新建年產(chǎn)10萬噸消失模鑄造生產(chǎn)線項目可行性研究報告(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 學精密機械研究所研究員黃述哲教授領(lǐng)導的課題組，在中國最早開始了消失模鑄造的原理性試驗。同年，黃述哲教授在全國鑄造工藝學會上發(fā)表了 “消失模鑄造基本特性的研究”論文報告，在國內(nèi)首次系統(tǒng)闡述了這一方法的特點和規(guī)律性。 1982 年，在大量實驗室試驗的基礎(chǔ)上，黃述哲教授主持在光機所工廠建成了一條消失模鑄造實驗生產(chǎn)線。黃述哲教授主持完成的“消失模鑄造技術(shù)開發(fā)及工業(yè)化應用”于 1997年、 1998年分獲中科院科技進步二等獎和國家科技進步三等獎，這是我國鑄造工業(yè)界科技成果中獲得的最高獎項。 1998年被國家科技部列為“九五國家科技成果重點推廣項目”（ 99010202A）。黃述哲教授主持完成了數(shù)十個技術(shù)先進、功能完備、配置合理、生產(chǎn)高效的消失模鑄造流水生產(chǎn) 線工程。八十年代后期鄭州機械所也開始了消失模鑄造的試驗性應用研究。九十年代開始以來，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、華中理工大學、西安交大等也紛紛加入了消失模鑄造的研究。 世界消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢 美國學者 《全球消失模生產(chǎn)技術(shù)和市場發(fā)展》的論文，比較詳細地論述了模樣制作、涂料、砂子年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 緊實、澆注、充型和模樣熱解各個環(huán)節(jié)的成就和發(fā)展趨勢，許多北美的企業(yè)、高校和行組織聯(lián)合起來，組成消失模鑄造聯(lián)盟，對該工藝進行開發(fā)研究，經(jīng)過不懈的努力，使該工藝得到不斷的改善，工藝過程得到更好 的控制，也逐漸被更多的鑄造界人士所認同，鑄造企業(yè)和鑄件的使用者都從中受益。 1999 年美國威斯康星大學的一項市場市場調(diào)查表明，在未來的 6到 10年中，消失模工藝的前景一片光明。市場調(diào)查表明：在 1990年，有6%的鋁合金鑄件是使用消失模鑄造工藝生產(chǎn)的。預計到 2021年，將會有 29%的鋁合金鑄件使用該工藝。從 1997 年起，灰鑄鐵和球鐵方面也有較大增長，目前約有 2%的灰鑄鐵件是由消失模工藝生產(chǎn)的，預計到 2021 年將達到 15%。消失模工藝不斷為人們所認識，也為新產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了足夠的信心。通用（美國）、 teksid（美 國）、 casti（意大利）、 intermet（美國）、citation form（美國）、寶馬（德國）都已經(jīng)引進了消失模鑄造工藝。 我國消失模鑄造的應用現(xiàn)狀 進入 20 世紀 80 年代以來，國內(nèi)外再度掀起了研究開發(fā)和應用消失模鑄造的熱潮。據(jù)有關(guān)資料報道，西德國營鑄造業(yè)的320 家鑄造廠中已有 87 家采用負壓實型鑄造法，占 26%。日本現(xiàn)已有 90家工廠用負壓實型鑄造法生產(chǎn)單件大中型實型鑄件，年產(chǎn)約 18~25 萬 t ； 1989年 5月，在西德杜塞爾多夫市舉行的年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 “第七屆世界鑄造機械博覽會”，有 28 個國家 624 家 公司參展，消失模鑄造商之多，給人留下了深刻的印象，似乎鑄造業(yè)的未來屬于這項工藝。 為提高我國的消失模鑄造技術(shù)和發(fā)展生產(chǎn)，在中國鑄造協(xié)會和有關(guān)單位的支持下，“中國鑄造協(xié)會實型鑄造專業(yè)委員會”于 1988 年 11 月成立。它的成立對發(fā)展我國的消失模鑄造技術(shù)和生產(chǎn)有著深遠的影響。迄今，實型鑄造專業(yè)委員會已擁有 80余家會員單位。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國用于生產(chǎn)大中型單件的消失模鑄造， 1995 年約有 20 多家，年產(chǎn) 7000 噸 消失模鑄件。其中具有代表性的生產(chǎn)廠家有：第一汽車廠專用機床廠、第二汽車廠通用鑄鍛廠、西安建筑科技大學中興公司 、北京吉普汽車有限公司、寶雞石油機械廠、白城通業(yè)集團實型鑄造廠、大連機床廠鑄造分廠、山西華恩汽車配件公司、貴州險峰機床廠等，其中絕大部分是汽車、機床行業(yè)廠家。 與國外一樣，中國在實型鑄造行業(yè)中發(fā)展較快的是采用無粘結(jié)劑干砂和抽真空技術(shù)的實型鑄造 —— 消失模鑄造， 20 年前處于試生產(chǎn)的只有幾個廠家，產(chǎn)量僅幾百噸，而今用于生產(chǎn)或試生產(chǎn)的已有 80~100 余家，正著手和準備上此項目的廠家還有 120 余家；其產(chǎn)量更是大幅度地增長。據(jù)不完全統(tǒng)計， 1995 年和 1997年消失模鑄件產(chǎn)量分別為 7200噸 和 20210噸 。 從我國消 失模鑄造生產(chǎn)的產(chǎn)品來看，與先進國家相比，其形狀和品種基本相似，但復雜程度和質(zhì)量水平差距較大。 年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 （ 1）傳統(tǒng)實型鑄造幾乎與國外一樣，主要用于生產(chǎn)汽車覆蓋模具、機床和重型機械鑄件。早在 20 世紀 70 年代，中國已制造出達到世界水準的 52 噸 重的鑄鋼件和 噸 重的（機床）鑄鐵件。 （ 2）在消失模鑄造方面所生產(chǎn)的鑄件已從早期的磨球、襯板、管狀鑄件逐步發(fā)展到生產(chǎn)簡單箱體、閥門、管件類鑄件，近幾年又進而發(fā)展到生產(chǎn)汽車和柴油機部件，如剎車盤、排氣歧管等較復雜鑄件。 （ 3）我國的消失模鑄造雖與工業(yè)先進國家相比還有一定差距離，但 在應用上是成功的 。 在生產(chǎn)方式上也從單件大中型鑄件、大批量中小鑄件并舉發(fā)展，進而轉(zhuǎn)向以大批量負壓實型鑄造為主；在技術(shù)上已日趨成熟，并具有一定水平；已有部分產(chǎn)品，如管狀鑄件、剎車盤、機箱體 在 大中型 鑄造 企業(yè)中得到較快發(fā)展，而且將在我國廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)和私營中小鑄造廠獲得廣闊的發(fā)展前景。這已成為當前中國負壓鑄造領(lǐng)域發(fā)展的一大特色。 消失模鑄造技術(shù)被國際譽為“二十一世紀的鑄造技術(shù)”，又譽稱為： “ 綠色鑄造”。 消失模鑄造技術(shù)是將與鑄件尺寸形狀相似的發(fā)泡塑料模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂層并烘干后，埋在干石英砂中振動造型 ，在一定條件下澆注液體金屬，使模型氣化并占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成所需鑄件的方法。 對于消失模鑄造，有多種不同的叫法。國內(nèi)主要的叫法有“干砂實型鑄造”、“ 負壓實型鑄造”，簡稱 EPC 鑄造。國外的叫法年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 主要有： Lost Foam Process ()、 P0licast Process(Italy)等。 最近幾年國外又將該項技術(shù)進一步發(fā)展到 “ 先消失，后鑄造”的水平。 從產(chǎn)品情況看， 1990 年美國 GM 汽車公司在 Saturu建立了一個年產(chǎn) 55 萬噸的三條全自動化消失模鑄造生產(chǎn)線，生產(chǎn)四缸缸體，缸蓋。 1995 年德國 BMW 建成年產(chǎn) 20 萬 噸生產(chǎn) 各種規(guī)格的缸體 ， 缸蓋的消失模生產(chǎn)線。 2021 年，美國 GM 所屬的 Saginan金屬鑄造企業(yè)消失模生產(chǎn)線投產(chǎn)，生產(chǎn) vortel直式運動跑車 6缸體的缸蓋，這兩種產(chǎn)品是目前最復雜，最有代表性的消失模產(chǎn)品，該廠能日產(chǎn)這兩種產(chǎn)品 2021件以上。 總之，廣泛采用消失模技術(shù)生產(chǎn)曲軸箱體的國家有美國、德國、意大利、法國、英國、印度、瑞士、荷蘭等國家。 消失模鑄造在國內(nèi)存在的問題及其難點： 這種工藝在國內(nèi)發(fā)展的時間有限，因此與之配套的專用基礎(chǔ)材料比較缺 乏， 如涂料、發(fā)泡珠粒、專用粘膠。這些材 料直接關(guān)系到鑄件的熱解殘留物（碳黑缺陷）粘砂狀態(tài)，這是它的難點之一。 從理論上講消失模非常適合結(jié)構(gòu)復雜的薄壁件鑄造。但像曲軸箱之類的復雜薄壁件的泡沫模樣受國產(chǎn)珠粒的最小直徑限制 ， 且這種小直徑的珠粒國內(nèi)不能生產(chǎn)，通常是通過分篩一定時間后累積而成，而珠粒所含發(fā)泡劑是隨時間而揮發(fā)的。即使進口由于貯存時間有限，也不好辦，這是它的難點之二。 年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 充型平穩(wěn)這是對所有鑄造工藝的要求，但消失模要求更高，對曲軸箱之類的復雜結(jié)構(gòu)件更為嚴格，否則泡沫有可能卷入金屬液中不能隨負壓排出，造成碳黑缺陷，如果這種缺陷出現(xiàn)在加工后的工作面，是 非常致命的。當然，碳黑缺陷的直接內(nèi)因是白模、粘膠熱解殘留物。但根據(jù)實踐統(tǒng)計，即便白模、粘膠均為不理想狀態(tài) ，但 如果澆注設(shè)計合理 ， 也可以消除 90％的碳黑缺陷。問題在于國內(nèi)該消失模充型模擬軟件沒有，國外有一是買不起，二是我們許多原材料條件不清楚，用起來就與實際情況相差甚遠，這是它的難點之三。 正是基于這些原因，國內(nèi)消失模鑄造盡管有長足發(fā)展，但也只能生產(chǎn)變速箱殼體、管件、閥門之類的簡單件。 本項目所發(fā)明的 “消失模 鑄造 發(fā)動機缸體、飛輪、汽車箱體、輪蕊、制動轂 的方法”應該代表國內(nèi) 消失模 鑄造法的一個方向，可以在 汽 車發(fā)動機 缸體、飛輪、汽車箱體、輪蕊、制動轂 的鑄造上得到廣泛應用，具有非常突出的優(yōu)點：外型美觀、尺寸精確、加工余量小、重量輕、勞動強度小、鑄件斷面優(yōu)良等，必將引發(fā)國內(nèi)汽車發(fā)動機缸體 等 鑄件方法的革命。 消失模鑄造特點 鑄件一次成型，盡寸精度高。由于采用極易氣化的泡沫塑料作模型，澆鑄前無需取出造型模具，無分型面，無芯子，因此產(chǎn)品無飛邊毛刺，無拔模斜度，減少了由于型芯塊組合而年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 造成的盡寸誤差，產(chǎn)品的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模精密鑄造。同時，因為采用干砂造型，根除了由于型砂中的水、粘結(jié)劑、附加物 帶來的缺陷，鑄件廢品率顯著下降。此外這種新工藝對操作工人的技術(shù)水平要求不高，對鑄造行業(yè)有著巨大的吸引力。雖然泡沫模型的變形和泡沫材料的熱解產(chǎn)物可能會對鑄件的質(zhì)量帶來不利影響，但只要對模型材料和制模工藝、涂料以及干砂緊實等環(huán)節(jié)進行嚴格的控制，完全可以克服不利的 影響因素，獲得優(yōu)質(zhì)的精密鑄件。 可以大大改善鑄造車間的環(huán)境條件，容易實現(xiàn)無污染生產(chǎn)。低溫下聚苯乙烯（ EPS）對環(huán)境完全無害，澆注時排除的有機物量極少（只占鐵水重量的 ％），而采用自硬砂澆鑄時的有機物排放量占到 5％以上；同時 EPS 產(chǎn)生有 機物的時間短，易于收集，可以通過對砂箱抽真空進行集中處理，實屬對環(huán)境的無公害排放。此外 EPS 法清理工作量大大降低，噪聲少、一氧化碳和石英粉塵危害小，舊砂回收利用率可達 95％以上，整 個工藝過程容易實現(xiàn)機械化、自動化生產(chǎn)。 鑄件形狀、結(jié)構(gòu)不受限制，為制品設(shè)計提供了充分的自由度。原先由多個零件加工組裝的構(gòu)件，可以通過分片制模然后粘合的辦法進行整體澆鑄；原先需要加工形成的孔、洞可以 直接鑄出，這就大大減少了加工裝配的工時和費用。 生產(chǎn)制造成本低，設(shè)備投資小。由于氣化模的制作成本低（僅 為木模價格的 1/3），材料來源廣泛，所需的成形設(shè)備少，年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 投資小。一般說來采用 EPS 技術(shù)，設(shè)備投資可減少 30％ ~50％，鑄件成本可下降 20％ ~30％。當然，模具的設(shè)計和制造會影響鑄件生產(chǎn)的成本和效率，如果采用當代先進的快速制模技術(shù)和 并行環(huán)境下的計算機模擬仿真技術(shù)，存在的問題是可以得到很好的解決的。 大量生產(chǎn)條件下傳統(tǒng)粘土砂型鑄造與消失模鑄造工藝特點的比較 項 目 傳統(tǒng)砂型鑄造 消失模鑄造 模 型 工 藝 1．開邊 必須分型開邊，便于造型 無須開邊 2．拔模斜度 必須有一定的拔模斜度 基本沒有或 很小的拔模斜度 3．組成 有外型芯合組成 單一模型 4．應用次數(shù) 一個模型多次使用 一型一次 5．材質(zhì) 金屬或木材 泡沫塑料 造造型工藝 1．型砂 有粘結(jié)劑、水、附加物經(jīng)過混制 的型芯砂 無粘結(jié)劑、任何附加物和水的干砂 2．填砂方式 機械力填砂 自重微振填砂 3．緊實方式 機械力緊實 物理（自重、微振、真空）作用緊實 4．砂箱特點 根據(jù)每個零件特點制備專用砂箱 簡單的通用砂箱 5．鑄型型腔 由型芯裝配組成空腔 實型 6．涂料層 大部分無需涂層 必須有涂層 澆注 工藝 1．充 型特點 只是填充空腔 金屬與模型發(fā)生物理化學作用 2．影響充型速度的主要因素 澆注系統(tǒng)與澆注溫度 主要受型內(nèi)氣體壓力狀態(tài)，澆注系統(tǒng)，澆注溫度的影響 落砂 清理 1．落砂 需強力振動打擊 翻箱或吊出鑄件，鑄件與砂自動分離 2．清理 需打磨飛邊毛刺及內(nèi)澆口 只需打磨內(nèi)澆口，無飛邊毛刺 第 六 章 競爭優(yōu)勢分析和 投產(chǎn)項目的產(chǎn)品定位 年產(chǎn) 10萬噸汽車部件精密鑄造生產(chǎn)線技術(shù)改造工程 項目可行性研究報告 競爭優(yōu)勢分析 采用消失模鑄造汽車發(fā)動機缸體 、飛輪、箱體、輪蕊和制動轂 在以下幾個方面充分展現(xiàn)了其強大的市場競爭能力 ： 與傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造比較：消 失模鑄造， EPS 模氣化時分解的有害氣體主要有 CO、苯、二甲苯，但其總量只有傳統(tǒng)樹脂砂鑄造的 6%。而傳統(tǒng)鑄造的有機燃燒分解物充滿于整個生產(chǎn)現(xiàn)場，消失模則隨負壓集中抽出經(jīng)水浴除塵和汽水分離，再經(jīng)熱堿爐燃燒將 CO、甲苯轉(zhuǎn)為 CO2 等無害氣體后高空排放，正是基于此消失模鑄造被稱為 21世紀的“綠色鑄造”。 與傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造相比較，消失模鑄造工藝減少裝機容量 30%，每萬元產(chǎn)值能耗下降；消失模工藝曲軸箱體鑄件重量輕 10%以上，也即金屬的重復熔煉能耗降低，單位產(chǎn)品能耗下降；又由于消失模工藝的曲軸箱鑄件機 加余量少 30%，則機加工能耗下降。因此采用消失模鑄造曲軸箱體可實現(xiàn)鑄造廠綜合節(jié)能 5%~20%。 消失模工藝鑄造的曲軸箱每個輕 10%以上，以 465Q 型鑄件