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)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多臺鋁電磁攪拌器。Al-EMS能夠縮短熔煉時間、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。通過改善傳熱和傳質(zhì)過程以及反應(yīng)動力學(xué)，電磁攪拌技術(shù)能夠縮短熔煉時間、減少爐渣形成，大幅降低操作成本。隨著對增加產(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)對電磁攪拌技術(shù)的興趣也在不斷增加。本文的目的是簡要介紹電磁攪拌技術(shù)(Al-EMS)，并介紹其對提高生產(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。第一臺鋁電磁攪拌器(Al-EMS)在1969年由ASEA公司安裝于一臺單室熔鋁爐上。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爭。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。可以采用通常的爐襯厚度，為了保證磁場進(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，磁場穿透爐殼和爐襯對熔池實(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)包括一個或多個線圈、一個變頻器、一個變壓器、一個水冷站和控制系統(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。攪拌線圈針對從10t到170t的爐子有不同的型號，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縮短熔煉時間在工廠試驗(yàn)中，相對于機(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)閉時間，或取消了人工攪拌、人工扒渣和塌堆，大大縮短了熔煉時間。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%，熔煉時間的縮短可以減少10%15%的燃料消耗。而一個

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、爐內(nèi)溫度、燒嘴設(shè)置和熔煉時間等。鋁錠(液)暴露于氣體中的時間以及熔池的溫度是影響氧化過程和爐渣形成的兩個關(guān)鍵因素。Al-EMS是減少熔煉時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控制氧化過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超過800。圖4溫度增高加快氧化速度Al-EMS相對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，在使用電磁攪拌時平均廢鋁加入比例為80%，沒有電磁攪拌時廢鋁比例為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%。采用人工攪拌時產(chǎn)生較多的爐渣主要有兩個原因，一是在不進(jìn)行攪拌時熔池表面溫度過高，導(dǎo)致較高的氧化速率，另一個是在人工攪拌時熔池表面產(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，在熔池表面達(dá)到最大速度，擊破熔池表面，形成一個高湍流的渣眼，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縮短均勻熔化時間電磁攪拌能夠顯著縮短高熔點(diǎn)合金元素的熔化時間。圖7給出了采用電磁攪拌和氣體攪拌對含硅鋁合金熔化均勻所需時間的比較。這個爐子上同時裝有多孔透氣磚和電磁攪拌器，當(dāng)采用電磁攪拌時，熔化均勻所需時間相對于氣體攪拌能夠縮短40%，取樣位置位于合金加入位置的對面。采用氣體攪拌時，氣體離開透氣磚后向上移動，形成局部對流，而橫向傳輸以及對熔池的整體均勻相對于電磁攪拌大大降低。圖7氣體攪拌和電磁攪拌對含硅鋁合金的熔化均勻時間比較 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100。因此僅采用一個熱電偶測溫?zé)o法反映整個熔池的溫度狀態(tài)。圖8給出了一個65t熔鋁爐在采用電磁攪拌時的溫度測量結(jié)果。熔池深度為600mm，一個熱電偶位于熔池表面下50mm處，一個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，同時也使熱電偶的測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)了一個強(qiáng)有力的工具對熔池內(nèi)的過程進(jìn)行模擬。ABB基本的設(shè)計(jì)依據(jù)是保證在1min內(nèi)對整個熔池實(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，計(jì)算同時給出所有的磁場損耗，如在不銹鋼窗和其他材料中的損耗，這利損耗通常較小。ABB同時針對每一個爐子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)確定最佳頻率，以獲得最大熔池流動速度，降低損耗。計(jì)算得到的電磁力輸入到另一個商業(yè)軟件CFX，以計(jì)算熔池內(nèi)的液體流動，優(yōu)化流動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熔池內(nèi)液面附近的流動方式。在整個模擬過程中必須準(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。整個操作過程具有低成本、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。能夠在任何時間獲知熔池中鋁液的準(zhǔn)確溫度和成分，無疑能夠減少廢品的產(chǎn)生。Al-EMS系統(tǒng)能夠減少甚至消除人工攪拌的使用，減少攪拌耙對爐襯和爐門的損壞。這種繁重危險的人工攪拌完全可以通過在控制室內(nèi)控制電磁攪拌器來實(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。 4.1在生產(chǎn)鑄造合金過程中應(yīng)用Al-EMS在生產(chǎn)高硅和高銅的鑄造鋁合金時，采

13、用電磁攪拌能夠大幅度降低熔煉時間和提高成分均勻程度。圖10給出了電磁攪拌對生產(chǎn)高硅鋁合金時硅熔化均勻所需時間的影響。圖10不同攪拌速度和不同合金濃度時硅在熔池內(nèi)的熔化均勻時間(在熔體深度0.5m處測定的)當(dāng)熔池內(nèi)硅含量增加時，由于接近飽和狀態(tài)，合金的熔化驅(qū)動力降低。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，整個均勻所需時間可以降低到1/4或1/5甚至更多。實(shí)測結(jié)果顯示，生產(chǎn)w(Si)=11%的鋁合金時，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，在700735條件下，成分均勻所需時間

14、約140150 min，而采用Al-EMS后，成分均勻所需時間縮短至3540min。 4.2Al-EMS和富氧燒嘴的結(jié)合使用近年來，人們逐漸注意到在熔鋁爐內(nèi)使用富氧燃燒技術(shù)對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)溫度和熔化過程。如果爐內(nèi)溫度過高，則在氧勢較高的情況下，鋁極易被氧化。渣層的存在阻礙了熱量向熔池的傳輸。解決這個問題可以通過嚴(yán)格控制燃燒過程及采用強(qiáng)電磁攪拌，以避免熔池表面溫度過熱來實(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