文/日本坩埚株式会社会/冈田 民雄、朴龙云

关键词：压铸　节能　熔化兼保温炉　高回收率    斑马坩埚    节能坩埚坐台

摘要：本文研究开发了压铸用坩埚式高热效率铝合金熔化兼保温炉新美炉奇派.本炉的特点是热平衡条件下热效率为50%左右,非热平衡条件下的热效率为40%左右。而且铝合金锭熔化时的氧化率为0.5～1%,非常低。除此之外,本炉是世界上第一次采用了斑马形坩埚和节能坩埚坐台。

1. 前言

地球环境温度的上升，造成了南北极的冰川的溶化，带来了世界气候异常。科学家研究发现、气候异常变化与18世纪工业革命以来，大量排放CO2等具有温室化效应的气体有关。因此，节能减排不仅是工业发达国家、 还是发展中国家共同面临的一个重要课题。目前，日本CO2的年排放量为11亿吨左右，其中制造业占总排放量的88.9%。有色金属产业中铝合金铸件年生产150万吨左右；其中年生产压铸件100万吨左右。熔化铝合金锭70%左右采用高速熔化炉（反射炉），其热效率为35～40%左右；其余大多数采用坩埚炉来熔化，目前坩埚炉的热效率为25～40%。高速熔化炉熔化过程中铝锭的氧化率在5～7%左右。为减少排放量,提高熔炉热效率、降低氧化烧损率，本文开发了坩埚式高热效率熔化兼保温炉-新美炉奇派。

2. 开发步骤

本炉的开发主要采取以下3个步骤：①开发了坩埚炉不可缺少的节能坩埚坐台；②开发了热效率更高的坩埚；③开发了更加保温的炉体。 节能坩埚坐台的开发主要是通过改变了形状设计，由原来的实心形改变成中空形,同时与坩埚,炉床接触的坩埚坐台上、下部开了均匀分布的半圆形4个缺口,以便加热时火焰和热气直接加热坩埚底部如图1,2所示。坩埚的开发主要是把原来表面平整的普通坩埚直接成型为凹凸不平的斑马形坩埚；结果热交换面积增加了30%（比普通坩埚）左右,如图３,４所示。炉体开发主要大量采用绝热、耐热陶瓷纤维,尽量少采用蓄热能力高的砖和浇注料。同时，在最外层的钢板内侧喷涂了热交换系数率为0.016Kcal/m℃h的绝热涂层，防止热能从钢板表面散失。除此之外,把预热塔的高度由原来的700ｍｍ增高到1000ｍｍ。

3. 实验结果与考察

3.1不同形状的坩埚坐台的加热实验结果

新开发的坩埚的材质和热特性参数如表1所示。普通坩埚坐台的材质及热特性参数如表2所示与普通坩埚的材质相同。

为了使测试具有客观性把普通坩埚坐台和新开发的坩埚坐台分别放入新美炉奇派燃烧室里,上部放普通坩埚；以相同的煤气燃烧量和空燃比(1:1)进行加热。同时，把热电偶设在坩埚的底部（里侧中央）和离坩埚底部高200ｍｍ的左右两侧进行测温。 热电偶位置如图5所示。把3处所测得的数据平均起来做成图表的结果如图6所示。从图中可以看出虽然普通坩埚坐台的热传导率比新开发的坩埚坐台高30%，但是使用新开发的坩埚坐台的坩埚温度比使用普通坩埚坐台温度高100℃以上（热平衡状态）。所以对坩埚加热效率来讲, 坩埚坐台的形状起重要作用。

3.2绝热涂层对炉体表面散热的影响

为了正确评价绝热涂层对炉体表面散热的影响，煤气燃烧量和空燃比(1:1)不变的条件下，分别对有、无绝热涂层对炉体进行测温。热电偶的固定位置为离熔化炉体的上部向下(中部炉盖的下部)180mm、400mm处，前后左右共8条。把所测得的8组数据做成平均，做成图表的结果如图7所示。从图中可知，当炉体达到热平衡状时，有涂层时比无涂层平均低14℃左右。据文献当炉体表面温度为100℃、114℃时，炉体各部位的热交换系数如表3所示。被测炉体的表面积如表4所示。绝热涂层厚度为1～2mm。

由表3，表4计算出的炉体有、无绝热涂层的表面散热状况如表5所示。从计算结果可以看出涂刷绝热涂料可以减少从表面散失的热量18%。

3.3.1新美炉奇派的工作原理

新美炉奇派主要由可移动式预热塔、炉体（主）、保温炉体（副）及材料投入设备构成。其中主、副炉体连接在一体，预热塔设在主炉体的顶部。从零开始熔化时,移开预热塔，放满铝锭后把移开的预热塔恢复到原位。然后把剩余的炉料由预热塔的顶部用投料机投入，投入完毕之后把炉盖盖好（炉盖上有φ２００的出气口）。装满炉料之后,点火进行熔化。在保温炉及熔化炉的燃烧室里产生的废气，经过预热塔时，与铝锭进行热交换之后，从炉盖排气口排出。

3.3.2坩埚的表面积的增加对热效率的影响 

3.3.2.1测试方法

本测试是先把节能坩埚坐台放入新美炉奇派的燃烧室里；然后把普通坩埚和斑马形坩埚分别放到坩埚坐台上，分2次进行加热，进行对比测试。测试采用的坩埚材质参照表3。测试过程中煤气的流量由煤气流量记录仪自动记录。测试过程中使用的燃烧器分别为：熔化炉的燃烧功率为15万Kcal/h，保温炉用燃烧功率为10万Kcal/h的。煤气使用LNG。

3.3.2.2测试结果

测试结果表明, 在非热平衡条件下（对炉体从零开始加热）使用斑马形坩埚比普通坩埚每熔化1Kg铝锭可节省煤气8%左右，在热平衡条件下使用斑马形坩埚可节省煤气9%左右。煤气使用状况和合金熔化速度如表6所示。

经测试发现使用斑马形坩埚熔化时， 排出的废气温度比普通坩埚低５-７℃，而铝液出炉温度高出15.5℃； 同时铝液从熔化室坩埚流出的速度比普通坩埚快6.5%。从熔化室坩埚流出的铝液温度如图8所示。 废气排出温度如图9所示。

根据上述数据计算得出在非热平衡条件下使用斑马形坩埚熔化铝锭时的热效率为40-43%；在热平衡条件下，使用斑马形坩埚熔化铝锭的热效率为48-52%，比普通坩埚高10%左右。

3.4坩埚形状的改变对铝锭熔化过程中氧化烧损的影响

铝锭熔化过程中氧化烧损主要受熔化温度和铝液被熔化后与空气的接触面积成比例。熔化温度越高、与液体接触面积越大氧化烧损量就越大。一般快速熔化炉的氧化烧损率为5-７％。经测试表明由于坩埚形状的改变,斑马形坩埚中流出（熔化之后）的铝液温度比普通坩埚高15.5℃（平均655.8℃），而氧化烧损率为0.1-1%左右，与普通坩埚没有太大的变化。

3.5 热效率的提高和铝锭氧化烧损率的低下对CO2排放量的影响

日本的压铸行业年平均生产铝铸件100万吨左右，因此需要熔化200万吨左右铝锭。如果在熔化过程中减少1%的氧化烧损，可以每年节约铝锭2万吨左右。在熔化过程中每熔化1吨铝锭需排放143.5Kg（热平衡，热效率40%计算）CO2。如果,热效率提高10%，则熔化每吨铝锭少排放22.88KgCO2。那么少熔化2万吨铝锭可减少排放量45.6万吨。同时,把已氧化成Al2O3（7）的铝再生时，每吨铝锭排放约CO22.35吨。 若再生2万ｔ铝锭则排放4.7万吨CO2。因此，如何减少熔化过程中铝锭的氧化烧率，是减少CO2排放量的另一个重要问题。

4. 结论

①对坩埚的加热效率来看，坩埚坐台的形状设计因素比材质设计更为重要。

②炉体内侧涂1-2mm、热传导率为0.016Ｋcal/m ℃h绝热层,可以减少从炉表面散失热量的18%左右。

③新美炉奇派的在非热平衡条件下的热效率为43%左右，在热平衡条件下的热效率为50%左右。

④新美炉奇派熔化过程中铝锭的氧化烧损率为0.1-1%。