李敬学
新疆众和股份有限公司 新疆830013
摘要：铸造铝合金熔炼炉是铸造铝合金生产中的关键设备，基于此，本文详细探讨了铸造铝合金熔炼炉设计与应用。
关键词：铸造铝合金熔炼炉；设计；应用
随着铝工业的发展，对电解原铝液进行直接合金化或深加工，能大幅减少金属损失，节约能源，降低生产成本。因此，不少电解铝企业逐渐加大了电解铝液合金化力度。铝合金生产炉型包括熔炼炉、保温静置炉、炉料预处理炉、均化退火炉等。
一、熔炼炉概述
熔炼炉是指熔化金属锭和一些废旧金属并加入必要的合金成分，经扒渣、精炼等将它们熔炼成所需合金设备。熔炼炉应尽量满足以下要求：①熔化速度要快；②熔池表面积与熔池深度比应尽可能小；③熔池内金属温度要均匀；④炉子热效率要高；⑤工艺操作方便，装炉及熔炼所有工序应尽可能采用机械化、自动化方法操作；⑥熔炉砌体的化学稳定性及各方面性能能保证熔体质量。
二、铸造铝合金熔炼炉的作用及结构
1、作用。铸造铝合金熔炼炉的作用是在确保安全生产前提下，进行有效的容量控制、炉子维护及废料回收处理，优质、高效、低成本地在熔炼炉内完成熔炼工艺的基本操作，为铸造提供具体要求为：
①获得化学成分均匀且符合要求的合金熔体。合金材料的组织和性能除受生产中的各种工艺因素影响外，在很大程度上取决于其化学成分。化学成分均匀是指金属熔体的成分和杂质含量应在国家标准范围内，同时满足客户特殊化学元素成分要求。此外，为保证制品的最终性能和加工中的工艺性能，应将某些元素含量和杂质控制在最佳范围内。
②获得纯净度高的合金熔体。熔体纯净度高是指在熔炼中通过熔体净化手段，降低熔体中的含气量，减少金属氧化物和其他非金属夹杂物，尽可能避免在铸锭中形成气孔、疏松、夹杂等。
③复化不能直接回炉使用的废料使其得到合理使用。不能直接回炉使用的废料包括部分外购废料、加工碎屑、自产废料等通过熔炼炉复化处理。
④熔炼炉熔炼工艺要求包括合理控制熔炼时间，减少熔炼烧损，采用最佳的精炼方法精炼温度，以获得化学成分、温度均匀并符合要求、纯净度高的熔体。
2、结构。熔炼炉按结构可分为矩形炉、圆形炉；按炉子结构可分为固定式、倾翻炉；按加热能源不同可分为燃料加热炉和电加热炉式；按加热方式可分为直接、间接加热式；按炉内气氛的不同可将熔炼炉分为无保护气体和保护气体式。固定式火焰反射熔炼炉结构简单，价格便宜，依靠液位差进行铝合金转注，炉子对位朝着大型化方向发展。
三、熔炼炉投入使用后出现的问题
1、生产匹配问题。结合实际供铝能力、后续铸造产能及生产产品订单量等综合考虑，采用最佳熔炼炉-静置炉对应铸造机或熔炼炉直接对应铸造机的组合模式，实现设备投入、生产产量最优组合。①生产组织配套不理想，熔炼炉-静置炉-浇铸机匹配选择不合理。②设备前期投入成本高，生产产品面对市场无优势，造成设备利用率低。③熔炼炉容量设计不合理、熔炼炉保温性能差，温度损失大，热能利用率低，炉子内衬材料砌筑不达标等，导致了使用成本的增加及炉子寿命的降低。
2、炉子维护问题。①进铝液入口、放铝合金液出口设计不便于日常清理维护。由于电解原铝液中含有很多杂质，主要是电解质、氧化渣、碳杂质等，易造成结渣。一旦发生进出铝口堵塞情况，恢复处理会花费较多时间和物力，影响正常生产进程。②炉门设计不合理导致温度损失大，日常炉子清理维护死角多，造成结渣，严重影响产品质量，同时降低熔炼炉有效容积。③与铝接触内衬耐火砖的耐电解原铝腐蚀性能不理想，在使用中耐高温变形能力不足，尤其是炉底耐火砖在使用中膨胀变形，炉底中部拱起造成使用寿命快速降低等。
四、设计及改造需考虑和解决措施
1、熔炼炉容量的确定。
熔炼炉台数设计的确定主要依据后续生产配套浇铸机产能、熔炼炉生产节拍共同决定。出于产品质量和生产成本考虑，一般每炉次铝合金液配制合格后要控制在2～4h内浇铸成型，其中需对生产线配套做出选择，是选择l～l对1单线还是2～1对1单线，即重点确定需配制熔炼炉的台数。
针对1～1对l连续式浇铸机生产铸造铝合金方式，具体熔炼炉容量设计吨位需考虑：①浇铸铸机的生产产能；②电解原铝液的供给能力，包括原铝液重量及供给时间；③熔炼炉生产产品种类正常需加辅料及冷料的加入量；④熔炼相关工艺控制要求；⑤熔炼生产节拍，每炉次生产节拍需小于等于浇铸生产节拍。
2、熔炼炉使用性能设计
①升温能力设计。熔炼炉升温功能在铸造铝合金熔炼中是较关键的一环，关系到升温能力、金属烧损、能源消耗等。设计时需考虑：a.根据总装炉量大小和装炉熔池容量长宽高比，确定天然气烧嘴数量及流量；b.利用燃气余热预热助燃风技术或多氧燃烧技术，有效降低能源消耗；c.利用升温自动控制技术和非接触式电磁搅拌技术。
生产实践表明，熔池表面越大、熔炼时间越长、炉温控制越高、炉内水气氧含量越高，则金属损耗越高、吸气量越多。a.在确保升温能力时，尽量选择减小熔池表面积；b.采用合理装炉顺序，高温快速熔化，缩短熔炼升温时间，正确控制熔炉温度；c.尽量将物料浸入到电解原铝液后点火升温进行熔炼。
②内衬、炉子保温性能设计。熔炼炉属于高耗能生产设备，内衬材料应具有较高耐火度、足够化学稳定性、机械强度和密度，较长使用寿命、耐腐蚀、低导热，与合金液接触内衬还必须能承受一定机械冲击和炉底内衬涨缩引起的热应力冲击、抵抗精炼剂的腐蚀和热量传导散失；防渗漏浇铸层及隔热纤维板层宜有不少于50mm以上厚度。
砌筑电解原铝液直接生产铝合金熔炼炉内衬时，充分考虑到内衬材料的合理膨胀变形，尤其是炉底内衬耐火砖，在设计和砌筑时留有足够的膨胀间隙，根据膨胀系数，包括横纵向一定距离内布置衬纸作膨胀空间。
正常使用中，熔炼炉一直向周围空气中散发热量，这就要求铝液接触面外层钢板温度在60～120℃；炉顶保温面层温度不高于60℃；装满合金液静置摆放时，铝合金液温度损失不宜超过10℃。
③炉门、进出铝口设计。炉门、进出铝口设计应遵循便于维护及安全操作使用原则。炉门设计时，要充分考虑是单炉门还是双炉门，炉门大小及安装位置，因这关系到入炉辅料尺寸、炉子清理难易度及保温性能。炉门开口过小，大块物料难以加入或加入时损坏炉门口浇注料，同时小炉门对应炉子清理死角区增加，炉子有效容积不能保证，从而带来铝液质量变差、炉内铝合金液易溢出增加安全隐患，停炉清理频次增加等。
五、熔炼炉应用实例
针对90％以上电解原铝液直接生产铸造铝合金产品的生产过程来说，生产效率由熔炼、浇铸生产节拍共同影响，其衔接及生产匹配程度直接决定整体生产能力，但在实际生产中发现，熔炼生产节拍对生产效率的影响大于浇铸生产节拍，而熔炼生产节拍由熔炼炉炉量所需供铝时间及出铝包数决定，因此，对熔炼炉炉量进行合理设置及匹配可提高铸造铝合金整体生产效率。
此外，结合供铝及浇铸生产实际，23t炉每天10包铝液就能接近20t炉每天12包铝液的生产产量；20t、23t炉供铝时间及熔炼浇铸生产节拍基本相同，出铝包数相同，但23t炉每天生产5炉就基本接近20t炉每天生产6炉产量；35t炉每天15包铝液就能超过40t炉每天16包铝液生产产量；20t、40t炉容量增大2倍，浇铸产能增加1.5倍，但单日生产产量却不能达到1.5倍。
因此在设计熔炼炉量时需注意：①电解原铝液满包供应，可缩短供铝时间，提高出铝包利用效率；②采用1对1模式，熔炼生产节拍应低于浇铸生产节拍才能保证铸造连续进行，若低于20％以上时，则浇铸机产能需提升，提高生产效率；③整体生产效率未发挥时，需升级改造，缩短生产节拍，提高生产效率。④设计熔炼炉容量时，还应考虑为炉子大修时容量的调整留有余地。
参考文献：
[1]贺伟.铝合金熔炼工艺[J].中国铸造装备与技术，2015(01)．
[2]苏其军.铸造铝合金熔炼炉设计与应用[J].云南冶金，2019(02)．