中国有金属报/2014年/2月/8日/第008版
设备推广
黄向阳李先安
在当前的冶金和铸造加工行业，天然气熔炼炉（熔铝、铜、铁）是普遍建设和使用的熔炼设备，但是存在的问题是该类设备普遍天然气能耗偏高和对外环境排放余热烟气量大。天然气能耗高直接增加生产成本，使得企业缺乏市场经济竞争力。同时引起的负面效应也随之增多，环境污染和热室效应，甚至降低产品质量和生产效率，给企业和社会经济发展带来障碍，那么怎样既促进经济发展又是保持绿环境生产，是当前制约该行业和社会发展的矛盾。对于高能耗熔炼炉或计划依托能源生产的熔炉的建设，应重视节能型高效率熔炼炉选择考虑。针对熔炼炉新的建设或改造，本文提出一种天然气蓄热式高效节能的方案，以供有需求的企业参考，共同为社会经济发展、节能减排和环境做出一点贡献。
下面分几个方面阐述天然气熔炼炉如何建设或改造成为一种高效节能的熔炼炉。
天然气是一种比较清洁的能源，燃烧后热效率高和污染物少，相比其他燃料如重油、焦炭具有明显的优势，所以熔炼炉的燃料选择主要是天然气。当然就地具有丰富其他资源优势可综合经济和环境价值考虑，并不是固定的燃料选择方式。 炉体的建设或改造
依据炉体的一次铸造熔池容量和装料量计算需要建设炉体的大小，加料和放液铸造方式的方位决定了炉的结构布置。加料方式要考虑原料形状大小、再生原料的存放处，设计炉门的方位和大小既有利方便装料和缩短生产时间，也要考虑炉内热量损失。炉门是熔炼炉热量损失最大的漏点，炉门的热量损失由两个方面产生：一是炉门的密封性差，另一方面是熔化过程二次加料和配料打开炉门时间过长。炉门宽大有利于加料和缩短操作时间，但是炉门越大热量损失越多，就需要综合考虑原料情况，设计炉门合理结构和尺寸。放液（铝）口的位置与铸造设备位置关联，主要考虑的是放液口与熔池的倾斜度，以便利于放干净熔池里的液体。 炉体的形状包括矩形炉、拱顶形炉和圆形炉，炉形的选择是根据工艺需求和空间布置考虑。从建设经济和实用角度，矩形炉和拱顶形炉使用比较多，矩形炉制作工艺简单，但相比拱顶形炉，炉顶承受力不如拱顶炉，生产时间较长时炉顶的浇注料易脱落，拱顶形炉的炉顶制作工艺相对复杂，建设成本相对矩形炉高，但经久耐用。根据建设熔炼炉的场所和空间位置，供出所在地区燃料及材料供应情况，
数据监测地质与气候情况等因素，综合选择并确定合理的炉形方案。若炉体大小、熔池容量、炉门和放铝口的位置已定，整个熔炼炉体空间结构布置基本已形成。
炉体的新建或改造包括三个部分：外部钢结构、炉墙保温层、炉内衬。
炉体钢架结构在当代技术水平下，无任何种炉形制作都不是问题。炉墙的保温层关系到整个炉体的保温性能和热量损失，所以从保温材料选择和安装工艺都是非常重要的，这部分建议不管是新建还是旧炉改造，都采用保温性能较好且有效时间长的材料，对今后炉的使用减少热量散失和降低能耗具有重要的作用。炉衬现在基本采用高强度耐高温浇注料整体浇筑，淘汰过去的高铝砖砌筑，使得炉体整体强度和密实性大大提高，考虑熔炼技术更新速度和整体炉的性能，设计内衬材料的寿命达到8~9年即可。
炉门的密封性是熔炼炉比较难以解决的问题，无论使用液压密封装置还是机械密封装置，随着炉的使用高温受热时间长，炉门框的浇注墙面和炉门均会发生变形，导致无法密封，炉内热量散失随之变得严重，炉的热工效率也加速下降。为了解决此问题，借鉴国外熔炼炉门制作经验和
募捐箱根据实践中的遇到的问题，设计一种经济实用的炉门：在炉门框（墙）四周同一个平面预制1200°C耐热钢，炉门的四周也是安装耐热钢，并在炉门耐热钢中设计镶嵌陶瓷软密封圈，这样保证炉门框四周不变形，使得炉门与炉门框（墙）之间固体耐热钢通过陶瓷软密封圈接触压紧密封。具体设计结构如
下图：
辅助烟道是基于安全因素和平衡炉膛压力的与大气连通管道，其口径依据燃烧器的最大燃气量燃烧温升后气体膨胀量泄压流速确定，以维持炉膛的正常压力。辅助烟道一般安装在炉内的侧墙接近炉顶处，不能为了防止热量损失，而不设计安装或堵死，必须长期处于起作用的状态。
燃烧系统的设计和安装
燃烧系统性能是整个熔炼炉的最关键部分。蓄热式燃烧器原理是交替换向蓄热使助燃风吸收了烟气余热，预热到低于炉膛温度120℃左右，催化燃烧快速反应放出热量，降低排烟温度至150℃以下排放到大气，但是以往并没有充分考虑热传递的过程和燃烧效率问题。怎样使燃烧的火焰加长和高温热烟气气流组织形程更长，增加的热传递时间和吸热的过程。在燃烧前助燃空气与燃料充分混合达到最佳空燃比，所谓的厌氧燃烧，只是助燃空气不过多，没有燃烧的燃料在气流形成中还具有很强的亲氧性，将炉膛剩余的氧气继续结合完全燃烧，没有过剩空气并且燃料热量全部释放。在调试燃烧过程中，火焰燃烧刚烈，燃烧效果好，这种情况属于明显的富氧燃烧，燃料燃烧充分，热量也全部释放。但是，过量的空气带走热量的同时，还会产生过多的污染物NOx。同时，富氧燃烧缩短了燃烧过程，使得火焰形成短，不利于气流形成热传递，但冲击熔化速率高，能源消耗大且烧损率高。
蓄热式燃烧方式当前提出两种：换向燃烧与不换向燃烧。蓄热式燃烧的助燃风是周期性蓄热换向，燃料不换向燃烧，燃料直接送入炉膛再与助燃风混合燃烧，这种方式燃料与助燃风混合不均匀，燃料进炉膛密度大然后扩散，助燃风量中的氧必须远远大于反应需求量，否则燃烧不完全，同时受炉膛空间限制缩短了燃烧火焰长度，减少热烟气的行程也就降低热传递时间，两个方面降低燃烧效率（排烟气量加大和热传递时间缩短）；燃料换向燃烧，燃料与助燃风在燃烧室混合后燃烧进入炉膛，火焰的根部在燃烧器的出口，既保证了充分燃烧，又拉长火焰和烟气在炉膛的行程。
蓄热室和燃烧器布置安装：根据燃烧和传热的过程原理，设计使燃烧器的火焰和气流组织的排烟过程延长，斜对角（气流组织形成最长）布置是效率最高的。一是送风与引风可以拉长燃烧火焰，二是传热时间长，炉膛受热均匀，熔化速率提高。对比同侧相邻的燃烧室布置，火焰和高温烟气易直接回流造成近距离温度高，远侧温度低，形成炉料熔化不均匀，熔化速率低延迟熔化时间，增加燃料消耗。燃烧器形成的火焰要具有一定的倾角，强制使火焰与金属快料间对流效果，也即使熔液快速脱离固体块料表面，加强向金属固体内部传热的速度而增加熔化速率。
两种燃烧器布置结构如下图：钢碗
自动化控制系统和运行调节方法
依据上面合理化设计并实施熔炼炉好后，炉的控制系统自动运行调节决定整个炉的效率和生产经济性。根据工艺过程和金属热工特性，动态调节炉膛温度适宜阶段化料需求，是实现经济生产自动化的标志。由于燃料随温度（炉膛和熔液）的动态变化，空燃比恒定调节是熔炼炉自动化关键技术（考验自动化调节稳定、精确度和实时性），由于炉内的烟气量不断变化气流组织很复杂，排烟含氧量也因此不一样，只有通过调试不同天然气流量多个点空燃比拟合成一条函数曲线，才能在燃烧过程中根据燃料量来调节助燃风量。随着助燃风和排烟管道在不同阶段的阻力不一样，使得风阀开度只能以满足在最不利情况测试的空燃比函数曲线为准。
随炉膛/熔液温度的变化调整燃气流量和助燃风量控制原理图：
控制逻辑说明：
自动检票机1、 初期熔化阶段，由炉膛温度控制天然气阀供给燃料量，待金属固体原料全部熔化后由熔液温度控制燃料供给量。
2、排烟含氧量控制助燃风阀的空燃比。
3、排烟温度控制换向时间，一般排烟温度设置在130~150℃℃范围之间（排烟温度要用火用损分析来确定，并不是越低越好）。
4、炉膛压力控制引风机的排烟量，炉膛压力保持在35Pa 左右为佳。
控制设备选择建议：
传感器：温度采用S 分度热电偶+刚玉保护套管，熔液温度传感器保护套管要求耐高温和防腐蚀特种材质（变送器在高温环境下不适宜，若炉底有电磁搅拌器的磁场干扰很大，导致测试数据不准确），炉压仪表选用进口高精度微压+200pa 传感器（如横河）；
燃气电磁阀门：需设计安全保护和高温环境工作的长久性，宜选用MADAS 、ELECTICGAS 、KROM-SCHRODER 、HONEYWELL 等品牌，调节阀门需要选用防爆型，密封好的阀体EBRO 、BELIMO 等。
换向阀：四通换向阀相比过去四个碟阀组合工作操作简单，一个阀就解决过去四个阀的问题，也可采用两个三通阀组合到达四通阀的效果。
先进的熔炼炉控制系统只有合理的控制逻辑设计和可靠的硬件产品相结合才能到达连续性精确控制燃烧效率使天然气耗最低、提高熔化率和减少氧化烧损率。
钛阳极氧化增强外围辅助设备应用
由于熔炼炉中的固体原料熔化后，为了改善炉内合金熔体的成分均匀性及温度均匀性，若采用机械搅拌，炉内温度高人工操作困难，同时打开炉门热量损失大。采用电磁搅拌装置可以通过熔体的搅拌流动，显着缩短铝锭熔化时间，从而节约能源，减少金属烧损。实践表明，熔铝炉采用电磁搅拌装置后，炉子熔化化速率约可提高15%，能源消耗可降低15%~20%，此外炉内熔体成分的均匀性及温度均匀性也有显着提高，因此电磁搅拌装置在常规熔铝炉生产上同样有良好的使用效果。
熔液温度直接测量参与自动控制也是控制系统一个棘手问题，由于熔液温度传感器没法直接安装在熔池里，在装料、搅拌和扒渣时易碰撞损坏，而埋在炉墙内测温误差大不能直接反应熔液温度，那么控制燃烧系统会造成工艺温度误差大，因此设计传感器自动探测装置，在需要测熔液时液压传动或气动将传感器插入熔池，在打开炉门时自动拔出。既保护了温度传感器也可准确测量熔液温度，根据熔液温度精确控制燃烧系统，实现熔炼炉最大节能能源和提高工艺品质。
生产过程操作方法
熔炼炉的操作人员水平差异也影响燃气能耗和熔炼炉使用寿命。就算熔炼炉设计和施工质量都很理想，自动化控制系统都按到前述实现，但操作人员并不按操作规程要求作业，熔炼炉的能耗也不能达到理想状态。尤其是以下几个方面在操作过程中影响熔化率和能耗：
1、加料时间过长，快速加料减少炉膛热量损失。
2、炉门关闭不严，既加大热量散失也烧坏炉门，应严格按照规程操作。
3、二次加料延误，浪费燃烧时间，堆料合理和提前加料，勤多次搅拌。
4、减少配料次数，争取一两次产品合格。
电子飞碟5、合格熔液出炉过长时间。
天然气蓄热式熔炼炉要建设或改造成为高效节能的生产设备，按照上述六个方面综合考虑建设，基本可以达到当前行业的先进水平。本类高效节能的熔炼炉建设或改造相比传统方式成本约高1/3，但是投入运行后的节能投资回报期不超过6个月。从长久性和节能减排的角度，不管是经济性还是对社会的环保方面都具有非常重要的意义。因此，建议采用传统技术的熔炼炉生产企业，为了促进企业经济循环发展，根据自身情况参考本方案进行建设或改造，使企业市场竞争实力进一步得到提升。
案例
中国铝业山东分公司电解铝厂熔铝炉改造前后效果对比表
30t熔铝炉介绍
熔铝炉改造前的主要参数见表1。
改造后的指标见表2。
改造说明：更换燃烧器和控制系统，对炉门进行密封性设计和改造，燃烧器的布置因受原熔体结构无法重新布置，原炉体和内衬已运行7年在本次节能改造没有改造，取得节能效果达到合同要求80立方米/吨+5%。
40t熔铝炉介绍
熔铝炉改造前的主要参数见表3。
改造后的指标见表4。
改造说明：熔铝炉的炉墙保温和内衬全部更新，更换燃烧器和控制系统，对炉门进行密封性设计和改造，燃烧器的布置因受原熔体结构无法重新布置，取得节能效果达到合同要求75.5立方米/吨。
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