摘要: 为提高火焰熔铝炉的热效率，分析了目前常用熔铝炉型的工作原理及结构，找出各自的优缺点，指出火焰熔铝炉充分利用高温炉气是提高热效率的主要方法。针对现有火焰炉加热时局部温度过高、传热受限的弊端，设计了可上下调节、左右摆动的高速烧嘴。

　　运用对流传热的牛顿定律，设计了适用于重熔铝锭及废料的加热与预热同时进行的双层膛火焰炉，增加了高温气流与炉料的接触面积，强化了对流传热的作用。

　　新型熔铝炉充分利用了余热预热炉料和助燃空气，使熔铝炉的热效率提高到 55% 以上。

　　在能源危机的当今世界，节能降耗已成为世界瞩目的大问题。虽然利用电能熔化铝合金其熔铝质量较好且环保，但电是二次能源，总的能源利用率不高，所以，目前世界各国仍以火焰炉作为熔化铝合金的优选。

　　传统的以辐射传热为主的熔铝炉热效率很低，能源浪费严重，为使铝合金熔炼做到效率高低耗，节能环保，研究开发新炉型、新工艺仍是企业关注的焦点。

　　铝与其他金属相比，热力学属性有独特之处，总结来说“一低两高”，一低即黑度低，两高是熔化潜热高和比热容高。

　　铝的熔点 680°，虽然较低，但由于有以上一低两高的特点，铝在熔炼过程中却能耗高，热效率低。

　　铝的黑度低，对辐射能的吸收能力仅相当于钢的 1 /4 ～ 1 /7，传统的以辐射传热为主的熔铝炉其热效率只有 15% ～ 20% ，大量热能流失，造成很大的能源浪费。

　　20 世纪 70 年代，国外铝合金工作者提出了对流冲击传热快速熔铝的理论并付诸实施，发明了竖式熔铝炉，热效率提高至 40% 以上，是以辐射传热为主的熔铝炉热效率的两倍。这种以对流传热为主的熔铝炉在世界各国推广，20 世纪后期在我国也逐步得到应用。

　　在此基础上，以对流冲击传热为主的各种结构形式的熔铝炉相继诞生，出现了各种类型的熔铝炉，增加了余热回收、烟尘处理等装置，取得了一定的节能效果。

　　为进一步提高适用于重熔铝锭及废料的熔铝炉的热效率，本课题先对目前较为普通使用的熔铝炉进行总结归纳，以便为设计效率高、节能的熔铝炉提供依据，在此基础上进行优化熔铝炉的设计。

　　1 国内采用的几种炉型的比较

　　我国目前采用的炉型繁多，性能各异，但归纳起来有以下几种。

　　1．1 竖式熔铝炉

　　竖式熔铝炉也叫高速熔铝炉，是典型的以对流传热为主的熔铝炉。

　　炉料一般由装料车从炉顶加入，下降的炉料和上升的炉气形成对流预热，预热的炉料落入炉膛。炉膛周围安装高速烧嘴，使预热的炉料在斜底炉膛内熔化。

　　竖式熔铝炉热效率较高，主要是利用炉气的余热预热炉料。但竖式炉由于塔体部分较高，一般都在 6 m 以上，由于重力的作用，堆积在竖炉上面的炉料对下面的压力非常大，容易造成竖炉下部熔化下塌的金属受压而板结，致使竖炉下部堵塞，形成烟气短路，使炉内正压迅速增高，迫使炉内四处冒火，浓烟滚滚，若不及时关闭燃料喷口或控制空气过剩量，容易造成爆开危险。

　　1．2 圆形熔铝炉

　　圆形熔铝炉是目前较多采用的一种炉型，如图 2所示。这种炉子结构合理，炉体受力均匀，不易变形，炉子的使用寿命长，熔化速度快，炉内热量散失少。但是多数炉门较小，人工加料较多，装炉时间长，炉子降温随时间加长而加大，而且工人劳动强度大。为解决这一问题，一些大型的铝加工企业对此加以改造，采用了炉顶加料，使装炉时间大大缩短，减少了热损失。

　　从炉顶废气出口装料，炉料的下行与炉气的上行形成对流换热; 排出的废气与助燃空气混合，重新送入燃烧器，提高了热量利用率。

　　由于炉子的高度较竖式炉的低，炉料预热时间短，其热效率的利用主要体现在炉气余热预热助燃空气。

　　炉料未得到充分预热，所以烟道出口温度较高，一般在 600℃以上，余热利用率低。另外，由于加料存在油污等可燃物，在加料时炉顶容易冒烟、冒火，污染环境。

　　若厂房低，対厂房顶结构及行车有损伤。有人认为这种炉子炉顶开启时散热快，实际上热量散失的快慢与时间长短有关。

　　另外，与炉子里面形成空气对流有关，与炉口开在何位置无关。炉顶加料方便、迅速，所用时间很短，实际的散热损失要比装料时间长的炉子的少一些。

　　1． 3 矩形箱式炉

　　矩形箱式熔铝炉是一种传统的炉型。原始的炉子以辐射传热为主，因热效率低后来多数改为以对流传热为主的熔铝炉。

　　为了提高对流传热的效果，有人在炉顶加设烧嘴。另外，为充分利用余热预热炉料，有人发明了双膛熔铝炉。

　　这种炉子为联体炉，炉体两熔池部分隔开，炉子的上部分炉气可以相流通。当某台炉子的炉料熔化时热气流传入另一台炉子预热炉料，轮回交替进行，充分利用余热预热炉料，使总的热效率达到 40% 左右，收到较好的节能效果。

　　近些年大型矩形炉相继诞生，首先在电解铝厂使用，炉门大，占整个矩形长方向的一面墙，降温效果较好，适合电解铝厂熔铸车间使用。

　　因为电解铝厂生产的铝液用浇包液送到熔铸车间后，铝液温度仍高达 850℃ ～ 950℃，需要加入部分废料使铝液降温至 720℃左右时开始铸造。这种炉子炉门大，若烟道闸门打开，形成空气对流降温很快，提高了生产效率。

　　后来这类炉子进入部分铝加工企业的熔铸车间。由于这类炉子炉门大，炉门机械化升降，采用叉车加料、扒渣、搅拌，大大降低了工人的劳动强度，很受铸造工人的青睐。

　　这种类型的炉子为对流传热式炉，蓄热式喷嘴，若烧天然气熔化炉料速度比较快。但由于炉门过大，在加料、扒渣、搅拌时热量损失大。

　　这类炉子非常大的缺点是直焰燃烧，热气流在炉内停时间短，烟道出口温度高，除利用余热预热助燃空气外，大部分余热没有得到充分的利用，热损失非常大，对用于熔化重熔铝锭和废料而言，不是无缺的炉型。

　　2 结束语

　　1) 通过对现有熔铝炉型的分析，依据对流传热的牛顿定律，综合竖式炉和圆形炉的优点，合理的布置烧嘴，使高温气流旋风式运动，增加了高温气流与炉料的接触面积，强化了对流传热的作用。

　　2) 充分利用余热，不仅预热助燃空气，更关键的是预热炉料，使熔铝炉的热效率提高到 55% 以上，熔化炉料的效率达 4 t/h ～ 5 t/h，效率高节省效果明显。

　　3) 为进一步提高节能减排的目标，建议加强熔铝工艺管理，准确配料，减少或避免大量补料、冲淡及多次分析现象，合理安排生产，缩短加料、扒渣及化学分析时间。

　　采用磁力搅拌或其他先进的搅拌方式，尽量减小炉内降温和熔体在炉内的时间，不但提高熔体质量，而且减少热损失。

　　在设计布置从熔炼到铸造之间的工艺平面时，尽量缩短从炉子出口到铸造盘之间的距离，减少铝液输送过程中的热损失。