從某鑄鋼廠的工藝、設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（機械工業(yè)第六設計研究院，鄭州 450007）

從某鑄鋼廠的工藝、設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（機械工業(yè)第六設計研究院，鄭州 450007）

本文結合國內某鑄鋼廠工藝、設備的選用，指出在項目建設過程要始終關注節(jié)能減排，并要從軟件與硬件上同時保障日后鑄造企業(yè)的低成本、低排放的運行。

節(jié)能減排；鑄造工藝；V法鑄造

1 引言

我國已從2004年起穩(wěn)居世界鑄件總產量第一位，但在產品質量、生產設施、企業(yè)規(guī)模、生產效率、能耗、環(huán)保等諸多方面與工業(yè)發(fā)達國家還有很大差距。我國雖是鑄造大國，但不是鑄造強國。節(jié)能對鑄造企業(yè)來講更是日益重要，也是在新形勢下降低成本、增強企業(yè)競爭力的有效手段。因此，我們要在新的挑戰(zhàn)面前抓住機遇，在更為激烈的市場競爭中獲得可持續(xù)發(fā)展，就必須高度重視節(jié)能減排工作。

某鑄造公司是一個集鑄鋼、鑄銅、機械加工為一體的綜合型鑄造企業(yè)，股份制經營。公司1998年被鐵道部定為“鐵路產品定點生產廠”，采用普通水玻璃砂工藝生產機車車輛的搖枕、側架、鉤體、鉤舌、鉤尾筐等車輛件以及橋殼、礦山機械配件等民用鑄鋼件，具有年產100000t鑄鋼件的生產能力，其主要材質為 ZG25MnNi、ZG25MnCrNiMo、ZG270-500。

該合金鋼配件項目是由該公司于2005開始投資實施的，由機械工業(yè)第六設計研究院于2005年完成設計，采用V法鑄造工藝。整條生產線主要設備由德國HWS公司提供，配套設備由青島雙星鑄機公司提供，整體制芯設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。項目建成后每年可使用V法造型工藝生產合格鑄件40000t。

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

2002年國家通過了《中華人民共和國清潔生產促進法》，旨在促進清潔生產，提高資源利用效率，減少和避免污染物的產生，保護和改善環(huán)境。因此，日趨嚴格的環(huán)境與資源的約束，必將使以清潔生產為特征的綠色制造技術成為21世紀制造業(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、嚴重污染環(huán)境的落后狀況，積極發(fā)展清潔化鑄造生產。

2 項目實施中工藝、設備的節(jié)能技術

2.1 以工藝為中心的節(jié)能技術

實現鑄造生產的節(jié)能減排和清潔化生產，必須從項目建設的源頭抓起。工藝設計處于鑄造生產工序的最前端，是整個鑄造企業(yè)生產的龍頭，也是鑄造生產實現節(jié)能減排和清潔化生產的源頭。在工程設計之初就從熔煉、造型、制芯、砂處理、熱處理各個工藝環(huán)節(jié)考慮節(jié)能技術。

2.1.1 以熔煉工藝為中心的節(jié)能技術

鑄鋼件熔煉部分的能耗約占鑄件生產總能耗的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工藝和熔煉設備是節(jié)能的主要措施。本項目年產鑄鋼件40000t，產品主要為鐵路機車車輛鑄鋼件，國內通常工藝為槽出鋼電弧爐熔煉廢鋼，據估算，本項目每年僅熔煉消耗的電能就達2.4×107kW·h，因此改進或提高傳統(tǒng)熔煉工藝水平對今后工廠的節(jié)能生產十分必要。

經過多次的調研和試驗，確定了以2臺20t偏心底出鋼電弧爐熔煉加1臺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進行加熱、吹氬攪拌、脫硫、脫氧、去除夾雜、合金化、調整成分溫度等處理。

電弧爐主要參數：

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；

出鋼傾動角度：常規(guī)15°，最大20°；

出渣傾動角度：常規(guī)12°，最大15°；

爐蓋旋開角度：72°；

爐蓋提升高度：400mm。

LF爐主要參數：

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：

（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℃），縮短出鋼時間（約75%），因而可縮短冶煉時間，降低電耗和電極消耗，提高生產率。

（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，相當于熱裝了部分的鋼液，加快了生產周期，提高了合金回收率，還節(jié)約了大量的能源。

（c）用鋼包精煉爐技術后，鋼液中的有害元素和有害氣體降到了一個較低的含量水平，使鋼中不易形成對鑄件材質有嚴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使用環(huán)境的適應性。

（d）氬氣的攪拌作用加速了鋼 ／渣之間的化學反應，有利于鋼液脫硫、脫氧，促進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，鋼液無需起重機吊運，直接由鋼包車接取后運送到鋼包精煉工位，減少了吊車使用頻率，縮短了生產周期，節(jié)約了能源。

2.1.2 以采用先進適用造型制芯工藝與裝備為中心的節(jié)能技術

當前，國內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采用沒有或較少粘結劑的V法造型、整體芯工藝。普通水玻璃砂鑄件具有成本低、產品質量較高、操作簡便等特點，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容易，工作條件較好等優(yōu)點，其在小批量機車車輛鑄鋼件的應用在不斷擴大。V法工藝為綠色鑄造工藝，目前主要在日本、德國和俄羅斯使用，具有鑄件質量高、清理簡單、環(huán)境好等優(yōu)點，但也存在投資大、生產率低等缺點。

經過認真的調研和長期的工藝試驗，結合鐵路產品鑄鋼件的實際情況，決定采用V法造型工藝，整體制芯工藝，可為未來的國內外客商提供高質、批量的鑄鋼件，鑄件質量達到國際先進水平。

（1）造型線組成及工藝流程

砂箱尺寸為 3000×1900×450/550（mm），搖枕、側架每箱2件，鉤體、鉤尾框均每箱6件，造型線的生產率達到20箱/小時。整套設備由下箱造型圈，上箱造型圈，下芯線，澆注線，冷卻線，落砂線，推送緩沖裝置，轉運車，砂箱轉運裝置，翻箱裝置，清掃裝置，安全護欄，真空連接裝置，砂處理，輔助的液壓、電控、氣動等部分組成，整套設備布置在長180m、寬96m的雙跨車間內（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）主要技術參數

砂箱尺寸：3000mm×1900mm×450/550mm；

生產率：20整型/小時；

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（真空靠隨行車移動的干式泵或拖真空管保持）吊運至落砂柵格（撤掉真空）→吊走上箱、鑄件、下箱→舊砂落到落砂過渡斗→振動輸送機→磁選機→鏈式斗提機→直線振動篩砂機→過渡砂庫→水冷風冷式沸騰冷卻床→斗式提升機→造型砂庫→雨淋加砂開關→造型砂箱；輔以電控、除塵、氣動系統(tǒng)便構成了V法鑄造生產線的砂處理系統(tǒng)。

該砂處理工藝簡單，舊砂回用率可達95%以上，沒有任何帶化學污染物的廢砂排放，鐵路車輛鑄件的鑄造生產真正實現了綠色生產，其對環(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

鑄造生產中工業(yè)爐窯能耗僅次于熔化設備，約為總能耗的20%。對各種加熱爐、烘干爐、退火爐，應從爐型結構到燃燒技術等進行技術升級。在設備選用時，對該類設備采用以下節(jié)能措施：

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

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

通過以上技術的實施，鑄件熱處理部分能耗降低約15%。

2.2 以設備為中心的節(jié)能技術

2.2.1 增強設備可靠性

（a）將V法造型線由常規(guī)成熟的圓盤式設計改為直列式設計，留出較長的下芯區(qū)。搖枕側架等鑄件砂芯較多時，可在下芯前將各芯組合完成后下芯，可以配合生產線實現較高的生產率。

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

（c）通過不同澆注溫度的試驗，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，改為放在對應位置的砂芯內，完全消除了熱節(jié)處縮孔，簡化了造型操作，提高生產可靠性。

2.2.2 增加設備精度

（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，在各輥道線下設置矩形鋼管制作的固定真空梁、移動真空梁各一條，移動真空梁下裝有滾輪可在軌道上移動。砂箱靜止時由固定真空梁通過模板或托板對砂箱抽真空；砂箱移動時，先是移動真空梁靠油缸拉力縮回，連接固定真空梁的真空閥氣缸動作，自動與托板的真空連接裝置脫開，移動真空梁真空閥氣缸動作，自動與托板另一側真空連接裝置對接，保證砂箱真空狀態(tài)的連續(xù)性。另外，在模板和托板上，均設置了單向閥，保證在脫開真空聯接后，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，雖然有利于各種輔助作業(yè)，但對砂箱的定位要求相對較高，包括在輥子帶上運行時的定位，以及上下箱在合箱時要求迅速對中以減少錯箱和砂箱銷孔、銷套磨損。一是從加工精度上充分保證，輥子帶用兩件30mm厚鋼板中間加筋板焊接后加工而成，保證充足的剛性和強度，各安裝部位(包括長度方向)均為精加工表面，以確保整線安裝精度；二是各輥道線兩端、各轉運車上均設置了雙向夾緊的定位裝置，夾緊機構確保砂箱在靠油缸推力到達位置的進一步定位，同時防止砂箱產生不必要的前后晃動。

（c）質量保證：整條線因生產率較高，各方面配置均采用了世界名牌產品。如油缸、液壓閥塊采用德國力士樂產品，氣動元件采用德國FESTO及英國NORGREN產品，轉運車減速電機選用德國LENZE低齒隙斜齒輪減速電機，拖鏈采用德國IGUS工程塑料拖鏈，電器執(zhí)行元件采用德國TURCK產品。

2.3 項目技術水平及綜合能耗表（表1）

表1 項目技術水平及綜合能耗表

3 結語

我國的鑄造企業(yè)要在總結以往節(jié)能減排經驗的基礎上，結合企業(yè)情況制定切實的節(jié)能目標和措施。在工程建設初期就應優(yōu)先選用先進的環(huán)保節(jié)能工藝和環(huán)保節(jié)能設備，促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。讓我們每個鑄造企業(yè)都積極行動起來，節(jié)約每一噸煤、每一度電，為減少和避免污染物的產生，保護和改善環(huán)境，建設節(jié)約型、友好型社會，真正實現鑄造的清潔生產做出應有的貢獻。

[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.鑄造設備研究,2006（5）.

[3]馬永杰.鑄造生產的節(jié)能技術與節(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