熔铝炉节能技术改造方案

熔铝炉节能技术改造方案

广州好易燃能源科技有限公司

1 概述

铝及铝合金熔炼炉（简称熔铝炉）是铝加工熔铸行业最常用的设备，其熔炼过程也是铝加工行业能源及材料消耗最大的生产环节，熔化速率及吨铝能耗是熔铝炉两个最基本的能力指标，熔铝炉设计技术的实质就是要通过合理的结构设计，实现以最小的能源消耗获取最大的铝熔化速率，从而达到熔铝炉设备利用率、能源利用率、材料利用率最优化的目的。

广东省铝型材行业的熔铝炉大多是矩形炉，燃料种类大多是燃油和燃气，平均能耗在3200～4400MJ/吨铝，是型材行业的“煤老虎”。我们对熔铝炉的使用状况进行了深入地了解和调研，组织技术人员进行攻关，对熔铝炉的工作运行方式和特点进行了准确的分析和论证，对炉型结构、炉衬材料及筑炉技术、燃烧器选型、生产过程全自动控制技术等都制定了自己独特的方案，对现在已经在用的熔铝炉的节能技术改造也确定了方案。试图为新建企业的设备选型以及老企业的节能降耗做一份贡献。

2 熔铝炉运行特点与热工过程分析

2.1 熔铝炉运行分析

熔铝炉是典型的周期式高温熔炼设备，一般来说，从铝锭入炉到熔炼结束，大致可细分成以下几个阶段：装料期、熔化初期、熔化中期、熔化后期、升温期、精炼及保温期。其相对应的炉温及能量分配

模型见图1。

图1熔铝炉炉温及能量分配模型示意图

2.2 熔铝炉内料堆熔化过程

装料通常是在热炉下进行的，这时，烧嘴通常设在关闭或小火状态，随着冷炉料的加入，炉温下降很快，装料时间越长，炉温下降越多。刚装入炉的铝锭在炉内呈料堆状态，随着温度上升，料堆表面的炉料开始熔化，熔融的铝液向下流动，当温度达到600℃左右时，支承料堆的强度消失，料堆下降并没入液面以下，炉内逐渐呈水平镜面。图2为熔炼过程中炉料变化示意图。

图2熔炼过程中炉料变化示意图

2.2.1 火焰冲击作用

在料堆没入液面以前，火焰直接冲击到料堆上，由于强冲击作用，炉内对流传热效果占主导作用，热效率最高，炉料熔化最快，炉温上升缓慢。

2.2.2 固液转换过程

随着料堆逐渐没入液面，液面下的熔体呈固液混合状态，对流传热作用逐渐下降，炉温上升速度逐渐加快并很快达到定温（通常设定在1150～1200℃），辐射传热作用逐渐上升，这时，表面铝液的温度上升很快，并将热量向液面下的固液混合体传递，但由于铝金属黑度较小，辐射传热效率并不高，同时此过程还伴随着铝的固液转化，这个阶段熔体的温度变化不大，有时还出现铝液温度下降的现象。

纯铝的固液转变温度为660℃，铝的比热容为880J/kg.℃，熔化潜热高达393KJ/Kg，使一吨纯铝熔化，需要先升温到660℃（约需134737Kcal热量，相当于16m3天然气），然后再将其熔化（约需94020 Kcal热量，相当于11m3天然气），总共需要27 m3天然气才能将其融化，远高于铜（213 KJ/Kg）、镍（305 KJ/Kg）等金属，因此，铝的固液转化期需要消除更多的热量。如果考虑到熔铝炉基地的热效率，所需天然气量会高很多。

因此，在炉内液面化平以后，一方面由于传热效率的降低，另一方面又因固液转化需要更多的热量供应，熔化过程变得更为缓慢，需要的时间更长，消耗的热量更多。同时，排出的烟气温度也最高。2.2.3 铝液保温过程

当炉内固体铝全部转化成液态铝以后，熔体对热负荷的需求大幅减少，铝液温度上升速度很快，此时如不及时调整热量供应量，容易出现熔体过热现象。

在保温期，金属熔体对热量的需求较少，这时，热负荷的供应主要是补充炉体散热损失。

分析上述各阶段特点，可得出以下的结论：

（1）在加料期，应尽可能缩短加料时间，提高装料作业效率，可提高炉子的能源利用率。

（2）在熔化期，采用高速长火焰燃烧器，加强火焰对铝锭的冲击能力，可加速铝锭的熔化速度。

（3）在液面化平以后及固液转化期，在强化辐射传热的同时提高火焰对液面的对流加热能力，同时采用必要的熔体搅拌手段，可显著缩短熔化时间。

（4）在固液转化期完成后，铝液温度上升很快，应及时控制热负荷的供应量，避免过烧现象的发生。

（5）精炼及保温期应精确控制热负荷大小，确保以最小的热量供应量实现保温效果，从而降低不必要的能源消耗。

从铝熔化的过程分析可以看出，在铝的熔化过程中，各阶段热负荷的需求情况及热传导方式均有很大的差异，只有认真分折这些特点，才能做好针对性的设计及控制工作，也只有这样，才能实现熔铝炉设计的最优化效果。

3熔铝炉选型及设计

作为一种高温熔炼设备，坚固的炉体结构及良好的密封性能是熔铝炉设计中首要考虑的问题。

从炉型上看，常见的熔铝炉炉型多为矩形或园形两种结构形式，一般认为，15吨以下容量的炉子多采用矩形炉结构；当炉子容量大于15吨后，园形炉的优势要更多一些。实践表明，合理的熔铝炉炉型结构设计可显著改善炉子传热效果，提高熔化能力，降低能源消耗。

3.1 圆形熔铝炉

从热工的角度分析，在相同容量的前提下，园形熔铝炉炉内体积要比矩形炉大，炉子容积热强度要比矩形炉更大一些，可以实现更大的熔化率；同时，园形结构也便于燃烧器的安装，有利于组织合理的炉内气流流动，提高热交换效率，降低熔铝能耗。此外，园形熔铝炉顶开盖加料作业方式，有利于在较短的时间内实现快速装炉操作，缩短装料时间，提高装料作业率，同时由于自重的作用，炉盖与炉体之间的密封也比较容易解决，因此，国内近年来新建的大型熔铝炉大都采用园形结构。表1为近年来国内新建的一些园形熔铝炉炉膛结构尺寸及熔化率统计情况。

表1 已投产园形熔铝炉参数统计表

容量t 炉膛内径mm 熔池深度mm 熔化率t/h

15 4500 600 3～4

18 4650 650 5～6

20 4750 650 5～6

25 5400 650 6

35 5800 650 8

50 6150 800 12