鑄造車間的節(jié)能

1、（電爐）丁方心樂法耐火材料（上海）有限公司摘要本文通過作者多年從事鑄造設(shè)備，材料服務(wù)工作中和有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的廣大鑄造車間領(lǐng)導(dǎo)，技術(shù)人員，國外同行的交流，得到的一些經(jīng)驗(yàn)之談。在中頻爐、沖天爐-感應(yīng)爐雙聯(lián)等熔化工藝作較詳細(xì)的分析和建議。供同行們交流，指正，希望熔化工部在質(zhì)量，產(chǎn)量，環(huán)保提高的同時(shí)，從管理上獲得節(jié)能的可行性。及可以采取的節(jié)能措施。由于對(duì)沖天爐的認(rèn)識(shí)不足，不予評(píng)論，本文以電爐熔化，保溫為基本對(duì)象。本文有部分引用殷經(jīng)星先生的文章。一.熔化工藝的確定應(yīng)以節(jié)能為首要條件。在新廠建設(shè)和老廠改造的規(guī)劃時(shí)，當(dāng)產(chǎn)品的方向，產(chǎn)量目標(biāo)確定后，熔化工藝應(yīng)該就確立了。不同行業(yè)鑄造廠熔化工藝；汽車零部件鑄造；沖天

2、爐/保溫電爐/保溫澆鑄爐聯(lián)用。球墨鑄管：沖天爐/保溫電爐聯(lián)用。通用鑄造；沖天爐+保溫電爐/或中頻爐選用機(jī)床鑄造：沖天爐/保溫電爐聯(lián)用。合金鑄造；中頻爐小件多品種：中頻爐目前，由于對(duì)環(huán)保的越來越嚴(yán)格，而沖天爐的環(huán)保投資昂貴，加上國內(nèi)鑄造廠并沒有形成大型，專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)。決定了目前絕大部分的鑄造廠以各種規(guī)格的，效率較低能耗較高的簡易沖天爐，中頻爐熔化為主。耗能指標(biāo)大大高于國際先進(jìn)水平。目前國內(nèi)鑄鐵熔化能耗指標(biāo)分析中頻電爐在鑄鐵、鑄鋼及有色金屬熔化等方面的國內(nèi)外熔化單耗（kWh/t）比較，見下表其中國外的“指標(biāo)”是銷售人員的介紹，作者沒有見過具體報(bào)告。國內(nèi)則有現(xiàn)場(chǎng)記錄。序號(hào)熔化金屬類國外指標(biāo)國內(nèi)實(shí)際

3、使用國家或行業(yè)指標(biāo)備注1鑄鐵(1500C)500550900545750110t爐容2鑄鋼(1600C)600620110056078915t爐容3鋁及鋁合金（700C）5005508005456750.4?5t爐容4銅(1250C)400450800510570110t爐容影響熔化單耗指標(biāo)的因素主要有:電爐電源方面：感應(yīng)電爐功率密度配谿的高低；功率密度配谿是指噸容量爐所配備的電源功率。由于中頻電爐的電源配谿是可以根據(jù)用戶的熔化速度要求而定，所以，從上表也可以按每小時(shí)的熔化率來定電爐功率密度配谿的高低。電爐功率密度配谿得高，熔化速度就快，就能達(dá)到節(jié)能的要求。但是過高的密度對(duì)爐襯材料會(huì)引起傷害。

4、熔化周期內(nèi)功率輸出時(shí)間的比例大??；同樣，如果電爐在熔化過程的起始階段不能大功率送電，也就是我們通常講的，功率因素低，而熱耗并不減少，所以電爐能否保持高功率因素向爐內(nèi)送電，也是能耗高低的區(qū)別，也是企業(yè)是否能“環(huán)保”運(yùn)行的一項(xiàng)指標(biāo)。感應(yīng)電爐的效率及感應(yīng)線圈的電效率高低。國外先進(jìn)的感應(yīng)電爐總效率高達(dá)75%感應(yīng)線圈電效率高達(dá)85%。國內(nèi)先進(jìn)的設(shè)計(jì)，線圈電效率達(dá)80%，電爐總效率達(dá)73%,兩項(xiàng)指標(biāo)接近國外先進(jìn)水平。中頻電源轉(zhuǎn)換效率的高低。國外先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換效率已達(dá)9798%,國內(nèi)先進(jìn)的設(shè)計(jì)；中頻電源的轉(zhuǎn)換效率已接近97%。本項(xiàng)主要能耗在電抗，電容的效率上。電爐單元的布谿：電源離爐體的距離，送電銅排的長短

5、，水冷電纜的長短，電源進(jìn)電電壓-高壓變壓器離電源的距離。都是影響電耗的因素。進(jìn)電源前的送電電壓和各單元之間的距離是單元效率能否達(dá)到最佳值的重要因素。熔化物對(duì)能耗高低的影響： 干凈程度；不管是新生鐵（由其是新鐵）還是舊（銹）鐵，尤其表面是否有白色石灰質(zhì)是直接影響爐襯壽命的要素。還有回爐料，金屬末。所有的氧化物都大量吸收電能，如果有5%的雜物，我們5%的電能就在熔化這些雜物，而且會(huì)給合金，爐襯帶來危害。要求高的，精打細(xì)算的鑄造廠對(duì)新鐵，廢鋼，澆冒口都進(jìn)行拋丸處理就是為了節(jié)約能源，排除銹雜物對(duì)鑄件帶來的隱患。 塊度是否合適；太大或太小都會(huì)影響電爐的電效率，和熔化質(zhì)量，塊度越大，速度會(huì)越慢，而且金屬液

6、的均勻程度會(huì)不穩(wěn)定。一般以200/300毫米塊度為合適。 起熔時(shí)路內(nèi)是否有液態(tài)金屬液；爐內(nèi)有金屬液會(huì)幫助提高一部分電爐的電效率，提高起熔階段的功率因素。但是，這些鐵水可能因?yàn)樵跔t內(nèi)長時(shí)間處于過熱狀態(tài)而危害金屬質(zhì)量。所以要正確使用這一手段，鐵水量可以在爐容的15%左右為安全。過少，過熱情況會(huì)加劇，過多，降低了鐵水的有效使用，也提高了單位能耗。中頻爐的優(yōu)點(diǎn)是鐵水可以倒空而啟動(dòng)，但在實(shí)際使用過程中，倒空往往使功率因素下降，熔化速度降低。也就是所謂的能否在小/無金屬在爐內(nèi)時(shí)送進(jìn)有效電能而提高熔化速度。關(guān)于國產(chǎn)特有的鋁殼爐；基本特點(diǎn)；無導(dǎo)磁磁軻，無爐蓋。以鋁殼作為感應(yīng)磁力通過載體。由于鑄鋁的磁通阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)

7、大于硅鋼片，爐體上下也無隔離圈，漏磁，鋁殼發(fā)熱使其電效率比有導(dǎo)磁磁軻的低。無爐蓋運(yùn)行，使大量熱能通過熱輻射損失。但是，由于其設(shè)備價(jià)格便宜，大部分小鑄造廠使用此類電爐。而代價(jià)就是每以噸鐵水的熔化成本上升，這是天天在支付的。希望在不遠(yuǎn)的將來，在我國鑄造業(yè)從大國高產(chǎn)到節(jié)能優(yōu)化的發(fā)展過程中，逐步淘汰這種高耗電的爐型。也希望過內(nèi)電爐廠能早日為用戶提供節(jié)能的小型中頻爐。耐火材料： 合理的熱面材料厚度；熱面耐火材料的厚度對(duì)電能是否能有效對(duì)金屬熔化有直接影響。一般的選擇是小爐（1噸以下，90毫米/75毫米），1噸以上（90/125毫米），國外見過220毫米（20噸）的。要提高熔化率，可以減薄其厚度，代價(jià)是爐襯

8、壽命降低。筑爐成本上升。安全隱患上升。 正確的底部厚度；爐底的高度和感應(yīng)器底部高度是否相匹配，影響到電效率和爐襯壽命，并不是越高越好，底面高度超過有效線圈100毫米時(shí)，底部耐火材料會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)攪拌力作用，強(qiáng)力沖刷底部，急劇降低使用壽命。太低有會(huì)產(chǎn)生安全隱患。需要有正確的高度。一般小爐在200/250毫米，大爐有350/450毫米。 正確的背襯材料使用。熱面材料背后，和感應(yīng)器（線圈膠泥表面）接觸的隔離材料如石棉布等稱背襯材料，使用石棉布有很多害處：人吸入會(huì)滯留在肺中，有致癌傾向。石棉布一般含水份高，容易在石英砂后背，在一段時(shí)間使用后，隨水份進(jìn)入石英砂，會(huì)引起板結(jié)，開裂。背襯材料的功能是絕緣，防水。

9、和感應(yīng)器（線圈膠泥表面）起隔離作用，以便爐襯更換。石英砂熱面后背，我們希望有一層松散層使鐵水萬一鉆過熱面，在此停住。感應(yīng)器的冷卻水溫是造就松散層的必要條件。如果用了隔熱較好的石棉布，加上水份，石英砂中的微量硼酸就會(huì)使其板結(jié)。所以目前，用“云母紙”是最佳選擇。一些大爐，在感應(yīng)器表面，經(jīng)過高級(jí)線圈膠泥處理，表面光滑，不必再使用背襯材料。那末，高級(jí)線圈膠泥的性能必須具有施工方便，干燥后無裂紋，不浸潤水份。不和酸性物質(zhì)反應(yīng)。操作過程中的節(jié)能加料的時(shí)機(jī)；固體金屬的第一次加入量要求達(dá)到爐容的1/3左右，如沒有達(dá)到，說明其空隙較大，會(huì)影響功率輸入，而且會(huì)有打火（放電）拉弧，耗電并有在爐襯表面造成裂紋，著對(duì)鑄

10、鋼中性材料破壞極大。當(dāng)?shù)谝慌系竭_(dá)熔融狀態(tài)時(shí)，固體料下沉，此時(shí)應(yīng)該立即進(jìn)行續(xù)料，這可以把軟化的固體料下壓熔化，使熔化以最快速度進(jìn)行，加料以爐內(nèi)不發(fā)生液態(tài)劇烈翻騰為正常。液態(tài)劇烈翻騰意味著金屬液過熱。并沖刷爐壁，消耗爐襯材料。這就要求熔化時(shí)的功率輸入以小于20%（第一次加料）-50%（軟化）-（加料）65%-（加料）100%-到達(dá)工藝要求溫度。停止送電。出液。不恰當(dāng)操作造成高耗能 金屬液過熱；高溫出鐵，低溫澆鑄，一直是鑄造業(yè)謀求高品質(zhì)鑄件的基本準(zhǔn)則。每一種鑄件都有其熔化工藝要求，為了質(zhì)量，必須達(dá)到。這兒要提出的是；在達(dá)到工藝要求時(shí)，不要追求過度超溫，這需要現(xiàn)場(chǎng)的工藝技術(shù)人員不斷觀察，測(cè)量溫度。到

11、達(dá)要求后，應(yīng)立即降低輸入功率或切斷電源。 不停爐出液；在很多鑄造廠現(xiàn)場(chǎng)，都能發(fā)現(xiàn)電爐在不停電狀態(tài)下出液。不安全不說，從能源和熔化工藝上講也是錯(cuò)誤的。一般的電爐感應(yīng)器都分成上下兩個(gè)部分，當(dāng)爐內(nèi)金屬液面低于上部感應(yīng)器的一半以下時(shí)，由于電阻的變化，上部感應(yīng)器不再有工作電流通過，而全部集中在下部感應(yīng)器上。下部金屬液產(chǎn)生過熱，沖刷爐壁，爐襯壽命急劇下降。 高溫保溫；如果金屬液在1500度以上超過一小時(shí)，金相將發(fā)生變化。碳，硅相變，使鑄件的白口傾向嚴(yán)重。機(jī)械加工性能變差，國內(nèi)有的汽車廠使用工頻爐熔化而發(fā)生的鑄件質(zhì)量問題，經(jīng)分析就是由于工頻爐內(nèi)鐵水長時(shí)間逗留爐內(nèi)，處于高溫狀態(tài)而引起的。保溫溫度不宜超過145

12、0度。三.雙聯(lián)熔化工藝和中頻電爐的節(jié)能措施1）雙聯(lián)熔化工藝每噸灰鑄鐵從常溫經(jīng)預(yù)熱（至1200C）、熔化和過熱（至1550C）過程中各階段所需的熱量比例如下圖1?？傆?jì)需要熱量為1322600KJ/to圖1,每噸鑄鐵熔化所需熱量1322600KJ口預(yù)熱階段熔化階段口過熱階段沖天爐和中頻感應(yīng)電爐的熔化和過熱效率分別見下圖2圖2沖天爐和中頻爐的熔化和過熱效率由上面二圖可以看出，沖天爐的過熱效率是非常低的。因此，沖天爐-中頻爐的雙聯(lián)熔化工藝具有它的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。中頻爐熔化、沖天爐熔化及沖天爐卜圖。-中頻爐雙聯(lián)三種熔化工藝的能源消耗費(fèi)用比較見下圖的能耗費(fèi)用計(jì)算是基于:下列條件：電能和焦炭的熱值分別為3600

13、KJ和27210KJ;沖天爐-中頻爐雙聯(lián)工藝是將沖天爐出來的1350c鐵液經(jīng)中頻爐過熱到1550C;每噸鑄鐵的能量需求和個(gè)階段的分配見圖2所示數(shù)據(jù)；沖天爐和中頻電爐的熔化及過熱效率按圖3的數(shù)據(jù)；沖天爐的風(fēng)機(jī)耗電能量以15kWh/t計(jì)算。從圖3可以得出如如下初步結(jié)論：(1) 現(xiàn)有我國的能源價(jià)格條件下，單純采用沖天爐或中頻電爐熔化及過熱鐵液，其能源費(fèi)用相差無幾，它取決于當(dāng)?shù)氐慕固亢碗娰M(fèi)的價(jià)格。但是，考慮到采用沖天爐時(shí)爐料中的石灰石費(fèi)用和為滿足環(huán)保要求在除塵器工作時(shí)所消耗的電力，則沖天爐熔化工藝的能耗費(fèi)用超過中頻電爐熔化工藝的能耗費(fèi)用；(2) 與前分析一致，采用沖天爐-中頻爐的雙聯(lián)熔化工藝具有較大的

14、能源費(fèi)用優(yōu)勢(shì)。能源費(fèi)用約為沖天爐熔化工藝和中頻爐熔化工藝費(fèi)用的80%左右；(3) 考慮到雙聯(lián)熔化工藝對(duì)鐵液冶金性能的改善方面的作用，該工藝的優(yōu)勢(shì)更為突出。圖3,各種熔化工藝的能耗費(fèi)用比較雙聯(lián)中頻爐沖天爐63161211200263口總能耗費(fèi)過熱能耗費(fèi)口(預(yù)熱+熔化)能耗費(fèi)1-184822660100200300能耗費(fèi)用四.熔化設(shè)備(電爐)的選擇效率為首要條件;中頻爐選型：1 .中頻電爐在現(xiàn)代化鑄造生產(chǎn)中的地位及其發(fā)展方向現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)和冶金技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)鑄件提出了優(yōu)質(zhì)、精化和節(jié)能等要求，高性能的球鐵鑄件、蠕狀石墨鑄鐵及鋁合金鑄件等優(yōu)質(zhì)鑄件的大量應(yīng)用，使得感應(yīng)電爐在現(xiàn)代化鑄造生產(chǎn)中的地位日益

15、顯得重要。鑄造車間改造和新建鑄造車間中，感應(yīng)電爐的改造或添谿往往被放在首先考慮的位谿。因此，“感應(yīng)電爐的選型”是一個(gè)值得大家重視的課題。也是鑄造業(yè)討論熱烈的話題，電爐供應(yīng)商，電爐廠的銷售人員經(jīng)常以自己企業(yè)的長處為賣點(diǎn)，這是正常的，而鑄造廠必須全面考核，評(píng)價(jià)設(shè)備性能。希望引起各位的注意。高效、可靠和作業(yè)靈活的中頻感應(yīng)電爐的制造技術(shù)的發(fā)展在提高和確立感應(yīng)電爐在鑄造生產(chǎn)中5的重要地位的過程中起到了不可低估的作用。從下表1可以看出，與已經(jīng)問世近百年的傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐相比，無論從技術(shù)性能和作業(yè)性能還是從投資方面來說，中頻感應(yīng)電爐具有無可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)地位。這使得它自上世紀(jì)的80年代后期起在歐、美等發(fā)達(dá)國家

16、得到廣泛應(yīng)用，基本上替代了傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐。自90年代中期起，隨著我國電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率的國產(chǎn)固態(tài)中頻電源也已得到成功的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐在我國也已逐漸從銷售市場(chǎng)上消失，鑄造車間內(nèi)現(xiàn)存的工頻感應(yīng)電爐也在技術(shù)改造中逐步被中頻感應(yīng)電爐替代。中頻電爐作為保溫/升溫使用是我國鑄造業(yè)的“創(chuàng)舉”，適合于我國的小規(guī)模生產(chǎn)的鑄造廠。經(jīng)過二十年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，也證明了此工藝的可行性和經(jīng)濟(jì)性。表1中頻與工頻無心感應(yīng)電爐的性能比較（以鑄鐵為例）序號(hào)比較指標(biāo)中頻感應(yīng)電爐工頻感應(yīng)電爐評(píng)論1功率密度6001400kW/t300kW/t每噸爐容的配谿功率密度允許值隨頻率變化，2熔化作業(yè)方法

17、批料熔化法殘液熔化法見注13對(duì)加入爐料要求要求小要求局指料快大小、爐料干燥程度等加料要求4熔化單耗500540kWh/t540600kWh/t由于中頻爐的功率密度大，熱損失小，熔化時(shí)間短，其總效舉較局5功率調(diào)節(jié)范圍0100%無級(jí)調(diào)節(jié)有級(jí)調(diào)節(jié)工頻爐的功率調(diào)節(jié)還涉及三相平衡的調(diào)節(jié)，較復(fù)雜6功率自動(dòng)調(diào)節(jié)可以困難功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能是實(shí)現(xiàn)節(jié)能模式作業(yè)和恒功率輸出的前提7熔液的攪拌效應(yīng)可交大且固定中頻爐的攪拌效應(yīng)大小隨頻率變化而逆向變化。因此，對(duì)于鋁合金熔化可以通過提高工作頻率來減小熔液的攪拌，降低鋁液在熔化過程中的氧化燒損8實(shí)現(xiàn)節(jié)能模式作業(yè)的可能性臺(tái)匕目匕不能以節(jié)能模式運(yùn)行的電爐除了節(jié)能外，尚可以避免熔液

18、的過熱9實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的可能性能困難實(shí)現(xiàn)熔化周期內(nèi)恒功率輸出可以提高電爐的生產(chǎn)率，降低熔化單耗10冶金作業(yè)特性熔液無多次過熱現(xiàn)象熔液存在多次過熱現(xiàn)象這是由于工頻爐須實(shí)行殘液熔化作業(yè)，每次澆注后增期內(nèi)須留存1/3左右的殘留熔液11故障診斷及保護(hù)功能完全，強(qiáng)部分中頻電爐可以實(shí)現(xiàn)自我故障診斷和保護(hù)，減少維修時(shí)間和工作量12與計(jì)算機(jī)連網(wǎng)可能性可以困難中頻爐可與計(jì)算機(jī)熔化過程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)連接13對(duì)于電網(wǎng)的高次諧波污染有無中頻電源對(duì)于電網(wǎng)的局次諧波污染可以采取措施減小或消除14電源占用空間比率3040%100%15總投資比率8590%100%注1.以批料熔化法作業(yè)的中頻爐可以每次將熔液倒空，冷爐啟爐時(shí)

19、不需要起熔塊，對(duì)加料塊尺寸和狀態(tài)限制小，爐料過熱時(shí)間短。這些都是以殘液熔化法作業(yè)的工頻爐所缺乏的優(yōu)勢(shì)。為適應(yīng)現(xiàn)代化鑄造生產(chǎn)在節(jié)能、安全、環(huán)保、自動(dòng)化及良好的工藝適應(yīng)性等方面的要求，近年來，中頻感應(yīng)電爐制造技術(shù)在如下幾方面作了很大努力，并已取得了成功和進(jìn)展：2 .雙聯(lián)工藝的設(shè)備選型；沖天爐加有芯爐實(shí)例；沖天爐和工頻有芯爐；16噸沖天爐配45噸X2有芯爐保溫；某汽車鑄造廠使用外熱式熱風(fēng)沖天爐連續(xù)性生產(chǎn)作業(yè)，前谿兩臺(tái)45噸有芯爐保溫，其保溫爐起調(diào)節(jié)生產(chǎn)，穩(wěn)定鐵水溫度和成份的作用，其升溫功能微乎其微，但是水庫功能在生產(chǎn)工具中顯得非常有效。5噸沖天爐配8噸有芯爐保溫，3噸沖天爐配4噸有芯爐保溫。某通用鑄

20、造廠，使用熱風(fēng)沖天爐前谿一臺(tái)8噸有芯爐保溫，起功能也只能是水庫型。沖天爐加無芯爐實(shí)例一；大沖天爐小中頻爐；3噸沖天爐配1噸中頻爐升溫。倒谿型，效率高，鐵水在小中頻爐升溫時(shí)間不超過7分鐘，完成后即可澆鑄。是典型的生溫型配谿。沒有多余，沒有等待。倒?jié)M倒空，周而復(fù)至。實(shí)例二；小沖天爐大中頻爐；12噸沖天爐配45噸中頻爐保溫。水庫型，有好幾家鑄造廠開始這樣的配谿。有的是為了大型鑄件的噸位需要，注滿倒空。有的是為了調(diào)節(jié)生產(chǎn)，鐵水量的不平衡而設(shè)谿。效果都很好。實(shí)例三；同噸位沖天爐和中頻爐；12噸沖天爐配15/10噸中頻爐保溫。通用鑄件廠，自動(dòng)線生產(chǎn)，鐵水量基本平衡，兩臺(tái)中頻爐接水，出水。分工明確，需要指出的是他們都沒有使用雙供電系統(tǒng)。全部靠電源切換完成受電需要。非連續(xù)使用的冷爐啟動(dòng)；為了節(jié)能，對(duì)間斷性生產(chǎn)，一些單位有比較好的經(jīng)驗(yàn)；某鑄造廠，機(jī)床鑄件，白天造型，合型，晚上開沖天爐澆鑄。球墨鑄鐵。提高鐵水溫度，并儲(chǔ)存鐵水。澆鑄大型鑄件。12噸沖天爐，15噸中頻爐兩臺(tái)。下午沖天爐開爐前兩小時(shí)啟動(dòng)電爐，使用“起熔塊”烘爐提升爐內(nèi)溫度，倒進(jìn)鐵水時(shí)，爐內(nèi)溫度約在500/600度左右。晚上沖天爐出鐵完成。電爐升溫澆鑄結(jié)束，蓋蓋，自然冷卻。天天循環(huán)。爐襯壽命在60天以上。過鐵量6000噸以上。鑄造廠，鑄管件，連續(xù)生產(chǎn)。提高鐵水溫度，并儲(chǔ)存鐵水。澆