双室炉和感应炉在铝废料处理中的应用对比

郭峻宏，李 伟

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

本文中所讨论的铝废料是指铝加工厂生产铝材过程中发生的废料，包括铝合金废屑，板带材和挤压件切掉的料头、料尾，块状废品料等。

1 铝合金废料

1.1 铝合金废屑的产生

铝合金锭铸造过程中在其表面和近表面会形成一些缺陷，如疏松、粗晶、硬质层及夹杂等。因此扁锭在进行轧制加工之前需要使用铣床对铝合金扁锭进行铣面处理，主面的铣面量一般为5 mm～30 mm，最大铣削量控制在40 mm以下，侧面的铣削量一般控制在5 mm～15 mm。铣削过程中会产生大量的细长片状铝合金屑。铝合金圆锭在挤压或锻造之前要进行车削加工，去掉表面层，也会产生大量切屑。

1.2 铝合金废料的组成

铝合金废屑大多是不同系别铝合金锭在铣面或切削过程中的产物，成分稳定，含杂物很少。而其他块状废料表面往往含有少量油污或其他的有机物质等杂质。

2 废铝料的处理装置

2.1 双室炉

双室炉主要用于熔化带杂质的废料、生产返还料、干净的块料，熔化后的铝熔体将被传输到铝液包或铸造设备铸造成铝合金锭。

双室炉的主要结构由上料机、加热室、废料室、循环设备、燃烧设备、废气处理设备及控制系统组成。加热室与废料室分开布置可以有效减少带杂质的废料和块状废料的烧损，同时提高热效率。

加热室主要通过烧嘴燃烧天然气，为铝废料的熔化源源不断提供能源，同时保证炉内的温度维持在满足工艺要求的范围之内。废料室与加热室之间利用隔墙隔开，隔墙上含有孔洞，孔洞中包含过滤装置，使两室中的铝液可以通过。废料室靠近炉门处的炉桥，可以放置薄壁、带杂质的铝废料。由于装入废料室的废料可能是湿料或粘有有机物质，它们在进入熔池之前，要在炉桥上进行预热，通过炉子自身的循环系统及废料室特殊的烧嘴对炉料快速预热。预热后的炉料会在废料室集聚热分解气，这部分热分解气经循环系统被送到加热室的烧嘴区域进行二次燃烧。通过热分解气中有可燃杂质的燃烧所产生的热量对加热室进行加热，一定程度上减少了双室炉的能耗。

铝屑、碎片可从铝液循环系统的上料井进行装料，该单元与电磁泵一起实现炉子的铝液循环。电磁泵将在加热室中熔化后的铝液抽入上料井底部，铝液与废料直接接触，并且带着铝屑一同流入废料室。这种方式加强了从加热室到废料室的热传输，使得废料室中的铝液运动变得强烈，铝液的温度和化学成分更均匀。并且这种熔化方式使铝屑的熔化更加快速，减少了铝屑的烧损[1]。

2.2 感应炉

感应炉的炉体主要由感应线圈磁轭、坩埚、炉壳等组成。

在磁轭内部放置了一套水冷绝缘感应线圈，线圈以可调整的方式装在由变压器钢板制成的磁轭里，磁轭安装在线圈保护架里；线圈组件组成了一个整体单元插入炉子的倾动框架内部，水冷感应线圈围绕着炉体内部的陶瓷坩埚，通过电流的作用，产生磁场。感应线圈组成初级线圈，熔化的炉料或熔融金属液组成二级线圈。初级电流流入线圈形成磁场感应二级电流进入炉料使之熔化。这种形式的能量转换通过感应产生电力形成熔池紊流，加速铝废料的熔化。

为防止电流通过水冷感应线圈产生的交变磁场对炉子的金属部件产生影响使其发热、降低炉子效率，有必要控制感应线圈所产生磁场的发散。目前使用的感应炉的水冷感应线圈的周围采用多个磁轭对产生的磁场进行限制，磁轭在对着感应线圈的方向制成圆弧面，可以很好地控制磁场的发散，降低漏磁量，减少金属零部件发热，提高感应炉的效率[2]。

感应炉控制系统日益完善，可根据预设装料量优化铝熔炼加热、保温等工序，优化功率的输入，防止铝熔体过热和控制熔体浇注温度。

3 两种炉对铝废料处理的比较

3.1 可处理废料的种类

双室炉可以处理松散的废铝带和铝箔、铝屑、废型材料和块料等，覆盖了大部分的铝加工生产废料，有良好的废料品种适应性。

感应炉大多用于熔化铝屑，也可以熔化块料，但由于感应炉的几何尺寸较小，对于大型的块状废料和板带废料的装炉有一定限制，并对装炉的重量也有限制。

3.2 炉子的热效率

目前大多双室炉采用了蓄热式烧嘴，这种烧嘴可以有效地利用炉内废气对蓄热箱进行加热，并将储存的热量传递给助燃空气，可将助燃空气从正常室温加热至700 ℃以上，而后进入烧嘴进行助燃，同时将冷却后的炉气排出，排出的炉气不超过250 ℃，这种设计虽然尽可能地利用了废气中的热值，但还是有热量伴随着炉气排出，降低了炉子的热效率。一般双室炉的热效率可以达到50%～60%，因此双室炉熔炼1 t铝大约需要65 m3的天然气，利用天然气的热值计算相当于电能636 kWh。

感应炉是电流产生磁场，通过感应电流对金属进行熔化，因此感应炉的热效率极高，可达70%以上，熔化1 t铝大约需要电能450 kWh[3]。

3.3 再生铝锭的质量

在实际产生和传输过程中，铝废料表面难免会沾染油污、水或其他杂质。水在高温情况下会与铝发生反应，生成氧化铝和氢气，对再生铝锭质量产生影响。而油污同样会污染再生铝锭。双室炉可以将废铝物料堆放在炉门前的炉桥上，进行干燥和加热，使附着在废料上的水蒸发，并与油污等生成热分解气，并将这一部分的热分解气输送至加热室进行燃烧，加以利用。

而感应炉只能对炉内铝废料进行加热，通过炉盖上的风机将产生的炉气处理后排放。

在铝合金的熔炼过程中难免会产生铝渣，铝渣的主要成分是氧化铝。天然气的燃烧会产生水和二氧化碳，同时助燃空气中含有氧气，也可以同熔融的铝发生反应，生成氧化铝。双室炉通过先进的气体控制系统，控制炉内气体中氧的含量，减少铝的烧损和铝渣的产生。双室炉废料室和加热室各有一个炉门可使用专用的扒渣车将炉内的铝渣进行处理。而感应炉熔化废铝料过程中没有燃烧反应，不会有水生成，可以把氧含量维持在相对较低的水平。因此感应炉中铝的烧损较少，铝烧损可控制在1%以下，而且产生的铝渣较少，一般为双室炉熔化等重量铝合金产生铝渣的1/3左右。但是目前感应炉的除铝渣工作只能通过工人手工或倾倒炉体来完成[4]。

3.4 在工厂的适用性

铝加工生产过程中产生的铝废料表面难免有油污和水，并且这些铝废料是经过不同的处理而产生的，其形状、大小、状态都不相同，对于这些废料用双室炉熔炼都不存在困难。

感应炉在使用中全程需要使用水对电缆进行冷却，只有供应合格的足够的冷却水，设备才能够正常工作。如果一旦停水，原有的冷却水中会形成蒸汽，损坏感应线圈，烧毁绝缘层。同时对冷却水的品质也有严格的要求，不能够含有任何杂质和腐蚀性成分，盐含量要求低，以防止管路的堵塞。在冷却水的管路上，每个支路都配有调节装置，使各个支路上的温度分布更加均匀。这套设备复杂、对于水资源消耗量大并且维护起来十分烦琐。目前有新设备正处于试验阶段，采用铜绞线空气冷却的感应炉，它拥有结构简单、维护方便、不消耗水资源等优点，但是该设备目前只能够适用于小规模的生产[5]。

由于感应炉的起步较晚，对于感应炉的设计还不是很完善。在感应炉工作过程中，铜管的电流密度很大，因此铜管的壁厚不能够太薄，并且需要偏下布置。铝没有磁性，在用感应炉熔炼铝废料过程中，磁场极易发散，对于磁轭的布置要求十分严格。首先，磁轭面积必须足够大，尽可能长，才能保证感应器轴向及径向磁场。同时感应炉对于炉衬的要求也十分严格，熔化的铝液由于电磁场的作用产生高频率的震动，而且铝液具有高黏性和渗透性，炉衬的质量直接影设备的使用寿命。在铝废料熔化初期，若铝料的摆放不规则，产生的电流与磁场不稳定，此时电源会受到较大的冲击，导致烧毁，因此加强电源的耐冲击性也需要考虑[6]。由于技术的限制，目前国内3 600 kW、7.5 t带有除尘装置的熔铝感应炉已属于大型感应炉，在理想工况下，熔化率可达3 t/h。而双室炉相对使用时间较长，应用技术比较成熟，型号较多，100 t的双室炉熔化率可达8 t/h。

双室炉在应用过程中需要时刻保持熔池内有足够的铝液，以保证加入的铝废料不与火焰直接接触，从而降低铝的烧损，并且通过铝液的循环加快投入铝废料的熔化。为了保证炉内始终有熔化的铝液，需要不断地对炉内进行加热，维持炉内温度稳定。感应炉则可以灵活使用，由于是利用电磁加热，电磁的频率高，穿透能力强，铝废料升温快，并且可以冷炉起熔，不需要在使用前对炉内进行预加热。对于熔炼铝废料，连续熔化时可以在炉内保留40%的铝液加速铝料的熔化，也可以直接一次性将铝液全部倒出，更换不同牌号的铝合金废料，在没有铝料处理时可以直接将感应炉关闭，可以节省不少的能源。

在设备使用过程中双室炉的操作人员要多于感应炉的操作人员，同时双室炉工作时会产生较大的噪音，会有部分的热辐射，尤其是在炉门开启的状态下，这些问题需要考虑。

4 结束语

当前情况下，双室炉更加适用于处理大批量含有杂质和被污染的合金成分比较单一的铝合金废料；感应炉更适用于处理小批量、干净的、可区分合金牌号的铝合金废料。相对于双室炉，感应炉有操作简单、能耗低、使用灵活、再生铝产品质量高、废物排放量少等特点。但是由于技术的限制，感应炉的损坏频率高，使用寿命较短；感应炉的容积不大，对于大批量生产，一台设备很难满足产能的需求，产量无法保证；并且感应炉对公辅等设施的要求相对较严格，设备的维护难度较大。

目前感应炉正在向着大功率、大吨位和环境友好型发展，通过制造技术的不断成熟和新型材料的快速开发，伴随新的技术的涌现，感应炉的各个技术难点将逐渐被克服，熔炼铝废料的感应炉也将得到更好的应用和发展。