全蓄熱式鋁合金熔鋁爐

高 峰，秦 龍，隋永豐，姜 臻，向德宇

（遼寧忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 遼陽 111003）

近年來，隨著我國大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，鋁型材已成為建筑領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域里重要的應(yīng)用材料，其全行業(yè)消費(fèi)水平的迅猛增長，促使了國內(nèi)鋁加工企業(yè)紛紛擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，同時(shí)，也促進(jìn)了鋁合金熔煉爐行業(yè)的發(fā)展，大型化、高效化鋁合金熔煉爐已成為今后發(fā)展的必然趨勢。為增大生產(chǎn)效率，各個(gè)生產(chǎn)基地大量建設(shè)電解鋁產(chǎn)業(yè)，與此同時(shí)，配套熔鋁爐要求也逐步提高[1]。

1 鋁合金的熔煉特性

鋁合金的熔煉具有消耗熱量多、易氧化、易吸氫、容易吸收雜質(zhì)金屬等特性。同等條件下之所以熔化鋁要比要比鐵、銅等消耗的熱量多，是由于鋁的熔化潛熱過大，比熱大，黑度小，對熱的反射強(qiáng)。

表1 鐵、銅、鋁的熱特性比較

熔融狀態(tài)下的鋁合金極易氧化，生成Al2O3。在熔體表面形成的氧化鋁薄膜雖然有保護(hù)作用，能夠防止鋁熔體的進(jìn)一步氧化，但一旦被破壞，氧化膜進(jìn)入熔體內(nèi)便很難除去。它懸浮在熔體里，隨熔體進(jìn)入鑄錠中,給加工材料品質(zhì)帶來不利影響。更為嚴(yán)重的是,鋁的氧化物是各種氣體的良好載體,它的存在會使鋁熔體大量吸氫。因此，盡可能減少氧化是鋁合金熔煉過程中的一個(gè)重要問題。

鋁合金固體爐料在爐內(nèi)加熱熔化則所需要大量的熱量,該熱量則全部由熔化爐的熱源供給。目前，我國大部分鋁合金型材、板材等生產(chǎn)廠家大多采用火焰爐進(jìn)行熔煉，采用天然氣作為燃料，傳熱方式也根據(jù)爐型的不同或者以輻射傳熱為主，或者以對流傳熱為主。

2 熔鋁爐性能影響因素

鋁合金在熔化過程中如果熔化速度太慢，鋁料在爐內(nèi)停留時(shí)間過長，尤其在較高的熔煉溫度下，大量的非自發(fā)晶核活性衰退，容易引起鑄錠晶粒粗大缺陷，同時(shí)也増加了熔體吸氣和氧化傾向，使熔體中非金屬夾雜和含氣量增加，不利于鋁合金熔煉和熔體的質(zhì)量。而爐料的快速熔化可以有效縮短熔化時(shí)間，對提高生產(chǎn)率和質(zhì)量都是有利的；加熱溫度越高，熔化速度越快，同時(shí)也會使金屬與爐氣、爐襯等相互作用的有害時(shí)間縮短，但另一方面，過高的溫度容易發(fā)生過熱現(xiàn)象，特別在用火焰反射爐加熱時(shí)，火焰直接接觸爐料以強(qiáng)熱加于熔融或半熔融狀態(tài)的金屬，使熔體過熱，鋁料與爐氣、爐襯等相互作用的反應(yīng)加快，造成金屬損失及熔體質(zhì)量的降低。因此，在鋁熔煉過程中，在防止熔體過熱的前提下，應(yīng)盡可能加速熔化，縮短熔煉時(shí)間[2]。

目前我國行業(yè)內(nèi)使用的熔煉技術(shù)均為蓄熱式燃燒火焰熔化爐，該技術(shù)的核心在于燃燒系統(tǒng)的控制與運(yùn)用，熔化效率和噸鋁能耗是衡量一個(gè)熔化爐好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。由于鋁的金屬黑度小，接收輻射傳熱能力較弱，為了最大限度的節(jié)約能源，應(yīng)盡可能強(qiáng)化對流傳熱能力、提高火焰對鋁金屬的對流效果，及采用“沖擊熔化”的方式。一方面優(yōu)先選擇高出口速度并具有一定火焰長度的燃燒器以提高對流換熱能力，同時(shí)加大安裝傾角，強(qiáng)制火焰對鋁料形成沖擊作用，使火焰延鋁液表面流動，并采用適宜的煙道位置以延長高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的停留時(shí)間；另一方面應(yīng)盡量回收煙氣余熱，以預(yù)熱助燃空氣，從而提高火焰的理論燃燒溫度。盡管火焰沖擊有可能是鋁料表面出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，但強(qiáng)化傳熱大大縮短了鋁料的熔化時(shí)間，鋁料的總燒損反而會略有減小。因此中、高速燒嘴及換熱器已成為熔鋁爐的標(biāo)準(zhǔn)燃燒配置。

圖1 蓄熱式燃燒技術(shù)示意圖

傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)為了保證燃燒時(shí)爐內(nèi)壓力波動趨于平穩(wěn)，所以在熔化爐本體上設(shè)有輔助排煙，其功能是將爐內(nèi)15%～20%的燃燒后的煙氣排出。該功能的設(shè)立是基于爐內(nèi)的煙氣不能全部被蓄熱式燃燒器排出的條件下。那么如果蓄熱式燃燒器有足夠的能力把煙氣排出的情況下還需要輔助排煙嗎？這樣將不會損失15%～20%煙氣帶走的熱量，那么爐子本身的熔化效率是不是也會提高呢？我們帶著疑問開發(fā)了我們新一代的產(chǎn)品，全蓄熱式熔鋁爐。

3 結(jié)構(gòu)及工藝

熔鋁爐通俗來說就是承載鋁合金固體廢料、重熔鋁錠和電解鋁液的容器，通過蓄熱式燃燒器將固態(tài)鋁錠熔化、保溫，并添加不同合金來調(diào)配不同牌號的鋁合金。

爐體結(jié)構(gòu)如下圖2所示。每臺熔煉爐布置2套蓄熱式燃燒器，每套燃燒器包含1個(gè)蓄熱箱和1個(gè)燒嘴頭，蓄熱箱內(nèi)部放置剛玉質(zhì)小球作為蓄熱介質(zhì)。2套燃燒器交替切換使用，當(dāng)一套燒嘴燃燒時(shí)，煙氣通過另外一套燒嘴排出，煙氣排出過程中加熱裝在蓄熱箱的蓄熱介質(zhì)。在周期切換后，常溫助燃空氣流經(jīng)高溫的蓄熱介質(zhì)時(shí)被加熱，從而獲得極高的熱風(fēng)溫度。蓄熱式燒嘴排煙溫度≤180℃。燒嘴的切換由設(shè)定的時(shí)間和蓄熱箱出口的煙氣溫度兩因素決定，并通過PLC系統(tǒng)自動控制。實(shí)現(xiàn)完全蓄熱燃燒，更加節(jié)能。

圖2 爐體結(jié)構(gòu)圖

爐門采用全尺寸大爐門結(jié)構(gòu)，分段式爐門結(jié)，將爐門分成小寬度爐門（見圖3），采用緊固件拼裝形成一個(gè)剛性整體，減少了因冷熱變化引起的累計(jì)膨脹變形量，避免了爐門變形，保證爐門密封良好，爐門及附近材料和元器件的壽命大大延長。

圖3 爐門結(jié)構(gòu)圖

抬包傾翻系統(tǒng)為L型焊接框架結(jié)構(gòu)（見圖4），框架結(jié)構(gòu)一側(cè)與地面基礎(chǔ)鉸接相連，傾動油缸的一端連接在平臺基礎(chǔ)上，另一端連接在框架結(jié)構(gòu)的中間位置，傾動油缸頂出，則平臺回轉(zhuǎn)上傾，臺包中鋁液流出，傾動油缸縮回，則平臺回轉(zhuǎn)下傾。抬包與傾翻平臺之間不需要固定機(jī)構(gòu)，僅需要將抬包通過天車移放到平臺上，由于框架結(jié)構(gòu)豎直部分設(shè)計(jì)有V字形定位擋塊，故傾翻時(shí)抬包會自動靠重力定位，但抬包上需設(shè)計(jì)有相應(yīng)的定位擋塊，用于天車平移時(shí)將該抬包上的定位擋塊靠近平臺上的定位擋塊，以確保抬包出鋁口對準(zhǔn)爐體注鋁口[3]。

圖4 抬包傾翻系統(tǒng)

熔煉爐內(nèi)襯的耐火材料采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其材料主要為不沾鋁型澆注料、防滲透型澆注料、輕質(zhì)保溫型澆注料以及保溫磚和硅酸鋁纖維。

對于爐底以及下部側(cè)墻與鋁液接觸的部位，最里層作為工作層則采用高體密、高強(qiáng)度且不沾鋁的澆注料；下一層為防滲層需采用具備防滲作用的澆注料，當(dāng)鋁液與澆注料發(fā)生滲透反應(yīng)時(shí)澆注料內(nèi)添加的紅柱石和超微細(xì)粉等會也鋁液發(fā)生反應(yīng)生形成緊密堆積物，快速填充澆注料的氣孔和空隙，從而防止鋁液的二次滲透；最外層則為保溫層，采用熱導(dǎo)率較低的保溫磚和硅酸鋁纖維板。

上部側(cè)墻則采用高強(qiáng)度耐火澆注料+保溫磚及硅酸鋁纖維板。

爐頂需采用高強(qiáng)度耐火澆注料+硅酸鋁纖維+輕質(zhì)保溫澆注料，爐頂為整體吊掛式結(jié)構(gòu)，不宜采用磚鋪形勢。

圖5 燃?xì)庠韴D

良好的爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定熔化爐成敗的關(guān)鍵之一，好的爐襯結(jié)構(gòu)能夠提高爐子本身的使用壽命，有效的防止漏鋁的風(fēng)險(xiǎn)。此外，同樣加強(qiáng)了爐體的保溫性能，防止?fàn)t內(nèi)的熱量損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金熔化爐爐墻表面的熱損失達(dá)到了18.88%（老數(shù)據(jù)，但值得參考）。

表2 某鋁材廠熔鋁爐熱平衡測試結(jié)果

4 燒嘴及燃?xì)夤苈吩O(shè)計(jì)

為了降低能耗，本套系統(tǒng)采用的是全蓄熱式燃燒模式，傳統(tǒng)的蓄熱式燃燒方式是帶有輔助排煙管道的，有20%的爐內(nèi)高溫?zé)煔猓ā?00℃）是從輔助排煙管道直接排放的，這不僅造成了能源的消耗，也對后續(xù)的除塵系統(tǒng)的濾袋也有了較高的要求。本套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將輔助排煙管道取消，將全部的煙氣都通過蓄熱介質(zhì)排放，排放的煙氣溫度≤200℃。將使設(shè)備更加節(jié)能，噸鋁能耗更低，降低高溫對除塵濾袋的影響[4]。

在啟動燒嘴時(shí)，系統(tǒng)首先檢測各參數(shù)（如燃?xì)鈮毫?、助燃風(fēng)壓力等）是否符合點(diǎn)火的條件。如滿足則系統(tǒng)自動執(zhí)行對爐內(nèi)進(jìn)行吹掃作業(yè)，以吹出爐內(nèi)的殘余氣體。如果不能滿足吹掃或檢漏條件，則系統(tǒng)報(bào)警停止燒嘴運(yùn)行。故障排除并復(fù)位后重新開始吹掃。吹掃完成后，可進(jìn)行點(diǎn)火作業(yè)。

每一熔次的各個(gè)階段對燒嘴的熱力要求都不一樣，為了滿足這一要求，燒嘴控制系統(tǒng)在20%～100%燃燒范圍內(nèi)調(diào)節(jié)燒嘴的供熱能力。在此范圍內(nèi)，燃?xì)?空氣比率得到精確的控制。在爐內(nèi)需要大熱量階段，燒嘴滿負(fù)荷交替燃燒；當(dāng)金屬或爐膛溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC會根據(jù)爐子的熱力需求逐步降低燒嘴輸出功率；在鋁液轉(zhuǎn)爐前的保溫階段，供熱能力要求很低，此時(shí)將燒嘴控制在低開度狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際溫度開始下降，低于設(shè)定值時(shí)，PLC自動增加燒嘴輸出功率，使實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)爐門開啟時(shí)，燒嘴自動轉(zhuǎn)入最小火焰燃燒狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)[5-7]。

5 熔化率和噸鋁消耗測試結(jié)果

設(shè)備投產(chǎn)使用后我們對設(shè)備進(jìn)行了數(shù)據(jù)檢測，檢測結(jié)果如下表3。

表3 實(shí)測數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)來源于我集團(tuán)營口忠旺40t蓄熱式熔煉爐，其設(shè)計(jì)熔化率為8t/h，噸鋁消耗為52m3/t。

檢測結(jié)果顯示經(jīng)改進(jìn)后的全蓄熱式熔煉爐不論是在熔化率上有所提高，在噸鋁燃?xì)庀纳弦灿忻黠@降低。以40t蓄熱式熔鋁爐為例，傳統(tǒng)蓄熱式燃燒，噸鋁天然氣耗量約為：≤55m3/t（成品）；而全蓄熱（100%）燃燒，經(jīng)實(shí)踐證明，噸鋁天然氣耗量可降為50m3/t（成品）以下。

6 結(jié)論

鋁合金熔煉爐的全蓄熱式燃燒是可以實(shí)現(xiàn)的，并且其熔化效率和能耗都會有所降低。