熔鋁爐中鋁液加熱過程傳熱特性分析

杜文智，李凱華，茍遠波，吳 迪，魯思達，郭小虎

(1.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

鋁熔煉爐是鋁加工工業中生產鋁合金的重要設備，其中使用最廣泛的是反射式熔鋁爐。鋁和鋁合金在熔鋁爐中各工藝過程的能耗、溫度情況如圖1所示[1]。鋁液升溫過程是整個工藝過程的最后一步，此時對熱負荷的需求大幅減少，但是爐膛熱負荷較高，鋁液溫度上升很快，極易過熱，出現鋁燒損的問題[2]，因此對鋁液升溫過程傳熱特性的研究很有必要。

圖1 熔鋁爐工藝過程的能耗溫度關系

1 研究模型

1.1 模型的基本假設

本文以30 t的圓型熔鋁爐作為原型，對液態鋁加熱過程的傳熱模型進行如下設置，以及必要的假設：熔鋁爐為直徑5.4 m、高2 m的圓柱體。鋁液布滿爐膛底部且占據了下部0.5 m的空間，與之對應，煙氣占據爐膛上部1.5 m的空間。熔鋁爐保溫性能良好，忽略散熱。鋁液不與熔鋁爐底部換熱，只受到來自煙氣的對流換熱、煙氣和爐壁的輻射換熱。

傳熱模型簡圖如圖2所示。

圖2 傳熱模型簡圖

1.2 模型的計算方法

鋁液的受熱功率見下式：

Q總=Qdl+Qlb+Qyq

(1)

式中，Q總和Qdl、Qlb、Qyq分別代表鋁液總吸熱功率和熔鋁爐煙氣對流傳熱功率、爐壁輻射傳熱功率、煙氣輻射傳熱功率(kW)。

1.2.1 煙氣對流傳功率Qdl

煙氣對流的傳熱模型按橫略平板[3]方式考慮，可由以下公式計算。

Qdl=hdl×△T×F1

(2)

hdl=Nu×λyq/lt

(3)

△T=Tlt-Tly

(4)

式中，λyq為天然氣燃燒煙氣導熱系數，根據煙氣成分可知其為0.098 W/(m·K)。lt為特征長度，按爐膛半徑考慮，為2.7 m。根據《傳熱學》[3]可以算得Nu數為105.99。hdl為對流換熱系數，根據以上參數可得為3.83 W/(m2·K)。

鋁液溫度Tly取初始熔化溫度660℃和熔池最終溫度760℃(圖1)[1]的平均值，即710℃。文獻[4]敘述爐膛溫度為1200℃，因此△T為490℃。

F1為鋁液輻射表面積，與爐膛截面積相同，為22.90 m2。

將以上參數帶入式(2)計算得出煙氣對鋁液的對流傳熱功率Qdl為43.00 kW。

1.2.2 爐壁輻射功率Qlb

鋁液接收到的爐壁輻射功率的計算公式為：

Qlb=εlb×F1×σ0×(Tlb4-Tly4)×X1,2×εly

(5)

式中，εlb和εly是爐壁內表面和鋁液表面黑度；σ0是黑體輻射常數，值為5.67×10-11kW/(m2·K4)；Tlb是爐壁的溫度(K)；X1,2是爐壁對鋁液的輻射角系數。

依據文獻[5]內容，爐壁溫度在860.08℃到1071.2℃范圍，因此Tlb取1273K；1.2.1節中已經說明Tly為710℃，即983K。鋁液發出的輻射都被爐壁吸收，因此鋁液對壁面的輻射角系數為1。則壁面對鋁液的輻射角系數可用下式表示X1,2：

X1,2=F1/F2

(6)

式中，F2為爐膛上表面與未被鋁液浸沒的側表面(即內壁靠上的1.5 m部分)面積之和，即48.35 m2。帶入數據可得角系數X1,2為0.47。

根據文獻[2]所述，鋁液表面黑度εly為0.33。根據文獻[3]推薦的壁面溫度和爐壁黑度之間的擬合公式，當爐壁溫度Tlb為1273K，即1000℃時，爐壁表面黑度εlb為0.607。

εlb=0.8873-8×10-5×t-2×10-7×t2

(7)

需要注意的是，上式中爐壁溫度t的單位為℃。

將上述參數帶入式(5)，可知爐壁輻射功率Qlb為209.73 kW。

1.2.3 煙氣輻射功率Qyq

煙氣輻射傳熱可由下式求得：

Qyq=εyq×F1×σ0×(Tlt4-Tly4)×εly

(8)

εyq=1-e-(kq×r×P×S)

(9)

kq=10×((0.78+1.6×rH2O)/(10×Pq×S)0.5-0.1)×(1-0.37×Tlt/1000)

(10)

式中，爐膛溫度Tlt、鋁液溫度Tly、鋁液表面黑度εly在以上分析中已知。

爐內分壓P取為0.101325 MPa。根據煙氣成分，水蒸氣體積分數rH2O為17%；三原子分子(CO2和水蒸氣)占比r為25%，對應分壓Pq為0.025 MPa，爐膛有效輻射層厚度S是爐膛體積與爐膛輻射內表面積之比的3.6倍，即2.56 m。因此kq為5.50，煙氣黑度εyq為0.30，Qyq為487.04 kW。

2 數據分析

綜合以上參數，計算得到鋁液收到的熱量為739.78 kW，并將所有數據匯總，見表1。

表1 鋁液吸收熱量匯總(kW)

鋁液加熱過程中，總換熱量大約為740 kW。輻射換熱明顯占據主導位置，煙氣輻射又是輻射中的主要換熱方式，占總換熱的65.84%。煙氣對流換熱占比只有5.81%，非常小，基本可以忽略。

同一爐型中，與固態鋁錠升溫過程相比，鋁液升溫過程所需的熱量較少，但吸熱功率較大，因此加熱時間較短。煙氣對流換熱功率占比太小，火焰沖擊增強傳熱的方式可以弱化。在做好保溫的前提下，可減少天然氣用量甚至不投入天然氣，利用爐內余熱對鋁液加熱，從而實現節約能源的目的。

鋁液加熱過程熱功率較大，加熱速率較快，須控制好爐內整體換熱情況，避免局部超溫。在控制鋁料燒損率滿足要求的前提下，盡可能提高爐溫，加強輻射換熱。

3 結論

從以上傳熱模型計算及分析可知，熔鋁爐內鋁液升溫階段的傳熱過程以輻射換熱為主，煙氣輻射傳熱又是輻射換熱的主要部分(約占到總換熱的65.84%)。從節能角度考慮，熔鋁爐在設計和操作時可通過減少天然氣用量甚至不投入天然氣，采用煙氣余熱加熱的方式實現鋁液加熱。在控制鋁料燒損率滿足要求的前提下，盡可能提高爐溫，加強輻射換熱。該結論可以作為工程設計的理論基礎，用于指導未來的工程設計。