輕量化鑄造鋁合金輪轂生產線的升級改造

熊國源

中信戴卡股份有限公司 河北秦皇島 066011

1 序言

隨著現代汽車節能降耗要求的不斷高漲、安全和環保法規日趨嚴格，汽車輕量化已成為世界汽車工業發展的必然趨勢。

鋁合金質量輕、強度高、成形性好、價格適中、回收率高，對降低汽車自重、減少油耗、減輕環境污染與改善操作性能等有著重大意義，已成為汽車工業的首選材料。汽車鋁合金輪轂較鋼輪轂平均輕2kg左右，當車速為60km/h時可省油5%～7%[1]。此外，鋁合金輪轂還有散熱快、減振性能好、輪胎壽命長、安全可靠、外形美觀、圖案豐富多彩，以及尺寸精確，耐腐蝕、加工性好、平衡好等優點，為國內外各大汽車制造商大量采用。

目前，中信戴卡股份有限公司（以下簡稱“中信戴卡”）在秦皇島現有鑄造鋁合金輪轂一號和二號生產線，以及鍛造鋁合金輪轂生產線，年生產能力600萬件。其中，鑄造鋁合金輪轂一號生產線是國內行業的標桿工廠，年產低壓鑄造鋁合金輪轂200萬件，人均生產率6000件/年。

但是，鋁合金輪轂一號生產線投產兩年后已處于超負荷運行狀態，鑄造車間熔煉工序能力不足，機加車間設備故障率較高，以及涂裝車間設備不穩定、故障率高等問題限制了產能的持續提升。為滿足不斷增長的市場需求，亟需提升鋁合金輪轂一號生產線的產能，對一號生產線的鑄造車間進行技術改造，提高生產線效率，目標年產能增加100萬件，并穩定產品質量，降低生產成本。

2 產品和生產線總體情況

2.1 產品情況

中信戴卡一號生產線的產品是高強度、輕量化低壓鑄造汽車鋁合金輪轂（見圖1），產品規格在15～22in（1in=25.4mm）。低壓鑄造輪轂與傳統鑄造輪轂相比生產率高，鑄件表面更光潔、金相組織更致密、質量較好，產品合格率較高，但成本比重力鑄造稍高。

圖1 低壓鑄造汽車鋁合金輪轂

此外，低壓鑄造輪轂比傳統鑄造輪轂的強度更高，同規格的低壓鑄造輪轂比傳統鑄造輪轂要輕5%～10%，材料利用率可提高10%左右。

2.2 生產線情況

鋁合金輪轂一號生產線擬增加100萬件/年產能的技術改造項目位于秦皇島中信戴卡產業園內。該生產線的主要工藝過程：鋁錠→鑄造→熱處理→機加工→涂裝→成品→外運。其生產原材料主要是鋁錠，輔助原料是油漆、二甲苯等有機溶劑等[2]，生產的成品是鋁合金輪轂。主要采用的是鑄造、熱處理、機加工、涂裝、機械化運輸、機器人等生產設備。

改造項目的主要內容包括：利用原一號生產線聯合廠房，包括鑄造車間、熱處理車間、機加車間等，進行技術改造，增加鋁合金輪轂生產能力100萬件/年，使鋁合金輪轂一號生產線的生產能力達到300萬件/年。改造新增的生產綱領見表1。

表1 鋁合金輪轂生產綱領（新增部分）

項目產品所有生產過程，包括鑄造、熱處理、機加工、涂裝和產品包裝等均在鋁合金輪轂一號生產線內完成，不需外部生產協作。

3 改造項目方案

3.1 改造方案設計原則

1）對鋁合金輪轂一號生產線進行技術改造，提升產能，提高設備開動率，降低制造成本，提高人均生產效率。

2）利用現有廠房內預留生產面積和生產線，不增加廠房面積，只增加部分生產設備，改造物流輸送裝置，增加產能100萬件/年。

3）遵循工藝水平高、設備先進、運行可靠、經濟合理原則，選用高效節能設備，節能降耗，降低產品制造成本。

4）采用精益生產的理念指導設計，實行均衡生產；嚴格控制在制品數量，盡量減少中間儲存。

5）減少原材料消耗，機加工的鋁屑回收重熔。

6）合理布置生產線，注重各條生產線之間的物流銜接，合理選用先進的機械化輸送裝置，防磕碰，防側翻，生產過程避免落地。

7）嚴格執行國家和地方頒布的環保、消防、勞動安全及衛生等方面的法規及標準，對生產中產生的廢水、廢氣、廢物及噪聲進行有效的治理，達標排放，盡可能減少對環境的影響；對工業冷卻水、廢鋁件、鋁屑循環利用，實施清潔生產。

8）在工程設計中合理應用節能減排技術，生產線余熱回收利用。注重設計節能，采取有效的節能措施，提高能源的利用率。

3.2 技術改造主要內容

鋁合金輪轂一號生產線由鑄造車間、熱處理車間、機加車間、涂裝車間、包裝車間及成品庫組成，有297臺主要生產設備，員工380人，年產鋁合金輪轂200萬件。本次技術改造主要包括如下內容。

（1）鑄造車間 在原有生產線基礎上，不增加車間生產面積，增加1套熔化爐、1臺靜置爐、4臺低壓壓鑄機、1臺X射線無損檢測設備、1臺7t專用叉車，提升產能和生產效率。

（2）熱處理車間 在原車間預留發展區域增加1套熱處理爐組、1臺自動鉆床，提高生產能力；改造原熱處理爐組上下料機械手，降低故障率。不增加車間生產人員和生產面積，人員內部調整。

（3）機加車間 在原生產線預留區增加5個加工單元，提升產能；改進去飛邊工序物流布局，提高設備利用率；增加3臺精密數控車床，提升精車工序生產能力。不增加車間生產人員和生產面積。

（4）涂裝車間 改造現有生產線上物流輸送設備，對生產線進行局部改造，并增加透明粉噴房，提高生產效率和設備可靠性；對涂裝后下線物流輸送裝置進行改造，改善物流。不增加生產人員。

（5）包裝車間及成品庫 原生產線主體維持現狀，配合涂裝車間下線物流輸送系統改造。不增加車間設備。

3.3 生產線設備更新

新增主要生產設備匯總見表2。

表2 新增主要生產設備匯總 （臺）

3.4 鑄造車間工藝改造和升級

下面以鋁合金輪轂生產核心的鑄造車間為例，介紹生產線工藝、裝備、能耗等部分的技術升級和改造情況。

（1）車間現狀 鋁合金輪轂一號生產線鑄造車間由熔煉、壓鑄、清理工段組成，主要生產設備有2套3.8t/h熔煉爐組（鋁錠+鋁屑）和24臺低壓鑄造機，鋁液熔化能力7.6t/h，年產汽車鋁合金輪轂鑄件200萬件。鑄造車間承擔汽車鋁合金輪轂鑄件的鑄造及檢測生產任務，產品為15～22in鑄造鋁合金輪轂，材質為A356.2，鑄件要求表面光潔，組織均勻致密，無內部質量缺陷，最大鑄件重27kg，外形尺寸最大22in。

本次技術改造新增輪轂鑄件100萬件/年的生產綱領，使鑄造車間達到300萬件/年的生產能力。

（2）設計原則和主要工藝說明 針對鑄造車間的改造設計原則包括以下幾個方面。

一是對鋁合金輪轂一號生產線鑄造車間進行技術改造，提升產能，提高人均生產效率。

二是利用現有廠房內預留生產面積，增加熔煉爐、靜置爐、壓鑄機、X射線檢測設備，改造物流輸送裝置，不增加廠房面積，僅增加必要的生產人員。

三是遵循工藝水平高、設備先進、運行可靠、經濟合理原則，選用高效節能設備，節能降耗，降低產品制造成本。

四是采用精益生產的理念指導設計，實行均衡生產；嚴格控制在制品數量，盡量減少中間儲存。

鑄造車間的主要工藝環節如圖2所示。

圖2 鑄造車間工藝環節

1）熔煉工部：合格的金屬爐料用叉車運進熔煉工部存放，回爐料用叉車運至本工部。機加工車間的鋁屑通過輸送系統運至鋁屑兼熔爐進行處理后作為回爐料熔煉。人工稱量配料，用手推車將配好的爐料倒入熔煉爐加料斗內，經過提升式加料機分批按時加入爐內[3]。

本次技術改造新增1套2t/h天燃氣鋁錠熔煉爐，新增一套6t靜置爐，并對原有熔煉爐C爐鋁屑爐渦流室進行改造以增加容量。熔煉出的鋁液溫度達到工藝溫度，扒渣、化驗合格后，出鋁液至靜置爐（同時進行變質處理），除氣、測氫合格后，用叉車將鋁液送至低壓鑄造機保溫爐。

熔煉爐后增加靜置爐，可以減少鋁液中的氧化物，解決了鋁錠和屑錠間的凝固區間不同帶來的問題，更有利穩定鑄造工藝。

鋁合金熔煉采用國產先進的立式連續天燃氣熔煉爐，采用鋁錠、鋁屑回爐料重熔，并合金化精煉。采用直讀光譜儀對每一爐鋁液進行爐前快速分析，確保鑄件化學成分合格。

采用爐內噴吹精煉，爐前吹氮氣凈化，鋁鈦硼晶粒細化，鍶變質處理，用可加熱保溫包轉運鋁液，節約能源，減少溫度損失，提供合格鋁液。

2）低壓鑄造工部：本次技術改造新增4臺低壓鑄造機生產鋁合金輪轂鑄件，機器模（底）板尺寸為1650mm×1000mm，可滿足22in車輪的鑄造需要。低壓鑄造機生產過程全自動控制，模具采用水冷方式冷卻。

鑄造成形工藝過程如下：設備、模具準備→開模→下過濾網→合模→加壓充型→保壓→冷卻（卸壓）→開模→機械手取件→鑄件水淬冷卻→去飛邊→初檢→（輥道運走）。

4臺低壓鑄造機布置在原有壓鑄平臺上，壓鑄機平臺高度1.8m。平臺下中間設機動輥道，鑄造出的鋁合金輪轂鑄件經機械手取件后降落至平臺下方機動輥道上運至清理工部。

3）清理工部：鑄件毛坯從壓鑄工段下線后經輥道運送至噴淋冷卻箱，進入噴淋冷卻工序。噴淋冷卻段分為三段：預冷段（水溫80℃）、冷卻段（水溫50℃）和吹干段（翻轉后吹干）。噴淋冷卻機上部裝有噴頭，均勻地將水噴至鑄件上。冷卻后設置人工檢查工位，不合格的毛坯將直接放入料框中運走，回爐重熔。

冷卻后的鑄件通過輥道輸送至X射線檢測設備進行100%無損檢測。檢測不合格的鑄件直接放入廢件斗，合格鑄件隨輥道輸送至沖床去掉冒口，隨后輸送至精修工位，人工借助風動砂輪工具對鑄件進一步修整飛邊。清理完畢的鑄件，經檢修合格后從輥道上送入熱處理車間。

本次改造新增一臺自動X射線檢測設備。

（3）鑄造車間的物料運輸能力改造 在運輸方式上，鑄造車間所用各種材料均由叉車運進本車間熔煉工部備用，鋁液采用專用叉車和澆包送至各壓鑄機保溫爐，生產的成品鑄件用機動輥道送至熱處理車間。完成改造后，車間的運輸能力和運輸量將大大提高。

（4）節能降耗 本次改造升級項目的重點之一是節能降耗，在新增產能的同時，控制綜合耗能成本攀升，支撐中信戴卡綠色環保的發展戰略，生產線改造的新增能耗量見表3。

表3 能耗量（新增部分）

主要的節能降耗措施包括以下幾點：

1）各種設備均選用高效節能設備，節約能源。所選用的熔煉爐爐型結構先進，熔煉爐的爐體采用先進的保溫耐火磚，保證爐體外部溫度低于40℃，熔化燒嘴采用熱風循環蓄熱裝置。這些措施有效地提升了燃氣利用效率，降低了燃氣的消耗，大量節省能源。

2）熔煉爐高溫廢氣進行余熱回收利用，用于車間熱水供應。

3）低壓鑄造機、模具、輪轂等冷卻水均采用循環水，減少能耗；熱循環水通過熱交換器產生的熱水供浴室利用。

（5）綠色環保

1）本車間產生的污染源：金屬熔煉、低壓鑄造等生產過程中產生的煙氣、余熱；熔煉爐的鼓風機、模具空氣冷卻、清理工部的鑄件打磨是主要的噪聲源。

2）對污染源采用的治理措施：從熔煉、鑄造工藝和設備選型等環節上采取措施，減少污染源；加強通風除塵，熔煉車間熔煉爐的煙氣排放都先進行除塵處理和熱能利用，不僅提高了熱能利用效率，也將煙氣的排放嚴格控制在環境保護的標準之內。車間要求全室通風換氣。

（6）工業衛生

1）通風除塵措施：對于產生大量煙塵、余熱的工位和設備，采用局部排風的方法進行排除，改善工人勞動條件，保障工人身體健康。

2）防暑降溫措施：車間夏季采用風扇降溫，并引入室外冷風到工位，以改善工人作業環境。

（7）職業安全

1）鑄造生產工序繁多，安全事故較一般機器制造車間多，如燙傷、機械損傷等，因此生產過程中專門編制文件，配置安全專人，加強安全管理。

2）運輸、傾倒鋁液時要注意液態金屬的飛濺，穿戴好勞保用品，以防燙傷。

3）車間內留有必要的主通道和人行道，車間開門分別設置物流門和人行門，盡量避免人流、物流交叉，危險部位設警語標志和燈光警示燈，確保操作工人的安全。

4）鑄造車間工作平臺都設置安全護欄，在輥道地溝入口處設置安全護欄，在設備運行危險部位設置安全防護網，如在熔煉爐鋁錠提升加料處設置安全防護網等，采取這些措施有效地保障了工人的安全。

4 結束語

經過近一年的工作，“輕量化鑄造鋁輪轂產線改造”項目面向產品市場的迫切需求，確立了經濟、合理的建設方案，通過設備升級、技術升級、生產管理升級，實現了工藝條件穩定、產品質量穩定、產能提升的目標。

在技術改造層面，本項目在中信戴卡原有鋁合金輪轂一號生產線的基礎上，在不增加廠房面積的前提下，增加少量生產設備和機器人，更新、改造部分物流輸送系統，實現了增加100萬件/年鑄造鋁合金輪轂的生產能力，提高了人均生產率，降低了生產成本，提高了經濟效益。

在產品創新層面，鋁合金輪轂產品重量輕、強度高、性能優異，其生產工藝先進，材料利用率高。本項目的產品市場面向國內、國外兩個市場，以出口為導向，以國內為主要市場，市場需求空間巨大，產品市場競爭力優勢顯著。