走向环保低碳及智能化发展趋势的自硬砂铸造工艺

吴殿杰，朱以松

（1.机械工业第九设计研究院，吉林长春 130011；2.无锡锡南铸造机械有限公司，江苏无锡 214028）

走向环保低碳及智能化发展趋势的自硬砂铸造工艺

吴殿杰1，朱以松2

（1.机械工业第九设计研究院，吉林长春 130011；2.无锡锡南铸造机械有限公司，江苏无锡 214028）

介绍我国自硬砂铸造工艺及装备发展概况。国内自硬砂铸造行业在致力创建敏捷制造体系的同时，更加注重建立精益生产，虚拟制造，计算机集成技术，绿色工程，清洁生产，节能减排等思路，引领大型高端铸件自硬砂铸造走向绿色、环保、智能化的发展趋势。

自硬砂；大型高端铸件；绿色环保；智能化趋势

1 目前自硬砂铸造行业发展现状

目前，在国内外机械行业铸造产能过剩的同时，对一些大型装备的高端铸件需求量却在急速增加，尤其是机床、发（核）电、冶金、化工、矿山、船舶和风力发电的大型高端铸件，其中构件包括机床床身、风电装置叶片的轮毂、齿轮箱、机械台架和底座。

许多铸造生产厂家为了适应市场经济的发展，尤其为适应引进产品制造技术的要求，相应地对现有铸造车间进行了技术改造。其中许多厂家采用了自硬砂铸造工艺，特别是一些重型机床厂，核电、风电、船舶、水电等行业。据不完全统计，目前国内大陆约有千余家铸造厂家(点)采用自硬砂铸造工艺，其经济效益和社会效益非常显著。相当多铸造厂家以风电及机床等高端大型铸件为切入点，以强调节能达到提高能源利用率，以加强环保实现绿色铸造生产，以一个全新的自硬砂铸造新面貌出现在铸造界人士面前。

自硬砂铸造工艺常指包括所有依靠自身化学反应内热或脱水而固化砂型的铸造方法。一般来指树脂自硬砂（呋喃类、碱酚醛类、聚异氰酸酯即PEP SET类）、水玻璃自硬砂类以及近几年发展的有机酯水玻璃砂等。

随着我国铸造工艺技术的发展以及铸件档次的提高，自硬砂工艺生产所占铸造行业的比重越来越大。据不完全统计，国内各行业自硬砂工艺生产铸件产量如表1。自硬砂铸件的典型用途见表2。

表1 自硬砂铸件在铸造行业的产量（万吨/年）

伴随自硬砂工艺的大面积推广使用，国内自硬砂铸造装备的发展应用已大大超过国外并具有领先趋势，尤其是近几年来我国风电制造技术的引进消化推动了国内铸造行业自硬砂技术的全面提升。随着各种新型树脂及固化剂相继研发，各种自硬砂新技术不断用于生产，如改性呋喃树脂、酯硬化水玻璃法、碱酚醛法、PEP SET工艺、水玻璃砂热法焙烧再生、大型连续混砂机以及大型落砂机等。与此同时，铸件凝固模拟技术、铸型设计、砂温调节、再生过程参数检测控制与自动显示及树脂智能化系统等新技术先后用于自硬砂生产中。另外，可编程序控制器用于自硬砂混砂及旧砂再生工艺参数最佳化配套应用；加上准时化（Just In Time）概念引入自硬砂造型车间的生产管理，都给自硬砂铸造工厂的工艺、设备和管理以新的内涵。

表2 自硬砂铸件的典型用途

2 自硬砂铸造是大型高端铸铁件生产的绿色工艺

目前，铸造行业已有1000余家企业在使用自硬砂工艺，树脂自硬砂工艺无论从环保、低碳、节能角度,还是从经济效益、社会效益来看,都已显示出广阔的应用前景。国内自硬砂铸造行业在致力创建敏捷制造体系的同时，更加注重精益生产技术、虚拟制造技术、计算机集成技术的应用，努力实现铸造生产的绿色工程、清洁生产、节能减排等。

2.1 自硬砂铸造工程及装备智能化技术

目前全国自硬砂装备市场年销售额约10亿元。为了满足市场需求，国内大部分铸造装备企业在新产品开发方面都投入了足够的人力物力，不断进行新品研发，建立产学研技术中心基地，如无锡锡南铸机公司等。

a)建立铸造产品生产基地，以机床风电大中型高端铸铁件生产为切入点，建立整套试验研发工艺和手段。

b)用模拟仿真技术对大型设备进行设计验证，如落砂机，100t连续混砂机，砂温调节器，大型振实台，除尘器等。

c)用随机振动与动态分析技术对自硬砂工艺设备样机进行功能鉴定。

d)用可靠性设计方法对产品进行可靠性设计，如气力输送装置阀门、增压装置、管路砂流、卸压装置、振动输送装置等。

e)用测试与分析技术对新产品进行综合性能分析及验证。

f)用优化设计方法对系列产品进行优化设计及对设备样机进行功能鉴定。

g)用计算机辅助设计技术对铸造装备进行结构设计及性能验证。

综上所述，国内自硬砂铸造装备研发制造水平已接近世界水准，概况统计见表3。

2.2 自硬砂精密组型技术

自硬砂技术属于精确砂型铸造工艺，主要适用于生产大中型近精确铸件。近年来采用冷芯盒树脂砂发展起来的“精确砂芯组芯造型”技术，可以生产壁厚仅有2.5mm的缸体、缸盖、排气岐管等高端复杂铸件。

2.3 自硬砂绿色制造(清洁生产)技术

自硬砂技术又是清洁铸造技术。日趋严格的环境与资源的约束，使以清洁生产为特征的绿色制造技术越来越重要，它将成为制造业的重要特征。铸造行业要得到持续发展，必须从“源削减”做起，彻底改变耗能耗材、严重污染环境的落后状况，积极发展清洁铸造生产。自硬砂清洁铸造技术的主要内容有：

①采用自硬砂铁液凝固过程计算机模拟仿真系统软件；

②采用节能型及洁净的能源，如以中频炉代替冲天炉熔化铁液；

③采用无砂或少砂铸造工艺 (如选用合理吃砂量、组型套箱压铁工艺等)；

④采用高溃散性型砂工艺 (如研发新型树脂及选用合适的树脂加入量)；

⑤开发并推广多种废弃物(旧砂、废渣等)的再生和综合利用技术；

⑥研究采用洁净无毒的工艺材料 (如无毒无味低污染粘结剂等)；

⑦研制、开发低噪声的高效环保型的除尘通风设备。

表3 国内自硬砂铸造装备研发制造概况

2.4 自硬砂先进制造生产模式

随着敏捷制造体系的概念日益深入人心，现代制造模式中出现的许多新概念也吸引着铸造行业的眼球，如并行工程、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、计算机集成技术、绿色工程、清洁生产、节能减排等都吸引着我们的关注。现代制造模式也应以其所具有的柔性化和综合经济性能，快速地满足用户的日益严苛的要求。在市场竞争日益激烈的情势下，敏捷制造应不断从“经验”走向“定量”，从“技艺”走向“科学”。在这一方面，国内有些企业已在铸件模拟凝固仿真技术、高强度灰铁、高质量球铁研发上获得了非常成功的应用，而且他们针对高端铸件开发并结合市场上各种新型合金原料以及孕育剂、球化剂等正在全球的一些铸造工厂进行最终的实际应用，筛选出适合自身所需的各种设备、工装以及原辅料等都给行业内同行以新的启迪。例如江阴德哈克铸造有限公司是一中德合资企业，其建设体现了目前国内外自硬砂工艺及装备制造技术的领先水平。在造型制芯过程中，大型连续环保节能型混砂机和大型振实台，在保证高的造型精确度和砂型强度基础上，可使每吨合格铸件节省近千元成本。先进的熔炼工艺及孕育球化工艺以及模拟凝固软件的采用，可严格保证高端铸件的生产质量并使铸件成本大大降低。特别是自硬砂再生处理过程中除尘技术的设计和集散式自动控制系统选择，明析清洁的车间环境，优良的再生砂质量及高的铸件清整质量代表了低碳环保节能及智能化的新理念。该公司采用美国应达公司中频感应电炉熔炼的生产工艺，配有无锡锡南铸造机械有限公司的大吨位连续式混砂机和80t大吨位振实台及5m×6m的大型造型制芯辊道线，行车最大起重能力100t，采用德国先进铸造工艺，关键工艺设备采用国内外先进设备。公司实验中心配有全进口模拟凝固软件、光谱分析仪、热分析仪、金相显微镜、UT/MT设备、低温冲击试验设备、万能试验机、本体套样钻、型砂测试等关键检测设备对原料、铁液、铸件成品的品质进行管控，确保公司产品在同行中品质处于领先地位，为确保风电铸造产品的市场占有率及增强企业实力奠定了坚实的基础。

3 全新的铸造自硬砂工艺—绿色环保智能化的铸造概念

随着人们对产品质量、资源利用和环境保护意识的增强，尤其针对我国目前上万家中小型铸造车间存在的严重能耗及铸件质量问题，更加迫切地要求我们在不断推广绿色环保节能的自硬砂工艺中，也不断研发新的适合广大中小铸造厂家技术改造需求的铸造工艺及装备。另外由于全球范围内出现的能源危机以及日益激烈的市场竞争，部分国外制造商甚至在中国大陆寻求铸件OEM供应商，借机转移能源危机并且以此降低制造成本。这样就迫使国内铸造行业不断寻求环保节能、高效的绿色铸造方式，以适应国家严格的环保及安全卫生要求和激烈的市场竞争。自硬砂技术便是铸造行业首选的绿色铸造工艺并且其应用越来越广泛，已被国内大多数铸造企业所接受。总之，自硬砂技术适应了铸造向绿色、环保及智能化发展形势的需要。

目前，国内大多数铸造厂家面对风水核电、铁路及机床等高端铸造行业激烈竞争的局面，利用自身的资金和品牌，以国内外风能及高端铸件市场为依托，正不断地进行人才和铸造新技术储备，已感觉到建立科研开发、设计制造和营销管理于一体概念中的敏捷制造、虚拟制造、绿色工程、智能化工程的迫切性，在技术研发和自主创新能力方面加大投入，建立一整套适合风水核电、铁路、机床等高端铸件的铸造工艺模块，还包括集成专家经验型内容的集成软件系统。建立敏捷制造体系，应用铸造凝固模拟软件开发等各种技术手段，以获得合理的铸造工艺方案、节省铸造工艺的开发成本、缩短新产品的开发周期为出发点，建立产学研技术中心基地。以风水核电、铁路、机床等高端铸铁件生产为切入点，建立整套试验研发工艺和手段；用模拟仿真技术对大型风电高端铸件进行铸件缺陷的定量化预测技术；进行浇注凝固过程的热物性参数及反求技术；采用智能化铸造工艺设计与优化技术以及铸件全生命周期模拟等技术的集成，实现质量和成本上达到预期的目标。总之，铸造技术的发展必然要服务于社会进步和经济发展的大局，“绿色铸造”的概念以其低碳、节能、环保及安全体现了高速发展着的文明进程的人性化特征和经济可持续发展的总体要求。铸件从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个“产品生命”周期中，对环境的负面影响最小、资源效率最高，从而使企业经济效益和社会效益达到最优化，将是未来绿色铸造技术的体现方式，这对企业信息化运作水平提出了相当高的要求。因而，拥有铸造基础理论知识、铸造生产实践经验和计算机智能化运用能力的企业和人才将是夯实中国铸造业的坚实基础，并将引领中国铸造的绿色、环保、智能化的未来趋势。

[1]吴殿杰.自硬砂的应用趋势与清洁节能铸造[J].铸造工程师，2008.

[2]吴殿杰.铸造自硬砂装备—低碳时代的最佳选择[C].2010年天津首届现代铸造装备研讨交流论文.

[3]吴殿杰.铸造自硬砂的再生工艺及设备[C].杭州第69届世界铸造会议论文.

[4]朱旭东，朱以松.大型自硬砂铸造装备的发展和应用[C].中国铸造行业第五届高层论坛论文集.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

稿件编号：1204-036

吴殿杰（1949-），男，工程师，国家注册机械工程师，研究员高级工程师