陳 雷，李光葉

（山東華特磁電科技股份有限公司，山東 臨朐 262600）

1 磁力攪拌的背景技術、現(xiàn)狀

近年來，隨著電解鋁的持續(xù)集約化發(fā)展，部分電解鋁廠外遷或產(chǎn)能置換。使得原周邊的位于產(chǎn)業(yè)鏈下游的鋁熔鑄企業(yè)喪失了直接采用電解鋁水熔鑄的先天優(yōu)勢，被迫使用鋁錠重熔熔鑄，導致下游熔鑄加工企業(yè)的制造成本急劇增加。

采用電解鋁水熔煉，可直接使用攪拌器攪拌調(diào)勻成分，縮小鋁水溫差即可。攪拌時間短，使用形式單一，對攪拌器的使用要求不高。傳統(tǒng)電磁攪拌器勵磁線圈電流密度大，即使依靠水冷卻，溫升隨時間的變化仍然呈線性分布，且匝數(shù)少，能耗高，達不到熱平衡狀態(tài)，即使連續(xù)攪拌，不超過40分鐘就會超溫報警。因此，僅作短時間間歇攪拌，調(diào)勻成份或消除溫差尚可，不能有效的進行長時間連續(xù)攪拌，且配有繁雜的水冷及檢測系統(tǒng)，對水質(zhì)要求高，水質(zhì)一旦超標極易造成設備報警，故障點多，維修頻繁。采用永磁攪拌器雖能連續(xù)攪拌，但是，永磁攪拌器磁場是無法調(diào)節(jié)的固定磁場，對爐底厚度及鋁液深度的變化，不能做到適時的調(diào)節(jié)磁場，另外，爐底的高溫存在使磁塊退磁的風險，且產(chǎn)生磁場的釹鐵硼磁塊屬戰(zhàn)略物資，價格昂貴。不可調(diào)節(jié)的磁場、昂貴的采購價格，使得很多客戶望而卻步。

2 低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器技術分析

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器的設計主線是節(jié)能環(huán)保、提質(zhì)增效！在當前全球能源危機持續(xù)加劇，環(huán)保壓力持續(xù)加大的大背景下，走節(jié)能環(huán)保發(fā)展之路是唯一的選擇。近年來，國家通過刮骨療傷、壯士斷腕的決心，取締高能耗、高污染企業(yè)，淘汰落后產(chǎn)能。使得新技術、新工藝得以釋放，促進產(chǎn)業(yè)升級，最終達到對環(huán)境的改善、對產(chǎn)品提質(zhì)增效的目的。

眾所周知，鋁熔煉行業(yè)屬高能耗、高污染行業(yè)。在這一大背景下，低電功率連續(xù)攪拌技術應運而生。該低功率連續(xù)攪拌器除了能充分調(diào)勻合金成分、消除鋁水上下溫差、降低燒損外，其核心技術是能夠連續(xù)攪拌對于鋁錠重熔，連續(xù)攪拌可以提高生產(chǎn)效率25～30%，熔煉時間的縮短可以減少30%左右的燃料消耗。該攪拌器的能耗僅為同噸位傳統(tǒng)電磁攪拌器的一半，達到節(jié)約能源的目的。

攪拌器能耗按30噸為例計算 ：鋁錠重熔，連續(xù)攪拌時間為2小時，視在功率為最大值50KVA，功率因數(shù)0.95，實際工作功率為48kW，此功耗是在電磁攪拌器滿負荷工作狀態(tài)下得出的結果，按30噸攪拌器工作2小時消耗96度電計算，一年生產(chǎn)1200爐.市電按1度電1元錢算,產(chǎn)生成本11.52萬元。

以天然氣為燃料、噸鋁消耗天然氣70 m3的30噸熔煉爐為例：按每天生產(chǎn)4爐鋁液，除去導爐用1小時，不用電磁攪拌器配合熔煉，熔煉一爐所用的時間是5小時，30噸鋁熔煉完須消耗2100m3天然氣。每小時消耗天然氣為420m3，用電磁攪拌器后熔煉時間能節(jié)約30%左右，因此使用攪拌熔煉所需的時間為5-5×30%=3.5小時，3.5×420=1470m3每爐節(jié)約天然氣630m3，噸鋁消耗天然氣由70 m3降至49m3,4爐每天節(jié)約2520m3，一年節(jié)約75.6萬m3。天然氣按每立方3元算，年節(jié)約天然氣費用226.8萬元，天然氣節(jié)省費用減去攪拌器運行產(chǎn)生的成本費226.8-11.52=215.28萬元，每年節(jié)約純利潤215.28萬元，節(jié)能效果顯著。

表1 同型號電磁攪拌器功率對比表

表2 同型號電磁攪拌器與永磁攪拌器價格對比表

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器自身不產(chǎn)生污染物，且與傳統(tǒng)電磁攪拌器相比省去了水冷卻環(huán)節(jié)，無水資源浪費。功耗降低一半左右，達到節(jié)能的目的，該攪拌器屬典型的節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。節(jié)能就意味著降低成本，環(huán)保意味著可持續(xù)發(fā)展，這充分證明低功率連續(xù)攪拌技術在熔煉行業(yè)中真正起到了促進產(chǎn)業(yè)升級，改善環(huán)境、對產(chǎn)品提質(zhì)增效的目的。

從上述圖表中可以看出，低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器的能耗是傳統(tǒng)電磁攪拌器的1/2左右;采購價格是永磁攪拌器的2/3。

3 低功率連續(xù)攪拌技術原理

低功率連續(xù)攪拌技術在鋁熔煉行業(yè)中應用的主要目的就是對鋁錠重熔、廢鋁重熔縮短融化時間、提高工作效率、大幅降低能源消耗。對于滿足合金成分均勻性、消除上下溫差、降低燒損亦能兼顧。

然而，對于傳統(tǒng)電磁攪拌器，因其設計初衷為調(diào)勻合金成分、消除鋁水上下溫差，隨著鋁熔煉行業(yè)的快速發(fā)展，單一的攪拌方式已不能滿足行業(yè)發(fā)展的要求。

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器為滿足當前業(yè)內(nèi)的使用要求，在鐵芯結構上采用了獨特的剖分式鐵芯，線圈通入有相位差的低頻交流電，在鐵芯上產(chǎn)生兩個以上的同極行波交變磁場，產(chǎn)生的同極行波交變磁場相互擠壓，磁力加強，使得透入熔體的磁場深度與磁場面積都大幅提高；在線圈上采用了小電流、多匝數(shù)的設計思路，使得線圈的電流密度、功率大幅降低，線圈溫升在一定溫度下達到熱平衡，線圈的線餅與線餅間設置有導風墊板，風機將冷卻風送入線圈，線餅間的導風墊板將冷卻風約束在風道內(nèi)，將內(nèi)部高溫空氣導出。因此，該攪拌器能長時間的連續(xù)攪拌。

持續(xù)不斷的向線圈通入有相位差的三相低頻交流電，線圈產(chǎn)生的磁場在磁極上產(chǎn)生恒久的交變磁場，磁場穿透爐底，透入進鋁水中，對鋁水進行攪拌，攪動的鋁水沖刷著爐內(nèi)未熔的鋁錠，加快熔化速度，提高了工作效率，降低了燃氣消耗，節(jié)約了能源。

電磁感應器產(chǎn)生的磁場是攪拌的動力，它相當于一臺氣隙很大的直線電動機，感應器相當于電動機的定子，鋁熔液相當于電動機的轉(zhuǎn)子，磁場和熔爐中的鋁熔液相互作用產(chǎn)生感應電勢和感生電流，這種感生電流又和磁場作用產(chǎn)生電磁力，從而推動鋁熔液作定向運動，起到攪拌作用。它可根據(jù)生產(chǎn)中的需要大范圍調(diào)節(jié)攪拌速度、磁場強度和鋁熔液的流速，攪拌能力強勁，鋁液流向可交替變換，間隔時間任意可調(diào)，消除攪拌死角，同時產(chǎn)生渦流效果，可有效的降低熔爐底部和頂部的溫差。非接觸式攪拌，不污染合金熔液，提高合金成分均勻性，熔化速度快，改善合金的品質(zhì)。

低功率連續(xù)攪拌技術在有色金屬熔煉過程中的應用，其核心技術就是能夠連續(xù)攪拌。對于該攪拌器，實現(xiàn)成分均勻性、消除上下鋁水溫差來說是很容易實現(xiàn)的，一般而言，解決合金成分偏析、上下鋁水溫差只需要攪拌器攪拌十幾分鐘即可，但是縮短融化時間、降低能耗卻需要攪拌器能夠在低功耗、連續(xù)運行的前提下做長時間的連續(xù)攪拌工作，這就凸顯了低功率連續(xù)攪拌技術的最大特點。在熔爐內(nèi)有少許鋁水時，便可進行連續(xù)攪拌，促使波動的鋁液對固體鋁料進行不斷沖刷，最大限度的提高鋁錠的熔化速度，有效的縮短了熔化時間，從而對提高熔化效率，降低能耗起到了至關重要的作用。

低功率連續(xù)攪拌技術在有色金屬熔煉中的應用，充分體現(xiàn)了其低運行功率、連續(xù)攪拌的顯著特點。國內(nèi)外相關領域使用的電磁攪拌器大部分是用水來冷卻的，須配有繁雜的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，結構復雜，故障率高。而該攪拌器采用低電密、多匝數(shù)的設計思路，工作時線圈能達到溫升熱平衡，為提高其穩(wěn)定性和隔絕來自爐底熱源，風冷卻系統(tǒng)能很好地起到對熱源的屏蔽作用，且結構簡單，故障率低、安裝維護方便。

4 低功率連續(xù)攪拌的研究與實施

低功率連續(xù)攪拌技術作為一種新型的技術產(chǎn)品， 投入到鋁熔煉當中去，并以其投資小，運行成本低，攪拌效果好，工作可靠性高，節(jié)能、環(huán)保等特點受到廣大用戶的歡迎。

表3 在相同情況下，30t攪拌器投資回收期比較

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器在能耗方面低于傳統(tǒng)電磁攪拌器，價格方面低于永磁攪拌器，相對于傳統(tǒng)電磁攪拌器節(jié)約了大量電費，對于永磁攪拌器節(jié)約了采購成本。由上表可以看出，其投資回收期比電磁、永磁攪拌器快是顯而易見的，它將為廣大用戶帶來較高的經(jīng)濟效益。

感應線圈的使用壽命是決定低功率攪拌器壽命的關鍵，也是影響攪拌器能否實現(xiàn)連續(xù)攪拌的關鍵因素。然而，傳統(tǒng)電磁攪拌器的勵磁線圈電流密度每平方毫米3～5安培，電流密度大，并且匝數(shù)少，僅為100～200匝，即使依靠水冷卻，溫升隨時間的變化仍然呈線性分布，能耗必然高，達不到熱平衡狀態(tài)，不能有效的進行長時間連續(xù)攪拌，只能間歇式攪拌。而且配有繁雜的水冷及檢測系統(tǒng)，對水質(zhì)要求高，水質(zhì)一旦超標極易造成設備報警，故障點多，維修頻繁，因此，該傳統(tǒng)電磁攪拌器不能滿足持續(xù)有效的連續(xù)攪拌。

低功率連續(xù)攪拌電磁攪拌器在研究開發(fā)之初，首要解決的主要技術問題就是勵磁線圈在高溫環(huán)境下的使用壽命問題，對于這一突出問題，在勵磁線圈設計時采用了小電流、多匝數(shù)的設計思路。使得勵磁線圈的匝數(shù)增加至200～500匝范圍內(nèi)，電流密度的設計范圍控制在每平方毫米0.5～1.5安培以內(nèi)，使得功率大幅降低，勵磁線圈溫升在一定溫度下達到熱平衡；同時，風機通過風管向勵磁線圈提供冷卻風，冷卻風自風罩的進風口進入勵磁線圈，沿內(nèi)部風道流動過程中將內(nèi)部高溫空氣通過風罩的出風口導出，從而對勵磁線圈進行了強制風冷冷卻；由于勵磁線圈冷卻效果好，因此，電磁攪拌器能連續(xù)攪拌，提高了工作效率，縮短了熔爐工作時間，降低了熔爐運行的燃氣消耗，節(jié)約了能源。

山東華特磁電科技有限公司安裝于某鋁業(yè)公司的低功率連續(xù)攪拌電攪拌器使用后，對其溫升曲線進行檢驗，其溫升曲線與傳統(tǒng)電磁攪拌器的溫升曲線對比如下：

由圖1可以看出，傳統(tǒng)電磁攪拌器運行1小時，溫升超過110°C，且達不到熱平衡狀態(tài)。低功率電磁攪拌器的勵磁線圈在溫升達到105°C左右時，溫升達到熱平衡狀態(tài)。

圖1 溫升曲線與傳統(tǒng)電磁攪拌器的溫升曲線對比

經(jīng)過多熔次的跟蹤對比分析，該攪拌器對重熔鋁錠縮短融化時間上效果明顯，且能耗低，得到用戶的認可。

山東華特磁電科技股份有限公司有著二十五年的磁技術開發(fā)和應用歷史，是我國磁電設備的主要生產(chǎn)制造基地。針對我國目前鋁行業(yè)鋁錠重熔的現(xiàn)狀，自2008年開始，與國內(nèi)知名專家及部分高等院校、科研院所合作研制出了 “風冷式低功率交直交電磁攪拌器”，該產(chǎn)品利用頻率為0.5～3.5Hz的3相低頻電通入感應器線圈，產(chǎn)生行波磁場，此行波磁場穿透爐底的不銹鋼板及爐襯作用于鋁熔液，使鋁熔液產(chǎn)生有規(guī)律的移動，從而達到攪拌的目的。通過改變變頻電源的電壓、頻率和相位，即可改變攪拌力的大小和方向。為了杜絕爐底的輻射熱對線圈造成不利影響，采用復合材料隔熱與強制風冷，以及實時監(jiān)測控制溫度的溫度控制系統(tǒng)，采取的諸多措施有效地解決了爐底熱輻射問題，降低了感應器的溫度，顯著地提高了設備使用壽命。另外，該產(chǎn)品攪拌工藝先進，質(zhì)量好，無污染，感應器結構先進，磁力強，保證了熔爐使用要求。該產(chǎn)品經(jīng)許多用戶使用和質(zhì)量測試，運行穩(wěn)定可靠，節(jié)能,工作效率高，分別達到同類產(chǎn)品的國際先進水平和領先水平。

5 結束語

低功率連續(xù)攪拌技術在鋁熔爐上的成功應用，給有色金屬冶煉攪拌帶來了一場新的革命，它有力的推動了有色金屬熔煉攪拌的創(chuàng)新與發(fā)展，最大限度的改善了環(huán)境，為提高產(chǎn)品品質(zhì)夯實了基礎。在能源日趨緊缺的當下，實施低能耗、高產(chǎn)出，低投入、高回報的領先技術，走提質(zhì)增效的工業(yè)化道路，提高資源利用效率，最終實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前，低功率電磁攪拌技術已經(jīng)成功應用到鋁等各有色金屬熔煉回收等行業(yè)當中，必將在有色金屬熔煉領域得到進一步發(fā)展。伴隨著持續(xù)發(fā)展的有色金屬行業(yè)供需兩旺的局面，熔煉爐磁攪拌技術也將得到進一步的釋放和發(fā)展，這也為低功率電磁攪拌技術提供了千載難逢的機遇，隨著低功率電磁攪拌技術所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益的不斷外溢，它必將成為今后很長一段時間內(nèi)有色金屬熔爐攪拌的一項不可替代的新型技術。