鑄造節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

鑄造節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

能源是地球的重要資源，也是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。能源資源問題是關(guān)系我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的一個(gè)重大戰(zhàn)略問題。能源供應(yīng)和利用狀況直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展。開發(fā)、合理、有效地利用能源,既可保持社會(huì)的適度發(fā)展,又可減少資源消耗。目前我們所利用的能源主要是以煤、石油、天然氣等不可再生的一次性能源,用一點(diǎn)少一點(diǎn),遲早有一天消耗殆盡。我國能源資源從數(shù)量上看比較豐富,但人均占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平,而且能源利用率低,其中煤利用率不到10%。據(jù)報(bào)導(dǎo),我國GDP的50%來源于高能耗。2003年我國GDP總量達(dá)11.58萬億元,消耗能源16億噸煤,2.5億噸原油,2億多噸鋼材,8億噸水泥。2004年我國GDP總量達(dá)13.65萬億元,消耗能源更多。我國經(jīng)濟(jì)增長的成本高于世界平均水平25%以上,我國每創(chuàng)造1美元產(chǎn)值所消耗的能源是美國的4.3倍,德國和法國的7.7倍,日本的11.5倍。我國傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高成本、低產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)增長方式應(yīng)徹底改變。鑄造行業(yè)是個(gè)高能耗的行業(yè),除做好能源的開發(fā)、有效利用外,長期的戰(zhàn)略任務(wù)就是要大力開展節(jié)能降耗工作。1能源和材料的投入不足鑄造在機(jī)械制造業(yè)中占有十分重要的地位,鑄造技術(shù)是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主體技術(shù)之一,是機(jī)械產(chǎn)品毛坯的供應(yīng)者。僅2003年就為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供1987萬噸鑄件。但鑄造是一個(gè)大量耗能的生產(chǎn)過程,是個(gè)高投入、高消耗、高成本、低產(chǎn)出的既傳統(tǒng)又不可缺的行業(yè)。僅2004年,我國鑄造行業(yè)就消耗焦炭300萬噸,生鐵100萬噸,新砂100萬噸,各種粘結(jié)劑30～40萬噸。近年來,由于我國鑄造業(yè)取得長足發(fā)展,鑄件產(chǎn)量連續(xù)四年居世界第一位,但是,我國鑄造業(yè)的發(fā)展是以犧牲環(huán)境保護(hù)、浪費(fèi)能源和材料為代價(jià)的。在我國鑄造生產(chǎn)中,能源和材料的投入約占其產(chǎn)值的55%～70%。是機(jī)械工業(yè)的耗能大戶,其能耗占機(jī)械工業(yè)總能耗的23%～62%,能源利用率為15%～25%。我國每噸鑄件所需能源是工業(yè)發(fā)達(dá)國家的2-3倍。我國每生產(chǎn)1t合格鑄鐵件的能耗為500～700kg標(biāo)煤,占生產(chǎn)成本15%,國外僅為300～400kg標(biāo)煤,而日本每噸鑄鐵件能耗僅占生產(chǎn)成本4.3%。我國每生產(chǎn)1t合格鑄鋼件的能耗為800～1000kg標(biāo)煤,國外僅為500～800kg標(biāo)煤。造成我國鑄造業(yè)能耗高的原因是多方面的,其主要原因如下。1.1鑄造企業(yè)數(shù)量眾多,規(guī)模小,數(shù)量結(jié)構(gòu)不合理我國現(xiàn)有鑄造廠點(diǎn)約2.2萬個(gè),點(diǎn)多規(guī)模小,專業(yè)化程度低。按2003年我國鑄件總量1987萬噸計(jì),平均每一鑄造企業(yè)的產(chǎn)量不足1000t,其中300t以下企業(yè)約占1/3,年產(chǎn)300～5000t的企業(yè)占1/2以上,年產(chǎn)5000t以上企業(yè)只占1/6,年產(chǎn)萬噸以上的企業(yè)約占1%。工業(yè)發(fā)達(dá)國家的鑄造企業(yè)一般規(guī)模都在5000t以上,萬噸以上的企業(yè)所占的比例很大,還有10萬噸,甚至60萬噸的企業(yè)。我國鑄造專業(yè)化程度只有30%,工業(yè)發(fā)達(dá)國家達(dá)80%～90%。不難看出,我國有上萬家鑄造企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模在幾百噸,而且還有相當(dāng)多的鑄造企業(yè)是“大而全”,“小而全”,沒有形成技術(shù)特色、產(chǎn)品特色,設(shè)備配制不合理,利用率低,大馬拉小車現(xiàn)象普遍存在,造成能源損失大。1.2鑄造企業(yè)能耗及影響因素我國鑄造生產(chǎn)過程和檢測(cè)手段不夠完善是造成能耗高的重要原因之一。(1)熔煉在鑄造生產(chǎn)中,用于熔煉的能耗約占整個(gè)鑄件生產(chǎn)能耗50%。熔煉鑄鐵時(shí),工業(yè)發(fā)達(dá)國家大多數(shù)采用外熱風(fēng)連續(xù)作業(yè)的長爐齡沖天爐,而我國只有少數(shù)企業(yè)采用長爐齡熱風(fēng)沖天爐。大多數(shù)沖天爐只開4～8h就打爐,造成爐體蓄熱損失(約占熔化能耗10%以上)和打爐底焦的熱損失,鐵液溫度普遍在1380℃～1450℃(國外為1500℃～1550℃)。熔煉鑄鋼時(shí),工業(yè)發(fā)達(dá)國家多采用AOD、VOD設(shè)備,我國只有少數(shù)廠家采用,大多數(shù)仍采用電弧爐生產(chǎn)方式。有時(shí)企業(yè)由于電力供應(yīng)不足,采取夜間低谷用電,每次只能開4～5爐次就停爐。每新開一次爐就增加一次爐體的蓄熱損失。一般第一爐鋼液的耗電量在1000～1200kwh/t鋼液,從第三爐開始耗電量一般都低于800kwh/t鋼液,如果每一次開爐的爐次越少,平均每噸鋼水耗電量就相應(yīng)增高。熔煉有色合金時(shí),國外采用工頻感應(yīng)電爐熔煉,熱效率達(dá)45%,我國有不少企業(yè)仍在采用燃油坩堝爐、焦炭坩堝爐或電阻爐,這些爐子的熱效率低,分別為11%、3%～7%、25%。(2)造型、制芯國內(nèi)除少數(shù)為汽車、內(nèi)燃機(jī)配套的骨干鑄造企業(yè)采用高密度的高壓、靜壓、射壓、氣沖造型等先進(jìn)高效流水線造型和樹脂砂熱芯盒、冷芯盒制芯工藝外,大多數(shù)鑄造企業(yè)仍采用震壓式造型機(jī)造型或手工造型或采用粘土干型、水玻璃砂工藝和以桐油、合脂、粘土等粘結(jié)劑為主的制芯工藝,生產(chǎn)周期長,能耗高。(3)工藝設(shè)計(jì)國外普遍采用CAD/CAM,而我國除少數(shù)企業(yè)外,多數(shù)憑工藝員經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),鑄件澆冒口大,肥頭大耳,加工余量大,鑄件超重超厚現(xiàn)象普遍存在。我國鑄件尺寸精度比國外普遍低1～2級(jí),表面粗糙度比國外差1～2級(jí),加工余量比國外高出1倍以上,鑄件壁厚也厚得多。我國鑄鐵件廢品率通常為9%～15%,鑄鋼件廢品率為5%～15%,而國外鑄鐵件和鑄鋼件的廢品率均低于5%。由此可見,鑄件澆冒口大,鑄件超重超厚,鑄件尺寸精度低,表面粗糙,鑄件廢品率高都直接或間接加大了能源消耗。1.3加強(qiáng)管理,完善能源管理體系長期以來,由于普遍存在重冷輕熱思想,鑄造行業(yè)一直不被重視。政府有關(guān)部門未能對(duì)鑄造行業(yè)的能源合理利用和節(jié)約能源進(jìn)行全面規(guī)劃和政策引導(dǎo)。鑄造行業(yè)的能源管理體系尚未健全完善,節(jié)約能源的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)化體系也尚未建立。不少鑄造企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)對(duì)能源的管理缺乏足夠重視,節(jié)能工作尚未提到議事日程上來,既沒有建立能源管理機(jī)構(gòu),又沒有從事能源管理、節(jié)能技術(shù)推廣的專門人員。只重產(chǎn)值,不計(jì)能耗,只重使用,忽視節(jié)約,從而造成了鑄造行業(yè)能耗高、能源浪費(fèi)的局面。2用于紡織和節(jié)能技術(shù)的措施我國鑄造工作者經(jīng)過長期不懈的努力,取得了一系列鑄造生產(chǎn)的節(jié)能技術(shù)與措施,這些節(jié)能技術(shù)仍具有現(xiàn)實(shí)的適用價(jià)值,值得推廣應(yīng)用。2.1鑄件的實(shí)際樣品是鑄件的加工過程造成的廢水,占總從香港鑄件熔煉部分的能耗約占鑄件生產(chǎn)總能耗的50%,由于熔煉原因而造成的鑄件廢品約占總廢品的50%。因此,采用先進(jìn)適用的熔煉設(shè)備和熔煉工藝是節(jié)能的主要措施。(1)采用大排距沖天爐技術(shù)國外的鑄造企業(yè)把它作為一項(xiàng)重要節(jié)能措施加以應(yīng)用。近年來,國內(nèi)也在這方面做了大量的工作,已有部分企業(yè)采用,取得了明顯的節(jié)能效果。例如,采用大排距雙層送風(fēng)沖天爐技術(shù),可節(jié)約焦炭20%～30%,降低廢品率5%,Si、Mn燒損分別降低5%～10%、5%～15%;水冷無爐襯和薄爐襯沖天爐,連續(xù)作業(yè)時(shí)間長,可節(jié)能30%以上;熱風(fēng)沖天爐既節(jié)能又環(huán)保。(2)提高鐵液質(zhì)量沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉是利用沖天爐預(yù)熱熔化效率高和感應(yīng)電爐過熱效率高的優(yōu)點(diǎn)來提高鐵液質(zhì)量,達(dá)到降低能耗的目的。近年來,隨著焦炭、生鐵等原材料價(jià)格大幅上揚(yáng)和鑄件品質(zhì)要求越來越高,單獨(dú)使用電爐熔煉日益增多,利用夜間低谷電生產(chǎn),也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。(3)鑄造焦的使用沖天爐熔煉采用鑄造焦燃料是提高鐵液溫度和質(zhì)量的有效途徑。國外大多數(shù)沖天爐熔煉采用鑄造焦。國內(nèi)由于鑄造焦價(jià)格高或是由于習(xí)慣等原因至今大多數(shù)企業(yè)仍使用冶金焦,甚至有的企業(yè)使用土焦,這不僅影響鑄件質(zhì)量,而且焦耗量大,如應(yīng)用鑄造焦,廢品率可下降2%。因此,發(fā)展鑄造焦生產(chǎn),降低鑄造焦生產(chǎn)成本,推廣應(yīng)用鑄造焦是提高鑄件質(zhì)量,降低能源消耗的措施之一。(4)富氧風(fēng)機(jī)系統(tǒng)沖天爐使用冶金焦時(shí),鐵液溫度很難穩(wěn)定達(dá)到1500℃,如采用3%的富氧送風(fēng)就能保證,并且每噸鐵液可凈降低能耗10kg左右標(biāo)煤。沖天爐除濕送風(fēng)通常在南方潮濕地區(qū)使用,它可以提高鐵液溫度,減少Si、Mn等元素的燒損,提高鐵液質(zhì)量和熔化率,降低焦耗13%～17%。(5)沖天爐沖壓的優(yōu)化過程沖天爐采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)包括計(jì)算機(jī)配料、爐料自動(dòng)秤量定量和熔化過程的自動(dòng)化控制,使沖天爐處在優(yōu)化狀態(tài)下工作,可獲得高質(zhì)量的鐵液和合適的鐵液溫度。它與手工控制相比,可節(jié)約焦炭10%～15%。(6)推廣使用特殊類型的高壓離心式節(jié)能裝置(2)國內(nèi)外鋼改技術(shù)對(duì)鋁合金鑄件的生長要求我國熔煉鑄鋼的材質(zhì)多為普通碳鋼,合金鋼鑄件的比例約占20%。而國外合金鋼鑄件的比例約占50%。隨著國內(nèi)合金鋼比例的不斷增加,對(duì)合金鋼的精煉要求也越來越高。采用AOD、VOD等爐外精煉技術(shù)的比例也隨著增加,這對(duì)于降低鑄鋼件的綜合能耗和提高鑄件質(zhì)量具有重要的意義。(3)應(yīng)逐步建立適應(yīng)競爭環(huán)境的爐澆冷卻設(shè)備目前國內(nèi)仍有不少企業(yè)采用燃油坩堝爐和焦炭坩堝爐熔煉有色金屬,這兩種熔煉設(shè)備不僅效率低,而且造成環(huán)境污染,應(yīng)盡快淘汰,代之采用熱效率高,作業(yè)環(huán)境好,熔煉金屬液質(zhì)量高的感應(yīng)電爐熔煉。2.2焦?fàn)t自動(dòng)節(jié)能技術(shù)鑄造生產(chǎn)中工業(yè)爐窯的能耗僅次于熔化設(shè)備,約為總能耗的20%。對(duì)各種加熱爐、烘干爐、退火爐,從爐型結(jié)構(gòu)到燃燒技術(shù)等進(jìn)行技術(shù)改造。采用耐火保溫材料改造現(xiàn)有窯爐,其節(jié)能效果顯著。對(duì)燃煤工業(yè)爐的加煤采用機(jī)械加煤比手工加煤,節(jié)煤20%左右。將燃煤的砂芯、砂型烘干爐改為明火反燒法,可節(jié)煤15%～30%。對(duì)型芯烘干爐采用遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)可節(jié)電30%～40%左右。對(duì)大型鑄件采用振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力處理比采用熱時(shí)效處理可節(jié)能80%以上?？慑戣T鐵鋅氣氛快速退火工藝可節(jié)電或降低煤耗50%以上。2.3其他鑄造技術(shù)目前,國內(nèi)幾種造型工藝的能耗對(duì)比分別為“濕型1,自硬砂1.2～1.4,粘土干砂型3.5”。粘土干砂型能耗最高,應(yīng)予淘汰。濕型能耗最低,且適應(yīng)性強(qiáng),這是濕型仍大量采用的原因之一。應(yīng)根據(jù)鑄件品質(zhì)要求,鑄件特點(diǎn)來選用先進(jìn)的高壓、靜壓、射壓、氣沖造型工藝和設(shè)備,以及應(yīng)用自硬砂技術(shù)、消失模鑄造技術(shù)和特種鑄造技術(shù)。用樹脂自硬砂、水玻璃有機(jī)酯自硬砂和VRH法造型制芯工藝代替粘土干型,可提高鑄件尺寸精度和表面光潔度,提高鑄件質(zhì)量,降低能耗。特種鑄造工藝與普通粘土砂相比,鑄件尺寸精度提高為2～4級(jí),表面粗糙度1～3級(jí),重量減輕10%～30%,加工余量減少5%以上,鑄件廢品率也大大降低,綜合節(jié)能效果顯著。鑄件合格率可提高1%,每噸鐵液可多生產(chǎn)8～10kg鑄件,相當(dāng)于節(jié)煤5～7kg。鑄件廢品率每降低1%,能耗就降低1.25%;鑄件重量每降低1%,能耗就降低1.01%。由此可見,采用先進(jìn)工藝技術(shù)與裝備,提高鑄件質(zhì)量,降低鑄造廢品率是提高能源利用率,降低能耗的一條重要途徑。2.4推廣低應(yīng)力鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)我國用于灰鑄鐵件熱時(shí)效的能耗每噸鑄件為40～100kg標(biāo)煤,用于球墨鑄鐵件退火、正火的能耗每噸鑄件為100～180kg標(biāo)煤。除少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)鑄件不用熱時(shí)效工藝外,大多生產(chǎn)這類鑄件的企業(yè)仍采用熱時(shí)效工藝消除應(yīng)力,這是我國鑄造行業(yè)能耗居高不下的原因之一。推廣采用薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)和高硅碳比灰鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù),生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的缸體、缸蓋和機(jī)床床身等鑄件,可獲得不用熱時(shí)效工藝的低應(yīng)力鑄鐵件,達(dá)到節(jié)能目的。我國球墨鑄鐵件中高韌性鐵素體球鐵和高強(qiáng)度珠光體球鐵占有很大的比重,通常是采用退火、正火處理。采用鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)省去了退火、正火處理工序,節(jié)約能源,避免了因高溫處理而帶來的鑄件變形,氧化等缺陷。采用球鐵無冒口鑄造工藝,可提高工藝出品率10%～30%,降低能耗也很顯著。2003年中國鑄件總產(chǎn)量為1987萬噸,其中灰鑄鐵件為1049萬噸,球墨鑄鐵件為470萬噸,因此,推廣應(yīng)用低應(yīng)力鑄鐵件,鑄態(tài)球墨鑄鐵件和球鐵無冒口鑄造技術(shù),對(duì)于全行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要的意義。鑄鋼件采用保溫冒口,保溫補(bǔ)貼,可使工藝出品率由60%提高到80%。2.5沖天爐冷卻余熱利用潛力目前,我國90%的鑄鐵是用沖天爐熔煉生產(chǎn)的,這種狀況仍將持續(xù)相當(dāng)長的時(shí)間。鑄造行業(yè)的余熱利用主要集中在沖天爐上。沖天爐熔煉時(shí)排出大量煙氣,煙氣中含有可燃性炭粒和可燃性氣體,既造成環(huán)境污染,又浪費(fèi)大量熱能。沖天爐熔煉時(shí)除38%～43%的有效熱量用于熔煉外,煙氣帶走的熱量為7%～16%,不完全燃燒熱量(可燃性氣體)為20%～25%,固體不完全燃燒熱量為3%～5%。這些熱量占30%～45%。由此可見,沖天爐熔煉的余熱利用潛力很大。目前我國沖天爐的余熱利用絕大多數(shù)是利用密筋爐膽預(yù)熱鼓風(fēng),熱風(fēng)溫度為200℃左右,余熱利用率低。近些年來,有部分企業(yè)使用長爐齡連續(xù)作業(yè)熱風(fēng)沖天爐,充分地利用了廢氣的余熱和可燃燒炭粒及可燃燒性氣體再燃燒的熱量,使熱風(fēng)溫度達(dá)600～800℃,沖天爐鐵液溫度達(dá)1500～1550℃,熔化效率提高45%,既達(dá)到節(jié)能,提高鐵液質(zhì)量的目的,又實(shí)現(xiàn)了環(huán)保要求。3關(guān)于發(fā)展節(jié)能技術(shù)的一些建議3.1建立和完善節(jié)能法規(guī)體系要以科學(xué)發(fā)展觀,加強(qiáng)對(duì)能源的科學(xué)管理,合理使用能源,節(jié)約能源資源。(1)政府有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鑄造行業(yè)進(jìn)行宏觀調(diào)控和政策引導(dǎo),建立鑄造行業(yè)促進(jìn)能源資源節(jié)約的體制機(jī)制,實(shí)行能源資源利用率和最低技術(shù)水平準(zhǔn)入制度,明確控制考核目標(biāo);制定促進(jìn)節(jié)約能源的財(cái)稅、投資、外貿(mào)以及合理的能源管理政策,建立健全節(jié)能法規(guī),從政策上引導(dǎo)、督促企業(yè)合理使用能源和節(jié)約能源。(2)鑄造企業(yè)的新建、改建、擴(kuò)建和技術(shù)改造項(xiàng)目都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《機(jī)械工業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和其他行業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),要認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家關(guān)于“凡是新建和擴(kuò)建的基本建設(shè)項(xiàng)目,都要考慮合理利用資源、能源和原材料,把節(jié)能降耗,資源綜合利用,治理污染的項(xiàng)目與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì),同時(shí)施工,同時(shí)投產(chǎn)”的有關(guān)規(guī)定。(3)在鑄造行業(yè)中,全面開展鑄造廠、點(diǎn)的能量平衡,節(jié)能評(píng)比、節(jié)能升級(jí)、節(jié)能技術(shù)改造等項(xiàng)工作,充分挖掘節(jié)能潛力。(4)建立長效的節(jié)能管理機(jī)制。上級(jí)管理部門要有專門管理機(jī)構(gòu);鑄造行業(yè)要建立行業(yè)性節(jié)能學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu),組織和推動(dòng)行業(yè)節(jié)能工作;鑄造企業(yè)要設(shè)立專職或兼職的能源管理部門,配備有才能的專職管理技術(shù)人員。3.2要以市場為導(dǎo)向,加快市場的發(fā)展,建設(shè)優(yōu)質(zhì)的加熱爐搞好產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。要以產(chǎn)權(quán)、所有制調(diào)整為契機(jī),切實(shí)調(diào)整與優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。按照四同(同類大小、壁厚、材質(zhì)、復(fù)雜程度)原則或按鑄造方法分類,通過重組、兼并實(shí)現(xiàn)專業(yè)化經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)。組織專業(yè)化生產(chǎn)是搞好鑄造行業(yè)降低能耗的基礎(chǔ)。搞好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化。要以市場為導(dǎo)向,在滿足現(xiàn)有產(chǎn)品要求的基礎(chǔ)上創(chuàng)造新的需求,從粗放、高投入、低產(chǎn)出、資源消耗型向集約、少投入、高效益、資源節(jié)約型方向發(fā)展,減少低牌號(hào)灰鑄鐵件的生產(chǎn),增加鋁、鎂、鈦、球鐵、合金鑄鋼等高比強(qiáng)合金鑄件和壓鑄、低壓、金屬型和離心等優(yōu)質(zhì)高附加值鑄件的比重,培育一批名牌鑄件