PDF《铸锻热加工行业节能减排技术及设备》

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30 No.5 铸造技术 May

2009 FOUNDRY TECHNOLOGY ・583・ ・铸造技术 Foundry TechnoIogy・ 铸锻热加工行业节能减排技术及设备 单忠德1,杨菁2 (1.机械科学研究总院先进成形技术与装备国家重点实验室,北京100083;

2.北京信息科技大学,北京100192), 摘要:在分析机械工业制遣领域节能减排的现状基础上,提出了机械工业制造领域节能减排新技术、新工艺和新装备,如数字 .化制造融入铸锻过程、减量化促进铸造新材料开发、铸锻生产趋向近净成形制遣、特种铸锻技术缩短工艺过程、熔炼(加热)过 程趋向节能化、自动化控制促进铸锻清洁生产等,这些新技术和新装备为机械工业实现节能环保、清洁生产提供了强力支撑. 机械制造过程趋向数字化、精密化、柔性化、智能化和绿色化,大量优质、高效、少无切削的新制造技术不断出现并逐渐在铸 造、镶压、热处理等领域获得应用. 关键词:节能减排;

先进制造;

铸造}锻压 中圈分类号:TG2;

TG31 文献标识码:A 文章编号:lOOo-8365(2009105-0583―06 Energy-SaVing Emission ReduCtiOn and Equipment in the FieId Of TherOmechaniCal Processing sHAN zhong-del,YANG Jin矿(1.China Academy of M舵hinery science&1khnolo盯,Beijing 100083,Chi眦;

2.&嵇ing Infomati蚰sci蚰∞& 1jechnology UniVersity,Be蛐ing lOOl92,China) Abstract:Based On the analysis of energy―saVing emission reduction status in the fieId of mechanicaI manUfuCturing induStry, new teChnOlOgy, new prOCeSSing and equi pmentS are prOpOSed, SuCh aS digitiaJ manufacturing prOcess intO casting and fOrging,deVeIOpment Of neW fOundry materiaIs by deCrtement,near net shaping in the Casting and fOrging fieId,and Special teChnolOgy tO shorten the prOcess of casting and fOrging,meIting trend of energy―saVing prOcess,autOmation and COntrOI to prOmOte the cleaner productiOn of casting and forging.These new technOIOgies and new equipments Can prOVide strOngly SuppOrt fOr the machinery industry tO achieVe energy saVing and enVirOnmentaI prOtection,clean prOductiOn. With the deVeIopment of machinery manufaCturing prOceSs tOwards digitization,precisiOn,fIexibIIty, inte¨igenence and greenizatiOn,a Iarge number of high―qua¨ty, high efficiency,IOw Or nOn―Cutting new manufacturing technOIOgies are increasingly emerged,and are prOgresSiVeIy used in the casting,f.rging,heat tn夸atment. I(ey words:Energy-saVjng emissiOn reductiOn;

AdVanced manufacturing;

Casting;

FOrging

1 机械工业制造领域节能减排现状 据国家统计局统计,2007年机械装备业规模以上 企业72 900多家,2006年机械装备制造业总能耗约

7 365万t标煤,占工业能源消耗的4.2%(工业总能耗

175 137万t标煤.工业增加值91 311亿元,万元工业 增加值1.92 t标煤).2006年机械制造业GDP值 收稿日期:2009.02―27: 修订日期:2009.03-04 基金璜目:国家.十一五"科技支撑计划项目(2006BAF02A06)、北京市 科技新星计划(2005845) 作奢简介:单忠德(197∞),工学博士、研究员,研究生导师.主要研究 方向:数字化成形、机械装备制造、绿色制造技术等. h砌:sllamd@口n co札∞

16 615亿元,占工业总GDP的比重是18.2%,万元 GDP能耗是o.44 t标煤.2006年我国机械制造工业 废水排放总量65 828万t,废水排放达标量63 282万t,二氧化硫排放量14.2万t. 我国机械装备制造技术及设备整体落后于发达国 家15~20年,机械能耗主要在热加工(铸造、锻压、热 处理等)及设备控制运行等,排放主要在热加工、涂装 和电镀等方面.与国外相比: (1)制造精度低,加工余量大 铸件尺寸精度低于国际标准1~2个等级,废品率 高出5%~10%,加工余量高出l~3个等级.我国铸 铁件废品率通常为9%~15%,铸钢件废品率为5%~ 万方数据 V01.30№.5 ・584・ FOUNDRY TECH NOLOGY May

2009 15%,而国外铸铁件和铸钢件的废品率均低于5%. 我国锻造行业主要生产技术和经济指标与发达国家相 比差距巨大,日本是0.35%~0.55%,我国最好的企 业也只达到2%~3%,废品率比国外高5~6倍. (2)材料浪费大,能源消耗高 . 铸造能源利用率仅为17%,我国吨铸铁件能耗为 o.55~0.70 t标煤,而国外为o.3~O.4 t标煤,铸造综 合能耗是发达国家的2倍.工业发达国家20世纪90 年代大锻件燃耗o.44 t标煤/t锻件,模锻件燃耗0.3 t 标煤/t锻件,综合能耗0.6~o.8 t标煤/t锻件;

国内 目前大锻件燃耗1.3 t标煤/t锻件,模锻件燃耗O.55 t标煤/t锻件,综合能耗1.3~1.5 t标煤/t锻件,锻造 业单位产值的能耗为发达国家3倍.国外大锻件钢锭 利用率65%,模锻件日本丰田达到80%~93%,俄罗 斯卡马厂达到84%.国内大锻件钢锭利用率仅为 54%,国内最好的企业模锻件材料利用率达到78%, 企业平均63%.材料利用率平均比日本低15%左右. (3)控制水平差,设备效率低 在锻压自动线方面,美国5 085条,日本9 ooO条, 德国6 130条,广泛应用多工位锻压机、电动、液压螺 旋压力机等先进锻压设备;

我国锻压自动线、半自动之 和约300条,模锻锤、摩擦压力机占大多数.50~125 MN曲柄热模锻压力机锻造线仅16条. (4)制造工艺差,废弃物排放量大 我国铸件的年产量超过2 800万t,消耗标准煤

2 100万t,排放废渣420万t、粉尘70~100万t、废气 140~279亿m

3、废砂1 810~2 090万t.我国吨合格 铸件的三废排放量为发达国家的10倍.我国汽车铝 轮毂年产能已过5 000万件/年,出口2 300万件以上, 普遍采用传统化学电镀表面处理方法,对环境造成极 大破坏.据估算电镀行业每年排放4亿t含重金属废 水、50

000 t固体废物和3 ooO万m3酸性气体等大量 污染物,有机溶剂挥发量至少在751

000 t以上. 2007年我国能源消耗和原材料消耗持续增长,其 中煤炭消费量25.8亿t,增长7.9%;

原油消费量3.4 亿t,增长6.3%;

钢材5.2亿t,增长17.4%;

且我国 能源利用效率仅33%,比发达国家低约10个百分点. 伴随着自然资源严重短缺,生态环境严重恶化,全球气 候变暖,极端气候现象频发,欧、美、日从20世纪80年 代开始实施节能减排工作.伴随着中国经济的高速发 展.带动了电力、钢铁、水泥、汽车等工业领域的快速发 展.我国由过去的资源大国,变成目前面临资源匮乏的 危机.例如,主要矿产资源人均占有量不到世界平均 水平的一半;

淡水资源总量为28 ooo亿m3,占全球水 资源的6%,人均只有2

300 m3,仅为世界平均水平的 1/

4、美国的1/5.我国每年因污水排放和S0.排放导 致的经济损失分别在5 ooo亿元以上.从以上分析可 以看出,机械工业领域节能减排形势严峻,急需通过科 技提高产品竞争力,实现工业又好又快的发展. 2铸锻热行业节能减排新技术及设备 近年来.随着机电一体化、计算机、信息和控制、装 备自动化、新材料、新工艺等的快速发展,铸造、锻压和 热处理(以下简称铸锻热)过程趋向数字化、精密化、柔 性化、智能化和绿色化,一些新的工艺、技术及设备在 生产中获得应用,有力促进了工业领域节能减排工作 的开展. (1)数字化制造融人铸锻过程 通过产品设计、模具制造、铸造(锻压)工艺优化等 制造过程及企业管理过程实现数字化,有效提高产品 开发与制造能力,减少了零件组合数量,减轻了零件重 量,使原材料的利用率达到最高,开发周期缩短,有效 地促进了行业中的节能减排.根据美国科学研究院工 程技术委员会的测算:模拟仿真可提高产品质量5~ 15倍,增加材料出品率25%,提高投入设备利用率 30%~60%,缩短产品设计和试制周期30%~60% 等.多尺度基于过程的集成工艺仿真技术获得应用 (如图1). 图l 多尺度基于过程的集成工艺仿真 Fig.1 Int―egrated pmcess simulatin of multiscale based process (2)减量化促进铸造新材料开发 装备零部件的减量化促进了高技术新材料和轻合 金的开发应用.高技术新材料是具有高比强度、高比 刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料.是在高新技术推 动下发展起来的一类新材料.轻量化(铝合金、镁合 金、超高强度钢、奥贝球铁等)将是未来装备零部件,特 别是汽车零部件制造的重要发展方向.美国 FreedomCAR及新一代汽车发展计划(PNGV)(到2010年),通过汽车车身及底盘零件的轻量化降低零 部件重量50%,达到汽车总重降低40%的研究目标. 例如通用汽车公司采用奥贝球铁代替淬火钢生产汽车 万方数据 《铸造技术》05/2009 单忠德等:铸锻热加工行业节能减排技术及设备 后桥螺旋伞齿轮,节约能耗50%,成本降低40%.美国Smith铸造厂生产的ADI驱动轮铸件,由原先需要 84件钢零件装配而成,目前设计为1件整体铸造而 成,重量减轻15%,成本降低55%. 对于汽车零部件,铝合金替代钢、铸铁减重为 40%~60%,而镁合金替代钢、铸铁可达60%~75%. 世界各大汽车公司都已把采用镁合金零部件的多少作 为衡量其汽车产品技术是否领先的标志.BMW公司 将其Z22车型的水冷发动机曲轴箱的设计以铸铝材 料来接触曲轴轴承,而镁合金材料以外壳方式包覆于 外层,使曲轴箱箱体重量比原设计减轻10 kg左右,且 较同尺寸铝制品减轻25%.磁悬浮列车上底盘部分 主要结构部件均为铝合金铸件,每列列车共有十几种 200多件,铸件基本壁厚为6~8 mm,铸件中最大尺寸 达2

000 mm以上,最小壁厚2 mm. (3)铸锻生产趋向近净成形制造 在近净形铸造技术方面,近年来重点发展了熔模 精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造等新技术.采 用消失模铸造生产的铸件壁厚公差达到了士O.15 mm,电渣熔铸工艺已用于大型水轮机的导叶生产,高 强度、形态复杂、薄壁、净重2.7 t铝合金铸件也获成 功.在大尺寸复杂钛及钛合金铸件的整体熔模精密铸 造领域,20世纪80年代,美国PCC公司制造了直径 达2m的GE90发动机风扇轮毂,是目前世界上最大 的精铸件,其铸造尺寸公差可达±O.13 mm,最小壁厚 达1.O~2.O mm.我国在铸造近精成形方面,还需进 一步开展大型、薄壁、复杂钛合金铸件熔模精密铸造技 术及设备、镁合金低压铸造技术及成套设备以及航空 复杂薄壁结构件精密铸造研究等. 国外黑色金属冷锻精密塑性成形技术――中空径 向分流冷锻技术、多工位温一冷复合成形技术等,其锻 件的径向精度可达到O.02 mm,形位公差