Газовые печи для плавления алюминия

Газовые отражательные и шахтные печи широко применяются в большинстве алюминиевых литейных предприятий, как при производстве фасонного литья, то есть литых алюминиевых деталей и изделий, так и при производстве алюминиевых слитков, которые затем применяются при прокатке, экструзии или ковке алюминия, а также в качестве плавильных слитков для других литейных производств.

Базовые типы отражательных печей

Базовыми типами газовых отражательных печей для плавления алюминия являются [1]:

• Отражательные плавильные печи с сухим подом (dry hearth reverberatory furnaces), в которых металл перед тем, как расплавлять, подогревают на входном наклонном поде (рисунок 1).
• Отражательные плавильные печи ванного типа (wet bath reverberatory furnaces), в которых металл загружается прямо в алюминиевый расплав, обычно без предварительного подогрева (рисунок 2).
• Шахтные плавильные печи (stack (shaft) furnaces) отличаются повышенной энергетической эффективностью, так как они используют тепло отходящих газов для подогрева загруженной алюминиевой шихты (рисунок 3). Шахтные печи являются модифицированной версией отражательных печей

Рисунок 1 – Газовая отражательная плавильная печь с сухим подом [2]

Рисунок 2 – Газовая отражательная плавильная печь ванного типа [3]

Рисунок 3 – Газовая шахтная плавильная печь [4]

Еще одним типом газовых печей являются тигельные печи, которые применяются при небольших объемах литья, а также для специальных сплавов. Эти печи требуют отдельного рассмотрения.

Дополнительные функции газовых печей

Каждый из этих трех базовых типов печей может иметь дополнительные опции, а также элементы, характерные для других типов печей, например:

• все три типа печей могут иметь наружные колодцы для загрузки в расплав измельченной шихты, например, стружки;
• печи с наклонным подом и шахтные печи могут иметь дополнительные загрузочные окна для загрузки шихты непосредственно в расплав;
• ванные печи и шахтные печи могут иметь на входе в печь широкий порог или короткий наклонный под для предварительного прогрева слитков и массивного, например, пакетированного лома, а также для удобства съема шлака с поверхности расплава;
• все типы печей могут иметь систему перемешивания расплава, как в загрузочном колодце, так в ванне алюминиевого расплава.

Печи стационарные и наклоняемые

Каждый из трех базовых типов плавильных печей может быть выполнен в двух вариантах:

• Стационарные печи: более дешевые и менее удобные для выдачи металла, могут иметь емкость до 100 тонн и производительность плавления выше 10 тонн в час.
• Наклоняемые печи: более дорогие и более удобные для выдачи или передачи готового расплавленного металла.

Отражательные плавильные печи с сухим подом

В печах с сухим подом загружаемая алюминиевая шихта помещается на наклонный под, который находится выше уровня расплавленного металла (рисунок 4). Горячие отходящие газы проходят через шихту и быстро прогревают ее. Шихта плавится и постепенно стекает с наклонного пода в камеру для накопления расплавленного металлом, которую поэтому часто называют копильником.

Рисунок 4 – Отражательная плавильная печь с сухим подом.
На входе в печь видны подогреваемые слитки [5]

Печи с сухим подом обычно применяют, когда:

• Большая часть загружаемой алюминиевой шихты является плавильными слитками, в том числе, крупными, то есть элементы шиты имеют минимальную поверхность.
• Алюминиевая шихта содержит, например, стальные элементы, а также остатки литейных форм, например, песчаных. Алюминиевая часть шихты расплавляются на наклонном поде и алюминий стекает по наклонному поду, а посторонние материалы остаются на подине и удаляются из печи с помощью скребков.
• Алюминиевая шихта может содержать в себе воду или быть влажной.

Преимущества печей с сухим подом:

• Безопасность. Вся шихта расплавляется на наклонном поде, а не под поверхностью расплава. Такой подогрев исключает попадание воды в расплав и угрозу взрыва.
• Предотвращение загрязнения расплава. Позволяет удалять из шихты посторонние, не алюминиевые, материалы, которые остаются на наклонном поде.
• Возможность почти непрерывно производить большие объемы жидкого алюминия.

Недостатки печей с сухим подом:

• Обычно эти печи имеют два дымохода, один над наклонным подом и другой над копильником. Это требует систему управления горелками для их оптимальной работы [1].
• Высокий угар алюминия (7-12 %) при плавлении в атмосфере печи при температуре 700-760 градусов Цельсия. Угар – это потеря металлического алюминия, который содержался в загруженной шихте, в результате его окисления и перехода в шлак.
• Низкая энергетическая эффективность. Эффективность печей этого типа повышается с увеличением отношения объема загружаемой шихты к ее наружной поверхности. Максимальная эффективность достигается при плавлении крупных алюминиевых слитков, иногда весом до 500 кг [1].

Отражательные плавильные печи ванного типа

В этих печах продукты сгорания находятся в прямом контакте с поверхностью расплава и передача тепла происходит в результате комбинации конвекции и излучения. Эти печи имеют более низкий свод для максимально использования тепла излучения, наиболее эффективного способа передачи тепла в алюминий. Источник тепла (горелки) могут располагаться на расстоянии 45-60 мм от зеркала алюминиевого расплава. Чем ближе источник тепла к поверхности расплава, тем быстрее происходит передача ему тепла [1].

Рисунок 5 – Отражательная плавильная печь ванного типа [6]

Отражательные плавильные печи ванного типа применяют, когда:

• Алюминиевая шихта состоит в основном из одного сплава или родственных сплавов, а смена сплавов происходит редко.
• Шихта может иметь большую поверхность, а ее компоненты иметь различные размеры, в том числе, малую толщину, например, лом алюминиевых профилей, а также пакетированный алюминиевый лом.
• Требуются большие объемы расплавленного алюминия.

Преимущества отражательных печей ванного типа:

• Стоимость установки таких печей является самой низкой по сравнению с печами с сухим подом и шахтными печами.
• Весь металл плавится под поверхностью алюминиевого расплава, что обеспечивает относительно низкий угар металлического алюминия 2-5 %.
• Допускает различные дополнения в зависимости от условий конкретных литейных производств: небольшой под или порог для предварительного подогрева слитков или пакетированного лома, загрузочный колодец для измельченного лома (рисунок 5), перемешивание расплава, окно для удобства дегазации и т. п.

Недостатки печей ванного типа:

• Имеют повышенное отношение емкости печи по расплавленному металлу к скорости плавления печи, что требует дополнительной производственной площади. Типичным таким отношением является 8 к 1.
• Если применяются плавильные слитки, то они перед загрузкой в расплав требуют предварительного подогрева на пороге или поде.
• Более низкий свод печи требует дополнительного внимания при ее чистке.

Шахтные плавильные печи

Шахтные плавильные печи имеют более высокую энергетическую эффективность за счет лучшей герметизации печи от проникновения атмосферного воздуха и применения отходящих газов для предварительного нагрева алюминиевой шихты.

Алюминиевая шихта проходит вниз по загрузочной шахте и постепенно достигает зоны плавления, где она расплавляется под воздействием горелок и перетекает вниз в копильник. Горячие отходящие газы проходят из зоны плавления через шахту и прогревают загружаемую шихту.

Рисунок 6 – Шахтная плавильная печь [7]

Преимущества шахтных печей

• Благодаря предварительному прогреву шихты отходящими продуктами сгорания энергетическая эффективность достигает 40-50 %.
• Готовый алюминиевый расплав отличается пониженным содержанием водорода и неметаллических включений. Это достигается за счет разделения плавильной зоны и зоны предварительного прогрева. Влага и другие загрязнители испаряются или сгорают еще в шахте, а в зону плавления попадает сухая шихта с минимумом загрязняющих материалов.
• Отсутствие чрезмерного контакта расплава с атмосферным кислородом, что обеспечивает пониженный уровень угара металлического алюминия (0,8-1,5 %).

Недостатки шахтных печей

• Для того, чтобы шахтные печи достигали низкого уровня угара и высокой энергетической эффективности, их необходимо эксплуатировать строго в соответствии с установленными для них правилами, в том числе применять достаточно плотную алюминиевую шихту. При легковесной и тонкостенной шихте шахтные печи могут иметь повышенный угар алюминия и пониженную энергетическую эффективность.
• Шахтные печи имеют довольно общую большую высоту (около 6 м), что подходит не для всех производственных помещений.
• Огнеупорная футеровка на дне загрузочной колодца шахтной печи подвергается повышенным ударным механическим нагрузкам, что приводит к необходимости более частого технического обслуживания.
• Шахтные печи более сложные в эксплуатации, чем отражательные и поэтому требуют дополнительного квалифицированного персонала.

Total Cost of Ownership

Для оптимального выбора печи для плавления алюминия в настоящее время применяют концепцию “Total Cost of Ownership” (TCO) [8].  Этот подход заключается в подсчете суммы всех расходов, которые связаны с приобретением, установкой, эксплуатацией и техническим обслуживанием рассматриваемого оборудования. В результате получают полную стоимость производства одной тонны готового расплавленного алюминия c учетом всех расходов в течение срока службы печи.

Полная стоимость готового расплавленного алюминия

• Капитальные затраты на приобретение и установку самой печи, а также сопутствующего оборудования:
  – Печь
  – Система загрузки алюминиевой шихты
  – Система выгрузки алюминиевого расплава
  – Инструменты и приборы для управления печью и контроля качества расплава
•  Операционные затраты на эксплуатацию печи и производство расплавленного алюминия:
  – Энергетические ресурсы: газ, электричество, жидкое топливо. Эффективность потребления энергии зависит от типа печи (с наклонным подом, ванного типа, шахтная) и номинальной скорости плавления.
  – Затраты на оплату рабочей силы: заработная плата рабочего и руководящего персонала, в том числе, персонала для ее технического обслуживания. Зависит, в том числе, от сложности оборудования, частоте его технического обслуживания, требуемого уровня квалификации персонала.
  – Материалы: стоимость материалов, которые расходуются при работе печи, например, стоимость алюминиевой шихты; количество алюминия, который теряется в результате окисления при плавлении в печи, а также остается в шлаке; флюсы и т. п.

Неожиданные выводы [8]

• При решении об установке новой плавильной печи необходимо учитывать не только ее покупную стоимость, то также полную стоимость выплавки одной тонны металла с учетом всех прошлых, настоящих и будущих расходов (ТСО).
• Установлено, что капитальные затраты на приобретение печи могут составлять в полной стоимости тонны металла только 3-5 %.
• Полная стоимость алюминия, выплавленного в шахтных и отражательных печах отличается незначительно [7].
• Технология плавления, которая применяется в печи, очень сильно влияет на стоимость материалов и энергетических ресурсов. Признано, что шахтные печи являются в настоящее наиболее эффективным газовым плавильным оборудованием с высокой тепловой эффективностью (40-48 %) и низким угаром (1-2%).
• Несмотря на то, что шахтные печи, как считается, имеют ограниченную технологическую гибкость, они являются основным плавильным оборудованием любой средней компании по производству фасонного литья.
• С другой стороны, оказывается, что стоимость рабочей силы, которая необходима для эксплуатации шахтных печей, примерно в два раза выше, чем для отражательных печей. Это объясняется более высокой сложностью шахтных печей, что требует привлечения дополнительных специалистов для управления ими и их технического обслуживания.
• В тоже время, стоимость материалов, которые потребляют отражательные печи является значительно более высокой, чем у шахтных печей, в основном из-за более высоких потерь алюминия в процессе плавления в отражательных печах, а также их низкой энергетической эффективности.

Источники:

1. ASM Handbook, Volume 15: Casting (2008)
2. https://dynamofurnaces.com
3. Aluminium technologies / Dr. YÜCEL BİROL – Dokuz Eylul University, Turkey – 29.09.2015
4. https://www.strikowestofen.com
5. https://www.bjholland-equip.com
6. https://www.andritz.com
7. http://www.marconiforni.com
8. Investment and Management Decisions in Aluminium Melting: A Total Cost of Ownership Model and Practical Applications / A. Bacchetti, S. Bonetti, M. Perona and N. Saccani – Sustainability 2018, 10, 3342