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)工作中和有實踐經(jīng)驗的廣大鑄造 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，從管理上獲得節(jié)能的可行性。及可以采 取的節(jié)能措施。由于對沖天爐的認(rèn)識不足，不予評論，本文以電爐熔化，保溫為 基本對象。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，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

2、件鑄造；沖天爐 /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)性強的特點。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告。國內(nèi)則有現(xiàn)場記錄。序號熔化

3、金屬類國外指標(biāo)國內(nèi)實際使用國家或行業(yè)指標(biāo)備注1鑄鐵(1500 C )5005509005457 50110t爐容2鑄鋼(1600 C )60062011005607 8915t爐容3鋁及鋁合金（700 C ）5005508005456 750.4? 5t爐容4銅(1250 C )4004508 005105 70110t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，

4、就能達(dá)到節(jié)能的要求。但是過高的密度對爐襯材料會引起傷害。熔化周期內(nèi)功率輸出時間的比例大小；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)?！边\行的一項指標(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，線圈電效率達(dá)80 %， 電爐總效率達(dá)73%，兩項指標(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；中頻電源的轉(zhuǎn)換效率已接近97%。本項主要能耗在電抗

5、，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，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，而且會給合金，爐襯帶來危害。要求高的，精打細(xì)算的鑄造廠對新鐵，廢鋼，澆冒口都進(jìn)行拋丸處理就是為了節(jié)約能源，排除銹雜物對鑄件帶來的隱患。 塊度是否合適；太大或

6、太小都會影響電爐的電效率，和熔化質(zhì)量，塊度越大，速度會越慢，而且金屬液的均勻程度會不穩(wěn)定。一般以200/300 毫米塊度為合適。 起熔時路內(nèi)是否有液態(tài)金屬液；爐內(nèi)有金屬液會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，這些鐵水可能因為在爐內(nèi)長時間處于過熱狀態(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)點是鐵水可以倒空而啟動，但在實際使用過程中，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

7、；無導(dǎo)磁磁軛，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)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)磁磁軛的低。無爐蓋運行，使大量熱能通過熱輻射損失。但是，由于其設(shè)備價格便宜，大部分小鑄造廠使用此類電爐。而代價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電能是否能有效對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（90/1

8、25 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，代價是爐襯壽命降低。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，底部耐火材料會因為感應(yīng)攪拌力作用，強力沖刷底部， 急劇降低使用壽命。太低有會產(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：人吸入會滯留在肺中，有致癌傾向。石棉布一般含水份高，

9、容易在石英砂后背，在一段時間使用后，隨水份進(jìn)入石英砂，會引起板結(jié)，開裂。背襯材料的功能是絕緣，防水。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)過高級線圈膠泥處理，表面光滑，不必再使用背襯材料。那末，高級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 加料的時機；固體金屬的第一次加入量要求達(dá)到爐容的1/3 左右，

10、 如沒有達(dá)到，說明其空隙較大，會影響功率輸入，而且會有打火（放電）拉弧，耗電并有在爐襯表面造成裂紋，著對鑄鋼中性材料破壞極大。當(dāng)?shù)谝慌系竭_(dá)熔融狀態(tài)時，固體料下沉，此時應(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。這就要求熔化時的功率輸入以小于20% （第一次加料）- 50% （軟化）-（加料）65% - -停止送電。出液。100% 到達(dá)工藝要求溫度。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)

11、量，必須達(dá)到。這兒要提出的是；在達(dá)到工藝要求時，不要追 求過度超溫，這需要現(xiàn)場的工藝技術(shù)人員不斷觀察，測量溫度。到達(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，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 化工藝上講也是錯誤的。一般的電爐感應(yīng)器都分成上下兩個部分，當(dāng)爐內(nèi)金屬液面低于 上部感應(yīng)器的一半以下時，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，金相將發(fā)生變化。碳，硅相變，使鑄件的白 口傾向嚴(yán)重。機械加工性能變差，國內(nèi)有的汽車

12、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1450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?？傆嬓枰獰崃繛?322600 KJ/t。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特的優(yōu)勢。中頻爐熔化

13、、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用比較見下圖的能耗費用計算是基于:下列條件：電能和焦炭的熱值分別為 3600KJ和27210 KJ ;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 1550 C;每噸鑄鐵的能量需求和個階段的分配見圖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)機耗電能量以 15kWh/t計算。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，其能源費用相差無幾，它取決于當(dāng)?shù)氐慕固亢碗娰M的價格。但是，考慮到采用沖天爐時爐料中的石灰石費用和為滿足環(huán)保要求

14、在除塵器工作時所消耗的電力，則沖天爐熔化工藝的能耗費用超過中頻電爐熔化工藝的能耗費用；(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能源費用優(yōu)勢。能源費用約為沖天爐熔化工藝和中頻爐熔化工藝費用的80%左右；(3) 考慮到雙聯(lián)熔化工藝對鐵液冶金性能的改善方面的作用，該工藝的優(yōu)勢更為突出。圖3, 各種熔化工藝的能耗費用比較雙聯(lián)中頻爐沖天爐63161211200263口總能耗費過熱能耗費口(預(yù)熱+熔化)能耗費1-184822660100200300能耗費用四.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)代機械制造技術(shù)和冶金技

15、術(shù)的飛速發(fā)展對鑄件提出了優(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，這是正常的，而鑄造廠必須全面考核，評價設(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

16、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)電爐具有無可爭議的優(yōu)勢地位。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) 過二十年的實際應(yīng)用經(jīng)驗，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

17、爐的性能比較（以鑄鐵為例）序號比較指標(biāo)中頻感應(yīng)電爐工頻感應(yīng)電爐評 論1功率密度600 1400 kW/t300 kW/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)方法批料熔化法殘液熔化法見注13對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500 540 kWh/t540 600 kWh/t由于中頻爐的功率密度大，熱 損失小，熔化時間短，其總效 舉較局5功率調(diào)節(jié)范圍0100%無級調(diào)節(jié)有級調(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功率自動調(diào)節(jié)可以困難功率自動調(diào)節(jié)功能是實現(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

18、隨頻率變化 而逆向變化。因此，對于鋁合金熔 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實現(xiàn)節(jié)能模式作業(yè) 的可能性臺匕 目匕不能以節(jié)能模式運行的電爐除了節(jié) 能外，尚可以避免熔液的過熱9實現(xiàn)恒功率輸出的 可能性能困難實現(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，強部分中頻電爐可以實現(xiàn)自我故障診 斷和保護(hù)，減少維修時間和工 作量12與計算機連網(wǎng)可能 性可以困難中頻爐可與計算機熔化過程自

19、 動控制管理系統(tǒng)連接13對于電網(wǎng)的高次諧 波污染有無中頻電源對于電網(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30 40%100%15總投資比率85 90%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，冷爐啟爐時不需要起熔塊，對加料塊尺寸和狀態(tài)限制小，爐料過熱時間短。這些都是以殘液熔化法作業(yè)的工頻爐所缺乏的優(yōu)勢。為適應(yīng)現(xiàn)代化鑄造生產(chǎn)在節(jié)能、安全、環(huán)保、自動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；沖天爐加有芯爐實例；沖天爐和工頻有芯爐；16 噸沖天爐配45 噸 X2 有芯爐保溫

20、；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。某通用鑄造廠，使用熱風(fēng)沖天爐前谿一臺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

21、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，自動線生產(chǎn)，鐵水量基本平衡，兩臺中頻爐接水，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；為了節(jié)能，對間斷性生產(chǎn)，一些單位有比較好的經(jīng)驗；某鑄造廠， 機床鑄件，白天造型，合型， 晚上開沖天爐澆鑄。球墨鑄鐵。提高鐵水溫度，并儲存鐵水。澆鑄大型鑄件。12 噸沖天爐，15 噸中頻爐兩臺。下午沖天爐開爐前兩小時啟動電爐，使用“起熔塊”烘爐提升爐內(nèi)溫度，倒進(jìn)鐵水時，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，并儲存