圖為中國工程院院士丁文江（左二）率領(lǐng)專家評價委員會在高密市志誠機(jī)械有限公司查看采用新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)生產(chǎn)的鑄件。
圖為濰坊市裕川機(jī)械有限公司生產(chǎn)車間的工人們使用造型機(jī)和新型無碳粘土濕型砂制作鑄件造型。
走進(jìn)山東省濰坊市裕川機(jī)械有限公司和志誠機(jī)械有限公司，轟鳴的機(jī)械聲中，只見生產(chǎn)線小車上的砂型在勻速地向前移動，整個車間的地面幾乎看不到灰塵，也聞不到異味，工人們正在有條不紊地在造型機(jī)上用土黃色型砂造型，生產(chǎn)線旁邊擺放著鑄造好的柴油機(jī)氣缸蓋、水套排氣管、紡織機(jī)頭鑄件等產(chǎn)品。這是記者日前跟隨新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)專家評價委員會在企業(yè)實(shí)地考察時看到的。
中國鑄造協(xié)會日前在山東省濰坊市組織召開了《新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)的應(yīng)用研究》科技成果評價會。中國工程院院士李培根、丁文江，中國鑄造協(xié)會會長張立波研究員等國內(nèi)知名專家組成的評價委員會在企業(yè)現(xiàn)場考察之后，聽取了項(xiàng)目組的工作報(bào)告、技術(shù)報(bào)告等匯報(bào)，審查了項(xiàng)目單位提供的應(yīng)用證明等科技成果評價資料。
經(jīng)過詳細(xì)的質(zhì)詢和討論，專家評價委員會一致同意通過該項(xiàng)目的科技成果評價，認(rèn)為新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)是一項(xiàng)原創(chuàng)性技術(shù)成果，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，破解了鑄造行業(yè)煤粉粘土濕型砂鑄造技術(shù)長期存在污染的世界性難題，具有非常重要的應(yīng)用價值，可為鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級綠色發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。
傳統(tǒng)型砂鑄造技術(shù)面臨三大難題
眾所周知，鑄造行業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，與人民生活和工業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切，小至日常用品，大至高端裝備等，都離不開鑄造。其中，用砂型鑄造方法生產(chǎn)的鑄件約占鑄件總量的80%以上。型砂是鑄造生產(chǎn)中主要的造型材料，在鑄造生產(chǎn)中占有重要的地位。
了解到，現(xiàn)有鑄造用砂主要有：煤粉粘土濕型砂、水玻璃砂、樹脂砂三大類。目前，國內(nèi)外絕大部分鑄造企業(yè)都在使用煤粉粘土濕型砂，這種型砂在粘土濕型砂中加入煤粉等有機(jī)物和碳質(zhì)附加物，主要是用于抗粘砂和夾砂，但由于煤粉粘土濕型砂固有缺陷所帶來的鑄件質(zhì)量和環(huán)境污染問題，始終沒能解決。
水玻璃砂由石英砂、水玻璃和附加物混合配制而成，制成的砂型可吹CO2實(shí)現(xiàn)化學(xué)硬化，也可采用加熱硬化或在硬化劑作用下自行硬化。這種型砂不含有毒物質(zhì)，比較環(huán)保。但水玻璃砂有落砂困難和舊砂不易再生、粘砂嚴(yán)重等難以克服的缺點(diǎn)，致使其無法全面推廣。
樹脂砂由石英砂、樹脂和硬化劑等混合配制而成。常用的樹脂有呋喃樹脂、甲階酚醛樹脂及尿烷樹脂等。用這種型砂制成的砂型強(qiáng)度高、尺寸準(zhǔn)確、潰散性好、能源消耗少。但生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量有毒氣體，排放量大，成本較高。
“型砂鑄造技術(shù)存在高污染、高能耗、鑄件質(zhì)量不高三大世界性難題，鑄造過程中會產(chǎn)生廢氣污染、粉塵污染和固體廢棄物污染，鑄造車間嚴(yán)重的粉塵和氣體污染導(dǎo)致工人作業(yè)環(huán)境非常惡劣，排放到車間外的粉塵和氣體也是霧霾的重要源頭之一。”東華大學(xué)教授朱世根說。目前生產(chǎn)應(yīng)用的樹脂砂、水玻璃砂只能使用一次，煤粉粘土濕型砂雖能部分重復(fù)使用但排放總量很大，固廢污染十分嚴(yán)重。
此外，鑄造行業(yè)是機(jī)械行業(yè)的耗能大戶，其能耗占機(jī)械工業(yè)總能耗的45%左右，其中煤粉的消耗量相當(dāng)可觀。傳統(tǒng)鑄造技術(shù)生產(chǎn)的鑄件，氣孔多、夾砂和沖砂現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致產(chǎn)品表面不光潔、清理工作量大、加工余量大等問題，嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率，廢品率居高不下，其中由于型砂引起的廢品率大約占一半。
校企合作研發(fā)新型無碳粘土濕型砂
近年來，隨著新《環(huán)境保護(hù)法》《大氣污染防治法》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》等法律文件的出臺，污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。作為傳統(tǒng)的高耗能、高污染行業(yè)，鑄造業(yè)生產(chǎn)過程中排放最多的就是固體廢棄物和空氣污染物。如何在保證鑄件質(zhì)量的同時，減少對環(huán)境的污染，是傳統(tǒng)鑄造企業(yè)面臨的一個重要課題。
為解決煤粉粘土濕型砂存在的問題，東華大學(xué)、山東渲和新材料科技有限公司、義烏云溪新材料科技有限公司歷經(jīng)數(shù)年研發(fā)了新型無碳粘土濕型砂，采用純無機(jī)材料為原料，完全不加煤粉和任何煤粉代用品，不含任何碳質(zhì)材料和有機(jī)材料。
“新型無碳粘土濕型砂具有綠色環(huán)保、低碳節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、鑄件優(yōu)質(zhì)等特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)煤粉砂等有機(jī)物的防粘砂和夾砂機(jī)理，掌握了型砂與金屬界面作用的有效調(diào)控原理，實(shí)現(xiàn)了從偶然的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上升到可復(fù)制、可重復(fù)的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變，形成純無機(jī)物防粘砂新技術(shù)，在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)，已成功申請國家專利。”新型無碳粘土濕型砂技術(shù)發(fā)明人——東華大學(xué)教授朱世根說。
據(jù)了解，新型無碳粘土濕型砂呈土黃色，原材料全部是無毒無機(jī)物，其常規(guī)指標(biāo)與煤粉粘土砂相當(dāng)，常溫濕壓強(qiáng)度、流動性、緊實(shí)率可調(diào)，透氣性較好，熱濕拉強(qiáng)度高，可保證基本的造型操作和澆注要求。
此外，新型無碳粘土濕型砂高溫?zé)釅簭?qiáng)度高，高溫?zé)崤蛎浡市。赜眯愿茫T造過程中不產(chǎn)生廢氣，產(chǎn)生的少量廢砂不存在任何毒性，甚至可以還耕種地。使用該型砂生產(chǎn)的鑄件表面粗糙度和尺寸精度改善，后續(xù)機(jī)械加工更加簡便，減少加工和清理的能耗。
新型砂生產(chǎn)試驗(yàn)反饋良好
實(shí)驗(yàn)室研究為新型無碳粘土濕型砂的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但鑄造行業(yè)的生產(chǎn)條件千差萬別，無論是零件的尺寸和形狀、材質(zhì)，使用的造型方法和自動化程度，還是鐵水澆注溫度、壓頭高度和澆注速度等因素，都會對型砂提出不同的要求。新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)能否經(jīng)得起實(shí)際生產(chǎn)條件的考驗(yàn)，還需要進(jìn)一步的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)。
從2014年開始，新型無碳粘土濕型砂在浙江、江蘇、福建、山東等各地鑄造廠開始規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)。生產(chǎn)產(chǎn)品包括汽車鑄件、閥門鑄件、發(fā)動機(jī)缸體缸蓋鑄件、消防管件、電機(jī)殼體、水泵鑄件、道路配件等產(chǎn)品。鑄件材質(zhì)涉及球鐵、灰鐵、鋁合金等。造型方法包括手工造型、震壓式造型機(jī)造型、垂直分型擠壓造型等。
經(jīng)過試驗(yàn)，新型無碳粘土濕型砂完全適用于灰鐵、球鐵、有色等多種材質(zhì)、不同大小的鑄件生產(chǎn)。澆注過程中不產(chǎn)生有毒廢氣，不對空氣構(gòu)成污染。車間粉塵漂浮物大大減輕，空氣質(zhì)量明顯改善。鑄造過程中報(bào)廢的少量廢砂，無毒無害，顏色與土壤相近，與環(huán)境相容性好。生產(chǎn)鑄件表面粘砂少，夾砂和沖砂缺陷低，鑄件中很少發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷，鑄件品質(zhì)提高，產(chǎn)品的成品率可提高3%～5%。
今年9月，濰坊市迪爾鑄造有限公司與山東渲和新材料科技有限公司合作，采用新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)，進(jìn)行斯太爾發(fā)動機(jī)六缸缸體鑄件的生產(chǎn)試驗(yàn)。“這種缸體水腔由一顆水套芯組成，對鑄造工藝要求嚴(yán)格，是鑄造生產(chǎn)難度很高的鑄件。為了方便比較，生產(chǎn)過程中采用和普通型砂相同的壓力、澆注溫度和速度。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，新型砂的透氣性，抗粘砂、夾砂性能優(yōu)于粘土砂，鑄件質(zhì)量、精度完全達(dá)到要求。”濰坊市迪爾鑄造有限公司總工程師趙法海說。
高密市志誠機(jī)械有限公司自2017年12月開始，共采購新型無碳粘土濕型砂503噸進(jìn)行垂直分型射壓造型鑄造生產(chǎn)，已使用10個月的時間，生產(chǎn)出口各類農(nóng)機(jī)配件等鑄件2500多噸。“使用新的型砂后，消除了傳統(tǒng)潮模砂的黑色視覺污染，澆鑄過程中不產(chǎn)生有毒廢氣，車間粉塵漂浮物大大減輕，空氣質(zhì)量明顯改善;廢砂排放量減少，生產(chǎn)的鑄件不粘砂、容易清理，成品率提高，鑄件成本也相對降低了。”該公司總經(jīng)理孫慎晟說。
此外，朱世根還帶領(lǐng)項(xiàng)目組對不同型砂在生產(chǎn)過程中排放的污染物進(jìn)行了對比。數(shù)據(jù)顯示，煤粉濕型砂在澆注后顆粒物（PM2.5、PM10、PM100）、甲醛、二氧化碳的小時平均濃度增量均超出GBZ2.1-2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》規(guī)定限值，二氧化硫、二氧化氮的小時平均濃度增量均超出GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定限值。而新型無碳粘土濕型砂在澆注后顆粒物（PM2.5、PM10、PM100）顆粒物、甲醛、二氧化氮、二氧化碳均未超出GB2.1-2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》規(guī)定限值，一氧化碳、二氧化硫均未超出GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定限值。
“鑄造本身就是一種材料再生的傳統(tǒng)行業(yè)，我們要做的是怎么能更環(huán)保、更節(jié)能地把鑄件生產(chǎn)制造出來。新型無碳粘土濕型砂的出現(xiàn)，讓我們更有信心盡快地投入到生產(chǎn)中去，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境盡一份力。”勤美達(dá)國際控股有限公司勤威（天津）工業(yè)有限公司鑄造部部長閆學(xué)立說。
技術(shù)突破助力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級
近年來，新舊動能轉(zhuǎn)換，已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，而新舊動能轉(zhuǎn)換的動力在于創(chuàng)新。新型無碳粘土濕型砂的研發(fā)，對改變鑄造行業(yè)高污染、高能耗的局面，推進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。
從專家評價委員會形成的評價意見中看到，朱世根帶領(lǐng)的項(xiàng)目組在國內(nèi)外首次系統(tǒng)研究開發(fā)了新型無碳粘土濕型砂，具有優(yōu)異的常規(guī)鑄造性能，不含煤粉等碳質(zhì)材料和有機(jī)材料，節(jié)約能源，廢氣、粉塵和固體廢棄物排放低，回用性好、耗砂量少，成本降低，是濕型砂鑄造技術(shù)發(fā)展的新突破。應(yīng)盡快制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加大應(yīng)用規(guī)模。
中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會理事會理事陸鑫民說：“無論是應(yīng)用效果，還是原創(chuàng)性，新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)的出現(xiàn)，對全國的鑄造行業(yè)來說都有著重要的作用，特別是在全國要用三年的時間打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)這一背景下，這項(xiàng)技術(shù)會有更多的機(jī)會推廣。”
濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司董事長任興武表示，濰柴集團(tuán)一直在尋求更環(huán)保更節(jié)能的鑄造技術(shù)和方案，新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)是對傳統(tǒng)煤粉粘土砂技術(shù)的一個重大突破，我們會積極聯(lián)系、持續(xù)關(guān)注該產(chǎn)品，在條件成熟的前提下考慮應(yīng)用到濰柴生產(chǎn)線上。
濰坊市裕川機(jī)械有限公司總經(jīng)理劉偉在評價會上說：“作為全國綠色鑄造先進(jìn)單位，我們率先使用新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)，為當(dāng)?shù)罔T造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和綠色發(fā)展起帶頭示范作用。”
“新型無碳粘土濕型砂鑄造技術(shù)作為引領(lǐng)鑄造行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重大原創(chuàng)成果在濰坊市亮相，獲得專家們一致好評，充分證明了這項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性和前瞻性。作為地方政府，將全力以赴支持這項(xiàng)技術(shù)，支持新舊動能轉(zhuǎn)換、新技術(shù)、新成果、新模式的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。”濰坊市坊子區(qū)區(qū)長張龍江說。
山東渲和新材料科技有限公司董事長武州表示，這次專家評價會對公司意義重大，為產(chǎn)品后期在鑄造業(yè)的大力推廣，助力鑄造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換和綠色發(fā)展打下了基礎(chǔ)。
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