吳殿杰，朱以松

（1.機械工業(yè)第九設(shè)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(huán)保低碳及智能化發(fā)展趨勢的自硬砂鑄造工藝

吳殿杰1，朱以松2

（1.機械工業(yè)第九設(shè)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(fā)展概況。國內(nèi)自硬砂鑄造行業(yè)在致力創(chuàng)建敏捷制造體系的同時，更加注重建立精益生產(chǎn)，虛擬制造，計算機集成技術(shù)，綠色工程，清潔生產(chǎn)，節(jié)能減排等思路，引領(lǐng)大型高端鑄件自硬砂鑄造走向綠色、環(huán)保、智能化的發(fā)展趨勢。

自硬砂；大型高端鑄件；綠色環(huán)保；智能化趨勢

1 目前自硬砂鑄造行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在國內(nèi)外機械行業(yè)鑄造產(chǎn)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(fā)（核）電、冶金、化工、礦山、船舶和風(fēng)力發(fā)電的大型高端鑄件，其中構(gòu)件包括機床床身、風(fēng)電裝置葉片的輪轂、齒輪箱、機械臺架和底座。

許多鑄造生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)市場經(jīng)濟的發(fā)展，尤其為適應(yīng)引進產(chǎn)品制造技術(shù)的要求，相應(yīng)地對現(xiàn)有鑄造車間進行了技術(shù)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(fēng)電、船舶、水電等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)大陸約有千余家鑄造廠家(點)采用自硬砂鑄造工藝，其經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。相當(dāng)多鑄造廠家以風(fēng)電及機床等高端大型鑄件為切入點，以強調(diào)節(jié)能達到提高能源利用率，以加強環(huán)保實現(xiàn)綠色鑄造生產(chǎn)，以一個全新的自硬砂鑄造新面貌出現(xiàn)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(xué)反應(yīng)內(nèi)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(fā)展的有機酯水玻璃砂等。

隨著我國鑄造工藝技術(shù)的發(fā)展以及鑄件檔次的提高，自硬砂工藝生產(chǎn)所占鑄造行業(yè)的比重越來越大。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)各行業(yè)自硬砂工藝生產(chǎn)鑄件產(chǎn)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(yè)的產(chǎn)量（萬噸/年）

伴隨自硬砂工藝的大面積推廣使用，國內(nèi)自硬砂鑄造裝備的發(fā)展應(yīng)用已大大超過國外并具有領(lǐng)先趨勢，尤其是近幾年來我國風(fēng)電制造技術(shù)的引進消化推動了國內(nèi)鑄造行業(yè)自硬砂技術(shù)的全面提升。隨著各種新型樹脂及固化劑相繼研發(fā)，各種自硬砂新技術(shù)不斷用于生產(chǎn)，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(xù)混砂機以及大型落砂機等。與此同時，鑄件凝固模擬技術(shù)、鑄型設(shè)計、砂溫調(diào)節(jié)、再生過程參數(shù)檢測控制與自動顯示及樹脂智能化系統(tǒng)等新技術(shù)先后用于自硬砂生產(chǎn)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(shù)最佳化配套應(yīng)用；加上準(zhǔn)時化（Just In Time）概念引入自硬砂造型車間的生產(chǎn)管理，都給自硬砂鑄造工廠的工藝、設(shè)備和管理以新的內(nèi)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(chǎn)的綠色工藝

目前，鑄造行業(yè)已有1000余家企業(yè)在使用自硬砂工藝，樹脂自硬砂工藝無論從環(huán)保、低碳、節(jié)能角度,還是從經(jīng)濟效益、社會效益來看,都已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)自硬砂鑄造行業(yè)在致力創(chuàng)建敏捷制造體系的同時，更加注重精益生產(chǎn)技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、計算機集成技術(shù)的應(yīng)用，努力實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)的綠色工程、清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排等。

2.1 自硬砂鑄造工程及裝備智能化技術(shù)

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(nèi)大部分鑄造裝備企業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)方面都投入了足夠的人力物力，不斷進行新品研發(fā)，建立產(chǎn)學(xué)研技術(shù)中心基地，如無錫錫南鑄機公司等。

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

b)用模擬仿真技術(shù)對大型設(shè)備進行設(shè)計驗證，如落砂機，100t連續(xù)混砂機，砂溫調(diào)節(jié)器，大型振實臺，除塵器等。

c)用隨機振動與動態(tài)分析技術(shù)對自硬砂工藝設(shè)備樣機進行功能鑒定。

d)用可靠性設(shè)計方法對產(chǎn)品進行可靠性設(shè)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(shù)對新產(chǎn)品進行綜合性能分析及驗證。

f)用優(yōu)化設(shè)計方法對系列產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計及對設(shè)備樣機進行功能鑒定。

g)用計算機輔助設(shè)計技術(shù)對鑄造裝備進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能驗證。

綜上所述，國內(nèi)自硬砂鑄造裝備研發(fā)制造水平已接近世界水準(zhǔn)，概況統(tǒng)計見表3。

2.2 自硬砂精密組型技術(shù)

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

2.3 自硬砂綠色制造(清潔生產(chǎn))技術(shù)

自硬砂技術(shù)又是清潔鑄造技術(shù)。日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源的約束，使以清潔生產(chǎn)為特征的綠色制造技術(shù)越來越重要，它將成為制造業(yè)的重要特征。鑄造行業(yè)要得到持續(xù)發(fā)展，必須從“源削減”做起，徹底改變耗能耗材、嚴(yán)重污染環(huán)境的落后狀況，積極發(fā)展清潔鑄造生產(chǎn)。自硬砂清潔鑄造技術(shù)的主要內(nèi)容有：

①采用自硬砂鐵液凝固過程計算機模擬仿真系統(tǒng)軟件；

②采用節(jié)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(fā)新型樹脂及選用合適的樹脂加入量)；

⑤開發(fā)并推廣多種廢棄物(舊砂、廢渣等)的再生和綜合利用技術(shù)；

⑥研究采用潔凈無毒的工藝材料 (如無毒無味低污染粘結(jié)劑等)；

⑦研制、開發(fā)低噪聲的高效環(huán)保型的除塵通風(fēng)設(shè)備。

表3 國內(nèi)自硬砂鑄造裝備研發(fā)制造概況

2.4 自硬砂先進制造生產(chǎn)模式

隨著敏捷制造體系的概念日益深入人心，現(xiàn)代制造模式中出現(xiàn)的許多新概念也吸引著鑄造行業(yè)的眼球，如并行工程、精益生產(chǎn)、敏捷制造、虛擬制造、計算機集成技術(shù)、綠色工程、清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排等都吸引著我們的關(guān)注?，F(xiàn)代制造模式也應(yīng)以其所具有的柔性化和綜合經(jīng)濟性能，快速地滿足用戶的日益嚴(yán)苛的要求。在市場競爭日益激烈的情勢下，敏捷制造應(yīng)不斷從“經(jīng)驗”走向“定量”，從“技藝”走向“科學(xué)”。在這一方面，國內(nèi)有些企業(yè)已在鑄件模擬凝固仿真技術(shù)、高強度灰鐵、高質(zhì)量球鐵研發(fā)上獲得了非常成功的應(yīng)用，而且他們針對高端鑄件開發(fā)并結(jié)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(yīng)用，篩選出適合自身所需的各種設(shè)備、工裝以及原輔料等都給行業(yè)內(nèi)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(yè)，其建設(shè)體現(xiàn)了目前國內(nèi)外自硬砂工藝及裝備制造技術(shù)的領(lǐng)先水平。在造型制芯過程中，大型連續(xù)環(huán)保節(jié)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(chǔ)上，可使每噸合格鑄件節(jié)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(yán)格保證高端鑄件的生產(chǎn)質(zhì)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(shù)的設(shè)計和集散式自動控制系統(tǒng)選擇，明析清潔的車間環(huán)境，優(yōu)良的再生砂質(zhì)量及高的鑄件清整質(zhì)量代表了低碳環(huán)保節(jié)能及智能化的新理念。該公司采用美國應(yīng)達公司中頻感應(yīng)電爐熔煉的生產(chǎn)工藝，配有無錫錫南鑄造機械有限公司的大噸位連續(xù)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(guān)鍵工藝設(shè)備采用國內(nèi)外先進設(shè)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(shè)備、低溫沖擊試驗設(shè)備、萬能試驗機、本體套樣鉆、型砂測試等關(guān)鍵檢測設(shè)備對原料、鐵液、鑄件成品的品質(zhì)進行管控，確保公司產(chǎn)品在同行中品質(zhì)處于領(lǐng)先地位，為確保風(fēng)電鑄造產(chǎn)品的市場占有率及增強企業(yè)實力奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3 全新的鑄造自硬砂工藝—綠色環(huán)保智能化的鑄造概念

隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量、資源利用和環(huán)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(yán)重能耗及鑄件質(zhì)量問題，更加迫切地要求我們在不斷推廣綠色環(huán)保節(jié)能的自硬砂工藝中，也不斷研發(fā)新的適合廣大中小鑄造廠家技術(shù)改造需求的鑄造工藝及裝備。另外由于全球范圍內(nèi)出現(xiàn)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(yīng)商，借機轉(zhuǎn)移能源危機并且以此降低制造成本。這樣就迫使國內(nèi)鑄造行業(yè)不斷尋求環(huán)保節(jié)能、高效的綠色鑄造方式，以適應(yīng)國家嚴(yán)格的環(huán)保及安全衛(wèi)生要求和激烈的市場競爭。自硬砂技術(shù)便是鑄造行業(yè)首選的綠色鑄造工藝并且其應(yīng)用越來越廣泛，已被國內(nèi)大多數(shù)鑄造企業(yè)所接受?？傊杂采凹夹g(shù)適應(yīng)了鑄造向綠色、環(huán)保及智能化發(fā)展形勢的需要。

目前，國內(nèi)大多數(shù)鑄造廠家面對風(fēng)水核電、鐵路及機床等高端鑄造行業(yè)激烈競爭的局面，利用自身的資金和品牌，以國內(nèi)外風(fēng)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(shù)儲備，已感覺到建立科研開發(fā)、設(shè)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(shù)研發(fā)和自主創(chuàng)新能力方面加大投入，建立一整套適合風(fēng)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(jīng)驗型內(nèi)容的集成軟件系統(tǒng)。建立敏捷制造體系，應(yīng)用鑄造凝固模擬軟件開發(fā)等各種技術(shù)手段，以獲得合理的鑄造工藝方案、節(jié)省鑄造工藝的開發(fā)成本、縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期為出發(fā)點，建立產(chǎn)學(xué)研技術(shù)中心基地。以風(fēng)水核電、鐵路、機床等高端鑄鐵件生產(chǎn)為切入點，建立整套試驗研發(fā)工藝和手段；用模擬仿真技術(shù)對大型風(fēng)電高端鑄件進行鑄件缺陷的定量化預(yù)測技術(shù)；進行澆注凝固過程的熱物性參數(shù)及反求技術(shù)；采用智能化鑄造工藝設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)以及鑄件全生命周期模擬等技術(shù)的集成，實現(xiàn)質(zhì)量和成本上達到預(yù)期的目標(biāo)。總之，鑄造技術(shù)的發(fā)展必然要服務(wù)于社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的大局，“綠色鑄造”的概念以其低碳、節(jié)能、環(huán)保及安全體現(xiàn)了高速發(fā)展著的文明進程的人性化特征和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的總體要求。鑄件從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個“產(chǎn)品生命”周期中，對環(huán)境的負(fù)面影響最小、資源效率最高，從而使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益達到最優(yōu)化，將是未來綠色鑄造技術(shù)的體現(xiàn)方式，這對企業(yè)信息化運作水平提出了相當(dāng)高的要求。因而，擁有鑄造基礎(chǔ)理論知識、鑄造生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和計算機智能化運用能力的企業(yè)和人才將是夯實中國鑄造業(yè)的堅實基礎(chǔ)，并將引領(lǐng)中國鑄造的綠色、環(huán)保、智能化的未來趨勢。

[1]吳殿杰.自硬砂的應(yīng)用趨勢與清潔節(jié)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(xiàn)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(shè)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(fā)展和應(yīng)用[C].中國鑄造行業(yè)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