鑄軋鋁熔煉爐科學運行方法探討

曾 虎

（洛陽萬基鋁加工有限公司，河南 洛陽471800）

對鋁加工鑄軋企業來講， 鋁熔煉的目的是用高效的熔煉設備、科學的工藝手段、最低的消耗指標為鑄軋生產提供合格的金屬熔體， 滿足高質量鑄軋產品對熔體的需求。根據鋁熔煉爐的特征，如何提高熔煉爐的熱效率，降低能耗指標、降低鋁的燒損，提高熔體的潔凈程度， 符合環保排放要求是熔煉爐運行方案設計的主要方向。 我公司熔煉爐是蘇州新長光熱能科技有限公司制造，主要技術參數見表1。

1 熔煉工藝分析

熔煉爐的熔煉工藝主要包括加料、升溫、配料、精煉、扒渣等工序，是鑄軋生產重要的環節之一。 熔煉工藝控制不好，對金屬燒損、燃氣消耗、熔體質量、煙氣排放等指標均能造成重大影響。

表1 熔煉爐技術參數

1.1 加料工序

正確的加料原則應考慮所加入的爐料，如：電解原鋁、板帶廢料、鋁錠、中間合金的性質和狀態，按最小的燒損、 最快的熔化速度及準確的化學成分來控制；加料的順序按易燒的小塊料裝在底部，大塊料、鋁錠裝中間，最后進原鋁、加中間合金，并要使裝入的爐料在熔池中均勻分布；加料時人機要搭配合理，避免人為因素造成爐子加料時間長，溫度散失快。以上措施可減少燃燒過程中金屬的燒損， 能使固體料更容易熔化，并使熔化后熔體的化學成分更均勻[1]。

1.2 升溫過程

熔煉爐正常工作時的溫度區間包括：加料期、熔化前期、熔化后期及固液轉化期、升溫及補溫期[2]，這個過程周而復始， 此過程燃氣用量和溫度的關系如圖1 所示。

圖1 熔煉爐爐溫及能耗分配關系圖

在升溫過程中，裝料時間長，爐子熱散失大，后續升溫需要的燃氣量就越大；升溫過程中溫度測量要準確，測溫設備設置要合理，避免頻繁開啟爐門進行人工測溫，導致溫度散失；主排煙和輔助排煙設備要維護到位，避免熱量的非正常排出；爐門密封要嚴密，避免溫度從爐門四周散失，另外，在熔化后期及固液轉化期，使用攪拌器等輔助攪拌手段可顯著縮短熔化時間，從而保證燃燒效率和節約燃氣用量。

1.3 配料操作

在溫度達到配料工藝要求時， 需對熔體加入合金，進行合金化，配料計算不正確、估料不準確、合金劑質量不合格、 攪拌不均勻都容易導致一次配料達不到工藝標準，需要進行二次補料操作，就會造成停爐等待時間長，導致氣耗增加，因此需對配料操作員工加強技術培訓，提高其操作技能，采購質量合格的合金劑，從而保證配料一次到位，降低燃氣消耗，提高熔體質量。

1.4 精煉操作

精煉操作是對熔體除氣、除渣，保證熔體質量的重要步驟。精煉工藝設置要合理，一般要求精煉時間在20 min 左右，時間過短達不到精煉效果，時間過長容易造成熔體溫度散失快和熔體二次氧化等問題； 精煉設備要可靠， 避免因設備問題造成精煉中斷，導致停爐等待時間延長，溫度散失大等問題。

1.5 扒渣操作

熔煉的最后一道工序就是扒渣， 不論是人工扒渣還是采用機械，都要做到操作時間短、扒渣干凈、扒出的渣中含鋁量少， 這是減少溫降、 提高熔體質量、減少鋁損的關鍵。

根據上述各工序的特點， 我們在生產中操作規程的設計及運行過程的控制是關鍵， 要做到規程設計合理、設備保障到位，員工操作規范，才能達到提高熔煉爐運行效率、降低燃氣消耗、降低金屬燒損，提高產品質量的目的。

2 燃燒系統分析

我廠熔煉爐的燃燒控制系統采用PLC 自動控制，燒嘴是蓄熱式，能夠實現對燒嘴的自動點火，火焰大小調節和控制，大小火自動轉換，爐壓的自動調節和安全保護的功能。在生產實踐中，燃燒參數設置是否得當和燃燒設備的穩定與否，對燃氣消耗、熔體燒損、煙氣排放等均會造成影響。

2.1 燃燒系統控制參數分析

燃燒控制系統是改善燃燒、降低能耗、提高產品質量和產量的重要保證， 最終目的是要實現燃燒設備流量、溫度、壓力、氣氛等參數的自動檢測及過程控制。控制系統包括：溫度控制、壓力控制、點火及火焰監測控制、熱負荷調節控制、傳動機械控制和安全聯鎖保護等。參與燃燒的可調參數有：助燃空氣與天然氣比例、爐膛溫度、爐壓等。

2.1.1 助燃空氣與天然氣比例

在爐子升溫過程中， 助燃空氣與天然氣比例是保證控制爐子最佳送風量和燃氣供給量的關鍵值，可保證空氣過剩系數維持在設定的范圍內， 以達到最佳燃燒效率和最少的煙氣排放等目的。 空燃比要提前設置好，一般設置范圍在9∶1~12∶1，這個比例以燒嘴燃燒時助燃風實際流量為準自動調節天然氣流量，使其達到設定比值，可以避免天然氣流量過大，燒嘴過負荷運行，爐子吸熱有限，造成熱損耗過大；或天然氣流量過小， 燃燒時間過長， 空氣過剩，NOx物排放量高，生產效率低等問題。

2.1.2 溫度控制

爐膛溫度設定在PLC 自動控制的基礎上，根據我廠生產實踐，采用梯度升溫模式效果最佳，具體指在設定控制溫度時，不要直接設定最大值1 100 ℃，而是根據爐膛溫度的變化來不斷調整設定溫度，一般每次設定溫度大于爐膛溫度100～200 ℃為基準，隨著爐膛溫度的升高而設定更高的控制溫度來維持整個升溫過程，此種方式可最大限度地降低鋁燒損，減少熱能損失，減少NOx排放，從而達到節能降本環保的目的。

2.1.3 爐壓控制

爐壓主要是由天然氣在爐膛內燃燒產生的高溫煙氣造成的，爐壓控制對煙氣排放、熱量損失和鋁燒損均有影響。 爐壓控制主要由安裝在爐頂的差壓變送器和輔助煙道的煙閘配合完成， 差壓變送器檢測的爐壓信號轉換成電信號傳輸到PLC，PLC 發出指令驅動煙閘開閉來控制爐膛壓力。在實際生產中，檢測爐壓大于設定爐壓，會導致輔助煙閘敞開，爐內高溫煙氣從輔助煙道大量排出，造成升溫時間長，燃氣消耗量大，鋁液燒損大等問題；檢測爐壓小于設定爐壓，輔助煙閘關閉，高溫煙氣從主排煙大量排出，引起升溫時間長、排煙溫度過高、鋁液燒損大、蓄熱球燒結、爐門密封燒壞等問題，排煙溫度高還可導致爐子安全保護裝置動作，爐子自動停火，影響生產。 正常的爐壓控制為微正壓， 一般控制10～20 Pa 之間，可以防止冷空氣進入爐內和火焰外噴[3-4]。

綜上所述，各項參數的合理設定，對燃燒系統的效率、能耗及鋁液的燒損、煙氣排放等影響較大，各生產廠家需根據各自熔煉爐特點，優化控制參數，并要建立跟蹤機制，及時發現存在的問題并分析處理，使燃燒系統維持最佳的運行效果， 才能保證爐子高效、節能、環保運行。

2.2 燃燒系統設備分析

燃燒系統的穩定運行靠設備的穩定來保障，常見的影響燃燒系統運行的設備故障有： 排煙助燃管道閥門上電動調節閥卡阻、損壞，煙氣換向閥卡阻、損壞，差壓變送器堵塞，煙閘破損，壓力、流量、溫度監測裝置測量不準或損壞，蓄熱球板結等。

2.2.1 排煙管道上電動調節閥

排煙管道上電動調節閥門由對夾式蝶閥和電動執行器組成， 蝶閥的閥板長期在排煙管道內高溫煙氣環境中工作，高溫煙氣中夾帶有大量煙塵，容易造成閥板卡阻或燒損，一旦其出現問題，不僅容易造成煙氣排放異常， 而且控制其開度的電動執行器也因開度動作不能有效執行而損壞， 導致燃燒系統的運行參數被破壞，引起燃燒異常、氣耗增加，另外電動執行器的工作環境較差，電氣元件也容易受粉塵、高溫等不良工作環境引起故障，造成PLC 輸出指令不能有效執行，從而引起主排煙風量過大或過小，引起鋁燒損大、熱能損失大等問題。

2.2.2 煙氣換向閥

煙氣換向閥由對夾式蝶閥和氣動執行器組成，一般設置兩個燒嘴的燃燒系統有4 套煙氣換向閥，是燃燒系統的排煙和助燃換向的關鍵設備。 其中對夾式蝶閥的閥板長期在供風和排煙管道內惡劣環境中工作，容易造成閥板卡阻、燒損或脫落問題，進而引起供風和排煙異常，對火焰大小、熱能回收利用均造成影響。 氣動執行器與排煙管道上電動執行器問題類似。

2.2.3 輔助煙閘

輔助煙閘是用來調整爐壓和輔助排煙的關鍵設備，輔助閘閥由閥體和閘板組成，閘閥的開度通過氣缸驅動閘板和行程開關進行控制， 為滿足爐壓控制要求，差壓變送器采集的壓力信號轉換成電信號后，送給PLC，再通過PLC 控制排煙閘閥的開度，從而精確有效地控制爐膛壓力。 因蓄熱式燒嘴本身只能排出燃燒產物的80%左右， 因此還應設有輔助排煙管路及相應的調節閥， 通常設計將20%左右的爐膛煙氣作為爐壓控制回路可獨立調節的平衡點[5]，來排放剩余的燃燒產物，并實現爐膛微正壓控制。因其在超高溫環境中頻繁地開啟和關閉， 其受到高溫煙氣腐蝕和閘板通道的摩擦，容易掉塊損壞，造成密封不嚴，因排煙管路與除塵器相連，在除塵風機的大抽力作用下，爐膛內高溫煙氣會被大量抽出，造成爐子升溫慢，燃燒時間長、鋁液燒損大等問題。

2.2.4 差壓變送器

差壓變送器是檢測爐膛壓力的關鍵設備， 其作用在分析爐壓控制時已經敘述，不再重復，差異變送器的壓力檢測管是從爐頂直通入爐內的， 爐膛燃燒時產生的煙塵極易造成測量管道堵塞， 導致壓力測量數據不準，造成PLC 輸出的指令失真，從而使高溫煙氣排放異常和熱能的損失。

2.2.5 壓力、流量、溫度檢測裝置

壓力、流量、溫度檢測儀器都是精密的電子元器件，靈敏度高，對環境要求高，因爐子的高溫和各種操作時產生的煙塵不可避免， 特別是粉塵等污染物在熔煉爐周圍最為常見， 粉塵導致熔煉爐燃燒系統出現故障的數量占整個熔煉爐故障總數的70%以上，粉塵會進入到檢測儀器的元件中，導致電器元件接觸不良，不僅容易使測量的數據不準，導致其輸送至PLC 的偏差大，造成系統控制問題，而且還容易造成檢測儀器的損壞，導致檢修費用增加，最終影響氣耗、排煙、金屬燒損和檢修成本等。

2.2.6 蓄熱體

蓄熱箱內蓄熱球是熱能回收的關鍵設備， 通過燃燒系統換向閥在燃燒時的換向調節， 可以最大限度地將燃燒排出的熱能重新吹入爐中， 達到節能的目的，并且可以對排放的煙塵進行過濾，起到了環保排放的作用， 蓄熱球在高溫環境中會出現高溫腐蝕和破碎， 并過濾了排放氣體中的煙塵， 容易造成板結，一旦板結，煙氣排放和燒嘴供風不暢，對爐壓和燃燒均造成較大影響， 會造成空燃比失真、 爐壓過高、輔助煙閘常開、熱能回收效果差、金屬燒損大等問題。

2.2.7 其他設備的影響

除上述設備的影響外， 還有天然氣控制閥組的影響、爐門密封的影響、燒嘴花磚和火槍的影響等。天然氣控制閥組設計規格高，保護措施到位，反而出現問題的幾率小，運行中需加強檢漏等工作；爐門密封使用中受火焰灼燒和與爐前墻摩擦，也容易損壞，導致密封不嚴， 會引起爐壓檢測失真而造成的相關問題，密封損壞時需及時恢復；燒嘴花磚和火槍在長期使用中受到高溫腐蝕和火焰燒損， 對爐子的燃燒效率、燃氣耗、金屬燒損等均有影響，需定期檢修和更換。

根據以上分析，不難發現，鋁熔煉爐燃燒控制系統是整個爐子的核心， 控制系統由控制參數和控制設備組成，控制參數設置合理、控制設備運行穩定是熔煉爐高效、節能、環保運行保障。 因控制系統自動化程度高，參數控制簡單易行，只要通過控制終端輸入科學合理數據即可，參與控制設備多，結構復雜，設備管理的好壞對各鑄軋廠是個考驗。

3 設備的檢修維護

鋁熔煉爐的穩定運行設備是保障，在日常管理中需要制定相關管理制度，明確責任人，制定科學的檢修計劃，準備合理的備品備件等是設備管理的重點。

3.1 日常點巡檢維護

日常點巡檢維護工作主要有：鋁液溫度升溫是否正常、各連鎖點工況是否正常、排煙、助燃風機電流有無明顯變化、用氣量是否正常、日常設備清潔、日常缺陷及時消除、 運行數據的記錄和異常分析處理等。

3.2 定期保養檢查

每隔1～2 個月應安排維修人員對系統各環節、各器件進行必要的保養及檢查， 可使設備長期安全使用。定期保養檢查項目有：定期更換氧化鋁球、定期清理差壓變送器測量管、定期檢查系統各閘閥、定期更換煙閘閘板、各壓力開關的校正、各測溫熱電偶校正、各流量檢測裝置的校驗、燃氣和空氣管路過濾器的清理、所有調壓閥、蝶閥、電機執行機構的減速器、軸承、鏈條等的潤滑保養、配電柜、操控箱清灰等。

3.3 檢修維護

檢修維護工作需嚴格按照設備的運行周期制定相應的檢修計劃， 在停爐期間對設備進行仔細檢查并對磨損嚴重、 使用壽命不會太長以及近期可能導致生產中斷的零件進行更換。 需定期檢修的項目一般有：爐內襯、爐門和爐門框、蓄熱燒嘴、排煙和助燃風機等。只有通過科學合理的檢修維護，才能保證熔煉爐的安全高效節能環保運行。

我廠在2019 年1~6 月份對鋁熔煉爐的運行方式進行了分析和控制， 熔煉爐噸鋁天然氣耗和燒損數據見表2。

表2 熔煉運行方式優化前后數據對比

可以看出，天然氣耗和金屬燒損降幅較大，成本下降明顯， 并且鋁熔體的質量能滿足雙零箔生產的需要， 煙氣排放通過除塵器的配合使用， 顆粒物和NOx的排放量均達到最新環保要求， 經濟和社會效益顯著。

4 效果驗證

根據對熔煉工藝、燃燒控制系統、燃燒系統關鍵設備及爐子相關組件的分析， 我們找出了影響熔煉爐高效、環保、節能運行的關鍵因素，并分別制定了相關運行和維護方法。我廠從2019 年1 月開始對運行的三臺熔煉爐進行了全面科學的管控， 包括加強了運行過程的監督、運行和檢修規程的修訂、員工的培訓、運行數據的采集等，通過1~6 月份的試運行，在天然氣耗、金屬燒損、熔體質量、燃燒效率、檢修維護成本、環保排放等方面取得明顯效果。三臺熔煉爐管控前2018 年6~12 月份和優化后2019 年1~6 月份的關鍵運行指標月均平均值對比見表3。

表3 熔煉運行方式優化前后數據對比

表3 數據中，影響成本的因素有：天然氣耗、金屬燒損、質量損失、檢修維護成本，升溫時間對成本是間接影響，排放物是重要環保管控指標。因熔煉爐沒有單獨安裝電表， 電耗指標暫沒有統計， 不做分析，但綜合電耗是下降的。

我廠三條鑄軋生產線， 月均產量按3 000 t 計算，優化后節約直接成本如下：

天然氣每方按2.7 元/m3計算，6 個月節約成本：2.7×20×18 000＝972 000 元。

原鋁單價按13 500 元/t 計算，6 個月節約金屬成本：0.35%×13 500×18 000＝850 500 元。

廢品損失包括，產品加工費損失和廢料回爐的燒損，產品平均加工費按720 元/t，廢料燒損按3%計算， 此項6 個月節約成本：125×720+（125×3%）×13 500＝140 625 元。

檢修維護方面6 個月節約成本：7×18 000＝126 000元。

對熔煉爐運行進行科學管控后，6 個月共節約生產成本：972 000+850 500+140 625+126 000=2 089 125 元。

在日趨激烈的鋁加工市場競爭和嚴格的環保管控下， 半年時間200 多萬的成本節約和環保排放指標的下降，對企業的生存和發展至關重要，并且鋁熔體的質量能滿足雙零箔生產的需要， 通過對熔煉爐的科學管控，達到了鑄軋熔煉爐高效、環保、節能的運行結果，經濟和社會效益顯著。

5 結語

（1）在鋁熔煉工序，熔煉操作規程的設計及操作過程的控制是提高熔煉爐運行效率、降低燃氣消耗、降低金屬燒損、提高產品質量的關鍵。

（2）在對燃燒系統的控制中，系統關鍵參數的科學設置和控制系統設備的科學管理是熔煉爐安全、高效、節能、環保運行的核心。

（3）對參與鋁熔煉的設備及燃燒系統相關設備的日常維護、 定期保養和計劃檢修是保障熔煉爐科學運行的有效手段。