砂型鑄造工藝資源和環境負荷評價研究

鄭孟超， 吳進軍， 李晶瑩， 王 營

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

0 引言

當前環境問題日益凸顯， 全球各國對傳統制造工業的污染問題愈發重視。 鑄造作為一種傳統的金屬成型工藝，既在制造工業領域中占據舉足輕重的地位，同時也是資源消耗與環境污染問題的重要源頭。 據統計， 中國2020 年鑄件產量已達5195 萬t，同比增長6.6%，已連續21 年居世界首位。 然而鑄造行業發展模式仍然較為粗放，環保治理與安全生產仍相對薄弱[1]。

為了減少鑄造過程對資源和環境負荷的影響， 提升鑄造業的綠色化水平， 國內外學者從節能減排、 環境影響、 除塵凈化等各方面對鑄造工藝的的環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，通過工藝優化設計平均節約了21%～24%的工藝碳排放[2]。 朱瑩對砂型鑄造廢氣凈化系統進行了改造設計并進行實例應用[3]。 王婷婷對鑄造企業各生產工序顆粒物排放開展研究，總結出鑄造企業清潔生產減排潛力[4]。 熊小琦則針對山西鑄造行業的大氣污染物進行了排放特征及治理措施的研究[5]。 目前有關研究主要集中在鑄造工藝某一類型的環境影響， 缺少對砂型鑄造工藝過程資源和環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境負荷綜合影響差別數據不夠。

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境負荷評價指標體系，計算得出指標權重，采用生命周期評價方法計算兩種砂型鑄造工藝資源和環境負荷數據并依據評價指標體系進行資源和環境負荷的綜合評價， 評價結果進一步提升對于鑄造工藝資源和環境負荷綜合影響的認識，識別鑄造工藝關鍵環節，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境負荷評價指標體系研究

1.1 砂型鑄造工藝流程及環境影響要素分析

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，其主要的工序環節有混砂、造型、制芯、合箱、熔煉、澆注、冷卻、開箱、落砂、拋丸、清理等。依據其工藝機理，將砂型鑄造工序過程總結為熔煉、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；在澆注環節，主要是人工或者澆注機將熔煉過的鐵水澆入砂箱內，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。

砂型鑄造生產過程具有排放環節多、投入材料多、能源消耗大、排放污染物嚴重的特征，其各環節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境負荷評價指標體系構建

基于上述典型鑄造工藝分析， 砂型鑄造生產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境負荷的影響， 選取以下指標評價典型鑄造工藝資源和環境負荷。 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。 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。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。 水體富營養化（Eutrophication Potential，EP）主要評估含有N、P 等元素的物質對水質污染的影響潛值。 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生化學反應生成臭氧等污染物對環境的影響潛值。 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過程對資源消耗、環境負荷、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境影響程度，覆蓋了礦產、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過程中對于資源和環境負荷的影響情況。

圖1 評價指標體系

1.3 評價綜合指數計算

德爾菲調查法（Delphi Method）是一種利用匿名函詢形式集中業內專家意見的統計方法， 該方法能夠較好地綜合領域內專家的集體智慧， 集中行業專家的豐富專業經驗，獲得較為科學統計結果。 為確定各項指標權重，本文采用Delphi 法以調研問卷形式對鑄造行業專家、 高校相關領域教授、鑄造企業資深技術人員開展調研，統計各專家對典型鑄造工藝資源和環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據，發放并回收問卷20 余份，有效問卷20 份。 依據調研數據，計算獲得指標權重，權重計算方法如式（1）。

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

表3 指標權重

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

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

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

（3）根據各指標基準值對評價結果進行歸一化，獲得各指標無量綱化評價結果。

（4）依據各指標權重與無量綱化評價結果，采用線性加權法計算獲得綜合評價結果。 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果與指標權重。

（5）依據綜合評價結果對典型鑄造工藝資源和環境負荷情況進行對比分析，做出結果解釋，識別環境負荷影響較大環節，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）是一種評價產品、工藝或活動的原材料獲取、產品生產、運輸、銷售、使用、維護直到最終處置整個生命周期產生的潛在環境影響的系統化環境管理工具[7]。

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

評價系統邊界應包括鑄造生產過程的所有環節。 根據上文研究，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制造、加工形成合格成品出廠的全部生產過程。 其中原材料與輔助材料包含其開采過程， 開采過程數據使用中國生命周期核心數據庫（CLCD）[8]，生產過程數據則根據企業實際生產過程進行實地采集與調研獲取。

2.2 清單分析

依據企業實際生產過程調研數據，靜壓鑄造工藝與V法鑄造工藝生產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果

評價結果分析主要是對清單分析數據與生命周期評價結果進行定性或定量的評價與解釋。基于指標體系研究，主要考慮對資源消耗、 對環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果。

靜壓鑄造工藝生命周期評價結果見圖2，V 法鑄造工藝生命周期評價結果見圖3。

圖2 靜壓鑄造工藝評價結果

圖3 V 法鑄造工藝評價結果

3 典型砂型鑄造工藝綜合評價

3.1 綜合評價結果

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

表6 基準值

表7 靜壓鑄造綜合評價結果表

表8 V法鑄造綜合評價結果表

3.2 典型鑄造工藝綜合評價對比分析

根據典型鑄造工藝的綜合評價結果， 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重于此過程進行，主要從減少輔助材料消耗、采用節能工藝、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境指標上幾乎可忽略不計，主要的環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果相差22%， 是兩種工藝數據結果差別的主要來源。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境負荷。

從資源消耗、環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果更低。 這與三方面因素有關， 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劑的使用，有效減少了造型過程對資源和環境方面的影響。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境負荷上的影響更大。三是本文所研究的靜壓鑄造工藝產品以橋殼、輪殼為主，V 法鑄造工藝產品以平衡重類大型件為主，前者材質等要求高于后者，在工藝過程中體現為熔煉與清理等環節的更高的技術要求，也在一定程度上影響了該工藝對于資源與環境負荷的影響。

綜上所述，兩種典型砂型鑄造工藝生產過程的資源和環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，該過程改進中應關注排放廢氣的收集與處理。在生產全過程上V 法鑄造工藝比靜壓鑄造工藝對資源和環境負荷影響更小。

4 結束語

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境影響因素。基于生命周期評價理論，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，構建了典型鑄造工藝資源和環境負荷評價指標體系。 從資源消耗、對環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境負荷綜合影響評價，依據評價結果進行量化對比分析。 熔煉過程為產生資源和環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。