第七節(jié)  機(jī)械加工企業(yè)的節(jié)能監(jiān)測(cè)

一、機(jī)械加工工業(yè)的能耗概述

當(dāng)前我國(guó)機(jī)械工業(yè)發(fā)展速度已連續(xù)5年超過(guò)20%，總規(guī)模位居世界前列，但總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理;大部分企業(yè)自主創(chuàng)新能力較弱，產(chǎn)品升級(jí)換代緩慢;能源和原材料消耗大，污染嚴(yán)重。

對(duì)于機(jī)械工業(yè)而言，單位增加值能耗不高，總量卻不小，各行業(yè)綜合能耗水平差異較大。近年來(lái)，我國(guó)機(jī)械工業(yè)全行業(yè)和大中型企業(yè)綜合能耗逐年下降，2004年萬(wàn)元增加值綜合能耗為0.73t標(biāo)準(zhǔn)煤，2005年為0.65t標(biāo)準(zhǔn)煤，2006年為0.56t標(biāo)準(zhǔn)煤。

2006年，機(jī)械工業(yè)行業(yè)總能耗約8134.2萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，占工業(yè)能耗的4.6%，占全國(guó)能耗總量的3.3%;萬(wàn)元增加值能耗為0.56t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全國(guó)工業(yè)萬(wàn)元增加值能耗的24.8%，全國(guó)GDP綜合能耗的47.4%。與此同時(shí).機(jī)械工業(yè)十分重視高效節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)，開(kāi)發(fā)了許多高效節(jié)能重大技術(shù)裝備和量大面廣的通用產(chǎn)品，節(jié)能效果顯著。例如，火力發(fā)電設(shè)備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)由亞臨界參數(shù)向超臨界、超超臨界的升級(jí)，機(jī)組效率提高了2%～5%;發(fā)展高效電動(dòng)機(jī)，比普通電動(dòng)機(jī)效率提高5%～2%，2005年產(chǎn)量達(dá)3000萬(wàn)kW，約占全部產(chǎn)量的23%;在關(guān)鍵部件應(yīng)用方面，以電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，節(jié)約了大量能量;積極推廣節(jié)能變壓器;開(kāi)發(fā)了風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等高效通用機(jī)械產(chǎn)品。

盡管我國(guó)機(jī)械工業(yè)單位增加值能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高耗能行業(yè)，也低于全國(guó)萬(wàn)元GDP能耗，但單位產(chǎn)品綜合能耗與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有差距。熱加工工藝是機(jī)械工業(yè)制造過(guò)程中的主要耗能環(huán)節(jié)。2006年，我國(guó)鑄造、熱處理和鍛造等行業(yè)消耗能源4056.8萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，占機(jī)械工業(yè)總能耗的49.9%。鑄造行業(yè)每生產(chǎn)It鑄鐵件能耗為0.55～0.7t標(biāo)準(zhǔn)煤，國(guó)外為0.3--0.4t標(biāo)準(zhǔn)煤;鍛造行業(yè)每噸鍛件平均能耗約為0.88t標(biāo)準(zhǔn)煤，日本僅為0.515t標(biāo)準(zhǔn)煤;重型行業(yè)煉鋼平均噸鋼總能耗為800～100OkWh，國(guó)外先進(jìn)水平僅為550～600kWh。

作為高耗材行業(yè)，機(jī)械行業(yè)2004年消費(fèi)鋼材12510方t，占同期全國(guó)鋼材產(chǎn)量的39%;消費(fèi)銅材為358萬(wàn)t(國(guó)產(chǎn)僅有220萬(wàn)t);消耗鋁材為152萬(wàn)t，占全國(guó)鋁材產(chǎn)量的28%。在材料利用方面，國(guó)內(nèi)軸承生產(chǎn)企業(yè)軸承套圈材料利用率一般水平在50%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家可達(dá)75%。

二、機(jī)械加工企業(yè)工藝及能耗分析

(一)鑄造工藝

1.工藝流程

鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過(guò)程。鑄造毛坯因近乎成形，而達(dá)到免機(jī)械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上減少了時(shí)間。鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。

鑄造種類很多，按造型方法可分為：普通砂型鑄造，包括濕砂型、干砂型和化學(xué)硬化砂型3類;特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產(chǎn)砂石為主要造型材料的特種鑄造(如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負(fù)壓鑄造、實(shí)型鑄造、陶瓷型鑄造等)和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造(如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等)兩類。

鑄造工藝通常包括：

(1)鑄型(使液態(tài)金屬成為固態(tài)鑄件的容器)準(zhǔn)備，鑄型按所用材料可分為砂型、金屬型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次數(shù)可分為一次性型、半永久型和永久型，鑄型準(zhǔn)備的優(yōu)劣是影響鑄件質(zhì)量的主要因素。

(2)鑄造金屬的熔化與澆注，鑄造金屬(鑄造合金)主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。

(3)鑄件處理和檢驗(yàn)，鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、切除澆冒口、鏟磨毛刺和披縫等凸出物以及熱處理、整形、防銹處理和粗加工等。

不同的鑄造方法有不同的鑄型準(zhǔn)備內(nèi)容。以應(yīng)用最廣泛的砂型鑄造為例，鑄型準(zhǔn)備包括造型材料準(zhǔn)備和造型造芯兩大項(xiàng)工作。砂型鑄造中用來(lái)造型造芯的各種原材料，如鑄造砂、型砂黏結(jié)劑和其他輔料，以及由它們配制成的型砂、芯砂、涂料等統(tǒng)稱為造型材料，造型材料準(zhǔn)備的任務(wù)是按照鑄件的要求、金屬的性質(zhì)，選擇合適的原砂、黏結(jié)劑和輔料，然后按一定的比例把它們混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂設(shè)備有碾輪式混砂機(jī)、逆流式混砂機(jī)和葉片溝槽式混砂機(jī)。

造型造芯是根據(jù)鑄造工藝要求，在確定好造型方法，準(zhǔn)備好造型材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。鑄件的精度和全部生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效果，主要取決于這道工序。在很多現(xiàn)代化的鑄造車間里，造型造芯都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化或自動(dòng)化。常用的砂型造型造芯設(shè)備有高、中、低壓造型機(jī)、拋砂機(jī)、無(wú)箱射壓造型機(jī)、射芯機(jī)、冷和熱芯盒機(jī)等。

鑄件自澆注冷卻的鑄型中取出后，有澆口、胃口及金屬毛刺披縫，砂型鑄造的鑄件還黏附著砂子，因此必須經(jīng)過(guò)清理工序。進(jìn)行這種工作的設(shè)備有拋丸機(jī)、澆口冒口切割機(jī)等。砂型鑄件落砂清理是勞動(dòng)條件較差的一道工序，所以在選擇造型方法時(shí)，應(yīng)盡量考慮到為落砂清理創(chuàng)造方便條件。有些鑄件因特殊要求，還要經(jīng)鑄件后處理，如熱處理、整形、防銹處理、粗加工等。

鑄造是比較經(jīng)濟(jì)的毛坯成型方法，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更能顯示出它的經(jīng)濟(jì)性。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋，船舶螺旋槳以及精致的藝術(shù)品等。有些難以切削的零件，如燃汽輪機(jī)的鎳基合金零件不用鑄造方法無(wú)法成形。

男外，鑄造的零件尺寸和重量的適應(yīng)范圍很寬，金屬種類幾乎不受限制;零件在具有一般機(jī)械性能的同時(shí)，還具有耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能，是其他金屬成型方法如鍛、軋、焊、沖等所做不到的。因此在機(jī)械制造業(yè)中用鑄造方法生產(chǎn)的毛坯零件，在數(shù)量和噸位上迄今仍是最多的。

鑄造生產(chǎn)經(jīng)常要用的材料有各種金屬、焦炭、木材、塑料、氣體和液體燃料、造型材料等。所需設(shè)備有冶煉金屬用的各種爐子，有混砂用的各種混砂機(jī)，有造型造芯用的各種造型機(jī)、造芯機(jī)，有清理鑄件用的落砂機(jī)、拋丸機(jī)等。還有供特種鑄造用的機(jī)器和設(shè)備以及許多運(yùn)輸和物料處理的設(shè)備。

鑄造生產(chǎn)有與其他工藝不同的特點(diǎn)，主要是適應(yīng)性廣、需用材料和設(shè)備多。鑄造生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生粉塵、有害氣體和噪聲對(duì)環(huán)境的污染，比起其他機(jī)械制造工藝更為嚴(yán)重，需要采取措施進(jìn)行控制。

2.工藝節(jié)能建議

鑄造行業(yè)是機(jī)械工業(yè)的耗能大戶，能耗高、能源利用率低、污染嚴(yán)重、經(jīng)濟(jì)效益差等制約了鑄造行業(yè)的發(fā)展。節(jié)能技術(shù)與節(jié)能措施包含以下幾個(gè)方面。

(1)黏結(jié)劑的循環(huán)再利用。環(huán)保型砂芯無(wú)機(jī)黏結(jié)劑和砂處理及再生技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。Laempe公司的Beach-BoX無(wú)機(jī)黏結(jié)劑是含有多種礦物質(zhì)的流體，芯砂用95%砂及5%黏結(jié)劑，如鑄件用干法除芯，黏結(jié)劑殘留在砂中，為激活黏結(jié)劑，只要加入2.5%的水可重復(fù)使用多次而不用再加新的黏結(jié)劑，這就意味著在生產(chǎn)中每批最大黏結(jié)劑加入量?jī)H為1.6%，通過(guò)除水導(dǎo)致黏結(jié)劑組分的化學(xué)反應(yīng)而硬化，可使用時(shí)間無(wú)限制，但相對(duì)濕度不應(yīng)超過(guò)70%，混制好的砂密封好可長(zhǎng)期儲(chǔ)存。FoundryAutomation和MEG的黏結(jié)劑為粉狀，用于鋁合金制芯、儲(chǔ)存和澆注過(guò)程中均不發(fā)氣，且均無(wú)樹脂類黏結(jié)劑可能引起的環(huán)境問(wèn)題。濕法清砂的水可回用85%，回收的材料可100%再使用。

(2)舊砂回收與再利用。在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一直把舊砂再利用作為一項(xiàng)重大研究課題，取得了較好的研究成果，并已經(jīng)付諸工業(yè)生產(chǎn)。在澆鑄有色金屬件、鑄鐵件以及鑄鋼件時(shí)，根據(jù)舊砂的燒結(jié)溫度，用機(jī)械法再生舊砂，其再生率大致分別為90%、80%及70%。舊砂回用與濕法再生結(jié)合是最經(jīng)濟(jì)最理想的選擇，兩級(jí)濕法再生去除率(Na20)達(dá)85%～95%，單級(jí)也可達(dá)70%。90%的舊砂回收再利用，質(zhì)量接近新砂。英國(guó)理查德(Richard)公司采用熱法再生，可以提高再生率10%～20%。而且，熱法舊砂再生成套設(shè)備的成本回收期較短，一般運(yùn)轉(zhuǎn)兩年就可收回成本。回收得到的無(wú)法用機(jī)械法再生處理的鋯砂采用熱法處理后，再生砂的質(zhì)量?jī)?yōu)于新砂。在美國(guó)，鑄造行業(yè)用砂年消耗量在500萬(wàn)t左右，研究發(fā)現(xiàn)，鑄造用后的舊砂用于高速公路路基材料，完全可以滿足高速路建設(shè)所用材料的性能要求，其性能同樣優(yōu)于同品種的新砂。