熔鑄鋁熔煉熱效率優化控制策略研究

褚會連

（山東南山鋁業股份有限公司，山東 龍口 265700）

近年來，鋁已經成為世界上使用最廣泛的金屬之一。鋁金屬熔煉爐雖然它的鋁金屬熔點熔化溫度較低，但由于鋁的金屬熔體潛熱和比熱容較大，鋁金屬熔煉所必必需的熔體能耗較高，因此它已成為這些金屬企業加工不可不得缺少的金屬熔化和熔體加熱加工設備。因此，提高高溫熔融氧化鋁的使用熱效率，減少其他能源消耗，減少大氣污染物排放是非常重要的。

1 鋁熔鑄工藝優化技術的實際應用

鋁件在熔鑄加工過程中，熔鑄加工過程的設置和其對熔鑄加工過程的質量控制很重要，直接影響決定最終加工結果的熔鑄質量。例如，充電期間溫度的相對高低等就會直接影響各種鋁鍛體的內壁冷熱形態，充電期間溫度的升高會大大增加內部和熔煉厚壁之間發生冷熱偏析或厚壁收縮的反應概率。液體溫度太小，薄壁上的腫脹質量可能會迅速變差，還可能會直接出現薄壁腫脹質量不足或發生冷格等物理缺陷。以下技術文檔通過分析并詳細說明了采用鋁熔鑄工藝和最優化設計技術的幾個關鍵點。

1.1 熔鑄工藝的最佳原理

實際工業生產中，很多鋁在結構上比較簡單，但很多部位厚度不均勻，加上熱節點的位置很多，對表面和內部質量要求很高，工藝控制的難度很高。對于中大型薄壁鋁，工藝方法的選擇是關鍵。

1.2 澆注工藝影響

鋁整體的澆注整體材料組織結構要求比較高，應合理正確選擇澆注系統的具體位置，以有效避免產生收縮、氣孔等整體缺陷。前端覆蓋部件應在法蘭的小端和末端分別安裝流入內部的澆口和末端交叉的外澆口。這樣，使得鋁的流動順序緩慢變硬，提高了鑄鋁的熱動力學性能。

1.3 熔鑄參數的三維模擬

鋁熱壓三維工藝建模的設計目的主要是為實現工藝流程參數設計優化和實現工藝流程實施設計過程中的控制設計提供建模平臺和設計模板。工藝模擬保溫過程中由于保溫材料、模具和型芯部分屬于各個工藝模擬組件組成部件，屬性不同，因此在在建模時我們應盡可能多地確保每個塊的工藝模擬與實際保溫位置、尺寸相匹配。特別是，一些不規則的表面需要盡可能地恢復。此外，相互分離和分散的在建模時不應連接，但在流程仿真時，必須完全配置相同的材料工藝。

1.4 模擬優化過程的過程

鋁熔鑄工藝模擬及系統優化設計過程中，首先需要使用三維圖形設計處理軟件模擬完成工藝建模設計工作，然后將其分為優化兩條線。另一方面，通過利用cad三種接口計算軟件，對三維熔鑄設備工藝基本設計數據進行計算預處理，包括熔鑄模塊模型計算、孤立設備熔池建模計算、熔鑄設備系統建模計算等，最終計算納入三維熔鑄設備工藝基本設計數據分析后的處理過程，并重新計算輸入三維工藝設計處理軟件。相反，通過使用cae兩種接口統計軟件可以對實際熔鑄生產過程結果進行數據預處理，根據過程數據分析進行熔鑄流場數的計算和熔鑄溫度場數的計算，之后對實際熔鑄生產過程結果進行數據分析后加以處理，在此基礎上可以判斷熔鑄生產過程的正確合理性，如果過程是這樣，則為實際投入生產而不為輸出。否則，必須重新返回第一計算階段，通過有限量的差分計算軟件系統進行計算過程分析然后處理，重新開始計算各種差分參數。在低壓熔鑄電流模型工藝配置和電流模擬計算控制過程中，根據電流熔鑄模型工藝控制要求，添加用于低壓電流熔鑄的主要工藝控制參數。

2 影響熱效率的因素分析

根據熱平衡力學原理，進入整個爐子的各種熱量概率等于同時進入整個爐子的各種材料的吸熱和各種不同熱量產生損失的概率總和。其中能夠進入通用火爐的物理熱量主要包括作為燃料的氣體化學物理熱和水的物理熱，空氣和其他材料的化學物理熱。各種熱腐蝕損失主要類型包括鍋爐排氣熱腐蝕損失、不完全停止燃燒時熱損失、爐壁熱腐蝕損失等。如果燃料是一種固體中的燃料，還包括再渣熱量的損失等。提高用煤或天然氣進行加熱的高溫熔融氧化鋁的鍋爐熱效率的主要解決措施之一是通過降低鍋爐排氣管的溫度，減少對于爐壁的熱輻射損失。另外，降低燃燒過量的鍋爐空氣污染系數后還可以有效提高鍋爐火焰燃燒溫度，減少了氮氧化物的燃燒。提高爐溫均勻性能還可以有效提高鋁箔加熱材料質量，減少通用材料的熱氧化率和燃燒的用量，提高通用鋁箔加高爐爐在單位加熱時間內材料產量，減少能源消耗。下面我們具體分析各熱水器損失的可能影響具體因素。

2.1 煙霧排放溫度

熔鋁熔煉的熔點加熱作用溫度一般在1000至100之間，鋁的每個熔點加熱溫度約固定為660，熔鋁熔煉的進出口以及排氣口的溫度一般在500以上。這樣由于高溫的溫室煙霧直接向外界的排放后就會給人浪費很多能源，給人的周圍環境也會帶來熱量的污染。

2.2 爐壁冷卻損失

爐壁的熱效率損失主要是鍋爐煙氣大量排放鍋爐溫度變得過高從而降低了熱熔融氧化鋁鍋爐熱效率的主要影響因素。其中存在材料庫出入口、爐門等部位泄漏非常大。高溫優化鋁液本身的隔熱發射吸收率相對較低，但由于漂浮在低溫鋁液上的金屬氧化物對其發射吸收率相對較高，而且鋁液輻射物的傳熱與熱力學溫度的四個二次方溫度形成一個正比，因此就需要在優化材料的出入口和隔熱爐門內部采用專為優化材料設計的隔熱反射式鍍膜結構。起到對隔熱板的保護作用，防止熱量的大量損失。另外，個別耐火材料和保溫層等介質直接受損的一些地方，局部還會發熱，爐子里的熱量往往會散失。這時肉眼看不見。重慶東海埃魯比工業路有限公司擁有國內最先進的非冷焦平面紅外熱成像照相機，可以直觀地測量、分析爐壁溫度并計算熱損失，甚至可以直接看到爐內鋁液泄漏，在爐壁上拍照，將照片發送到電腦進行熱分析計算處理，可以及時有效地預防安全事故的發生。

2.3 爐溫度均勻性

大型高壓鋁熔煉爐中的熱燃燒器的具體工作狀態參數和熔煉爐體內部結構對熔煉爐體燃燒溫度的均勻性都具有很大量的影響。爐子的鋁液溫度超標分布不均勻，部分爐子鋁液爐壁燃燒嚴重，煙塵中的二氧化鋁液的含量急劇溫度增加，而部分爐子的鋁液高溫燃燒會直接導致鋁液爐壁燃燒溫度明顯超標，從而大大縮短耐火材料、保溫材料的使用壽命。

ComputationalFluidDynamics(CFD)技術可以在高爐工作前預測爐溫場、速度場和壓力場，判斷燃燒器的工作參數和爐體結構設計是否合理。與國際最新鋁熔煉爐設計理念及CFD技術一起，企業進行了鋁熔煉爐優化設計研究，促進了產品性能的提高。

2.4 自動控制系統和測試設備

通過我們公司的長期技術應用研究實踐，發現家用熔煉熱鋁的操作自動控制以及系統控制操作精度高，可以大大減少家用燃氣熱鋁熔煉爐的安全可靠運行和降低能耗。同時，可以通過使用能夠防止鋁殼高溫和過熱鋁殼被侵蝕的德國進口產品sialon微型熱電偶高溫保護三件套，實時準確檢測各種鋁殼內溫度值的變化，保證熔鋁質量。

3 鋁及鋁熔鑄趨勢

3.1 節能和環境保護

現階段，由于能源阻礙煤是我國國民經濟和社會科技高速同步發展的兩個重要障礙，能源緊張和社會環境污染問題日益嚴重。在當前環境下，我們必須發展節能經濟和環境保護經濟，這一定是我國未來的兩個主要發展趨勢。鋁及鋁熔鑄是鋁加工的第一個過程，在此過程中一定會消耗很多能源，并且會伴隨著很多污染嚴重污染環境質量。例如，熔鑄液體過程中它所產生的氣體熱量可能是巨大的。這些新的熱量一旦從它排放出來到它的空氣中，就可能會大大大地增加它的溫室效應。因此，我國在鎂合鋁和金屬鋁熔鑄加工技術的深入發展應用過程中，必須走節約能源和保護環境兩條主要路線，只有堅持這兩條道路，才能真正使我國經濟和科技持續穩定發展。

3.2 提高熔體純度的研究

熔鑄鋁和鋁產品時，要保證熔體的純度，就要保證鋼錠的內部質量，熔體的純度與鋼錠的內部質量有很大關系。因此，為了有效保證鑄錠熔鑄的整體質量，在進行鑄錠熔鑄過程中應在選擇優質熔體時，必須盡量選擇鑄錠氣體雜質含量少、渣少的優質熔體，才能達到保證鑄錠晶體結構精細化的熔鑄質量。

3.3 安全問題研究

安全保障問題通常是熔鑄鋁和其他鋁熔鑄設備工作中最重要的一個問題之一，需要我們高度重視。因為，如果是在熔鑄生產過程中突然出現安全衛生問題，必然可能會直接造成重大人員傷亡和重大經濟損失。現階段我國鋁和鋁熔鑄的安全質量不太完善。一般來說，安全事故問題主要認為表現在以下幾個方面∶主要原因是∶第一，氣體高爐泄漏事故引起的高爐爆炸;二、高爐中泄漏出的鋁;三者都是高爐附設。因此，今后我國在鋁和鋁熔鑄過程中必須不斷加強對熔鑄安全的重視，不斷擴大對安全設施的資金投入，對相關技術要不斷研究，確保熔鑄設備的質量，保證熔鑄工藝的流動性。

3.4 擴展熔鑄技術研究

近年來，我國經濟和科學技術迅速發展，現代化步伐逐漸加快。因此，對鋁和鋁強度和數量的需求增加，因此持續研究高強度鋁很重要。部分大型超高強度熔鑄和電磁熔鑄等都具有較高的能源效率，可以大大提高生產質量和效率。

3.5 成本管理

作為鋁產品生產過程中最重要的一步，熔鑄工藝需要大量的人力和資金支持，一旦這些投資太高，必然會妨礙后面產品的利益。為了提高經濟效益，必須進行成本控制。因此，研究使用鋁和鋅等鋁金屬熔鑄時，必須不要完全忽視金屬成本管理控制中的工作，優化金屬生產工藝，提高金屬生產工作效率，減少使用金屬鋁的燃燒，提高金屬生產率。通過快速高溫熔化和連續等溫加熱冶煉等加工方法可以減少大量金屬鋁的燃燒，部分生產鋁企業可以直接另外使用高溫電解鋁溶液來作為生產原料，鋁加工生產企業甚至可以直接另外購買錠及其他主演材料進行熱、冷軋鑄鋁加工，從而大大降低生產過程成本。

4 結論

鋁熔鑄中，工程設計都依賴專業技術人員的經驗和知識，在這種情況下，工程生產很有可能因重大缺陷的存在而放棄專業，造成時間和資金的巨大浪費。在此技術基礎上，引入先進現代工業計算機模擬技術，通過反復進行實驗研究確定最佳熔鑄工藝設計方法，在工業計算機過程模擬中準確識別產品熔鑄生產工藝當中存在的難點問題，并根據企業使用實際情況及時進行設計優化，實現企業產品整體生產工藝質量大幅提高和產品生產工藝周期大幅縮短，提高企業經濟效益。鋁熔煉爐主要是眾多大型工業爐之一，分析了許多影響其鍋爐熱效率的主要因素，對其他不同種類的大型工業爐對其熱效率進行分析也是具有同樣重要的技術指導意義。從鋁熔煉加工、維護企業鋁熔煉設備到產品生產，有必要按照'設計優化、精心制造、及時檢查、細致維護'的加工原則，提高加工企業鋁熔煉能源綜合利用率，降低企業能源利用成本，提高鋁熔煉產品質量。