用于熔鋁爐和靜置爐的電磁攪拌器

1、用于熔鋁爐和靜置爐的電磁攪拌器 03-11楊洪良1Anders THRUM2(1.ABB(中國(guó))投資有限公司，北京1000162.ABBIndustrial AB，瑞典)電磁攪拌技術(shù)(Al-EMS)是一項(xiàng)已被證實(shí)和廣為采用的對(duì)熔鋁爐和靜置爐中鋁液進(jìn)行有效攪拌的技術(shù)。目前已在全世界安裝了150多臺(tái)鋁電磁攪拌器。Al-EMS能夠縮短熔煉時(shí)間、增加產(chǎn)量、減少爐渣的形成、加快合金熔化和成分均勻、大幅度降低生產(chǎn)成本，設(shè)備投資回收期在很多情況下短于1年。鋁熔池的有效攪拌能夠增加冶金反應(yīng)速度、改善傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，是提高生產(chǎn)效率、改善鑄造質(zhì)量和降低操作成本的關(guān)鍵因素。電磁攪拌技術(shù)是對(duì)熔鋁爐和靜置爐中鋁液進(jìn)行攪

2、拌的有效技術(shù)，并廣為接受。通過(guò)改善傳熱和傳質(zhì)過(guò)程以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，電磁攪拌技術(shù)能夠縮短熔煉時(shí)間、減少爐渣形成，大幅降低操作成本。隨著對(duì)增加產(chǎn)量和在最小投資前提下降低操作成本的要求不斷增加，鋁工業(yè)對(duì)電磁攪拌技術(shù)的興趣也在不斷增加。本文的目的是簡(jiǎn)要介紹電磁攪拌技術(shù)(Al-EMS)，并介紹其對(duì)提高生產(chǎn)率、收得率、改善操作條件的效果，以及在新領(lǐng)域的應(yīng)用。1電磁攪拌技術(shù)ASEA公司(ABB前身)自1947年開始對(duì)鋁工業(yè)和鋼鐵工業(yè)提供各種電磁攪拌器。目前已向熔鋁爐、靜置爐、連鑄機(jī)和鋼包爐提供了1100多套電磁攪拌器。第一臺(tái)鋁電磁攪拌器(Al-EMS)在1969年由ASEA公司安裝于一臺(tái)單室熔鋁爐上。以后，即

3、使電磁攪拌技術(shù)被認(rèn)為需要高投資成本，電磁攪拌器的數(shù)量也在不斷增加，因此電磁攪拌器主要安裝于大于70t的熔鋁爐上。但電磁攪拌技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，即使在小爐子上，目前已經(jīng)能夠與其他攪拌方式相競(jìng)爭(zhēng)。現(xiàn)在全世界已經(jīng)有150多套鋁電磁攪拌器，其中日本的數(shù)量最多，因?yàn)殡姶艛嚢杓夹g(shù)在日本被認(rèn)為是鋁熔煉過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。2電磁攪拌(Al-EMS)系統(tǒng)Al-EMS系統(tǒng)的主要部件是電磁攪拌線圈。線圈為水冷式，安裝于爐子底部或側(cè)部，線圈與爐體之間沒有直接的物理接觸?？梢圆捎猛ǔ５臓t襯厚度，為了保證磁場(chǎng)進(jìn)入熔池，必須在線圈前方的爐殼上安裝奧氏體不銹鋼窗。線圈采用低頻行波磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿透爐殼和爐襯對(duì)熔池實(shí)現(xiàn)攪拌，其作用機(jī)理類

4、似于線性電機(jī)。Al-EMS可以安裝于新建爐子上，也可安裝于改建爐子上，對(duì)于后者通常采用側(cè)裝式，見圖1。圖1圓形熔鋁爐的側(cè)裝式Al-EMSAl-EMS系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)線圈、一個(gè)變頻器、一個(gè)變壓器、一個(gè)水冷站和控制系統(tǒng)，見圖2。攪拌器可以采用本身的控制系統(tǒng)或連接于爐子控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，在多個(gè)爐子安裝Al-EMS的情況下，可以采用共用的電源和冷卻水系統(tǒng)以盡量節(jié)省空間和降低成本。圖2Al-EMS系統(tǒng)的主要部件攪拌器的設(shè)計(jì)能夠保證在1min內(nèi)對(duì)熔池實(shí)現(xiàn)一次整體循環(huán)攪拌，從而保證金屬的快速熔化。攪拌線圈針對(duì)從10t到170t的爐子有不同的型號(hào)，見圖3。最終的設(shè)備選型通常取決于爐子的形狀和大小。圖3線圈尺

5、寸和外形3Al-EMS的使用效果 3.1縮短熔煉時(shí)間在工廠試驗(yàn)中，相對(duì)于機(jī)械攪拌，Al-EMS可以大幅降低頂裝式100t熔鋁爐的熔煉時(shí)間1。電磁攪拌提高了熔化速度，改善了合金化條件及溫度控制，縮短了燒嘴關(guān)閉時(shí)間，或取消了人工攪拌、人工扒渣和塌堆，大大縮短了熔煉時(shí)間。有效的攪拌能夠降低液面溫度，增加熔池和爐膛頂部的溫差，因此使用Al-EMS能夠改善從爐膛向熔池的傳熱。采用Al-EMS允許增加燒嘴燃燒功率直至達(dá)到預(yù)定熔池溫度。許多爐子在熔煉后期降低燃燒功率，以減少熔池表面過(guò)熱和氧化渣的形成。通常情況下，使用Al-EMS可以提高生產(chǎn)率10%25%，熔煉時(shí)間的縮短可以減少10%15%的燃料消耗。而一個(gè)

6、熔煉周期內(nèi)使用Al-EMS每噸鋁僅耗電68kWh。 3.2減少爐渣許多參數(shù)都影響爐渣的形成，如廢鋁的成分和形狀、裝料方式、爐膛的氧勢(shì)、爐內(nèi)溫度、燒嘴設(shè)置和熔煉時(shí)間等。鋁錠(液)暴露于氣體中的時(shí)間以及熔池的溫度是影響氧化過(guò)程和爐渣形成的兩個(gè)關(guān)鍵因素。Al-EMS是減少熔煉時(shí)間和降低熔池表面溫度的有效手段，尤其是降低熔池表面溫度對(duì)控制氧化過(guò)程具有非常重要的作用(圖4)2。從圖4可知，在750以上氧化速度明顯增加。熔池表面溫度在熔煉末期會(huì)超過(guò)800。圖4溫度增高加快氧化速度Al-EMS相對(duì)于其他攪拌方式如氣體攪拌和機(jī)械攪拌等，能夠減少金屬熔滴在渣層內(nèi)的包裹，進(jìn)而提高金屬收得率。爐渣的減少大致在15%

7、25%左右。圖5給出在3個(gè)工廠試驗(yàn)中爐渣量減少的比較。圖5電磁攪拌減少爐渣的產(chǎn)生-有EMS；-人工、氣體攪拌圖5中給出了在瑞典SAPA廠33t矩形爐上的試驗(yàn)結(jié)果，此結(jié)果為電磁攪拌與人工攪拌和氣體攪拌的比較。有14爐采用電磁攪拌和少量的氣體攪拌，有16爐僅采用氣體攪拌。采用電磁攪拌后，爐渣量由2.53%減少到2.15%。圖5中，給出了美國(guó)Reynolds廠100t圓形反射爐上的試驗(yàn)結(jié)果。有14爐采用電磁攪拌，17爐采用人工攪拌。試驗(yàn)過(guò)程中，廢鋁的加入比例從0到100%，其余為重熔鋁錠，在使用電磁攪拌時(shí)平均廢鋁加入比例為80%，沒有電磁攪拌時(shí)廢鋁比例為71%，在這種情況下，爐渣量從2.5%降到1.

8、9%。圖5給出了美國(guó)Kaiser Sierra Micromills的試驗(yàn)結(jié)果，爐渣量在使用電磁攪拌后從2.6%降到1.9%。采用人工攪拌時(shí)產(chǎn)生較多的爐渣主要有兩個(gè)原因，一是在不進(jìn)行攪拌時(shí)熔池表面溫度過(guò)高，導(dǎo)致較高的氧化速率，另一個(gè)是在人工攪拌時(shí)熔池表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，使大量鋁熔滴卷入渣層內(nèi)。即使氣體攪拌相對(duì)于電磁攪拌也產(chǎn)生較多的氧化渣。氣體在離開多孔透氣磚后直接向上移動(dòng)，在熔池表面達(dá)到最大速度，擊破熔池表面，形成一個(gè)高湍流的渣眼，增加了熔池表面與爐膛氣氛的局部接觸。在Reynolds廠的試驗(yàn)中，觀察到裝料過(guò)程中固體廢料的比例與爐渣量直接相關(guān)。隨著固體廢料比例的增加，氧化渣的數(shù)量也隨之增加，見

9、圖6。Al-EMS能夠在固體廢料增加的情況下降低爐渣的產(chǎn)生。圖6在有無(wú)電磁攪拌情況下，固體廢料比例與爐渣量之間的關(guān)系 3.3縮短均勻熔化時(shí)間電磁攪拌能夠顯著縮短高熔點(diǎn)合金元素的熔化時(shí)間。圖7給出了采用電磁攪拌和氣體攪拌對(duì)含硅鋁合金熔化均勻所需時(shí)間的比較。這個(gè)爐子上同時(shí)裝有多孔透氣磚和電磁攪拌器，當(dāng)采用電磁攪拌時(shí)，熔化均勻所需時(shí)間相對(duì)于氣體攪拌能夠縮短40%，取樣位置位于合金加入位置的對(duì)面。采用氣體攪拌時(shí)，氣體離開透氣磚后向上移動(dòng)，形成局部對(duì)流，而橫向傳輸以及對(duì)熔池的整體均勻相對(duì)于電磁攪拌大大降低。圖7氣體攪拌和電磁攪拌對(duì)含硅鋁合金的熔化均勻時(shí)間比較 3.4溫度均勻未攪拌的熔池表面和底部在某些情

10、況下溫差可超過(guò)100。因此僅采用一個(gè)熱電偶測(cè)溫?zé)o法反映整個(gè)熔池的溫度狀態(tài)。圖8給出了一個(gè)65t熔鋁爐在采用電磁攪拌時(shí)的溫度測(cè)量結(jié)果。熔池深度為600mm，一個(gè)熱電偶位于熔池表面下50mm處，一個(gè)熱電偶位于爐底上方50mm處，在初期熔池沒有攪拌，在開啟電磁攪拌150s后上下溫差從80降到5。這不僅降低了爐渣的產(chǎn)生，同時(shí)也使熱電偶的測(cè)溫更能反映熔池的溫度狀態(tài)，使熔池內(nèi)的溫度更穩(wěn)定。圖8采用Al-EMS減少熔池溫差 3.5數(shù)值模擬為了優(yōu)化Al-EMS系統(tǒng)，ABB開發(fā)了一個(gè)強(qiáng)有力的工具對(duì)熔池內(nèi)的過(guò)程進(jìn)行模擬。ABB基本的設(shè)計(jì)依據(jù)是保證在1min內(nèi)對(duì)整個(gè)熔池實(shí)現(xiàn)一次完全攪拌，這遠(yuǎn)高于其他攪拌方式如機(jī)械泵

11、和人工攪拌等所能產(chǎn)生的效果。ABB采用Vector fields公司的商業(yè)軟件計(jì)算電磁線圈所產(chǎn)生的三維電磁場(chǎng)，計(jì)算同時(shí)給出所有的磁場(chǎng)損耗，如在不銹鋼窗和其他材料中的損耗，這利損耗通常較小。ABB同時(shí)針對(duì)每一個(gè)爐子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)確定最佳頻率，以獲得最大熔池流動(dòng)速度，降低損耗。計(jì)算得到的電磁力輸入到另一個(gè)商業(yè)軟件CFX，以計(jì)算熔池內(nèi)的液體流動(dòng)，優(yōu)化流動(dòng)方式和線圈所放的位置。圖9給出了30t熔鋁爐采用底裝式電磁攪拌器時(shí)熔池內(nèi)液面附近的流動(dòng)方式。在整個(gè)模擬過(guò)程中必須準(zhǔn)確仿真爐子的幾何形狀以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。圖9液面附近的流動(dòng)矢量和流線 3.6可靠的操作和低維護(hù)Al-EMS能夠在不借助任何機(jī)械攪拌的情況下實(shí)

12、現(xiàn)熔池中鋁液的充分混合。整個(gè)操作過(guò)程具有低成本、安全可靠和穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)各種攪拌模式。能夠在任何時(shí)間獲知熔池中鋁液的準(zhǔn)確溫度和成分，無(wú)疑能夠減少?gòu)U品的產(chǎn)生。Al-EMS系統(tǒng)能夠減少甚至消除人工攪拌的使用，減少攪拌耙對(duì)爐襯和爐門的損壞。這種繁重危險(xiǎn)的人工攪拌完全可以通過(guò)在控制室內(nèi)控制電磁攪拌器來(lái)實(shí)現(xiàn)，從另一方面也降低了人工成本。通常情況下，在一個(gè)新爐子上安裝Al-EMS的費(fèi)用回收期少于一年。4Al-EMS的新應(yīng)用領(lǐng)域目前，除了在單室熔鋁爐內(nèi)應(yīng)用Al-EMS外，在其他領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用Al-EMS系統(tǒng)的興趣也在不斷增長(zhǎng)。 4.1在生產(chǎn)鑄造合金過(guò)程中應(yīng)用Al-EMS在生產(chǎn)高硅和高銅的鑄造鋁合金時(shí)，采

13、用電磁攪拌能夠大幅度降低熔煉時(shí)間和提高成分均勻程度。圖10給出了電磁攪拌對(duì)生產(chǎn)高硅鋁合金時(shí)硅熔化均勻所需時(shí)間的影響。圖10不同攪拌速度和不同合金濃度時(shí)硅在熔池內(nèi)的熔化均勻時(shí)間(在熔體深度0.5m處測(cè)定的)當(dāng)熔池內(nèi)硅含量增加時(shí)，由于接近飽和狀態(tài)，合金的熔化驅(qū)動(dòng)力降低。在這種情況下，傳質(zhì)是合金成分均勻的限制性環(huán)節(jié)，例如含15%硅的鋁合金熔池內(nèi)均勻所需時(shí)間是含5%硅的鋁合金的4倍多。如果熔池內(nèi)攪拌速度達(dá)到1m/s，整個(gè)均勻所需時(shí)間可以降低到1/4或1/5甚至更多。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，生產(chǎn)w(Si)=11%的鋁合金時(shí)，在保證合金熔化所需熱量的前提下，當(dāng)熔池內(nèi)沒有攪拌時(shí)，在700735條件下，成分均勻所需時(shí)間

14、約140150 min，而采用Al-EMS后，成分均勻所需時(shí)間縮短至3540min。 4.2Al-EMS和富氧燒嘴的結(jié)合使用近年來(lái)，人們逐漸注意到在熔鋁爐內(nèi)使用富氧燃燒技術(shù)對(duì)提高燃燒效率和提高產(chǎn)量的作用。據(jù)報(bào)道，采用富氧燃燒技術(shù)能夠節(jié)省能源超過(guò)30%，增加熔化速度30%40%4。目前富氧燃燒技術(shù)已在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)廣泛使用，但在單室熔鋁爐和雙室熔鋁爐內(nèi)還沒有實(shí)現(xiàn)真正的突破。原因之一是難以控制爐內(nèi)溫度和熔化過(guò)程。如果爐內(nèi)溫度過(guò)高，則在氧勢(shì)較高的情況下，鋁極易被氧化。渣層的存在阻礙了熱量向熔池的傳輸。解決這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)嚴(yán)格控制燃燒過(guò)程及采用強(qiáng)電磁攪拌，以避免熔池表面溫度過(guò)熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4.3在雙室熔鋁爐內(nèi)

15、使用Al-EMS雙室熔鋁爐在鋁重熔過(guò)程中被廣泛使用，其主要目的是提高金屬的收得率。低質(zhì)廢鋁適宜在此種爐內(nèi)熔化。使用效果很大程度上取決于鋁熔液從加熱室向加料室的傳輸。在大多數(shù)情況下采用機(jī)械泵實(shí)現(xiàn)這種目的，但這種情況下，加料室內(nèi)的管道很容易堵塞。ABB開發(fā)了在此爐內(nèi)的電磁攪拌，攪拌線圈可以放在爐體的側(cè)面或底部實(shí)現(xiàn)兩室間鋁液的傳輸，如圖11所示，鋁液可以很容易地通過(guò)側(cè)孔進(jìn)行傳輸。圖11雙室熔鋁爐的側(cè)裝式電磁攪拌器參考文獻(xiàn)：1Saavedra A F.Electromagnetic Stirrers-The Influence on Melter Operation and Dross GenerationA.Light MetalsC.1992,739-743.2Fox M H,Nilmani M.Aluminium Melt Treatment & CastingM.IMS,1993.239-254.3Eidem M.Influence of Combined Gas and Induction Stirring on Dross Formation Melt Rate an