圖為中國工程院院士丁文江（左二）率領專家評價委員會在高密市志誠機械有限公司查看采用新型無碳粘土濕型砂鑄造技術生產的鑄件。
圖為濰坊市裕川機械有限公司生產車間的工人們使用造型機和新型無碳粘土濕型砂制作鑄件造型。
走進山東省濰坊市裕川機械有限公司和志誠機械有限公司，轟鳴的機械聲中，只見生產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上用土黃色型砂造型，生產線旁邊擺放著鑄造好的柴油機氣缸蓋、水套排氣管、紡織機頭鑄件等產品。這是記者日前跟隨新型無碳粘土濕型砂鑄造技術專家評價委員會在企業實地考察時看到的。
中國鑄造協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的應用研究》科技成果評價會。中國工程院院士李培根、丁文江，中國鑄造協會會長張立波研究員等國內知名專家組成的評價委員會在企業現場考察之后，聽取了項目組的工作報告、技術報告等匯報，審查了項目單位提供的應用證明等科技成果評價資料。
經過詳細的質詢和討論，專家評價委員會一致同意通過該項目的科技成果評價，認為新型無碳粘土濕型砂鑄造技術是一項原創性技術成果，達到國際領先水平，破解了鑄造行業煤粉粘土濕型砂鑄造技術長期存在污染的世界性難題，具有非常重要的應用價值，可為鑄造行業轉型升級綠色發展提供有力的技術支持。
傳統型砂鑄造技術面臨三大難題
眾所周知，鑄造行業是裝備制造業的基礎，與人民生活和工業生產關系密切，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的鑄件約占鑄件總量的80%以上。型砂是鑄造生產中主要的造型材料，在鑄造生產中占有重要的地位。
了解到，現有鑄造用砂主要有：煤粉粘土濕型砂、水玻璃砂、樹脂砂三大類。目前，國內外絕大部分鑄造企業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物和碳質附加物，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量和環境污染問題，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實現化學硬化，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，比較環保。但水玻璃砂有落砂困難和舊砂不易再生、粘砂嚴重等難以克服的缺點，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度高、尺寸準確、潰散性好、能源消耗少。但生產過程中產生大量有毒氣體，排放量大，成本較高。
“型砂鑄造技術存在高污染、高能耗、鑄件質量不高三大世界性難題，鑄造過程中會產生廢氣污染、粉塵污染和固體廢棄物污染，鑄造車間嚴重的粉塵和氣體污染導致工人作業環境非常惡劣，排放到車間外的粉塵和氣體也是霧霾的重要源頭之一。”東華大學教授朱世根說。目前生產應用的樹脂砂、水玻璃砂只能使用一次，煤粉粘土濕型砂雖能部分重復使用但排放總量很大，固廢污染十分嚴重。
此外，鑄造行業是機械行業的耗能大戶，其能耗占機械工業總能耗的45%左右，其中煤粉的消耗量相當可觀。傳統鑄造技術生產的鑄件，氣孔多、夾砂和沖砂現象時有發生，導致產品表面不光潔、清理工作量大、加工余量大等問題，嚴重降低了生產效率，廢品率居高不下，其中由于型砂引起的廢品率大約占一半。
校企合作研發新型無碳粘土濕型砂
近年來，隨著新《環境保護法》《大氣污染防治法》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》等法律文件的出臺，污染物的排放標準也在不斷提高。作為傳統的高耗能、高污染行業，鑄造業生產過程中排放最多的就是固體廢棄物和空氣污染物。如何在保證鑄件質量的同時，減少對環境的污染，是傳統鑄造企業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、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數年研發了新型無碳粘土濕型砂，采用純無機材料為原料，完全不加煤粉和任何煤粉代用品，不含任何碳質材料和有機材料。
“新型無碳粘土濕型砂具有綠色環保、低碳節能、循環經濟、鑄件優質等特點，突破了傳統煤粉砂等有機物的防粘砂和夾砂機理，掌握了型砂與金屬界面作用的有效調控原理，實現了從偶然的實驗現象上升到可復制、可重復的實質性轉變，形成純無機物防粘砂新技術，在國內外尚屬首創，已成功申請國家專利。”新型無碳粘土濕型砂技術發明人——東華大學教授朱世根說。
據了解，新型無碳粘土濕型砂呈土黃色，原材料全部是無毒無機物，其常規指標與煤粉粘土砂相當，常溫濕壓強度、流動性、緊實率可調，透氣性較好，熱濕拉強度高，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熱壓強度高，高溫熱膨脹率小，回用性更好，鑄造過程中不產生廢氣，產生的少量廢砂不存在任何毒性，甚至可以還耕種地。使用該型砂生產的鑄件表面粗糙度和尺寸精度改善，后續機械加工更加簡便，減少加工和清理的能耗。
新型砂生產試驗反饋良好
實驗室研究為新型無碳粘土濕型砂的實際生產應用奠定了基礎。但鑄造行業的生產條件千差萬別，無論是零件的尺寸和形狀、材質，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能否經得起實際生產條件的考驗，還需要進一步的實際生產試驗。
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模化生產應用試驗。生產產品包括汽車鑄件、閥門鑄件、發動機缸體缸蓋鑄件、消防管件、電機殼體、水泵鑄件、道路配件等產品。鑄件材質涉及球鐵、灰鐵、鋁合金等。造型方法包括手工造型、震壓式造型機造型、垂直分型擠壓造型等。
經過試驗，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、不同大小的鑄件生產。澆注過程中不產生有毒廢氣，不對空氣構成污染。車間粉塵漂浮物大大減輕，空氣質量明顯改善。鑄造過程中報廢的少量廢砂，無毒無害，顏色與土壤相近，與環境相容性好。生產鑄件表面粘砂少，夾砂和沖砂缺陷低，鑄件中很少發現氣孔缺陷，鑄件品質提高，產品的成品率可提高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，進行斯太爾發動機六缸缸體鑄件的生產試驗。“這種缸體水腔由一顆水套芯組成，對鑄造工藝要求嚴格，是鑄造生產難度很高的鑄件。為了方便比較，生產過程中采用和普通型砂相同的壓力、澆注溫度和速度。經過對比發現，新型砂的透氣性，抗粘砂、夾砂性能優于粘土砂，鑄件質量、精度完全達到要求。”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噸進行垂直分型射壓造型鑄造生產，已使用10個月的時間，生產出口各類農機配件等鑄件2500多噸。“使用新的型砂后，消除了傳統潮模砂的黑色視覺污染，澆鑄過程中不產生有毒廢氣，車間粉塵漂浮物大大減輕，空氣質量明顯改善;廢砂排放量減少，生產的鑄件不粘砂、容易清理，成品率提高，鑄件成本也相對降低了。”該公司總經理孫慎晟說。
此外，朱世根還帶領項目組對不同型砂在生產過程中排放的污染物進行了對比。數據顯示，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接觸限值》規定限值，二氧化硫、二氧化氮的小時平均濃度增量均超出GB3095-2012《環境空氣質量標準》規定限值。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接觸限值》規定限值，一氧化碳、二氧化硫均未超出GB3095-2012《環境空氣質量標準》規定限值。
“鑄造本身就是一種材料再生的傳統行業，我們要做的是怎么能更環保、更節能地把鑄件生產制造出來。新型無碳粘土濕型砂的出現，讓我們更有信心盡快地投入到生產中去，為保護生態環境盡一份力。”勤美達國際控股有限公司勤威（天津）工業有限公司鑄造部部長閆學立說。
技術突破助力行業轉型升級
近年來，新舊動能轉換，已經上升為國家戰略，而新舊動能轉換的動力在于創新。新型無碳粘土濕型砂的研發，對改變鑄造行業高污染、高能耗的局面，推進行業轉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，朱世根帶領的項目組在國內外首次系統研究開發了新型無碳粘土濕型砂，具有優異的常規鑄造性能，不含煤粉等碳質材料和有機材料，節約能源，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，是濕型砂鑄造技術發展的新突破。應盡快制定相關技術標準，進一步加大應用規模。
中國機械工程學會鑄造分會理事會理事陸鑫民說：“無論是應用效果，還是原創性，新型無碳粘土濕型砂鑄造技術的出現，對全國的鑄造行業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天保衛戰這一背景下，這項技術會有更多的機會推廣。”
濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司董事長任興武表示，濰柴集團一直在尋求更環保更節能的鑄造技術和方案，新型無碳粘土濕型砂鑄造技術是對傳統煤粉粘土砂技術的一個重大突破，我們會積極聯系、持續關注該產品，在條件成熟的前提下考慮應用到濰柴生產線上。
濰坊市裕川機械有限公司總經理劉偉在評價會上說：“作為全國綠色鑄造先進單位，我們率先使用新型無碳粘土濕型砂鑄造技術，為當地鑄造企業轉型升級和綠色發展起帶頭示范作用。”
“新型無碳粘土濕型砂鑄造技術作為引領鑄造行業技術進步的重大原創成果在濰坊市亮相，獲得專家們一致好評，充分證明了這項技術的先進性和前瞻性。作為地方政府，將全力以赴支持這項技術，支持新舊動能轉換、新技術、新成果、新模式的轉化和應用。”濰坊市坊子區區長張龍江說。
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，為產品后期在鑄造業的大力推廣，助力鑄造產業實現新舊動能轉換和綠色發展打下了基礎。
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