《铸造技术路线图》摘录普通砂型铸造装备与检测技术(待续)

2017-01-11李大勇,马旭梁,王录才等

铸造设备与工艺 2017年3期

·行业发展·

1 概述

铸造装备与检测技术是指普通砂型铸造生产过程中所涉及的熔炼、造型、制芯、混砂、浇注、清理、检测等主要设备和技术。

铸造行业作为制造业及机械工业的重要组成部分，在国民经济和社会发展中占有举足轻重的地位。铸造装备是铸造工业的基础，也是铸造工业发展的重要前提条件。中国是铸造大国，但不是铸造强国。目前，我国铸造业装备总体水平不高，大型企业铸造装备主要靠进口，中等及以下规模铸造企业铸造装备普遍偏低，绝大部分铸造车间的熔炼、浇注、造型、制芯、清理等自动化程度和关键生产参数在线检测水平与现代化铸造生产标准相距甚远，转型升级任务十分艰巨[1]。“中国制造2025”规划的制定与实施，为铸造行业及铸造装备转型升级和创新发展提供了难得的发展机遇[2]。以满足智能化、网络化铸造生产需求为目标，科学制定铸造装备中长期（2016—2030）发展规划，对于快速提升中国铸造行业总体水平，助推制造强国建设具有重要意义。

2 关键技术

2.1 熔炼装备与技术

从目前世界工业发展的实践看，冲天炉不但是迄今为止铸铁熔炼的主要设备，而且由于其良好的熔炼性能，在未来相当长的时期内，仍将是最重要的铸铁熔炼设备。2015～2030年是我国贯彻国民经济可持续发展战略、推动循环经济发展、走新型工业化道路、奠定建设资源节约型和环境友好型社会基础的重要时期，解决冲天炉熔炼的优质高效、节能降耗、安全环保问题尽早提上日程，要尽快更新冲天炉熔炼技术和环保技术，如新能源冲天炉应用与铁液质量控制技术、冲天炉熔炼过程自动控制及安全技术、冲天炉熔炼过程资源综合利用及环保技术等，同时应加快制定冲天炉相关国家标准、行业标准及企业标准等。

感应熔炼炉作为另一种主要熔炼设备，在铸铁熔炼和双联熔炼中已有几十年的历史，我国在制造应用熔炼炉方面也有了比较丰富的经验，在电源结构、变频技术、集成控制、循环冷却技术等诸多方面都取得了令人瞩目的进步。但目前国产品牌电炉在产品可靠性、节能性能等方面与国外知名品牌尚有一定差距，随着国民经济的快速、稳定发展，基础产业的信息化和工业化推进，铸造行业对感应熔炼设备的需求将具有专用化、高端化、智能化、网络化的特点[3-4]。

2.1.1 冲天炉熔炼过程优化控制技术

2.1.1.1 现状

冲天炉熔炼系统包括加料、炉渣粒化及污水处理回用、炉气热交换及除尘、鼓风等子系统。目前，我国铸造行业冲天炉熔炼自动化的总体水平还不高，多数冲天炉仅在加料、送风子系统实现了不同程度的自动化，实现冲天炉熔炼全系统、全流程优化控制尚有较大差距。

2.1.1.2 挑战

冲天炉熔炼过程复杂，涉及参数较多，如何确定影响铁液质量的相关参数和控制算法，是实现冲天炉熔炼过程优化控制的技术关键，综合考虑环境保护等因素，构建冲天炉熔炼最优控制系统具有一定难度。

2.1.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

建立性能与原材料及其配比之间的关系、试件性能与铁液质量（温度及成分）之间的关系，提出冲天炉熔炼全过程优化控制算法。

2）预计到2030年，要达到的目标：

研制成功以铁液质量为目标的冲天炉优化控制系统，并在多数铸造车间获得实际应用。依据不同原材料数据，动态调整熔炼过程和实施炉前干预，以保证出炉铁液百分百合格。

2.1.2 新能源冲天炉的开发与应用

2.1.2.1 现状

目前，铸造行业主要应用短炉龄冷风冲天炉，存在能耗和污染排放高、资源利用率低等问题，研究和推广应用大容量、外热风、长炉龄冲天炉是冲天炉设备的发展方向。

2.1.2.2 挑战

新能源冲天炉熔炼设备的优化设计理论和绿色设计制造方法，是影响冲天炉节能降耗、优质高效、安全环保性能实现的决定性因素，同时还应具备冲天炉熔炼相关技术。如炭床燃气冲天炉，将涉及炭床的作用与选择、炭床与燃气的组合燃烧、炭床燃烧的优化控制、最佳冶金作用与最少燃料消耗量的优化等。

2.1.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

按照优质高效、节能降耗、安全环保的原则，建立和完善面向新能源、炉内换热模型、排放物回收利用、熔炼过程优化控制的设计知识库和数据库以及相关技术规范和标准。

2）预计到2030年，要达到的目标：

采用现代设计技术，创新结构、机构，优化参数，实现自动及智能控制，制定安全保障系统，设计制造出熔炼性能好、能耗低、无公害、熔炼过程稳定、安全可靠的冲天炉熔炼系统。

2.1.3 冲天炉熔炼的资源综合利用及环保技术

2.1.3.1 现状

目前所用传统冲天炉，其熔炼过程消耗大量耐火材料和熔剂，耗费能源不可低估。此外，炉渣、炉尘排放和设备散热不仅造成热量损失，还将对环境产生影响，冲天炉熔炼的资源综合利用和环境保护一直是亟待解决的问题。

2.1.3.2 挑战

随着生态文明不断进步和人们对环境要求的日益提高，对铸造生产绿色熔炼的要求将越来越严格，越来越急迫。冲天炉作为今后一个时期的主要熔炼设备，如何发展满足节能、高效、环保的条件的新技术，对铸造工作者无疑是一种挑战。

2.1.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

以优质高效、节能降耗、安全环保为出发点，综合运用现代化设计技术，完成冲天炉资源综合利用及环保系统设计及试运行。

2）预计到2030年，要达到的目标：

大部分冲天炉实现熔炼过程热量低排放、无排放利用（多级预热送风、设备保温、辅助用热及生活用热、烟气中一氧化碳再燃烧等）；烟气回收及利用；铸造粉尘回吹炉内造渣、炉渣制棉、粒化等目标。

2.1.4 感应熔炼电炉节能技术

2.1.4.1 现状

目前，随着国家政策向“节能、环保”方向倾斜，感应熔炼电炉节能技术发展和研发也在持续中进行，形成了一批实用性成果并在不断应用和改进之中，现正努力向吨耗电510 k W·h甚至更优目标努力。

2.1.4.2 挑战

感应熔炼电炉节能技术的发展主要从两个方面来考虑，即负载优化匹配和能量损耗，提高电效率和热效率的同时将能量总体损耗降至最低。

2.1.4.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

我国熔炼电炉设备制造主要性能将达到发达国家的水平，进入高端设备制造竞争行列。

2）预计到2030年，要达到的目标：

我国熔炼电炉设备制造将整体接近发达国家的水平，在某些重点领域，还将超过发达国家的水平。

2.1.5 电炉熔炼平台机器人操作技术

2.1.5.1 现状

目前，绝大部分铸造车间的熔炼平台上均靠人工操作，包括加料、扒渣、测温、提取试样等，不仅操作工劳动强度大、危险性高，而且准确性差。国外已有采用机器人代替人工进行电炉熔炼平台操作的先例。

2.1.5.2 挑战

熔炼平台操作与铸件清理是铸造车间劳动强度最大和工作环境最差的两个工部，也是最难实现自动化的两个工部。对熔炼平台而言，由于影响熔炼质量的因素较多且相互关系复杂，开发具有较高智能的机器人操作系统，具有一定难度。

2.1.5.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

开发具有加料、扒渣、测温、提取试样等功能的熔炼平台操作机器人。

2）预计到2030年，要达到的目标：

开发应用具有现场测试熔体成分、调节成分、添加微量元素、评价熔体质量和远程观察控制功能的熔炼平台操作机器人。

2.2 制芯装备与技术

制芯设备是随着铸造砂芯粘结固化工艺的进步而发展的，制芯设备对于提升铸件质量和生产率具有举足轻重的作用。据有关铸件生产数据统计，由于砂芯质量（主要反映在强度、完整性、透气性、均匀性）造成的铸件废品率均值在2.5%以上，国内制芯设备的制芯废品率在5%左右。目前，制芯设备的控制技术只能满足自动化生产的基本需求，还未达到制芯数据智能控制的水平，整个制芯过程受外部条件（如环境温度、湿度、原砂温度、物料定量、称重精度等）、制芯过程控制（如机构运动、射砂、吹气过程等）因素的影响很大。要实现智能化制芯，必须对以上各因素进行精确的数据检测和信息反馈，并结合制芯工艺数据库实施制芯过程参数的实时修正，以提升制芯设备的智能化水平[5-7]。

2.2.1 稳定高效的混砂系统

2.2.1.1 现状

目前，混砂系统以间歇式和连续式两种混砂为主。间歇式混砂效率低、单批混砂量小、树脂定量精度低、混砂均匀性不可控，存在有树脂块、干砂残留、清理难度大等问题。连续式混砂虽然混砂效率高，但常应用在自硬砂铸造工艺，砂用量大，均匀性相对较低。混砂中如何使芯砂、树脂供给精确匹配、均匀混合，如何解决头尾砂和清理等依旧是应用技术难题。

2.2.1.2 挑战

提高和稳定砂、树脂定量精度是保证混砂均匀性的技术前提，实现芯砂、树脂比例精准可控和均匀包裹还有一定技术难度；混砂机叶片结构、混砂速度、叶片寿命是混砂质量和均匀性的保证，需要进行一定的模拟试验及大量的数据测试及分析；以提高混砂均匀性、一致性为目的，研究连续式混砂技术，以满足树脂砂混砂工艺需求具有一定难度。

2.2.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

解决连续混砂技术存在的问题及技术难点，实现混砂均匀性好，混砂机易清理。

2）预计到2030年，要达到的目标：

开发高效、先进的连续混砂技术，匹配先进的制芯装备。

2.2.2 可控多样的射砂系统

2.2.2.1 现状

射砂是通过压缩空气将型砂从射砂腔带入芯盒内进行成形的过程，射砂压力过低，容易出现射砂不均，砂芯局部不紧实，射砂压力过高，则会出现磨损芯盒型腔和粘砂等现象。目前，对于射砂模型的研究及射砂过程的研究仍然处于初步开发阶段，研发射砂新技术已成为发展制芯设备的重要需求。

2.2.2.2 挑战

开展射砂模型导流研究，利用计算机模拟软件进行射砂过程模拟及验证研究，独立开发高精度、高响应的压力及速度监测器件具有一定难度；开展多流程射砂过程研究，以保证射砂过程的砂流速度保持不变，或在后期成形结束时提升流速，使砂芯成形更完整和局部的密实度一致；开展压力反馈及自适应技术，采用智能化自适应技术，结合监控技术、计算机分析技术等，调整射砂过程的压力、流量等参数，达到砂芯密实度一致的要求。

2.2.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

低压射砂技术将建立智能模型，射砂智能模型研究将建立标准，多流程射砂技术得到广泛应用。

2）预计到2030年，要达到的目标：

适应不同产品的自适应多流程射砂智能技术更成熟，射砂过程智能控制将达到0.1S级别。

2.2.3 高效节能的固化系统

2.2.3.1 现状

现有主流制芯工艺分为热芯、冷芯、无机三种。热芯工艺主要控制模具温度及固化时间，目前应用较少，已在逐步淘汰阶段。冷芯工艺作为一种高效制芯工艺，在铸造生产中应用广泛，冷芯固化与环境温度、湿度、吹气温度、吹气压力、吹气时间相关，以往吹气温度不稳定、吹气压力曲线单一、吹气时间偏长、砂芯催化剂残留量不可控是需要解决的主要问题。无机固化与模具温度、吹气温度、吹气压力、吹气时间、芯砂温度及湿度密切相关，由于还在技术起步阶段，各参数要求还在摸索过程中，但无机工艺作为一种绿色、环保的新型工艺正得到越来越多铸造厂的青睐。

2.2.3.2 挑战

需研究稳定吹气温度，避免环境温度对吹气温度的影响，开发高效气体发生器，管路增加保温、加热装置，吹气罩具备保温、隔热功能；需研究吹气压力、吹气曲线形成砂芯特征变化进行参数化调整，实现高效固化目标，需要大量测试数据支撑；需根据砂芯生产需求与砂芯强度的关系，控制砂芯催化剂残留量，研究催化剂残留量可控技术。

2.2.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

根据砂芯特征，固化系统参数化调整，实现快速固化，实现高效制芯。

2）预计到2030年，要达到的目标：

完成砂芯残留催化剂可控技术开发，满足砂芯快速达到终强度，优化工作环境，实现绿色固化的需要。

2.2.4 智能闭环控制系统

2.2.4.1 现状

目前，国内制芯设备主要采用单机自动化生产，即设备按P L C编制的程序，通过电控技术、液压气动技术等，按设定的流程运行制芯工艺过程，获得砂芯产品。这些单机组成的自动化制芯单元或车间，在与上下各工序装备之间衔接，一般采用人工机械操作。未来具有自适应及自判别的制芯设备将会成为新的发展趋势。

2.2.4.2 挑战

研究输入条件监测技术，采集输入条件作为工艺自适应的数据信息，用多元化监测器件将相关信息采集并录入计算机自适应系统软件中进行自适应调整。研究过程动态监测技术，采集制芯过程的各个工艺条件作为制芯自适应的数据信息，录入计算机自适应系统软件进行制芯过程的自适应调整。研究制芯自适应控制技术，开发制芯参数标准参考值与监测的数据对比分析软件。研究砂芯质量自动判别技术，采用视觉识别技术判别砂芯外形完整性，采用在线检测技术判别砂芯的密实度和判别砂芯是否合格。

2.2.4.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

在输入条件监测系统、过程动态监测系统及制芯自适应系统技术取得突破，专业的自适应制芯设备雏形机型将开发成功。

2）预计到2030年，要达到的目标：

砂芯自判别系统获得应用，智能化自判别制芯设备在铸造生产中得到广泛应用。

2.2.5 高效精准的驱动系统

2.2.5.1 现状

传统的制芯设备通常采用液压方式驱动各运动部件，设备需要配置复杂的液压系统，存在布管复杂、管路漏油、结构系统庞大、控制难度大、故障问题多等技术问题。此外，还有采用减速电机驱动技术的制芯设备，应用变频器及位置传感器技术，可以较好地实现驱动和定位，在制芯设备中作为液压驱动技术的补充来使用。目前，伺服电机驱动技术得到逐步推广，作为减速机驱动技术的升级，由于配置了传感器，可实现闭环控制，保证设备性能高精度定位、平稳运行，为制芯设备提供了可靠的技术保证。

2.2.5.2 挑战

采用电驱动方式替代液压驱动将成为制芯设备高效驱动的技术突破，但当制芯设备需要大的合模力时，如何采用电驱动来满足大合模力需求，将是一个难题。当采用电驱动方式替代液压驱动时，是否有特性相当的电动缸替代液压缸，或者配套产品来满足制芯设备驱动需求，需要综合设计。

2.2.5.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

制芯设备采用电动缸替代液压缸主要驱动部件，实现功能替代，满足高效需求，弱化液压技术在制芯设备上的应用。

2）预计到2030年，要达到的目标：

智能化全电驱动技术用于制芯设备，实现设备整洁、高效、运行平稳、故障自诊断、自反馈、自修复，成就绿色、高效的新一代制芯设备。

2.2.6 单元模块化集成技术

2.2.6.1 现状

制芯机上方设有钢构平台、混砂机、输送装置、料斗和通风管路系统，由于钢结构及制芯设备的布置使得结构安装复杂且需占用很大空间。由于制芯设备的分散布置，从原砂存储、定量准备到混砂、制芯、出砂芯各环节都有滞留环节，许多内外因素对制芯机的干扰都将导致制芯质量及效率的很大变数。

2.2.6.2 挑战

把现有制芯设备通过模块化设计整合为一个单元整体，具有快速组合、灵活搬运的特点，其难点在于把形态各异的外部设备通过模块化设计形成组合安装结构，最大程度实现连接的快速拆装；从原砂到砂芯的一站式制芯单元化功能，可提升整个制芯单元的工作稳定性，对运动件、功能模块运行状态进行自诊断，对制芯单元的异常状态实现警示和提前预警，并能自我参数调整。

2.2.6.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

实现制芯设备与模具的集成化，紧凑式易维护混砂系统的开发实施，电气模块网络控制技术的应用。

2）预计到2030年，要达到的目标：

建立起制芯设备生产运行的大数据库，结合自动化智能控制的检测及补偿反馈技术，可具备对本单元设备异常实现提前预警、数据反馈和自我参数调整。

2.3 垂直分型黏土砂造型装备与技术

1963年丹麦D I S A公司生产了首台垂直分型无箱射压造型机，因其设备占地面积小、无砂箱、砂型精度高、生产率高等优点，很快被铸造厂广泛采用，主要用于大批量、中小铸铁件生产。自20世纪70年代初我国引进了第一条垂直分型无箱射压造型机后，国内制造厂依照仿制、改进和提高的思路，到2015年为止已经生产600台以上的垂直分型无箱射压造型机。

目前，国产垂直分型无箱射压造型机与国外设备相比主要存在设备可靠性差、造型精度差、配套辅机不全和相关应用软件功能不健全等主要问题[8-9]。

2.3.1 自动下芯机

2.3.1.1 现状

目前，国产垂直分型无箱射压造型机生产线上主要采用手工下芯，不仅下芯时间长，而且影响下芯精度且存在安全隐患，亟待发展适合我国铸造生产的自动下芯技术。

2.3.1.2 挑战

自动下芯机对下芯精度、下芯速度、下芯平稳性都有较高要求。

2.3.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

综合利用光电技术、图像技术、伺服驱动技术设计制造自动下芯机，下芯点的设备重复精度≤0.14mm，一个下芯循环控制在2.5 s以内。

2）预计到2030年，要达到的目标：

绝大部门垂直分型造型线应用具有较高下芯精度和下芯速度的自动下芯机。

2.3.2 全自动浇注机

2.3.2.1 现状

目前，国产垂直分型无箱射压造型机生产线上多采用半自动浇注机，浇注质量受操作工人水平影响大。

2.3.2.2 挑战

高效生产对自动浇注提出了更高要求，需与铸型同步移动的过程中实现浇口对准、浇速与浇量精确控制。

2.3.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

研究开发全自动机浇注关键技术，实现智能传感对铸型浇口位置准确识别，对金属液面在浇口的高度和形状判定，浇点精准定位和浇注速度、浇注量精准控制。

2）预计到2030年，要达到的目标：

全部造型线配备全自动浇注机，研究开发智能浇注机。

2.3.3 自动捡件机器人

2.3.3.1 现状

目前，国产垂直分型无箱射压造型机生产线上采用手工捡件，不仅劳动强度大、工作环境差，而且容易出现工伤事故。随着国内铸造从业人员的短缺加剧，此类工作的机械化和自动化问题亟待解决。

2.3.3.2 挑战

实现自动捡件的关键是铸件类型识别，国外已有小型自动捡件机器人用于已去除浇冒系统铸件分拣件工作。

2.3.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

在同一水平面上，对于运动较慢并且分散的铸件通过图像识别实现自动捡件。

2）预计到2030年，要达到的目标：

用于非同一平面上的混合铸件的分拣机器人实现应用。

2.4 黏土砂水平分型脱箱造型装备与技术

与垂直分型脱箱造型相比，水平分型脱箱造型更容易满足铸造工艺要求，型腔紧实度高，抗胀箱能力强、产品尺寸精度、表面粗糙度和一致性好，适于大批量、专业化、连续生产需要，同时较之有箱造型线又有功率小、生产成本低的特点。目前，由于国内基础研究不足，同时缺乏相关职能部门的统一管理和长远性规划，核心主机以进口为主，制造水平与国外同类产品有较大差距，柔性技术和故障自诊断及远程监控技术有待发展，高效、节能技术是主流方向[8-9]。

2.4.1 射砂（或填、砂）预紧实技术

2.4.1.1 现状

目前的射砂（或填砂）预紧实方式主要有重力加砂、单侧射砂、双侧射砂、垂直射砂、真空吸砂等，型砂预紧实均匀性是提高造型质量的重要参数。

2.4.1.2 挑战

提高射砂（或填砂）预紧实均匀性，理清射砂压力、射砂气体流量与射砂量、砂箱排气能力之间的复杂关系，分析射头形状、射砂通道和射砂效果之间的关系。

2.4.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

确立射砂工艺参数（压力、流量、排气量）、气流送砂方法、绘制型砂性能与射砂紧实度关系图、确立射口形状。

2）预计到2030年，要达到的目标：

射砂工艺参数合理、射砂均匀性更高的射砂系统用于全部水平分型造型机。

2.4.2 压实技术

2.4.2.1 现状

目前的压实技术有正压（从砂箱外向砂箱内压实）、反压（型板向砂箱内压实）两种，以正压为主，只有个别厂家采用反压压实。

2.4.2.2 挑战

正、反压实工艺比较；压实比压和型腔紧实度之间的关系；正、反双压的可行性研究等。

2.4.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

完成压实方式和压实结构优选。

2）预计到2030年，要达到的目标：

完成正、反双压效果评价及压实结构设计与制造。

2.4.3 高效、节能技术

2.4.3.1 现状

目前的双工位水平分型脱箱造型速度一般在100～110箱/h，四工位水平分型脱箱造型速度在160～180箱/h，进一步提高造型速度和降低能耗尚有努力空间。

2.4.3.2 挑战

如何提高造型速度（≥25%）；如何优化造型工艺流程；如何降低单位能耗。

2.4.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

双工位造型速度≥130箱/h，四工位造型速度≥220箱/h样机设计制造。

2）预计到2030年，要达到的目标：

双工位造型速度≥130箱/h，四工位造型速度≥220箱/h大面积应用。

2.5 黏土砂水平分型有箱造型装备与技术

水平分型有箱造型，是历史最久的湿型黏土砂造型技术，也是当前应用最为普遍的造型技术。水平分型有箱造型一般采用震动实砂和压实实砂或震压组合实砂。历史上有代表性的水平分型有箱造型线是德国K W公司的高压多触头造型线和日本新东公司的静压造型线。近年来又不断有新技术出现，如日本新东公司的静压+模板压实造型技术，意大利M E C公司的侧吹式静压造型技术，德国MD公司的真空静压造型及技术等[8]。

2.5.1 先进紧实技术

2.5.1.1 现状

国内铸造行业习惯于学习发达国家的先进铸造技术，而后引进、消化和吸收。实际上，新引进的造型设备和20～30年前引进的造型设备并无本质区别，H W S和K W的造型线就是一例，主要是控制系统升级和操作界面更为漂亮，其机械结构，液压原理几乎没有变化。但国内每年都要投入大量资金，重复引进这些“相同”的造型设备。

2.5.1.2 挑战

必须有自主创新和开发研制的新一代造型技术，为此需要深入研究当前世界最先进的造型工艺技术，结合国情开发水平分型无箱造型新技术、新装备。

2.5.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

研制基于模板压实造型技术、真空静压技术和侧吹静压技术等新技术的湿型黏土砂水平分型无箱造型设备。

2）预计到2030年，要达到的目标：

推广基于模板压实造型技术、真空静压技术和侧吹静压技术等新技术的湿型黏土砂水平分型无箱造型设备。

2.5.2 全电动黏土砂自动造型线技术

2.5.2.1 现状

常规造型设备普遍采用气动和液压驱动，不仅能耗高居不下，而且易受环境影响，很难满足现代造型线对高精度、高速度和高压力的要求。采用电驱动是一种选择，目前国内黏土砂造型设备还没有真正意义上的全电动造型线。

2.5.2.2 挑战

电驱动取代液压驱动最大的挑战是电驱动很难提供大的动力，以完成实砂动作。因此，要解决大功率电动或电液驱动装置设计制造问题，需要国内电缸生产厂家与造型设备企业合作，共同开发大功率电动驱动设备。

2.5.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

设计开发全电动造型线的控制系统，实现系统元件的网络监控、远程调试、远程操作、远程排除故障。

2）预计到2030年，要达到的目标：

利用生产线全电动特性，改变控制方式，提高运动平稳性和定位精度，实现热胀冷缩的自动补偿。

2.6 铸造自硬砂装备与技术

目前，除汽车拖拉机工程机械等行走机械基本采用湿型砂工艺外，我国大多数重型机床、大型泵阀、风电核电铸件全面采用自硬砂工艺制造。铸造装备基本采用传统地面半机械化造型、制芯，起模、涂料、下芯、合箱、浇注、除尘等操作均需借助行车完成。随着铸造行业智能化、信息化、自动化快速发展，要在传统铸造工艺的基础上，研究开发适合大中等规模以上数字化铸钢及高端铸件生产企业需求的铸造自硬砂装备与技术，以尽快提高铸造业装备自动化的总体水平。

2.6.1 智能化连续混砂机面背砂无人操作技术

2.6.1.1 现状

现有技术中，由于在造型时无法同时提供面、背砂，故造型工必须先将面砂覆盖模型，然后再混背砂覆盖面砂，这种人工操作方式既繁杂又难以保证砂型质量。此外，由于自硬砂有毒气味，影响操作人员身体健康。因此，急需一种能同时混制面、背砂，并同时出砂的无人操作的树脂砂混砂机。

2.6.1.2 挑战

智能化子母式面、背砂连续混砂机无人操作系统是自硬砂造型中一种新的复合工艺，即采用一种子母式混砂机形式，通过中央控制室（无人操作）控制这种混砂机同时获得面砂和背砂，保证面砂既能抵抗高温铁液又能保证良好透气性能，保证背砂既具有一定强度又能保证落砂溃散性[10]。

2.6.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

研制粘结剂和固化剂加入量、砂层厚度、随砂箱内加入点轨迹智能化调节系统。

2）预计到2030年，要达到的目标：

生产子母式面、背砂连续混砂机，能够同时混制面、背砂，并且同时出砂，减少面砂用量，降低生产成本。

2.6.2 桁架式大型起模翻转流涂合箱机械手

2.6.2.1 现状

传统的大型自硬砂型造型采用天车作业方式，即造型过程中采用人工吊车起吊翻转，地面进行修型、刷涂料等操作。

2.6.2.2 挑战

应用于半自动自硬砂造型线上大型砂型起模翻转、输送流涂工序的一种创新型移动式大型多功能抓取机械手，既可避免砂型损坏，保证操作精度，又可保障操作人员安全和提高造型线生产效率，是对劳动力的一次解放。

2.6.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

自主研制一种60～100 t大型多功能柔性抓取合箱铸造装备，采用全液压柔性控制系统，实现起模周期连续可调，便于整条生产线的同步调整。

2）预计到2030年，要达到的目标：

与铸造企业的M E S系统对接，采用双链同步、激光测量技术，可有效保证砂型精度，实现大型铸件砂型自动化生产。

2.7 砂处理、砂再生装备与技术

砂处理与砂再生是铸造车间的五大工部之一，是对造型材料的再生处理和混制，使其性能满足造型需求。砂处理系统的优劣，直接影响到造型质量，进而影响铸件质量。目前，砂处理的共性问题是粉尘量大、物料收集运输过程中有跑、冒、漏现象，污染环境；智能技术应用不足，影响装备技术水平提高；砂处理工部废弃物排放量大，直接造成资源浪费[11-12]。

2.7.1 关键设备可靠性技术

2.7.1.1 现状

一直以来砂处理工部很少被重视，也很少有人进行系统研究。国内砂处理设备制造企业，其技术水平和研发能力有限。目前，一般铸造厂家选用的是比较落后的砂处理工艺和设备，有的甚至没有专用混砂设备。与高生产率的自动造型线相匹配的大生产率混砂机，仍然以进口为主，国内制造的混砂机生产率一般只能达到标称生产率的50%以上，而国外设备可以达到80%以上。由于我国双盘冷却器加水系统不过关，冷却效果不好，设备质量也难以保证，铸造厂中砂冷却很少使用双盘冷却器，使用沸腾冷却床居多。

2.7.1.2 挑战

随着型砂两级混制工艺被广泛采用，双盘冷却器必将会有更大的市场，要通过消化国外先进技术与自主创新相结合，攻克双盘冷却器及其他旧砂冷却设备技术难题，彻底解决工艺技术问题。

2.7.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

关键工艺装备技术和质量达到国际水平。

2）预计到2030年，要达到的目标：

混砂机不再依赖进口，双盘冷却器广泛使用，工艺布置不再因设备可靠性问题而刻意改变。

2.7.2 绿色环保技术

2.7.2.1 现状

目前，国内砂处理车间对旧砂的输送仍然以皮带机输送为主，存在密封不严、到处漏灰现象。砂处理系统综合考虑除尘系统的力度还远远不够，要实现砂处理绿色环保，还有漫长的路要走。湿型砂再生刚刚起步，且多为离线再生，运输过程极易造成环境污染。此外，再生后还将有20%～30%的废弃物排放，仍对环境造成危害。树脂砂铸造基本都配置了砂再生系统，不管是热法再生还是机械再生，均为在线再生，但仍有一定量的废弃物排放。

2.7.2.2 挑战

随着环保和绿色生产被愈加重视，必须研究开发新的旧砂输送形式，如管带输送机、管道悬浮输送机等。在旧砂再生方面，应加强在线再生系统的研究和推广。同时，加强多专业、多学科协同，研究废弃物综合利用，真正做到零排放。

2.7.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

实现旧砂密闭输送，旧砂在线再生技术普遍应用。

2）预计到2030年，要达到的目标：

再生废弃物再利用率达到90%以上，绿色环保技术达到国际先进水平。

2.7.3 智能控制技术

2.7.3.1 现状

现有的砂处理系统所用设备和铸造装备生产企业生产的装备，基本没有智能化功能，更没互联网、物联网接口。自动化水平也有较大提升空间，如混砂机水分控制，不能根据旧砂水分、旧砂温度、批次重量和预设置的型砂参数决定所需加水量，多数混砂机仍然根据旧砂温度决定加水量。

2.7.3.2 挑战

砂处理系统由自动化水平不高提升为具有一定智能化水平，是一次很大的跨越，其中涉及许多重要参数检测与控制的理论问题需要深入研究和反复实践。