年产10万吨发动机铸件车间设计

余　博，刘小龙，任兴武，李柏松（.中国汽车工业工程有限公司，天津市 3003；.潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊 69）

年产10万吨发动机铸件车间设计

余博1，刘小龙1，任兴武2，李柏松2
（1.中国汽车工业工程有限公司，天津市 300113；2.潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊 261119）

介绍了年产10万t 7～12 L发动机缸体、缸盖铸件车间设计的整个过程，根据项目特点进行的各项创新，以及这些创新点经过生产验证的实际效果。对铸造车间设计有一定的借鉴作用。

车间设计；循环利用；铸造生产

1　车间任务和生产纲领

1.1车间任务

山东某公司委托中国汽车工业工程有限公司进行铸造中心二期工程项目的设计工作，此项目规划年产10万t 7～12 L发动机缸体、缸盖铸件，铸件材质以HT280为主，并考虑将来生产蠕铁铸件的可能。

1.2生产纲领

该车间代表产品生产纲领如表1所示，年产铸件102 720 t。

表1　代表产品生产纲领表

2　工作制度和年时基数

2.1工作制度

根据该车间生产性质，为提高设备利用率及合理使用能源，车间采用二班平行工作制生产，部分设备（如制芯中心、退火炉）采用三班工作制生产。全年设备工作日为303天，每周工作6天，每班工作8 h。工人全年工作日为303天，每周工作6天，每班工作8 h。

2.2年时基数

设备年时基数：二班4 550 h，三班6 130 h。

3　设计原则

（1）本次设计是以生产高品质、高性能、高精度（发动机缸体、缸盖等）铸件为核心而制定工艺原则的。

（2）本次设计贯彻先进、合理、适用的原则，加强工艺管理，提高质量控制手段和检测水平。项目建成后，劳动生产率、产品质量、环保设施等方面，能够达到国内一流水平。

（3）该铸造车间生产性质为大批大量生产。生产方式采用平行工作制，生产组织采用工部（段）、班组的组织形式。该车间由熔化、造型、砂处理、制芯、清理五大工部组成，并设有炉前快速分析室、型砂试验室等辅助部门。

（4）为贯彻精益生产方式和保证产品的质量要求，引进国外的先进生产线和关键设备。在选用设备时既考虑到技术先进、适用、可靠，又要注重经济的合理性。

（5）该铸造车间是高度机械化、自动化的，生产过程和运输工作都采用机械化进行生产。

（6）该铸造车间主厂房采用钢结构厂房，屋面采用钢结构，熔化炉前跨北墙和南墙、造型浇注冷却通廊5.4 m以下部分用砖墙，其它全部用压型钢板墙。

（7）设计中贯彻执行国家相关产业政策、节能、环保和劳动安全卫生等方面的规范。设计中充分考虑到以人为本，降低劳动强度，加强环保设施和改善工人的劳动条件，确保生产安全。减少污染，节约能耗。

图1　德国进口热风水冷冲天炉

图2　美国80 t保温电炉

图3　大件造型线

图4　中件造型线

4　建设内容

本工程项目占地约190×666.7 m2，新增建筑面积约70 000 m2，建设内容包括：铸造车间、机模修车间、辅料库、新砂库改造、制氧站扩容改造、空压站、软化水站及高位水箱、循环水泵房、热交换站、天然气调压站、车间变配电所、职工浴室、职工餐厅、工业复用水站及洗车间。

铸造车间由熔化、造型、制芯、砂处理及清理工部组成，并设炉前快速分析室、型砂实验室。各车间工部设备能力的配置是以造型线为核心，均衡配置砂处理、熔炼、制芯及清理工部设备能力，充分发挥造型线效率。

4.1熔化工部

选用德国进口35 t/h热风水冷冲天炉与美国某品牌80 t保温电炉实现双联熔炼。考虑将来小批量生产蠕铁的工艺方案，熔化系统中预留冲天炉铁液连续脱硫设备工位和蠕化处理设备工位，以便将来由生产灰铁切换到生产蠕铁，连续脱硫设备和蠕化处理设备本期暂不实施，车间建成后的德国进口热风水冷冲天炉见图1， 美国80 t保温电炉见图2。

设炉前快速分析室，配直读光谱仪、碳硫分析仪、热分析仪等，以检测和控制铁液质量。

4.2造型工部

造型工部配备一条德国进口大件静压造型线，砂箱尺寸为1 450×1 100×400/400（mm），生产率70整型/h；配套全自动浇注机、振动输送槽、振动输送落砂机和抓取铸件机械手。另配备一条德国进口中件静压造型线，砂箱尺寸为1 200×1 000×320/320（mm），设计生产率100整型/h；配套2.5 t全自动浇注机、振动输送落砂机、振动输送槽和抓取铸件机械手、大件造型线（图3）和中件造型线（图4）。

4.3砂处理工部

两条造型线各单独配一套砂处理系统。大件线砂处理设计能力160 t/h，选用德国进口高效连续转子式混砂机，配套新旧砂称量、辅料称量、水称量装置和混砂单元控制系统，旧砂双盘冷却器为德国进口产品。中件线砂处理设计能力140 t/h，高效连续转子式混砂机为德国进口，型砂性能在线检测装置、旧砂双盘冷却器选用国内合资品牌。

4.4制芯工部

大件制芯：缸体主体芯及辅助芯均选用西班牙进口制芯中心，配套建设组芯、储存立库及输送线。主体芯采用螺栓锁芯工艺，芯盒尺寸1 900×900（mm）、垂直射砂，大件制芯中心如图5所示。

图5　大件制芯中心

图6　中件线射芯机

中件制芯：采用单机生产10/12 L单体缸盖及7 L机联体缸盖制芯，组芯线组芯，中件线射芯机如图6所示。联体缸盖组合芯采用立体库储存、输送线输送；单体缸盖不进立库，采用芯架储存转运。

4.5清理工部

与造型线对应，分设大件清理工部和中件清理工部。清理工部选用了进口机械手抛丸清理机、德国进口联体缸盖振芯机等国际先进设备，配套抓铸件机械手、铸件磨床和连续式退火炉等。大件线机械手抛丸如图7所示，中件线摆床抛丸如图8所示。

5　主要创新点

5.1发动机缸体铸件静电喷粉工艺的使用

图7　大件线机械手抛丸

图8　中件线摆床抛丸

图9　喷粉线粉房自动喷粉

传统的发动机缸体铸件防锈工艺一般采用喷漆、磷化处理等，在生产过程中存在油漆利用率较低、生产环境恶劣、操作者劳动强度大、水浪费严重等问题，本项目经过工艺论证和各方面调研后决定采用静电喷粉工艺，其工艺流程为上件、吹灰、预热、喷粉、固化、强冷、下件，设备生产效率为70件/h。喷粉线粉房自动喷粉如图9所示，喷粉线固化、冷却如图10所示。

本期缸体铸件喷粉线投入生产至今已有三年多的时间，处理后的铸件能满足发动机缸体铸件后续工艺的加工要求，以实际证明了静电喷粉工艺运用在大规模发动机缸体铸件生产中是非常成功的。与其他防锈工艺相比，静电喷粉可实现自动化控制，无污染，能极大程度减少工人的劳动强度，改善工人的劳动环境，其材料回收利用率可达90%以上。

图10　喷粉线固化、冷却

图11　中件清理工部

图12　大件制芯工部

图13　浇注冷却段除尘

5.2大规模、多品种共线实现自动化生产

本期项目设计开发出大功率柴油机铸件多品种全流程自动化工艺，实现了多种铸件高效、共线、批量生产。清理工部采用全自动成套铸件清理系统，实现铸件从落砂到铸件表面处理的全部在线输送、处理，真正意义上实现了“铸件不落地”清理，用工人数和工人劳动强度大为降低。中件清理工部如图11。

各种不同产品的砂芯共用主体芯制芯中心和辅助芯制芯中心，预制好的砂芯经表干后通过辊道输送至砂芯立库，立库实现自动识别和自动存储功能，再经辊道运送至造型线下芯段，全过程实现自动化。大件制芯工部如图12。

5.3除尘

本项目中对工艺自带除尘器和公用除尘器要求较高，污染物排放执行GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》，其中粉尘排放浓度按标准要求严格50%执行，即标态下最高排放浓度30 mg/m3，远低于国家粉尘排放标准60 mg/m3。

在产生粉尘的部位均采取了除尘措施。其中造型线全部冷却段均增加了除尘设备，设置天然气热风炉加热风装置，并对除尘器及进风管道进行保温处理，并通过设置石灰石粉添加装置解决了因焦油粘结在滤筒外表面而造成滤筒堵塞的问题，同时添加的石灰石粉能有效地吸附烟气中的可燃物，降低失火风险。浇注冷却段除尘如图13所示。冲天炉炉气除尘器采用进口设备，其烟气粉尘排放达标可以控制到20 mg/m3以内。

规范每台除尘器的结构形式和排废口高度，制作除尘器专用的接灰器具和垃圾袋，粉尘设计实现袋装化管理，使灰袋不经周转库直接运输，避免厂区内二次扬尘污染。除尘器专用接灰器具和垃圾袋如图14所示。

5.4厂区中水的循环利用

热交换站的冷凝水以往采用直接排放的形式，其水质优良，排放可惜。另外由于其水温较高，直接排放也不符合国家规范要求。本项目将这部分水回收，设计能力按照340 m3/d，经降温、过滤处理后直接回用至厂区高位软化水箱，做为本期软化水的补充水，使得冷凝水得以充分利用。冷凝水收集处理如图15所示。

图14　除尘器专用接灰器具和垃圾袋

图15　冷凝水收集处理

图16　工业复用水处理站

本项目的工业复用水站，设计能力按照150 m3/ d，用于回收冲天炉和电炉冷却塔溢流水，将此部分水处理重复用于工艺冷却塔补水，降低了软水站运行时间及出水量，不仅提高了水资源的利用率，也减少了这部分排水量，大大降低了污水处理站的负荷，节约了运行成本。工业复用水处理站如图16所示。

同时厂区所有设备冷却水设循环冷却水系统，实现了生产用水重复循环使用，给水重复利用率高达96%，真正做到厂区生产、生活废水零排放。

5.5实现了能源计量和远传

在关键设备和车间入口处设置了能源计量仪表和网络接口，将车间内所用蒸汽、压缩空气、天然气、氧气、软化水、清水、工业复用水及中水、凝结水及电量实时远传，实现集中操作管理计量和分散控制。为满足我国发改委提出的节能减排目标，对高能耗的铸造行业能源的实时计量和控制十分有必要。

5.6厂区双回路供电

本项目设计将原厂区共用的两台2万KVA的变压器增容至两台5万KVA，每台变压器引自于不同的电力公司，意在实现在一处电力公司停电后不仅可以正常生产，更是为了保证冲天炉、电炉生产的安全，以免在停电时发生事故，实现了真正意义上的双回路供电。

5.7车间通风

在车间通风设计方面，采用了中央通风全室换气新技术。厂房中央送风、清理封闭隔间独立送新风、车间各工部换气次数在4～11次/h，从而改善了作业环境，保证了工人的健康。制芯工部采用双层百叶侧送风口与边墙排风相结合的吹吸式排风方式，极大地加强了排风效果，提高了制芯工部的空气质量。

车间采暖采用散热器和热风采暖相结合，热风采暖全新风运行，送风口采用落地置换送风口和双层百叶侧送风口相结合的方式，共设置组合式空调机组15台。夏季、过渡季节送室外自然风，降低了运行能耗，达到了节能减排的目的。

5.8建筑结构精益设计

建筑方面，主体采用全钢结构，钢结构围护、屋面；拱形采光、通风、排烟天窗，采光通风效果好；熔化地面局部采用耐热混凝土，其它车间采用矿物骨料面层、素混凝土；特殊部位采用砌体结构防护，如熔化工部、冷却通廊、造型线外墙等；其它车间辅助用房尽量采用钢结构或成品板房，避免使用砌体结构，加快施工进度，整体一致性好、工期短、造价经济。

结构方面，根据各工部厂房的不同结构特点进行设计计算，以节省用钢量。如熔化、造型、制芯工部厂房采用门式刚架钢结构，门架钢梁按轻钢规范验算、钢柱按普钢规范进行验算，这较钢梁、钢柱都按普钢规范验算节省用钢量15%～20%；清理工部厂房已全部采用门式刚架轻型屋面钢结构，砂处理工部厂房高度大、载荷大及有悬挂吊车，采用钢梁钢柱钢框架结构。

5.9建设周期短

本项目于2010年1月20日业主董事会批准正式启动，2011年6月30日正式投产，历时约17个月，这期间经历立项、可行性研究报告、环评审批、能评审批、初步设计、设备及施工招投标、施工安装、调试、试生产等各个环节，可谓之从零到一的过程，这种效率对于铸造项目来说是罕见的。

铸造项目厂房结构与工艺设备联系紧密，设备特构也比较复杂，为工程建设增加了很大难度，本项目建设周期做到如此有效的控制得益于项目前期论证工作的缜密、初步设计的深入以及施工安装过程中各工序间的衔接优化，其厂房施工图是在工艺设备多数未完成订货的条件下先行完成的，并未出现设计失误，这与设计院多年参与项目设计、技术服务与建设管理中积累的经验是分不开的。

6　结语

本工程项目从方案制定、工艺设计、设备选型等多个方面入手，将企业节能减排、保护环境的设计理念落到实处，实现绿色铸造，引领铸造行业可持续发展。项目投产后，企业推行精益生产和标准化作业以提升管理水平，降低劳动强度，形成持续改进、不断提升的工作氛围，实际运营数据显示本期项目已达到国际一流水平，其2013年度铸件产量及各项指标见表2。

表2　2013年度铸件产量及各项指标

［1］ 刘小龙 .铸造车间结构选型［J］.中国铸造装备与技术， 2011（3）.

［2］ 李子方，姜宗营，李岩岩.年产60000t重型机床铸造车间设计［J］.中国铸造装备与技术，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

稿件编号：1412-733

余博（1984—），男，工程师，主要从事铸造车间工程设计以及项目管理工作.