低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器在鋁熔鑄行業(yè)中的應(yīng)用

陳 雷，李光葉

（山東華特磁電科技股份有限公司，山東 臨朐 262600）

1 磁力攪拌的背景技術(shù)、現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著電解鋁的持續(xù)集約化發(fā)展，部分電解鋁廠外遷或產(chǎn)能置換。使得原周邊的位于產(chǎn)業(yè)鏈下游的鋁熔鑄企業(yè)喪失了直接采用電解鋁水熔鑄的先天優(yōu)勢(shì)，被迫使用鋁錠重熔熔鑄，導(dǎo)致下游熔鑄加工企業(yè)的制造成本急劇增加。

采用電解鋁水熔煉，可直接使用攪拌器攪拌調(diào)勻成分，縮小鋁水溫差即可。攪拌時(shí)間短，使用形式單一，對(duì)攪拌器的使用要求不高。傳統(tǒng)電磁攪拌器勵(lì)磁線圈電流密度大，即使依靠水冷卻，溫升隨時(shí)間的變化仍然呈線性分布，且匝數(shù)少，能耗高，達(dá)不到熱平衡狀態(tài)，即使連續(xù)攪拌，不超過(guò)40分鐘就會(huì)超溫報(bào)警。因此，僅作短時(shí)間間歇攪拌，調(diào)勻成份或消除溫差尚可，不能有效的進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)攪拌，且配有繁雜的水冷及檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)要求高，水質(zhì)一旦超標(biāo)極易造成設(shè)備報(bào)警，故障點(diǎn)多，維修頻繁。采用永磁攪拌器雖能連續(xù)攪拌，但是，永磁攪拌器磁場(chǎng)是無(wú)法調(diào)節(jié)的固定磁場(chǎng)，對(duì)爐底厚度及鋁液深度的變化，不能做到適時(shí)的調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，另外，爐底的高溫存在使磁塊退磁的風(fēng)險(xiǎn)，且產(chǎn)生磁場(chǎng)的釹鐵硼磁塊屬戰(zhàn)略物資，價(jià)格昂貴。不可調(diào)節(jié)的磁場(chǎng)、昂貴的采購(gòu)價(jià)格，使得很多客戶望而卻步。

2 低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器技術(shù)分析

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器的設(shè)計(jì)主線是節(jié)能環(huán)保、提質(zhì)增效！在當(dāng)前全球能源危機(jī)持續(xù)加劇，環(huán)保壓力持續(xù)加大的大背景下，走節(jié)能環(huán)保發(fā)展之路是唯一的選擇。近年來(lái)，國(guó)家通過(guò)刮骨療傷、壯士斷腕的決心，取締高能耗、高污染企業(yè)，淘汰落后產(chǎn)能。使得新技術(shù)、新工藝得以釋放，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，最終達(dá)到對(duì)環(huán)境的改善、對(duì)產(chǎn)品提質(zhì)增效的目的。

眾所周知，鋁熔煉行業(yè)屬高能耗、高污染行業(yè)。在這一大背景下，低電功率連續(xù)攪拌技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該低功率連續(xù)攪拌器除了能充分調(diào)勻合金成分、消除鋁水上下溫差、降低燒損外，其核心技術(shù)是能夠連續(xù)攪拌對(duì)于鋁錠重熔，連續(xù)攪拌可以提高生產(chǎn)效率25～30%，熔煉時(shí)間的縮短可以減少30%左右的燃料消耗。該攪拌器的能耗僅為同噸位傳統(tǒng)電磁攪拌器的一半，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

攪拌器能耗按30噸為例計(jì)算 ：鋁錠重熔，連續(xù)攪拌時(shí)間為2小時(shí)，視在功率為最大值50KVA，功率因數(shù)0.95，實(shí)際工作功率為48kW，此功耗是在電磁攪拌器滿負(fù)荷工作狀態(tài)下得出的結(jié)果，按30噸攪拌器工作2小時(shí)消耗96度電計(jì)算，一年生產(chǎn)1200爐.市電按1度電1元錢(qián)算,產(chǎn)生成本11.52萬(wàn)元。

以天然氣為燃料、噸鋁消耗天然氣70 m3的30噸熔煉爐為例：按每天生產(chǎn)4爐鋁液，除去導(dǎo)爐用1小時(shí)，不用電磁攪拌器配合熔煉，熔煉一爐所用的時(shí)間是5小時(shí)，30噸鋁熔煉完須消耗2100m3天然氣。每小時(shí)消耗天然氣為420m3，用電磁攪拌器后熔煉時(shí)間能節(jié)約30%左右，因此使用攪拌熔煉所需的時(shí)間為5-5×30%=3.5小時(shí)，3.5×420=1470m3每爐節(jié)約天然氣630m3，噸鋁消耗天然氣由70 m3降至49m3,4爐每天節(jié)約2520m3，一年節(jié)約75.6萬(wàn)m3。天然氣按每立方3元算，年節(jié)約天然氣費(fèi)用226.8萬(wàn)元，天然氣節(jié)省費(fèi)用減去攪拌器運(yùn)行產(chǎn)生的成本費(fèi)226.8-11.52=215.28萬(wàn)元，每年節(jié)約純利潤(rùn)215.28萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。

表1 同型號(hào)電磁攪拌器功率對(duì)比表

表2 同型號(hào)電磁攪拌器與永磁攪拌器價(jià)格對(duì)比表

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器自身不產(chǎn)生污染物，且與傳統(tǒng)電磁攪拌器相比省去了水冷卻環(huán)節(jié)，無(wú)水資源浪費(fèi)。功耗降低一半左右，達(dá)到節(jié)能的目的，該攪拌器屬典型的節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。節(jié)能就意味著降低成本，環(huán)保意味著可持續(xù)發(fā)展，這充分證明低功率連續(xù)攪拌技術(shù)在熔煉行業(yè)中真正起到了促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，改善環(huán)境、對(duì)產(chǎn)品提質(zhì)增效的目的。

從上述圖表中可以看出，低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器的能耗是傳統(tǒng)電磁攪拌器的1/2左右;采購(gòu)價(jià)格是永磁攪拌器的2/3。

3 低功率連續(xù)攪拌技術(shù)原理

低功率連續(xù)攪拌技術(shù)在鋁熔煉行業(yè)中應(yīng)用的主要目的就是對(duì)鋁錠重熔、廢鋁重熔縮短融化時(shí)間、提高工作效率、大幅降低能源消耗。對(duì)于滿足合金成分均勻性、消除上下溫差、降低燒損亦能兼顧。

然而，對(duì)于傳統(tǒng)電磁攪拌器，因其設(shè)計(jì)初衷為調(diào)勻合金成分、消除鋁水上下溫差，隨著鋁熔煉行業(yè)的快速發(fā)展，單一的攪拌方式已不能滿足行業(yè)發(fā)展的要求。

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器為滿足當(dāng)前業(yè)內(nèi)的使用要求，在鐵芯結(jié)構(gòu)上采用了獨(dú)特的剖分式鐵芯，線圈通入有相位差的低頻交流電，在鐵芯上產(chǎn)生兩個(gè)以上的同極行波交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生的同極行波交變磁場(chǎng)相互擠壓，磁力加強(qiáng)，使得透入熔體的磁場(chǎng)深度與磁場(chǎng)面積都大幅提高；在線圈上采用了小電流、多匝數(shù)的設(shè)計(jì)思路，使得線圈的電流密度、功率大幅降低，線圈溫升在一定溫度下達(dá)到熱平衡，線圈的線餅與線餅間設(shè)置有導(dǎo)風(fēng)墊板，風(fēng)機(jī)將冷卻風(fēng)送入線圈，線餅間的導(dǎo)風(fēng)墊板將冷卻風(fēng)約束在風(fēng)道內(nèi)，將內(nèi)部高溫空氣導(dǎo)出。因此，該攪拌器能長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)攪拌。

持續(xù)不斷的向線圈通入有相位差的三相低頻交流電，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁極上產(chǎn)生恒久的交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿透爐底，透入進(jìn)鋁水中，對(duì)鋁水進(jìn)行攪拌，攪動(dòng)的鋁水沖刷著爐內(nèi)未熔的鋁錠，加快熔化速度，提高了工作效率，降低了燃?xì)庀?，?jié)約了能源。

電磁感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)是攪拌的動(dòng)力，它相當(dāng)于一臺(tái)氣隙很大的直線電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)器相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的定子，鋁熔液相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，磁場(chǎng)和熔爐中的鋁熔液相互作用產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和感生電流，這種感生電流又和磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁力，從而推動(dòng)鋁熔液作定向運(yùn)動(dòng)，起到攪拌作用。它可根據(jù)生產(chǎn)中的需要大范圍調(diào)節(jié)攪拌速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和鋁熔液的流速，攪拌能力強(qiáng)勁，鋁液流向可交替變換，間隔時(shí)間任意可調(diào)，消除攪拌死角，同時(shí)產(chǎn)生渦流效果，可有效的降低熔爐底部和頂部的溫差。非接觸式攪拌，不污染合金熔液，提高合金成分均勻性，熔化速度快，改善合金的品質(zhì)。

低功率連續(xù)攪拌技術(shù)在有色金屬熔煉過(guò)程中的應(yīng)用，其核心技術(shù)就是能夠連續(xù)攪拌。對(duì)于該攪拌器，實(shí)現(xiàn)成分均勻性、消除上下鋁水溫差來(lái)說(shuō)是很容易實(shí)現(xiàn)的，一般而言，解決合金成分偏析、上下鋁水溫差只需要攪拌器攪拌十幾分鐘即可，但是縮短融化時(shí)間、降低能耗卻需要攪拌器能夠在低功耗、連續(xù)運(yùn)行的前提下做長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)攪拌工作，這就凸顯了低功率連續(xù)攪拌技術(shù)的最大特點(diǎn)。在熔爐內(nèi)有少許鋁水時(shí)，便可進(jìn)行連續(xù)攪拌，促使波動(dòng)的鋁液對(duì)固體鋁料進(jìn)行不斷沖刷，最大限度的提高鋁錠的熔化速度，有效的縮短了熔化時(shí)間，從而對(duì)提高熔化效率，降低能耗起到了至關(guān)重要的作用。

低功率連續(xù)攪拌技術(shù)在有色金屬熔煉中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其低運(yùn)行功率、連續(xù)攪拌的顯著特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域使用的電磁攪拌器大部分是用水來(lái)冷卻的，須配有繁雜的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高。而該攪拌器采用低電密、多匝數(shù)的設(shè)計(jì)思路，工作時(shí)線圈能達(dá)到溫升熱平衡，為提高其穩(wěn)定性和隔絕來(lái)自爐底熱源，風(fēng)冷卻系統(tǒng)能很好地起到對(duì)熱源的屏蔽作用，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低、安裝維護(hù)方便。

4 低功率連續(xù)攪拌的研究與實(shí)施

低功率連續(xù)攪拌技術(shù)作為一種新型的技術(shù)產(chǎn)品， 投入到鋁熔煉當(dāng)中去，并以其投資小，運(yùn)行成本低，攪拌效果好，工作可靠性高，節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)受到廣大用戶的歡迎。

表3 在相同情況下，30t攪拌器投資回收期比較

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器在能耗方面低于傳統(tǒng)電磁攪拌器，價(jià)格方面低于永磁攪拌器，相對(duì)于傳統(tǒng)電磁攪拌器節(jié)約了大量電費(fèi)，對(duì)于永磁攪拌器節(jié)約了采購(gòu)成本。由上表可以看出，其投資回收期比電磁、永磁攪拌器快是顯而易見(jiàn)的，它將為廣大用戶帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。

感應(yīng)線圈的使用壽命是決定低功率攪拌器壽命的關(guān)鍵，也是影響攪拌器能否實(shí)現(xiàn)連續(xù)攪拌的關(guān)鍵因素。然而，傳統(tǒng)電磁攪拌器的勵(lì)磁線圈電流密度每平方毫米3～5安培，電流密度大，并且匝數(shù)少，僅為100～200匝，即使依靠水冷卻，溫升隨時(shí)間的變化仍然呈線性分布，能耗必然高，達(dá)不到熱平衡狀態(tài)，不能有效的進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)攪拌，只能間歇式攪拌。而且配有繁雜的水冷及檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)要求高，水質(zhì)一旦超標(biāo)極易造成設(shè)備報(bào)警，故障點(diǎn)多，維修頻繁，因此，該傳統(tǒng)電磁攪拌器不能滿足持續(xù)有效的連續(xù)攪拌。

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器在研究開(kāi)發(fā)之初，首要解決的主要技術(shù)問(wèn)題就是勵(lì)磁線圈在高溫環(huán)境下的使用壽命問(wèn)題，對(duì)于這一突出問(wèn)題，在勵(lì)磁線圈設(shè)計(jì)時(shí)采用了小電流、多匝數(shù)的設(shè)計(jì)思路。使得勵(lì)磁線圈的匝數(shù)增加至200～500匝范圍內(nèi)，電流密度的設(shè)計(jì)范圍控制在每平方毫米0.5～1.5安培以?xún)?nèi)，使得功率大幅降低，勵(lì)磁線圈溫升在一定溫度下達(dá)到熱平衡；同時(shí)，風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)管向勵(lì)磁線圈提供冷卻風(fēng)，冷卻風(fēng)自風(fēng)罩的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入勵(lì)磁線圈，沿內(nèi)部風(fēng)道流動(dòng)過(guò)程中將內(nèi)部高溫空氣通過(guò)風(fēng)罩的出風(fēng)口導(dǎo)出，從而對(duì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行了強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻；由于勵(lì)磁線圈冷卻效果好，因此，電磁攪拌器能連續(xù)攪拌，提高了工作效率，縮短了熔爐工作時(shí)間，降低了熔爐運(yùn)行的燃?xì)庀?，?jié)約了能源。

山東華特磁電科技有限公司安裝于某鋁業(yè)公司的低功率連續(xù)攪拌電攪拌器使用后，對(duì)其溫升曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，其溫升曲線與傳統(tǒng)電磁攪拌器的溫升曲線對(duì)比如下：

由圖1可以看出，傳統(tǒng)電磁攪拌器運(yùn)行1小時(shí)，溫升超過(guò)110°C，且達(dá)不到熱平衡狀態(tài)。低功率電磁攪拌器的勵(lì)磁線圈在溫升達(dá)到105°C左右時(shí)，溫升達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

圖1 溫升曲線與傳統(tǒng)電磁攪拌器的溫升曲線對(duì)比

經(jīng)過(guò)多熔次的跟蹤對(duì)比分析，該攪拌器對(duì)重熔鋁錠縮短融化時(shí)間上效果明顯，且能耗低，得到用戶的認(rèn)可。

山東華特磁電科技股份有限公司有著二十五年的磁技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用歷史，是我國(guó)磁電設(shè)備的主要生產(chǎn)制造基地。針對(duì)我國(guó)目前鋁行業(yè)鋁錠重熔的現(xiàn)狀，自2008年開(kāi)始，與國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家及部分高等院校、科研院所合作研制出了 “風(fēng)冷式低功率交直交電磁攪拌器”，該產(chǎn)品利用頻率為0.5～3.5Hz的3相低頻電通入感應(yīng)器線圈，產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，此行波磁場(chǎng)穿透爐底的不銹鋼板及爐襯作用于鋁熔液，使鋁熔液產(chǎn)生有規(guī)律的移動(dòng)，從而達(dá)到攪拌的目的。通過(guò)改變變頻電源的電壓、頻率和相位，即可改變攪拌力的大小和方向。為了杜絕爐底的輻射熱對(duì)線圈造成不利影響，采用復(fù)合材料隔熱與強(qiáng)制風(fēng)冷，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制溫度的溫度控制系統(tǒng)，采取的諸多措施有效地解決了爐底熱輻射問(wèn)題，降低了感應(yīng)器的溫度，顯著地提高了設(shè)備使用壽命。另外，該產(chǎn)品攪拌工藝先進(jìn)，質(zhì)量好，無(wú)污染，感應(yīng)器結(jié)構(gòu)先進(jìn)，磁力強(qiáng)，保證了熔爐使用要求。該產(chǎn)品經(jīng)許多用戶使用和質(zhì)量測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，節(jié)能,工作效率高，分別達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品的國(guó)際先進(jìn)水平和領(lǐng)先水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

低功率連續(xù)攪拌技術(shù)在鋁熔爐上的成功應(yīng)用，給有色金屬冶煉攪拌帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命，它有力的推動(dòng)了有色金屬熔煉攪拌的創(chuàng)新與發(fā)展，最大限度的改善了環(huán)境，為提高產(chǎn)品品質(zhì)夯實(shí)了基礎(chǔ)。在能源日趨緊缺的當(dāng)下，實(shí)施低能耗、高產(chǎn)出，低投入、高回報(bào)的領(lǐng)先技術(shù)，走提質(zhì)增效的工業(yè)化道路，提高資源利用效率，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前，低功率電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到鋁等各有色金屬熔煉回收等行業(yè)當(dāng)中，必將在有色金屬熔煉領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展。伴隨著持續(xù)發(fā)展的有色金屬行業(yè)供需兩旺的局面，熔煉爐磁攪拌技術(shù)也將得到進(jìn)一步的釋放和發(fā)展，這也為低功率電磁攪拌技術(shù)提供了千載難逢的機(jī)遇，隨著低功率電磁攪拌技術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的不斷外溢，它必將成為今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)有色金屬熔爐攪拌的一項(xiàng)不可替代的新型技術(shù)。