韋增磊

摘 要：介紹國內(nèi)塔式熔煉爐的現(xiàn)狀，分析現(xiàn)狀原因，根據(jù)新技術(shù)和新材料綜合考慮熔煉爐的設(shè)計(jì)，使其更加節(jié)能環(huán)保。結(jié)合熔煉爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理統(tǒng)籌安排生產(chǎn)和工藝，使其設(shè)備更加高效服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：塔式熔煉爐；設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐；節(jié)能管理；新技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.005

1 概述

隨著汽車輕量化工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，鋁及鋁合金制品在汽車行業(yè)使用越來越廣泛。而鋁合金熔煉是鋁制品生產(chǎn)的第一工序，鋁合金熔煉又是消耗能源最多的一個(gè)工藝。隨著能源減少和能源價(jià)格的不斷提升，節(jié)能管理已近成為企業(yè)管理的重點(diǎn)，也是工業(yè)能源管理的重要任務(wù)。

國內(nèi)鋁合金鑄造生產(chǎn)企業(yè)眾多，但其設(shè)備陳舊，能源利用率較低，其原因是沒有根據(jù)企業(yè)需要設(shè)計(jì)合適的熔煉設(shè)備?，F(xiàn)在國內(nèi)外熔煉企業(yè)，歐洲和日本一般選擇燃?xì)馑饺蹮挔t，在其設(shè)備類型中燃?xì)馑饺蹮挔t在鑄造企業(yè)中越來越被廣泛使用，塔式熔煉爐其獨(dú)特機(jī)構(gòu)，具備了其他設(shè)備所沒有的優(yōu)勢(shì)，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(nèi)，減少有害污染物的排放，燃燒控制安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

國內(nèi)部分企業(yè)也根據(jù)自身需要，選擇了塔式熔煉爐，但是企業(yè)在選擇和使用方面沒有充分發(fā)揮其爐子的性能，造成能源的浪費(fèi)。為更好的節(jié)約能源，發(fā)揮其爐子性能，需要合理設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌安排生產(chǎn)實(shí)踐。選擇和使用時(shí)主要從熔煉爐結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)部耐火爐襯的選擇，燃燒控制系統(tǒng)的管理，企業(yè)生產(chǎn)和工藝管理等方面考慮。

2 熔煉爐結(jié)構(gòu)簡介

根據(jù)企業(yè)的不同需要，塔式熔煉爐基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，爐子主要有保溫室，融化室，爐料預(yù)熱區(qū)，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(nèi)，為鋁合金溶液的配比做準(zhǔn)備。保溫室爐體下面設(shè)置電磁攪拌器，鋁液在磁力作用下按照一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)鋁液可以使表面熱量向鋁液內(nèi)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(chǎn)生的熱量，大部分被鋁液吸收，還有一部分經(jīng)過熔化室，預(yù)熱區(qū)，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(yù)熱區(qū)的材料在熔化之前已經(jīng)被從保溫室和熔化室排出的熱量提前預(yù)熱，此結(jié)構(gòu)利用排出的熱量提前預(yù)熱材料，這樣不僅可以加快材料熔化，也可以節(jié)省大量燃?xì)?。在排氣管道安裝換熱器，爐內(nèi)熱空氣經(jīng)過預(yù)熱區(qū)后進(jìn)入換熱器，在換熱器上部有鼓風(fēng)機(jī)提供的助燃空氣進(jìn)入換熱器內(nèi)，在換熱器內(nèi)部兩部分存在溫度差的空氣進(jìn)行熱交換，由此調(diào)高助燃空氣溫度，調(diào)高燃燒器火焰溫度，節(jié)省燃?xì)狻?/p>

塔式爐設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)，更加高效節(jié)能，此設(shè)計(jì)方案符合現(xiàn)在國家節(jié)能減排的政策，給工業(yè)設(shè)備節(jié)能減排問題做了重要突破。

3 換熱裝置對(duì)余熱進(jìn)行的回收

燃料爐在生產(chǎn)時(shí)，煙氣帶走的熱量占總熱量的20%--60%，對(duì)煙氣熱量進(jìn)行合理回收，是燃?xì)鉅t節(jié)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(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，燃?xì)鉅t的助燃空氣每提高50度，可節(jié)約燃料2%左右。如不能對(duì)余熱進(jìn)行回收，會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)。雖然此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料余熱區(qū)，但是仍有部分余熱散失，因此在排氣管道中安裝換熱器對(duì)煙氣熱量進(jìn)行回收。

換熱器種類很多，根據(jù)不同的類型和生產(chǎn)需要，現(xiàn)在企業(yè)一般選擇管式換熱器，管式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示，從設(shè)計(jì)圖中可以看出，助燃空氣從煙氣管道下游進(jìn)入，在換熱器內(nèi)與管道內(nèi)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱交換，換熱器內(nèi)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(jīng)過換熱器后從煙氣管道上游排出。根據(jù)不用煙氣和助燃空氣溫度，合理選擇換熱器材質(zhì)，因不銹鋼和耐熱鋼良好的導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性，換熱器制作一般選擇這兩種材質(zhì)，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(yōu)化爐襯機(jī)構(gòu)

耐火爐襯的儲(chǔ)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(jù)不同位置，選擇不同材料。在預(yù)熱區(qū)，我們采用高鋁基中水泥澆注料，此澆注料機(jī)械強(qiáng)度大于120N/mm2，預(yù)熱區(qū)的材料在投入到預(yù)熱區(qū)時(shí)，材料會(huì)對(duì)澆注料有較強(qiáng)的沖擊，因此我們選擇高強(qiáng)度澆注料，在高強(qiáng)度澆注料外面，預(yù)安裝耐高溫隔熱板，減少熱量損失，使其高溫?zé)崃扛咝в酂釥t內(nèi)材料。

在保溫室鋁合金溶液和澆注料長時(shí)間接觸，在氧化氣氛中，鋁合金溶液和澆注料發(fā)生掛渣及滲鋁反應(yīng)，采用不沾鋁澆注料，減緩爐襯的侵蝕反應(yīng)，延長爐子壽命。近年來，一種新型的不沾鋁劑出現(xiàn)，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(jīng)取得重要突破。

近幾年來，隨著耐火材料新技術(shù)，新工藝的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)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(yùn)用最新高科技技術(shù)研制出來的新材料，材料內(nèi)部有特殊的無機(jī)納米級(jí)耐火粉末，形成了微小的納米級(jí)氣孔，其導(dǎo)熱系數(shù)比空氣還要低。

不同材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比如下圖所示：

在對(duì)比中，可以看出納米隔熱材料具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，隔熱性能比傳統(tǒng)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(shí)，材料收縮率較小，導(dǎo)熱系數(shù)在高溫段上升很小，材料本身不可燃，蓄熱少，耐熱震，無毒環(huán)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(jié)約能源。

5 關(guān)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(guān)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(shù)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(qiáng)制對(duì)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(tǒng)采用脈沖開關(guān)燃燒系統(tǒng)，生產(chǎn)時(shí)，在預(yù)熱區(qū)投入材料，材料經(jīng)過充分預(yù)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(jié)束后燃燒器關(guān)閉，在熔化室，燃燒器開關(guān)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(guān)系統(tǒng)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(jù)設(shè)定溫度和實(shí)測溫度，儀表進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制燃燒器火焰的大小，調(diào)節(jié)爐子里面溫度，使其溶液溫度達(dá)到設(shè)定溫度。

現(xiàn)在隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)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(xiàn)代調(diào)節(jié)算法，既能保證溫度無超調(diào)溫度，又可以使溫度達(dá)到快速溫度，儀表啟動(dòng)后，自整定功能可以根據(jù)被控對(duì)象的特性，自動(dòng)尋找最優(yōu)參數(shù)以達(dá)到很好的控制效果，無需人工整定PID等相關(guān)參數(shù)，操作方便，控溫精度高，基本達(dá)到±0.1℃，無超調(diào)、欠調(diào)等現(xiàn)象，這就說明人工智能現(xiàn)代調(diào)節(jié)算法可以獲得高質(zhì)量調(diào)節(jié)效果，在國內(nèi)儀表中，虹潤公司的人工智能儀表已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，達(dá)到了真正的人工智能控制水平。

6 統(tǒng)籌安排生產(chǎn)計(jì)劃，充分發(fā)揮爐子性能

塔式熔煉爐在生產(chǎn)安排時(shí)，要根據(jù)爐子結(jié)構(gòu)和工藝，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，充分發(fā)揮爐子的性能，使其能達(dá)到高效及節(jié)能的目的，更好的服務(wù)企業(yè)的生產(chǎn)。在往預(yù)熱區(qū)投料時(shí)，材料投入量合理控制，建議材料投入量到預(yù)熱區(qū)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(shí)一次投料到高限位區(qū)，可以縮短投料口門的開關(guān)時(shí)間，減少開關(guān)的熱量損失。在預(yù)熱區(qū)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(yù)熱區(qū)底層做一個(gè)鋪墊，減少后續(xù)投料對(duì)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(chǔ)存，根據(jù)不同工藝設(shè)置不同的溶液溫度?？梢栽诖吮厥腋鶕?jù)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(jù)生產(chǎn)安排，定時(shí)清理氧化物，減少氧化物對(duì)爐襯的侵蝕，延長爐襯壽命。及時(shí)清理溶液表面的雜質(zhì)，加快溶液上下面的熱傳遞，使其溶液上下溫度均勻。

7 結(jié)語

隨著國內(nèi)資源日益緊張，我國在工業(yè)設(shè)備節(jié)能減排方面面臨很大壓力，工業(yè)設(shè)備的節(jié)能減排已經(jīng)成為能源管理的重要問題。此塔式熔煉爐設(shè)計(jì)爐體結(jié)構(gòu)預(yù)熱區(qū)，材料熔化之前提前預(yù)熱，爐襯方面選擇納米隔熱材料和優(yōu)質(zhì)澆注料，減少熱量損失和延長爐襯壽命，燃燒器根據(jù)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(shè)備從重要方面進(jìn)行分析，綜合考慮各個(gè)方面的節(jié)能措施，使其爐子發(fā)揮最大效率，服務(wù)于社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)。

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