鋁合金塔式熔煉爐的節(jié)能設計與生產實踐

韋增磊

摘 要：介紹國內塔式熔煉爐的現狀，分析現狀原因，根據新技術和新材料綜合考慮熔煉爐的設計，使其更加節(jié)能環(huán)保。結合熔煉爐的結構特點，合理統(tǒng)籌安排生產和工藝，使其設備更加高效服務于企業(yè)生產。

關鍵詞：塔式熔煉爐；設計與生產實踐；節(jié)能管理；新技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.005

1 概述

隨著汽車輕量化工業(yè)技術的不斷進步和發(fā)展，鋁及鋁合金制品在汽車行業(yè)使用越來越廣泛。而鋁合金熔煉是鋁制品生產的第一工序，鋁合金熔煉又是消耗能源最多的一個工藝。隨著能源減少和能源價格的不斷提升，節(jié)能管理已近成為企業(yè)管理的重點，也是工業(yè)能源管理的重要任務。

國內鋁合金鑄造生產企業(yè)眾多，但其設備陳舊，能源利用率較低，其原因是沒有根據企業(yè)需要設計合適的熔煉設備。現在國內外熔煉企業(yè)，歐洲和日本一般選擇燃氣塔式熔煉爐，在其設備類型中燃氣塔式熔煉爐在鑄造企業(yè)中越來越被廣泛使用，塔式熔煉爐其獨特機構，具備了其他設備所沒有的優(yōu)勢，有熱能利用率高，燃料單品消耗低，鋁液溫度控制精確，鋁液燒損率1%之內，減少有害污染物的排放，燃燒控制安全可靠等優(yōu)點。

國內部分企業(yè)也根據自身需要，選擇了塔式熔煉爐，但是企業(yè)在選擇和使用方面沒有充分發(fā)揮其爐子的性能，造成能源的浪費。為更好的節(jié)約能源，發(fā)揮其爐子性能，需要合理設計與統(tǒng)籌安排生產實踐。選擇和使用時主要從熔煉爐結構，爐內部耐火爐襯的選擇，燃燒控制系統(tǒng)的管理，企業(yè)生產和工藝管理等方面考慮。

2 熔煉爐結構簡介

根據企業(yè)的不同需要，塔式熔煉爐基本設計結構如圖1所示。

從結構圖中可以看出，爐子主要有保溫室，融化室，爐料預熱區(qū)，熱交換器組成。

保溫室燃燒器可以控制鋁液在一定溫度范圍內，為鋁合金溶液的配比做準備。保溫室爐體下面設置電磁攪拌器，鋁液在磁力作用下按照一定方向轉動，轉動鋁液可以使表面熱量向鋁液內部快算傳遞，及能保證鋁液溫度均勻性，也可以使配比熔煉的微量元素充分均勻的溶解在鋁合金液中。保溫室燃燒器產生的熱量，大部分被鋁液吸收，還有一部分經過熔化室，預熱區(qū)，換熱器排出爐外。

熔化室燃燒器主要是熔化鋁合金材料，材料從底部開始熔化，預熱區(qū)的材料在熔化之前已經被從保溫室和熔化室排出的熱量提前預熱，此結構利用排出的熱量提前預熱材料，這樣不僅可以加快材料熔化，也可以節(jié)省大量燃氣。在排氣管道安裝換熱器，爐內熱空氣經過預熱區(qū)后進入換熱器，在換熱器上部有鼓風機提供的助燃空氣進入換熱器內，在換熱器內部兩部分存在溫度差的空氣進行熱交換，由此調高助燃空氣溫度，調高燃燒器火焰溫度，節(jié)省燃氣。

塔式爐設計此結構，更加高效節(jié)能，此設計方案符合現在國家節(jié)能減排的政策，給工業(yè)設備節(jié)能減排問題做了重要突破。

3 換熱裝置對余熱進行的回收

燃料爐在生產時，煙氣帶走的熱量占總熱量的20%--60%，對煙氣熱量進行合理回收，是燃氣爐節(jié)能的重要措施。煙氣熱量回收的方法和裝置有很多種，一般采用換熱器對助燃空氣進行預熱，燃氣爐的助燃空氣每提高50度，可節(jié)約燃料2%左右。如不能對余熱進行回收，會造成資源的大量浪費。雖然此結構設計材料余熱區(qū)，但是仍有部分余熱散失，因此在排氣管道中安裝換熱器對煙氣熱量進行回收。

換熱器種類很多，根據不同的類型和生產需要，現在企業(yè)一般選擇管式換熱器，管式換熱器結構如圖2所示，從設計圖中可以看出，助燃空氣從煙氣管道下游進入，在換熱器內與管道內的高溫煙氣進行熱交換，換熱器內管道橫截面面積變大，以增加熱交換面積，加快換熱速率，換熱器外面做保溫處理，減少熱量散失，助燃空氣經過換熱器后從煙氣管道上游排出。根據不用煙氣和助燃空氣溫度，合理選擇換熱器材質，因不銹鋼和耐熱鋼良好的導熱性能和耐腐蝕性，換熱器制作一般選擇這兩種材質，此外換熱器還有板式換熱器和噴流換熱器等多種選擇。

4 合理選擇耐火材料，優(yōu)化爐襯機構

耐火爐襯的儲熱和散熱，一般占爐子總量的20%--40%，合理選擇爐襯材料。減少爐體的熱量散失，提高爐子效率。在熔化室和保溫室根據不同位置，選擇不同材料。在預熱區(qū)，我們采用高鋁基中水泥澆注料，此澆注料機械強度大于120N/mm2，預熱區(qū)的材料在投入到預熱區(qū)時，材料會對澆注料有較強的沖擊，因此我們選擇高強度澆注料，在高強度澆注料外面，預安裝耐高溫隔熱板，減少熱量損失，使其高溫熱量更高效余熱爐內材料。

在保溫室鋁合金溶液和澆注料長時間接觸，在氧化氣氛中，鋁合金溶液和澆注料發(fā)生掛渣及滲鋁反應，采用不沾鋁澆注料，減緩爐襯的侵蝕反應，延長爐子壽命。近年來，一種新型的不沾鋁劑出現，此種添加劑使用量少，高溫不易分解，使用效果明顯提高，在此方面，凱得力澆注料已經取得重要突破。

近幾年來，隨著耐火材料新技術，新工藝的不斷進步，出現了一種新的隔熱材料-納米微孔隔熱材料（ Microporous Insulation），納米微孔隔熱材料是運用最新高科技技術研制出來的新材料，材料內部有特殊的無機納米級耐火粉末，形成了微小的納米級氣孔，其導熱系數比空氣還要低。

不同材料導熱系數對比如下圖所示：

在對比中，可以看出納米隔熱材料具有極低的導熱系數，隔熱性能比傳統(tǒng)材料（陶瓷纖維棉，硅酸鈣板，巖棉等）好3至4倍，在溫度較高時，材料收縮率較小，導熱系數在高溫段上升很小，材料本身不可燃，蓄熱少，耐熱震，無毒環(huán)保，是迄今為止隔熱性能最好的隔熱材料。此隔熱材料在不同部位配合不同耐材使用，可以起到良好的隔熱效果，減少爐體熱量損失，延長爐襯壽命，節(jié)約能源。

5 關于保溫室和熔化室燃燒器的選擇及其控制

在熔化室，提高熔化速率的關鍵是燃燒器獲得高溫燃燒火焰。采用換熱器提高助燃空氣溫度，選擇高熱量值燃料，合理選擇空氣系數是獲得高溫燃燒火焰的有效措施。選擇高速燃燒燃燒器，加快高溫火焰向材料的傳熱速率，采用強制對流傳熱替代輻射傳熱，加快熔化速率，提高熱效率，降低單位能耗。

控制系統(tǒng)采用脈沖開關燃燒系統(tǒng)，生產時，在預熱區(qū)投入材料，材料經過充分預熱后，打開熔化室燃燒器，材料從下往上開始以此熔化，材料熔化結束后燃燒器關閉，在熔化室，燃燒器開關目的就是快速熔化材料，不是為了獲得某一恒定的溫度，因此燃燒器用開關系統(tǒng)控制。熔化后的鋁合金液最后匯聚在保溫室，在保溫室我們采用PID控制方式，根據設定溫度和實測溫度，儀表進行PID調節(jié)，控制燃燒器火焰的大小，調節(jié)爐子里面溫度，使其溶液溫度達到設定溫度。

現在隨著人工智能技術的發(fā)展和進步，出現了添加人工智能控制的溫控器，人工智能溫控儀采用真正的人工智能現代調節(jié)算法，既能保證溫度無超調溫度，又可以使溫度達到快速溫度，儀表啟動后，自整定功能可以根據被控對象的特性，自動尋找最優(yōu)參數以達到很好的控制效果，無需人工整定PID等相關參數，操作方便，控溫精度高，基本達到±0.1℃，無超調、欠調等現象，這就說明人工智能現代調節(jié)算法可以獲得高質量調節(jié)效果，在國內儀表中，虹潤公司的人工智能儀表已經達到國際先進水平，達到了真正的人工智能控制水平。

6 統(tǒng)籌安排生產計劃，充分發(fā)揮爐子性能

塔式熔煉爐在生產安排時，要根據爐子結構和工藝，合理安排生產計劃，充分發(fā)揮爐子的性能，使其能達到高效及節(jié)能的目的，更好的服務企業(yè)的生產。在往預熱區(qū)投料時，材料投入量合理控制，建議材料投入量到預熱區(qū)爐料上限位位置，這樣材料可以充分吸收來自保溫室排出的熱量，加快材料熔化速度， 減少材料氧化率。同時一次投料到高限位區(qū)，可以縮短投料口門的開關時間，減少開關的熱量損失。在預熱區(qū)投入材料去之前，按照一定比例投入體積比較小的鋁合金料，在預熱區(qū)底層做一個鋪墊，減少后續(xù)投料對爐襯的損失，延長爐襯壽命。

熔化后的鋁合金溶液在保溫室儲存，根據不同工藝設置不同的溶液溫度?？梢栽诖吮厥腋鶕筇砑游⒘吭兀陔姶艛嚢杵鞯淖饔孟?，微量元素均勻的溶解分布在鋁合金溶液中，根據生產安排，定時清理氧化物，減少氧化物對爐襯的侵蝕，延長爐襯壽命。及時清理溶液表面的雜質，加快溶液上下面的熱傳遞，使其溶液上下溫度均勻。

7 結語

隨著國內資源日益緊張，我國在工業(yè)設備節(jié)能減排方面面臨很大壓力，工業(yè)設備的節(jié)能減排已經成為能源管理的重要問題。此塔式熔煉爐設計爐體結構預熱區(qū)，材料熔化之前提前預熱，爐襯方面選擇納米隔熱材料和優(yōu)質澆注料，減少熱量損失和延長爐襯壽命，燃燒器根據不用部位選擇高速高溫燃燒器，換熱器提高燃燒器助燃空氣，使其燃燒器獲得高溫火焰，設備從重要方面進行分析，綜合考慮各個方面的節(jié)能措施，使其爐子發(fā)揮最大效率，服務于社會工業(yè)生產。

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