雙室爐生產技術研究

馮波

（上海大屯能源股份有限公司鋁板帶廠，江蘇 徐州 221600）

近年來，再生鋁行業呈現出蓬勃發展的趨勢，作為降本增效的有力手段之一，大部分熔鑄企業鋁廢料的使用比例也在逐年增加。鋁廢料中的鋸屑、銑屑等體積較小的屑狀薄料，在普通的熔煉爐中加入后若直接見到明火，燒損較大，造成不必要的經濟損失，常見爐型及熔煉工藝下通常綜合燒損可達到8%以上。

為降低鋁屑廢料的燒損，熔鑄企業通常會配置雙室爐或感應爐，由于感應爐單次熔化量通常小于5t，對于鋁屑使用量較大的企業，雙室爐是相對合理的選擇。由于各個鋁熔鑄企業使用的鋁廢料存在差異，各類爐型燃燒系統也不盡相同，行業內使用雙室爐的鋁廢料燒損也不盡相同。

1 雙室爐工作原理及燃燒控制系統簡介

1.1 雙室爐工作原理

雙室爐的主體包括主爐膛、副爐膛、泵區（旋渦加料井）3 個區域。3 個區域各自相對獨立，為滿足鋁液在3 個區域之間的循環流動，相鄰的每2 個區域之間設有通道連接。鋁液流動的動力由機械泵提供。主爐膛設有一對蓄熱式燃氣燒嘴，用于提供熱量，主、副爐膛之間采用隔墻隔開，在隔墻上部設有煙氣流通的通道，高溫煙氣通過該通道可進入副爐膛。泵區內安裝有機械泵。爐料通過爐門或漩渦井加入爐內，爐內使用天然氣介質燃燒進行熔化。鋁壓塊料及薄料可從雙室爐的副室爐門口加入爐內，在副室的爐門口設有熱橋，剛入爐的鋁廢料放置在熱橋上，通過爐氣進行預熱烘干后，再推入副室的鋁液熔池。鋸屑、銑屑、車屑等碎屑鋁廢料通過傳送帶送至雙室爐漩渦井，以均勻的速度在漩渦的作用下被立即卷吸到鋁液中，并被帶入爐內，在不與爐內火苗直接接觸且隔絕空氣的情況下實現浸沒式熔化。鋁壓塊料或薄料也可以經過破碎后，從旋渦加料井加入。

主副爐門升降均采用液壓驅動，通過鏈輪、鏈條來實現，運行平穩。爐門采用液壓壓緊，爐門壓緊時具有一定的傾斜角度。下部設有導渣板，可方便地將鋁渣導入渣箱。

爐門四周設有可調整的密封裝置，兩側及上部采用軟密封（硅酸鋁纖維盤根），考慮到鋁渣的影響，下部采用硬密封（正確的清理爐門區域是很重要的，它保證了密封部件和爐門的壽命，改善了爐門的密封性）。爐門框由耐熱鑄鐵制成，并固定在爐子鋼結構上。

爐門提升極限位置均有行程控制并與燃燒系統相連鎖，當爐門提起，燒嘴主火焰自動調整到小火狀態；爐門關閉，火焰大小自動控制。

1.2 燃燒控制系統簡介

雙室爐燃燒系統采用的是蓄熱式燃燒。蓄熱式燃燒系統的一個完整控制系統包括2 個主槍及天然氣管路，并由各種控制開關、壓力開關、檢測儀器等組成。當一個燒嘴工作時，另一個燒嘴起排煙作用，相互交替進行，高溫煙氣在燒嘴下部的蓄熱箱中進行熱量交換后通過煙道管路排出，排煙溫度極限設置在230℃左右，將冷空氣預熱到700℃以上，最大限度將燃燒熱能留在爐內，進而收獲降耗節能的目的。兩個燒嘴的切換動作由PLC控制系統決定，在本燃燒控制系統中設有3 種切換模式。3 種切換模式分別為定周期切換、等溫差切換、定溫強制切換。本燃燒控制系統有以下突出特點：

（1）采用了爐壓連續控制技術，使爐壓按設定值自動有效控制。（2）鋁液溫度采用串級控制技術，控溫精度達±30℃，可同時兼顧熔化及保溫需要。（3）采用了小槍點火然后切換大槍點火方式。（4）先進的雙火檢監測，強調安全燃燒理念。（5）采用了可編程控器和觸摸屏通訊的方式完成各工作狀況單動聯動、聯鎖保護、時序控制功能，操作界面簡單明了。（6）采用高可靠氣動角行程蝶閥進行空、煙氣切換，使用壽命可達100 萬次以上，并配有高可靠閥位位置開關，確保切換安全。（7）采用了定周期切換、等溫差切換、定溫強制保護切換等多套并行切換方式，使系統運行最佳化。（8）系統運行各穩壓閥、調壓閥、電磁閥、壓力開關等主要元器件全部選用歐洲可靠產品，增強設備運行可靠性。

2 試驗過程

2.1 研究雙室爐鋁水溫度的控制技術

鋁水溫度是影響鋁屑熔化效率的關鍵因素，從熔化效率的角度考慮，鋁水溫度越高越好，但實際生產過程中，還需考慮鋁水溫度過高對熔體質量的影響，本次研究將在700 ～760℃的熔化溫度范圍內，通過根據生產實際情況，不斷進行摸索，選擇、壓縮到最佳的鋁水溫度控制范圍，并保持控制的精度。

雙室爐分主室和副室，因副室鋁水不直接接觸燃氣火焰，以主室鋁水的傳導熱進行保溫，生產過程中，主要以主室鋁水溫度為控制依據。通過多個爐次的生產數據，得出以下結論。

（1）加料過程中鋁水溫度低于720℃，鋁水流動性變差，鋁屑在漩渦井處很容易堵塞。

（2）鋁水溫度高于750℃，雙室爐排煙風機和高溫循環風機很容易出現故障，溫度長時間超過葉輪設計容易造成葉輪變形，動平衡不穩，且由于升溫過程的控制誤差，很容易導致局部鋁水溫度超過760℃發生熔體過燒。

（3）未連續加料時，鋁水溫度控制在700℃以上即可，長期高溫將增加生產成本，且導致熔體氫含量增加影響產品質量。

綜上，最終雙室爐鋁水溫度控制范圍如表1 所示。

表1 雙室爐鋁水溫度控制范圍

2.2 持續優化鋁屑加料速度

影響鋁屑加料速度的因素主要有鋁屑的品質、輸送帶運行狀態、漩渦井狀態、鋁水溫度等，針對優化鋁屑加料速度，針對各種因素實施了各項技術措施，對機械泵葉輪的方向進行了反復設計優化，確保減小阻力使流量最大化，同時為了加快鋁液循環，增大了原有電機和變頻器的功率，對三檔位的控制頻率進行了調整。為適應電機在高溫環境中的使用壽命，對原有電機新增加了獨立散熱風機并進行了聯鎖，確保了設備穩定可靠運行。

2.2.1 嚴格控制鋁屑的形態、水油含量

通過破碎機對鋁屑、鋁切邊卷（直徑﹤0.8m，長度小于1.6m，厚度﹤2mm）、鋁型材（長度﹤1.6m，厚度﹤2mm）、鋁打包塊（體積﹤0.8m×0.8m×0.8m，厚度﹤2mm）等鋁廢料進行破碎處理物料，處理后要求材料散開，不能有團裝料。由于車銑加工時刀片狀態和車銑工藝的不同，鋁屑廢料的形態也不盡相同。往雙室爐添加的鋁屑廢料最理想的狀態是密度大、體積小、水油含量低。為保證鋁屑廢料品質，多次調整廢料采購技術標準，最終滿足雙室爐加料要求。

2.2.2 將鐵質鏈板機技術改造為皮帶輸送帶

雙室爐初始設計配置了封閉式鐵質鏈板機，使用時很容易出現卡塞故障，維護極其不便，經常導致加料暫停，極大的影響生產加料效率。通過調研和論證，最終更改為皮帶輸送帶，有效解決了容易卡塞的問題。同時因皮帶為開放式運行，方便維保人員對皮帶輸送帶定期進行維護保養，防止皮帶出現跑偏、磨損等情況發生，有效保障了加料效率和設備使用成本。

2.2.3 保持漩渦井通暢狀態

漩渦井是雙室爐的核心構件之一，是讓鋁屑進入爐內的入口，保持漩渦井通暢是保證加料效率的關鍵所在，且鋁屑在氧氣的存在下會發生燃燒反應，漩渦井一旦發生堵塞，不但需要加料停止，還可能有爆燃、爆炸等危險情況發生。

2.2.4 保持鋁水溫度符合要求，低于要求范圍及時停止加料

鋁水溫度是影響鋁屑熔化效率的關鍵因素，通過研究和摸索，鋁屑加料時最佳的鋁水溫度控制范圍是720～750℃，并通過充分攪拌和人工測溫復核等手段保持溫度控制偏差不超過5℃。加料過程中鋁水溫度低于要求時，化料能力下降嚴重，極易發生堵料，需及時中止加料，等待鋁水升溫符合要求后再恢復加料。

2.3 研究鋁屑水油含量的檢測與控制技術

鋁屑中水油含量將直接影響到加料效率及燒損，主要通過加強廢料入廠檢驗、檢測，不符合要求的及時反饋處理，確保水油含量符合要求。

目前，大多數企業使用的鋁屑主要來源于新能源汽車輪轂加工廠車削過程產生的碎屑，里邊殘留了車刀潤滑冷卻時噴淋的油和水，一般情況下，輪轂廠家在裝袋前已進行了甩干，但未能百分百去除。

為準確測量鋁屑中的水油含量，因地制宜使用鋼板設計制作了烘烤箱，來料鋁屑隨機取樣后放置到烘烤箱中，再使用叉車叉運到爐內進行烘烤，在爐內約760℃爐氣溫度烘烤5 ～10min 后進行前后重量對比計算，得出水油含量。通過多次檢測，結合加料過程中漩渦井狀態，雙室爐添加鋁屑的水油含量需嚴格控制在2%以下。

2.4 研究漩渦井及主副室通道的清理維護技術

鋁水在爐內長時間停留、鋁水排空、廢料品質低、廢料量過大等都會在漩渦井及主副室通道上積渣，由于各處通道正常狀態下都浸沒在鋁水中，給清理工作造成很大困難。前期主要使用叉車用長桿釬子進行疏通主副室通道，人工使用渣鏟或釬子清理漩渦井，但效果不佳。

受到爐內鋁水人工噴粉精煉的啟發，最終決定采用氬氣噴粉的方式對各處通道進行了疏通，噴出的4AB 精煉劑由于有升溫和除渣功效，同時，適當提高鋁液的溫度，熔化一部分殘留鋁渣，目前，各處通道的疏通獲得了良好的效果。

2.5 優化漩渦井加料系統的安全聯鎖監控措施

由于鋁屑在漩渦井處容易堵塞，可能發生爆燃或爆炸事故，加料過程中安排專人對漩渦井需實時不間斷的進行監控，但在發生故障時，人員如果在現場容易發生安全事故。所以，在漩渦井增加高溫攝像頭實時遠程在漩渦井觀察區觀察井內情況，為確保漩渦井出現堵塞后能第一時間停機，后期增加了火焰檢測裝置，研究設計了安全聯鎖裝置，在漩渦井觀察區域設置了一鍵急停按鈕，漩渦井有堵塞等異常情況時，盯崗人員可第一時間拍下急停按鈕，中止加料，確保加料安全。

3 研究結果

3.1 雙室爐鋁水溫度精準控制

本次研究最終確定雙室爐鋁水溫度控制范圍是720～750℃，在這個溫度范圍下，雙室爐加料效率和熔化效率均較高，熔體無過燒風險，排煙風機故障率也較低。

通過充分攪拌和人工測溫復核等技術措施的實施，雙室爐內鋁水溫度得到了精準控制，偏差≤5℃。

3.2 鋁屑加料速度全面提升

通過研究和控制鋁屑的品質、輸送帶運行狀態、漩渦井狀態、鋁水溫度等，雙室爐鋁屑加料速度得到全面提升，可穩定控制在3 ～5t/h。

3.3 鋁屑水油含量控制穩定

通過嚴格執行取樣烘烤檢測水油含量的技術措施，雙室爐添加鋁屑的水油含量可嚴格控制在2%以下，確保每車都取檢合格，不合格嚴格做退貨處理，對降低鋁屑燒損起到了關鍵性的作用，同時也是安全生產的保障。

3.4 漩渦井及主副室通道的清理技術突破

通過采用氬氣噴粉的方式對各處通道進行疏通，雙室爐漩渦井及主副室各處通道的疏通獲得了良好的效果，減少了積渣，對加料效率提升和降低燒損均起到了較好的作用。

3.5 漩渦井加料系統的安全聯鎖監控落實

通過設計了安全聯鎖裝置，在漩渦井觀察區域設置一鍵急停按鈕，漩渦井有堵塞等異常情況時，盯崗人員可第一時間拍下急停按鈕，中止加料。通過充分發揮一鍵急停聯鎖的作用，可以避免因漩渦井加料堵塞造成雙室爐爆燃及爆炸事故，有效確保了雙室爐的生產安全。

4 結語

通過以上研究和分析，最終確定以下措施對優化雙室爐生產工藝、提高雙室爐生產效率以及保障生產安全是積極有效的：將雙室爐鋁水溫度控制范圍在720 ～750℃，雙室爐生產效率較高，熔體無過燒風險；嚴格控制鋁屑的水油含量在2%以下，是降低鋁屑燒損和保障生產安全的有力措施；保持漩渦井通暢，及時進行有效清理是保證加料效率的關鍵所在；鑒于漩渦井加料存在較大的安全風險，建議各個生產企業合理安排人員盯崗，同時，可在必要的位置增加緊急停車按鈕以及高溫攝像頭等設施，使生產安全可控。