铸造生产节能节材技术及装备.pdf

第 3 章 铸造生产节能节材技术及装备 1 铸造工业生产现状及节能减排 2 数字化无模铸造精密成形技术及装备 3 电渣熔铸技术及装备 4 轻合金典型铸造技术及装备 5 铸造技术未来发展趋势 66 机械装备工业节能减排制造技术 1 铸造工业生产现状及节能减排 铸造是铸造、锻压、焊接、切削四大主流成形工艺之一，是制造业的基础行业，汽车内燃机中铸件的重量占总重的 70%90%；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件重占 65%80%；矿冶、能源、航空航天和国防军工等工业的重、大、难装备中铸件都占很大的比重和起重要作用。进入 21 世纪以来，尽管先进制造技术突飞猛进，但是作为具有 6000 年历史的铸造行业并没有大的变革，依然是通过木模、金属模等模具翻制铸型。铸造行业是制造业中的基础，我国制造业的迅速发展带来了铸件需求的大幅增长。2012 年，我国铸件产量超过 4000 万 t，是美、日、德三国铸件产量总和，铸件产量连续 13 年居世界首位。虽然我国目前已经成为铸造大国，但是还远远没有成为铸造强国，在产品质量和档次方面，我们还落后于发达国家。1.1 我国铸造行业基本概况 据不完全统计，目前我国有铸造企业约 3 万家，比世界上发布统计数据的 35 个国家和地区铸造企业的总和还多得多。我国铸造企业数量多、规模小、专业化程度低，主要分布在东部发达地区。既有专业铸造厂，也有从属于汽车、机床等行业主机厂的铸造分厂或车间，但更多的还是乡镇铸造厂。一些大型发电机的转子、水轮机叶片等大型高质量铸件还依赖于进口。我国铸件出口以中低档产品为主，包括各类管件、散热器、厨具及浴具等，价格低，质量与发达国家相比也有一定差距。我国各地已经建成和正在建设一批铸造产业集群、产业基地和工业园区。如安徽省宁国“中国耐磨铸件之都”，河北省泊头“中国铸造之乡”，湖南省嘉禾“中国铸造产业集群试点县”，广东省高要“中国压铸产业集群示范基地”，福建省龙岩新罗铸造产业集群，南安英都水暖阀门铸件产业集群等。河南林州铸造集聚区的铸造企业 300 余家，年产汽车铸件达 60 万70 万 t。工业发达国家的铸造企业规模一般都在年产5000t 以上，而我国年产超过 5000t 的企业仅占 1/6，年产超过万吨的大型铸造企业主要是重型行业、汽车行业、航空工业的专业铸造厂，这些铸造厂铸造工艺和设备都较为先进，已接近或达到国际水平。而广大乡镇企业一般是铸件年产量在数百吨左右的小型铸造企业，多数还处于国外20世纪7080年代的水平。且我国铸造专业化程度只有 30%，而发达国家铸造企业专业化程度达到 80%90%。我国相当多的铸造企业没有形成自己的特色产品，造成设备利用率低，能源资源浪费。我国铸造企业涉及从业人员约 120 多万，从业人员众多，但是与德、美、日等发达国家相比，人均劳动生产效率低下，约为日本人均劳动生产率的 1/7。国外铸造企业普遍采用CAD/CAE等数字化设计和模拟软件，而我国多数企业还是以工艺员经验设计为主，铸件加工余量大，尺寸精度低。目前大部分企业生产的铸件尺寸精度低于国际标准 12 个等级，废品率高出 5%10%，加工余量高出 13 个等级，加大了能源、资源消耗。我国铸造行业污染严重，据统计，我国每生产1t 合格铸件，大约要排放粉尘 50kg，废气 10002000m3，废砂 1.31.5t，废渣 300kg。2012 年，我国铸件产量超过 4000 万 t，排放废渣 600 万 t、粉尘100 万140 万 t、废气 200 亿400 亿3、废砂 2580万2990 万 t，是发达国家的 10 倍。日本铸造工厂提出了 3R 的环境保护新概念，即减少废弃物、重用及回用。所以，铸造原辅材料绿色化是解决我国铸造资源的供求矛盾、减少铸造污染物排放的关键技术之一，也是铸造行业发展循环经济，实现可持续发展的必然。铸造作为热加工行业，生产过程消耗了大量能源，能源和材料的投入约占我国铸造生产产值的55%70%。铸造行业的能耗约占机械工业能耗的23%62%，能源利用率仅为 17%，综合能耗是发达国家的 2 倍。每生产 1t 合格铸铁件，能耗为 0.550.7t 标准煤，而国外仅为 0.30.4t 标准煤；生产 1t合格铸钢件的能耗为0.81t标准煤，国外为0.50.8t标准煤。铸造生产能耗主要包括以下几个环节：（1）金属熔炼，采用冲天炉、各种电炉、焦炭炉等熔炼设备进行铸铁、铸钢、有色合金等金属的熔炼消耗了大量煤炭、焦炭、电力，以及燃油和天然气等能源。（2）热法造型制芯及型壳焙烧。（3）铸件热处理。欧洲铸造企业生产中金属熔炼与保温占能耗比例为 50%左右，国内企业熔化与热处理的耗能比例为70%80%，这主要是因为国内企业造型、砂处理、清理等工序自动化程度低。所以，我国铸造企业节能关键是提高熔化炉的热效率。与冷风冲天炉熔化铁液相比，使用炉气自燃外热式热风冲天炉可将热效率提 第 3 章 铸造生产节能节材技术及装备 67 高到 45.4%，而中频感应无芯电炉的热效率更可提高到 70%。此外，熔炼铸铁时连续作业也能避免热量损失，我国大多数冲天炉每次只开 48h，造成炉体蓄热损失，而工业发达国家多采用热风连续作业的长炉龄冲天炉。冶炼合金钢时，发达国家多采用 AOD、VOD 等先进设备，我国大多数仍采用电弧炉生产方式，且由于采用夜间低谷用电，每次只能开 45 次炉就停炉，而一般第一炉钢水和第三炉开始的钢水耗电量相差 200kWh/t，导致了炉体的蓄热损失。1.2 铸造型砂回收再利用 我国铸造生产过程的废砂，除了很少部分不经再生而直接用于背砂外，大部分作为废弃物排放，而发达国家基本上全部回收利用。废砂的大量排放，一方面造成大量有限优质原砂资源的浪费，不得不大规模地开采砂矿来补充铸造所用的新砂的需求，直接造成山体、海滩、河道等自然生态环境不同程度破坏；而另一方面，废砂中含有大量的二英、呋喃、甲醛、苯酚、水玻璃等有害物质，不仅造成土壤、水质、大气的严重污染，也对人的工作环境和生活环境构成严重威胁。随着国家对环境保护治理力度的日益加大，旧砂再生循环利用已成为铸造生产中迫切要求发展的技术。铸造废砂表面包覆着粘结剂膜，废砂再生就是要有效地去除包覆在砂粒表面的粘结剂膜，废砂再生的基本方法主要有干法再生、湿法再生和热法再生，以及上述三种方法的组合。干法再生就是通过撞击与摩擦将砂粒表面粘结剂膜去除。砂粒的粘结剂膜去除过程有两种形式：破裂和剥离。同时由于砂粒之间存在碰撞和搓擦，还可能磨掉砂粒表面的突出部分，实现砂粒圆整。当在外力的作用下，砂粒表面粘结剂膜受到的能量足以克服其附着能及内能之和时，将导致粘结剂膜破裂，使其从砂粒表面去除。干法再生主要通过碰撞和搓擦两种方式完成。碰撞再生是砂粒通过多次与撞击板撞击破坏砂粒和粘结剂膜之间的附着力，将粘结剂膜去除，一般用于粘结剂和砂粒之间的粘结力相对较低的脆性膜。搓擦再生是砂粒与砂粒产生相对滑动，与碰撞单一点的作用不同，而是沿线或面接触，对粘结剂的去除更快，也是以脆性粘结剂膜为宜。在采用干法再生设备进行再生时，一般都是将撞击或搓擦再生运用结合。干法再生设备包括离心式再生机、振动式破碎再生机、螺旋振动再生设备、多功能振动再生机等。湿法再生是利用水或溶剂将砂粒表面可溶性粘结剂溶解，实现废砂再生，可用于再生黏土砂和水玻璃砂。湿法再生过程包括水洗、擦洗、废砂烘干、废水以及废气的处理等。湿法再生效果受到溶剂的温度、浓度及流动等的影响，而且产生大量废水，造成二次污染，废液的处理也制约了湿法再生的应用。湿法再生设备由储料斗、螺旋给料机、擦洗室、水泵、液力旋流器、振动分水器、离心脱水机以及流态床等组成，废砂通过擦洗、分离、清洗、脱水以及干燥等完成再生，同时再生产生的污水需要处理。热法再生是通过加热使含氢、碳、硫、氮的有机粘结剂燃烧从而获得废砂再生。由于砂子是固体颗粒物料，使砂子处于流态化状态可以获得最佳传热效果，传热方式包括对流换热、辐射传热和热传导，其中以对流换热为主。热法再生可以降低砂子的急热膨胀性以及发气性，使砂子表面更洁净、粒形更圆整，进一步提高了再生砂的铸造工艺性能。此外，低温加热脆化法是采用低温加热使塑性粘结剂膜变脆，使其适于干法再生去除。加热脆化与热法再生不同，不是通过加热去除粘结膜，而是使粘结膜脆化，所以加热温度低，粘结剂是在脆化后干法再生去除的，目前已广泛应用于黏土砂及水玻璃砂的废砂再生。热法再生设备是在机械再生的基础上通过焙烧炉，将进入的分离杂质后的废砂加热去除残留的有机粘结剂膜。高效流态化焙烧炉能够有效提高废砂热法再生的热利用率。混合型铸造废砂可以通过上述几种再生方式组合实现废砂的再生循环利用。广西玉柴机器股份有限公司铸造厂每年排放铸造废砂约 15 万 t，随着铸造中心二期项目建成投产，每年废砂排放量将超过25万t。广西玉柴机器股份有限公司采用机械再生和热法再生组合工艺，工艺过程如下：（1）前处理。废砂在密闭室内进行破碎、筛分、磁选、风选得到预处理废砂，浮尘通过脉冲除尘器收集。（2）机械再生。预处理废砂经过多缸串联柔性机械擦洗去除表面残留的惰性膜，并在 FA 型砂除膜剂和 CS 型砂改良剂辅助作用下恢复其原貌，然后进行砂液分离脱水，脱出水和擦洗用水经絮凝、沉降、分离污泥后过滤循环使用，含水污泥经压滤后和脉冲除尘器收集的细粉通过螺旋混合器混合湿润（以防止细粉搬运扬尘）后进入细粉贮罐，细粉含大量煤粉可供水泥、制砖外掺料及其他铸造厂作代用煤粉使用。（3）热法再生。脱水后的湿砂进入太阳能、地热 68 机械装备工业节能减排制造技术 能烘干房进行烘干，后进入天然气焙烧系统进行低温焙烧。（4）冷却、贮存。经焙烧的再生砂进入冷却系统冷却，冷却系统余热回供烘干系统重复利用，经冷却的合格再生砂密闭风送至成品罐贮存、回用。主要用到的机械设备及设施包括破碎机、筛分机、磁选机、脉冲除尘机组、机械再生擦洗线、回用水处理系统、烘干线、焙烧线、冷却机组、余热回收系统、气体输送系统、带式及斗提输送系统、贮罐等。广西玉柴机器股份有限公司采用铸造废砂再生循环利用技术以后，不仅能够年处理废砂 25 万 t，年产再生砂 20 万 t；还能年产副产品 5 万 t 微细粉污泥（代煤粉）。这种微细粉污泥（代煤粉）富含 25%35%的有效精煤和 30%40%的活性黏土，可被水泥厂、砖厂、小型铸造厂等市场利用，可为他们节约煤及黏土使用量，降低了他们的制造成本，真正做到了变废为宝，使得铸造废砂再生循环利用率达 100%。1.3 铸造型砂绿色化 铸造型砂中的湿型砂和树脂砂在铸造生产中产生了的大量的废气，废气中含有二英和呋喃两种持久性污染物，不仅严重损害人类的健康，而且造成了环境污染，尤其是二英，它是一级致癌物，毒性巨大，会引起人类各种疾病与畸形。所以实现铸造型砂绿色化是实现绿色铸造必然环节。铸造型砂绿色化就要使用对环境无污染的环保型砂或开发低毒性、低污染的新型型砂，主要通过粘结剂绿色化、添加材料绿色化和辅助材料绿色化实现。型砂用到的粘结剂可分为无机粘结剂和有机粘结剂两大类，主要包括黏土、水玻璃、树脂等。采用传统黏土作为型砂粘结剂生产的铸件尺寸精度低，表面质量较差，容易产生粘砂、夹砂和结疤等表面缺陷，所以需要加入一定量的煤粉。而作为黑色粉状物，煤粉的加入，容易造成粉尘飞扬，污染环境，同时浇注过程中，产生大量含有一氧化碳和致癌物苯并芘的烟气，危害工人健康。目前，已有研究人员开发出黄壤土天然黏土作为粘结剂而不需要添加煤粉，能有效预防粘砂的缺陷，得到表面光洁的铸件，而且对环境污染小。作为无机化学型粘结剂，钠水玻璃是铸造生产中应用最广泛的。水玻璃作为粘结剂在浇注过程中不燃烧并且无烟，不产生有害气体，是最有可能实现绿色铸造的型砂粘结剂。且水玻璃砂流动性好、易紧实、硬化速度快、硬化强度高，所以可保证砂型芯的尺寸精度，生产的铸件缺陷少、成品率高，生产效率也高。但是水玻璃 CO2硬化砂存放过程中表面易粉化、溃散性差且不易回收利用。研究人员通过对水玻璃砂改性以达到提高粘结强度，增加抗吸湿性和改善溃散性的目的。水玻璃改性方法包括：加入阻缓老化的改性剂，减缓老化速度，例如聚丙烯酞胺阻缓水玻璃老化的有效期对低模数水玻璃约 2 个月，对高模数水玻璃约 1 个月；提高强度的化学改性，可以提高单位水玻璃的强度，改善水玻璃砂溃散性，用硼酸盐、磷酸盐、铝酸盐等改性的水玻璃，其强度得到了提高；在抗湿性改性方面，使用钠锂复合水玻璃或往混合料中添加质量分数为 1%的 LiOH 的溶液，有助于改善水玻璃砂的吸湿性。添加材料指在铸造中为了改善型砂的某些性能而在型砂中添加的一些特殊材料，如煤粉、淀粉、溃散剂、促硬剂等，添加材料绿色化就是在铸造过程中使用环保型添加材料。煤粉在高温浇注中会产生大量的烟尘，内含挥发性有机化合物成分主要为苯、酚以及它们的多种烃基替代衍生物，其中的多种化合物毒性和致癌性较大。目前环保型煤粉替代品有 FS 粉、MD 粉、淀粉等。其中 FS 粉由多种有机纤维质和无机组分组成，无毒无味、无腐蚀性、无粉尘污染，是理想的煤粉绿色替代品。此外，FS 粉用量仅为煤粉的 1/3 左右，铸造工艺性能优异。FS 粉型砂既有良好的韧性，又具有较好的流动性，很好地解决了铸型凹坑、拐角等处砂型充型问题，而且改善了起模性能。FS 粉砂型水分敏感性小，性能稳定，可提高型砂的热湿拉强度，防止产生夹砂结疤缺陷。北京华德液压工业集团铸造分公司使用 FS 粉全部代替煤粉后，型砂的综合性能及浇注的铸件表面质量均达到很好的效果。桂林 1 号粉是天然胶质植物经醚化处理而成的水溶性天然植物类的潮型砂强化剂，是无毒无害的碳水化合物。该强化剂能大幅度提高型砂的热湿拉强度、退让性、溃散性及表层风干耐粉化性，同时发气量低，可有效地消除浸入气孔和析出气孔。华中科技大学机械厂使用了桂林 1 号潮型砂进行生产，配方为“新砂15%+旧砂85%+桂林1号粉1.5%+膨润土0%2%+水 6.5%7%”，结果表明型砂的溃散性和退让性好，生产的铸件质量好，大幅度减少了夹砂、粘砂、气孔、砂眼等缺陷。铸造用辅助材料包括涂料、脱模剂等。目前国产脱模剂多为油类，易产生油雾，污染空气，影响操作 第 3 章 铸造生产节能节材技术及装备 69 工人身体健康。而水溶性脱模剂无油雾对环境污染小，且操作安全，已逐步发展成油基脱模剂的代替品。通过改变硅油、表面活性剂等的配比，环保型水溶性脱模剂可以改善其稳定性、不分层，且脱模效果可以进一步提高。由于水溶性脱模剂流动性好，也适用于自动喷涂使用。为了人类健康和环境保护更加符合未来的环境保护法规，无机粘结剂采用热空气硬化，浇注过程不产生有害气体，是一种环保型粘结剂。目前无机粘结剂在宝马、大众等汽车铝合金铸件上得到应用，占制芯总量 10%左右，未来几年每年以 5%速度递增，伴随日益严格的环保要求，无机树脂将逐渐取代有机树脂。并可以实现复杂几何形状砂芯的铸造，减少砂芯发气引起的铸造缺陷。1.4 铸造回炉料及金属废屑回收再利用 铸造回炉料主要包括废铸铁、浇冒口、剩余金属液锭、铁豆等。铸造回炉料回收再利用首先要进行回收料的回收处理，去除有害杂质，并加工成具有一定尺寸、形状和致密度的清洁的可入炉炉料。在废钢铁回收利用方面，相比于生铁具有遗传性，可能会产生铸造缺陷，回炉铁经过一次或多次熔炼，可遏制生铁的遗传性，利用铸造废钢铁回炉料作为灰铸铁的金属炉料利于提高铸件质量。而且回炉料的来源广泛，即使其中某一部分废铸件带有遗传性，但受其比例限制，其遗传性也不易达到有害作用的临界值。在工业发达国家由于其废钢供应充裕，为了实现废钢回收利用采用废钢和回炉料并用增碳的方法来生产力学性能良好的“合成铸铁”，废钢用量达 60%100%。铸造有色合金回炉料回收再利用可以缓解我国有色金属供不应求的问题。铸造铝合金回炉料回收再利用包括预处理、重熔炼和浇注。预处理包括废料的分割拆解以及分类筛选。尤其是铁作为铝合金废料中最有害的杂质，不易机械分离，一般采用电磁法和热析法去除。铝合金废料重熔炼可根据产品要求适当调配合金成分并进行精炼，最终浇注出铝合金铸件。铸造镁合金回炉料主要是压铸废料和铸造废料，包括废件、流道结块、飞边等，其回收再利用工艺流程为熔化、去除氧化物、除铁、调整化学成分、除气以及铸锭。可以采用双炉法和过滤法进行体积较大的清洁镁合金回炉料熔炼。我国机械加工每年产生大量的切削铁屑，造成了资源的浪费，且一般露天堆放，使含有的切削液也造成了环境污染。山东时风作为我国最大的机械制造基地之一，拥有庞大的铸造、机械加工、冲压等工艺生产能力，每年形成约有 10 万 t 铸铁屑、废钢屑及下脚料，不但造成了资源的巨大的浪费，并且给公司造成了巨大的损失。钢铁废屑的回收利用关键是钢铁屑的熔炼技术。国内一般的回收再熔方式多采用冲天炉，由于鼓风机送风强度较大，铁屑铁液氧化严重，也造成了空气污染。为了提高利用率和减少污染，国内一些企业选用电炉直接熔化铸铁屑，由于空气氧化造成铸铁屑利用率在 80%左右。此外，还可以采用电弧炉炼钢法进行钢铁屑熔炼生产碳素结构钢、高锰钢、低合金结构钢等。铝合金铸件机加工产生的切屑废料约占其重量的 20%30%，其回收也是按照分类，去除铁夹杂物、清理并进行重熔。采用火焰反射炉或铸铁坩埚重熔铝合金切屑可以提高回收率，火焰反射炉重熔产量高、含铁量低，但铝液氧化严重，回收率低；采用铸铁坩埚熔化回收率高，需涂抹涂料，防止铁与铝液直接接触，使铝液含铁量提高。镁合金切屑的再生方法包括蒸馏法、电解法、熔解法。其中，蒸馏法是利用镁中杂质的蒸气压不同将镁合金废料再生为高纯镁，能耗较大。电解法是利用电解原理进行镁精炼，电解精炼电耗也较高。熔解法是镁合金铁屑回收最常用的方法，可以采用坩埚炉法和盐浴槽法进行表面附着油、脱模剂、润滑剂的切屑的熔炼。熔炼上，日本大同特殊钢与新日本制铁（株）和法国 Usin-Sacil 一起共同开发了 DC 电弧炉（DC arc furnace）。大同特殊钢已建立了洁净钢制造系统ELVAC，为世界第一综合钢铁制造过程。它包括电弧炉熔炼，钢包精炼，真空脱气和连续铸造，其核心是钢包精炼（Ladle Furnace Refining）。大同已开始用新发展结合了 RH 真空脱气系统 AOD（Argon-Oxygen Decarburizing）炉精炼生产洁净不锈钢。1.5 铸造绿色制造工艺及装备 在电渣熔铸短流程铸造方面，电渣熔铸技术最早起源于美国 20 世纪 70 年代，是在电渣重熔技术的基础上发展起来的，集钢水精炼与铸造成形于一身。国际上以乌克兰巴顿电焊研究所、德国 ALD 公司、奥地利 INTECO 公司、美国 Cansarc 公司为代表，研发了一系列新设备、新技术。由于电渣锭在铸态下就具有良好的与普通锻造或轧制钢锭大致相当的性能。无论从宏观上还是微观上，电渣钢锭的化学成分都是非常均匀的，缺陷和夹杂物也很少，且具有良好的力学性能，因而在国外得到了广泛的应用。从发展情况看，70 机械装备工业节能减排制造技术 控制系统已由简单自耦，手动控制，发展为晶闸管或PLC 控制，部分厂家采用了计算机控制。传动机构方面，已由精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯形丝杠，使支臂及托锭承重小车升降更加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代了支臂旋转，解决了支臂旋转巨大齿轮制造及安装方面困难，减少了零部件重量，所占空间及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。变压器由过去冶炼过程中必须断电换挡无载有级调压，发展为不需断电即可动态调整冶炼电压有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器可以带有负载，即冶炼过程中，不需断电就可把电压调整到任何所需位置。有载无级调压变压器的出现，为实现真正意义上计算机控制提供了必要条件。从变压器冷却方式上，由原来强制油循环冷却，发展为干式风冷。铁心材料质量提高，变压器发热现象明显减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器发展方向。我国是电渣冶金起步较早的国家，属于电渣冶金技术先进国家。但是采用电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸、快速电渣重熔等新技术方面普及面不宽，某些领域近乎处于空白状态。我国冶炼工艺与计算机结合方面存在着薄弱环节，当前很多厂家计算机控制实质上停留在一般冶炼过程控制上。真正意义上计算机控制应当是控制冶炼过程的同时控制熔化速率及熔池深度和形状。沈阳铸造研究所在电渣熔铸技术研究方面现已取得了一定的进展，获得了技术上的突破，所制造的大型电站用水轮机叶片、挖掘机复合斗齿、气压机连杆获得了较好的使用效果。在消失模铸造工艺方面，美国是消失模铸造工艺的领跑者，其消失模铸件的产量已经占世界产量的50%以上。欧洲消失模铸造技术应用晚于美国，但研究开发发展非常迅速。由意大利法塔公司设计，在伯明翰附近建成了世界先进水平的萨金诺铸造厂，年产量已经达到 50 万只铝合金缸体和 50 万只缸盖。从国外技术发展研究看，正在进一步研究消失模的铸造工艺流程、铸造工艺设计准则、消失模铸造的缺陷形成机理以及解决措施、消失模铸造的工艺优化设计、新型合金在消失模铸造中的应用研究以及典型零件的消失模铸造技术研究等，以进一步完善消失模铸造工艺技术，更好地推广应用。20 世纪 90 年代初，继美国、德国和日本等发达国家之后，我国掀起研究和推广消失模铸造技术的热潮。目前全国有 10 多家科研院所从事消失模铸造技术的研究和推广工作，涌现出数十家为消失模铸造服务的专业设备、模具制造和原辅材料厂商。在我国有22000 多家铸造企业中，消失模铸造企业仅仅有 100多家，大量企业仍然是传统的砂型铸造技术。铸造污染大，零件加工余量大，工艺出品率低，排除大量的废水、废渣以及粉尘，急需在铸造行业推广消失模铸造技术。虽然我国消失模铸造技术率先在箱体类铸件、管接头及阀体类铸件和耐热、耐磨合金钢铸件以及汽车零部件等铸件上获得成功应用，形成我国消失模铸造之特色，但是目前国内仅机械科学研究总院、清华大学、华中科技大学等科研院所和高校开展消失模铸造技术研究，由于资金的缺乏，缺乏对消失模铸造技术的系统化、标准化的研究以及理论基础研究，已经成为消失模铸造技术进一步发展和工业应用的瓶颈。对比国外水平，我国消失模铸造工艺存在以下四个方面的差距：（1）由于成套成熟工艺的缺乏，我国消失模铸件产量偏低。（2）有待优化完善消失模铸造成套工艺技术。（3）企业缺乏成套的工艺技术指导手册。（4）铝合金消失模铸造工艺存在问题多。铝合金、镁合金等铸造技术得到推广应用，例如在汽车工业上，应用压铸工艺生产铝合金缸体和支架等，采用金属型重力铸造生产缸盖、进气管和活塞等，采用低压铸造制造缸盖、缸体等，采用挤压铸造、半固态铸造生产活塞、转向节、转向臂等。发动机缸体、缸盖、活塞、进气歧管、水泵壳、发动机壳、起动机壳、摇臂、摇臂盖、发电机支架、气门室罩盖等均采用铝合金铸造件。北美及欧洲的每辆汽车平均用镁合金 3.5kg，目前年增长率为 24%，10 年后镁在汽车上的应用可达每车 10kg，福特公司单车最大用镁量计划可达到 118kg，大众公司年计划达到 178kg。铸造业“十二五”规划中明确指出：积极采用先进铸造技术与装备，优先发展铸造产业重大技术装备，必须建立造型（制芯）砂处理、熔化、浇注、除尘和铸件检测设备龙头企业产业集群。关于机械化浇注机、全自动浇注机，保温浇注炉都有采用，国产全自动浇注机尚在初试阶段，气压浇注炉还依赖进口。德国德毓克（Dueker）公司的名字伴随着高品质的铸件流传了 500 多年，现在它已经成为供水、供气、承压管道和管件，排水管领域的领航者。凭借悠久的铸造历史和经验，其研发的无焦冲天炉和 第 3 章 铸造生产节能节材技术及装备 71 离心铸造机已经在其工厂平稳运行 30 年之久。无焦冲天炉的显著优点为：间歇开炉的工厂可免去焦炭存储和运输的烦恼；熔炼工艺中以天然气为能源，容易调节和控制稳定的出铁温度，灵活的熔炼操作性能；熔炼工艺精确可靠的增碳功能，铁水质量好，化学成分稳定，波动小，流动性极佳；环保，硫化物和炉渣等造成空气污染的有害物质排放较少。德毓克公司设计了两种工艺方法的离心铸造机。热模工艺法，模具预热和喷涂料无需高耗能的终退火，模具寿命长。而水冷工艺法，采用无需处理的水冷模具，基本用于承压管道的批量生产。德国昆格瓦格纳公司（KW 公司）创建于 1907年，早起从事铸造技术的机械制造。1911 年第一台（手动）造型机问世以来，KW 公司为在研制铸造设备的同时，为铸造技术发展做出了重大的贡献。1950 年后期，公司成为第一批提供全自动造型线的公司。20世纪 80 年代研发了一系列砂芯过滤方案。KW 公司主要以造型线技术和砂处理设备著称。主要有 EPM、APM、DFM 以及 HPM 四种类型的造型机。砂处理设备为旧砂冷却器和混砂机。丹麦 DISA 迪砂公司（DISA）以生产铸造用的垂直分型无箱射压造型线和抛丸机而闻名于世，它从 1964 年出售第一台这种造型机以来，在短短的10 多年发展很快，截至 1988 年就向全世界出售了700 多条。我国 1967 年引进了 2011 型，使用良好。迪砂公司为铸铁及有色金属铸造业开发并制造一系列整体的金属铸造解决方案。迪砂公司的造型产品系列包括了各类潮模砂造型机，有垂直造型机（DISAMATIC）、双面模板造型机（DISA MATCH）和水平有箱（DISA FLEX）造型机。该公司为许多客户提供了整体铸造线，主要包括垂直造型线、双面模板造型线、水平造型线和震压造型线。其中除了造型技术平台外，还包括了完整的砂处理系统、输送系统、冷却系统、清洗系统、CIM 模块及制芯系统等。2 数字化无模铸造精密成形技术及装备 传统铸造存在劳动强度大、制模周期长、成本高、资源浪费、废弃物排放多、数字化水平低等问题，尤其是以汽车缸体缸盖、航空发动机、导弹架等为代表的复杂金属件尺寸大、形状复杂，壁厚厚薄悬殊，铸型制作难度大。需用十几套乃至几十套模具翻制，组芯合模困难，尺寸精度难以保证，甚至一些好的结构设计无法造型。不仅严重阻碍了我国汽车产业升级换代的步伐，而且成为国防军工、航空航天等国家重大工程进度的瓶颈，已经到了不得不改的地步，但缺乏新技术的推动。从木模、塑料模、金属模、蜡模一直到消失模铸造，传统铸造工艺一直局限在模样变革上，难以有较大的突破。数字化无模铸造精密成形技术是在铸型三维 CAD 模型驱动下，采用开发的专用设备和刀具进行铸型数控加工，将加工铸型合模浇注得到金属件，极大地推动了铸造行业的发展。数字化无模铸造精密成形技术与装备是计算机、自动控制、CNC、铸造等技术的集成创新，三维 CAD模型直接驱动设备进行铸型加工，合模组装后浇注出金属件。与传统铸造相比，其不需要木模等模具，缩短了铸造流程，特别适合于单件、小批量复杂零部件的快速制造，在节约铸造材料、缩短工艺流程、减少铸造废弃物、提升铸造质量、降低铸件能耗等方面具有显著特色和优势。2.1 数字化无模铸造精密成形加工方法 数字化无模铸造精密成形技术是铸型数字化加工和组装造型的无模化金属件制造技术，实现了单件、小批量、复杂金属件的快速制造。该技术将先进的数控切削技术应用于砂型制造，为传统的铸造技术提供了一种新的绿色、快速制造的方法，带来了铸造尤其是铸型制造技术根本上的变化，避免了木模制作，缩短了铸造流程。随着市场全球化以及竞争的不断加剧，产品更新换代的速度不断加快，新产品的开发、研制、生产周期短、批量小、更新快成为制造业的必然趋势。那么如何在短时间内低成本地制造出精度高、合理的铸型则成为铸造工作者研究的热点和重点问题之一。于是铸型的生产方法发生了显著变化。在普通的砂型制造中，从传统的有模铸型生产发展到无模铸型是铸造生产中的一次重大变革。有模铸型生产需要工艺转换，周期长，成本高，且存在精度损失，难以制造出高精度、表面质量好的铸型，不能更好地满足小批量大型铸型的生产要求。有模铸型的制造工艺路线图如图 3-1 所示。首先根据金属件的 CAD 模型设计铸型和制造铸型所用的模具，通过手工的方式制造木模等模具，遇到复杂的铸模，还需要采取机加工的方式制造金属模具或者塑料模具，然后再通过翻模得到铸型和砂芯，在合箱浇注出金属件。整个过程环节较多，人为影响因素大，大部分都是以二维图样为基础进行设计、制造。72 机械装备工业节能减排制造技术 图 3-1 传统有模制造工艺路线图鉴于传统的有模铸造制造周期长、成本高，且产品开发略微发生改动，就要推倒重来，严重影响了新产品开发的速度，将快速成形技术和数控切削技术应用于砂型制造为传统的铸造技术提供了一种新的绿色、快速制造的方法，带来了铸造尤其是铸型制造技术根本上的变化，避免了模具制作，缩短了铸造流程，尤其适合于单件、小批量、大型铸型的生产，其工艺路线如图 3-2 所示。图 3-2 无模铸型制造技术路线图 为了实现金属件的快速制造，提出了基于铸型数字化加工的金属件无模化快速制造方法，其工艺路线如图 3-3 所示。根据铸型的三维 CAD 模型进行分模，并结合加工参数进行砂型切削路径规划；对规划好的切削路径在计算机中进行加工过程的模拟仿真，确保不会发生刀具干涉和砂型破坏；将已经固化好的砂坯置于加工平台上进行铣削加工，加工产生的废砂被喷嘴吹出的气体排除。最后将加工的铸型单元组合浇注，得到合格的金属件。该方法省去木模制造，改变了传统的有模制造方式，能够大大缩短加工制造周期，节省材料，特别适合于单件小批量零件的快速制造。图 3-3 无模化砂型制造技术路线图 数字化无模铸造精密成形机是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成创新和原始创新，三维CAD模型直接驱动铸型制造，是一种全新的复杂金属件快速制造设备，能够实现复杂金属件制造的柔性化、数字化、精密化、绿色化、智能化。不需要木模及模具，缩短了铸造流程，实现了传统铸造行业的数字化制造，特别适合于复杂零部件的快速制造，在节约铸造材料、缩短工艺流程、减少铸造废弃物、提升铸造质量、降低铸件能耗等方面具有显著特色和优势。与传统铸造技术相比，数字化无模铸造采用型芯直接数字化加工，取消了拔模斜度，提高了零件的成形精度，减少了零部件设计中加工余量；型芯柔性化的设计和灵活多样组合，为零部件的设计和制造提供了充分的自由度；数字化设计、模拟仿真与加工制造 第 3 章 铸造生产节能节材技术及装备 73 一体化；多种类、激冷效果各异的型砂可构造自适应复合砂型。与传统有模铸件制造相比，加工费用仅为有模方法的 1/10 左右，开发时间缩短 50%80%，制造成本降低 30%50%，见表 3-1。表 3-1 传统有模铸造和无模铸造对比表 类别 传统有模铸造 数字化无模铸造对比分析结果制造 周期 3090 天 115 天 无模铸造周期更短，缩减50%80%造型 工序 多次翻型 直接制造 无模铸造流程更短 成形 精度 低（CT13CT15）高（CT8CT12）无模铸造精度高 生产 成本 高（主要是模具）低（不需要模具）无模铸造低1/10 绿色 环保 粉尘多、资源消耗大、工作环境差 封闭成形、无工艺补贴量、资源消耗少 无模铸造更绿色化、清洁化造型自动化 差（单件小批生产几乎全部手工造型）高（数字化驱动，直接制造铸型）无模铸造自动化程度更高2.2 数字化无模铸造精密成形关键技术 由于对型砂直接切削加工，存在着复杂薄壁砂型加工出现坍塌、表面粗糙、高速旋转的刀具加工崩刃与磨损、加工的废砂如何及时排除及刀具冷却、砂型芯如何高效高精加工等技术难题。围绕方法、刀具、工艺等方面，数字化无模铸造精密成形关键技术主要包括专用型砂加工材料、高耐磨长柄长寿命加工刀具、刀具冷却及废砂排除一体化以及自适应铸型等。1专用型砂加工材料 铸型加工不同于金属加工，铸型作为非均质离散体，主要是砂粒通过粘结剂粘结而成，加工过程极易发生薄壁砂型坍塌以及砂粒剥离引起的表面粗糙问题。传统的树脂自硬砂、覆膜砂、水玻璃砂等铸造常用型砂配方可以基本满足金属件无模化制造工艺的要求，但在加工复杂、薄壁等铸型时容易出现塌型、强度不足等现象。无模铸型数控加工既需要砂型（芯）固化速度快，硬化后具有较高的强度，还要具有良好的透气性，较好的尺寸精度及表面质量。无论是树脂砂还是水玻璃砂都是由原砂和粘结剂、固化剂混合而成，尤其是原砂的物理性能和质量对砂型切削过程有着重要的影响。铸造用原砂一般是以石英为主要矿物成分的天然硅砂。它的物理性能主要包括原砂粒度、颗粒形状和表面状态等。表 3-2 为铸型数控切削加工中原砂的化学、物理性能指标。表 3-2 原砂化学、物理性能指标 粒度 SiO2含量（%）Al2O3含量（%）Fe2O3含量（%）K2O+Na2O 含量（%）TiO2含量（%）含泥量（%）角形系数 70/140 87 6.0 0.4 3.50 0.06 0.30 1.2 100/200 80 8.0 0.8 6.0 85%，净化能力80%。电渣熔铸实现了清洁化铸造生产，节能环保。铸造车间对环境的污染主要是粉尘、烟尘对大气环境的污染，生产中的噪声、有害气体、废水废物等也污染环境。电渣熔铸不使用型砂、粘结剂、涂料等造型材料，工艺上属无型砂造型工艺，不存在粉尘、烟尘以及噪声对环境的污染；旧渣可回收利用，固体废物排放极少（20kg/t 铸件），仅为普通砂型铸造的 5%。（4）实现机械产品再制造。我国现有铸造技术水平及铸造工艺的特殊性决定了各种铸件的废品率平均在 10%左右。应用高新技术进行修复使其恢复使用要求，达到合格铸件标准，避免铸件的回炉重新熔炼，从而提高效率，降低生产成本。在电渣熔铸基础上发展出来的电渣熔接技术可以实现该功能，对于形状较为简单的铸件可以采用该方法进行熔接。它的原理与焊接方法类似，将铸件的废品区切除后，剩余部分放置在专用结晶器内，然后利用电渣熔铸技术重新熔化电极，在金属液的高温作用下，将铸件上部熔化与金属液粘结在一起，重新在金属结晶器内凝固成形。最后在结晶器内凝固形成铸件切除部分的形状与未切除部分熔接在一起，形成完好的铸件。采用该方法，避免了铸件的回炉重新熔炼，从而提高效率，降低生产能耗成本，达到了节能减排的目的。3.2 电渣熔铸关键设备 电渣熔铸件质量主要由熔铸工艺和设备等关键环节来保证。电渣熔铸设备一般包括电渣炉、结晶器、电源及相应的辅助设备。这些设备结构复杂、功能多样化、控制更为精确化。（1）电渣炉结构主要包括供电、机械传动及其自动控制系统。目前国内外多数电渣炉只适合熔铸形状简单的钢锭类铸件，电极与结晶器之间的位置调整只有 13 个自由度。为了适应大型复杂铸件熔铸工艺需要，电渣炉必须具备多个自由度，能够沿 X、Y、Z 第 3 章 铸造生产节能节材技术及装备 83 三个方向具有双向调速运动功能，以及沿 X-Y、X-Z、Y-Z 三个方向旋转功能，满足熔铸过程中更换电极、叠加结晶器、微量调整等特殊要求。电渣炉供电结构直接关系到电网的相平衡和节能问题。现代化新型电渣炉将采用一系列新材料、新工艺，实现无磁短网，使得短网压降得到有效降低；变压器采用有载无级调压，变压器压降基本不随负载变化而变化，保持了冶炼工艺的稳定。并且变压器损耗较低，功率输出也比较稳定，使冶炼工艺的稳定性和重现性得到了加强。并且在节约电能方面有明显改善，降低 30%。电渣炉设有抽风排烟装置以及除尘和烟气净化处理设施，有利于环境保护。采用先进的电渣炉除尘装置技术，除尘效率85%，净化能力80%。采用电渣炉计算机自动控制系统可以对电渣熔铸工艺过程进行动态优化控制，保证了铸件的精炼及凝固条件。在电渣熔铸起弧及补缩阶段，采用计算机自动控制可以实现铸件少切头、切尾，可减少金属消耗 5%10%；在电渣熔铸变断面铸件时，通过采用计算机自动控制系统调整输入功率，可提高电渣炉的热效率和电效率，节约电耗约为 8%10%。（2）结晶器是电渣熔铸设备中重要的部件之一，它一方面起着熔炼室的作用，金属自耗电极在结晶器中熔化、精练，是电渣炉的炉体；一方面又起着铸造模具的作用，熔融金属在结晶器中受到强制冷却而结晶，形成铸件。实际生产中电极在结晶器中熔化，熔融的金属被强制冷却，冷却后的金属获得与结晶器内腔形状相同的铸件。由于结晶器的无退让性，在熔铸大型铸件时，铸件收缩受阻，必然产生裂纹。同时，常规的结晶器设计工艺无法完成复杂铸件在结晶器内的近净成形。传统的结晶器大多采用钢制或铜一钢复合结构，但均存在不同程度的缺