鄭孟超， 吳進軍， 李晶瑩， 王 營

（1.機械科學研究總院， 北京 100044； 2.中機生產(chǎn)力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

當前環(huán)境問題日益凸顯， 全球各國對傳統(tǒng)制造工業(yè)的污染問題愈發(fā)重視。 鑄造作為一種傳統(tǒng)的金屬成型工藝，既在制造工業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)舉足輕重的地位，同時也是資源消耗與環(huán)境污染問題的重要源頭。 據(jù)統(tǒng)計， 中國2020 年鑄件產(chǎn)量已達5195 萬t，同比增長6.6%，已連續(xù)21 年居世界首位。 然而鑄造行業(yè)發(fā)展模式仍然較為粗放，環(huán)保治理與安全生產(chǎn)仍相對薄弱[1]。

為了減少鑄造過程對資源和環(huán)境負荷的影響， 提升鑄造業(yè)的綠色化水平， 國內(nèi)外學者從節(jié)能減排、 環(huán)境影響、 除塵凈化等各方面對鑄造工藝的的環(huán)境影響問題進行了探索。 J Zheng 針對砂型鑄造提出了碳排放預測模型，通過工藝優(yōu)化設計平均節(jié)約了21%～24%的工藝碳排放[2]。 朱瑩對砂型鑄造廢氣凈化系統(tǒng)進行了改造設計并進行實例應用[3]。 王婷婷對鑄造企業(yè)各生產(chǎn)工序顆粒物排放開展研究，總結(jié)出鑄造企業(yè)清潔生產(chǎn)減排潛力[4]。 熊小琦則針對山西鑄造行業(yè)的大氣污染物進行了排放特征及治理措施的研究[5]。 目前有關(guān)研究主要集中在鑄造工藝某一類型的環(huán)境影響， 缺少對砂型鑄造工藝過程資源和環(huán)境負荷的綜合影響研究， 對于不同砂型鑄造工藝之間資源和環(huán)境負荷綜合影響差別數(shù)據(jù)不夠。

本文針對兩種典型砂型鑄造工藝， 建立了鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系，計算得出指標權(quán)重，采用生命周期評價方法計算兩種砂型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷數(shù)據(jù)并依據(jù)評價指標體系進行資源和環(huán)境負荷的綜合評價， 評價結(jié)果進一步提升對于鑄造工藝資源和環(huán)境負荷綜合影響的認識，識別鑄造工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為鑄造工藝綠色化提升提供堅實基礎。

1 典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系研究

1.1 砂型鑄造工藝流程及環(huán)境影響要素分析

砂型鑄造是一種將金屬熔煉成流動的液態(tài)合金，然后燒注到具有一定形狀特征、尺寸要求的砂型型腔中，冷卻凝固以后獲得所需要零部件毛還的成型方法[6]。砂型鑄造可滿足各類形狀、尺寸、重量鑄件要求，是鑄造行業(yè)應用最為廣泛的鑄造工藝。

砂型鑄造主要有濕砂型鑄造工藝、 非粘土砂型鑄造工藝、水玻璃自硬砂型鑄造工藝等不同類型。砂型鑄造工序過程繁多，其主要的工序環(huán)節(jié)有混砂、造型、制芯、合箱、熔煉、澆注、冷卻、開箱、落砂、拋丸、清理等。依據(jù)其工藝機理，將砂型鑄造工序過程總結(jié)為熔煉、造型、澆注、清理四個過程。 在熔煉過程，主要使用沖天爐、電爐等設備使金屬熔化為鐵水；在造型過程，主要是將混砂得到型砂與芯砂制成砂型與型芯，之后下芯、合箱得到所需要的鑄型；在澆注環(huán)節(jié)，主要是人工或者澆注機將熔煉過的鐵水澆入砂箱內(nèi)，進入冷卻工段進行冷卻使金屬定型；在清理過程， 主要是將金屬鑄件從砂箱中取出并清理其表面粘砂，切除澆冒口，進行打磨后得到成品鑄件。

砂型鑄造生產(chǎn)過程具有排放環(huán)節(jié)多、投入材料多、能源消耗大、排放污染物嚴重的特征，其各環(huán)節(jié)消耗與排放情況見表1。

表1 砂型鑄造工藝流程分析

1.2 典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系構(gòu)建

基于上述典型鑄造工藝分析， 砂型鑄造生產(chǎn)過程中涉及到的物料種類較多， 能源消耗主要為設備工作過程耗電，排放則以粉塵等廢氣為主。為綜合評估以上消耗與排放對資源和環(huán)境負荷的影響， 選取以下指標評價典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷。 評價指標見表2。

表2 評價指標

非生物資源消耗潛值 （Abiotic Depletion Potential，ADP） 用以評估過程中對自然界各類礦場資源的消耗潛值， 以金屬銻 （Sb） 為基準物質(zhì)。 水資源消耗（Resource Depletion-water，WU）主要評估過程對自然界可資利用的水源消耗潛值。 初級能源消耗 （Primary energy demand，PED）主要評估過程對自然界的一次能源消耗潛值，如煤炭、石油、天然氣等。 氣候變化（Climate Change，GWP）主要評估各類溫室氣體對全球變暖的影響潛值，以CO2為基準物質(zhì)。酸化影響（Acidification Potential，AP）主要評估一些酸性氣體對酸霧、酸雨等危害形成的影響潛值，以SO2為基準物質(zhì)。 水體富營養(yǎng)化（Eutrophication Potential，EP）主要評估含有N、P 等元素的物質(zhì)對水質(zhì)污染的影響潛值。 光化學氧化（Photochemical Ozone Creation Potential，POCP）主要評估一些氣體污染物在陽光下發(fā)生化學反應生成臭氧等污染物對環(huán)境的影響潛值。 人體毒性潛值（Human Toxicity Potential，HTP） 主要評估一些有毒污染物對人體可能產(chǎn)生的毒性影響潛值。 可吸入無機物（Respiratory Inorganics，RI） 主要評估氣體中可入肺的顆粒物對人體健康的影響潛值。

針對砂型鑄造，根據(jù)上述分析建立由三個一級指標，九個二級指標組成的評價指標體系。指標體系見圖1。該指標體系綜合了生產(chǎn)過程對資源消耗、環(huán)境負荷、人體健康三個維度的影響， 在每個維度細分為多個二級指標用以詳細計算不同要素的環(huán)境影響程度，覆蓋了礦產(chǎn)、水資源、能源、溫室氣體、酸性氣體、臭氧層影響、顆粒物、人體毒性影響等多個方面， 能夠比較全面地評估典型鑄造工藝生產(chǎn)過程中對于資源和環(huán)境負荷的影響情況。

圖1 評價指標體系

1.3 評價綜合指數(shù)計算

德爾菲調(diào)查法（Delphi Method）是一種利用匿名函詢形式集中業(yè)內(nèi)專家意見的統(tǒng)計方法， 該方法能夠較好地綜合領(lǐng)域內(nèi)專家的集體智慧， 集中行業(yè)專家的豐富專業(yè)經(jīng)驗，獲得較為科學統(tǒng)計結(jié)果。 為確定各項指標權(quán)重，本文采用Delphi 法以調(diào)研問卷形式對鑄造行業(yè)專家、 高校相關(guān)領(lǐng)域教授、鑄造企業(yè)資深技術(shù)人員開展調(diào)研，統(tǒng)計各專家對典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系各項指標的重要程度分析情況，采用自填式問卷收集數(shù)據(jù)，發(fā)放并回收問卷20 余份，有效問卷20 份。 依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，計算獲得指標權(quán)重，權(quán)重計算方法如式（1）。

式中：αi—第i 項指標的權(quán)重值；ki，x—第x 位專家對第i 項指標的權(quán)重賦值。 典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標權(quán)重見表3。

表3 指標權(quán)重

為了對典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價情況作出更直觀有效地評價， 在其資源和環(huán)境負荷評價結(jié)果的基礎上提出綜合評價指數(shù)。 綜合評價指數(shù)計算過程為：

（1）選取評價對象，確定系統(tǒng)邊界，采用清單分析獲得生命周期過程中輸入與輸出的原始數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系計算生命周期評價結(jié)果，獲得該過程的各指標評價值。

（3）根據(jù)各指標基準值對評價結(jié)果進行歸一化，獲得各指標無量綱化評價結(jié)果。

（4）依據(jù)各指標權(quán)重與無量綱化評價結(jié)果，采用線性加權(quán)法計算獲得綜合評價結(jié)果。 綜合評價方法如式（2）。

式中：CIj—第j 種典型鑄造工藝的綜合評價結(jié)果，SERi，j與αi，j分別為第j 種典型鑄造工藝第i 項指標的歸一化評價結(jié)果與指標權(quán)重。

（5）依據(jù)綜合評價結(jié)果對典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷情況進行對比分析，做出結(jié)果解釋，識別環(huán)境負荷影響較大環(huán)節(jié)，提出改進意見。

2 典型砂型鑄造工藝生命周期影響評價計算

2.1 目標與系統(tǒng)邊界

砂型鑄造有濕砂型鑄造工藝、 非粘土砂型鑄造工藝等不同類型， 本文選取濕砂型鑄造的靜壓鑄造工藝與非粘土砂型鑄造的V 法鑄造工藝進行案例計算， 計算方法采用生命周期評價方法。 生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種評價產(chǎn)品、工藝或活動的原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、維護直到最終處置整個生命周期產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響的系統(tǒng)化環(huán)境管理工具[7]。

為方便兩種鑄造工藝評價結(jié)果對比分析，選取單位質(zhì)量鑄件（噸產(chǎn)品）作為功能單位，計算以某鑄造工藝生產(chǎn)鑄造一噸鑄件過程中的資源消耗、能源消耗與環(huán)境負荷的情況。

評價系統(tǒng)邊界應包括鑄造生產(chǎn)過程的所有環(huán)節(jié)。 根據(jù)上文研究，將兩種典型鑄造工藝歸納為熔煉、造型、澆注、清理四個過程，包括了鑄件從原材料經(jīng)制造、加工形成合格成品出廠的全部生產(chǎn)過程。 其中原材料與輔助材料包含其開采過程， 開采過程數(shù)據(jù)使用中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫（CLCD）[8]，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)則根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)過程進行實地采集與調(diào)研獲取。

2.2 清單分析

依據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)過程調(diào)研數(shù)據(jù)，靜壓鑄造工藝與V法鑄造工藝生產(chǎn)過程清單分析表見表4 和表5。

表4 靜壓鑄造工藝清單分析

表5 V法鑄造工藝清單分析

2.3 生命周期影響評價結(jié)果

評價結(jié)果分析主要是對清單分析數(shù)據(jù)與生命周期評價結(jié)果進行定性或定量的評價與解釋?；谥笜梭w系研究，主要考慮對資源消耗、 對環(huán)境負荷以及對人體健康影響三個方面進行評價，因此選取氣候變化（GWP），非生物資源消耗潛值（ADP）等九個指標計算得出生命周期評價結(jié)果。

靜壓鑄造工藝生命周期評價結(jié)果見圖2，V 法鑄造工藝生命周期評價結(jié)果見圖3。

圖2 靜壓鑄造工藝評價結(jié)果

圖3 V 法鑄造工藝評價結(jié)果

3 典型砂型鑄造工藝綜合評價

3.1 綜合評價結(jié)果

基于典型砂型鑄造工藝生命周期評價結(jié)果， 使用典型鑄造工藝平均評價結(jié)果均值作為基準值將兩種鑄造工藝評價結(jié)果歸一化。 基準值見表6。 之后根據(jù)典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系進行綜合評價結(jié)果計算。 靜壓鑄造工藝和V 法鑄造工藝綜合評價結(jié)果分別如表7 和表8。

表6 基準值

表7 靜壓鑄造綜合評價結(jié)果表

表8 V法鑄造綜合評價結(jié)果表

3.2 典型鑄造工藝綜合評價對比分析

根據(jù)典型鑄造工藝的綜合評價結(jié)果， 對于靜壓鑄造工藝和V 法鑄造工藝， 其四個工藝過程資源和環(huán)境負荷影響最大的為熔煉過程，其次是造型過程，之后是清理過程和澆注過程。 熔煉過程影響最大且與其他幾個過程差別明顯， 對于鑄造工藝的綠色化改造應側(cè)重于此過程進行，主要從減少輔助材料消耗、采用節(jié)能工藝、廢棄物的即時收集與無害化處理方面進行。 造型過程與清理過程綜合評價結(jié)果相近，但清理過程的人體健康指標較高，該過程顆粒物與有毒氣體排放較高，對于操作工人影響較大，應提升該過程廢氣收集與處理，加強工人健康保護措施。澆注過程影響最小，尤其在資源指標和環(huán)境指標上幾乎可忽略不計，主要的環(huán)境負荷也是過程中排放的廢氣對于人體健康的影響，針對該過程應提升自動化程度，提高尾氣收集處理效率。

對比分析兩種砂型鑄造工藝，靜壓鑄造工藝比V 法鑄造工藝的綜合評價值高23%。 其中，熔煉過程兩工藝綜合評價結(jié)果相差22%， 是兩種工藝數(shù)據(jù)結(jié)果差別的主要來源。熔煉過程中V 法鑄造工藝以生鐵為最主要原材料， 而靜壓鑄造工藝中使用了更多的鋼材，輔助材料上靜壓鑄造工藝也投入較高，在工藝參數(shù)上，靜壓鑄造工藝熔煉溫度比V 法鑄造工藝高50～70℃，在1000℃以上升溫對于電力消耗更高，以上三個方面差別造成了靜壓鑄造工藝在熔煉過程更高的資源和環(huán)境負荷。

從資源消耗、環(huán)境負荷和人體健康影響三個指標角度分析，V 法鑄造工藝都比靜壓鑄造工藝結(jié)果更低。 這與三方面因素有關(guān)， 一是V 法鑄造工藝采用真空負壓造型，相比于靜壓鑄造工藝減少了粘結(jié)劑的使用，有效減少了造型過程對資源和環(huán)境方面的影響。二是V 法鑄造工藝的多用來鑄造大型鑄件，靜壓鑄造工藝多生產(chǎn)中小件鑄件，本文采用噸成品鑄件的平均消耗進行測算， 同樣生產(chǎn)一噸成品，靜壓鑄造工藝所需要的工藝過程更多，這造成了靜壓鑄造工藝在環(huán)境負荷上的影響更大。三是本文所研究的靜壓鑄造工藝產(chǎn)品以橋殼、輪殼為主，V 法鑄造工藝產(chǎn)品以平衡重類大型件為主，前者材質(zhì)等要求高于后者，在工藝過程中體現(xiàn)為熔煉與清理等環(huán)節(jié)的更高的技術(shù)要求，也在一定程度上影響了該工藝對于資源與環(huán)境負荷的影響。

綜上所述，兩種典型砂型鑄造工藝生產(chǎn)過程的資源和環(huán)境負荷影響的主要過程都是熔煉過程，在工藝綠色化提升中應從該過程著手，減少原輔材料消耗、進行節(jié)能設計；造型與清理過程廢氣排放較高，對工人健康影響較大，該過程改進中應關(guān)注排放廢氣的收集與處理。在生產(chǎn)全過程上V 法鑄造工藝比靜壓鑄造工藝對資源和環(huán)境負荷影響更小。

4 結(jié)束語

以砂型鑄造中的靜壓鑄造工藝與V 法鑄造工藝為研究對象，分析鑄造工藝流程并歸納為熔煉、造型、澆注、清理四個工藝過程，研究了各工藝過程環(huán)境影響因素?；谏芷谠u價理論，選取了氣候變化（GWP），非生物資源消耗潛值（ADP），初級能源消耗（PED），酸化影響（AP），水資源消耗（WU），水體富營養(yǎng)化（EP），光化學臭氧合成（POCP），人體毒性潛值（HTP），可吸入無機物（RI）九個評價指標，構(gòu)建了典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷評價指標體系。 從資源消耗、對環(huán)境負荷及人體健康影響三個方面開展了典型鑄造工藝資源和環(huán)境負荷綜合影響評價，依據(jù)評價結(jié)果進行量化對比分析。 熔煉過程為產(chǎn)生資源和環(huán)境負荷的主要工藝過程，應針對該過程進行工藝綠色化改造；從工人職業(yè)健康角度分析，應加強對造型過程與清理過程廢氣排放的處理。