大型锻件生产工程设计（下）

2014-10-10喻兴娟王宙平陈文勋中国联合工程公司

锻造与冲压 2014年3期

关键词：锻件厂房能耗

文／喻兴娟，王宙平，陈文勋·中国联合工程公司

大型锻件生产工程设计（下）

文／喻兴娟，王宙平，陈文勋·中国联合工程公司

《大型锻件生产工程设计(上)》见2014年第1期

厂房设计

建筑设计

大型锻件的生产在高温状态下进行，锻件尺寸大、重量大，散发大量余热、烟雾、灰尘、有害气体，在正确处理好人与货流组织的关系、与地形的关系、与气候的关系的前提下，选择合适的平面形式、合适的柱网、跨度等，正确处理好大型多跨厂房的屋面排水方式、屋面的保温与隔热，在设置足够的采光通风气楼的同时，应适当降低窗台标高或采用窗下百叶形式。

现代工厂作业环境的设计越来越人性化，工厂职业卫生、劳动安全等专项设计在某些地区已经作为工厂设计的一部分，并满足“三同时”建设程序。生产大型锻件的厂房为典型热加工厂房，按照国家职业卫生、劳动安全要求，合理布置生活用房和辅助用房。生活用房包括更衣室、厕所、盥洗室、淋浴室、休息保健室等，布置方式按生产需要和卫生条件而定。车间行政管理用房和一些空间不大的生产辅助用房，可以和生活用房布置在一起。

结构设计

以往，大型锻件生产所用的厂房大多采用钢筋混凝土结构。钢筋混凝土结构材料易得，施工方便，耐火耐蚀，适应面广，可以预制，也可以现场浇注，但施工周期较长。当今，钢结构厂房钢构件以加工方便、能批量流水生产、制作周期短、可以现场拼装等特点，不仅在冷加工厂房中大量应用，在炼钢、铸造、锻造、热处理等热加工厂房设计中也已占据绝对优势，尤其是特别适应现代大跨度、大空间的大型连跨厂房要求。在局部必须耐高温的梁、柱等部位，可以采用外包耐高温隔热材料，确保厂房的安全。

通风方式的选择

大型锻件生产厂房散热量大，烟尘污染严重，为排除室内余热及烟尘，需要的通风量较大，采用机械通风不节能，也不经济，由于室内外温差大，采用自然通风更合理。

自然通风设计是提高厂房内环境质量的重要环节。组织好厂房内部的进、排风气流，使厂房工作区获得能够保证人员健康的新鲜空气，并带走影响工人健康和产品质量的大量余热、二氧化碳和有害气体，是合理设计自然通风的关键。

⑴合理布置厂房位置朝向。

厂房主要进风面一般应与夏季主导风向成60°～90°角，不宜出现小于45°的角，同时要考虑避免西晒的问题。

⑵合理布置进风系统。

根据热压通风原理，进风口的位置应尽可能低。有条件时可在窗台下设可关闭的进风百叶，并且进风侧窗台标高一般不应高于1.2m；对南方炎热地区，低侧窗窗台标高可低至0.4～0.6m；对夏热冬暖地区，低侧窗窗台标高宜采用0.6～0.8m；还可以通过多设置通风大门、门洞、立式中轴窗等方法来加强自然通风。在寒冷地区，进风侧窗可分为上下两排，夏季将下排窗开启，上排窗关闭；冬季将上排窗开启，下排窗关闭，避免冷风直接吹向人体，上排窗下缘距室内地面距离不宜小于4m。

侧窗开启方式应尽量采用平开和立转。外墙中间部分的侧窗，一般按采光窗设计。合理协调进、排气口面积，力求进气口面积不小于排气口面积，是提高自然通风效果极为重要和有效的技术措施，也是提高厂房自然通风效果的关键所在，力求以最低的经济投资，获取最佳的通风效果。

多跨厂房跨与跨之间不宜设隔墙，厂房最大宽度不宜超过60m。连续多跨均为热跨时，可将跨间分离布置，以便缩短进排气口的路径。如果超过60m，需采用自然通风与内跨送风结合的通风方式。

⑶合理布置排风系统。

排风口的位置要尽可能高。当设有天窗时，天窗一般应设在屋脊处，通风天窗的类型较多，有避风气楼、下沉式天窗、通风天窗、通风采光天窗等，各种天窗均有消防排烟的功能。

⑷合理布置发热设备。

为了尽快排除发热设备产生的热空气，需要缩短通风距离，散发热量较大的炉子、压机等应布置在天窗下方。因此，在布置热源——炉子、压机时，应尽量将其放置在夏季主导风向的下风侧处。

⑸合理布置厂房及辅房。

除了考虑通风气楼在满足通风量需要的前提下，力求取得较低的中和面位置，即争取将进风口集中开设在下部作业区的范围内，尽最大努力不沿内外墙布置附属小型建筑物，以免影响车间内的自然通风与采光，尤其是为进风口让出宝贵的下部侧墙面。

与车间生产和管理关系密切的高压泵站、变配电室、循环泵房、生活间与办公室等配套附属建筑物与车间主厂房合建时，其位置布置应以少或不影响车间尤其是主要设备操作区的自然采光与通风为原则。另外，在厂房侧墙的围护结构部分设可开启的通风百叶等，加大进风口面积，克服进气短流的问题，满足散热通风的要求。

在实际工程设计中，如果缺乏精心的合理规划，造成生产、生活辅助设施建筑把主体厂房围得严严实实、水泄不通，厂房失去大片可开设进气口的宝贵位置；在厂房自然通风设计中，又未认真进行研究推敲，只是迁就于既定的建筑设计现状，不管合理与否，消极地拼命加大天窗面积，导致进气口面积不足排气口面积的1/3，使厂房自然通风模式形成极不合理的状况，既增加了投资，通风效果又不佳。只有合理协调进、排气口面积，增大低侧窗的面积(或用大面积开敞的大门)和增大高侧窗的面积或设气楼，利用其高差以利通风换气，才能以最低的经济投资，获取最佳的通风效果。

现今，大型锻件生产大多为多跨连续厂房，厂房宽，散发大量的余热和灰尘等污浊气体，恶化了厂房内部环境，仅靠两侧外墙进气，进气口面积无法满足要求，工作区内也无法得到干净的新鲜空气，必须通过组织厂房自然通风，迅速排除余热和污浊气体而改善厂房内环境质量。图1所示的自然通风与内跨送风结合的通风方式，是多跨大型锻件厂房的较好通风方案。

在解决厂房的通风排气问题的同时，还要克服飘雨的弊端。在考虑设置高侧排风窗时，排风窗的位置建议设在紧靠厂房的檐口部位，排风窗上部严禁留有实墙面，避免产生涡流而导致飘雨；加高高侧排风窗的垂直挡风板，设计成类似全封闭式矩形通风天窗的挡风板，挡风板上部折向屋面成倾斜状，防止任何角度的飘雨；在高侧排风窗下口部位的墙面与垂直挡风板之间，增设水平遮风板，不留设排雨水的缝隙，设置水落管，做有组织排水处理，既可避免风雨由缝隙灌入厂房内，又可避免大量带尘雨水由缝隙下泻污染墙面及下部侧窗，可以防止带尘雨水污染厂房外环境。

车间地坪的设计

图1 多跨厂房自然通风加内跨送风剖面示意图

生产大型锻件时，坯料温度高，对地坪的冲击大，常规机械工厂的地坪不能满足要求。地面材料除水泵房、机修间、生活间可以使用水磨石、混凝土外，其他区域尤其是钢锭、锻件、工装存放区域应选用耐热、耐冲击的素土或炉渣夯实地面，素土或炉渣夯实+素砖地面，以及钢砖或铸铁板、钢轨地面。常规设计时，锻造车间地坪荷载和地面形式选择见表6。

节能设计

根据国家能源研究部门公布的数据，我国每生产100万美元的GDP所消耗的能源是美国的2.5倍，欧洲的5倍，日本的9倍，可见我国的能源利用率低、浪费大。锻造行业是能源消耗大户，在锻件成本构成中，能耗费用约占8%～10%。节约能耗可以降低锻件成本，提高企业经济效益。在国家提倡节能减排的大背景下，只有从项目的工程设计开始，树立精益生产、绿色锻造的理念，从根源上消除企业的浪费情况，综合考虑环境影响和资源效率，才能为企业实现大型锻件产品的节能、环保，为生产效能最大化创造前提条件。

总体布局

总体布局是节能设计的第一步。工厂总平面设计作为工厂建设的一个重要组成部分，应该在保证生产、满足工艺和运输的前提下，结合厂址建设条件，合理确定拟建建筑物、交通运输线路、工程管线等设施的平面区位，使各种设施成为有机整体，使工厂人流、物流和大型锻压设备、热处理设备等在空间上妥当组合、在时间上有效连接，日常运营上节能环保。总体设计与工业运输在大型自由锻生产企业设计节能上需要注意以下几点：

⑴上下道工序炼钢、锻造、粗加工、热处理等均与锻件生产有着极密切的关系，相邻有关车间之间的物料运输频繁，尽可能把相邻工序就近布置或组成联合厂房，确保热钢锭、锻坯的运输路线通畅，运距最短，有机衔接。

⑵注意厂房朝向，合理设置露天跨，便于联合厂房通风采光，降低机械通风能耗。

⑶尽可能把动力辅助设施靠近负荷中心布置。如降压站、配电室宜靠近主要锻压设备布置；空压站宜靠近清理及热处理工装布置等，以缩短线缆、管道长度及减小能损。

■ 表6 锻造车间地坪荷载和地面形式的选择

⑷尽可能考虑发展预留空间，辅助设备尽量集中统一设置。

工业炉节能

锻件生产过程中的能耗包括燃料消耗和动能消耗，炉子燃耗是锻造车间的主要能源消耗。据统计，大型自由锻车间燃料消耗占车间各种能耗的80%以上。

锻件加热、热处理是热锻生产中的重要工序，采用合理的热源，先进的加热炉型，对降低燃料消耗意义重大。国外工业发达国家每吨锻件综合能耗比我国要低很多，例如日本锻造行业平均能耗仅为0.515t标煤/吨锻件。2010年，我国自由锻行业为0.88t标煤/吨锻件，模锻行业平均能耗高达1.4t标煤/吨锻件。据统计，锻件加热能耗约占锻件总能耗的20%，而热处理能耗约占锻件总能耗的35%。

⑴采用合理的热源。

锻件加热常用的燃料有固体燃料、液体燃料、气体燃料、粉末燃料等。其中固体燃料是煤，粉末燃料是煤粉，均为一次性能源；气体燃料有天然气、液化石油气、煤制气、清洗煤气、城市煤气等；液体燃料主要是重油、轻柴油等。现在大多厂家采用天然气，还有部分因条件限制或因成本因素采用液化石油气、煤制气、清洗煤气、城市煤气，也有部分厂家采用重油、轻柴油。

重油或轻柴油加热炉较燃煤炉污染程度低，属于低污染型锻造加热设备。近年来，重油喷嘴技术在加热设备中的应用已经很成熟，多个喷嘴的采用对大型锻件的加热也比较均匀、快捷，产品加热质量好。缺点是原油需要进口，国家紧缺，控制使用，费用高，压缩了锻造企业的利润空间。

由于天然气和液化石油气，国家资源不富裕，供应紧张，且价格昂贵，不少企业还使用以煤为第一能源的煤制气。热煤气因比较脏、不便加压，只能适应于小规模厂家使用。清洗煤气一般在3m以上的煤气发生炉内使用，高温煤气要经过一系列的清洗、冷却和除尘，处理后的煤气比较干净，调节方便，便于加压输送、储存，适用于距离较远或规模较大的锻造企业，或相对集中的中小锻造企业联合建站。采用清洗煤气后，锻件加热成本也较低，大概在700～900元/吨锻件之间。但建站费用大，周期长，对煤种和煤质有一定要求，需定点供应。

⑵采用先进的加热炉型。

毛坯、锻件燃气加热炉采用数字化蓄热式高速脉冲燃烧和控制技术及连续供给燃料蓄热式脉冲燃烧和控制技术。对比采用常规高速烧嘴+空气预热器的燃烧方式，应用于高温锻造加热炉，节能率高达50%，炉温均匀性控制在±10℃之间；应用于中、低温热处理炉，节能率达30%～50%，炉温均匀性控制在±5℃之间。

⑶采用热料装炉工艺。

热料装炉是进行大锻件加热的有效节能措施，即从炼钢车间浇注完成的钢锭不经过冷却直接运送至锻造车间入炉加热，一般入炉温度控制在600℃以上。与冷料装炉相比，可节能40%～45%，同时可以节省加热时间，减少加热炉配置数量，提高生产效率。

⑷高效、分级余热回收技术。

燃料炉中排出的烟气温度高达600～1200℃，带走的热量占总热量的30%～70%，对这部分热量的回收利用是锻造车间节能的重要途径。目前主要的利用方式是采用预热器，即利用烟气余热对助燃空气和气体燃料进行加热。一般认为，每提高空气预热温度100℃，可节约燃料约5%，提高炉子生产能力约为2%。根据预热器的效率不同，出预热器的烟气温度一般在200～800℃之间，对这部分热量再次利用称为余热二次回收利用技术，可把烟气温度从200～800℃降到100～150℃之间。回收的余热进行综合利用，在寒冷的冬季用于采暖，在炎热的夏季用来制冷，在过渡季节用来制取生活热水。随着国家对节能减排的大力推进，余热二次回收利用技术在锻造行业中的应用将越来越广泛。

建筑节能

建筑节能设计在符合建设工程技术法规，符合政府有关的节能规定，符合节能标准、规范的强制性条文，符合当地政府节能审查要点的前提下，同时要符合建筑节能的客观规律，用较少的代价取得良好的建筑节能整体效果。

公用节能

从压缩空气系统、热力系统、给排水系统、配电照明系统、采暖通风系统及物流布置各个方面采取相应的节能措施，以节约能源、降低能耗。

⑴空压站。

选择比功率低和比重量轻的节能型空压机，空压站靠近负荷中心，选择合理的管网布置方式，尽量设置1～2台变频空压机组，用来适应用户用气负荷的变化，合理布置压缩空气管网等。

⑵给排水。

合理选择水源，优先选用城市自来水，城市自来水不能满足要求时才考虑企业间联建水源或工厂自备水源；合理布置输配水管线，使供水便捷，并尽可能减少管件和不必要的阀门等减少系统阻力，减少跑冒滴漏的出现；提高水的重复利用率，北方企业水的重复利用率一般应达到60%，南方企业应达到40%；采用中水技术，回收部分废水、污水，达到一水多用，节约用水；生活热水的热源优先考虑工艺生产设备的余(废)热、二次蒸汽、凝结水或太阳能等。

⑶配电照明。

优先选用低损耗变、配电设备，高压供配电线路应深入负荷中心，简化企业内部供电系统，减小供电半径，节约有色金属并降低电能损耗，合理配置无功补偿装置，使企业的功率因数达到0.9以上。

⑷采暖通风。

通过有效地组织厂房自然通风，迅速排除余热和污浊气体而改善厂房内环境质量。当厂房高度和生产散热量为一定量时，合理协调进、排气口面积，是提高厂房自然通风效果的关键所在。

大型锻件生产涉及水、电、气等能源，不仅种类多，用量大，比一般的机械工厂能耗大得多。这决定了大型锻件生产厂房建筑节能设计必须全方位考虑，首先要减少生产过程中物流的能耗，做好生产过程中的资源、能源的节约，其次是建筑、结构、给排水、暖通、电气、动力等各专业要采取与节能总体目标相适应的节能措施，才能达到最佳的整体节能效果。只有项目团队的各个专业——工艺、建筑、结构、给排水、暖通、动力、电气、技术经济等的通力协作，根据项目的整体节能目标，各专业制定相应的分目标及相应节能措施，形成最佳组合，达到整体最优。

环保设计

为了应对越来越严峻的资源、环境压力，制造业提出了采用绿色制造的可持续发展模式。节材、节能、环保与安全是锻造车间设计时需要重视的几个方面，在当前国家大力推动节能减排的形势下，贯彻节能、环保、安全、高效的“绿色锻造”理念，对锻造车间的工艺设计来说尤为重要。

锻造工业在制造领域中扮演着重要角色，但是在制造行业推行绿色制造生产模式的时候，锻造行业在绿色制造方面却滞后于加工、装配等冷加工行业，其生产中仍然存在着许多违背绿色制造原则的问题。锻造作为传统的热加工行业，生产过程中能耗高、污染大、生产环境恶劣，迫切需要采用绿色制造模式，建设可持续发展的现代锻造企业。在进行锻造工艺设计时，要按照资源使用效率最高、环境影响最小的理念，遵循节能、环保、安全、高效的原则，即工艺设计过程中更加注重节约原材料、节约能源、环境保护、劳动保护等。

自由锻造车间烟尘对工人健康造成危害，对环境形成污染，必须采取适当措施进行治理。废气、烟尘是锻造车间主要的环境污染因素之一，主要来自于燃煤和燃油加热炉的燃烧产物。随着环保、节能要求不断加大，燃煤加热炉正在逐渐被淘汰，新建、扩建厂房多采用煤气、天然气等清洁能源，从而在根本上消灭废气的排放。工业炉排放的烟尘需通过有组织的排烟装置进行排放，不得直接排入车间内的工作场所，车间内应保持良好的全室通风。

高温和热辐射是锻造车间的主要危险因素之一，容易引发工人的职业性中暑及灼伤等。因此进行厂房设计和工艺布局时要给予高度重视，比如厂房设置屋顶天窗、高低窗等保证车间具有良好的通风；工业炉前要留有足够的上下料场地等。