从某铸钢厂的工艺、设备选用浅谈铸造企业的节能减排

刘统洲，李怀明，李子方（机械工业第六设计研究院，郑州 450007）

从某铸钢厂的工艺、设备选用浅谈铸造企业的节能减排

刘统洲，李怀明，李子方（机械工业第六设计研究院，郑州 450007）

本文结合国内某铸钢厂工艺、设备的选用，指出在项目建设过程要始终关注节能减排，并要从软件与硬件上同时保障日后铸造企业的低成本、低排放的运行。

节能减排；铸造工艺；V法铸造

1 引言

我国已从2004年起稳居世界铸件总产量第一位，但在产品质量、生产设施、企业规模、生产效率、能耗、环保等诸多方面与工业发达国家还有很大差距。我国虽是铸造大国，但不是铸造强国。节能对铸造企业来讲更是日益重要，也是在新形势下降低成本、增强企业竞争力的有效手段。因此，我们要在新的挑战面前抓住机遇，在更为激烈的市场竞争中获得可持续发展，就必须高度重视节能减排工作。

某铸造公司是一个集铸钢、铸铜、机械加工为一体的综合型铸造企业，股份制经营。公司1998年被铁道部定为“铁路产品定点生产厂”，采用普通水玻璃砂工艺生产机车车辆的摇枕、侧架、钩体、钩舌、钩尾筐等车辆件以及桥壳、矿山机械配件等民用铸钢件，具有年产100000t铸钢件的生产能力，其主要材质为 ZG25MnNi、ZG25MnCrNiMo、ZG270-500。

该合金钢配件项目是由该公司于2005开始投资实施的，由机械工业第六设计研究院于2005年完成设计，采用V法铸造工艺。整条生产线主要设备由德国HWS公司提供，配套设备由青岛双星铸机公司提供，整体制芯设备由苏州明志公司提供。工程总投资约3亿元，总建筑面积约30000m2。项目建成后每年可使用V法造型工艺生产合格铸件40000t。

铸造行业既是能耗大户，也是污染大户。据统计，在该公司原有工艺的铸造生产中，能源和材料的投入约占其产值的60%。每生产1吨合格铸钢件的能耗为700kg标煤，同时要排放粉尘40kg，废气1200m3，废砂 800kg，废渣 300kg。

2002年国家通过了《中华人民共和国清洁生产促进法》，旨在促进清洁生产，提高资源利用效率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境。因此，日趋严格的环境与资源的约束，必将使以清洁生产为特征的绿色制造技术成为21世纪制造业的重要特征。铸造企业要持续发展，必须从“源削减”做起，彻底改变高耗能耗材、严重污染环境的落后状况，积极发展清洁化铸造生产。

2 项目实施中工艺、设备的节能技术

2.1 以工艺为中心的节能技术

实现铸造生产的节能减排和清洁化生产，必须从项目建设的源头抓起。工艺设计处于铸造生产工序的最前端，是整个铸造企业生产的龙头，也是铸造生产实现节能减排和清洁化生产的源头。在工程设计之初就从熔炼、造型、制芯、砂处理、热处理各个工艺环节考虑节能技术。

2.1.1 以熔炼工艺为中心的节能技术

铸钢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工艺和熔炼设备是节能的主要措施。本项目年产铸钢件40000t，产品主要为铁路机车车辆铸钢件，国内通常工艺为槽出钢电弧炉熔炼废钢，据估算，本项目每年仅熔炼消耗的电能就达2.4×107kW·h，因此改进或提高传统熔炼工艺水平对今后工厂的节能生产十分必要。

经过多次的调研和试验，确定了以2台20t偏心底出钢电弧炉熔炼加1台30t LF精炼炉精炼的钢液熔炼（精炼）工艺。电弧炉与LF精炼炉采用在线布置，电弧炉初炼后的钢液由LF钢包精炼炉的钢包车直接从电弧炉处接取，然后在钢包精炼炉内进行加热、吹氩搅拌、脱硫、脱氧、去除夹杂、合金化、调整成分温度等处理。

电弧炉主要参数：

额定容量：20t；

最大容量：30t；

变压器额定容量：16000kVA；

变压器一次电压：35kV；

电极直径：400mm；

炉壳直径：4000mm；

出钢倾动角度：常规15°，最大20°；

出渣倾动角度：常规12°，最大15°；

炉盖旋开角度：72°；

炉盖提升高度：400mm。

LF炉主要参数：

额定容量：30t；

钢包上口外径：2450mm；

钢液面直径：1860mm；

自由空间高度：400mm；

钢液深度：17000mm；

变压器额定容量：550kVA；

变压器一次电压：35kV；

电极直径：300mm；

钢包车行走速度：0～20m/min。

该工艺具有以下优点：

（a）偏水底电弧炉出钢快，钢流短，钢液降温少，吸气少，可使出钢温度降低（30℃），缩短出钢时间（约75%），因而可缩短冶炼时间，降低电耗和电极消耗，提高生产率。

（b）钢渣与15%左右的钢液留在炉中，为下一炉早期吹氧、早期脱磷造成了有利条件，相当于热装了部分的钢液，加快了生产周期，提高了合金回收率，还节约了大量的能源。

（c）用钢包精炼炉技术后，钢液中的有害元素和有害气体降到了一个较低的含量水平，使钢中不易形成对铸件材质有严重破坏的非金属夹杂物，从而提高了铸件的低温性能和铸件对使用环境的适应性。

（d）氩气的搅拌作用加速了钢 ／渣之间的化学反应，有利于钢液脱硫、脱氧，促进钢液中非金属杂物的上浮和去除，提高了钢液温度和成分的均匀性。

（e）电弧炉与LF精炼炉采用在线布置，钢液无需起重机吊运，直接由钢包车接取后运送到钢包精炼工位，减少了吊车使用频率，缩短了生产周期，节约了能源。

2.1.2 以采用先进适用造型制芯工艺与装备为中心的节能技术

当前，国内外车辆铸钢件主要有以下几种造型制芯工艺：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采用没有或较少粘结剂的V法造型、整体芯工艺。普通水玻璃砂铸件具有成本低、产品质量较高、操作简便等特点，但由于水玻璃的特性，普遍存在着砂再生处理困难，清理工作量大，工作条件差等不足。酯硬化水玻璃砂造型制芯工艺是近几年发展的一种新工艺，具有砂再生处理相对容易，工作条件较好等优点，其在小批量机车车辆铸钢件的应用在不断扩大。V法工艺为绿色铸造工艺，目前主要在日本、德国和俄罗斯使用，具有铸件质量高、清理简单、环境好等优点，但也存在投资大、生产率低等缺点。

经过认真的调研和长期的工艺试验，结合铁路产品铸钢件的实际情况，决定采用V法造型工艺，整体制芯工艺，可为未来的国内外客商提供高质、批量的铸钢件，铸件质量达到国际先进水平。

（1）造型线组成及工艺流程

砂箱尺寸为 3000×1900×450/550（mm），摇枕、侧架每箱2件，钩体、钩尾框均每箱6件，造型线的生产率达到20箱/小时。整套设备由下箱造型圈，上箱造型圈，下芯线，浇注线，冷却线，落砂线，推送缓冲装置，转运车，砂箱转运装置，翻箱装置，清扫装置，安全护栏，真空连接装置，砂处理，辅助的液压、电控、气动等部分组成，整套设备布置在长180m、宽96m的双跨车间内（图1）。

主要工艺流程：烤膜—覆膜—喷涂料—造型—修型—下芯合箱—浇注—落砂清理—成品。

（2）主要技术参数

砂箱尺寸：3000mm×1900mm×450/550mm；

生产率：20整型/小时；

硅砂：SiO2含量≥98%；

最高砂温：40℃；

砂循环量：160t/h；

空气消耗：231Nm3/h；

真空泵水消耗：87.4m3/h；

真空泵水加入量：4.37m3/h。

2.1.3 旧砂回收与再利用

V法工艺砂处理工艺流程为：人工将浇注后的砂箱（真空靠随行车移动的干式泵或拖真空管保持）吊运至落砂栅格（撤掉真空）→吊走上箱、铸件、下箱→旧砂落到落砂过渡斗→振动输送机→磁选机→链式斗提机→直线振动筛砂机→过渡砂库→水冷风冷式沸腾冷却床→斗式提升机→造型砂库→雨淋加砂开关→造型砂箱；辅以电控、除尘、气动系统便构成了V法铸造生产线的砂处理系统。

该砂处理工艺简单，旧砂回用率可达95%以上，没有任何带化学污染物的废砂排放，铁路车辆铸件的铸造生产真正实现了绿色生产，其对环境的影响降到了最低程度。

2.1.4 以热处理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，约为总能耗的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升级。在设备选用时，对该类设备采用以下节能措施：

（a）选用耐火纤维作炉衬并选用自动控制的工业炉，减少炉体的储热损失和散热损失；

（b）采用新型燃烧装置如平焰烧嘴和自身预热烧嘴以及新型燃烧技术，减少不完全燃烧和改善炉内气流方向。

通过以上技术的实施，铸件热处理部分能耗降低约15%。

2.2 以设备为中心的节能技术

2.2.1 增强设备可靠性

（a）将V法造型线由常规成熟的圆盘式设计改为直列式设计，留出较长的下芯区。摇枕侧架等铸件砂芯较多时，可在下芯前将各芯组合完成后下芯，可以配合生产线实现较高的生产率。

（b）取消了原工艺中设置的出气孔棒，改为在砂型需要排气的部位扎小孔，通过真空系统抽气的措施，同样达到了防止呛火、气孔产生的目的，简化造型操作，提高生产可靠性。

（c）通过不同浇注温度的试验，大幅度减少了外型成型冷铁，将两处原在外型放置的成型冷铁，改为放在对应位置的砂芯内，完全消除了热节处缩孔，简化了造型操作，提高生产可靠性。

2.2.2 增加设备精度

（a）上箱造型、下箱造型、下芯线、浇注线砂箱均带有抽真空装置，在各辊道线下设置矩形钢管制作的固定真空梁、移动真空梁各一条，移动真空梁下装有滚轮可在轨道上移动。砂箱静止时由固定真空梁通过模板或托板对砂箱抽真空；砂箱移动时，先是移动真空梁靠油缸拉力缩回，连接固定真空梁的真空阀气缸动作，自动与托板的真空连接装置脱开，移动真空梁真空阀气缸动作，自动与托板另一侧真空连接装置对接，保证砂箱真空状态的连续性。另外，在模板和托板上，均设置了单向阀，保证在脱开真空联接后，砂箱继续保持真空状态，有效保证了砂箱的真空度。

（b）砂箱定位：整条造型线布局较长，虽然有利于各种辅助作业，但对砂箱的定位要求相对较高，包括在辊子带上运行时的定位，以及上下箱在合箱时要求迅速对中以减少错箱和砂箱销孔、销套磨损。一是从加工精度上充分保证，辊子带用两件30mm厚钢板中间加筋板焊接后加工而成，保证充足的刚性和强度，各安装部位(包括长度方向)均为精加工表面，以确保整线安装精度；二是各辊道线两端、各转运车上均设置了双向夹紧的定位装置，夹紧机构确保砂箱在靠油缸推力到达位置的进一步定位，同时防止砂箱产生不必要的前后晃动。

（c）质量保证：整条线因生产率较高，各方面配置均采用了世界名牌产品。如油缸、液压阀块采用德国力士乐产品，气动元件采用德国FESTO及英国NORGREN产品，转运车减速电机选用德国LENZE低齿隙斜齿轮减速电机，拖链采用德国IGUS工程塑料拖链，电器执行元件采用德国TURCK产品。

2.3 项目技术水平及综合能耗表（表1）

表1 项目技术水平及综合能耗表

3 结语

我国的铸造企业要在总结以往节能减排经验的基础上，结合企业情况制定切实的节能目标和措施。在工程建设初期就应优先选用先进的环保节能工艺和环保节能设备，促进企业的可持续发展。让我们每个铸造企业都积极行动起来，节约每一吨煤、每一度电，为减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，建设节约型、友好型社会，真正实现铸造的清洁生产做出应有的贡献。

[1]李化芳,任立军,王年生.浅谈铸造企业节能措施.热加工工艺，2006（13）.

[2]孔维军，刘小龙.铸造工厂的环保与节能.铸造设备研究,2006（5）.

[3]马永杰.铸造生产的节能技术与节能措施.热加工工艺，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

刘统洲（1979-），男，工程师