制系統與處理程序中合適感測器位置與類型之非全面性描述。圖2為批次金屬熔化控制處理程序之簡化流程圖。圖3為每單位重量實際熱輸入對熔化鋁進料所需之最小潛在熱輸入之圖形比較。圖4為顯示隨溫度改變氧化鋁（aluminum oxide）之形成之先前技術圖表，表示出潛在產率損失會隨著鋁溫度增加超過處理所需之溫度而增加。圖5為於熔化鋁進料之批次金屬熔化控制處理程序之實施例測試期間所產生之實際與計算資料之圖表。

12‧‧‧袋集塵室溫度感測器

14‧‧‧煙道管溫度感測器

16‧‧‧燃燒強度或煙道氣體組成感測器

18‧‧‧煙道氣體溫度感測器

20‧‧‧爐門溫度感測器

22‧‧‧爐門間隙感測器

24‧‧‧金屬澆注溫度感測器

26‧‧‧殼體溫度感測器

28‧‧‧爐體耐火材料或爐壁溫度感測器

30‧‧‧旋轉速率感測器

32‧‧‧進料重量感測器

40‧‧‧處理程序參數感測器

42‧‧‧進料輸入感測器

44‧‧‧輸出感測器

46‧‧‧設備感測器

50‧‧‧控制器

52‧‧‧處理器

100‧‧‧系統

110‧‧‧迴轉爐

120‧‧‧腔室

130‧‧‧進料

140‧‧‧燃燒器

142‧‧‧火焰

150‧‧‧煙道

160‧‧‧爐壁

170‧‧‧爐門

Claims

一種控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，包含：一熔爐，其包含一腔室，該腔室係經設置並經排列以接收含固體金屬之一進料，一燃燒器，其係經設置並經排列以將燃燒熱能提供予該腔室中之該進料，以及一通道，其用以將該燃燒器之燃燒產物排出該腔室外，其中該熔爐其特徵在於具有至少一爐體參數；用以檢測至少一進料參數之至少一感測器，該進料參數係代表添加至爐體之進料；用以檢測至少一處理程序參數之至少一感測器，該處理程序參數係代表該爐體中熔化程序之進展；以及一控制器，其具有一處理器，該處理器係經設置以：根據該至少一爐體參數計算爐效率；根據該至少一進料參數、該至少一處理程序參數以及爐效率計算一預估處理程序澆注預備時間；以及根據該預估處理程序澆注預備時間控制該爐體之作業。
如請求項1所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，進一步包含：用以檢測至少一輸出參數之至少一感測器，該至少一輸出參數係代表該熔化處理程序之輸出；其中該控制器係進一步經程式化以根據該至少一爐體參數與該至少一輸出參數計算該爐效率。
如請求項2所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，其中該控制器係進一步經程式化以：記錄多個先前熔化處理程序之該至少一輸出參數；以及根據該經記錄之多個先前熔化處理程序之該至少一輸出參數計算爐效率。
如請求項1所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，其中該至少一進料參數包括由以下所組成之群組中之至少一者：進料重量、助熔劑重量、助熔劑組成、揮發性污染物含量、期望產率、初始溫度、汲出溫度、澆注溫度、進料尺寸、進料形狀、進料表面積體積比、進料材料組成，以及進料熔化溫度。
如請求項1所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，其中用以排出燃燒器之燃燒產物之該通道包括一煙道；且其中該至少一處理程序參數包括由以下所組成之群組中之至少一者：燃燒器燃燒率、反應物焓率、排氣焓率、煙道溫度、爐壁溫度、燃料熱值、煙道出口燃燒強度、袋集塵室溫度、煙道氣體組成、煙道管溫度、爐門溫度、爐門間隙尺寸、爐殼溫度、爐腔溫度、進料熔化速率、爐熱損失、熔化作業花費時間，以及進料外觀。
如請求項5所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，其中當該爐體為一迴轉爐時，該至少一處理程序參數進一步包括以下所組成之群組中之至少一者：爐體旋轉速度、旋轉馬達電流、旋轉馬達轉矩，以及爐振動；且其中當該爐體為一反射爐時，該至少一處理程序參數進一步包括以下所組成之群組中至少一者：起泡器氣體攪拌應用之氣壓、爐頂溫度、爐壁溫度、爐底板溫度、熔體循環速度、熔體循環中所耗費之能量，以及爐腔內部之熔體溫度。
如請求項1所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，其中該至少一爐體參數包括以下所組成之群組中至少一者：爐體類型、爐體尺寸、爐體狀態、爐體壽命、耐火材料類型、耐火材料壽命、廢料歷史、燃料成本、氧化劑成本、助熔劑成本，以及爐體作業程序。
如請求項1所述之控制批次式熔爐中金屬熔化處理程序之系統，其中該控制器係進一步經程式化以計算該預估處理程序澆注預備時間，透過：根據該至少一進料參數計算一理論能量需求；根據該理論能量需求與該爐效率計算一目標燃料消耗；根據該至少一處理程序參數計算一實際燃料消耗；以及根據該目標燃料消耗與該實際燃料消耗之比較計算該預估處理程序澆注預備時間。
一種控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法：決定代表一熔爐之至少一爐體參數；將含固體金屬之一進料加入該熔爐中；檢測代表該進料之至少一進料參數；將一燃燒器點燃置入該熔爐中以提供熱能熔化該進料，並且將燃燒產物自該爐體經由一通道排出；檢測代表熔化該進料之進展之至少一處理程序參數；根據該至少一爐體參數計算一爐效率；根據該至少一進料參數、該至少一處理程序參數以及該爐效率計算一預估處理程序澆注預備時間；以及根據該預估處理程序澆注預備時間控制該金屬熔化處理程序。
如請求項9所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法：檢測代表該熔化處理程序之輸出之至少一輸出參數；以及根據該至少一爐體參數與該至少一輸出參數計算爐效率。
如請求項10所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法：記錄多個前熔化處理程序之該至少一輸出參數；以及根據該經記錄多個前熔化處理程序之該至少一輸出參數計算該爐效率。
如請求項9所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法，其中該至少一進料參數包括以下所組成之群組中至少一者：進料重量、助熔劑重量、助熔劑組成、揮發性污染物含量、期望產率、初始溫度、汲出溫度、澆注溫度、進料尺寸、進料形狀、進料表面積體積比、進料材料組成，以及進料熔化溫度。
如請求項9所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法，其中用以將燃燒器之燒燃產物排出之該通道包括一煙道：且其中該至少一處理程序參數包括由以下所組成之群組中至少一者：燃燒器燃燒率、反應物焓率、排氣焓率、煙道溫度、爐壁溫度、燃料熱值、煙道出口燃燒強度、袋集塵室溫度、煙道氣體組成、煙道管溫度、爐門溫度、爐門間隙尺寸、爐殼溫度、爐腔溫度、進料熔化速率、爐熱損失、熔化作業花費時間，以及進料外觀。
如請求項13所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法，其中當該爐體為一迴轉爐時，該至少一處理程序參數進一步包括由以下所組成之群組中至少一者：爐體旋轉速度、旋轉馬達電流、旋轉馬達轉矩，以及爐振動；且其中該爐體為一反射爐，該至少一處理程序參數進一步包括由以下所組成之群組中至少一者：起泡器氣體攪拌應用之氣壓、爐頂溫度、爐壁溫度、爐底板溫度、熔體循環速度、熔體循環中所耗費之能量，以及爐腔內部之熔體溫度。
如請求項9所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法，其中該至少一爐體參數包括由以下所組成之群組中至少一者：爐體類型、爐體尺寸、爐體狀態、爐體壽命、耐火材料類型、耐火材料壽命、廢料歷史、燃料成本、氧化劑成本、助熔劑成本，以及爐體作業程序。
如請求項9所述之控制熔爐中金屬熔化處理程序之方法：計算該預估處理程序澆注預備時間，透過：根據該至少一進料參數計算一理論能量需求；根據該理論能量需求與爐效率計算一目標燃料消耗；根據該至少一處理程序參數計算一實際燃料消耗；以及根據該目標燃料消耗與該實際燃料消耗之比較計算該預估處理程序澆注預備時間。