走向環保低碳及智能化發展趨勢的自硬砂鑄造工藝

吳殿杰，朱以松

（1.機械工業第九設計研究院，吉林長春 130011；2.無錫錫南鑄造機械有限公司，江蘇無錫 214028）

走向環保低碳及智能化發展趨勢的自硬砂鑄造工藝

吳殿杰1，朱以松2

（1.機械工業第九設計研究院，吉林長春 130011；2.無錫錫南鑄造機械有限公司，江蘇無錫 214028）

介紹我國自硬砂鑄造工藝及裝備發展概況。國內自硬砂鑄造行業在致力創建敏捷制造體系的同時，更加注重建立精益生產，虛擬制造，計算機集成技術，綠色工程，清潔生產，節能減排等思路，引領大型高端鑄件自硬砂鑄造走向綠色、環保、智能化的發展趨勢。

自硬砂；大型高端鑄件；綠色環保；智能化趨勢

1 目前自硬砂鑄造行業發展現狀

目前，在國內外機械行業鑄造產能過剩的同時，對一些大型裝備的高端鑄件需求量卻在急速增加，尤其是機床、發（核）電、冶金、化工、礦山、船舶和風力發電的大型高端鑄件，其中構件包括機床床身、風電裝置葉片的輪轂、齒輪箱、機械臺架和底座。

許多鑄造生產廠家為了適應市場經濟的發展，尤其為適應引進產品制造技術的要求，相應地對現有鑄造車間進行了技術改造。其中許多廠家采用了自硬砂鑄造工藝，特別是一些重型機床廠，核電、風電、船舶、水電等行業。據不完全統計，目前國內大陸約有千余家鑄造廠家(點)采用自硬砂鑄造工藝，其經濟效益和社會效益非常顯著。相當多鑄造廠家以風電及機床等高端大型鑄件為切入點，以強調節能達到提高能源利用率，以加強環保實現綠色鑄造生產，以一個全新的自硬砂鑄造新面貌出現在鑄造界人士面前。

自硬砂鑄造工藝常指包括所有依靠自身化學反應內熱或脫水而固化砂型的鑄造方法。一般來指樹脂自硬砂（呋喃類、堿酚醛類、聚異氰酸酯即PEP SET類）、水玻璃自硬砂類以及近幾年發展的有機酯水玻璃砂等。

隨著我國鑄造工藝技術的發展以及鑄件檔次的提高，自硬砂工藝生產所占鑄造行業的比重越來越大。據不完全統計，國內各行業自硬砂工藝生產鑄件產量如表1。自硬砂鑄件的典型用途見表2。

表1 自硬砂鑄件在鑄造行業的產量（萬噸/年）

伴隨自硬砂工藝的大面積推廣使用，國內自硬砂鑄造裝備的發展應用已大大超過國外并具有領先趨勢，尤其是近幾年來我國風電制造技術的引進消化推動了國內鑄造行業自硬砂技術的全面提升。隨著各種新型樹脂及固化劑相繼研發，各種自硬砂新技術不斷用于生產，如改性呋喃樹脂、酯硬化水玻璃法、堿酚醛法、PEP SET工藝、水玻璃砂熱法焙燒再生、大型連續混砂機以及大型落砂機等。與此同時，鑄件凝固模擬技術、鑄型設計、砂溫調節、再生過程參數檢測控制與自動顯示及樹脂智能化系統等新技術先后用于自硬砂生產中。另外，可編程序控制器用于自硬砂混砂及舊砂再生工藝參數最佳化配套應用；加上準時化（Just In Time）概念引入自硬砂造型車間的生產管理，都給自硬砂鑄造工廠的工藝、設備和管理以新的內涵。

表2 自硬砂鑄件的典型用途

2 自硬砂鑄造是大型高端鑄鐵件生產的綠色工藝

目前，鑄造行業已有1000余家企業在使用自硬砂工藝，樹脂自硬砂工藝無論從環保、低碳、節能角度,還是從經濟效益、社會效益來看,都已顯示出廣闊的應用前景。國內自硬砂鑄造行業在致力創建敏捷制造體系的同時，更加注重精益生產技術、虛擬制造技術、計算機集成技術的應用，努力實現鑄造生產的綠色工程、清潔生產、節能減排等。

2.1 自硬砂鑄造工程及裝備智能化技術

目前全國自硬砂裝備市場年銷售額約10億元。為了滿足市場需求，國內大部分鑄造裝備企業在新產品開發方面都投入了足夠的人力物力，不斷進行新品研發，建立產學研技術中心基地，如無錫錫南鑄機公司等。

a)建立鑄造產品生產基地，以機床風電大中型高端鑄鐵件生產為切入點，建立整套試驗研發工藝和手段。

b)用模擬仿真技術對大型設備進行設計驗證，如落砂機，100t連續混砂機，砂溫調節器，大型振實臺，除塵器等。

c)用隨機振動與動態分析技術對自硬砂工藝設備樣機進行功能鑒定。

d)用可靠性設計方法對產品進行可靠性設計，如氣力輸送裝置閥門、增壓裝置、管路砂流、卸壓裝置、振動輸送裝置等。

e)用測試與分析技術對新產品進行綜合性能分析及驗證。

f)用優化設計方法對系列產品進行優化設計及對設備樣機進行功能鑒定。

g)用計算機輔助設計技術對鑄造裝備進行結構設計及性能驗證。

綜上所述，國內自硬砂鑄造裝備研發制造水平已接近世界水準，概況統計見表3。

2.2 自硬砂精密組型技術

自硬砂技術屬于精確砂型鑄造工藝，主要適用于生產大中型近精確鑄件。近年來采用冷芯盒樹脂砂發展起來的“精確砂芯組芯造型”技術，可以生產壁厚僅有2.5mm的缸體、缸蓋、排氣岐管等高端復雜鑄件。

2.3 自硬砂綠色制造(清潔生產)技術

自硬砂技術又是清潔鑄造技術。日趨嚴格的環境與資源的約束，使以清潔生產為特征的綠色制造技術越來越重要，它將成為制造業的重要特征。鑄造行業要得到持續發展，必須從“源削減”做起，徹底改變耗能耗材、嚴重污染環境的落后狀況，積極發展清潔鑄造生產。自硬砂清潔鑄造技術的主要內容有：

①采用自硬砂鐵液凝固過程計算機模擬仿真系統軟件；

②采用節能型及潔凈的能源，如以中頻爐代替沖天爐熔化鐵液；

③采用無砂或少砂鑄造工藝 (如選用合理吃砂量、組型套箱壓鐵工藝等)；

④采用高潰散性型砂工藝 (如研發新型樹脂及選用合適的樹脂加入量)；

⑤開發并推廣多種廢棄物(舊砂、廢渣等)的再生和綜合利用技術；

⑥研究采用潔凈無毒的工藝材料 (如無毒無味低污染粘結劑等)；

⑦研制、開發低噪聲的高效環保型的除塵通風設備。

表3 國內自硬砂鑄造裝備研發制造概況

2.4 自硬砂先進制造生產模式

隨著敏捷制造體系的概念日益深入人心，現代制造模式中出現的許多新概念也吸引著鑄造行業的眼球，如并行工程、精益生產、敏捷制造、虛擬制造、計算機集成技術、綠色工程、清潔生產、節能減排等都吸引著我們的關注。現代制造模式也應以其所具有的柔性化和綜合經濟性能，快速地滿足用戶的日益嚴苛的要求。在市場競爭日益激烈的情勢下，敏捷制造應不斷從“經驗”走向“定量”，從“技藝”走向“科學”。在這一方面，國內有些企業已在鑄件模擬凝固仿真技術、高強度灰鐵、高質量球鐵研發上獲得了非常成功的應用，而且他們針對高端鑄件開發并結合市場上各種新型合金原料以及孕育劑、球化劑等正在全球的一些鑄造工廠進行最終的實際應用，篩選出適合自身所需的各種設備、工裝以及原輔料等都給行業內同行以新的啟迪。例如江陰德哈克鑄造有限公司是一中德合資企業，其建設體現了目前國內外自硬砂工藝及裝備制造技術的領先水平。在造型制芯過程中，大型連續環保節能型混砂機和大型振實臺，在保證高的造型精確度和砂型強度基礎上，可使每噸合格鑄件節省近千元成本。先進的熔煉工藝及孕育球化工藝以及模擬凝固軟件的采用，可嚴格保證高端鑄件的生產質量并使鑄件成本大大降低。特別是自硬砂再生處理過程中除塵技術的設計和集散式自動控制系統選擇，明析清潔的車間環境，優良的再生砂質量及高的鑄件清整質量代表了低碳環保節能及智能化的新理念。該公司采用美國應達公司中頻感應電爐熔煉的生產工藝，配有無錫錫南鑄造機械有限公司的大噸位連續式混砂機和80t大噸位振實臺及5m×6m的大型造型制芯輥道線，行車最大起重能力100t，采用德國先進鑄造工藝，關鍵工藝設備采用國內外先進設備。公司實驗中心配有全進口模擬凝固軟件、光譜分析儀、熱分析儀、金相顯微鏡、UT/MT設備、低溫沖擊試驗設備、萬能試驗機、本體套樣鉆、型砂測試等關鍵檢測設備對原料、鐵液、鑄件成品的品質進行管控，確保公司產品在同行中品質處于領先地位，為確保風電鑄造產品的市場占有率及增強企業實力奠定了堅實的基礎。

3 全新的鑄造自硬砂工藝—綠色環保智能化的鑄造概念

隨著人們對產品質量、資源利用和環境保護意識的增強，尤其針對我國目前上萬家中小型鑄造車間存在的嚴重能耗及鑄件質量問題，更加迫切地要求我們在不斷推廣綠色環保節能的自硬砂工藝中，也不斷研發新的適合廣大中小鑄造廠家技術改造需求的鑄造工藝及裝備。另外由于全球范圍內出現的能源危機以及日益激烈的市場競爭，部分國外制造商甚至在中國大陸尋求鑄件OEM供應商，借機轉移能源危機并且以此降低制造成本。這樣就迫使國內鑄造行業不斷尋求環保節能、高效的綠色鑄造方式，以適應國家嚴格的環保及安全衛生要求和激烈的市場競爭。自硬砂技術便是鑄造行業首選的綠色鑄造工藝并且其應用越來越廣泛，已被國內大多數鑄造企業所接受。總之，自硬砂技術適應了鑄造向綠色、環保及智能化發展形勢的需要。

目前，國內大多數鑄造廠家面對風水核電、鐵路及機床等高端鑄造行業激烈競爭的局面，利用自身的資金和品牌，以國內外風能及高端鑄件市場為依托，正不斷地進行人才和鑄造新技術儲備，已感覺到建立科研開發、設計制造和營銷管理于一體概念中的敏捷制造、虛擬制造、綠色工程、智能化工程的迫切性，在技術研發和自主創新能力方面加大投入，建立一整套適合風水核電、鐵路、機床等高端鑄件的鑄造工藝模塊，還包括集成專家經驗型內容的集成軟件系統。建立敏捷制造體系，應用鑄造凝固模擬軟件開發等各種技術手段，以獲得合理的鑄造工藝方案、節省鑄造工藝的開發成本、縮短新產品的開發周期為出發點，建立產學研技術中心基地。以風水核電、鐵路、機床等高端鑄鐵件生產為切入點，建立整套試驗研發工藝和手段；用模擬仿真技術對大型風電高端鑄件進行鑄件缺陷的定量化預測技術；進行澆注凝固過程的熱物性參數及反求技術；采用智能化鑄造工藝設計與優化技術以及鑄件全生命周期模擬等技術的集成，實現質量和成本上達到預期的目標。總之，鑄造技術的發展必然要服務于社會進步和經濟發展的大局，“綠色鑄造”的概念以其低碳、節能、環保及安全體現了高速發展著的文明進程的人性化特征和經濟可持續發展的總體要求。鑄件從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個“產品生命”周期中，對環境的負面影響最小、資源效率最高，從而使企業經濟效益和社會效益達到最優化，將是未來綠色鑄造技術的體現方式，這對企業信息化運作水平提出了相當高的要求。因而，擁有鑄造基礎理論知識、鑄造生產實踐經驗和計算機智能化運用能力的企業和人才將是夯實中國鑄造業的堅實基礎，并將引領中國鑄造的綠色、環保、智能化的未來趨勢。

[1]吳殿杰.自硬砂的應用趨勢與清潔節能鑄造[J].鑄造工程師，2008.

[2]吳殿杰.鑄造自硬砂裝備—低碳時代的最佳選擇[C].2010年天津首屆現代鑄造裝備研討交流論文.

[3]吳殿杰.鑄造自硬砂的再生工藝及設備[C].杭州第69屆世界鑄造會議論文.

[4]朱旭東，朱以松.大型自硬砂鑄造裝備的發展和應用[C].中國鑄造行業第五屆高層論壇論文集.2011.

The Foundry Technology Development of Self-Curing Sand with Environment Protection and Intelligent Trend

WU DianJie1,ZHU YiSong2
（1.The 9th Design&Research Institute of Machine Building Industry,Changchun 130011,Jilin China；2.Wuxi Xinan Foundry Machinery Co.Ltd.,Wuxi 214028,Jiangsu China）

A survey of the development of foundry technology and equipment of resin self-hardening sand has been introduced.With efforts to create agile manufacturing system,domestic self-hardening sand casting industry has payed more attention to establish an idea of precise manufacturing,virtual manufacturing,computer integrated technology,green engineering,clean production,energy saving,emission reduction for leading a development trend of intelligent of heavy castings with premium quality in machine tool foundry with green cast,environmental protection.

Self-hardening sand;Heavy castings with premium quality;Cast with environment protection;Intelligent trend

TG242;

A；

1006－9658（2012）04－0001-5

2012－04－05

稿件編號：1204-036

吳殿杰（1949-），男，工程師，國家注冊機械工程師，研究員高級工程師