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
3.2 矩形熔铝炉
采用园形炉形结构生产时，由于开盖及扒渣操作需要，车间的高度显著增高，同时还要占用2～3个炉位，因此，园形熔铝炉车间利用率比较低，厂房基建投资也比矩形炉也要高出很多，基于这个原因，很多生产企业选用矩形熔铝炉。

在设计矩形熔铝炉时，由于结构的限制，燃烧器选择、布置及排烟装置的设置位置就更为重要，设计时应尽可能实现火焰与铝锭表面的充分接触，强化对流传热，同时还要尽可能延长高温烟气与金属的交换时间，以达到更经济的运行效果。

装料问题也是矩形熔铝炉要解决的问题之一，目前，国内矩形熔铝炉生产厂家大都采用叉车来实现装料操作，每次最大装料能力也仅为1吨左右，总体上装料效率仍不高。

采用轨道式专用装料机是解决矩形熔铝炉装料问题的有效方法，这种专用装料机械与熔铝炉大炉口结构相配合，只需要2～3次就可以完成铝锭的装料过程，同时车上还可以配上专用的扒渣手臂，实现扒渣及搅拌自动操作。

3.3 竖式熔铝炉
近年来，竖式结构的熔铝炉在一些中小型企业及压铸行业应用比较多，在这种炉型中，炉子的尾部装有一个较大截面的竖直烟道，烟道的底部装有高速燃烧器，铝锭及炉料是从烟道顶部加入的，在烟道底部受到火焰冲击快速熔化，同时烟气在排出的过程中可与加入的冷炉料充分热交换，因此竖炉的热效率是很高的，通常都能达50％以
上，能耗指标是比较好的。

但由于结构的限制，这种炉子总体小时熔化能力并不高，此外合金调整及成份控制方面也有一定的困难，因此，竖炉结构在大型铝熔化炉上应用不是很多。

3.4 熔铝炉的选型原则
综合上述的分析可以看到，熔铝炉的结构是多种多样的，最根本还是要结合生产的产品以及具体的车间结构进行合理的选择，应该说，无论何种型式的熔铝炉，只要做好针对性的结构设计，都能达到最优化的使用效果。

3.5熔铝炉炉衬结构
目前，国内大多数熔铝炉炉子内衬还是以高铝砖为主要熔池内衬材料，材料选型及采购方便、施工方案成熟、易于烘烤、成本低廉是其多数用户采用高铝砖的主要因素。

但从使用情况上看，高铝砖抗侵蚀能力方面还有很大的不足，尤其在渣线方面侵蚀现象更为严重，从实践上看，采用常规高铝砖砌筑的炉衬平均寿命只有3年左右，随着耐火材料工业的快速发展，特别是不定型材料的广泛应用，熔铝炉炉衬结构设计及施工技术近年来也取得了较大的进展，施工方法也呈现多样化的发展趋势。

全浇注炉衬结构是熔铝炉炉衬技术的发展趋势。

近年来，国内在这方面的应用也逐渐多了起来，也取得了一些成功应用实例。

但由于缺乏系统及针对性的研究，总体技术水平还比较低下。

在熔铝炉炉衬材料选型及使用方面，设计选型时应考虑如下几个因素：
（1）炉衬材料应具备更高的使用温度、更强的抗气流冲刷能力；
（2）应能适应不同种类的合金生产、能承受各种精炼剂对耐材的侵蚀；
（3）应具有较好的不积渣性能；
（4）能适应种类繁杂的回炉料及各种废铝对耐材产生的侵蚀性。

总体上说，国内熔铝炉炉衬材料及施工技术方面还比较落后，炉龄寿命也比较短，与发达国家先进水平还有很大的差距，因此，在熔铝炉炉衬材料研究、损坏机理的深入探讨、炉衬结构设计、施工技术方面还有很多的工作要做。

3.6 熔铝炉燃烧器及其应用技术
在熔铝炉设计中，燃烧器的选型及合理的布置是最重要的环节之一，也是熔铝炉优化设计技术的关健所在。

由于铝金属黑度较小，接受辐射传热力较弱，因此，在熔铝炉设计中，应尽可能强化对流传热能力、提高火焰对铝金属对流效果，亦即应尽可能采用“冲击”熔化的概念，实践中主要通过以下几个方面来实现。

（1）优先选择高出口速度并具有一定火焰长度的燃烧器以提高对流换热能力；
（2）加大燃烧器的安装倾角，强制使火焰与铝金属间形成冲击作用；
（3）合理的安排排烟孔位置．尽可能使火焰沿铝液表面流动并延长高温烟气在炉内的滞留时间；
（4）尽可能采用余热回收技术，提高火焰的理论燃烧温度。

虽然，在火焰的冲击下，局部会出现铝金属过烧的现象，但由于强化传热后，可以大大缩短总的熔化时间，炉内总的金属烧损量并没有增加的现象．反而会略有减少。

多年以来，高速烧嘴及换热器一直是熔铝炉的标准配置．但在实际生产中，由于熔铝炉粉尘附着及恶劣的烟气侵蚀的缘故，熔铝炉换热器总是难以解决的一个难题，使用效果也很不理想。

因此，传统的熔铝炉吨铝能耗是比较高的，通常吨铝能耗都在3200MJ～4400MJ左右。

炉子热效率大都只有30％左右。

近年来，很多企业选择了蓄热式燃烧器熔铝炉。

使助燃风温度加热到比炉膛温度低50～100℃的高温，烟气的排放温度降低到200℃以下。

蓄热式燃烧器的工作原理见图3。

图3 蓄热式燃烧器的工作原理图
从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后，
在经过蓄热式燃烧器B（陶瓷球或蜂窝体）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉温低50～100℃）被加热的高温空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2～20%）状态下实现燃烧；与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A时，将显热储存在蓄热式燃烧器A内，然后以低于200℃的低温烟气经过换向阀排出。

工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态，从而达到节能和降低NO X排放量等目的，常用的切换周期为30～200秒。

但很多在用的熔铝炉使用蓄热式燃烧器以后，没有达到预期的目的，经分析主要原因如下：
（1）余热未充分利用
蓄热式燃烧器仅仅利用了一小部分烟气预热来加温助燃风，助燃风温度仅达到300～350℃，完全达不到高温燃烧的要求。

（2）炉膛正压运行
因蓄热式燃烧器安装以后，大多数厂家将原熔铝炉的烟道堵塞，造成炉膛严重正压，致使火焰从炉门处大量外喷，造成能耗升高。

（3）无控制运行
熔铝炉未配备自动控制系统，在料堆融化的过程中，不能按照炉料在不同熔化过程中的热工条件调整燃烧器功率，使蓄热式燃烧器一
直处在满负荷状态，导致熔化时间长、燃料消耗大、铝料烧损严重。

4 在用熔铝炉节能改造
在用熔铝炉的节能技术改造方案主要针对上述问题进行制定。

原则是费用低、效果显著。

主要包括：自动控制系统、微负压运行、余热利用等方面。

4.1 微负压运行及余热利用
为了保证熔铝炉保持微负压运行，杜绝火焰外喷，减少散热损失，是熔铝炉节能最为直接的方法，因为是在微负压运行，炉门开启时，负压即消失，不会将大量冷空气袭入炉膛而降低炉膛温度。

恢复原来的地下烟道，加装引风机，利用炉膛压力表控制引风机转速，维持微负压。

烟气余热回收采用高温引风机将高温烟气输送到加热房，用烟气对铝锭和挤压废料进行加热，具体见图4。

图4 增加引风机示意图
熔铝炉产生的高温烟气虽然已经被蓄热式燃烧器回收了一部分，但还有大部分余热没有被利用，利用这部分烟气余热对待熔化铝锭或废料进行预热，使铝锭或废料温度升高，降低熔铝炉的热量需求，从
去加热房
而达到节约燃料的目的。

4.2 轨道上料机和加热房
4.2.1 轨道上料机
装料问题是矩形熔铝炉必须要解决的问题之一，目前，国内矩形熔铝炉生产厂家大都采用叉车来实现装料操作，每次最大装料能力也仅为1吨左右，总体上装料效率仍不高。

采用轨道式专用装料机是解决矩形熔铝炉装料问题的有效方法，这种专用装料机械与熔铝炉大炉口结构相配合，只需要2～3次就可以完成铝锭的装料过程，同时车上还配置专用的扒渣手臂，实现扒渣及搅拌自动操作。

4.2.2 铝料加热房
增加了炉膛微负压运行装置以后，产生的高温烟气如何合理利用，是熔铝炉节能改造的关键。

假如利用这些高温烟气将铝锭和废料捆由常温加热到一定温度再加入熔铝炉，势必会减少燃料消耗，起到节能降耗的目的。

加热房采用分隔结构，将待熔化的铝料按先后从入口进入，烟气则从高温端进入，利用高温烟气将铝料加热，烟气温度降低到150℃后排放。

利用烟气的另一个渠道就是将这些烟气引到均质炉对铝棒进行均质处理，这样可以降低均质炉的热量输入，还可以减少风机电耗。

方案一：加热房
加热房与轨道式装料机结合起来。

在熔铝炉旁边加装加热房，利
用轨道进料和出料，出料后直接加料到熔铝炉。

加热房采用隧道式结构，高温烟气从出口处的底部吹入，从加热房的后部排出室外。

房内设置折流板，以充分回收烟气余热。

加热房与轨道装料机的示意图见图5。

图5 轨道加热房结构示意图
方案二：供均质炉使用
方案一需要具备足够的空间，如果没有足够空间，也可以将这部分高温烟气用保温管道引到均质炉作为均质炉的热源。

在用烟气加热的过程中，均质炉的循环风机可以少开或不开，进炉烟气口合理布置，使各处温度均匀。

如果烟气温度不能满足均质炉要求，可以开少部分燃烧器予以补充，以达到节能的目的。

4.3 废料切断与打包
熔铸炉进料有13～35%的挤压废料回炼，这些废料长短不一，极易撞伤炉墙及炉门，也不符合轨道上料机的要求，所以，必须增加一
铝料捆
折流板
烟囱
配气室 轨道 烟气喷孔
条废料剪切打包设备。

该设备由Q43-1000型金属剪切机（电机功率11KW）2台、Y81-160B金属打包机（电机功率30KW）1台组成。

将挤压废料集中后，用金属剪切机将废料切成350～400mm长的段，然后进入打包机压缩成一个方块，运输至熔铝炉熔化铸造。

金属剪断机
金属打包机
4.4 自动控制系统
铝型材行业对熔铝炉的燃烧控制技术越来越重视，先进的控制技术在实践中不断被应用，高水平熔铝炉在燃烧及炉温控制方面已实现了全自动控制。

这些技术主要包括：
（1）火焰大小的连续调节及控制；
（2）炉膛定温控制；
（3）铝液温度的连续测量及串级控制技术；
（4）炉压的全自动调节控制；
（5）完善的连锁及安全保护措施。

在以往的熔铝炉设计中，大家对熔铝炉火焰大小连续调节控制方面往往重视不够，其实这也是熔铝炉优化设计技术的一个重要环节。

因为即使在同一个熔炼周期内，随着炉内工况的变化，熔铝炉各阶段的热负荷需求也有很大的差异，因此，火焰大小自动调节控制就是要根据各阶段能源需求情况（即炉温实际值与设定值之间的差）通过PID运算，按需要实时动态调整燃料及助燃风的精确供给，只有这样才能准确的控制炉膛温度，降低不必要的能源消耗，实现燃烧的最佳化控制。

铝液温度串级控制技术实质就是利用测铝液热电偶实时测量铝液温度实际数值，将该数值与铝液温度设定值相比较，通过PID运算出相对应的炉膛温度，再根据该炉膛温度控制火焰的大小从而实现铝液温度控制。

与炉膛定温控制技术相比，串级控制的目标是铝液温度，因此，无论是控制精度以及控制的准确性均大辐提升。

目前，先进的熔铝炉都同时配有炉膛定温控制及铝液温度串级控制两种控制方式，采用前者可获得较快的熔化速率，提高炉子小时熔化能力；而采用后者，可以实现更好铝液温度控制精度。

两者在实际操作中应灵活应用：在铝锭熔化期，应尽量选择采用炉膛定温控制方式，这样可以充分发挥熔铝炉最大熔化效率；当铝锭全部熔化后，应
适时采用串级控制技术，这样可以有效的解决铝液温升过快引起的铝液过烧问题，从而提高熔体产品质量，减少氧化烧损量。