TW202202606A - 清潔焦爐組件的方法及系統 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種用於清潔焦爐組件的方法和系統。為了提供便於清潔焦爐組件的裝置，本發明提供的方法包括：定位雷射發射器相對於焦爐組件，使得雷射發射器的目標區域在焦爐組件的被汙染表面區域內；將雷射光束發射到被汙染的表面區域上，汙染物至少部分地吸收雷射光束並被加熱；且至少部分地從表面區域去除加熱的汙染物。

Description

清潔焦爐組件的方法及系統

本發明係關於一種清潔焦爐組件的方法用於清潔焦爐組件的系統。

在焦爐廠中，極端的溫度條件和持續暴露於灰塵和其他汙染物質容易導致表面汙染。其中，這應用於焦爐門的表面，被汙染層覆蓋。該汙染層通常包括灰塵顆粒以及油、油脂和其他成分。這些成分中有可能是液體或半固體，並將其成分沾黏到焦爐門的表面上。汙染層會嚴重影響。焦爐門的機械功能及其密封能力。因此焦爐門，特別是內部表面，需定期間清潔。

本發明之一實施例提供一種，現今焦爐門的清潔系統主要基於機械刮刀、金屬刷或旋轉研磨機。這種機械清潔器所達到的清潔效果通常是不夠的，無法滿足消費者的需求。此外，由於無法避免機械清潔器與焦爐門的表面直接接觸，因此它們會損壞或磨損焦爐門的材質。同樣地，機械清潔器本身的磨損容易導致刷子、刮刀等高維護成本。其他系統使用高壓水或機械清潔和高壓水的組合。其他使用高壓水柱或結合機械清潔的組合。這些濕式清潔系統的清潔效果很好，但營運成本高，主要是由於電動泵所需的功率和用水量。此外，收集和處理清潔的過程，所產生的廢水可能會很繁瑣並導致額外的成本。

使用二氧化碳乾冰噴射也獲得了良好的清潔結果。但所需的二氧化碳爆破機（CO₂ blasters）、製粒機和儲罐均相當昂貴。此外，現今推動降低二氧化碳排放的背景下，此方式可接受性備受質疑。

本發明的一個目的是提供用於促進焦爐組件的清潔的裝置。本目的通過根據請求項1的方法和請求項15的系統來解決。

本發明提供了一種用於清潔焦爐組件的方法。在上下文中，「一個」焦爐組件應理解為指至少一個焦爐組件並且該方法也可以在理論上整體應用於焦爐。

前述實施方法包括針對於焦爐組件定位雷射發射器，讓雷射的目標區域瞄準焦爐內汙染表面區域範圍內。在本文中，雷射發射器是被配置為發射雷射光束的裝置。這可以是雷射本身，即產生雷射光束的設備，或者它可以是接收和重定向雷射光束的光學設備，例如至少一根光纖電纜、至少一個透鏡、至少一個反射鏡等。就目前而言，定位雷射發射器可以不包括如此定位雷射發射器。在定位發射器時，雷射（即產生雷射光束的有源組件）可以保持靜止。此外，相對於焦爐組件定位雷射發射器還包括雷射發射器保持靜止而焦爐組件相應地定位的可能性。然而，由於焦爐組件的典型尺寸，幾乎在所有情況下，雷射發射器都被定位，即移動到預定位置。雷射發射器的目標區域當然是可以發射雷射光束的區域，即可以被雷射光束放射或照射的區域。通常，該目標區域非常小，也可以稱為（零維）目標點。然而，目標區域也可以是一維的，即線形，甚至是二維的（例如矩形或圓形）。雷射發射器的位置應使目標區域位於受汙染的表面區域內。被汙染的表面積廣義上是被汙染的焦爐組件的表面區域，即在表面上存在一些汙染物或沉積物。表面本身可以由金屬製成，例如鋼，通常用於焦爐門。然而，該表面也可以由石頭或耐熱材料製成，例如連接焦爐門的栓塞（plugs）就是這種情況。汙染物可包括第一汙染層，例如具有氧化層，和第二汙染物層，包括油脂、油、焦油或灰塵顆粒等物質。可以理解，目標區域通常比受汙染的表面積或所有受汙染的表面積小得多，因此該方法通常包括重複或連續（重新）定位雷射發射器。通常，雷射發射器不是手動定位，而是自動定位。

前述方法還包括將雷射光束發射到被汙染的表面區域上，由此汙染物至少部分地吸收雷射光束並被加熱。雖然該步驟與雷射發射器的定位是分開提到的，但需要注意的是，這些步驟不需要分次進行，也可以同時進行。特別地，如果雷射發射器被重複或連續重新定位，則雷射光束可以在雷射發射器重新定位的同時間發射，反之亦然。當雷射光束被發射並擊中目標區域時，目標區域中的汙染物被照射並且至少部分地吸收雷射光束。從此該方式得知，部分雷射光束也可能被汙染物反射或散射。然而，被吸收的那部分雷射光束導致汙染物加熱。根據雷射光束的特性，可以在幾分之一秒內將目標區域中的汙染物加熱數百攝氏度。

前述方法進一步包括從表面區域至少部分地去除加熱的汙染物。一旦汙染物被去除，表面區域可被視為清潔或部分清潔，如果僅去除一部分汙染物，如下文將解釋的，去除可能是加熱本身的結果，即加熱可導致汙染物從表面區域去除。雖然根據本方法的雷射清潔通常保證對受汙染表面進行充分清潔，但在某些情況下可能需要提供額外的動作以去除加熱的汙染物。然而，即使在這種情況下，通過加熱汙染物也有助於去除。這可能是由於各種影響，例如熔化汙染物、蒸發汙染物、在汙染物中引起張力等。雷射發射器的動作是非接觸式的，並且不承擔損壞或磨損部件表面的風險或具有最小風險。此外，與機械清潔系統相比，雷射發射器沒有磨損，或者至少可以忽略不計。與機械清潔器或濕式清潔器相比，用於執行本發明方法的系統僅需非常少量的維護並且雷射器本身的能量消耗非常低。此外，雷射光束可以非常精確地指向所需的目標區域，因此本發明的方法以機械或濕法清潔無法實現的精度工作。

通常，前述方法可以應用於焦爐的任何部件。特別地，焦爐組件可以是焦爐門。其他組件，例如還可以使用本方法清潔焦爐門框或連接到焦爐門的栓塞。

雖然可以想到使用額外的過程，例如在將高速氣流引導至表面區域以清潔表面時，高度較佳的是僅通過加熱過程從表面區域去除汙染物。換句話說，加熱過程本身導致汙染物從受汙染的表面區域去除。這意味著，除了指向表面區域的雷射光束之外，不需要採取額外的措施。這使得前述方法非常節能且具有成本效益。

優選地，汙染物至少部分蒸發。換言之，加熱使汙染物的至少一部分變為氣態（在本文中，其包括變為等離子體）。氣相可以從固態通過液態或通常直接通過昇華達到。需要注意的是，汙染物的某些部分突然蒸發，同時氣體突然膨脹可能會導致其他部分，例如：灰塵顆粒，即使它們仍然是固體，也會被從表面吹走。換句話說，雷射光束的作用可能會導致微爆炸或微等離子體爆發、衝擊波和熱壓，從而破壞汙染物層，例如去除固體顆粒。結果，去除的汙染物可能作為氣體/等離子體和灰塵的混合物存在於雷射光束目標區域周圍的大氣中。

雷射的波形一般不限制在本發明的範圍內。至少暫時，雷射光束可以作為連續波形發射，必要時可以對其進行調製。然而，優選地，雷射光束作為雷射脈衝序列發射。每個雷射脈衝都具有極高的強度，這是連續雷射光束無法實現的。由於這種高強度的雷射光束可以集中在非常小的目標區域上，因此即使脈衝長度很短，也可以蒸發少量汙染物。事實上，即使在特定時間間隔內發射的總能量相同，一脈衝序列也可能比連續波更有效。每個脈衝內的頻率和/或幅度可以作為時間的函數而變化。此外，不同的脈衝可以具有不同的長度、幅度和/或頻率。雷射光束的平均強度可以改變，例如通過改變與連續脈衝之間的間隔相關的脈衝長度和/或通過改變每個脈衝的振幅。

當然，除了從表面去除汙染物之外，主要目標是保持表面完整，即不通過雷射光束熔化或蒸發表面材料。一種選擇是逐層去除汙染物並在到達表面之前停止雷射作用。然而，這幾乎不可能以足夠的精度實現。根據優選的選擇，發射雷射光束，其適於主要被汙染物吸收而主要被焦爐組件的表面反射。換句話說，雷射光束的特性，例如其頻率或頻譜可適於被典型的汙染物成分吸收，從而導致汙染物的最大吸收。在這種情況下，可能存在於焦爐組件表面上的第一汙染物層（例如氧化層）也被認為是汙染物的一部分，並且雷射光束的光譜可以特別適合於被吸收這樣的第一汙染層。大多數情況下，焦爐組件的表面材料（通常是金屬，例如鋼）在不同頻率下會表現出顯著的吸收，因此即使雷射光束到達表面，對表面造成任何（顯著）損壞的可能性也很低。通過檢查汙染物的典型成分，可以預先確定雷射的最佳頻譜。

在一些情況下，希望從表面區域完全去除任何汙染物。在其他情況下，在表面上留下一定量的汙染物可能是有利的。例如，在焦爐門的情況下，可以通過在表面上留下更小的汙染物層（如焦油或油脂）來增強門的密封性能。在這種情況下，與表面的大部分剛性材料（例如鋼）相比，表面層的塑性特性允許更好的密封效果。此外，密封表面或耐火部件上的一小層汙染物可用作保護層。根據這樣的實施例，僅去除汙染物的上層而有意地將汙染物的下層留在表面區域上。“上層”和“下層”當然應理解為指至少一個上/下層，或者也可以指一個具有內部分層結構的上/下層。如果上層組分與下層不同，則可以通過調整層的輻射時間或強度或通過將頻譜調整到上層組分的吸收最大值來實現上層的選擇性去除。

為了提供不需要人工干預或需要最少人工干預的有效清潔過程，優選地，雷射光束的目標區域沿著焦爐組件的表面自動移動。這可以通過平移和/或旋轉雷射發射器來實現。隨著目標區域沿表面移動，可以清潔不同的表面區域。

優選地，該方法包括利用三維可移動定位機構移動雷射發射器。特別地，雷射發射器可以安裝到鉸接式機械手臂上，而鉸接式機械手臂又可以安裝在附加的水平和/或垂直軌道系統上。這種機械手臂可包含例如兩個或三個臂段可相對於彼此移動，並可繞著各自關節為轉軸而相對於一基座移動。額外的水平和/或垂直軌道系統允許增加機構的範圍，而不會增加關節式機械手臂的尺寸和成本。其他定位機制也是可能的，但鉸接臂通常提供最高程度的可變性來處理焦爐組件的不同幾何形狀。可以理解，在該實施例中，雷射發射器（和目標區域）通常是自動移動的，即無需人工干預。

特別是如果通過本發明的方法，一次又一次地清潔同一部件，則可以將預定運動模式用於雷射發射器。特別地，但不排他地，如果需要清潔多種不同的部件，則前述方法可以包括自動檢測表面的幾何形狀並根據檢測到的幾何形狀自動定位雷射發射器。可以以各種方式檢測表面幾何形狀或表面形狀，其中非接觸方法是優選的。此類方法包括記錄和處理視訊影像以及使用超聲波感測器、雷達感測器或雷射雷達感測器。

如上所述，去除的汙染物，可以特別是氣體或灰塵顆粒的形式。無論哪種方式，它都可以很容易地用一氣流（gas stream）去除。根據一較佳實施例，前述方法包括至少部分地施加負壓將去除的汙染物輸送到一處理區域。換言之，相對於雷射光束目標區域周圍的體積產生負壓，並且該負壓將汙染物與氣流一起吸入處理區域。在處理區域或在前往處理區域的途中，汙染物可通過主動或被動過濾器或其他氣體清潔裝置從氣流中去除。一般而言，負壓是施加到處理區域本身。

即使該方法是在焦爐設備本身內進行的，且即使在這樣的設備中一定程度的汙染是正常的，也期望防止去除的汙染物逃逸到環境中。因此，該方法可以包括將焦爐組件和雷射發射器定位在密閉容器（也可以稱為“清潔箱”）中，由此至少減少了容器內部和外部之間的氣體交換。如果雷射發射器由3D可移動定位系統移動，則最好將整個系統（例如機械手臂）放置在容器內。術語“容器”應在更廣泛的意義上進行理解，並且還可以指建築物內的可以與其周圍環境分開的房間或房間。另一方面，容器不需要具有實心或剛性壁，而是可以通過放置在焦爐組件和雷射發射器周圍的氣密片（gas-tight sheets）來建立。通常，不需要完全阻止容器內部與外部之間的氣體交換，而僅需要減少或控制。也可以說防止了不受控制的氣體交換。其中包括清潔系統的這種容器可以安裝在可移動平台上（例如焦爐維修機器的），並且朝向要清潔的焦爐組件移動。可交替地，包括清潔系統的容器可以固定地定位在焦爐區域中，並可包含一框架以保持放置在那裡的焦爐組件，例如，藉由一焦爐機。

優選地，去除的汙染物通過負壓從容器內部傳送到處理區域。通常，對處理區域本身施加負壓，使得壓力差存在於容器內部和處理區域之間，因此，包含去除的汙染物的氣流從容器內部被吸入。可以理解，為了保持氣流，需要向容器內部提供新鮮氣體。通常，氣流完全或大部分由環境空氣組成，其可以從環境提供到容器內部。

在一些情況下，清潔方法是在焦爐組件安裝在焦爐處的情況下進行的。然而，通常情況下，在安裝組件時，關鍵需要清潔的表面區域可能無法充分接近。因此，前述方法可以包括，在定位雷射發射器之前，通過維修機器從焦爐移除焦爐組件。維修機器然後將要清潔的焦爐組件定位在上述容器內。當然，在清潔所有相關表面區域後，重新安裝焦爐組件。

本發明還提供一種用於清潔焦爐組件的系統。該系統包括雷射發射器並且被配置為定位雷射發射器使得雷射發射器的目標區域在焦爐組件的汙染表面區域內，將雷射光束發射到汙染表面區域上，由此汙染物至少部分吸收雷射光束並被加熱，並從表面區域去除加熱的汙染物。所有這些術語已經在上面關於本發明的方法進行了解釋，因此將不再進行解釋。本發明系統的優選實施例對應於本發明方法的那些。根據一些較佳的實施例，前述系統可以包括雷射發射器安裝到其上的三維可移動定位機構、雷射發射器和焦爐組件可以定位在其內部的容器、用於連接容器內部和處理區域的管道、用於產生和負壓以將氣流（已去除汙染物）從容器輸送到處理區域的真空源、至少一個用於從氣流中分離汙染物的裝置等。

圖1示出了一焦爐門1的表面區域4的截面圖。在焦爐長時間運行之後表面區域4被汙染。汙染物5、6、7設置在形成焦爐門1的表面3的金屬基底2上。這樣的汙染物5、6、7可以包括第一和第二汙染層5、6，包含油脂、油、焦油和/或無機汙染物。各種灰塵或汙染物顆粒7可以部分地佈置在第二汙染層6內並部分地佈置在其頂部。

根據本發明的方法，受汙染的表面區域4可以使用如圖2所示的雷射光束25作清潔。包括一高強度脈衝序列（a sequence of high-intensity pulses）的雷射光束25被引導到受汙染表面區域4內的目標區域26（或目標點）並照射汙染物5、6、7。雷射光束25主要被汙染層5、6所吸收。調整雷射光束25的特性（例如，其頻譜）以使其主要被金屬基底2反射，因此其大部分不被雷射光束25改變。另一方面，由於吸收雷射光束25引起的熱效應，汙染物被蒸發並變成氣體或等離子體8。氣體或等離子體8的突然膨脹導致衝擊波，衝擊波也可能炸開汙染物5、6、7的某些部分離開表面，即使它們沒有蒸發。因此，可以從表面3去除汙染物5、6、7。如圖2示意性地所示，去除的汙染物，即等離子體8連同灰塵9，可被抽吸裝置（suction device）22通過壓差（pressure difference）的方式而收集。抽吸裝置22在圖2中僅示意性地描繪為接近目標區域26的管子。雖然這種配置是可能的，但如果有足夠的空間可使用，則可能有不同的優選配置，例如下述在圖3中的描述內容。

圖3示意性地示出了用於執行本發明方法的系統10。具有雷射發射器11的鉸接機械手臂（articulated robot arm）12設置在需要清潔的焦爐門1附近。容器16（也可以稱為清潔和安全箱）設置在機械手臂12以及焦爐門1周圍。為了保護機械手臂12免受等離子體8和灰塵9的影響，它是由柔性防護衣15覆蓋。容器16的壁可以由氣密板或其他合適的材料製成，其用於至少減少容器16內部和外部之間的氣體交換。一抽氣罩（suction hood）17設置在容器16的頂部並通過管道18連接到處理區域21中的真空泵20。一除塵和過濾裝置19設置在真空泵20和抽氣罩17之間。雷射發射器11連接到設置在容器16外部的雷射供應單元13，並通過一光纜14將雷射光束25供應給雷射發射器11。在圖3中，顯示了焦爐門1是由一焦爐維修機器的一門操作工具30所承載。前述門操作工具30被設計和配置為從焦爐移除焦爐門1並移動它以將其定位在容器16內。門操作工具30還被設計和配置成在清潔之後，將焦爐門1移動回到其在焦爐前面的位置並重新安裝它。或者，焦爐門1可由門操作工具30放置在一保持框架上，此保持框架可在容器16內移動到位。雖然焦爐門1可以通過門操作工具30或保持框架放置在容器中，但應當注意，也可以移動容器16以包圍焦爐門1。在清潔過程中，雷射發射器11由機械手臂12自動定位，以便目標區域26在需要清潔的表面中。為了清潔整個門1，雷射發射器11由機械手臂12移動，使得目標區域26沿著焦爐門1的表面3移動。機械手臂本身可以安裝在附加的水平和/或垂直導軌系統（未顯示）。可以根據焦爐門1的已知幾何形狀來預定義機械手臂12的運動模式。或者，可以自動檢測該幾何形狀，例如，自動檢測幾何形狀。通過安裝在機械手臂12中或容器16上的非接觸式感測器（例如照相機、雷射掃描儀），並且可以基於檢測到的幾何形狀確定適當的運動模式。

圖2顯示出了從焦爐門1的表面3完全去除所有汙染物5、6、7。可交替地，可以僅去除上層而有意地將下層留在表面3上。例如，第一汙染層5和第二汙染層6的至少一部分可以保留在表面3上，而顆粒7則被去除。這可以通過調整汙染物對雷射光束25的總暴露時間，或通過調整雷射光束25的特性使其主要被顆粒7吸收來實現。雷射光束25對於期望吸收效果的最佳特性，可以通過實驗預先確定。

可以使用能夠加熱焦爐組件的典型汙染物的任何雷射發射器。雷射光束的特性通常取決於各種因素，如汙染物的成分、數量、汙染物是否留在表面、表面/部件的材料等，並且將由技術人員相應地調整。

具體而言，雷射的波形不限於本揭露的範圍，雷射光束可以作為連續波形發射，如果需要可以對其進行調製或者作為一雷射脈衝序列（a sequence of laser pulses）發射。每個脈衝內的頻率和/或振幅可以作為時間的函數而變化。此外，不同的脈衝可能具有不同的長度、振幅和/或頻率，取決於要去除的汙染物（成分、密度、汙染物是否將留在焦爐組件的表面上…）。雷射光束的平均強度可以改變，例如通過改變與連續脈衝之間的間隔相關的脈衝長度和/或通過改變每個脈衝的幅度。此外，雷射光束的特性，例如其波長/頻率或頻譜可能適合被典型的汙染物成分吸收，從而導致汙染物的最大吸收。通過檢查汙染物的典型成分，可以預先確定雷射的最佳頻譜。

例如，由Clean-Lasersysteme GmbH （Herzogenrath，德國）公司商業化的雷射系統“HIGH POWER LASER CL 2000”，可在本發明的文中用作合適的雷射發射器。它包括一個波長為1064 nm的二極管泵浦固態雷射器。

1:焦爐門 2:金屬基底 3:表面 4:受汙染表面區域 5,6:汙染層、汙染物 7:顆粒、汙染物 8:等離子體 9:灰塵 10:系統 11:雷射發射器 12:機械手臂 13:雷射供應單元 14:光纜 15:防護衣 16:容器 17:抽氣罩 18:管道 19:除塵和過濾裝置 20:真空泵 21:處理區域 22:抽吸裝置 25:雷射光束 26:目標區域 30:門操作工具

本發明的進一步細節和優點，將從以下參照附圖的非限制性實施例的詳細描述中顯而易見，其中： 圖1是焦爐組件的一受汙染表面區域的剖視圖。 圖2是對應於圖1的剖視圖，示意性地說明了本發明方法的工作原理。 圖3示意性地顯示出了用於執行本發明方法的系統。

1:焦爐門

3:表面

10:系統

11:雷射發射器

12:機械手臂

13:雷射供應單元

14:光纜

15:防護衣

16:容器

17:抽氣罩

18:管道

19:除塵和過濾裝置

20:真空泵

21:處理區域

30:門操作工具

Claims (15)

1. 一種焦爐組件的清潔方法，包括： 相對於該焦爐組件定位一雷射發射器，使得該雷射發射器的一目標區域位於該焦爐組件的一受汙染的表面區域內； 將一雷射光束發射到受汙染的該表面區域上，從而使一汙染物至少部分地吸收該雷射光束並被加熱；以及 至少部分地從該表面區域去除受加熱的該汙染物。
2. 如請求項1所述之焦爐組件的清潔方法，其中該焦爐組件包含一焦爐門。
3. 如請求項1至2中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，其中通過加熱過程從該表面區域至少部分地去除該汙染物。
4. 如請求項1至3中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，其中該汙染物至少部分地被蒸發。
5. 如請求項1至4中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，其中該雷射光束作為一雷射脈衝序列發射。
6. 如請求項1至5中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，其中該雷射光束被發射並且適於主要地被該汙染物所吸收，同時主要被該焦爐組件的表面反射。
7. 如請求項1至6中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，其中僅去該除汙染物的一上層，而有意地將該汙染物的一下層留在該表面區域上。
8. 如請求項1至7中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，其中該雷射光束的該目標區域沿著該焦爐組件的表面自動移動。
9. 如請求項1至8中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，包括使用一可三維移動的定位機構來移動該雷射發射器。
10. 如請求項1至9中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，包括自動檢測該表面的幾何形狀並根據檢測的幾何形狀自動定位該雷射發射器。
11. 如請求項1至10中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，包括至少部分地通過施加負壓將去除的汙染物傳送到一處理區域。
12. 如請求項1至11中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，包括將該焦爐組件和該雷射發射器定位在一密閉的容器中，以至少地減少該容器內部和外部之間的氣體交換。
13. 如請求項11或12所述之焦爐組件的清潔方法，其中該去除的汙染物通過負壓從該容器的內部輸送到該處理區域。
14. 如請求項1至13中任一項所述之焦爐組件的清潔方法，包括在定位該雷射發射器之前，將該焦爐組件從焦爐中取出，並在去除該表面區域上的該汙染物後，重新安裝該焦爐組件。
15. 一種用於清潔焦爐組件的系統，該系統包括一雷射發射器，並被配置為： 定位該雷射發射器，使得該雷射發射器的一目標區域位於該焦爐組件的一受汙染的表面區域內； 將一雷射光束發射到受汙染的該表面區域上，從而一汙染物至少部分地吸收該雷射光束並被加熱；以及 從該表面區域去除受加熱的該汙染物。

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