锻压企业锻件生产节能问题分析

图4-1所示为各国产生100万美元GDP（国内生产总值）的能源消耗与我国相应数值之比，可以看出我国的单位GDP的能源消耗比发达国家高很多。相对于机械制造行业的其他传统行业，锻造行业属于典型的高耗能行业，其能源成本占企业变动成本的20%左右。图4-2所示为我国与发达国家每生产1t锻件所需能耗的比较，可以看出我国的能耗比发达国家高2～3倍。对企业而言，高能耗降低了市场竞争力；对国家而言，高能耗过多消耗不可再生的资源，居高不下的能源成本将会降低我国制造业的优势，增加全球制造业中心转移出我国的可能性。为此国家将不断加强节能工作的政策导向，节能减排将成为锻造企业的一项长期工作。随着节能技术不断提高，它将会产生越来越大的经济效益。本章将分析锻压生产的节能、节材技术。实际上节材对节能有显著贡献，所以节材技术也是一种间接节能技术。在很多新技术中同时表现出节能和节材双重优势。

图4-1 各国100万美元GDP消耗能源比较^[1]

图4-2 各国每吨锻件综合能耗[1]

锻压企业的产品是锻件和冲压件，在讨论节能问题时可能更多讨论的是锻件生产，尤其是热锻件的生产过程。就一般锻件而言，其生产流程为：坯料制备、坯料加热、塑性成型、热处理和机加工。冷锻工艺无需坯料加热。全部生产流程包括两类主要能源消耗：材料加热的能源消耗，它们发生在热加工制坯工序，坯料加热工序，等温锻、差温锻工序，热处理工序；材料变形切削加工设备动能消耗，它们发生在锻造压力机、机加工机床和其他辅助设备上。其他能耗发生在生产照明、运输等方面。图4-3给出了普通锻件生产各种能耗的分布比例。这里只是一个平均的统计结果，实际上，在自由锻与模锻之间、大锻件与小锻件之间，各种能耗分布存在很大的差别。

图4-3 锻件生产能耗分布图[1]

节能水平与设备的效率有关，定义设备效率η=W₁ /W，其中W=W₁+W₂为设备总能耗，W₁为真实能耗。对于塑性成型压力机，真实能耗W₁就是使坯料变形到零件形状所需要的弹塑性变形能。对于机加工工序，真实能耗W₁是切削金属所需要的变形能。W₂是实施塑性成型或机加工所附加的耗散性能量，如机床本身摩擦能耗、工具与工件之间的摩擦能耗等。对于加热工序，无论是锻造加热还是热处理加热，加热效率定义中，真实能耗W₁是加热坯料或锻件达到预定温度所需要的热能，W₂则是加热炉向外界散发的热量，例如炉壁隔热材料效果不好、炉门密封不严等引起的热量损失。显然真实能耗W₁与工件材料重量成正比，与设计工艺的材料利用率成反比，因此可以通过改进工艺设计、提高材料利用率降低真实能耗W₁，通过改善工件与模具间的摩擦条件降低W₂，改进、更新成型设备和加热炉设备则是降低W₂的主要途径。锻件的直接成本可以表述为

锻件变动成本=材料费+加工费

式中 材料费=零件材料价格×坯料重量=零件材料价格×零件重量/材料利用率；

加工费=人工费+设备占用费+能源费=工艺长度×坯料重量×（单位重量人工费+单位重量模具设备费+单位重量变形能×能源费价格/机械设备效率+单位重量热能费/加热炉效率）=（零

件重量/材料利用率）×工艺长度×（单位重量人工费+单位重量模具设备费+单位重量变形能×能源费价格/压力机效率+单位重量燃料重量×燃烧值×燃料价格/加热炉效率）。

锻件成本=（零件重量/材料利用率）×（零件材料价格+工艺长度×（单位重量人工费+单位重量模具设备费+单位重量变形能×能源费价格/机械设备效率+单位重量燃料重量×燃烧值×燃料价格/加热炉效率） （4-1）

式中 工艺长度——整个加工过程的工序数、火次数。

由式（4-1）可以看出，对于确定的零件，降低锻件直接成本、降低能源消耗、节约材料的有效途径是：提高材料利用率，缩短工艺长度，提高压力机效率，提高加热炉效率，选择燃烧值高、价格低的燃料。节能、节材应该在如下六个方面开展工作：(www.xing528.com)

（1）改进锻造工艺，减少加工余量，实现少、无切削，提高材料利用率。

（2）改进锻造工艺，缩短工艺流程，通过减少成型火次和工序数目，减少人工、设备模具费、降低材料火耗，减少加热保温时间与工序之间的工件空冷引起的热量耗散。

（3）改进锻造工艺，降低工件与工具的摩擦系数，提高压力机的效率。

（4）改进锻造设备，提高压力机效率，改进加热炉设备，减少热量损失，提高加热效率。

（5）因为不同燃料燃烧值不同（见表4-1）、价格不同，更换加热燃料，使用高燃烧值低价格的燃料，可以有效降低燃料成本。图4-4所示为按照2002年洛阳价格，生产1t锻件不同燃料所需要的能源费用。可以看出电能是最好的选择，其优势在于燃烧效率高，价格低。相对而言，油比煤、比煤气燃烧值高，但是其价格贵，因而最不实用，燃煤因价格低是一个可选的燃料，但是其排放物对环境影响较大。

表4-1 各种燃料的燃烧值和标准煤折算率

（续）

图4-4 生产1t锻件不同热介质能源费用（2002年洛阳价格）[1]

（6）图4-5给出了不同锻造工艺的材料利用率，可见冷温精锻和热模锻材料利用率较高。冷锻不需要坯料加热，还会节省大量热能。但是对于某种具体锻件采用何种锻造工艺，需要综合考虑多种条件，很多情况下热锻与冷锻，模锻与自由锻不能互相替代。

图4-5 不同锻造工艺的材料利用率^[2]