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环保与安全

2018-05-08方治连,刘统洲,张本平等

铸造设备与工艺 2018年1期

1 概述

党的十八大报告首次将生态文明建设纳入建设中国特色社会主义总体布局，与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设五位一体，提出从源头扭转生态环境恶化趋势，为人民创造良好生产生活环境，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。

改革开放三十多年来，我国经济社会发展成就辉煌，综合国力显著提升，人民群众物质生活水平不断提高，但与此同时，全社会的生态环境质量却每况愈下，空气、水、土地污染日益严重。全国人大根据科技进步、经济发展、生态环境变化的需求，陆续修订、修正《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》、《中华人民共和国水污染防治法》，以保护和改善环境，防治污染和其他公害，保障公众健康，推进生态文明建设，促进经济社会可持续发展。

新修订的《中华人民共和国环境保护法》于2015年1月1日起开始施行，国家环保部随即发布《环境保护按日连续处罚暂行办法》、《实施环境保护查封、扣押暂行办法》、《环境保护限制生产、停产整治暂行办法》、《企业事业单位环境信息公开暂行办法》等与之配套的部令，并同期实施。

新修订并于2016年1月1日起开始施行的《中华人民共和国大气污染防治法》指出：“防治大气污染，应当加强对燃煤、工业、机动车船、扬尘、农业等大气污染的综合防治，推行区域大气污染联合防治，对颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物、氨等大气污染物和温室气体实施协同控制”。

随着我国工业化进程的加快，生产经营单位从业人员安全生产、职业健康问题也日益严重。为此，全国人大常委会于2014年8月颁布新修订的《中华人民共和国安全生产法》，决定于2014年12月1日起施行。新安全法规定：“安全生产工作应当以人为本，坚持安全发展，坚持安全第一、预防为主、综合治理的方针，强化和落实生产经营单位的主体责任，建立生产经营单位负责、职工参与、政府监管、行业自律和社会监督的机制。”

铸造行业是机械工业的能源消耗与污染物排放大户，其能耗占机械工业总能耗的25%～30%[1]，同时产生大量废砂、废渣、粉尘、废气和少量废水。我国铸件总产量从2000年超越美国成为世界第一，至已发布统计数据的2014年，连续十五年占据全球首位。总产量从2000年的1 395万t增加到2014年的4 620万t，占世界铸件总产量的比例从2000年的21.54%增加到2014年的44.58%.

铸造生产的能源消耗主要集中在金属熔炼和铸件热处理环节，其中金属熔炼占铸件生产总能耗的70%左右[2]；主要污染物产生环节在金属熔炼、浇注、落砂、铸件清理阶段。

据统计，我国铸造行业生产1 t铸件所排放的污染物平均为：粉尘 50 kg、废渣 300 kg、废气1 000～2 000 m3[3]，废砂量随造型工艺不同有较大变化，其中黏土砂最高，达1.3 t～1.5 t，呋喃树脂砂最低，为0.3 t～0.4 t.据此推算，全行业2014年排放粉尘200多万t、废渣约1 400万t、废砂约4 000万t、废气约700亿m3.

铸造生产过程还伴随产生大量职业危害因素。如金属熔炼过程中，产生 CO、CO2、SO2、NOx、铁及其他重金属烟尘、粉尘、热辐射等；铸件浇注过程中，产生 CO、CO2、NOx、树脂挥发物、二噁英、热辐射等；采用有机粘结剂造型（芯）时，释放出甲苯、甲醛、糠醇、三乙胺等有毒有害气体；落砂、铸件清理时，产生含游离SiO2的粉尘、金属粉末、噪声等。

针对我国铸造行业的现实情况，国家质检总局在2007年发布GB 8959—2007《铸造防尘技术规程》，工业和信息化部在2013年发布新版《铸造行业准入条件》，2014年发布JB/T 11995—2014《铸造企业清洁生产综合评价办法》等相关法规、标准，以加强行业管理，促进铸造行业节能减排和转型升级，推进铸造行业健康有序协调发展，更好地为装备制造业服务。

2 关键技术

2.1 铸造生产全过程绿色化技术

2.1.1 现状

2015年3月，中央政治局会议确定将十八大提出的“新四化”概念提升为“协同推进新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化和绿色化”，“四化”变“五化”，将绿色发展定性为“政治任务”，要求“必须加快推动生产方式绿色化，构建科技含量高、资源消耗低、环境污染少的产业结构和生产方式，大幅提高经济绿色化程度，加快发展绿色产业，形成经济社会发展新的增长点”。

我国铸造行业经过多年持续快速发展之后，目前处于转型升级的关键时期：铸件产量持续增长，但增长速度由2001～2010年的年均超过11%，降到2011～2014年的年均不足4%，并于2015年首次出现负增长；企业平均规模逐步增大，产业集中度提高，厂均铸件年产量由2005年的939 t提高到2014年的1 777 t，但仍然只分别相当于德国、美国的1/5、1/3，甚至低于发展中国家印度（2 227 t）[4]，在全球十大铸件生产国名列倒数第一，很多适用于批量生产的技术、装备手段因经济原因无法推广使用；低碳生产、提质增效、节能减排、职业健康与安全等“绿色铸造”理念在铸造行业逐步得到推广，铸造废旧砂再生循环利用比例逐年提高，陆续涌现出一批绿色铸造示范企业。工信部在2013年、2014年先后公布了两批共1 114家通过铸造行业准入条件审核的铸造企业，这些企业2013年共生产铸件1 810万t（铸铁1 494万t、铸钢237.5万t、有色78.5万t），占当年全国铸件总产量的40.7%[5].但为数众多的小型企业管理水平低、生产工艺落后、节能装备、环保及安全防护设施投入严重不足甚至完全无投入，至使全行业高消耗、高污染的态势无法得到根本扭转。

2.1.2 挑战

刚刚发布的《铸造行业“十三五”发展规划》，明确提出“推进绿色铸造理念贯穿铸造生产的全过程。优化工艺、产品、装备、工厂设计，实现集约化、规模化、专业化生产，提高铸件合格率，降低生产过程中的能耗和物耗，改善作业环境，有效治理污染及减少废弃物排放，提高资源的综合循环再利用，从源头开始节约资源和能源，减少排放，做到减量化、再循环、再利用，实现铸造全过程节能减排”。要实现“铸造生产全过程绿色化”，需要从以下几个方面着手。

1）研究、应用绿色铸造厂房建设技术：工艺、建筑、结构、设备一体化设计；合理利用阳光、雨水、风力等自然资源；采用资源消耗少、环境影响小的建筑结构体系；选择使用可循环利用的建筑材料，减少厂房建设及日常使用、维护过程中对能源、资源的消耗。

2）研究、应用绿色铸造工艺设计技术：利用计算机虚拟设计、虚拟制造技术，优化铸件生产工艺设计，提高铸件质量和工艺出品率，降低铸件废品率和毛坯重量，从生产源头减少原材料、能源消耗。

3）开发绿色铸造材料：开发、应用各种环保原辅材料，包括各种少污染、无污染的环保树脂、无机粘结剂、铸造特种涂料、特种球化剂、蠕化剂、孕育剂、预处理剂等，减少铸造生产过程中产生的有毒、有害物质。

4）使用节能、环保装备：在铸造工厂建设、运营过程中使用节能装备，根据生产实际配备合适的除尘、降噪、节水等环保、安全防护设施，保证室内外空气质量和污染物排放满足相关法律、法规的要求

5）依据《中华人民共和国环境保护法》等相关法律、法规，按照《铸造企业清洁生产评价办法》、《铸造行业准入条件》等标准、规范的要求，研究、制定科学、合理、操作性强的绿色铸造评价方法和指标体系，对铸造工厂设计、建设、铸件生产过程、铸件全生命周期等各个环节进行监督评估。以评价方法和指标体系为导向，加速淘汰落后产能，全面降低铸造行业对生态环境的负面影响，提高资源、能源利用效率。

2.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

建立完善的绿色铸造评价方法和指标体系并在全行业推广应用。

2）预计到2030年，要达到的目标：

全行业厂均铸件年产量达到5 000 t以上；铸铁件工艺出品率达到80%以上、铸钢件工艺出品率达到60%以上、铸件废品率低于5%、铸件毛坯重量降低10%以上、加工余量降低50%以上；全行业90%以上的企业满足绿色铸造评价体系的要求，基本实现铸造生产全过程绿色化。

2.2 熔炼烟气治理技术

2.2.1 现状

铸铁件生产中，超过70%的铁液采用冲天炉熔炼或冲天炉与感应电炉双联熔炼，其余约30%采用感应电炉熔炼。大型铸钢件和规模大的铸钢厂多采用电弧炉熔炼，其余一般采用感应电炉熔炼，两者之间的比例未见统计数据。有色铸造合金熔炼一般采用感应电炉、坩埚炉、反射炉等。

冲天炉熔炼以焦炭为燃料对金属炉料进行加热熔化，同时加入石灰石等造渣材料。冲天炉熔炼烟气中，烟尘的主要组成是冶金烟尘、碳素烟尘和灰尘。冶金烟尘主要成分为FeO、Fe2O3、PbO、ZnO等，其含量随焦炭、废钢用量，送风温度、速度及废钢混杂程度的增加而增加。碳素烟尘由炉料中有机物不完全燃烧的产物和焦炭挥发物、碳氢化合物的分解产物所组成。灰尘是指烟尘中大于冶金烟尘和碳素烟尘的固体物质的总称，主要成分是焦炭末、CaO等。

国际铸造协会提供的冲天炉废气主要成分（质量分数）为[6]：CO25%～17%、CO 7%～26%、N268%～76%、NOx 3×10-6～14×10-6、SO20.04%～0.1%、水蒸气及微量的O2、HF（使用萤石时）等；烟尘主要成分（质量分数）为：SiO220%～40%、铁及其氧化物（12%～16%）、CaO 3%～6%、Al2O32%～4%、MnO 1%～2%、MgO 1%～3%、焦炭末等20 kg～50kg.冲天炉熔炼一吨铁液产生的烟尘量约为4kg～10 kg.冲天炉烟尘中各类金属氧化物占30%以上，这些金属氧化物粒径集中在5 μm以下。

电弧炉熔炼以电力为能源，熔炼过程一般分为熔化、氧化和还原三个冶炼期。熔化期主要是由于炉料中的油脂类可燃物质的燃烧，以及金属在高温时气化而产生的黑褐色烟气；氧化期主要是由于吹氧、加石灰，使炉内熔融态金属激烈氧化脱碳产生大量赤褐色烟气；还原期为除去钢液中的氧和硫，调整钢液的成分，投入碳粉或硅铁等材料，产生白色或者黑色烟气。

电弧炉废气主要成分（质量分数）为：CO220%、CO 0～5%、N270%、O25%及少量SO2、氟化物等；烟尘主要成分（质量分数）为：SiO27%、铁及其氧化物 35%、CaO 7%、MnO235%、MgO 7%、Al2O32%.电弧炉采用炉内排烟时，吨钢烟尘量8 kg～12 kg；炉外排烟时，吨钢烟尘量6 kg～10 kg.电弧炉烟尘中粒径5 μm以下的占80%以上[7]。

感应电炉熔炼铸铁、铸钢时，废气和烟尘的组成与电弧炉类似，但因其使用的炉料比较纯净，又没有电弧的强烈搅拌作用，废气、烟尘数量明显少于电弧炉。

铜、铝、铅、锌、镁等有色合金熔炼时，分别产生ZnO、ZnCl2、Al2O3粉尘以及 HCl、HF、SO2等强腐蚀气体。

目前，国内大型铸造企业的熔炼设备一般均配备有除尘装置，正常使用时可以满足现行国家环保标准的要求。但部分企业对其维护、保养重视不够，致使设备无法发挥其正常的防治污染能力。小型铸造企业大多没有配备合格的熔炼除尘设备，对生态环境的破坏更为严重。

2.2.2 挑战

熔炼烟气治理的难点在于如何提高生产过程中烟气的捕集率，因此应加强对各类熔炼烟气性质、特点的研究，制定操作性、经济性俱佳的捕集方案。

冲天炉烟气的特点：温度高且变化范围大（正常熔炼时100℃～300℃，当加料不及时，空炉、棚料或停风、打炉时段，烟气温度高达600℃～1200℃）；粉尘含量高（未掺野风的原始烟气5 g/m3～10g/m3）；微粉含量大（5 μm以下占20%～30%）；含较多易溶于水的酸性氧化物。

目前在用的冲天炉除尘系统形式多样，但只有间接换热器与布袋除尘器组合而成的除尘系统，过滤效率达99%以上，粉尘排放浓度达30 mg/m3甚至更低，除尘效果良好。

为节省投资，国内目前使用的冲天炉除尘系统，一般均按正常熔炼工况进行设计且不考虑脱硫，一旦烟气温度超过设计值，除尘系统停止运行。随着环保要求逐步提高，未来的冲天炉除尘系统必须能在整个生产过程中持续使用，并且必须考虑脱硫装置。为此，应研究、开发可在更高温度下使用的高效率、高性价比过滤材料以及高效、经济脱硫装置。

电弧炉熔炼烟气的特点：三个冶炼期中，烟气温度、含尘浓度、烟气量变化很大，以氧化期最高；炉内排烟时，烟气温度高（1 000℃～1 400℃）、含尘量大（13 g/Nm3～20 g/Nm3）、数量少（800 Nm3/t钢）；炉外排烟时，烟气温度较低（100℃～160℃）、含尘量较小（3 g/Nm3～8g/Nm3）；屋顶排烟时，烟气温度最低（＜70℃）、含尘量最小（1.3g/Nm3～1.5g/Nm3）；炉外排烟、屋顶排烟的烟气量与排烟罩类型密切相关，具体数值变化较大，但总体来说烟气量都远大于炉内排烟，尤以屋顶排烟的烟气量最大。此外，电弧炉装料、兑铁液时必须移开电极、炉盖，也给电弧炉除尘系统的设计增加了一些难度。

电弧炉除尘方式经多年研究、改进，目前公认炉内排烟与屋顶排烟相结合的除尘方式效果最佳，前者对正常熔炼时的烟气捕集效果最好，后者解决了炉内排烟、炉外排烟在装料时无法捕集烟气的问题，并且不影响装料操作。但该方案也有明显缺点：烟气量最大，造成一次性投资和运行费用居高不下。因此，应加强对三个冶炼期及装料时烟气特点的研究，综合运用自动控制技术、变频调速技术，设计出在各个时段均能以最经济方式运行的除尘系统，以降低企业运行成本。

感应电炉、坩埚炉、反射炉等熔炼设备的烟气数量较少，工况变化亦不如电弧炉剧烈，比较容易捕集，其除尘系统设计相对简单。但应注意在有色合金熔炼时，烟气中往往含有较多有毒、有害、强腐蚀性气体，必须对其加以治理后才能排放，同时还要注意根据烟气特性选择合适的过滤材料。

熔炼烟气中携带大量热量，如何对其加以回收和利用，也是今后应该研究的课题。

2.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

实现铸造金属熔炼生产全过程通风除尘。

2）预计到2030年，要达到的目标：

全国所有铸造企业均配备合格的熔炼烟气治理设施，有毒废气、烟尘实现达标排放。

2.3 固体废弃物资源化利用技术

2.3.1 现状

铸造生产的固体废弃物主要有废砂、废渣、废耐火材料、除尘器粉尘等。粗略估算，目前我国铸造行业每年产生的固体废弃物近6 000万t.

铸造废砂绝大部分来源于粘土砂铸造。多次循环使用的粘土型砂含泥量增加，透气性下降，容易形成气孔、呛火、粘砂等铸造缺陷，需要加入部分新砂来稳定型砂中的含泥量，因此必须定期或不定期废弃一些旧砂，以维持砂处理系统总量平衡。粘土砂铸造所用砂芯大多采用各类树脂砂制造，浇注后除少量芯砂被完全燃烧，溃散进入粘土砂处理系统内循环使用，大部分仍以团块状存在，成为粘土砂处理系统的废弃物。

树脂砂、水玻璃砂旧砂再生回用技术历经多年研究，已经形成系列化再生成套设备，目前旧砂再生率可达到60%～90%，但仍有部分旧砂或者因设备性能制约无法全部破碎、再生，或者因烧结等原因无法再生而沦为废弃物。

废渣主要来源于金属熔炼。为了控制化学成分，获得符合要求的金属溶液，必须添加造渣材料去除各类含量超标的化学元素，这就产生了大量炉渣。此外被腐蚀的金属炉料、添加的增碳剂、合金材料，以及炉衬材料的侵蚀也会产生炉渣。炉渣的主要成分为：SiO2、CaO、Al2O3、MgO、FeO、MnO、P2O5、FeS等。

打炉、修包以及铸件浇注系统所使用的耐火材料形成铸造生产过程的另一类固体废弃物，其主要成分为 SiO2、Al2O3等。

粘土砂型砂废砂主要残留物为煤粉和惰性死粘土膜，芯砂废砂主要残留物为各类树脂、固化剂反应所形成的有机硬化膜以及少量型砂废砂带入的煤粉和惰性死粘土膜。目前对粘土型砂废砂一般采用水洗法或者焚烧法+机械擦磨法进行再生，芯砂废砂采用焚烧法+机械擦磨法进行再生。受技术、成本以及废砂来源分散等因素影响，目前只有少数几家企业尝试对粘土废砂进行再生回用。

树脂砂废砂、水玻璃砂废砂、废渣、废耐火材料、除尘器粉尘等废弃物成分复杂，直接再生回用十分困难且经济性较差，但通过不同废弃物之间相互组合并添加适当辅助材料，制造各种新型复合材料，为铸造固体废弃物资源化利用开辟了新的途径，目前正逐步得到研究、推广。

据介绍[8-9]，利用废砂、炉渣作为增强材料，废旧热塑性材料（如废旧农膜、食品袋、编织袋、旧轮胎再生胶等）作为基体材料，再配以适当的添加剂，制成的废弃物复合材料，可用于制造窨井盖、落水箅子、树池护板等；利用废砂加入废渣、尾矿、粉尘等材料，并添加适量的活性激发剂，制成的废弃物复合材料，可用于制造建筑承重砖和空心砖。

2.3.2 挑战

根据目前研究成果，粘土砂铸造废砂采用高温脆化+低温机械擦磨法再生可以获得完全代替新砂的再生砂，是比较理想的再生方法。研究、开发效率高、成本低的热法+机械擦磨法再生工艺和设备，是提高粘土砂废砂再生回用率，降低铸造固废排放量的重要手段。

加强与相关行业的合作，研究各种复合材料对铸造固体废弃物性能的特殊要求，开发各种铸造固体废弃物的收集、处理技术和装备，变废物为资源，实现循环利用。

2.3.3 目标

1）预计到2025年，要达到的目标：

基本实现粘土砂铸造废砂全部经过再生处理。

2）预计到2030年，要达到的目标：

图1 环保与安全技术路线图

实现铸造固体废弃物循环利用率达到90%以上。

2.4 铸件后处理生产过程的劳动保护

2.4.1 现状

在铸件生产过程中，铸件后处理（落砂、清铲、切割、打磨等）工序人员密集、劳动强度大、作业环境差、对从业者健康危害严重，是职业卫生保护的重点区域。

铸件落砂、清砂时产生含有大量游离二氧化硅的粉尘，浓度达20 mg/m3～1 400 mg/m3，平均浓度200 mg/m3左右；采用等离子切割铸件时，产生CO、NOx、O3等有害气体和矽尘、金属烟尘，并伴有弧光辐射、高频电磁波和放射性物质；用氧、乙炔火焰切割时，产生浓度达100 mg/m3的矽尘、金属烟尘；打磨铸件时，产生矽尘、金属粉末，浓度在60～200 mg/m3.此外，铸件落砂、打磨时产生 100 dB（A）以上的噪声。

目前，大批大量生产性质的企业已经广泛采用机械化流水线、机器人切割打磨单元等先进工艺装备，可以保证铸件切割、打磨区域的粉尘、噪音满足现行职业健康标准的要求。采用机械化、自动化造型线或者砂箱地面造型的企业，均配有落砂机及落砂除尘装置，正常使用时可以保证落砂区域的空气质量。

铸件后处理工序粉尘、烟气、噪声治理的有效办法是尽量将尘源、声源限定在相对狭小的空间，然后采用有组织排风、隔声等措施进行治理。但采用地坑造型生产大件时，取件、挖沙就地进行；铸件清铲及多品种、小批量生产铸件的切割、打磨，难以使用机械化、自动化设备，往往采取摊大饼方式随意布置。上述生产环节均会产生大量扬尘、噪声且时间、地点分散，目前基本不加治理，是铸造生产现场脏、乱、差的主要原因。

2.4.2 挑战

研究、开发地坑旧砂少尘或无尘回砂技术和装备。

研究、开发适合多品种、小批量铸件生产的轻便、组合式、可移动清铲、打磨室。

2.4.3 目标

1）预计到2025年，要达到的目标：

实现铸造生产现场粉尘浓度不大于2 mg/m3，噪声不大于 65 dB（A）[10].

2）预计到2030年，要达到的目标：

实现车间内外粉尘、噪声及各种有害气体排放达到JB/T 11995—2014规定的一级企业标准。