鑄造行業(yè)是機械工業(yè)的耗能大戶，能耗高、能源利用率低、污染嚴重、經(jīng)濟效益差制約了鑄造行業(yè)的發(fā)展。合理使用能源，大力抓好節(jié)約能源是鑄造行業(yè)的一項重要任務。本文分析了鑄造行業(yè)能源利用現(xiàn)狀，從熔煉、加熱系統(tǒng)、造型制芯技術與裝備、低應力鑄鐵、鑄態(tài)球墨鑄鐵、球鐵無冒口鑄造、鑄鋼保溫冒口與保溫補貼、沖天爐廢氣綜合利用和佘熱回收利用等方面闡述了鑄造行業(yè)行之有效的主要節(jié)能技術及其應用，并對發(fā)展我國鑄造節(jié)能技術提出幾點措施建議。
1.問題的提出
能源是一種重要的地球資源，是人類社會發(fā)展的物慣基礎。能源資源問題是關系我國經(jīng)濟社會發(fā)展全局的一個重大戰(zhàn)略問題。能源供應和利用狀況直接關系到國民經(jīng)濟的持續(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，用一點少一點，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)報導，我圍GDP的50％來源于高能耗。2003年我國GDP總量達11.58萬億元，消耗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l3.65萬億元，消耗能源更多。我國經(jīng)濟增長的成本高于世界平均水平25％以上，我國每創(chuàng)造l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)濟增長方式應徹底改變。我國節(jié)約能源法規(guī)定，“節(jié)能是國家發(fā)展經(jīng)濟的一項長遠戰(zhàn)略方針。”鑄造行業(yè)是個高能耗的行業(yè)，除做好能源的開發(fā)、有效利用外，長期戰(zhàn)略任務就是大力開展節(jié)能降耗工怍。
2.鑄造行業(yè)能源利用現(xiàn)狀
鑄造在機械制造業(yè)中占有十分重要的地位，鑄造技術是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主體技術之一，是機械產(chǎn)品毛坯的供應者。僅2003年就為國民經(jīng)濟各部門提供1987萬噸鑄件。但鑄造是一個大量耗能的生產(chǎn)過程，是個高投入、高消耗、高或本、低產(chǎn)出的既傳統(tǒng)又不可缺少的行業(yè)。僅2004年，我國鑄造行業(yè)就消耗焦炭300萬噸，生鐵1000萬噸，新砂1000萬噸，各種粘結(jié)劑30—40萬噸。近些年來，由于我國鑄造業(yè)取得長足發(fā)展，鑄件產(chǎn)量是以犧牲環(huán)境保護、浪費能源和材料為代價。在我國鑄造生產(chǎn)中，能源和材料的投人約占其產(chǎn)值的55％-70％。是機械工業(yè)的耗能大戶，其能耗占機械工業(yè)總能耗的23％-62％，能耗利用率為l5％-25％。我國每噸鑄件所需能源是工業(yè)發(fā)達國家的2—3倍。我國每生產(chǎn)1噸合格鑄鐵件的能耗為500-700kg標煤，占生產(chǎn)成本的15％，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)1噸合格鑄鋼件的能耗為800-1000kg標煤，國外僅為500-800kg標煤。造成我國鑄造業(yè)能耗高的主要原因是多方面的。
2.1 經(jīng)濟規(guī)模差專業(yè)化程度低
我國現(xiàn)有鑄造廠點約2.2萬個，點多規(guī)模小，專業(yè)化程度低。按2003年我國鑄件總量1987萬噸計，平均每一鑄造企業(yè)的產(chǎn)量不足1000噸，其中300噸以下企業(yè)約占1／3，年產(chǎn)300-5000噸的企業(yè)占l／2以上，年產(chǎn)5000噸以上企業(yè)只占l／6，年產(chǎn)萬噸以上的企業(yè)約占1％。工業(yè)發(fā)達國家的鑄造企業(yè)一般規(guī)模都在5000噸以上，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)達國家達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，而且還有相當多的鑄造企業(yè)是“大而全”，“小而全”，沒有形成技術特色、產(chǎn)品特色，設備配置不合理，利用率低，大馬拉小車現(xiàn)象普遍存在，造成能源損失大。
2.2 鑄造生產(chǎn)工藝技術裝備等基礎條件差
我國鑄造生產(chǎn)過程和檢測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鑄件生產(chǎn)能耗的50％。熔煉鑄鐵時，工業(yè)發(fā)達國家大多數(shù)采用熱風連續(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。鐵水溫度普遍在1380℃-1450℃(國外為1500℃一1550℃)。熔煉鑄鋼時，工業(yè)發(fā)達國家在冶煉合金鋼時多采用AOD、VOD設備，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。有時企業(yè)由于電力供應不足，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。一般第一次爐鋼水的耗電量在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增高。熔煉有色合金時，國外采用工頻感應電爐熔煉，熱效率達45％，我國有不少企業(yè)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l1％、3％-7％、25％。
(2)造型、制芯
國內(nèi)除少數(shù)為汽車、內(nèi)燃機配套的鑄造骨干企業(yè)采用高密度的高壓、靜壓、射壓、氣沖造型等先進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造型或手工造型或粘土干型、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)工藝設計
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)驗設計，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，表面粗糙度比國外差l-2級，加工余量比國外高出1倍以上，鑄件壁厚也比國外厚得多。鑄件廢品率也比國外高得多，我國鑄鐵件廢品率通常為9％-15％，鑄鋼件廢品率為5％一l5％，而國外的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。
2.3 缺乏科學管理
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。政府有關部門未能對鑄造行業(yè)的能源合理利用和節(jié)約進行全面規(guī)劃和政策引導。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)和標準化體系也尚未建立。不少鑄造企業(yè)的領導對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構(gòu)，又沒有從事能源管理、節(jié)能技術推廣的專門管理人員。只重產(chǎn)值，不計能耗，只重使用能源，忽視能源節(jié)約，從而造成了鑄造行業(yè)能耗高、能源浪費的局面。
3.鑄造生產(chǎn)的節(jié)能技術與節(jié)能措施
經(jīng)過我國鑄造工作者長期不懈的努力，取得了一系列鑄造生產(chǎn)的節(jié)能技術與節(jié)能措施，這些節(jié)能技術仍具有現(xiàn)實的適用價值，值得推廣應用。
3.1 以熔煉為中心的節(jié)能技術
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，采用先進適用的熔煉設備和熔煉工藝是節(jié)能的主要措施。
3.1.1 鑄鐵熔煉的節(jié)能技術
(1)推廣采用熱風、水冷、連續(xù)作業(yè)長爐齡沖天爐沖天爐向大型化、長時間連續(xù)作業(yè)方向發(fā)展是必然趨勢。
國外的鑄造企業(yè)把它作為一項重要節(jié)能措施加以應用。近些年來，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沖天爐技術，可節(jié)約焦炭20％-30％，降低廢品率5％，Si、Mn燒損分別降低5％-10％；水冷無爐襯和薄爐襯沖天爐，連續(xù)作業(yè)時間長，可節(jié)能30％以上；熱風沖天爐既節(jié)能又環(huán)保。
(2)推廣沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉工藝
沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉是利用沖天爐預熱、熔化效率高和感應電爐過熱效率高的優(yōu)點，來提高鐵液質(zhì)量，達到降低能耗的目的。近些年來，隨著焦炭、生鐵等原材料價格大幅上揚和鑄件品質(zhì)要求越來越高，單獨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)濟效益和節(jié)能效果。
(3)推廣應用鑄造焦
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。由于鑄造焦價格高或是由于習慣等原因至今國內(nèi)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，推廣應用鑄造焦是提高鑄件質(zhì)量，降低能源消耗的措施之一。
(4)沖天爐富氧、除濕送風
沖天爐使用冶金焦時，鐵液溫度很難穩(wěn)定達到1500℃，如采用3％的富氧送風就能保證，并且每噸鐵液可凈降低能耗l0kg左右標煤。沖天爐除濕送風通常在南方潮濕地區(qū)使用，它可以提高鐵液溫度，減少硅、錳等元素的燒損，提高鐵液質(zhì)量和熔化率，降低焦耗13％-17％。
(5)沖天爐采用計算機控制技術
沖天爐采用計算機控制包含計算機配料、爐料自動稱量定量和熔化過程的自動化控制。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。與手工控制相比，可節(jié)約焦炭10％-15％。
(6)推廣使用沖天爐專用高壓離心節(jié)能風機
目前國內(nèi)仍有不少沖天爐使用羅茨或葉氏容積式風機，能耗大噪聲高。采用沖天爐專用的高壓離心風機，可節(jié)電50％-60％，熔化率提高33％左右。
3.1.2 鑄鋼熔煉的節(jié)能技術
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，這兩種熔煉設備不僅效率低，而且造成環(huán)境污染，應盡快淘汰，代之采用熱效率高、作業(yè)環(huán)境好、熔煉金屬液質(zhì)量高的感應電爐熔煉。
3.2 以加熱系統(tǒng)為中心的節(jié)能技術
鑄造生產(chǎn)中工業(yè)爐窯能耗僅次于熔化設備，約為總能耗20％。對各種加熱爐、烘干爐、退火爐，應從爐型結(jié)構(gòu)到燃燒技術等進行技術改造。采用耐火保溫材料改造現(xiàn)有窯爐，節(jié)能效果顯著。對燃煤工業(yè)爐的加煤采用機械加煤比手工加煤節(jié)能20％左右。將燃煤的砂型、砂芯烘干爐改為明火反燒法，可節(jié)煤15％-30％。對型芯烘干爐采用遠紅外干燥技術可節(jié)電30％-40％。對大型鑄件采用振動時效消除應力處理比采用熱時效處理可節(jié)能80％以上。可鍛鑄鐵鋅氣氛快速退火工藝可節(jié)電或降低煤耗50％以上。
3.3 以采用先進適用的造型制芯技術與裝備，提高鑄件質(zhì)量為中心的節(jié)能技術
目前，國內(nèi)幾種造型工藝的能耗對比分別為“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，應予淘汰。濕型能耗最低，且適應性強，這是濕型仍大量采用的原因之一。應根據(jù)鑄件品質(zhì)要求，鑄件特點來選用先進的高壓、靜壓、射壓、氣沖造型工藝和設備，以及應用自硬砂技術、消失模鑄造技術和特種鑄造技術。
用樹脂自硬砂、水玻璃有機酯自硬砂和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，鑄件尺寸精度為2-4級，表面粗糙度細1—3級，質(zhì)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％，每噸鐵水可多生產(chǎn)8—10kg鑄件，相當于節(jié)煤5-7kg。鑄件廢品率每降低1％，能耗就降低1.25％，鑄件質(zhì)量每降低1％，能耗就降低1.01％。由此可見，采用先進工藝技術與裝備，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。
3.4 推廣低應力鑄鐵件、鑄態(tài)球墨鑄鐵件、球鐵無冒口鑄造以及鑄鋼保溫補貼節(jié)能技術
我國用于灰鑄鐵件熱時效的能耗每噸鑄件為40-100kg標煤，用于球墨鑄鐵件退火、正火的能耗每噸鑄件為100-180kg標煤。除少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)汽車發(fā)動機、內(nèi)燃機鑄件不用熱時效工藝外，大多生產(chǎn)這類鑄件的企業(yè)仍采用熱時效工藝消除應力，這是我國鑄造行業(yè)能耗居高不下的原因之一。推廣直用薄壁高強度灰鑄鐵件生產(chǎn)技術和高硅碳比鑄鐵件生產(chǎn)技術，生產(chǎn)汽車發(fā)動機、內(nèi)燃機的缸體、缸蓋和機床床身等鑄件，可獲得不用熱時效工藝的低應力鑄鐵件，達到節(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，氧化等缺點。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，推廣應用低應力鑄鐵件，鑄態(tài)球墨鑄鐵件和球鐵無冒口鑄造技術，對于全行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要的意義。鑄鋼件采用保溫冒口，保溫補貼，可使工藝出品率由60％提高到80％。
3.5 推廣沖天爐廢氣綜合利用和余熱回收利用技術，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和節(jié)能
目前我國90％的鑄鐵是用沖天爐熔煉生產(chǎn)的，這種狀況仍將保持相當長的時間。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，又浪費大量熱能。沖天爐熔煉時除38％-43％的有效熱量用于熔煉外，煙氣帶走的熱量為7％一16％，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％一5％。這些熱量占30％一45％。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)是利用密筋爐膽預熱鼓風，熱風溫度為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，使熱風溫度達600-800℃，沖天爐鐵水溫度達1500-1550℃，熔化效率提高45％，既達到節(jié)能，提高鐵水質(zhì)量的目的，又實現(xiàn)了環(huán)保的要求。
4.發(fā)展鑄造節(jié)能技術的建議
4.1 加強科學管理，全面提升節(jié)能管理水平
要以科學發(fā)展觀，加強對能源的科學管理，合理使用能源，節(jié)約能源資源。
(1)政府有關部門應加強對鑄造行業(yè)進行宏觀調(diào)控和政策引導，建立鑄造行業(yè)促進能源資源節(jié)約的體制機制，實行能源資源利用率和最低技術水平準入制度，明確控制考核目標；制定促進節(jié)約能源的財稅、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、督促企業(yè)合理使用能源和節(jié)約能原。
(2)鑄造企業(yè)的新建、改建、擴建和技術改造項目都應嚴格執(zhí)行《機械工業(yè)節(jié)能設計技術規(guī)定》和其他行業(yè)節(jié)能設計標準，要認真貫徹執(zhí)行國家關于“凡是新建和擴建的基本建設項目，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，治理污染的項目與主體工程同時設計，同時施工，同時投產(chǎn)”的有關規(guī)定。
(3)在鑄造行業(yè)中，全面開展鑄造廠、點的能量平衡、節(jié)能評比、節(jié)能升級、節(jié)能技術改造等項工作，充分挖掘節(jié)能潛力。
(4)建立長效的節(jié)能管理機制。上級管理部門要有專門管理機構(gòu)；鑄造行業(yè)要建立行業(yè)性節(jié)能學術機構(gòu)，組織和推動行業(yè)節(jié)能工作；鑄造企業(yè)要設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人員。
4.2 搞好結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式
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，切實調(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)、復雜程度)原則或按鑄造方法分類，通過重組、兼并實現(xiàn)專業(yè)化經(jīng)濟能耗的基礎。
搞好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化，要以市場為導向，在滿足現(xiàn)有產(chǎn)品要求的基礎上創(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，減少低牌號灰鑄鐵件的生產(chǎn)，增加鋁、鎂、鈦、球鐵、合金鑄鋼等高比強合金鑄件和壓鑄、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。盡可能少出口低檔鑄件產(chǎn)品，出口低檔鑄件就等于出口金屬材料資源、能源資源和動力資源，而獲得的利潤甚少。
搞好能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化。目前，我國鑄造行業(yè)的加熱爐主要是以燃煤為主，能源利用率低，工藝參數(shù)難以控制，很難滿足合金鋼鑄件和球墨鑄鐵件熱處理的工藝要求，而且又污染大氣，不利于環(huán)境保護。因此，可適當改用電爐、天然氣爐、油爐、既提高了鑄件質(zhì)量，又能減輕對環(huán)境的污染，同時還提高了能源的利用率。
4.3 狠抓節(jié)能教育，樹立正確的節(jié)能觀
近些年來，我國頒布了節(jié)能法和一些法規(guī)，對強化用能管理，降低能源消耗起到了一定作用。但總的說來，人們節(jié)能意識普遍淡薄，對現(xiàn)行的節(jié)能法規(guī)和制度貫徹執(zhí)行不力，一些被列人淘汰的高能耗設備和落后工藝仍在使用。要加強節(jié)約能源的宣傳教育，開展形式多樣的節(jié)約能源活動，提高人們的能源資源意識和節(jié)約意識，增強節(jié)約能源的自覺性。但鑄造行業(yè)的節(jié)能不是單純的減少能源消耗，而是以提高鑄件質(zhì)量，降低廢品率、減少消耗、提高綜合經(jīng)濟效益為中心的節(jié)能，只有在保證提高鑄件質(zhì)量、降低廢品率、減少消耗的前提下才是最大的節(jié)能。
4.4 加強技術進步，推動節(jié)能技術創(chuàng)新
政府有關部門要在政策、資金上支持企業(yè)增強技術刨新能力建設，建立以企業(yè)為主體的節(jié)能技術創(chuàng)新體系，加大科技投入，支持產(chǎn)、學、研，聯(lián)合開發(fā)先進適用的提高能源利用率和鑄造清潔化節(jié)能生產(chǎn)技術。 |
