控制铜熔融炉的系统和方法与流程

本申请要求2014年10月10日提交的美国临时申请第62/062565号的优先权，该申请通过全文引用结合到本文中。

背景

本申请涉及检测铜熔融炉中的某些操作参数以及使用那些检测参数来改进在氧化阶段和还原阶段中的一者或两者期间的控制。

概述

本文描述了用于改进铜熔融炉效率的方法，做法是使过程阶段(如熔体中杂质的氧化或过量氧的还原)接近完成的指示获得改进。如果没有本文所述的改进的方法，则过程阶段可能会操作太长时间，造成氧化或还原气体的过量使用以及不必要的工艺时间延长，或者太短的工艺时间，导致产品质量差。

方面1. 一种检测铜熔融炉中氧化阶段的终点的方法，其包括：测定炉中的温度并计算温度变化随时间的斜率；和当温度变化的斜率向下偏转以表示铜熔体中容易被氧化组分的贫乏时，确定氧化阶段的终点。

方面2. 方面1的方法，其还包括：测定炉出口处的氧浓度并计算氧浓度随时间的斜率；和当氧浓度的斜率从相对平坦变化至增加的氧浓度以表示铜熔体中容易被氧化组分的贫乏时，证实氧化阶段的终点。

方面3. 方面2的方法，其还包括：测定炉出口处的温度并计算炉出口温度随时间的斜率；和当出口温度变化的斜率向下偏转以表示铜熔体中容易被氧化组分的贫乏时，证实氧化阶段的终点。

方面4. 一种检测铜熔融炉中还原阶段的终点的方法，所述方法包括：测定炉中的温度并计算温度变化随时间的斜率；和当温度变化的斜率向下偏转以表示放热的还原反应被常规冷却和吸热的燃料裂化超越时，确定还原阶段的终点。

方面5. 方面4的方法，其还包括：测定炉出口处的可燃物浓度并计算可燃物浓度随时间的斜率；和当可燃物浓度的斜率向上偏转以表示输入燃料的消耗减少时，证实还原阶段的终点。

方面6. 方面4的方法，其还包括：测定炉出口处的指示可燃物浓度的变量并计算所述变量随时间的斜率；和当测得的变量的斜率向上偏转以表示输入燃料的消耗减少时，证实还原阶段的终点。

方面7. 方面6的方法，其中所述测得的变量为炉出口中的温度，其中炉出口中温度的增加指示离开炉的过量可燃物的后燃烧。

方面8. 方面5或方面6的方法，其还包括：测定炉出口处的温度并计算炉出口温度随时间的斜率；和当出口温度变化的斜率向下偏转以表示放热的还原反应的减少。

方面9. 一种检测铜熔融炉中氧化阶段的终点的方法，其包括：测定炉出口处的氧浓度和计算氧浓度随时间的斜率；和当氧浓度的斜率从相对平坦变化到增加的氧浓度以表示铜熔体中容易被氧化的组分的贫乏时，证实氧化阶段的终点。

方面10. 一种控制铜熔融炉中铜的熔融过程的方法，其包括：测定至少一个炉参数，其中所述至少一个炉参数包括炉温和炉排气氧浓度中的一者或两者；计算炉参数在第一时段的第一变化速度；计算炉参数在第二时段的第二变化速度，第二时段的至少一部分发生在第一时段之后；将第一变化速度与第二变化速度相比较；和当第二变化速度偏离第一变化速度预定的阈值百分比时，表示炉中过程阶段的基本完成。

方面11. 方面10的方法，其中所述过程阶段为氧化阶段；其中所述至少一个炉参数为炉温；且其中当第二变化速度较少地正于第一变化速度以表示铜中容易被氧化的组分贫乏时确定氧化阶段的基本完成。

方面12. 方面10的方法，其中所述过程阶段为氧化阶段；其中所述至少一个炉参数为炉排气氧浓度；且其中当第二变化速度较多地正于第一变化速度以表示铜中容易被氧化的组分的贫乏时确定氧化阶段的基本完成。

方面13. 方面10的方法，其中所述过程阶段为氧化阶段；其中所述至少一个过程参数为炉温和炉排气氧浓度两者；且其中当对于炉温第二变化速度较少地正于第一变化速度且当对于炉排气氧浓度第二变化速度较多地正于第一变化速度以表示铜中容易被氧化的组分的贫乏时，确定氧化阶段的基本完成。

方面14. 方面10-13中任一项的方法，其中所述炉参数还包括炉排气温度，所述方法还包括：当已经确定氧化阶段的基本完成时，当对于炉排气温度第二变化速度较少地正于第一变化速度时证实氧化阶段的基本完成。

方面15. 方面10-14中任一项的方法，其中所述炉温通过导向炉中金属浴的光学高温计测定。

方面16. 方面10的方法，其中所述过程阶段为还原阶段；其中所述至少一个过程参数为炉温；且其中当第二变化速度较多地正于第一变化速度时确定还原阶段的基本完成。

方面17. 方面16的方法，其中所述炉参数还包括炉排气可燃物浓度，所述方法还包括：当确定还原阶段的基本完成时，当对于炉排气可燃物浓度第二变化速度较多地正于第一变化速度以表示输入燃料消耗的减少时证实还原阶段的基本完成。

方面18. 方面16的方法，其中所述炉参数还包括炉排气红外强度，所述方法还包括：当确定还原阶段的基本完成时，当对于炉排气红外强度第二变化速度较多地正于第一变化速度以表示输入燃料消耗的减少时证实还原阶段的基本完成。

方面19. 方面16的方法，其中炉参数还包括炉排气温度，所述方法还包括：当确定还原阶段的基本完成时，当对于炉排气温度第二变化速度较多地正于第一变化速度以表示离开炉的过量可燃物的后燃烧时证实还原阶段的基本完成。

方面20. 方面16的方法，其中所述炉参数还包括炉排气温度，所述方法还包括：当确定还原阶段的基本完成时，当对于炉排气温度第二变化速度更少地正于第一变化速度以表示放热还原反应的减少时证实还原阶段的基本完成。

方面21. 方面16-20中任一项的方法，其中所述炉温通过导向炉中金属浴的光学高温计测定。

方面22. 方面16的方法，其中所述炉温通过光学高温计测定且其中所述至少一个过程参数还包括熔融浴温，所述方法还包括：当确定还原阶段的基本完成时，当对于熔融浴温第二变化速度较少地正于第一变化速度以表示放热的还原反应被常规冷却和吸热的燃料裂化超越时证实还原阶段的基本完成。

方面23. 方面10的方法，其中所述方法为还原阶段；其中所述至少一个过程参数为炉温，且其中所述炉温为熔融浴温；其中当对于熔融浴温第二变化速度较少地正于第一变化速度以表示放热的还原反应被常规冷却和吸热的燃料裂化超越时确定还原阶段的基本完成。

方面24. 一种用于控制铜熔融炉中铜的熔融过程的系统，所述系统包括：构造成测定炉参数的至少一个传感器，其中所述至少一个炉参数包括炉温和炉排气氧浓度中的一者或两者；编程以计算在第一时段的炉参数的第一变化速度和在第二时段的炉参数的第二变化速度(至少一部分第二时段发生在第一时段之后)以将第一变化速度与第二变化速度相比较以及当第二变化速度偏离第一变化速度预定的阈值百分比时确定炉中过程阶段的基本完成的方法。

附图简述

图1图示了在氧化过程期间熔融金属浴的温度传感器测定结果与时间的函数关系的实例。

图2为示例性铜废料熔融炉的顶视示意图，示出了燃烧器、燃料、顶部进料门、三个暴露的温度传感器(T1, T2, T3)、两个光学高温计(PB, PC)以及排气红外强度传感器(FIR)的位置。

图3为铜氧化过程期间由如图2中所示出位于炉顶不同位置的一个光学高温计(PB)和两个暴露的热电偶(T1, T2)获得的温度测量结果的图示比较。

图4为铜氧化过程期间由如图2中所示出位于炉顶不同位置的一个光学高温计(PC)和两个暴露的热电偶(T1, T2)获得的温度测量结果的图示比较。

图5为铜还原过程期间由如图2中所示出位于炉顶不同位置的两个导向炉的不同部分的光学高温计(PB, PC)、两个暴露的热电偶(T1, T2)以及烟道红外强度(FIR)获得的温度测量结果的图示比较。请注意，来自高温计PB的信号被放大以更好地显示斜率或信号变化速度中的拐点。

详述

本文所描述方法和系统用于在氧化过程和还原过程的一者或两者期间监测和控制铜熔融炉的操作。

如图2中所示，将传感器安装在炉中以测定各种炉参数，炉参数可包括炉气体温度、金属浴表面温度、炉排气温度、炉排气红外强度以及炉排气氧浓度中的一者或多者。这样的传感器可位于炉或烟气导管中任何适合的位置。关于温度，可使用光学高温计来指示炉中各种表面的温度(包括金属浴和炉壁)以及炉环境和燃烧气(例如由于富燃料燃烧产生的烟灰颗粒)内任何光学不透明物质的温度。光学高温计可构造成检测在一个或多个波长范围中的发射，例如0.9-1.1微米、1.5-1.7微米、2.0-2.4微米、3.8-4.0微米或其组合，值得注意的是高温计不需要能够检测在任何特定范围内的所有波长。备选地或者额外地，可使开放式热电偶暴露于炉环境或稍稍凹在炉壁或顶内，但是对炉环境开放，也可布置热电偶以便测定或大致地测定熔融浴温。

氧化过程

通常在熔融过程完成之后在第二铜炉中进行氧化过程(即精制过程)。包括其他金属如铅(Pb)、锡(Sn)和铝(Al)的杂质的氧化使得氧化过程的性质为放热性的，因此熔融金属浴的温度升高。该温度升高可不仅通过熔融浴温度的升高来检测，还可通过如开放式热电偶或光学高温计所检测的炉环境中温度的升高来检测。然而，与放热氧化竞争的通常有由于相对大体积的空气被注入熔融金属浴中同时发生的对流冷却过程，这导致熔融浴温度降低。

取决于这两种竞争过程的相对贡献(由于杂质的放热氧化所导致的加热和由于空气注入所导致的对流冷却)，如果放热反应加热超过了对流冷却，则金属浴的温度升高(参见图1曲线A的第一部分)，如果放热反应加热与对流冷却相互抵消或基本平衡，则曲线平坦(参见图1曲线B的第一部分)，或者如果对流冷却超越了放热反应加热，则金属浴的温度降低(参见图1曲线C的第一部分)。

当所述更容易被氧化的杂质的浓度开始贫乏且氧化速度(且因此放热反应)降低时，可能检测到熔融金属浴温度随时间斜率的变化。检测什么时候该斜率变化(在图1的曲线中表示为t_A、t_B和t_C)可用作氧化过程进展(包括氧化过程是否变慢或接近完成)的间接指示。可从其他炉参数(要么单独地，要么与熔融金属浴温度组合)发现相同的信息，其他炉参数例如炉环境温度、炉排气温度、排气氧浓度和排气红外发射强度。换而言之，可连续地或周期性地计算相继时段(可重叠或可分开)的炉参数的变化速度，且将一个时段的变化速度与先前时段的变化速度相比较，使得超过预定的阈值的那些变化速度之间的差可用于确定氧化过程完成或接近完成。确定的准确性将取决于测得的温度的位置(例如该温度是在熔融浴表面测定、浸没在熔融浴中测定、在炉环境中测定还是以光学方式观察熔融浴表面来测定)以及用于确定温度或其他传感器信号的变化速度的综合策略(averaging strategies)。

为了增加氧化阶段已经完成的确定的准确性，可将炉温和排气氧浓度联合使用。炉温为对应于炉的任何部分的温度，可包括但不限于由热电偶在炉壁或炉顶测得的温度、或由光学高温计或其他非接触式温度传感器所测得的炉中任何表面(例如进料或壁)的温度。当空气注入与氧化速度恒定时(即，在杂质的氧化期间)，烟气中的氧浓度通常是稳定的。然而，随着杂质变得贫乏(被氧化)，烟气中的氧浓度增加，原因是越来越少的氧被用于氧化，而进入炉内的输入空气的速度保持恒定。因此，排气氧浓度的变化速度的偏差可用作检测熔融铜浴的氧化阶段的基本完成的主要或辅助指示物。

本文所用的过程阶段(无论是氧化阶段还是还原阶段)的“终点”或“基本完成”是指在该阶段中发生的反应的速度开始减小到可测定的程度。例如，氧化阶段的基本完成是指氧化过程已经实现了去除至少约75%、优选至少约80%和更优选至少约90%的杂质，且还原阶段的基本完成是指还原过程已经实现了去除进料中至少约75%、优选至少约80%和更优选至少90%的氧。

优选使用熔融金属浴温和排气氧浓度的组合来检测氧化过程的终点以改进检测氧化阶段终点的准确性以及使由单独依赖于浴温可能发生的假性肯定(false positives)最小化。

此外，排气(烟气)温度可用作第三个指导因素(guidance)来进一步验证或证实基于炉温或基于炉温和排气氧浓度的组合的氧化过程完成的确定结果。

如在图3中所示，由光学高温计PB测得的温度表现出斜率的明显变化，斜率指示氧化阶段的终点。如所标示，点O1表示氧化过程的开始(开始往熔融金属浴中注入空气)，且点O3表示氧化过程的结束(停止往熔融金属浴中注入空气)。值得注意的是，斜率或测得温度速度的变化从正(斜率S1)至接近平坦或略负(斜率S2)。斜率的变化可概括地由点O2确定，其中高温计PB的温度测定结果开始检测到杂质正在贫乏或完全被氧化。这对应于放热氧化反应的预期减少，原因是熔融浴中杂质贫乏。值得注意的是，虽然光学高温计PB检测该温度斜率的变化，但是顶部的开放式热电偶T1和T2的应答不足以用于该目的。将光学高温计PC与两个开放的热电偶T1和T2比较，图4示出了非常类似的结果

还原过程

在氧化过程之后的还原过程涉及将还原剂例如燃料(例如天然气或氢)注入氧化的熔融金属浴。还原阶段的目的在于在完成氧化过程并通过氧化除去杂质之后减少残留于熔融金属中的氧。

在还原期间，燃料与氧化剂在熔融金属浴中的组合为放热过程。因此，在整个还原过程中金属浴的温度通常升高。然而，类似于氧化过程，随着放热过程变慢并被对流冷却和花费在燃料裂化上的能量超越，温度的斜率通常下降。温度斜率的该变化可用于检测还原过程的终点。

此外，随着还原过程到达终点，意味着金属中的氧化物被中和或还原，排气或烟气导管中的可燃物的强度由于离开炉的未燃烧或燃料碎片可能降低。可将传感器(例如用于检测红外(IR)和/或紫外(UV)的传感器)安装在烟气导管中以检测炉排气中可燃物强度的该变化。或者，可将传感器安装在烟气导管中以检测离开炉并进入烟道的过量可燃物的后燃烧。此外，可将温度检测传感器安装在相同的位置或烟气导管中更下游处以检测由于排气的后燃烧造成的增加的温度，该增加的温度可用于与一种或多种其他测定参数结合以进一步减少在确定还原过程终点的不确定性。

可连续地或周期性地计算相继时段(这些时段可重叠或可分离)的一种或多种这些炉参数的变化速度，且将一个时间段的变化速度与前面时间段的变化速度相比较，使得可将超过预定阈值的这些变化速度之间的差值用于确定还原过程完成或接近完成。

优选将熔融金属浴温变化与烟气导管中可燃物的增强结合使用以改进在检测还原过程终点中的准确性以及使由单独依赖于浴温可能发生的假性肯定最小化。

如图5所示，由光学高温计PB和PC两者测得的温度以及得自安装在废气中的IR传感器FIR的信号活性的增加可用于检测还原过程终点的到达。如所标记，点R1表示还原过程的开始(开始往熔融浴内注入燃料)且点R3表示往熔融浴内注入燃料的结束。

数据表明传感器的组合可通过表征过程何时接近完成或已完成来用于使铜还原过程最优化。值得注意的是，在还原过程期间，所有温度曲线倾向于略微向下(排除在还原开始后的最初时段)，包括高温计PB和PC两者和开放式热电偶T1和T2两者。但是，朝着还原过程结束方向，如图中R2大概所指，在斜率方面，由高温计PB和PC测得的温度的斜率变得更正(不那么负)，并且开始倾向于向下。尽管不受理论约束，但还是认为很可能是由于来自从浴中出现的过量燃料的在熔体上方的多焰富烟燃烧，这籍此造成表面温度的局部升高。该烟道红外传感器(FIR)同时被触发，表明过量的燃料在烟道区域燃烧。

信号过滤

在氧化过程或还原过程二者期间，如果采用了非接触式检测技术，则可能受到熔融金属浴中扰动的干扰，原因是金属被高速氧化或还原气体翻转。某些智能过滤技术(光学的或计算机的)可用于从扰动去除噪音。同时，业已发现，各种工艺参数的瞬时斜率或速度变化可能是误导性的，使得本文所讨论的所有斜率或速度变化采用某种时间平均来取值，例如测定一段连续的移动或滚动窗口或时段的速度变化。

本发明的范围不受实施例中所公开的具体方面或实施方案所限制，这些具体方面或实施方案意欲作为本发明的一些方面的说明，且任何在功能上等价的实施方案在本发明的范围内。除了本文示出并描述的那些改变之外，本发明的各种改变对于本领域技术人员也将变得显而易见并且意欲落入随附权利要求的范围内。