电磁/永磁搅拌器在熔铝炉上的应用及比较

　　摘　要:本文着重阐述磁搅拌器应用于熔铝炉的优越性,并对永磁搅拌器与电磁搅拌器的优缺点进行了比较。

　　在铝及铝合金的熔炼中,搅拌可以增加熔体的对流,使熔体温差减小、成分均匀,提高熔化率,减少氧化烧损,提高产品质量。在出现磁搅拌器前,通常采用机械搅拌(全人工搅拌或利用叉车搅拌),需要开启炉门,热辐射大、生产环境差、工人劳动强度大,且浪费能源,熔体成分均匀性及温差因人而异、存在非常大差异。磁搅拌器(电磁搅拌器与永磁搅拌器)的出现及应用解决了这些问题。本文着重阐述熔铝炉中应用磁搅拌器的优点及电磁搅拌器与永磁搅拌器的比较,并希望能与从事相关工作的同行们进行交流。

　　1　熔铝炉上使用磁搅拌器的优点

　　1.1　缩短熔炼时间

　　在熔化前期,通过辐射和对流方式对铝锭进行加热。在熔化后期,随着铝锭逐渐熔化,料堆软化下塌,液面下呈固、液混合状态,铝液表面温度上升较快,但由于表层铝渣传导系数小,造成铝熔体上下温差非常大,熔化过程变得缓慢。为了缩短熔炼时间,提高生产率,此时有两种途径:一是提高炉温,以此增加传热,但提高炉温的同时排出的烟气温度也会提高,增加了烟气热损失和炉体的散热损失,浪费能源,降低炉子使用寿命,并且易造成铝熔体过热;二是对熔体进行搅拌,增加对流传热,降低熔体的上下温差,提高熔化率。

　　由此可以看出,搅拌是提高热传导效率、缩短熔炼时间的较佳方法。如果采用机械搅拌方式,则需要开启炉门,烧嘴停止工作,既增加热量散失,也增加了熔化时间;如果采用磁搅拌,则不需要开启炉门,且烧嘴可不间断工作,因而大大缩短了熔化时间,提高了生产率。实际生产表明,采用磁搅拌器相对于机械搅拌可以缩短生产周期30%,提高生产率20%。

　　1.2　节能

　　使用磁搅拌器进行搅拌不开启炉门,可减少炉门的热损失。此外,由于搅拌后熔体上下温差减小,促进传热,缩短了熔化时间,减少了烟气和炉体的热损失,提高了热效率,降低了能耗。

　　从国内外使用磁搅拌器的熔铝炉节能效果来看,节能减排是显而易见的。根据部分生产企业提供的数据来看,使用磁搅拌器可以使熔炼温度降低40～ 50℃ ,电磁搅拌与人工搅拌相比可节能约15%。

　　1.3　提高成分均匀性

　　搅拌可促进合金元素在熔体中的均匀分布。机械搅拌,受操作工人技能、体能的限制,往往搅拌不充分,影响产品质量;而采用磁搅拌器,搅拌更充分,成分更均匀,熔体质量更稳定,并且非常大限度地降低了人为因素对产品质量造成的影响。表1为在熔铝炉中用电解铝液生产铸造铝合金时,机械搅拌和电磁搅拌所取得的合金成分均匀性比较。可以看出,采用电磁搅拌后合金的成分均匀性明显优于机械搅拌,合金成分偏差很小,产品质量有了显著提高。

　　1.4　减少氧化烧损

　　机械搅拌是利用铁耙进行搅拌,破坏铝液表层的氧化膜,增加铝液与空气的接触面积与时间,从而增加了铝液的氧化烧损;而磁搅拌器搅拌时仅在铝液内部产生流动,且越靠近底部的熔体流速越快,而表层的氧化膜不被破坏,从而减少了铝液的氧化烧损,此外,由于大大缩短了熔炼时间且降低了炉膛温度,从而进一步降低了铝液氧化烧损。实际生产表明,磁搅拌相对于机械搅拌可以使炉渣降低20%。

　　1.5　不污染铝熔液

　　磁搅拌为非接触式搅拌,搅拌过程中搅拌工具不接触铝液,从而避免了搅拌工具对铝液的污染。这对高纯铝生产及须严格控制有害元素含量时有着重要的意义。

　　1.6　为熔化过程的自动化控制创造条件

　　磁搅拌器是通过PLC进行控制的,可以与企业的局域网连接,实现计算机远程监控与操作,从而为熔炼过程的自动化创造了条件。

　　2　电磁搅拌器与永磁搅拌器的比较

　　2.1　搅拌原理及搅拌效果

　　电磁搅拌器的原理类似于直线电动机。感应器相当于电机的定子,在感应器线圈中通以适当频率的低频电流,感应器产生一个行波磁场,这一磁场在铝液中感应电流,感应的电流产生反磁场与原磁场合成,合成磁场与感应电流相互作用,产生平移的电磁推力,使液态金属产生定向移动,起到搅拌作用。

　　永磁搅拌器的原理类似永磁体电机原理。感应器相当于电机的定子,金属熔液相当于电机的转子。感应器转动时产生旋转磁场,从而带动金属溶液旋转,起到搅拌作用。从上述搅拌原理可以看出,电磁搅拌器产生的是平移力,永磁搅拌器产生的是旋转力。永磁搅拌器搅拌时相当于离心机,易使熔体中的重金属甩到四周,而密度较小的合金则留在中部,因而相对于电磁搅拌器的搅拌效果而言,熔体成分的均匀性较差。

　　2.2　价格

　　同吨位的国产电磁搅拌器的价格略低于国产永磁搅拌器,进口电磁搅拌器的价格则要高于国产永磁搅拌器。就国产设备而言,电磁搅拌器较永磁搅拌器有价格优势,但由于电磁搅拌器耗电非常大,需要对变压器增容,如果将变压器增容的成本也考虑在其中,则永磁搅拌器优于电磁搅拌器。

　　2.3　能耗

　　电磁搅拌器是将电能转化成磁能对熔体进行搅拌的,在能量转换过程中要消耗很多电能,产生大量热量或无用功;而永磁搅拌器的能量消耗仅为驱动电机的能耗。由表2可以看出,永磁搅拌器的能耗仅为ABB电磁搅拌器能耗的1/5左右。国产电磁搅拌器耗能非常大,永磁搅拌器能耗为国产电磁搅拌器能耗的1/5～ 1/10。

　　2.4冷却方式

　　电磁搅拌器在能量转换过程中做了大量的无用功,产生了大量的热量,如果不及时将这些热量排出,较易烧毁电磁搅拌器的线圈。为了降低线圈的温度,采用了单独的水冷系统对线圈进行冷却。电磁搅拌器线圈采用中空铜线缠绕而成,由于中空铜线孔径小,无法通过大量的冷却水,故冷却效率较低,且冷却水中的化学物质易与铜管发生反应,因而对冷却水有较高的要求,需使用经过处理的软化水。由于冷却效率低,导致电磁搅拌器不能长时间连续工作,每次允许工作的时间较短,约为15～ 30min。

　　永磁搅拌器的永磁体对温度比较敏感。居里点温度(磁性材料较久失去磁性的温度)是衡量磁性材料的重要指标,一旦环境温度超过居里点温度,即使时间很短也会退磁。因此,永磁搅拌器不仅需要内置风冷系统,对周边的环境温度及通风也有较高的要求,要求通风良好、工作环境温度上限一般不超过80～ 180℃。

　　如果炉底隔热效果较好,搅拌器通道内通风良好,永磁搅拌器的内置风冷系统较电磁搅拌器的水冷系统简单的多,检修及日常维护也较方便,而且每次允许工作时间不受限制。

　　2.5　设备组成及日常故障点

　　永磁搅拌器结构简单、紧凑,但其永磁体的体积及质量非常大,工作时需作高速旋转,旋转机构易出现故障;电磁搅拌器体积非常大、系统复杂,故障点较多,检修及维护需有经验技术人员。设备组成见表3。

　　4　结束语

　　铝带箔生产过程中,轧制油损失的主要途径为排烟损失、带材表面夹带损失、重油污染报废损失、含油废弃物损失和跑冒滴漏损失,其比率分别约为47.5%、27.5%、15.6%、7.0%、2.4%。

　　减少轧制油消耗的有效途径为油雾回收和废轧制油更新。采用全油回收装置和轧制油更新装置,可使铝带箔生产厂轧制油消耗总量降低约56%,不仅有良好的节能、环境效益,经济效益也十分可观。

　　由于各生产厂家产品品种、尺寸规格、生产工艺及设备等的不同,轧制油的消耗量会有非常大差异,本文中的统计和分析数据仅供读者参考。