鑄軋鋁熔煉爐科學(xué)運行方法探討

曾 虎

（洛陽萬基鋁加工有限公司，河南 洛陽471800）

對鋁加工鑄軋企業(yè)來講， 鋁熔煉的目的是用高效的熔煉設(shè)備、科學(xué)的工藝手段、最低的消耗指標(biāo)為鑄軋生產(chǎn)提供合格的金屬熔體， 滿足高質(zhì)量鑄軋產(chǎn)品對熔體的需求。根據(jù)鋁熔煉爐的特征，如何提高熔煉爐的熱效率，降低能耗指標(biāo)、降低鋁的燒損，提高熔體的潔凈程度， 符合環(huán)保排放要求是熔煉爐運行方案設(shè)計的主要方向。 我公司熔煉爐是蘇州新長光熱能科技有限公司制造，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1 熔煉工藝分析

熔煉爐的熔煉工藝主要包括加料、升溫、配料、精煉、扒渣等工序，是鑄軋生產(chǎn)重要的環(huán)節(jié)之一。 熔煉工藝控制不好，對金屬燒損、燃氣消耗、熔體質(zhì)量、煙氣排放等指標(biāo)均能造成重大影響。

表1 熔煉爐技術(shù)參數(shù)

1.1 加料工序

正確的加料原則應(yīng)考慮所加入的爐料，如：電解原鋁、板帶廢料、鋁錠、中間合金的性質(zhì)和狀態(tài)，按最小的燒損、 最快的熔化速度及準(zhǔn)確的化學(xué)成分來控制；加料的順序按易燒的小塊料裝在底部，大塊料、鋁錠裝中間，最后進原鋁、加中間合金，并要使裝入的爐料在熔池中均勻分布；加料時人機要搭配合理，避免人為因素造成爐子加料時間長，溫度散失快。以上措施可減少燃燒過程中金屬的燒損， 能使固體料更容易熔化，并使熔化后熔體的化學(xué)成分更均勻[1]。

1.2 升溫過程

熔煉爐正常工作時的溫度區(qū)間包括：加料期、熔化前期、熔化后期及固液轉(zhuǎn)化期、升溫及補溫期[2]，這個過程周而復(fù)始， 此過程燃氣用量和溫度的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 熔煉爐爐溫及能耗分配關(guān)系圖

在升溫過程中，裝料時間長，爐子熱散失大，后續(xù)升溫需要的燃氣量就越大；升溫過程中溫度測量要準(zhǔn)確，測溫設(shè)備設(shè)置要合理，避免頻繁開啟爐門進行人工測溫，導(dǎo)致溫度散失；主排煙和輔助排煙設(shè)備要維護到位，避免熱量的非正常排出；爐門密封要嚴密，避免溫度從爐門四周散失，另外，在熔化后期及固液轉(zhuǎn)化期，使用攪拌器等輔助攪拌手段可顯著縮短熔化時間，從而保證燃燒效率和節(jié)約燃氣用量。

1.3 配料操作

在溫度達到配料工藝要求時， 需對熔體加入合金，進行合金化，配料計算不正確、估料不準(zhǔn)確、合金劑質(zhì)量不合格、 攪拌不均勻都容易導(dǎo)致一次配料達不到工藝標(biāo)準(zhǔn)，需要進行二次補料操作，就會造成停爐等待時間長，導(dǎo)致氣耗增加，因此需對配料操作員工加強技術(shù)培訓(xùn)，提高其操作技能，采購質(zhì)量合格的合金劑，從而保證配料一次到位，降低燃氣消耗，提高熔體質(zhì)量。

1.4 精煉操作

精煉操作是對熔體除氣、除渣，保證熔體質(zhì)量的重要步驟。精煉工藝設(shè)置要合理，一般要求精煉時間在20 min 左右，時間過短達不到精煉效果，時間過長容易造成熔體溫度散失快和熔體二次氧化等問題； 精煉設(shè)備要可靠， 避免因設(shè)備問題造成精煉中斷，導(dǎo)致停爐等待時間延長，溫度散失大等問題。

1.5 扒渣操作

熔煉的最后一道工序就是扒渣， 不論是人工扒渣還是采用機械，都要做到操作時間短、扒渣干凈、扒出的渣中含鋁量少， 這是減少溫降、 提高熔體質(zhì)量、減少鋁損的關(guān)鍵。

根據(jù)上述各工序的特點， 我們在生產(chǎn)中操作規(guī)程的設(shè)計及運行過程的控制是關(guān)鍵， 要做到規(guī)程設(shè)計合理、設(shè)備保障到位，員工操作規(guī)范，才能達到提高熔煉爐運行效率、降低燃氣消耗、降低金屬燒損，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

2 燃燒系統(tǒng)分析

我廠熔煉爐的燃燒控制系統(tǒng)采用PLC 自動控制，燒嘴是蓄熱式，能夠?qū)崿F(xiàn)對燒嘴的自動點火，火焰大小調(diào)節(jié)和控制，大小火自動轉(zhuǎn)換，爐壓的自動調(diào)節(jié)和安全保護的功能。在生產(chǎn)實踐中，燃燒參數(shù)設(shè)置是否得當(dāng)和燃燒設(shè)備的穩(wěn)定與否，對燃氣消耗、熔體燒損、煙氣排放等均會造成影響。

2.1 燃燒系統(tǒng)控制參數(shù)分析

燃燒控制系統(tǒng)是改善燃燒、降低能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的重要保證， 最終目的是要實現(xiàn)燃燒設(shè)備流量、溫度、壓力、氣氛等參數(shù)的自動檢測及過程控制?？刂葡到y(tǒng)包括：溫度控制、壓力控制、點火及火焰監(jiān)測控制、熱負荷調(diào)節(jié)控制、傳動機械控制和安全聯(lián)鎖保護等。參與燃燒的可調(diào)參數(shù)有：助燃空氣與天然氣比例、爐膛溫度、爐壓等。

2.1.1 助燃空氣與天然氣比例

在爐子升溫過程中， 助燃空氣與天然氣比例是保證控制爐子最佳送風(fēng)量和燃氣供給量的關(guān)鍵值，可保證空氣過剩系數(shù)維持在設(shè)定的范圍內(nèi)， 以達到最佳燃燒效率和最少的煙氣排放等目的。 空燃比要提前設(shè)置好，一般設(shè)置范圍在9∶1~12∶1，這個比例以燒嘴燃燒時助燃風(fēng)實際流量為準(zhǔn)自動調(diào)節(jié)天然氣流量，使其達到設(shè)定比值，可以避免天然氣流量過大，燒嘴過負荷運行，爐子吸熱有限，造成熱損耗過大；或天然氣流量過小， 燃燒時間過長， 空氣過剩，NOx物排放量高，生產(chǎn)效率低等問題。

2.1.2 溫度控制

爐膛溫度設(shè)定在PLC 自動控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)我廠生產(chǎn)實踐，采用梯度升溫模式效果最佳，具體指在設(shè)定控制溫度時，不要直接設(shè)定最大值1 100 ℃，而是根據(jù)爐膛溫度的變化來不斷調(diào)整設(shè)定溫度，一般每次設(shè)定溫度大于爐膛溫度100～200 ℃為基準(zhǔn)，隨著爐膛溫度的升高而設(shè)定更高的控制溫度來維持整個升溫過程，此種方式可最大限度地降低鋁燒損，減少熱能損失，減少NOx排放，從而達到節(jié)能降本環(huán)保的目的。

2.1.3 爐壓控制

爐壓主要是由天然氣在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠斐傻模瑺t壓控制對煙氣排放、熱量損失和鋁燒損均有影響。 爐壓控制主要由安裝在爐頂?shù)牟顗鹤兯推骱洼o助煙道的煙閘配合完成， 差壓變送器檢測的爐壓信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)絇LC，PLC 發(fā)出指令驅(qū)動煙閘開閉來控制爐膛壓力。在實際生產(chǎn)中，檢測爐壓大于設(shè)定爐壓，會導(dǎo)致輔助煙閘敞開，爐內(nèi)高溫?zé)煔鈴妮o助煙道大量排出，造成升溫時間長，燃氣消耗量大，鋁液燒損大等問題；檢測爐壓小于設(shè)定爐壓，輔助煙閘關(guān)閉，高溫?zé)煔鈴闹髋艧煷罅颗懦?，引起升溫時間長、排煙溫度過高、鋁液燒損大、蓄熱球燒結(jié)、爐門密封燒壞等問題，排煙溫度高還可導(dǎo)致爐子安全保護裝置動作，爐子自動停火，影響生產(chǎn)。 正常的爐壓控制為微正壓， 一般控制10～20 Pa 之間，可以防止冷空氣進入爐內(nèi)和火焰外噴[3-4]。

綜上所述，各項參數(shù)的合理設(shè)定，對燃燒系統(tǒng)的效率、能耗及鋁液的燒損、煙氣排放等影響較大，各生產(chǎn)廠家需根據(jù)各自熔煉爐特點，優(yōu)化控制參數(shù)，并要建立跟蹤機制，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并分析處理，使燃燒系統(tǒng)維持最佳的運行效果， 才能保證爐子高效、節(jié)能、環(huán)保運行。

2.2 燃燒系統(tǒng)設(shè)備分析

燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運行靠設(shè)備的穩(wěn)定來保障，常見的影響燃燒系統(tǒng)運行的設(shè)備故障有： 排煙助燃管道閥門上電動調(diào)節(jié)閥卡阻、損壞，煙氣換向閥卡阻、損壞，差壓變送器堵塞，煙閘破損，壓力、流量、溫度監(jiān)測裝置測量不準(zhǔn)或損壞，蓄熱球板結(jié)等。

2.2.1 排煙管道上電動調(diào)節(jié)閥

排煙管道上電動調(diào)節(jié)閥門由對夾式蝶閥和電動執(zhí)行器組成， 蝶閥的閥板長期在排煙管道內(nèi)高溫?zé)煔猸h(huán)境中工作，高溫?zé)煔庵袏A帶有大量煙塵，容易造成閥板卡阻或燒損，一旦其出現(xiàn)問題，不僅容易造成煙氣排放異常， 而且控制其開度的電動執(zhí)行器也因開度動作不能有效執(zhí)行而損壞， 導(dǎo)致燃燒系統(tǒng)的運行參數(shù)被破壞，引起燃燒異常、氣耗增加，另外電動執(zhí)行器的工作環(huán)境較差，電氣元件也容易受粉塵、高溫等不良工作環(huán)境引起故障，造成PLC 輸出指令不能有效執(zhí)行，從而引起主排煙風(fēng)量過大或過小，引起鋁燒損大、熱能損失大等問題。

2.2.2 煙氣換向閥

煙氣換向閥由對夾式蝶閥和氣動執(zhí)行器組成，一般設(shè)置兩個燒嘴的燃燒系統(tǒng)有4 套煙氣換向閥，是燃燒系統(tǒng)的排煙和助燃換向的關(guān)鍵設(shè)備。 其中對夾式蝶閥的閥板長期在供風(fēng)和排煙管道內(nèi)惡劣環(huán)境中工作，容易造成閥板卡阻、燒損或脫落問題，進而引起供風(fēng)和排煙異常，對火焰大小、熱能回收利用均造成影響。 氣動執(zhí)行器與排煙管道上電動執(zhí)行器問題類似。

2.2.3 輔助煙閘

輔助煙閘是用來調(diào)整爐壓和輔助排煙的關(guān)鍵設(shè)備，輔助閘閥由閥體和閘板組成，閘閥的開度通過氣缸驅(qū)動閘板和行程開關(guān)進行控制， 為滿足爐壓控制要求，差壓變送器采集的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號后，送給PLC，再通過PLC 控制排煙閘閥的開度，從而精確有效地控制爐膛壓力。 因蓄熱式燒嘴本身只能排出燃燒產(chǎn)物的80%左右， 因此還應(yīng)設(shè)有輔助排煙管路及相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥， 通常設(shè)計將20%左右的爐膛煙氣作為爐壓控制回路可獨立調(diào)節(jié)的平衡點[5]，來排放剩余的燃燒產(chǎn)物，并實現(xiàn)爐膛微正壓控制。因其在超高溫環(huán)境中頻繁地開啟和關(guān)閉， 其受到高溫?zé)煔飧g和閘板通道的摩擦，容易掉塊損壞，造成密封不嚴，因排煙管路與除塵器相連，在除塵風(fēng)機的大抽力作用下，爐膛內(nèi)高溫?zé)煔鈺淮罅砍槌?，造成爐子升溫慢，燃燒時間長、鋁液燒損大等問題。

2.2.4 差壓變送器

差壓變送器是檢測爐膛壓力的關(guān)鍵設(shè)備， 其作用在分析爐壓控制時已經(jīng)敘述，不再重復(fù)，差異變送器的壓力檢測管是從爐頂直通入爐內(nèi)的， 爐膛燃燒時產(chǎn)生的煙塵極易造成測量管道堵塞， 導(dǎo)致壓力測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，造成PLC 輸出的指令失真，從而使高溫?zé)煔馀欧女惓：蜔崮艿膿p失。

2.2.5 壓力、流量、溫度檢測裝置

壓力、流量、溫度檢測儀器都是精密的電子元器件，靈敏度高，對環(huán)境要求高，因爐子的高溫和各種操作時產(chǎn)生的煙塵不可避免， 特別是粉塵等污染物在熔煉爐周圍最為常見， 粉塵導(dǎo)致熔煉爐燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)故障的數(shù)量占整個熔煉爐故障總數(shù)的70%以上，粉塵會進入到檢測儀器的元件中，導(dǎo)致電器元件接觸不良，不僅容易使測量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，導(dǎo)致其輸送至PLC 的偏差大，造成系統(tǒng)控制問題，而且還容易造成檢測儀器的損壞，導(dǎo)致檢修費用增加，最終影響氣耗、排煙、金屬燒損和檢修成本等。

2.2.6 蓄熱體

蓄熱箱內(nèi)蓄熱球是熱能回收的關(guān)鍵設(shè)備， 通過燃燒系統(tǒng)換向閥在燃燒時的換向調(diào)節(jié)， 可以最大限度地將燃燒排出的熱能重新吹入爐中， 達到節(jié)能的目的，并且可以對排放的煙塵進行過濾，起到了環(huán)保排放的作用， 蓄熱球在高溫環(huán)境中會出現(xiàn)高溫腐蝕和破碎， 并過濾了排放氣體中的煙塵， 容易造成板結(jié)，一旦板結(jié)，煙氣排放和燒嘴供風(fēng)不暢，對爐壓和燃燒均造成較大影響， 會造成空燃比失真、 爐壓過高、輔助煙閘常開、熱能回收效果差、金屬燒損大等問題。

2.2.7 其他設(shè)備的影響

除上述設(shè)備的影響外， 還有天然氣控制閥組的影響、爐門密封的影響、燒嘴花磚和火槍的影響等。天然氣控制閥組設(shè)計規(guī)格高，保護措施到位，反而出現(xiàn)問題的幾率小，運行中需加強檢漏等工作；爐門密封使用中受火焰灼燒和與爐前墻摩擦，也容易損壞，導(dǎo)致密封不嚴， 會引起爐壓檢測失真而造成的相關(guān)問題，密封損壞時需及時恢復(fù)；燒嘴花磚和火槍在長期使用中受到高溫腐蝕和火焰燒損， 對爐子的燃燒效率、燃氣耗、金屬燒損等均有影響，需定期檢修和更換。

根據(jù)以上分析，不難發(fā)現(xiàn)，鋁熔煉爐燃燒控制系統(tǒng)是整個爐子的核心， 控制系統(tǒng)由控制參數(shù)和控制設(shè)備組成，控制參數(shù)設(shè)置合理、控制設(shè)備運行穩(wěn)定是熔煉爐高效、節(jié)能、環(huán)保運行保障。 因控制系統(tǒng)自動化程度高，參數(shù)控制簡單易行，只要通過控制終端輸入科學(xué)合理數(shù)據(jù)即可，參與控制設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備管理的好壞對各鑄軋廠是個考驗。

3 設(shè)備的檢修維護

鋁熔煉爐的穩(wěn)定運行設(shè)備是保障，在日常管理中需要制定相關(guān)管理制度，明確責(zé)任人，制定科學(xué)的檢修計劃，準(zhǔn)備合理的備品備件等是設(shè)備管理的重點。

3.1 日常點巡檢維護

日常點巡檢維護工作主要有：鋁液溫度升溫是否正常、各連鎖點工況是否正常、排煙、助燃風(fēng)機電流有無明顯變化、用氣量是否正常、日常設(shè)備清潔、日常缺陷及時消除、 運行數(shù)據(jù)的記錄和異常分析處理等。

3.2 定期保養(yǎng)檢查

每隔1～2 個月應(yīng)安排維修人員對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)、各器件進行必要的保養(yǎng)及檢查， 可使設(shè)備長期安全使用。定期保養(yǎng)檢查項目有：定期更換氧化鋁球、定期清理差壓變送器測量管、定期檢查系統(tǒng)各閘閥、定期更換煙閘閘板、各壓力開關(guān)的校正、各測溫?zé)犭娕夹Ｕ?、各流量檢測裝置的校驗、燃氣和空氣管路過濾器的清理、所有調(diào)壓閥、蝶閥、電機執(zhí)行機構(gòu)的減速器、軸承、鏈條等的潤滑保養(yǎng)、配電柜、操控箱清灰等。

3.3 檢修維護

檢修維護工作需嚴格按照設(shè)備的運行周期制定相應(yīng)的檢修計劃， 在停爐期間對設(shè)備進行仔細檢查并對磨損嚴重、 使用壽命不會太長以及近期可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷的零件進行更換。 需定期檢修的項目一般有：爐內(nèi)襯、爐門和爐門框、蓄熱燒嘴、排煙和助燃風(fēng)機等。只有通過科學(xué)合理的檢修維護，才能保證熔煉爐的安全高效節(jié)能環(huán)保運行。

我廠在2019 年1~6 月份對鋁熔煉爐的運行方式進行了分析和控制， 熔煉爐噸鋁天然氣耗和燒損數(shù)據(jù)見表2。

表2 熔煉運行方式優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

可以看出，天然氣耗和金屬燒損降幅較大，成本下降明顯， 并且鋁熔體的質(zhì)量能滿足雙零箔生產(chǎn)的需要， 煙氣排放通過除塵器的配合使用， 顆粒物和NOx的排放量均達到最新環(huán)保要求， 經(jīng)濟和社會效益顯著。

4 效果驗證

根據(jù)對熔煉工藝、燃燒控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及爐子相關(guān)組件的分析， 我們找出了影響熔煉爐高效、環(huán)保、節(jié)能運行的關(guān)鍵因素，并分別制定了相關(guān)運行和維護方法。我廠從2019 年1 月開始對運行的三臺熔煉爐進行了全面科學(xué)的管控， 包括加強了運行過程的監(jiān)督、運行和檢修規(guī)程的修訂、員工的培訓(xùn)、運行數(shù)據(jù)的采集等，通過1~6 月份的試運行，在天然氣耗、金屬燒損、熔體質(zhì)量、燃燒效率、檢修維護成本、環(huán)保排放等方面取得明顯效果。三臺熔煉爐管控前2018 年6~12 月份和優(yōu)化后2019 年1~6 月份的關(guān)鍵運行指標(biāo)月均平均值對比見表3。

表3 熔煉運行方式優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

表3 數(shù)據(jù)中，影響成本的因素有：天然氣耗、金屬燒損、質(zhì)量損失、檢修維護成本，升溫時間對成本是間接影響，排放物是重要環(huán)保管控指標(biāo)。因熔煉爐沒有單獨安裝電表， 電耗指標(biāo)暫沒有統(tǒng)計， 不做分析，但綜合電耗是下降的。

我廠三條鑄軋生產(chǎn)線， 月均產(chǎn)量按3 000 t 計算，優(yōu)化后節(jié)約直接成本如下：

天然氣每方按2.7 元/m3計算，6 個月節(jié)約成本：2.7×20×18 000＝972 000 元。

原鋁單價按13 500 元/t 計算，6 個月節(jié)約金屬成本：0.35%×13 500×18 000＝850 500 元。

廢品損失包括，產(chǎn)品加工費損失和廢料回爐的燒損，產(chǎn)品平均加工費按720 元/t，廢料燒損按3%計算， 此項6 個月節(jié)約成本：125×720+（125×3%）×13 500＝140 625 元。

檢修維護方面6 個月節(jié)約成本：7×18 000＝126 000元。

對熔煉爐運行進行科學(xué)管控后，6 個月共節(jié)約生產(chǎn)成本：972 000+850 500+140 625+126 000=2 089 125 元。

在日趨激烈的鋁加工市場競爭和嚴格的環(huán)保管控下， 半年時間200 多萬的成本節(jié)約和環(huán)保排放指標(biāo)的下降，對企業(yè)的生存和發(fā)展至關(guān)重要，并且鋁熔體的質(zhì)量能滿足雙零箔生產(chǎn)的需要， 通過對熔煉爐的科學(xué)管控，達到了鑄軋熔煉爐高效、環(huán)保、節(jié)能的運行結(jié)果，經(jīng)濟和社會效益顯著。

5 結(jié)語

（1）在鋁熔煉工序，熔煉操作規(guī)程的設(shè)計及操作過程的控制是提高熔煉爐運行效率、降低燃氣消耗、降低金屬燒損、提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

（2）在對燃燒系統(tǒng)的控制中，系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的科學(xué)設(shè)置和控制系統(tǒng)設(shè)備的科學(xué)管理是熔煉爐安全、高效、節(jié)能、環(huán)保運行的核心。

（3）對參與鋁熔煉的設(shè)備及燃燒系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的日常維護、 定期保養(yǎng)和計劃檢修是保障熔煉爐科學(xué)運行的有效手段。