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铝熔炼炉用耐火材料的现状和发展
13:53:14&&中国建材报&&&
&　　铝及铝合金广泛应用于建材、电力、交通、机械等各个工业领域。近些年来我国铝工业出现了新一轮的投资热潮，原铝产量有了快速的发展，作为全球原铝生产的第一大国，仅有原铝生产是不够的，必须继续对原铝进行深加工，才能最大限度体现价值。与此相对应的是近两年，我国铝加工行业已出现了爆发式增长，对于铝行业的发展是令人鼓舞的消息，同时也令人担忧，担心又会出现同质竞争的现象，与钢铁、水泥、玻璃等行业类似，使得行业利润大幅下滑。这是我国工业发展存在的一个结构性问题。
　　与传统的初级加工铝锭相比，大规格、高品质的高纯铝和铝合金有较高的产品附加值及利润空间，高纯铝和高品质铝合金是我国铝加工业发展的新方向之一。传统铝及铝合金冶炼用耐火材料档次较低，一般为高铝质或黏土质耐火材料。随着铝合金冶炼工艺的强化和铝合金品位的提升，对铝合金冶炼用耐火材料也提出了更高的要求。本文中简要介绍了铝熔炼炉的主要类型和冶炼工艺，分析了耐火材料使用条件和对耐火材料的性能要求，以及铝熔炼炉用耐火材料的研究开发和应用情况。
　　铝熔炼炉的主要类型和冶炼工艺
　　铝熔炼炉包括熔铝炉（熔炼炉）和保温炉（静止炉），熔铝炉是将铝锭或者废铝熔化后生产高纯铝或铝合金的热工设备。除了熔铝外，也可用于熔炼锌、铅、锡、镉及巴氏合金等低熔点有色金属，或用于合金化。保温炉主要储存熔融金属，并可以保持或适当提高炉子的温度。
　　从结构上讲，熔铝炉主要有卧式、竖式和蓄热式。按热源划分，熔铝炉主要有电炉和反射炉。在电炉方面比较占优势的是电阻炉和工频感应炉，因为它具有适应大容量、低能耗，既熔炼又保温，能满足优质合金生产的需要。火焰炉以燃油（柴油、重油）和燃气（天然气、煤气）为热源，在火焰炉中用途最广的是反射炉。
　　对选用电炉及反射炉的比较，主要取决于能源供应，产品质量要求及企业的经济条件。原苏联多采用电炉，欧洲则重点发展竖井式反射炉，采用燃油燃料，因为这种炉型经济，既适应大批量熔化又能作为连续生产的保温炉使用，在压铸车间、铸锭车间均取得了好的效益。此外，以固体炉料为主的铝熔化炉，宜选用火焰炉，以便快速熔化。
　　铸造铝合金一般采用3种生产方式：1、利用废杂铝配制生产铸造铝合金（称为再生铝合金）；2、全部采用重熔，用铝锭配制生产铸造铝合金，一般大型铝铸件厂和铝合金熔炼厂采用此方式；3、采用电解铝液直接配制生产铸造铝合金。一般高品级的铸造铝合金产品要求必须全部采用重熔用铝锭或电解铝液进行生产。
　　铝熔炼过程有4个阶段，依次为：炉料装炉至软化下塌，软化下塌至炉料化平，炉料化平至全部熔化，熔体升温阶段。铝熔炼炉的正常运行和其熔炼的铝合金品质高低离不开炉体所用的耐火材料。近年来，随着铝熔炼工艺不断变化，包括不断增长的产量、更高的操作温度、铝熔炼炉的容量变大、更苛刻的机械外力、更大的温度急变、日益增长的合金化和废铝的回收使用等，都对耐火材料提出了更高的要求。
　　使用条件分析和对材料的要求
　　铝在冶炼过程中有如下特性：
　　铝熔点不高，但随着物态的变化，热学性能会发生显著的变化，熔炼过程需消耗大量的能源；铝的化学活性极强，能与炉气中的CO2、H2O、O2发生化学反应而造成铝损失；铝液具有强烈的氧化、吸气倾向，随熔炼温度的升高，时间的延长，氧化烧损和吸气倾向加重。
　　铝的这些熔炼特性加上熔铝炉的操作方式决定了炉衬耐火材料的损毁有以下几种方式：铝液或铝合金熔液的物理润湿渗透；铝液和熔渣的化学侵蚀；温度急变引起的热剥落和开裂；加铝或刮渣引起的机械破坏；搅拌或合金化造成机械损伤。铝液和熔渣对耐火材料的化学侵蚀是耐火材料损毁的重要原因之一。耐火材料首先被铝液溶解和渗透，Al作为强还原剂，和耐火材料中的SiO2或Al2O3&SiO2发生还原反应，生成Al2O3（s）和Si（s）。
　　铝熔炼炉用耐材的研究与应用
　　铝熔炼炉用耐火材料的选择原则有4项，其中抗铝液的侵蚀性和铝液对耐火材料的不润湿性（统称为浸润性）是铝熔炼炉用耐火材料特有的性能要求，可以通过以下措施来改善耐火材料的抗铝液浸润性：1、矿物组成的设计。选择和铝液不润湿或不发生化学反应的矿物相，如Al2O3、SiC等，尽量减少耐火材料中特别是基质中的石英和莫来石相，提高耐火材料的抗铝液渗透性和侵蚀性。2、材料组织结构的设计和优化。引入超微粉和采用高效分散技术，降低材料气孔率，提高致密度，增大铝液向耐火材料中的渗透阻力。3、抗铝液润湿剂的优选和均化。
　　1.矿物组成的设计
　　对于耐火材料和铝液来说，如果润湿角大于90&，两者就不会润湿。除了碳化物、硼化物以及氮化物外，大部分的氧化物很容易和铝液润湿。此外，随着时间或温度增加，润湿角会减小。虽然碳和石墨的润湿角较大，但在铝熔炼炉的冶炼气氛下，很容易被氧化而失效。
　　2.材料组织结构的设计和优化
　　引入超微粉和采用高效分散技术，降低材料气孔率，提高致密度，增大铝液向耐火材料中的渗透阻力。
　　3.抗铝液润湿剂的优选和均化
　　可以看出，这些浇注料均被铝液润湿和不同程度的侵蚀，熔融石英浇注料和黏土质浇注料抗铝液侵蚀性较差，矾土浇注料的抗铝液侵蚀效果要好一些，当Al2O3质量分数增加到80%，以刚玉相为主的矾土刚玉浇注料宏观下铝液渗透侵蚀得到明显抑制。
　　通过显微结构分析发现：黏土质浇注料中的焦宝石颗粒被渗透进来的铝液严重侵蚀，生成次生刚玉相和Si；矾土刚玉浇注料表层也被铝液润湿和渗透，并与耐火材料组分反应，在离表层0.5mm以内的范围内，铝液中的Mg和材料中的SiO2、Al2O3反应生成尖晶石并富集。
　　试验还证明，以SiC为主矿相的浇注料也会受到铝液的渗透和侵蚀。可见，铝液对耐火材料的渗透和侵蚀能力很强，仅靠调整矿物组成不能根本改善耐火材料抗铝液浸润性能。
　　六铝酸钙也是一种抗铝液浸润性优异的材料，专利.2中提出了一种不污染高纯铝液的六铝酸钙基浇注料。该浇注料以六铝酸钙为主要原料(包括骨料和细粉)，辅以刚玉或矾土，以铝酸钙水泥为结合剂，添加剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠或硫酸钡的一种或多种，并添加少量活性氧化铝微粉或二氧化硅微粉。该浇注料的w(Al2O3)&60%。James等基于铝熔炼炉用耐火材料被侵蚀和磨损的损坏机制，研究开发出了两种新型材料：六铝酸钙基浇注料和TCON(Al2O3－SiC复合原料)基浇注料。其中TCON是一种Al2O3－SiC质复合原料，具有在微观上连续的相互交叉的陶瓷相和金属相，大约有53%(w)SiC、35%(w)Al2O3和12%(w)Al或Si。金属相的存在赋予材料很好的韧性，而陶瓷相赋予材料很高的硬度和改善材料高温下的性能。耐火材料中的SiO2（游离态或化合态）与铝液容易反应而导致耐火材料损毁，而添加抗铝液润湿剂（BaSO4、AlF3、CaF2和P2O5等）可以阻止两者之间的反应，但是在高温和熔剂作用下，抗润湿剂将失去作用。用白云石废料和工业氧化铝合成镁铝尖晶石－铝酸钙原料，并以其为主要原料制备出镁铝尖晶石－铝酸钙砖。试验表明，该材料具有优异的抗铝液浸润性，对铝液没有污染，可以取代常用的磷酸盐结合高铝砖。
　　4.材料组织结构的设计和优化
　　采用Andreassen紧密堆积原理优化浇注料的颗粒级配。在浇注料中引入适量的&-Al2O3微粉和SiO2微粉，并辅以有机高效减水剂，使得微粉在浇注料中充分分散，填充基质细粉中颗粒间的微小空隙，大大降低了浇注料的气孔率，提高了致密度。
　　5.抗铝液润湿剂的优选和均化
　　有专家对铝合金熔化炉熔池内衬刚玉瘤的成因进行了研究，并提出了对策。合金熔化炉熔池内衬刚玉瘤的形成与扩展是熔池内衬耐火材料破损的重要原因之一。铝合金熔化炉熔池内衬耐火浇注料和刚玉瘤的化学分析结果显示，刚玉瘤中Al2O3的质量分数为94%，远高于原浇注料的61%。分析认为，铝及其合金元素与耐火材料间的化学反应，铝液液面的氧化反应，炉内温度过高是刚玉瘤形成的原因，而且冶炼过程中加入的助熔剂或清渣剂加速了对内衬耐火材料的渗透。据此提出了降低刚玉瘤形成及减轻内衬损毁的对策。从炉衬设计上考虑应注意：如果背衬材料在高温下强度过低，持续高温高压下极易形成裂纹和产生收缩，会使工作炉衬材料产生裂纹；如果背衬的保温板和轻质浇注料初次加热后的收缩较大，也会使工作炉衬材料产生裂纹及无法形成致密的烧结整体；不同的凝固面设计使炉衬热面的温度和炉衬内热流分布不同，对工作炉衬的侵蚀不同。
　　6.炉顶耐火材料结构设计
　　传统铝熔炼炉炉顶普遍采用砖砌，存在以下不足：易烧蚀产生裂缝，易掉砖，能耗高。因此，新型炉顶可以采用吊挂砖和复合浇注的方式，具有整体性好，寿命长的优点。此外，炉顶如采用重质浇注料、轻质浇注料和纤维材料的多层结构，将更加节能。
　　7.炉底耐火材料结构设计
　　炉底一般采用抗铝液浸润的高铝砖砌筑或高铝浇注料整体浇注而成。但用高铝砖砌筑的炉床承受不住向炉床中心聚集并叠加的热膨胀应力的作用，炉床会逐渐隆起，导致炉材损坏。而用浇注料整体浇注的炉床常常在烘炉后出现较长的收缩性贯通缝，必须在使用前加以修补，对炉床质量与使用寿命具有潜在的影响。用浇注料结合预制砖砌筑的铝合金熔化炉保持室炉床，克服了现有保持室炉床存在收缩贯通缝的问题。其特征在于与铝液接触的工作层是由高铝浇注料结合预制砖铺设而成，预制砖在高度方向上的中间位置预留有环向凹槽。由于采用高铝浇注料结合预制砖砌筑结构，使铝合金熔化炉保持室炉床砌筑过程简易、快捷；由于预制砖与高铝浇注料之间在垂直方向形成凸凹状工艺接缝，在铝液接触层表面上形成梅花桩状工艺接缝，既预防炉床出现沿炉床高度方向的直通缝，又避免炉床烘炉后所产生的较长且无规律的收缩贯通缝。基于预制砖本体结构与质量保证下的稳定性，可充分消解使用过程中的热膨胀应力，炉床不会隆起，使炉床砌筑质量与使
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站点统计&&&&铝合金熔铸用熔炼炉、静置炉的分类与选择
一、对熔炼炉和静置炉的基本要求
&&&&铝合金熔炼炉的主要任务就是高效率的熔化铝锭、废料和其他炉料，配制铝合金。铝合金熔炼炉的发展史，实际上就是针对存在的问题不断改进提高炉子效率的历史。对现代铝合金熔炼炉的基本要求是：&
&&& 1)热工性能好。即熔化速度快，热效率高，单位产量燃料消耗少。&
&&& 2)操作性能好。即炉温均匀，炉温、炉压、炉内气氛可以方便调节控制，装料、搅拌便于实现机械化作业，对燃料变化的适应性强。&
&&& 3)性能价格比高。即设备占地面积小，单位产量设备投资低、使用寿命长，维修成本低，金属损耗少，使用燃料便宜易得。&
&&& 4)环保安全。即设备噪音低，炉子密封性好，排烟好，操作环境好；设备在点火、燃烧、熄火过程中要有可靠的安全保障。&
按照建标[号&铝加工厂建设标准&和YSJ 011--9l&铝加工厂工艺设计规范&的要求，铝及铝合金的熔化，宜采用火焰炉，热效率应大于40%。容量l5 t及以上的火焰熔化炉宜采用圆形或其他先进炉型，配以换热器，燃烧系统宜采用自动控制。容量l5 t以下的火焰熔化炉可采用比例控制烧嘴。&
&&& 静置炉用于接受在熔炼炉中熔炼好的熔体，并在其中进行精炼、静置和调整熔体温度，在铸造过程中对熔体起保温作用。因此，熔体的最终质量在许多情况下与静置炉的类型和结构有关。对静置炉的基本要求是：&
&&& 1)炉内水蒸气含量少。&
&&& 2)熔池内熔体的温差小、保温良好并能准确控制炉温。&
&&& 3)具有一定的升温能力。&
&&& 4)容量与熔炼炉相适应。&
&&& 5)结构简单、操作方便。&
&&& 按照建标[号&铝加工厂建设标准&和YSJ 011--91&铝加工厂工艺设计规范的要求，静置炉(保温炉)宜采用电阻炉。当电源不足或炉子容量较大时，也可采用火焰炉，并应设置炉温自动控制装置。
二、变形铝合金熔炼炉分类和优缺点比较
1．熔炼炉的分类&
&&& 常用变形铝合金熔炼炉分类方法很多，按使用热源的种类分，有电炉和燃料炉(燃煤炉、燃油炉、燃气炉)两大类。电炉按加热方式、结构和频率又可细分为很多种，燃料炉俗称火焰炉，也可按炉型和炉体结构细分为很多种，见图2&12&1。
2．电阻反射炉的优缺点&
&&& 电阻反射炉的优点是：水蒸气含量少，烧损小，炉温控制准确，熔炼的金属质量高；没有噪音，没有燃烧废气，工作环境好；结构简单，造价较低，维护保养简便。缺点是：加热元件只能安装在炉顶，单位功率不大(通常为30～40 kW/m2)，不仅生产率低，而且炉子占地面积较大；热效率比火焰炉高，但比感应炉低；另外，由于金属熔体和熔剂对加热元件的腐蚀作用，不仅给操作带来困难，而且需要经常更换加热元件。&
3．感应电炉的优缺点&
&&& 感应电炉的优点：①热量产生在金属材料本身；合金烧损少，熔化速度快，热效率高；②有电动搅拌作用，使熔体的成分和温度更为均匀，而且减轻了工人炉前操作的劳动强度；③熔体表面积和熔体体积的比可以尽可能小，减小了合金氧化、吸气的机会。同时，炉内水蒸气含量少，温度易于调节和控制，熔体品质高；④烟尘少，噪音小，作业环境好。感应电炉的缺点是：电器设备费用较高。两种类型的感应电炉相比较，熔沟式有芯感应炉具有原始功率因数较高(一般为0.3%～0.5%)、设备投资少(约为同容量坩埚式无芯感应炉的一半)、热效率较高的优点。但这种炉子开炉操作较复杂，必须留20%～30%的起熔体，搅拌作用不如坩埚式强烈。熔沟的工作条件恶劣(同时受高温、金属静压和电磁力的冲刷作用，而熔沟壁很薄，由内外温差引起的热应力很大)、寿命较短、且易为炉渣所堵塞。所以，熔沟式有芯感应炉多用于产量大、合金品种少、昼夜连续作业、炉料以新锭和大块料为主的场合。坩埚式无芯感应炉的优点是：搅拌作用比熔沟式炉强烈，熔炼温度更高(可达l600℃，比熔沟式炉高100～200℃)，在有效容量相同的条件下，输入功率比熔沟式炉可大数倍，因而熔化速度快，而且合金转组方便，炉结的清理和维修都较方便。缺点是原始功率因数低(通常小于0.2)，单位产量能耗较高，热效率较低。为了提高功率因数，需要有相当数量的补偿电容器。而且，坩埚炉多为单相，一般需要三相平衡装置。对于中频感应炉，还需有变频设备，因而使炉子造价更高。这种炉子主要用于中间合金熔制，废料重熔，合金转换频繁及间隙作业的场合。在坩埚式无芯感应炉中，随着电流频率增大，电流渗透深度减小(见表2&12&1)，集肤效应更明显，搅拌作用减弱。但由于磁力线变化频率提高，金属的涡流电势增大，炉料中热能增加，因而熔化速度和热效率提高，起熔也很容易。反之，工频炉传递功率困难，熔化速度和起熔速度都比较慢。但工频炉不需要变频装置，设备投资较省，在使用和维护方面比较简单，常用于大容量的炉子。
表2&12&1铝在不同频率下的电流渗透深度
电流频率/Hz
电流渗透深度/cm
4．火焰炉的优缺点&&&&
&&& 火焰炉的最大优点是熔化速度快，炉子容量可以做得很大，因而产量高，成本低。缺点是：火焰直接与金属接触，易烧损，易造成局部过热，炉子中水蒸气含量高，熔体吸气量多(应该指出：在严格遵守熔炼、精炼及转注工艺的条件下，也能得到满意的熔体品质)；由于燃烧废气带走大量热量，在不采取余热利用措施的前提下，与电炉比较，炉子的热效率低；此外，在采用气体或液体燃料时噪音较大，在排烟和通风设备不健全的情况下，燃烧废气有可能污染车间空气，恶化作业环境。&
&&& 1)固定式矩形炉&
&&& 这种炉子[见图2&12&2(a)]的侧壁设有炉门，用装料机或人工将冷料经炉门装入炉内．炉子的端面上安装的油喷嘴或煤气烧嘴向液面略有倾斜。这种炉子具有如下特点：①能随意设计炉子容量的大小；②可以留出较大的装料口；③易于小修；④设备费比倾动式炉便宜。对于容量为30～40 t的这种炉子，其热效率可达25%～35%。安装换热器后，热效率可达40%～55%(见表2&12&2)。
表2&12&2南海通润熔铝炉主要技术性能
炉架及炉壳材料
型钢+全包钢板
一级高铝砖
轻质保温砖
斜炉门拱顶矩形炉
环保型高效节能蓄热式喷嘴
燃烧能力/kg&h-1
续表2-12-2
燃料单耗/kg&(tAl)-1
排烟温度/℃
一队喷嘴交替燃烧
装机电容量/kW
微电脑智能化控制(全自动或手动)
炉墙外表面温度/℃
&&& 这种炉子还可以设计成双膛熔化-静置炉、双膛双向炉(见图2-12-3)、带前床的熔炼炉(见图2-12-4)和干燥炉床。
&&& 双膛熔化-静置炉，一个炉膛熔化，另一个炉膛静置，起到利用废气余热保温、提高热效率的作用。同时在静止炉膛也装有烧嘴，防止铝液降温。双膛双向炉由两个炉膛组成，共用一个静置炉，炉子两端根据容量大小各安装有1～3个烧嘴。一个炉膛熔化时，另一个炉膛对炉料进行预热，交替进行，周而复始，可使燃烧废气排放温度降低到350℃左右，从而使热效率提高15%～20%。&
&&& 带前床的熔炼炉就是把固定式矩形熔炼炉的侧面和称为前床的加热室相连，并有敞开式液体金属槽的炉子。前床部分主要是为了熔炼废料而设置的。将废料装入前床，靠熔融金属液本身的热量来熔化。加热室和前床之间的隔墙用能升降的撇渣门隔开，一边用泵使金属液循环，一边促使废料熔化。这种炉子可使废料金属的烧损大大降低，但炉子的热效率会降低到20%～25%。&
&&& 干燥炉床的炉膛断面是倾斜的阶梯形，用于从含铁的铝废料中分离铁杂质。&
&&& 2)固定式圆形炉&
&&& 在火焰炉中，采用顶部加料的圆形炉(见图2&12&5b)与矩形炉比较具有很多优点：①装炉时问短，缩短了熔化周期；②燃烧气体在炉内旋转，火焰呈一定角度喷向液面，加强了对流传热，不仅炉温比较均匀，而且加快了熔化速度，提高了熔化能力和热效率(对于容量为30～40 t的炉子，热效率可达40%)；③在容量和表面积相同的情况下，熔池深度较小，而在容量和熔池深度相同的情况下，占地面积也较小：④减轻了劳动强度；⑤简化了耐火材料结构，减少了砌砖工作量；⑥因为上部能敞开，修炉时，炉子冷却快，易于修补。但圆形炉的炉顶开盖及移动机构比较复杂，建设投资比同容量矩形炉稍大。
&&& 3)固定式竖式炉&
&&& 这是我国科技人员开发的一种节能性熔铝炉(见图2&12&6)，从上世纪80年代初至今，经过20多年的不断完善，现在基本上已在铝加工行业推广使用。这种炉子目前形式很多，有矩形、也有圆形，叫法不一，有人称快速熔铝炉，也有人称L形熔铝炉，还有人称冲天炉、塔形炉和竖式炉等，其实基本都属于这一类。这种炉子由底炉、竖炉、燃烧系统、空气预热系统、排烟及控制系统等组成。采用翻斗式机械加料或炉顶平台人工加料。竖炉中炉料和空气预热器利用烟气预热，因此，具有较高的热效率。其主要技术经济指标见表2&12&3和表2&12&4。
表2&12&3固定竖式熔铝炉主要规格和枝术经济指标
额定容量/t
熔化速度/t&h-1
油耗/kg&t Al-1
金属损耗/%
大修炉龄/a
&150%，林格曼一级
表2&12&6国产RLR系列电阻反射式熔铝炉主要技术性能
额定容量/t
RLR一165&9-1
RLR一300&9-3
RLR一525&9-6
RLR一680&9-9
RLR一800&9-12
RLR一500&9-15
RLR一800&9-18
RLR&l000&9&24
RLR&l200&9&40
&&& 电阻静置炉在结构上与电阻熔化炉相似，只是熔池要稍微深一些，熔池镜面积要小一些，而且配置的电功率大约只有同容量熔化炉的50%～60%。几种国产电阻静置炉的主要技术性能见表2&12&7。
表2&l2&7国产RLB系列电阻静置炉(保温炉)主要技术性能
RLB一240&9&6
RLB一250&9&10
RLB一300一9&15
RLB一600&9一l8
RLB一500&9&24
RLB一600&9&24
RLB一700&9&40
四、感应式熔炼炉
&&& 感应式熔炼炉是按变压器的原理工作的。在感应线圈中通过交变电流时，在感应线圈内便产生一个交变磁场。位于交变磁场中的金属在感应电势的作用下产生感应电流。由于金属具有一定的电阻，根据焦耳-楞次定律，就有热量产生，从而使金属加热熔化。在熔沟式有芯感应炉中，带铁芯的感应线圈相当于变压器的一次线圈，被加热的金属置于环绕在感应线圈外围的熔沟之内，相当于变压器的二次线圈。在坩埚式无芯感应炉中，不带铁芯的感应器相当于空气芯变压器的一次线圈，被加热的金属置于坩埚内被感应器环绕着，相当于变压器内短路连接的二次线圈。&
&&& 我国铝加工行业，除了某些特殊合金及某些原采用工频有芯感应电炉从事铜熔炼的企业外，采用感应熔炼炉来熔制成品铝合金的不多，只是在生产铝中间合金时，才用到小容量的中频或工频坩埚式无芯感应炉。这种感应炉通常由炉体、电源、补偿电容器和熔炼控制台等几部分组成。&
&&& 中频坩埚式感应炉的炉体由炉架、感应器、坩埚、磁轭、紧固装置和倾炉装置组成。炉架有固定支架和活动支架两部分，通常由型钢焊接而成，并由几个相互绝缘的单独部分组成，以防止在炉架中产生感应电流。坩埚、感应器等均安装在活动支架内，并随活动支架一起由倾炉装置控制翻转。磁轭由硅钢片叠制而成，主要起磁屏作用，以约束感应器的漏磁，防止周围金属构架发热。倾炉装置随炉子容量和炉型而异，大致有手动式、电动式和油压式三种。感应器一般用紫铜矩形管绕制而成，且用绢带或玻璃布半压缠绕，而后涂以绝缘漆，管间以云母垫片绝缘，以防止短路。由于感应器中通过的电流很大，加上坩埚壁传来的热量，使得在一殷情况下都必须对感应器通水冷却。冷却水压约0.2 MPa，冷却水量以使出水温度不大于40℃为宜。为了减少电磁振动力的不利影响，炉体在水平方向和垂直方向均采用紧固装置将其压紧。坩埚是炉子的重要组成部分，对它的基本要求是：耐火度高、抗侵蚀性好、急冷急热性能好、机械强度大，并具有较好的绝缘性能。在熔制铝中间合金时，我国多采用以石英砂为骨料、以硼酸为粘结剂的酸性材料(通用配方是：2～3mm粒度石英砂42.5%，0.25～0.5 mm粒度石英砂27%，水泥状细石英砂25%，硼砂2.5%，水3%)捣制而成。但在生产AlTiB中间合金时，也有采用刚玉砂作炉衬的。坩埚的厚度应在保证安全生产的条件下薄一些好，通常在50～150 mm之间。&
&&& 中频电源多采用可控硅变频器，具有效率高、噪音小、运行可靠、体小量轻、安装维护简单、输出功率可调等优点，在我国已普遍采用。补偿电容器是调整炉子功率因数用的。图2&12&11是坩埚式变频感应熔炼炉的结构示意图。
五、火焰炉
&&& 火焰炉熔化金属所需的热量是靠燃料燃烧装置供给的。燃烧产物在从燃烧装置流向烟道的过程中，热量主要以辐射的形式传给炉料。为了提高炉子的熔化效率，人们发展了火焰直接喷射加热和顶吹加热的快速熔化炉，在这种炉子中，热量主要是以对流的方式传给炉料的。&
1．火焰炉的结构&
&&& 火焰炉的结构形式很多，但通常都是由炉体(包括炉基、炉底、炉墙、炉顶、炉门和金属构架)、燃料燃烧装置、废热利用装置、烟道和烟囱等几部分组成的。&
&&& 常用的固定式矩形炉的炉体结构大致有三种形式(见图2&12&12)。其中(a)、(b)两种多用于液体或气体燃料炉，(c)多用于固体燃料(块煤)炉。在(a)型炉中，火焰从炉头进入炉内，沿熔池物料面经过，到炉尾被吸人烟道。在(b)型炉中，炉顶在纵向呈下垂式，火焰从烟道的同一端进入炉内，从炉顶压向熔池液面，然后进入烟道。这种炉型使火焰紧贴金属，且燃烧产物在炉内停留时间较长，增加了对金属的辐射传热和对流传热，因而升温较快，热效率较高。在(c)型炉中，火焰从燃烧室越过火墙进入炉膛，然后被下垂式弧形炉顶压向炉料，再进人烟道。所有类型的火焰炉，炉基多用混凝土砌筑，在炉基上通常还铺设槽钢或工字钢，以避免潮湿，并起通风散热作用。熔池一般都砌成倒拱形，以避免炉底上浮。为了防止金属渗入炉底，在炉底中间一般铺有一层厚度不大但十分紧密的镁砂层。为了便于放出金属，熔池底略向金属流口方向倾斜1℃～2℃。火焰炉的炉顶一般采用拱顶，拱顶中心角为60&～90&，拱高为跨距的l2%～l5%。根据炉子容量的大小，炉墙上开有数量不等的炉门。炉门通常开在炉子正面，其大小主要依加料槽的尺寸和操作情况而定，炉门一般用电机启闭，且通水冷却。金属构架是防止炉子变形，抵抗砌砖在烘炉或工作过程中产生的膨胀和收缩力，加固炉体。
&&& 图2&12&13是铝合金圆形熔炼炉的结构示意图。这种圆形炉在结构上采用了可开启的炉盖，炉盖周边采用冷却套。在炉盖的上面有炉盖提升装置。加料方式是用天车吊运料斗于顶部加料。四个烧嘴对称均布在炉墙上，火焰沿切线方向并向下呈一定角度射向炉料。此外，在炉墙上还开有四个呈对称分布的烟道口。
&&& 燃料是火焰炉的热源，它必须在和适量的空气混合后易于稳定的燃烧，价格便宜，供应可靠，同时在运输及贮存方面应安全方便。燃料根据物态分为气体、液体和固体三类。目前，铝加工行业主要使用气体和液体燃料。&&&&
&&& 1)气体燃料&
&&& (1)气体燃料的优缺点&
&&& 气体燃料的优点是：①燃烧效率高，用很少的过剩空气就能完全燃烧；②能保持稳定的燃烧，它不像固体或液体燃料那样必须经气化或雾化并与空气混合后才进行燃烧。由于燃料本身是气体，和空气极易混合，一经混合即可燃烧。因此，点火、控制、熄火都很容易；③可用排出烟气的余热来预热燃料本身(由于高温下燃料会分解，预热温度受到一定限制)；④灰分含量接近于零；⑤和固体、液体燃料相比较，气体燃料成分中含氢多，含碳少，所以不易产生黑烟。气体燃料的缺点是：①和固体、液体燃料相比较，单位体积的发热量小，所以输送管道、贮存或搬运都要多花钱；②气体大多无色、无臭，因此失火、中毒的危险性大。气体燃料的种类很多，但都由可燃成分和不可燃成分组成。可燃成分主要为碳氢化合物、氢气和一氧化碳等，不可燃成分有氮气、二氧化碳和水蒸气等。目前，国内铝加工行业常用的气体燃料及与燃料有密切关系的各种气体的性质见表2&12&8。&
表2&12&8各种常用燃气的组成和特性
&&&(2)天然气&&
&&&& 天然气是从地下打出的可燃气体的总称。天然气又分两类：一类在地底的高压下溶于原油，流近地表时因压力下降而与原油分离，称为油井拌生气；一类溶于地下水层，流近地表时与水分离，称为气井气和煤田气。油井拌生气的可燃成分几乎全为甲烷，气井气除甲烷外还含有较多的乙烷、丙烷等重碳氢化合物。以甲烷为主成分的天然气，靠制冷剂冷却至-162℃，成为液态，称为液化天然气(LNG)，以便于远距离运输。LNG的优点是含硫低，从防止公害角度看，是一种受欢迎的燃料。&
&&& (3)石油气&
&&& 石油气是和原油一起从油井喷出的，也可从炼油和石油化工的副产品或者粗汽油等中回收。从油井得到的石油气多由链烷烃组成，由其他来源得到的石油气因产地不同，有时会含有大量链烯烃。由于石油气常温下加压时容易液化，故多加工成液化石油气(LPG)，以便于运输和储存。使用LPG时，必须注意以下两点：&
&&& ①LPG的汽化潜热高达90～100 kcal/kg，冬季在寒冷地区使用含C4以上的LPG时，要考虑连续加热或采取必要的保温措施，以保证连续供气；&
&&& ②石油气燃烧所需的空气量比其他燃料的大，天然气约需9 m3/m3，而丙烷和丁烷就要24～31 m3/m3的空气。选用或设计燃烧装置时，要特别在空气的混合问题上想办法。从表2&12&8可知，它们的爆炸极限范围狭窄，因而必须注意安全问题。&
&&& (4)发生炉煤气&
&&& 发生炉煤气、水煤气是将固体燃料(主要是烟煤、无烟煤或焦炭)在专用煤气发生炉内进行气化而得到的气体可燃物。以空气作气化剂而得到的煤气叫空气发生炉煤气，以水蒸气作气化剂而得到的煤气叫水煤气，以空气和水蒸气的混合物作气化剂而得到的煤气叫混合发生炉煤气。针对我国煤炭资源丰富的特点，国内设计开发了多种型号的热煤气发生炉。这种热煤气发生炉以不粘结性烟煤或焦碳为燃料，生产出的热煤气经干式除尘后直接供给熔铝炉。实践证明，这种炉子具有出口温度高(400～500℃)、热值较高( kcal/m3)、能充分利用煤气的显热和焦油燃烧热，没有含酚及焦油的污水排出等特点。但热煤气出口压力低(小于l00 mmHg)、输送距离短(小于60 m)，且为了防止煤气冷却和焦油蒸汽的冷凝，煤气输送系统的各个设备均需保温。目前，铝加工行业还有一些小规模厂，将煤气发生炉和熔铝炉设计成一个整体，采用炉顶加煤(烟煤)或侧面加煤(无烟煤)的方式，直接用煤作燃料，熔炼铝合金。一台15 t的熔铝炉，平均煤耗约l50 kg/tAl。由于未对煤气采取除尘措施，环保和卫生条件较差。&
&&& 2)液体燃料&
&&& (1)液体燃料的优缺点&
&&& 在铝合金熔炼炉中用得最多的液体燃料是柴油和重油。液体燃料与气体和固体燃料比较，其优点是：&
&&& ①单位发热量的成本低；&&
&&& ②装运及储存费用低；&&
&&& ③计量准确容易；&
&&& ④喷嘴的雾化性能好，可得到和气体燃料相同的燃烧效果。&&
&&& 其缺点是：&
&&& ①燃烧温度高，易引起局部过热；&
&&& ②与气体燃料相比，控制流量的精度低；&&&&
&&& ③燃烧噪音大；&
&&& ④含硫化物和氮化物的液体燃料，都会相应产生S0x及N0x，污染空气。&&&&
&&& 表2&12&9列出了常用液体燃料的性质。&
&&& (2)燃料油及其操作特性&
重油是蒸馏石油后的剩余物，呈褐黑色或绿黑色，我国标准SH/T 中将家用或工业燃烧器用燃料油分为8个牌号(见表2一l2&10)。1号和2号是馏分燃料油，适用于家用和工业小型燃烧器，特别是l号适用于气化燃烧器，或用于储存条件要求低倾点的场合。
表2&12&10& 燃料油的后昌标准（摘自SH/T ）
闭口闪点/℃
开口闪点/℃
运动粘度/&l0-4m2&S-1
密度(20℃)／kg&m-3
水和沉淀物&%
&&& 4号轻和4号是重质馏分燃料油，或者是馏分燃料油与残渣燃料油混合而成的燃料油，适用于要求该粘度范围的工业燃烧器。其余四个牌号是粘度范围递增的残渣燃料油，适用于工业燃烧器。为了便于装卸和雾化，此类燃料油通常需要预热。&
&&& 燃料油具有下列重要的操作特性：&
&&& ①粘度。粘度是燃料油的重要指标，粘度过大，不仅管道输送不便，还会使燃料油的雾化性能恶化，喷出的油滴过大，造成燃烧不完全，燃烧炉热效率下降。输送燃料油合适的粘度为(5～10)&10-4 m2/s，雾化所需的粘度为(0．2～0.45)&10-4 m2/s。所以，使用粘度较大的燃料油时必须经过预热，以保证喷嘴所要求的适当粘度。但应注意，预热温度过高时，燃料油会剧烈气化和起泡沫，火焰产生跳动，甚至引发火灾。燃料油的温度与运动粘度的关系见图2&12&14。
表2&12&9商品液体燃料的性质(供参考)
表2&12&ll轻柴油的质量指标(摘自GB/T&252--1994)
&&& ②含硫量。燃料油中的硫在燃烧过程中生成二氧化硫(S02)，其中一部分进一步氧化成硫酸酐(S03)，硫酸酐很容易吸收水蒸气变成亚硫酸和硫酸，不仅腐蚀设备，还会造成公害。专业标准规定l号和2号燃料油中硫含量不大于0.5%，对于高粘度燃料油，目前国内尚无硫含量控制标准。&
&&& ③闪点。闪点是衡量燃料油是否有着火危险的指标。闪点愈低，着火的危险愈大，同时放出有害蒸汽，恶化劳动条件。从安全考虑，燃料油的预热温度需要低于闪点5～10℃。&
SH/T 规定了7号燃料油的开口闪点和其他7个牌号燃料油的闭口闪点。这里应特别强调，重油混入轻质油后的闪点，远远低于按两者的混合比所求得的温度，对此必须注意。&
&&& ④、倾点。倾点反映燃料油的低温性能。倾点与燃料油的含蜡量有关，石蜡基原油生产的燃料油因含蜡较多而倾点较高。对于低粘度的燃料油，为了保证它在运输和使用中的流动性，质量标准对其倾点作了规定。对于高粘度燃料油，因使用时均需预热，一般不控制倾点。&
&&& ⑤、灰分。原油中含有有机金属化合物和微小的无机物，灰分为铁、硅、铝、钙、镁、钠、镍、钒等的氧化物。其中钒和钠结合后成为低熔点化合物，如温度在620～650℃以上，附着在喷嘴、炉墙砖、耐热钢的表面时，进而成为共融体，侵蚀喷嘴和炉墙。所以，专业标准中对灰分作了规定。&
&&& 轻柴油是压燃式发动机所用的燃料，但国内铝加工行业还有不少企业采用轻柴油作为熔铝炉的燃料。轻柴油的沸点为185～340%，由含C11～C9。的碳氢化合物组成，密度在0.82～0．87 g/cm3之间。我国GB/T 252&1994标准将轻柴油牌号按含硫量分为优级品(含硫&0.2%)、一级品(含硫&0.5%)和合格品(含硫&1.O%)三个等级，每个等级再按凝固点分为l0号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号6个牌号(见表2&12&11)。实际生产中，大多采用0号轻柴油。&
3．燃料燃烧装置&
&&& 1)对燃烧装置的基本要求&
&&& 炉子中用来燃烧燃料的部分，称为燃料燃烧装置。块状固体燃料的燃烧装置叫燃烧室，液体燃料的燃烧装置叫喷嘴，气体燃料的燃烧装置叫烧嘴。&
&&& 对燃料燃烧装置总的要求，①能保证向炉膛供给具有预定的温度和数量的燃烧产物；②结构尽可能简单、结实、耐热，以便于操作、检修、和拆换；③容许调节单位时间内燃料燃烧的数量和炉内气氛；④同时使用的各烧嘴性能必须一致。&
&&& 对烧嘴的基本要求，①着火容易，火焰稳定性好，既不回火，也不脱火；②燃烧效率高、不完全燃烧损失小，节约能源；③燃烧速率高、燃烧强烈，燃烧热负荷高；④燃烧产物有害物质少，对大气污染少，利于保护环境；⑤传热性能好，可以充分利用炉膛；⑥烧嘴产生的火炬特性能符合工艺过程的要求，在保持煤气和空气所要求的混合比的前提下，能自动调节烧嘴的工作；⑦操作方便，制造和维护费用不高。&
&&& 对喷嘴的基本要求是：①能使液体燃料雾化良好；②能使燃料与空气精细而均匀地混合；③能精确而方便地调节油耗量，并在整个调节过程中保持空气和燃料的正确比例；④能保证稳定的燃烧；⑤结构简单坚固，操作方便，不堵塞、不漏油；⑥检查、修理和清扫容易而方便。&&
&&& 2)气体燃料烧嘴&
&&& 燃气熔铝炉常用的烧嘴有低压有焰烧嘴和高压无焰烧嘴两类。低压和高压是对烧嘴正常工作时所需的燃气压力而言的，有焰和无焰是按产生火焰的黑度而言的。也可根据燃气和空气的不同混合方式，分为外部混合式(即有焰烧嘴)、内部混合式(即无焰烧嘴)和半混合式三大类。&
&&& (1)低压有焰烧嘴
&&& 图2&12一l5所示是用于发生炉煤气熔铝炉的涡流旋风式低压有焰烧嘴。发生炉煤气从煤气管接头进入后沿烧嘴1呈直线流股喷出，空气从空气管接头处进入旋涡室2沿喷嘴外的螺旋筋呈旋涡式回旋，在喷口处与煤气流股相遇，使之在混合室3中混合并着火燃烧。该烧嘴的主要技术性能是：&
&&&&&& &烧嘴前煤气压力/mmH20&&& 200～400&&
&&&&&&& 烧嘴前空气压力/mmH20&&& 200～400&&
&&&&&&& 煤气温度/℃&&&&&&&&&&& 20&
&&&&& &&空气温度/℃&&&&&&&&&&& 20&
&&&&&& &烧嘴能力/标m3.h-1&&&&& 300～500&&
&&&&&&& 过剩空气系数&&&&&&&&&&& 1.1&
&&& 这种外混式低压有焰烧嘴具有如下特点：
①燃烧速度(即火焰传播速度)较慢。因为煤气与空气在烧嘴内部未形成可燃性的混合气体，从烧嘴进入炉内后才边混合边燃烧。也由于不在烧嘴内形成可燃混合气体，所以，既能使用高温预热的助燃空气，也能使用预热的煤气。&
&&& ②因为燃烧速度较慢，因此为防止回火所需的煤气压力较小，对于热值为l250 kJ/m3的发生炉煤气，只需100～150 mmH20即可。&
&&& ③由于煤气和空气混合情况不太好，一则使要求的过剩空气系数较大，实际燃烧温度较低(从而使燃烧室热强度较小，寿命增长)；二则使煤气中的部分碳氢化合物在缺氧的条件下受热分解，析出固体小碳粒，从而使火焰黑度高、轮廓清晰可见，且沿火焰长度方向温度分布较均匀。&
&&& ④因为燃烧速度慢，燃烧室热强度较小，故允许的烧嘴直径较大，烧嘴能力的调节范围很宽。&&&&
&&& ⑤适当选定喷口结构和煤气及空气的喷出速度，可以得到不同亮度、长度和温度特性的火焰。&&&&
&&& 由上可见，外混式低压有焰烧嘴产生的火焰长，温度分布比较均匀，生产能力较大，而要求的煤气压力较低，故广泛用于炉膛容积和熔池面积较大，以热值较低的发生炉煤气作为燃料的熔炼炉。&
&&& (2)高压无焰烧嘴
&&&&图2&l2&16所示是用于天然气炉的双管半喷射式高压无焰烧嘴。高压天然气从带法兰盘的煤气管1以很高的速度沿煤气喷口3喷出。从大气中自动吸人一定量的一次空气，一次空气的进入量可借一次空气调节盘2进行调节。天然气和一次空气在混合器4中进行混合，然后从混合物喷口5喷出，并与由二次空气箱8进来的热空气在烧嘴端部6进行混合，并在燃烧坑道7内着火燃烧。该烧嘴的主要技术性能是：&
&&&&烧嘴前天然气压力/mmH20&&&&&&&&&&
&&&&烧嘴前二次空气压力/mmH20&&&200～400&&&&&
&&&&天然气温度/℃&&&&&&&&&&&&&&20&
&&&&二次空气预热温度/℃&&&&&&&&300&
&&&&烧嘴能力/标m2.h-1&&&&&&&&&&50～100&&&&&
&&&&过剩空气系数&&&&&&&&&&&&&&&&l.05&
&&&&这种半混合式高压无焰烧嘴具有如下特点：&
&&&&①由于煤气和空气在入炉前已利用煤气的动能从大气中吸人30%～70%的空气(可调节)，并用文式管使空气和煤气预先混合，因此燃烧速度快。&
&&&&②燃烧时，煤气中碳氢化合物来不及热分解，火焰中固体碳粒少，故火炬短、黑度小，几乎看不到火焰。&
&&&&③为了使混合达到均匀，得到合适的混合气体压力，要求有较高的煤气压力，一般在1000&mmH20以上。&&&
&&&&④由于煤气和空气混合均匀，故要求的过剩空气系数较低，实际燃烧温度较高，但高温集中在烧嘴附近，燃烧室热强度大。&
&&&&⑤由于煤气和空气在烧嘴内要预先混合(混合气体大多数情况下都在爆炸范围内)，又因为燃烧速度快，所以，为了防止回火和爆炸，一要限制煤气和空气的预热温度(一般把混合气体温度控制在350℃以下)；二要缩小混合气体的出口直径，这样使烧嘴能力变小。&
&&&&由上可见，半混合式高压无焰烧嘴产生的火矩短(可通过调节一次空气量来改变火焰的长度和亮度)、温度高，烧嘴能力较小，而要求的煤气压力较高，故比较适用于以热值较大的天燃气作为燃料的熔炼炉。对于炉膛大、热负荷大的熔炼炉，应采用多个烧嘴，合理布置以满足对炉温的要求。&
&&&&(3)预混式无焰烧嘴&
&&&&内部混合式烧嘴又称预混式无焰烧嘴。这种烧嘴的特点是煤气和燃烧所必须的全部空气已预先在烧嘴内完全混合好，混合气体喷出后就能燃烧，因而不需要用二次空气助燃。这种烧嘴能实现快速燃烧，能获得高温，通过正确调节煤气和空气的混合比例，能形成所需要的炉内气氛。但是，这种烧嘴燃烧不稳定，在控制不好的情况下，可能出现回火或脱火。所谓回火，指喷出口处混合气体的喷出速度低于燃烧速度的现象。发生回火时，火焰自烧嘴内部回窜到管道中，一直到混合部位止。因此，即使燃烧量降到最低时，也必须使混合气体的喷出速度远远大于燃烧速度。所以，只有供应高压的混合气体才能扩大燃烧调节范围。所谓脱火，指混合气体的喷出速度过大时，火焰脱离管口的现象。所以通常采用的使燃烧稳定的办法主要有二：①让混合气体从许多小孔喷出，在各喷出口附近使气体形成涡流而减速；②让气流喷到耐火材料表面上而减速。这种烧嘴目前在熔铝炉中用的不多。&
&&&&(4)高速烧嘴&
&&&&为了加强对流传热的效果，提高熔化速度和热效率，铝行业20年前便开始使用高速煤气烧嘴(见图2&12&17)，这种烧嘴，煤气和空气从各自喷口喷出后，迅速混合，燃烧室热负荷高，产生高速烟气(约90&m/s)可以强化传热。根据美国J．J．Wiesner的实践，对流式熔炼可使熔铝所需的能耗在传统辐射式熔炼的基础上降低20%～40%。按照他的意见，在设计对流式熔铝炉时，应考虑下列因素的影响：①直径小而数量多的烧嘴可增大对流传热，设计中要考虑多个烧嘴的综合作用；②高速气体有利于对流传热；③烧嘴靠近炉料，可避免热气体速度的降低，从而增大传热量；④块状炉料有利于对流传热，松散的块状料可确保气体接触较大的传热面积；⑤装炉方式在某些情况下会影响传热；⑥往熔体内加料会降低对流传热效果，因为液态金属减小了传热面积；⑦当所有炉料尚处于固态，熔炼开始时的对流传热效果最大。随着熔炼过程进行，对流传热优越性逐渐消失，只要一出现平坦的熔池液面，对流与辐射相比就没有优越性；⑧预热空气或通入富氧空气而提高火焰温度，会有利于传热。
&&& (5)蓄热式烧嘴&
&&& 为了利用燃烧废气的余热，最近开发了再生蓄热式烧嘴，其结构见图2&12&18。关于再生蓄热式烧嘴的使用见本节废热回收装置部分。
&&&&3)液体燃料喷嘴&
&&&&按照雾化方法，所有液体燃料喷嘴可以分为油压雾化式机械喷嘴(含枪式喷嘴)、高压气流雾化式喷嘴、低压空气雾化式喷嘴(含旋杯式喷嘴)等多类。另外，按照雾化剂的种类，可分为空气喷嘴、蒸汽喷嘴和富氧喷嘴三类。按照燃料种类，还可分为油喷嘴和两用喷嘴(含油-煤气混烧喷嘴和交替使用两种油料的喷嘴)。&
&&&&(1)高压喷嘴&
&&&&使用压力在0.2～1.0&MPa的气体(压缩空气或蒸汽)作为燃料油的雾化介质，利用气流的动能将油滴雾化的喷嘴叫高压气流式喷嘴，简称高压喷嘴。根据油和雾化介质的混合位置的不同，高压喷嘴又可分为内部混合式和外部混合式(见图2&12&19a、b、c)。高压喷嘴具有下述特点：①构造简单，与油压式比较，其喷出孔不易堵塞，即使高粘度重质油也能充分雾化，适于连续使用。②与低压喷嘴比较，其雾化介质用量少但雾化效果良好。内混式和外混式比较，内混式的雾化介质用量少些。③雾化介质喷出的时候，对周围空气有大的吸引力，因此无论自然通风还是强制通风都可以使用。④喷油量的调节范围宽，可达8:1～6:1。高压喷嘴的技术特性见表2&12&12。
表2&12&12高压气流式喷嘴的特性表
内部混合式
外部混合式
喷油量/kg&h-1
雾化介质压力/MPa
助燃空气压力/mmH20
雾化介质用量/m3&(kg油)-1
&&& (2)低压喷嘴&
&&& 采用600～1000 mmH20的低压空气作为雾化介质的喷嘴叫低压喷嘴。因为雾化压力较低，故要求的雾化剂用量较多，一般将全部燃烧用空气的30%～l00%作为雾化剂。燃料油靠从油箱自然流下的压力或0.02～1 MPa的压力供给喷嘴，在旋转气流中喷出并雾化。空气在油股周围以直线喷出或以反向旋转方向喷出，同时进行两级或三级雾化，使油和空气充分的混合。这类喷嘴分为普通型和比例调节型两类(见图2&12&20、图2&12&21)。二者雾化机理相同，只是后者在结构上将油量和空气量的调节机构连动，用一个手柄操作就能同时按比例地调节油量和空气量。
&&& 低压空气式油喷嘴的特点如下：①由于可改变空气喷口的面积，在整个燃烧能力范围内经常保持最高风速，因此燃烧情况良好。②调节范围宽，达l:4～1:6。③可以使用粘度高的燃料。④由于比例调节型喷嘴的使用，使其自动控制装置简单。⑤油和空气都是低压，喷出孔直径稍大，因而不易堵塞，可长期连续使用。⑥设备费和运转费低廉。这种喷嘴的缺点是：①使用高粘度重油时油雾颗粒较粗，火焰长。②火焰形状几乎一定，根据炉子形状等提出的对火焰形状的要求难以满足。③构造上不宜用于高负荷燃烧。④需要较大的燃烧室。我国著名热工专家颜孟秋发明的ZHC型(可烧重油、原油、渣油及废油和柴油)、ZH型(烧重油)、C型(烧柴油)颜氏油料燃烧器就属于这类喷嘴。&
&&& (3)机械雾化喷嘴&
&&& 油压式油喷嘴即机械雾化喷嘴，是将油本身压力的能量转化成速度，从而雾化的喷嘴。雾化所必须的油压，随油的种类及烧油数量而异，通常为l～7 MPa。油的雾化机理见图2&12&22。当油从切线方向进入圆筒状的蜗壳内时，压力降低，它的能量转化成回旋速度。在喷孔部位大部分是切线方向的回旋速度，残存的压力则造成轴向速度，因此形成喇叭型油膜。已喷出的油膜由于与空气的摩擦及油的表面张力而雾化。这类喷嘴从结构上可分为循环型和非循环型两类。国产颜式机械雾化喷嘴结构见图2&12&23。
&&& 油压式喷嘴的优点是：、①燃烧时噪音小。②由于不需要雾化介质，设备费及运转费低。③从结构上讲，便于作成大容量的喷嘴。缺点是：①调节范围窄，不宜用在负荷变动大的场合。②容量小的喷嘴则喷口直径小，喷头的前端易于堵塞，维护比较困难。③因为油压是高压，对系统及设备的维护要精心。&
&&& (4)旋杯式喷嘴&
&&& 旋杯式喷嘴的雾化机理如图2&12&24所示。沿着旋转的杯形件(雾化筒)锥形内表面流出的燃料油，由于离心力的作用在前沿被甩出去，在旋杯前端的切线方向上形成薄油膜，并被从杯形件中喷出的一次空气所雾化。因此可以认为，旋杯式喷嘴是低压空气雾化式喷嘴的发展。旋杯的转速，普通型为 r/min，高速回转型为 r/min。这种喷嘴，油量调节范围宽，使用方便，安装维护简单，自动化容易，与其他形式的喷嘴相比，用旋杯式喷嘴易于得到所希望的火焰形状、火焰张角及火焰长度等燃烧状态，这对炉子的设计十分有利。
(5)枪式喷嘴&
&&& 枪式喷嘴(见图2&12&25)属于油压式喷嘴。它的本体是个小喷嘴，把喷枪(包括喷嘴出口在内的喷嘴头部的总称)、油泵、通风机、点火变压器及电极、电动机、燃烧控制继电器等都组装在一起，放在一个机壳内，装在炉子上时只要把油管和电源接通就成为全自动喷嘴，所以是一种使用极为简便的喷嘴。这种喷嘴可按使用的燃料种类、控制方式等分成多种类别(见表2&12&13)。枪式喷嘴因为是油压式喷嘴，对于非回油式喷口，只要更换喷口便可改变喷油量，备用2～3个喷口就能分级控制。如使用回油式喷口，则调节能力是额定能力的30%～l00%。枪式喷嘴的特点是：安装、使用、维护容易，自动控制比较简单，燃烧所需全部空气量可由与喷嘴组装在一起的通风机供应，仅适用于温度l000℃以下的中小型熔化炉。南平铝厂l999年在20吨熔铝保温炉的设计技改项目中采用两台意大利产的百特思 PXl00R(D)F45型(二段火，最大喷油量100 kg/h)全自动柴油燃烧器取得较好效果。&
表2&12&13枪式喷嘴的种类
油加热温度
点火前喷头前
热油是否循环
1＃4＃&&2＃
轻、燃料油
4＃、5＃轻、
5＃重、燃料油
6＃7＃燃料油
4．废热回收装置&
&&& 国内变形铝合金熔炼炉有95%以上是火焰炉，容量从3 t到50 t不等，但平均热效率不到20%。烟气排放温度和空气/燃料比是影响火焰炉热效率的两大主要因素。即使喷嘴(或烧嘴)喷出的空气/燃料比与化学剂量比一致，在一般的熔铝炉中，烟气的热量损失也相当可观，高达52%。近20年来，国内许多科研、生产单位从炉型设计(如带竖炉的L形炉、双膛双向熔铝炉)、设置预热锅炉(如东北轻合金加工厂)、设置热交换器(如北京科技大学张先棹教授在消化吸收引进技术基础上开发的蓄热式自身预热烧嘴)等对烟气废热加以利用，或者预热炉料、或者生产蒸汽、或者预热空气和燃料，取得了可喜的进展。上世纪80年代中期以来，国内西南铝加工厂、兴发工业铝型材集团公司、南平铝厂、成都铝箔厂、渤海铝业有限公司等单位先后从俄罗斯和英国引进了l3台套烧天然气或烧柴油的圆形或矩形熔炼炉和静置炉。这些炉子都是蓄热式的，都有着较高的热效率。&
目前，利用烟气废热预热燃烧空气的装置主要有换热式和蓄热式两种。&&&&
&&& 1)换热式装置&
&&& 换热式是把高温的烟气热量，通过金属或耐火材料制成的墙壁或管壁传给另一侧的空气，以连续地获取预热过的空气。由于预热空气的热量是通过隔(管)墙传递的，因此要求隔(管)墙材料既不泄漏又耐高温。这类材料很昂贵，而且往往不能同时满足这两个要求，并且很快出现不同程度的损坏。图2&12&26是深圳华益铝厂采用的氮化硅管式换热器，据称，陶瓷换热器的热回收率一般为35%～55%，换热器入口烟气温度℃时能将空气预热到700℃左右。但易破损漏气，维护费用较大。
&&& 2)蓄热式装置&
&&& 蓄热式是让高温烟气通过用耐火材料或金属做的通道，把热量传给耐火材料或金属，然后，使待预热的空气或煤气流过这些通道，靠耐火材料或金属放出的热将其加热。这里，耐火材料(或金属)作为一种进行热交换的传热介质来使用。&
&&& (1)移动式蓄热器&
&&& 蓄热器按传热介质是否流动分为固定式和移动式两种。固定式是传热介质固定不动，让高温流体和受热流体交替通过传热介质。移动式是高温流体和受热流体的流动状态保持固定不变，而让传热介质在其间移动(见图2&12&27)。目前有代表性的装置是回转式陶瓷预热器和小球式加热器。这种方式的优点是受热流体的温度和压力稳定不变，并保持一定的流动方向；缺点是让传热介质移动是相当复杂的操作，预热器过大，设计难度大，当前国内很少使用。
&&& (2)固定式蓄热器&
&&& 固定式蓄热器中大体又可分为砖格子式和再生球式两类。砖格子式蓄热器系统通常比炉子本身还要大，并需配备大型抽风机，投资过大(见图2&12&28)，在使用上受到限制。再生球式蓄热系统目前国内叫法不一，有人叫再生式燃烧系统，有人叫自身预热式燃烧系统，还有人叫双路喷嘴系统。蓄热器的工作原理见图2&12&29。一套蓄热式烧嘴系统至少包括两个烧嘴，两个蓄热器，一个热能回收系统以及相应的控制装置。烧嘴和蓄热器可根据现场实际情况直接连接在一起或选择用耐火材料浇注的管道连接在一起。当一个烧嘴利用蓄热器里的热空气进行燃烧时，另一个烧嘴起到一个排烟口的功能，利用抽烟风机抽出炉子里的燃烧废气通过烧嘴到蓄热器里进行蓄热。当热量蓄足后，蝶阀动作，转换两个烧嘴的功能。每当一个烧嘴在燃烧时，则另一个在帮助蓄热器蓄热，烧嘴转向周期为60～90 s。在热交换中，由蓄热室排出的废烟气温度通常在150～200℃，因而不管是蝶阀还是抽烟风机均能长期安全可靠的工作。正确的安装和选用蓄热式烧嘴，可成功的节省能源50%～70%，提高燃烧效率70%～90%。我国东正铝材设备厂开发的同类型再生式燃烧系统由带氧化铝球蓄热床的烧嘴本体、油泵(或天然气供气装置)、助燃风机、助燃风调节阀、换向碟阀、排烟风机、排烟调节阀等几部分组成，并配有点火装置(高压电子点火器及燃气的点火枪、长明的燃油枪或燃气枪)、火焰监测电眼、微机及电控系统和必须的连锁保护装置。该系统具有如下特点：①热交换效果好，当炉温高于l000℃时，冷空气可以加热到800℃以上，排烟温度低于l80℃，无黑烟产生。②能耗低，熔化1 t铝仅耗柴油45～60kg。③熔化速度快，安装该系统后，熔化速率提高30%，提高了炉子的生产效率。④配备微机，全自动操作和控制。⑤配备有火焰监测电眼，确保有问题时，能及时关闭燃料阀，安全可靠。⑥适应性强，可以使用柴油、重油、天然气、石油液化气等燃料。图2&12&30是不同热回收系统对熔铝炉热效率影响的试验对比资料。由图2&12&30可见，在排烟温度为1204℃的常规熔铝炉中，不带热回收系统的冷空气喷嘴系统的热效率最低，只有37%，装有陶瓷换热器的炉子可把空气预热到482℃，其热效率为55%，安装有双路喷嘴系统的炉子热效率最高，达到77%，可把空气预热到1038℃。据认为，蓄热室燃烧器由于可将助燃空气加热到1000℃以上的高温，超过了燃料的自燃温度，因而燃烧稳定，并有可能采用低氧燃烧技术，并使N0x的生成量大幅度降低。
&&& 使用蓄热式废热回收系统时，由于废旧铝材所带入的油漆、油污和杂物以及某些熔剂在熔铝过程中形成的微粒都夹入烟气中，它们往往堵塞废热回收系统的储热床，为此，应在结构设计时，预先考虑到储热床的快速更换问题，以便用水清洗弄脏的储热床。图2&12&31是带有活动储热床的废热回收双路喷嘴系统，当压力差加大时就必须更换。更换时间为45 min，其中储热床的冷却时间为l5～20 min。当一个喷嘴&吸热&时，另一个喷嘴则处于点火燃烧状态。所以，这样的更换不会使熔炼过程中断，也不会减慢熔炼过程。
&&& 目前国内在熔铝炉上推广应用蓄热式烧嘴技术的进展很快，但在使用中也存在不少问题，应引起足够重视。这些问题是：①蓄热式烧嘴工作时，伴随空气预热温度的提高，火焰温度也显著提高，而N0x的生成浓度也随温度升高而增大，对环境造成污染，因此，在燃烧系统设计时，应采用低氧燃烧技术，应抽取适量炉内废气掺入助燃空气中，一则降低空气中的氧浓度，二则降低燃烧温度，使N0x的生成量降低，并使排放达标；②蓄热式烧嘴工作时，通常每60～90 s的时间完成一个切换周期，切换频率很高，只有全自动控制才可以完成正常的燃烧过程，因此系统及元器件动作的可靠性是保证正常工作的前提；③蓄热式烧嘴单个能力通常都很大，在烧嘴切换点燃的瞬间，炉膛压力会产生很大的压力波动，因此，必须配有断开式的辅助排烟管路，且炉膛取压点应尽量设在火焰及气流冲击不到的位置；④由于烧嘴始终是交替切换燃烧的，为了保证烧嘴的正常燃烧，每个烧嘴喷头上还设有点火用的小烧嘴。与主烧嘴不同的是，点火烧嘴始终是点燃的，故称值班烧嘴，点火烧嘴的可靠性是主烧嘴正常燃烧的前提。然而，当主烧嘴处于燃烧状态时，由于引射作用，点火烧嘴的火焰被拉长；而当主烧嘴处于排烟状态时，点火烧嘴的火焰又被压缩变短，使点火烧嘴的火焰不断处于摆动之中，因此经常出现点火烧嘴点不着或运行中熄火报警现象。产生这些现象的最常见原因是烧嘴砖被烧损，也有点火枪被烧坏、点火电极不放电等因素的影响；⑤由于氧化铝球被粉尘堵塞而造成炉压升高。正常生产时，大约一个半月左右由于氧化铝球中粉尘的堆积及堵塞，火焰就出现发散的现象，排烟能力就会显著的下降，炉压升高，这时就应及时更换新的氧化铝球以维持正常生产。&
&&& 有代表性的熔铝炉温度控制曲线如图2&12&32所示。控制方式是设定最大的供热量，控制炉顶附近的温度TH，材料熔化后如果进入保温阶段，则转向控制金属液的温度TL。主要是按金属液温度进行控制，也有用时间函数进行程序控制的。炉气的温度在熔炼时控制在℃，静置时则改为700～750℃。
在采用燃料和空气都可以相互调节的燃烧器系统，而且在其可调节范围内可从最大火焰调到最小火焰，则为了达到燃烧器调节的最佳化，可以采用图2&12&33所示的熔炼炉测量和调节装置来进行控制。
6．节能措施&
&&& 从能源资源的供不应求、价格飞涨和日益苛刻的环保要求(从浓度控制转向总排放量控制)看，熔铝炉的节能是摆在我们面前重要而急迫的任务。当前，我国熔铝炉的节能主要应从表2&12&14所示各项人手。
表2&12&14熔铝炉节能项目及有可熊节约值
预期节约值
/万kcal&t-1
直接用电解铝
液生产铸锭
50%的铸锭由铝锭厂生产
选择节能炉形
平均扩大l倍
加强炉墙绝热
将炉墙由345耐火砖+115隔热砖改为295耐火砖+115隔热砖+50耐或纤维
低过剩空气系数比例控制
烟气中含氧量降低10%，或将过剩空气系数由l.15降为l.10
冲击对流加热
堵严开口部位
包括缩短炉
门开启时间
续表2&12&14
预期节约值
/万kcal&t-1
改善温度制度，低温出铝
提高生产效率
热装炉、快装炉
提高作业率
注：l．本表计算依据是，以目前铸锭平均耗能90 kg/t，柴油平均低热值l0000 kcal/kg为基础，有效热按28万kcal/t计。2.○表示能耗减少，&表示能耗增加。&
&&& 针对火焰炉，几种主要的节能措施及可能的节省值如下：①尽可能缩短炉子循环周期，比如缩短装炉、停炉、保温、转注、净化及铸造的时间，预估可节能5%～l0%；②最佳的调节燃烧时的空气比例，并借助气体分析不断的校正，预估可节能8%；③安装自动化的废气压力调节装置，预估可节能6%～9%；④对炉料进行预热，预估可节能46%；⑤采用带有自动化校正空气比例的蓄热式装置，预估可节能l5%～21%&