我國鑄造行業與節能減排*

陳維平

（華南理工大學，廣東廣州 5140640）

鑄造是機械工業的基礎，也是國民經濟的基礎工業，同時也是我國機械行業中的能耗高、污染嚴重的行業。我國鑄件產量已經連續13年位居世界第一，2011 年我國鑄件產量已經超過4 000萬噸，年平均增長超過10%，是世界鑄造大國，但不是鑄造強國，鑄造行業的技術水平低、能耗高、污染排放嚴重。我國是能源資源嚴重短缺的國家，環境污染嚴重，加快鑄造行業的轉型升級和節能減排具有重要的實際意義。

1 我國鑄造行業發展現狀[1-11]

1.1 生產規模與技術水平

自2000年起，我國鑄件產量已連續13年居世界首位，年平均增長超過10%，2011 年我國鑄件產量已經超過4 000 萬噸。我國2010 年鑄件總產量為3 960 萬噸，產值約4 500 億元，鑄造廠點約3萬家，從業人員約200萬人，鑄造企業數量遠超世界其他國家，但是企業平均規模遠低于發達國家，甚至低于一些發展中國家（如巴西、印度）。據2008年統計數據，我國鑄造企業的平均鑄件產量為1 117 噸/家，發達國家德國、法國、美國、日本分別為：9 640噸、4 985噸、4 790噸、3 322噸/家，發展中國家如巴西、印度分別為2 504 和1 455 噸/家。近十年來，我國鑄造行業一直處于一個發展的上升期，行業規模發展迅猛，而且仍然具有很大的發展空間。

隨著近十年來我國鑄造產業的迅猛發展，我國鑄造技術水平也取得了顯著的進步：鑄件質量及成品率大大提高，一批企業已經建立了與國際接軌的生產機械化，正在向自動化方向邁進，一些企業在規模和技術上都已經達到國際一流鑄造企業的水平，一些地方政府也依托資源、能源和產業優勢規劃或建設了一批專業性強、特色鮮明的鑄造產業集群。鑄造產品種類及應用市場日益擴展和完善，高強韌球墨鑄鐵及有色合金鑄件在制造業上得到廣泛應用，鑄造原輔材料商品化程度大大提高。國產鑄造設備市場占有率及模具制造水平逐步提高，基本滿足國內鑄造廠家生產需求。在一些關鍵產品及關鍵技術上取得突破，能夠自主完成國家相關重大技術裝備零部件的研制和生產。但是，總體上我國鑄造行業平均技術水平與發達國家的差距較大，如：鑄鐵工藝出品率平均為65%～80%，鑄鐵廢品率約9%～14%，而國外的工藝出品率80%～90%、廢品率低于5%；我國鑄鋼件工藝出品率平均為50%，廢品率約5%～15%，國外工藝出品率達70%，廢品率低于5%。并且，我國鑄件毛坯重量比國外平均重10%～20%，加工余量大1～3倍，鑄件加工后的成品率一般不足60%。

1.2 能源消耗與污染排放

目前，我國鑄造行業的能源消耗占機械工業能耗的25%～30%，能源利用率僅為17%，鑄造生產綜合能耗是國外發達國家的2 倍。以單位萬元的GDP 能耗作為衡量，機械制造行業的萬元GDP 能耗為180 kgce/萬元，而鑄造行業約為800 kgce/萬元，是整個機械制造工藝的4.4倍。據2008 年統計資料顯示：日本、德國、美國、英國等發達國家的鑄鐵件平均能耗為334～536 kgce/t，其中，日本為334 kgce/t 代表國際先進水平；我國鑄鐵件平均能耗為830 kgce/t，國內先進水平為528 kgce/t（上海宏鋼）。我國鑄造行業生產1 噸鑄件污染物的平均排放量為：排放粉塵50 kg、廢渣300 kg、廢砂1.3～1.5 t、廢氣1～2 km3，約為發達國家的3～5 倍。我國鑄造行業的生產工藝落后、生產設備差，鑄件質量差、廢品率高、后續加工量大等是造成高能耗、高污染排放的根本原因。

我國鑄造行業是以黑色鑄件特別是鑄鐵占絕大部分產能的產品結構特征，其中，鑄鐵件約占總產量73%，鑄鋼14%，有色合金鑄件13%。同時，相比較而言，我國鑄鐵生產的能源消耗和鑄鋼生產的污染排放，與發達國家的差距最大，是鑄造行業節能減排的重點。根據企業調查，當前我國鑄鐵生產的熔煉設備仍然是以沖天爐為主，熔煉和熱處理這兩個環節，分別占到生產總能耗的50%和30%。鑄造生產的主要污染物產生環節在熔煉和拆模階段，產生污染物主要是熔煉廢渣、煙塵和鑄造廢型砂。同時，使用焦炭為燃料產生二氧化硫和煙塵排放；如果采用電爐設備，則產生的主要是煙塵，以金屬氧化物顆粒為主。

近年來，我國政府大力推行節能減排，安全環保的“綠色鑄造”技術日益得到重視，節能降耗及資源再生利用等新技術在鑄造行業得到大力推廣和應用，取得明顯成效，2010年我國鑄鐵件平均能耗已降至610 kgce/t，污染物排放水平明顯下降。

2 “十二五”發展目標及行業準入條件

2.1 “十二五”發展目標

我國《鑄造行業“十二五”發展規劃》確定，“十二五”期間我國鑄造行業的主要發展目標如下。

（1）在保持鑄件產量平穩增長的同時，減少鑄造企業數量，擴大企業生產規模，使我國鑄造行業從“數量擴張型”向“質量效益型”的轉變。其中，“十二五”期間鑄件產量年平均增長為6%左右，到2015 年預計總產量5 000 萬噸以上，鑄造企業從3 萬家減少至2 萬家，企業平均年產量從2010 年的1 320 噸／家增加到2015 年的2 500 噸／家。

（2）提高高性能鑄件的應用比例。到2015年，球墨鑄鐵鑄件所占比例將達到30%以上，有色合金鑄件所占比例增加到20%左右。

（3）攻克大型、高端、關鍵件鑄造技術。解決大型及關鍵設備零部件（如：大型水電、火電、風電、核電以及船舶等設備的關鍵鑄件）的鑄造技術，實現國產化率達95%以上；實現軌道車輛、汽車和3C 產品鋁、鎂輕合金及特種合金等大型、復雜、高精度及特種功能鑄件的批量生產。

（4）節能減排工作再上新臺階。大幅度降低鑄造能源消耗，30%企業達到工業中等發達國家水平；鑄造企業的固廢、液廢及廢氣排放達到國家標準或地方標準；在“十一五”基礎上，單位產量能耗降低20%，單位產量排污降低15%；舊砂再生回用率達90%以上；35%鑄造企業達到《鑄造行業清潔生產標準》。表1 為我國鑄造行業“十二五”節能減排目標。

表1 我國鑄造行業“十二五”節能減排目標

2.2 鑄造行業準入條件

為加強行業管理，促進鑄造行業節能減排和轉型升級，推進鑄造行業健康有序協調發展，更好地為裝備制造業服務，2013 年5 月，國家工業和信息化部發布了《鑄造行業準入條件》。主要內容如下。

（1）新建廠規模。鑄鐵不低于10 000 噸，鑄鋼不低于8 000噸，鋁合金不低于3 000噸。

（2）生產工藝。企業應根據生產鑄件的材質、品種、批量，合理選擇低污染、低排放、低能耗、經濟高效的鑄造工藝，不得采用粘土砂干型/芯、油砂制芯、七砂制型/芯等落后鑄造工藝。

（3）生產設備。現有鑄造企業沖天爐的熔化率應大于3 噸/小時，新（擴）建鑄造企業沖天爐的熔化率應大于5 噸/小時，不得采用無芯工頻感應電爐、0.25 噸及以上無磁扼的鋁殼中頻感應電爐、鑄造用燃油加熱爐。爐前應配置必要的化學成分分析、金屬液溫度測量裝備，并配有相應有效的通風除塵、隔音降噪、除煙設備與系統。采用舊砂處理設備，舊砂的回用率應達到：水玻璃砂（再生）≥60%，呋喃樹脂自硬砂（再生）≥90%，堿酚醛樹脂自硬砂（再生）≥70%，粘土砂≥95%。

（4）能 源 消 耗。企 業 應 根 據 GB/T 15587-2008 建立能源管理系統，噸鑄鐵的綜合能耗≤440 kgce/t（ce－標準煤）；噸鑄鋼的綜合能耗≤560 kgce/t。

3 鑄造綜合節能減排的新方法研究與工程示范

實踐中發現，顯性節能減排技術措施容易想到，但是隱性節能減排技術措施難以想到。實際上，鑄造工藝過程較復雜應該作為系統工程考慮，顯性和隱性的節能減排技術措施同樣重要，只有實施綜合節能減排才能取得最佳效果。在廣東省重大科技專項的支持下，筆者及合作者對鑄造綜合節能減排的理論與方法進行了較系統、深入的研究，研究了“鑄件成品率與單位產品能耗關系模型”和“鑄造技術節能措施貢獻率分析模型”，提出了整套綜合節能和綜合減排技術優化方案，針對典型鑄造企業，運用提出的理論模型結合先進技術及設備的集成創新，建立了“鑄鐵廠綜合節能技術”和“鑄鋼廠綜合減排技術”示范工程，并取得了十分顯著的社會、環境和經濟效益[12]。

3.1 鑄造節能潛力分析

3.1.1 鑄件成品率與單位產品能耗關系（簡化）模型

提出了一種“鑄件成品率與單位產品能耗關系（簡化）模型”，評估典型鑄鐵生產的能耗狀況[2，12-13]。它揭示了提高鑄件質量、提高產品的成品率、降低廢品率是實現鑄造行業節能的核心內容。由該模型計算得到的成品率提高與單位能耗降幅R 的關系，如圖1 所示。從圖1中可以看出，在原有成品率F0一定的條件下，單位能耗的降幅R隨著成品率提高幅度（ΔF）的增加而增大；同時，當成品率提高幅度（ΔF）一定時，原有技術水平（F0）越低，則單位能耗的降幅R越大，對降耗的作用也越大，即在原有低成品率水平下，通過技術進步提高成品率，達到的節能效果很顯著。

圖1 成品率提高與單位能耗降幅的關系

目前，我國的鑄造工藝技術水平與發達國家相差較大，通過提高工藝技術水平的節能潛力很大，并且無需投入大量的設備改造。

3.1.2 節能技術貢獻率分析模型

建立了一種“節能技術貢獻率分析模型”，用來定量分析不同的典型節能技術和設備對降低鑄造能耗的貢獻率[12-14]。它的意義在于，揭示了提高鑄造的節能水平不僅要應用顯性節能技術措施，如提高耗能設備和能源消耗環節的能源利用效率，還要注重應用隱形節能技術措施，如采用消失模近凈成形技術、計算機優化與控制技術等，為鑄造節能技術的集成和優化提供了理論依據。

實證分析選用國內鑄鐵行業平均能耗水平為研究對象，以沖天爐熔煉、砂型鑄造、熱處理、機加工等為主要工藝和設備的一般典型鑄鐵生產企業為參比；研究采用的節能措施為中頻感應爐熔煉技術、鑄態球鐵技術、消失模近凈成形技術、計算機優化與控制技術。結果表明，不同節能技術措施的節能貢獻率分別為：鑄態球鐵技術（顯性）39.4%，中頻感應爐熔煉技術（隱性）29.8%，消失模近凈成形技術（隱性）19.5%，計算機優化與控制技術（隱性）11.3%。在鑄造節能中，鑄態球鐵技術，中頻感應爐熔煉技術的節能貢獻率大（如圖2所示）。

圖2 各節能措施的節能貢獻率

3.2 鑄造綜合節能減排技術應用與示范[12]

“綜合節能技術”示范工程建設在廣東順德中天創展球鐵有限公司。該企業專門從事球鐵、蠕鐵、灰鑄鐵及特殊性能鑄鐵生產，生產能力達5萬噸/年，鑄鐵年產量目前在廣東省排第一位。項目實施前，該企業每生產一噸合格鑄鐵件需耗用539 kgce/t，是能源消耗大、節能潛力大的典型鑄鐵企業。在示范工程中，采用了中頻感應熔煉爐設備和熔煉技術，提高了能源利用效率；廢鋼（屑）直接熔煉；鑄態大斷面球墨鑄鐵質量強化，通過合金化和球化處理新工藝，鑄態力學性能大幅度提高，可直接使用，省去了熱處理工序；消失模鑄造凈近成形技術，提高材料利用率；計算機輔助鑄造工藝設計等先進節能設備和新技術集成，工藝成品率大幅提高，廢品率大幅下降。示范工程的鑄鐵件綜合能耗由原來的539 kgce/t降至198.5 kgce/t，達到國際先進水平的能耗指標。

“綜合減排技術”示范工程建設在廣東省韶鑄集團有限公司。該公司是中國最大的鑄鍛件專業生產企業之一，可生產單重55 噸以下的各種大型和中型鑄鋼件，年產量約6 萬噸鑄件。項目實施前，韶鑄集團公司（鑄鋼廠）排放的廢砂為5 萬噸/年，鋼渣為1.5 萬噸/年。在示范工程中，采用改性水玻璃砂、廢舊砂及電爐廢渣制備建筑砌塊、“半密閉罩＋屋頂罩＋變頻控制”煙塵捕集除塵、車間粉塵綜合治理等先進污染控制和綜合利用新技術集成，實現了80%以上舊砂回用，大幅度提高了電弧爐的煙塵捕集率；凈化后廢氣含塵濃度平均為13.3 mg/m3～16.6 mg/m3，優于國家標準《工業爐窯大氣污染物排放標準》（GB9078-1996）的排放限值（100 mg/m3）要求。

本成果還在一些企業得到推廣和應用，如廣東鍛壓機床廠、廣東佳明機械有限公司、東莞三聯機械有限公司。本成果已取得了顯著的節能減排效益（直接）：在2009 年至2012 年的3 年時間內，節能4.4 萬噸標準煤；減排二氧化硫31.0 萬（標準）m3；減排廢氣（煙塵）4 609 萬m3；減排廢渣14.4萬噸，其中廢渣綜合利用7.7萬噸。產生直接經濟效益1.86億元。

4 我國鑄造行業綜合節能減排對策[2，3，8，12-16]

我國鑄造行業節能減排的對策是：以提高鑄件質量、降低廢品率、減少消耗為中心的節能減排，以發展優質鑄件，提高性能和質量、降低廢品率、減少消耗為主攻方向，以發展先進成型技術、計算機技術應用、新材料技術，采用先進熔煉工藝與設備、造型工藝與設備，煙塵治理與廢渣綜合利用等技術集成和創新為主要手段，是先進技術、先進設備、先進管理的集成與創新。實現鑄造行業綜合節能減排的技術對策如圖3 所示。

對于鑄造行業的節能降耗，可以分為兩種途徑：一種是顯性的節能，可以通過設備的改進（提高設備的能源利用率）等措施來實現；另一種則是隱性的節能，即在單位產品質量的能耗指標上體現的節能，需要通過提高生產技術水平來實現。隱性節能措施不僅對能耗降低貢獻很大，同時提高了產品質量。

圖3 鑄造行業綜合節能減排的技術對策圖

對于鑄造行業的污染廢棄物的減排，也可分為兩種途徑：一是采用先進技術和設備來減少污染物的產生量；二是采用鑄造廢棄物的資源化處理新技術，減少排放量。

5 廣東省鑄造行業節能減排的發展戰略研究[17]

廣東省目前有黑色鑄造企業800 余家，年產鑄件1 萬噸以上的20 余家。鑄件總產量約180 萬噸左右，技術居全國平均水平。有色鑄造企業超過3 000 家，有色鑄件50 萬噸，技術水平居全國先進水平。按此估計，年產生粉塵約9 萬噸，廢氣1.8×105萬m3，廢砂、廢渣300萬噸左右。對比全省工業污染數據，全省工業廢氣產生量1358×105萬m3，工業煙塵產生量270萬噸，工業固體廢棄物產生量3 057萬噸，廣東省鑄造行業產生的廢砂、廢渣、煙塵量約占全省固體廢棄物產生量的10%左右。因此，廣東省鑄造行業的節能減排任重道遠。

本項研究以廣東省鑄造行業的節能減排為目標，針對廣東省鑄造行業污染嚴重的狀況，分析了其污染源，研究了國內外節能減排現狀、防止污染的趨勢，提出了廣東省節能減排的戰略重點、戰略目標，提出了需要發展的關鍵技術，并提出了相關的措施與建議。

戰略重點：（1）調整行業結構；（2）應用新技術及新工藝；（3）對生產全過程控制治理污染。

主要目標：（1）清潔生產技術開發與應用取得快速發展；（2）鑄造污染物的排放得到較好控制；（3）產業結構得到進一步改善，成為鑄造大省、強省。未來的鑄造工業要做到為裝備制造業提供優質、精密、形狀復雜的鑄件，同時又能做到材料和能源消耗少、污染低，節約能源和資源，實現可持續發展的行業。

主要途徑：（1）大力實施“4R” （減量化－Reduce、再利用－Reuse、再循環－Recycle 及再制造－Re-manufacture）發展戰略；（2）轉變末端治理為對生產全過程控制；（3）以系統工程方式解決鑄造工業的污染；（4）鑄造企業向集約化、專業化方向發展；（5）推行綠色鑄造，走清潔生產之路；（6）全省推廣應用節能減排新技術。

關鍵技術:（1）節能節材及少、無污染成形與改性技術；（2）新型潔凈近凈成形與改性技術；（3）成形及改性技術“三廢”治理及綜合利用技術。

措施和建議：（1）健全行業能源及污染排放標準，制定行業準入制度并嚴格執行；（2）促進企業向集群化、專業化方向發展，建立鑄造工業園區；（3）加大投入，大力發展、推廣及采用先進鑄造新技術、新工藝；（4）采用先進熔煉工藝與設備、造型工藝與設備，煙塵治理與廢渣綜合利用等技術；（5）建立鼓勵鑄造企業加大節能減排投入的相關優惠政策，利用稅收等政策加快淘汰能耗高、污染嚴重的設備；（6）加強質量監督，加大法律、法規的宣傳和執法力度；（7）省政府應設立相應的節能減排部門機構，下設鑄造行業分部，進行“產學研政”合作；（8）實現鑄造行業的持續發展，必須加強規范化和技術創新；（9）推廣應用鑄造企業清潔生產評價標準，為廣東省鑄造行業開展清潔生產提供技術支持和指導，促進鑄造行業節能減排更好的實施。

6 結束語

鑄造是制造業的基礎，同時也是制造業中的能耗大戶和污染嚴重的行業之一。鑄造行業作為耗能和污染物（特別是CO2）排放的主要部門，其節能減排受到了各國政府和業內人士的廣泛關注。節能減排是工業生存、發展的重大課題，也是區域經濟實現可持續發展的關鍵所在。我國鑄造行業總體技術較落后，能耗大、污染嚴重，同時節能減排的潛力很大。近年來，國家大力推行節能減排和循環經濟生產方式，出臺了一系列的政策和措施，我國《鑄造行業“十二五”發展規劃》和《鑄造行業準入條件》將節能減排作為重要內容和重要考核指標。要加快我國鑄造行業的產業和技術轉型升級，應用先進的節能減排方法以及先進的技術和設備集成創新，使我國的鑄造行業從鑄造大國走向鑄造強國，實現鑄造行業的可持續發展。

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