從某鑄鋼廠的工藝、設(shè)備選用淺談鑄造企業(yè)的節(jié)能減排

劉統(tǒng)洲，李懷明，李子方（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450007）

從某鑄鋼廠的工藝、設(shè)備選用淺談鑄造企業(yè)的節(jié)能減排

劉統(tǒng)洲，李懷明，李子方（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450007）

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某鑄鋼廠工藝、設(shè)備的選用，指出在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程要始終關(guān)注節(jié)能減排，并要從軟件與硬件上同時(shí)保障日后鑄造企業(yè)的低成本、低排放的運(yùn)行。

節(jié)能減排；鑄造工藝；V法鑄造

1 引言

我國(guó)已從2004年起穩(wěn)居世界鑄件總產(chǎn)量第一位，但在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)設(shè)施、企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)效率、能耗、環(huán)保等諸多方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。我國(guó)雖是鑄造大國(guó)，但不是鑄造強(qiáng)國(guó)。節(jié)能對(duì)鑄造企業(yè)來(lái)講更是日益重要，也是在新形勢(shì)下降低成本、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。因此，我們要在新的挑戰(zhàn)面前抓住機(jī)遇，在更為激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得可持續(xù)發(fā)展，就必須高度重視節(jié)能減排工作。

某鑄造公司是一個(gè)集鑄鋼、鑄銅、機(jī)械加工為一體的綜合型鑄造企業(yè)，股份制經(jīng)營(yíng)。公司1998年被鐵道部定為“鐵路產(chǎn)品定點(diǎn)生產(chǎn)廠”，采用普通水玻璃砂工藝生產(chǎn)機(jī)車車輛的搖枕、側(cè)架、鉤體、鉤舌、鉤尾筐等車輛件以及橋殼、礦山機(jī)械配件等民用鑄鋼件，具有年產(chǎn)100000t鑄鋼件的生產(chǎn)能力，其主要材質(zhì)為 ZG25MnNi、ZG25MnCrNiMo、ZG270-500。

該合金鋼配件項(xiàng)目是由該公司于2005開(kāi)始投資實(shí)施的，由機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院于2005年完成設(shè)計(jì)，采用V法鑄造工藝。整條生產(chǎn)線主要設(shè)備由德國(guó)HWS公司提供，配套設(shè)備由青島雙星鑄機(jī)公司提供，整體制芯設(shè)備由蘇州明志公司提供。工程總投資約3億元，總建筑面積約30000m2。項(xiàng)目建成后每年可使用V法造型工藝生產(chǎn)合格鑄件40000t。

鑄造行業(yè)既是能耗大戶，也是污染大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在該公司原有工藝的鑄造生產(chǎn)中，能源和材料的投入約占其產(chǎn)值的60%。每生產(chǎn)1噸合格鑄鋼件的能耗為700kg標(biāo)煤，同時(shí)要排放粉塵40kg，廢氣1200m3，廢砂 800kg，廢渣 300kg。

2002年國(guó)家通過(guò)了《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》，旨在促進(jìn)清潔生產(chǎn)，提高資源利用效率，減少和避免污染物的產(chǎn)生，保護(hù)和改善環(huán)境。因此，日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源的約束，必將使以清潔生產(chǎn)為特征的綠色制造技術(shù)成為21世紀(jì)制造業(yè)的重要特征。鑄造企業(yè)要持續(xù)發(fā)展，必須從“源削減”做起，徹底改變高耗能耗材、嚴(yán)重污染環(huán)境的落后狀況，積極發(fā)展清潔化鑄造生產(chǎn)。

2 項(xiàng)目實(shí)施中工藝、設(shè)備的節(jié)能技術(shù)

2.1 以工藝為中心的節(jié)能技術(shù)

實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)的節(jié)能減排和清潔化生產(chǎn)，必須從項(xiàng)目建設(shè)的源頭抓起。工藝設(shè)計(jì)處于鑄造生產(chǎn)工序的最前端，是整個(gè)鑄造企業(yè)生產(chǎn)的龍頭，也是鑄造生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和清潔化生產(chǎn)的源頭。在工程設(shè)計(jì)之初就從熔煉、造型、制芯、砂處理、熱處理各個(gè)工藝環(huán)節(jié)考慮節(jié)能技術(shù)。

2.1.1 以熔煉工藝為中心的節(jié)能技術(shù)

鑄鋼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)適用的熔煉工藝和熔煉設(shè)備是節(jié)能的主要措施。本項(xiàng)目年產(chǎn)鑄鋼件40000t，產(chǎn)品主要為鐵路機(jī)車車輛鑄鋼件，國(guó)內(nèi)通常工藝為槽出鋼電弧爐熔煉廢鋼，據(jù)估算，本項(xiàng)目每年僅熔煉消耗的電能就達(dá)2.4×107kW·h，因此改進(jìn)或提高傳統(tǒng)熔煉工藝水平對(duì)今后工廠的節(jié)能生產(chǎn)十分必要。

經(jīng)過(guò)多次的調(diào)研和試驗(yàn)，確定了以2臺(tái)20t偏心底出鋼電弧爐熔煉加1臺(tái)30t LF精煉爐精煉的鋼液熔煉（精煉）工藝。電弧爐與LF精煉爐采用在線布置，電弧爐初煉后的鋼液由LF鋼包精煉爐的鋼包車直接從電弧爐處接取，然后在鋼包精煉爐內(nèi)進(jìn)行加熱、吹氬攪拌、脫硫、脫氧、去除夾雜、合金化、調(diào)整成分溫度等處理。

電弧爐主要參數(shù)：

額定容量：20t；

最大容量：30t；

變壓器額定容量：16000kVA；

變壓器一次電壓：35kV；

電極直徑：400mm；

爐殼直徑：4000mm；

出鋼傾動(dòng)角度：常規(guī)15°，最大20°；

出渣傾動(dòng)角度：常規(guī)12°，最大15°；

爐蓋旋開(kāi)角度：72°；

爐蓋提升高度：400mm。

LF爐主要參數(shù)：

額定容量：30t；

鋼包上口外徑：2450mm；

鋼液面直徑：1860mm；

自由空間高度：400mm；

鋼液深度：17000mm；

變壓器額定容量：550kVA；

變壓器一次電壓：35kV；

電極直徑：300mm；

鋼包車行走速度：0～20m/min。

該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（a）偏水底電弧爐出鋼快，鋼流短，鋼液降溫少，吸氣少，可使出鋼溫度降低（30℃），縮短出鋼時(shí)間（約75%），因而可縮短冶煉時(shí)間，降低電耗和電極消耗，提高生產(chǎn)率。

（b）鋼渣與15%左右的鋼液留在爐中，為下一爐早期吹氧、早期脫磷造成了有利條件，相當(dāng)于熱裝了部分的鋼液，加快了生產(chǎn)周期，提高了合金回收率，還節(jié)約了大量的能源。

（c）用鋼包精煉爐技術(shù)后，鋼液中的有害元素和有害氣體降到了一個(gè)較低的含量水平，使鋼中不易形成對(duì)鑄件材質(zhì)有嚴(yán)重破壞的非金屬夾雜物，從而提高了鑄件的低溫性能和鑄件對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性。

（d）氬氣的攪拌作用加速了鋼 ／渣之間的化學(xué)反應(yīng)，有利于鋼液脫硫、脫氧，促進(jìn)鋼液中非金屬雜物的上浮和去除，提高了鋼液溫度和成分的均勻性。

（e）電弧爐與LF精煉爐采用在線布置，鋼液無(wú)需起重機(jī)吊運(yùn)，直接由鋼包車接取后運(yùn)送到鋼包精煉工位，減少了吊車使用頻率，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了能源。

2.1.2 以采用先進(jìn)適用造型制芯工藝與裝備為中心的節(jié)能技術(shù)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外車輛鑄鋼件主要有以下幾種造型制芯工藝：①普通（改性）水玻璃砂造型制芯；②酯硬化水玻璃砂造型制芯；③采用沒(méi)有或較少粘結(jié)劑的V法造型、整體芯工藝。普通水玻璃砂鑄件具有成本低、產(chǎn)品質(zhì)量較高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，但由于水玻璃的特性，普遍存在著砂再生處理困難，清理工作量大，工作條件差等不足。酯硬化水玻璃砂造型制芯工藝是近幾年發(fā)展的一種新工藝，具有砂再生處理相對(duì)容易，工作條件較好等優(yōu)點(diǎn)，其在小批量機(jī)車車輛鑄鋼件的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大。V法工藝為綠色鑄造工藝，目前主要在日本、德國(guó)和俄羅斯使用，具有鑄件質(zhì)量高、清理簡(jiǎn)單、環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在投資大、生產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)認(rèn)真的調(diào)研和長(zhǎng)期的工藝試驗(yàn)，結(jié)合鐵路產(chǎn)品鑄鋼件的實(shí)際情況，決定采用V法造型工藝，整體制芯工藝，可為未來(lái)的國(guó)內(nèi)外客商提供高質(zhì)、批量的鑄鋼件，鑄件質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

（1）造型線組成及工藝流程

砂箱尺寸為 3000×1900×450/550（mm），搖枕、側(cè)架每箱2件，鉤體、鉤尾框均每箱6件，造型線的生產(chǎn)率達(dá)到20箱/小時(shí)。整套設(shè)備由下箱造型圈，上箱造型圈，下芯線，澆注線，冷卻線，落砂線，推送緩沖裝置，轉(zhuǎn)運(yùn)車，砂箱轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，翻箱裝置，清掃裝置，安全護(hù)欄，真空連接裝置，砂處理，輔助的液壓、電控、氣動(dòng)等部分組成，整套設(shè)備布置在長(zhǎng)180m、寬96m的雙跨車間內(nèi)（圖1）。

主要工藝流程：烤膜—覆膜—噴涂料—造型—修型—下芯合箱—澆注—落砂清理—成品。

（2）主要技術(shù)參數(shù)

砂箱尺寸：3000mm×1900mm×450/550mm；

生產(chǎn)率：20整型/小時(shí)；

硅砂：SiO2含量≥98%；

最高砂溫：40℃；

砂循環(huán)量：160t/h；

空氣消耗：231Nm3/h；

真空泵水消耗：87.4m3/h；

真空泵水加入量：4.37m3/h。

2.1.3 舊砂回收與再利用

V法工藝砂處理工藝流程為：人工將澆注后的砂箱（真空靠隨行車移動(dòng)的干式泵或拖真空管保持）吊運(yùn)至落砂柵格（撤掉真空）→吊走上箱、鑄件、下箱→舊砂落到落砂過(guò)渡斗→振動(dòng)輸送機(jī)→磁選機(jī)→鏈?zhǔn)蕉诽釞C(jī)→直線振動(dòng)篩砂機(jī)→過(guò)渡砂庫(kù)→水冷風(fēng)冷式沸騰冷卻床→斗式提升機(jī)→造型砂庫(kù)→雨淋加砂開(kāi)關(guān)→造型砂箱；輔以電控、除塵、氣動(dòng)系統(tǒng)便構(gòu)成了V法鑄造生產(chǎn)線的砂處理系統(tǒng)。

該砂處理工藝簡(jiǎn)單，舊砂回用率可達(dá)95%以上，沒(méi)有任何帶化學(xué)污染物的廢砂排放，鐵路車輛鑄件的鑄造生產(chǎn)真正實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)，其對(duì)環(huán)境的影響降到了最低程度。

2.1.4 以熱處理系統(tǒng)為中心的節(jié)能技術(shù)

鑄造生產(chǎn)中工業(yè)爐窯能耗僅次于熔化設(shè)備，約為總能耗的20%。對(duì)各種加熱爐、烘干爐、退火爐，應(yīng)從爐型結(jié)構(gòu)到燃燒技術(shù)等進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。在設(shè)備選用時(shí)，對(duì)該類設(shè)備采用以下節(jié)能措施：

（a）選用耐火纖維作爐襯并選用自動(dòng)控制的工業(yè)爐，減少爐體的儲(chǔ)熱損失和散熱損失；

（b）采用新型燃燒裝置如平焰燒嘴和自身預(yù)熱燒嘴以及新型燃燒技術(shù)，減少不完全燃燒和改善爐內(nèi)氣流方向。

通過(guò)以上技術(shù)的實(shí)施，鑄件熱處理部分能耗降低約15%。

2.2 以設(shè)備為中心的節(jié)能技術(shù)

2.2.1 增強(qiáng)設(shè)備可靠性

（a）將V法造型線由常規(guī)成熟的圓盤(pán)式設(shè)計(jì)改為直列式設(shè)計(jì)，留出較長(zhǎng)的下芯區(qū)。搖枕側(cè)架等鑄件砂芯較多時(shí)，可在下芯前將各芯組合完成后下芯，可以配合生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)率。

（b）取消了原工藝中設(shè)置的出氣孔棒，改為在砂型需要排氣的部位扎小孔，通過(guò)真空系統(tǒng)抽氣的措施，同樣達(dá)到了防止嗆火、氣孔產(chǎn)生的目的，簡(jiǎn)化造型操作，提高生產(chǎn)可靠性。

（c）通過(guò)不同澆注溫度的試驗(yàn)，大幅度減少了外型成型冷鐵，將兩處原在外型放置的成型冷鐵，改為放在對(duì)應(yīng)位置的砂芯內(nèi)，完全消除了熱節(jié)處縮孔，簡(jiǎn)化了造型操作，提高生產(chǎn)可靠性。

2.2.2 增加設(shè)備精度

（a）上箱造型、下箱造型、下芯線、澆注線砂箱均帶有抽真空裝置，在各輥道線下設(shè)置矩形鋼管制作的固定真空梁、移動(dòng)真空梁各一條，移動(dòng)真空梁下裝有滾輪可在軌道上移動(dòng)。砂箱靜止時(shí)由固定真空梁通過(guò)模板或托板對(duì)砂箱抽真空；砂箱移動(dòng)時(shí)，先是移動(dòng)真空梁靠油缸拉力縮回，連接固定真空梁的真空閥氣缸動(dòng)作，自動(dòng)與托板的真空連接裝置脫開(kāi)，移動(dòng)真空梁真空閥氣缸動(dòng)作，自動(dòng)與托板另一側(cè)真空連接裝置對(duì)接，保證砂箱真空狀態(tài)的連續(xù)性。另外，在模板和托板上，均設(shè)置了單向閥，保證在脫開(kāi)真空聯(lián)接后，砂箱繼續(xù)保持真空狀態(tài)，有效保證了砂箱的真空度。

（b）砂箱定位：整條造型線布局較長(zhǎng)，雖然有利于各種輔助作業(yè)，但對(duì)砂箱的定位要求相對(duì)較高，包括在輥?zhàn)訋线\(yùn)行時(shí)的定位，以及上下箱在合箱時(shí)要求迅速對(duì)中以減少錯(cuò)箱和砂箱銷孔、銷套磨損。一是從加工精度上充分保證，輥?zhàn)訋в脙杉?0mm厚鋼板中間加筋板焊接后加工而成，保證充足的剛性和強(qiáng)度，各安裝部位(包括長(zhǎng)度方向)均為精加工表面，以確保整線安裝精度；二是各輥道線兩端、各轉(zhuǎn)運(yùn)車上均設(shè)置了雙向夾緊的定位裝置，夾緊機(jī)構(gòu)確保砂箱在靠油缸推力到達(dá)位置的進(jìn)一步定位，同時(shí)防止砂箱產(chǎn)生不必要的前后晃動(dòng)。

（c）質(zhì)量保證：整條線因生產(chǎn)率較高，各方面配置均采用了世界名牌產(chǎn)品。如油缸、液壓閥塊采用德國(guó)力士樂(lè)產(chǎn)品，氣動(dòng)元件采用德國(guó)FESTO及英國(guó)NORGREN產(chǎn)品，轉(zhuǎn)運(yùn)車減速電機(jī)選用德國(guó)LENZE低齒隙斜齒輪減速電機(jī)，拖鏈采用德國(guó)IGUS工程塑料拖鏈，電器執(zhí)行元件采用德國(guó)TURCK產(chǎn)品。

2.3 項(xiàng)目技術(shù)水平及綜合能耗表（表1）

表1 項(xiàng)目技術(shù)水平及綜合能耗表

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的鑄造企業(yè)要在總結(jié)以往節(jié)能減排經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)情況制定切實(shí)的節(jié)能目標(biāo)和措施。在工程建設(shè)初期就應(yīng)優(yōu)先選用先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能工藝和環(huán)保節(jié)能設(shè)備，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。讓我們每個(gè)鑄造企業(yè)都積極行動(dòng)起來(lái)，節(jié)約每一噸煤、每一度電，為減少和避免污染物的產(chǎn)生，保護(hù)和改善環(huán)境，建設(shè)節(jié)約型、友好型社會(huì)，真正實(shí)現(xiàn)鑄造的清潔生產(chǎn)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1]李化芳,任立軍,王年生.淺談鑄造企業(yè)節(jié)能措施.熱加工工藝，2006（13）.

[2]孔維軍，劉小龍.鑄造工廠的環(huán)保與節(jié)能.鑄造設(shè)備研究,2006（5）.

[3]馬永杰.鑄造生產(chǎn)的節(jié)能技術(shù)與節(jié)能措施.熱加工工藝，2008（11）

Discussion about Energy-Saving and Em ission-Reduction Through Technology and Equipment Selection in A Steel Foundry

LU Tongzhou，LI Huaim ing，LI Zifang
(No.6 Institute of Project&Research of Machinery Industry,Zhengzhou 450007，China)

With technology and equipment selection in a steel found ry，it has been pointed that energy-saving and em ission-reduction should be payed c lose attention to not only during the course of p roject construc tion but also in the future p roduc tion to make sure that software and hardware ensuring low cost and em ission.

Energy-saving and em ission-reduction；Found ry technology；V-Process

TG28;

A；

1006－9658（2010）01－4

2009－10－20

2009－138

劉統(tǒng)洲（1979-），男，工程師