通过3D打印模具余热回收提升砂型铸造的能源回收能力

《Energy》：Enhancing energy recycling capacity of sand casting through waste heat recovery with 3D-printed molds

　　

摘要 砂型铸造在能源回收方面具有相当大的潜力，尤其是在冷却阶段，此时仍有大量余热可供回收。然而，现有针对该阶段的余热回收方法存在总回收量低、效率不足的问题。本研究提出了一种基于3D打印砂型模具的结构优化方法。通过重新设计模具几何形状，调节控制余热回收的三个关键参数，并建立与回收装置兼容的布局方案，两个案例研究的实验结果表明，优化后的中空桁架结构将总回收能量提高了45%和70%，将回收时间缩短了60%和70%，实现了45 W/m2的平均功率密度，同时减少了冷却时间和用砂量，从而显著提升了能源回收能力。该方法将结构减材与余热回收相结合，增强了砂型铸造冷却阶段的能源回收能力，适用于大多数尺寸和产量规模的铸造场景，并为铸造行业的可持续制造研究提供了参考。

引言 工业技术的发展导致能源需求持续增长，由此引发了严重的能源消耗和碳排放问题[1]。其中，制造业的能源需求占全球能源消费量的三分之一[2]。在能源需求不断增长的背景下[3]，社会对可持续发展的认识日益加深[4]，与能源消耗和碳排放相关的立法也在不断推进[5]。可持续制造的重要性日益凸显[6]。能源回收是可持续制造的关键组成部分[7]。增强生产过程中的能源回收能力，特别是加强对制造过程中产生的余热和余压等废热的回收、转化、存储或利用[8,9]，有助于实现可持续发展目标，促进温室气体减排，并减少化石燃料依赖[10]。在能源回收过程中，废热的回收至关重要；因此，总回收能量和回收效率是影响整体能源回收能力的关键因素。

作为能源回收的重要手段，余热回收技术可显著降低能源消耗并大幅减少温室气体排放[11]。研究表明，全球约72%的一次能源在转化后被视为浪费[12]，能源回收的总体水平相对较低。工业生产产生的余热往往被直接排放，大量能源未被回收，造成能源浪费[13]。因此，余热回收技术在工业生产中具有广阔的应用潜力。

工业余热回收研究主要集中在直接利用和转化为电能或机械能方面。在直接利用方面，Xu等人[14]利用吸收式热泵回收区域供热余热，实现了1.77的性能系数（COP）。Ortega-Fernández等人[15]利用钢渣回收电弧炉排气余热，效率超过65%。Selvaraj等人[16]利用熔融金属余热预热原材料，回收了约16%的能量。在转化方面，Shamsi等人[17]提出了一种ORC与冷却系统组合方案（WHWRS），同时回收烟气余热和余热。Pocola等人[18]为铝铸造厂设计了一套全年运行的复合系统，整合了ORC、供暖和吸收式制冷。Sivakumar等人[19]通过朗肯循环将水泥厂能源效率提升至19.66%。Xiao等人[20]将拱形集热器与TEG结合，产生17.89 W的电力。Qin等人[21]估算典型焦化厂可回收32.12 MW电力。Yadav等人[22]将TEG与d型吸热板结合应用于钢坯铸造，达到339 W的电力输出。Marit等人[23]在硅铸造厂使用碲化铋模块TEG实现了160 W/m2的功率密度。这些研究表明，余热回收在工业生产中具有广泛的适用性和显著的潜力。

砂型铸造作为金属零件的关键制造工艺，伴随着大量的能源消耗，并在冷却阶段释放大量余热（图1）。本研究聚焦于通过优化冷却阶段的余热回收来提升铸造过程的能源循环。我们此前已证明利用热电发电机（TEG）回收冷却阶段余热的可行性[24]；然而，回收能量低和平均回收功率不足等问题依然存在，限制了整体能源回收效率。因此，本研究旨在通过优化砂型模具结构来解决这些局限性，最终提升砂型铸造过程的能源回收能力。

3D打印砂型模具在优化结构方面具有高度的设计灵活性，可在提高铸件质量和效率的同时减少资源消耗。Deng等人[25]利用双层绝热浇口延长凝固和补缩时间。Kang等人[26]使用网格框架增强冷却并降低用砂量。Sama等人[27]和Dabade等人[28]优化了浇注系统以减少缺陷和气孔，提高了成品率。Ryan等人[29]设计了浇道延伸段以限制卷入空气并改善性能。Wei等人[30]发现中空核心可加速铸件冷却但会延长浇口凝固时间。Xu等人[31,32]开发了一种带烟囱的中空双层壳体实现强制冷却，减少了裂纹和应力。Wang等人[33]通过多层壳体和浸水实现了定向冷却和绝热。Shuvo等人[34]设计了3D打印浇口以提高强度并减少缺陷。

本研究将3D打印砂型模具与余热回收相结合，以增强砂型铸造的能源回收能力。通过预测模型识别控制余热回收的关键参数，设计不同的砂型模具结构方案以分析各参数对热回收的影响。随后，提出了砂型模具的优化结构设计方案，并重新设计了余热回收装置的布置方式。通过两个案例研究验证了优化方案的有效性。该方法提高了总回收能量，缩短了冷却时间，并增强了能源回收能力。本工作为铸造行业的余热回收和可持续发展提供了新的思路。整体框架如图2所示。

余热回收影响因素分析 在之前的研究[24]中，我们提出了砂型铸造冷却阶段余热回收的预测模型：

E = α2RT_EG2 / [R_load(R_TEG + 2R_si + R_sink + R_convection)2] × ∫?? (T_s - T_air)2 dt

其中，R_TEG = 2δ_ce/(A·λ_ce) + 1/[N_P·N·(2δ_cu/(A_cu·λ_cu) + δ_P·N/(A_P·N·(λ_P + λ_N)))]，R_plate = δ_plate/(A·λ_plate)，R_si = δ_si/(A·λ_si)，R_sink + R_convection = δ_base/(A·λ_base) + m·L′/(t_h(m·L′)·h_n·A_f) + m·L′·A_b/h。

根据该预测模型，可以发现，在使用相同的余热回收装置条件下，砂型模具表面温度T_s和废热……

铸件设计与余热回收装置设计 本研究对传统致密砂型和优化桁架砂型进行了余热回收实验对比，使用两种铸件：简易端盖（图13A，3.77×10? mm3，180×180×30 mm，双腔模具）和复杂发动机缸体（图13B，4.34×10? mm3，392×257×202 mm，单腔模具）。两者均为A356铝合金，工艺参数见表1。

本案例研究中使用的TEG板型号为TEP1-142T300，尺寸为40mm×40mm，最大……

实验结果分析 实验结果表明，优化后的中空砂型在余热回收方面显著优于传统致密砂型。如图20A所示，在两个案例研究中，与致密基线相比，中空桁架结构将总回收能量提高了45%~70%，将回收时间缩短了60%~70%。这些数值代表了两个案例中观察到的最小和最大提升幅度。平均功率提高了352%~441%（图20B），……

结论 砂型铸造在能源回收方面具有相当大的潜力，然而现有针对冷却阶段的工作受限于回收量低和效率不足。为了解决这些局限性，本研究提出了一种针对3D打印砂型模具的结构优化策略，以增强冷却过程中的能源回收能力。通过重新设计模具几何形状，调节控制余热回收的关键参数，并制定兼容的余热回收装置布置方案……

CRediT作者贡献声明 Jun Zheng：验证、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化。Jun Zhu：撰写—初稿、软件、资源、形式分析、概念化。Wei Wang：撰写—审阅与编辑、可视化、方法学。Bin Tang：资源、调查。Tiening Qi：撰写—初稿、可视化、软件、方法学。Rundong Jia：可视化、调查、形式分析。Xiran Qiu：撰写—初稿、可视化。

利益冲突声明 作者声明以下财务利益/个人关系，这些关系可能被视为潜在的利益冲突：Jun Zheng报告获得中国国家自然科学基金的资助。Jun Zheng报告在资助下获得浙江省自然科学基金的资助。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响……

致谢 资助：本工作由中国国家自然科学基金[项目编号No. 51505428]；浙江省自然科学基金[项目编号No. LY18E050007]资助。

Jun Zheng | Jun Zhu | Wei Wang | Bin Tang | Tiening Qi | Rundong Jia | Xiran Qiu | Zhusun Xia | Bojie Xu | Changjiang Yang | Haojun Xu
浙江科技大学智能制造与能源工程学院，杭州，310023，中国