郭峻宏，李 偉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

本文中所討論的鋁廢料是指鋁加工廠生產(chǎn)鋁材過(guò)程中發(fā)生的廢料，包括鋁合金廢屑，板帶材和擠壓件切掉的料頭、料尾，塊狀廢品料等。

1 鋁合金廢料

1.1 鋁合金廢屑的產(chǎn)生

鋁合金錠鑄造過(guò)程中在其表面和近表面會(huì)形成一些缺陷，如疏松、粗晶、硬質(zhì)層及夾雜等。因此扁錠在進(jìn)行軋制加工之前需要使用銑床對(duì)鋁合金扁錠進(jìn)行銑面處理，主面的銑面量一般為5 mm～30 mm，最大銑削量控制在40 mm以下，側(cè)面的銑削量一般控制在5 mm～15 mm。銑削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)長(zhǎng)片狀鋁合金屑。鋁合金圓錠在擠壓或鍛造之前要進(jìn)行車(chē)削加工，去掉表面層，也會(huì)產(chǎn)生大量切屑。

1.2 鋁合金廢料的組成

鋁合金廢屑大多是不同系別鋁合金錠在銑面或切削過(guò)程中的產(chǎn)物，成分穩(wěn)定，含雜物很少。而其他塊狀廢料表面往往含有少量油污或其他的有機(jī)物質(zhì)等雜質(zhì)。

2 廢鋁料的處理裝置

2.1 雙室爐

雙室爐主要用于熔化帶雜質(zhì)的廢料、生產(chǎn)返還料、干凈的塊料，熔化后的鋁熔體將被傳輸?shù)戒X液包或鑄造設(shè)備鑄造成鋁合金錠。

雙室爐的主要結(jié)構(gòu)由上料機(jī)、加熱室、廢料室、循環(huán)設(shè)備、燃燒設(shè)備、廢氣處理設(shè)備及控制系統(tǒng)組成。加熱室與廢料室分開(kāi)布置可以有效減少帶雜質(zhì)的廢料和塊狀廢料的燒損，同時(shí)提高熱效率。

加熱室主要通過(guò)燒嘴燃燒天然氣，為鋁廢料的熔化源源不斷提供能源，同時(shí)保證爐內(nèi)的溫度維持在滿(mǎn)足工藝要求的范圍之內(nèi)。廢料室與加熱室之間利用隔墻隔開(kāi)，隔墻上含有孔洞，孔洞中包含過(guò)濾裝置，使兩室中的鋁液可以通過(guò)。廢料室靠近爐門(mén)處的爐橋，可以放置薄壁、帶雜質(zhì)的鋁廢料。由于裝入廢料室的廢料可能是濕料或粘有有機(jī)物質(zhì)，它們?cè)谶M(jìn)入熔池之前，要在爐橋上進(jìn)行預(yù)熱，通過(guò)爐子自身的循環(huán)系統(tǒng)及廢料室特殊的燒嘴對(duì)爐料快速預(yù)熱。預(yù)熱后的爐料會(huì)在廢料室集聚熱分解氣，這部分熱分解氣經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)被送到加熱室的燒嘴區(qū)域進(jìn)行二次燃燒。通過(guò)熱分解氣中有可燃雜質(zhì)的燃燒所產(chǎn)生的熱量對(duì)加熱室進(jìn)行加熱，一定程度上減少了雙室爐的能耗。

鋁屑、碎片可從鋁液循環(huán)系統(tǒng)的上料井進(jìn)行裝料，該單元與電磁泵一起實(shí)現(xiàn)爐子的鋁液循環(huán)。電磁泵將在加熱室中熔化后的鋁液抽入上料井底部，鋁液與廢料直接接觸，并且?guī)еX屑一同流入廢料室。這種方式加強(qiáng)了從加熱室到廢料室的熱傳輸，使得廢料室中的鋁液運(yùn)動(dòng)變得強(qiáng)烈，鋁液的溫度和化學(xué)成分更均勻。并且這種熔化方式使鋁屑的熔化更加快速，減少了鋁屑的燒損[1]。

2.2 感應(yīng)爐

感應(yīng)爐的爐體主要由感應(yīng)線(xiàn)圈磁軛、坩堝、爐殼等組成。

在磁軛內(nèi)部放置了一套水冷絕緣感應(yīng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈以可調(diào)整的方式裝在由變壓器鋼板制成的磁軛里，磁軛安裝在線(xiàn)圈保護(hù)架里；線(xiàn)圈組件組成了一個(gè)整體單元插入爐子的傾動(dòng)框架內(nèi)部，水冷感應(yīng)線(xiàn)圈圍繞著爐體內(nèi)部的陶瓷坩堝，通過(guò)電流的作用，產(chǎn)生磁場(chǎng)。感應(yīng)線(xiàn)圈組成初級(jí)線(xiàn)圈，熔化的爐料或熔融金屬液組成二級(jí)線(xiàn)圈。初級(jí)電流流入線(xiàn)圈形成磁場(chǎng)感應(yīng)二級(jí)電流進(jìn)入爐料使之熔化。這種形式的能量轉(zhuǎn)換通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生電力形成熔池紊流，加速鋁廢料的熔化。

為防止電流通過(guò)水冷感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)對(duì)爐子的金屬部件產(chǎn)生影響使其發(fā)熱、降低爐子效率，有必要控制感應(yīng)線(xiàn)圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的發(fā)散。目前使用的感應(yīng)爐的水冷感應(yīng)線(xiàn)圈的周?chē)捎枚鄠€(gè)磁軛對(duì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行限制，磁軛在對(duì)著感應(yīng)線(xiàn)圈的方向制成圓弧面，可以很好地控制磁場(chǎng)的發(fā)散，降低漏磁量，減少金屬零部件發(fā)熱，提高感應(yīng)爐的效率[2]。

感應(yīng)爐控制系統(tǒng)日益完善，可根據(jù)預(yù)設(shè)裝料量?jī)?yōu)化鋁熔煉加熱、保溫等工序，優(yōu)化功率的輸入，防止鋁熔體過(guò)熱和控制熔體澆注溫度。

3 兩種爐對(duì)鋁廢料處理的比較

3.1 可處理廢料的種類(lèi)

雙室爐可以處理松散的廢鋁帶和鋁箔、鋁屑、廢型材料和塊料等，覆蓋了大部分的鋁加工生產(chǎn)廢料，有良好的廢料品種適應(yīng)性。

感應(yīng)爐大多用于熔化鋁屑，也可以熔化塊料，但由于感應(yīng)爐的幾何尺寸較小，對(duì)于大型的塊狀廢料和板帶廢料的裝爐有一定限制，并對(duì)裝爐的重量也有限制。

3.2 爐子的熱效率

目前大多雙室爐采用了蓄熱式燒嘴，這種燒嘴可以有效地利用爐內(nèi)廢氣對(duì)蓄熱箱進(jìn)行加熱，并將儲(chǔ)存的熱量傳遞給助燃空氣，可將助燃空氣從正常室溫加熱至700 ℃以上，而后進(jìn)入燒嘴進(jìn)行助燃，同時(shí)將冷卻后的爐氣排出，排出的爐氣不超過(guò)250 ℃，這種設(shè)計(jì)雖然盡可能地利用了廢氣中的熱值，但還是有熱量伴隨著爐氣排出，降低了爐子的熱效率。一般雙室爐的熱效率可以達(dá)到50%～60%，因此雙室爐熔煉1 t鋁大約需要65 m3的天然氣，利用天然氣的熱值計(jì)算相當(dāng)于電能636 kWh。

感應(yīng)爐是電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)感應(yīng)電流對(duì)金屬進(jìn)行熔化，因此感應(yīng)爐的熱效率極高，可達(dá)70%以上，熔化1 t鋁大約需要電能450 kWh[3]。

3.3 再生鋁錠的質(zhì)量

在實(shí)際產(chǎn)生和傳輸過(guò)程中，鋁廢料表面難免會(huì)沾染油污、水或其他雜質(zhì)。水在高溫情況下會(huì)與鋁發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鋁和氫氣，對(duì)再生鋁錠質(zhì)量產(chǎn)生影響。而油污同樣會(huì)污染再生鋁錠。雙室爐可以將廢鋁物料堆放在爐門(mén)前的爐橋上，進(jìn)行干燥和加熱，使附著在廢料上的水蒸發(fā)，并與油污等生成熱分解氣，并將這一部分的熱分解氣輸送至加熱室進(jìn)行燃燒，加以利用。

而感應(yīng)爐只能對(duì)爐內(nèi)鋁廢料進(jìn)行加熱，通過(guò)爐蓋上的風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生的爐氣處理后排放。

在鋁合金的熔煉過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生鋁渣，鋁渣的主要成分是氧化鋁。天然氣的燃燒會(huì)產(chǎn)生水和二氧化碳，同時(shí)助燃空氣中含有氧氣，也可以同熔融的鋁發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鋁。雙室爐通過(guò)先進(jìn)的氣體控制系統(tǒng)，控制爐內(nèi)氣體中氧的含量，減少鋁的燒損和鋁渣的產(chǎn)生。雙室爐廢料室和加熱室各有一個(gè)爐門(mén)可使用專(zhuān)用的扒渣車(chē)將爐內(nèi)的鋁渣進(jìn)行處理。而感應(yīng)爐熔化廢鋁料過(guò)程中沒(méi)有燃燒反應(yīng)，不會(huì)有水生成，可以把氧含量維持在相對(duì)較低的水平。因此感應(yīng)爐中鋁的燒損較少，鋁燒損可控制在1%以下，而且產(chǎn)生的鋁渣較少，一般為雙室爐熔化等重量鋁合金產(chǎn)生鋁渣的1/3左右。但是目前感應(yīng)爐的除鋁渣工作只能通過(guò)工人手工或傾倒?fàn)t體來(lái)完成[4]。

3.4 在工廠的適用性

鋁加工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鋁廢料表面難免有油污和水，并且這些鋁廢料是經(jīng)過(guò)不同的處理而產(chǎn)生的，其形狀、大小、狀態(tài)都不相同，對(duì)于這些廢料用雙室爐熔煉都不存在困難。

感應(yīng)爐在使用中全程需要使用水對(duì)電纜進(jìn)行冷卻，只有供應(yīng)合格的足夠的冷卻水，設(shè)備才能夠正常工作。如果一旦停水，原有的冷卻水中會(huì)形成蒸汽，損壞感應(yīng)線(xiàn)圈，燒毀絕緣層。同時(shí)對(duì)冷卻水的品質(zhì)也有嚴(yán)格的要求，不能夠含有任何雜質(zhì)和腐蝕性成分，鹽含量要求低，以防止管路的堵塞。在冷卻水的管路上，每個(gè)支路都配有調(diào)節(jié)裝置，使各個(gè)支路上的溫度分布更加均勻。這套設(shè)備復(fù)雜、對(duì)于水資源消耗量大并且維護(hù)起來(lái)十分煩瑣。目前有新設(shè)備正處于試驗(yàn)階段，采用銅絞線(xiàn)空氣冷卻的感應(yīng)爐，它擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、不消耗水資源等優(yōu)點(diǎn)，但是該設(shè)備目前只能夠適用于小規(guī)模的生產(chǎn)[5]。

由于感應(yīng)爐的起步較晚，對(duì)于感應(yīng)爐的設(shè)計(jì)還不是很完善。在感應(yīng)爐工作過(guò)程中，銅管的電流密度很大，因此銅管的壁厚不能夠太薄，并且需要偏下布置。鋁沒(méi)有磁性，在用感應(yīng)爐熔煉鋁廢料過(guò)程中，磁場(chǎng)極易發(fā)散，對(duì)于磁軛的布置要求十分嚴(yán)格。首先，磁軛面積必須足夠大，盡可能長(zhǎng)，才能保證感應(yīng)器軸向及徑向磁場(chǎng)。同時(shí)感應(yīng)爐對(duì)于爐襯的要求也十分嚴(yán)格，熔化的鋁液由于電磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生高頻率的震動(dòng)，而且鋁液具有高黏性和滲透性，爐襯的質(zhì)量直接影設(shè)備的使用壽命。在鋁廢料熔化初期，若鋁料的擺放不規(guī)則，產(chǎn)生的電流與磁場(chǎng)不穩(wěn)定，此時(shí)電源會(huì)受到較大的沖擊，導(dǎo)致燒毀，因此加強(qiáng)電源的耐沖擊性也需要考慮[6]。由于技術(shù)的限制，目前國(guó)內(nèi)3 600 kW、7.5 t帶有除塵裝置的熔鋁感應(yīng)爐已屬于大型感應(yīng)爐，在理想工況下，熔化率可達(dá)3 t/h。而雙室爐相對(duì)使用時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用技術(shù)比較成熟，型號(hào)較多，100 t的雙室爐熔化率可達(dá)8 t/h。

雙室爐在應(yīng)用過(guò)程中需要時(shí)刻保持熔池內(nèi)有足夠的鋁液，以保證加入的鋁廢料不與火焰直接接觸，從而降低鋁的燒損，并且通過(guò)鋁液的循環(huán)加快投入鋁廢料的熔化。為了保證爐內(nèi)始終有熔化的鋁液，需要不斷地對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，維持爐內(nèi)溫度穩(wěn)定。感應(yīng)爐則可以靈活使用，由于是利用電磁加熱，電磁的頻率高，穿透能力強(qiáng)，鋁廢料升溫快，并且可以冷爐起熔，不需要在使用前對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)加熱。對(duì)于熔煉鋁廢料，連續(xù)熔化時(shí)可以在爐內(nèi)保留40%的鋁液加速鋁料的熔化，也可以直接一次性將鋁液全部倒出，更換不同牌號(hào)的鋁合金廢料，在沒(méi)有鋁料處理時(shí)可以直接將感應(yīng)爐關(guān)閉，可以節(jié)省不少的能源。

在設(shè)備使用過(guò)程中雙室爐的操作人員要多于感應(yīng)爐的操作人員，同時(shí)雙室爐工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，會(huì)有部分的熱輻射，尤其是在爐門(mén)開(kāi)啟的狀態(tài)下，這些問(wèn)題需要考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前情況下，雙室爐更加適用于處理大批量含有雜質(zhì)和被污染的合金成分比較單一的鋁合金廢料；感應(yīng)爐更適用于處理小批量、干凈的、可區(qū)分合金牌號(hào)的鋁合金廢料。相對(duì)于雙室爐，感應(yīng)爐有操作簡(jiǎn)單、能耗低、使用靈活、再生鋁產(chǎn)品質(zhì)量高、廢物排放量少等特點(diǎn)。但是由于技術(shù)的限制，感應(yīng)爐的損壞頻率高，使用壽命較短；感應(yīng)爐的容積不大，對(duì)于大批量生產(chǎn)，一臺(tái)設(shè)備很難滿(mǎn)足產(chǎn)能的需求，產(chǎn)量無(wú)法保證；并且感應(yīng)爐對(duì)公輔等設(shè)施的要求相對(duì)較嚴(yán)格，設(shè)備的維護(hù)難度較大。

目前感應(yīng)爐正在向著大功率、大噸位和環(huán)境友好型發(fā)展，通過(guò)制造技術(shù)的不斷成熟和新型材料的快速開(kāi)發(fā)，伴隨新的技術(shù)的涌現(xiàn)，感應(yīng)爐的各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)將逐漸被克服，熔煉鋁廢料的感應(yīng)爐也將得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。