鋁灰處理成套設備的設計與計算

朱飛標，陳景滸

1.中山市亞力菲自動化設備有限公司，廣東 中山 528415

2.廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520

鋁灰處理成套設備由回轉窯、冷灰筒、篩灰機等幾種主要設備構成。回轉窯的主要作用是使鋁灰在回轉窯內不停地旋轉，鋁灰被反復攪拌，鋁熔體（顆粒）則因其自身的重力和流動性，從鋁灰中匯集到回轉窯的底部，達到分離的目的，因此行業內也將回轉窯叫作搓灰機。通過回轉窯處理，鋁灰中的鋁含量可從50%～69%下降到17%左右。灰渣從回轉窯倒出后，要投入冷灰桶進行冷卻、拋光、粉碎。如果不馬上投入冷灰桶，灰渣中剩余的鋁依然會燃燒燒損，降低灰渣的經濟價值。鋁灰經過冷卻、拋光、粉碎后進入篩灰機篩分后可回收顆粒狀鋁粒，而灰狀尾料可用作建筑材料或路用材料。

1 回轉窯的設計與計算

目前市場上的回轉窯一般分為3T、5T、8T等幾種規格，文章以5T窯的設計為例。窯體回轉時，出口下端沿水平面以下為有效容積，剖面區域如圖1所示，由圓柱截段和圓錐截段組成。

圖1 一般回轉窯有效裝料容積示意圖

圓柱截段體積如下式：

圓錐截段體積如下式：

以上理論計算費時、費力，實際設計時通過窯體尺寸對鋁灰建模，利用3D軟件實測出鋁灰體積后，再乘以密度（以2t/m3計算），便可得到鋁灰質量，若達不到5t，則修改窯體相關尺寸直到大于或等于5t即可。回轉窯窯體及鋁灰模型如圖2所示。

圖2 回轉窯窯體及鋁灰模型示意圖

有幾個尺寸需注意，如窯口尺寸D2，為了裝卸料旋轉叉車作業方便，一般為1.2～1.5m，取1.3m；為了制造時的工藝性及便于后期的維修，筒體直徑D1不宜太小，一般為1.8～3m，設計為2.6m；出口錐段長度L2一般為0.8～1m，設計為0.9m；窯體整體長度L1+L2一般為3.5～4.8m，設計為4.5m；窯內耐火內襯厚度一般設計為180～200mm，設計為200mm。另外，若有莫來石及CA-80不黏鋁澆筑料等材料，筒體一般用厚度為14mm的碳鋼板卷成。

回轉窯如圖3所示，傳動方式大多采用減速電機驅動萬向節連接的傳動軸，傳動軸驅動托輪，托輪利用摩擦傳動驅動焊接在窯體上的滾圈，從而實現窯體的回轉。出鋁液時通過底座上的液壓油缸傾動窯體倒出鋁液。傳動電機功率根據滾動摩擦理論計算后取15kW，窯體轉速為1.5～2r/min，電動液壓站電機功率設計為11kW，液壓油箱設計為100L。

圖3 回轉窯示意圖

2 冷灰桶及篩灰機的設計計算

冷灰桶及篩灰機是鋁灰處理成套設備中必不可少的設備。冷卻時通常采用將鋁灰鋪攤在地上自然冷卻的方法，但此方法不能在短時間內將鋁灰從高溫冷卻到常溫，容易使渣灰里的金屬鋁繼續燃燒、加速氧化，通常燒損率為5%～15%。然而在配套使用冷灰桶后，能夠將600～800℃的高溫鋁灰在最短的時間內冷卻到常溫狀態，避免了高溫鋁灰的燃燒及氧化，從而提高了鋁的回收率，產生了更高的經濟效益。冷灰桶內配有棍棒壓碎及鐵球碾壓功能，能利用棍棒的自身重量和桶身的旋轉將結塊的熱灰壓碎，使之擴大散熱面積，從而加快散熱速度，提高處理能力，同時由于熱灰被均勻壓碎、壓散，有利于下一步篩選的順利進行。熱灰在冷卻桶里被冷卻后進入一體化的后段篩選桶里進行篩選，在篩選桶前端配置固定長度的不銹鋼網，客戶可根據實際情況選擇不同網孔的篩網進行篩選分類。冷灰桶篩灰桶一體機如圖4所示。

圖4 冷灰桶篩灰桶一體機示意圖

采用60目篩網篩出來的細灰中鋁含量一般可控制在5%～25%，可以外賣處理。中、粗顆粒由于含鋁量較高，一般作為降溫材料重新加入回轉窯里進行二次熔解，如此循環，可以將出廠鋁灰中的含鋁量降到最低，達到最佳的回收率及減少固體廢棄物的產生。

冷灰桶直徑大多為1.6m或1.9m，設計為1.6m；筒身用14mm厚的16Mn鋼板卷成，長度一般為11～15m，設計為14m；桶內前段無輸送葉片，桶內放置約10個直徑為200mm的鋼球及1根約6m長、直徑為140mm的圓棒，其主要作用為冷卻與打磨、破碎；后段設置螺旋輸送葉片輸送到篩灰機或桶內進行分選裝袋；傳動方式大多采用鏈條鏈輪傳動，根據滾動摩擦理論計算后選取24A雙排鏈傳動；電機功率為15kW；冷灰桶轉速為3～4r/min。桶外設置水噴淋系統進行冷卻，循環水量為35～50m3/h；水泵功率取5.5kW，一用一備。

篩灰機或桶直徑大多為2～2.4m，取2.2m；筒身采用8mm厚的16Mn鋼板卷成；長度一般為3.8～5.2m，取4.5m；桶上沖孔直徑為φ10mm、φ14mm、φ16mm、φ20mm等幾種規格，桶外不銹鋼篩網采用60～20目篩網進一步篩分；傳動方式采用鏈條鏈輪傳動，選取24A雙排鏈傳動；電機功率為7.5kW；轉速為20～35r/min，整體設備回轉軸線與地面成一定傾角，設計為1°。

3 工業實踐

佛山某鋁廠使用回轉窯進行灰處理的情況如表1所示。

表1 某鋁廠回轉窯灰處理情況表

一般每爐灰渣能回收超過2000kg的鋁水，部分爐次能回收2300kg的鋁水，按照平均每爐回收2200kg鋁水來計算，每個月生產60爐，一個月就能回收13200kg的鋁水，價值達160萬元。通過對該企業11月份回轉爐的生產情況進行統計可知，回收率能達到50%。該廠作業時的場景如圖5所示。

圖5 回轉窯作業圖

篩灰機采用60目篩網進行分選后出售，中、粗顆粒由于含鋁量較高，一般作為降溫材料重新加入回轉窯里進行二次熔解，如此循環，整個鋁灰綜合利用率可達到80%以上。

4 結束語

對于規模較大的鋁企業而言，選擇回收率高、生產能力大、機械化和自動化程度高的鋁灰處理成套設備是從鋁灰中回收金屬鋁的理想解決方案。在我國大力發展循環經濟的大背景下，在能源和資源短缺問題越來越嚴重的現實情況下，如果鋁生產企業能通過回轉窯、冷灰筒、篩灰機等灰處理成套設備對鋁灰進行處理，降低鋁灰渣中鋁的燒損，并回收灰渣中的鋁，變廢為寶，不僅符合國家的整體發展戰略，對鋁生產企業的可持續發展亦具有重要意義。鋁灰的處理和循環利用如果能在全行業推廣，必將產生巨大的經濟效益和社會效益。