铸造清洁生产技术应用及发展建议

发展铸造技术提高抗磨铸件质量铸造产业素有“工业之母”的称号，是制造业的重要基础，在国民经济中发挥着举足轻重的作用，占据着相当重要的位置。下图显示了以铸件为主要基础的中国制造业近几年来飞速发展的趋势。铸造产业是冶金矿山、建材、汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业的基础，即使是高、精、尖的航空、航天和国防工业也离不开铸造产业提供的关键的零部件。耐磨领域的各类关键设备同样也离不开铸造产业生产提供的安全、可靠、耐久、经济的各种减磨（轴承、轴瓦等）、耐磨（如机床导轨）、抗磨易损部件（各类磨料磨损铸件如衬板、磨球、锤头等）。例如冶金矿山、建材、火力发电、水力发电、核电、石油化工、煤炭、盐化工、金属冶炼轧制、汽车、船舶、各类工作母机、先进交通运输、环保、航天航空、国防工业等行业的关键成套设备中，核心的减磨、耐磨、抗磨铸件所占有的比重较大并发挥十分重要的作用，这是众所周知的事实。据统计，各工业部门每年消耗的铸件总量中，矿山机械占13.9%，农业机械占15.3%,汽车工业占11.7%（美国汽车铸件占铸件总产量的33%），机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件重占65%80%，矿冶、能源、海洋和航空航天等工业的重、大、精装备中，铸件都占很大的比重并发挥着重要作用。从下表中所列出的2008年我国主要抗磨领域中抗磨铸件消耗量统计数字不难看出，抗磨铸件在抗磨领域关键设备中，所占的比例是相当大，同时也显示出抗磨领域关键设备，迫切需要安全、可靠、耐久、经济的更高质量抗磨铸件，以保障设备的正常运转，提高生产效率，并做到节能降耗。 我国铸造行业有着悠久的历史，曾为世界铸造技术的提高和铸造产业的发展做出了很大的贡献。据有关数据显示，我国目前己成为世界第一大铸件生产国。从产量上看，我国铸件产量从上个世纪90年代起每年都超过1000万吨，自2000年超越美国后，已连续多年位居世界第一。目前，我国有24000家铸造企业和125万从业人员，而世界上其他34个主要铸件生产国或地区共有铸造企业19331家，我国名副其实地成为世界铸造大国。然而，我国还远没有成为铸造强国，与发达国家相比，仍存在较大的差距。主要表现在产品质量、产品结构、生产设施、企业规模、生产效率、环境保护、整体经济效益等方面，尤其是在人均产量、人均产值、能源消耗、铸件近净形化程度及铸件的可靠、安全、耐久等性能方面，与美、日、德、法等铸造强国相比，仍存在较大的差距，制约了我国铸造业的竞争力和持续健康发展。在耐磨领域中，各类关键设备所提供的耐磨毛坯，特别是抗磨铸件，与美、日、德、法等铸造强国相比，其差距更大些，主要表现在人均产量、人均产值、能源消耗、铸件近净形化程度、铸件安全、可靠、耐久、经济性、环保等方面差距。因此，我国抗磨铸件综合竞争力低，能够出口的抗磨铸件十分有限，所占比例也无法与发达国家相比，更不可能与发达国家相抗衡。再加上去年全球性金融风暴的侵袭，全球的铸造行业出现了危机，中国铸造业持续多年的高速增长势头明显趋缓。抗磨铸件生产厂家同样受到全球性金融风暴的侵袭带来的影响，企业面临生产经营困难、经济效益下滑的困境，产品连续出现产销量齐下降的情形，国际市场需求急剧萎缩，抗磨铸件需求下降等，已波及整个抗磨铸件行业。正因为这样，我国抗磨铸件生产企业，必须要早日摆脱全球性金融风暴的影响，要走一条抗磨铸件生产向优质、近净形化、高性能、高效益，低消耗、低成本和低污染的绿色铸造之路，在机遇与挑战并存时期，我们用优质的抗磨铸件，与铸造强国竞争、抗衡，才能占据自己应有的地位。为了做到这一点，抗磨界同仁们必须结合国情制定抗磨领域抗磨铸件发展的战略规划，发展先进抗磨铸件生产技术，提高我国抗磨铸件的生产技术和质量水平，早日缩小我国与发达国家抗磨铸件整体水平的差距，使我国抗磨铸件在国际舞台上占据应有的地位。这就需要我们不断吸收先进铸造技术、信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于抗磨铸件的设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，早日实现优质、高效、低耗、清洁、近净形化抗磨铸件的目标，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力，同时为抗磨领域关键设备提供优质、高效、低耗、清洁、近净形化的抗磨铸件，提升我国抗磨领域关键设备的整体水平，达到节材、节能、环保的目标。当前，世界上主要发达国家铸造技术的发展归纳起来大致有四个目标：保护环境，减少污染；提高铸件质量和可靠性，生产优质近净形铸件；降低生产成本；缩短交货期。以全球化、网络化、模拟化、智能化为重要发展特征的铸造业，将以计算机、机器人及自动化为主要内容，发展其先进的铸造技术。一个国家规划什么样的产业结构，采用什么样的技术进步方式都不能脱离它的国情，就中国抗磨铸件技术而言，配合抗磨领域关键设备，积极发展高性能、高近净形化抗磨铸件，缩小与发达国家差距。既要为抗磨领域关键设备提供高性能、高近净形化抗磨铸件，同时要与发达国家在激烈的国际市场竞争中角逐，占据我国应占有的位置。为了这个目标的早日实现，在多年的科学试验和生产实践中所积累的点滴体会，经认真地去粗取精后，笔者向研究抗磨技术的同仁们，向我国抗磨铸件生产企业建议：早日重视并采用先进铸造技术和管理方法。铸造业正面临新一轮的发展，如何用科学发展理念打造先进的铸造业，既是一项极其重要的任务，也是一项长期的战略。我国目前正处于扩大内需、加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期，对先进铸造技术有着巨大的市场需求，笔者呼吁同行们，我们要致力于发展先进铸造技术，为提高我国抗磨铸件质量，为提升我国抗磨领域关键设备综合技术水平，为与发达国家在激烈的国际市场竞争中角逐，占领我国应占有的位置，献出我们的智慧和力量。 铸造业节能技术应用及发展建议 铸造行业是机械工业的耗能大户，能耗高、能源利用率低、污染严重、经济效益差制约了铸造行业的发展。合理使用能源，大力抓好节约能源是铸造行业的一项重要任务。本文分析了铸造行业能源利用现状，从熔炼、加热系统、造型制芯技术与装备、低应力铸铁、铸态球墨铸铁、球铁无冒口铸造、铸钢保温冒口与保温补贴、冲天炉废气综合利用和佘热回收利用等方面阐述了铸造行业行之有效的主要节能技术及其应用，并对发展我国铸造节能技术提出几点措施建议。 1 问题的提出 能源是一种重要的地球资源，是人类社会发展的物惯基础。能源资源问题是关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问题。能源供应和利用状况直接关系到国民经济的持续、稳定、协调发展。开发、合理有效地利用能源，既可保持社会的适度发展，又可减少资源消耗。目前我们所利用的能源主要是以煤、石油、天然气等不可再生的一次性能源，用一点少一点，迟早有一天消耗殆尽。我国能源资源从数量上看比较丰富，但人均占有量远低于世界平均水平，而且能源利用率低，其中煤利用率不到10。据报导，我围GDP的50来源于高能耗。2003年我国GDP总量达11.58万亿元，消耗16亿吨煤，2.5亿吨原油，2亿多吨钢材，8亿吨水泥。2004年我国GDP总量达l3.65万亿元，消耗能源更多。我国经济增长的成本高于世界平均水平25以上，我国每创造l美元产值所消耗的能源是美国的4.3倍，德国和法国的7.7倍，日本的11.5倍。我国传统的高投入、高消耗、高成本、低产出的经济增长方式应彻底改变。我国节约能源法规定，“节能是国家发展经济的一项长远战略方针。”铸造行业是个高能耗的行业，除做好能源的开发、有效利用外，长期战略任务就是大力开展节能降耗工怍。 2 铸造行业能源利用现状 铸造在机械制造业中占有十分重要的地位，铸造技术是国民经济可持续发展的主体技术之一，是机械产品毛坯的供应者。仅2003年就为国民经济各部门提供1987万吨铸件。但铸造是一个大量耗能的生产过程，是个高投入、高消耗、高或本、低产出的既传统又不可缺少的行业。仅2004年，我国铸造行业就消耗焦炭300万吨，生铁1000万吨，新砂1000万吨，各种粘结剂3040万吨。近些年来，由于我国铸造业取得长足发展，铸件产量是以牺牲环境保护、浪费能源和材料为代价。在我国铸造生产中，能源和材料的投人约占其产值的55-70。是机械工业的耗能大户，其能耗占机械工业总能耗的23-62，能耗利用率为l5-25。我国每吨铸件所需能源是工业发达国家的23倍。我国每生产1吨合格铸铁件的能耗为500-700kg标煤，占生产成本的15，而日本每吨铸铁件能耗仅占生产成本4.3%。我国每生产1吨合格铸钢件的能耗为800-1000kg标煤，国外仅为500-800kg标煤。造成我国铸造业能耗高的主要原因是多方面的。 2.1 经济规模差专业化程度低 我国现有铸造厂点约2.2万个，点多规模小，专业化程度低。按2003年我国铸件总量1987万吨计，平均每一铸造企业的产量不足1000吨，其中300吨以下企业约占13，年产300-5000吨的企业占l2以上，年产5000吨以上企业只占l6，年产万吨以上的企业约占1。工业发达国家的铸造企业一般规模都在5000吨以上，万吨以上的企业所占的比例很大，还有10万吨甚至60万吨的企业。我国铸造专业化程度只有30，工业发达国家达80-90。不难看出，我国有上万家铸造企业生产规模在几百吨，而且还有相当多的铸造企业是“大而全”，“小而全”，没有形成技术特色、产品特色，设备配置不合理，利用率低，大马拉小车现象普遍存在，造成能源损失大。 2.2 铸造生产工艺技术装备等基础条件差 我国铸造生产过程和检测手段不够完善是造成能耗高的重要原因之一。 (1)熔炼 在铸造生产中，用于熔炼的能耗约占整个铸件生产能耗的50。熔炼铸铁时，工业发达国家大多数采用热风连续作业的长炉龄冲天炉，而我国只有少数企业采用长炉龄热风冲天炉。大多数冲天炉只开4-8h就打炉，造成炉体蓄热损失(约占熔化能耗10以上)和打炉底焦的热损失。铁水温度普遍在1380-1450(国外为1500一1550)。熔炼铸钢时，工业发达国家在冶炼合金钢时多采用AOD、VOD设备，我国只有少数厂家采用，大多数仍采用电弧炉生产方式。有时企业由于电力供应不足，采取夜间低谷用电，每次只能开45炉次就停炉。每新开一次炉就增加一次炉体的蓄热损失。一般第一次炉钢水的耗电量在1000-1200kWht钢液，从第三炉开始耗电量一般都低于800kWht钢液，如果每一次开炉的炉次越少，平均每吨钢水耗电量就相应增高。熔炼有色合金时，国外采用工频感应电炉熔炼，热效率达45，我国有不少企业在采用燃油坩埚炉、焦炭坩埚炉或电阻炉，这些炉子的热效率低，分别为l1、3-7、25。 (2)造型、制芯 国内除少数为汽车、内燃机配套的铸造骨干企业采用高密度的高压、静压、射压、气冲造型等先进高效流水线造型和树脂砂热芯盒、冷芯盒制芯工艺外，大多数铸造企业仍采用震压式造型机造型或手工造型或粘土干型、水玻璃砂工艺和以桐油、合脂、粘土等粘结剂为主的制芯工艺，生产周期长，能耗高。 (3)工艺设计 国外普遍采用CADCAM，而我国除少数企业外，多数凭工艺员经验设计，铸件浇冒口大，肥头大耳，加工余量大，铸件超重超厚现象普遍存在。我国铸件尺寸精度比国外普遍低1-2级，表面粗糙度比国外差l-2级，加工余量比国外高出1倍以上，铸件壁厚也比国外厚得多。铸件废品率也比国外高得多，我国铸铁件废品率通常为9-15，铸钢件废品率为5一l5，而国外的铸铁件和铸钢件的废品率均低于5。由此可见，铸件浇冒口大，铸件超重超厚，铸件尺寸精度低，表面粗糙，铸件废品率高都直接或间接加大了能源消耗。 2.3 缺乏科学管理 长期以来，由于普遍存在重冷轻热思想，铸造行业一直不被重视。政府有关部门未能对铸造行业的能源合理利用和节约进行全面规划和政策引导。铸造行业的能源管理体系尚未健全完善，节约能源的法规和标准化体系也尚未建立。不少铸造企业的领导对能源的管理缺乏足够重视。节能工作尚未提到议事日程上来，既没有建立能源管理机构，又没有从事能源管理、节能技术推广的专门管理人员。只重产值，不计能耗，只重使用能源，忽视能源节约，从而造成了铸造行业能耗高、能源浪费的局面。 3 铸造生产的节能技术与节能措施 经过我国铸造工作者长期不懈的努力，取得了一系列铸造生产的节能技术与节能措施，这些节能技术仍具有现实的适用价值，值得推广应用。 3.1 以熔炼为中心的节能技术 铸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设备和熔炼工艺是节能的主要措施。 3.1.1 铸铁熔炼的节能技术 (1)推广采用热风、水冷、连续作业长炉龄冲天炉冲天炉向大型化、长时间连续作业方向发展是必然趋势。 国外的铸造企业把它作为一项重要节能措施加以应用。近些年来，国内也在这方面做了大量的工作，已有部分企业采用，取得了明显的节能效果。例如，采用大排距双层送风冲天炉技术，可节约焦炭20-30，降低废品率5，Si、Mn烧损分别降低5-10；水冷无炉衬和薄炉衬冲天炉，连续作业时间长，可节能30以上；热风冲天炉既节能又环保。 (2)推广冲天炉一电炉双联熔炼工艺 冲天炉一电炉双联熔炼是利用冲天炉预热、熔化效率高和感应电炉过热效率高的优点，来提高铁液质量，达到降低能耗的目的。近些年来，随着焦炭、生铁等原材料价格大幅上扬和铸件品质要求越来越高，单独使用电炉熔炼日益增多，利用夜间低谷电生产，也取得了较好的经济效益和节能效果。 (3)推广应用铸造焦 冲天炉熔炼采用铸造焦燃料是提高铁液温度和质量的有效途径。国外大多数冲天炉熔炼采用铸造焦。由于铸造焦价格高或是由于习惯等原因至今国内大多数企业仍使用冶金焦，甚至有的企业使用土焦，这不仅影响铸件质量，而且焦耗量大。如应用铸造焦，废品率可下降2。因此，发展铸造焦生产，降低铸造焦生产成本，推广应用铸造焦是提高铸件质量，降低能源消耗的措施之一。 (4)冲天炉富氧、除湿送风 冲天炉使用冶金焦时，铁液温度很难稳定达到1500，如采用3的富氧送风就能保证，并且每吨铁液可净降低能耗l0kg左右标煤。冲天炉除湿送风通常在南方潮湿地区使用，它可以提高铁液温度，减少硅、锰等元素的烧损，提高铁液质量和熔化率，降低焦耗13-17。 (5)冲天炉采用计算机控制技术 冲天炉采用计算机控制包含计算机配料、炉料自动称量定量和熔化过程的自动化控制。使冲天炉处在优化状态下工作，可获得高质量的铁液和合适的铁液温度。与手工控制相比，可节约焦炭10-15。 (6)推广使用冲天炉专用高压离心节能风机 目前国内仍有不少冲天炉使用罗茨或叶氏容积式风机，能耗大噪声高。采用冲天炉专用的高压离心风机，可节电50-60，熔化率提高33左右。 3.1.2 铸钢熔炼的节能技术 目前国内仍有不少企业采用燃油坩埚炉和焦炭坩埚炉熔炼有色金属，这两种熔炼设备不仅效率低，而且造成环境污染，应尽快淘汰，代之采用热效率高、作业环境好、熔炼金属液质量高的感应电炉熔炼。 3.2 以加热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改造。采用耐火保温材料改造现有窑炉，节能效果显著。对燃煤工业炉的加煤采用机械加煤比手工加煤节能20左右。将燃煤的砂型、砂芯烘干炉改为明火反烧法，可节煤15-30。对型芯烘干炉采用远红外干燥技术可节电30-40。对大型铸件采用振动时效消除应力处理比采用热时效处理可节能80以上。可锻铸铁锌气氛快速退火工艺可节电或降低煤耗50以上。 3.3 以采用先进适用的造型制芯技术与装备，提高铸件质量为中心的节能技术 目前，国内几种造型工艺的能耗对比分别为“湿型1，自硬砂1214，粘土干砂型3.5。粘土干砂型能耗最高，应予淘汰。湿型能耗最低，且适应性强，这是湿型仍大量采用的原因之一。应根据铸件品质要求，铸件特点来选用先进的高压、静压、射压、气冲造型工艺和设备，以及应用自硬砂技术、消失模铸造技术和特种铸造技术。 用树脂自硬砂、水玻璃有机酯自硬砂和VRH法造型制芯工艺代替粘土干型，可提高铸件尺寸精度和表面光洁度，提高铸件质量，降低能耗。特种铸造工艺与普通粘土砂相比，铸件尺寸精度为2-4级，表面粗糙度细13级，质量减轻10-30，加工余量减少5以上，铸件废品率也大大降低，综合节能效果显著。铸件合格率可提高1，每吨铁水可多生产810kg铸件，相当于节煤5-7kg。铸件废品率每降低1，能耗就降低1.25，铸件质量每降低1，能耗就降低1.01。由此可见，采用先进工艺技术与装备，提高铸件质量，降低铸造废品率是提高能源利用率，降低能耗的一条重要途径。 3.4 推广低应力铸铁件、铸态球墨铸铁件、球铁无冒口铸造以及铸钢保温补贴节能技术 我国用于灰铸铁件热时效的能耗每吨铸件为40-100kg标煤，用于球墨铸铁件退火、正火的能耗每吨铸件为100-180kg标煤。除少数企业生产汽车发动机、内燃机铸件不用热时效工艺外，大多生产这类铸件的企业仍采用热时效工艺消除应力，这是我国铸造行业能耗居高不下的原因之一。推广直用薄壁高强度灰铸铁件生产技术和高硅碳比铸铁件生产技术，生产汽车发动机、内燃机的缸体、缸盖和机床床身等铸件，可获得不用热时效工艺的低应力铸铁件，达到节能目的。我国球墨铸铁件中高韧性铁素体球铁和高强度珠光体球铁占有很大的比重，通常是采用退火、正火处理。采用铸态球墨铸铁生产技术省去了退火、正火处理工序，节约能源，避免了因高温处理而带来的铸件变形，氧化等缺陷。采用球铁无冒口铸造工艺，可提高工艺出品率10-30，降低能耗也很显著。2003年中国铸件总产量为1987万吨，其中灰铸铁件为1049万吨，球墨铸铁件为470万吨，因此，推广应用低应力铸铁件，铸态球墨铸铁件和球铁无冒口铸造技术，对于全行业的节能降耗具有重要的意义。铸钢件采用保温冒口，保温补贴，可使工艺出品率由60提高到80。 3.5 推广冲天炉废气综合利用和余热回收利用技术，实现清洁生产和节能 目前我国90的铸铁是用冲天炉熔炼生产的，这种状况仍将保持相当长的时间。铸造行业的余热利用主要集中在冲天炉上。冲天炉熔炼时排出大量烟气，烟气中含有可燃性炭粒和可燃性气体，既造成环境污染，又浪费大量热能。冲天炉熔炼时除38-43的有效热量用于熔炼外，烟气带走的热量为7一16，不完全燃烧热量(可燃性气体)为20-25，固体不完全燃烧热量为3一5。这些热量占30一45。由此可见，冲天炉熔炼的余热利用潜力很大。目前我国冲天炉的余热利用绝大多数是利用密筋炉胆预热鼓风，热风温度为200左右，余热利用率低。近些年来，有部分企业使用长炉龄连续作业热风冲天炉，充分地利用了废气的余热和可燃烧炭粒及可燃烧性气体再燃烧的热量，使热风温度达600-800，冲天炉铁水温度达1500-1550，熔化效率提高45，既达到节能，提高铁水质量的目的，又实现了环保的要求。 4 发展铸造节能技术的建议 4.1 加强科学管理，全面提升节能管理水平 要以科学发展观，加强对能源的科学管理，合理使用能源，节约能源资源。 (1)政府有关部门应加强对铸造行业进行宏观调控和政策引导，建立铸造行业促进能源资源节约的体制机制，实行能源资源利用率和最低技术水平准入制度，明确控制考核目标；制定促进节约能源的财税、投资、外贸以及合理的能源管理政策，建立健全节能法规，从政策上引导、督促企业合理使用能源和节约能原。 (2)铸造企业的新建、改建、扩建和技术改造项目都应严格执行机械工业节能设计技术规定和其他行业节能设计标准，要认真贯彻执行国家关于“凡是新建和扩建的基本建设项目，都要考虑合理利用资源、能源和原材料，把节能降耗，资源综合利用，治理污染的项目与主体工程同时设计，同时施工，同时投产”的有关规定。 (3)在铸造行业中，全面开展铸造厂、点的能量平衡、节能评比、节能升级、节能技术改造等项工作，充分挖掘节能潜力。 (4)建立长效的节能管理机制。上级管理部