铝合金塔式熔炼炉的节能设计与生产实践

韦增磊

摘 要：介绍国内塔式熔炼炉的现状，分析现状原因，根据新技术和新材料综合考虑熔炼炉的设计，使其更加节能环保。结合熔炼炉的结构特点，合理统筹安排生产和工艺，使其设备更加高效服务于企业生产。

关键词：塔式熔炼炉；设计与生产实践；节能管理；新技术

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

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，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，選择了塔式熔炼炉，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，材料熔化結束后燃烧器关闭，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±0.1℃，无超调、欠调等现象，这就说明人工智能现代调节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。

参考文献：

[1]王秉铨.《工业炉设计手册》[S].北京：机械工业出版社出版，2010.

[2]王鸿雁.《冶金炉热工基础》[J]北京：化学工业出版社，2015.

[3]聊定彬.《工业炉用热交换装置》[J].北京：冶金工业出版社，1986.

[4]杨世铭，陶文铨.《传热学》第四版[J].北京：高等教育出版社，2006.