熔鑄鋁熔煉熱效率優(yōu)化控制策略研究

褚會(huì)連

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265700）

近年來(lái)，鋁已經(jīng)成為世界上使用最廣泛的金屬之一。鋁金屬熔煉爐雖然它的鋁金屬熔點(diǎn)熔化溫度較低，但由于鋁的金屬熔體潛熱和比熱容較大，鋁金屬熔煉所必必需的熔體能耗較高，因此它已成為這些金屬企業(yè)加工不可不得缺少的金屬熔化和熔體加熱加工設(shè)備。因此，提高高溫熔融氧化鋁的使用熱效率，減少其他能源消耗，減少大氣污染物排放是非常重要的。

1 鋁熔鑄工藝優(yōu)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

鋁件在熔鑄加工過(guò)程中，熔鑄加工過(guò)程的設(shè)置和其對(duì)熔鑄加工過(guò)程的質(zhì)量控制很重要，直接影響決定最終加工結(jié)果的熔鑄質(zhì)量。例如，充電期間溫度的相對(duì)高低等就會(huì)直接影響各種鋁鍛體的內(nèi)壁冷熱形態(tài)，充電期間溫度的升高會(huì)大大增加內(nèi)部和熔煉厚壁之間發(fā)生冷熱偏析或厚壁收縮的反應(yīng)概率。液體溫度太小，薄壁上的腫脹質(zhì)量可能會(huì)迅速變差，還可能會(huì)直接出現(xiàn)薄壁腫脹質(zhì)量不足或發(fā)生冷格等物理缺陷。以下技術(shù)文檔通過(guò)分析并詳細(xì)說(shuō)明了采用鋁熔鑄工藝和最優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

1.1 熔鑄工藝的最佳原理

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，很多鋁在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，但很多部位厚度不均勻，加上熱節(jié)點(diǎn)的位置很多，對(duì)表面和內(nèi)部質(zhì)量要求很高，工藝控制的難度很高。對(duì)于中大型薄壁鋁，工藝方法的選擇是關(guān)鍵。

1.2 澆注工藝影響

鋁整體的澆注整體材料組織結(jié)構(gòu)要求比較高，應(yīng)合理正確選擇澆注系統(tǒng)的具體位置，以有效避免產(chǎn)生收縮、氣孔等整體缺陷。前端覆蓋部件應(yīng)在法蘭的小端和末端分別安裝流入內(nèi)部的澆口和末端交叉的外澆口。這樣，使得鋁的流動(dòng)順序緩慢變硬，提高了鑄鋁的熱動(dòng)力學(xué)性能。

1.3 熔鑄參數(shù)的三維模擬

鋁熱壓三維工藝建模的設(shè)計(jì)目的主要是為實(shí)現(xiàn)工藝流程參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)工藝流程實(shí)施設(shè)計(jì)過(guò)程中的控制設(shè)計(jì)提供建模平臺(tái)和設(shè)計(jì)模板。工藝模擬保溫過(guò)程中由于保溫材料、模具和型芯部分屬于各個(gè)工藝模擬組件組成部件，屬性不同，因此在在建模時(shí)我們應(yīng)盡可能多地確保每個(gè)塊的工藝模擬與實(shí)際保溫位置、尺寸相匹配。特別是，一些不規(guī)則的表面需要盡可能地恢復(fù)。此外，相互分離和分散的在建模時(shí)不應(yīng)連接，但在流程仿真時(shí)，必須完全配置相同的材料工藝。

1.4 模擬優(yōu)化過(guò)程的過(guò)程

鋁熔鑄工藝模擬及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要使用三維圖形設(shè)計(jì)處理軟件模擬完成工藝建模設(shè)計(jì)工作，然后將其分為優(yōu)化兩條線。另一方面，通過(guò)利用cad三種接口計(jì)算軟件，對(duì)三維熔鑄設(shè)備工藝基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算預(yù)處理，包括熔鑄模塊模型計(jì)算、孤立設(shè)備熔池建模計(jì)算、熔鑄設(shè)備系統(tǒng)建模計(jì)算等，最終計(jì)算納入三維熔鑄設(shè)備工藝基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析后的處理過(guò)程，并重新計(jì)算輸入三維工藝設(shè)計(jì)處理軟件。相反，通過(guò)使用cae兩種接口統(tǒng)計(jì)軟件可以對(duì)實(shí)際熔鑄生產(chǎn)過(guò)程結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)過(guò)程數(shù)據(jù)分析進(jìn)行熔鑄流場(chǎng)數(shù)的計(jì)算和熔鑄溫度場(chǎng)數(shù)的計(jì)算，之后對(duì)實(shí)際熔鑄生產(chǎn)過(guò)程結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后加以處理，在此基礎(chǔ)上可以判斷熔鑄生產(chǎn)過(guò)程的正確合理性，如果過(guò)程是這樣，則為實(shí)際投入生產(chǎn)而不為輸出。否則，必須重新返回第一計(jì)算階段，通過(guò)有限量的差分計(jì)算軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算過(guò)程分析然后處理，重新開始計(jì)算各種差分參數(shù)。在低壓熔鑄電流模型工藝配置和電流模擬計(jì)算控制過(guò)程中，根據(jù)電流熔鑄模型工藝控制要求，添加用于低壓電流熔鑄的主要工藝控制參數(shù)。

2 影響熱效率的因素分析

根據(jù)熱平衡力學(xué)原理，進(jìn)入整個(gè)爐子的各種熱量概率等于同時(shí)進(jìn)入整個(gè)爐子的各種材料的吸熱和各種不同熱量產(chǎn)生損失的概率總和。其中能夠進(jìn)入通用火爐的物理熱量主要包括作為燃料的氣體化學(xué)物理熱和水的物理熱，空氣和其他材料的化學(xué)物理熱。各種熱腐蝕損失主要類型包括鍋爐排氣熱腐蝕損失、不完全停止燃燒時(shí)熱損失、爐壁熱腐蝕損失等。如果燃料是一種固體中的燃料，還包括再渣熱量的損失等。提高用煤或天然氣進(jìn)行加熱的高溫熔融氧化鋁的鍋爐熱效率的主要解決措施之一是通過(guò)降低鍋爐排氣管的溫度，減少對(duì)于爐壁的熱輻射損失。另外，降低燃燒過(guò)量的鍋爐空氣污染系數(shù)后還可以有效提高鍋爐火焰燃燒溫度，減少了氮氧化物的燃燒。提高爐溫均勻性能還可以有效提高鋁箔加熱材料質(zhì)量，減少通用材料的熱氧化率和燃燒的用量，提高通用鋁箔加高爐爐在單位加熱時(shí)間內(nèi)材料產(chǎn)量，減少能源消耗。下面我們具體分析各熱水器損失的可能影響具體因素。

2.1 煙霧排放溫度

熔鋁熔煉的熔點(diǎn)加熱作用溫度一般在1000至100之間，鋁的每個(gè)熔點(diǎn)加熱溫度約固定為660，熔鋁熔煉的進(jìn)出口以及排氣口的溫度一般在500以上。這樣由于高溫的溫室煙霧直接向外界的排放后就會(huì)給人浪費(fèi)很多能源，給人的周圍環(huán)境也會(huì)帶來(lái)熱量的污染。

2.2 爐壁冷卻損失

爐壁的熱效率損失主要是鍋爐煙氣大量排放鍋爐溫度變得過(guò)高從而降低了熱熔融氧化鋁鍋爐熱效率的主要影響因素。其中存在材料庫(kù)出入口、爐門等部位泄漏非常大。高溫優(yōu)化鋁液本身的隔熱發(fā)射吸收率相對(duì)較低，但由于漂浮在低溫鋁液上的金屬氧化物對(duì)其發(fā)射吸收率相對(duì)較高，而且鋁液輻射物的傳熱與熱力學(xué)溫度的四個(gè)二次方溫度形成一個(gè)正比，因此就需要在優(yōu)化材料的出入口和隔熱爐門內(nèi)部采用專為優(yōu)化材料設(shè)計(jì)的隔熱反射式鍍膜結(jié)構(gòu)。起到對(duì)隔熱板的保護(hù)作用，防止熱量的大量損失。另外，個(gè)別耐火材料和保溫層等介質(zhì)直接受損的一些地方，局部還會(huì)發(fā)熱，爐子里的熱量往往會(huì)散失。這時(shí)肉眼看不見。重慶東海埃魯比工業(yè)路有限公司擁有國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的非冷焦平面紅外熱成像照相機(jī)，可以直觀地測(cè)量、分析爐壁溫度并計(jì)算熱損失，甚至可以直接看到爐內(nèi)鋁液泄漏，在爐壁上拍照，將照片發(fā)送到電腦進(jìn)行熱分析計(jì)算處理，可以及時(shí)有效地預(yù)防安全事故的發(fā)生。

2.3 爐溫度均勻性

大型高壓鋁熔煉爐中的熱燃燒器的具體工作狀態(tài)參數(shù)和熔煉爐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)熔煉爐體燃燒溫度的均勻性都具有很大量的影響。爐子的鋁液溫度超標(biāo)分布不均勻，部分爐子鋁液爐壁燃燒嚴(yán)重，煙塵中的二氧化鋁液的含量急劇溫度增加，而部分爐子的鋁液高溫燃燒會(huì)直接導(dǎo)致鋁液爐壁燃燒溫度明顯超標(biāo)，從而大大縮短耐火材料、保溫材料的使用壽命。

ComputationalFluidDynamics(CFD)技術(shù)可以在高爐工作前預(yù)測(cè)爐溫場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，判斷燃燒器的工作參數(shù)和爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。與國(guó)際最新鋁熔煉爐設(shè)計(jì)理念及CFD技術(shù)一起，企業(yè)進(jìn)行了鋁熔煉爐優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，促進(jìn)了產(chǎn)品性能的提高。

2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備

通過(guò)我們公司的長(zhǎng)期技術(shù)應(yīng)用研究實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)家用熔煉熱鋁的操作自動(dòng)控制以及系統(tǒng)控制操作精度高，可以大大減少家用燃?xì)鉄徜X熔煉爐的安全可靠運(yùn)行和降低能耗。同時(shí)，可以通過(guò)使用能夠防止鋁殼高溫和過(guò)熱鋁殼被侵蝕的德國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品sialon微型熱電偶高溫保護(hù)三件套，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)各種鋁殼內(nèi)溫度值的變化，保證熔鋁質(zhì)量。

3 鋁及鋁熔鑄趨勢(shì)

3.1 節(jié)能和環(huán)境保護(hù)

現(xiàn)階段，由于能源阻礙煤是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)科技高速同步發(fā)展的兩個(gè)重要障礙，能源緊張和社會(huì)環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。在當(dāng)前環(huán)境下，我們必須發(fā)展節(jié)能經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)經(jīng)濟(jì)，這一定是我國(guó)未來(lái)的兩個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。鋁及鋁熔鑄是鋁加工的第一個(gè)過(guò)程，在此過(guò)程中一定會(huì)消耗很多能源，并且會(huì)伴隨著很多污染嚴(yán)重污染環(huán)境質(zhì)量。例如，熔鑄液體過(guò)程中它所產(chǎn)生的氣體熱量可能是巨大的。這些新的熱量一旦從它排放出來(lái)到它的空氣中，就可能會(huì)大大大地增加它的溫室效應(yīng)。因此，我國(guó)在鎂合鋁和金屬鋁熔鑄加工技術(shù)的深入發(fā)展應(yīng)用過(guò)程中，必須走節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境兩條主要路線，只有堅(jiān)持這兩條道路，才能真正使我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

3.2 提高熔體純度的研究

熔鑄鋁和鋁產(chǎn)品時(shí)，要保證熔體的純度，就要保證鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量，熔體的純度與鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量有很大關(guān)系。因此，為了有效保證鑄錠熔鑄的整體質(zhì)量，在進(jìn)行鑄錠熔鑄過(guò)程中應(yīng)在選擇優(yōu)質(zhì)熔體時(shí)，必須盡量選擇鑄錠氣體雜質(zhì)含量少、渣少的優(yōu)質(zhì)熔體，才能達(dá)到保證鑄錠晶體結(jié)構(gòu)精細(xì)化的熔鑄質(zhì)量。

3.3 安全問(wèn)題研究

安全保障問(wèn)題通常是熔鑄鋁和其他鋁熔鑄設(shè)備工作中最重要的一個(gè)問(wèn)題之一，需要我們高度重視。因?yàn)?，如果是在熔鑄生產(chǎn)過(guò)程中突然出現(xiàn)安全衛(wèi)生問(wèn)題，必然可能會(huì)直接造成重大人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)階段我國(guó)鋁和鋁熔鑄的安全質(zhì)量不太完善。一般來(lái)說(shuō)，安全事故問(wèn)題主要認(rèn)為表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面∶主要原因是∶第一，氣體高爐泄漏事故引起的高爐爆炸;二、高爐中泄漏出的鋁;三者都是高爐附設(shè)。因此，今后我國(guó)在鋁和鋁熔鑄過(guò)程中必須不斷加強(qiáng)對(duì)熔鑄安全的重視，不斷擴(kuò)大對(duì)安全設(shè)施的資金投入，對(duì)相關(guān)技術(shù)要不斷研究，確保熔鑄設(shè)備的質(zhì)量，保證熔鑄工藝的流動(dòng)性。

3.4 擴(kuò)展熔鑄技術(shù)研究

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)代化步伐逐漸加快。因此，對(duì)鋁和鋁強(qiáng)度和數(shù)量的需求增加，因此持續(xù)研究高強(qiáng)度鋁很重要。部分大型超高強(qiáng)度熔鑄和電磁熔鑄等都具有較高的能源效率，可以大大提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

3.5 成本管理

作為鋁產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中最重要的一步，熔鑄工藝需要大量的人力和資金支持，一旦這些投資太高，必然會(huì)妨礙后面產(chǎn)品的利益。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，必須進(jìn)行成本控制。因此，研究使用鋁和鋅等鋁金屬熔鑄時(shí)，必須不要完全忽視金屬成本管理控制中的工作，優(yōu)化金屬生產(chǎn)工藝，提高金屬生產(chǎn)工作效率，減少使用金屬鋁的燃燒，提高金屬生產(chǎn)率。通過(guò)快速高溫熔化和連續(xù)等溫加熱冶煉等加工方法可以減少大量金屬鋁的燃燒，部分生產(chǎn)鋁企業(yè)可以直接另外使用高溫電解鋁溶液來(lái)作為生產(chǎn)原料，鋁加工生產(chǎn)企業(yè)甚至可以直接另外購(gòu)買錠及其他主演材料進(jìn)行熱、冷軋鑄鋁加工，從而大大降低生產(chǎn)過(guò)程成本。

4 結(jié)論

鋁熔鑄中，工程設(shè)計(jì)都依賴專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，在這種情況下，工程生產(chǎn)很有可能因重大缺陷的存在而放棄專業(yè)，造成時(shí)間和資金的巨大浪費(fèi)。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究確定最佳熔鑄工藝設(shè)計(jì)方法，在工業(yè)計(jì)算機(jī)過(guò)程模擬中準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)品熔鑄生產(chǎn)工藝當(dāng)中存在的難點(diǎn)問(wèn)題，并根據(jù)企業(yè)使用實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品整體生產(chǎn)工藝質(zhì)量大幅提高和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝周期大幅縮短，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。鋁熔煉爐主要是眾多大型工業(yè)爐之一，分析了許多影響其鍋爐熱效率的主要因素，對(duì)其他不同種類的大型工業(yè)爐對(duì)其熱效率進(jìn)行分析也是具有同樣重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。從鋁熔煉加工、維護(hù)企業(yè)鋁熔煉設(shè)備到產(chǎn)品生產(chǎn)，有必要按照'設(shè)計(jì)優(yōu)化、精心制造、及時(shí)檢查、細(xì)致維護(hù)'的加工原則，提高加工企業(yè)鋁熔煉能源綜合利用率，降低企業(yè)能源利用成本，提高鋁熔煉產(chǎn)品質(zhì)量。