“綠色鑄造”與鑄造行業環保

周惦武，李婁明，張福全

（1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.湖南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082）

隨著我國資源與環境壓力的日益增大，政府部門提出了“實現可持續發展、建設資源節約型、環境友好型社會”與“要確保實現十一五規劃中確定的能耗降低20%、主要污染物排放總量減少10%”的目標。在我國，鑄造在機械制造業中占有十分重要的地位，鑄件產量已連續6年位居世界首位，鑄造企業已超過26000多家，其中除少數大型企業鑄造技術先進、生產設備精良、環保措施基本到位外，大多鑄造企業依舊制造技術落后、生產設備陳舊、環保問題未提到工作日程上來。“綠色鑄造”是將綜合預防污染和合理利用資源的環境策略，持續地應用于實際的鑄造生產，以實現企業的環境自凈，達到盡可能多的自行消納本企業產生的廢棄物和盡可能少的向外界排出廢棄物的目的［1］。在分析國內外鑄造行業環保現狀的基礎上，結合我國鑄造生產技術水平與存在的主要問題，提出編制鑄造行業的綠色制造標準，從鑄造工藝、造型材料與鑄造裝備等多方面入手促進鑄造環保，利用計算機模擬與信息化技術全面提升鑄造技術水平，開發廢氣物的資源化處理新技術與加強鑄造環保科技人才的培養，利用“綠色鑄造”理念指揮鑄造企業的鑄件生產，來實現鑄件“綠色生命周期”的全過程。

1 國外鑄造行業環保現狀及特點

國外鑄造行業十分注重環保。由于環保法規日益嚴格，迫使美、德、日等發達國家對環保問題極其重視，并投入了大量的人力、物力和資金開展了環保工程的建設［2］。美、德、日等國家的企業熔煉設備一般選用中頻感應電爐，但在一些特殊情況下，熱風水冷沖天爐也得到一定程度應用，主要原因在于其充分利用了煙氣的物理熱以及化學潛熱，改善了一般沖天爐的冶金條件；由于采用排煙回收的再燃燒方式提高了爐溫，因此節約了焦炭，減少了有害氣體的排放［2］；合金熔煉廣泛采用鑄造專用焦炭和爐料預凈化技術；造型工部基本采用噪聲低的靜壓氣沖造型機和擠壓造型機代替老式的震動式和多觸頭微震造型機；制芯工部則采用效率高的樹脂砂制芯，制芯機日益現代化，如使用冷芯制芯機實現自動運行，由機器人進行砂芯搬運等；澆注工序基本實現了機械化和半自動化，并且工人免受了高熱烘烤，勞動條件得到極大改善；砂處理工部基本使型砂得到了封閉運行；普遍采用舊砂再生和其他處理技術，四廢（廢砂、廢渣、粉塵、廢氣）的排放量少于我國排放量的1/10［2］；一系列新興的鑄造成型技術（如金屬型、殼型、消失模鑄造等）用于鑄件生產，與砂型鑄造相比，鑄造環境得到很大改觀［2］；鑄造企業的設計者清潔化生產意識很強，將鑄造車間最常用的皮帶運輸機盡量封閉起來，并采用密封性能較好的斗式提升機，大大縮短了回砂路程；此外對鑄造設備環保配套意識也加強了，如出廠設備都按用戶的要求，配置密閉吸塵罩、注明通風量等；鑄造廠房除基本全封閉外，還補充一定量的新鮮空氣，此外廠房周圍栽種了大量的花草樹木，既美化了環境，又降低了污染。

2 我國鑄造行業環保現狀、鑄造生產技術水平與存在問題

2.1 我國鑄造行業環保現狀

我國鑄造行業面臨環境保護的嚴重困擾［3-8］。據報道，我國采用手工造型為主的鑄造廠占90%～95%，沖天爐配備有效環保設施的不到總數的5%，工廠現場環境惡劣、勞動作業條件差、制造技術落后、粗放式生產鑄造企業占90%以上。其主要表現在對自然資源的超量消耗上，有“資源漏斗”的說法。在我國鑄造實際生產中，材料和能源的投入占總產值的55%～70%。每產1t鑄件，大約散發50kg粉塵，而熔煉和澆注工序排放廢渣大約300kg、廢氣 1000m3，造型和清理工序排廢砂 1.3 t～1.5 t。 每年排污物總量：廢渣300萬t、廢砂1650萬t、廢氣110億m3。根據鑄件產量對鑄造廢砂、鑄造廢渣及粉塵的數量進行回歸預測分析，發現我國鑄造業如按現行的生產模式進行，估計到2020年，其主要廢棄物鑄造廢砂、廢渣及粉塵、CO、CO2的排放量分別為 3235 萬 t、1122 萬 t、882 萬 t、485 萬 t。 如果再考慮有色金屬鑄造產生的污染物以及非鑄鐵件熔煉中排放的廢氣，按混合量計，對13億的中國人口來說，僅鑄造業就給每個人平均帶來大約50kg的污染物。

2.2 我國鑄造生產技術水平與存在的問題

我國鑄造行業的生產技術水平比發達國家落后大約20年，無法滿足國民經濟快速發展的需要。在我國，鑄造業是汽車、裝備制造、鋼鐵、石化、電力等支柱產業的基礎，是關系國計民生的重要行業。在機械制造裝備中，鑄件占整機重量的比例很高，如內燃機大約占80%，液壓件、泵類機械占50%～60%、拖拉機占50%～80%。汽車中的關鍵部件幾乎由鑄造而成；而礦山、電站、冶金等重大設備均依賴于大型鑄鍛件。我國鑄造生產企業主要分布在東部，西部較少。從鑄造產業結構來看，企業既有從屬于主機生產廠的鑄造分場或車間，也有專業鑄造廠，還有大量的鄉鎮鑄造廠。就生產水平和規模來看，既有機械化程度高、工藝先進、年產數萬噸鑄件的大型鑄造廠，也有設備簡陋、手工操作、工藝落后、年產百余噸鑄件的小型鑄造廠。近幾年，由于受能源、環境因素和勞動力價格的影響，西方發達工業國家的鑄件產量減少，逐漸轉向發展中國家采購一般鑄件，但同時又向發展中國家出口技術含量高、高附加值的優質鑄件。當前，世界經濟全球化進程的加速為我國鑄造業的發展提供了機遇，又提供了挑戰。國際和國內市場對我國鑄件的需求呈持續增長的發展態勢。我國鑄造行業存在的主要問題如下。

1）能耗和原材料消耗高

我國鑄造行業的能耗占機械工業總能耗的25%～30%，其大約是鑄造發達國家的2倍。我國每生產1t合格鑄鐵件的能耗為550kg～700kg標準煤，國外則為300kg～400kg標準煤，我國每生產1t合格鑄鋼鐵件的能耗為800kg～1000kg標準煤，國外為500kg～800kg標準煤。據統計，鑄件生產過程中材料和能源的投入大約占產值的55%-70%。我國鑄件毛重比國外平均高出10%～20%。

2）工藝水平低，鑄件質量差

由于缺乏科學的設計指導，一般鑄造的加工余量一般比國外大1～3倍，大型鑄件偏析和夾雜物缺陷嚴重、鑄件裂紋嚴重，此外澆注系統設計不合理、模擬軟件應用不普及等因素也導致鑄件質量難以得到保證。

3）環境污染嚴重、作業環境惡劣

我國除少數大型鑄造企業環保措施基本到位以外，其他多數廠很少顧及環保問題。上世紀80年代，政府對生產規模小、技術水平落后、環境污染嚴重的企業進行了專業化調整，但鑄造生產的粗放特征沒有得到根本改變。1998年在匈牙利舉辦的第63屆世界鑄造會議上，中國沒有一個鑄造廠獲得環境保護獎，這與中國的鑄造大國地位極不相稱。采用高技術實現“綠色鑄造”是當前我國需要重點解決的關鍵問題。

4）人才短缺

鑄造技術人才嚴重短缺是制約我國鑄造技術發展的關鍵。主要體現在：①新人才來源困難。在上世紀90年代后，我國很多高校不再設置鑄造專業（目前設置鑄造專業的高校極少），一些大中型企業的廠辦學校也有下降趨勢，至此新人才的來源變得更加困難；②高級技術人才數量少，鑄造企業管理人才也基本以具有本科、大專和中專學歷的學生為主；③技術及管理人員數量少，分布也不均勻，其中最少的工廠里，技術及管理人員僅占總職工人數的12%，而最多的工廠占到323%，相差27倍之多，國企尤其軍工企業的比例高。分析鑄造人才短缺的根本原因，其主要在于鑄造企業的待遇低、工作環境惡劣。國有企業在崗職工年齡40以上的占80%，20歲～40歲的人員很少；而民營企業，從年齡上看，大多在60歲以上，絕大多數工人也極少經過鑄造專業培訓，多數為農民工從事鑄造生產。

3 實現“綠色鑄造”的有效途徑

“綠色鑄造”的概念體現了高速發展著的文明進程的人性化特征和經濟可持續發展的總體要求。作為環境負荷過重的鑄造產業，隨著公眾環境意識的不斷提高及國家環境保護法律法規的進一步完善，“綠色鑄造”的呼聲迅速成為鑄造技術發展的指揮棒，特別是國際標準化組織發布的有關環境管理體系的So14000系列標準，也在推動著“綠色鑄造”的強勢發展。結合我國鑄造環保現狀與國外的差距，結合我國現有鑄造技術水平與存在的主要問題，從以下幾個方面初步探討實現“綠色鑄造”的有效途徑：

1）編制鑄造行業的綠色制造標準

鑄造行業產品設計理論和方法、材料應用技術、制造工藝與裝備技術、測試技術、自動化技術等基礎技術，是鑄造行業賴以生存和發展的相互關聯、相互影響、不可或缺的基礎技術組成部分。在我國，實現“綠色鑄造”，可從這些基礎技術入手，根據鑄造行業能耗與原材料消耗的關鍵影響因素，編制鑄造行業的綠色制造標準［9］：①進行綠色鑄件及鑄造工藝設計，保證鑄件產品及鑄造生產過程的“先天綠色質量”，在源頭確保鑄件全壽命周期環境屬性的最優化；②考慮直接消耗能源、資源并排放污染物、廢棄物的重要影響因素，采用綠色鑄件工藝及工藝裝備技術，將原輔材料（輸入）轉化為鑄件（有用輸出），從而實現真正意義上的“綠色鑄造”生產；③以清潔、環保型原輔料及其應用技術替代傳統原輔料及其應用技術；④采用先進快速準確的檢測及控制技術，優化鑄造生產過程，消除或減少鑄件廢品，提高鑄件成品率，減輕由于檢測不及時或失準而造成的能耗及污染，實現“綠色鑄造”；⑤采用適用有效的末端治理技術，減少已產生污染物向環境排放。除了對上述幾個方面提出技術要求外，還應結合我國鑄造國情，使企業能夠采用最佳治理方案（低成本、高效率地）實現最終排污能達到國家環保標準的要求。

2）從鑄造工藝、造型材料和鑄造裝備等多方面入手促進鑄造行業環保

我國鑄造行業環保現狀令人擔憂，可從鑄造工藝、造型材料和鑄造裝備等多方面入手促進鑄造行業環保：①鑄造工藝和造型材料［10］：砂型鑄造是鑄造工藝的主要方法，占整個鑄件生產的80%～90%。在鑄造生產中，由砂型鑄造的造型材料帶來的粉塵污染、空氣污染及固體污染最為嚴重。要實現砂型鑄造的綠色清潔生產，應盡量采用綠色的無機黏結劑，并盡量降低黏結劑的加入量 （最好不加黏結劑），這樣對解決舊砂的再生回用問題大有益處，對環境的壓力也將大大減小。在目前涉及的砂型鑄造的各種方法中，采用無黏結劑干砂造型的消失模鑄造和V法鑄造、采用有黏結劑的水玻璃砂型鑄造是最可能實現“綠色鑄造”生產的工藝方法。無黏結劑的消失模鑄造被譽為 “21世紀的鑄造新技術”、“鑄造中的綠色工程”等；水玻璃砂被國內外的許多專家稱為最有可能實現“綠色鑄造”生產的型砂；而V法鑄造也因其具有節能、高效、環保、高品質的工藝特點而廣受好評。②鑄造裝備［2］：目前我國鑄鐵件大多采用沖天爐進行熔煉生產，采用清潔高壽命耐火材料，高效熱風連續沖天爐，鐵液封閉運輸處理、澆注和型上處理技術，可減少金屬氧化和渣的生成量；采用國際鑄造環境控制委員會推薦措施爐料的預凈化處理技術，可減少熔煉過程中粉塵的散發量；采用水冷粒化爐渣技術，可使爐渣成為效率高的建筑材料；綜合利用沖天爐的廢氣。此外鑄造生產中，產生粉塵、噪聲等工藝設備，如運輸、篩分、清理、落砂等設備，可從產品結構上進行改進，使其不揚塵或少揚塵［11-14］。

3）利用計算機模擬與信息化技術全面提升鑄造技術水平

國外鑄造生產從嚴執行技術標準，鑄件廢品率約為2%～5%，重視用信息化技術提升鑄造工藝設計水平，普遍應用軟件進行充型凝固過程模擬和工藝優化設計，而我國在鑄造生產過程中利用計算機模擬與信息化技術極為少見，因此開發并使用鑄造CAE軟件，研制砂處理在線控制系統，控制鑄造熔煉金屬液成分、溫度及生產率，研究鑄件結構設計、組織模擬計算與鑄造工藝優化技術，將材料微觀不同尺度與宏觀三維尺度對接，開展4D聯合仿真精度、計算效率與關鍵技術研究，提升鑄造技術水平，保證鑄件質量，降低鑄件的廢品率，縮短鑄件的設計與制造周期。

開發形式多樣、既分散又集成適用于鑄造生產各方面需要的計算機專家系統，并使之與鑄造CAD/CAPP/CAE/CAM集成；開展涵蓋鑄造企業所有行為集成化鑄造信息處理系統，采用先進制造技術改造傳統的鑄造產業；推行計算機集成制造系統（CIMS），借助計算機網絡、數據庫集成等環節產生的數據，綜合運用制造技術、系統工程技術、現代管理技術、信息技術，將鑄造生產過程中有關技術、設備、人與經營管理要素以及信息流、物質流有機集成，實現鑄造行業的整體優化，實現鑄造產品低耗、優質與快速上市；研究互聯網對鑄造產業的影響與對策，開發鑄造企業網上的技術交流、鑄造異地設計和遠程制造技術、電子商務與分散網絡化的鑄造技術（DNC），利用網絡化的高新技術，推動鑄造行業的深刻變革［15，16］。

4）開發廢氣物的資源化處理新技術

如何保護生態環境和最大限度地節約資源，目前已成為各國鑄造工作者迫切追求的目標，為此我國的鑄造企業在新建或進行技術改造時，應該同時統籌廢棄物的綜合再利用工作，可從以下幾個方面著手［17］：①在設計改造方案時，首先考慮增加對于環境保護的投入，建議環保投入應占總投資額的15%以上；②采用機械化、自動化、封閉化的先進鑄造設備來實現環境保護的目標；③采用清潔的生產工藝改善作業環境；④參照國外鑄造企業廢棄物的處理方法，開發鑄造廢棄物的資源化處理新技術；⑤堅持循環經濟的減量化原則、再利用原則、再循環原則。

5）加強鑄造環保科技人才的培養

針對鑄造行業人才短缺的實際情況，我國應從長遠考慮，制訂吸引和穩定人才的優惠政策。針對目前許多高校不設鑄造專業的情況，采取企業委托培養以及廠校聯合辦學的模式來培養鑄造技術人才。通過建立全國性和地區性的技術培訓基地，提高技術人員和工人的鑄造技術水平，尤其重點培養鑄造技術與環保技術有機結合的具有 “綠色鑄造”特點的復合科技人才；針對設置鑄造專業的高校，鑄造行業應組織培養一批專門從事鑄造環境污染治理工程的技術人員，在鑄造專業的教學內容中，適當增加鑄造環保技術方面的基礎知識，而在有條件的學校設鑄造環保的學科碩士點，在鑄造機械研究院、所明確設置鑄造環保研究室。

4 結束語

“綠色鑄造”是社會可持續發展戰略在制造業中的一個體現，“綠色鑄造”模式對鑄造企業信息化的運作水平提出了相當高的要求。應對我國鑄造業的生產能力、技術水平、產品質量等級、能耗和原材料、鑄造技術人才、質量管理水平和排放廢砂、廢氣、粉塵、廢渣、廢水、機械振動和噪聲等廢氣物情況入手，借鑒國外理論研究與實踐的成果，根據我國鑄造行業環保現狀、鑄造技術水平的基本特征、存在問題和環保設計的基本要求，建立鑄造生產過程中不同的生產環節環保設計的基本標準，作為我國鑄造企業的新建、改建、擴建和技術改造項目的目標，規范鑄件生產的企業行為，大力抓好環境保護與實現“綠色鑄造”，提升我國鑄造行業的技術水平，滿足國民經濟快速發展的需要。

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