热模锻企业的节能技术探索与实践

安徽安簧机械股份有限公司  黄乐明  黄昌文  程希枝

锻造是机械工业的基础，也是高耗产业。2012年全国锻件总产量超过1000万吨，其中模锻约700万吨。在锻件成本构成中，能耗占6%～l1%。其中精密热模锻件能耗占6%～8%。普通热模锻件能耗占9%～ll%。节能降耗不仅仅是为了降低制造成本，增强企业市场竞争力，更重要的是落实国家节约能源法和可持续发展战略，实现“十二五”节能减排目标。本文重点探讨热模锻生产流程节能技术与实践经验。

    工艺及能耗

常规热模锻工艺过程包括：下料→坯料加热→制坯→锻造→切边、精整→淬火→回火→抛丸→探伤→检验→入库，其中锻造、淬火、回火均需加热，是热模锻造的主要能耗工序，也是研究节能技术措施的重点环节。例如：汽车转向节锻件，锻造采用中频加热，热处理采用电炉加热，能源成本占总成本的10%～ll%左右。

    节能技术分析

    中频加热节电技术

    采用中频感应加热。将锻件坯料加热到1200℃左右，中频炉与火焰炉相比，温度可自动控制，出炉坯料温度可自动分选，加热时间短，表面氧化、脱碳少，生产环境清洁，便于实现机械化和自动化。运用IGBT线性加热技术，可对锻造温度进行控制，根据不同的工艺，随时改变加热温度曲线，达到最佳加热效果，在保证温度均匀及产品金相组织质量的基础上，节约能源30%，减少氧化皮和粘连。

锻造中频感应加热电源功率大，单台功率600-1200kW大功率电感对供电系统功率因数影响很大，在没有补偿的条件下，一般变压器功率因数小0.8；同时中频炉在工作时会产生高次谐波电流，造成电网母线电压畸变，电压畸变将加剧可控硅触发角不对称，使可控硅整流装置非正常谐波电流增大，使电力设备温度上升、绝缘老化，缩短使用命；谐波还可能干扰电子保护装置产生误动作，造成重大电网事故。

由L-C组成的调谐式无源滤波装置采用智能自动控制，既能治理谐波，又能补偿无功，并具有实时综合补偿谐波、无功电压治理等功能；可以优化功率因数，降低线损，稳定电网电压，使电压波动符合国家标准：明显改善用电质量和电网安全，功率因数可以从小于0.8提高到0.9以上。

锻造余热淬火技术

锻造余热淬火适用于需要调质处理的锻件，是钢坯在奥氏体区锻造成形后，利用锻件余热在介质中淬火，并在合适的温度回火，这种工艺又称形变热处理。

一般低合金结构钢的锻造加热温度在1200℃左右，锻后在820～900℃入油淬火，可大量节省能源，提高劳动生产率。同时形变热处理还可使锻件获得更好的力学性能。但因锻造成形过程中工件形变产生锻造应力，尤其是形态复杂锻件，在尺寸急形成应力集中，在余热淬火时与淬火应力叠加，可能出现淬火裂纹，所以余热淬锻温度、淬火介质及冷却曲线有特殊要求。

非调质钢的应用

非调质钢是在碳素结构钢或低合金钢中加入微量元素（如V、Ni、Ti、S）进行徽合金化，这些元素在钢中起析出强化和细化晶粒的作用。非调质钢锻件在锻造后，经控制冷却后零件可达到或超过调质钢机制节约热处理工序、设备及能耗，改善生产环境，减少碳排放。发达国家汽车锻件中非调质钢锻件占30%以上，应用范围很广。

近年来，受节能减排政策的影响，我国非调质钢的研究与应用加快，非调压钢不仅用于发动机曲轴、连杆、活塞，而且已开始应用于汽车底盘前轴、半轴和转向节等。开发的非调质钢品种较多。如曲轴用钢48MnV、前轴用钢12Mn2VB、活塞用钢38MnVS6、转向节用钢40MnV等，许多企业和研究机构在炼钢和锻造后控制冷却方面取得一些重大技术成果和发明专利，并得到产业化应用。

回火炉节能技术

有调质处理要求的锻件淬火后行高温回火。根据耗能方式不同，回火炉包括燃气炉、燃油炉、电阻炉等。天然气是一次能源，除直接燃烧可获得至少30%热效率外，烟道废气还可用来预热燃烧，绝对热效率可达80%以上。按日前国内能源价格差别产生同样热量。天然气单位成本分别比电力、燃油低20%～30%，若资源条件许可，应优选择天然气炉，既节能，又环保。

在提高加热效率的同时，更要关注力炉的热损失，如炉壁散热、炉衬蓄热，举及传动件、冷却系统带走热量，炉膛不能密封而产生热量流失等。主要影响因素有：

(1)炉膛结构。在其他条件相同时，炉子的散热损失与炉壁表面积成正比，圆柱形外表面比方形炉表面小近14%，外壁温度10℃，炉壁散热可减少20%，被处理工作单位能耗可降低6%～7%。

(2)耐火保温材料。硅酸铝纤维是一高效节能的耐火材料，相对传统的耐火粘土砖具有如下优点：1）密度小，仅为传统耐火砖的6.1%，结构轻巧，安装移动方便；2)蓄热损失小，仅为传统耐火砖炉墙的3.8%；3)散热损失小，仅为传统耐火砖炉墙的56%；4)隔热效果好，与传统耐火砖炉相比，节能20%～30%；5)使用寿命长，砖体结构炉有众多砖缝，长期热胀冷缩后，砖缝扩大甚至开裂，不仅散热加大，而且炉体寿命下降；6）全纤维炉墙热稳定好，能抗急热急冷，正常使用寿命超过5年；7)加热冷却速度快，效率高，加热升温快，生产效率高；8）炉子密封性好，整体结构的全纤维炉衬透气阻力大，可有效防止热量和烟气外溢，提高炉温均匀性，节约能源，改善工作环境；9）检修简单方便，耐火纤维质地柔软，可加工性好；10)妒墙检修采取整块更换，方便快捷，不需要砖体炉那样专业性强的筑炉工。

 (3)温度控制方式。如电炉采用PID控制系统和智能仪表，加热元件用OCr25AI5电阻带，智能仪表内可根据不同产品工艺目自动控温程序，温度控制精度达：±l℃，炉温均匀性达：±5℃，避免了人工操作的失误和能源浪费。

锻压设备选型

热模锻设备的选用原则是，首先必须满足锻件产品参数和技术要求，其次考虑节能和综合成本。常用锻造设备分为能量限定（如锻锺、电液锺、电动螺旋压力机、摩擦压力机）和载荷限定（液压机、机械压力机）两类。实际锻造过程中，锻造设备既要满足条件，又要满足载荷条件。但不同设备投资及维护成本、电机功率及能耗相差很大，如锻造汽车转向节（40Cr）可选用的设备有电液锺、摩擦压力机、机械压力机等，其设备性能、电机功率及节能情况见表1，其中的设备均为能量限定类。

表1 转向节锻造设备性能及节能分析

表2 660V中频炉谐波治理效果对比

节能技术应用与效果评价

安徽安簧机械股份有限公司是国内汽车转向节和发动机钢质活塞锻造的龙头企业。20世纪90年代，公司引进了以两条德国电液锤为代表的汽车转向节锻造线，近几年又建成多条以热模锻压力机为锻造线，已形成年产汽车转向节150万件、发动机铡质活塞300万件的生产规模。

为降本增效，实现节能减排的目标，本公司对老锻造线进行了节能技术改造。2009年公司“锻造系统能量优化程”被列入国家发改委节能计划项目：转向节等锻件全部采用余热淬火；与钢铁研究院和钢厂合作，开发符合美国标准的活塞用非调质钢38MnVS6和转向节用非调质钢40MnV，每年非调质钢应用超过6000t，非调质钢锻件大量出口美国市场；同时将原砖体回火炉报废，全部更新为硅酸铝纤维结构的节能型天然气炉。项目于2011年10月通过安徽省发改委托的专家组验收，达到年节能14956t标煤的设计能力。

在发动机钢质模锻活塞生产线技改项目规划建设中，把节能工程与安全、环保工程一样纳入新项目建设“三同时”，委托有资质单位进行能评，在工艺布局和设备选型方面充分考虑节能技术和能评指标要求：

(1)采用工艺节能技术措施。调质锻件按余热淬火工艺布局并选购相应设备工装，活塞锻造主设备选用俄罗斯2500t压力机，回火采用硅酸铝纤维结构的节能型网带电炉；出口活塞锻件大量应用非调质钢材料，并配套自主研发的专用冷却控制设备。

(2)总体工艺布置流程短捷、流畅。耐力设施靠近中心布置，公司设施靠近车间集中布置，减少室外管道、沟道和电缆长度；工序周转力求自动化，禁用叉车，少用行车，跨车间运转采用电瓶地轨车，既节能又安全。

(3)电气设备节能措施。中频电源采用660V专用变压器（常用为380V）；大功率电机采用变频控制；厂区照明全部采用LED节能灯；配电房贴近中频电源等主要耗能设备布置，有效减少生产设备无功负荷和供电线路能量损耗。

(4)提高中频电源功率因数和谐波治理措施。选用由L-C组成的调谐式无源滤波装置，智能自动控制，既能治理谐波又能无功，并实时综合补偿谐波、无功电压波里等，稳定了电网电压，降低了母线电戋路损失，优化了功率因数。660V中皮治理效果对比见表2。

经分析，采取以上节能措施，新项E后能耗减少5000t标准煤／年，整体能同行业领先水平。

结束语

节能减排和绿色发展是锻造行业转型升级中的共同使命。文中主要结合本企业实空验，对热模锻件锻造f-艺、材料及加热备进行了节能技术分析和总结，以期与行人士交流共享。