铸轧铝熔炼炉科学运行方法探讨

2021-01-07曾虎

工业炉 2020年6期

曾虎

（洛阳万基铝加工有限公司，河南洛阳471800）

对铝加工铸轧企业来讲，铝熔炼的目的是用高效的熔炼设备、科学的工艺手段、最低的消耗指标为铸轧生产提供合格的金属熔体，满足高质量铸轧产品对熔体的需求。根据铝熔炼炉的特征，如何提高熔炼炉的热效率，降低能耗指标、降低铝的烧损，提高熔体的洁净程度，符合环保排放要求是熔炼炉运行方案设计的主要方向。我公司熔炼炉是苏州新长光热能科技有限公司制造，主要技术参数见表1。

1 熔炼工艺分析

熔炼炉的熔炼工艺主要包括加料、升温、配料、精炼、扒渣等工序，是铸轧生产重要的环节之一。熔炼工艺控制不好，对金属烧损、燃气消耗、熔体质量、烟气排放等指标均能造成重大影响。

表1 熔炼炉技术参数

1.1 加料工序

正确的加料原则应考虑所加入的炉料，如：电解原铝、板带废料、铝锭、中间合金的性质和状态，按最小的烧损、最快的熔化速度及准确的化学成分来控制；加料的顺序按易烧的小块料装在底部，大块料、铝锭装中间，最后进原铝、加中间合金，并要使装入的炉料在熔池中均匀分布；加料时人机要搭配合理，避免人为因素造成炉子加料时间长，温度散失快。以上措施可减少燃烧过程中金属的烧损，能使固体料更容易熔化，并使熔化后熔体的化学成分更均匀[1]。

1.2 升温过程

熔炼炉正常工作时的温度区间包括：加料期、熔化前期、熔化后期及固液转化期、升温及补温期[2]，这个过程周而复始，此过程燃气用量和温度的关系如图1 所示。

图1 熔炼炉炉温及能耗分配关系图

在升温过程中，装料时间长，炉子热散失大，后续升温需要的燃气量就越大；升温过程中温度测量要准确，测温设备设置要合理，避免频繁开启炉门进行人工测温，导致温度散失；主排烟和辅助排烟设备要维护到位，避免热量的非正常排出；炉门密封要严密，避免温度从炉门四周散失，另外，在熔化后期及固液转化期，使用搅拌器等辅助搅拌手段可显著缩短熔化时间，从而保证燃烧效率和节约燃气用量。

1.3 配料操作

在温度达到配料工艺要求时，需对熔体加入合金，进行合金化，配料计算不正确、估料不准确、合金剂质量不合格、搅拌不均匀都容易导致一次配料达不到工艺标准，需要进行二次补料操作，就会造成停炉等待时间长，导致气耗增加，因此需对配料操作员工加强技术培训，提高其操作技能，采购质量合格的合金剂，从而保证配料一次到位，降低燃气消耗，提高熔体质量。

1.4 精炼操作

精炼操作是对熔体除气、除渣，保证熔体质量的重要步骤。精炼工艺设置要合理，一般要求精炼时间在20 min 左右，时间过短达不到精炼效果，时间过长容易造成熔体温度散失快和熔体二次氧化等问题；精炼设备要可靠，避免因设备问题造成精炼中断，导致停炉等待时间延长，温度散失大等问题。

1.5 扒渣操作

熔炼的最后一道工序就是扒渣，不论是人工扒渣还是采用机械，都要做到操作时间短、扒渣干净、扒出的渣中含铝量少，这是减少温降、提高熔体质量、减少铝损的关键。

根据上述各工序的特点，我们在生产中操作规程的设计及运行过程的控制是关键，要做到规程设计合理、设备保障到位，员工操作规范，才能达到提高熔炼炉运行效率、降低燃气消耗、降低金属烧损，提高产品质量的目的。

2 燃烧系统分析

我厂熔炼炉的燃烧控制系统采用PLC 自动控制，烧嘴是蓄热式，能够实现对烧嘴的自动点火，火焰大小调节和控制，大小火自动转换，炉压的自动调节和安全保护的功能。在生产实践中，燃烧参数设置是否得当和燃烧设备的稳定与否，对燃气消耗、熔体烧损、烟气排放等均会造成影响。

2.1 燃烧系统控制参数分析

燃烧控制系统是改善燃烧、降低能耗、提高产品质量和产量的重要保证，最终目的是要实现燃烧设备流量、温度、压力、气氛等参数的自动检测及过程控制。控制系统包括：温度控制、压力控制、点火及火焰监测控制、热负荷调节控制、传动机械控制和安全联锁保护等。参与燃烧的可调参数有：助燃空气与天然气比例、炉膛温度、炉压等。

2.1.1 助燃空气与天然气比例

在炉子升温过程中，助燃空气与天然气比例是保证控制炉子最佳送风量和燃气供给量的关键值，可保证空气过剩系数维持在设定的范围内，以达到最佳燃烧效率和最少的烟气排放等目的。空燃比要提前设置好，一般设置范围在9∶1~12∶1，这个比例以烧嘴燃烧时助燃风实际流量为准自动调节天然气流量，使其达到设定比值，可以避免天然气流量过大，烧嘴过负荷运行，炉子吸热有限，造成热损耗过大；或天然气流量过小，燃烧时间过长，空气过剩，NOx物排放量高，生产效率低等问题。

2.1.2 温度控制

炉膛温度设定在PLC 自动控制的基础上，根据我厂生产实践，采用梯度升温模式效果最佳，具体指在设定控制温度时，不要直接设定最大值1 100 ℃，而是根据炉膛温度的变化来不断调整设定温度，一般每次设定温度大于炉膛温度100～200 ℃为基准，随着炉膛温度的升高而设定更高的控制温度来维持整个升温过程，此种方式可最大限度地降低铝烧损，减少热能损失，减少NOx排放，从而达到节能降本环保的目的。

2.1.3 炉压控制

炉压主要是由天然气在炉膛内燃烧产生的高温烟气造成的，炉压控制对烟气排放、热量损失和铝烧损均有影响。炉压控制主要由安装在炉顶的差压变送器和辅助烟道的烟闸配合完成，差压变送器检测的炉压信号转换成电信号传输到PLC，PLC 发出指令驱动烟闸开闭来控制炉膛压力。在实际生产中，检测炉压大于设定炉压，会导致辅助烟闸敞开，炉内高温烟气从辅助烟道大量排出，造成升温时间长，燃气消耗量大，铝液烧损大等问题；检测炉压小于设定炉压，辅助烟闸关闭，高温烟气从主排烟大量排出，引起升温时间长、排烟温度过高、铝液烧损大、蓄热球烧结、炉门密封烧坏等问题，排烟温度高还可导致炉子安全保护装置动作，炉子自动停火，影响生产。正常的炉压控制为微正压，一般控制10～20 Pa 之间，可以防止冷空气进入炉内和火焰外喷[3-4]。

综上所述，各项参数的合理设定，对燃烧系统的效率、能耗及铝液的烧损、烟气排放等影响较大，各生产厂家需根据各自熔炼炉特点，优化控制参数，并要建立跟踪机制，及时发现存在的问题并分析处理，使燃烧系统维持最佳的运行效果，才能保证炉子高效、节能、环保运行。

2.2 燃烧系统设备分析

燃烧系统的稳定运行靠设备的稳定来保障，常见的影响燃烧系统运行的设备故障有：排烟助燃管道阀门上电动调节阀卡阻、损坏，烟气换向阀卡阻、损坏，差压变送器堵塞，烟闸破损，压力、流量、温度监测装置测量不准或损坏，蓄热球板结等。

2.2.1 排烟管道上电动调节阀

排烟管道上电动调节阀门由对夹式蝶阀和电动执行器组成，蝶阀的阀板长期在排烟管道内高温烟气环境中工作，高温烟气中夹带有大量烟尘，容易造成阀板卡阻或烧损，一旦其出现问题，不仅容易造成烟气排放异常，而且控制其开度的电动执行器也因开度动作不能有效执行而损坏，导致燃烧系统的运行参数被破坏，引起燃烧异常、气耗增加，另外电动执行器的工作环境较差，电气元件也容易受粉尘、高温等不良工作环境引起故障，造成PLC 输出指令不能有效执行，从而引起主排烟风量过大或过小，引起铝烧损大、热能损失大等问题。

2.2.2 烟气换向阀

烟气换向阀由对夹式蝶阀和气动执行器组成，一般设置两个烧嘴的燃烧系统有4 套烟气换向阀，是燃烧系统的排烟和助燃换向的关键设备。其中对夹式蝶阀的阀板长期在供风和排烟管道内恶劣环境中工作，容易造成阀板卡阻、烧损或脱落问题，进而引起供风和排烟异常，对火焰大小、热能回收利用均造成影响。气动执行器与排烟管道上电动执行器问题类似。

2.2.3 辅助烟闸

辅助烟闸是用来调整炉压和辅助排烟的关键设备，辅助闸阀由阀体和闸板组成，闸阀的开度通过气缸驱动闸板和行程开关进行控制，为满足炉压控制要求，差压变送器采集的压力信号转换成电信号后，送给PLC，再通过PLC 控制排烟闸阀的开度，从而精确有效地控制炉膛压力。因蓄热式烧嘴本身只能排出燃烧产物的80%左右，因此还应设有辅助排烟管路及相应的调节阀，通常设计将20%左右的炉膛烟气作为炉压控制回路可独立调节的平衡点[5]，来排放剩余的燃烧产物，并实现炉膛微正压控制。因其在超高温环境中频繁地开启和关闭，其受到高温烟气腐蚀和闸板通道的摩擦，容易掉块损坏，造成密封不严，因排烟管路与除尘器相连，在除尘风机的大抽力作用下，炉膛内高温烟气会被大量抽出，造成炉子升温慢，燃烧时间长、铝液烧损大等问题。

2.2.4 差压变送器

差压变送器是检测炉膛压力的关键设备，其作用在分析炉压控制时已经叙述，不再重复，差异变送器的压力检测管是从炉顶直通入炉内的，炉膛燃烧时产生的烟尘极易造成测量管道堵塞，导致压力测量数据不准，造成PLC 输出的指令失真，从而使高温烟气排放异常和热能的损失。

2.2.5 压力、流量、温度检测装置

压力、流量、温度检测仪器都是精密的电子元器件，灵敏度高，对环境要求高，因炉子的高温和各种操作时产生的烟尘不可避免，特别是粉尘等污染物在熔炼炉周围最为常见，粉尘导致熔炼炉燃烧系统出现故障的数量占整个熔炼炉故障总数的70%以上，粉尘会进入到检测仪器的元件中，导致电器元件接触不良，不仅容易使测量的数据不准，导致其输送至PLC 的偏差大，造成系统控制问题，而且还容易造成检测仪器的损坏，导致检修费用增加，最终影响气耗、排烟、金属烧损和检修成本等。

2.2.6 蓄热体

蓄热箱内蓄热球是热能回收的关键设备，通过燃烧系统换向阀在燃烧时的换向调节，可以最大限度地将燃烧排出的热能重新吹入炉中，达到节能的目的，并且可以对排放的烟尘进行过滤，起到了环保排放的作用，蓄热球在高温环境中会出现高温腐蚀和破碎，并过滤了排放气体中的烟尘，容易造成板结，一旦板结，烟气排放和烧嘴供风不畅，对炉压和燃烧均造成较大影响，会造成空燃比失真、炉压过高、辅助烟闸常开、热能回收效果差、金属烧损大等问题。

2.2.7 其他设备的影响

除上述设备的影响外，还有天然气控制阀组的影响、炉门密封的影响、烧嘴花砖和火枪的影响等。天然气控制阀组设计规格高，保护措施到位，反而出现问题的几率小，运行中需加强检漏等工作；炉门密封使用中受火焰灼烧和与炉前墙摩擦，也容易损坏，导致密封不严，会引起炉压检测失真而造成的相关问题，密封损坏时需及时恢复；烧嘴花砖和火枪在长期使用中受到高温腐蚀和火焰烧损，对炉子的燃烧效率、燃气耗、金属烧损等均有影响，需定期检修和更换。

根据以上分析，不难发现，铝熔炼炉燃烧控制系统是整个炉子的核心，控制系统由控制参数和控制设备组成，控制参数设置合理、控制设备运行稳定是熔炼炉高效、节能、环保运行保障。因控制系统自动化程度高，参数控制简单易行，只要通过控制终端输入科学合理数据即可，参与控制设备多，结构复杂，设备管理的好坏对各铸轧厂是个考验。

3 设备的检修维护

铝熔炼炉的稳定运行设备是保障，在日常管理中需要制定相关管理制度，明确责任人，制定科学的检修计划，准备合理的备品备件等是设备管理的重点。

3.1 日常点巡检维护

日常点巡检维护工作主要有：铝液温度升温是否正常、各连锁点工况是否正常、排烟、助燃风机电流有无明显变化、用气量是否正常、日常设备清洁、日常缺陷及时消除、运行数据的记录和异常分析处理等。

3.2 定期保养检查

每隔1～2 个月应安排维修人员对系统各环节、各器件进行必要的保养及检查，可使设备长期安全使用。定期保养检查项目有：定期更换氧化铝球、定期清理差压变送器测量管、定期检查系统各闸阀、定期更换烟闸闸板、各压力开关的校正、各测温热电偶校正、各流量检测装置的校验、燃气和空气管路过滤器的清理、所有调压阀、蝶阀、电机执行机构的减速器、轴承、链条等的润滑保养、配电柜、操控箱清灰等。

3.3 检修维护

检修维护工作需严格按照设备的运行周期制定相应的检修计划，在停炉期间对设备进行仔细检查并对磨损严重、使用寿命不会太长以及近期可能导致生产中断的零件进行更换。需定期检修的项目一般有：炉内衬、炉门和炉门框、蓄热烧嘴、排烟和助燃风机等。只有通过科学合理的检修维护，才能保证熔炼炉的安全高效节能环保运行。

我厂在2019 年1~6 月份对铝熔炼炉的运行方式进行了分析和控制，熔炼炉吨铝天然气耗和烧损数据见表2。

表2 熔炼运行方式优化前后数据对比

可以看出，天然气耗和金属烧损降幅较大，成本下降明显，并且铝熔体的质量能满足双零箔生产的需要，烟气排放通过除尘器的配合使用，颗粒物和NOx的排放量均达到最新环保要求，经济和社会效益显著。

4 效果验证

根据对熔炼工艺、燃烧控制系统、燃烧系统关键设备及炉子相关组件的分析，我们找出了影响熔炼炉高效、环保、节能运行的关键因素，并分别制定了相关运行和维护方法。我厂从2019 年1 月开始对运行的三台熔炼炉进行了全面科学的管控，包括加强了运行过程的监督、运行和检修规程的修订、员工的培训、运行数据的采集等，通过1~6 月份的试运行，在天然气耗、金属烧损、熔体质量、燃烧效率、检修维护成本、环保排放等方面取得明显效果。三台熔炼炉管控前2018 年6~12 月份和优化后2019 年1~6 月份的关键运行指标月均平均值对比见表3。