用于熔铝炉和静置炉的电磁搅拌器.docx

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用于熔铝炉和静置炉的电磁搅拌器

用于熔铝炉和静置炉的电磁搅拌器03-11

杨洪良1　AndersTHRUM2

（1.ABB（中国）投资有限公司，北京　100016　2.ABB

IndustrialAB，瑞典）

电磁搅拌技术（Al-EMS）是一项已被证实和广为采用的对熔铝炉和静置炉中铝液进行有效搅拌的技术。

目前已在全世界安装了150多台铝电磁搅拌器。

Al-EMS能够缩短熔炼时间、增加产量、减少炉渣的形成、加快合金熔化和成分均匀、大幅度降低生产成本，设备投资回收期在很多情况下短于1年。

铝熔池的有效搅拌能够增加冶金反应速度、改善传热和传质过程，是提高生产效率、改善铸造质量和降低操作成本的关键因素。

电磁搅拌技术是对熔铝炉和静置炉中铝液进行搅拌的有效技术，并广为接受。

通过改善传热和传质过程以及反应动力学，电磁搅拌技术能够缩短熔炼时间、减少炉渣形成，大幅降低操作成本。

随着对增加产量和在最小投资前提下降低操作成本的要求不断增加，铝工业对电磁搅拌技术的兴趣也在不断增加。

本文的目的是简要介绍电磁搅拌技术（Al-EMS），并介绍其对提高生产率、收得率、改善操作条件的效果，以及在新领域的应用。

1　电磁搅拌技术

　　ASEA公司（ABB前身）自1947年开始对铝工业和钢铁工业提供各种电磁搅拌器。

目前已向熔铝炉、静置炉、连铸机和钢包炉提供了1100多套电磁搅拌器。

第一台铝电磁搅拌器（Al-EMS）在1969年由ASEA公司安装于一台单室熔铝炉上。

以后，即使电磁搅拌技术被认为需要高投资成本，电磁搅拌器的数量也在不断增加，因此电磁搅拌器主要安装于大于70t的熔铝炉上。

但电磁搅拌技术经过不断改进，即使在小炉子上，目前已经能够与其他搅拌方式相竞争。

现在全世界已经有150多套铝电磁搅拌器，其中日本的数量最多，因为电磁搅拌技术在日本被认为是铝熔炼过程的标准技术。

2　电磁搅拌（Al-EMS）系统

　　Al-EMS系统的主要部件是电磁搅拌线圈。

线圈为水冷式，安装于炉子底部或侧部，线圈与炉体之间没有直接的物理接触。

可以采用通常的炉衬厚度，为了保证磁场进入熔池，必须在线圈前方的炉壳上安装奥氏体不锈钢窗。

线圈采用低频行波磁场，磁场穿透炉壳和炉衬对熔池实现搅拌，其作用机理类似于线性电机。

Al-EMS可以安装于新建炉子上，也可安装于改建炉子上，对于后者通常采用侧装式，见图1。

　　图1　圆形熔铝炉的侧装式Al-EMS

　　Al-EMS系统包括一个或多个线圈、一个变频器、一个变压器、一个水冷站和控制系统，见图2。

搅拌器可以采用本身的控制系统或连接于炉子控制系统进行操作，在多个炉子安装Al-EMS的情况下，可以采用共用的电源和冷却水系统以尽量节省空间和降低成本。

　　图2　Al-EMS系统的主要部件

　　搅拌器的设计能够保证在1min内对熔池实现一次整体循环搅拌，从而保证金属的快速熔化。

搅拌线圈针对从10t到170t的炉子有不同的型号，见图3。

最终的设备选型通常取决于炉子的形状和大小。

　　图3　线圈尺寸和外形

3　Al-EMS的使用效果

3.1　缩短熔炼时间

　　在工厂试验中，相对于机械搅拌，Al-EMS可以大幅降低顶装式100t熔铝炉的熔炼时间[1]。

　　电磁搅拌提高了熔化速度，改善了合金化条件及温度控制，缩短了烧嘴关闭时间，或取消了人工搅拌、人工扒渣和塌堆，大大缩短了熔炼时间。

有效的搅拌能够降低液面温度，增加熔池和炉膛顶部的温差，因此使用Al-EMS能够改善从炉膛向熔池的传热。

采用Al-EMS允许增加烧嘴燃烧功率直至达到预定熔池温度。

许多炉子在熔炼后期降低燃烧功率，以减少熔池表面过热和氧化渣的形成。

通常情况下，使用Al-EMS可以提高生产率10%～25%，熔炼时间的缩短可以减少10%～15%的燃料消耗。

而一个熔炼周期内使用Al-EMS每吨铝仅耗电6～8kW·h。

3.2　减少炉渣

　　许多参数都影响炉渣的形成，如废铝的成分和形状、装料方式、炉膛的氧势、炉内温度、烧嘴设置和熔炼时间等。

铝锭（液）暴露于气体中的时间以及熔池的温度是影响氧化过程和炉渣形成的两个关键因素。

Al-EMS是减少熔炼时间和降低熔池表面温度的有效手段，尤其是降低熔池表面温度对控制氧化过程具有非常重要的作用（图4）[2]。

从图4可知，在750℃以上氧化速度明显增加。

熔池表面温度在熔炼末期会超过800℃。

　　图4　温度增高加快氧化速度

　　Al-EMS相对于其他搅拌方式如气体搅拌和机械搅拌等，能够减少金属熔滴在渣层内的包裹，进而提高金属收得率。

炉渣的减少大致在15%～25%左右。

图5给出在3个工厂试验中炉渣量减少的比较。

　　图5　电磁搅拌减少炉渣的产生

-有EMS；

-人工、气体搅拌

　　图5中给出了在瑞典SAPA厂33t矩形炉上的试验结果，此结果为电磁搅拌与人工搅拌和气体搅拌的比较。

有14炉采用电磁搅拌和少量的气体搅拌，有16炉仅采用气体搅拌。

采用电磁搅拌后，炉渣量由2.53%减少到2.15%。

　　图5中，给出了美国Reynolds厂100t圆形反射炉上的试验结果。

有14炉采用电磁搅拌，17炉采用人工搅拌。

试验过程中，废铝的加入比例从0到100%，其余为重熔铝锭，在使用电磁搅拌时平均废铝加入比例为80%，没有电磁搅拌时废铝比例为71%，在这种情况下，炉渣量从2.5%降到1.9%。

　　图5给出了美国KaiserSierraMicromills的试验结果，炉渣量在使用电磁搅拌后从2.6%降到1.9%。

　　采用人工搅拌时产生较多的炉渣主要有两个原因，一是在不进行搅拌时熔池表面温度过高，导致较高的氧化速率，另一个是在人工搅拌时熔池表面产生强烈的湍流，使大量铝熔滴卷入渣层内。

　　即使气体搅拌相对于电磁搅拌也产生较多的氧化渣。

气体在离开多孔透气砖后直接向上移动，在熔池表面达到最大速度，击破熔池表面，形成一个高湍流的‘渣眼’，增加了熔池表面与炉膛气氛的局部接触。

　　在Reynolds厂的试验中，观察到装料过程中固体废料的比例与炉渣量直接相关。

随着固体废料比例的增加，氧化渣的数量也随之增加，见图6。

Al-EMS能够在固体废料增加的情况下降低炉渣的产生。

　　图6　在有无电磁搅拌情况下，固体废料比例与炉渣量之间的关系

3.3　缩短均匀熔化时间

　　电磁搅拌能够显著缩短高熔点合金元素的熔化时间。

图7给出了采用电磁搅拌和气体搅拌对含硅铝合金熔化均匀所需时间的比较。

这个炉子上同时装有多孔透气砖和电磁搅拌器，当采用电磁搅拌时，熔化均匀所需时间相对于气体搅拌能够缩短40%，取样位置位于合金加入位置的对面。

采用气体搅拌时，气体离开透气砖后向上移动，形成局部对流，而横向传输以及对熔池的整体均匀相对于电磁搅拌大大降低。

　　图7　气体搅拌和电磁搅拌对含硅铝合金的熔化均匀时间比较

3.4　温度均匀

　　未搅拌的熔池表面和底部在某些情况下温差可超过100℃。

因此仅采用一个热电偶测温无法反映整个熔池的温度状态。

图8给出了一个65t熔铝炉在采用电磁搅拌时的温度测量结果。

熔池深度为600mm，一个热电偶位于熔池表面下50mm处，一个热电偶位于炉底上方50mm处，在初期熔池没有搅拌，在开启电磁搅拌150s后上下温差从80℃降到5℃。

这不仅降低了炉渣的产生，同时也使热电偶的测温更能反映熔池的温度状态，使熔池内的温度更稳定。

　　图8　采用Al-EMS减少熔池温差

3.5　数值模拟

　　为了优化Al-EMS系统，ABB开发了一个强有力的工具对熔池内的过程进行模拟。

ABB基本的设计依据是保证在1min内对整个熔池实现一次完全搅拌，这远高于其他搅拌方式如机械泵和人工搅拌等所能产生的效果。

　　ABB采用Vectorfields公司的商业软件计算电磁线圈所产生的三维电磁场，计算同时给出所有的磁场损耗，如在不锈钢窗和其他材料中的损耗，这利损耗通常较小。

ABB同时针对每一个炉子进行优化设计确定最佳频率，以获得最大熔池流动速度，降低损耗。

　　计算得到的电磁力输入到另一个商业软件CFX，以计算熔池内的液体流动，优化流动方式和线圈所放的位置。

图9给出了30t熔铝炉采用底装式电磁搅拌器时熔池内液面附近的流动方式。

在整个模拟过程中必须准确仿真炉子的几何形状以获得准确的结果。

　　图9　液面附近的流动矢量和流线

3.6　可靠的操作和低维护

　　Al-EMS能够在不借助任何机械搅拌的情况下实现熔池中铝液的充分混合。

整个操作过程具有低成本、安全可靠和稳定的特点，并且可实现各种搅拌模式。

能够在任何时间获知熔池中铝液的准确温度和成分，无疑能够减少废品的产生。

　　Al-EMS系统能够减少甚至消除人工搅拌的使用，减少搅拌耙对炉衬和炉门的损坏。

这种繁重危险的人工搅拌完全可以通过在控制室内控制电磁搅拌器来实现，从另一方面也降低了人工成本。

通常情况下，在一个新炉子上安装Al-EMS的费用回收期少于一年。

4　Al-EMS的新应用领域

　　目前，除了在单室熔铝炉内应用Al-EMS外，在其他领域内应用Al-EMS系统的兴趣也在不断增长。

4.1　在生产铸造合金过程中应用Al-EMS

　　在生产高硅和高铜的铸造铝合金时，采用电磁搅拌能够大幅度降低熔炼时间和提高成分均匀程度。

图10给出了电磁搅拌对生产高硅铝合金时硅熔化均匀所需时间的影响。

　　图10　不同搅拌速度和不同合金浓度时硅在熔池内的熔化均匀时间（在熔体深度0.5m处测定的）

　　当熔池内硅含量增加时，由于接近饱和状态，合金的熔化驱动力降低。

在这种情况下，传质是合金成分均匀的限制性环节，例如含15%硅的铝合金熔池内均匀所需时间是含5%硅的铝合金的4倍多。

如果熔池内搅拌速度达到1m/s，整个均匀所需时间可以降低到1/4或1/5甚至更多。

　　实测结果显示，生产w（Si）=11%的铝合金时，在保证合金熔化所需热量的前提下，当熔池内没有搅拌时，在700～735℃条件下，成分均匀所需时间约140～150min，而采用Al-EMS后，成分均匀所需时间缩短至35～40min。

4.2　Al-EMS和富氧烧嘴的结合使用

　　近年来，人们逐渐注意到在熔铝炉内使用富氧燃烧技术对提高燃烧效率和提高产量的作用。

据报道，采用富氧燃烧技术能够节省能源超过30%，增加熔化速度30%～40%[4]。

目前富氧燃烧技术已在回转炉内广泛使用，但在单室熔铝炉和双室熔铝炉内还没有实现真正的突破。

原因之一是难以控制炉内温度和熔化过程。

如果炉内温度过高，则在氧势较高的情况下，铝极易被氧化。

渣层的存在阻碍了热量向熔池的传输。

解决这个问题可以通过严格控制燃烧过程及采用强电磁搅拌，以避免熔池表面温度过热来实现。

4.3　在双室熔铝炉内使用Al-EMS

　　双室熔铝炉在铝重熔过程中被广泛使用，其主要目的是提高金属的收得率。

低质废铝适宜在此种炉内熔化。

使用效果很大程度上取决于铝熔液从加热室向加料室的传输。

在大多数情况下采用机械泵实现这种目的，但这种情况下，加料室内的管道很容易堵塞。

　　ABB开发了在此炉内的电磁搅拌，搅拌线圈可以放在炉体的侧面或底部实现两室间铝液的传输，如图11所示，铝液可以很容易地通过侧孔进行传输。

　　图11　双室熔铝炉的侧装式电磁搅拌器

参考文献：

　　[1]　SaavedraAF.ElectromagneticStirrers-TheInfluenceonMelterOperationandDrossGeneration[A].LightMetals[C].1992,739-743.

　　[2]　FoxMH,NilmaniM.AluminiumMeltTreatment&Casting[M].IMS,1993.239-254.

　　[3]　EidemM.InfluenceofCombinedGasandInductionStirringonDrossFormationMeltRateandEnergyConsumptionatSAPA/Sweden[R].InternalReportABB,2000.

　　[4]　AlchalahiR,MengE,MagnaghiF,PiconSeiroA.ProfitableOxy-fuelConversionforAluminumRe-meltingFurnaces[A].FirstInternationalCongressoftheAluminiumIndustry[C].SaoPaulo11,2000.