铝生产能源结构及流程优化分析

D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2011.01.017 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vo]33 No 1 2011年1月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Jan 2011 铝生产能源结构及流程优化分析 张欣欣》史或宏区姜泽毅》孟杰2》 顾松青2》 1)北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京1000832)中国铝业公司，北京100082 ☒通信作者.E.mail shiyuhong vi@yahco oom en 摘要基于现有铝工业的生产流程结构特征及能源利用情况对比分析铝、钢铁生产流程的治金本质，划分铝生产流程工 序区段.综合分析铝工业能源结构和能量耗散规律.参照钢铁节能技术的实践指出铝工业在流程优化与改进、能源结构优 化、废弃物资源化利用及余能回收综合利用等方面具有系统节能潜力，提出电解工序后高效、有序运行的生产流程结构模式 关键词铝治金：铝工业：流程工程；能源消耗：节能：能源结构 分类号TF821 Energy structure and process optm ization for the a lum inum industry ZHANG Xinxin)HIYuhag JIANG Zeyi MENG J)G Songqing 1)Deparment ofThemal EnegyEngineering Schoolofechanical Engineering University ofScience and Technokgy Beijing Beijng 100083 China 2)Akm num Corpom tion ofChina Beijng100082 China Comespond ing auhor Email shiyuhong vit@yahco com cn ABSTRACT Themetallrgical nature of productpn flo was compared beween alm num and irn&steel under structural charac teristics of current producton fbw ad energy utilization sutes n he alum inm ndustry The production fow was divded np process sections The enegy structure and energy diss paton d isciplnes of he alm num industry wee synteticaly analyzed Refered p he practice of energy saving tednology in he iron and steel industry he sysematic energy savng potentialwas pointed out in he aspects of process mprovement eergy structure optmization ndustrial waste utilizatian and exoess energy recycling etc An ordered and high efficiency mode after electolysis was proposed in the production fbw structure KEY WORDS alu inum metallurgy alu inum ndustry process engneering energy consumptpn energy savng energy strucure 经过长期的发展，我国铝工业已建立起涵盖铝 工程学4集成知识体系的形成和建立、钢铁流程生 矿开采、氧化铝制备、电解铝、铝及合金熔铸和铝型 产区段功能解析一集成、铁钢界面技术可以及钢 材加工等门类齐全的流程工业体系，成为金属铝的 厂流程优化结构模式相关研究. 生产大国.然而，对比国外先进铝生产流程和其他 目前，铝工业在系统节能研究方面，特别是从生 治金流程工业发展现状我国铝工业仍存在着生产 产流程全局层面开展研究较少阁.本文选取了铝工 系统流程复杂、整体能耗高等诸多不利因素. 业典型生产过程作为研究对象，在治金流程工程学 治金流程工业的系统节能研究表明：流程 的理论体系框架下，对比借鉴钢铁治金节能现状运 工业节能降耗，除了要考察系统内单体设备、单一工 用流程工业系统节能的解析方法，分析研究我国铝 序的微观传输过程、介观能源耗散过程，还要立足生 工业生产流程的节能方向与途径 产系统布局、工序间生产流程组织形式等宏观层面， 1铝工业生产流程工序功能解析 研究考察生产区段、工序间的优化匹配和衔接技术， 优化整体流程，实现流程整体节能.在流程工业系 铝工业是指铝产品制造业，其生产过程涵盖了 统节能理论研究与生产实践方面，与铝工业相似的 铝素从铝土矿到铝制品的转化与转变过程.我国铝 钢铁治金，已经取得了一定的研究成果，如治金流程 工业在发展进程中逐步形成了如图1所示的典型生 收稿日期：2010-01-31

第 33卷 第 1期 2011年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.1 Jan.2011 铝生产能源结构及流程优化分析 张欣欣 1) 史彧宏 1) 姜泽毅 1) 孟 杰 2) 顾松青 2) 1)北京科技大学机械工程学院热能工程系, 北京 100083 2)中国铝业公司, 北京 100082 通信作者, E-mail:shiyuhong vip@yahoo.com.cn. 摘 要 基于现有铝工业的生产流程结构特征及能源利用情况, 对比分析铝、钢铁生产流程的冶金本质, 划分铝生产流程工 序区段, 综合分析铝工业能源结构和能量耗散规律.参照钢铁节能技术的实践, 指出铝工业在流程优化与改进、能源结构优 化、废弃物资源化利用及余能回收综合利用等方面具有系统节能潜力, 提出电解工序后高效、有序运行的生产流程结构模式. 关键词 铝冶金;铝工业;流程工程;能源消耗;节能;能源结构 分类号 TF821 Energystructureandprocessoptimizationforthealuminumindustry ZHANGXin-xin1) , SHIYu-hong1) , JIANGZe-yi1) , MENGJie2) , GUSong-qing2) 1)DepartmentofThermalEnergyEngineering, SchoolofMechanicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)AluminumCorporationofChina, Beijing100082, China Correspondingauthor, E-mail:shiyuhong vip@yahoo.com.cn ABSTRACT Themetallurgicalnatureofproductionflowwascomparedbetweenaluminumandiron＆ steelunderstructuralcharac￾teristicsofcurrentproductionflowandenergyutilizationstatesinthealuminumindustry.Theproductionflowwasdividedintoprocess sections.Theenergystructureandenergydissipationdisciplinesofthealuminumindustryweresyntheticallyanalyzed.Referredtothe practiceofenergy-savingtechnologyintheironandsteelindustry, thesystematicenergysavingpotentialwaspointedoutintheaspects ofprocessimprovement, energystructureoptimization, industrialwasteutilizationandexcessenergyrecycling, etc.Anorderedand highefficiencymodeafterelectrolysiswasproposedintheproductionflowstructure. KEYWORDS aluminummetallurgy;aluminumindustry;processengineering;energyconsumption;energysaving;energystructure 收稿日期:2010-01-31 经过长期的发展 ,我国铝工业已建立起涵盖铝 矿开采、氧化铝制备、电解铝、铝及合金熔铸和铝型 材加工等门类齐全的流程工业体系 , 成为金属铝的 生产大国 .然而, 对比国外先进铝生产流程和其他 冶金流程工业发展现状, 我国铝工业仍存在着生产 系统流程复杂 、整体能耗高等诸多不利因素 . 冶金流程工业的系统节能研究表明 [ 1--3] :流程 工业节能降耗 ,除了要考察系统内单体设备 、单一工 序的微观传输过程 、介观能源耗散过程 ,还要立足生 产系统布局、工序间生产流程组织形式等宏观层面, 研究考察生产区段 、工序间的优化匹配和衔接技术, 优化整体流程 , 实现流程整体节能 .在流程工业系 统节能理论研究与生产实践方面, 与铝工业相似的 钢铁冶金 ,已经取得了一定的研究成果 ,如冶金流程 工程学 [ 4] 集成知识体系的形成和建立、钢铁流程生 产区段功能解析 -集成 [ 5] 、铁钢界面技术 [ 6] 以及钢 厂流程优化结构模式 [ 7] 相关研究 . 目前,铝工业在系统节能研究方面,特别是从生 产流程全局层面开展研究较少 [ 8] .本文选取了铝工 业典型生产过程作为研究对象 ,在冶金流程工程学 的理论体系框架下,对比借鉴钢铁冶金节能现状,运 用流程工业系统节能的解析方法, 分析研究我国铝 工业生产流程的节能方向与途径. 1 铝工业生产流程工序功能解析 铝工业是指铝产品制造业, 其生产过程涵盖了 铝素从铝土矿到铝制品的转化与转变过程.我国铝 工业在发展进程中逐步形成了如图 1所示的典型生 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.01.017

第1期 张欣欣等：铝生产能源结构及流程优化分析 117 产流程.从图中可以看出，生产过程呈现出以原铝 一个化学治金、凝固和治金物理顺序组成的复杂的 电解工序为中心的流程结构模式，整个流程构成了 化学物理过程. 普铝矿高铝矿苛性碱石油焦 1燬烧窑阳极 冰品石 熔铝 烧结 混合炉保温炉 铸铝件 等辅料直流电风 保温炉 铝液)铸锭机 挤压型材 溶出 熔炼炉 静置炉 挤压机 重熔 轧制扁铝锭和 铝锭 挤压圆铝锭 真空拾包 铸造机 离 电解措 和拾包车 轧机 热轧铝板材 沸炉 强液 熔炼保温炉 0 铸轧机 加热炉 铸轧铝板材 图1典型铝工业生产制造流程 Fg I Typicalmanufacuring process of the akm mnum industy 铝工业典型生产流程中的主体工序可以概括为 具有相似性，对应工序的功能也基本相同.这是由 氧化铝碱法生产、预焙阳极制备、冰晶石熔盐铝电 于二者都属于典型的治金制造流程，即在一定能量 解、铝及铝合金熔炼与铸造、料坯挤压与热轧等，各 流的驱动下，物质流（如A元素流、F元素流）实现 工序实现的功能包括原料制备、金属还原、合金化精 了矿物到“材”的转变与转化，虽然二者的生产工艺 炼、凝固与形变加工.铝工业生产流程的工序划分 方法有区别，但治金本质是一致的.这也表明，二者 及其与钢铁流程的类比关系如图2所示.可以看 在节能理论与技术实践上具有相互参考、借鉴和技 出，铝工业与钢铁工业在生产流程工序划分方式上 术移植的可行性， 重熔 预焙 炭索原料： 重熔铝锭钥锭 极制备 I极 铸造 铝液 铝合金： 绍矿 轧制材 氧化铝生产 氧化铝： 铸造 1料坯 +铝产品 原料制各 电解 熔炼 俦坯 热轧 L序 界面 工序 序 界面 界面 工序 界面 工序 原材料 矿料及 合金化及 碳料制备 金属还原 冷却及凝团 精炼 物理形变 (产品 界面 界面 界面 界面 原料制备 炼铁 炼钢 连铸 轧钢 工序 T序 工序 工序 工序 原煤： 焦化 铁和 炼铁 炼钢 连铸 轧钢 钢产品 烧结球团 图2铝与钢铁生产流程工序功能解析与类比 2铝生产流程能源耗散结构分析 主要生产工艺见表1表中还对比列出了钢铁工业 相近工序所采用的工艺方法. 治金生产流程的能源耗散受自身生产结构因素 表1中对比列出了铝生产流程工序能耗，以及 的影响较大，如工艺设备、工序界面技术、生产流程 治金功能相近的钢铁生产工序能耗.结合工序的主 组织和能源种类. 要工艺及界面技术可以看出：如铝电解与炼铁，虽然 由各主体工序衔接构成的生产流程实现了金属 在治金功能上是相同的，但由于采用了不同的生产 铝的治金制造功能.当前铝工业各主体工序采用的 工艺及设备，二者生产吨金属能源需求却差距较大

第 1期 张欣欣等:铝生产能源结构及流程优化分析 产流程.从图中可以看出, 生产过程呈现出以原铝 电解工序为中心的流程结构模式 , 整个流程构成了 一个化学冶金、凝固和冶金物理顺序组成的复杂的 化学物理过程. 图 1 典型铝工业生产制造流程 Fig.1 Typicalmanufacturingprocessofthealuminumindustry 铝工业典型生产流程中的主体工序可以概括为 氧化铝碱法生产、预焙阳极制备 、冰晶石熔盐铝电 解、铝及铝合金熔炼与铸造 、料坯挤压与热轧等, 各 工序实现的功能包括原料制备、金属还原、合金化精 炼、凝固与形变加工 .铝工业生产流程的工序划分 及其与钢铁流程的类比关系如图 2 所示 .可以看 出, 铝工业与钢铁工业在生产流程工序划分方式上 具有相似性 ,对应工序的功能也基本相同.这是由 于二者都属于典型的冶金制造流程, 即在一定能量 流的驱动下 ,物质流(如 Al元素流 、Fe元素流)实现 了矿物到“材 ”的转变与转化 ,虽然二者的生产工艺 方法有区别 ,但冶金本质是一致的 .这也表明, 二者 在节能理论与技术实践上具有相互参考、借鉴和技 术移植的可行性 . 图 2 铝与钢铁生产流程工序功能解析与类比 Fig.2 Analysisandcomparisonbetweenaluminumandiron＆steelinproductionprocess 2 铝生产流程能源耗散结构分析 冶金生产流程的能源耗散受自身生产结构因素 的影响较大,如工艺设备、工序界面技术 、生产流程 组织和能源种类. 由各主体工序衔接构成的生产流程实现了金属 铝的冶金制造功能 .当前铝工业各主体工序采用的 主要生产工艺见表 1, 表中还对比列出了钢铁工业 相近工序所采用的工艺方法. 表 1 中对比列出了铝生产流程工序能耗 , 以及 冶金功能相近的钢铁生产工序能耗 .结合工序的主 要工艺及界面技术可以看出:如铝电解与炼铁 ,虽然 在冶金功能上是相同的 , 但由于采用了不同的生产 工艺及设备 ,二者生产吨金属能源需求却差距较大 , · 117·

。118 北京科技大学学报 第33卷 相差约10倍：此外，如与熔炼工序相近的炼钢工序， 的热装率从而大大降低了轧钢加热炉的能耗.上 其综合能耗出现“负值”，就是充分回收利用高温烟 述分析指明：①铝生产流程各工序能耗水平偏高，在 气，增加了能耗收益，相对降低了工序的能源消耗： 提高单体设备能效或变革工艺方面存在较大的节能 再如与铝轧制加工相近的轧钢工序过程中，铸坯热 潜力：②工序余热余能回收与利用仍需加强. 送热装界面技术，充分利用了铸坯的余热，增加料坯 表1铝与钢铁生产工艺及能耗对比 Table 1 Conparison of Poduction technology and energy consumpton be ween a iminum and in&steel n production Process 铝生产流程 钢铁生产流程 工序 主要工艺 能耗1(G)下1) 备注 工序 主要工艺 能耗/(G下I) 备注 氧化铝生产 湿法 75.008 综合能耗 烧结（球团） 火法 1.946 综合能耗 阳极制备 煅烧、焙烧 11.911 综合能耗 焦化 高温干馏 41468 综合能耗 铝电解 熔盐电解法 157.853 直流电耗 炼铁 高炉治炼 13663 综合能耗 熔炼 炉内精炼 0586 重油消耗 炼钢 钢包精炼 -05549 综合能耗 铸造 间歇浇铸 一 一 连铸 连续浇铸 轧制加工 再热压加 轧钢 热连轧 ≥7% 热装率 注：数据来源于贵铝2005一2006年度能源统计、中国钢铁协会2008~2009年工序综合能耗统计：能源折标系数采用文献[101，电能折标 取0404 结合铝生产流程的能流图，分析生产结构宏观 究系统，主体工序为生产单位，铝生产能流图如图3 因素对能源耗散的影响.以整个铝生产流程作为研 所示. 烟气及水恭气 热损尖 氧化铝！ ②蒸汽一 化学焙 槽体表热散失 烟气 ③洗精煤 热损失 铝 烟气热损失 ④电能一 ⑤重汕 亦泥等 G其他 热损失 设备表面 热撒失 电解 铝锭 ①电能 风段 化学焙 铝液焓 熔炼 铝液焓 侣材 烟气热损失 区段 化学焓 ⑦右油焦 铸坯区段 热轧区段 ⑤重油 ⑧浙青 阳极 6其他 创备 阳极 其他 热散失 化学 设备 ⑨燃料 炉体少冷却水 表面热散失 表面热散失及其他热散失 图3铝生产能流图 Fg 3 Energy flw chart of alminum Production 图3中生产系统能源物质的输入、输出及耗散 源在整个能源系统中的物料和能源流向及变化情 过程表明：①相比能源输入，系统的能源收益仅为铝 况.根据铝工业能源结构，构建铝工业能源网络流 锭化学焓，生产系统的能效比低：②系统能源结构构 程图如图4所示. 成种类繁杂，品质高，且能源耗散过程相互独立进 图4中η表示能源转换过程的效率.在网络 行，缺乏协调组织. 流程图的能源项表示整个铝工业能源系统所包含 网路图是一种实用性强、反映问题全面及简单 的能源种类和各自的生产使用比例值：集中转化 直观的数学模型，它是用网络图的形式描述各种能 项针对能源转化环节，热电厂和炭素厂能源转化

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 相差约 10倍;此外, 如与熔炼工序相近的炼钢工序, 其综合能耗出现“负值” ,就是充分回收利用高温烟 气, 增加了能耗收益, 相对降低了工序的能源消耗; 再如与铝轧制加工相近的轧钢工序过程中, 铸坯热 送热装界面技术,充分利用了铸坯的余热,增加料坯 的热装率,从而大大降低了轧钢加热炉的能耗.上 述分析指明 :①铝生产流程各工序能耗水平偏高,在 提高单体设备能效或变革工艺方面存在较大的节能 潜力;②工序余热余能回收与利用仍需加强. 表 1 铝与钢铁生产工艺及能耗对比 Table1 Comparisonofproductiontechnologyandenergyconsumptionbetweenaluminumandiron＆steelinproductionprocess 铝生产流程 工序 主要工艺 能耗 /(GJ·t-1) 备注 氧化铝生产 湿法 75.008 综合能耗 阳极制备 煅烧、焙烧 11.911 综合能耗 铝电解 熔盐电解法 157.853 直流电耗 熔炼 炉内精炼 0.586 重油消耗 铸造 间歇浇铸 — — 轧制加工 再热压加 — — 钢铁生产流程 工序 主要工艺 能耗 /(GJ·t-1) 备注 烧结(球团) 火法 1.946 综合能耗 焦化 高温干馏 4.146 8 综合能耗 炼铁 高炉冶炼 13.663 综合能耗 炼钢 钢包精炼 -0.554 [ 9] 综合能耗 连铸 连续浇铸 — — 轧钢 热连轧 ≥70% 热装率 注:数据来源于贵铝 2005— 2006年度能源统计、中国钢铁协会 2008 ～ 2009年工序综合能耗统计;能源折标系数采用文献[ 10] , 电能折标 取 0.404. 结合铝生产流程的能流图, 分析生产结构宏观 因素对能源耗散的影响 .以整个铝生产流程作为研 究系统 ,主体工序为生产单位, 铝生产能流图如图 3 所示. 图 3 铝生产能流图 Fig.3 Energyflowchartofaluminumproduction 图 3中生产系统能源物质的输入 、输出及耗散 过程表明 :①相比能源输入, 系统的能源收益仅为铝 锭化学焓 ,生产系统的能效比低;②系统能源结构构 成种类繁杂, 品质高, 且能源耗散过程相互独立进 行, 缺乏协调组织. 网路图是一种实用性强、反映问题全面及简单 直观的数学模型, 它是用网络图的形式描述各种能 源在整个能源系统中的物料和能源流向及变化情 况 .根据铝工业能源结构 , 构建铝工业能源网络流 程图,如图 4所示 . 图 4中 η表示能源转换过程的效率 .在网络 流程图的能源项表示整个铝工业能源系统所包含 的能源种类和各自的生产使用比例值 ;集中转化 项针对能源转化环节 , 热电厂和炭素厂能源转化 · 118·

第1期 张欣欣等：铝生产能源结构及流程优化分析 。119 比例，如一次能源原煤通过蒸汽锅炉转化为二次 氧化铝生产过程工艺热中.同样，其他能源种类在 能源高压蒸汽，例如针对抽凝式发电机组，高压蒸 能源网络图中转移方向、运动过程都可以在铝工 汽减压做功部分转变为电能，而后抽气输出成为 业能源系统网络图直观反映出.铝工业能源网络 生产用汽.整个转变过程效率是火电机组的效能 图表现出：铝工业能源转化和转换环节形式单一， 指标，经过生产统计，原煤集中转换环节，输出生 各类能源物质交叉少，转化过程中联系不紧密，能 产用蒸汽与电力各占输入能源的大概比例76%和 源系统结构网络化程度不强，线性化比较突出，各 24%.蒸汽需求总量及比例关系如图中括号内数 种能源缺乏替代和互补关系；铝工业能源耗散过 据，网路图显示出整个蒸汽能源几乎全部消耗在 程复杂：耗散形式多以工艺热为主 能源 集巾转换 分散转化 传输分配 用能设备 消耗 (43%) 蒸发器 (76%)蒸汽！ 艺热 原煤 (40%) D 17.1% 原浆溶出器 工艺热 (10%) 熟料脱硅 工艺热 电机等 传动 电灯 ● 照明 电器等 12%) 传动、控制 n>90% 7=0.48 电力 变压 交变 电解槽 66.2% 上艺热 蒸汽 70%) 生石汕焦 煅烧 电极焙烧炉 残极（阴极六· 6.3% (=75% 7=0.7528%) 工艺热 阳极 重油 A0焙烧炉 3.9% 7=0.25-2%) T艺热 熔炼炉 电煅 7792%1 阴极 无州煤 5%) (95%) 工艺热 1.2% 7-0.58 洗精煤 熟料回转窑 4.2% 工艺热 图4铝工业能源网络流程图 Fg 4 Enegy nework fbw chart of the akm inum industry 工序配置、衔接和协调等工程技术问题，以及相应的 3铝工业生产工序界面分析 工艺和装置都属于界面技术研究的内容.表2给出 生产工艺对比分析表明，铝工业与钢铁工业中 了目前铝生产流程工序界面技术及相关设备情况， 部分对应工序的工艺方法差别较大，如氧化铝的湿 并与钢铁流程对应界面技术进行了对比. 法治金与烧结球团的火法生产，电解铝与高炉炼铁： 在铝工业主体工序界面中，氧化铝-电解、阳 其他工序的工艺方法和工艺技术有一定的相似之 极电解、铸造一热轧等界面均以间歇联接方式为 处，如阳极制备与焦化都是碳料的高温处理过程，铝 主，工序间转运物质的显热大都没有得到充分利用. 液熔炼与炼钢都有中间金属熔化、造渣和脱气等过 重熔铝锭的再次熔炼更体现了重复耗能的间歇联接 程，铝液铸造与钢水连铸都采用水冷凝固方法，轧制 特点.对上述间歇运行界面，图2中采用虚线箭头 加工工序都有热连轧、冷加工等工艺. 表示.在钢铁流程中，烧结炼铁、焦化炼铁界面也 铝工业与钢铁工业主体工序生产工艺存在许多 具有间歇运行的特点，但在连铸热轧界面中普遍 不同之处，主体工序间的界面技术也有一定的差 采用热送热装技术，充分利用连铸坯的显热，取得较 异.界面技术是指主体工序之间的衔接匹配、协 好的节能效果 调缓冲技术及相应的装置，如图2所示，界面内的 电解熔炼界面主要完成吸铝、转运、转注或

第 1期 张欣欣等:铝生产能源结构及流程优化分析 比例, 如一次能源原煤通过蒸汽锅炉转化为二次 能源高压蒸汽, 例如针对抽凝式发电机组, 高压蒸 汽减压做功部分转变为电能 , 而后抽气输出成为 生产用汽 .整个转变过程效率是火电机组的效能 指标, 经过生产统计 , 原煤集中转换环节, 输出生 产用蒸汽与电力各占输入能源的大概比例 76%和 24%.蒸汽需求总量及比例关系如图中括号内数 据 ,网路图显示出整个蒸汽能源几乎全部消耗在 氧化铝生产过程工艺热中 .同样, 其他能源种类在 能源网络图中转移方向、运动过程都可以在铝工 业能源系统网络图直观反映出 .铝工业能源网络 图表现出:铝工业能源转化和转换环节形式单一, 各类能源物质交叉少 , 转化过程中联系不紧密 , 能 源系统结构网络化程度不强 , 线性化比较突出 , 各 种能源缺乏替代和互补关系 ;铝工业能源耗散过 程复杂 ;耗散形式多以工艺热为主 . 图 4 铝工业能源网络流程图 Fig.4 Energynetworkflowchartofthealuminumindustry 3 铝工业生产工序界面分析 生产工艺对比分析表明, 铝工业与钢铁工业中 部分对应工序的工艺方法差别较大 , 如氧化铝的湿 法冶金与烧结球团的火法生产,电解铝与高炉炼铁; 其他工序的工艺方法和工艺技术有一定的相似之 处, 如阳极制备与焦化都是碳料的高温处理过程 ,铝 液熔炼与炼钢都有中间金属熔化 、造渣和脱气等过 程, 铝液铸造与钢水连铸都采用水冷凝固方法,轧制 加工工序都有热连轧、冷加工等工艺. 铝工业与钢铁工业主体工序生产工艺存在许多 不同之处 ,主体工序间的界面技术 [ 4] 也有一定的差 异.界面技术是指主体工序之间的衔接--匹配 、协 调--缓冲技术及相应的装置 ,如图 2所示 ,界面内的 工序配置、衔接和协调等工程技术问题,以及相应的 工艺和装置都属于界面技术研究的内容 .表 2给出 了目前铝生产流程工序界面技术及相关设备情况 , 并与钢铁流程对应界面技术进行了对比. 在铝工业主体工序界面中, 氧化铝--电解 、阳 极 --电解 、铸造--热轧等界面均以间歇联接方式为 主 ,工序间转运物质的显热大都没有得到充分利用 . 重熔铝锭的再次熔炼更体现了重复耗能的间歇联接 特点.对上述间歇运行界面, 图 2 中采用虚线箭头 表示.在钢铁流程中, 烧结 --炼铁 、焦化--炼铁界面也 具有间歇运行的特点, 但在连铸 --热轧界面中普遍 采用热送热装技术,充分利用连铸坯的显热,取得较 好的节能效果. 电解 --熔炼界面主要完成吸铝 、转运 、转注或 · 119·

。120 北京科技大学学报 第33卷 转兑功能，真空抬包是关键的界面设备.在钢铁流 设备是钢包，界面设备实现全部钢水精炼功能即 程中相对应的是炼铁炼钢界面，对应设备是铁水 二次治金，而且金属熔体在钢包内转运，不更换界 包或鱼雷罐车，界面设备除了完成高温液态金属 面设备，熔体暴露少，避免钢水二次污染，有利于 的承装、转运功能外，还增加了铁水预处理功能. 无缺陷铸造.上述界面对比分析指明：增加和增强 熔炼铸坯界面主要完成铝合金熔体转运和部分 界面设备功能，可以起到减轻主体设备的功能负 精炼功能，溜槽与在线净化装置是关键的界面设 荷，减少熔体在主体设备中的停留时间，提高生产 备.钢铁流程中相对应的是炼钢连铸界面，对应 流程运行连续性的效果 表2铝与钢铁生产流程工序界面技术对比 Tabl2 Conparison of nterface echnopgy be ween akminum and irn&steel n pooducton process 铝生产流程界面技术 钢铁生产流程界面技术 界面名称 主流技术 相关设备 界面名称 主流技术 相关设备 氧化铝-电解 烧结炼铁 阳极-电解 焦化炼铁 电解熔炼 铝液真空抽吸技术 真空抬包 炼铁炼钢 大容量铁水罐 铁水罐 铁水罐内脱硫、硅技术 鱼雷罐车 鱼雷罐内脱硫，磷技术 兑铁包 鱼雷罐内“三脱”处理 脱磷转炉 兑铁包脱硫技术 “一包到底"技术山 脱磷转炉内脱磷，硅技术 铁水温度跟踪控制技术 熔炼铸坯 晶粒细化剂喂料技术[四 溜槽 炼钢连铸 二次治金技术 钢包 在线除氢净化技术 在线除氢设备 喷吹精炼处理技术 连铸中间包 电磁搅拌细化处理21 铸轧机供料嘴 真空脱气处理技术 中间包钢液过热度调控技术 钢液夹杂物中间包过滤技术 铸坯-热轧 连铸-热轧 (直接)热送热装技术 保温炉坑) 随着铝工业的产能扩大，生产流程中各工序的 同时，单体设备的大型化、高效化也是有效的节 规模也日趋大型化，形成整体流程的连续生产、紧凑 能途径.电解槽是铝工业中能耗最大的单体设备， 运行，就必须解决各工序环节之间的配置、衔接和柔 如何降低电解工序能耗的研究较多，其中电解槽大 性协调技术问题，即工序界面技术问题.与钢铁流 型化是利用提高电解槽产能来增加设备的能效， 程界面技术比较分析表明，铝工业主体工序联接不 从而间接实现设备节能的一项技术.这种节能技术 够紧凑，界面技术需进一步开发，整体生产流程连续 思路在高炉生产实践中体现的比较明显，随着高炉 性有待提高.参照钢铁流程界面技术，可以在以下 的换代，其容积也逐步增大，高炉综合能耗显著降 几方面开展工作：①在总图设计布置上，缩短各主体 低.可见。电解槽大型化技术是设备节能技术改造 工序间的输运距离，提高流程紧凑性：②开发大容量 的方向之一. 真空抬包，增加抬包的熔炼及净化功能：③减少重熔 (2高耗能设备余热余能回收与综合利用.充 铝锭产量，充分利用铸坯显热，开发和提升连续铸轧 分回收余热余能，综合利用生产过程产生的热损失， 技术. 减少设备热散失，即增加能源收益，是提高工序设备 4铝工业节能对策分析 或系统能效的基本节能途径.图3中反映出，铝生 产系统工序生产过程均产生烟气热损失而设备表 结合上述铝工业生产结构与能源耗散结构特点及 面散热和烟气热散失是能源的主要耗散形式.因 分析，针对我国铝工业系统节能工作提出如下对策. 此，为提高能效比，应该强化烟气余热余能的回收， (1)单体工序的生产工艺变革与设备改造.采 并且利用余热余能品位差异，对各工序的耗散过程 用节能新工艺可以大幅度降低工序能耗.随着治金 加以整合，实现能源的梯级转化和综合利用，如利用 科技进步，铝治炼工艺的可选择性增加，碳热还原 阳极工序的高温烟气替代熔炼工序的能源需求等. 法4-炼铝就是对电解法炼铝工艺的革新技术之 (3能源结构的总体规划与系统调控.针对铝 一，新工艺的吨金属能耗相比电解法降低约23%. 生产流程能源结构特点，探索建立全生产流程能源

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 转兑功能 ,真空抬包是关键的界面设备 .在钢铁流 程中相对应的是炼铁 --炼钢界面, 对应设备是铁水 包或鱼雷罐车, 界面设备除了完成高温液态金属 的承装 、转运功能外 , 还增加了铁水预处理功能 . 熔炼--铸坯界面主要完成铝合金熔体转运和部分 精炼功能 , 溜槽与在线净化装置是关键的界面设 备 .钢铁流程中相对应的是炼钢 --连铸界面, 对应 设备是钢包 , 界面设备实现全部钢水精炼功能即 二次冶金, 而且金属熔体在钢包内转运 , 不更换界 面设备 ,熔体暴露少, 避免钢水二次污染 , 有利于 无缺陷铸造 .上述界面对比分析指明 :增加和增强 界面设备功能 , 可以起到减轻主体设备的功能负 荷 , 减少熔体在主体设备中的停留时间 , 提高生产 流程运行连续性的效果 . 表 2 铝与钢铁生产流程工序界面技术对比 Table2 Comparisonofinterfacetechnologybetweenaluminumandiron＆steelinproductionprocess 铝生产流程界面技术 界面名称 主流技术 相关设备 氧化铝-电解 — — 阳极-电解 — — 电解-熔炼 铝液真空抽吸技术 真空抬包 熔炼-铸坯 晶粒细化剂喂料技术 [ 12] 溜槽 在线除氢净化技术[ 13] 在线除氢设备 电磁搅拌细化处理[ 12--13] 铸轧机供料嘴 铸坯-热轧 — — 钢铁生产流程界面技术 界面名称 主流技术 相关设备 烧结-炼铁 — — 焦化-炼铁 — — 炼铁-炼钢 大容量铁水罐 铁水罐 铁水罐内脱硫、硅技术 鱼雷罐车 鱼雷罐内脱硫、磷技术 兑铁包 鱼雷罐内“三脱”处理 脱磷转炉 兑铁包脱硫技术 “一包到底”技术[ 11] 脱磷转炉内脱磷、硅技术 铁水温度跟踪控制技术 炼钢-连铸 二次冶金技术 钢包 喷吹精炼处理技术 连铸中间包 真空脱气处理技术 中间包钢液过热度调控技术 钢液夹杂物中间包过滤技术 连铸-热轧 (直接)热送热装技术 保温炉(坑) 随着铝工业的产能扩大, 生产流程中各工序的 规模也日趋大型化 ,形成整体流程的连续生产、紧凑 运行 ,就必须解决各工序环节之间的配置、衔接和柔 性协调技术问题 ,即工序界面技术问题 .与钢铁流 程界面技术比较分析表明, 铝工业主体工序联接不 够紧凑,界面技术需进一步开发,整体生产流程连续 性有待提高.参照钢铁流程界面技术, 可以在以下 几方面开展工作:①在总图设计布置上 ,缩短各主体 工序间的输运距离 ,提高流程紧凑性;②开发大容量 真空抬包 ,增加抬包的熔炼及净化功能 ;③减少重熔 铝锭产量 ,充分利用铸坯显热 ,开发和提升连续铸轧 技术 . 4 铝工业节能对策分析 结合上述铝工业生产结构与能源耗散结构特点及 分析,针对我国铝工业系统节能工作提出如下对策. (1)单体工序的生产工艺变革与设备改造 .采 用节能新工艺可以大幅度降低工序能耗 .随着冶金 科技进步 ,铝冶炼工艺的可选择性增加, 碳热还原 法 [ 14--15] 炼铝就是对电解法炼铝工艺的革新技术之 一, 新工艺的吨金属能耗相比电解法降低约 23%. 同时,单体设备的大型化、高效化也是有效的节 能途径 .电解槽是铝工业中能耗最大的单体设备 , 如何降低电解工序能耗的研究较多, 其中电解槽大 型化 [ 16]是利用提高电解槽产能来增加设备的能效 , 从而间接实现设备节能的一项技术 .这种节能技术 思路在高炉生产实践中体现的比较明显, 随着高炉 的换代 ,其容积也逐步增大, 高炉综合能耗显著降 低 .可见, 电解槽大型化技术是设备节能技术改造 的方向之一 . (2)高耗能设备余热余能回收与综合利用.充 分回收余热余能 ,综合利用生产过程产生的热损失 , 减少设备热散失 ,即增加能源收益,是提高工序设备 或系统能效的基本节能途径 .图 3中反映出 ,铝生 产系统工序生产过程均产生烟气热损失, 而设备表 面散热和烟气热散失是能源的主要耗散形式 .因 此 ,为提高能效比, 应该强化烟气余热余能的回收 , 并且利用余热余能品位差异 ,对各工序的耗散过程 加以整合,实现能源的梯级转化和综合利用,如利用 阳极工序的高温烟气替代熔炼工序的能源需求等. (3)能源结构的总体规划与系统调控.针对铝 生产流程能源结构特点 , 探索建立全生产流程能源 · 120·