一、對熔煉爐和靜置爐的基本要求
鋁合金熔煉爐的主要任務(wù)就是高效率的熔化鋁錠、廢料和其他爐料，配制鋁合金。鋁合金熔煉爐的發(fā)展史，實(shí)際上就是針對存在的問題不斷改進(jìn)提高爐子效率的歷史。對現(xiàn)代鋁合金熔煉爐的基本要求是：
1)熱工性能好。即熔化速度快，熱效率高，單位產(chǎn)量燃料消耗少。
2)操作性能好。即爐溫均勻，爐溫、爐壓、爐內(nèi)氣氛可以方便調(diào)節(jié)控制，裝料、攪拌便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，對燃料變化的適應(yīng)性強(qiáng)。
3)性能價(jià)格比高。即設(shè)備占地面積小，單位產(chǎn)量設(shè)備投資低、使用壽命長，維修成本低，金屬損耗少，使用燃料便宜易得。
4)環(huán)保安全。即設(shè)備噪音低，爐子密封性好，排煙好，操作環(huán)境好；設(shè)備在點(diǎn)火、燃燒、熄火過程中要有可靠的安全保障。
按照建標(biāo)[1992]894號“鋁加工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”和YSJ 011--9l“鋁加工廠工藝設(shè)計(jì)規(guī)范”的要求，鋁及鋁合金的熔化，宜采用火焰爐，熱效率應(yīng)大于40%。容量l5 t及以上的火焰熔化爐宜采用圓形或其他先進(jìn)爐型，配以換熱器，燃燒系統(tǒng)宜采用自動控制。容量l5 t以下的火焰熔化爐可采用比例控制燒嘴。
靜置爐用于接受在熔煉爐中熔煉好的熔體，并在其中進(jìn)行精煉、靜置和調(diào)整熔體溫度，在鑄造過程中對熔體起保溫作用。因此，熔體的最終質(zhì)量在許多情況下與靜置爐的類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)。對靜置爐的基本要求是：
1)爐內(nèi)水蒸氣含量少。
2)熔池內(nèi)熔體的溫差小、保溫良好并能準(zhǔn)確控制爐溫。
3)具有一定的升溫能力。
4)容量與熔煉爐相適應(yīng)。
5)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。
按照建標(biāo)[1992]894號“鋁加工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”和YSJ 011--91“鋁加工廠工藝設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，靜置爐(保溫爐)宜采用電阻爐。當(dāng)電源不足或爐子容量較大時，也可采用火焰爐，并應(yīng)設(shè)置爐溫自動控制裝置。
二、變形鋁合金熔煉爐分類和優(yōu)缺點(diǎn)比較
1．熔煉爐的分類
常用變形鋁合金熔煉爐分類方法很多，按使用熱源的種類分，有電爐和燃料爐(燃煤爐、燃油爐、燃?xì)鉅t)兩大類。電爐按加熱方式、結(jié)構(gòu)和頻率又可細(xì)分為很多種，燃料爐俗稱火焰爐，也可按爐型和爐體結(jié)構(gòu)細(xì)分為很多種，見圖2—12—1。
2．電阻反射爐的優(yōu)缺點(diǎn)
電阻反射爐的優(yōu)點(diǎn)是：水蒸氣含量少，燒損小，爐溫控制準(zhǔn)確，熔煉的金屬質(zhì)量高；沒有噪音，沒有燃燒廢氣，工作環(huán)境好；結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，維護(hù)保養(yǎng)簡便。缺點(diǎn)是：加熱元件只能安裝在爐頂，單位功率不大(通常為30～40 kW/m2)，不僅生產(chǎn)率低，而且爐子占地面積較大；熱效率比火焰爐高，但比感應(yīng)爐低；另外，由于金屬熔體和熔劑對加熱元件的腐蝕作用，不僅給操作帶來困難，而且需要經(jīng)常更換加熱元件。
3．感應(yīng)電爐的優(yōu)缺點(diǎn)
感應(yīng)電爐的優(yōu)點(diǎn)：①熱量產(chǎn)生在金屬材料本身；合金燒損少，熔化速度快，熱效率高；②有電動攪拌作用，使熔體的成分和溫度更為均勻，而且減輕了工人爐前操作的勞動強(qiáng)度；③熔體表面積和熔體體積的比可以盡可能小，減小了合金氧化、吸氣的機(jī)會。同時，爐內(nèi)水蒸氣含量少，溫度易于調(diào)節(jié)和控制，熔體品質(zhì)高；④煙塵少，噪音小，作業(yè)環(huán)境好。感應(yīng)電爐的缺點(diǎn)是：電器設(shè)備費(fèi)用較高。兩種類型的感應(yīng)電爐相比較，熔溝式有芯感應(yīng)爐具有原始功率因數(shù)較高(一般為0.3%～0.5%)、設(shè)備投資少(約為同容量坩堝式無芯感應(yīng)爐的一半)、熱效率較高的優(yōu)點(diǎn)。但這種爐子開爐操作較復(fù)雜，必須留20%～30%的起熔體，攪拌作用不如坩堝式強(qiáng)烈。熔溝的工作條件惡劣(同時受高溫、金屬靜壓和電磁力的沖刷作用，而熔溝壁很薄，由內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力很大)、壽命較短、且易為爐渣所堵塞。所以，熔溝式有芯感應(yīng)爐多用于產(chǎn)量大、合金品種少、晝夜連續(xù)作業(yè)、爐料以新錠和大塊料為主的場合。坩堝式無芯感應(yīng)爐的優(yōu)點(diǎn)是：攪拌作用比熔溝式爐強(qiáng)烈，熔煉溫度更高(可達(dá)l600℃，比熔溝式爐高100～200℃)，在有效容量相同的條件下，輸入功率比熔溝式爐可大數(shù)倍，因而熔化速度快，而且合金轉(zhuǎn)組方便，爐結(jié)的清理和維修都較方便。缺點(diǎn)是原始功率因數(shù)低(通常小于0.2)，單位產(chǎn)量能耗較高，熱效率較低。為了提高功率因數(shù)，需要有相當(dāng)數(shù)量的補(bǔ)償電容器。而且，坩堝爐多為單相，一般需要三相平衡裝置。對于中頻感應(yīng)爐，還需有變頻設(shè)備，因而使?fàn)t子造價(jià)更高。這種爐子主要用于中間合金熔制，廢料重熔，合金轉(zhuǎn)換頻繁及間隙作業(yè)的場合。在坩堝式無芯感應(yīng)爐中，隨著電流頻率增大，電流滲透深度減小(見表2—12—1)，集膚效應(yīng)更明顯，攪拌作用減弱。但由于磁力線變化頻率提高，金屬的渦流電勢增大，爐料中熱能增加，因而熔化速度和熱效率提高，起熔也很容易。反之，工頻爐傳遞功率困難，熔化速度和起熔速度都比較慢。但工頻爐不需要變頻裝置，設(shè)備投資較省，在使用和維護(hù)方面比較簡單，常用于大容量的爐子。
表2—12—1鋁在不同頻率下的電流滲透深度
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電流頻率/Hz |
25 |
50 |
500 |
1000 |
10000 |
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物態(tài) |
固態(tài) |
液態(tài) |
固態(tài) |
液態(tài) |
固態(tài) |
液態(tài) |
固態(tài) |
液態(tài) |
固態(tài) |
液態(tài) |
|
電流滲透深度/cm |
1.7 |
5.2 |
1.2 |
3.68 |
0.38 |
1.16 |
0.27 |
0.82 |
0.085 |
0.26 |
4．火焰爐的優(yōu)缺點(diǎn)
火焰爐的最大優(yōu)點(diǎn)是熔化速度快，爐子容量可以做得很大，因而產(chǎn)量高，成本低。缺點(diǎn)是：火焰直接與金屬接觸，易燒損，易造成局部過熱，爐子中水蒸氣含量高，熔體吸氣量多(應(yīng)該指出：在嚴(yán)格遵守熔煉、精煉及轉(zhuǎn)注工藝的條件下，也能得到滿意的熔體品質(zhì))；由于燃燒廢氣帶走大量熱量，在不采取余熱利用措施的前提下，與電爐比較，爐子的熱效率低；此外，在采用氣體或液體燃料時噪音較大，在排煙和通風(fēng)設(shè)備不健全的情況下，燃燒廢氣有可能污染車間空氣，惡化作業(yè)環(huán)境。
1)固定式矩形爐
這種爐子[見圖2—12—2(a)]的側(cè)壁設(shè)有爐門，用裝料機(jī)或人工將冷料經(jīng)爐門裝入爐內(nèi)．爐子的端面上安裝的油噴嘴或煤氣燒嘴向液面略有傾斜。這種爐子具有如下特點(diǎn)：①能隨意設(shè)計(jì)爐子容量的大?。虎诳梢粤舫鲚^大的裝料口；③易于小修；④設(shè)備費(fèi)比傾動式爐便宜。對于容量為30～40 t的這種爐子，其熱效率可達(dá)25%～35%。安裝換熱器后，熱效率可達(dá)40%～55%(見表2—12—2)。
表2—12—2南海通潤熔鋁爐主要技術(shù)性能
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爐子型號 |
TRRl2 |
TRR25 |
TRR45 |
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容量/t |
12 |
25 |
45 |
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爐架及爐殼材料 |
型鋼+全包鋼板 |
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熔池材料 |
一級高鋁磚 |
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隔熱材料 |
輕質(zhì)保溫磚 |
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結(jié)構(gòu)形式 |
斜爐門拱頂矩形爐 |
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燃料種類 |
0#輕柴油 |
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噴嘴類型 |
環(huán)保型高效節(jié)能蓄熱式噴嘴 |
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燃燒能力/kg·h-1 |
350 |
續(xù)表2-12-2
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爐子型號 |
TRRl2 |
TRR25 |
TRR45 |
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燃料單耗/kg·(tAl)-1 |
50～70 |
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排煙溫度/℃ |
≤200 |
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工作方式 |
一隊(duì)噴嘴交替燃燒 |
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裝機(jī)電容量/kW |
40 |
43 |
80 |
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控制方式 |
微電腦智能化控制(全自動或手動) |
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爐墻外表面溫度/℃ |
室溫+45 |
這種爐子還可以設(shè)計(jì)成雙膛熔化-靜置爐、雙膛雙向爐(見圖2-12-3)、帶前床的熔煉爐(見圖2-12-4)和干燥爐床。
雙膛熔化-靜置爐，一個爐膛熔化，另一個爐膛靜置，起到利用廢氣余熱保溫、提高熱效率的作用。同時在靜止?fàn)t膛也裝有燒嘴，防止鋁液降溫。雙膛雙向爐由兩個爐膛組成，共用一個靜置爐，爐子兩端根據(jù)容量大小各安裝有1～3個燒嘴。一個爐膛熔化時，另一個爐膛對爐料進(jìn)行預(yù)熱，交替進(jìn)行，周而復(fù)始，可使燃燒廢氣排放溫度降低到350℃左右，從而使熱效率提高15%～20%。
帶前床的熔煉爐就是把固定式矩形熔煉爐的側(cè)面和稱為前床的加熱室相連，并有敞開式液體金屬槽的爐子。前床部分主要是為了熔煉廢料而設(shè)置的。將廢料裝入前床，靠熔融金屬液本身的熱量來熔化。加熱室和前床之間的隔墻用能升降的撇渣門隔開，一邊用泵使金屬液循環(huán)，一邊促使廢料熔化。這種爐子可使廢料金屬的燒損大大降低，但爐子的熱效率會降低到20%～25%。
干燥爐床的爐膛斷面是傾斜的階梯形，用于從含鐵的鋁廢料中分離鐵雜質(zhì)。
2)固定式圓形爐
在火焰爐中，采用頂部加料的圓形爐(見圖2—12—5b)與矩形爐比較具有很多優(yōu)點(diǎn)：①裝爐時問短，縮短了熔化周期；②燃燒氣體在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)，火焰呈一定角度噴向液面，加強(qiáng)了對流傳熱，不僅爐溫比較均勻，而且加快了熔化速度，提高了熔化能力和熱效率(對于容量為30～40 t的爐子，熱效率可達(dá)40%)；③在容量和表面積相同的情況下，熔池深度較小，而在容量和熔池深度相同的情況下，占地面積也較小：④減輕了勞動強(qiáng)度；⑤簡化了耐火材料結(jié)構(gòu)，減少了砌磚工作量；⑥因?yàn)樯喜磕艹ㄩ_，修爐時，爐子冷卻快，易于修補(bǔ)。但圓形爐的爐頂開蓋及移動機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，建設(shè)投資比同容量矩形爐稍大。
3)固定式豎式爐
這是我國科技人員開發(fā)的一種節(jié)能性熔鋁爐(見圖2—12—6)，從上世紀(jì)80年代初至今，經(jīng)過20多年的不斷完善，現(xiàn)在基本上已在鋁加工行業(yè)推廣使用。這種爐子目前形式很多，有矩形、也有圓形，叫法不一，有人稱快速熔鋁爐，也有人稱L形熔鋁爐，還有人稱沖天爐、塔形爐和豎式爐等，其實(shí)基本都屬于這一類。這種爐子由底爐、豎爐、燃燒系統(tǒng)、空氣預(yù)熱系統(tǒng)、排煙及控制系統(tǒng)等組成。采用翻斗式機(jī)械加料或爐頂平臺人工加料。豎爐中爐料和空氣預(yù)熱器利用煙氣預(yù)熱，因此，具有較高的熱效率。其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2—12—3和表2—12—4。
表2—12—3固定豎式熔鋁爐主要規(guī)格和枝術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
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規(guī) 格 |
L5 |
L8 |
L10 |
L12 |
L15 |
L20 |
L25 |
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額定容量/t 熔化速度/t·h-1 油耗/kg·t Al-1 |
5 ≥2.5
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8 ≥3．O
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10 ≥4.0
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12 1>4.0 45-55 |
15 ≥5.0
|
20 ≥5.5
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25 ≥7.0
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金屬損耗/% 大修爐齡/a 排煙 |
≤1.5 ≥3 ≤150%，林格曼一級 |
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產(chǎn)品型號 |
額定容量/t |
額定功率 /kW |
額定電壓 /N |
額定溫度 /℃ |
相數(shù) |
熔池尺寸 /mm |
熔化效率 /t·h-1 |
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RLR一165—9-1 RLR一300—9-3 RLR一525—9-6 RLR一680—9-9 RLR一800—9-12 RLR一500—9-15 RLR一800—9-18 RLR—l000—9—24 RLR—l200—9—40 |
1 3 6 9 12 15 18 24 40 |
165 300 525 680 800 500 800 1000 1200 |
380 380 380 380 380 380 380 380 380 |
950 950 950 950 950 950 950 950 950 |
3 3 3 3 3 3 3 3 3 |
2500×1700×240 3320×2200×310 5060×2500×300 6500×2500×350 6000×3000×500 7300×2500×480 8000×3000×500 10000×3000×500 12000×3000×500 |
0.25 0.45 0.80 1.05 1.20 0.75 1.20 1.50 1.80 |
電阻靜置爐在結(jié)構(gòu)上與電阻熔化爐相似，只是熔池要稍微深一些，熔池鏡面積要小一些，而且配置的電功率大約只有同容量熔化爐的50%～60%。幾種國產(chǎn)電阻靜置爐的主要技術(shù)性能見表2—12—7。
表2—l2—7國產(chǎn)RLB系列電阻靜置爐(保溫爐)主要技術(shù)性能
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產(chǎn)品型號 |
額定容量 /t |
額定電壓 /V |
額定功率 /kW |
額定溫度 /℃ |
熔池尺寸 /mm |
相數(shù) |
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RLB一240—9—6 RLB一250—9—10 RLB一300一9—15 RLB一600—9一l8 RLB一500—9—24 RLB一600—9—24 RLB一700—9—40 |
6 10 15 16 24 24 40 |
380 |
240 250 300 600 500 600 700 |
900 |
3370×2500×510 4910×2000×578 5122×2400×728 7300×2500×680 6900×2600×750 7400×2840×763 9950×3000×795 |
3 |
四、感應(yīng)式熔煉爐
感應(yīng)式熔煉爐是按變壓器的原理工作的。在感應(yīng)線圈中通過交變電流時，在感應(yīng)線圈內(nèi)便產(chǎn)生一個交變磁場。位于交變磁場中的金屬在感應(yīng)電勢的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于金屬具有一定的電阻，根據(jù)焦耳-楞次定律，就有熱量產(chǎn)生，從而使金屬加熱熔化。在熔溝式有芯感應(yīng)爐中，帶鐵芯的感應(yīng)線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈，被加熱的金屬置于環(huán)繞在感應(yīng)線圈外圍的熔溝之內(nèi)，相當(dāng)于變壓器的二次線圈。在坩堝式無芯感應(yīng)爐中，不帶鐵芯的感應(yīng)器相當(dāng)于空氣芯變壓器的一次線圈，被加熱的金屬置于坩堝內(nèi)被感應(yīng)器環(huán)繞著，相當(dāng)于變壓器內(nèi)短路連接的二次線圈。
我國鋁加工行業(yè)，除了某些特殊合金及某些原采用工頻有芯感應(yīng)電爐從事銅熔煉的企業(yè)外，采用感應(yīng)熔煉爐來熔制成品鋁合金的不多，只是在生產(chǎn)鋁中間合金時，才用到小容量的中頻或工頻坩堝式無芯感應(yīng)爐。這種感應(yīng)爐通常由爐體、電源、補(bǔ)償電容器和熔煉控制臺等幾部分組成。
中頻坩堝式感應(yīng)爐的爐體由爐架、感應(yīng)器、坩堝、磁軛、緊固裝置和傾爐裝置組成。爐架有固定支架和活動支架兩部分，通常由型鋼焊接而成，并由幾個相互絕緣的單獨(dú)部分組成，以防止在爐架中產(chǎn)生感應(yīng)電流。坩堝、感應(yīng)器等均安裝在活動支架內(nèi)，并隨活動支架一起由傾爐裝置控制翻轉(zhuǎn)。磁軛由硅鋼片疊制而成，主要起磁屏作用，以約束感應(yīng)器的漏磁，防止周圍金屬構(gòu)架發(fā)熱。傾爐裝置隨爐子容量和爐型而異，大致有手動式、電動式和油壓式三種。感應(yīng)器一般用紫銅矩形管繞制而成，且用絹帶或玻璃布半壓纏繞，而后涂以絕緣漆，管間以云母墊片絕緣，以防止短路。由于感應(yīng)器中通過的電流很大，加上坩堝壁傳來的熱量，使得在一殷情況下都必須對感應(yīng)器通水冷卻。冷卻水壓約0.2 MPa，冷卻水量以使出水溫度不大于40℃為宜。為了減少電磁振動力的不利影響，爐體在水平方向和垂直方向均采用緊固裝置將其壓緊。坩堝是爐子的重要組成部分，對它的基本要求是：耐火度高、抗侵蝕性好、急冷急熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度大，并具有較好的絕緣性能。在熔制鋁中間合金時，我國多采用以石英砂為骨料、以硼酸為粘結(jié)劑的酸性材料(通用配方是：2～3mm粒度石英砂42.5%，0.25～0.5 mm粒度石英砂27%，水泥狀細(xì)石英砂25%，硼砂2.5%，水3%)搗制而成。但在生產(chǎn)AlTiB中間合金時，也有采用剛玉砂作爐襯的。坩堝的厚度應(yīng)在保證安全生產(chǎn)的條件下薄一些好，通常在50～150 mm之間。
中頻電源多采用可控硅變頻器，具有效率高、噪音小、運(yùn)行可靠、體小量輕、安裝維護(hù)簡單、輸出功率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在我國已普遍采用。補(bǔ)償電容器是調(diào)整爐子功率因數(shù)用的。圖2—12—11是坩堝式變頻感應(yīng)熔煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
五、火焰爐
火焰爐熔化金屬所需的熱量是靠燃料燃燒裝置供給的。燃燒產(chǎn)物在從燃燒裝置流向煙道的過程中，熱量主要以輻射的形式傳給爐料。為了提高爐子的熔化效率，人們發(fā)展了火焰直接噴射加熱和頂吹加熱的快速熔化爐，在這種爐子中，熱量主要是以對流的方式傳給爐料的。
1．火焰爐的結(jié)構(gòu)
火焰爐的結(jié)構(gòu)形式很多，但通常都是由爐體(包括爐基、爐底、爐墻、爐頂、爐門和金屬構(gòu)架)、燃料燃燒裝置、廢熱利用裝置、煙道和煙囪等幾部分組成的。
常用的固定式矩形爐的爐體結(jié)構(gòu)大致有三種形式(見圖2—12—12)。其中(a)、(b)兩種多用于液體或氣體燃料爐，(c)多用于固體燃料(塊煤)爐。在(a)型爐中，火焰從爐頭進(jìn)入爐內(nèi)，沿熔池物料面經(jīng)過，到爐尾被吸人煙道。在(b)型爐中，爐頂在縱向呈下垂式，火焰從煙道的同一端進(jìn)入爐內(nèi)，從爐頂壓向熔池液面，然后進(jìn)入煙道。這種爐型使火焰緊貼金屬，且燃燒產(chǎn)物在爐內(nèi)停留時間較長，增加了對金屬的輻射傳熱和對流傳熱，因而升溫較快，熱效率較高。在(c)型爐中，火焰從燃燒室越過火墻進(jìn)入爐膛，然后被下垂式弧形爐頂壓向爐料，再進(jìn)人煙道。所有類型的火焰爐，爐基多用混凝土砌筑，在爐基上通常還鋪設(shè)槽鋼或工字鋼，以避免潮濕，并起通風(fēng)散熱作用。熔池一般都砌成倒拱形，以避免爐底上浮。為了防止金屬滲入爐底，在爐底中間一般鋪有一層厚度不大但十分緊密的鎂砂層。為了便于放出金屬，熔池底略向金屬流口方向傾斜1℃～2℃?；鹧鏍t的爐頂一般采用拱頂，拱頂中心角為60°～90°，拱高為跨距的l2%～l5%。根據(jù)爐子容量的大小，爐墻上開有數(shù)量不等的爐門。爐門通常開在爐子正面，其大小主要依加料槽的尺寸和操作情況而定，爐門一般用電機(jī)啟閉，且通水冷卻。金屬構(gòu)架是防止?fàn)t子變形，抵抗砌磚在烘爐或工作過程中產(chǎn)生的膨脹和收縮力，加固爐體。
圖2—12—13是鋁合金圓形熔煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖。這種圓形爐在結(jié)構(gòu)上采用了可開啟的爐蓋，爐蓋周邊采用冷卻套。在爐蓋的上面有爐蓋提升裝置。加料方式是用天車吊運(yùn)料斗于頂部加料。四個燒嘴對稱均布在爐墻上，火焰沿切線方向并向下呈一定角度射向爐料。此外，在爐墻上還開有四個呈對稱分布的煙道口。
2．燃料
燃料是火焰爐的熱源，它必須在和適量的空氣混合后易于穩(wěn)定的燃燒，價(jià)格便宜，供應(yīng)可靠，同時在運(yùn)輸及貯存方面應(yīng)安全方便。燃料根據(jù)物態(tài)分為氣體、液體和固體三類。目前，鋁加工行業(yè)主要使用氣體和液體燃料。
1)氣體燃料
(1)氣體燃料的優(yōu)缺點(diǎn)
氣體燃料的優(yōu)點(diǎn)是：①燃燒效率高，用很少的過?？諝饩湍芡耆紵?；②能保持穩(wěn)定的燃燒，它不像固體或液體燃料那樣必須經(jīng)氣化或霧化并與空氣混合后才進(jìn)行燃燒。由于燃料本身是氣體，和空氣極易混合，一經(jīng)混合即可燃燒。因此，點(diǎn)火、控制、熄火都很容易；③可用排出煙氣的余熱來預(yù)熱燃料本身(由于高溫下燃料會分解，預(yù)熱溫度受到一定限制)；④灰分含量接近于零；⑤和固體、液體燃料相比較，氣體燃料成分中含氫多，含碳少，所以不易產(chǎn)生黑煙。氣體燃料的缺點(diǎn)是：①和固體、液體燃料相比較，單位體積的發(fā)熱量小，所以輸送管道、貯存或搬運(yùn)都要多花錢；②氣體大多無色、無臭，因此失火、中毒的危險(xiǎn)性大。氣體燃料的種類很多，但都由可燃成分和不可燃成分組成?？扇汲煞种饕獮樘?xì)浠衔铩錃夂鸵谎趸嫉?，不可燃成分有氮?dú)狻⒍趸己退魵獾?。目前，國?nèi)鋁加工行業(yè)常用的氣體燃料及與燃料有密切關(guān)系的各種氣體的性質(zhì)見表2—12—8。
表2—12—8各種常用燃?xì)獾慕M成和特性
(2)天然氣
天然氣是從地下打出的可燃?xì)怏w的總稱。天然氣又分兩類：一類在地底的高壓下溶于原油，流近地表時因壓力下降而與原油分離，稱為油井拌生氣；一類溶于地下水層，流近地表時與水分離，稱為氣井氣和煤田氣。油井拌生氣的可燃成分幾乎全為甲烷，氣井氣除甲烷外還含有較多的乙烷、丙烷等重碳?xì)浠衔铩Ｒ约淄闉橹鞒煞值奶烊粴?，靠制冷劑冷卻至-162℃，成為液態(tài)，稱為液化天然氣(LNG)，以便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。LNG的優(yōu)點(diǎn)是含硫低，從防止公害角度看，是一種受歡迎的燃料。
(3)石油氣
石油氣是和原油一起從油井噴出的，也可從煉油和石油化工的副產(chǎn)品或者粗汽油等中回收。從油井得到的石油氣多由鏈烷烴組成，由其他來源得到的石油氣因產(chǎn)地不同，有時會含有大量鏈烯烴。由于石油氣常溫下加壓時容易液化，故多加工成液化石油氣(LPG)，以便于運(yùn)輸和儲存。使用LPG時，必須注意以下兩點(diǎn)：
①LPG的汽化潛熱高達(dá)90～100 kcal/kg，冬季在寒冷地區(qū)使用含C4以上的LPG時，要考慮連續(xù)加熱或采取必要的保溫措施，以保證連續(xù)供氣；
②石油氣燃燒所需的空氣量比其他燃料的大，天然氣約需9 m3/m3，而丙烷和丁烷就要24～31 m3/m3的空氣。選用或設(shè)計(jì)燃燒裝置時，要特別在空氣的混合問題上想辦法。從表2—12—8可知，它們的爆炸極限范圍狹窄，因而必須注意安全問題。
(4)發(fā)生爐煤氣
發(fā)生爐煤氣、水煤氣是將固體燃料(主要是煙煤、無煙煤或焦炭)在專用煤氣發(fā)生爐內(nèi)進(jìn)行氣化而得到的氣體可燃物。以空氣作氣化劑而得到的煤氣叫空氣發(fā)生爐煤氣，以水蒸氣作氣化劑而得到的煤氣叫水煤氣，以空氣和水蒸氣的混合物作氣化劑而得到的煤氣叫混合發(fā)生爐煤氣。針對我國煤炭資源豐富的特點(diǎn)，國內(nèi)設(shè)計(jì)開發(fā)了多種型號的熱煤氣發(fā)生爐。這種熱煤氣發(fā)生爐以不粘結(jié)性煙煤或焦碳為燃料，生產(chǎn)出的熱煤氣經(jīng)干式除塵后直接供給熔鋁爐。實(shí)踐證明，這種爐子具有出口溫度高(400～500℃)、熱值較高(1350～1600 kcal/m3)、能充分利用煤氣的顯熱和焦油燃燒熱，沒有含酚及焦油的污水排出等特點(diǎn)。但熱煤氣出口壓力低(小于l00 mmHg)、輸送距離短(小于60 m)，且為了防止煤氣冷卻和焦油蒸汽的冷凝，煤氣輸送系統(tǒng)的各個設(shè)備均需保溫。目前，鋁加工行業(yè)還有一些小規(guī)模廠，將煤氣發(fā)生爐和熔鋁爐設(shè)計(jì)成一個整體，采用爐頂加煤(煙煤)或側(cè)面加煤(無煙煤)的方式，直接用煤作燃料，熔煉鋁合金。一臺15 t的熔鋁爐，平均煤耗約l50 kg/tAl。由于未對煤氣采取除塵措施，環(huán)保和衛(wèi)生條件較差。
2)液體燃料
(1)液體燃料的優(yōu)缺點(diǎn)
在鋁合金熔煉爐中用得最多的液體燃料是柴油和重油。液體燃料與氣體和固體燃料比較，其優(yōu)點(diǎn)是：
①單位發(fā)熱量的成本低；
②裝運(yùn)及儲存費(fèi)用低；
③計(jì)量準(zhǔn)確容易；
④噴嘴的霧化性能好，可得到和氣體燃料相同的燃燒效果。
其缺點(diǎn)是：
①燃燒溫度高，易引起局部過熱；
②與氣體燃料相比，控制流量的精度低；
③燃燒噪音大；
④含硫化物和氮化物的液體燃料，都會相應(yīng)產(chǎn)生S0x及N0x，污染空氣。
表2—12—9列出了常用液體燃料的性質(zhì)。
(2)燃料油及其操作特性
重油是蒸餾石油后的剩余物，呈褐黑色或綠黑色，我國標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0356--1996中將家用或工業(yè)燃燒器用燃料油分為8個牌號(見表2一l2—10)。1號和2號是餾分燃料油，適用于家用和工業(yè)小型燃燒器，特別是l號適用于氣化燃燒器，或用于儲存條件要求低傾點(diǎn)的場合。
表2—12—10 燃料油的后昌標(biāo)準(zhǔn)（摘自SH/T 0356—1996）
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項(xiàng) 目 |
1號 |
2號 |
4號輕 |
4號 |
5號輕 |
5號重 |
6號 |
7號 |
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閉口閃點(diǎn)/℃ 開口閃點(diǎn)/℃ 運(yùn)動粘度/×l0-4m2·S-1 40℃ 100℃ 密度(20℃)／kg·m-3 硫分ш/% 灰分ш/% 水和沉淀物φ% 傾點(diǎn)/℃ |
38 —
1.3～2.1 ≤846 ≤0.50 0.05 ≤-l8 |
38 —
1.9～3.4 ≤872 ≤0.50 0.05． ≤-6 |
38 —
1.9～5.5 ≥872 ≤0.05 0.05 ≤-6 |
55 —
5.5～24 ≤0.10 0.05 ≤-6 |
55
5.O～8.9 ≤0.15 1.0 |
55
9.0～14.9 ≤0.15 1.0 |
60
15.0～50 2.0 |
130
≤185 3.0 |
4號輕和4號是重質(zhì)餾分燃料油，或者是餾分燃料油與殘?jiān)剂嫌突旌隙傻娜剂嫌?，適用于要求該粘度范圍的工業(yè)燃燒器。其余四個牌號是粘度范圍遞增的殘?jiān)剂嫌?，適用于工業(yè)燃燒器。為了便于裝卸和霧化，此類燃料油通常需要預(yù)熱。
燃料油具有下列重要的操作特性：
①粘度。粘度是燃料油的重要指標(biāo)，粘度過大，不僅管道輸送不便，還會使燃料油的霧化性能惡化，噴出的油滴過大，造成燃燒不完全，燃燒爐熱效率下降。輸送燃料油合適的粘度為(5～10)×10-4 m2/s，霧化所需的粘度為(0．2～0.45)×10-4 m2/s。所以，使用粘度較大的燃料油時必須經(jīng)過預(yù)熱，以保證噴嘴所要求的適當(dāng)粘度。但應(yīng)注意，預(yù)熱溫度過高時，燃料油會劇烈氣化和起泡沫，火焰產(chǎn)生跳動，甚至引發(fā)火災(zāi)。燃料油的溫度與運(yùn)動粘度的關(guān)系見圖2—12—14。
表2—12—9商品液體燃料的性質(zhì)(供參考)
③閃點(diǎn)。閃點(diǎn)是衡量燃料油是否有著火危險(xiǎn)的指標(biāo)。閃點(diǎn)愈低，著火的危險(xiǎn)愈大，同時放出有害蒸汽，惡化勞動條件。從安全考慮，燃料油的預(yù)熱溫度需要低于閃點(diǎn)5～10℃。
SH/T 0356--1996規(guī)定了7號燃料油的開口閃點(diǎn)和其他7個牌號燃料油的閉口閃點(diǎn)。這里應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)，重油混入輕質(zhì)油后的閃點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于按兩者的混合比所求得的溫度，對此必須注意。
④、傾點(diǎn)。傾點(diǎn)反映燃料油的低溫性能。傾點(diǎn)與燃料油的含蠟量有關(guān)，石蠟基原油生產(chǎn)的燃料油因含蠟較多而傾點(diǎn)較高。對于低粘度的燃料油，為了保證它在運(yùn)輸和使用中的流動性，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對其傾點(diǎn)作了規(guī)定。對于高粘度燃料油，因使用時均需預(yù)熱，一般不控制傾點(diǎn)。
⑤、灰分。原油中含有有機(jī)金屬化合物和微小的無機(jī)物，灰分為鐵、硅、鋁、鈣、鎂、鈉、鎳、釩等的氧化物。其中釩和鈉結(jié)合后成為低熔點(diǎn)化合物，如溫度在620～650℃以上，附著在噴嘴、爐墻磚、耐熱鋼的表面時，進(jìn)而成為共融體，侵蝕噴嘴和爐墻。所以，專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對灰分作了規(guī)定。
輕柴油是壓燃式發(fā)動機(jī)所用的燃料，但國內(nèi)鋁加工行業(yè)還有不少企業(yè)采用輕柴油作為熔鋁爐的燃料。輕柴油的沸點(diǎn)為185～340%，由含C11～C9。的碳?xì)浠衔锝M成，密度在0.82～0．87 g/cm3之間。我國GB/T 252—1994標(biāo)準(zhǔn)將輕柴油牌號按含硫量分為優(yōu)級品(含硫≤0.2%)、一級品(含硫≤0.5%)和合格品(含硫≤1.O%)三個等級，每個等級再按凝固點(diǎn)分為l0號、0號、-10號、-20號、-35號、-50號6個牌號(見表2—12—11)。實(shí)際生產(chǎn)中，大多采用0號輕柴油。
3．燃料燃燒裝置
1)對燃燒裝置的基本要求
爐子中用來燃燒燃料的部分，稱為燃料燃燒裝置。塊狀固體燃料的燃燒裝置叫燃燒室，液體燃料的燃燒裝置叫噴嘴，氣體燃料的燃燒裝置叫燒嘴。
對燃料燃燒裝置總的要求，①能保證向爐膛供給具有預(yù)定的溫度和數(shù)量的燃燒產(chǎn)物；②結(jié)構(gòu)盡可能簡單、結(jié)實(shí)、耐熱，以便于操作、檢修、和拆換；③容許調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)燃料燃燒的數(shù)量和爐內(nèi)氣氛；④同時使用的各燒嘴性能必須一致。
對燒嘴的基本要求，①著火容易，火焰穩(wěn)定性好，既不回火，也不脫火；②燃燒效率高、不完全燃燒損失小，節(jié)約能源；③燃燒速率高、燃燒強(qiáng)烈，燃燒熱負(fù)荷高；④燃燒產(chǎn)物有害物質(zhì)少，對大氣污染少，利于保護(hù)環(huán)境；⑤傳熱性能好，可以充分利用爐膛；⑥燒嘴產(chǎn)生的火炬特性能符合工藝過程的要求，在保持煤氣和空氣所要求的混合比的前提下，能自動調(diào)節(jié)燒嘴的工作；⑦操作方便，制造和維護(hù)費(fèi)用不高。
對噴嘴的基本要求是：①能使液體燃料霧化良好；②能使燃料與空氣精細(xì)而均勻地混合；③能精確而方便地調(diào)節(jié)油耗量，并在整個調(diào)節(jié)過程中保持空氣和燃料的正確比例；④能保證穩(wěn)定的燃燒；⑤結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，操作方便，不堵塞、不漏油；⑥檢查、修理和清掃容易而方便。
2)氣體燃料燒嘴
燃?xì)馊垆X爐常用的燒嘴有低壓有焰燒嘴和高壓無焰燒嘴兩類。低壓和高壓是對燒嘴正常工作時所需的燃?xì)鈮毫Χ缘?，有焰和無焰是按產(chǎn)生火焰的黑度而言的。也可根據(jù)燃?xì)夂涂諝獾牟煌旌戏绞?，分為外部混合?即有焰燒嘴)、內(nèi)部混合式(即無焰燒嘴)和半混合式三大類。
(1)低壓有焰燒嘴
圖2—12一l5所示是用于發(fā)生爐煤氣熔鋁爐的渦流旋風(fēng)式低壓有焰燒嘴。發(fā)生爐煤氣從煤氣管接頭進(jìn)入后沿?zé)?呈直線流股噴出，空氣從空氣管接頭處進(jìn)入旋渦室2沿噴嘴外的螺旋筋呈旋渦式回旋，在噴口處與煤氣流股相遇，使之在混合室3中混合并著火燃燒。該燒嘴的主要技術(shù)性能是：
燒嘴前煤氣壓力/mmH20 200～400
燒嘴前空氣壓力/mmH20 200～400
煤氣溫度/℃ 20
空氣溫度/℃ 20
燒嘴能力/標(biāo)m3.h-1 300～500
過?？諝庀禂?shù) 1.1
這種外混式低壓有焰燒嘴具有如下特點(diǎn)：
①燃燒速度(即火焰?zhèn)鞑ニ俣?較慢。因?yàn)槊簹馀c空氣在燒嘴內(nèi)部未形成可燃性的混合氣體，從燒嘴進(jìn)入爐內(nèi)后才邊混合邊燃燒。也由于不在燒嘴內(nèi)形成可燃混合氣體，所以，既能使用高溫預(yù)熱的助燃空氣，也能使用預(yù)熱的煤氣。
②因?yàn)槿紵俣容^慢，因此為防止回火所需的煤氣壓力較小，對于熱值為l250 kJ/m3的發(fā)生爐煤氣，只需100～150 mmH20即可。
③由于煤氣和空氣混合情況不太好，一則使要求的過剩空氣系數(shù)較大，實(shí)際燃燒溫度較低(從而使燃燒室熱強(qiáng)度較小，壽命增長)；二則使煤氣中的部分碳?xì)浠衔镌谌毖醯臈l件下受熱分解，析出固體小碳粒，從而使火焰黑度高、輪廓清晰可見，且沿火焰長度方向溫度分布較均勻。
④因?yàn)槿紵俣嚷?，燃燒室熱?qiáng)度較小，故允許的燒嘴直徑較大，燒嘴能力的調(diào)節(jié)范圍很寬。
⑤適當(dāng)選定噴口結(jié)構(gòu)和煤氣及空氣的噴出速度，可以得到不同亮度、長度和溫度特性的火焰。
由上可見，外混式低壓有焰燒嘴產(chǎn)生的火焰長，溫度分布比較均勻，生產(chǎn)能力較大，而要求的煤氣壓力較低，故廣泛用于爐膛容積和熔池面積較大，以熱值較低的發(fā)生爐煤氣作為燃料的熔煉爐。
(2)高壓無焰燒嘴
圖2—l2—16所示是用于天然氣爐的雙管半噴射式高壓無焰燒嘴。高壓天然氣從帶法蘭盤的煤氣管1以很高的速度沿煤氣噴口3噴出。從大氣中自動吸人一定量的一次空氣，一次空氣的進(jìn)入量可借一次空氣調(diào)節(jié)盤2進(jìn)行調(diào)節(jié)。天然氣和一次空氣在混合器4中進(jìn)行混合，然后從混合物噴口5噴出，并與由二次空氣箱8進(jìn)來的熱空氣在燒嘴端部6進(jìn)行混合，并在燃燒坑道7內(nèi)著火燃燒。該燒嘴的主要技術(shù)性能是：
燒嘴前天然氣壓力/mmH20 1500～3000
燒嘴前二次空氣壓力/mmH20 200～400
天然氣溫度/℃ 20
二次空氣預(yù)熱溫度/℃ 300
燒嘴能力/標(biāo)m2.h-1 50～100
過?？諝庀禂?shù) l.05
這種半混合式高壓無焰燒嘴具有如下特點(diǎn)：
①由于煤氣和空氣在入爐前已利用煤氣的動能從大氣中吸人30%～70%的空氣(可調(diào)節(jié))，并用文式管使空氣和煤氣預(yù)先混合，因此燃燒速度快。
②燃燒時，煤氣中碳?xì)浠衔飦聿患盁岱纸?，火焰中固體碳粒少，故火炬短、黑度小，幾乎看不到火焰。
③為了使混合達(dá)到均勻，得到合適的混合氣體壓力，要求有較高的煤氣壓力，一般在1000 mmH20以上。
④由于煤氣和空氣混合均勻，故要求的過剩空氣系數(shù)較低，實(shí)際燃燒溫度較高，但高溫集中在燒嘴附近，燃燒室熱強(qiáng)度大。
⑤由于煤氣和空氣在燒嘴內(nèi)要預(yù)先混合(混合氣體大多數(shù)情況下都在爆炸范圍內(nèi))，又因?yàn)槿紵俣瓤?，所以，為了防止回火和爆炸，一要限制煤氣和空氣的預(yù)熱溫度(一般把混合氣體溫度控制在350℃以下)；二要縮小混合氣體的出口直徑，這樣使燒嘴能力變小。
由上可見，半混合式高壓無焰燒嘴產(chǎn)生的火矩短(可通過調(diào)節(jié)一次空氣量來改變火焰的長度和亮度)、溫度高，燒嘴能力較小，而要求的煤氣壓力較高，故比較適用于以熱值較大的天燃?xì)庾鳛槿剂系娜蹮挔t。對于爐膛大、熱負(fù)荷大的熔煉爐，應(yīng)采用多個燒嘴，合理布置以滿足對爐溫的要求。
(3)預(yù)混式無焰燒嘴
內(nèi)部混合式燒嘴又稱預(yù)混式無焰燒嘴。這種燒嘴的特點(diǎn)是煤氣和燃燒所必須的全部空氣已預(yù)先在燒嘴內(nèi)完全混合好，混合氣體噴出后就能燃燒，因而不需要用二次空氣助燃。這種燒嘴能實(shí)現(xiàn)快速燃燒，能獲得高溫，通過正確調(diào)節(jié)煤氣和空氣的混合比例，能形成所需要的爐內(nèi)氣氛。但是，這種燒嘴燃燒不穩(wěn)定，在控制不好的情況下，可能出現(xiàn)回火或脫火。所謂回火，指噴出口處混合氣體的噴出速度低于燃燒速度的現(xiàn)象。發(fā)生回火時，火焰自燒嘴內(nèi)部回竄到管道中，一直到混合部位止。因此，即使燃燒量降到最低時，也必須使混合氣體的噴出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃燒速度。所以，只有供應(yīng)高壓的混合氣體才能擴(kuò)大燃燒調(diào)節(jié)范圍。所謂脫火，指混合氣體的噴出速度過大時，火焰脫離管口的現(xiàn)象。所以通常采用的使燃燒穩(wěn)定的辦法主要有二：①讓混合氣體從許多小孔噴出，在各噴出口附近使氣體形成渦流而減速；②讓氣流噴到耐火材料表面上而減速。這種燒嘴目前在熔鋁爐中用的不多。
(4)高速燒嘴
為了加強(qiáng)對流傳熱的效果，提高熔化速度和熱效率，鋁行業(yè)20年前便開始使用高速煤氣燒嘴(見圖2—12—17)，這種燒嘴，煤氣和空氣從各自噴口噴出后，迅速混合，燃燒室熱負(fù)荷高，產(chǎn)生高速煙氣(約90 m/s)可以強(qiáng)化傳熱。根據(jù)美國J．J．Wiesner的實(shí)踐，對流式熔煉可使熔鋁所需的能耗在傳統(tǒng)輻射式熔煉的基礎(chǔ)上降低20%～40%。按照他的意見，在設(shè)計(jì)對流式熔鋁爐時，應(yīng)考慮下列因素的影響：①直徑小而數(shù)量多的燒嘴可增大對流傳熱，設(shè)計(jì)中要考慮多個燒嘴的綜合作用；②高速氣體有利于對流傳熱；③燒嘴靠近爐料，可避免熱氣體速度的降低，從而增大傳熱量；④塊狀爐料有利于對流傳熱，松散的塊狀料可確保氣體接觸較大的傳熱面積；⑤裝爐方式在某些情況下會影響傳熱；⑥往熔體內(nèi)加料會降低對流傳熱效果，因?yàn)橐簯B(tài)金屬減小了傳熱面積；⑦當(dāng)所有爐料尚處于固態(tài)，熔煉開始時的對流傳熱效果最大。隨著熔煉過程進(jìn)行，對流傳熱優(yōu)越性逐漸消失，只要一出現(xiàn)平坦的熔池液面，對流與輻射相比就沒有優(yōu)越性；⑧預(yù)熱空氣或通入富氧空氣而提高火焰溫度，會有利于傳熱。
(5)蓄熱式燒嘴
為了利用燃燒廢氣的余熱，最近開發(fā)了再生蓄熱式燒嘴，其結(jié)構(gòu)見圖2—12—18。關(guān)于再生蓄熱式燒嘴的使用見本節(jié)廢熱回收裝置部分。
3)液體燃料噴嘴
按照霧化方法，所有液體燃料噴嘴可以分為油壓霧化式機(jī)械噴嘴(含槍式噴嘴)、高壓氣流霧化式噴嘴、低壓空氣霧化式噴嘴(含旋杯式噴嘴)等多類。另外，按照霧化劑的種類，可分為空氣噴嘴、蒸汽噴嘴和富氧噴嘴三類。按照燃料種類，還可分為油噴嘴和兩用噴嘴(含油-煤氣混燒噴嘴和交替使用兩種油料的噴嘴)。
(1)高壓噴嘴
使用壓力在0.2～1.0 MPa的氣體(壓縮空氣或蒸汽)作為燃料油的霧化介質(zhì)，利用氣流的動能將油滴霧化的噴嘴叫高壓氣流式噴嘴，簡稱高壓噴嘴。根據(jù)油和霧化介質(zhì)的混合位置的不同，高壓噴嘴又可分為內(nèi)部混合式和外部混合式(見圖2—12—19a、b、c)。高壓噴嘴具有下述特點(diǎn)：①構(gòu)造簡單，與油壓式比較，其噴出孔不易堵塞，即使高粘度重質(zhì)油也能充分霧化，適于連續(xù)使用。②與低壓噴嘴比較，其霧化介質(zhì)用量少但霧化效果良好。內(nèi)混式和外混式比較，內(nèi)混式的霧化介質(zhì)用量少些。③霧化介質(zhì)噴出的時候，對周圍空氣有大的吸引力，因此無論自然通風(fēng)還是強(qiáng)制通風(fēng)都可以使用。④噴油量的調(diào)節(jié)范圍寬，可達(dá)8:1～6:1。高壓噴嘴的技術(shù)特性見表2—12—12。
表2—12—12高壓氣流式噴嘴的特性表
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類型 項(xiàng)目 |
內(nèi)部混合式 |
外部混合式 |
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空氣 |
蒸汽 |
空氣 |
蒸汽 |
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噴油量/kg·h-1 |
10～5000 |
10～600 |
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油壓/MPa |
0.2～0.9 |
0.02～0.1 |
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霧化介質(zhì)壓力/MPa |
0.3～1.0 |
0.2～O．8 |
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助燃空氣壓力/mmH20 |
0～250 |
0～50 |
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調(diào)節(jié)范圍 |
8:1 |
6:l |
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霧化介質(zhì)用量/m3·(kg油)-1 |
0.2 |
0.25 kg |
0.26 |
0.33 kg |
(2)低壓噴嘴
采用600～1000 mmH20的低壓空氣作為霧化介質(zhì)的噴嘴叫低壓噴嘴。因?yàn)殪F化壓力較低，故要求的霧化劑用量較多，一般將全部燃燒用空氣的30%～l00%作為霧化劑。燃料油靠從油箱自然流下的壓力或0.02～1 MPa的壓力供給噴嘴，在旋轉(zhuǎn)氣流中噴出并霧化?？諝庠谟凸芍車灾本€噴出或以反向旋轉(zhuǎn)方向噴出，同時進(jìn)行兩級或三級霧化，使油和空氣充分的混合。這類噴嘴分為普通型和比例調(diào)節(jié)型兩類(見圖2—12—20、圖2—12—21)。二者霧化機(jī)理相同，只是后者在結(jié)構(gòu)上將油量和空氣量的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連動，用一個手柄操作就能同時按比例地調(diào)節(jié)油量和空氣量。
低壓空氣式油噴嘴的特點(diǎn)如下：①由于可改變空氣噴口的面積，在整個燃燒能力范圍內(nèi)經(jīng)常保持最高風(fēng)速，因此燃燒情況良好。②調(diào)節(jié)范圍寬，達(dá)l:4～1:6。③可以使用粘度高的燃料。④由于比例調(diào)節(jié)型噴嘴的使用，使其自動控制裝置簡單。⑤油和空氣都是低壓，噴出孔直徑稍大，因而不易堵塞，可長期連續(xù)使用。⑥設(shè)備費(fèi)和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低廉。這種噴嘴的缺點(diǎn)是：①使用高粘度重油時油霧顆粒較粗，火焰長。②火焰形狀幾乎一定，根據(jù)爐子形狀等提出的對火焰形狀的要求難以滿足。③構(gòu)造上不宜用于高負(fù)荷燃燒。④需要較大的燃燒室。我國著名熱工專家顏孟秋發(fā)明的ZHC型(可燒重油、原油、渣油及廢油和柴油)、ZH型(燒重油)、C型(燒柴油)顏氏油料燃燒器就屬于這類噴嘴。
(3)機(jī)械霧化噴嘴
油壓式油噴嘴即機(jī)械霧化噴嘴，是將油本身壓力的能量轉(zhuǎn)化成速度，從而霧化的噴嘴。霧化所必須的油壓，隨油的種類及燒油數(shù)量而異，通常為l～7 MPa。油的霧化機(jī)理見圖2—12—22。當(dāng)油從切線方向進(jìn)入圓筒狀的蝸殼內(nèi)時，壓力降低，它的能量轉(zhuǎn)化成回旋速度。在噴孔部位大部分是切線方向的回旋速度，殘存的壓力則造成軸向速度，因此形成喇叭型油膜。已噴出的油膜由于與空氣的摩擦及油的表面張力而霧化。這類噴嘴從結(jié)構(gòu)上可分為循環(huán)型和非循環(huán)型兩類。國產(chǎn)顏式機(jī)械霧化噴嘴結(jié)構(gòu)見圖2—12—23。
油壓式噴嘴的優(yōu)點(diǎn)是：、①燃燒時噪音小。②由于不需要霧化介質(zhì)，設(shè)備費(fèi)及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低。③從結(jié)構(gòu)上講，便于作成大容量的噴嘴。缺點(diǎn)是：①調(diào)節(jié)范圍窄，不宜用在負(fù)荷變動大的場合。②容量小的噴嘴則噴口直徑小，噴頭的前端易于堵塞，維護(hù)比較困難。③因?yàn)橛蛪菏歉邏海瑢ο到y(tǒng)及設(shè)備的維護(hù)要精心。
(4)旋杯式噴嘴
旋杯式噴嘴的霧化機(jī)理如圖2—12—24所示。沿著旋轉(zhuǎn)的杯形件(霧化筒)錐形內(nèi)表面流出的燃料油，由于離心力的作用在前沿被甩出去，在旋杯前端的切線方向上形成薄油膜，并被從杯形件中噴出的一次空氣所霧化。因此可以認(rèn)為，旋杯式噴嘴是低壓空氣霧化式噴嘴的發(fā)展。旋杯的轉(zhuǎn)速，普通型為3000～3600 r/min，高速回轉(zhuǎn)型為6000～8000 r/min。這種噴嘴，油量調(diào)節(jié)范圍寬，使用方便，安裝維護(hù)簡單，自動化容易，與其他形式的噴嘴相比，用旋杯式噴嘴易于得到所希望的火焰形狀、火焰張角及火焰長度等燃燒狀態(tài)，這對爐子的設(shè)計(jì)十分有利。
槍式噴嘴(見圖2—12—25)屬于油壓式噴嘴。它的本體是個小噴嘴，把噴槍(包括噴嘴出口在內(nèi)的噴嘴頭部的總稱)、油泵、通風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火變壓器及電極、電動機(jī)、燃燒控制繼電器等都組裝在一起，放在一個機(jī)殼內(nèi)，裝在爐子上時只要把油管和電源接通就成為全自動噴嘴，所以是一種使用極為簡便的噴嘴。這種噴嘴可按使用的燃料種類、控制方式等分成多種類別(見表2—12—13)。槍式噴嘴因?yàn)槭怯蛪菏絿娮?，對于非回油式噴口，只要更換噴口便可改變噴油量，備用2～3個噴口就能分級控制。如使用回油式噴口，則調(diào)節(jié)能力是額定能力的30%～l00%。槍式噴嘴的特點(diǎn)是：安裝、使用、維護(hù)容易，自動控制比較簡單，燃燒所需全部空氣量可由與噴嘴組裝在一起的通風(fēng)機(jī)供應(yīng)，僅適用于溫度l000℃以下的中小型熔化爐。南平鋁廠l999年在20噸熔鋁保溫爐的設(shè)計(jì)技改項(xiàng)目中采用兩臺意大利產(chǎn)的百特思 PXl00R(D)F45型(二段火，最大噴油量100 kg/h)全自動柴油燃燒器取得較好效果。
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燃料 |
油加熱器 |
油加熱溫度 /℃ |
噴頭形式 |
燃燒控制 方式 |
油壓 /MPa |
點(diǎn)火前噴頭前 熱油是否循環(huán) |
燃燒能力 /L·h-1 |
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柴油 |
無 |
－ |
非回油式 |
通、斷 |
0.7 |
不循環(huán) |
≤102 |
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1＃4＃ 2＃ 輕、燃料油 |
無或有 |
30 |
非回油式 |
通、斷 |
0.7～1.0 |
不循環(huán) |
8～102 |
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4＃、5＃輕、 5＃重、燃料油 |
用電熱 元件 |
70 |
或回油式 |
比例動作 |
1.0～2.5 |
循環(huán) |
12～200 |
|
6＃7＃燃料油 |
90 |
回油式 |
比例動作 |
2.0～3.0 |
循環(huán) |
20～300 |
4．廢熱回收裝置
國內(nèi)變形鋁合金熔煉爐有95%以上是火焰爐，容量從3 t到50 t不等，但平均熱效率不到20%。煙氣排放溫度和空氣/燃料比是影響火焰爐熱效率的兩大主要因素。即使噴嘴(或燒嘴)噴出的空氣/燃料比與化學(xué)劑量比一致，在一般的熔鋁爐中，煙氣的熱量損失也相當(dāng)可觀，高達(dá)52%。近20年來，國內(nèi)許多科研、生產(chǎn)單位從爐型設(shè)計(jì)(如帶豎爐的L形爐、雙膛雙向熔鋁爐)、設(shè)置預(yù)熱鍋爐(如東北輕合金加工廠)、設(shè)置熱交換器(如北京科技大學(xué)張先棹教授在消化吸收引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的蓄熱式自身預(yù)熱燒嘴)等對煙氣廢熱加以利用，或者預(yù)熱爐料、或者生產(chǎn)蒸汽、或者預(yù)熱空氣和燃料，取得了可喜的進(jìn)展。上世紀(jì)80年代中期以來，國內(nèi)西南鋁加工廠、興發(fā)工業(yè)鋁型材集團(tuán)公司、南平鋁廠、成都鋁箔廠、渤海鋁業(yè)有限公司等單位先后從俄羅斯和英國引進(jìn)了l3臺套燒天然氣或燒柴油的圓形或矩形熔煉爐和靜置爐。這些爐子都是蓄熱式的，都有著較高的熱效率。
目前，利用煙氣廢熱預(yù)熱燃燒空氣的裝置主要有換熱式和蓄熱式兩種。
1)換熱式裝置
換熱式是把高溫的煙氣熱量，通過金屬或耐火材料制成的墻壁或管壁傳給另一側(cè)的空氣，以連續(xù)地獲取預(yù)熱過的空氣。由于預(yù)熱空氣的熱量是通過隔(管)墻傳遞的，因此要求隔(管)墻材料既不泄漏又耐高溫。這類材料很昂貴，而且往往不能同時滿足這兩個要求，并且很快出現(xiàn)不同程度的損壞。圖2—12—26是深圳華益鋁廠采用的氮化硅管式換熱器，據(jù)稱，陶瓷換熱器的熱回收率一般為35%～55%，換熱器入口煙氣溫度1100～1200℃時能將空氣預(yù)熱到700℃左右。但易破損漏氣，維護(hù)費(fèi)用較大。
2)蓄熱式裝置
蓄熱式是讓高溫?zé)煔馔ㄟ^用耐火材料或金屬做的通道，把熱量傳給耐火材料或金屬，然后，使待預(yù)熱的空氣或煤氣流過這些通道，靠耐火材料或金屬放出的熱將其加熱。這里，耐火材料(或金屬)作為一種進(jìn)行熱交換的傳熱介質(zhì)來使用。
(1)移動式蓄熱器
蓄熱器按傳熱介質(zhì)是否流動分為固定式和移動式兩種。固定式是傳熱介質(zhì)固定不動，讓高溫流體和受熱流體交替通過傳熱介質(zhì)。移動式是高溫流體和受熱流體的流動狀態(tài)保持固定不變，而讓傳熱介質(zhì)在其間移動(見圖2—12—27)。目前有代表性的裝置是回轉(zhuǎn)式陶瓷預(yù)熱器和小球式加熱器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是受熱流體的溫度和壓力穩(wěn)定不變，并保持一定的流動方向；缺點(diǎn)是讓傳熱介質(zhì)移動是相當(dāng)復(fù)雜的操作，預(yù)熱器過大，設(shè)計(jì)難度大，當(dāng)前國內(nèi)很少使用。
(2)固定式蓄熱器
固定式蓄熱器中大體又可分為磚格子式和再生球式兩類。磚格子式蓄熱器系統(tǒng)通常比爐子本身還要大，并需配備大型抽風(fēng)機(jī)，投資過大(見圖2—12—28)，在使用上受到限制。再生球式蓄熱系統(tǒng)目前國內(nèi)叫法不一，有人叫再生式燃燒系統(tǒng)，有人叫自身預(yù)熱式燃燒系統(tǒng)，還有人叫雙路噴嘴系統(tǒng)。蓄熱器的工作原理見圖2—12—29。一套蓄熱式燒嘴系統(tǒng)至少包括兩個燒嘴，兩個蓄熱器，一個熱能回收系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制裝置。燒嘴和蓄熱器可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況直接連接在一起或選擇用耐火材料澆注的管道連接在一起。當(dāng)一個燒嘴利用蓄熱器里的熱空氣進(jìn)行燃燒時，另一個燒嘴起到一個排煙口的功能，利用抽煙風(fēng)機(jī)抽出爐子里的燃燒廢氣通過燒嘴到蓄熱器里進(jìn)行蓄熱。當(dāng)熱量蓄足后，蝶閥動作，轉(zhuǎn)換兩個燒嘴的功能。每當(dāng)一個燒嘴在燃燒時，則另一個在幫助蓄熱器蓄熱，燒嘴轉(zhuǎn)向周期為60～90 s。在熱交換中，由蓄熱室排出的廢煙氣溫度通常在150～200℃，因而不管是蝶閥還是抽煙風(fēng)機(jī)均能長期安全可靠的工作。正確的安裝和選用蓄熱式燒嘴，可成功的節(jié)省能源50%～70%，提高燃燒效率70%～90%。我國東正鋁材設(shè)備廠開發(fā)的同類型再生式燃燒系統(tǒng)由帶氧化鋁球蓄熱床的燒嘴本體、油泵(或天然氣供氣裝置)、助燃風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)調(diào)節(jié)閥、換向碟閥、排煙風(fēng)機(jī)、排煙調(diào)節(jié)閥等幾部分組成，并配有點(diǎn)火裝置(高壓電子點(diǎn)火器及燃?xì)獾狞c(diǎn)火槍、長明的燃油槍或燃?xì)鈽?、火焰監(jiān)測電眼、微機(jī)及電控系統(tǒng)和必須的連鎖保護(hù)裝置。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①熱交換效果好，當(dāng)爐溫高于l000℃時，冷空氣可以加熱到800℃以上，排煙溫度低于l80℃，無黑煙產(chǎn)生。②能耗低，熔化1 t鋁僅耗柴油45～60kg。③熔化速度快，安裝該系統(tǒng)后，熔化速率提高30%，提高了爐子的生產(chǎn)效率。④配備微機(jī)，全自動操作和控制。⑤配備有火焰監(jiān)測電眼，確保有問題時，能及時關(guān)閉燃料閥，安全可靠。⑥適應(yīng)性強(qiáng)，可以使用柴油、重油、天然氣、石油液化氣等燃料。圖2—12—30是不同熱回收系統(tǒng)對熔鋁爐熱效率影響的試驗(yàn)對比資料。由圖2—12—30可見，在排煙溫度為1204℃的常規(guī)熔鋁爐中，不帶熱回收系統(tǒng)的冷空氣噴嘴系統(tǒng)的熱效率最低，只有37%，裝有陶瓷換熱器的爐子可把空氣預(yù)熱到482℃，其熱效率為55%，安裝有雙路噴嘴系統(tǒng)的爐子熱效率最高，達(dá)到77%，可把空氣預(yù)熱到1038℃。據(jù)認(rèn)為，蓄熱室燃燒器由于可將助燃空氣加熱到1000℃以上的高溫，超過了燃料的自燃溫度，因而燃燒穩(wěn)定，并有可能采用低氧燃燒技術(shù)，并使N0x的生成量大幅度降低。
目前國內(nèi)在熔鋁爐上推廣應(yīng)用蓄熱式燒嘴技術(shù)的進(jìn)展很快，但在使用中也存在不少問題，應(yīng)引起足夠重視。這些問題是：①蓄熱式燒嘴工作時，伴隨空氣預(yù)熱溫度的提高，火焰溫度也顯著提高，而N0x的生成濃度也隨溫度升高而增大，對環(huán)境造成污染，因此，在燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)采用低氧燃燒技術(shù)，應(yīng)抽取適量爐內(nèi)廢氣摻入助燃空氣中，一則降低空氣中的氧濃度，二則降低燃燒溫度，使N0x的生成量降低，并使排放達(dá)標(biāo)；②蓄熱式燒嘴工作時，通常每60～90 s的時間完成一個切換周期，切換頻率很高，只有全自動控制才可以完成正常的燃燒過程，因此系統(tǒng)及元器件動作的可靠性是保證正常工作的前提；③蓄熱式燒嘴單個能力通常都很大，在燒嘴切換點(diǎn)燃的瞬間，爐膛壓力會產(chǎn)生很大的壓力波動，因此，必須配有斷開式的輔助排煙管路，且爐膛取壓點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)在火焰及氣流沖擊不到的位置；④由于燒嘴始終是交替切換燃燒的，為了保證燒嘴的正常燃燒，每個燒嘴噴頭上還設(shè)有點(diǎn)火用的小燒嘴。與主燒嘴不同的是，點(diǎn)火燒嘴始終是點(diǎn)燃的，故稱值班燒嘴，點(diǎn)火燒嘴的可靠性是主燒嘴正常燃燒的前提。然而，當(dāng)主燒嘴處于燃燒狀態(tài)時，由于引射作用，點(diǎn)火燒嘴的火焰被拉長；而當(dāng)主燒嘴處于排煙狀態(tài)時，點(diǎn)火燒嘴的火焰又被壓縮變短，使點(diǎn)火燒嘴的火焰不斷處于擺動之中，因此經(jīng)常出現(xiàn)點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)不著或運(yùn)行中熄火報(bào)警現(xiàn)象。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的最常見原因是燒嘴磚被燒損，也有點(diǎn)火槍被燒壞、點(diǎn)火電極不放電等因素的影響；⑤由于氧化鋁球被粉塵堵塞而造成爐壓升高。正常生產(chǎn)時，大約一個半月左右由于氧化鋁球中粉塵的堆積及堵塞，火焰就出現(xiàn)發(fā)散的現(xiàn)象，排煙能力就會顯著的下降，爐壓升高，這時就應(yīng)及時更換新的氧化鋁球以維持正常生產(chǎn)。
5．控制
有代表性的熔鋁爐溫度控制曲線如圖2—12—32所示。控制方式是設(shè)定最大的供熱量，控制爐頂附近的溫度TH，材料熔化后如果進(jìn)入保溫階段，則轉(zhuǎn)向控制金屬液的溫度TL。主要是按金屬液溫度進(jìn)行控制，也有用時間函數(shù)進(jìn)行程序控制的。爐氣的溫度在熔煉時控制在1100～1200℃，靜置時則改為700～750℃。
6．節(jié)能措施
從能源資源的供不應(yīng)求、價(jià)格飛漲和日益苛刻的環(huán)保要求(從濃度控制轉(zhuǎn)向總排放量控制)看，熔鋁爐的節(jié)能是擺在我們面前重要而急迫的任務(wù)。當(dāng)前，我國熔鋁爐的節(jié)能主要應(yīng)從表2—12—14所示各項(xiàng)人手。
表2—12—14熔鋁爐節(jié)能項(xiàng)目及有可熊節(jié)約值
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分類 |
節(jié)能項(xiàng)目 |
節(jié)能對象 |
預(yù)期節(jié)約值 |
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備 注
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鋁材 熱含量 |
排煙 損失 |
散熱 損失 |
假設(shè)目標(biāo) |
節(jié)能 /萬kcal·t-1 |
|||
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改善布局 和設(shè)備 |
直接用電解鋁 液生產(chǎn)鑄錠 |
○ |
○ |
○ |
50%的鑄錠由鋁錠廠生產(chǎn) |
30 |
|
|
選擇節(jié)能爐形 |
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○ |
○ |
矩形改L形 |
17 |
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|
|
擴(kuò)大容量 |
|
○ |
○ |
平均擴(kuò)大l倍 |
2～4 |
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|
加強(qiáng)爐墻絕熱 |
|
|
○ |
將爐墻由345耐火磚+115隔熱磚改為295耐火磚+115隔熱磚+50耐或纖維 |
3～4 |
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低過?？諝庀禂?shù)比例控制 |
|
○ |
|
煙氣中含氧量降低10%，或?qū)⑦^剩空氣系數(shù)由l.15降為l.10 |
2 |
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|
沖擊對流加熱 |
|
○ |
|
|
|
|
|
|
堵嚴(yán)開口部位 |
|
|
○ |
|
|
包括縮短爐 門開啟時間 |
續(xù)表2—12—14
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分類 |
節(jié)能項(xiàng)目 |
節(jié)能對象 |
預(yù)期節(jié)約值 |
|
備 注
|
||
|
鋁材 熱含量 |
排煙 損失 |
散熱 損失 |
假設(shè)目標(biāo) |
節(jié)能 /萬kcal·t-1 |
|||
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回收余熱 |
空氣預(yù)熱 |
|
○ |
|
|
|
|
|
燃料預(yù)熱 |
|
○ |
|
|
|
|
|
|
爐料預(yù)熱 |
|
○ |
|
|
|
|
|
|
預(yù)熱鍋爐 |
|
○ |
|
|
|
|
|
|
改進(jìn)操作 |
電磁攪拌 |
○ |
|
|
|
|
|
|
改善溫度制度，低溫出鋁 |
○ |
○ |
○ |
|
|
|
|
|
提高生產(chǎn)效率 |
|
○ |
○ |
|
|
|
|
|
熱裝爐、快裝爐 |
○ |
○ |
|
|
|
|
|
|
操作管理 |
|
○ |
|
|
|
|
|
|
提高作業(yè)率 |
|
○ |
○ |
|
|
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針對火焰爐，幾種主要的節(jié)能措施及可能的節(jié)省值如下：①盡可能縮短爐子循環(huán)周期，比如縮短裝爐、停爐、保溫、轉(zhuǎn)注、凈化及鑄造的時間，預(yù)估可節(jié)能5%～l0%；②最佳的調(diào)節(jié)燃燒時的空氣比例，并借助氣體分析不斷的校正，預(yù)估可節(jié)能8%；③安裝自動化的廢氣壓力調(diào)節(jié)裝置，預(yù)估可節(jié)能6%～9%；④對爐料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)估可節(jié)能46%；⑤采用帶有自動化校正空氣比例的蓄熱式裝置，預(yù)估可節(jié)能l5%～21%
