回转倾动熔炼设备的设计过程与自动化控制

回转倾动熔炼设备的设计过程与自动化控制摘要：围绕铝渣处理与废铝回收问题，本文通过查询对比国内外回收废铝和处理铝渣技术的现状，选择阐述兼备处理废料与铝渣回转驱动熔炼设备用途与结构，阐述设计回转倾动熔炼设备的思路，汇总完善设计过程中需要的计算公式和设计要点，简明介绍自动化控制方式，用以指导设计同类产品，更合理的使用资源，以达到降低能耗、节能减排的目的。并预想新的能源技术，使铝的循环利用过程，达到更低耗损，未来以达到零耗损。关键词：铝渣，废铝，回转，熔炼设备，计算，自动化控制；DesignprocessandautomaticcontrolofrotarytiltingsmeltingequipmentLIXIAOLONG,CHENGHAO,CUIJIAN,ZHUCUIYU,ZHANGZHILEI,ZHENGYIFAN(LiaoningZhongwangGroupCo.,Ltd.,Liaoyang111003China)Abstract:(Aroundtheproblemsofaluminumslagtreatmentandwastealuminumrecovery,Thispaperinquiresandcomparesthetechnicalstatusofwastealuminumrecoveryandaluminumslagtreatmentathomeandabroad,Becausetherotarydrivesmeltingequipmentcanhandlebothwasteandaluminumslag,Therefore,thepurposeandstructureofrotarytiltingsmeltingequipmentareintroduced,Thispaperexpoundstheideaofdesigningrotarytiltingsmeltingequipment,Summarizeandimprovethecalculationformulasanddesignpointsrequiredinthedesignprocess,Briefintroductiontoautomaticcontrolmode,Toguidethedesignofsimilarproducts,Morerationaluseofresources,Toachievethepurposeofreducingenergyconsumption,energyconservationandemissionreduction.Andenvisionnewenergytechnologies,Recyclingprocessofaluminum,Almostzeroloss)Keywords:Aluminumslag；Aluminiumscrap；rotation；Smeltingequipment；calculation；Automaticcontrol；随着现代社会对铝制品需求量的日益增加，这使得铝土矿资源消耗加快，而且我国在铝土矿资源储蓄量方面，仅仅为全球总量的2.3%，总体而言我国铝资源相对匮乏⑴。在有铝制品更新换代加快，生命周期缩短，这个过程中产生了大量的废铝。而在不同设备与工艺下，生产铝的过程中还会产生2%-5%的铝渣，通常情况下，在铝渣中还蕴含着40%-60%的铝，如不对废铝与铝渣加以处理与回收，不但对环境是一种负担，还会产生很大的资源浪费。铝渣处理与废铝回收已成为世界各国越来越严峻的问题。由于铝的固有化学特性,氧化耗损很低，而且几乎可以无限次的回收利用。有研究表明，我国再生铝生产能耗仅为原铝生产总能耗的4.86%，温室效应仅为原铝生产的1/24。⑵这反映了铝渣与废铝回收处理的前景，而且这也非常符合现在我国节能减排，碳中和的大环境。未来熔炼铝渣与废铝设备，势必成为趋势。本文系统的阐述了铝渣废铝等低品质铝的一种熔炼设备的设计过程，以及自动化控制。以达到更合理的使用现有技术研发设备，为新技术奠定基础。为以后更合理的使用资源做准备。铝渣废铝回收国内外研究现状废铝来源有很多，比如我国已制定《铝及铝合金废料废件分类和技术条件》相关标准，其中不难看出，按照成分分为金属纯铝和铝合金。而按照来源可分为生产过程中产生的废铝，比如不合格品，各种铝屑等。使用过程中产生的废铝，比如报废的汽车等交通工具，工业用品，损坏的生活用品，易拉罐等。通过废铝分类可看出，废铝来源于各个行业，不同领域，这使得各种废铝成分和性能上有很大差距，这给回收分类工作带来了很大难度，就比如铝合金分为2-8系，系下还分很多型号，如果盲目重熔，不仅会使产品降级，更严重会使产品报废。这是亟待解决的问题。这不仅仅依靠技术能达到的目标，还需完善制度。世界发达地区如美国和欧洲都有相应的分类技术。我国也已制定相关标准，但如何在回收过程中贯彻实施还是一大问题。铝灰来源，铝灰可分为一次铝灰与二次铝灰。一次铝灰铝含量可达15%〜70%。二次铝灰铝含量可达12%〜18%。「[[3]铝灰回收铝的方法按照是否对铝进行熔化，分为冷法和热法。冷法是通过冷却、破碎、过筛、磁选、离心等工艺得到细小的铝颗粒。但此方法难以大规模处理，一般用于处理二次铝灰。而热法是通过自身氧化放热或外部提供热源的方式，使铝灰中的铝熔化，在经过挤压、搅拌等不同工艺，使铝熔液与残渣分离。在热法中普遍使用盐浴，盐浴有分离铝液、溶解氧化铝降低反应温度［4］、保护铝熔池等作用。盐浴用盐有钠盐、钾盐、冰晶石或它们按一定比例混合的混合物。下面介绍几种目前国内外投入使用的原理：氧化放热原理该原来下有炒灰回收法是大多技术落后或铝灰处理量少的小型铝厂中采用，其工艺过程是：将从熔炼或其他设备中得到的热铝灰将铝灰置于倾斜的铁锅中，在加入适量的盐，利用铝灰自身的热量和铝灰中镁铝等金属继续氧化放热使铝灰中的铝的熔化，通过铁锹等翻炒装置或人工进行反复翻炒。使铝熔液汇集与铁锅底部或一侧，在通过放流口或人工回收转运到熔炼设备中。此套装置结构简单，投入少，操作简单。但由于是开放式作业，生产过程中会产生大量粉尘和一部分有害气体，操作环境极差。虽然设有除尘设备，因为开放式除尘，效果并不理想。随着国内环保要求的提高，此套设备生存空间会越来越小。另外有回转窑法、MRM(MetalRecyclingMachine)法和改良MRM法原理与炒灰相同，只是把人工部分改为机械。而改良版是把搅拌和铝回收全过程在氩气保护下进行。~(2)压榨回收原理利用压榨回收法原理的工艺有很多，“ThePress”、SPM等均属于此类。其原理是从上部将热铝渣装入机器，然后施加静压或动压，将熔融铝挤压出来「［6,7铝渣被做功温度升高，通过外壳与压头中的冷却水系统，协同配合温度。防止温度过高。此套设备结构简单、投入少、操作与维护费用低、工作环境好，不需要收尘设备，但该方法自动化程度高，如外加压力与控温配合不好，很难达到高的回收率。压榨回收设备如图下图。外加热源回收原理该法利用外加热源，烧嘴燃烧放热、电孤放热、等离子放热的方式对铝灰快速加热熔化，以达到高的回收率。利用此原理的设备有倾动回转炉、ALUREC(AluminiumRecycling)法、等离子体速熔法等；以倾动回转炉为例，回转炉[8」既能用于铝灰的回收，又能熔炼铝屑。由于回转炉炉体入口使用炉门，且炉内一直处于正压状态，能有效的防止炉外空气吸入，保证了更低的氧化率，提高回收率。但此法设备初期投入大，运行和维护成本高，且与炒灰方式一样，会产生盐渣等危废，需要后期处理。而电孤加热惰性气体保护炉只在文献中看到，并未看到实体设备，无法了解效果。电磁原理利用该原理有利用电磁感应的工频/中频/和高频炉,此方法利用交变磁场，使金属原料自身产生感应电动势、感应电流，使其自激发热。由于自身发热且原理特性，原料内外受热更均匀，升温速度更快，热效率高，也容易加入保护气体，减少氧化。且不产生废气，更环保，生产环境好。但电磁感应加热对于加热铝材质优势并不明显，铝是非磁性金属，且液态电阻率仅为液态钢和铁的1/4左右，故其加热电效率低于炼钢。⑼这也是为什么电磁感应炉多用于钢铁行业的原因。还有一种利用微波加热的技术，其利用微波加热极性分子的做的坩蜗(如碳化硅陶瓷等)，间接加热内部金属的方法，或用美国宾夕法尼亚大学发现微波直接烧结微米级甚至纳米级金属粉末，突破了传统金属材料不能吸收微波的观点。[10」有与电磁感应类似高效快热、节能减排、无污染等优点，但此种设备多处在理论与实验阶段。投入工业使用还有很多技术问题，如大型磁控管制造、金属吸收微波能力低、微波不均匀造成的局部过热(美国Y-12X厂掌握了对局部过热和过烧的控制方法，核心技术处于保密阶段)、温度测量、原理研究不完善等。一不管是工频的50/60Hz、中频的500-20000Hz、高频的20000-80000Hz、微波的300MHz-300GHz,在整个电磁波谱(如图)范围里都是很小的一部分，还有很大的研究前景与可能。特别是现在空天技术的发展，未来电磁波理论的研究和实际的利用会有质的发展。回转倾动熔炼设备的组成炉体部分：由回转筒体、内衬和炉口铸件组成；支撑架：作用是为炉体进行倾翻动作，一般筒体重量较大，故液压系统驱动；炉体回转驱动：由动力源带动炉体旋转；炉门装置：用于阻挡炉内热量散失，为燃烧器和排烟管提供安装位置；开关动作由油缸执行；燃烧系统：本系统加热使用天然气烧嘴；(6)收尘罩：用于吸收排放回转炉产生的烟尘；挡渣板：用于倾倒铝液时挡住炉渣和盐渣，动作由油缸执行；液氧气化装置：用于使液氧转化为要求压力的气态氧气；管路系统；用于调节和控制天然气、氧气流量压力等状态；维修平台：提供人员维修空间；除尘系统：用于收集过滤烟气；电气控制系统：用于控制设备整个工艺过程，为设备安全提供保护;根据设备复杂程度，组成略有不同。3回转倾动熔炼设备的设计过程根据装料量与炉口大小确定总体尺寸；此项不需计算，只需根据尺寸排布；确定驱动力；确定倾翻位置与倾翻力；根据熔化率确定加热功率；确定天然气耗量，氧气耗量；确定管线走向尺寸；此项不需计算，只需根据尺寸排布；确定动作逻辑与传感器位置；4相关计算(1)驱动力计算根据设备尺寸绘制受力简图，如图一和图二；根据静止物体受力平衡（力矩平衡）原理，取尾轴为原点（如图一），求出筒体对辊轮的压力N1；— 「=*"①Ki如…二、'二②代入N1得尾轴承受压力N2；■ ③（如图二）根据转矩公式分别计算各部分阻力矩小辊轮转矩：④尾轴转矩：

Ij⑤辊轮动摩擦矩：心*弓卜M,⑥由于物料倾斜产生的摩擦矩（如图二）：G：...,：R_*_⑦根据雷先明与肖友刚对回转窑内动安息角导出的计算公式［12］求得数值代入式⑦a=.aicsm动力矩:M由=(MiX2x—+虬+MjX2-M4)x1.2根据，功率PPT-9549-U式中 G——回转体重；kgG1 料重；kgL1——尾轴到重心距离；mL2——尾轴到托辊距离；m。一一筒体回转轴与水平夹角;R 回转筒辊圈半径；mr 托辊半径；mdl——尾轴轴承中径；md2 托辊轴承中径；mB 重力与托辊压力间夹角；°U 轴承摩擦系数UR 动摩擦系数（筒体对托辊）cmul——内筒壁摩擦系数'' 物料填充角,rad筒体转速,rad/sn 筒体转速,r/minR1——筒体内径,mR2 物料重心半径，m（使用solidworks等软件可基本确定重心位置）g——重力加速度a 物料动态安息角，radF油缸推力;N（2）倾翻力计算根据设备尺寸绘制受力简图，如图一；根据力矩平衡（如图三），的推力F。此式中角度约掉。式中L3 回转点到推力点距离；mL4——回转点到重心距离；m如果重载时，使用省力杠杆，减小液压系统压力。轻载时，可使用费力杠杆，减小油缸大小，节约成本；倾翻力角度最好使用如图一方式，倾翻过程由左倾斜到右倾斜变化，这样油缸倾斜角度小，对缸杆负担小，较小缸径节约材料；（3）加热功率计算根据热平衡法可得式中m1和m2根据化学式CH4+2O2=CO2+2H2O分子质量变化，推导出与CH4质量关系，由式俎得如4质量，与质量关系代入式⑫。得理论功率七田；理_P潭^3600工=4疽q."⑬实际功率：⑭根据式⑬与化学反应式可得CH4与O2用量;式中 m——熔化率；kg/ht 单位时间1；hc 铝比热；J/kg°CAt——铝料温度变化；C△t]——炉气温度变化；CA——筒体表面积；m2C1——CO2比热；J/kg°Cc2——H2O比热；J/kgCq1——铝液熔化潜热；J/kgc3 盐比热；J/kgCm3——对应熔化率下用盐量；kgP CH4密度；kg/m3q2——CH4热值；kcalq——筒体热流密度；W/m2（使用内外散热平衡法，可求，此文不做介绍）m1——CO2生成质量；kgm2——H2O生成质量；kgn——安全系数；（4）动作逻辑与传感器位置动作逻辑分为两部分组成：1）机械动作控制筒体旋转控制：控制器控制油泵，使马达旋转。使用光电开关反馈转速给控制器，再控制油泵供油量，以达到闭环控制转速目的；炉体倾翻控制：使用开关量控制油泵供油与换向阀位置，是倾翻油缸升降。接近开关反馈油缸始末位置信号；炉门开闭动作与此相同；2）燃控系统控制燃气燃烧使用模拟量控制，使用孔板流量计反馈流量配比燃气与氧气比例，使氧气控制阀随动燃气控制器。在根据炉口热点偶反馈温度，控制管道下游控制器开度，以控制烧嘴输出功率。7结论与展望通过阐述国内外废铝渣回收技术，不难发现国内创新性设备与工艺，要走的路还有很多，正因为技术处在初级阶段，能更好更容易的突破使用技术。有更好的发展前景。通过本文能更完善更细致的设计和使用现有技术。为创造新技术打下基础。未来随着能源的短缺，传统一次化石能源加热必将被淘汰，电磁等间接能源才是新方向。我们在熟知现有技术的基础上，创造和等待科技的进步，为更低能耗，更低污染，更经济的方向努力。参考文献：［1］ 2020-2025年中国铝业行业竞争格局分析及投资战略咨询报告［S］。华经产业研究院出版。2020.［2］ 丁宁、高峰、王志宏、龚先政。原铝与再生铝生产的能耗和温室气体排放对比［J］。中国有色金属学报，2012.10，第22卷第10期：2908-2909［3］ 柴登鹏、周云峰、李昌林、汪艳芳、刘卓。铝灰综合回收利用的国内外技术现状及趋势［J］。轻金属，2015，第6期：1［4］ 杨振海、高炳亮、徐宁、邱竹贤、刘耀宽。熔融冰晶石中氧化铝的溶解（摄影研究）［J］。东北大学学报（自然科学版）1999.8，第20卷第4期：398-400［5］ 李菲、郑磊、冀树军、苏鹏、郭学益。铝灰中铝资源回收工艺现状与展望［J］。轻金属，2009，第12期：3J.Y.Hwang,X.Huang,andZ.X