“绿色铸造”与铸造行业环保

2011-02-09周惦武李娄明张福全

铸造设备与工艺 2011年1期

周惦武，李娄明，张福全

（1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙 410082；2.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082）

随着我国资源与环境压力的日益增大，政府部门提出了“实现可持续发展、建设资源节约型、环境友好型社会”与“要确保实现十一五规划中确定的能耗降低20%、主要污染物排放总量减少10%”的目标。在我国，铸造在机械制造业中占有十分重要的地位，铸件产量已连续6年位居世界首位，铸造企业已超过26000多家，其中除少数大型企业铸造技术先进、生产设备精良、环保措施基本到位外，大多铸造企业依旧制造技术落后、生产设备陈旧、环保问题未提到工作日程上来。“绿色铸造”是将综合预防污染和合理利用资源的环境策略，持续地应用于实际的铸造生产，以实现企业的环境自净，达到尽可能多的自行消纳本企业产生的废弃物和尽可能少的向外界排出废弃物的目的［1］。在分析国内外铸造行业环保现状的基础上，结合我国铸造生产技术水平与存在的主要问题，提出编制铸造行业的绿色制造标准，从铸造工艺、造型材料与铸造装备等多方面入手促进铸造环保，利用计算机模拟与信息化技术全面提升铸造技术水平，开发废气物的资源化处理新技术与加强铸造环保科技人才的培养，利用“绿色铸造”理念指挥铸造企业的铸件生产，来实现铸件“绿色生命周期”的全过程。

1 国外铸造行业环保现状及特点

国外铸造行业十分注重环保。由于环保法规日益严格，迫使美、德、日等发达国家对环保问题极其重视，并投入了大量的人力、物力和资金开展了环保工程的建设［2］。美、德、日等国家的企业熔炼设备一般选用中频感应电炉，但在一些特殊情况下，热风水冷冲天炉也得到一定程度应用，主要原因在于其充分利用了烟气的物理热以及化学潜热，改善了一般冲天炉的冶金条件；由于采用排烟回收的再燃烧方式提高了炉温，因此节约了焦炭，减少了有害气体的排放［2］；合金熔炼广泛采用铸造专用焦炭和炉料预净化技术；造型工部基本采用噪声低的静压气冲造型机和挤压造型机代替老式的震动式和多触头微震造型机；制芯工部则采用效率高的树脂砂制芯，制芯机日益现代化，如使用冷芯制芯机实现自动运行，由机器人进行砂芯搬运等；浇注工序基本实现了机械化和半自动化，并且工人免受了高热烘烤，劳动条件得到极大改善；砂处理工部基本使型砂得到了封闭运行；普遍采用旧砂再生和其他处理技术，四废（废砂、废渣、粉尘、废气）的排放量少于我国排放量的1/10［2］；一系列新兴的铸造成型技术（如金属型、壳型、消失模铸造等）用于铸件生产，与砂型铸造相比，铸造环境得到很大改观［2］；铸造企业的设计者清洁化生产意识很强，将铸造车间最常用的皮带运输机尽量封闭起来，并采用密封性能较好的斗式提升机，大大缩短了回砂路程；此外对铸造设备环保配套意识也加强了，如出厂设备都按用户的要求，配置密闭吸尘罩、注明通风量等；铸造厂房除基本全封闭外，还补充一定量的新鲜空气，此外厂房周围栽种了大量的花草树木，既美化了环境，又降低了污染。

2 我国铸造行业环保现状、铸造生产技术水平与存在问题

2.1 我国铸造行业环保现状

我国铸造行业面临环境保护的严重困扰［3-8］。据报道，我国采用手工造型为主的铸造厂占90%～95%，冲天炉配备有效环保设施的不到总数的5%，工厂现场环境恶劣、劳动作业条件差、制造技术落后、粗放式生产铸造企业占90%以上。其主要表现在对自然资源的超量消耗上，有“资源漏斗”的说法。在我国铸造实际生产中，材料和能源的投入占总产值的55%～70%。每产1t铸件，大约散发50kg粉尘，而熔炼和浇注工序排放废渣大约300kg、废气 1000m3，造型和清理工序排废砂 1.3 t～1.5 t。每年排污物总量：废渣300万t、废砂1650万t、废气110亿m3。根据铸件产量对铸造废砂、铸造废渣及粉尘的数量进行回归预测分析，发现我国铸造业如按现行的生产模式进行，估计到2020年，其主要废弃物铸造废砂、废渣及粉尘、CO、CO2的排放量分别为 3235 万 t、1122 万 t、882 万 t、485 万 t。如果再考虑有色金属铸造产生的污染物以及非铸铁件熔炼中排放的废气，按混合量计，对13亿的中国人口来说，仅铸造业就给每个人平均带来大约50kg的污染物。

2.2 我国铸造生产技术水平与存在的问题

我国铸造行业的生产技术水平比发达国家落后大约20年，无法满足国民经济快速发展的需要。在我国，铸造业是汽车、装备制造、钢铁、石化、电力等支柱产业的基础，是关系国计民生的重要行业。在机械制造装备中，铸件占整机重量的比例很高，如内燃机大约占80%，液压件、泵类机械占50%～60%、拖拉机占50%～80%。汽车中的关键部件几乎由铸造而成；而矿山、电站、冶金等重大设备均依赖于大型铸锻件。我国铸造生产企业主要分布在东部，西部较少。从铸造产业结构来看，企业既有从属于主机生产厂的铸造分场或车间，也有专业铸造厂，还有大量的乡镇铸造厂。就生产水平和规模来看，既有机械化程度高、工艺先进、年产数万吨铸件的大型铸造厂，也有设备简陋、手工操作、工艺落后、年产百余吨铸件的小型铸造厂。近几年，由于受能源、环境因素和劳动力价格的影响，西方发达工业国家的铸件产量减少，逐渐转向发展中国家采购一般铸件，但同时又向发展中国家出口技术含量高、高附加值的优质铸件。当前，世界经济全球化进程的加速为我国铸造业的发展提供了机遇，又提供了挑战。国际和国内市场对我国铸件的需求呈持续增长的发展态势。我国铸造行业存在的主要问题如下。

1）能耗和原材料消耗高

我国铸造行业的能耗占机械工业总能耗的25%～30%，其大约是铸造发达国家的2倍。我国每生产1t合格铸铁件的能耗为550kg～700kg标准煤，国外则为300kg～400kg标准煤，我国每生产1t合格铸钢铁件的能耗为800kg～1000kg标准煤，国外为500kg～800kg标准煤。据统计，铸件生产过程中材料和能源的投入大约占产值的55%-70%。我国铸件毛重比国外平均高出10%～20%。

2）工艺水平低，铸件质量差

由于缺乏科学的设计指导，一般铸造的加工余量一般比国外大1～3倍，大型铸件偏析和夹杂物缺陷严重、铸件裂纹严重，此外浇注系统设计不合理、模拟软件应用不普及等因素也导致铸件质量难以得到保证。

3）环境污染严重、作业环境恶劣

我国除少数大型铸造企业环保措施基本到位以外，其他多数厂很少顾及环保问题。上世纪80年代，政府对生产规模小、技术水平落后、环境污染严重的企业进行了专业化调整，但铸造生产的粗放特征没有得到根本改变。1998年在匈牙利举办的第63届世界铸造会议上，中国没有一个铸造厂获得环境保护奖，这与中国的铸造大国地位极不相称。采用高技术实现“绿色铸造”是当前我国需要重点解决的关键问题。

4）人才短缺

铸造技术人才严重短缺是制约我国铸造技术发展的关键。主要体现在：①新人才来源困难。在上世纪90年代后，我国很多高校不再设置铸造专业（目前设置铸造专业的高校极少），一些大中型企业的厂办学校也有下降趋势，至此新人才的来源变得更加困难；②高级技术人才数量少，铸造企业管理人才也基本以具有本科、大专和中专学历的学生为主；③技术及管理人员数量少，分布也不均匀，其中最少的工厂里，技术及管理人员仅占总职工人数的12%，而最多的工厂占到323%，相差27倍之多，国企尤其军工企业的比例高。分析铸造人才短缺的根本原因，其主要在于铸造企业的待遇低、工作环境恶劣。国有企业在岗职工年龄40以上的占80%，20岁～40岁的人员很少；而民营企业，从年龄上看，大多在60岁以上，绝大多数工人也极少经过铸造专业培训，多数为农民工从事铸造生产。

3 实现“绿色铸造”的有效途径

“绿色铸造”的概念体现了高速发展着的文明进程的人性化特征和经济可持续发展的总体要求。作为环境负荷过重的铸造产业，随着公众环境意识的不断提高及国家环境保护法律法规的进一步完善，“绿色铸造”的呼声迅速成为铸造技术发展的指挥棒，特别是国际标准化组织发布的有关环境管理体系的So14000系列标准，也在推动着“绿色铸造”的强势发展。结合我国铸造环保现状与国外的差距，结合我国现有铸造技术水平与存在的主要问题，从以下几个方面初步探讨实现“绿色铸造”的有效途径：

1）编制铸造行业的绿色制造标准

铸造行业产品设计理论和方法、材料应用技术、制造工艺与装备技术、测试技术、自动化技术等基础技术，是铸造行业赖以生存和发展的相互关联、相互影响、不可或缺的基础技术组成部分。在我国，实现“绿色铸造”，可从这些基础技术入手，根据铸造行业能耗与原材料消耗的关键影响因素，编制铸造行业的绿色制造标准［9］：①进行绿色铸件及铸造工艺设计，保证铸件产品及铸造生产过程的“先天绿色质量”，在源头确保铸件全寿命周期环境属性的最优化；②考虑直接消耗能源、资源并排放污染物、废弃物的重要影响因素，采用绿色铸件工艺及工艺装备技术，将原辅材料（输入）转化为铸件（有用输出），从而实现真正意义上的“绿色铸造”生产；③以清洁、环保型原辅料及其应用技术替代传统原辅料及其应用技术；④采用先进快速准确的检测及控制技术，优化铸造生产过程，消除或减少铸件废品，提高铸件成品率，减轻由于检测不及时或失准而造成的能耗及污染，实现“绿色铸造”；⑤采用适用有效的末端治理技术，减少已产生污染物向环境排放。除了对上述几个方面提出技术要求外，还应结合我国铸造国情，使企业能够采用最佳治理方案（低成本、高效率地）实现最终排污能达到国家环保标准的要求。

2）从铸造工艺、造型材料和铸造装备等多方面入手促进铸造行业环保

我国铸造行业环保现状令人担忧，可从铸造工艺、造型材料和铸造装备等多方面入手促进铸造行业环保：①铸造工艺和造型材料［10］：砂型铸造是铸造工艺的主要方法，占整个铸件生产的80%～90%。在铸造生产中，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染最为严重。要实现砂型铸造的绿色清洁生产，应尽量采用绿色的无机黏结剂，并尽量降低黏结剂的加入量（最好不加黏结剂），这样对解决旧砂的再生回用问题大有益处，对环境的压力也将大大减小。在目前涉及的砂型铸造的各种方法中，采用无黏结剂干砂造型的消失模铸造和V法铸造、采用有黏结剂的水玻璃砂型铸造是最可能实现“绿色铸造”生产的工艺方法。无黏结剂的消失模铸造被誉为 “21世纪的铸造新技术”、“铸造中的绿色工程”等；水玻璃砂被国内外的许多专家称为最有可能实现“绿色铸造”生产的型砂；而V法铸造也因其具有节能、高效、环保、高品质的工艺特点而广受好评。②铸造装备［2］：目前我国铸铁件大多采用冲天炉进行熔炼生产，采用清洁高寿命耐火材料，高效热风连续冲天炉，铁液封闭运输处理、浇注和型上处理技术，可减少金属氧化和渣的生成量；采用国际铸造环境控制委员会推荐措施炉料的预净化处理技术，可减少熔炼过程中粉尘的散发量；采用水冷粒化炉渣技术，可使炉渣成为效率高的建筑材料；综合利用冲天炉的废气。此外铸造生产中，产生粉尘、噪声等工艺设备，如运输、筛分、清理、落砂等设备，可从产品结构上进行改进，使其不扬尘或少扬尘［11-14］。

3）利用计算机模拟与信息化技术全面提升铸造技术水平

国外铸造生产从严执行技术标准，铸件废品率约为2%～5%，重视用信息化技术提升铸造工艺设计水平，普遍应用软件进行充型凝固过程模拟和工艺优化设计，而我国在铸造生产过程中利用计算机模拟与信息化技术极为少见，因此开发并使用铸造CAE软件，研制砂处理在线控制系统，控制铸造熔炼金属液成分、温度及生产率，研究铸件结构设计、组织模拟计算与铸造工艺优化技术，将材料微观不同尺度与宏观三维尺度对接，开展4D联合仿真精度、计算效率与关键技术研究，提升铸造技术水平，保证铸件质量，降低铸件的废品率，缩短铸件的设计与制造周期。

开发形式多样、既分散又集成适用于铸造生产各方面需要的计算机专家系统，并使之与铸造CAD/CAPP/CAE/CAM集成；开展涵盖铸造企业所有行为集成化铸造信息处理系统，采用先进制造技术改造传统的铸造产业；推行计算机集成制造系统（CIMS），借助计算机网络、数据库集成等环节产生的数据，综合运用制造技术、系统工程技术、现代管理技术、信息技术，将铸造生产过程中有关技术、设备、人与经营管理要素以及信息流、物质流有机集成，实现铸造行业的整体优化，实现铸造产品低耗、优质与快速上市；研究互联网对铸造产业的影响与对策，开发铸造企业网上的技术交流、铸造异地设计和远程制造技术、电子商务与分散网络化的铸造技术（DNC），利用网络化的高新技术，推动铸造行业的深刻变革［15，16］。

4）开发废气物的资源化处理新技术

如何保护生态环境和最大限度地节约资源，目前已成为各国铸造工作者迫切追求的目标，为此我国的铸造企业在新建或进行技术改造时，应该同时统筹废弃物的综合再利用工作，可从以下几个方面着手［17］：①在设计改造方案时，首先考虑增加对于环境保护的投入，建议环保投入应占总投资额的15%以上；②采用机械化、自动化、封闭化的先进铸造设备来实现环境保护的目标；③采用清洁的生产工艺改善作业环境；④参照国外铸造企业废弃物的处理方法，开发铸造废弃物的资源化处理新技术；⑤坚持循环经济的减量化原则、再利用原则、再循环原则。

5）加强铸造环保科技人才的培养

针对铸造行业人才短缺的实际情况，我国应从长远考虑，制订吸引和稳定人才的优惠政策。针对目前许多高校不设铸造专业的情况，采取企业委托培养以及厂校联合办学的模式来培养铸造技术人才。通过建立全国性和地区性的技术培训基地，提高技术人员和工人的铸造技术水平，尤其重点培养铸造技术与环保技术有机结合的具有 “绿色铸造”特点的复合科技人才；针对设置铸造专业的高校，铸造行业应组织培养一批专门从事铸造环境污染治理工程的技术人员，在铸造专业的教学内容中，适当增加铸造环保技术方面的基础知识，而在有条件的学校设铸造环保的学科硕士点，在铸造机械研究院、所明确设置铸造环保研究室。

4 结束语

“绿色铸造”是社会可持续发展战略在制造业中的一个体现，“绿色铸造”模式对铸造企业信息化的运作水平提出了相当高的要求。应对我国铸造业的生产能力、技术水平、产品质量等级、能耗和原材料、铸造技术人才、质量管理水平和排放废砂、废气、粉尘、废渣、废水、机械振动和噪声等废气物情况入手，借鉴国外理论研究与实践的成果，根据我国铸造行业环保现状、铸造技术水平的基本特征、存在问题和环保设计的基本要求，建立铸造生产过程中不同的生产环节环保设计的基本标准，作为我国铸造企业的新建、改建、扩建和技术改造项目的目标，规范铸件生产的企业行为，大力抓好环境保护与实现“绿色铸造”，提升我国铸造行业的技术水平，满足国民经济快速发展的需要。

［1］鲁永杰.铸造行业绿色铸造技术发展战略［J］.铸造，1999（增刊）：71-73.

［2］吴景峰.清洁铸造技术在汽车铸造业的发展［J］.汽车工艺与材料，2002（5）：1-6.

［3］戎晨阳，陈小华，刘云鹏.关于中国铸造业现状的思考［J］.现代铸铁，2007（1）：78-80.

［4］颜爱民.中国铸造行业现状及发展对策［J］.铸造技术，2003（2）：77-78.

［5］李新亚.铸造行业国内外生产技术现状及发展方向［J］.铸造，1997（增刊）：5-6.

［6］房贵如.变铸造大国为铸造强国［J］.铸造，2001（3）：122-123.

［7］缪良.新形势下中国铸造工业的战略考虑［J］.铸造，2003（4）：261-263.

［8］洪晓先.中国未来的汽车工业发展对铸造业的要求及汽车铸件生产的发展方向［J］.铸造纵横，2005（7）：11-18.

［9］张红.绿色铸造标准研究［J］.机电产品开发与创新，2008，21（6）：1-2，5.

［10］樊自田，王继娜，黄乃瑜.实现绿色铸造的工艺及关键技术［J］.铸造设备与工艺，2009（2）：2-7，62.

［11］张国玲，陈金宝.铸造车间砂处理工部的通风除尘［J］.环境工程，2003（3）：34-36.

［12］张本平.浅谈铸造项目设计中的节能与环保［J］.铸造，2004（11）：920-921，928.