传统成型工艺的绿色生产问题
关于“绿色铸造”的探究
王华
（河北工业大学材料科学与工程学院，天津）
摘 要：
中国的铸造产量已连居世界首位，可谓铸造大国，但一直不是铸造强国。进入“十二五”期间，大力倡导绿色低碳已经成为铸造行业发展的流行趋势。中国的铸造行业中小型企业居多，能耗大，环保意识差，与发达国家相比差距还很大。本文从我国铸造行业现状出发，指出铸造行业的可持续发展可从铸造技术、铸造材料、废弃物的处理与回收再利用及计算机技术应用等方面进行改进。
关键字：绿色铸造；环保；改进
1. 中国铸造行业现状
1.1. 中国铸造产量蝉联世界第一
据Modern Casing Dec.2009 上发表的文章“43rd Census of World Casting Production-2008”,我国在2008年各类铸件总产量为33,500,000t，高出位居第二的美国22,716,171t。表1[1]列出了2008年世界排名前五位的铸件生产国。
表1 2008年世界前五铸件生产国（t） 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 钢 有色金属 总量 中16,400,00 8,200,000 500,000 4,600,000 3,800,000 33,500,000 国 美3,502,0 3,597,4 60,000 1,172,082 2,457,223 10,783,829 国 俄罗3,320,000 1,800,000 200,000 1,300,000 1,200,000 7,800,000 斯 印4,532,000 785,000 无 915,000 547,000 6,840,500 度 德2,577，7 1,846,793 94,588 220,132 998,254 5,783,691 国 全世42,950,542 23,841,444 1,504,777 10,538,385 14,590,822 93,449,270 界 不难看出，中国已成为世界铸件生产最多国。 1.2. 中国铸造行业的环境现状
尽管中国铸造产量稳居世界第一，但不可否认，中国铸造行业在快速发展的同时也带来了不小的能源与环境问题。有如下数据：国内每生产1t合格铸铁件的能耗为550～770地标煤;铸造生产过程中材料和能源的投入约占产值的55%～70%;铸造行业每年排放废渣420万吨，粉尘70万吨，废气140～279亿立方米，废砂1810～2090万吨。我国每产1t铸件, 约散发50 kg粉尘, 熔炼和浇注工序排放废渣300kg、废气1,000m3, 造型和清理工序排废砂1.3~1.5t。每年排污物
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总量:废渣300万t、废砂近1,650万t、废气110亿m3[2]。我国铸造业环境问题尤其表现在对自然资源的超量消耗上, 有“资源漏斗”的说法。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[5](图1)，不难看出，中国铸造行业如果不改革生产模式，至2020年主要废弃物铸造废砂、废渣及粉尘、CO2、CO的排放量分别为3，235万t、1，122万t、882万t、485万t。若考虑有色金属及其他非铸铁件所产生的废弃物，铸造产业会给13亿中国人带来平均每约50kg的污染物。
1.3. 中国铸造行业专业化程度不高[1、3、4]
中国铸造行业与发达国家间的差距不仅体现在环保意识层面上，同时，在铸造业的行业专业化水平上，也存在着较大差距。
首先，中国铸件总产量大约占世界产量的三分之一，但国内约有30,000家铸造厂。工厂数量众多，且多数铸造厂规模小、产量低，平均每个工厂产量仅1117t。相比，美国铸造厂数仅2170个，但每个厂产量可达4970t。从人均占有铸件量来看，中国人均占有20.9kg，而美国人均358.1kg，日本人均443.7kg，德国人均70.345kg。
其次，我国铸造行业的粗狂式生产使得铸件生产碳消耗量高于发达国家，例如中国每吨铸件的能耗比日本、德国、美国高出约1倍，比英国高出20%。
同时，高品质铸件在铸件生产总量中的比例低。发达国家中优质球墨铸铁在铸铁总量中占很大比重。例如，美国占50.2%、日本占41.6%、德国占40.9%，而中国仅占总量的32. 7%[1]。可以看出，我国距成为铸造强国还有一段路程。
而且，我国铸造行业生产工艺、铸造装备以及产品检测还未完善。例如，发达国家冶炼技术与装备技术水平普遍领先于国内五至十年；在造型制芯方面，国内只有少数铸造厂应用高效流水线造型如射压、气冲、静压造型线，多数铸造厂还保留震压式造型机或直接采用手工造型。
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2. 铸造产业未来方向：绿色铸造
2.1. 什么是绿色铸造
绿色铸造顾名思义就是节能环保型铸造。节能和环保是实施绿色铸造生产，实现可持续发展的关键。进入“十二五”期间，大力倡导绿色低碳已经成为铸造行业发展的流行趋势，同时，“绿色低碳”已经成为不可抗拒的世界潮流，中国已经把“绿色、低碳、可持续发展”作为国家战略和基本国策。因此必须研究和推广适合中国国情的节能、环保铸造新技术和新设备。
绿色制造是人类可持续发展战略在制造业的体现。而且，许多国家现在要求进口的产品必须进行绿色性认定，具有“绿色标志”。特别是有些发达国家以保护本国环境为由，制定了极为苛刻的产品环境指标，即设置“绿色贸易壁垒”，来国际产品特别是发展中国家产品进入本国市场。实施绿色制造已是大势所趋。因此，各国在绿色制造方面提出了各种举措，美国在展望2O10年的制造业前景时提出了“无废弃物加工”的概念;德国制定了《产品回收法规》;欧盟也颁布了“汽车材料回收”法规，要求从2005年新生产的汽车材料的85%能再利用。在中国也成立了“绿色制造联盟”，以督促生产的产品达到绿色制造要求，保证本地工业的竞争力及市场占有率。中国在1996年和1997年相继引入了ISO14001和ISO14040等系列标准。至2003年止，逾百家企业通过了审核认证，行业含盖电子、电气、家电、机械、化纤等行业。 2.2. 绿色铸造如何实行
进入21世纪以来，中国的铸造行业正面临着抓住发展机遇，把握发展方向，成功实现从铸造大国向铸造强国转变的一个关键时刻。但是，资源与环境问题一直困扰着我国制造业的发展，作为制造业的一大基础，铸造产业正面临着资源与环境问题的严峻考验。如今，铸造行业中也提出了“铸造清洁生产”、“绿色集约化铸造”及“绿色材料”等新理念，力图使铸件在其设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个“产品生命”周期中对环境的负面影响最小化，使资源的利用率最大化，从而使企业的经济效益与社会效益最大化。大力发展铸造行业中的循环经济的新技术、新工艺、新材料、新设备的研究及应用，是未来铸造行业的发展趋势。
首先，要打造低碳铸造模式。铸造产业作为污染重要源头之一，带来了包括有害固体、液体、气体污染以及噪声等污染。而低碳模式也就是以低能耗、低污染、低排放为基础的新经济模式。低碳模式的实质是能源的高效利用、清洁能源开发、其核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新及发展观念的根本转变。
第二，环保型铸造设备和技术的引进及开发。铸造企业可以通过加大力度进行铸造生产的熔炼、浇注、制芯、造型、除尘、旧砂再生等各环节以及车间配套设施等环保型设备的引进和开发，使劳动环境得到改善同时减少废弃物排放，实现绿色环保与发展相协调。企业也可通过技术改造，引进适合本企业的先进、成熟的工艺技术与装备，提升生产铸件的品质和效率;加强对先进环保型精确成形铸造工艺的引进及开发，如各种砂型造型自动线、湿砂高压造型线、树脂砂造型线、冷硬树脂砂造型技术以及磁力成形铸造、Cosworth 铸造、半固态铸造、加压凝固等工艺。针对轻量化镁合金零件的发展，应加强触变铸造、挤压铸造工艺的开发研究力度。
第三，加强计算机辅助设计、数值模拟、模拟仿真等技术在铸造中的应用，
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提高铸造生产的机械化、自动化、智能化，减轻工人劳动强度，推行洁净化生产，促进企业技术升级，实现铸造企业从粗放型向集约型转变。
第四，从铸造材料出发，发展绿色铸造。铸造属于材料产业，材料与环境要协调发展。在20世纪90年代提出了“生态环境材料”(Ecomaterial)的概念，该材料能同时满足使用性能和环境协调性的要求。因此，铸件材料就要选用资源丰富、对环境污染小的材料。与其他材料相比，铝和镁能满足上述要求，同时又与铸件的轻量化相适应。铸造行业应加强对高性能铝合金与镁合金材料及其铸造工艺的开发力度，以减少对其他相对短缺材料的开采与应用。为了减少对环境的污染及人体的损害，环保型铸造原辅材料包括造型材料(型砂、芯砂、粘结剂等)的研究已经取得了一定的进展，如淀粉粘结剂、新型CO2硬化树脂砂、蛋白质基芯砂粘结剂、水基涂料以及对优质矿砂的改进等。
第五，铸造废弃物的回收和再利用。铸造废弃物的资源化被称为“二次物料工业”。铸造厂“三废”的再生及再利用已成为各国铸造工作者和环保专家关注的焦点。铸造企业引进的环保型设备首先确保了废弃物的排放最少，其次，要对产生的“三废”加大回收利用的力度，以减少对环境的污染，降低资源消耗;最后，对实在不能利用的废弃物进行深埋处理。更重要的是从源头控制，通过废物分流、重复使用、优化铸造及造型材料等途径，在铸造生产中避免废弃物产生，从而减少处置费用，降低对新材料的购买需求，减少为达到相关法规的要求及环保要求而发生的控制成本。
第六，加强绿色铸造评价方法和指标体系的研究和建立。对绿色制造进行战略评价(SEA）有利于用更科学的方法评价绿色制造的效果，其中包括评价指标体系和评价指标方法的建立。各制造行业纷纷建立了评价清洁化生产程度的方法和指标体系，如用于烧碱生产工艺的层次分析法、化肥厂三聚磷酸钠生产过程的“绿色制造评价系统”、火药生产过程的绿色评价体系等。对于铸造行业，也应加强对评价其清洁化程度的方法与指标体系的研究与建立，使对绿色铸造生产清洁化程度的评价从定性走向定量，为国家对企业提供优惠以及企业对生产个人进行奖励提供依据，从而刺激企业与个人更加积极主动地投入到清洁化生产中。同时，绿色铸造评价方法和指标体系的建立，可为铸造企业进行技术改造及新技术研究开发提供参考。
3. 结论
21世纪以来，中国铸造行业迎来了发展的春天。然而，机遇与挑战共存，面对日新月异的铸造技术及产业理念，我们应积极地将先进技术及理念应用到铸造生产中。时刻关注产业前沿，将是中国铸造业在激烈的竞争中生存和谋求发展的关键。
参考文献：
[1]A Modern Casting Staff Report，“43rdCensus of World Casting Production-2008”Modern Casting Dec.2009
[2]侯华玲.中国铸造业的发展与循环经济的实施[J].铸造技术.2005,26（12）：1 175-1 176. [3]中国铸造协会，铸造业节能减排任重道远，中国铸造装备技术，2009年第2期，47-56. [4]中国热加工网，我国铸造行业节能减排现状及对策，信息加入时间：2009年1月9日9:5. [5]盛达.关于绿色铸造的思考及对策，2010中国铸造活动周论文集. [6]戎晨阳，陈小华，刘云鹏.关于中国铸造业现状的思考.
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