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环保砂新材料世界领先 铸造污染难题迎刃而解

日期:2018-11-16 01:49

  图为中国工程院院士丁文江(左二)率领专家评价委员会在高密市志诚机械有限公司查看采用新型无碳粘土湿型砂铸造技术生产的铸件。

  图为潍坊市裕川机械有限公司生产车间的工人们使用造型机和新型无碳粘土湿型砂制作铸件造型。

  走进山东省潍坊市裕川机械有限公司和志诚机械有限公司,轰鸣的机械声中,只见生产线小车上的砂型在匀速地向前移动,整个车间的地面几乎看不到灰尘,也闻不到异味,工人们正在有条不紊地在造型机上用土黄色型砂造型,生产线旁边摆放着铸造好的柴油机气缸盖、水套排气管、纺织机头铸件等产品。这是记者日前跟随新型无碳粘土湿型砂铸造技术专家评价委员会在企业实地考察时看到的。

  中国铸造协会日前在山东省潍坊市组织召开了《新型无碳粘土湿型砂铸造技术的应用研究》科技成果评价会。中国工程院院士李培根、丁文江,中国铸造协会会长张立波研究员等国内知名专家组成的评价委员会在企业现场考察之后,听取了项目组的工作报告、技术报告等汇报,审查了项目单位提供的应用证明等科技成果评价资料。

  经过详细的质询和讨论,专家评价委员会一致同意通过该项目的科技成果评价,认为新型无碳粘土湿型砂铸造技术是一项原创性技术成果,达到国际领先水平,破解了铸造行业煤粉粘土湿型砂铸造技术长期存在污染的世界性难题,具有非常重要的应用价值,可为铸造行业转型升级绿色发展提供有力的技术支持。

  众所周知,铸造行业是装备制造业的基础,与人民生活和工业生产关系密切,小至日常用品,大至高端装备等,都离不开铸造。其中,用砂型铸造方法生产的铸件约占铸件总量的80%以上。型砂是铸造生产中主要的造型材料,在铸造生产中占有重要的地位。

  记者了解到,现有铸造用砂主要有:煤粉粘土湿型砂、水玻璃砂、树脂砂三大类。目前,国内外绝大部分铸造企业都在使用煤粉粘土湿型砂,这种型砂在粘土湿型砂中加入煤粉等有机物和碳质附加物,主要是用于抗粘砂和夹砂,但由于煤粉粘土湿型砂固有缺陷所带来的铸件质量和环境污染问题,始终没能解决。

  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实现化学硬化,也可采用加热硬化或在硬化剂作用下自行硬化。这种型砂不含有毒物质,比较环保。但水玻璃砂有落砂困难和旧砂不易再生、粘砂严重等难以克服的缺点,致使其无法全面推广。

  树脂砂由石英砂、树脂和硬化剂等混合配制而成。常用的树脂有呋喃树脂、甲阶酚醛树脂及尿烷树脂等。用这种型砂制成的砂型强度高、尺寸准确、溃散性好、能源消耗少。但生产过程中产生大量有毒气体,排放量大,成本较高。

  “型砂铸造技术存在高污染、高能耗、铸件质量不高三大世界性难题,铸造过程中会产生废气污染、粉尘污染和固体废弃物污染,铸造车间严重的粉尘和气体污染导致工人作业环境非常恶劣,排放到车间外的粉尘和气体也是雾霾的重要源头之一。”东华大学教授朱世根说。目前生产应用的树脂砂、水玻璃砂只能使用一次,煤粉粘土湿型砂虽能部分重复使用但排放总量很大,固废污染十分严重。

  此外,铸造行业是机械行业的耗能大户,其能耗占机械工业总能耗的45%左右,其中煤粉的消耗量相当可观。传统铸造技术生产的铸件,气孔多、夹砂和冲砂现象时有发生,导致产品表面不光洁、清理工作量大、加工余量大等问题,严重降低了生产效率,废品率居高不下,其中由于型砂引起的废品率大约占一半。

  近年来,随着新《环境保护法》《大气污染防治法》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等法律文件的出台,污染物的排放标准也在不断提高。作为传统的高耗能、高污染行业,铸造业生产过程中排放最多的就是固体废弃物和空气污染物。如何在保证铸件质量的同时,减少对环境的污染,是传统铸造企业面临的一个重要课题。

  为解决煤粉粘土湿型砂存在的问题,东华大学、山东渲和新材料科技有限公司、义乌云溪新材料科技有限公司历经数年研发了新型无碳粘土湿型砂,采用纯无机材料为原料,完全不加煤粉和任何煤粉代用品,不含任何碳质材料和有机材料。

  “新型无碳粘土湿型砂具有绿色环保、低碳节能、循环经济、铸件优质等特点,突破了传统煤粉砂等有机物的防粘砂和夹砂机理,掌握了型砂与金属界面作用的有效调控原理,实现了从偶然的实验现象上升到可复制、可重复的实质性转变,形成纯无机物防粘砂新技术,在国内外尚属首创,已成功申请国家专利。”新型无碳粘土湿型砂技术发明人——东华大学教授朱世根说。

  据了解,新型无碳粘土湿型砂呈土黄色,原材料全部是无毒无机物,其常规指标与煤粉粘土砂相当,常温湿压强度、流动性、紧实率可调,透气性较好,热湿拉强度高,可保证基本的造型操作和浇注要求。

  此外,新型无碳粘土湿型砂高温热压强度高,高温热膨胀率小,回用性更好,铸造过程中不产生废气,产生的少量废砂不存在任何毒性,甚至可以还耕种地。使用该型砂生产的铸件表面粗糙度和尺寸精度改善,后续机械加工更加简便,减少加工和清理的能耗。

  实验室研究为新型无碳粘土湿型砂的实际生产应用奠定了基础。但铸造行业的生产条件千差万别,无论是零件的尺寸和形状、材质,使用的造型方法和自动化程度,还是铁水浇注温度、压头高度和浇注速度等因素,都会对型砂提出不同的要求。新型无碳粘土湿型砂铸造技术能否经得起实际生产条件的考验,还需要进一步的实际生产试验。

  从2014年开始,新型无碳粘土湿型砂在浙江、江苏、福建、山东等各地铸造厂开始规模化生产应用试验。生产产品包括汽车铸件、阀门铸件、发动机缸体缸盖铸件、消防管件、电机壳体、水泵铸件、道路配件等产品。铸件材质涉及球铁、灰铁、铝合金等。造型方法包括手工造型、震压式造型机造型、垂直分型挤压造型等。

  经过试验,新型无碳粘土湿型砂完全适用于灰铁、球铁、有色等多种材质、不同大小的铸件生产。浇注过程中不产生有毒废气,不对空气构成污染。车间粉尘漂浮物大大减轻,空气质量明显改善。铸造过程中报废的少量废砂,无毒无害,颜色与土壤相近,与环境相容性好。生产铸件表面粘砂少,夹砂和冲砂缺陷低,铸件中很少发现气孔缺陷,铸件品质提高,产品的成品率可提高3%~5%。

  今年9月,潍坊市迪尔铸造有限公司与山东渲和新材料科技有限公司合作,采用新型无碳粘土湿型砂铸造技术,进行斯太尔发动机六缸缸体铸件的生产试验。“这种缸体水腔由一颗水套芯组成,对铸造工艺要求严格,是铸造生产难度很高的铸件。为了方便比较,生产过程中采用和普通型砂相同的压力、浇注温度和速度。经过对比发现,新型砂的透气性,抗粘砂、夹砂性能优于粘土砂,铸件质量、精度完全达到要求。”潍坊市迪尔铸造有限公司总工程师赵法海说。

  高密市志诚机械有限公司自2017年12月开始,共采购新型无碳粘土湿型砂503吨进行垂直分型射压造型铸造生产,已使用10个月的时间,生产出口各类农机配件等铸件2500多吨。“使用新的型砂后,消除了传统潮模砂的黑色视觉污染,浇铸过程中不产生有毒废气,车间粉尘漂浮物大大减轻,空气质量明显改善;废砂排放量减少,生产的铸件不粘砂、容易清理,成品率提高,铸件成本也相对降低了。”该公司总经理孙慎晟说。

  此外,朱世根还带领项目组对不同型砂在生产过程中排放的污染物进行了对比。数据显示,煤粉湿型砂在浇注后颗粒物(PM2.5、PM10、PM100)、甲醛、二氧化碳的小时平均浓度增量均超出GBZ2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值》规定限值,二氧化硫、二氧化氮的小时平均浓度增量均超出GB3095-2012《环境空气质量标准》规定限值。而新型无碳粘土湿型砂在浇注后颗粒物(PM2.5、PM10、PM100)颗粒物、甲醛、二氧化氮、二氧化碳均未超出GB2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值》规定限值,一氧化碳、二氧化硫均未超出GB3095-2012《环境空气质量标准》规定限值。

  “铸造本身就是一种材料再生的传统行业,我们要做的是怎么能更环保、更节能地把铸件生产制造出来。新型无碳粘土湿型砂的出现,让我们更有信心尽快地投入到生产中去,为保护生态环境尽一份力。”勤美达国际控股有限公司勤威(天津)工业有限公司铸造部部长闫学立说。

  近年来,新旧动能转换,已经上升为国家战略,而新旧动能转换的动力在于创新。新型无碳粘土湿型砂的研发,对改变铸造行业高污染、高能耗的局面,推进行业转型升级具有重要意义。

  记者从专家评价委员会形成的评价意见中看到,朱世根带领的项目组在国内外首次系统研究开发了新型无碳粘土湿型砂,具有优异的常规铸造性能,不含煤粉等碳质材料和有机材料,节约能源,废气、粉尘和固体废弃物排放低,回用性好、耗砂量少,成本降低,是湿型砂铸造技术发展的新突破。应尽快制定相关技术标准,进一步加大应用规模。

  中国机械工程学会铸造分会理事会理事陆鑫民说:“无论是应用效果,还是原创性,新型无碳粘土湿型砂铸造技术的出现,对全国的铸造行业来说都有着重要的作用,特别是在全国要用三年的时间打赢蓝天保卫战这一背景下,这项技术会有更多的机会推广。”

  潍柴动力(潍坊)铸锻有限公司董事长任兴武表示,潍柴集团一直在寻求更环保更节能的铸造技术和方案,新型无碳粘土湿型砂铸造技术是对传统煤粉粘土砂技术的一个重大突破,我们会积极联系、持续关注该产品,在条件成熟的前提下考虑应用到潍柴生产线上。

  潍坊市裕川机械有限公司总经理刘伟在评价会上说:“作为全国绿色铸造先进单位,我们率先使用新型无碳粘土湿型砂铸造技术,为当地铸造企业转型升级和绿色发展起带头示范作用。”

  “新型无碳粘土湿型砂铸造技术作为引领铸造行业技术进步的重大原创成果在潍坊市亮相,获得专家们一致好评,充分证明了这项技术的先进性和前瞻性。作为地方政府,将全力以赴支持这项技术,支持新旧动能转换、新技术、新成果、新模式的转化和应用。”潍坊市坊子区区长张龙江说。

  山东渲和新材料科技有限公司董事长武州表示,这次专家评价会对公司意义重大,为产品后期在铸造业的大力推广,助力铸造产业实现新旧动能转换和绿色发展打下了基础。

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