中國壓鑄雜志
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香港奖券官方一肖中特:智能化提高鋁液熔煉能效

作者:admin 來源:原創 發表時間:2018-11-29
安斯巴赫應用科技大學工業能源效率中心通過模擬來研究加料對鋁熔煉爐性能的影響(左:加料,右:從熔煉爐取料)。
 
為了應對國際市場激烈競爭,對于冶煉廠和壓鑄廠等能源密集型企業來說,實現高度自動化和高能效至關重要。在德國,每年約有590萬噸金屬被熔化和鑄造,其中約20%為有色金屬材料。估計每噸優質鑄件的能耗為2000千瓦時,年能耗達到22億千瓦時。據德國鑄造業協會(BDG)稱,鑄造行業的能源成本占總增加值的25%。其中,約50%的能源需求來自于熔煉行業。由于高成本和能源消耗,BDG還制作了一份熔煉爐的節能操作模式列表。
由于氣候變化和能源轉型,資源- 特別是能源的有效利用越來越成為研究的焦點。合作研究項目Green Factory Bavaria(巴伐利亞綠色工廠)就屬于這一研究領域。 在其子項目“智能熔煉”中研究了提高鋁壓鑄行業能效的新方法。該項目的重點是通過改善熔煉和壓鑄行業之間的配合度來降低燃氣熔煉爐的能耗,以及熔煉設備和鋁轉運之間的智能操作。
為了能夠研發出控制措施,首先必須了解整個熔煉和壓鑄操作中的工藝過程。一方面是采集和分析數據,另一方面是通過研究相互關系,通過仿真模型改善薄弱環節和邊界條件,實現節能目標。
研究基礎
熔煉和鑄造廠的架構
    開發模擬模型和發現操作流程薄弱環節的基礎,是對所觀察問題進行以目標為導向的現實分析。為保證改善措施能使整個工廠獲得更好的經營結果,并且不忽略任何關聯環節,重要的是將企業進行整體考慮。
 
摘要
由于再生鋁熔化的高能量需求,所需能量高達總能量需求的50%,使得其對能效研究和提升能效措施具有特別重要的價值。在能源轉型以及追求提高資源和能源效率的背景下,由安斯巴赫應用科技大學在巴伐利亞綠色工廠發起了“智能熔煉”這一研究項目。該研究項目的第一步詳細分析了,合作伙伴的熔煉和壓鑄工廠整體和相關工藝過程,比如成為本研究項目重點的氣動熔煉設備。
對集中熔煉爐的測量數據的評估發現,其能量消耗高出制造商規格25%,并且熔化能力接近制造商規定范圍的下限。導致出現這些性能不佳數據的原因被確定為不連續加料以及鋁需求的波動。所采集到的測量數據和由此所獲得的知識被用于模擬模型的開發和驗證。這一模型用于確認熔爐效率對進料的依賴性,并在不干預現行生產,以及無需額外費用的情況下能夠調查和評估改進措施。所開發出的模型顯示,進料對能量消耗和熔煉性能有著顯著影響。通過改變進料,熔煉性能可以提高50%,而能量消耗可以減少30%。最后,模擬研究了爐廢氣預熱金屬錠材的作用。
 
鋁的輸送以鑄錠或液體的形式進行。所供應的液態鋁可以直接被分配到壓鑄機臺。而固態鋁必須在進一步加工之前,先在熔化爐中進行熔化。在熔化工序,所輸送的鋁錠通常與所謂的回收料以50:50的比例進行混合,這些回收料為鑄造過程中和產品后續加工時產生的殘次品。使用叉車進行固體或液體鋁的運輸。
 

 
 
在壓鑄機臺中初步成型產品。所生產產品的數量和液態鋁的需求量取決于周期時間和設備每一啤的重量。壓鑄機帶有獨特的鋁槽,需要使用液態鋁。壓鑄機臺的生產波動,與鋁消耗量的不準確數據以及熔煉爐的高復雜生產過程相結合,使得冶煉廠的生產經理幾乎不可能確保對熔爐進行智能化,以適應這一復雜情況。這就導致熔爐無法穩定地在理想的作業點上運行,而是經常波動地運行。熔爐的加熱和冷卻過程,以及在較低的熔爐負載情況下能量的利用效率低下,都會導致能量消耗增加。
集中式熔煉爐的結構
 
模擬和研究集中熔煉爐的功能可以細分為四個子功能(圖2)。通過裝料設備將固態鋁送入熔化井中(功能1)。在熔化井中,鋁通過天然氣燃燒器加熱熔化(功能2)。燃燒器所產生的熱煙氣,圍繞在鋁的周圍,并將大部分能量釋放到鋁中。傳遞給鋁的能量越多,熔爐的效率越高。所產生的煙氣以及熔化后的鋁沿保溫區域方向(爐槽)離開熔化井。在此,液態金屬被加熱,并保持在規定的溫度(功能3)。在這一過程中,一方面使用熔化燃燒器產生的煙氣,另一方面,如果這還不夠,則使用保溫燃燒器所產生的煙氣。熔爐傾斜后通過取料口取出鋁液(功能4)。
 


 
豎式熔煉爐改成集中熔煉爐
提高冶煉廠能效的措施
集中熔爐的操作方式和能量消耗
熔爐的節能操作方式要求在合適的作業點上進行不間斷連續操作,并在熔化井中達到較高的鋁進料量。為對實際狀態進行研究,在工廠中進行了檢測。在下面的圖表中展示了一系列具有代表性的檢測結果。
圖3顯示了熔化井中鋁熔液的最大值和實際檢測值。實際的熔化井進料量總是明顯小于最大可能進料量,并且在最小值400 kg和最大值4200 kg之間大幅波動。鋁熔液的反復減少,與熱交換表面的減少以及煙氣和鋁之間驅動性溫度差異相關聯。這就導致煙氣到鋁的熱流減少,從而使得熔爐煙氣出口溫度升高。到鋁的熱流減少會降低熱效率,并增加熔爐的能量消耗。如果煙氣出口溫度超過規定的限值,會使燃燒器控制裝置變為活動狀態,并降低燃燒器功率。這會導致爐壁冷卻,在裝料增加的情況下必須重新加熱。因此將會如圖3所示,操作方式的波動將對效率值產生負面影響。這一所謂的負面影響,通過對實際測得的效率數據以及供應商數據進行比較得到了證實(表1)。能量消耗高出供應商數據20%,熔化率3,68 t/h位于供應商數據的下限。在此必須考慮到,與供應商數據相比,由于引入的鋁具有更大的表面積和更高的溫度,從而在實際操作中在傳熱方面具有優勢。由于盡管有這些優勢,但仍未達供應商數據,因此必定存在額外的負面影響。這里所描述的熔化井裝料量波動幅度較大的非連續操作方式作為顯著的負面影響因素將在下文中進行詳細觀察和研究。
 
改善實際操作方式
    實際操作方式改善的目的是在熔化井中達到最大燃燒器功率和一致的鋁熔液量,而從實現熔爐的連續性操作。這將使得能耗降低,同等質量熔融鋁的熔化率提升。采用合適的加料策略后(圖4),熔液量將一直位于3200kg和4800kg區間內。較高的熔化井加料量將使得傳熱表面較大,從而使得熔化井出口的廢氣溫度較低。如果將這些效果與恒定的燃燒器功率相結合,則可以預期熔化效率和能耗的減少量將接近供應商數據。
 


 
廢氣溫度
    根據實際操作情況,熔爐中熱傳遞效率在25%和50%之間。排出熔爐外的煙氣的出口溫度特別適合用來說明能量效率。這是因為它是熔爐內所有熱傳遞過程的結果。總的來說,能量效率隨著煙氣溫度的降低而增加。圖5顯示了熔化井末端和熔爐出口的煙氣溫度。在圖2中用A和B標記出了檢測點的位置。在熔化井的末端,熔化井中鋁加料量波動(與圖3相比)對煙氣溫度的影響清晰可見。這一溫度總是在進料過程結束后達到最低水平,并隨著時間間隔的增加而增加。熔爐出口的煙氣溫度曲線走向更為平穩,在850 °C 至 1000 °C區間內波動。這表明熔爐出口的煙氣仍然具有較高的能量含量,可用于改善熔爐的整體熱效率。
 
通過外部鋁錠預熱來提高能效
利用這一潛力的一種可能方法是引入外部預熱室。將其直接裝在熔爐旁,使用熔爐排除的廢氣來加熱錠材。這將使煙氣進行進一步的能量釋放,從而更好地利用燃燒器所帶入的熱能。通過能量轉移將在室溫下放入的鋁錠加熱到規定的溫度。 然后將溫度升高后的鑄錠放入熔爐中。在熔化井中由于已事先導入能量,需要轉移的能量必定會減少,從而提高了熔化效率,減少了能量消耗。由于熔爐出口處煙氣溫度較高,外部錠材預熱特別適用于帶短豎井的豎式熔爐。
 
表2列出了通過鋁錠預熱所能獲得的節約潛力的計算結果。隨著預熱溫度的升高,成本節約量呈線性增加。這一理想化計算的前提是所有錠材都可以進行預熱。另外忽略了預熱可能帶來的負面影響,例如由此導致的在熔化井中煙氣與所裝入鋁材之間的較低的驅動溫度差。所節約的成本主要指由于燃氣消耗量降低而節省的成本。未考慮由于建造預熱室所引起的采購和運行成本。
 



 
模擬模型
為了更好地理解工藝參數之間的相關性,比如?;奔浜脫怪ǖ男棖笄榭齠勻勐撓跋?,在圖1中用模擬模型展示了熔煉和壓鑄工藝過程。進行成功驗證后,可用于研究不同的操作狀態。由這些結果可以生成鋁轉運,壓鑄設備和熔煉爐操作方式的替代處理方案。比如可以推導出在熔爐失效,或液態鋁輸送延遲情況下的最佳反應方案。借助于模擬模型,改善措施,比如改善過的加料工序(參見 “集中熔爐的操作方式和能耗”)和預熱工序(參見 “通過外部錠材預熱提供能量效率”),能夠經濟有效,無風險的在虛擬環境中進行分析,無需干擾實際操作。這一開發出的模擬模型由物料流模型和詳細反映熔爐能耗過程的能量模型所組成。
 
物料流模型
在物料流模型中,在圖1的基礎上反映出了鋁輸送和在壓鑄機臺中鋁的加工情況。除此之外,模型還包含了叉車及其控制系統,以及壓鑄機。叉車控制系統既包含了液態鋁到壓鑄機臺的分配策略,也包含了熔爐加料過程中所選擇的加料順序。因此,這一模型形成能量模型的輸入口和輸出口,從而對模擬模型中熔爐的操作方式產生影響。通過這種方式,可以在模擬過程中研究不同需求情況產生的影響,以及熔爐的加料策略。
 
熔爐的能量模型
在熔爐中通過燃燒器加熱,發生鋁的相變以及熱量和質量的傳遞過程(傳導,對流,輻射)。為了準確捕捉和反映問題,必須使用流體模擬(CFD)。但是這將導致模型非常復雜,在改變框架條件方面計算量大,靈活度低。因此,對于帶有永久變化框架條件的較長時間段內的模擬,將數學模型簡化為一組常用的微分方程。
為提高開發模型的質量,用CFD程序來進行各種固定情況的支持性模擬。由于進行了簡化以及其它假設條件,根據測量數據進行模型驗證具有重要意義。
 
物料流的驗證
在將完整的物料流模擬結果和真實的企業數據進行對比時發現,在一個工作周內所生產的鑄件數量存在14.5%的偏差。這一偏差主要是由于在模擬中所考慮到的壓鑄機臺的意外?;榭齙耐臣品椒ㄒ鸕?。這一統計方法假定壓鑄機具有正態分布的平均?;奔洌ǜ鶯獻鞴こУ惱媸低;奔淙范ǎ?,未確切區分?;榭?,而從導致模擬和實際不可預見的?;榭鮒浯嬖諂?。
 
能量模型的驗證
因為熔爐的能量模型是在高度簡化和存在眾多假設條件的情況下開發出來的,因此驗證在這里尤為重要。與合作工廠所獲得的測量值進行比較的結果顯示出熔化井中固態鋁質量的時間曲線的良好一致性(圖6a)。爐槽中液體鋁的質量直接與此相關聯,因此也可以很好的展示出來。煙氣的廢氣溫度的比較表明,在模擬中正確的顯示了煙氣到固態鋁的熱傳遞的時間曲線(圖6b)。因此可以假設,在模擬中可以足夠精確地再現熔爐中具有固態-液體相變的物料流。
 

 
熔爐模型的精度,與其它過程變量一起,根據測量與模擬之間的平均偏差同樣進行了定量考慮(表3)。爐槽中液態鋁的質量偏差為2.6%,非常低。對于評估熱傳遞建模的質量,熔化井出口的廢氣溫度具有特別重要的意義。這是因為,這一溫度是由整個熔化井中的熱傳遞情況決定的。同樣這里的測量和模擬結果僅略有不同。
 

 
正確的反應熱傳遞情況,以及所實施的燃燒器控制對于真實測量燃燒器的燃氣消耗量是至關重要的。測量與模擬結果進行比較發現差異僅為0.5%,因此可以假設通過模擬所確定的燃燒器燃氣消耗量是正確的。這就使得計算每噸熔鋁的能量消耗成為可能,并且能夠模擬測試不同的操作策略對于熔煉工廠能效的影響。
 
模擬研究的結果
開發并經過驗證的這一模擬模型,用來研究加料策略和利用廢氣進行鋁預熱對于熔爐能效和熔煉效率的影響。對于熔煉爐,加料,取料以及熔爐負載可以作為邊界條件預先確定。在假定為理想邊界條件的情況下進行研究,這就意味著,不考慮受工廠條件影響的熔爐操作時的外部損害。
 
加料研究
在模擬研究中,如果鋁的質量超過保溫區域最大填充量的90%,則假定鋁的質量總是恒定的。這就保證了可以對熔爐進行連續操作。為了研究加料策略所產生的影響,每一次加料過程所加入的鋁的質量,會隨著每一次的模擬運行發生變化。每1000秒進行一次的加料過程所加入的鋁的質量,會隨著每一次的模擬運行增加100公斤。總是模擬一個班次(8小時)的情況。所加入的材料由具有室溫的50%的錠材和50%的廢料組成。
為進行評估,考察了加料對于熔化井填充量,熔煉效率和能耗的平均值的影響(圖7)??梢鑰闖?,在熔化井中鋁質量的平均值隨著每一次加料質量的增加而增加。這一均值的增加,與熔煉效率的提高相關聯,同時降低了能耗(EV)。因此,由一次加料量600kg,能效2500 kg/h,提升為一次加料量1400 kg,能效4800 kg/h。這相當于熔煉效率幾乎翻倍。隨著熔化井中鋁質量的增加,能耗從890 kWh/t 下降為 640 kWh/t。這相當于減少了28%的天然氣消耗量。這表明由加料決定的熔化井加料量對于熔煉效率和能量消耗是至關重要的。



 
錠材預熱的研究
熔煉爐的測量數據表明,熔爐出口處的煙氣溫度達到800至1000℃(圖8)。由于這一高溫,煙氣特別適合用來進行錠材的外部預熱,在圖8中通過圖形展示了對于預熱效果的模擬研究結果。比較了將鋁錠預熱至300度和不進行預熱(鋁錠溫度20°C)這兩種情況。在這兩種情況下,返回料和廢料的溫度都為100 °C。并觀察了不同的熔化井加料量的影響。如前面研究中所述,在這兩種預熱溫度情況下,隨著熔化井中鋁質量的增加,熔煉效率增加了約2500 kg/h。通過預熱,熔煉效率提高了約500 kg/h,能耗降低了約45 至 90 kWh/t。這證實了錠材預熱所具有的降低能耗方面的巨大潛力。
 
總結與展望
在這里所描述的研究工作中,對集中熔爐的測量活動的評估結果表明,其能耗最高超出供應商規格的25%。同樣,所測得的平均熔煉效率也處于供應商規格的下限。對測量數據的分析表明,得到這些較差的能效數據的主要原因是不連續的操作模式以及不當的加料策略。測量數據顯示,熔爐出口的煙氣溫度位于850 至 1000 °C這一區間內。為了能利用熔爐出口處高能量含量的煙氣,對在所謂的預熱室中對錠材進行外部預熱進行了研究。
根據對合作工廠的總結性分析以及對測量數據的分析,建立并驗證了完整熔煉和壓鑄工廠的模擬模型。該模型證實了熔煉爐的操作模式和加料量對熔煉效率和能耗是至關重要的。兩個所觀察到的熔化井加料量的極限值能使熔煉效率差異高達50%,能耗差異高達30%。通過外部預熱對錠材進行預熱的模擬研究表明,根據操作點的不同,這一工序能使能耗降低45至90 kWh/t,熔煉效率最高提高至500 kg/h。
后續研究的目標是實施各種措施,使得能在整個工廠的模擬模型中在理想的操作點上連續操作熔爐,并且研究它們在工廠流程中的影響。其中的一項措施是對液態鋁的供給進行需求和時間上的優化,另外還有最佳自由熔煉時間點的計算,液態鋁需求較低時熔爐的智能備用切換以及熔爐熔化性能的需求導向控制。除了需要進一步發展模擬模型之外,必須在真實的工廠中通過進一步檢測來檢查和確認所找到的改善策略。
 
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