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铝合金熔炼节能措施

    铝合金行业的节能减排,是以提高铸件质量,降低废品率,减少消耗为中心的节能减排;以发展优质铸件,提高其性能和质量,降低废品率,减少消耗为主攻方向。判断铝熔炼炉能耗的高低以及是否节能,要从炉子熔化率和热效率两个方面来看。炉子升温速度越快,炉子的熔化率越高,则熔化单位量铝合金的热量消耗就越低。炉子的热效率是铝被加热熔化时吸收的热量与供入炉内的总热量之比,炉子的热效率越高,则热损失越少,热量利用率就越高。因此,熔铝炉节能的根本是提高炉子的熔化率和热效率。

    1、优化炉型结构与筑炉材料

    对炉子进行改进或设计时,应根据生产工艺要求,选择合适的节能型炉型,提高机械化程度和能源利用率。目前采用的节能措施有:
    (1) 采用圆形炉膛替代方形炉膛。圆形炉膛没有方形炉膛那样的死角,因此物料能受到炉壁和炉气均匀的辐射热。由于同体积的圆形炉的外表面积较方形炉外表面积小,因此,炉壁散热减少,有一定的节能效果。另外,圆形炉可比方形炉节省钢材40%~50%,节省耐火材料20%~30%,不仅降低了造价,也为运输提供了方便,并美化了外形。
    (2) 炉衬采用耐火浇注料整体浇注, 具有强度高、整体性好、气密性好、寿命长等优点。
    (3) 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,不仅会增加炉衬的储蓄热和成本,还相应地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, 以增强炉子的隔热保温效果,可以有效地减少通过砌体传导和蓄热损失的热量。由刘荣章,王祺发明的新型燃气铝合金保温炉,其炉衬工作层由抗渗透浇注料和超级纳米绝热材料构成,并在每层保温板之间贴上反射膜,不仅提高了炉内的保温效果,而且使炉体的整体使用寿命达到5年。六铝酸钙由于熔点高,耐火性能好,且具有板片状结晶和大量微孔结构,热导率低,因此,其浇注料是一种非常好的抗高温、抗还原性介质侵蚀、抗铝液渗透,具有高温隔热保温性能,且能直接用于工作衬热面与铝液接触的新型耐火材料。VanGarse1D 等研究了用CA6微孔骨料,以铝酸钙水泥或磷酸盐做结合剂制作的轻质隔热浇注料。其浇注料于1500℃烧后体积密度为0.92~1.03g·cm-3,常温耐压强度为2~8MPa,300~1400℃热导率为0.33~0.5W·m-1·K-1。神野文数等将这种CA6轻质浇注料用于铝熔炼炉,实际使用效果明显优于同等条件下原有材料的使用效果。
    (4) 在炉内壁涂高温高辐射涂料,增加炉衬内表面的黑度,强化炉内辐射传热的能力,减少炉壁散热损失,有助于热能的充分利用,其节能效果可达3%~5%,是近期较先进的节能方法。但是,需要注意涂层的老化现象。辛湘杰、易保华等采用涂层复合技术在熔铝炉的内表面涂上纳米复合涂层,节能效果良好,延长了熔铝炉的使用寿命,提高了热效率。广州有色金属研究院的周美霞、李鹏、刘福平研究了导电电缆线长度、截面积以及将电缆线并联使用、炉衬厚度、添加炉料操作工艺等对中频感应加热熔铝炉能耗的影响。结果表明:①适当缩短导电水冷电缆的长度;②增加水冷电缆的条数,且并联使用;③合理增加导电电缆的截面积;④保证一定的炉衬衬厚,以承受铝液的冲刷和损蚀的前提下,减少感应线圈内壁到炉壁之间的距离。以上措施均可明显降低中频感应加热熔铝炉的能耗,是节能降耗的有效方法。

    2、新技术新工艺

    (1) 永磁搅拌节能技术。永磁搅拌是指通过永磁体产生的磁力场对铝熔体进行非接触式搅拌, 具有不污染铝熔体,搅拌均匀性好,无搅拌死角,且能连续工作, 生产效率高等优点。永磁搅拌不仅能降低20%~30%的能耗, 且能够减少3%~5%的金属烧损。永磁搅拌技术虽然经过了较长时间的研究,但真正进入实质性应用还是近几年。虽然国内有些厂家也采用了永磁搅拌技术,但都采用侧置式。但其占地面积大、投资大等缺陷,限制了侧置式永磁搅拌装置的推广应用。
    (2) 高温空气燃烧技术。高温空气燃烧技术是47Hot Working Technology 2013,Vol.42, No.590年代发展起来的一项燃烧技术。高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气回收装置, 可使空气预热温度达到烟气温度的95%,炉温均匀性≤±5℃,燃烧热效率可达80%。该技术具有高效节能、环保、燃烧稳定性好、燃烧区域大、燃料适应性广、便于燃烧控制、设备投资低、炉子寿命长等优点。但高温空气燃烧技术还存在各热工参数间和设计结构间的定量关系,控制系统和调节系统的最优化, 燃气质量和蓄热体之间的关系, 蓄热体寿命和蓄热式加热炉寿命的提高等一些问题,有待进一步探索和改进。
    (3) 富氧燃烧技术。富氧燃烧技术能减少炉子排烟热损失、提高火焰温度、延长炉窑寿命、提高炉子产量、缩小设备尺寸、清洁生产、利于CO2和SO2的回收综合利用和封存等优点。但富氧燃烧含氧量的增加导致温度的急剧升高, 使NOx 增加, 这是严重制约富氧燃烧技术进入更多领域的因素之一。
    (4) 等温熔炼技术。由美国能源部拨款,阿波格技术公司、爱励铝业公司、德雷克塞尔大学和阿贡国家实验室联合研发的铝合金等温熔炼炉(ITM),与当前的常规反射炉相比,可节能70%,减排80%,铝的烧损下降4%,在节能减排方面意义重大。但是,等温熔化技术刚进入商业化试生产阶段, 要获得全面推广与应用还需要一个发展和完善的过程。

    3、余热回收与利用

    烟气带走的热量占燃料炉总供热量的30%~70%,充分回收烟气余热是节约能源的主要途径。再生蓄热式烧嘴节能技术, 它是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%,显着降低熔铝炉的燃料消耗,平均节能16.3 kg 标煤/t 铝材。马建国[25]通过在蓄热式熔铝炉上采用SiO2、Al2O3、SiC 和耐热铸铁复合配制而成的蓄热体材料,获得了较好的蓄热性能,节能效果显着。目前烟气余热回收大部分都是针对高温烟气而言的,由于技术和经济性的原因,对于同样占总烟气余热一半的中低温烟气余热利用甚少。因此,对中低温烟气余热回收利用的研究与应用需引起高度重视。另外,在现有的高温烟气余热的回收利用上,很多都只是简单的从能量守恒的数量关系上考虑,而没有考虑热能的质量变化, 即没有考虑能级的匹配问题。

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