年產(chǎn)10萬噸發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件車間設(shè)計(jì)

余　博，劉小龍，任興武，李柏松（.中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司，天津市 3003；.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 69）

年產(chǎn)10萬噸發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件車間設(shè)計(jì)

余博1，劉小龍1，任興武2，李柏松2
（1.中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司，天津市 300113；2.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261119）

介紹了年產(chǎn)10萬t 7～12 L發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄件車間設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行的各項(xiàng)創(chuàng)新，以及這些創(chuàng)新點(diǎn)經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證的實(shí)際效果。對(duì)鑄造車間設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

車間設(shè)計(jì)；循環(huán)利用；鑄造生產(chǎn)

1　車間任務(wù)和生產(chǎn)綱領(lǐng)

1.1車間任務(wù)

山東某公司委托中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司進(jìn)行鑄造中心二期工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，此項(xiàng)目規(guī)劃年產(chǎn)10萬t 7～12 L發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄件，鑄件材質(zhì)以HT280為主，并考慮將來生產(chǎn)蠕鐵鑄件的可能。

1.2生產(chǎn)綱領(lǐng)

該車間代表產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)如表1所示，年產(chǎn)鑄件102 720 t。

表1　代表產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)表

2　工作制度和年時(shí)基數(shù)

2.1工作制度

根據(jù)該車間生產(chǎn)性質(zhì)，為提高設(shè)備利用率及合理使用能源，車間采用二班平行工作制生產(chǎn)，部分設(shè)備（如制芯中心、退火爐）采用三班工作制生產(chǎn)。全年設(shè)備工作日為303天，每周工作6天，每班工作8 h。工人全年工作日為303天，每周工作6天，每班工作8 h。

2.2年時(shí)基數(shù)

設(shè)備年時(shí)基數(shù)：二班4 550 h，三班6 130 h。

3　設(shè)計(jì)原則

（1）本次設(shè)計(jì)是以生產(chǎn)高品質(zhì)、高性能、高精度（發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等）鑄件為核心而制定工藝原則的。

（2）本次設(shè)計(jì)貫徹先進(jìn)、合理、適用的原則，加強(qiáng)工藝管理，提高質(zhì)量控制手段和檢測(cè)水平。項(xiàng)目建成后，勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)保設(shè)施等方面，能夠達(dá)到國(guó)內(nèi)一流水平。

（3）該鑄造車間生產(chǎn)性質(zhì)為大批大量生產(chǎn)。生產(chǎn)方式采用平行工作制，生產(chǎn)組織采用工部（段）、班組的組織形式。該車間由熔化、造型、砂處理、制芯、清理五大工部組成，并設(shè)有爐前快速分析室、型砂試驗(yàn)室等輔助部門。

（4）為貫徹精益生產(chǎn)方式和保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求，引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)生產(chǎn)線和關(guān)鍵設(shè)備。在選用設(shè)備時(shí)既考慮到技術(shù)先進(jìn)、適用、可靠，又要注重經(jīng)濟(jì)的合理性。

（5）該鑄造車間是高度機(jī)械化、自動(dòng)化的，生產(chǎn)過程和運(yùn)輸工作都采用機(jī)械化進(jìn)行生產(chǎn)。

（6）該鑄造車間主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)廠房，屋面采用鋼結(jié)構(gòu)，熔化爐前跨北墻和南墻、造型澆注冷卻通廊5.4 m以下部分用磚墻，其它全部用壓型鋼板墻。

（7）設(shè)計(jì)中貫徹執(zhí)行國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策、節(jié)能、環(huán)保和勞動(dòng)安全衛(wèi)生等方面的規(guī)范。設(shè)計(jì)中充分考慮到以人為本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，加強(qiáng)環(huán)保設(shè)施和改善工人的勞動(dòng)條件，確保生產(chǎn)安全。減少污染，節(jié)約能耗。

圖1　德國(guó)進(jìn)口熱風(fēng)水冷沖天爐

圖2　美國(guó)80 t保溫電爐

圖3　大件造型線

圖4　中件造型線

4　建設(shè)內(nèi)容

本工程項(xiàng)目占地約190×666.7 m2，新增建筑面積約70 000 m2，建設(shè)內(nèi)容包括：鑄造車間、機(jī)模修車間、輔料庫、新砂庫改造、制氧站擴(kuò)容改造、空壓站、軟化水站及高位水箱、循環(huán)水泵房、熱交換站、天然氣調(diào)壓站、車間變配電所、職工浴室、職工餐廳、工業(yè)復(fù)用水站及洗車間。

鑄造車間由熔化、造型、制芯、砂處理及清理工部組成，并設(shè)爐前快速分析室、型砂實(shí)驗(yàn)室。各車間工部設(shè)備能力的配置是以造型線為核心，均衡配置砂處理、熔煉、制芯及清理工部設(shè)備能力，充分發(fā)揮造型線效率。

4.1熔化工部

選用德國(guó)進(jìn)口35 t/h熱風(fēng)水冷沖天爐與美國(guó)某品牌80 t保溫電爐實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)熔煉?？紤]將來小批量生產(chǎn)蠕鐵的工藝方案，熔化系統(tǒng)中預(yù)留沖天爐鐵液連續(xù)脫硫設(shè)備工位和蠕化處理設(shè)備工位，以便將來由生產(chǎn)灰鐵切換到生產(chǎn)蠕鐵，連續(xù)脫硫設(shè)備和蠕化處理設(shè)備本期暫不實(shí)施，車間建成后的德國(guó)進(jìn)口熱風(fēng)水冷沖天爐見圖1， 美國(guó)80 t保溫電爐見圖2。

設(shè)爐前快速分析室，配直讀光譜儀、碳硫分析儀、熱分析儀等，以檢測(cè)和控制鐵液質(zhì)量。

4.2造型工部

造型工部配備一條德國(guó)進(jìn)口大件靜壓造型線，砂箱尺寸為1 450×1 100×400/400（mm），生產(chǎn)率70整型/h；配套全自動(dòng)澆注機(jī)、振動(dòng)輸送槽、振動(dòng)輸送落砂機(jī)和抓取鑄件機(jī)械手。另配備一條德國(guó)進(jìn)口中件靜壓造型線，砂箱尺寸為1 200×1 000×320/320（mm），設(shè)計(jì)生產(chǎn)率100整型/h；配套2.5 t全自動(dòng)澆注機(jī)、振動(dòng)輸送落砂機(jī)、振動(dòng)輸送槽和抓取鑄件機(jī)械手、大件造型線（圖3）和中件造型線（圖4）。

4.3砂處理工部

兩條造型線各單獨(dú)配一套砂處理系統(tǒng)。大件線砂處理設(shè)計(jì)能力160 t/h，選用德國(guó)進(jìn)口高效連續(xù)轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)，配套新舊砂稱量、輔料稱量、水稱量裝置和混砂單元控制系統(tǒng)，舊砂雙盤冷卻器為德國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品。中件線砂處理設(shè)計(jì)能力140 t/h，高效連續(xù)轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)為德國(guó)進(jìn)口，型砂性能在線檢測(cè)裝置、舊砂雙盤冷卻器選用國(guó)內(nèi)合資品牌。

4.4制芯工部

大件制芯：缸體主體芯及輔助芯均選用西班牙進(jìn)口制芯中心，配套建設(shè)組芯、儲(chǔ)存立庫及輸送線。主體芯采用螺栓鎖芯工藝，芯盒尺寸1 900×900（mm）、垂直射砂，大件制芯中心如圖5所示。

圖5　大件制芯中心

圖6　中件線射芯機(jī)

中件制芯：采用單機(jī)生產(chǎn)10/12 L單體缸蓋及7 L機(jī)聯(lián)體缸蓋制芯，組芯線組芯，中件線射芯機(jī)如圖6所示。聯(lián)體缸蓋組合芯采用立體庫儲(chǔ)存、輸送線輸送；單體缸蓋不進(jìn)立庫，采用芯架儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)。

4.5清理工部

與造型線對(duì)應(yīng)，分設(shè)大件清理工部和中件清理工部。清理工部選用了進(jìn)口機(jī)械手拋丸清理機(jī)、德國(guó)進(jìn)口聯(lián)體缸蓋振芯機(jī)等國(guó)際先進(jìn)設(shè)備，配套抓鑄件機(jī)械手、鑄件磨床和連續(xù)式退火爐等。大件線機(jī)械手拋丸如圖7所示，中件線擺床拋丸如圖8所示。

5　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

5.1發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件靜電噴粉工藝的使用

圖7　大件線機(jī)械手拋丸

圖8　中件線擺床拋丸

圖9　噴粉線粉房自動(dòng)噴粉

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件防銹工藝一般采用噴漆、磷化處理等，在生產(chǎn)過程中存在油漆利用率較低、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大、水浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，本項(xiàng)目經(jīng)過工藝論證和各方面調(diào)研后決定采用靜電噴粉工藝，其工藝流程為上件、吹灰、預(yù)熱、噴粉、固化、強(qiáng)冷、下件，設(shè)備生產(chǎn)效率為70件/h。噴粉線粉房自動(dòng)噴粉如圖9所示，噴粉線固化、冷卻如圖10所示。

本期缸體鑄件噴粉線投入生產(chǎn)至今已有三年多的時(shí)間，處理后的鑄件能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件后續(xù)工藝的加工要求，以實(shí)際證明了靜電噴粉工藝運(yùn)用在大規(guī)模發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件生產(chǎn)中是非常成功的。與其他防銹工藝相比，靜電噴粉可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，無污染，能極大程度減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，其材料回收利用率可達(dá)90%以上。

圖10　噴粉線固化、冷卻

圖11　中件清理工部

圖12　大件制芯工部

圖13　澆注冷卻段除塵

5.2大規(guī)模、多品種共線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)

本期項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)出大功率柴油機(jī)鑄件多品種全流程自動(dòng)化工藝，實(shí)現(xiàn)了多種鑄件高效、共線、批量生產(chǎn)。清理工部采用全自動(dòng)成套鑄件清理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鑄件從落砂到鑄件表面處理的全部在線輸送、處理，真正意義上實(shí)現(xiàn)了“鑄件不落地”清理，用工人數(shù)和工人勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低。中件清理工部如圖11。

各種不同產(chǎn)品的砂芯共用主體芯制芯中心和輔助芯制芯中心，預(yù)制好的砂芯經(jīng)表干后通過輥道輸送至砂芯立庫，立庫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)存儲(chǔ)功能，再經(jīng)輥道運(yùn)送至造型線下芯段，全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。大件制芯工部如圖12。

5.3除塵

本項(xiàng)目中對(duì)工藝自帶除塵器和公用除塵器要求較高，污染物排放執(zhí)行GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中粉塵排放濃度按標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格50%執(zhí)行，即標(biāo)態(tài)下最高排放濃度30 mg/m3，遠(yuǎn)低于國(guó)家粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)60 mg/m3。

在產(chǎn)生粉塵的部位均采取了除塵措施。其中造型線全部冷卻段均增加了除塵設(shè)備，設(shè)置天然氣熱風(fēng)爐加熱風(fēng)裝置，并對(duì)除塵器及進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)行保溫處理，并通過設(shè)置石灰石粉添加裝置解決了因焦油粘結(jié)在濾筒外表面而造成濾筒堵塞的問題，同時(shí)添加的石灰石粉能有效地吸附煙氣中的可燃物，降低失火風(fēng)險(xiǎn)。澆注冷卻段除塵如圖13所示。沖天爐爐氣除塵器采用進(jìn)口設(shè)備，其煙氣粉塵排放達(dá)標(biāo)可以控制到20 mg/m3以內(nèi)。

規(guī)范每臺(tái)除塵器的結(jié)構(gòu)形式和排廢口高度，制作除塵器專用的接灰器具和垃圾袋，粉塵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)袋裝化管理，使灰袋不經(jīng)周轉(zhuǎn)庫直接運(yùn)輸，避免廠區(qū)內(nèi)二次揚(yáng)塵污染。除塵器專用接灰器具和垃圾袋如圖14所示。

5.4廠區(qū)中水的循環(huán)利用

熱交換站的冷凝水以往采用直接排放的形式，其水質(zhì)優(yōu)良，排放可惜。另外由于其水溫較高，直接排放也不符合國(guó)家規(guī)范要求。本項(xiàng)目將這部分水回收，設(shè)計(jì)能力按照340 m3/d，經(jīng)降溫、過濾處理后直接回用至廠區(qū)高位軟化水箱，做為本期軟化水的補(bǔ)充水，使得冷凝水得以充分利用。冷凝水收集處理如圖15所示。

圖14　除塵器專用接灰器具和垃圾袋

圖15　冷凝水收集處理

圖16　工業(yè)復(fù)用水處理站

本項(xiàng)目的工業(yè)復(fù)用水站，設(shè)計(jì)能力按照150 m3/ d，用于回收沖天爐和電爐冷卻塔溢流水，將此部分水處理重復(fù)用于工藝?yán)鋮s塔補(bǔ)水，降低了軟水站運(yùn)行時(shí)間及出水量，不僅提高了水資源的利用率，也減少了這部分排水量，大大降低了污水處理站的負(fù)荷，節(jié)約了運(yùn)行成本。工業(yè)復(fù)用水處理站如圖16所示。

同時(shí)廠區(qū)所有設(shè)備冷卻水設(shè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)用水重復(fù)循環(huán)使用，給水重復(fù)利用率高達(dá)96%，真正做到廠區(qū)生產(chǎn)、生活廢水零排放。

5.5實(shí)現(xiàn)了能源計(jì)量和遠(yuǎn)傳

在關(guān)鍵設(shè)備和車間入口處設(shè)置了能源計(jì)量?jī)x表和網(wǎng)絡(luò)接口，將車間內(nèi)所用蒸汽、壓縮空氣、天然氣、氧氣、軟化水、清水、工業(yè)復(fù)用水及中水、凝結(jié)水及電量實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，實(shí)現(xiàn)集中操作管理計(jì)量和分散控制。為滿足我國(guó)發(fā)改委提出的節(jié)能減排目標(biāo)，對(duì)高能耗的鑄造行業(yè)能源的實(shí)時(shí)計(jì)量和控制十分有必要。

5.6廠區(qū)雙回路供電

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)將原廠區(qū)共用的兩臺(tái)2萬KVA的變壓器增容至兩臺(tái)5萬KVA，每臺(tái)變壓器引自于不同的電力公司，意在實(shí)現(xiàn)在一處電力公司停電后不僅可以正常生產(chǎn)，更是為了保證沖天爐、電爐生產(chǎn)的安全，以免在停電時(shí)發(fā)生事故，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的雙回路供電。

5.7車間通風(fēng)

在車間通風(fēng)設(shè)計(jì)方面，采用了中央通風(fēng)全室換氣新技術(shù)。廠房中央送風(fēng)、清理封閉隔間獨(dú)立送新風(fēng)、車間各工部換氣次數(shù)在4～11次/h，從而改善了作業(yè)環(huán)境，保證了工人的健康。制芯工部采用雙層百葉側(cè)送風(fēng)口與邊墻排風(fēng)相結(jié)合的吹吸式排風(fēng)方式，極大地加強(qiáng)了排風(fēng)效果，提高了制芯工部的空氣質(zhì)量。

車間采暖采用散熱器和熱風(fēng)采暖相結(jié)合，熱風(fēng)采暖全新風(fēng)運(yùn)行，送風(fēng)口采用落地置換送風(fēng)口和雙層百葉側(cè)送風(fēng)口相結(jié)合的方式，共設(shè)置組合式空調(diào)機(jī)組15臺(tái)。夏季、過渡季節(jié)送室外自然風(fēng)，降低了運(yùn)行能耗，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

5.8建筑結(jié)構(gòu)精益設(shè)計(jì)

建筑方面，主體采用全鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)、屋面；拱形采光、通風(fēng)、排煙天窗，采光通風(fēng)效果好；熔化地面局部采用耐熱混凝土，其它車間采用礦物骨料面層、素混凝土；特殊部位采用砌體結(jié)構(gòu)防護(hù)，如熔化工部、冷卻通廊、造型線外墻等；其它車間輔助用房盡量采用鋼結(jié)構(gòu)或成品板房，避免使用砌體結(jié)構(gòu)，加快施工進(jìn)度，整體一致性好、工期短、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)各工部廠房的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以節(jié)省用鋼量。如熔化、造型、制芯工部廠房采用門式剛架鋼結(jié)構(gòu)，門架鋼梁按輕鋼規(guī)范驗(yàn)算、鋼柱按普鋼規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，這較鋼梁、鋼柱都按普鋼規(guī)范驗(yàn)算節(jié)省用鋼量15%～20%；清理工部廠房已全部采用門式剛架輕型屋面鋼結(jié)構(gòu)，砂處理工部廠房高度大、載荷大及有懸掛吊車，采用鋼梁鋼柱鋼框架結(jié)構(gòu)。

5.9建設(shè)周期短

本項(xiàng)目于2010年1月20日業(yè)主董事會(huì)批準(zhǔn)正式啟動(dòng)，2011年6月30日正式投產(chǎn)，歷時(shí)約17個(gè)月，這期間經(jīng)歷立項(xiàng)、可行性研究報(bào)告、環(huán)評(píng)審批、能評(píng)審批、初步設(shè)計(jì)、設(shè)備及施工招投標(biāo)、施工安裝、調(diào)試、試生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，可謂之從零到一的過程，這種效率對(duì)于鑄造項(xiàng)目來說是罕見的。

鑄造項(xiàng)目廠房結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)備聯(lián)系緊密，設(shè)備特構(gòu)也比較復(fù)雜，為工程建設(shè)增加了很大難度，本項(xiàng)目建設(shè)周期做到如此有效的控制得益于項(xiàng)目前期論證工作的縝密、初步設(shè)計(jì)的深入以及施工安裝過程中各工序間的銜接優(yōu)化，其廠房施工圖是在工藝設(shè)備多數(shù)未完成訂貨的條件下先行完成的，并未出現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤，這與設(shè)計(jì)院多年參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)、技術(shù)服務(wù)與建設(shè)管理中積累的經(jīng)驗(yàn)是分不開的。

6　結(jié)語

本工程項(xiàng)目從方案制定、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等多個(gè)方面入手，將企業(yè)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的設(shè)計(jì)理念落到實(shí)處，實(shí)現(xiàn)綠色鑄造，引領(lǐng)鑄造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。項(xiàng)目投產(chǎn)后，企業(yè)推行精益生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)以提升管理水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，形成持續(xù)改進(jìn)、不斷提升的工作氛圍，實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示本期項(xiàng)目已達(dá)到國(guó)際一流水平，其2013年度鑄件產(chǎn)量及各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

表2　2013年度鑄件產(chǎn)量及各項(xiàng)指標(biāo)

［1］ 劉小龍 .鑄造車間結(jié)構(gòu)選型［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)， 2011（3）.

［2］ 李子方，姜宗營(yíng)，李巖巖.年產(chǎn)60000t重型機(jī)床鑄造車間設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2014（1）.

The Design of Foundry Workshop with an Annual Production of 100 000 t on 7-12L Engine Castings

YU Bo1， LIU Xiaolong1， REN Xingwu2， LI Baisong2
（1.China Automobile Industry Engineering Corporation，Tianjin 300113， China；2.Weichai Power （Weifang） Casting& Forging Co.， Ltd.， Weifang 261119， Shandong China.）

This study presents the whole process， the major innovations which were validated according to the production， the practical effects of the design for a foundry workshop with an annual production of 100 000 tons on 7～12 L engine castings， providing valuable engineering data and related

for the design of foundry workshop in this industry.

Workshop design； Recycling； Foundry Production

TG28;

A；

1006－9658（2015）02-0051-06

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.015

2014-12-15

稿件編號(hào)：1412-733

余博（1984—），男，工程師，主要從事鑄造車間工程設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目管理工作.