火焰炉与电阻炉熔炼铝合金的利弊分析

收稿日期:2004-10-20 第一作者简介:祁艳华(1973-),女,黑龙江哈尔滨人,工程师。

火焰炉与电阻炉熔炼铝合金的利弊分析

祁艳华,王德满,李海仙,韩　华,王立娟,赵　涛

(东北轻合金有限责任公司科研所,黑龙江哈尔滨150060)

摘要:从炉料的熔化速度,熔体的过热、吸氢和炉料氧化,熔炼时的热效率,熔炼操作的劳动环境,熔炼类型的实用性五方面阐述了火焰炉、电阻炉熔铝的利弊。

关键词:熔铝炉;黑度;对流传热;辐射传热;熔体过热;热效率

中图分类号:TG 292 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2005)03-0021-03

Advantage and Disadvantage on Melting Aluminium for Fire

H earth Furnace and E lectric H earth Furnace

QI Y an 2hua ,WANG De 2man ,LI Hai 2xian ,HAN Hua ,WANGLi 2juan ,ZHAO T ao

(N ortheast Light Alloy Co.,Ltd.,H arbin 150060,China)

Abstract :Five aspects are analyzed about the advantage and disadvantage for fire hearth furnace and electric hearth furnace .That are the speed of melting ,melt overheat 、abs orbing hydrogen and oxidation of the melt ,heat efficiency on melting ,labour environ 2ment ,the practicality of difference melting type.

K ey w ords :furnace for melting aluminium ;black grades ;convection heat trans fer ;radiation heat trans fer ;melt overheat ;heat ef 2ficiency

近20多年来,我国的铝加工工业迅速发展,铝加工材的产量持续增长,而熔炼是铝加工生产的首

要工序。铝的熔点虽然不很高,但它的黑度小[1](表1),熔化潜热和比热容大(表2),熔化时需要耗费很

多的能量。

表1　某些金属的黑度

表面情况

Al Cu

Zn

轧制表面0.039表面氧化0.100.57～0.870.11严重氧化

0.20

0.88

0.28

表2　某些金属的熔化潜热和比热容

项　目 Al Cu Zn M g 熔化潜热/k J (kg ・K )21

39421396372比热容/k J (kg ・K )21

0.895

0.038

0.038

0.995

在工业生产中广泛采用的熔铝炉有燃油炉、燃气火焰炉和电阻炉。本文根据熔炼铝合金生产中的经验就火焰炉和电阻炉的利弊做一些粗浅分析。

1　炉料的熔化速度

实践证明,用火焰炉熔炼铝合金时,炉料熔化速度远比电阻炉的快。以我公司容量10t 的低热值煤

气火焰炉为例,炉料的熔化速度为2.5t/h ,比等容量电阻反射炉的(0.8t/h )快两倍以上。火焰炉熔化速度快的原因主要是:

(1)火焰炉的炉顶、炉墙温度高。熔铝火焰炉的炉顶、炉墙温度一般在1100℃～1200℃,火焰尖端和表面的温度更高,而电阻炉在该处的温度仅近1000℃。就辐射传热而论其辐射传热量的数学表

达式[1]为:

Q 辐射=C 导・

T 1

100

4

-

T 2

100

4

・F ・

Ψ2.1(1)

式中:

T1、T2—两物体表面的绝对温度;

F—受热表面;

Ψ

2.1

—发热表面对受热表面的角度系数;

C导—导来辐射系数。

由(1)式可见,在其他条件相同时,Q辐射值随辐射体温度的升高而增加。火焰炉的炉顶、炉墙温度较电阻炉的高,自然其辐射传热量较大。

(2)火焰炉兼有对流传热。广泛用于生产的火焰炉有平焰式、倒焰式、倾角式、平焰与立焰结合式等多种。无论哪种类型的火焰炉,在炉料的熔化过程中炉气在炉料之间都有相对运动,因此有对流传热存在。在火焰炉内,气流对裸露的炉料表面对流传热的数学表达式为[1]:

Q对流=α对・(t1-t2)・F(2)式中:

t1-t2—气流与炉料表面之间的温度差;

F—换热表面积;

α对—对流给热系数。

2　熔体的过热、吸氢和炉料氧化

铝及铝合金熔炼时,熔体的过热温度、吸氢和炉料的氧化程度,历来是熔铸工作者密切关注的问题,因为它们影响金属的纯净度、铸锭的结晶组织、铸锭裂纹倾向、加工工艺塑性、加工材的组织和性能。

生产考察证明,火焰炉生产的熔体质量比电阻炉的低,不适于用来生产质量要求严格、用途十分重要的铝合金产品。

2.1　熔体的过热温度

熔炼铝合金时,通常在工艺规程中对液态金属温度有明确规定。熔体温度超过允许温度范围的上限即称之为过热。如果过热的温度高和时间长,则非自发形核的活性严重衰减,甚至可能消失,使铸锭形成粗大的柱状晶、等轴晶和羽毛晶组织缺陷。在工业生产条件下,测定了火焰炉和电阻炉内的熔体温差情况,其结果示于表3。表3的数据说明,用火焰炉熔炼铝合金时的熔体温差高于电阻炉的。其原因是用火焰炉熔炼时炉料表面的热交换强度较高。

表3　两种炉熔炼铝合金时熔体的上、下温差

炉子类型容量/t测定条件熔体上、下温差/℃

低热值煤气火焰炉10未搅拌100

电阻炉10未搅拌60

2.2　熔体的吸氢量

铝及铝合金在熔炼过程中极易吸气和氧化,在所吸收的气体中75%～90%是氢。在铝熔点温度时氢在固态铝中的溶解度仅为0.036m L/100g Al,而此温度的液态铝中氢的溶解度可高达0.69m L/100g Al,后者为前者的19倍[2]。这表明铝凝固时有大量的气体析出,它是铝及铝合金产品容易出现气体缺陷的根本原因。氢在铝合金中的溶解度与合金化组元种类及其含量有关。加入铝合金中的组元吸氢能力强且加入量多时,可增加铝合金熔体的吸氢量,如M g。氢在干燥空气中的含量不高(体积百分数为0.01%,质量百分数为0.006%),不能成为铝熔体中氢的主要来源。试验证明,铝中氢的含量主要是与熔铝炉炉气中的水气分压有关。电阻炉内炉气中的水气分压[3]一般为0.4kPa～2kPa,火焰炉内的一般为1.3kPa～16kPa,按中值计算后者为前者的7倍。火焰炉炉气中的水气分压来源于燃料中的水、硫化氢、氢气和碳氢化合物,它们燃烧后都要生成水蒸气。以可燃气体为例,几种典型燃气中含氢物质的含量[1]如表4所示。除了燃料带入炉气中的水蒸气以外,炉料的潮湿和被油污弄脏的程度、炉料的比表面积、熔剂和工具是否干燥等因素都可影响炉气中的水汽分压。

表4　几种燃气中的含氢物质的体积分数/%

燃气种类CO2+H2S O2CO H2CH4CmHn N2可燃煤气0.1～0.20～285～970.1～0.4 1.2～4空气发生炉煤气0.5～1.532～330.5～0.9

高炉煤气9～15.525～312～30.3～0.555～58一般发生炉煤气 4.3～4.50.2～0.429～3013～142～40.2～0.547～50

综上所述,用火焰炉熔炼铝合金时熔体中的氢含量高主要是炉气中的水汽分压高所致,另外,熔体过热温度高也有一些影响。2.3　炉料的氧化

炉料在熔化过程中的氧化是不可避免的。在熔炼过程中影响炉料氧化的因素很多,主要有:

(1)温度的影响。炉料的氧化程度随温度的升