年產10萬噸發動機鑄件車間設計

余　博，劉小龍，任興武，李柏松（.中國汽車工業工程有限公司，天津市 3003；.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 69）

年產10萬噸發動機鑄件車間設計

余博1，劉小龍1，任興武2，李柏松2
（1.中國汽車工業工程有限公司，天津市 300113；2.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261119）

介紹了年產10萬t 7～12 L發動機缸體、缸蓋鑄件車間設計的整個過程，根據項目特點進行的各項創新，以及這些創新點經過生產驗證的實際效果。對鑄造車間設計有一定的借鑒作用。

車間設計；循環利用；鑄造生產

1　車間任務和生產綱領

1.1車間任務

山東某公司委托中國汽車工業工程有限公司進行鑄造中心二期工程項目的設計工作，此項目規劃年產10萬t 7～12 L發動機缸體、缸蓋鑄件，鑄件材質以HT280為主，并考慮將來生產蠕鐵鑄件的可能。

1.2生產綱領

該車間代表產品生產綱領如表1所示，年產鑄件102 720 t。

表1　代表產品生產綱領表

2　工作制度和年時基數

2.1工作制度

根據該車間生產性質，為提高設備利用率及合理使用能源，車間采用二班平行工作制生產，部分設備（如制芯中心、退火爐）采用三班工作制生產。全年設備工作日為303天，每周工作6天，每班工作8 h。工人全年工作日為303天，每周工作6天，每班工作8 h。

2.2年時基數

設備年時基數：二班4 550 h，三班6 130 h。

3　設計原則

（1）本次設計是以生產高品質、高性能、高精度（發動機缸體、缸蓋等）鑄件為核心而制定工藝原則的。

（2）本次設計貫徹先進、合理、適用的原則，加強工藝管理，提高質量控制手段和檢測水平。項目建成后，勞動生產率、產品質量、環保設施等方面，能夠達到國內一流水平。

（3）該鑄造車間生產性質為大批大量生產。生產方式采用平行工作制，生產組織采用工部（段）、班組的組織形式。該車間由熔化、造型、砂處理、制芯、清理五大工部組成，并設有爐前快速分析室、型砂試驗室等輔助部門。

（4）為貫徹精益生產方式和保證產品的質量要求，引進國外的先進生產線和關鍵設備。在選用設備時既考慮到技術先進、適用、可靠，又要注重經濟的合理性。

（5）該鑄造車間是高度機械化、自動化的，生產過程和運輸工作都采用機械化進行生產。

（6）該鑄造車間主廠房采用鋼結構廠房，屋面采用鋼結構，熔化爐前跨北墻和南墻、造型澆注冷卻通廊5.4 m以下部分用磚墻，其它全部用壓型鋼板墻。

（7）設計中貫徹執行國家相關產業政策、節能、環保和勞動安全衛生等方面的規范。設計中充分考慮到以人為本，降低勞動強度，加強環保設施和改善工人的勞動條件，確保生產安全。減少污染，節約能耗。

圖1　德國進口熱風水冷沖天爐

圖2　美國80 t保溫電爐

圖3　大件造型線

圖4　中件造型線

4　建設內容

本工程項目占地約190×666.7 m2，新增建筑面積約70 000 m2，建設內容包括：鑄造車間、機模修車間、輔料庫、新砂庫改造、制氧站擴容改造、空壓站、軟化水站及高位水箱、循環水泵房、熱交換站、天然氣調壓站、車間變配電所、職工浴室、職工餐廳、工業復用水站及洗車間。

鑄造車間由熔化、造型、制芯、砂處理及清理工部組成，并設爐前快速分析室、型砂實驗室。各車間工部設備能力的配置是以造型線為核心，均衡配置砂處理、熔煉、制芯及清理工部設備能力，充分發揮造型線效率。

4.1熔化工部

選用德國進口35 t/h熱風水冷沖天爐與美國某品牌80 t保溫電爐實現雙聯熔煉。考慮將來小批量生產蠕鐵的工藝方案，熔化系統中預留沖天爐鐵液連續脫硫設備工位和蠕化處理設備工位，以便將來由生產灰鐵切換到生產蠕鐵，連續脫硫設備和蠕化處理設備本期暫不實施，車間建成后的德國進口熱風水冷沖天爐見圖1， 美國80 t保溫電爐見圖2。

設爐前快速分析室，配直讀光譜儀、碳硫分析儀、熱分析儀等，以檢測和控制鐵液質量。

4.2造型工部

造型工部配備一條德國進口大件靜壓造型線，砂箱尺寸為1 450×1 100×400/400（mm），生產率70整型/h；配套全自動澆注機、振動輸送槽、振動輸送落砂機和抓取鑄件機械手。另配備一條德國進口中件靜壓造型線，砂箱尺寸為1 200×1 000×320/320（mm），設計生產率100整型/h；配套2.5 t全自動澆注機、振動輸送落砂機、振動輸送槽和抓取鑄件機械手、大件造型線（圖3）和中件造型線（圖4）。

4.3砂處理工部

兩條造型線各單獨配一套砂處理系統。大件線砂處理設計能力160 t/h，選用德國進口高效連續轉子式混砂機，配套新舊砂稱量、輔料稱量、水稱量裝置和混砂單元控制系統，舊砂雙盤冷卻器為德國進口產品。中件線砂處理設計能力140 t/h，高效連續轉子式混砂機為德國進口，型砂性能在線檢測裝置、舊砂雙盤冷卻器選用國內合資品牌。

4.4制芯工部

大件制芯：缸體主體芯及輔助芯均選用西班牙進口制芯中心，配套建設組芯、儲存立庫及輸送線。主體芯采用螺栓鎖芯工藝，芯盒尺寸1 900×900（mm）、垂直射砂，大件制芯中心如圖5所示。

圖5　大件制芯中心

圖6　中件線射芯機

中件制芯：采用單機生產10/12 L單體缸蓋及7 L機聯體缸蓋制芯，組芯線組芯，中件線射芯機如圖6所示。聯體缸蓋組合芯采用立體庫儲存、輸送線輸送；單體缸蓋不進立庫，采用芯架儲存轉運。

4.5清理工部

與造型線對應，分設大件清理工部和中件清理工部。清理工部選用了進口機械手拋丸清理機、德國進口聯體缸蓋振芯機等國際先進設備，配套抓鑄件機械手、鑄件磨床和連續式退火爐等。大件線機械手拋丸如圖7所示，中件線擺床拋丸如圖8所示。

5　主要創新點

5.1發動機缸體鑄件靜電噴粉工藝的使用

圖7　大件線機械手拋丸

圖8　中件線擺床拋丸

圖9　噴粉線粉房自動噴粉

傳統的發動機缸體鑄件防銹工藝一般采用噴漆、磷化處理等，在生產過程中存在油漆利用率較低、生產環境惡劣、操作者勞動強度大、水浪費嚴重等問題，本項目經過工藝論證和各方面調研后決定采用靜電噴粉工藝，其工藝流程為上件、吹灰、預熱、噴粉、固化、強冷、下件，設備生產效率為70件/h。噴粉線粉房自動噴粉如圖9所示，噴粉線固化、冷卻如圖10所示。

本期缸體鑄件噴粉線投入生產至今已有三年多的時間，處理后的鑄件能滿足發動機缸體鑄件后續工藝的加工要求，以實際證明了靜電噴粉工藝運用在大規模發動機缸體鑄件生產中是非常成功的。與其他防銹工藝相比，靜電噴粉可實現自動化控制，無污染，能極大程度減少工人的勞動強度，改善工人的勞動環境，其材料回收利用率可達90%以上。

圖10　噴粉線固化、冷卻

圖11　中件清理工部

圖12　大件制芯工部

圖13　澆注冷卻段除塵

5.2大規模、多品種共線實現自動化生產

本期項目設計開發出大功率柴油機鑄件多品種全流程自動化工藝，實現了多種鑄件高效、共線、批量生產。清理工部采用全自動成套鑄件清理系統，實現鑄件從落砂到鑄件表面處理的全部在線輸送、處理，真正意義上實現了“鑄件不落地”清理，用工人數和工人勞動強度大為降低。中件清理工部如圖11。

各種不同產品的砂芯共用主體芯制芯中心和輔助芯制芯中心，預制好的砂芯經表干后通過輥道輸送至砂芯立庫，立庫實現自動識別和自動存儲功能，再經輥道運送至造型線下芯段，全過程實現自動化。大件制芯工部如圖12。

5.3除塵

本項目中對工藝自帶除塵器和公用除塵器要求較高，污染物排放執行GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》，其中粉塵排放濃度按標準要求嚴格50%執行，即標態下最高排放濃度30 mg/m3，遠低于國家粉塵排放標準60 mg/m3。

在產生粉塵的部位均采取了除塵措施。其中造型線全部冷卻段均增加了除塵設備，設置天然氣熱風爐加熱風裝置，并對除塵器及進風管道進行保溫處理，并通過設置石灰石粉添加裝置解決了因焦油粘結在濾筒外表面而造成濾筒堵塞的問題，同時添加的石灰石粉能有效地吸附煙氣中的可燃物，降低失火風險。澆注冷卻段除塵如圖13所示。沖天爐爐氣除塵器采用進口設備，其煙氣粉塵排放達標可以控制到20 mg/m3以內。

規范每臺除塵器的結構形式和排廢口高度，制作除塵器專用的接灰器具和垃圾袋，粉塵設計實現袋裝化管理，使灰袋不經周轉庫直接運輸，避免廠區內二次揚塵污染。除塵器專用接灰器具和垃圾袋如圖14所示。

5.4廠區中水的循環利用

熱交換站的冷凝水以往采用直接排放的形式，其水質優良，排放可惜。另外由于其水溫較高，直接排放也不符合國家規范要求。本項目將這部分水回收，設計能力按照340 m3/d，經降溫、過濾處理后直接回用至廠區高位軟化水箱，做為本期軟化水的補充水，使得冷凝水得以充分利用。冷凝水收集處理如圖15所示。

圖14　除塵器專用接灰器具和垃圾袋

圖15　冷凝水收集處理

圖16　工業復用水處理站

本項目的工業復用水站，設計能力按照150 m3/ d，用于回收沖天爐和電爐冷卻塔溢流水，將此部分水處理重復用于工藝冷卻塔補水，降低了軟水站運行時間及出水量，不僅提高了水資源的利用率，也減少了這部分排水量，大大降低了污水處理站的負荷，節約了運行成本。工業復用水處理站如圖16所示。

同時廠區所有設備冷卻水設循環冷卻水系統，實現了生產用水重復循環使用，給水重復利用率高達96%，真正做到廠區生產、生活廢水零排放。

5.5實現了能源計量和遠傳

在關鍵設備和車間入口處設置了能源計量儀表和網絡接口，將車間內所用蒸汽、壓縮空氣、天然氣、氧氣、軟化水、清水、工業復用水及中水、凝結水及電量實時遠傳，實現集中操作管理計量和分散控制。為滿足我國發改委提出的節能減排目標，對高能耗的鑄造行業能源的實時計量和控制十分有必要。

5.6廠區雙回路供電

本項目設計將原廠區共用的兩臺2萬KVA的變壓器增容至兩臺5萬KVA，每臺變壓器引自于不同的電力公司，意在實現在一處電力公司停電后不僅可以正常生產，更是為了保證沖天爐、電爐生產的安全，以免在停電時發生事故，實現了真正意義上的雙回路供電。

5.7車間通風

在車間通風設計方面，采用了中央通風全室換氣新技術。廠房中央送風、清理封閉隔間獨立送新風、車間各工部換氣次數在4～11次/h，從而改善了作業環境，保證了工人的健康。制芯工部采用雙層百葉側送風口與邊墻排風相結合的吹吸式排風方式，極大地加強了排風效果，提高了制芯工部的空氣質量。

車間采暖采用散熱器和熱風采暖相結合，熱風采暖全新風運行，送風口采用落地置換送風口和雙層百葉側送風口相結合的方式，共設置組合式空調機組15臺。夏季、過渡季節送室外自然風，降低了運行能耗，達到了節能減排的目的。

5.8建筑結構精益設計

建筑方面，主體采用全鋼結構，鋼結構圍護、屋面；拱形采光、通風、排煙天窗，采光通風效果好；熔化地面局部采用耐熱混凝土，其它車間采用礦物骨料面層、素混凝土；特殊部位采用砌體結構防護，如熔化工部、冷卻通廊、造型線外墻等；其它車間輔助用房盡量采用鋼結構或成品板房，避免使用砌體結構，加快施工進度，整體一致性好、工期短、造價經濟。

結構方面，根據各工部廠房的不同結構特點進行設計計算，以節省用鋼量。如熔化、造型、制芯工部廠房采用門式剛架鋼結構，門架鋼梁按輕鋼規范驗算、鋼柱按普鋼規范進行驗算，這較鋼梁、鋼柱都按普鋼規范驗算節省用鋼量15%～20%；清理工部廠房已全部采用門式剛架輕型屋面鋼結構，砂處理工部廠房高度大、載荷大及有懸掛吊車，采用鋼梁鋼柱鋼框架結構。

5.9建設周期短

本項目于2010年1月20日業主董事會批準正式啟動，2011年6月30日正式投產，歷時約17個月，這期間經歷立項、可行性研究報告、環評審批、能評審批、初步設計、設備及施工招投標、施工安裝、調試、試生產等各個環節，可謂之從零到一的過程，這種效率對于鑄造項目來說是罕見的。

鑄造項目廠房結構與工藝設備聯系緊密，設備特構也比較復雜，為工程建設增加了很大難度，本項目建設周期做到如此有效的控制得益于項目前期論證工作的縝密、初步設計的深入以及施工安裝過程中各工序間的銜接優化，其廠房施工圖是在工藝設備多數未完成訂貨的條件下先行完成的，并未出現設計失誤，這與設計院多年參與項目設計、技術服務與建設管理中積累的經驗是分不開的。

6　結語

本工程項目從方案制定、工藝設計、設備選型等多個方面入手，將企業節能減排、保護環境的設計理念落到實處，實現綠色鑄造，引領鑄造行業可持續發展。項目投產后，企業推行精益生產和標準化作業以提升管理水平，降低勞動強度，形成持續改進、不斷提升的工作氛圍，實際運營數據顯示本期項目已達到國際一流水平，其2013年度鑄件產量及各項指標見表2。

表2　2013年度鑄件產量及各項指標

［1］ 劉小龍 .鑄造車間結構選型［J］.中國鑄造裝備與技術， 2011（3）.

［2］ 李子方，姜宗營，李巖巖.年產60000t重型機床鑄造車間設計［J］.中國鑄造裝備與技術，2014（1）.

The Design of Foundry Workshop with an Annual Production of 100 000 t on 7-12L Engine Castings

YU Bo1， LIU Xiaolong1， REN Xingwu2， LI Baisong2
（1.China Automobile Industry Engineering Corporation，Tianjin 300113， China；2.Weichai Power （Weifang） Casting& Forging Co.， Ltd.， Weifang 261119， Shandong China.）

This study presents the whole process， the major innovations which were validated according to the production， the practical effects of the design for a foundry workshop with an annual production of 100 000 tons on 7～12 L engine castings， providing valuable engineering data and related

for the design of foundry workshop in this industry.

Workshop design； Recycling； Foundry Production

TG28;

A；

1006－9658（2015）02-0051-06

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.015

2014-12-15

稿件編號：1412-733

余博（1984—），男，工程師，主要從事鑄造車間工程設計以及項目管理工作.