鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)特征指標(biāo)體系研究

王 營， 王 斌， 張利強(qiáng)， 文 武， 錢 蒙

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2. 北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司， 北京100120）

0 引言

裝備制造業(yè)是立國之本，興國之器，強(qiáng)國之基，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是實體經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。而鑄造行業(yè)為裝備制造業(yè)提供基礎(chǔ)零部件，廣泛用于航空、航天、汽車、石化、冶金、電力、造船、紡織等重點領(lǐng)域，是不可或缺的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。

鑄造成形是機(jī)械行業(yè)基礎(chǔ)制造工藝， 鑄造業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著一個國家的生產(chǎn)實力。鑄件在航空發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽車發(fā)動機(jī)、軌道交通等各類裝備中占有相當(dāng)大的比例， 對提高裝備主機(jī)性能至關(guān)重要。 自2000 年開始，我國已連續(xù)二十年占據(jù)世界鑄件產(chǎn)量首位，是世界鑄造大國，為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)，但我國在某些高端鑄件鑄造技術(shù)上仍然落后， 造成我國相關(guān)高端裝備發(fā)展滯后。 未來15 年是我國鑄造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)構(gòu)調(diào)整期和戰(zhàn)略機(jī)遇期，發(fā)展“優(yōu)質(zhì)、高效、智能、綠色”鑄造技術(shù)已成行業(yè)共識。

本文針對濕型砂鑄造、自硬砂鑄造以及熔模鑄造等3種典型鑄造工藝，研究工藝參數(shù)與資源消耗、環(huán)境負(fù)荷的影響規(guī)律，建立了鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型，確定了鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)， 建立了鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系， 為鑄造工藝綠色化提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)建模

1.1 鑄造工藝流程

鑄造是將通過熔煉的金屬液體澆注入鑄型型腔內(nèi)，經(jīng)冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制作過程。 鑄造是常用的制造方法，制造成本低，工藝靈活性大，可以獲得復(fù)雜形狀和大型的鑄件， 在機(jī)械制造中占有很大的比重，如機(jī)床占60%～80%，汽車占25%，拖拉機(jī)占50%～60%。

鑄造工藝可分為砂型鑄造工藝和特種鑄造工藝。 鑄造主要工藝過程包括：金屬熔煉、模型制造、澆注凝固和脫模清理等。 鑄造用的主要材料是鑄鋼、鑄鐵、鑄造有色合金（銅、鋁、鋅、鉛等）等。 鑄造工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 鑄造工藝流程圖

1.2 鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型

針對鑄造工藝方法繁多、工藝過程復(fù)雜、工序多等特點，分析了砂型鑄造和熔模鑄造的工藝機(jī)理，針對不同加工對象、不同工藝流程、不同工藝裝備等多種工藝場景，從工藝類型、工序流程以及環(huán)境負(fù)荷3 個維度建立工藝能源消耗、資源消耗、環(huán)境排放和職業(yè)安全等環(huán)境負(fù)荷單元數(shù)據(jù)項，分析不同工藝方法的工藝參數(shù)和資源環(huán)境負(fù)荷參數(shù)， 建立鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型， 如圖2所示。

定義P 為鑄造企業(yè)資源環(huán)境負(fù)荷特征值，ω 為不同維度下的權(quán)重系數(shù)，M 為不同維度下資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)，鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型為：

通過對標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)， 可以計算出特征值標(biāo)準(zhǔn)值P 標(biāo)準(zhǔn)，將計算出的實測值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，可以判斷出不同工藝、 不同工序及不同負(fù)荷對環(huán)境產(chǎn)生的影響是否超標(biāo)，后續(xù)可以通過改進(jìn)工藝進(jìn)行綠色化提升。

圖2 鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型示意圖

若P/P 標(biāo)準(zhǔn)＞1，表示對環(huán)境排放超標(biāo)，需要改進(jìn)；

若P/P 標(biāo)準(zhǔn)＜1，表示滿足環(huán)評標(biāo)準(zhǔn)，可以保持；

若P/P 標(biāo)準(zhǔn)=1，表示符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可以保持。

2 鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 鑄造工藝場景分析

鑄造工藝場景由輸入物料、能源、設(shè)備、關(guān)鍵工藝參數(shù)和場景描述組成。 鑄造用的主要原材料是鑄鋼、鑄鐵、鑄造有色合金（銅、鋁、鋅、鉛等）。 鑄造工藝能耗主要表現(xiàn)在三個方面：①金屬的熔煉，采用沖天爐、電爐、燃?xì)鉅t等熔煉設(shè)備；②鑄件后處理，采用熱處理爐、清理設(shè)備、焊補(bǔ)及噴涂等設(shè)備，使用的能源形式主要為電力、燃油和天然氣等；③砂型制作，主要包括混砂、造型、熱法制芯及型殼焙燒，主要用能設(shè)備包括混砂機(jī)、砂再生設(shè)備、造型機(jī)、制芯機(jī)及焙燒爐等，使用的能源形式主要為電力、燃油和天然氣等。 其中能耗最高的是金屬的熔煉。

鑄造工藝所用設(shè)備包括沖天爐、 落砂機(jī)、 震動脫殼機(jī)、砂回用處理機(jī)、拋丸機(jī)及退火爐等，鑄造所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷主要包括粉塵、 顆粒物、 揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、二氧化硫、氮氧化物、三乙胺、固廢、噪聲等。

鑄造工藝場景參數(shù)化流程圖如圖3 所示。

圖3 鑄造工藝場景參數(shù)化流程圖

工藝場景由工藝類型、資源、能源、設(shè)備、關(guān)鍵工藝參數(shù)和場景描述確定其唯一性。 工藝場景的數(shù)據(jù)分為輸入和輸出兩部分組成。 工藝場景要素含義如表1 所示，工藝場景要素分析如圖4 所示。

表1 工藝場景要素含義

圖4 工藝場景要素分析

基于上述鑄造工藝場景分析建立鑄造工藝IPO 圖，用于分析細(xì)分工藝輸入輸出指標(biāo)。 鑄造工藝場景IPO 圖如圖5 所示。

針對文中所選取的濕型砂鑄造、 自硬砂鑄造以及熔模鑄造等3 種典型鑄造工藝， 根據(jù)已構(gòu)建的資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系模型，經(jīng)過指標(biāo)篩選，分別建立由2 項一級指標(biāo)，5 項二級指標(biāo)及10 項三級指標(biāo)組成的具體指標(biāo)體系，如圖6 所示。

圖5 鑄造工藝場景IPO 圖

圖6 鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

2.2 濕型砂鑄造資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

濕型砂鑄造是以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，液態(tài)金屬在重力下充填鑄型來生產(chǎn)鑄件的鑄造方法。鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。 由于砂型鑄造所用的造型材料價廉易得，鑄型制造簡便，對鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)，長期以來，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝。

濕型砂鑄造環(huán)境負(fù)荷主要指標(biāo)如圖7 所示， 資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系如圖8 所示。

圖7 濕型砂鑄造環(huán)境負(fù)荷主要指標(biāo)

圖8 濕型砂鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

2.3 自硬砂鑄造資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

自硬砂鑄造主要用于澆鑄中、大型鑄件。 型砂和砂型的質(zhì)量都比較容易控制，為了防止烘干時鑄型開裂，一般在加入膨潤土的同時還加入普通粘土。 自硬砂鑄造主要靠涂料保證鑄件表面質(zhì)量。 其型砂和砂型的質(zhì)量比較容易控制，但是砂型生產(chǎn)周期長，需要專門的烘干設(shè)備，鑄件尺寸精度較差。

自硬砂鑄造環(huán)境負(fù)荷主要指標(biāo)如圖9 所示， 資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系如圖10 所示。

圖9 自硬砂鑄造環(huán)境負(fù)荷主要指標(biāo)

圖10 自硬砂鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

2.4 熔模鑄造資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

熔模鑄造通常是指在易熔材料制成模樣， 在模樣表面包覆若干層耐火材料制成型殼， 再將模樣熔化排出型殼，從而獲得無分型面的鑄型，經(jīng)高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。由于模樣廣泛采用蠟質(zhì)材料來制造，故常將熔模鑄造稱為“失蠟鑄造”。 可用熔模鑄造法生產(chǎn)的合金種類有碳素鋼、合金鋼、耐熱合金、不銹鋼、精密合金、永磁合金、軸承合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和球墨鑄鐵等等。熔模鑄造工藝過程較復(fù)雜，且不易控制，使用和消耗的材料較貴，故它適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高、或很難進(jìn)行其它加工的小型零件，如渦輪發(fā)動機(jī)的葉片等。

熔模鑄造環(huán)境負(fù)荷主要指標(biāo)如圖11 所示，資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系如圖12 所示。

圖11 熔模鑄造環(huán)境負(fù)荷主要指標(biāo)

圖12 熔模鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系

3 鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)數(shù)值表達(dá)式

3.1 指標(biāo)特征值

（1）資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)值表達(dá)式如下：

式中：M負(fù)荷—基礎(chǔ)原材料數(shù)據(jù)、輔料數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)能源數(shù)據(jù)、 排放數(shù)據(jù)等4 項資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)值；Ci—采集時間內(nèi)指標(biāo)的產(chǎn)生量；Gi—采集時間內(nèi)產(chǎn)品總量 （或原輔材料總量/燃料總量）；一般按單位時間（或采集時間）內(nèi)的產(chǎn)品產(chǎn)量，也可以按原材料總量或燃料總量，單位根據(jù)鑄造行業(yè)特點來決定，可以是長度、質(zhì)量、體積、面積等；λi—資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)權(quán)重。 若樣本數(shù)據(jù)來源不同（實測數(shù)、歷史實測數(shù)、模擬數(shù)據(jù)），則權(quán)重可以由不同來源數(shù)據(jù)的原始樣本數(shù)目比例、 數(shù)據(jù)差異性和質(zhì)量保證等確定。 權(quán)重總和為1。

（2）不同工藝特征指標(biāo)值表達(dá)式如下：

式中：M工藝—濕型砂鑄造、自硬砂鑄造、熔模鑄造等3種工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)值；Ci—采集時間內(nèi)指標(biāo)的產(chǎn)生量；Gi—采集時間內(nèi)產(chǎn)品總量（或原輔材料總量/燃料總量）；一般按單位時間（或采集時間）內(nèi)的產(chǎn)品產(chǎn)量，也可以按原材料總量或燃料總量， 單位根據(jù)鑄造行業(yè)特點來決定，可以是長度、質(zhì)量、體積、面積等；ρi—不同工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)權(quán)重。 權(quán)重總和為1。

（3）不同工序特征指標(biāo)值表達(dá)式如下：

式中：M工序—熔煉、造型、制芯、澆注等不同工序資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)值；Ci—采集時間內(nèi)指標(biāo)的產(chǎn)生量；Gi—采集時間內(nèi)產(chǎn)品總量 （或原輔材料總量/燃料總量）；一般按單位時間（或采集時間）內(nèi)的產(chǎn)品產(chǎn)量，也可以按原材料總量或燃料總量，單位根據(jù)鑄造行業(yè)特點來決定，可以是長度、質(zhì)量、體積、面積等；εi—不同工序資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)權(quán)重。 權(quán)重總和為1。

（4）廢氣排放量。

定義Ei為鑄造企業(yè)內(nèi)廢氣的排放量，則E總表示某一工序或某幾個工序的廢氣經(jīng)處理后的總排放量， 即某一工序或某幾個工序廢氣的產(chǎn)生量經(jīng)處理（或未經(jīng)處理）后的量之和。 位于出口a 的廢氣排放量Ea由下式計算：

則該鑄造企業(yè)廢氣的總排放量由下式計算：

E總=Ea+Eb+…+Ei

式中：ωi—工段i 廢氣特征值；Mi—工段i 廢氣特征值對應(yīng)的原料或輔料消耗量；ηi—工段i 末端治理設(shè)施的平均治理（去除）效率，若該工段無末端治理設(shè)施，則ηi=0；ki—工段i 末端治理設(shè)施的實際運行系數(shù)，若該工段無末端治理設(shè)施，則ki=0。

（5）固體廢物產(chǎn)生量。

定義Es為鑄造企業(yè)固體廢物產(chǎn)生量。

該鑄造企業(yè)固體廢物的產(chǎn)生量由下式計算：

Es=δ·P

式中：δ—固體廢物特征值；P—δ 對應(yīng)的產(chǎn)品量。

（6）危險廢物產(chǎn)生量。

定義Ed為鑄造企業(yè)危險廢物產(chǎn)生量。

該鑄造企業(yè)危險廢物的產(chǎn)生量由下式計算：

Ed=α·P

式中：α—危險廢物特征值；P—α 對應(yīng)的產(chǎn)品量。

（7）權(quán)重確定方法。

因目前鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系處于初步構(gòu)建階段，不同地區(qū)、不同企業(yè)、不同工藝、采集方法不盡相同，尚未形成成熟指標(biāo)體系，故采用逐級等權(quán)法確定權(quán)重。 即3 項一級指標(biāo)權(quán)重分別為1/3，該一級指標(biāo)下所有二級指標(biāo)權(quán)重相等。 如“環(huán)境負(fù)荷”一級指標(biāo)下的2 項二級指標(biāo)權(quán)重均為1/3×1/2=1/6。

3.2 指標(biāo)分配策略

針對鑄造工藝特點，指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集從設(shè)備級開始進(jìn)行，對于難以直接獲取的數(shù)據(jù)，可以從車間級或工廠級采集數(shù)據(jù)總量， 根據(jù)分配策略分級計算出各層級指標(biāo)數(shù)據(jù)。指標(biāo)分配策略如表2 所示。

表2 指標(biāo)分配策略

4 結(jié)語

研究分析了鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系的建立過程，分析典型鑄造工藝參數(shù)與資源消耗、環(huán)境負(fù)荷的影響規(guī)律，建立了鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型；確定了鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)， 建立了一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)蔫T造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系， 可以適用于各種典型鑄造工藝。

（1）按照不同的鑄造工藝流程維度，從設(shè)備到工序、到生產(chǎn)線、到車間、到工廠的不同層級維度，以及從能源消耗、資源消耗到環(huán)境排放和職業(yè)安全等負(fù)荷維度，分析每個維度對環(huán)境產(chǎn)生的影響， 建立鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)元模型。

（2）基于鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)模型，分析資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，研究不同工藝方法的工藝參數(shù)與能源、資源、環(huán)境負(fù)荷參數(shù)之間的映射關(guān)系，及對環(huán)境影響程度，確定鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)， 建立鑄造工藝資源環(huán)境負(fù)荷特征指標(biāo)體系。