雙室爐和感應(yīng)爐在鋁廢料處理中的應(yīng)用對比

郭峻宏，李 偉

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

本文中所討論的鋁廢料是指鋁加工廠生產(chǎn)鋁材過程中發(fā)生的廢料，包括鋁合金廢屑，板帶材和擠壓件切掉的料頭、料尾，塊狀廢品料等。

1 鋁合金廢料

1.1 鋁合金廢屑的產(chǎn)生

鋁合金錠鑄造過程中在其表面和近表面會形成一些缺陷，如疏松、粗晶、硬質(zhì)層及夾雜等。因此扁錠在進行軋制加工之前需要使用銑床對鋁合金扁錠進行銑面處理，主面的銑面量一般為5 mm～30 mm，最大銑削量控制在40 mm以下，側(cè)面的銑削量一般控制在5 mm～15 mm。銑削過程中會產(chǎn)生大量的細長片狀鋁合金屑。鋁合金圓錠在擠壓或鍛造之前要進行車削加工，去掉表面層，也會產(chǎn)生大量切屑。

1.2 鋁合金廢料的組成

鋁合金廢屑大多是不同系別鋁合金錠在銑面或切削過程中的產(chǎn)物，成分穩(wěn)定，含雜物很少。而其他塊狀廢料表面往往含有少量油污或其他的有機物質(zhì)等雜質(zhì)。

2 廢鋁料的處理裝置

2.1 雙室爐

雙室爐主要用于熔化帶雜質(zhì)的廢料、生產(chǎn)返還料、干凈的塊料，熔化后的鋁熔體將被傳輸?shù)戒X液包或鑄造設(shè)備鑄造成鋁合金錠。

雙室爐的主要結(jié)構(gòu)由上料機、加熱室、廢料室、循環(huán)設(shè)備、燃燒設(shè)備、廢氣處理設(shè)備及控制系統(tǒng)組成。加熱室與廢料室分開布置可以有效減少帶雜質(zhì)的廢料和塊狀廢料的燒損，同時提高熱效率。

加熱室主要通過燒嘴燃燒天然氣，為鋁廢料的熔化源源不斷提供能源，同時保證爐內(nèi)的溫度維持在滿足工藝要求的范圍之內(nèi)。廢料室與加熱室之間利用隔墻隔開，隔墻上含有孔洞，孔洞中包含過濾裝置，使兩室中的鋁液可以通過。廢料室靠近爐門處的爐橋，可以放置薄壁、帶雜質(zhì)的鋁廢料。由于裝入廢料室的廢料可能是濕料或粘有有機物質(zhì)，它們在進入熔池之前，要在爐橋上進行預熱，通過爐子自身的循環(huán)系統(tǒng)及廢料室特殊的燒嘴對爐料快速預熱。預熱后的爐料會在廢料室集聚熱分解氣，這部分熱分解氣經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)被送到加熱室的燒嘴區(qū)域進行二次燃燒。通過熱分解氣中有可燃雜質(zhì)的燃燒所產(chǎn)生的熱量對加熱室進行加熱，一定程度上減少了雙室爐的能耗。

鋁屑、碎片可從鋁液循環(huán)系統(tǒng)的上料井進行裝料，該單元與電磁泵一起實現(xiàn)爐子的鋁液循環(huán)。電磁泵將在加熱室中熔化后的鋁液抽入上料井底部，鋁液與廢料直接接觸，并且?guī)еX屑一同流入廢料室。這種方式加強了從加熱室到廢料室的熱傳輸，使得廢料室中的鋁液運動變得強烈，鋁液的溫度和化學成分更均勻。并且這種熔化方式使鋁屑的熔化更加快速，減少了鋁屑的燒損[1]。

2.2 感應(yīng)爐

感應(yīng)爐的爐體主要由感應(yīng)線圈磁軛、坩堝、爐殼等組成。

在磁軛內(nèi)部放置了一套水冷絕緣感應(yīng)線圈，線圈以可調(diào)整的方式裝在由變壓器鋼板制成的磁軛里，磁軛安裝在線圈保護架里；線圈組件組成了一個整體單元插入爐子的傾動框架內(nèi)部，水冷感應(yīng)線圈圍繞著爐體內(nèi)部的陶瓷坩堝，通過電流的作用，產(chǎn)生磁場。感應(yīng)線圈組成初級線圈，熔化的爐料或熔融金屬液組成二級線圈。初級電流流入線圈形成磁場感應(yīng)二級電流進入爐料使之熔化。這種形式的能量轉(zhuǎn)換通過感應(yīng)產(chǎn)生電力形成熔池紊流，加速鋁廢料的熔化。

為防止電流通過水冷感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場對爐子的金屬部件產(chǎn)生影響使其發(fā)熱、降低爐子效率，有必要控制感應(yīng)線圈所產(chǎn)生磁場的發(fā)散。目前使用的感應(yīng)爐的水冷感應(yīng)線圈的周圍采用多個磁軛對產(chǎn)生的磁場進行限制，磁軛在對著感應(yīng)線圈的方向制成圓弧面，可以很好地控制磁場的發(fā)散，降低漏磁量，減少金屬零部件發(fā)熱，提高感應(yīng)爐的效率[2]。

感應(yīng)爐控制系統(tǒng)日益完善，可根據(jù)預設(shè)裝料量優(yōu)化鋁熔煉加熱、保溫等工序，優(yōu)化功率的輸入，防止鋁熔體過熱和控制熔體澆注溫度。

3 兩種爐對鋁廢料處理的比較

3.1 可處理廢料的種類

雙室爐可以處理松散的廢鋁帶和鋁箔、鋁屑、廢型材料和塊料等，覆蓋了大部分的鋁加工生產(chǎn)廢料，有良好的廢料品種適應(yīng)性。

感應(yīng)爐大多用于熔化鋁屑，也可以熔化塊料，但由于感應(yīng)爐的幾何尺寸較小，對于大型的塊狀廢料和板帶廢料的裝爐有一定限制，并對裝爐的重量也有限制。

3.2 爐子的熱效率

目前大多雙室爐采用了蓄熱式燒嘴，這種燒嘴可以有效地利用爐內(nèi)廢氣對蓄熱箱進行加熱，并將儲存的熱量傳遞給助燃空氣，可將助燃空氣從正常室溫加熱至700 ℃以上，而后進入燒嘴進行助燃，同時將冷卻后的爐氣排出，排出的爐氣不超過250 ℃，這種設(shè)計雖然盡可能地利用了廢氣中的熱值，但還是有熱量伴隨著爐氣排出，降低了爐子的熱效率。一般雙室爐的熱效率可以達到50%～60%，因此雙室爐熔煉1 t鋁大約需要65 m3的天然氣，利用天然氣的熱值計算相當于電能636 kWh。

感應(yīng)爐是電流產(chǎn)生磁場，通過感應(yīng)電流對金屬進行熔化，因此感應(yīng)爐的熱效率極高，可達70%以上，熔化1 t鋁大約需要電能450 kWh[3]。

3.3 再生鋁錠的質(zhì)量

在實際產(chǎn)生和傳輸過程中，鋁廢料表面難免會沾染油污、水或其他雜質(zhì)。水在高溫情況下會與鋁發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鋁和氫氣，對再生鋁錠質(zhì)量產(chǎn)生影響。而油污同樣會污染再生鋁錠。雙室爐可以將廢鋁物料堆放在爐門前的爐橋上，進行干燥和加熱，使附著在廢料上的水蒸發(fā)，并與油污等生成熱分解氣，并將這一部分的熱分解氣輸送至加熱室進行燃燒，加以利用。

而感應(yīng)爐只能對爐內(nèi)鋁廢料進行加熱，通過爐蓋上的風機將產(chǎn)生的爐氣處理后排放。

在鋁合金的熔煉過程中難免會產(chǎn)生鋁渣，鋁渣的主要成分是氧化鋁。天然氣的燃燒會產(chǎn)生水和二氧化碳，同時助燃空氣中含有氧氣，也可以同熔融的鋁發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鋁。雙室爐通過先進的氣體控制系統(tǒng)，控制爐內(nèi)氣體中氧的含量，減少鋁的燒損和鋁渣的產(chǎn)生。雙室爐廢料室和加熱室各有一個爐門可使用專用的扒渣車將爐內(nèi)的鋁渣進行處理。而感應(yīng)爐熔化廢鋁料過程中沒有燃燒反應(yīng)，不會有水生成，可以把氧含量維持在相對較低的水平。因此感應(yīng)爐中鋁的燒損較少，鋁燒損可控制在1%以下，而且產(chǎn)生的鋁渣較少，一般為雙室爐熔化等重量鋁合金產(chǎn)生鋁渣的1/3左右。但是目前感應(yīng)爐的除鋁渣工作只能通過工人手工或傾倒爐體來完成[4]。

3.4 在工廠的適用性

鋁加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鋁廢料表面難免有油污和水，并且這些鋁廢料是經(jīng)過不同的處理而產(chǎn)生的，其形狀、大小、狀態(tài)都不相同，對于這些廢料用雙室爐熔煉都不存在困難。

感應(yīng)爐在使用中全程需要使用水對電纜進行冷卻，只有供應(yīng)合格的足夠的冷卻水，設(shè)備才能夠正常工作。如果一旦停水，原有的冷卻水中會形成蒸汽，損壞感應(yīng)線圈，燒毀絕緣層。同時對冷卻水的品質(zhì)也有嚴格的要求，不能夠含有任何雜質(zhì)和腐蝕性成分，鹽含量要求低，以防止管路的堵塞。在冷卻水的管路上，每個支路都配有調(diào)節(jié)裝置，使各個支路上的溫度分布更加均勻。這套設(shè)備復雜、對于水資源消耗量大并且維護起來十分煩瑣。目前有新設(shè)備正處于試驗階段，采用銅絞線空氣冷卻的感應(yīng)爐，它擁有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、不消耗水資源等優(yōu)點，但是該設(shè)備目前只能夠適用于小規(guī)模的生產(chǎn)[5]。

由于感應(yīng)爐的起步較晚，對于感應(yīng)爐的設(shè)計還不是很完善。在感應(yīng)爐工作過程中，銅管的電流密度很大，因此銅管的壁厚不能夠太薄，并且需要偏下布置。鋁沒有磁性，在用感應(yīng)爐熔煉鋁廢料過程中，磁場極易發(fā)散，對于磁軛的布置要求十分嚴格。首先，磁軛面積必須足夠大，盡可能長，才能保證感應(yīng)器軸向及徑向磁場。同時感應(yīng)爐對于爐襯的要求也十分嚴格，熔化的鋁液由于電磁場的作用產(chǎn)生高頻率的震動，而且鋁液具有高黏性和滲透性，爐襯的質(zhì)量直接影設(shè)備的使用壽命。在鋁廢料熔化初期，若鋁料的擺放不規(guī)則，產(chǎn)生的電流與磁場不穩(wěn)定，此時電源會受到較大的沖擊，導致燒毀，因此加強電源的耐沖擊性也需要考慮[6]。由于技術(shù)的限制，目前國內(nèi)3 600 kW、7.5 t帶有除塵裝置的熔鋁感應(yīng)爐已屬于大型感應(yīng)爐，在理想工況下，熔化率可達3 t/h。而雙室爐相對使用時間較長，應(yīng)用技術(shù)比較成熟，型號較多，100 t的雙室爐熔化率可達8 t/h。

雙室爐在應(yīng)用過程中需要時刻保持熔池內(nèi)有足夠的鋁液，以保證加入的鋁廢料不與火焰直接接觸，從而降低鋁的燒損，并且通過鋁液的循環(huán)加快投入鋁廢料的熔化。為了保證爐內(nèi)始終有熔化的鋁液，需要不斷地對爐內(nèi)進行加熱，維持爐內(nèi)溫度穩(wěn)定。感應(yīng)爐則可以靈活使用，由于是利用電磁加熱，電磁的頻率高，穿透能力強，鋁廢料升溫快，并且可以冷爐起熔，不需要在使用前對爐內(nèi)進行預加熱。對于熔煉鋁廢料，連續(xù)熔化時可以在爐內(nèi)保留40%的鋁液加速鋁料的熔化，也可以直接一次性將鋁液全部倒出，更換不同牌號的鋁合金廢料，在沒有鋁料處理時可以直接將感應(yīng)爐關(guān)閉，可以節(jié)省不少的能源。

在設(shè)備使用過程中雙室爐的操作人員要多于感應(yīng)爐的操作人員，同時雙室爐工作時會產(chǎn)生較大的噪音，會有部分的熱輻射，尤其是在爐門開啟的狀態(tài)下，這些問題需要考慮。

4 結(jié)束語

當前情況下，雙室爐更加適用于處理大批量含有雜質(zhì)和被污染的合金成分比較單一的鋁合金廢料；感應(yīng)爐更適用于處理小批量、干凈的、可區(qū)分合金牌號的鋁合金廢料。相對于雙室爐，感應(yīng)爐有操作簡單、能耗低、使用靈活、再生鋁產(chǎn)品質(zhì)量高、廢物排放量少等特點。但是由于技術(shù)的限制，感應(yīng)爐的損壞頻率高，使用壽命較短；感應(yīng)爐的容積不大，對于大批量生產(chǎn)，一臺設(shè)備很難滿足產(chǎn)能的需求，產(chǎn)量無法保證；并且感應(yīng)爐對公輔等設(shè)施的要求相對較嚴格，設(shè)備的維護難度較大。

目前感應(yīng)爐正在向著大功率、大噸位和環(huán)境友好型發(fā)展，通過制造技術(shù)的不斷成熟和新型材料的快速開發(fā)，伴隨新的技術(shù)的涌現(xiàn)，感應(yīng)爐的各個技術(shù)難點將逐漸被克服，熔煉鋁廢料的感應(yīng)爐也將得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。