高炉-中频炉双联熔炼生产机床铸铁件可行性研究报告

高炉 -中频炉双联熔炼生产机床铸铁件 可 行 性 报 告 项目 承担 单 位 ： XX 县 XX 铸造研发中心 二一一年九月 - 1 - 高炉中频感应电炉双联熔炼生产机床铸铁 件 可行性研究 报告 一 、 项 目 内 容 简 要 概 述 ： 本项目 研发 的高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺 生产机床类铸件 相对 国内外主要采用的冲天炉熔炼工艺、中频感应电炉熔炼工艺和冲天炉中频感应电炉双联熔炼工艺， 省去了高炉铁液冷却铸锭，生铁锭二次熔化的过程，减少了能源消耗和废 气废渣 排放 ，实现了节能减排。 二、项目提出的意义、必要性及国内外现状分析 1、 项目提出的意义、必要性 工信部办 2010 173 号 文件 ， 关于 进一步加强中小企业节能减排 工作的 指导意见 ， 充分认识到了中小企业节能减排的重要性和紧迫性，从中可看到 项目提出的意义和必要性。文件 中指出： 中小企业是国民经济的重要组成部分，对促进经济平稳增长、保障就业、推进技术创新所发挥的作用越来越大，成为推动生产力发展、建设和谐社会的重要力量。中小企业数量多、涉及行业广、社会影响大，提高中小企业节能减排和资源综合利用水平是贯彻落实科学发展观，走新型工业化道路，实现经济 社会可持续发展的客观要求。当前，中小企业节能减排存在的主要问题：一是认识不到位，企业负责人关注生产经营多，对节能 环保 重视 不够。企业发展方式粗放、结构不合理、装备水平落后等情况依然较为严重；二是企业数量多，而且较为分散，资源消耗量及污染排放相对较少，实施节能降耗措施及环境监管较为困 - 2 - 难。各地中小企业管理部门对中小企业节能减排工作的重视程度也参差不齐，促进中小企业节能减排的政策措施还不完善；三是企业节能减排基 础管理薄弱，普遍没有设置负责节能减排的专门机构和配备专业人员，节能减排基础数据缺失，情况不清；四是企业获取节能减排技术信息渠道不畅，节能减排的高投入与中小企业资金、技术实力弱的矛盾十分突出，中小企业节能环保普遍存在融资难、担保难等问题。这些都成为制约中小企业节能减排的主要障碍。 党中央、国务院高度重视中小企业发展。国发 36 号文件为改善中小企业经营环境，克服 金融 危机带来的不利 影响，促进中小企业 发展发挥了积极作用。但中小企业节能减排形势依然严峻，企业能源利用效率偏低，重点耗能行业的中小企业能源利用效率比全国平均水平高出 20以上，节能减排潜力巨大。各地工业和信息化主管部门、中小企业主管部门要充分认识中小企业发展新阶段所面临的机遇和挑战，引导企业依靠质量求生存，依靠节能和管理求效益，依靠机制体制创新求发展，把节能减排作为促进中小 企业 转 变发 展 方式的一项重要措施抓紧抓好，实现中小企业又好又快发展。 目前，我国能源紧缺和环境污染态势不容乐观。为了社会和经济的可持续发展，作为典型的高能耗、高污染铸造行业的 改造首当其冲。因此，我国铸造厂家迫切需要采用先进设备和节能降耗工艺，以提升铸造技术水平，实现铸造业可持续发展。 根 据我县 铸造企业规模大多偏小、技术力量 薄弱的 发展现状和国 - 3 - 内外经济发展的要求，十二五期间，铸造产业要有一个跨越发展，必须要大力研发引进推广节能新工艺，新技术，新材料，新设备。环保方面铸造企业水污染物，大气污染物，废渣废砂，噪声排放必须达到国家环保要求的标准，必须注重发展低碳循环经济，切实做到清洁发展，安全发展，科学发展 。 2、 本项目 国内外现状分析 2.1 高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺 介绍 2.1.1 常规流程（ a.b.）和短流程 (c)熔炼的比较 生产工艺链示意图 2.1.2 经济效益 一般铸铁厂是经冲天炉（或感应电炉和冲天炉 感应炉双联）熔化生铁（或 加 废钢 和回炉料 ）获得铁液的，现用高炉铁液直接进入感应 电 炉经调整成份和温度，直接浇注铸件，减少一次生铁的熔化。其节能和减排效果是明显的，以冲天炉熔炼为例： 高炉 高炉 高炉 铁液 铁液 铁液 生铁 生铁 冲天炉 中频炉 中频炉 铸件 铸件 铸件 b.中频炉熔炼 a.冲天炉熔炼 c.短流程熔炼 - 4 - 节能： 1） 每吨铁液减少 166.7kg 焦炭消耗； 2） Si、 Mn 元素烧损降低 10%20%， Fe 的损耗降低 15%以上； 3） 硫不会增加，生产球铁时可减少脱硫费用。 減排： 烟气： 800m3/t 粉尘： 2.812kg/t CO: 8.096kg/t SO2: 0.080.48kg/t HF: 0.160.4kg/t 按离心铸造球铁管生产厂粗略统计，每吨球铁管约可降低成本400 元。由于它可以形成以生产优质铸造生铁的高炉企业为中心的铸造产业集聚区，又有较大的节能减排效果，受到大家重视。 2.1.3“短流程”工艺实践中碰到的主要问题 a、铁液的均衡分配及成分控制问题 目前的方式 1）高炉中频炉铸件 2）高炉 球铁、蠕铁成分变化 不大，灰铸铁则不同牌号对成分（主要为碳、硅量）要求不同，如何调配？生产 HT300、 HT350 的厂由于废钢加入生铁锭 中频炉铸件 - 5 - 量多（降碳）又有回炉料，生铁铁液用量少，高炉铁液是否合适？ b、铁液质量问题，主要表现在如何消除下列因素影响 1）粗大石墨， B 型石墨； 2）非金属夹杂物； 3）气体含量； 4）微量元素。 C、 一般认为有效措施 1）炉料搭配； 2) 高温熔炼（ 15301550 ）； 3）高温静置；让细小夹杂物上浮去除。 4）预处理 5）变质处理 2.2 目前“短流程”应用 情况 已正式用短流程工艺生产的企业 铸件类别 工厂数（家） 2008 年产量（万吨） 球铁铸管 16 225 灰铸铁管 34 15 配重、下水管、井盖等 78 16 工程结构件 20 38 总计 48 284 2008 年全国铸铁件产量 2510 万吨，短流程工艺生产的铸件约占11.3%。目前共有十多个铸造工业园区在建，均采用高炉感应炉供加入预处理剂（主要是去硫、除气，增加石墨化核心） 吹氩气、氮气（去除夹 杂物、净化铁液） 球化、蠕化处理 孕育处理 - 6 - 应铁液，年产铸件达 100 多万吨，需要铁液约 130 万吨以上。 应用短流程工艺生产铸件的企业，大致可分为三类： 2.2.1 工艺较成熟，已有一定生产规模 ，可以推广。 （ 1）球墨球铁离心铸管厂：根据不同产量配置相应的高炉，目前国内离心铸管厂产量多为 1020 万吨 /年，配置 100200m3 高炉。 （ 2）生产配重、下水管等不要求化学成分和力学性能的灰铸铁件。 2.2.2 采用“短流程”工艺生产要求较高的铸件，开始碰到一些问题。通过试验，初步解决了这些问题，现已正式用于生产。 （ 1）承德保通铸铁型材制造有限公司 2003 年开始试验，碰到石墨大小不匀，易产生 B 型石墨、碳化物等问题。 2005 年开始批量生产，生产球铁和 A 型、 D 型石墨灰铁各种规格型材，另外还用氧化法、弱氧 化法生产高纯生铁。 （ 2）山东淄博蠕墨铸铁股份有限公司 2005 年开始试验， 2006 年用于生产，对高炉铁液质量，蠕铁质量等进行测定、控制， 2007 年生产蠕铁件约 6 万吨， 2008 年约 8 万吨，产品主要为焦炉上的铸件，尺寸、重量较大，省里曾进行鉴定。今年预计达 10 万吨，产品增加机床铸件。 （ 3）山东青州豪章铸造有限公司 2007 年开始用于生产至今，通过实践不断改进工艺。 2008 年底已用“短流程”工艺生产铸件 45 万多吨。 HT250 以下高炉铁液用量 75%， HT300 高炉铁液用量为 60%。 - 7 - 采取措施主要为： a. 高温（ 1530）熔炼、静置； b. 注意选用合格的原材料 ； c. 采用预处理； d. 做好孕育处理。 生产的 HT300 铸件， A 型石墨 85%、基体组织为珠光体；小件 98%、大件 90%95%。 Rm： 330340MPa 硬度 200230HBw 已生产上万吨机床铸件，最大 15 吨，包括 6.7 米龙门铣、车床、立车、立式加工中心等。 （ 4）山西河津市民兴钢铁有限公司 提供铁水给三联集团、达康集团铸造厂，厂际合作完成“短流程”工艺， 2006 年起供应铁液给三联铸造厂，生产玉柴的二缸柴油机缸体，批量生产了几万件，四缸缸体也小批生产 了几百件。 （ 5）河南林州合鑫铸业有限公司 已在 亨特造型线上生产 HT250 和球铁等汽车铸件。 2.2.3 用“短流程”工艺生产高档球铁件如发动机曲轴、风电铸件等多停留在试验、试生产阶段。 总的来看，“短流程”虽有很大优越性，但用来生产质量要求高的工程结构球铁件，高牌号灰铁件和缸体、缸 盖等复杂件经验不多，对 这种铁液质量的影响因素、判断方法、控制措施等都需要在实践中不断总结，因此目前还不宜推广。 - 8 - 三、项目承担单位实施该项目的基本条件、特色和优势 本项目由 XX 县 XX 铸造研发中心和 XX 县润强铸造有限公司 承担实施。 XX 县 XX 铸造研发中心从 2010 年三月份开始筹建，经过一年多时间的努力工作，坚持内用外聘的指导思想，通过外出联络和挖掘整合本地人才资源，研发中心现已拥有中高级铸造专业技术人员 11 人。具有高级职称 6 人，中心主任高修启以及外聘请的晋城市太行印刷机械厂常天池，泽州县晨晖管业公司的袁东洲，太原矿山机械厂的杨明宏，山西冲压机床厂的侯深宽都是具有 40 余年铸造生产实践的高级铸造工程师兼企业厂长。更有清华大学机械工程系铸造专业高级教授、博士生导师黄天佑也被研发中心特聘，他们都愿为 XX、晋城地区铸造业的产业技术升级贡献自己的 才华。 研究员薛留虎工程师曾担任 XX 县应朝铁厂厂长，田新社曾担任应朝铁厂总工程师，他们对高炉冶炼 和铸造 工艺 都非常熟悉。研究员王又生工程师从事 30 多年铸造，对中频电炉融化的操作更是 熟练。这都为本项目的实施奠定了人才基础。 XX 铸造研发中心 座 落在 XX 县城南环路 XX 县建材机械厂， 下设一个研发办公室和两个理化检测室。 研发办公占用房屋 5 间，面积100 平方米；理化检测室占用房屋 5 间，面积 100 平方米。仪器总值280 万元，主要仪器有 50 吨万能材料试验机、三元素化验分析仪、多元素光谱分析仪等仪器和设备。 理化检测室的建设完全 可 满足本项目的各项理化分析。 - 9 - XX 县润强铸造有限公司，位于 XX 县润城镇河头村，是 XX 县最大的民营铸造企业，是晋城市“十大铸造企业”之一。 企业实力雄厚，铸造历史悠久，技术力量强大。 公司现有员工 380 人，其中管理人员 10 人，高级工程师 5 人，高级技工 35 人。公司现拥有固定资产 3600 万元，厂区占地面积 4万米 2，其中有 1500 米 2机加工生产线工房一座， 2700 米 2 和 640米 2 铸造车间两座，机械设备齐全。年产铸件 3.5 万吨。主要产品有普通电机壳、防爆电机壳、水泵外壳，冲床机身、机架、齿轮、飞轮、台板、滑块等一 系列灰口铸件；球墨铸件有气泵、曲轴、摇臂、缸体、缸盖等。产品主要销往浙江、江苏、山西、山东等地。 公司雄厚的经济实力为 本项目的 研究 奠定了物质基础。 四、项目研究的主要内容、创新点及关键技术 1、项目研究的主要内容 本项目针对高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺，研究了优化铸造生铁冶炼，高炉铁液短距离保温运输送到中频感应电炉，电炉内调质、升温，采用 FeSi75（或 0.25%BaSi） 孕育剂、包内孕育随流瞬时孕育工艺，获得了高温优质铁液。批量生产出了 HT200 牌号 6T-125T 冲床系列机床铸件。 2 、 创新点及关键技术 2.1 创新点 - 10 - 本 项目采用的高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺，省去了 高炉 铁液冷却铸锭，生铁锭二次熔化的过程，减少了能源消耗和废物 排放。 2.2 关键技术 根据 HT200 牌号灰铸铁化学成分调整高炉原料配比 、 操作； 高炉铁液保温运输； 中频电炉 调质、升温 及孕育操作。 五、 项目实施方案、技术路线 、组织方式 1、实施方案 1.1 研究实施内容 为了获得符合 HT200 牌号化学成分相接近的高炉铁液（ Z18和 Z22铸造生铁）， 高炉建成后， 对高炉入炉矿石进行化学分析配 料 （一般情况下，低硫、低磷矿石为 50 60%，本地磷、硫偏高的矿石为 40 50%） 和高炉炉温控制 ；设计并现场制作铁液运输设施及铁液保温包，确保高炉铁液能在尽短时间内运送至 中频电炉，减少温度 损 失；设计、购置、安装、调试一拖二 3 吨中频加热电炉和炉前铁液快速分析仪；进行高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺试操作至正常生产。 1.2 研究实施时间 2010 年 9 月至 2011 年 10 月。 2、技术路线 经过研究，在保证质量，稳定生产的前提下，制定出了详细的高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺技术路线如下： - 11 - 工艺流程图 工艺技术路线的关键是：高炉配料操作 优质高炉铁液保温运输 中频电炉调质升温孕育 浇注铸件。 3、组织方式 XX 县 XX 铸造研发中心在润强铸造有限公司 生产技术科共同设立高炉中频感应电炉双联短流程熔炼项目研究部，下设高炉熔炼、铁液保温运输、中频炉调质升温、铸件浇注及其它工序四个小组。按照各自操作规程严格把关并作好生产过程有关记录，班后项目部组织四个小组进行生产分析，提出改进措施和调整操作方案，供下一班组织实施。项目研究部组成人员见下表： 高炉中频感应电炉双联短流程熔炼项目研究部组成 人员 姓名 性别 年龄 职称 项目职务 承担任务 所在单位 薛留虎 男 58 工程师 项目技术研究 负责人 项目技术研究 XX 铸造研发中心 吴家强 男 48 工程师 项目组织实施 负责人 项目组织实施负责 润强铸造有限公司 高修启 男 58 高 工 冲天炉熔炼技 术负责人 冲天炉熔炼 技术指导 XX 铸造研发中心 高炉铁液 感应电炉调整成分和温度 炉前处理 砂处理 铸件冷却 入库 毛坯入库 机加工 成品检验 铸件浇注 毛坯检验 造型线粘土砂造型或树脂砂造型 清 理 - 12 - 田新社 男 50 工程师 高炉熔炼技术负责人 高炉熔炼技术指导 XX 铸造研发中心 杨明宏 男 58 高 工 铁液运送技术 负责人 铁液运送技 术指导 XX 铸造研发中心 王又生 男 56 工 程师 电炉熔炼技术负责人 电炉熔炼技术指导 XX 铸造研发中心 张能瑞 男 50 技 师 作业负责人 冲天炉、电炉操作负责 润强铸造有限公司 六、项目经费预算及资金筹措 1、项目经费预算 总计 300 万元，其中：设备设施费 272 万元， 研发 人员费 15 万元，化验分析费 1 万元， 差旅费 2 万元，试验费 5 万元（包括操作人员工资），其它费 5 万元。 2、资金筹措 单位自筹 150 万元，银行贷款 100 万元 ，申请市科技局拨款 50万元。 七、项目预期的经济、社会效益及产业化前景分析 1、能源效益 采用高炉 中频感应电炉双联铸造， 冲天炉熔化 1 吨生铁需要消耗焦炭 0.125 吨，折标煤 0.12143 吨，消耗电力 14kWh，折标煤 0.0056吨，冲天炉熔化 1 吨生铁综合能耗为 0.12703 吨标准。考虑到冲天炉熔炼铁损一般为 3%，则生产 1 吨铸造铁液需要熔化生铁 1.03 吨，需消耗焦炭 0.12875 吨，折标煤 0.12507 吨；消耗电力 14.42 度，折标煤 0.00577 吨。即冲天炉熔炼 1 吨铁液综合能耗为 0.13084 吨标煤。 采用高炉 中频感应电炉双联短流程后，用中频炉将高温铁液和废钢、回炉料等（废钢、回炉料按 25%计）升温达到 1500进行调 - 13 - 质铸造 ，每生产 1 吨铁液需要消耗电量 225 kWh，折标煤 0.09 吨。 因此，采用高炉 中频感应电炉双联短流程，铸造能耗将大量降低，每吨可节省标煤 0.04084 吨。（见表 1） 表 1 两种铁液熔炼工艺能耗比较 工艺 冲天炉（每吨消耗） 短流程（每吨消耗） 能源消耗 焦 炭 电 焦 炭 电 耗能工段 实物量 （ t） 折标煤 实物量 （ kWh） 折标煤 （ t） 实物量 （ t） 折标煤 实物量 （ kWh） 折标煤 熔炼 0.12875 0.12507 14.42 0.00577 0.00000 0.00000 150.00 0.06 电炉调质 75.00 0.03 合计 0.12875 0.12507 14.42 0.00577 0.00000 0.00000 225.00 0.09 总计折标煤 0.13084 0.09 润强铸造有限公司铸造原全部使用冲天炉熔化。每年铸件产量 3万吨，年需要熔化铁液 4 万吨（平均工艺出品率 80%，合格率 95%） 。 如果全部改为短流程生产灰口铸铁技术，年可节约标煤 1633.6 吨，能源节约明显。 2、经济效益 实施高炉 中频感应电炉双联短流程熔炼工艺能够节约多种成本，提 高生产率，显著提高经济效益。 （ 1）节约能源成本 焦炭按目前单价 2230 元 /吨，工业用电按每度 0.52 元计算，冲天炉工艺熔炼 1 吨铸造铁液需要消耗焦炭 0.1287 吨，电 14.42 度，则： 焦炭： 0.1287 吨× 2230 元 /吨 =287 元； 电力： 14.42 度× 0.52 元 /度 =7.50 元， 冲天炉工艺吨铁液综合成本为 294.5 元。 而采用高炉 中频感应电炉双联短流程工艺，高炉铁水通过升 - 14 - 温、调质，每生产 1 吨铁液需要消耗电量 225 度，成本为： 225 度×0.52 元 /度 =117.00 元。 则高炉 中频感应电炉双联短流程 工艺与冲天炉工艺相比，每生产 1 吨铁液，可节约成本 177.5 元。按年熔化 4 万吨铁液计算， 每年可节约总成本 710 万元。 （ 2）冶金质量好，合格率高 高炉 中频电炉熔炼省去了冲天炉熔炼，无增碳增硫问题，成分稳定，能够保证稳定获得高质量的铁液，提高产品合格率。据研究统计，铸件合格率每提高一个百分点，成本降低约 30 元 /吨。试验表明，高炉 中频电炉双联熔炼与冲天炉熔炼相比，铸件合格率能稳定提高3%（冲天炉熔炼合格率平均为 95%，双联短流程熔炼合格率平均为98%），则由于合格率提高每年可节约成本： 3 万吨× 90 元 /吨 =270 万元。 （ 3）降低铁模的消耗 铁厂每生产生铁 1 万吨，需要消耗铁模约 150-160 只，每只重约97 千克。铁模目前市场价格 6500 元 /吨，则生产生铁 1 万吨铁模费用约为 10 万元，按年生产 3.15 万吨生铁计， 需消耗铁模费约 31.5 万元。 （ 4）生产链布局紧凑，节约生铁运输成本和人工费用 采用短流程熔炼工艺，用保温包直接将高炉铁液加入到中频炉中，生产链空间布局压缩，可节约生铁的运输和装卸费用，每年 3.15万吨节约成本约 22.05 万元（如本厂到临汾等地外购生铁运输和装卸 - 15 - 等 费用都在 100 元 /吨以上， 3.15 万吨需费 用 300 多万元）。 （ 5）其他成本节约 由于原铁液含硫量低，质量可控，可节约脱硫费用（年熔化 4万吨铁液约需 2000 吨石灰石）。首批加入炉料为高炉铁液，对炉衬的冲击损坏小，可减少筑炉频次 60%以上，最大限度地延长炉衬寿命（可使用 500 炉次以上），降低费用，同时减少停工时间，扩大熔炼能力。中频电炉可空炉冷料启动，依据任务需要可随时改变熔炼规范，方便生产组织，运行成本低；铁液在炉中保持时间可塑性大，适应连续工作状况的能力强，不至于造成铁液的浪费。由于污染源排放减少，不需要特意购置污染处理设备等等。各种成 本节约预计至少 60 万元 /年。 经上述粗略估算，按年产 3 万吨机床铸件计，每年可增加经济效益约 1093.55 万元（ 相等于 每吨铸件降低成本 约 365 元 /吨；如与没有使用高炉铁液的铸造厂相比，加上外购生铁运杂费及流动资金利息等，成本降低将得到约 500 元 /吨）。 3、环境效益 国内应用较多的冲天炉依靠焦炭提供能源，而且使用的焦炭含硫量高，生产中常排放出大量的烟气，粉尘和二氧化硫等有害气体。采用高炉 -中频电炉双联工艺后，利用清洁的电能做能源，污染物排放很少，不要任何处理也不会对环境造成大的影响。因此，与冲天炉熔炼相 比，该项工艺的环境负荷大大减小。 据统计，冲天炉熔炼每吨铁液排出的烟气量平均为 800m3。年产 - 16 - 3 万吨铸件采用冲天炉 需 熔炼铁液 4 万吨，将产生大量的污染物排放（见表 2），相应地也是采用高炉 -中频感应电炉双联熔炼工艺后污染物的减少量。 表 2 4 万吨铁液冲天炉熔炼污染物排放量计算表 有害物质种类 炉气组成 mg· m3 每吨铁液排放量 kgt-1 每年排放量 t 粉尘 3500-15000 2.8-12.0 11.2-48 CO 10000-120000 8.0-9.6 32-38.4 SO2 100-600 0.08-0.48 0.32-1.92 HF 200-500（ 1000-3500） 0.16-0.4 （ 0.8-2.8） 0.64-1.6（ 84-294） 炉渣 30-80 1200-2400 （注：不加括号的数值是炉料中不加萤石作熔剂时的烟气中的含量，括号中的数据为加萤石时的数据。） 采用高炉 中频电炉双联熔炼工艺后，节能效益非常明显。 （ 1）每吨铁液减少 128.75kg 焦炭消耗； （ 2） Si、 Mn 元素烧损降低 10%20%， Fe 的损耗降低 15%以上； （ 3）硫不会增加，可减少脱硫费用。 按 年产 3 万吨产量计，年可节约铸造焦 5150 吨；节约生铁约 180吨；节约硅铁约 5 吨；节约石灰石约 2000 吨。 4、产业化前景分析 由于本项目的研究实施可以形成以生产优质铸造生铁的高炉企业为中心的铸造产业集聚区，又有较大的节能减排效果，受到大家重视。本县现有的几座铸造高炉也在积极筹建新上高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺。 从全国铸造产业发展前景看，随着铸造集群化生产的推进，用短流程工艺生产的越来越多，预计 2015 年短流程铸造工艺生产的铸件将达 20%， 2020 年达 30%。 - 17 - 八、结论 本项目工艺成熟，技术先进 ，具有节能、减排、环保等优点 ； 可以应用在各种灰铸铁机械零部件毛坯的生产领域。 本项目在高炉中频感应电炉双联短流程熔炼工艺直接生产高质量机床铸件工艺技术方面居国内先进水平 （目前 已 做查新报告，也可能为领先水平） ，对推动同行业技术进步有积极的作用。 我们已计划将此项目申请省市科技部门 进行成果鉴定和推广。