第七节 机械加工企业的节能监测
一、机械加工工业的能耗概述
当前我国机械工业发展速度已连续5年超过20%，总规模位居世界前列，但总体水平与发达国家相比仍有较大差距，主要体现在：产业结构不尽合理;大部分企业自主创新能力较弱，产品升级换代缓慢;能源和原材料消耗大，污染严重。
对于机械工业而言，单位增加值能耗不高，总量却不小，各行业综合能耗水平差异较大。近年来，我国机械工业全行业和大中型企业综合能耗逐年下降，2004年万元增加值综合能耗为0.73t标准煤，2005年为0.65t标准煤，2006年为0.56t标准煤。
2006年，机械工业行业总能耗约8134.2万t标准煤，占工业能耗的4.6%，占全国能耗总量的3.3%;万元增加值能耗为0.56t标准煤，相当于全国工业万元增加值能耗的24.8%，全国GDP综合能耗的47.4%。与此同时.机械工业十分重视高效节能产品的研发，开发了许多高效节能重大技术装备和量大面广的通用产品，节能效果显著。例如，火力发电设备制造业实现由亚临界参数向超临界、超超临界的升级，机组效率提高了2%～5%;发展高效电动机，比普通电动机效率提高5%～2%，2005年产量达3000万kW，约占全部产量的23%;在关键部件应用方面，以电力电子技术实现变频调速，节约了大量能量;积极推广节能变压器;开发了风机、水泵、压缩机等高效通用机械产品。
尽管我国机械工业单位增加值能耗远远低于高耗能行业，也低于全国万元GDP能耗，但单位产品综合能耗与工业发达国家相比还有差距。热加工工艺是机械工业制造过程中的主要耗能环节。2006年，我国铸造、热处理和锻造等行业消耗能源4056.8万t标准煤，占机械工业总能耗的49.9%。铸造行业每生产It铸铁件能耗为0.55～0.7t标准煤，国外为0.3--0.4t标准煤;锻造行业每吨锻件平均能耗约为0.88t标准煤，日本仅为0.515t标准煤;重型行业炼钢平均吨钢总能耗为800～100OkWh，国外先进水平仅为550～600kWh。
作为高耗材行业，机械行业2004年消费钢材12510方t，占同期全国钢材产量的39%;消费铜材为358万t(国产仅有220万t);消耗铝材为152万t，占全国铝材产量的28%。在材料利用方面，国内轴承生产企业轴承套圈材料利用率一般水平在50%左右，而发达国家可达75%。
二、机械加工企业工艺及能耗分析
(一)铸造工艺
1.工艺流程
铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上减少了时间。铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。
铸造种类很多，按造型方法可分为：普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类;特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造(如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等)和以金属为主要铸型材料的特种铸造(如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等)两类。
铸造工艺通常包括：
(1)铸型(使液态金属成为固态铸件的容器)准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素。
(2)铸造金属的熔化与浇注，铸造金属(铸造合金)主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。
(3)铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。
不同的铸造方法有不同的铸型准备内容。以应用最广泛的砂型铸造为例，铸型准备包括造型材料准备和造型造芯两大项工作。砂型铸造中用来造型造芯的各种原材料，如铸造砂、型砂黏结剂和其他辅料，以及由它们配制成的型砂、芯砂、涂料等统称为造型材料，造型材料准备的任务是按照铸件的要求、金属的性质，选择合适的原砂、黏结剂和辅料，然后按一定的比例把它们混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂设备有碾轮式混砂机、逆流式混砂机和叶片沟槽式混砂机。
造型造芯是根据铸造工艺要求，在确定好造型方法，准备好造型材料的基础上进行的。铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。在很多现代化的铸造车间里，造型造芯都实现了机械化或自动化。常用的砂型造型造芯设备有高、中、低压造型机、抛砂机、无箱射压造型机、射芯机、冷和热芯盒机等。
铸件自浇注冷却的铸型中取出后，有浇口、胃口及金属毛刺披缝，砂型铸造的铸件还黏附着砂子，因此必须经过清理工序。进行这种工作的设备有抛丸机、浇口冒口切割机等。砂型铸件落砂清理是劳动条件较差的一道工序，所以在选择造型方法时，应尽量考虑到为落砂清理创造方便条件。有些铸件因特殊要求，还要经铸件后处理，如热处理、整形、防锈处理、粗加工等。
铸造是比较经济的毛坯成型方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。如汽车发动机的缸体和缸盖，船舶螺旋桨以及精致的艺术品等。有些难以切削的零件，如燃汽轮机的镍基合金零件不用铸造方法无法成形。
男外，铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制;零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成型方法如锻、轧、焊、冲等所做不到的。因此在机械制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。
铸造生产经常要用的材料有各种金属、焦炭、木材、塑料、气体和液体燃料、造型材料等。所需设备有冶炼金属用的各种炉子，有混砂用的各种混砂机，有造型造芯用的各种造型机、造芯机，有清理铸件用的落砂机、抛丸机等。还有供特种铸造用的机器和设备以及许多运输和物料处理的设备。
铸造生产有与其他工艺不同的特点，主要是适应性广、需用材料和设备多。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺更为严重，需要采取措施进行控制。
2.工艺节能建议
铸造行业是机械工业的耗能大户，能耗高、能源利用率低、污染严重、经济效益差等制约了铸造行业的发展。节能技术与节能措施包含以下几个方面。
(1)黏结剂的循环再利用。环保型砂芯无机黏结剂和砂处理及再生技术得到越来越多的关注。Laempe公司的Beach-BoX无机黏结剂是含有多种矿物质的流体，芯砂用95%砂及5%黏结剂，如铸件用干法除芯，黏结剂残留在砂中，为激活黏结剂，只要加入2.5%的水可重复使用多次而不用再加新的黏结剂，这就意味着在生产中每批最大黏结剂加入量仅为1.6%，通过除水导致黏结剂组分的化学反应而硬化，可使用时间无限制，但相对湿度不应超过70%，混制好的砂密封好可长期储存。FoundryAutomation和MEG的黏结剂为粉状，用于铝合金制芯、储存和浇注过程中均不发气，且均无树脂类黏结剂可能引起的环境问题。湿法清砂的水可回用85%，回收的材料可100%再使用。
(2)旧砂回收与再利用。在欧美工业发达国家，一直把旧砂再利用作为一项重大研究课题，取得了较好的研究成果，并已经付诸工业生产。在浇铸有色金属件、铸铁件以及铸钢件时，根据旧砂的烧结温度，用机械法再生旧砂，其再生率大致分别为90%、80%及70%。旧砂回用与湿法再生结合是最经济最理想的选择，两级湿法再生去除率(Na20)达85%～95%，单级也可达70%。90%的旧砂回收再利用，质量接近新砂。英国理查德(Richard)公司采用热法再生，可以提高再生率10%～20%。而且，热法旧砂再生成套设备的成本回收期较短，一般运转两年就可收回成本。回收得到的无法用机械法再生处理的锆砂采用热法处理后，再生砂的质量优于新砂。在美国，铸造行业用砂年消耗量在500万t左右，研究发现，铸造用后的旧砂用于高速公路路基材料，完全可以满足高速路建设所用材料的性能要求，其性能同样优于同品种的新砂。
