傳統(tǒng)精密鑄造即水玻璃粘結(jié)劑的精密鑄造工藝在我國經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展，已成為我國制造業(yè)的基礎(chǔ)鑄造工藝，特別是在汽車、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械、軌道交通、泵閥等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，從而傳統(tǒng)精密鑄造工藝呈現(xiàn)了高速發(fā)展期。鑄造業(yè)是資源消耗密集型行業(yè)，在機(jī)械行業(yè)中“高消耗、高能耗、高排放”的問題十分突出，因此節(jié)約資源、能源，減排等成為傳統(tǒng)精鑄行業(yè)發(fā)展的重要課題。
在整個(gè)鑄造過程中，傳統(tǒng)精密鑄造的能源消耗主要是：煤（天然氣）、電兩大類，僅型殼焙燒、金屬熔煉兩大工序占總能耗70%以上，所以傳統(tǒng)精密鑄造企業(yè)節(jié)能的重點(diǎn)就是型殼焙燒及金屬熔煉工序。以年產(chǎn)萬噸傳統(tǒng)精鑄件企業(yè)為例，主要對(duì)傳統(tǒng)貫通式隧道窯、中頻電源節(jié)能改造提高能源利用率，為提高焙燒爐通過能力和同等能量下投入產(chǎn)出比，對(duì)模組組樹方式進(jìn)行優(yōu)化提高工藝出品率，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)量，減輕模殼厚度降低材料消耗及焙燒能耗等，實(shí)現(xiàn)型殼焙燒、金屬熔煉多方位節(jié)能，同時(shí)減少二氧化碳、二氧化硫等排放。
本文將從資源與能源消耗、技術(shù)特點(diǎn)、資源利用率、污染物的排放、經(jīng)濟(jì)性等方面來分析傳統(tǒng)精密鑄造節(jié)能減排技術(shù)。
1能量系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能量確定原則和方法
能量系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能量測算按照《節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目節(jié)能量確定原則和方法》進(jìn)行計(jì)算。
在實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造前，第i個(gè)產(chǎn)品（工序）邊界范圍內(nèi)的所有用能環(huán)節(jié)消耗的全部能源按規(guī)定方法折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的總和，用Ei0表示。
節(jié)能技術(shù)改造前第i個(gè)產(chǎn)品（工序）產(chǎn)量用P i0表示
2 傳統(tǒng)精密鑄造行業(yè)發(fā)展
從上世紀(jì)九十年代后期至2007年，我國熔模鑄造產(chǎn)業(yè)受出口和內(nèi)需兩大市場的拉動(dòng)，呈現(xiàn)了高速發(fā)展期，每年以20%～25%的速度快速發(fā)展，但2008年下半年美國出現(xiàn)的金融危機(jī)及隨后的歐債危機(jī)，連續(xù)影響了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也影響到我國傳統(tǒng)精密企業(yè)，在國家增加基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、擴(kuò)大內(nèi)需的政策下，使傳統(tǒng)精密鑄造精鑄件產(chǎn)量2009年雖有下降，但在隨后幾年中隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度放緩后, 傳統(tǒng)精密鑄造企業(yè)產(chǎn)量仍呈低速上升的趨勢，平均年增長速度約6%左右，到2011年傳統(tǒng)精密鑄造精鑄件總產(chǎn)量約達(dá)126萬噸。
3.傳統(tǒng)精密鑄造能量系統(tǒng)優(yōu)化主要節(jié)能措施
3.1焙燒隧道窯節(jié)能改造
目前傳統(tǒng)精密鑄造焙燒爐多為貫通式隧道焙燒窯，在窯爐熱量損耗中，以高溫?zé)煔鉄釗p最為嚴(yán)重，由于傳統(tǒng)爐體短，煙氣流動(dòng)快，未充分利用，排煙溫度高達(dá)450℃，焙燒熱效率低。通過增加爐體預(yù)熱段長度，由傳統(tǒng)貫通式改為U型窯體，延長后U型爐體增加煙氣在窯體的停留時(shí)間，將排煙溫度降低到200℃以下，充分利用煙氣余熱，提高焙燒熱效率，同時(shí)U型焙燒爐爐體中間減少了爐體散熱面，也大大降低爐體熱損失。優(yōu)化前后的焙燒爐截面如下圖1、2所示。
3.2中頻電源熔煉設(shè)備節(jié)能改造
熔煉電耗約占總能耗50%，通過對(duì)熔煉設(shè)備及其相關(guān)進(jìn)行節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能效果。具體改造措施如下：
恒功率改造：在負(fù)載阻抗因加熱發(fā)生變化時(shí)能保持電源輸出功率近似不變；
爐體增容改造：由500公斤增加到750公斤，提高效率；
提升輸入電壓等級(jí)改造：進(jìn)線電壓由380V提高到660V以上可以使設(shè)備效率大大提高，同時(shí)設(shè)備銅損也得以降低。
使用新型的IGBT（絕緣門極雙極晶體管）代替可控硅中頻電源，這種新型電源整流是三相全波整流，沒有相序要求，不產(chǎn)生高次諧波，不污染電網(wǎng)，不影響變電所無功補(bǔ)償電容器的運(yùn)行，不會(huì)使變壓器發(fā)熱，大大提高電能的轉(zhuǎn)化率。
3.3優(yōu)化模組組樹方式提高出品率降低熔煉能耗
在同等焙燒條件下，通過實(shí)施澆注系統(tǒng)優(yōu)化、個(gè)性化等工藝措施，提高模組組樹數(shù)量，精鑄件平均工藝出品率由55％提高到70％以上，噸產(chǎn)品熔化能耗明顯降低，優(yōu)化模組組樹方式圖3。
3.4產(chǎn)品優(yōu)化減重提高鋼水利用率降低熔煉能耗
在同等焙燒條件下，為提高投入產(chǎn)出比，通過對(duì)精鑄件輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)、驗(yàn)證技術(shù)及材料強(qiáng)化技術(shù)研究，通過輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鑄件減重率平均高達(dá)30％，明顯降低金屬液熔化量而實(shí)現(xiàn)降低熔煉電耗，產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)對(duì)比如圖4。
3.5薄殼減層降低焙燒能耗
以薄殼工藝技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用為突破口，通過對(duì)制殼材料、涂料、粘結(jié)劑、硬化液及精密鑄造與消失模鑄造復(fù)合等工藝研究，在保證模殼強(qiáng)度前提下，實(shí)現(xiàn)型殼厚度減薄，降低噸產(chǎn)品原輔材料消耗，降低型殼焙燒能耗。
4傳統(tǒng)精密鑄造能量系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能量分析
4.1焙燒隧道窯節(jié)能改造
傳統(tǒng)貫通式焙燒隧道窯，萬噸以上傳統(tǒng)精密鑄造企業(yè)多采用煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生煤氣燃燒加熱，改造前噸產(chǎn)品煤耗約為750 Kg/ t，萬噸精鑄件年用洗精煤總量7500t，噸洗精煤產(chǎn)氣量約為3.8m3，焙燒年耗發(fā)生煤氣總量28500m3，煤氣發(fā)生爐效率78%，煤氣實(shí)測熱值5407.47kj/ m3，排煙溫度450℃，隧道窯空氣過量系數(shù)1.2，每立方米煤氣產(chǎn)生2.676m3煙氣，年高溫?zé)煔饪偭?7500×3.8×0.78×1.2×2.676=71385 m3。煙氣定壓比熱容為1.8627 kJ/(m3.℃)，年煙氣損失量=71385m3×450℃×1.8627kJ/(m3.℃)= 59835978。
U型焙燒窯預(yù)熱段加長，窯室煙氣停留時(shí)間延長，按同等焙燒量計(jì)算，噸產(chǎn)品煤耗約為630 Kg/ t，萬噸精鑄件年用洗精煤總量6300t，排煙溫度200℃，隧道窯空氣過量系數(shù)1.2，每立方米煤氣產(chǎn)生2.676m3煙氣，年高溫?zé)煔饪偭?6300×3.8×0.78×1.2×2.676=59963m3，200℃時(shí)煙氣定壓比熱容為1.7873kJ/(m3.℃)。年煙氣損失熱量=59963m3×200℃×1.7873kJ/(m3.℃) = 21434374，（焙燒爐改造噸鑄件節(jié)省煤耗沒有計(jì)入，僅計(jì)算消耗的煤減少熱損）。
節(jié)能量△E1=（59835978-21434374）×0.03412kg/MJ ÷1000=1310tce
另外，很多企業(yè)已經(jīng)將排出煙氣通過熱交換器，將煙氣余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽及熱水，供企業(yè)生產(chǎn)、生活實(shí)用，進(jìn)一步提高煙氣余熱的利用效率，同時(shí)還可以達(dá)到凈化煙氣目的。
4.2中頻電源熔煉設(shè)備節(jié)能改造
設(shè)備經(jīng)提升輸入電壓改造后，電源內(nèi)部電流為改造前的380/660=0.576，根據(jù)功率公式W=RI2,則設(shè)備在電源內(nèi)部以及感應(yīng)器上的銅損降低為原設(shè)備的（380/660）2=0.33。
經(jīng)上述對(duì)電源恒功率并爐體容量加大以及提升輸入電壓改造后，預(yù)計(jì)電能利用效率提升近20%，平均噸鋼水電耗將由原先850kwh～950kwh降低至650kwh～780kwh。
按年產(chǎn)10000噸精鑄件計(jì)算，鋼水利用率按平均70%，廢品率3%，由于電源波動(dòng)，取噸鋼水節(jié)約電耗900（改前）-730（改后）= 170 kwh
年可節(jié)電：100÷70×170（kwh）×10000×（1+0.03）=2500000kwh
實(shí)施后折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：節(jié)能量△E2=2500000×0.335/1000=837.5噸。
4.3優(yōu)化模組組樹方式提高出品率降低熔煉能耗
組樹優(yōu)化后平均出品率由55％提升到70％，提高了15個(gè)百分點(diǎn)，相當(dāng)于每噸鑄件少熔化鋼水量＝（1/0.55－1/0.70）＝0.389t，熔化每噸鋼水的電耗按改造后730 kwh計(jì)算，噸產(chǎn)品熔化電耗降低283.97 kwh，折合標(biāo)煤283.97 kwh /t×0.335Kg/ kwh＝95.12995Kg/t 即0.09512995噸標(biāo)準(zhǔn)煤。
按年產(chǎn)10000噸鑄件，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：節(jié)能量△E3=10000×0.09512995=951.2995噸。
4.4產(chǎn)品優(yōu)化減重提高鋼水利用率降低熔煉能耗
產(chǎn)品優(yōu)化減重節(jié)約材料熔化節(jié)能=0.335（改進(jìn)前產(chǎn)品單重-改進(jìn)后產(chǎn)品單重）×改進(jìn)后產(chǎn)量÷1000×730（熔化每噸鋼水的電耗按改造后730 kwh計(jì)算）
按年產(chǎn)10000噸鑄件企業(yè)，一般輕量化設(shè)計(jì)減重約10%，節(jié)能量△E4=10000×10%×0.335÷1000×730=244.55噸標(biāo)煤（產(chǎn)品優(yōu)化減重節(jié)約鋼材量效益沒有計(jì)入）。
4.5薄殼減層降低焙燒能耗
薄殼減層工藝應(yīng)用后，型殼加固層層數(shù)，由原先的4～6層減為2～3層，由于型殼變薄，模殼層度平均減薄1/5以上，同理焙燒模殼的熱量也會(huì)減少1/5，噸產(chǎn)品型殼焙燒可節(jié)省1/6煤耗，改進(jìn)后煤耗630Kg/噸，因此減少資源、能源消耗和排放方面效果非常明顯。
以年產(chǎn)10000噸精鑄件計(jì)算，不算節(jié)省原輔材料效益，僅僅計(jì)算型殼變薄后焙燒節(jié)省能量△E5=10000×0.63÷6×0.9=945噸標(biāo)煤（薄殼減層減少砂粉材料效益沒有計(jì)入）。
綜合節(jié)能量見能量系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能匯總表2。
5碳硫氧化物減排效果
傳統(tǒng)精密鑄造能量系統(tǒng)優(yōu)化后，大大降低了生產(chǎn)過程中資源、能源消耗，項(xiàng)目的實(shí)施不僅具有顯著的節(jié)能效益，還有良好的減排效果。
優(yōu)化后折合年節(jié)約標(biāo)煤：4288.4t/a
優(yōu)化后二氧化碳排放：GCO2=2620×B×Q
（ GCO—CO2排放量，kg； B --耗標(biāo)煤量，T； Q --燃煤效率，%）
項(xiàng)目實(shí)施后二氧化碳減排量：11236.8t/a。
二氧化硫減排量：GSO2=1600×B×S
（ GSO2--SO2排放量，kg； B --耗煤量，T； S --燃煤全硫分含量，%）
優(yōu)化后，二氧化硫減排量68.8t/a。
結(jié)束語
本文通過對(duì)傳統(tǒng)精密鑄造關(guān)鍵工序節(jié)能減排的結(jié)果分析，提出傳統(tǒng)精密鑄造節(jié)能減排計(jì)算方法，建立傳統(tǒng)精密鑄造節(jié)能減排能量系統(tǒng)優(yōu)化模型，從資源消耗、污染物排放、技術(shù)性指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性等維度進(jìn)行評(píng)價(jià)（見表3），為企業(yè)開展節(jié)能減排提供參考，對(duì)實(shí)現(xiàn)全社會(huì)節(jié)能減排具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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