国内铸造业节能技术应用及发展建议

  铸造行业是机械工业的耗能大户，能耗高、能源利用率低、污染严重、经济效益差制约了铸造行业的发展。合理使用能源，大力抓好节约能源是铸造行业的一项重要任务。本文分析了铸造行业能源利用现状，从熔炼、加热系统、造型制芯技术与装备、低应力铸铁、铸态球墨铸铁、球铁无冒口铸造、铸钢保温冒口与保温补贴、冲天炉废气综合利用和佘热回收利用等方面阐述了铸造行业行之有效的主要节能技术及其应用，并对发展我国铸造节能技术提出几点措施建议。1.问题的提出能源是一种重要的地球资源，是人类社会发展的物惯基础。能源资源问题是关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问题。能源供应和利用状况直接关系到国民经济的持续、稳定、协调发展。开发、合理有效地利用能源，既可保持社会的适度发展，又可减少资源消耗。目前我们所利用的能源主要是以煤、石油、天然气等不可再生的一次性能源，用一点少一点，迟早有一天消耗殆尽。我国能源资源从数量上看比较丰富，但人均占有量远低于世界平均水平，而且能源利用率低，其中煤利用率不到10％。据报导，我围GDP的50％来源于高能耗。2003年我国GDP总量达11.58万亿元，消耗16亿吨煤，2.5亿吨原油，2亿多吨钢材，8亿吨水泥。2004年我国GDP总量达l3.65万亿元，消耗能源更多。我国经济增长的成本高于世界平均水平25％以上，我国每创造l美元产值所消耗的能源是美国的4.3倍，德国和法国的7.7倍，日本的11.5倍。我国传统的高投入、高消耗、高成本、低产出的经济增长方式应彻底改变。我国节约能源法规定，“节能是国家发展经济的一项长远战略方针。”铸造行业是个高能耗的行业，除做好能源的开发、有效利用外，长期战略任务就是大力开展节能降耗工怍。2.铸造行业能源利用现状铸造在机械制造业中占有十分重要的地位，铸造技术是国民经济可持续发展的主体技术之一，是机械产品毛坯的供应者。仅2003年就为国民经济各部门提供1987万吨铸件。但铸造是一个大量耗能的生产过程，是个高投入、高消耗、高或本、低产出的既传统又不可缺少的行业。仅2004年，我国铸造行业就消耗焦炭300万吨，生铁1000万吨，新砂1000万吨，各种粘结剂30—40万吨。近些年来，由于我国铸造业取得长足发展，铸件产量是以牺牲环境保护、浪费能源和材料为代价。在我国铸造生产中，能源和材料的投人约占其产值的55％-70％。是机械工业的耗能大户，其能耗占机械工业总能耗的23％-62％，能耗利用率为l5％-25％。我国每吨铸件所需能源是工业发达国家的2—3倍。我国每生产1吨合格铸铁件的能耗为500-700kg标煤，占生产成本的15％，而日本每吨铸铁件能耗仅占生产成本4.3%。我国每生产1吨合格铸钢件的能耗为800-1000kg标煤，国外仅为500-800kg标煤。造成我国铸造业能耗高的主要原因是多方面的。2.1 经济规模差专业化程度低我国现有铸造厂点约2.2万个，点多规模小，专业化程度低。按2003年我国铸件总量1987万吨计，平均每一铸造企业的产量不足1000吨，其中300吨以下企业约占1／3，年产300-5000吨的企业占l／2以上，年产5000吨以上企业只占l／6，年产万吨以上的企业约占1％。工业发达国家的铸造企业一般规模都在5000吨以上，万吨以上的企业所占的比例很大，还有10万吨甚至60万吨的企业。我国铸造专业化程度只有30％，工业发达国家达80％-90％。不难看出，我国有上万家铸造企业生产规模在几百吨，而且还有相当多的铸造企业是“大而全”，“小而全”，没有形成技术特色、产品特色，设备配置不合理，利用率低，大马拉小车现象普遍存在，造成能源损失大。2.2 铸造生产工艺技术装备等基础条件差我国铸造生产过程和检测手段不够完善是造成能耗高的重要原因之一。
    (1)熔炼在铸造生产中，用于熔炼的能耗约占整个铸件生产能耗的50％。熔炼铸铁时，工业发达国家大多数采用热风连续作业的长炉龄冲天炉，而我国只有少数企业采用长炉龄热风冲天炉。大多数冲天炉只开4-8h就打炉，造成炉体蓄热损失(约占熔化能耗10％以上)和打炉底焦的热损失。铁水温度普遍在1380℃-1450℃(国外为1500℃一1550℃)。熔炼铸钢时，工业发达国家在冶炼合金钢时多采用AOD、VOD设备，我国只有少数厂家采用，大多数仍采用电弧炉生产方式。有时企业由于电力供应不足，采取夜间低谷用电，每次只能开4—5炉次就停炉。每新开一次炉就增加一次炉体的蓄热损失。一般第一次炉钢水的耗电量在1000-1200kWh／t钢液，从第三炉开始耗电量一般都低于800kWh／t钢液，如果每一次开炉的炉次越少，平均每吨钢水耗电量就相应增高。熔炼有色合金时，国外采用工频感应电炉熔炼，热效率达45％，我国有不少企业在采用燃油坩埚炉、焦炭坩埚炉或电阻炉，这些炉子的热效率低，分别为l1％、3％-7％、25％。
    (2)造型、制芯国内除少数为汽车、内燃机配套的铸造骨干企业采用高密度的高压、静压、射压、气冲造型等先进高效流水线造型和树脂砂热芯盒、冷芯盒制芯工艺外，大多数铸造企业仍采用震压式造型机造型或手工造型或粘土干型、水玻璃砂工艺和以桐油、合脂、粘土等粘结剂为主的制芯工艺，生产周期长，能耗高。
    (3)工艺设计国外普遍采用CAD／CAM，而我国除少数企业外，多数凭工艺员经验设计，铸件浇冒口大，肥头大耳，加工余量大，铸件超重超厚现象普遍存在。我国铸件尺寸精度比国外普遍低1-2级，表面粗糙度比国外差l-2级，加工余量比国外高出1倍以上，铸件壁厚也比国外厚得多。铸件废品率也比国外高得多，我国铸铁件废品率通常为9％-15％，铸钢件废品率为5％一l5％，而国外的铸铁件和铸钢件的废品率均低于5％。由此可见，铸件浇冒口大，铸件超重超厚，铸件尺寸精度低，表面粗糙，铸件废品率高都直接或间接加大了能源消耗。2.3 缺乏科学管理长期以来，由于普遍存在重冷轻热思想，铸造行业一直不被重视。政府有关部门未能对铸造行业的能源合理利用和节约进行全面规划和政策引导。铸造行业的能源管理体系尚未健全完善，节约能源的法规和标准化体系也尚未建立。不少铸造企业的领导对能源的管理缺乏足够重视。节能工作尚未提到议事日程上来，既没有建立能源管理机构，又没有从事能源管理、节能技术推广的专门管理人员。只重产值，不计能耗，只重使用能源，忽视能源节约，从而造成了铸造行业能耗高、能源浪费的局面。
    3.铸造生产的节能技术与节能措施经过我国铸造工作者长期不懈的努力，取得了一系列铸造生产的节能技术与节能措施，这些节能技术仍具有现实的适用价值，值得推广应用。
    3.1 以熔炼为中心的节能技术铸件熔炼部分的能耗约占铸件生产总能耗的50％，由于熔炼原因而造成的铸件废品约占总废品的50％。因此，采用先进适用的熔炼设备和熔炼工艺是节能的主要措施。3.1.1 铸铁熔炼的节能技术(1)推广采用热风、水冷、连续作业长炉龄冲天炉冲天炉向大型化、长时间连续作业方向发展是必然趋势。国外的铸造企业把它作为一项重要节能措施加以应用。近些年来，国内也在这方面做了大量的工作，已有部分企业采用，取得了明显的节能效果。例如，采用大排距双层送风冲天炉技术，可节约焦炭20％-30％，降低废品率5％，Si、Mn烧损分别降低5％-10％；水冷无炉衬和薄炉衬冲天炉，连续作业时间长，可节能30％以上；热风冲天炉既节能又环保。(2)推广冲天炉一电炉双联熔炼工艺冲天炉一电炉双联熔炼是利用冲天炉预热、熔化效率高和感应电炉过热效率高的优点，来提高铁液质量，达到降低能耗的目的。近些年来，随着焦炭、生铁等原材料价格大幅上扬和铸件品质要求越来越高，单独使用电炉熔炼日益增多，利用夜间低谷电生产，也取得了较好的经济效益和节能效果。
    (3)推广应用铸造焦冲天炉熔炼采用铸造焦燃料是提高铁液温度和质量的有效途径。国外大多数冲天炉熔炼采用铸造焦。由于铸造焦价格高或是由于习惯等原因至今国内大多数企业仍使用冶金焦，甚至有的企业使用土焦，这不仅影响铸件质量，而且焦耗量大。如应用铸造焦，废品率可下降2％。因此，发展铸造焦生产，降低铸造焦生产成本，推广应用铸造焦是提高铸件质量，降低能源消耗的措施之一。(4)冲天炉富氧、除湿送风冲天炉使用冶金焦时，铁液温度很难稳定达到1500℃，如采用3％的富氧送风就能保证，并且每吨铁液可净降低能耗l0kg左右标煤。冲天炉除湿送风通常在南方潮湿地区使用，它可以提高铁液温度，减少硅、锰等元素的烧损，提高铁液质量和熔化率，降低焦耗13％-17％。(5)冲天炉采用计算机控制技术冲天炉采用计算机控制包含计算机配料、炉料自动称量定量和熔化过程的自动化控制。使冲天炉处在优化状态下工作，可获得高质量的铁液和合适的铁液温度。与手工控制相比，可节约焦炭10％-15％。(6)推广使用冲天炉专用高压离心节能风机目前国内仍有不少冲天炉使用罗茨或叶氏容积式风机，能耗大噪声高。采用冲天炉专用的高压离心风机，可节电50％-60％，熔化率提高33％左右。3.1.2 铸钢熔炼的节能技术目前国内仍有不少企业采用燃油坩埚炉和焦炭坩埚炉熔炼有色金属，这两种熔炼设备不仅效率低，而且造成环境污染，应尽快淘汰，代之采用热效率高、作业环境好、熔炼金属液质量高的感应电炉熔炼。
    3.2 以加热系统为中心的节能技术铸造生产中工业炉窑能耗仅次于熔化设备，约为总能耗20％。对各种加热炉、烘干炉、退火炉，应从炉型结构到燃烧技术等进行技术改造。采用耐火保温材料改造现有窑炉，节能效果显著。对燃煤工业炉的加煤采用机械加煤比手工加煤节能20％左右。将燃煤的砂型、砂芯烘干炉改为明火反烧法，可节煤15％-30％。对型芯烘干炉采用远红外干燥技术可节电30％-40％。对大型铸件采用振动时效消除应力处理比采用热时效处理可节能80％以上。可锻铸铁锌气氛快速退火工艺可节电或降低煤耗50％以上。3.3 以采用先进适用的造型制芯技术与装备，提高铸件质量为中心的节能技术目前，国内几种造型工艺的能耗对比分别为“湿型1，自硬砂1．2—1．4，粘土干砂型3.5。粘土干砂型能耗最高，应予淘汰。湿型能耗最低，且适应性强，这是湿型仍大量采用的原因之一。应根据铸件品质要求，铸件特点来选用先进的高压、静压、射压、气冲造型工艺和设备，以及应用自硬砂技术、消失模铸造技术和特种铸造技术。用树脂自硬砂、水玻璃有机酯自硬砂和VRH法造型制芯工艺代替粘土干型，可提高铸件尺寸精度和表面光洁度，提高铸件质量，降低能耗。特种铸造工艺与普通粘土砂相比，铸件尺寸精度为2-4级，表面粗糙度细1—3级，质量减轻10％-30％，加工余量减少5％以上，铸件废品率也大大降低，综合节能效果显著。铸件合格率可提高1％，每吨铁水可多生产8—10kg铸件，相当于节煤5-7kg。铸件废品率每降低1％，能耗就降低1.25％，铸件质量每降低1％，能耗就降低1.01％。由此可见，采用先进工艺技术与装备，提高铸件质量，降低铸造废品率是提高能源利用率，降低能耗的一条重要途径。3.4 推广低应力铸铁件、铸态球墨铸铁件、球铁无冒口铸造以及铸钢保温补贴节能技术我国用于灰铸铁件热时效的能耗每吨铸件为40-100kg标煤，用于球墨铸铁件退火、正火的能耗每吨铸件为100-180kg标煤。除少数企业生产汽车发动机、内燃机铸件不用热时效工艺外，大多生产这类铸件的企业仍采用热时效工艺消除应力，这是我国铸造行业能耗居高不下的原因之一。推广直用薄壁高强度灰铸铁件生产技术和高硅碳比铸铁件生产技术，生产汽车发动机、内燃机的缸体、缸盖和机床床身等铸件，可获得不用热时效工艺的低应力铸铁件，达到节能目的。我国球墨铸铁件中高韧性铁素体球铁和高强度珠光体球铁占有很大的比重，通常是采用退火、正火处理。采用铸态球墨铸铁生产技术省去了退火、正火处理工序，节约能源，避免了因高温处理而带来的铸件变形，氧化等缺陷。采用球铁无冒口铸造工艺，可提高工艺出品率10％-30％，降低能耗也很显著。2003年中国铸件总产量为1987万吨，其中灰铸铁件为1049万吨，球墨铸铁件为470万吨，因此，推广应用低应力铸铁件，铸态球墨铸铁件和球铁无冒口铸造技术，对于全行业的节能降耗具有重要的意义。铸钢件采用保温冒口，保温补贴，可使工艺出品率由60％提高到80％。3.5 推广冲天炉废气综合利用和余热回收利用技术，实现清洁生产和节能
目前我国90％的铸铁是用冲天炉熔炼生产的，这种状况仍将保持相当长的时间。铸造行业的余热利用主要集中在冲天炉上。冲天炉熔炼时排出大量烟气，烟气中含有可燃性炭粒和可燃性气体，既造成环境污染，又浪费大量热能。冲天炉熔炼时除38％-43％的有效热量用于熔炼外，烟气带走的热量为7％一16％，不完全燃烧热量(可燃性气体)为20％-25％，固体不完全燃烧热量为3％一5％。这些热量占30％一45％。由此可见，冲天炉熔炼的余热利用潜力很大。目前我国冲天炉的余热利用绝大多数是利用密筋炉胆预热鼓风，热风温度为200℃左右，余热利用率低。近些年来，有部分企业使用长炉龄连续作业热风冲天炉，充分地利用了废气的余热和可燃烧炭粒及可燃烧性气体再燃烧的热量，使热风温度达600-800℃，冲天炉铁水温度达1500-1550℃，熔化效率提高45％，既达到节能，提高铁水质量的目的，又实现了环保的要求。4.发展铸造节能技术的建议4.1 加强科学管理，全面提升节能管理水平要以科学发展观，加强对能源的科学管理，合理使用能源，节约能源资源。
(1)政府有关部门应加强对铸造行业进行宏观调控和政策引导，建立铸造行业促进能源资源节约的体制机制，实行能源资源利用率和最低技术水平准入制度，明确控制考核目标；制定促进节约能源的财税、投资、外贸以及合理的能源管理政策，建立健全节能法规，从政策上引导、督促企业合理使用能源和节约能原。(2)铸造企业的新建、改建、扩建和技术改造项目都应严格执行《机械工业节能设计技术规定》和其他行业节能设计标准，要认真贯彻执行国家关于“凡是新建和扩建的基本建设项目，都要考虑合理利用资源、能源和原材料，把节能降耗，资源综合利用，治理污染的项目与主体工程同时设计，同时施工，同时投产”的有关规定。(3)在铸造行业中，全面开展铸造厂、点的能量平衡、节能评比、节能升级、节能技术改造等项工作，充分挖掘节能潜力。(4)建立长效的节能管理机制。上级管理部门要有专门管理机构；铸造行业要建立行业性节能学术机构，组织和推动行业节能工作；铸造企业要设立专职或兼职的能源管理部门，配备有才能的专职管理技术人员。4.2 搞好结构调整与优化，转变经济增长方式搞好产业结构调整。要以产权、所有制调整为契机，切实调整与优化产业结构。按照四同(同类大小、壁厚、材质、复杂程度)原则或按铸造方法分类，通过重组、兼并实现专业化经济能耗的基础。搞好产品结构调整与优化，要以市场为导向，在满足现有产品要求的基础上创造新的需求，从粗放、高投入、低产出、资源消耗型向集约、少投入、高效益、资源节约型方向发展，减少低牌号灰铸铁件的生产，增加铝、镁、钛、球铁、合金铸钢等高比强合金铸件和压铸、低压、金属型和离心等优质高附加值铸件的比重，培育一批名牌铸件。尽可能少出口低档铸件产品，出口低档铸件就等于出口金属材料资源、能源资源和动力资源，而获得的利润甚少。
    搞好能源消费结构调整与优化。目前，我国铸造行业的加热炉主要是以燃煤为主，能源利用率低，工艺参数难以控制，很难满足合金钢铸件和球墨铸铁件热处理的工艺要求，而且又污染大气，不利于环境保护。因此，可适当改用电炉、天然气炉、油炉、既提高了铸件质量，又能减轻对环境的污染，同时还提高了能源的利用率。
    4.3 狠抓节能教育，树立正确的节能观近些年来，我国颁布了节能法和一些法规，对强化用能管理，降低能源消耗起到了一定作用。但总的说来，人们节能意识普遍淡薄，对现行的节能法规和制度贯彻执行不力，一些被列人淘汰的高能耗设备和落后工艺仍在使用。要加强节约能源的宣传教育，开展形式多样的节约能源活动，提高人们的能源资源意识和节约意识，增强节约能源的自觉性。但铸造行业的节能不是单纯的减少能源消耗，而是以提高铸件质量，降低废品率、减少消耗、提高综合经济效益为中心的节能，只有在保证提高铸件质量、降低废品率、减少消耗的前提下才是最大的节能。
    4.4 加强技术进步，推动节能技术创新政府有关部门要在政策、资金上支持企业增强技术刨新能力建设，建立以企业为主体的节能技术创新体系，加大科技投入，支持产、学、研，联合开发先进适用的提高能源利用率和铸造清洁化节能生产技术。
 

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