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第十三届全球可持续制造业大会 - 资源利用的发展

节能铸造工艺的挑战

Konstantinos Salonitis ，曾斌旭，Hamid Ahmad Mehrabi，Mark Jolly

摘 要

铸造是最古老，最具挑战性和能源密集型制造工艺之一。 典型的现代铸造工艺包含六个不同的阶段，分别分为熔化，精炼，成型，浇注，凝固和整理。 在每个阶段，需要高水平和精确的过程控制。 通过使用新技术的改造，例如“快速感应熔炼单次浇铸”工艺，可以提高铸造工艺的能源效率。 在本研究中，对铸造工艺的能源消耗进行了分析，并讨论了可以实现节能的领域。利用精益思想来为铸造业识别浪费和分析节能潜力。

关键词：能源效率; 铸件; 价值流映射

介绍

节能减排是世界各国的主要目标。对于世界人口的增加和能源资源的短缺以及污染的大幅度增加，可以通过更有效地利用煤炭，石油，天然气等燃料以及可能利用的可再生能源来节省能源。

对于不同部门的能源消耗量已经进行了全面调查，并在许多报告中得到报道[1]。 调查表明，制造业占能源消费总量的32％[2]。 根据英国政府公布的“气候变化协议”[3]，英国的铸造业需要达到25.7 GJ /吨的能源负担目标。 然而，英国铸造行业的平均能源负担为55 GJ /吨。 因此，通过提高生产线的效率来节省铸造厂的能源，可以为制造业节省数百万英镑，减少排放。

铸造是最古老的金属成型工艺之一，是指依靠将熔融金属浇注到所需的成形模具中，并等待其固化的金属成型工艺。铸造通常用于制造复杂的零件，这些零件通过其他方法制造太贵或耗时。然而，铸造可能是最具挑战性的制造工艺之一。 这是一项高度技术性的工程过程，需要深入的科学认识 典型的现代铸造工艺包括六个不同的阶段，分别是熔化，精炼，成型，浇注，凝固和整理。 在每个阶段，需要高水平和精确的过程控制。 铸造工艺也是最耗能的制造工艺之一。 金属熔化在铸造过程中消耗了超过一半的能量。 因此，由于能源价格上涨，铸造过程中的能源利用一直是我们非常关切的问题。

节能潜力

在一种制造工艺中，能源消耗与能源成本在总可变成本和产品价值中的份额呈正相关关系[4]。 制造工艺的能量消耗越高，流程的成本就越高。因此，工业节能从经济方面变得越来越重要。已经针对其中的的节能可能性进行了很多研究。 通常可以通过几种技术和方法实现节能。 在一些研究中，作者采用能源审计来提出节能建议。 能量审计已被用于许多不同的部门，比如Klugman指标等。

举例来说，在瑞典的一家化学木浆厂进行能源审计[5]，并提出了更新现有设备以减少能源消耗50％的建议。 沙龙提出了一种能源审计策略，用于识别制造过程各部分的能源消耗[6]。

然而，审计方法仅提供关于节能和主要设备更新的理论数据。这种能效管理往往需要对新设备进行大量的资本投入。比较节能和资本投入，安德森指出，工厂对初始成本的反应比年节约率高40％[7]。 关于新设备和采用新技术实现长期节能，组织更喜欢具有较短投资回收期，较低成本和更多年度节能的项目。因此，Thollander的研究显示，瑞典约有一半的代工厂 缺乏长期的能源战略，只有25％左右可能被归类为成功的能源管理实践[8]。

对于使公司变得节能，有几个障碍[2]，[8]。确定的主要障碍是技术风险，如生产中断的风险、成本、麻烦、不便，操作技术不足，缺乏时间和重点，缺乏资金和薄弱的组织机会。特别是对于中小企业代工厂来说，缺乏时间，适当人力和资源不足是能源效率最大的障碍[9]。

通过对新技术和设备的大量投资，不用直接节能，而是可以采用精益理念来消除浪费，提高质量，最终达到节能目标。精益制造背后的理念很简单;它是在生产过程中发现和消除浪费，而不是之后的检查和修理。在精益理念中，“浪费”这个词可能比较复杂。它可以代表生产过程中的机器故障，产品缺陷和物理浪费。最重要的是，它代表那些不直接创建产品或服务的资源或流程。通过实施诸如即时（JIT）等精益工具，可以减少或消除细胞制造，价值流映射（VSM），机器故障引起的浪费，产品缺陷，物理浪费和非附加值过程。这种实施的后果降低了生产资源需求，成本和交货期，同时提高了产品质量，客户响应能力和提高竞争力。然而，在诸如铸造行业的连续制造行业中，精益工具的实施较少。这是因为投入物料的库存量大，所需的时间长，生产小批量的普遍比较困难[10]，[11]，Abdulmalek和Rajgopal对钢铁铸造厂进行了研究，并调查了哪些精益工具可以利用[10]。他的工作总结如表1所示。

表1.精益工具在钢铁行业的适用性评估。

据报道，对铸造厂使用精益技术的研究很少。 Girishi 等人，使用VSM分析铸造过程的整个生产流程，并在每个操作步骤中识别浪费[12]。他们发现，通过最少的干预措施，铸造厂可以将浪费减少23％，这相当于节省了大量能源。库克拉证明，在铸造行业实施全面生产维护将有助于机械的有效管理并提高其有效性，从而改善生产流程和降低生产成本[13]。然而，很少有研究尝试将废弃物的消除与铸造行业的节能实践联系起来。 因此，本项工作采用精益思维识别浪费，分析铸造行业的节能潜力。

图1.常规砂型铸造工艺的材料和能量流程图

节能方法

通过采用VSM等概念，可以对整个铸造过程进行讨论。可以通过两种方式实现节能：通过降低燃料消耗直接节省能源，并通过降低材料消耗间接节省能源。因此，为了节能铸造; 应使用较少的燃料和较少的材料来生产一定数量的合格的产品。为了实现这一点，需要了解铸造过程中能量和材料的流动。图1给出了常规铸造的工艺流程。 这可以分为六个子流程：熔炼，精炼，保温，补炉，加工和检验。熔化，精炼和保温活动消耗了铸造中涉及的大部分能量（至少60％）; 因此，在这一步中应该实现直接的节能。补炉，加工和废料含有总熔体重量至少70％的金属[14]。 因此间接节能应来自这三个过程。

量化潜在的节能：直接节能

4.1.通过预热金属和在装载过程中节能

熔化过程的第一步是预热金属。 预热有几个优点：可以去除水分和其他有机物，有助于防止炉内爆炸; 它可以提高炉的熔化能力; 并且可以降低熔化所需的能量。 特别是对于铝合金，当热铝与水分接触时，预热可以抑制炉渣的形成[15]。

如今，铸造厂经常使用来自熔炉的热烟气预热金属。 Mefferta调查了在铸铁部门预热可以节省多少能源[16]。 使用回收废气进行再加热应成为再加热的主要方法。 然而，装载或转移预热的金属可能会导致大量的热量通过对流和辐射而损失。 因此，减少运输过程中的能量损失可以保留大量的热量并降低熔化所需的热量。 为了有效地实现这一点，预热和熔化操作应该彼此靠近，并且可以使用诸如5S的精益工具（整理工作台以减少移动时间）。

4.2.在熔化过程中节能

金属相的熔化消耗铸造工艺热量的30％。 因此，通过熔化操作节约能源在逻辑上成为主要考虑因素。 通过熔化操作考虑节能时，炉的效率至关重要。 如果炉子的效率增加，则每单位质量的金属消耗的热量减少。

表2列出了铝铸造业中使用的几种普遍的炉型。 显然，与其他两种炉类型相比，感应炉是最有效的熔化方法。 然而，目前用于熔化的能源中有60％是由天然气提供的，只有27％的熔化是由电力提供的[17]。

表2.不同炉的能力，燃料类型和能源效率[17]。

因此，这又引发了节能与节约成本之间的另一个争论。 使用燃气炉可节省资金，但熔体质量差。 熔化的质量影响后续的子过程。 由于废气中富含水分，燃气炉中的氢含量通常较高。 去除氢气是至关重要的，因为它会在以后引起严重的损害。 因此，与使用电气方法熔化的材料相比，使用气体需要在脱气中进行额外的处理。 因此，虽然在熔化过程中花费的钱较少，但在脱气过程中需要额外的费用。

无论从成本抑或节能的目的考虑，这里都提出了一些建议，以提高能源效率。

1. 改进控制燃油炉的空气压缩机[16]。 富氧可导致更高的传热速率，从而减少熔化时间。 反过来，这将降低总体燃料消耗[17]。
2. 降低金属填充频率[18]。 这可以减少金属损失和辐射热损失。 金属损失是指与空气接触时氧化损失。 辐射损失是指炉盖或门打开时的热损失[17]。
3. 考虑精益生产时，建议使用优质原料。使用优质原料可能会增加初始成本。 然而，结果上看，它可以通过减少氧化和浮渣来减少总体金属损失。降低金属损耗需要更低的能量和更少的金属。
4. 为炉操作人员提供培训。 已经表明，技术员的操作水平可能会对能源使用量造成高达10％的影响。

除了提高能源效率外，还有一种替代方法来节省能源。 例如，可以使用其他精益生产线，例如使用正确尺寸的设备来生产所需量的产品。 对于铝制部件，建议使用正确的尺寸和快速熔化的无芯感应炉进行熔化。 这种炉子的优点可以归纳为：

1. 高效炉在熔化过程中节省能源
2. 使用清洁能源而产生的更清洁的金属，更低的氢含量和更少的其他处理需求
3. 正确的尺寸炉子可以确保铸造时不会有浪费; 它可以使铸造过程变平滑，并且不需要保留残留液体
4. 快速熔化会降低氧化的机会; 因此，可以减少用来补偿金属损失的附加金属的需求。

4.3。 通过处理和精炼熔融金属节能

在熔融操作之后，熔融金属通常包括诸如氧化物和炉渣的杂质，以及不期望的气体含量如氢气。因此，脱气和浮选是必需的要求。通常，铝中的氢气来自水蒸气的分解。在反应之后，氢气解离并形成氢原子，其扩散到熔体中。当铝固化时，溶解的氢从熔体逸出以形成过高的孔隙率，展开DOF或甚至形成裂纹。因此，在脱气操作期间，降低氢含量是必不可少的。如今，用于脱气的技术是通过快速旋转的喷嘴0用惰性气体吹扫。该技术基于熔体中的氢气和大气中的氢气之间的平衡关系。通过注入惰性气体，将熔融金属置于惰性气氛中。为了保持平衡，氢需要转移到惰性气泡中并扩散到熔体的表面。当由惰性气体吹扫熔体时，氢含量逐渐下降到所要求的水平。根据文献[14]，处理和精炼操作中的金属损失量可以高达5％。假设1吨铝的熔体使用2.2 GJ的能量。 5％的金属损失需要额外的0.11 GJ的能量来熔化。脱气装置也消耗能量;旋转电机，惰性气体和通量泵送都需要能量。中档脱气装置通常由3.5KW电机供电15分钟。因此，消耗的能量是3.15 MJ。此外，还需要考虑将惰性气体压缩到容器中所需的嵌入能量。假设惰性气体的净化速率为20 L min-1，总共产生300 L的气体，惰性气体的嵌入能量约为0.5 MJ [14]。结合电机消耗，总能耗可达3.65MJ。

为了在精炼和处理过程中节约能源，原材料的质量非常重要。 它不仅减少了精炼过程中的金属损失，而且降低了精炼的频率。 此外，还要考虑到相应的惰性气体和电力的节省。

4.4.在保温过程中节能

保温是铸造过程中另一个重要的能源消耗阶段，消耗了铸造生产能量的另外30％。保温的目的是持续不断地供应铸造过程中所需的铸造液[17]。

基于其特点，保温炉可随8小时工作轮班运行。 在大多数有色金属铸造厂中，保温过程比熔化过程需要更多的能量。减少持续时间是节能的最有效方法之一。 要实现这一点，顺利和连续的生产计划是至关重要的。精益工具，如TPM，VSM，生产调平和规划常常用于评估保温时间的减少。

量化潜在节能：间接节能

5.1.通过提高材料利用效率节能

材料利用效率（OME）是良好的铸件运到顾客和熔融的总金属[14]之间的比率。 提高真实产量可能是铸造厂可以节省能源的最简单的方法，因为这种方法着重于增加良好的铸造生产和减少总金属熔化。 它主要处理生产过程本身，寻求节约材料的机会。 它与生产设备的性能关系较小。 为了能够了解铸造过程的真实产量，需要对整个铸造操作进行分析。 以传统的

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