上海铝工业展|我国再生铝熔炼炉的使用现状与发展方向
铝是一种可循环利用的资源，目前再生铝占世界原铝年产量的⅓以上。再生铝与原铝性能相同，可用再生铝锭重熔、精炼和净化，经调整化学成分制成各种铸造铝合金和变形铝合金，进而加工成铝铸件或变形铝材。进而二十年来，在民营企业的努力下，我国再生铝工业发展迅猛，通过引进吸收发达国家的技术装备，以及自主设计研发，逐步接近国外先进水平。然而，作为再生铝技术核心的再生铝熔炼技术装备，仍然存在能耗利用低、金属损耗居高不下，环境污染较大、熔炼炉维护周期过短等问题。下面上海铝工业展小编就来简单聊一聊我国再生铝熔炼炉的使用现状与发展方向。
1. 上海铝工业展浅谈再生铝熔炼过程及特点
再生铝熔炼的目的，是在熔炼炉内，将分拣、破碎等预处理好的废铝进行熔化，获得杂质和夹渣含量低、含气量低、流动性较好的再生铝合金熔体，为后续的精炼、进一步合金化和铸锭等工序打下基础和创造条件。
废铝的熔炼包括三个过程和状态，即投料（固体）→熔化（固液共存）→液体。投料时，铝在熔炼炉内成料堆状态，将来料逐渐升温熔化，固体料从室温升高到熔点附近，此阶段所需要的热量占整个熔炼过程的大多数；随着铝的温度上升，固体铝逐渐熔化，直到全部固体料消失。因此，采用的加热方式，投料的方式、炉体结构等对熔化效率、熔化烧损程度、能源消耗等都产生直接影响。目前，再生铝熔炼采用阶段性加料或连续性加料，根据不同的炉型，后续添加入炉的废铝来料的熔化方式也不相同，构成了近几十年来我国再生铝熔炼炉的发展变革。
2. 上海铝工业展浅谈我国再生铝熔炼炉的发展和使用现状及面临的主要问题
2.1我国再生铝熔炼炉的发展和使用现状
从上世纪末期以来，我国再生铝业产业发展迅猛，小企业或作坊式企业如雨后春笋，而大中型企业也发展较快，从熔炼设备的技术水平看，落后技术与先进技术并存，通过二十多年的快速发展，逐步与发达国家接轨，但在综合技术经济水平上仍然有较大差距。其原因主要就在于熔炼设备比较落后，而导致的金属损耗严重，能耗高和污染环境严重等。在上世纪末期，我国再生铝生产企业有两千余家，但年产万吨以上的企业只有30家，5万吨以上的只有4家，绝大部分企业规模较小，生产方式原始，熔炼设备落后，大量地浪费能源和铝资源，同时产生新的污染和尚有回收价值的废弃物。这种局面在进入本世纪后逐渐得到改变,投资新建的再生铝企业逐渐采用新型装备和技术，大量的落后生产线被市场和产业政策所淘汰。据中国有色金属工业协会再生金属分会统计，我国再生铝企业已由2008年的2000家左右下降到目前约200家，但是产能规模由250万t/a增长到1200万t/a。
金属铝的再生离不开熔炼设备，它的技术水平高低决定着再生金属的质量、能耗和烧损的高低，以及企业污染的状况，决定着企业的生存能力和利润水平，因此熔炼炉是再生铝企业的装备、技术和工艺核心，它的优劣决定企业能耗的高低，污染的轻重。
2.2我国再生铝熔炼炉的种类和使用现状
再生铝的熔炼过程包括金属料熔化和金属液态处理两阶段，熔化阶段耗能大而费时长，是熔炼的核心。再生铝熔炼炉包括了加料系统、熔化炉、燃烧系统、余热利用系统、环保系统、静置炉等，先进的熔炼炉往往将所有的系统集成于一起。在我国再生铝工业的发展过程中，诞生和使用了多种熔炼炉从结构形式上基本有两种:坩埚式和熔池式，其中熔池式是最主要的熔炼炉型式。
2.2.1坩埚炉
坩埚炉是早期和小型熔炼再生铝合金的常用设备，其优点是投资少、操作方便，金属回收率高，缺点是生产能力小，寿命短和成分不稳定，很难与大型反射炉相比。坩埚炉的形式有多样，常用的有铸铁坩埚和石墨坩埚。目前坩埚炉正在向大型化和控制系统机械化方向发展，可倾动式的大型坩埚炉，倾转炉身即可浇出熔液。由于坩埚炉不适合精炼、捞渣以及铸锭等工序，因此难以适应当今再生铝大型化、规模化的发展方向。但适合以再生铝生产变形铝合金或铝压铸的企业。
2.2.2 反射炉
熔池式炉膛的熔炼设备称为反射炉，由于炉膛容积大，适用于大批量生产，也适应于污染物的集中收集处理，是再生铝工业的主体设备。早期反射炉的燃料主要是燃煤，随着再生铝技术的发展，大量现代化的反射炉已经不采用煤为燃料，更多的采用燃油或燃气。反射炉因用燃料不同，其构造有较大的差异。反射炉在再生铝行业大量应用，并派生出许多炉型，目前我国仍在使用的再生铝熔炼炉主要有以下几种。
(1)水平式回转炉
水平式回转炉结构简单，主要由炉体、支撑座、炉门、燃烧系统、控制系统、铝液和炉渣排放系统等组成。在炉体操作端开有炉口，用于进料、烧嘴布置以及出铝水，另一端开有烟气出口。炉门的上方设有一个固定的烟罩，用于逸出烟气的收集和排放。
水平式回转炉易于操作和维护，但熔剂的加入比例较多，给熔剂的回收和处理带来困难，且由于烧嘴和烟气出口是相对布置的，烟气无法二次燃烧，热效率低，污染大，因而逐渐显现出劣势，在彻底淘汰的边缘。
(2)倾斜式回转炉
倾斜式回转炉是在水平式回转炉的基础上发展起来的，炉体、烧嘴和排烟管道的布置更加完善，使烧嘴燃烧的火焰向后引导180°，烟气通过烧嘴上方的炉口排出，烟气在反向流动的过程中产生二次燃烧，从而提高了热效率，减少了烟气对环境的污染，同时降低了熔剂的用量。
尽管如此，倾斜式回转炉仍然存在污染较大、热效率较低、产量较低的问题。
(3)旋转式反射炉
旋转式反射炉的特点是炉体可以做任意角度的旋转，从而提高熔化速度，传热速度快，省去大量搅拌工序。由于耐火材料均匀的接触熔融的铝液，因此对炉壁的腐蚀均匀，因此炉龄也较长。旋转式熔铝炉由于动力部分和烟气回收系统复杂，因此难以处理大批量的再生铝，因而应用前景不广。
(4)侧井炉
侧井炉主要由炉体、燃烧系统、铝液循环驱动系统、加料系统组成，其中炉体部分包括主熔炼室、碎料室和泵室。铝废料在主熔炼室内进行熔化后，在室内形成一定深度的铝液，驱动循环泵，使铝液在主熔炼室、碎料式和泵室之间循环;加料系统将小块的铝废料和熔剂投入碎料室，依靠循环泵引入的铝熔体完成熔化。
相对于前面几种炉型，由于高温铝液的循环运动将加入的碎料迅速淹没在金属液面下，缩短了固体废料的氧化时间，提高了铝回收率。
(5)双室反射炉
双室反射炉是一种熔炼再生铝合金的专用设备，因其有能耗低、烧损率低、金属回收率高的优点，早已在欧美广泛采用。但由于各国之间的技术壁垒，我国在进入本世纪才通过从国外引进。
双室反射炉由两个熔炼室组成的熔炼炉，一般称为内熔室和外熔室，两室之间有专门设计的通道，供铝液循环之用。双室反射炉的外熔室主要起熔化废铝的作用，内熔室则进行熔炼。在实际操作中，废杂铝直接加入到外熔室的铝融液中，并迅速被过热的铝融液淹没，由于废铝避免了与火焰直接接触，因此废铝的烧损很低，可以大幅度提高铝的回收率。内熔室的容积大于外熔室，其主要作用是加热铝融液。
双室反射炉集中了坩埚熔炼炉和反射炉的优点，废铝不接触火焰，烧损低，同时容积大，热效率高。熔炼过程中大量的铝灰在外熔室产生，因外熔室的容积小，表面积小，便于铝灰的清除，减轻了工人的操作强度。根据生产实践，双室反射炉添加剂的消耗量仅为其它反射炉的二分之一到三分之一，回收率可以提高2到5个百分点，能耗也可以大幅降低，在处理散碎的废铝和铝屑时优势更为突出。内熔室和外熔室之间需要采用的循环泵一般为陶瓷循环泵或石墨循环泵，更先进的采用电磁循环泵。
为进一步提高作业连续性，有实力的企业往往在双室炉的基础上再配套建设两个静置炉，双室反射炉只起到熔炼和调整成分的作用，而大部分精炼等过程在静置炉中进行。双室炉具有较多优点，但仍然需要进一步研究优化。
2.3我国再生铝熔炼炉存在的主要问题
尽管经过多年的发展，我国再生铝熔炼炉取得了重大的进步，但技术工艺对环境、效率等的追求无止境，结合产业实际，笔者认为我国再生铝熔炼炉面临几下几个突出问题。
(1)再生铝熔炼炉处理能力及寿命问题
随着国内外市场竞争的激烈，以及行业发展的趋势，现有熔炼炉的容量已逐渐难以满足需求，坩埚炉、单室反射炉以及小容量的双室反射炉等，不仅产能小、且单位产品的耗能高。此外，随着整条再生铝生产线自动化程度的提高，小容量的熔炼炉也难以适应流水线的改造。另外，传统炉型的寿命较短，包括传统双室炉，由于(内熔室和外熔室)两室之间存在挡墙，该挡墙长期受铝液冲刷，寿命较短，影响再生铝的熔炼生产，现有双室熔炼炉仍有大量值得改进的地方。
(2)熔化及精炼过程的环境保护问题
再生铝产业流程短 回收期短，基本不消耗矿产资源，能耗少，污染物排放量小，是绿色产业和环保工程。但另一方面，再生铝企业多而滥，很多企业规模小，环保设施简陋，再生铝产业同时也可能产生新的污染。由于再生铝表面多附有油漆涂料、油污、塑料等有机物，若预处理不干净而直接入炉，必将产生大量的有机废气;国内企业对这类有机废气大多未采取净化减排措施，不仅造成了肉眼不可见的严重污染，而且增加了烧损，降低了铝的回收率。此外，熔剂在精炼过程中也有烟尘产生，熔剂使用量越多，烟尘产生越大。
(3)再生铝熔炼炉的能耗问题
根据标准《铝行业规范条件》，准入值为130kgce/t，根据企业调查研究发现，先进值<90kgce/t，其中主要耗能工序就在于熔炼和精炼。而在理论上，熔化每吨再生铝所需要的能耗值仅约为44kgce/t，算上其它无法避免的热量损失，之间的差距仍然巨大。因此，仍然有大量的能源浪费，能耗的降低和回收利用将是一个很值得不断突破的课题。
(4)再生铝熔炼过程的铝损耗及铝灰渣问题
再生铝的熔炼过程中，金属的熔损是个不可避免的问题。熔损越多，意味着铝灰渣也就越多。我国再生铝行业的烧损因废铝原料种类不同差异较大，基本在3%~10%。废铝熔炼中的烧损率是影响再生铝生产成本的关键因素，如何采取措施有效降低熔损，把因熔损造成的经济损失降到最低限度，是再生铝生产必须重视的问题。
此外，铝灰渣是再生铝不避免产生的固体废物，由于铝灰渣密度小，且有破碎、磨细、筛分等过程，产尘环节较多，因此，对其产生量的控制及过程防尘应得到重视。
3. 上海铝工业展浅谈我国再生铝熔炼炉的改进方向
熔炼炉技术的发展是伴随生产过程中的不断优化，以及其它工业技术特别是电子技术和新材料技术的发展而发展的。鉴于现有我国再生铝熔炼炉存在的问题，笔者认为再生熔炼炉应重点从以下几个方面进行改进。
(1)开发更大更合理的炉型
再生铝的生产中影响熔炼烧损及环境、能源等的因素较多，除了从源头上把好铝废料的预处理关，在熔炼操作中严格控制工艺制度及工艺操作外，直接从炉型上去优化更加直接而必要。根据铝合金废料的高效、节能、快速的熔化需求，从容量更大、寿命更长、进一步提高熔化炉热效率、减少金属烧损的率的角度去设计开发新型再生铝熔炼炉十分必要。开发150 吨以上的双室炉，应用新型搅拌和循环技术，去中间挡墙设计，优化加料方式和捞渣口设计等，将是未来的发展方向。
(2)充分采用节能和环保技术
节能和环保是再生铝产业发展的主要方向，重视节能和环保也是再生铝企业能生存和发展的生命力所在。根据节能和环保的需求，应着力减少单位产品能源消耗和气体排放，充分开展余热利用和废气利用。因此，再生铝熔炼炉应积极优化回转窑设计、采用蓄热式燃烧技术、防二噁英技术、有机尾气催化燃烧及热量回收等技术。一方面大幅减少排放，一方面变废为宝，大幅节约能源。此外，在工艺的前端控制杂质含量带入、减少氧化渣产生，从而减少熔剂的使用量，进一步提高环保水平。
(3)提高自动化和智能化程度
自动化和智能化水平一直是我国再生铝工业水平落后于发达国家的主要原因之一。随着新技术的发展，我国已具备大面积改造再生铝生产线自动化和智能化的条件和技术能力。根据再生铝熔炼的需求，再生铝熔炼炉的自动化和智能化发展方向应包括以下方面:
①破碎废铝来料的智能分选。在原有重力浮选、机械分选、磁力分选等的基础上，引进先进的X射线辐射分选设备，X射线辐射分选机是原子物理学与自动化工程高度结合的先进设备，可直接分辨每块碎料的成分并进行分选，结合流水线的设计，将大幅提高分选水平和效率。同时大幅减少金属杂质进入熔化炉，减少精炼时间和精炼剂的使用。
②设计使用先进的流水线。目前国内的再生铝生产主要采用叉车从炉门口或回转窑口加料，不仅生产使用不便，在运输过程中发生掉落，作业强度大，效率低。因此，应与分选工序衔接，将分选好的碎料直接通过传送带送至回转窑，整个过程采用智能化控制，物料全部自动化供给。此外，在现有基础上，进一步优化浇铸和码锭的自动化水平，实现数字化管理和智能化控制。
③设计和使用燃烧过程自动控制系统。通过对燃烧系统的优化设计，实现空燃比的自动调节，通过测验调试天然气充分完全燃烧与氧含量而设计比例常数，达到燃料与空气比例自动调节，严格控制空气过剩系数，从而降低铝料氧化烧损。多个蓄热式燃烧系统的智能化切换设计与应用也十分有必要，此外，对火力大小、炉膛压力、自动换向与点火、炉门升降与压紧、安全防护等，均应采用智能化控制。
4.结论
我国再生铝熔炼炉取得了巨大的进步，各类炉型十分丰富，但目前仍然存在能耗较高、效率较低、铝损耗较大、铝灰渣产生较多等现实问题。上海铝工业展小编觉得，为改善现状、同时进一步提升再生铝产品质量，未来应开发大容量高效节能炉型、充分采用节能和环保技术，并着力提高自动化和智能化水平。
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文章来源：微信公众号——算算配方