铝合金熔炼的节能和降损
李国伟1，袁玉同2
（1.三门峡戴卡铝合金轮毂制造有限公司，河南 三门峡472000；
2.河南能源化工集团，河南 郑州450046 ）
摘要: 分析了铝合金熔炼过程中热量散失和金属损失途径，探讨了降低热量损失、减少金属烧损的方法。选择合适的炉型、新型节能炉衬材料、优化炉衬结构，采用永磁搅拌技术、强化余热利用，可以有效提高熔炼炉的热效率，实现节能降耗。对炉料进行清洁处理、选择合适的熔炼设备、炉料块度和加热条件，优化精炼剂的种类和加入量，强化铝渣回收处理，可以显著提高铝液收得率，减低铝液损耗。
关键词：铝合金熔炼 节能 余热利用 烧损
作者简介：李国伟（1966-），男，河南商丘人，工程师，主要研究方向：有色金属及汽车零部件，电话：13603408178，E-mail:guowei_lee@163.com
Energy Conservation and Loss Reduction During Aluminum Alloy Melting
Li Guowei1，Yuan Yutong2
（SMX Dicastal Wheel Manufacture CO.,LTD. Henan Sanmenxia 472000）
Abstract：The energy conservation and loss reduction during aluminum alloy melting were described in this paper. The methods of energy consumption and aluminum alloy loss during melting process were investigated. The thermal efficiency of melting furnace can be improved and the energy consumption can be reduced by using suitable furnace profiles, new lining materials, optimal furnace lining structure, combined with permanent magnetic stirring technology and utilization of residual heat. The aluminum alloy loss can be reduced remarkably by means of cleaning raw materials, using suitable melting equipment, sizes of materials and heating conditions, optimizing the types and addition amount of the refining agentandreinforcing aluminumalloyslag recycling.
Keywords: Aluminum alloy melting, Energy Conservation, Utilization of residual heat, Loss reduction
熔炼是铝加工行业的重要工序，熔炼成本在整个加工成本中占很大比重，是节能降损的重要“金矿”。据统计，我国铝合金熔炼炉炉形主要有：圆形顶开盖式熔炼炉、矩形熔炼炉、液压倾动式熔炼炉等。主要采用机械式搅拌。这些炉形和熔炼方式普遍存在能耗高烧损严重等缺陷。据统计我国铝合金熔炼的综合能耗高于国外先进水平约8%~10%，铝合金的烧损比国外先进水平高出一倍[1]。因此，如何提高熔炼过程中的能源利用率，降低铝合金的烧损，已成为非常重要和亟待解决的问题。本文从熔炼过程入手，分析了减少熔炼炉热量散失的途径，介绍了余热利用技术，讨论了熔炼过程中铝合金烧损的原因和减少烧损的途径。
1、熔炼过程中的热量散失及余热利用
由熔炼炉的热平衡可知：
铝熔化所需总热量Q总=熔解铝吸热Q熔＋烟气升温热Q升＋散热Q散＋排放烟气热Q排[2]
其中熔解铝吸热和烟气升温热是必须的，因此降低熔炼铝的能耗主要途径是减少热量的散失Q散和回收高温烟气的热量Q排。
1.1 减少熔炼炉热量散失的途径
提高熔炼炉的熔化率和热效率最重要的途径就是减少热量的散失，主要有下面几个途径：
（1）采用圆形炉膛替代方形炉膛
圆形炉膛没有方形炉膛结构上的死角，炉料能够受到炉壁和炉气均匀的辐射热，热效率更高。由于同体积的圆形炉的外表面较方形炉外表面积小，因此炉壁散热减少。
（2）采用新型节能炉衬材料，优化炉衬结构
炉衬的蓄热和散热，一般占炉子总能耗的20%~45%，在保证炉子的结构强度和耐热强度的前提下，应尽量提高炉衬的保温能力，减少其储蓄热。单纯依靠增加炉衬厚度来降低炉体外壁温度，不仅会增加炉衬的蓄热和成本，还减少了炉底面积的有效利用率。采用轻质耐火材料和各种绝热材料，以增加炉子的隔热保温效果，可以有效减少通过砌体传导和蓄热损失的热量[3]。
（3）采用永磁搅拌技术
永磁搅拌装置相当于一台气隙较大的使用永磁体磁场的电机，高温铝熔体相当于电动机的转子，磁场和熔炼炉中铝熔体相互作用产生感应电势和感生电流，这种感生电流又和磁场作用产生电磁力，从而推动铝液做定向运动，起到搅拌作用。图1是永磁搅拌的工作原理图[3]。
图1 永磁搅拌原理图
永磁搅拌的优点主要有：一、被搅拌的铝熔体化学成分均匀，精炼除杂效果好，而且不用开炉门操作，可减少能耗约20%；二、非直接接触式搅拌，避免了人为对熔体的二次污染，并减少了氧化铝渣的生成，降低了铝合金的烧损；三、可以加速熔体和未熔化炉料间的热交换，提高铝熔化速度，通常可提高熔化速率约20%；四、提高炉内熔体温度的均匀性，熔体表层和底部的温差一般可控制在约10℃以内，从而避免熔体局部过热和过烧现象的发生，减少烧损3%~5%；五、永磁搅拌的定向流动有利于氧化渣在熔体表面的聚集，便于快速清渣，有利于节能，同时减轻了工人的劳动强度。
1.2 余热利用
根据热力学基本定律，对于稳定的生产过程热力学第一定律可表示为：
ΣQ输入=ΣQ输出 (1)
式中ΣQ输入表示熔炼炉输入的热量，ΣQ输出表示熔炼炉输出的各项能量
热力学第二定律指出了功热转换的不可逆性，即高温热源不可能把传递给介质的所有热量(Q1)在热机中全部转化为机械能（W）必然有一部分传递为低温热源的热量(Q2)，热力学第二定律可用公式表示为：
W= Q1—Q2 (2)
相应的热机效率η为：
η=W÷Q1=( Q1—Q2)÷Q1＜1 (3)
由于我国熔炼炉在铝合金熔炼过程中Q2往往非常大，导致其热效率普遍比较低，因此在生产过程中必然会产生大量的余热。熔炼炉烟气带走的热量是熔炼炉供热量的30%~70%，充分回收烟气余热是节约能源的主要途径。主要有以下几种方式。
（1）蓄热式烧嘴节能技术
图2是再生式蓄热烧嘴的原理图[4]。新型节能铝合金熔炼炉采用了再生蓄热式烧嘴节能技术，将燃烧系统和余热回收系统有机地结合在一起，将助燃空气温度预热到烟气温度的80%~90%，使最终排出的烟气温度降到150℃~250℃，余热回收利用率约为70%，显著降低熔炼炉燃料消耗，大幅度提高炉子的热效率[5]。
图2 再生式蓄热烧嘴的原理图
（2）料塔式连续熔炼炉技术
料塔式连续熔炼炉技术是利用烟气的热量预热料塔中的炉料，将炉料在未熔化前充分预热，最终排出烟气的温度降到200℃左右。图3是连续式料塔熔炼炉结构示意图[6]。
图3连续式料塔熔炼炉结构示意图
（3）采用烟气余热回收器
炉膛内的烟气经过料塔加热炉料或预热助燃空气后温度仍高达200℃左右，将此高温烟气引入通过式余热回收器经过热交换后，烟气的温度可降低到90℃左右。通过余热回收器加热的热水可作为其它工序的生产用热水或生活用热水。
2熔炼过程中的烧损及降低烧损的途径
2.1铝合金烧损的原因
在大气条件下熔化铝合金，总会因为其中的活泼元素在高温氧化作用下形成各种金属氧化物，造成铝液的损耗。熔化后的铝液还需经过精炼，进一步加剧了铝液的氧化烧损。特别是在精炼后的除渣过程中，因为界面张力的作用，大量铝液粘附在渣中，成为铝渣混合物，一起被当作渣拔出炉外。尽管这种混合物还可以用很多方法进行分离回收，但毕竟又需要消耗很多能源，且回收过程又会遇到各种氧化烧损问题。这种再氧化的结果，使不少铝被氧化成为无法回收的粉态[7]。综上所述，铝合金熔炼过程中烧损主要为：
（1）熔化和精炼过程中，各种元素在高温条件下的氧化烧损。
（2）精炼后的除渣过程中，被混在渣中扒出炉外，这种损耗要比前者大的多。
2.2减少熔炼过程中氧化烧损的途径
（1）炉料状态
炉料在入炉前是否经过清洁处理，对氧化渣的产生效果大不一样，图4是炉料不同处理形式下的烧损率对比[6]。
图4炉料不同处理形式烧损对比
（2）炉料块度
炉料的块度大小决定了熔炼过程中炉料与炉气中氧接触的面积，从这一点说，炉料块度越小意味着与氧接触面积越大，加剧了氧化作用。应避免采用过小的炉料块度，尤其是氧化性气氛严重的反射炉熔炼条件下。
有些企业把本单位产生的铝屑回收、重熔后使用，此时，应选择特殊方式的熔炼炉。图5是一种铝屑处理设备，图6是其中的涡流机构示意图[8]。其主要过程是对回收铝屑粉碎、分选、甩干、加热烘干，最后通过涡流机构形成涡流将铝屑卷入铝液中，使得铝屑在避免被氧化的同时被迅速熔化，从而有效的减少烧损。
图5铝屑处理设备 图6涡流机构示意图
（3）加热条件
加热条件的选择，实际上是合金在熔炼过程中如何减少与氧的作用时间问题。铝合金在熔炼炉里，尤其是在高温阶段，时间越长，越容易加剧烧损。因此，为了减少烧损，一是对炉料要有一个预热过程，在炉料达到熔融状态前充分吸收热量，在炉料达到熔融状态后应迅速熔化从而尽可能减少氧化；二是对已经熔化的合金熔体应尽可能减少在熔炼炉中的停留时间[9]。
2.3减少精炼过程中合金损失的途径
这里存在一对矛盾：精炼剂分解发热会进一步加剧铝液的氧化，但为了使铝和渣降低浸润性，促进铝渣分离又必须添加精炼剂。因此，精炼过程不仅要选择好精炼剂种类同时要控制其加入量[10]。
2.4铝渣混合物中铝液的回收途径
经过多年的发展和完善，铝渣处理技术已有多种处理方式，其中热渣处理方法效果较好。热渣回收是把热铝渣直接送入带有搅拌装置的设备中，使铝液沉积于设备底部，加入能产生放热反应的溶剂，使渣保持所需温度，通过搅拌使得铝渣分离，最终铝液从设备的底部流出并回收。图7是一种热渣处理装置，该装置可回收铝渣中90%以上的铝液。
图7 铝渣回收装置
3 结语
铝合金熔炼的节能和降损涉及到多方面因素。选择合适的炉型、新型节能炉衬材料、优化炉衬结构，采用永磁搅拌技术、强化余热利用，可以有效提高熔炼炉的热效率，实现节能降耗。对炉料进行清洁处理、选择合适的熔炼设备、炉料块度和加热条件，优化精炼剂的种类和加入量，强化铝渣回收处理，可以显著提高铝液收得率，减低铝液损耗。
参考文献
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