铸造技术

铸造生产技术发展趋势
以及对我国铸造行业技术改造的建议
一、概述
铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械工业重要的基础工艺，在国民经济中占有重要的位置。

我国铸造业的现状是产量大，年产铸件约1,200万吨，厂点多，达2万多个，铸造业的从业人员在120万人以上。

我国铸造行业的一大特色是改革开放以来乡镇企业迅猛发展，成为我国铸造行业的一支重要力量。

乡镇铸造厂点数已超过国有铸造厂点，乡镇铸造厂点的铸件产量约占全国铸件总产量的一半。

当前世界上工业发达国家铸造技术的发展归纳起来大致有四个目标，即：①保护环境，减少以至消除污染；②提高铸件质量和可靠性，生产优质近终形铸件；③降低生产成本；④缩短交货期。

我国铸造行业除厂点多,从业人员多,产量大以外,与发达国家相比,在质量、效率、能源与材料消耗、劳动条件与环境保护等方面都存在差距。

造成这些差距的原因是铸造厂点规模小，经济实力差，工艺和设备落后，管理水平低，从业人员素质不高。

为了消除这些差距，为了满足我国经济建设的需要，也为了铸造行业
自身的存在与发展，我国的铸造行业应以提高铸件质量和经济效益为中心，面向国内和国际两个市场；加强管理，打好基础，提高企业素质；调整产业结构，合理配置资源，提倡适度规模经营；继续以适用先进的生产工艺和技术装备改造铸造行业，实现清洁化生产，保证可持续发展。

1 效益是企业发展的基础
发展的基础是效益，发展又是为了实现更高的效益。

中国应该有一个高效益的铸造业。

没有效益的企业连生存也是困难的，更谈不上发展。

为了提高效益，应从以下几方面着手：
①减员增效与节能降耗。

②实现专业化生产。

③采用新技术，实现科学管理。

2 质量是企业的生命
质量和效益有时看似矛盾，但两者是统一的。

产品质量低劣的企业终究是不能立足的，更谈不上效益,也不可能持续发展。

提高产品质量需从以下几方面着手：
①合理选购原辅材料，正确制订及严格执行有关的工艺规程。

②采用新技术、新工艺、新设备、新材料。

a.加强计算机技术在铸造生产中应用的研究。

b.在砂型铸造中采用高硬度及高均匀度的铸型,发展与推广相应的工艺与设备。

c.发展近净形及净形铸造成形新工艺。

d.发展液态金属处理及净化的新工艺新技术，优化材料性能。

e.发展机械化自动化，以保证铸件质量的稳定性、均一性，改善劳动条件。

f.加强铸造环保设备的研究和应用。

③具有一支稳定的高素质的从业人员队伍。

3 实现清洁化生产
清洁化生产是可持续发展的基本要求。

清洁化生产的含义是：实现尽可能低的资源(原材料)与能源消耗；实现宜人化的生产环境及最低或零污染物排放;生产清洁化的产品(产品耗能、耗材少,易于再生复用及符合人机工程要求)。

铸造的清洁化生产,主要是应用新技术、新工艺、新材料、新设备以实现低消耗、低污染或者无污染及铸造生产的宜人化环境等方面。

二、坚持进行技术改造，采用成熟、适用、先进技术
企业技术改造，要根据企业产品的结构特点、批量大小、质量要求，合理选用成熟、适用、先进的技术。

首先，所选技术必须成熟可靠。

因为技术改造不是科研，不允许失败；也不是中间试验，可以小规模、小范围，而不讲时间和条件。

技术改造是要将成熟的科技成果应用于设计、生产中。

同时所选技术对改造企业来讲还必须适用，保证在经济上合理。

实践告诉我们，并非凡是先进的、技术含量高的一定是适用的。

各种技术都有一定的局限性和适用范围，适合于一定的零件，选择不当，再先进的技术，也不能确保生产出优质的产品，不能保证产生高的经济效益。

1 发展高性能铸造合金，提高产品的材质水平
据近五年统计，我国铸铁件占铸件总产量的79%～80%(球铁约占13%)，铸钢件占13%～14%，有色合金铸件约占7%，(铝铸件约占5.5%)。

发展趋势是灰铸铁件、铸钢件(主要是碳钢件)、可锻铸铁件呈下降趋势，球铁件在增长，轻合金件占的比例越来越大。

发达国家轻合金铸件产量已超过铸钢件，其产值已远远超过铸钢件；日本1998年压铸件的产值已接近灰铸铁件；球墨铸铁件的产量为铸钢件的四倍多，产值为铸钢件的两倍。

今后，我国应提高球墨铸铁、蠕墨铸铁、高强度灰铸铁、合金铸钢、铸造铝合金、镁合金的比例。

1)铸铁
(1)加强高强度薄壁灰铸铁生产技术的开发
低成本和良好的铸造性能是灰铸铁的主要优势，所以灰铸铁已广泛应用于汽车、内燃机、农机、压缩机和市政建设等领域。

今后制约灰铸铁件增长和发展的主要因素之一是轻量化，铸铁轻量化将为铸铁工业注入新的活力，今后应加强高强度薄壁灰铸铁的生产技术的开发。

(2)进一步推广使用球墨铸铁
随着我国汽车工业和铸管工业的发展，以及随着我国球墨铸铁生产水平的提高，应用领域的拓宽，预计进入21世纪，我国球铁件产量必将有大幅度的增长，应进一步扩大等温淬火球墨铸铁在承受强载荷工况机械零件和耐磨件上的应用。

推广铸态球墨铸铁，节约能源，降低生产成本。

(3)扩大蠕墨铸铁的应用
蠕墨铸铁是一种新型材料,它的强度、塑韧性高于灰铸铁,铸造性能优于球墨铸铁,具有优良的耐热疲劳性能和导热性能,可在柴油机缸盖和排气管、液压阀、机床床身、钢锭模、玻璃模具等铸件上推广应用。

(4)抓好铸铁熔炼环节,提供优质铁水
抓好铸铁的熔炼环节,及时提供优质铁水,这是提高铸件综合质量的基本保证。

所谓优质铁水,是指铁水温度高,成分合格,波动小,元素烧损少,增碳率高。

目前我国用于铸铁件生产的熔炼设备90%以上为冲天炉,其中绝大部分又是小型(≤5T/h)冷风冲天炉,且多使用冶金焦。

这种炉子的能量效率不高(约38.8%),连续工作时间短,难以熔炼出优质铁水。

为了获得优质铁水，应当推广铸造焦和先进适用炉型。

熔化量大的5t/h以上的冲天炉宜采用外热风(＞500℃)、水冷、连续作业、清洁、封闭冲天炉；流水线生产球墨铸铁、蠕墨铸铁、高强度薄壁灰铸铁件宜采用冲天炉感应电炉双联熔炼；生产特种小铸铁件，如供电条件好，可用感应电炉熔炼。

熔炼过程中，还可采用加氧送风、等重除湿等先进技术。

小型冷风冲天炉或单炉胆热风冲天炉可改为双炉胆式高效内热风冲天炉，使热风温度由200℃提高到400℃左右；推广应用多孔塞脱硫技术，发展盖包、转包、喂丝等球化工艺，提高球铁铸件的质量。

在大批量流水生产中推广应用铁水流、孕育丝和型内孕育等瞬时孕育技术及过滤网技术，提高材料均匀性，并减少渣孔缺陷。

为及时掌握铁水的成份变化和铁水处理的质量，应逐步在专业铸造厂配备一系列现代化的测试、分析和管理手段，要提高监测设备的快速性、精密性及自动化程度。

逐步取消用炉前试块观测白口深度的原始粗测法，采用物理方法的铁水性能速测仪或热分析仪，快速测定C、Si、碳当量和力学性能；资金充裕者引进直读光谱仪。

冲天炉烟气净化的措施就是抽出烟气，使烟气中的CO二次燃烧，燃烧余热再预热冷空气并使热风鼓入冲天炉，同时达到提高铁水温度和烟气净化的双重作用。

冲天炉除尘措施有：
①干式除尘器。

投资少者可采用旋流除尘器、旋风除尘器(含多管旋风除尘器)；投资较多者可采用袋式、静电、颗粒层等除尘器。

②湿式除尘器或两级组合除尘(如旋风加布袋)。

这要视要求排放标准和投资多少而定，但要注意，常用的袋式除尘器要考虑烟气冷却和布袋的使用寿命(特别是打炉时)，湿式除尘要处理好含尘水排放堵塞下水道，造成二次污染的问题。

2)增加铸钢品种，提高铸钢件质量
铸钢工业发展的趋势将不再是铸钢件产量、铸钢厂数量和生产能力的增加，而是铸钢件的质量、品种、性能以及合金钢的比例的不断提高。

我国合金钢铸件的比例不足20%，而工业发国家已达到42%～48%。

随着合金钢铸件比例的提高，对合金钢液的精炼要求也愈来愈高。

采用高新技术提高铸钢件性能，缩小铸钢件体积，提高铸钢件寿命是亟待解决的问题。

建议在如下几方面开展工作。

①开发铸钢中合金钢新钢种，提高铸钢性能，部分顶替锻钢，提高材料利用率，降低成本，缩短制造周期，节省能源、资源等。

②采用高新技术提高铸钢钢液纯净度、均匀度与晶粒细化程度，进一步提高铸钢的强韧性，减轻铸件重量(与国外相比重10%～20%)，降低废品率。

精炼工艺有：氩气净化；钙线射入净化加氩气净化；AOD 精炼；VOD、VODC炉精炼。

③采用近终形铸造技术，进一步提高铸钢件尺寸精度与表面质量，减少加工余量(与国外相比，加工余量大1～3倍以上)。

④降低能源与新砂消耗(吨钢水耗电：我国700～850kWh，日本450～550kWh)及提高铸钢件工艺出品率(我国55%～58%，工业发达国家60%)。

⑤开发钢基复合材料。

⑥提高环保水平，达到国家环保标准。

3)有色合金铸造重点发展铝、镁等轻合金
铸造轻合金由于具有密度小、比强度高、耐腐蚀等一系列优良特性，广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。

有色合金熔炼应推广感应电炉。

感应电炉热效率高，作业环境好，应是有色合金熔炼的主要设备。

应逐步淘汰燃油坩埚炉和焦炭坩埚炉。

燃油坩埚炉和焦炭坩埚炉不但热效率低，而且会对周围环境造成污染。

还应推广铝合金气体喷吹无毒熔炼技术。

2 发展先进的造型、制芯、落砂、清理工艺和设备
先进、成熟、适用的铸造成型工艺方面，可按产品为对象，大致分为以下三种类型：
(1)大批量生产的中小型铸件，应推广预紧实的高压、静压、射压或气冲造型高效流水线湿型砂造型，减少、淘汰震压式造型；推广树脂砂高效制芯(热、温和冷芯盒，壳芯等)，减少油砂或粘土砂制芯的比例。

湿型铸造中推广煤粉代用材料。

(2)单件、小批量生产的中、大型铸件，继续推广各种类型的树脂自硬砂(呋喃、Pepset法、碱性酚醛树脂砂等)，在中、大型铸钢件生产中，也可推广采用酯硬化水玻玻璃砂，代替和淘汰粘土砂干型。

(3)特定铸件应推广各种特种铸造，如离心铸管、轻合金压铸、低压铸造、硅溶胶熔模铸造或硅溶胶-水玻璃复合制壳工艺、型材连铸、铁型覆砂、V法、消失模铸造等。

此外，还应开发和推广能提高铸件精度和表面质量的专用涂料系列和
涂敷技术，如不占位涂料、流涂涂料、能控制冷却速度的涂料等。

关于铸件清理，继续推广强力抛、喷丸等高效机械化清砂，淘汰水力清砂、水爆清砂，减少手工清砂。

对铸铁件配备抛丸清理设备或清理生产线，铸钢件或较复杂的铸铁大件采用喷抛联合清理设备，液压件等小壳体类铸件可采用电液压或电化学清砂设备；如组织清整生产线要尽量考虑铸件的在线检测(如测尺寸精度、表面硬度等)、粗加工基准定位面，设置铸件的防锈处理(浸防锈液或涂底漆等)。

还应开发推广机械手和机器人在落砂清理, 切割浇冒口, 打磨飞边毛刺中的应用, 改善工人的劳动条件。

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3 将计算机技术引入铸造领域
传统的铸造设计、生产方法已不能适应市场经济和社会进步的要求，为了赢得竞争、占有市场、可持续发展，铸造生产厂必须变革传统的生产方法，引进新技术、新思维。

将计算机技术引入铸造领域正是这一趋势的迫切要求。

以下就计算机在铸造领域应用的一些重要方面，包括计算机辅助设计与分析、计算机检测与控制、专家系统、信息处理系统、铸造工装的计算机应用以及Internet与铸造产业等进行阐述。

1)计算机辅助设计与分析
(1)计算机辅助设计
计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD)是以计算机为主要手段，辅助设计者完成某项设计工作的建立、修改、分析和优化，输出信息全过程的综合性技术。

与传统铸造工艺设计方法相比，用计算机设计铸造工艺可以显著提高设计效率、缩短设计周期;能够实现设计与分析的统一;可以存贮并利用铸造工作者的经验,较容易设计出合理的铸造工艺;同时为铸造计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,简称CAE)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,简称CAM)、计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning,简称CAPP)及计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,简称CIMS)的实施准备完备的信息,奠定良好的基础。

经过几十年的努力,目前国内外研制开发的铸造工艺CAD系统,概括起来可以分为通用和专用铸造工艺CAD两类：
通用铸造CAD系统：主要用于普通砂型铸造工艺的设计,又分为铸钢、灰铸铁、球铁及有色等种类。

功能包括浇注系统设计,补缩系统设计,分型面、拔模斜度、加工余量的确定,尺寸标注以及工艺图及工艺卡
的输出。

专用铸造CAD系统：主要用于某些特定范围和特定目的的铸造工艺设计,如压铸型CAD、齿轮类CAD、阀体类CAD、曲轴类CAD、机架类CAD、缸体类CAD、叶片类CAD、DISA造型线铸造工艺设计CAD等。

上述铸造工艺CAD多为二维系统，以甩掉绘图板、红蓝铅笔及铸造手册为主要目的。

(2)计算机辅助分析
计算机辅助分析又称计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,简称CAE),是计算机应用的一个重要领域。

一般说来,它是通过建立能够准确描述研究对象某一过程的数学模型,采用合适可行的求解方法,使得在计算机上模拟仿真出研究对象的特定过程,分析有关影响因素,预测这一特定过程的可能趋势与结果。

铸造过程数值模拟技术便属于典型的CAE技术。

经过几十年的发展,铸造CAE所涉及的范围已相当广泛,归纳起来主要有表1所示的几个方面：
表1 铸造CAE的内容、数学模型及用途
上述模拟技术已从最初的普通重力砂型铸造扩展到压铸、低压铸造、熔模铸造、电磁铸造、双辊连铸、电渣熔铸等众多铸造方法。

目前，铸造数值模拟技术尤其是三维温度场模拟、流动场模拟及弹塑性状态应力场模拟已逐步进入实用阶段，国内外一些商品化软件系统先后推向市场，对实际铸件生产起着越来越重要的作用。

因此，对计算机辅助设计与计算机辅助分析应以积极推广。

①实施甩图板、甩红蓝铅笔、甩铸造手册工程
当前国内铸造生产依然是采用传统的工艺设计手段，铸造工艺CAD 的应用几近空白，应当尽快实施甩图板、甩红蓝铅笔、甩铸造手册工程，实现铸造工艺的计算机设计。

这是铸造行业技术改造的必然要求。

②大力推广铸造CAE技术
目前国内采用铸造CAE技术的企业不到100家，仅占所有铸造厂家的0.5%左右，与西方工业发达国家(10%左右)差别很大，推广应用工作应大力加强。

一方面国内铸造业应解放思想，大胆采用最新科技成果；另一方面还应正确认识铸造CAE系统的作用，它侧重于分析、优化铸造工艺，但它绝对不能完全代替铸造工程技术人员，不能神化它的功用，亦不应无视其作用，确切地说它是铸造工作者手中的有利工具。

最后还
需要政府的扶植，多渠道推广。

③铸造工装初步实现CAD／CAE/CAM/RPM一体化，进一步实现远程制造
在整个铸造生产中，铸造工装尤其是铸造模具/模板的设计制造，比较易于实现CAD/CAE/CAM/RPM一体化。

目前国内一些铸造工装企业已初步采用了上述先进设计制造技术，甚至还实现了远程制造。

但范围太小，需要进一步加大推广应用力度。

④加强人才培训
铸造CAD、CAE推广应用的另一个关键是人才培训，性能先进的CAD、CAE软件系统只有配以高素质的应用人才才能达到最佳效果。

因此在推广高技术的同时应大力加强人才培训。

2)计算机检测与控制
利用计算机实现对生产设备或生产过程进行检测与控制是计算机在铸造生产中应用的重要内容。

近些年来，已经出现了很多利用微机来测试各种参数、监视生产状况、控制生产过程的设备及装置，从而有效地提高了铸件质量及生产效率，降低铸造成本。

铸造过程采用微电子及计算机技术进行检测与控制是生产高质量铸件的必备条件，也是现代铸造生产的一个重要标志。

微机检测与控制系统通常由计算机硬件与软件、I/O接口、模数转换器(A/D)、数模转换器(D/A)、传感器及执行机械等部分组成。

目前在铸造生产中运用的微机检测与控制系统主要有如下几个方面：
①型砂性能及砂处理过程微机检测与控制。

主要功能有紧实率、抗压强度、抗拉强度、有效粘土含量、透气性测定及水分控制。

②冲天炉熔炼的微机检测与控制。

主要功能有配料的自动控制、风
量调节、冷却水量控制、湿度及温度控制。

③金属液质量的炉前快速检测及微机处理。

主要功能有各元素成分测定、金属液温度、共晶度、孕育效果、抗拉强度、硬度的测定。

④铸件成形过程的微机检测与控制。

主要功能有金属液流动性检测、铸型性能检测、造型线主辅机工作状态的监控。

⑤铸件成品质量的微机检测。

主要功能有检测铸件内部空洞的大小、检测铸件表面的粗糙度。

此外还有低压及压铸生产过程微机控制系统、料库监控系统及生产组织协调监控系统等。

随着科技的发展，铸造行业计算机检测与控制系统将越来越强调在线监控，强调集成化与智能化。

①在线化
能够对铸造过程或设备进行在线检测与控制，能够及时准确地反映现场状态，实时控制有关生产设备，从而使铸造过程或设备保持着最佳状态。

②集成化
各监控系统能够相互配合、相互协调，成为一个有机的整体。

③智能化
监控系统能够根据现场实际情况，自动发出准确合理的指令控制相关对象。

④远程化
利用Internet可以实现远程(异地)监控。

国内铸造企业这一领域的计算机应用相对较多,尤其是一些大规模专业铸造生产厂家,比较注重该方面技术的应用。

但总的来说,应用面还不够宽,现有的检测与控制系统也大都是散兵游勇,各自为政,相对孤立地完成某一特定的工作。

因此铸造企业一方面在抓现有铸造监控系统现代化改造的同时,注重引进吸收先进在线化、智能化、集成化的监控技术,从而达到高效低耗生产出高质量铸件的目的。

3)专家系统
专家系统(Expert System)是近几十年来人工智能领域研究开发的计算机系统,它是人类长期以来对智能科学的探索成果和实际问题求解需要相结合的必然产物。

专家系统是一种基于知识的智能系统,以求解那些人类专家才能解决的高难度问题为特征。

一般包括知识库、数据库、推理机、知识获取机制、解释机制及用户接口等部分。

铸造生产是一个复杂的过程,产品质量受诸多影响因素的制约。

而这些因素一般是随机的、复杂的、很难用数学公式描述。

在处理一些突发事件时,往往需要丰富的知识与经验,而这些知识与经验并不是所有人都能够掌握的。

一个性能优越的铸造生产专家系统就可以处理生产中错综复杂的情况,在不确定信息基础上得到正确的结论,及时准确地解决问题。

国外铸造专家系统的研制起始于80年代,一些不同类型的铸造专家系统先后推向市场,如冲天炉控制专家系统,铸件缺陷分析诊断专家系统,铸造过程规划、咨询系统,熔模铸造专家系统等,在实际生产中已取得较好的应用效果。

国内这一领域的研究开发工作起步较晚，但在一些方面也取得了长足
进步,先后推出了型砂质量管理专家系统,铸造缺陷分析专家系统,自硬砂质量分析专家系统,压铸工艺参数设计及缺陷诊断铸造生产专家系统等。

尽管铸造生产专家系统的研究工作已在很多领域展开,并取得了一定的应用效果,但总的来说目前还处于初始阶段。

一些技术及应用环节的障碍,如铸造知识类型复杂、知识表达困难、决策空间大、多目标和多重约束、模糊性和不确定性等都有待于进一步解决。

专家系统控制是智能控制的另一个重要分支,是专家系统应用研究的前沿。

在线专家系统控制更是倍受关注,铸造领域这方面的研究将逐步展开。

铸造生产专家系统是一个与实际生产结合极其紧密的应用技术,需要从实际中来,到实际中去。

铸造专家系统的研制及应用均需要铸造生产企业给予大力的帮助与支持,因此应用推广工作应引起多方面高度重视。

4)信息处理系统
信息社会的一个重要特征就是"信息爆炸",在这样的背景下,如何运用高效的管理手段及时准确地分析和处理要"爆炸"的信息和浩瀚的数据就显得非常重要了。

对于一个铸造企业来说,企业内部各管理部门之间、各生产部门之间、管理和生产部门之间以及企业和外部之间需要传递大量的信息；另一方面企业内部各部门技术的进步往往会发生一些阻碍信息交流的"孤岛",一些处理系统如CAD、CAE、CAM、CAPP所需要的及所生成的数据彼此差异很大,需要协调管理,才能达到资源共享。

根据上述要求信息处理系统(Information Processing System)应运而生。

企业信息处理系统有别于管理信息系统(Management Informtation System,简称MIS)及产品数据管理(Production Data Management,简称PDM),是一个范围更广、内容更深,集整个企业所有行为为一体的信息处理系统。

以铸造生产为例,一个铸造厂的信息处理系统应含盖该厂的所有行为,包括市场营销、物料进出、生产组织与协调、行政管理、与外界的信息交换等等。

当今世界信息技术即将成为第一大产业,各种各样信息处理技术大量涌现、日新月异,特别是信息高速公路的出现,使人类社会进入了一个崭新时代。

但是与其他领域相比,铸造行业信息处理技术研究、开发与应用显得过于落伍。

特别是国内的铸造生产厂家,基本是拒信息技术于门外,尽管也有个别企业尝试采用现代先进信息处理技术,但毕竟凤毛麟角,远没有形成气候。

总结国内铸造行业信息处理技术的开发应用现状,有以下特点：
①研究开发没形成规模
基本上处于手工、作坊式、来料加工方式,没有形成规模、特色。

所采用的技术也远不是最先进的。

②应用范围较窄
主要集中在铸造企业的财务、人事、库料管理等方面,现场生产管理很少,基本上谈不上系统集成。

③缺乏先进信息技术的应用
如PDM技术、MRP-Ⅱ技术、Internet/Intranet技术等应用还处于起步阶段。

但是,作为机械产品毛坯重要的生产方式,铸造必须吸纳各种现代先进技术,以实现自身的完善与发展。

先进信息处理技术的应用将是铸造产业现阶段及将来的技术进步最重要的领域之一。

其发展也必将呈现集。