大型鍛件生產(chǎn)工程設(shè)計 （下）

文／喻興娟，王宙平，陳文勛·中國聯(lián)合工程公司

大型鍛件生產(chǎn)工程設(shè)計 （下）

文／喻興娟，王宙平，陳文勛·中國聯(lián)合工程公司

《大型鍛件生產(chǎn)工程設(shè)計(上)》見2014年第1期

廠房設(shè)計

建筑設(shè)計

大型鍛件的生產(chǎn)在高溫狀態(tài)下進行，鍛件尺寸大、重量大，散發(fā)大量余熱、煙霧、灰塵、有害氣體，在正確處理好人與貨流組織的關(guān)系、與地形的關(guān)系、與氣候的關(guān)系的前提下，選擇合適的平面形式、合適的柱網(wǎng)、跨度等，正確處理好大型多跨廠房的屋面排水方式、屋面的保溫與隔熱，在設(shè)置足夠的采光通風氣樓的同時，應(yīng)適當降低窗臺標高或采用窗下百葉形式。

現(xiàn)代工廠作業(yè)環(huán)境的設(shè)計越來越人性化，工廠職業(yè)衛(wèi)生、勞動安全等專項設(shè)計在某些地區(qū)已經(jīng)作為工廠設(shè)計的一部分，并滿足“三同時”建設(shè)程序。生產(chǎn)大型鍛件的廠房為典型熱加工廠房，按照國家職業(yè)衛(wèi)生、勞動安全要求，合理布置生活用房和輔助用房。生活用房包括更衣室、廁所、盥洗室、淋浴室、休息保健室等，布置方式按生產(chǎn)需要和衛(wèi)生條件而定。車間行政管理用房和一些空間不大的生產(chǎn)輔助用房，可以和生活用房布置在一起。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

以往，大型鍛件生產(chǎn)所用的廠房大多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料易得，施工方便，耐火耐蝕，適應(yīng)面廣，可以預(yù)制，也可以現(xiàn)場澆注，但施工周期較長。當今，鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼構(gòu)件以加工方便、能批量流水生產(chǎn)、制作周期短、可以現(xiàn)場拼裝等特點，不僅在冷加工廠房中大量應(yīng)用，在煉鋼、鑄造、鍛造、熱處理等熱加工廠房設(shè)計中也已占據(jù)絕對優(yōu)勢，尤其是特別適應(yīng)現(xiàn)代大跨度、大空間的大型連跨廠房要求。在局部必須耐高溫的梁、柱等部位，可以采用外包耐高溫隔熱材料，確保廠房的安全。

通風方式的選擇

大型鍛件生產(chǎn)廠房散熱量大，煙塵污染嚴重，為排除室內(nèi)余熱及煙塵，需要的通風量較大，采用機械通風不節(jié)能，也不經(jīng)濟，由于室內(nèi)外溫差大，采用自然通風更合理。

自然通風設(shè)計是提高廠房內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。組織好廠房內(nèi)部的進、排風氣流，使廠房工作區(qū)獲得能夠保證人員健康的新鮮空氣，并帶走影響工人健康和產(chǎn)品質(zhì)量的大量余熱、二氧化碳和有害氣體，是合理設(shè)計自然通風的關(guān)鍵。

⑴合理布置廠房位置朝向。

廠房主要進風面一般應(yīng)與夏季主導(dǎo)風向成60°～90°角，不宜出現(xiàn)小于45°的角，同時要考慮避免西曬的問題。

⑵合理布置進風系統(tǒng)。

根據(jù)熱壓通風原理，進風口的位置應(yīng)盡可能低。有條件時可在窗臺下設(shè)可關(guān)閉的進風百葉，并且進風側(cè)窗臺標高一般不應(yīng)高于1.2m；對南方炎熱地區(qū)，低側(cè)窗窗臺標高可低至0.4～0.6m；對夏熱冬暖地區(qū)，低側(cè)窗窗臺標高宜采用0.6～0.8m；還可以通過多設(shè)置通風大門、門洞、立式中軸窗等方法來加強自然通風。在寒冷地區(qū)，進風側(cè)窗可分為上下兩排，夏季將下排窗開啟，上排窗關(guān)閉；冬季將上排窗開啟，下排窗關(guān)閉，避免冷風直接吹向人體，上排窗下緣距室內(nèi)地面距離不宜小于4m。

側(cè)窗開啟方式應(yīng)盡量采用平開和立轉(zhuǎn)。外墻中間部分的側(cè)窗，一般按采光窗設(shè)計。合理協(xié)調(diào)進、排氣口面積，力求進氣口面積不小于排氣口面積，是提高自然通風效果極為重要和有效的技術(shù)措施，也是提高廠房自然通風效果的關(guān)鍵所在，力求以最低的經(jīng)濟投資，獲取最佳的通風效果。

多跨廠房跨與跨之間不宜設(shè)隔墻，廠房最大寬度不宜超過60m。連續(xù)多跨均為熱跨時，可將跨間分離布置，以便縮短進排氣口的路徑。如果超過60m，需采用自然通風與內(nèi)跨送風結(jié)合的通風方式。

⑶合理布置排風系統(tǒng)。

排風口的位置要盡可能高。當設(shè)有天窗時，天窗一般應(yīng)設(shè)在屋脊處，通風天窗的類型較多，有避風氣樓、下沉式天窗、通風天窗、通風采光天窗等，各種天窗均有消防排煙的功能。

⑷合理布置發(fā)熱設(shè)備。

為了盡快排除發(fā)熱設(shè)備產(chǎn)生的熱空氣，需要縮短通風距離，散發(fā)熱量較大的爐子、壓機等應(yīng)布置在天窗下方。因此，在布置熱源——爐子、壓機時，應(yīng)盡量將其放置在夏季主導(dǎo)風向的下風側(cè)處。

⑸合理布置廠房及輔房。

除了考慮通風氣樓在滿足通風量需要的前提下，力求取得較低的中和面位置，即爭取將進風口集中開設(shè)在下部作業(yè)區(qū)的范圍內(nèi)，盡最大努力不沿內(nèi)外墻布置附屬小型建筑物，以免影響車間內(nèi)的自然通風與采光，尤其是為進風口讓出寶貴的下部側(cè)墻面。

與車間生產(chǎn)和管理關(guān)系密切的高壓泵站、變配電室、循環(huán)泵房、生活間與辦公室等配套附屬建筑物與車間主廠房合建時，其位置布置應(yīng)以少或不影響車間尤其是主要設(shè)備操作區(qū)的自然采光與通風為原則。另外，在廠房側(cè)墻的圍護結(jié)構(gòu)部分設(shè)可開啟的通風百葉等，加大進風口面積，克服進氣短流的問題，滿足散熱通風的要求。

在實際工程設(shè)計中，如果缺乏精心的合理規(guī)劃，造成生產(chǎn)、生活輔助設(shè)施建筑把主體廠房圍得嚴嚴實實、水泄不通，廠房失去大片可開設(shè)進氣口的寶貴位置；在廠房自然通風設(shè)計中，又未認真進行研究推敲，只是遷就于既定的建筑設(shè)計現(xiàn)狀，不管合理與否，消極地拼命加大天窗面積，導(dǎo)致進氣口面積不足排氣口面積的1/3，使廠房自然通風模式形成極不合理的狀況，既增加了投資，通風效果又不佳。只有合理協(xié)調(diào)進、排氣口面積，增大低側(cè)窗的面積(或用大面積開敞的大門)和增大高側(cè)窗的面積或設(shè)氣樓，利用其高差以利通風換氣，才能以最低的經(jīng)濟投資，獲取最佳的通風效果。

現(xiàn)今，大型鍛件生產(chǎn)大多為多跨連續(xù)廠房，廠房寬，散發(fā)大量的余熱和灰塵等污濁氣體，惡化了廠房內(nèi)部環(huán)境，僅靠兩側(cè)外墻進氣，進氣口面積無法滿足要求，工作區(qū)內(nèi)也無法得到干凈的新鮮空氣，必須通過組織廠房自然通風，迅速排除余熱和污濁氣體而改善廠房內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。圖1所示的自然通風與內(nèi)跨送風結(jié)合的通風方式，是多跨大型鍛件廠房的較好通風方案。

在解決廠房的通風排氣問題的同時，還要克服飄雨的弊端。在考慮設(shè)置高側(cè)排風窗時，排風窗的位置建議設(shè)在緊靠廠房的檐口部位，排風窗上部嚴禁留有實墻面，避免產(chǎn)生渦流而導(dǎo)致飄雨；加高高側(cè)排風窗的垂直擋風板，設(shè)計成類似全封閉式矩形通風天窗的擋風板，擋風板上部折向屋面成傾斜狀，防止任何角度的飄雨；在高側(cè)排風窗下口部位的墻面與垂直擋風板之間，增設(shè)水平遮風板，不留設(shè)排雨水的縫隙，設(shè)置水落管，做有組織排水處理，既可避免風雨由縫隙灌入廠房內(nèi)，又可避免大量帶塵雨水由縫隙下瀉污染墻面及下部側(cè)窗，可以防止帶塵雨水污染廠房外環(huán)境。

車間地坪的設(shè)計

圖1 多跨廠房自然通風加內(nèi)跨送風剖面示意圖

生產(chǎn)大型鍛件時，坯料溫度高，對地坪的沖擊大，常規(guī)機械工廠的地坪不能滿足要求。地面材料除水泵房、機修間、生活間可以使用水磨石、混凝土外，其他區(qū)域尤其是鋼錠、鍛件、工裝存放區(qū)域應(yīng)選用耐熱、耐沖擊的素土或爐渣夯實地面，素土或爐渣夯實+素磚地面，以及鋼磚或鑄鐵板、鋼軌地面。常規(guī)設(shè)計時，鍛造車間地坪荷載和地面形式選擇見表6。

節(jié)能設(shè)計

根據(jù)國家能源研究部門公布的數(shù)據(jù)，我國每生產(chǎn)100萬美元的GDP所消耗的能源是美國的2.5倍，歐洲的5倍，日本的9倍，可見我國的能源利用率低、浪費大。鍛造行業(yè)是能源消耗大戶，在鍛件成本構(gòu)成中，能耗費用約占8%～10%。節(jié)約能耗可以降低鍛件成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。在國家提倡節(jié)能減排的大背景下，只有從項目的工程設(shè)計開始，樹立精益生產(chǎn)、綠色鍛造的理念，從根源上消除企業(yè)的浪費情況，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率，才能為企業(yè)實現(xiàn)大型鍛件產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保，為生產(chǎn)效能最大化創(chuàng)造前提條件。

總體布局

總體布局是節(jié)能設(shè)計的第一步。工廠總平面設(shè)計作為工廠建設(shè)的一個重要組成部分，應(yīng)該在保證生產(chǎn)、滿足工藝和運輸?shù)那疤嵯拢Y(jié)合廠址建設(shè)條件，合理確定擬建建筑物、交通運輸線路、工程管線等設(shè)施的平面區(qū)位，使各種設(shè)施成為有機整體，使工廠人流、物流和大型鍛壓設(shè)備、熱處理設(shè)備等在空間上妥當組合、在時間上有效連接，日常運營上節(jié)能環(huán)保。總體設(shè)計與工業(yè)運輸在大型自由鍛生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計節(jié)能上需要注意以下幾點：

⑴上下道工序煉鋼、鍛造、粗加工、熱處理等均與鍛件生產(chǎn)有著極密切的關(guān)系，相鄰有關(guān)車間之間的物料運輸頻繁，盡可能把相鄰工序就近布置或組成聯(lián)合廠房，確保熱鋼錠、鍛坯的運輸路線通暢，運距最短，有機銜接。

⑵注意廠房朝向，合理設(shè)置露天跨，便于聯(lián)合廠房通風采光，降低機械通風能耗。

⑶盡可能把動力輔助設(shè)施靠近負荷中心布置。如降壓站、配電室宜靠近主要鍛壓設(shè)備布置；空壓站宜靠近清理及熱處理工裝布置等，以縮短線纜、管道長度及減小能損。

■ 表6 鍛造車間地坪荷載和地面形式的選擇

⑷盡可能考慮發(fā)展預(yù)留空間，輔助設(shè)備盡量集中統(tǒng)一設(shè)置。

工業(yè)爐節(jié)能

鍛件生產(chǎn)過程中的能耗包括燃料消耗和動能消耗，爐子燃耗是鍛造車間的主要能源消耗。據(jù)統(tǒng)計，大型自由鍛車間燃料消耗占車間各種能耗的80%以上。

鍛件加熱、熱處理是熱鍛生產(chǎn)中的重要工序，采用合理的熱源，先進的加熱爐型，對降低燃料消耗意義重大。國外工業(yè)發(fā)達國家每噸鍛件綜合能耗比我國要低很多，例如日本鍛造行業(yè)平均能耗僅為0.515t標煤/噸鍛件。2010年，我國自由鍛行業(yè)為0.88t標煤/噸鍛件，模鍛行業(yè)平均能耗高達1.4t標煤/噸鍛件。據(jù)統(tǒng)計，鍛件加熱能耗約占鍛件總能耗的20%，而熱處理能耗約占鍛件總能耗的35%。

⑴采用合理的熱源。

鍛件加熱常用的燃料有固體燃料、液體燃料、氣體燃料、粉末燃料等。其中固體燃料是煤，粉末燃料是煤粉，均為一次性能源；氣體燃料有天然氣、液化石油氣、煤制氣、清洗煤氣、城市煤氣等；液體燃料主要是重油、輕柴油等。現(xiàn)在大多廠家采用天然氣，還有部分因條件限制或因成本因素采用液化石油氣、煤制氣、清洗煤氣、城市煤氣，也有部分廠家采用重油、輕柴油。

重油或輕柴油加熱爐較燃煤爐污染程度低，屬于低污染型鍛造加熱設(shè)備。近年來，重油噴嘴技術(shù)在加熱設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，多個噴嘴的采用對大型鍛件的加熱也比較均勻、快捷，產(chǎn)品加熱質(zhì)量好。缺點是原油需要進口，國家緊缺，控制使用，費用高，壓縮了鍛造企業(yè)的利潤空間。

由于天然氣和液化石油氣，國家資源不富裕，供應(yīng)緊張，且價格昂貴，不少企業(yè)還使用以煤為第一能源的煤制氣。熱煤氣因比較臟、不便加壓，只能適應(yīng)于小規(guī)模廠家使用。清洗煤氣一般在3m以上的煤氣發(fā)生爐內(nèi)使用，高溫煤氣要經(jīng)過一系列的清洗、冷卻和除塵，處理后的煤氣比較干凈，調(diào)節(jié)方便，便于加壓輸送、儲存，適用于距離較遠或規(guī)模較大的鍛造企業(yè)，或相對集中的中小鍛造企業(yè)聯(lián)合建站。采用清洗煤氣后，鍛件加熱成本也較低，大概在700～900元/噸鍛件之間。但建站費用大，周期長，對煤種和煤質(zhì)有一定要求，需定點供應(yīng)。

⑵采用先進的加熱爐型。

毛坯、鍛件燃氣加熱爐采用數(shù)字化蓄熱式高速脈沖燃燒和控制技術(shù)及連續(xù)供給燃料蓄熱式脈沖燃燒和控制技術(shù)。對比采用常規(guī)高速燒嘴+空氣預(yù)熱器的燃燒方式，應(yīng)用于高溫鍛造加熱爐，節(jié)能率高達50%，爐溫均勻性控制在±10℃之間；應(yīng)用于中、低溫熱處理爐，節(jié)能率達30%～50%，爐溫均勻性控制在±5℃之間。

⑶采用熱料裝爐工藝。

熱料裝爐是進行大鍛件加熱的有效節(jié)能措施，即從煉鋼車間澆注完成的鋼錠不經(jīng)過冷卻直接運送至鍛造車間入爐加熱，一般入爐溫度控制在600℃以上。與冷料裝爐相比，可節(jié)能40%～45%，同時可以節(jié)省加熱時間，減少加熱爐配置數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。

⑷高效、分級余熱回收技術(shù)。

燃料爐中排出的煙氣溫度高達600～1200℃，帶走的熱量占總熱量的30%～70%，對這部分熱量的回收利用是鍛造車間節(jié)能的重要途徑。目前主要的利用方式是采用預(yù)熱器，即利用煙氣余熱對助燃空氣和氣體燃料進行加熱。一般認為，每提高空氣預(yù)熱溫度100℃，可節(jié)約燃料約5%，提高爐子生產(chǎn)能力約為2%。根據(jù)預(yù)熱器的效率不同，出預(yù)熱器的煙氣溫度一般在200～800℃之間，對這部分熱量再次利用稱為余熱二次回收利用技術(shù)，可把煙氣溫度從200～800℃降到100～150℃之間。回收的余熱進行綜合利用，在寒冷的冬季用于采暖，在炎熱的夏季用來制冷，在過渡季節(jié)用來制取生活熱水。隨著國家對節(jié)能減排的大力推進，余熱二次回收利用技術(shù)在鍛造行業(yè)中的應(yīng)用將越來越廣泛。

建筑節(jié)能

建筑節(jié)能設(shè)計在符合建設(shè)工程技術(shù)法規(guī)，符合政府有關(guān)的節(jié)能規(guī)定，符合節(jié)能標準、規(guī)范的強制性條文，符合當?shù)卣?jié)能審查要點的前提下，同時要符合建筑節(jié)能的客觀規(guī)律，用較少的代價取得良好的建筑節(jié)能整體效果。

公用節(jié)能

從壓縮空氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、配電照明系統(tǒng)、采暖通風系統(tǒng)及物流布置各個方面采取相應(yīng)的節(jié)能措施，以節(jié)約能源、降低能耗。

⑴空壓站。

選擇比功率低和比重量輕的節(jié)能型空壓機，空壓站靠近負荷中心，選擇合理的管網(wǎng)布置方式，盡量設(shè)置1～2臺變頻空壓機組，用來適應(yīng)用戶用氣負荷的變化，合理布置壓縮空氣管網(wǎng)等。

⑵給排水。

合理選擇水源，優(yōu)先選用城市自來水，城市自來水不能滿足要求時才考慮企業(yè)間聯(lián)建水源或工廠自備水源；合理布置輸配水管線，使供水便捷，并盡可能減少管件和不必要的閥門等減少系統(tǒng)阻力，減少跑冒滴漏的出現(xiàn)；提高水的重復(fù)利用率，北方企業(yè)水的重復(fù)利用率一般應(yīng)達到60%，南方企業(yè)應(yīng)達到40%；采用中水技術(shù)，回收部分廢水、污水，達到一水多用，節(jié)約用水；生活熱水的熱源優(yōu)先考慮工藝生產(chǎn)設(shè)備的余(廢)熱、二次蒸汽、凝結(jié)水或太陽能等。

⑶配電照明。

優(yōu)先選用低損耗變、配電設(shè)備，高壓供配電線路應(yīng)深入負荷中心，簡化企業(yè)內(nèi)部供電系統(tǒng)，減小供電半徑，節(jié)約有色金屬并降低電能損耗，合理配置無功補償裝置，使企業(yè)的功率因數(shù)達到0.9以上。

⑷采暖通風。

通過有效地組織廠房自然通風，迅速排除余熱和污濁氣體而改善廠房內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。當廠房高度和生產(chǎn)散熱量為一定量時，合理協(xié)調(diào)進、排氣口面積，是提高廠房自然通風效果的關(guān)鍵所在。

大型鍛件生產(chǎn)涉及水、電、氣等能源，不僅種類多，用量大，比一般的機械工廠能耗大得多。這決定了大型鍛件生產(chǎn)廠房建筑節(jié)能設(shè)計必須全方位考慮，首先要減少生產(chǎn)過程中物流的能耗，做好生產(chǎn)過程中的資源、能源的節(jié)約，其次是建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣、動力等各專業(yè)要采取與節(jié)能總體目標相適應(yīng)的節(jié)能措施，才能達到最佳的整體節(jié)能效果。只有項目團隊的各個專業(yè)——工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、動力、電氣、技術(shù)經(jīng)濟等的通力協(xié)作，根據(jù)項目的整體節(jié)能目標，各專業(yè)制定相應(yīng)的分目標及相應(yīng)節(jié)能措施，形成最佳組合，達到整體最優(yōu)。

環(huán)保設(shè)計

為了應(yīng)對越來越嚴峻的資源、環(huán)境壓力，制造業(yè)提出了采用綠色制造的可持續(xù)發(fā)展模式。節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保與安全是鍛造車間設(shè)計時需要重視的幾個方面，在當前國家大力推動節(jié)能減排的形勢下，貫徹節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對鍛造車間的工藝設(shè)計來說尤為重要。

鍛造工業(yè)在制造領(lǐng)域中扮演著重要角色，但是在制造行業(yè)推行綠色制造生產(chǎn)模式的時候，鍛造行業(yè)在綠色制造方面卻滯后于加工、裝配等冷加工行業(yè)，其生產(chǎn)中仍然存在著許多違背綠色制造原則的問題。鍛造作為傳統(tǒng)的熱加工行業(yè)，生產(chǎn)過程中能耗高、污染大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，迫切需要采用綠色制造模式，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代鍛造企業(yè)。在進行鍛造工藝設(shè)計時，要按照資源使用效率最高、環(huán)境影響最小的理念，遵循節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的原則，即工藝設(shè)計過程中更加注重節(jié)約原材料、節(jié)約能源、環(huán)境保護、勞動保護等。

自由鍛造車間煙塵對工人健康造成危害，對環(huán)境形成污染，必須采取適當措施進行治理。廢氣、煙塵是鍛造車間主要的環(huán)境污染因素之一，主要來自于燃煤和燃油加熱爐的燃燒產(chǎn)物。隨著環(huán)保、節(jié)能要求不斷加大，燃煤加熱爐正在逐漸被淘汰，新建、擴建廠房多采用煤氣、天然氣等清潔能源，從而在根本上消滅廢氣的排放。工業(yè)爐排放的煙塵需通過有組織的排煙裝置進行排放，不得直接排入車間內(nèi)的工作場所，車間內(nèi)應(yīng)保持良好的全室通風。

高溫和熱輻射是鍛造車間的主要危險因素之一，容易引發(fā)工人的職業(yè)性中暑及灼傷等。因此進行廠房設(shè)計和工藝布局時要給予高度重視，比如廠房設(shè)置屋頂天窗、高低窗等保證車間具有良好的通風；工業(yè)爐前要留有足夠的上下料場地等。

結(jié)束語

大型自由鍛件生產(chǎn)是一項復(fù)雜的工程，綜合性強，涉及工種多，要求高，工況復(fù)雜，必須系統(tǒng)全面地從系統(tǒng)平衡配套的角度、發(fā)展的眼光進行綜合考慮。