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1、铝台金塔式熔炼炉的节能设计与生产实践1概述随着汽车轻量化工业技术的不断进步和发展，铝及铝合金制品在 汽车行业使用越来越广泛。而铝合金熔炼是铝制品生产的第一工序， 铝合金熔炼又是消耗能源最多的一个工艺。随着能源减少和能源价格 的不断提升，节能管理已近成为企业管理的重点，也是工业能源管理 的重要任务。国内铝合金铸造生产企业众多，但其设备陈旧，能源利用率较低， 其原因是没有根据企业需要设计合适的熔炼设备。现在国内外熔炼企 业，欧洲和日本一般选择燃气塔式熔炼炉，在其设备类型中燃气塔式 熔炼炉在铸造企业中越来越被广泛使用，塔式熔炼炉其独特机构，具 备了其他设备所没有的优势，有热能利用率高，燃料单品消耗低
2、，铝 液温度控制精确，铝液烧损率1%之内，减少有害污染物的排放，燃烧 控制安全可靠等优点。国内部分企业也根据自身需要，邀择了塔式熔炼炉，但是企业在 选择和使用方面没有充分发挥其炉子的性能，造成能源的浪费。为更 好的节约能源，发挥其炉子性能，需要合理设计与统筹安排生产实践。 选择和使用时主要从熔炼炉结构，炉内部耐火炉衬的选择，燃烧控制 系统的管理，企业生产和工艺管理等方面考虑。2熔炼炉结构简介根据企业的不同需要，塔式熔炼炉基本设计结构如图1所示。从结构图中可以看出，炉子主要有保温室，融化室，炉料预热区， 热交换器组成。保温室燃烧器可以控制铝液在一定温度范围内，为铝合金溶液的 配比做准备。保温室炉
3、体下面设置电磁搅拌器，铝液在磁力作用下按 照一定方向转动，转动铝液可以使表面热量向铝液内部快算传递，及 能保证铝液温度均匀性，也可以使配比熔炼的微量元素充分均匀的溶 解在铝合金液中。保温室燃烧器产生的热量，大部分被铝液吸收，还 有一部分经过熔化室，预热区，换热器排出炉外。熔化室燃烧器主要是熔化铝合金材料，材料从底部开始熔化，预 热区的材料在熔化之前已经被从保温室和熔化室排出的热量提前预 热，此结构利用排出的热量提前预热材料，这样不仅可以加快材料熔 化，也可以节省大量燃气。在排气管道安装换热器，炉内热空气经过 预热区后进入换热器，在换热器上部有鼓风机提供的助燃空气进入换 热器内，在换热器内部两部
4、分存在温度差的空气进行热交换，由此调 高助燃空气温度，调高燃烧器火焰温度，节省燃气。塔式炉设计此结构，更加高效节能，此设计方案符合现在国家节 能减排的政策，给工业设备节能减排问题做了重要突破。3换热装置对余热进行的回收燃料炉在生产时，烟气带走的热量占总热量的20%-60%，对烟 气热量进行合理回收，是燃气炉节能的重要措施。烟气热量回收的方 法和装置有很多种，一般采用换热器对助燃空气进行预热，燃气炉的 助燃空气每提高50度，可节约燃料2%左右。如不能对余热进行回收， 会造成资源的大量浪费。虽然此结构设计材料余热区，但是仍有部分 余热散失，因此在排气管道中安装换热器对烟气热量进行回收。换热器种类很
5、多，根据不同的类型和生产需要，现在企业一般选 择管式换热器，管式换热器结构如图2所示，从设计图中可以看出， 助燃空气从烟气管道下游进入，在换热器内与管道内的高温烟气进行 热交换，换热器内管道横截面面积变大，以增加热交换面积，加快换 热速率，换热器外面做保温处理，减少热量散失，助燃空气经过换热 器后从烟气管道上游排出。根据不用烟气和助燃空气温度，合理选择 换热器材质，因不锈钢和耐热钢良好的导热性能和耐腐蚀性，换热器 制作一般选择这两种材质，此外换热器还有板式换热器和喷流换热器 等多种选择。4合理选择耐火材料，优化炉衬机构耐火炉衬的储热和散热，一般占炉子总量的20%-40%，合理选 择炉衬材料。减
6、少炉体的热量散失，提高炉子效率。在熔化室和保温 室根据不同位置，选择不同材料。在预热区，我们采用高铝基中水泥 浇注料，此浇注料机械强度大于120N/mm2,预热区的材料在投入到 预热区时，材料会对浇注料有较强的冲击，因此我们选择高强度浇注 料，在高强度浇注料外面，预安装耐高温隔热板，减少热量损失，使 其高温热量更高效余热炉内材料。在保温室铝合金溶液和浇注料长时间接触，在氧化气氛中，铝合 金溶液和浇注料发生挂渣及渗铝反应，采用不沾铝浇注料，减缓炉衬 的侵蚀反应，延长炉子寿命。近年来，一种新型的不沾铝剂出现，此 种添加剂使用量少，高温不易分解，使用效果明显提高，在此方面， 凯得力浇注料已经取得重要
7、突破。近几年来，随着耐火材料新技术，新工艺的不断进步，出现了一 种新的隔热材料-纳米微孔隔热材料(Microporous Insulation)，纳 米微孔隔热材料是运用最新高科技技术研制出来的新材料，材料内部 有特殊的无机纳米级耐火粉末，形成了微小的纳米级气孔，其导热系 数比空气还要低。不同材料导热系数对比如下图所示：在对比中，可以看出纳米隔热材料具有极低的导热系数，隔热性 能比传统材料(陶瓷纤维棉，硅酸钙板，岩棉等)好3至4倍，在温 度较高时，材料收缩率较小，导热系数在高温段上升很小，材料本身 不可燃，蓄热少，耐热震，无毒环保，是迄今为止隔热性能最好的隔 热材料。此隔热材料在不同部位配合不
8、同耐材使用，可以起到良好的 隔热效果，减少炉体热量损失，延长炉衬寿命，节约能源。5关于保温室和熔化室燃烧器的选择及其控制在熔化室，提高熔化速率的关键是燃烧器获得高温燃烧火焰。采 用换热器提高助燃空气温度，选择高热量值燃料，合理选择空气系数 是获得高温燃烧火焰的有效措施。选择高速燃烧燃烧器，加快高温火 焰向材料的传热速率，采用强制对流传热替代辐射传热，加快熔化速 率，提高热效率，降低单位能耗。控制系统采用脉冲开关燃烧系统，生产时，在预热区投入材料， 材料经过充分预热后，打开熔化室燃烧器，材料从下往上开始以此熔 化，材料熔化结束后燃烧器关闭，在熔化室，燃烧器开关目的就是快 速熔化材料，不是为了获得
9、某一恒定的温度，因此燃烧器用开关系统 控制。熔化后的铝合金液最后汇聚在保温室，在保温室我们采用PID 控制方式，根据设定温度和实测温度，仪表进行PID调节，控制燃烧 器火焰的大小，调节炉子里面温度，使其溶液温度达到设定温度。现在随着人工智能技术的发展和进步，出现了添加人工智能控制 的温控器，人工智能温控仪采用真正的人工智能现代调节算法，既能 保证温度无超调温度，又可以使温度达到快速温度，仪表启动后，自 整定功能可以根据被控对象的特性，自动寻找最优参数以达到很好的 控制效果，无需人工整定PID等相关参数，操作方便，控温精度高， 基本达到士 0.1C。，无超调、欠调等现象，这就说明人工智能现代调节
10、 算法可以获得高质量调节效果，在国内仪表中，虹润公司的人工智能 仪表已经达到国际先进水平，达到了真正的人工智能控制水平。6统筹安排生产计划，充分发挥炉子性能塔式熔炼炉在生产安排时，要根据炉子结构和工艺，合理安排生 产计划，充分发挥炉子的性能，使其能达到高效及节能的目的，更好 的服务企业的生产。在往预热区投料时，材料投入量合理控制，建议 材料投入量到预热区炉料上限位位置，这样材料可以充分吸收来自保 温室排出的热量，加快材料熔化速度，减少材料氧化率。同时一次 投料到高限位区，可以缩短投料口门的开关时间，减少开关的热量损 失。在预热区投入材料去之前，按照一定比例投入体积比较小的铝合 金料，在预热区底
11、层做一个铺垫，减少后续投料对炉衬的损失，延长 炉衬寿命。熔化后的铝合金溶液在保温室储存，根据不同工艺设置不同的溶 液温度。可以在此保温室根据要求添加微量元素，在电磁搅拌器的作 用下，微量元素均匀的溶解分布在铝合金溶液中，根据生产安排，定 时清理氧化物，减少氧化物对炉衬的侵蚀，延长炉衬寿命。及时清理溶液表面的杂质，加快溶液上下面的热传递，使其溶液上下温度均匀。7结语随着国内资源日益紧张，我国在工业设备节能减排方面面临很大 压力，工业设备的节能减排已经成为能源管理的重要问题。此塔式熔 炼炉设计炉体结构预热区，材料熔化之前提前预热，炉衬方面选择纳 米隔热材料和优质浇注料，减少热量损失和延长炉衬寿命，燃烧器根 据不用部位选择高速高温燃烧器，换热器提高燃烧器助燃空气，使其 燃烧器获得高温火焰，设备从重要方面进行分析，综合考虑各个方面 的节能措施，使其炉子发挥最大效率，服务于社会工业生产。
