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锻造生产过程中的节能问题研究

2018/2/20    来源:互联网    作者:柳晶  江明明      
关键字:锻造  能耗  节能  工艺流程  生产调度  
面向锻造行业开展节能问题研究,通过分析锻造流程中能量消耗的各个环节,找出了节能设备、工艺方案、生产调度等3个能够节能的环节。在节能设备方面,给出了冷挤压及冷锻工艺、等温锻造、电液锤的改造、循环水系统的改造等方案;在工艺流程的节能优化方面,给出了高温废气的多级循环利用、连铸连锻工艺的应用、热处理工艺中余热的利用,以及节能型锻打CAPP方案等;在生产调度方面,则分别从锻件装炉中的节能优化、锻件出炉过程的节能优化、锻件锻打中的节能优化、热处理过程的节能优化等方面进行了研究。研究结果为锻造节能技术的研究及发展提供了必要的理论基础。

    随着科技的发展,社会生产力水平越来越高,生产规模越来越大,随之而来的是对能源的消耗与日俱增。在众多工业生产模式中,锻造生产一直以高能耗著称,其能耗约占机械制造行业总能耗的25%,而在具体企业中,锻造生产的能耗约占所有生产流程中能源总消耗量的75%。据相关资料显示,在锻造生产的环节中,每天耗油400元、耗煤200元和其他一些费用,才能做到生产it标准锻件,由此可以看出,锻造行业的能量消耗是非常巨大的。因此锻造行业节能工作的开展迫在眉睫,其不仅符合国家节约能源的发展方针,也直接影响企业的经济利益。本文从加工技术、工艺流程及计划调度等多个方面来探讨锻造生产流程的节能优化方法,为锻造企业的节能提供切实可行的解决方案。

    1 国内外研究现状分析

    目前锻造行业主要通过工艺改进和技术改造两种方法来控制能耗。工艺改进方面的措施主要包括冷挤压及冷锻工艺、余热热处理工艺、合理确定锻件的成形方式、等温锻造等;技术改造主要包括电液锤改造、燃油炉节能改造、中频感应器匹配、循环水系统改造等。这些技术改造虽然能起到很好的节能效果,但一次投入较大,中小企业难以承受。

    此外,对零件锻造各阶段工序及其生产流程进行节能优化,也是重要的研究方向之一。赵新海等在锻造过程的优化设计中给出了面向能耗的优化目标;赵曦对锻造工艺的能耗进行了分析,建立了能耗系数矩阵;BROVKIN等提出锻造能耗主要存在于热能的摄人和使得锻坯变形的机械能,主要表现在材料和预制件上,并给出了锻造能耗的计算方法;文献对于锻造生产过程进行了面向节能减排的调度研究,其首先针对自由锻造生产给出了资源环境过程模型,然后基于此得到了面向节能减排的锻造生产调度的总体模型,同时给出了求解方案,最终实现了调度系统的设计开发。由此可见,对锻造生产过程开展节能调度研究,能够有效减少生产过程的资源消耗和对环境的不利影响,是锻造节能生产的重要途径。

    2 锻造生产流程的能耗分析

    锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑f生变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。一般来说,锻造生产流程主要包括下料、装炉加热、锻造、机加工、热处理等工艺阶段。其中下料、装炉加热、锻造、热处理是能源消耗的关键环节,而加热部分(包括锻造装炉加热与热处理加热)是最主要的能耗工序。据统计,其燃料消耗量约占全工艺流程总消耗量的75%。

    因此,锻造生产中能量损失最严重的设备就是锻造加热炉,需要对其进行节能优化控制。据统计,我国锻造加热炉每千克锻件的平均能耗为20 515 320J,平均热效率为4%,而国内先进指标单耗为4 689 216J,热效率为19%。此外,锻造车间中的排烟余热约占其总供热量的1/3~1/2,温度可达到1000~C 一1100~C。

    可以看出,加热炉的能耗损失非常严重,其高能耗的主要原因包括排烟温度高,燃料利用率低,停、开炉频繁,装炉量不合理等。

    3 锻造生产能耗优化分析

    锻造生产过程中,能量消耗及产生浪费的原因如图1所示。在装炉加热阶段实际影响能耗的因素有:装炉批次、装炉量、保温温度及时长、热量浪费等。

    1

    图1 鱼骨图

    在设备利用方面,对于加热炉,可采用自动化数字蓄热脉冲燃烧等节能型设备加以改造,通过控制加热时间和改变燃料的使用方法实现节能;对模锻锤,可采用液压动力驱动技术和数字化控制系统等手段解决打击频率低和油气互串等诸多问题,实现高效及节能的目标。此外,对锻造生产线进行优化配置,提升其自动化程度,也能够从一定程度上实现节能的目的。

    在工艺设计方面,由于加热炉会产生高温烟气,锻造车间中的排烟余热约占其总供热量的1/3~1/2,其直接排放会造成热量的巨大浪费,可以将废气引人热处理和锻造工艺阶段(运用等温锻造工艺时),进行能量再利用。在锻打的成形方法上,可采用局部加热及节能型锻打方案,提高能量利用效率,减少锻打次数及时间,起到节能的目的。

    在生产调度方面,由于传统的生产调度方法仅按照交货期对工件进行分批装炉,并不考虑装炉的顺序及其装炉率,当装炉超出设备的最大承载量,则将超出的部分重新作为—个批次,未能充分利用加热炉的能量。调节装炉量和装炉批次,减少停、开炉次数可以直接减少因反复加热产生的热量损耗;此外保温温度及时长由工艺要求所限定,不能随意更改,只能将保温温度与时长相近的工件分组,同批加热。所以同样可以通过调节装炉量,以及装炉批次进行调节。

    下面分别从上述几个方面详细介绍锻造生产过程中的节能优化方法。

    4 节能工艺及设备的利用

    目前有关锻造生产的节能工艺及节能设备的利用主要包括如下几个方面。

    1)冷挤压及冷锻工艺。

    在一般锻造工艺流程中,加热及热处理工序所消耗的能量占据整个锻造生产过程的8O%。冷锻工艺是对物料再结晶温度以下的成型加工,是在回复温度以下进行锻造。冷锻件表面质量好,尺寸精度高,能代替部分切削加工。冷锻工艺的使用能够最大限度地减少锻造工艺的热量消耗,而且能量转换率高,节能效果显著。例如在汽车零件的生产中已经广泛地使用了冷锻工艺,不仅使锻件的外观形状得到改善,而且节能效果也非常显著。

    2)等温锻造。

    等温锻造是将模具和坯料加热到锻造温度并维持此温度而进行低应变速率变形的塑性加工工艺。等温模锻件在最终成型阶段处于蠕变变形状态,可以获得小余量或近无余量的锻件精度,从而减少贵重金属材料的消耗并降低锻件机械加工的成本。等温锻造不仅可以使坯料内部组织更均匀,同时由于锻打过程中能量转换率高,使锻件具有优良的机械性能。

    3)电液锤的改造。

    传统的蒸汽锤由于存在明显缺陷,能源利用率较低,通常不到2%。近年来由于电液锤的改造技术日趋完善,经过改造的电液锤能效大幅提高,较改进前能源利用率提升了10倍,这不仅能够大量节约能源,同时也降低了锅炉烧煤带来的粉尘污染。

    4)冷却水循环系统的改造。

    锻造设备中需要用到大量的冷却水,尤其是中频炉、热处理炉等需要大量冷却水维持系统的正常工作。通过合理设置调节水池及采用潜水泵等形式,充分循环使用锻造过程中的冷却水,使得水资源的浪费大幅减少。

    5 锻造工艺流程中的节能优化

    在工艺设计方面,可通过调整生产线的设备和引人节能型生产模式来实现节能的目的。

    5.1 生产线节能优化配置技术

    1)高温废气的多级循环利用。

    如前所述,排烟余热中蕴含的能量较多,因此可将加热炉的高温废气导人热处理工艺阶段,充分利用废气中的余热。可根据成组原理,将相同温度区间、相同工序的锻造设备、热处理设备设置在同一片区域,并且按照温度梯度,由高向低排列,多级利用加热炉废气所蕴含的热量,如图2所示。此外,加热炉产生的高温废气同样也可以运用于等温锻造时的加热模具或保温设备中。

    2

    图2 废气余热重利用示意图

    2)连铸连锻工艺的应用。

    连铸连锻技术是指在同一套模具内,先进行铸造,然后立即进行锻造的铸一锻联合工艺。一般来说,刚刚浇铸成型毛坯件的温度在500Y:左右。在这一温度下,可将毛坯件直接装入加热炉加热,开展后续的锻打流程。这样就可以有效地减少因铸件冷却而造成的不必要的重新加热所消耗的能量。

责任编辑:张纯子
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