面向二十一世纪的铸造行业及铸造技术

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  铸造是机械工业重要的基础工艺。中国铸行业经过几十年的建设和发展，已具相当规模与水平。已形成一个具有二万余厂点、从业人员逾百万、年产铸件过千万吨的大行业。处于世纪之交的中国铸造行业必须充分了解并分析周边环境的各种变革对自身产生的直接及潜在影响，并采取恰当的对策，才能顺利得到发展。本文试图就嘴提出自己的一得之见，意在抛砖引玉，引起国内同行的重视和思考。
& z+ o- K5 [# s        一、宏、微观环境对铸造行业与技术的影响
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1.国民经济宏观环境及发展战略对铸造行业及技术的影响


我国于1995年9月通过的“九五计划和2010年远景规则”中，正式将机械、 电子、汽车、石油化工及建筑作为国民经济的支柱产业。根据规划，到2000年，我国汽车产量将由1995年的150万辆增至250～300万辆，到2010年，将达到600万辆。一辆整车约有10.5％的零件是铸铁件，6.4％铝铸件，这些铸件不仅数量大， 而且质量要求高，有些是现有水平达不到的。汽车产量的翻番将为汽车铸件生产及汽车铸件的成套铸造设备生产同时提供机遇。此外，在振兴计划中重点发展的机械产品，诸如以发电设备为代表的重大技术装备、以数控机床为代表的整机、以液压件为代表的基础以及建筑及建材业大发展对铸管、暖气片、磨球、衬板及水暖配件等的需求，均对铸件的品种、质量、性能及数量提出了新的要求。以球铁离心铸管为例，权威部门预测，2000年时年需求量将达120万吨。
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: x: }+ t4 S  N/ o7 `+ x; Z0 |! V- K2.先进制造技术的发展对铸造行业与技术的影响
        带动不同学科之间的交叉，渗透及融合，高新技术对传统技术的不断影响，是当代科学重要的发展趋势。在这种趋势的推动及市场需求变化的牵引下，在制造业形成了先进制造技术（AMT，Advanced Manufacturing Technology）， 先进制造技术的产生与发展是当代机械制造业最重要的技术进展，它必然对机械制造主要方法之一的铸造行业产生巨大作用和影响。其中对铸造行业产生重大影响的有：

' i1 K$ I: r& y* R  K        ⑴虚拟制造技术─铸造工艺模拟及优化虚拟制造技术是随着计算机拟实技术出现而发展的一种先进制造技术。它是一种在计算机拟实环境下实现的制造技术，它强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的全面模拟仿真，以优化实际制造工艺。它将把传统把传统的工艺设计由经验估计变成模样计算，由定性变成定量。铸造工艺模拟及优化是进展较快的内容，凝固温度场模拟及缩孔、缩松的预测已经成熟：现正由宏观模拟走向预测组织及性能的微观模拟阶段。铸造工艺模拟主要有三种方法：数值模拟、物理模拟和专家系统，其中数值模拟是最主要的方法。它通过建立铸造过程的数值理想模型及对数理方程的简化求解，动态显示铸造过程并预测其结果，从而实现对铸造工艺的优化设计。

        ⑵精密成形技术─精确铸造成形 金属材料的热加工是将原材料制成我们所需要的零件毛坯的重要方法。当代一个重要的发展趋势是，随着精密成形技术的发展，毛坯的成形精度不断提高。正从近精确成形（Near Net Shape Process）向精确成形（Net Shape Process）方向发展。到目前为止，获得精确铸件的途径有以下四种：①特种铸造技术，包括压力铸造、低压铸造、金属型铸造、真空吸铸、挤压铸造及半固态铸造等，以刚型取代砂型，非重力浇注取代重力浇注。使铸件尺寸精确，表面光洁，内部致密。适用于有色金属中小件铸造。②自硬砂精确砂型铸造，主要有改性水玻璃砂和合成树脂砂，适用于生产大中型近精确铸件。近年来采用冷芯盒树脂砂发展起来的“精确砂芯组芯造型”技术，可以生产壁厚仅有2.5mm的缸体、缸盖，排气岐管等复杂的铸件。 ③高紧实度半刚性砂型铸造，主要有高压、射压、气压和静压等造型方法。铸型虽然不烘干，但由于紧实度大大提高了，所以铸件表面质量（精度、表面粗糙度）也可提高2～3级，适用于大批量铸件的生产。④采用“强迫铸型”生产铸件，所谓强迫铸型是通过一定措施，避免起模及刷涂料时引起的铸型精度及表面质量下降，使其完全等同于模样的水平。主要方法有实型铸造、转移法铸造等。
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        ⑶ 清洁生产（绿色制造）技术──清洁铸造技术 日趋严格的环境与资源的约束，使以清洁生产为特征的绿色制造技术越来越重要，它将成为21世纪制造业的重要特征。铸造行业要在下个世纪行到持续发展，必须从“源削减”做起，彻底改变耗能耗材、严重污染环境的落后状况，积极发展清洁铸造生产。清洁铸造技术的主要内容有：一是采用洁净的能源，如以铸造焦代替冶金焦，以电熔化代替冲天炉熔化；二是采用无砂少砂铸造（如压铸、金属型、金属型覆砂等）；三是采用高溃散性型砂工艺（如树脂砂、酯感化水玻璃砂）；四是开发并推广多种废弃物（旧砂、 废渣等）的再生和综合利用技术；五是研究采用洁净无毒的工艺材料（如铝合金无毒精炼剂、无毒无味粘结剂及煤粉代替物等）；六是研制、 开发低噪声的铸造设备及在恶劣条件下工作的铸造机器人。

        ⑷ 快速制造技术──快速原型技术在铸造中的应用 随着全球市场一体化的形成，产品的开发日嗌 成为竞争的主要矛盾，快速制造技术将成为下个世纪的开发重点。快速制造技术包括：基于三维曲面设计的快速设计、快速三坐标测量、快速原型制造、快速零件制造等技术和并行工程方法。其中快速原型技术将对铸造行业产生较大的影响。快速原型技术是由CAD模样直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。它采用离散／堆积成形的原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模样（亦称电子模样），然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的本维电子模样变成二维平面信息（截面信息 ）即离散的过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数， 产生数据代码：在微机控制下，数据系统以平面加工方式有序地连续加工了每个薄层并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。快速原型技术将在国民经济各部门获得广泛的应用，快速产品开发及快速模具制造将是它的两个主要方向。直接应用快速原型技术或是经过一次或多次转换制得的模样将为快速铸造技术提供极好的条件。

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      ⑸ 计算机集成制造系统──铸造过程自动检测与控制 近二、三十年来，微电子、计算机、自动化技术与制造工艺及设备相结合，形成了从单机到系统、从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多种自动化加工技术，使传统工艺面貌产生显著、本质的变化。这种变化也带动了铸造工艺及装备的技术进步，产生了一些具有划时代的新技术。主要有：①应用集成电路（取代分立元件）、可编程控制器（ 取代继电器）、微机等新型控制装置实现铸造设备及生产线的自动控制。 ②与新型传感、理化检验、无损检测等技术相结合，实时测量监控铸造过程的温度、压力、形状、尺寸、应力、位移、速度、成分及组织等参数，实现在线检测技术的电子化、数显化、计算机化及工艺参数的闭环控制，进而实现自适应控制。主要功能有：型砂性能及砂处理过程的自动化检测与监控：冲天炉熔炼的配料及关风制度的检测与控制；金属液质量的炉前快速检测及分析；铸型性能及造型线主辅机工作状态的自动检测及监控；铸件成品质量的自动检测及分选等。铸造过程的自动检测与控制是铸造柔性单元及CIMS的基础。③铸造柔性单元及CIMS，目前已开发出压铸柔性加工单元（FMC），它可在规定的范围内预先确定其工艺方案， 实现生产多种零件的控制过程，其核心技术是快速更换模具或模板。
        ⑹ 新型材料成形与加工技术──金属基复合材料的铸造技术 以钢铁为代表的金属材料目前仍是机械工程材料的主体，但是大量的新型结构材料已开始登上机械制造的舞台，并得到越来越广泛的技术的产生，这些新材料主要有：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶微晶合金及功能材料等。在这些材料中，与铸技术关系密切、有可能用铸造方法形成产业化生产的主要是陶瓷颗粒增强型金属基复合材料（MMCs）。在金属基体中加入陶瓷颗粒增强相，可以显著提高材料的强度、弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能等。目前研究应用的热点集中在镁基和铝基合金，增强颗粒主要有AI2O3、SiC等，制备工艺主要有铸造法和粉末冶金法。根据工艺温度可分为三类：液相工艺、固相工艺和两相工艺。属于铸造法的主要有：搅拌铸造法、熔体浸渗法、流变法、喷射沉积法、气化模法、离心铸造法和原位反应铸造法等。目前颗粒增强金属基复合材料还处于研究开发阶段，将来可在航天、航空及汽车工业得到应用。

        ⑺ 近无缺陷成形与加工──金属熔体的纯净化、致密化技术及铸件安全可靠性评估技术 毛坯和零件成形加工质量高低的一个重要指标是缺陷的多少、大小和危害程度。由开热加工过程十分复杂，外热加工界提出了“近无缺陷成形与加工”的概念。这个“缺陷”是指不致引起早期的临界缺陷概念，而不是绝对的零缺陷。对于铸造技术百言，实现近无缺陷要抓好两项技术的开发及应用：一是金属熔体的纯净化、致密化技术，这是提高铸件内在质量，从根本上杜绝夹渣、气孔、偏析和组织与性能不合要求等缺陷的基础。主要方法有真空熔化浇注、炉外精炼、强化孕育变质、采用定向结晶、快速凝固、热等静压及电磁搅拌等新型凝固技术；二是铸件的无损检测及安全可靠性评估。根据铸件的服役条件及载荷类型、大小，科学界定铸件的临界缺陷的具体量值，结合无损检测及工艺模拟优化技术，预测不同工艺条件下铸件或能产生的缺陷量值，建立铸件安全可靠性评估系统。
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        ⑻ 先进制造生产模式──先进制造技术在铸造生产中的应用 先进制造技术系统是一个由技术、人和组织构成的集成体系，三者有效集成才能取得满意的效果。先进制造生产模式主要有柔性生产、准时生产、精益生产、敏捷制造、并行工程和分散网络化制造等。并行工程要求产品开发人员在设计一开始就考虑至在产品整个周期中从概念形成到报废处理的所有因素，以便及时发现制造、装配、市场和产品维修等各个环节的设计错误，避免到了后期由于修改设计方案或返工而造成的大量损失，同时也缩短了产品开发周期。这就要求铸造工艺设计人员不仅要参与产品设计开发（上游工作），还要考虑整个铸件生产的多个环节以及后续的加工及装配（ 下游工作），才能取得满意的结果。

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$ {1 l4 R- D+ n; f* }0 [3.全球经贸一体化趋势对铸造行业的影响

        当代世界经贸的一个十分重要的态势就是全球经贸一体化趋势的加速。ISO等国际组织为了适应全球经贸一体化的趋势，规范激烈的市场竞争，也在加紧制定并推行质量、安全和环保等第三方认证制度，这些都将对铸造行业产生巨大的影响。这些已经实施或即将出台的认证制度与铸造企业的生存与发展、铸造产品的开发与销售密切相关，必须引起我们的高度重视。这些认证制度主要有以下几种。

0 [( s0 d$ Q* a% p        ⑴ 风糜全球的ISO9000质量体系认证制度为规范各国质量艚和保证行为并使之有序化，ISO于1987年发布并于1994年重新修订，形成了ISO9000《质量管理和质量保证》系列标准，并在全球大力推行以此系列标准为依据的认证制度，取得认证书已成为企业走向国际市场的通行证。
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" u7 k1 K! b7 X+ v4 v6 J        ⑵ 方兴未艾的产品安全认证制度ISO成立了ISO／TC199机械安全标委全， 加速机械安全标准的制定，并于1996年成立了中国机械安全谁中心，目前已在制冷、木工机床、机械压力机、风机及起重机械等产品中试行。由于铸造机械服役条件恶劣，对操作者存在火焰、高温、机械、冲击、振动、电气、噪声和有害材料及物质等多种危险因素，因而要密切关注这方面的动态，必须在标准、技术和认证等方面作好准备。
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4 A7 A: M5 p, c8 K" @. T$ N        ⑶ 已启动实施的环境认证制度 为了解决全球范围内的环境问题， ISO于 1993年6月正式成立了TC207“环境管理技术委员会”。TC207的任务就的采用与质量管理体系同样的原则，通过制订和实施一套环境管理标准，规范企业和社会团体等所有组织的环境行为。其主要依据是ISO14000.前不久，在匈牙利召开的第63届国际铸造会议上已评出十家环保获奖企业。我国国务院于1994年3月通过了《中国 21世纪方程》，也已将开展清洁生产列为中国可持续发展的重大行动。

        ⑷ 积蓄待发的“职业安全与卫生”认证制度随着社会发展，重视人身安全卫生的该类标准及认证制度迟早会有一天要实施，铸造行业亦应及早在思想及措施上作好准备。

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4.现代生产模式的产生对铸造行业的影响
        现代生产模式的产生及发展不仅直接影响制造业的生产工艺过程，而且对未来的企业组织结构也将产生很大的影响，对铸造厂与主机厂的关系也将产生直接或潜在的影响。企业组织结构将从金字塔式的多层分工模式向分布式网络化的扁平模式转化，机械制造业的全球化、网络化、虚拟化已成为重要的发展趋势。零部件制造业发展迅速，“中声产业”正在崛起（ 所谓中场产业是批处于最终装配工业和基础材料工业之间的产业）。铸造行业是机械制造全过程中不可缺少的重要环节， 亦属中场产业。面对上述变化，亦应采取必要的对策。

        根据上述分析，结合我国铸造行业的实际情况，建议处于世纪之交的中国铸造行业重点作好如下工作。

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1.打好铸造行业的组织结构优化战役，争取形成一批铸造专业化生产“小型巨人”我国铸件年产量已达到1200万t，位居世界第二，但点多批量小为世界之最。 生产厂点多达2万多家，平均每个厂年产只有500多t， 只相当于工业发达国家平均水平的1／8～1／9；专业化程度只有30％（工业化国家已达80％～90％），在专业化铸造厂中，有不少也是“大而全，小而全”的全能铸造厂，铸造方法多样，技术装备落后，什么铸件都干，没有专业特色、产品特色和经济规模，没有真正发挥专业优势。因此铸造行业组织结构优化的任务十分艰巨，要全力打好自身的组织结构优化战役，通过行政、政策、技术、市场、法律及经济等手段进行改组、改制，实现如下三个目标。

        ⑴ 铸件质量要上去，生产厂点要下来 在确保质量的基础上根据需求稳步增加产量，而生产厂点数一定要下来。要通过各级政府统筹规划、政策导向、法规制约、市场优胜劣汰等手段，把现有的铸造厂点的数量减下来。其中，随着主机厂的联合而伴生的铸造车间联合及大型铸造厂兼并小型铸造厂是两种主要形式。中小铸造厂在这场调整中能否找至自已的位置，关键是技术及管理水平，以及是否有特色。

$ n$ k3 u. b( f2 Q* I( u        ⑵ 走专业化规模经营之路，并形成一批铸造专业生产“小型巨人” 铸造行业要在市场竞争中求得生存与发展，必须走专业化规模经营之路。专业化生产的标志，一是看是否采用先进适用的工艺和设备；二是看是否具有合理的经济规模，是否批量大、效率高及耗能低；三是看铸件是否有特色，有无稳定的主机厂和市场；四是看是否有一批有技术专长的职工队伍和管理经验。要在实现专业化生产的企业中培育一批技术水平高、产量大、质量好的小型巨人，成为100家巨人企业的铸件可靠供应基地和实现“两头在内，中间在外”的中间环节。
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8 I, G( F0 }/ z# \2 N2 ]⑶ 大力推进铸件毛坯商品化工作，扩大出口根据国外用户要求，搞好抟坯深加工，发展成高附加值的“中场产业”。根据用户要求，铸件的专业化生产，可采取多种形式。既可以专业化生产铸件，也可以向浓度加工延伸，发展成成品零件的专业化生产。形成一批满足国内外用户需要的铸件生产供应商，不仅提高铸件出口的数量，也要提高出口铸件的技术含量和档次。同时要尽可能加入有关的高贸信息网络，在网络中寻求合作伙伴及用户。另外，有条件的企业要进行现代生产模式的试点。实现铸造精益生产，进而通过分散网络化系统，实现与主机厂及用户的异地设计、异地制造。

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8 c7 D1 g( z. R5 D  V6 O2.打好铸件质量翻身战役，开展创名牌铸件、明星铸造企业活动⑴ 大力普及优质、高效、低耗的清洁铸造工艺及设备 通过技改与技术革新，全行业大力普及工业发达国家早在60年代即已普及的优质高效低耗铸造工艺，改变铸造行业的技术构成。重点是提高六个比例：在熔炼方法中，提高铸造焦化铁、热风冲天炉及双联的比例；在铸钢熔炼中，提高钠液精炼的比例；在机械化造型方法中，提高气冲、高压、挤压和静压等高紧实率造型的比例；在干型及型芯制造过程中，同树脂砂及酯硬化、VRH法水玻璃砂的比例；在铸铁件生产中， 提高球墨铸铁、高强度灰铸铁件的比例；在有色铸造中，提高压铸、低压及金属型铸造的比例。

  s4 s/ f! T4 S' C0 j7 O3 `        ⑵ 建立适应铸造行业特点的质量体系， 力争更多企业通过认证 贯彻实施 ISO9000标准，是企业保证铸件质量稳定的重要管理措施， 也是企业建立质量信誉、取行主机厂及用户信任和走向国外市场的重要途径。铸造生产由于工序繁杂，原材料众多，工艺因素多变，贯彻ISO9000标准更显重要。 已经开展“工艺突破口”工作并已取得成效的铸造企业，要在巩固已有成绩的基础上建立健全质量保证体系，并争取通过认证。

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0 ?# {- y! O( `+ u# k3.打好铸造行业开发能力提高战役，提高快速响应市场的能力， 全面提高铸造技术水平开发能力提高战役的目标旨在通过建立企业技术开中心，提高企业自主开发新产品的能力，特别是着重提高快速响应市场的能力及设计制造水平。结合铸造行业情况，建议重点抓好以下三方面的研究工作。
        ⑴ 开发并普及快速模具制造及快速铸造技术，提高快速响应市场的能力，迸而实现异地设计、铸造 各种铸模具（模样、金属型、模板、芯盒）是铸造生产重要的工艺装备，它的设计、加工、制造速度是整个铸造生产过程的瓶颈。快速模具制造技术包括如下不同层次的技术内容：
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. k9 O  W: P! x( p/ y        ①不同档次的铸造工艺及模具CAD／CAM技术 a.铸造工艺模拟仿真技术：就用计算机模拟铸件的充型、凝固、冷却过程，预测铸件可能产生的缺陷及位置，比较不同工艺条件的铸件质量，是快速优化及位置，比 同工艺条件的铸件质量，是快速优化铸造工艺的基础技术。b.铸造工艺CAD技术：可以采用低档的、 建立在经验基础上的工艺CAD，代替人工进行工艺设计，绘制铸造工艺图； 也可采用建立在计算机模拟仿真技术基础上的高档工艺CAD.c.铸造工艺及模具的CAD／CAM或CAD ／ CAE／CAM一体化技术：具有接受铸件图样（计算机文件方式接受）、工艺分析及报价、模拟铸造过程、优化工艺参数及铸型和模具设计，并将完成的模具设计信息传送到数控机床，直接加工出铸造模具等系统功能。
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        ②快速原型制造技术 快速原型技术（RPM，Rapid Prototyping Manufacture） 是90年代发展起来的一种CAD／CAM一体化技术。至今已发展有十金种方法，其中较为成熟的有五种方法，即立体印刷技术（SLA）、分层实体制造技术（LOM）、选择性激光烧结技术（SLS）、熔化沉积制造技术（FDM）和三维印刷技术（3D-P）。RPM技术在铸造生产中有如下三种应用方式：a.原型模样直接浇注铸件：与熔模、消失模铸造结合起来，形成快速铸造技术，用于时间要求十分紧迫的开关复杂的单件。b.用原型翻制母模后再浇注铸件，用于铸件有一定批量时。c.利用原型模样制造模具，可用于铸件大批量生产。具体实施方法有：LOM法、FDM法制得的模样外表喷涂一层高硬度树脂或合金；用SLS法直接制得金属模具原型等。

/ p1 Z) x2 Q! N2 i$ N        ③应用高速模具加工检测设备（加工中心、三坐标测量机等），缩拓模具制造周期。
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5 E8 J$ o- x+ e  T6 G0 T2 P# n        ⑵加快用高新技术改造传统铸造技术的步伐，彻底改变铸造技术的落后面貌 在铸造工艺方面：正由温度场、流场及应力场等宏观模拟走向组织性能的微观模拟；由单项模拟走向充型、凝固及冷却模拟的集成；由砂型铸造走向特帮造；由提高质量走向提高速度，并最终实现在并行工程环境下铸造工艺模拟与产品CAD／CAM的集成，形成铸造虚拟成形技术。 在铸造机械化、 自动化方面：由铸造设备单机的 PLC、工业控制机的自动控制，到通过网络系统控制形成联线技术，并与机器人、 物流、自动检测及MIS技术结合起来，形成铸造生产不同档次的FMS、CIM技术。 在铸造合金方面：研究高比强度全金及金属基复合材料的材料配制及铸造成形工艺，并扩大应用。

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        ⑶攻克一批铸造关键技术，满足支柱产业对先进铸造技术的需要 建议重点抓好以下三方面的技术：

: c+ f, y3 L! r6 F9 t# o        ①高效的精密铸件成形工艺及设备 针对30万辆轿车铸造毛坯精化及大批量生产的需求，开发140～160型／h的气冲造型线，全自动冷芯盒造芯设备，200t／h大型砂处理设备等黑色金属缸体砂型铸造成套工艺装备；缸盖、排气管金属型铸造，转向臂金属球铁，变速箱体铝合金压铸及轮毂铝铸件低压做造等特种铸造成套工艺和设备。

: W& M& O, r9 z% }5 e        ②大型合金钢铸件成套工艺 针对三峡工和水轮机转轮（ 外么达10m， 重量近 500t）毛坯铸造，开发转轮用钢、上下冠叶片及导叶的电渣熔铸工艺。
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        ③大口径离心球铁铸管成套技术 解决冷模法（1m以下）、热模法（1m以上）工艺及其形简制造工艺，以满足建筑业及水利工程发展的需要。

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4.发展绿色铸造技术，重视环境保护和人身安全，迎接ISO14000认证及安全认证，取得参与市场竞争权铸造行业作为资源消耗大户，是环境及人身安全危险的多发行业，必须重视发展绿色铸造技术（清洁生产技术），重视并主动申请环境及安全认证。这不仅体现了铸造行业对社会的贡献，而且也涉及铸造行业自身的生存与发展。因为随着认证制度的推开，其产品能否在市场流通的大问题。具体就抓好以下三方面的工作。
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        ⑴ 树立清洁生产意识，大力发展绿色铸造技术 建议重点开发无毒精炼和变质剂技术；冲天炉废气利用及除尘技术；无粉尘铸造技术；型砂再生技术；无毒、无味粘结剂及白色铸造辅料；新型落砂清理设备及铸造用机器人应用技术等。

        ⑵ 认真学习贯彻ISO14000系列标准。开展各类人员的培训，有条件的铸造企业（特别是采用无砂精密铸造的专业化厂）积极争取通过认证，为提高效率，减轻企业负担，可以采取申请ISO9000和ISO14000的联合认证方式。
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        ⑶ 在铸造机械设计、制造中，认真贯彻已制定的机械安全标准，特别要认真贯彻《机械安全──基本概念与设计通则》标准。在设计阶段考虑安全因素、并重视国际、欧洲及我国有在机械安全法规、标准的规定，在商贸中予以贯彻实施。