褚會連

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265700）

近年來，鋁已經(jīng)成為世界上使用最廣泛的金屬之一。鋁金屬熔煉爐雖然它的鋁金屬熔點熔化溫度較低，但由于鋁的金屬熔體潛熱和比熱容較大，鋁金屬熔煉所必必需的熔體能耗較高，因此它已成為這些金屬企業(yè)加工不可不得缺少的金屬熔化和熔體加熱加工設(shè)備。因此，提高高溫熔融氧化鋁的使用熱效率，減少其他能源消耗，減少大氣污染物排放是非常重要的。

1 鋁熔鑄工藝優(yōu)化技術(shù)的實際應(yīng)用

鋁件在熔鑄加工過程中，熔鑄加工過程的設(shè)置和其對熔鑄加工過程的質(zhì)量控制很重要，直接影響決定最終加工結(jié)果的熔鑄質(zhì)量。例如，充電期間溫度的相對高低等就會直接影響各種鋁鍛體的內(nèi)壁冷熱形態(tài)，充電期間溫度的升高會大大增加內(nèi)部和熔煉厚壁之間發(fā)生冷熱偏析或厚壁收縮的反應(yīng)概率。液體溫度太小，薄壁上的腫脹質(zhì)量可能會迅速變差，還可能會直接出現(xiàn)薄壁腫脹質(zhì)量不足或發(fā)生冷格等物理缺陷。以下技術(shù)文檔通過分析并詳細(xì)說明了采用鋁熔鑄工藝和最優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的幾個關(guān)鍵點。

1.1 熔鑄工藝的最佳原理

實際工業(yè)生產(chǎn)中，很多鋁在結(jié)構(gòu)上比較簡單，但很多部位厚度不均勻，加上熱節(jié)點的位置很多，對表面和內(nèi)部質(zhì)量要求很高，工藝控制的難度很高。對于中大型薄壁鋁，工藝方法的選擇是關(guān)鍵。

1.2 澆注工藝影響

鋁整體的澆注整體材料組織結(jié)構(gòu)要求比較高，應(yīng)合理正確選擇澆注系統(tǒng)的具體位置，以有效避免產(chǎn)生收縮、氣孔等整體缺陷。前端覆蓋部件應(yīng)在法蘭的小端和末端分別安裝流入內(nèi)部的澆口和末端交叉的外澆口。這樣，使得鋁的流動順序緩慢變硬，提高了鑄鋁的熱動力學(xué)性能。

1.3 熔鑄參數(shù)的三維模擬

鋁熱壓三維工藝建模的設(shè)計目的主要是為實現(xiàn)工藝流程參數(shù)設(shè)計優(yōu)化和實現(xiàn)工藝流程實施設(shè)計過程中的控制設(shè)計提供建模平臺和設(shè)計模板。工藝模擬保溫過程中由于保溫材料、模具和型芯部分屬于各個工藝模擬組件組成部件，屬性不同，因此在在建模時我們應(yīng)盡可能多地確保每個塊的工藝模擬與實際保溫位置、尺寸相匹配。特別是，一些不規(guī)則的表面需要盡可能地恢復(fù)。此外，相互分離和分散的在建模時不應(yīng)連接，但在流程仿真時，必須完全配置相同的材料工藝。

1.4 模擬優(yōu)化過程的過程

鋁熔鑄工藝模擬及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計過程中，首先需要使用三維圖形設(shè)計處理軟件模擬完成工藝建模設(shè)計工作，然后將其分為優(yōu)化兩條線。另一方面，通過利用cad三種接口計算軟件，對三維熔鑄設(shè)備工藝基本設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行計算預(yù)處理，包括熔鑄模塊模型計算、孤立設(shè)備熔池建模計算、熔鑄設(shè)備系統(tǒng)建模計算等，最終計算納入三維熔鑄設(shè)備工藝基本設(shè)計數(shù)據(jù)分析后的處理過程，并重新計算輸入三維工藝設(shè)計處理軟件。相反，通過使用cae兩種接口統(tǒng)計軟件可以對實際熔鑄生產(chǎn)過程結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)過程數(shù)據(jù)分析進(jìn)行熔鑄流場數(shù)的計算和熔鑄溫度場數(shù)的計算，之后對實際熔鑄生產(chǎn)過程結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后加以處理，在此基礎(chǔ)上可以判斷熔鑄生產(chǎn)過程的正確合理性，如果過程是這樣，則為實際投入生產(chǎn)而不為輸出。否則，必須重新返回第一計算階段，通過有限量的差分計算軟件系統(tǒng)進(jìn)行計算過程分析然后處理，重新開始計算各種差分參數(shù)。在低壓熔鑄電流模型工藝配置和電流模擬計算控制過程中，根據(jù)電流熔鑄模型工藝控制要求，添加用于低壓電流熔鑄的主要工藝控制參數(shù)。

2 影響熱效率的因素分析

根據(jù)熱平衡力學(xué)原理，進(jìn)入整個爐子的各種熱量概率等于同時進(jìn)入整個爐子的各種材料的吸熱和各種不同熱量產(chǎn)生損失的概率總和。其中能夠進(jìn)入通用火爐的物理熱量主要包括作為燃料的氣體化學(xué)物理熱和水的物理熱，空氣和其他材料的化學(xué)物理熱。各種熱腐蝕損失主要類型包括鍋爐排氣熱腐蝕損失、不完全停止燃燒時熱損失、爐壁熱腐蝕損失等。如果燃料是一種固體中的燃料，還包括再渣熱量的損失等。提高用煤或天然氣進(jìn)行加熱的高溫熔融氧化鋁的鍋爐熱效率的主要解決措施之一是通過降低鍋爐排氣管的溫度，減少對于爐壁的熱輻射損失。另外，降低燃燒過量的鍋爐空氣污染系數(shù)后還可以有效提高鍋爐火焰燃燒溫度，減少了氮氧化物的燃燒。提高爐溫均勻性能還可以有效提高鋁箔加熱材料質(zhì)量，減少通用材料的熱氧化率和燃燒的用量，提高通用鋁箔加高爐爐在單位加熱時間內(nèi)材料產(chǎn)量，減少能源消耗。下面我們具體分析各熱水器損失的可能影響具體因素。

2.1 煙霧排放溫度

熔鋁熔煉的熔點加熱作用溫度一般在1000至100之間，鋁的每個熔點加熱溫度約固定為660，熔鋁熔煉的進(jìn)出口以及排氣口的溫度一般在500以上。這樣由于高溫的溫室煙霧直接向外界的排放后就會給人浪費很多能源，給人的周圍環(huán)境也會帶來熱量的污染。

2.2 爐壁冷卻損失

爐壁的熱效率損失主要是鍋爐煙氣大量排放鍋爐溫度變得過高從而降低了熱熔融氧化鋁鍋爐熱效率的主要影響因素。其中存在材料庫出入口、爐門等部位泄漏非常大。高溫優(yōu)化鋁液本身的隔熱發(fā)射吸收率相對較低，但由于漂浮在低溫鋁液上的金屬氧化物對其發(fā)射吸收率相對較高，而且鋁液輻射物的傳熱與熱力學(xué)溫度的四個二次方溫度形成一個正比，因此就需要在優(yōu)化材料的出入口和隔熱爐門內(nèi)部采用專為優(yōu)化材料設(shè)計的隔熱反射式鍍膜結(jié)構(gòu)。起到對隔熱板的保護(hù)作用，防止熱量的大量損失。另外，個別耐火材料和保溫層等介質(zhì)直接受損的一些地方，局部還會發(fā)熱，爐子里的熱量往往會散失。這時肉眼看不見。重慶東海埃魯比工業(yè)路有限公司擁有國內(nèi)最先進(jìn)的非冷焦平面紅外熱成像照相機(jī)，可以直觀地測量、分析爐壁溫度并計算熱損失，甚至可以直接看到爐內(nèi)鋁液泄漏，在爐壁上拍照，將照片發(fā)送到電腦進(jìn)行熱分析計算處理，可以及時有效地預(yù)防安全事故的發(fā)生。

2.3 爐溫度均勻性

大型高壓鋁熔煉爐中的熱燃燒器的具體工作狀態(tài)參數(shù)和熔煉爐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對熔煉爐體燃燒溫度的均勻性都具有很大量的影響。爐子的鋁液溫度超標(biāo)分布不均勻，部分爐子鋁液爐壁燃燒嚴(yán)重，煙塵中的二氧化鋁液的含量急劇溫度增加，而部分爐子的鋁液高溫燃燒會直接導(dǎo)致鋁液爐壁燃燒溫度明顯超標(biāo)，從而大大縮短耐火材料、保溫材料的使用壽命。

ComputationalFluidDynamics(CFD)技術(shù)可以在高爐工作前預(yù)測爐溫場、速度場和壓力場，判斷燃燒器的工作參數(shù)和爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。與國際最新鋁熔煉爐設(shè)計理念及CFD技術(shù)一起，企業(yè)進(jìn)行了鋁熔煉爐優(yōu)化設(shè)計研究，促進(jìn)了產(chǎn)品性能的提高。

2.4 自動控制系統(tǒng)和測試設(shè)備

通過我們公司的長期技術(shù)應(yīng)用研究實踐，發(fā)現(xiàn)家用熔煉熱鋁的操作自動控制以及系統(tǒng)控制操作精度高，可以大大減少家用燃?xì)鉄徜X熔煉爐的安全可靠運行和降低能耗。同時，可以通過使用能夠防止鋁殼高溫和過熱鋁殼被侵蝕的德國進(jìn)口產(chǎn)品sialon微型熱電偶高溫保護(hù)三件套，實時準(zhǔn)確檢測各種鋁殼內(nèi)溫度值的變化，保證熔鋁質(zhì)量。

3 鋁及鋁熔鑄趨勢

3.1 節(jié)能和環(huán)境保護(hù)

現(xiàn)階段，由于能源阻礙煤是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會科技高速同步發(fā)展的兩個重要障礙，能源緊張和社會環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。在當(dāng)前環(huán)境下，我們必須發(fā)展節(jié)能經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)經(jīng)濟(jì)，這一定是我國未來的兩個主要發(fā)展趨勢。鋁及鋁熔鑄是鋁加工的第一個過程，在此過程中一定會消耗很多能源，并且會伴隨著很多污染嚴(yán)重污染環(huán)境質(zhì)量。例如，熔鑄液體過程中它所產(chǎn)生的氣體熱量可能是巨大的。這些新的熱量一旦從它排放出來到它的空氣中，就可能會大大大地增加它的溫室效應(yīng)。因此，我國在鎂合鋁和金屬鋁熔鑄加工技術(shù)的深入發(fā)展應(yīng)用過程中，必須走節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境兩條主要路線，只有堅持這兩條道路，才能真正使我國經(jīng)濟(jì)和科技持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

3.2 提高熔體純度的研究

熔鑄鋁和鋁產(chǎn)品時，要保證熔體的純度，就要保證鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量，熔體的純度與鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量有很大關(guān)系。因此，為了有效保證鑄錠熔鑄的整體質(zhì)量，在進(jìn)行鑄錠熔鑄過程中應(yīng)在選擇優(yōu)質(zhì)熔體時，必須盡量選擇鑄錠氣體雜質(zhì)含量少、渣少的優(yōu)質(zhì)熔體，才能達(dá)到保證鑄錠晶體結(jié)構(gòu)精細(xì)化的熔鑄質(zhì)量。

3.3 安全問題研究

安全保障問題通常是熔鑄鋁和其他鋁熔鑄設(shè)備工作中最重要的一個問題之一，需要我們高度重視。因為，如果是在熔鑄生產(chǎn)過程中突然出現(xiàn)安全衛(wèi)生問題，必然可能會直接造成重大人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)階段我國鋁和鋁熔鑄的安全質(zhì)量不太完善。一般來說，安全事故問題主要認(rèn)為表現(xiàn)在以下幾個方面∶主要原因是∶第一，氣體高爐泄漏事故引起的高爐爆炸;二、高爐中泄漏出的鋁;三者都是高爐附設(shè)。因此，今后我國在鋁和鋁熔鑄過程中必須不斷加強(qiáng)對熔鑄安全的重視，不斷擴(kuò)大對安全設(shè)施的資金投入，對相關(guān)技術(shù)要不斷研究，確保熔鑄設(shè)備的質(zhì)量，保證熔鑄工藝的流動性。

3.4 擴(kuò)展熔鑄技術(shù)研究

近年來，我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)代化步伐逐漸加快。因此，對鋁和鋁強(qiáng)度和數(shù)量的需求增加，因此持續(xù)研究高強(qiáng)度鋁很重要。部分大型超高強(qiáng)度熔鑄和電磁熔鑄等都具有較高的能源效率，可以大大提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

3.5 成本管理

作為鋁產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最重要的一步，熔鑄工藝需要大量的人力和資金支持，一旦這些投資太高，必然會妨礙后面產(chǎn)品的利益。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，必須進(jìn)行成本控制。因此，研究使用鋁和鋅等鋁金屬熔鑄時，必須不要完全忽視金屬成本管理控制中的工作，優(yōu)化金屬生產(chǎn)工藝，提高金屬生產(chǎn)工作效率，減少使用金屬鋁的燃燒，提高金屬生產(chǎn)率。通過快速高溫熔化和連續(xù)等溫加熱冶煉等加工方法可以減少大量金屬鋁的燃燒，部分生產(chǎn)鋁企業(yè)可以直接另外使用高溫電解鋁溶液來作為生產(chǎn)原料，鋁加工生產(chǎn)企業(yè)甚至可以直接另外購買錠及其他主演材料進(jìn)行熱、冷軋鑄鋁加工，從而大大降低生產(chǎn)過程成本。

4 結(jié)論

鋁熔鑄中，工程設(shè)計都依賴專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗和知識，在這種情況下，工程生產(chǎn)很有可能因重大缺陷的存在而放棄專業(yè)，造成時間和資金的巨大浪費。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)計算機(jī)模擬技術(shù)，通過反復(fù)進(jìn)行實驗研究確定最佳熔鑄工藝設(shè)計方法，在工業(yè)計算機(jī)過程模擬中準(zhǔn)確識別產(chǎn)品熔鑄生產(chǎn)工藝當(dāng)中存在的難點問題，并根據(jù)企業(yè)使用實際情況及時進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品整體生產(chǎn)工藝質(zhì)量大幅提高和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝周期大幅縮短，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。鋁熔煉爐主要是眾多大型工業(yè)爐之一，分析了許多影響其鍋爐熱效率的主要因素，對其他不同種類的大型工業(yè)爐對其熱效率進(jìn)行分析也是具有同樣重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。從鋁熔煉加工、維護(hù)企業(yè)鋁熔煉設(shè)備到產(chǎn)品生產(chǎn)，有必要按照'設(shè)計優(yōu)化、精心制造、及時檢查、細(xì)致維護(hù)'的加工原則，提高加工企業(yè)鋁熔煉能源綜合利用率，降低企業(yè)能源利用成本，提高鋁熔煉產(chǎn)品質(zhì)量。