基于資源環(huán)境屬性的鍛造工藝能耗分析

趙 曦

（機械科學(xué)研究總院 中機生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

0 引言

綠色制造是當(dāng)今社會的一個研究熱點，制造企業(yè)作為能源最大的消費者和排放的最大生產(chǎn)者，更是要承擔(dān)節(jié)能減排的重任。鍛造生產(chǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中，占有舉足輕重的地位，鍛件的性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。相關(guān)機械中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊接件外，多采用鍛件。

1 鍛造生產(chǎn)資源環(huán)境屬性分析

1.1 鍛造生產(chǎn)特點

從節(jié)能減排角度出發(fā)看，鍛造生產(chǎn)有如下特點：

（1）高能耗。鍛造工藝的能耗主要體現(xiàn)在壓力機、鍛錘、鍛造前加熱和鍛造后的熱處理，在這些過程中的能耗是與該工藝的特點、設(shè)備參數(shù)以及管理手段等密切相關(guān)的。鍛造設(shè)備在工作中施加的作用力是非常大的，如液壓機、壓力機等鍛壓設(shè)備，其工作部件需要相當(dāng)大的能量，如我國已制造和使用了12000t 的鍛造水壓機，鍛造加熱和鍛件熱處理過程是要使用電能或燃料。

（2）高排放。鍛造車間的加熱爐在燃燒過程中產(chǎn)生大量的煙塵被排放到車間的空氣中，不僅影響工人的身體健康，還降低了車間內(nèi)的能見度；加熱產(chǎn)生的廢氣以及礦物燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染；鍛造各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢油、廢液、廢渣、廢水等排放物都會對環(huán)境造成不同程度的影響；鍛造過程產(chǎn)生了巨大的振動和噪聲，對周圍環(huán)境產(chǎn)生了噪聲影響。

（3）對人的影響。鍛造過程中的各類排放以及噪聲對車間工人和周圍的居民生活都會帶來影響。高溫易引發(fā)車間工人皮膚灼傷，煙塵和有害氣體會損害身體健康，巨大的噪聲影響工人的聽覺神經(jīng)，容易分散注意力，因而增加了人員發(fā)生事故的可能性。

1.2 鍛造生產(chǎn)資源消耗及環(huán)境影響屬性分析

對鍛造工藝的資源消耗和環(huán)境影響屬性進(jìn)行分析，建立鍛造加工資源環(huán)境過程模型如圖1 所示。

圖1 鍛造加工資源環(huán)境過程模型

鍛造生產(chǎn)資源消耗分為兩類，一類為物料的消耗，一類為能量的消耗，它們都是鍛造生產(chǎn)的輸入。物料的消耗首先是原料的消耗。另外，由于某些加工的需要，可能會需要專門做模具，需要冷卻、潤滑介質(zhì)，所以產(chǎn)生了輔助物料的消耗。能量的消耗有煤、天然氣、電的消耗。鍛造生產(chǎn)環(huán)境影響因素是伴隨著生產(chǎn)資源消耗的過程而產(chǎn)生的，加工過程產(chǎn)生熱、振動、噪聲、廢氣、廢液等，其中一部分直接對環(huán)境造成影響，一部分可以回收處理減輕對環(huán)境的影響。對環(huán)境的影響有兩部分：對自然環(huán)境造成影響，也包括對人的安全和健康產(chǎn)生的影響。

（1）物料消耗。若用RI 和RO 分別表示原料加工前和加工后的質(zhì)量，W 表示原料損耗，U 和L 分別表示原料的利用率和損失率，m下料、m加熱、m鍛壓、m清理分別表示下料、加熱、鍛壓、清理階段原料的損耗，則有：

W=RI-RO=m下料+m加熱+m鍛壓+m清理

U=RO/RI

L=W/RI

輔助物料的消耗主要為冷卻液和潤滑介質(zhì)的損耗，用m輔、m液、m潤分別表示輔助物料消耗質(zhì)量、冷卻液消耗量、潤滑介質(zhì)損耗量，系數(shù)a、b 分別為兩種消耗的轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以將不同種類的輔助消耗轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)消耗，則有：

m輔=m液+m潤

（2）能量消耗。一是加熱能量消耗：無論是鍛前加熱還是鍛后熱處理，熱量的消耗總是滿足熱平衡。對于熱消耗的分析，有如下思路：

熱收入：即加熱的所有熱量來源，包括燃料化學(xué)能Q1（對于燃料加熱爐）、預(yù)熱空氣帶入的物理熱Q2、預(yù)熱燃料帶入的物理熱Q3、金屬氧化熱Q4。

熱支出：加熱金屬的有效熱Q0、加熱輔助件的熱量Q輔、各類因素帶來的熱量的損失Q損。根據(jù)熱平衡，有：

Q1+Q2+Q3+Q4=Q0+Q輔+Q損

二是鍛造能耗。錘擊過程滿足能量守恒定律，為：

Ez=α·En=Ek=Ed+Eh

式中：Ez—錘擊系統(tǒng)的能量；α—能級；En—額定擊打能量；Ek—錘頭的動能；Ed—鍛件塑性變形能；Eh—為熱能（摩擦熱和變形熱）。若將鍛造系統(tǒng)看作一個整體（設(shè)備和鍛件），Ez可以看成輸入能量；Ed—有效鍛打能量；Eh—損失能量。錘頭動能為：

式中：m—錘頭質(zhì)量；V—錘擊時的速度；錘擊時鍛件消耗的能量為：Ed+Eh=P·△h；P—錘擊載荷；△h—下壓量；錘的打擊效率為：η=Ed/Ez。

（3）廢棄排放。這里廢棄排放考慮的是加工過程中產(chǎn)生的廢棄固體、液體和氣體。廢棄固體，包括粉塵、廢屑等，用ms表示；廢液用ml表示；廢氣，包括二氧化硫、氮氧化合物等，用mg表示。根據(jù)各種排放對環(huán)境的影響程度，給出各自的影響系數(shù)分別為μ、λ、ε，得出對環(huán)境的影響程度：E=μms+λml+εmg。

（4）加工噪聲。將鍛造噪聲看作一系列斷續(xù)時間內(nèi)的等值數(shù)值，則可以得到某個時間段里的鍛造噪聲：

將噪聲和前面的排放綜合起來看成對環(huán)境的影響，并給噪聲加上轉(zhuǎn)換系數(shù)σ，環(huán)境的影響公式變?yōu)椋害ィ紼=μms+λml+εmg+σd。

2 能耗系數(shù)矩陣的建立

能耗系數(shù)矩陣為：Εm×n∶Εm×n={eij}m×n。式中，eij為第i臺鍛床加工第j 個鍛件的能耗，要確定能耗矩陣中eij的數(shù)值，就需要對每臺鍛床鍛打每個工件的能耗估計量Ez，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為打擊能Ed和鍛打效率η 的確定。

（1）打擊能Ed。對于圓柱鍛件，鐓粗功通過下面公式計算：

式中：σs—材料的屈服應(yīng)力；V—鍛件的體積（mm3）；D0、H0—毛坯的直徑和高度（mm）；D、H—為鐓粗后的直徑和高度（mm）。對于長板鍛件鐓粗：

式中：b0、H0—毛坯的寬度和高度（mm）；b、H—鐓粗后的寬度和高度（mm）。

（2）鍛打效率η。鍛錘打擊效率就是鍛件在塑性變形中所吸收的能量與輸入能之比，鍛錘打擊效率與機器自身的參數(shù)以及工件的參數(shù)相關(guān)，對于自由鍛有：

式中：m1—落下部分的質(zhì)量；m2—砧座的重量；k—鍛件的恢復(fù)系數(shù)。

恢復(fù)系數(shù)取決于鍛坯材質(zhì)以及溫度，溫度越高k 值越小，打擊效率就越高，一般始鍛溫度k 值為0.3，終鍛溫度時k 值為0.5。工件集中的工件參數(shù)相近，所以對于一個既定的工件集，工件對于η 的影響程度幾乎相同，所以對于一個確定的工件集，可以將（1-k2）看作一個常量ε，在后面的計算中，可以將ε 取為1，從而有：

對于設(shè)備集Μ＝{m1，m2，L，mi，L，mm}，可以根據(jù)設(shè)備參數(shù)計算得到一個m 維的1/η 值列向量；對于工件集J={j1，j2，L，jj，L，jn}，可以根據(jù)工件參數(shù)計算得到一個n 維的Ed值行向量，將這兩個向量相乘，便可以得到一個m×n矩陣，便是能耗系數(shù)矩陣Em×n：

3 排放系數(shù)矩陣的建立

鍛造工藝的資源環(huán)境屬性有以下四個方面：廢固、廢液、廢氣、加工噪聲。為了能夠滿足各項排放指標(biāo)合格的目標(biāo)，需要建立這四個方面相應(yīng)的系數(shù)矩陣：

Y={{sij}m×n，{lij}m×n，{gij}m×n，{vij}m×n}

式中：{sij}m×n—廢固排放系數(shù)矩陣；{lij}m×n—廢液排放系數(shù)矩陣；{gij}m×n—廢氣排放系數(shù)矩陣；{vij}m×n—噪聲系數(shù)矩陣。

4 實例

以2.5 噸機械皮帶鍛錘為例，研究分析鍛造工藝的能耗情況。

鍛錘的打擊力是鍛錘最重要的性能指標(biāo)，鍛錘是一種沖擊成形設(shè)備，在鍛件變形瞬間，鍛件和設(shè)備承受著巨大的金屬變形抗力和打擊力的沖擊載荷，鍛錘的打擊過程在千分之幾秒內(nèi)完成，打擊過程中，鍛件在錘頭與砧座之間完成塑性變形。

皮帶鍛錘靠錘頭自身的落重進(jìn)行打擊，打擊的輕重隨錘頭的上升高度不同而異。錘頭的打擊動能為錘頭的落下勢能轉(zhuǎn)變而成。

2.5 噸皮帶鍛錘的單次最大打擊能量計算公式如下（錘頭與導(dǎo)軌的摩擦能量損耗為10%）：

E2.5n=（1-10%）×mgh=（1-10%）×2.5×1000×9.8×7.8=172kJ

2.5 噸皮帶鍛錘正常生產(chǎn)每小時用電28 度。滿負(fù)荷生產(chǎn)，兩臺皮帶鍛錘每小時可生產(chǎn)鍛件300 公斤，皮帶鍛錘每生產(chǎn)1 噸鍛件耗用電費79.5 元。

5 結(jié)論

通過對鍛造工藝資源環(huán)境屬性以及污染物排放情況的分析，建立了能耗系數(shù)矩陣和排放系數(shù)矩陣，并以2.5噸機械皮帶鍛錘為例，研究分析鍛造工藝的能耗情況。

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