周惦武，李婁明，張福全

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

隨著我國資源與環(huán)境壓力的日益增大，政府部門提出了“實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”與“要確保實現(xiàn)十一五規(guī)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(yè)中占有十分重要的地位，鑄件產(chǎn)量已連續(xù)6年位居世界首位，鑄造企業(yè)已超過26000多家，其中除少數(shù)大型企業(yè)鑄造技術(shù)先進、生產(chǎn)設(shè)備精良、環(huán)保措施基本到位外，大多鑄造企業(yè)依舊制造技術(shù)落后、生產(chǎn)設(shè)備陳舊、環(huán)保問題未提到工作日程上來?！熬G色鑄造”是將綜合預(yù)防污染和合理利用資源的環(huán)境策略，持續(xù)地應(yīng)用于實際的鑄造生產(chǎn)，以實現(xiàn)企業(yè)的環(huán)境自凈，達到盡可能多的自行消納本企業(yè)產(chǎn)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(nèi)外鑄造行業(yè)環(huán)保現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平與存在的主要問題，提出編制鑄造行業(yè)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(huán)保，利用計算機模擬與信息化技術(shù)全面提升鑄造技術(shù)水平，開發(fā)廢氣物的資源化處理新技術(shù)與加強鑄造環(huán)保科技人才的培養(yǎng)，利用“綠色鑄造”理念指揮鑄造企業(yè)的鑄件生產(chǎn)，來實現(xiàn)鑄件“綠色生命周期”的全過程。

1 國外鑄造行業(yè)環(huán)保現(xiàn)狀及特點

國外鑄造行業(yè)十分注重環(huán)保。由于環(huán)保法規(guī)日益嚴格，迫使美、德、日等發(fā)達國家對環(huán)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(huán)保工程的建設(shè)［2］。美、德、日等國家的企業(yè)熔煉設(shè)備一般選用中頻感應(yīng)電爐，但在一些特殊情況下，熱風(fēng)水冷沖天爐也得到一定程度應(yīng)用，主要原因在于其充分利用了煙氣的物理熱以及化學(xué)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(jié)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(yù)凈化技術(shù)；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(xiàn)代化，如使用冷芯制芯機實現(xiàn)自動運行，由機器人進行砂芯搬運等；澆注工序基本實現(xiàn)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(shù)，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(shù)（如金屬型、殼型、消失模鑄造等）用于鑄件生產(chǎn)，與砂型鑄造相比，鑄造環(huán)境得到很大改觀［2］；鑄造企業(yè)的設(shè)計者清潔化生產(chǎn)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(shè)備環(huán)保配套意識也加強了，如出廠設(shè)備都按用戶的要求，配置密閉吸塵罩、注明通風(fēng)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(huán)境，又降低了污染。

2 我國鑄造行業(yè)環(huán)保現(xiàn)狀、鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平與存在問題

2.1 我國鑄造行業(yè)環(huán)?，F(xiàn)狀

我國鑄造行業(yè)面臨環(huán)境保護的嚴重困擾［3-8］。據(jù)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(huán)保設(shè)施的不到總數(shù)的5%，工廠現(xiàn)場環(huán)境惡劣、勞動作業(yè)條件差、制造技術(shù)落后、粗放式生產(chǎn)鑄造企業(yè)占90%以上。其主要表現(xiàn)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(chǎn)中，材料和能源的投入占總產(chǎn)值的55%～70%。每產(chǎn)1t鑄件，大約散發(fā)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(jù)鑄件產(chǎn)量對鑄造廢砂、鑄造廢渣及粉塵的數(shù)量進行回歸預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)我國鑄造業(yè)如按現(xiàn)行的生產(chǎn)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(chǎn)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(yè)就給每個人平均帶來大約50kg的污染物。

2.2 我國鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平與存在的問題

我國鑄造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平比發(fā)達國家落后大約20年，無法滿足國民經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。在我國，鑄造業(yè)是汽車、裝備制造、鋼鐵、石化、電力等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是關(guān)系國計民生的重要行業(yè)。在機械制造裝備中，鑄件占整機重量的比例很高，如內(nèi)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(guān)鍵部件幾乎由鑄造而成；而礦山、電站、冶金等重大設(shè)備均依賴于大型鑄鍛件。我國鑄造生產(chǎn)企業(yè)主要分布在東部，西部較少。從鑄造產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，企業(yè)既有從屬于主機生產(chǎn)廠的鑄造分場或車間，也有專業(yè)鑄造廠，還有大量的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造廠。就生產(chǎn)水平和規(guī)模來看，既有機械化程度高、工藝先進、年產(chǎn)數(shù)萬噸鑄件的大型鑄造廠，也有設(shè)備簡陋、手工操作、工藝落后、年產(chǎn)百余噸鑄件的小型鑄造廠。近幾年，由于受能源、環(huán)境因素和勞動力價格的影響，西方發(fā)達工業(yè)國家的鑄件產(chǎn)量減少，逐漸轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家采購一般鑄件，但同時又向發(fā)展中國家出口技術(shù)含量高、高附加值的優(yōu)質(zhì)鑄件。當前，世界經(jīng)濟全球化進程的加速為我國鑄造業(yè)的發(fā)展提供了機遇，又提供了挑戰(zhàn)。國際和國內(nèi)市場對我國鑄件的需求呈持續(xù)增長的發(fā)展態(tài)勢。我國鑄造行業(yè)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(yè)的能耗占機械工業(yè)總能耗的25%～30%，其大約是鑄造發(fā)達國家的2倍。我國每生產(chǎn)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(chǎn)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(jù)統(tǒng)計，鑄件生產(chǎn)過程中材料和能源的投入大約占產(chǎn)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(zhì)量差

由于缺乏科學(xué)的設(shè)計指導(dǎo)，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(tǒng)設(shè)計不合理、模擬軟件應(yīng)用不普及等因素也導(dǎo)致鑄件質(zhì)量難以得到保證。

3）環(huán)境污染嚴重、作業(yè)環(huán)境惡劣

我國除少數(shù)大型鑄造企業(yè)環(huán)保措施基本到位以外，其他多數(shù)廠很少顧及環(huán)保問題。上世紀80年代，政府對生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)水平落后、環(huán)境污染嚴重的企業(yè)進行了專業(yè)化調(diào)整，但鑄造生產(chǎn)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(huán)境保護獎，這與中國的鑄造大國地位極不相稱。采用高技術(shù)實現(xiàn)“綠色鑄造”是當前我國需要重點解決的關(guān)鍵問題。

4）人才短缺

鑄造技術(shù)人才嚴重短缺是制約我國鑄造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。主要體現(xiàn)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(shè)置鑄造專業(yè)（目前設(shè)置鑄造專業(yè)的高校極少），一些大中型企業(yè)的廠辦學(xué)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(shù)人才數(shù)量少，鑄造企業(yè)管理人才也基本以具有本科、大專和中專學(xué)歷的學(xué)生為主；③技術(shù)及管理人員數(shù)量少，分布也不均勻，其中最少的工廠里，技術(shù)及管理人員僅占總職工人數(shù)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(yè)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(yè)的待遇低、工作環(huán)境惡劣。國有企業(yè)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(yè)，從年齡上看，大多在60歲以上，絕大多數(shù)工人也極少經(jīng)過鑄造專業(yè)培訓(xùn)，多數(shù)為農(nóng)民工從事鑄造生產(chǎn)。

3 實現(xiàn)“綠色鑄造”的有效途徑

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

1）編制鑄造行業(yè)的綠色制造標準

鑄造行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計理論和方法、材料應(yīng)用技術(shù)、制造工藝與裝備技術(shù)、測試技術(shù)、自動化技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，是鑄造行業(yè)賴以生存和發(fā)展的相互關(guān)聯(lián)、相互影響、不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)組成部分。在我國，實現(xiàn)“綠色鑄造”，可從這些基礎(chǔ)技術(shù)入手，根據(jù)鑄造行業(yè)能耗與原材料消耗的關(guān)鍵影響因素，編制鑄造行業(yè)的綠色制造標準［9］：①進行綠色鑄件及鑄造工藝設(shè)計，保證鑄件產(chǎn)品及鑄造生產(chǎn)過程的“先天綠色質(zhì)量”，在源頭確保鑄件全壽命周期環(huán)境屬性的最優(yōu)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(shù)，將原輔材料（輸入）轉(zhuǎn)化為鑄件（有用輸出），從而實現(xiàn)真正意義上的“綠色鑄造”生產(chǎn)；③以清潔、環(huán)保型原輔料及其應(yīng)用技術(shù)替代傳統(tǒng)原輔料及其應(yīng)用技術(shù)；④采用先進快速準確的檢測及控制技術(shù)，優(yōu)化鑄造生產(chǎn)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(xiàn)“綠色鑄造”；⑤采用適用有效的末端治理技術(shù)，減少已產(chǎn)生污染物向環(huán)境排放。除了對上述幾個方面提出技術(shù)要求外，還應(yīng)結(jié)合我國鑄造國情，使企業(yè)能夠采用最佳治理方案（低成本、高效率地）實現(xiàn)最終排污能達到國家環(huán)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(yè)環(huán)保

我國鑄造行業(yè)環(huán)?，F(xiàn)狀令人擔(dān)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(yè)環(huán)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(chǎn)的80%～90%。在鑄造生產(chǎn)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(xiàn)砂型鑄造的綠色清潔生產(chǎn)，應(yīng)盡量采用綠色的無機黏結(jié)劑，并盡量降低黏結(jié)劑的加入量 （最好不加黏結(jié)劑），這樣對解決舊砂的再生回用問題大有益處，對環(huán)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(jié)劑干砂造型的消失模鑄造和V法鑄造、采用有黏結(jié)劑的水玻璃砂型鑄造是最可能實現(xiàn)“綠色鑄造”生產(chǎn)的工藝方法。無黏結(jié)劑的消失模鑄造被譽為 “21世紀的鑄造新技術(shù)”、“鑄造中的綠色工程”等；水玻璃砂被國內(nèi)外的許多專家稱為最有可能實現(xiàn)“綠色鑄造”生產(chǎn)的型砂；而V法鑄造也因其具有節(jié)能、高效、環(huán)保、高品質(zhì)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(chǎn)，采用清潔高壽命耐火材料，高效熱風(fēng)連續(xù)沖天爐，鐵液封閉運輸處理、澆注和型上處理技術(shù)，可減少金屬氧化和渣的生成量；采用國際鑄造環(huán)境控制委員會推薦措施爐料的預(yù)凈化處理技術(shù)，可減少熔煉過程中粉塵的散發(fā)量；采用水冷?；癄t渣技術(shù)，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(chǎn)中，產(chǎn)生粉塵、噪聲等工藝設(shè)備，如運輸、篩分、清理、落砂等設(shè)備，可從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shù)全面提升鑄造技術(shù)水平

國外鑄造生產(chǎn)從嚴執(zhí)行技術(shù)標準，鑄件廢品率約為2%～5%，重視用信息化技術(shù)提升鑄造工藝設(shè)計水平，普遍應(yīng)用軟件進行充型凝固過程模擬和工藝優(yōu)化設(shè)計，而我國在鑄造生產(chǎn)過程中利用計算機模擬與信息化技術(shù)極為少見，因此開發(fā)并使用鑄造CAE軟件，研制砂處理在線控制系統(tǒng)，控制鑄造熔煉金屬液成分、溫度及生產(chǎn)率，研究鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計、組織模擬計算與鑄造工藝優(yōu)化技術(shù)，將材料微觀不同尺度與宏觀三維尺度對接，開展4D聯(lián)合仿真精度、計算效率與關(guān)鍵技術(shù)研究，提升鑄造技術(shù)水平，保證鑄件質(zhì)量，降低鑄件的廢品率，縮短鑄件的設(shè)計與制造周期。

開發(fā)形式多樣、既分散又集成適用于鑄造生產(chǎn)各方面需要的計算機專家系統(tǒng)，并使之與鑄造CAD/CAPP/CAE/CAM集成；開展涵蓋鑄造企業(yè)所有行為集成化鑄造信息處理系統(tǒng)，采用先進制造技術(shù)改造傳統(tǒng)的鑄造產(chǎn)業(yè)；推行計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），借助計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫集成等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，綜合運用制造技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、信息技術(shù)，將鑄造生產(chǎn)過程中有關(guān)技術(shù)、設(shè)備、人與經(jīng)營管理要素以及信息流、物質(zhì)流有機集成，實現(xiàn)鑄造行業(yè)的整體優(yōu)化，實現(xiàn)鑄造產(chǎn)品低耗、優(yōu)質(zhì)與快速上市；研究互聯(lián)網(wǎng)對鑄造產(chǎn)業(yè)的影響與對策，開發(fā)鑄造企業(yè)網(wǎng)上的技術(shù)交流、鑄造異地設(shè)計和遠程制造技術(shù)、電子商務(wù)與分散網(wǎng)絡(luò)化的鑄造技術(shù)（DNC），利用網(wǎng)絡(luò)化的高新技術(shù)，推動鑄造行業(yè)的深刻變革［15，16］。

4）開發(fā)廢氣物的資源化處理新技術(shù)

如何保護生態(tài)環(huán)境和最大限度地節(jié)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(yè)在新建或進行技術(shù)改造時，應(yīng)該同時統(tǒng)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(shè)計改造方案時，首先考慮增加對于環(huán)境保護的投入，建議環(huán)保投入應(yīng)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(shè)備來實現(xiàn)環(huán)境保護的目標；③采用清潔的生產(chǎn)工藝改善作業(yè)環(huán)境；④參照國外鑄造企業(yè)廢棄物的處理方法，開發(fā)鑄造廢棄物的資源化處理新技術(shù)；⑤堅持循環(huán)經(jīng)濟的減量化原則、再利用原則、再循環(huán)原則。

5）加強鑄造環(huán)?？萍既瞬诺呐囵B(yǎng)

針對鑄造行業(yè)人才短缺的實際情況，我國應(yīng)從長遠考慮，制訂吸引和穩(wěn)定人才的優(yōu)惠政策。針對目前許多高校不設(shè)鑄造專業(yè)的情況，采取企業(yè)委托培養(yǎng)以及廠校聯(lián)合辦學(xué)的模式來培養(yǎng)鑄造技術(shù)人才。通過建立全國性和地區(qū)性的技術(shù)培訓(xùn)基地，提高技術(shù)人員和工人的鑄造技術(shù)水平，尤其重點培養(yǎng)鑄造技術(shù)與環(huán)保技術(shù)有機結(jié)合的具有 “綠色鑄造”特點的復(fù)合科技人才；針對設(shè)置鑄造專業(yè)的高校，鑄造行業(yè)應(yīng)組織培養(yǎng)一批專門從事鑄造環(huán)境污染治理工程的技術(shù)人員，在鑄造專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容中，適當增加鑄造環(huán)保技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識，而在有條件的學(xué)校設(shè)鑄造環(huán)保的學(xué)科碩士點，在鑄造機械研究院、所明確設(shè)置鑄造環(huán)保研究室。

4 結(jié)束語

“綠色鑄造”是社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的一個體現(xiàn)，“綠色鑄造”模式對鑄造企業(yè)信息化的運作水平提出了相當高的要求。應(yīng)對我國鑄造業(yè)的生產(chǎn)能力、技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量等級、能耗和原材料、鑄造技術(shù)人才、質(zhì)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(jù)我國鑄造行業(yè)環(huán)保現(xiàn)狀、鑄造技術(shù)水平的基本特征、存在問題和環(huán)保設(shè)計的基本要求，建立鑄造生產(chǎn)過程中不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)環(huán)保設(shè)計的基本標準，作為我國鑄造企業(yè)的新建、改建、擴建和技術(shù)改造項目的目標，規(guī)范鑄件生產(chǎn)的企業(yè)行為，大力抓好環(huán)境保護與實現(xiàn)“綠色鑄造”，提升我國鑄造行業(yè)的技術(shù)水平，滿足國民經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。

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