铸造车间的节能

（电炉）

丁方心

乐法耐火材料（上海）有限公司

摘 要

本文通过作者多年从事铸造设备，材料服务工作中和有实践经验的广大铸造车间领导，技术人员，国外同行的交流，得到的一些经验之谈。在中频炉、冲天炉-感应炉双联等熔化工艺作较详细的分析和建议。供同行们交流，指正，希望熔化工部在质量，产量，环保提高的同时，从管理上获得节能的可行性。及可以采取的节能措施。由于对冲天炉的认识不足，不予评论，本文以电炉熔化，保温为基本对象。本文有部分引用殷经星先生的文章。

一．熔化工艺的确定应以节能为首要条件。

   在新厂建设和老厂改造的规划时，当产品的方向，产量目标确定后，熔化工艺应该就确立了。

不同行业铸造厂熔化工艺；

汽车零部件铸造；冲天炉/保温电炉/保温浇铸炉联用。

球墨铸管：      冲天炉/保温电炉联用。

通用铸造；      冲天炉+保温电炉/ 或中频炉选用

机床铸造：      冲天炉/保温电炉联用。

合金铸造；      中频炉

小件多品种：    中频炉

目前，由于对环保的越来越严格，而冲天炉的环保投资昂贵，加上国内铸造厂并没有形成大型，专业性强的特点。决定了目前绝大部分的铸造厂以各种规格的，效率较低能耗较高的简易冲天炉，中频炉熔化为主。耗能指标大大高于国际先进水平。

目前国内铸铁熔化能耗指标分析

中频电炉在铸铁、铸钢及有色金属熔化等方面的国内外熔化单耗（kWh/t）比较，见下表

       其中国外的“指标”是销售人员的介绍，作者没有见过具体报告。国内则有现场记录。

        电炉电源方面：

●感应电炉功率密度配置的高低；功率密度配置是指吨容量炉所配备的电源功率。由于中频电炉的电源配置是可以根据用户的熔化速度要求而定，所以，从上表也可以按每小时的熔化率来定电炉功率密度配置的高低。电炉功率密度配置得高，熔化速度就快，就能达到节能的要求。但是过高的密度对炉衬材料会引起伤害。

●熔化周期内功率输出时间的比例大小；同样，如果电炉在熔化过程的起始阶段不能大功率送电，也就是我们通常讲的，功率因素低，而热耗并不减少，所以电炉能否保持高功率因素向炉内送电，也是能耗高低的区别，也是企业是否能“环保”运行的一项指标。

●感应电炉的效率及感应线圈的电效率高低。国外先进的感应电炉总效率高达75%感应线圈电效率高达85%。 国内先进的设计，线圈电效率达80 %，电炉总效率达73%，两项指标接近国外先进水平。

●中频电源转换效率的高低。国外先进的电源转换效率已达97~98%，国内先进的设计；中频电源的转换效率已接近97%。本项主要能耗在电抗，电容的效率上。

●电炉单元的布置：电源离炉体的距离，送电铜排的长短，水冷电缆的长短，电源进电电压 – 高压变压器离电源的距离。都是影响电耗的因素。进电源前的送电电压和各单元之间的距离是单元效率能否达到最佳值的重要因素。

熔化物对能耗高低的影响：

●干净程度；

不管是新生铁（由其是新铁）还是旧（锈）铁，尤其表面是否有白色石灰质是直接影响炉衬寿命的要素。还有回炉料，金属末。所有的氧化物都大量吸收电能，如果有5%的杂物，我们5%的电能就在熔化这些杂物，而且会给合金，炉衬带来危害。要求高的，精打细算的铸造厂对新铁，废钢，浇冒口都进行抛丸处理就是为了节约能源，排除锈杂物对铸件带来的隐患。

●块度是否合适；

太大或太小都会影响电炉的电效率，和熔化质量，块度越大，速度会越慢，而且金属液的均匀程度会不稳定。一般以200/300毫米块度为合适。

●起熔时路内是否有液态金属液；

炉内有金属液会帮助提高一部分电炉的电效率，提高起熔阶段的功率因素。但是，这些铁水可能因为在炉内长时间处于过热状态而危害金属质量。所以要正确使用这一手段，铁水量可以在炉容的15%左右为安全。过少，过热情况会加剧，过多，降低了铁水的有效使用，也提高了单位能耗。中频炉的优点是铁水可以倒空而启动，但在实际使用过程中，倒空往往使功率因素下降，熔化速度降低。也就是所谓的能否在小/无金属在炉内时送进有效电能而提高熔化速度。

关于国产特有的铝壳炉；

基本特点；

无导磁磁轭，无炉盖。以铝壳作为感应磁力通过载体。由于铸铝的磁通阻力远远大于硅钢片，炉体上下也无隔离圈，漏磁，铝壳发热使其电效率比有导磁磁轭的低。无炉盖运行，使大量热能通过热辐射损失。但是，由于其设备价格便宜，大部分小铸造厂使用此类电炉。而代价就是每以吨铁水的熔化成本上升，这是天天在支付的。希望在不远的将来，在我国铸造业从大国高产到节能优化的发展过程中，逐步淘汰这种高耗电的炉型。也希望过内电炉厂能早日为用户提供节能的小型中频炉。

耐火材料：

◆合理的热面材料厚度；

热面耐火材料的厚度对电能是否能有效对金属熔化有直接影响。一般的选择是小炉（1吨以下，90毫米/75毫米），1吨以上（90/125毫米），国外见过220毫米（20吨）的。要提高熔化率，可以减薄其厚度，代价是炉衬寿命降低。筑炉成本上升。安全隐患上升。

◆  正确的底部厚度；

炉底的高度和感应器底部高度是否相匹配，影响到电效率和炉衬寿命，并不是越高越好，底面高度超过有效线圈100毫米时，底部耐火材料会因为感应搅拌力作用，强力冲刷底部，急剧降低使用寿命。太低有会产生安全隐患。需要有正确的高度。一般小炉在200/250毫米，大炉有350/450毫米。

◆  正确的背衬材料使用。

热面材料背后，和感应器（线圈胶泥表面）接触的隔离材料如石棉布等称背衬材料，使用石棉布有很多害处：人吸入会滞留在肺中，有致癌倾向。石棉布一般含水份高，容易在石英砂后背，在一段时间使用后，随水份进入石英砂，会引起板结，开裂。背衬材料的功能是绝缘，防水。和感应器（线圈胶泥表面）起隔离作用，以便炉衬更换。石英砂热面后背，我们希望有一层松散层使铁水万一钻过热面，在此停住。感应器的冷却水温是造就松散层的必要条件。如果用了隔热较好的石棉布，加上水份，石英砂中的微量硼酸就会使其板结。所以目前，用“云母纸”是最佳选择。一些大炉，在感应器表面，经过高级线圈胶泥处理，表面光滑，不必再使用背衬材料。那末，高级线圈胶泥的性能必须具有施工方便，干燥后无裂纹，不浸润水份。不和酸性物质反应。

操作过程中的节能

▲加料的时机；

固体金属的第一次加入量要求达到炉容的1/3左右，如没有达到，说明其空隙较大，会影响功率输入，而且会有打火（放电）拉弧，耗电并有在炉衬表面造成裂纹，着对铸钢中性材料破坏极大。当第一批料到达熔融状态时，固体料下沉，此时应该立即进行续料，这可以把软化的固体料下压熔化，使熔化以最快速度进行，加料以炉内不发生液态剧烈翻腾为正常。液态剧烈翻腾意味着金属液过热。并冲刷炉壁，消耗炉衬材料。这就要求熔化时的功率输入以小于20% （第一次加料） -- 50% （软化）--（加料）65% - --（加料）100% ----到达工艺要求温度。 停止送电。出液。

▲不恰当操作造成高耗能

★金属液过热；

高温出铁，低温浇铸，一直是铸造业谋求高品质铸件的基本准则。每一种铸件都有其熔化工艺要求，为了质量，必须达到。这儿要提出的是；在达到工艺要求时，不要追求过度超温，这需要现场的工艺技术人员不断观察，测量温度。到达要求后，应立即降低输入功率或切断电源。

★不停炉出液；

在很多铸造厂现场，都能发现电炉在不停电状态下出液。不安全不说，从能源和熔化工艺上讲也是错误的。一般的电炉感应器都分成上下两个部分，当炉内金属液面低于上部感应器的一半以下时，由于电阻的变化，上部感应器不再有工作电流通过，而全部集中在下部感应器上。下部金属液产生过热，冲刷炉壁，炉衬寿命急剧下降。

★高温保温；

如果金属液在1500度以上超过一小时，金相将发生变化。碳，硅相变，使铸件的白口倾向严重。机械加工性能变差，国内有的汽车厂使用工频炉熔化而发生的铸件质量问题，经分析就是由于工频炉内铁水长时间逗留炉内，处于高温状态而引起的。保温温度不宜超过1450度。

三． 双联熔化工艺和中频电炉的节能措施

1）双联熔化工艺

    每吨灰铸铁从常温经预热（至1200℃）、熔化和过热（至1550℃）过程中各阶段所需的热量比例如下图1。总计需要热量为1322600 KJ/t。

冲天炉和中频感应电炉的熔化和过热效率分别见下图2

    由上面二图可以看出，冲天炉的过热效率是非常低的。因此，冲天炉-中频炉的双联熔化工艺具有它的独特的优势。

中频炉熔化、冲天炉熔化及冲天炉-中频炉双联三种熔化工艺的能源消耗费用比较见下图。

下图的能耗费用计算是基于下列条件：

●电能和焦炭的热值分别为3600KJ和27210 KJ； 

●冲天炉-中频炉双联工艺是将冲天炉出来的1350℃铁液经中频炉过热到1550℃；

●每吨铸铁的能量需求和个阶段的分配见图2所示数据；

●冲天炉和中频电炉的熔化及过热效率按图3的数据；

●冲天炉的风机耗电能量以15kWh/t计算。

    从图3可以得出如如下初步结论：

（1）现有我国的能源价格条件下，单纯采用冲天炉或中频电炉熔化及过热铁液，其能源费用相差无几，它取决于当地的焦炭和电费的价格。但是，考虑到采用冲天炉时炉料中的石灰石费用和为满足环保要求在除尘器工作时所消耗的电力，则冲天炉熔化工艺的能耗费用 超过中频电炉熔化工艺的能耗费用；

（2）与前分析一致，采用冲天炉-中频炉的双联熔化工艺具有较大的能源费用优势。能源费用约为冲天炉熔化工艺和中频炉熔化工艺费用的80%左右；

（3）考虑到双联熔化工艺对铁液冶金性能的改善方面的作用，该工艺的优势更为突出。

四．熔化设备（电炉）的选择效率为首要条件；

中频炉选型：

1.  中频电炉在现代化铸造生产中的地位及其发展方向

现代机械制造技术和冶金技术的飞速发展对铸件提出了优质、精化和节能等要求，高性能的球铁铸件、蠕状石墨铸铁及铝合金铸件等优质铸件的大量应用，使得感应电炉在现代化铸造生产中的地位日益显得重要。铸造车间改造和新建铸造车间中，感应电炉的改造或添置往往被放在首先考虑的位置。因此，“感应电炉的选型”是一个值得大家重视的课题。也是铸造业讨论热烈的话题，电炉供应商，电炉厂的销售人员经常以自己企业的长处为卖点，这是正常的，而铸造厂必须全面考核，评价设备性能。希望引起各位的注意。

高效、可靠和作业灵活的中频感应电炉的制造技术的发展在提高和确立感应电炉在铸造生产中的重要地位的过程中起到了不可低估的作用。从下表1可以看出，与已经问世近百年的传统的工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说，中频感应电炉具有无可争议的优势地位。这使得它自上世纪的80年代后期起在欧、美等发达国家得到广泛应用，基本上替代了传统的工频感应电炉。自90年代中期起，随着我国电子技术的飞速发展，大功率的国产固态中频电源也已得到成功的开发、生产和应用。因此，传统的工频感应电炉在我国也已逐渐从销售市场上消失，铸造车间内现存的工频感应电炉也在技术改造中逐步被中频感应电炉替代。

中频电炉作为保温/升温使用是我国铸造业的“创举”，适合于我国的小规模生产的铸造厂。经过二十年的实际应用经验，也证明了此工艺的可行性和经济性。

表1               中频与工频无心感应电炉的性能比较（以铸铁为例）

为适应现代化铸造生产在节能、安全、环保、自动化及良好的工艺适应性等方面的要求，近年来，中频感应电炉制造技术在如下几方面作了很大努力，并已取得了成功和进展：

2．双联工艺的设备选型；

冲天炉加有芯炉

 实例；冲天炉和工频有芯炉；

16吨冲天炉配45吨X2有芯炉保温；某汽车铸造厂使用外热式热风冲天炉连续性生产作业，前置两台45吨有芯炉保温，其保温炉起调节生产，稳定铁水温度和成份的作用，其升温功能微乎其微，但是水库功能在生产工具中显得非常有效。

 5吨冲天炉配8吨有芯炉保温，3吨冲天炉配4吨有芯炉保温。某通用铸造厂，使用热风冲天炉前置一台8吨有芯炉保温，起功能也只能是水库型。

冲天炉加无芯炉

实例一；大冲天炉小中频炉；3吨冲天炉配1吨中频炉升温。

倒置型，效率高，铁水在小中频炉升温时间不超过7分钟，完成后即可浇铸。是典型的生温型配置。没有多余，没有等待。倒满倒空，周而复至。

实例二；小冲天炉大中频炉；12吨冲天炉配45吨中频炉保温。

水库型，有好几家铸造厂开始这样的配置。有的是为了大型铸件的吨位需要，注满倒空。有的是为了调节生产，铁水量的不平衡而设置。效果都很好。

实例三；同吨位冲天炉和中频炉；12吨冲天炉配15/10吨中频炉保温。

通用铸件厂，自动线生产，铁水量基本平衡，两台中频炉接水，出水。分工明确，需要指出的是他们都没有使用双供电系统。全部靠电源切换完成受电需要。

非连续使用的冷炉启动；

为了节能，对间断性生产，一些单位有比较好的经验；

▼某铸造厂，机床铸件，白天造型，合型，晚上开冲天炉浇铸。球墨铸铁。提高铁水温度，并储存铁水。浇铸大型铸件。

12吨冲天炉，15吨中频炉两台。下午冲天炉开炉前两小时启动电炉，使用“起熔块”烘炉提升炉内温度，倒进铁水时，炉内温度约在500/600度左右。晚上冲天炉出铁完成。电炉升温浇铸结束，盖盖，自然冷却。天天循环。炉衬寿命在60天以上。过铁量6000吨以上。

▼铸造厂，铸管件，连续生产。提高铁水温度，并储存铁水。浇铸大型铸管件。

12吨冲天炉，45吨中频炉一台。当浇铸小管时，铁水多余，前5小时启动电炉，使用“起熔块”烘炉提升炉内温度，倒进铁水时，炉内温度约在500度左右。生产恢复平衡后，电炉铁水使用完毕。盖盖，自然冷却。炉衬寿命在90天以上。过铁量10000吨以上。

筑炉的一些好方法；（详见另题介绍。）

1）拔模，冲液不烘烤工艺；使用干振料，筑炉后，立即起出坩埚模，并用液态金属冲满。坩埚模反复使用，省却烘炉时间和能源。

2）筑炉工具的改进使用；气动工具的推广应用。低压电动筑炉工具。

3）材料的改进；材料的颗粒度及百分比，颗粒形状的调整，电熔石英的添加。

4）专用材料及选择；铸钢氧化铝尖晶石氧化镁混合料使用。高含碳量铸铁用石英砂的运用。

纵观以上各个实例，每个厂都有自身特点，难以以某一标准来说好坏。每家厂要根据自身利益来选定最佳工艺流程和设备。

题外话；

铸造厂常常问我；你的材料的使用寿命是多少？我很难回答，就像如你问我的寿命是多少一样，材料就是材料，它由原材料，设计（材料混合量，不同颗粒度，配比，粘结剂及含量等）制造工艺决定的统一的标准化产品，具体到某一个炉，由于电炉制造商的设计不同，电炉本身条件不一样，熔化对象不一样，使用方法不一样，效果就不一样。用户对材料的使用是一个“再创造”过程。良好的使用效果是材料和使用的共同“合作”结果。我们的目标责任是提供万无一失的性能稳定的材料。用户可以把材料在生产管理过程中的“常数”，常数们的叠加也是常数，就是“稳定质量”的常数。希望铸造厂的管理者理解和明确自身的任务。把生产过程定格为常数，也就是有效管理，使铸造车间的各项工作再有效管理之下。