鋁合金塔式熔煉爐的節能設計與生產實踐

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，使其更加節能環保。結合熔煉爐的結構特點，合理統籌安排生產和工藝，使其設備更加高效服務于企業生產。

關鍵詞：塔式熔煉爐；設計與生產實踐；節能管理；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技術的不斷進步和發展，鋁及鋁合金制品在汽車行業使用越來越廣泛。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，節能管理已近成為企業管理的重點，也是工業能源管理的重要任務。

國內鋁合金鑄造生產企業眾多，但其設備陳舊，能源利用率較低，其原因是沒有根據企業需要設計合適的熔煉設備。現在國內外熔煉企業，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點。

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

2 熔煉爐結構簡介

根據企業的不同需要，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，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，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，節省燃氣。

塔式爐設計此結構，更加高效節能，此設計方案符合現在國家節能減排的政策，給工業設備節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，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，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，預熱區的材料在投入到預熱區時，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。

控制系統采用脈沖開關燃燒系統，生產時，在預熱區投入材料，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，控制燃燒器火焰的大小，調節爐子里面溫度，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算法可以獲得高質量調節效果，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 統籌安排生產計劃，充分發揮爐子性能

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，充分發揮爐子的性能，使其能達到高效及節能的目的，更好的服務企業的生產。在往預熱區投料時，材料投入量合理控制，建議材料投入量到預熱區爐料上限位位置，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，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，在預熱區底層做一個鋪墊，減少后續投料對爐襯的損失，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。可以在此保溫室根據要求添加微量元素，在電磁攪拌器的作用下，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，我國在工業設備節能減排方面面臨很大壓力，工業設備的節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，材料熔化之前提前預熱，爐襯方面選擇納米隔熱材料和優質澆注料，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能措施，使其爐子發揮最大效率，服務于社會工業生產。

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